KR20170102293A - Multicomponent materials having a classification structure for lithium ion batteries, a method for manufacturing the same, an anode of a lithium ion battery and a lithium ion battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료, 그의 제조 방법, 리튬 이온 배터리의 양극 및 리튬 이온 배터리를 제공한다. 본 발명에서 제공하는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 하기 식 (I)의 평균 조성을 가진다:
LiNixCoyMnzGdO2 (I)
(식 중, 0.4≤x≤0.9, 0≤y+z≤0.6, 0≤d≤0.1, x+y+z+d=1, G는 Li, Cr, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Y, Sm, Ti, Zn, Zr, V, Nb, Ta, Mo 및 W 원소 중 하나 이상을 포함하고, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료에서 Ni 원소의 함량은 입자의 중심으로부터 입자의 표면으로 연속적으로 감소한다). 본 발명이 제공하는, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료를 사용하는 리튬 이온 배터리는 향상된 사이클 성능 및 안전 성능을 가질 뿐 아니라, 비교적 저비용이다.The present invention provides a multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery, a method for manufacturing the same, an anode of a lithium ion battery, and a lithium ion battery. The multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention has an average composition of the following formula (I)
LiNi x Co y Mn z G d O 2 (I)
Mg, Ca, Sr, Ba, and Z are selected from the group consisting of Li, Cr, Fe, The content of Ni element in the multi-component material including at least one of B, Al, Y, Sm, Ti, Zn, Zr, V, Nb, Ta, Mo and W, Continuously decreasing from the center to the surface of the particle). A lithium ion battery using the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention has not only improved cycle performance and safety performance, but also is relatively inexpensive.
Description
본 발명은 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료, 이의 제조 방법, 리튬 이온 배터리의 양극 및 리튬 이온 배터리에 관한 것으로서, 리튬 이온 배터리의 기술 분야에 속한다.The present invention relates to a multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery, a method of manufacturing the same, an anode of a lithium ion battery, and a lithium ion battery, and belongs to the technical field of a lithium ion battery.
리튬 이온 배터리는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 전동 공구 및 전기 자동차 분야에서 지배적인 용도를 가지며, 현대 사회에서 더욱 광범위하게 적용되고 있다. 대용량 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 높은 안전성, 높은 에너지 밀도, 높은 전력, 긴 수명, 환경친화적 및 저비용의 리튬 이온 배터리를 개발할 시급한 요구가 존재한다. Lithium-ion batteries have a dominant use in mobile phones, notebook computers, power tools and electric vehicles, and are becoming more widely used in modern society. As demand for large capacity lithium ion batteries grows, there is an urgent need to develop high safety, high energy density, high power, long life, environmentally friendly and low cost lithium ion batteries.
양극 재료는 리튬 이온 배터리의 성능 및 가격면에서 핵심 요소이다. 현재 양극 재료는 LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2, LiNixCoyMn1 -x- yO2, LiMn2O4 및 LiFePO4를 주성분으로 하고 있으며, LiCoO2는 성능이 안정적이고 합성이 용이하여 상업화에 성공한 최초의 물질이며, 요즘 널리 사용되고 있는 양극 활물질이다. 제한된 Co 자원은 재료의 높은 비용을 초래하여 일부 신흥 시장에서의 그 적용을 제한한다. LiNiO2는 고용량이지만 생산이 어렵고, 그 성능은 일관성 및 재현성이 낮고 심각한 안전 문제가 있다. LiNiCo1 - xO2는 LiNiO2와 LiCoO2의 고용체(solid solution)로 간주될 수 있으며, LiNiO2와 LiCoO2 양쪽의 장점으로 LiCoO2를 대체할 가능성이 가장 큰 새로운 양극 재료로서 한때 생각되었지만, 어려운 합성과 낮은 안전성과 같은 결점을 가지기 때문에 그 종합적인 성질에는 여전히 개선의 여지가 존재한다. 입방 스피넬 구조의 LiMn2O4는 저비용임에도 불구하고 낮은 용량 및 열화 경향과 같은 단점을 갖는다. 그리고 올리빈 구조의 LiFePO4는 저전압 및 저밀도와 같은 단점을 가지고 있다.The anode material is a key factor in the performance and cost of lithium ion batteries. Current cathode material LiCoO 2, LiNiO 2, LiNi x Co 1 - has as its main component, and the x O 2, LiNi x Co y Mn 1 -x-
층상 구조는 Li+의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션에 바람직하기 때문에, 저비용의, 보다 환경 친화적이며 더 우수한 성능을 갖는 층상 구조의 양극 재료가 개발되기를 소망한다. 최근에는 니켈이 풍부한 양극 물질(적층된 LiNixCoyMn1-x-yO2)에 대한 연구가 LiNiO2, LiCoO2, LiMn2O4 및 기타 재료의 장점, 예를 들어 고용량, 우수한 사이클 성능, 뛰어난 비율(속도) 성능 및 열적 안정성을 조합한다는 점에서, 점차 각광을 받고 있어서, 광범위한 상업적 응용 분야에 사용될 수 있는 높은 가치를 지니고 있다.Since the layered structure is preferable for the reversible intercalation / deintercalation of Li + , it is desired that a cathode material of a layered structure having low cost, environmentally friendly and superior performance is developed. In recent years, studies on nickel-rich cathode materials (stacked LiNi x Co y Mn 1-xy O 2 ) have demonstrated the advantages of LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 and other materials such as high capacity, It is increasingly popular in that it combines excellent rate (speed) performance and thermal stability, and has a high value for use in a wide range of commercial applications.
적층된 LiNixCoyMn1 -x- yO2에서, Ni 함량의 증가는 비용량(specific capacity)을 개선할 수 있는데, 예를 들어 LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2의 가역 용량은 약 190 mAh/g에까지 이를 수 있다. 이는 LiCoO2 (약 145 mAh/g) 보다 매우 높다. 그러나 그 사이클 성능과 안전 성능은 다소 감소하여, 실용적인 적용에는 제한이 있다. In stacked LiNi x Co y Mn 1 -x- y O 2 , an increase in the Ni content can improve the specific capacity, for example, LiNi 0 . 8 Co 0 . 1 Mn 0 . The reversible capacity of 1 O 2 can reach up to about 190 mAh / g. This is much higher than LiCoO 2 (about 145 mAh / g). However, the cycle performance and safety performance are somewhat reduced, and practical application is limited.
우선, 상기 니켈계 양극 물질은 충방전이 반복되는 동안 체적 변화에 수반되는 결정 구조의 극적인 상전이를 겪게 되어, 결정층의 공간이 부분적으로 붕괴되어 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션을 방해하고, 그 결과 분극 저항의 증가뿐만 아니라 사이클 성능의 감소를 초래한다. 종래 기술에서, 니켈이 풍부한 양극 물질의 합성 조건을 최적화함으로써 상기 문제점을 해결하려는 시도가 있었으나, 결과가 만족스럽지 못한 것으로 판명되었다. 그 이유는 제조된 니켈이 풍분한 양극 재료가 가열 중에 상전이 및 리튬 결핍상의 분해뿐만 아니라, 결정 구조의 상전이를 근본적으로 방지할 수 없기 때문에, 반복되는 충방전 사이클로 인한 심각한 열화의 문제를 해결할 수 없기 때문이다. First, the nickel-based cathode material undergoes a dramatic phase transition of the crystal structure accompanied by volume change during repeated charging and discharging, and the space of the crystal layer is partially collapsed to interfere with the intercalation / deintercalation of lithium ions , Resulting in an increase in polarization resistance as well as a decrease in cycle performance. In the prior art, attempts have been made to solve the above problems by optimizing the synthesis conditions of the nickel-rich cathode material, but the results have proved unsatisfactory. The reason for this is that the produced cathode material can not fundamentally prevent the phase transition of the crystal structure as well as the phase transition and decomposition of the lithium deficiency phase during heating and thus can not solve the problem of severe deterioration due to repeated charge and discharge cycles Because.
둘째, 상기 니켈이 풍부한 양극 물질을 제조하는 과정에서 니켈과 리튬이 혼합된 상태로 배열될 확률이 높아지고, 반응 후에 입자간 및 입자의 표면상에 잔류하는 Li의 양이 증가하게 된다. Li2CO3 및 LiOH의 형태로 존재하는 잔류 Li는 보관 또는 재생(리사이클) 중에 분해되어 CO2와 같은 가스를 발생시킬 수 있으며, 배터리 팽창 및 고온에서 안전성을 악화시킬 수 있다.Secondly, in the process of manufacturing the nickel-rich cathode material, the probability that nickel and lithium are arranged in a mixed state increases, and the amount of Li remaining on the surface of the particles and the particles after the reaction increases. Residual Li present in the form of Li 2 CO 3 and LiOH may be decomposed during storage or recycling (recycle) to generate a gas such as CO 2 , which may worsen the safety of battery expansion and high temperature.
중국 특허 출원 CN1778003호는 화학식 Liy(NixCo1-2xMnx)O2 (여기서, 0.025≤x≤0.5)로 나타내는 조성을 갖는 양극 물질을 개시하고, 사이클 성능 및 안전 성능은 양호하지만, 니켈 함량이 낮기 때문에, 비용량(specific capacity)이 낮다. 중국 특허 출원 CN101300696호는 화학식 Lix(Ni1-a-b(Ni1/2Mn1/2)aCobAk)yO2 (여기서, 0.4≤Ni≤0.7, 0.1≤Co≤0.4, 0.05≤Mn≤0.6)으로 나타내는 조성을 갖는 또 다른 양극 재료를 개시한다. 니켈 함유량 및 비용량 둘다는 어느 정도 향상되지만, 사이클 성능 및 안전 성능이 불량하다. Chinese Patent Application CN1778003 discloses a general formula Li y (Ni x Co 1-2x Mn x)
본 발명은 리튬 이온 배터리용 구배 구조(gradient structure)를 갖는 다성분 재료를 제공한다. 다성분 재료로 제조된 리튬 이온 배터리는 고용량, 개선된 사이클 성능 및 안전 성능 및 비교적 낮은 비용을 갖는다.The present invention provides a multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery. Lithium ion batteries made of multicomponent materials have high capacity, improved cycle performance and safety performance and relatively low cost.
또한, 본 발명은 공정이 간단하고 비용이 저렴하고 연속성이 있어 산업 생산에 적합한 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 상기 다성분 재료의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery, which is simple in process, low in cost, and continuous and suitable for industrial production.
본 발명은 또한 상기 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로 제조된 리튬 이온 배터리의 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode of a lithium ion battery made of a multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery.
본 발명은 또한 상기 리튬 이온 배터리의 양극을 포함하며, 고용량이고 사이클 성능 및 안전 성능이 우수한 리튬 이온 배터리를 제공한다.The present invention also provides a lithium ion battery including a positive electrode of the lithium ion battery and having a high capacity and excellent cycle performance and safety performance.
본 발명에 의해 제공된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 식 (I)에 나타낸 평균 조성을 갖는다:The multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention has the average composition shown in formula (I)
LiNixCoyMnzGdO2 식 (I)LiNi x Co y Mn z G d O 2 The formula (I)
상기 식에서, 0.4≤x≤0.9, 0≤y+z≤0.6, 0≤d≤0.1, x+y+z+d=1, G는 Li, Cr, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Y, Sm, Ti, Zn, Zr, V, Nb, Ta, Mo 및 W 원소 중 1종 이상이며, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료에서, Ni 원소의 함량은 입자의 중심에서부터 표면까지 연속적으로 감소한다.Wherein G is at least one element selected from the group consisting of Li, Cr, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, B In the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery, the content of the Ni element is at least one selected from the group consisting of Al, Y, Sm, Ti, Zn, Zr, V, Nb, Ta, Mo, From surface to surface.
본 발명에 의해 제공되는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 구형 입자이며; Ni 원소의 함유량은 입자의 중심에서 표면으로 연속적으로, 그리고 증가하지 않고(monotonically) 감소한다. 이 구배 Ni 함유량을 갖는 입상의 양극 재료에서는 그 중심이 높은 Ni 함유량을 가지기 때문에, 양극 재료의 높은 비용량에 대한 요구를 달성할 수 있고, 한편, 입자 표면의 Ni 함유량이 비교적 적기 때문에, 입자 표면의 전극 반응이 약하기 때문에, 양극 재료의 사이클 성능 및 안전성의 성능에 대한 요구를 동시에 만족시킬 수 있다. 또한, 입상물 중의 Ni 원소의 함유량이 중심으로부터 표면으로 연속적으로 변화하기 때문에, 전극 반응시에 Ni 원소의 함유량이 급격히 저하되어 입상 물질이 성층(stratification)을 일으키지 않아, 양극 재료로부터 제조된 전극의 안전성을 더욱 보증할 수 있다.The multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention is spherical particles; The content of Ni element decreases continuously (monotonically) from the center of the particle to the surface. Since the granular cathode material having this gradient Ni content has a high Ni content at its center, a high specific capacity of the cathode material can be achieved. On the other hand, since the Ni content of the particle surface is relatively small, It is possible to simultaneously satisfy the demand for the performance of cycle performance and safety of the cathode material. In addition, since the content of the Ni element in the granular material continuously changes from the center to the surface, the content of the Ni element is abruptly lowered during the electrode reaction and the granular material does not cause stratification, Safety can be further assured.
또한, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 중앙경은 3 내지 25 ㎛이고, 입자 크기에 관한 중앙경은 즉 50 %의 분포 백분율에 상응하는 입자 크기이며, 이는 실제로 요구되는 대로 구체적으로 조정되어야 한다. 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 탭 밀도는 1.5-3.0 g/cm3이다. 또한, 본 발명이 제공하는 양극 재료로부터 제조된 배터리는, 종래의 양극 재료에 비해, 동일한 배터리 용량으로 더 큰 용량을 가지며, 이는 리튬 이온 배터리의 경량 생산에 도움이 된다.In addition, the median diameter of the multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery is 3 to 25 占 퐉, and the median diameter for the particle size is a particle size corresponding to a distribution percentage of 50%, which must be specifically adjusted as required do. The tap density of a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery is 1.5-3.0 g / cm < 3 & gt ;. In addition, the battery made from the cathode material provided by the present invention has a larger capacity at the same battery capacity as compared with the conventional cathode material, which is useful for the lightweight production of the lithium ion battery.
본 발명이 제공하는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 Ni, Co, Mn 및 G 원소 중 하나 이상을 함유하는 금속염을 Ni 함유 금속염 용액에 서서히 첨가하여 침전제 및 착제와의 침전 반응을 거친 다음, 침전 생성물 및 리튬 원료를 산소 가스 함유 대기에서 소결시킨다.The multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention can be obtained by gradually adding a metal salt containing at least one of Ni, Co, Mn and G elements to a Ni-containing metal salt solution to precipitate and precipitate with a complex Next, the precipitated product and the lithium source are sintered in an oxygen gas-containing atmosphere.
또한, 본 발명은 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 상기 다성분 재료의 제조 방법은 다음의 단계를 포함한다:The present invention also provides a method of manufacturing a multi-component material having a gradient structure for a lithium-ion battery, comprising the steps of:
(1) Ni 함유 금속염을 물에 용해시켜 초기 염 용액을 제조하고, Ni, Co, Mn 및 G 원소 중 하나 이상을 함유하는 금속염을 물에 용해시켜 제2 염 용액을 제조하는 단계;(1) dissolving a Ni-containing metal salt in water to prepare an initial salt solution, and dissolving a metal salt containing at least one of Ni, Co, Mn and G elements in water to prepare a second salt solution;
(2) 교반하면서 초기 염 용액에 제2 염 용액을 서서히 첨가하여 혼합 염 용액을 얻은 다음, 혼합 염 용액, 착제 및 침전제를 동시에 반응기에 주입하고, pH치를 8 ~ 13, 반응 온도를 40 ~ 80 ℃, 반응 시간을 5 ~ 50 시간으로 조절하여 전구체 침전물을 얻은 후 여과, 세척 및 열처리한 후 구배 구조를 갖는 다성분 재료 전구체를 얻는 단계;(2) While stirring, gradually adding the second salt solution to the initial salt solution to obtain a mixed salt solution. Then, the mixed salt solution, the complex and the precipitant are simultaneously injected into the reactor, and the pH value is 8 to 13 and the reaction temperature is 40 to 80 And the reaction time is adjusted to 5 to 50 hours to obtain a precursor precipitate, followed by filtration, washing and heat treatment to obtain a multi-component precursor having a gradient structure;
(3) 구배 구조를 갖는 다성분 재료 전구체와 리튬 원료를 균일하게 혼합하고, 공기 또는 산소 가스의 반응 대기에서, 500 ~ 1100 ℃에서 4 ~ 30 시간 동안, 바람직하게는 700 ~ 1000 ℃에서 7 ~ 20 시간 동안 상기 혼합물을 소결시키고, 분쇄하여 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료를 얻는 단계. (3) mixing the multi-component material precursor having the gradient structure with the lithium source uniformly and heating the mixture at 500 to 1100 ° C for 4 to 30 hours, preferably at 700 to 1000 ° C, Sintering and pulverizing the mixture for 20 hours to obtain a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery.
이 공정에서, 혼합 염 용액 내의 Ni 원소의 농도는 제2 염 용액의 첨가와 함께 점진적으로 감소하고, 착제 및 침전제의 작용하에, 과립성(입상) 침전이 형성되고, 초기에 반응된 Ni는 입자의 중심에서 침전하는 한편, 그 후 반응하는 금속 원소는 입자의 주위를 따라 서서히 성장하여, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 상기 다성분 재료를 형성한다. 제2 염 용액의 점진적 첨가는 Ni 농도의 점진적인 감소로 이어지고, 따라서 제조된 재료 내의 Ni 원소의 함량은 입자의 중심에서 표면으로 연속적으로 감소한다.In this process, the concentration of the Ni element in the mixed salt solution gradually decreases with the addition of the second salt solution, and granular (granular) precipitation is formed under the action of the complexing agent and the precipitating agent, While the reacting metal elements then grow slowly along the periphery of the particles to form the multicomponent material with a gradient structure for the lithium ion battery. The gradual addition of the secondary salt solution leads to a gradual reduction of the Ni concentration, so that the content of Ni element in the produced material continuously decreases from the center of the particle to the surface.
또한, 초기 염 용액 R1은 Ni 이외의 원소, 예를 들어 Co, Mn 및 G 원소 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.Further, the initial salt solution R1 may contain at least one element other than Ni, for example, Co, Mn and G elements.
또한, 제2 염 용액 R2는, 혼합 염 용액을 반응기에 첨가하는 유속(유량)의 0.1-0.6 배의 유속(유량)으로 초기 염 용액에 첨가되고 교반된다. 즉, 반응기에 주입되는 혼합 염 용액의 유속을 v 라하면, 초기 염 용액으로 주입되는 제2 염 용액의 유속은 0.1v 내지 0.6v이다.Also, the secondary salt solution R2 is added and stirred into the initial salt solution at a flow rate (flow rate) of 0.1-0.6 times the flow rate (flow rate) at which the mixed salt solution is added to the reactor. That is, when the flow rate of the mixed salt solution injected into the reactor is v, the flow rate of the second salt solution injected into the initial salt solution is 0.1 to 0.6 v.
상기 방법에서, 금속염은 가용성 금속염, 예를 들어 황산염, 염화물, 질산염 및 아세테이트 중 하나 이상이다.In this method, the metal salt is at least one of soluble metal salts such as sulfate, chloride, nitrate and acetate.
착제(착화합물)는 EDTA, 암모니아수, 염화암모늄, 황산암모늄, 질산암모늄, 시트르산암모늄 및 에틸렌디아민 중 하나 이상이다. 총 금속염에 대한 착제의 비(착제:총 금속염의 몰비)는 착화 평형(complexation equilibrium) 또는 실제 요구의 원리에 따라 결정될 수 있으며, 예를 들어 총 금속염에 대한 착제의 몰비(착제:총 금속염의 몰비)는 통상 0.1:1-3:1이며, 여기서 총 금속염은 R1 및 R2에 함유된 금속염의 총 몰수를 의미한다.The complex (complex compound) is at least one of EDTA, ammonia water, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ammonium citrate and ethylenediamine. The ratio of the complex to the total metal salt (complex: mole ratio of the total metal salt) can be determined according to complexation equilibrium or the principle of the actual requirement, for example the molar ratio of the complex to the total metal salt (complex: ) Is usually 0.1: 1-3: 1, where the total metal salt means the total number of moles of metal salts contained in R1 and R2.
침전제는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 중탄산암모늄, 탄산암모늄, 중탄산나트륨 및 탄산나트륨 중 하나 이상과 같은 OH-, CO3 2- 등을 함유하는 화합물이며, 금속과 침전을 형성할 수 있다. 침전제 대 총 금속염의 비율은 반응 평형 또는 실제 요구의 원리에 따라 결정될 수 있는데, 예를 들어 침전제 대 총 금속염의 몰비는 일반적으로 1:1-2.5:1 일 수 있으며 전체 금속염은 R1 및 R2에 함유된 금속염의 총 몰수를 의미한다.The precipitant is a compound containing OH-, CO 3 2-, etc., such as one or more of sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, ammonium bicarbonate, ammonium carbonate, sodium bicarbonate and sodium carbonate, and can form precipitates with the metal. The ratio of the precipitant to the total metal salt can be determined according to the reaction equilibrium or the principle of the actual requirement, for example, the molar ratio of the precipitant to the total metal salt can generally be 1: 1-2.5: 1 and the total metal salt is contained in R1 and R2 Means the total number of moles of metal salt.
상기 제조 방법에서, 상기 단계 (2)에서의 열처리는 70 ~ 150 ℃에서 건조일 수 있으며, 또한 산소 가스 함유 대기에서 300 ~ 700 ℃에서 소결일 수 있다. In the above production process, the heat treatment in step (2) may be dry at 70 to 150 ° C or may be sintered at 300 to 700 ° C in an oxygen gas-containing atmosphere.
리튬 원료는 리튬 이온 배터리용 양극 재료를 제조하기 위해 통상적으로 사용되는 리튬 원료이고, 예를 들어 리튬 원료는 탄산리튬, 수산화리튬 및 질산리튬 중 하나 이상이다.The lithium source is a lithium source conventionally used for producing a cathode material for a lithium ion battery. For example, the lithium source is at least one of lithium carbonate, lithium hydroxide, and lithium nitrate.
본 발명은 또한 상기 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로 제조된 리튬 이온 배터리의 양극을 제공한다. 제조 방법은 선행 기술의 방법을 참고할 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 상기 다성분계 물질과 카본 블랙 및 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF)를 94%:3%:3%의 중량비로 배합하고 코팅하여 전극 판을 형성해서, 리튬 이온 배터리의 양극을 제조한다. The present invention also provides a positive electrode of a lithium ion battery made of a multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery. The manufacturing method can be referred to the method of the prior art. For example, the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery is mixed with carbon black and polyvinylidene fluoride (PVDF) in a weight ratio of 94%: 3%: 3% and coated to form an electrode plate, A positive electrode of a lithium ion battery is manufactured.
본 발명은 또한, 리튬 이온 배터리의 양극, 인조 흑연을 이용한 음극 및 상기 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 압연한 후, 전해질을 주입하여, 리튬 이온 배터리를 형성한다. 제조된 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 성능 및 안전성은 관련 기준에 따라 시험할 수 있다.The present invention also comprises rolling a separator between a positive electrode of a lithium ion battery, a negative electrode using artificial graphite, and a positive electrode and a negative electrode, and then injecting an electrolyte to form a lithium ion battery. The electrochemical performance and safety of the manufactured lithium ion batteries can be tested according to relevant standards.
본 발명은 다음과 같은 이점을 갖는다.The present invention has the following advantages.
1. 본 발명에 의해 제공되는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 니켈, 코발트, 망간 및 다른 원소의 특성을 완전히 이용하며, 여기서 Ni 원소의 함량은 중심에서부터 입자의 표면으로 연속적으로 감소하고; 제조된 전극은 높은 비용량 및 우수한 고온 사이클 성능 및 안전 성능을 갖는다.1. Multicomponent materials having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention fully exploit the properties of nickel, cobalt, manganese and other elements wherein the content of Ni element is continuously reduced from the center to the surface of the particle and; The prepared electrode has high non-capacity and excellent high temperature cycle performance and safety performance.
2. 본 발명이 제공하는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료에 있어서, 입상 다성분 재료의 Ni 원소의 함량이 내부로부터 외측으로 연속적으로 감소되어, 전극 반응 진행시에 성층(成層)을 효율적으로 회피한다.2. In a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention, the Ni element content of the granular multi-component material is continuously decreased from the inside to the outside, Avoid efficiently.
3. 본 발명이 제공하는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 간단한 제조 공정, 장비에 대한 낮은 요구 조건, 비교적 낮은 비용을 가지므로 산업화에 적합하다.3. The multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention is suitable for industrialization since it has a simple manufacturing process, a low requirement for equipment, and a relatively low cost.
도 1은 본 발명에 의해 제공되는 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 반응 공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 형태 2에 의해 제조된 다성분 재료에 대한 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 3은 도 2의 다성분 재료 입자의 단면의 전자 현미경 이미지이다.
도 4의 도 3의 단면에 대한 전자 현미경 이미지에 도시된 다성분 재료 입자의 중심으로부터 주변으로의 Ni, Co, Mn 원소에 대한 에너지 스펙트럼 선 스캐닝 이미지이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a reaction process of a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery provided by the present invention. FIG.
Fig. 2 is a scanning electron microscope image of the multi-component material produced by
3 is an electron microscope image of a cross section of the multicomponent material particle of FIG.
4 is an energy spectrum line scanning image of the Ni, Co, and Mn elements from the center to the periphery of the multicomponent material particles shown in the electron microscope image of the cross section of Fig.
본 발명의 실시 형태의 목적, 기술적 해결책 및 장점을 보다 명료하게 설명하기 위해, 본 발명의 실시 형태에서의 기술적 해결책은 실시 형태를 수반하는 도면과 관련하여 다음과 같이 명확하고 완전하게 설명될 것이다. 본 발명의 그리고 명백하게, 기술된 실시 형태는 본 발명의 모든 실시 형태가 아니라 일부일 뿐이다. 창의적인 노력 없이 본 발명의 실시 형태에 기초하여 당업자가 획득한 다른 모든 실시 형태는 본 발명이 청구하는 보호 범위에 속한다.In order to more clearly describe the objects, technical solutions and advantages of the embodiments of the present invention, the technical solutions in the embodiments of the present invention will be explained clearly and completely as follows with reference to the drawings accompanying the embodiments. It is to be understood that the embodiments of the invention and obviously, are not all embodiments of the invention, but only some of them. All other embodiments acquired by those skilled in the art based on the embodiments of the present invention without any creative effort are within the scope of protection claimed by the present invention.
실시 형태 1Embodiment 1
황산니켈을 용해시켜 1.5mol/L 초기 염 용액 R1 300L를 얻고; 황산코발트 및 황산망간을 0.5:0.5의 금속 몰비로 용해시켜 1.5mol/L의 제2 염 용액 R2를 얻고; 착제(complexant) C로서 5.0mol/L 암모니아 수용액 및 침전제 D로서 8mol/L 수산화나트륨 용액을 제조하고; 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다. Nickel sulfate was dissolved to obtain 300 L of a 1.5 mol / L initial salt solution R1; Dissolving cobalt sulfate and manganese sulfate in a metal molar ratio of 0.5: 0.5 to obtain a second salt solution R2 of 1.5 mol / L; 5.0 mol / L ammonia solution as complexant C and 8 mol / L sodium hydroxide solution as precipitant D; Place the initial salt solution R1 in a container with a stirrer.
제2 염 용액 R2를 교반하면서 유속 6.67L/h로 초기 염 용액 R1에 첨가하여 혼합 염 용액을 얻고; 그 후 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 반응을 위해 동시에 반응기 A에 첨가하는데, 여기서 혼합 염 용액을 반응기 A에 첨가하는 유속은 16.66L/h이고, 반응 공정을 도 1에 나타내며, 반응 pH를 11.3, 반응 온도를 50 ℃, 착제 암모니아수 대 총 금속염의 몰비를 1:1, 반응 시간을 30시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에서 반응을 수행하여, 전구체 침전물을 얻는다. Secondary salt solution R2 is added to initial salt solution R1 at a flow rate of 6.67 L / h with stirring to obtain a mixed salt solution; The mixed salt solution, the precipitant D and the complex C are then simultaneously added to the reactor A for the reaction, wherein the flow rate of the mixed salt solution to the reactor A is 16.66 L / h, the reaction process is shown in Figure 1, Is reacted under a nitrogen atmosphere while controlling the reaction temperature to 50 ° C, the molar ratio of ammonia water to the total metal salt to 1: 1, and the reaction time to 30 hours to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 120 ℃에서 건조시켜 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 수산화리튬과 1:1.05의 몰비로 완전히 혼합하고 공기 대기에서 890 ℃에서 10시간 유지한다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 분배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and dried at 120 캜 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium hydroxide in a molar ratio of 1: 1.05 and held at 890 占 폚 for 10 hours in an air atmosphere. Natural cooling, crushing and screening are performed to obtain spherical multicomponent materials having a distribution structure.
본 실시 형태에 의해 제조된 재료는 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2의 조성을 가지며, 입상 재료의 중심에서 Ni 원소의 함량은 100 몰%이고, Ni 원소의 함량은 내부로부터 외측으로 연속적으로 감소하며, 입상물은 구형이며; 시험시 중앙경(메디안경)은 15.3㎛, 탭 밀도는 2.55 g/cm3이다.The material produced by this embodiment is LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 , the content of Ni element in the center of the granular material is 100 mol%, the content of Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical; The median diameter (median glasses) was 15.3 탆 and the tap density was 2.55 g / cm 3 .
리튬 이온 배터리용 구배 구조를 가진 상기 다성분 재료에 카본 블랙 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 94%:3%:3%의 중량비로 배합하고, 코팅하여 전극판을 형성해서 리튬 이온 배터리의 양극, 음극으로 인조 흑연을 사용한 전극, 양극과 음극 사이의 격리 판을 제조하고, 이들을 압연한 후 전해액을 주입하여 053048 정사각형 알루미늄 쉘 배터리를 형성하는데, 이에 관해서는 특히 종래 기술의 제조 방법을 언급할 수 있다.The electrode plate was formed by mixing and blending carbon black and polyvinylidene fluoride (PVDF) in a weight ratio of 94%: 3%: 3% to the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery, An electrode using artificial graphite as an anode and a cathode, and a separator between an anode and a cathode are prepared, rolled, and then an electrolyte is injected to form a 053048 square aluminum shell battery. .
제조된 리튬 이온 배터리를 리튬 이온에 대한 국가 표준에 따른 전기 화학적 성능 및 안전 성능 시험, GB/T18287-2000에 따라 테스트한다. 테스트는 구체적으로 다음과 같다.The manufactured lithium ion battery is tested according to GB / T18287-2000, an electrochemical performance and safety performance test according to the national standard for lithium ions. Specifically, the test is as follows.
비 방전 용량Non-discharge capacity
0.2C5A 충전-방전 동안, 방전 상태에서 1 g의 양극 물질에 의해 방출된 용량의 단위는 mAh/g이다. 시험시, 본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 171 mAh/g의 비 방전 용량을 갖는다.0.2C 5 A During charge-discharge, the unit of capacity released by 1 g of anode material in the discharged state is mAh / g. In the test, the multi-component material having the gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment has a non-discharge capacity of 171 mAh / g.
1C5A 충전-방전 사이클1C 5 A Charge-Discharge Cycle
20±5℃에서1C5A에서 4.2V로 충전하고, 충전 전류 ≤0.01C5A가 될 때까지 정전압 충전으로 전환하고, 1C5A에서 2.75V로 방전하여 1 사이클을 형성한 후, 1C5A 충전/방전을 반복한다. 시험시, 본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 1C5A에서 100 시간의 충전-방전 사이클 및 상온에서 95 %의 용량 유지율 및 우수한 사이클 성능을 갖는다.At 20 ± 5 ℃ and charged to 4.2V at 1C 5 A, after switching to the constant voltage charging until the charging current ≤0.01C 5 A, and to 2.75V and discharged at 1C to form a first cycle at 5 A, 1C 5 A Charging / discharging is repeated. At the time of testing, the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured by this embodiment has a charge-discharge cycle of 100 hours at 1C 5 A, a capacity retention rate of 95% at room temperature, and excellent cycle performance.
1C5A에서의 고온 충전-방전 사이클High-temperature charge-discharge cycle at 1C 5 A
45±2 ℃에서 C5A에서 4.2V로 충전하고, 충전 전류 ≤0.01C5A가 될 때까지 정전압 충전으로 전환하고, 1C5A에서 2.75V로 방전하여 1 사이클을 형성한 후, 1C5A 충전/방전을 반복한다. 시험시, 본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 1C5A 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 45 ℃에서 100 사이클 후에 92 %의 용량 유지율을 가지며, 고온에서 양호한 사이클 성능을 갖는다.45 ± filled in 2 ℃ from C 5 A at 4.2V, and the switching to the constant voltage charging until the charging current ≤0.01C 5 A, and discharged at 1C to 2.75V 5 A after forming the first cycle, 1C 5 A Charging / discharging is repeated. During the test, the multi-component material that has a lithium ion battery 1C 5 A gradient structure for manufactured by the present embodiment has a capacity maintenance rate of 92% at 45 ℃ after 100 cycles, and has a good cycle performance at high temperatures.
85 ℃의 고온 보존 후의 배터리 두께의 변화율Rate of change in battery thickness after high temperature storage at 85 ° C
20±5 ℃에서 0.2C5A에서 4.2V로 충전하고, 충전 전류 ≤0.01C5A가 될 때까지 정전압 충전으로 전환하고, 1C5A에서 2.75V로 방전하여 1 사이클을 형성한 후, 1C5A 충전/방전 사이클 및 배터리가 3 번째 사이클에서 충전 상태로 순환될 때 배터리를 제거하여 초기 두께를 측정하고; 그 후 배터리를 85 ± 5 ℃에서 4 시간 동안 두었다가 두께를 측정하고; 상기 배터리의 두께 변화율을 계산한다. 시험시, 본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용의 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 85 ℃의 고온에서 4 시간 동안 보관한 후에 배터리 두께의 성장률이 6.7 %이고, 고온에서의 배터리 팽창이 작다.20 ± 5 ℃ charged in 0.2C at 5 A at 4.2V, and, after switching to the constant voltage charging until the charging current ≤0.01C 5 A, and discharged to 2.75V to form a first cycle at 1C 5 A, 1C 5 A < / RTI > charge / discharge cycles and when the battery is cycled from the third cycle to the charged state, the battery is removed to measure the initial thickness; The battery is then left at 85 ± 5 ° C for 4 hours and the thickness is measured; The rate of change of thickness of the battery is calculated. At the time of testing, the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery produced by this embodiment had a growth rate of the battery thickness of 6.7% after storage at a high temperature of 85 캜 for 4 hours, and the battery expansion at a high temperature was small .
150 ℃의 열풍 오븐에서 열충격Heat shock in a 150 ° C hot air oven
20±5 ℃에서 0.2 C5A에서 4.2V로 충전하고, 충전 전류 ≤0.01C5A가 될 때까지 정전압 충전으로 전환하고, 1C5A에서 2.75V로 방전하여 1 사이클을 형성한 후, 1C5A 충전/방전 사이클을 실시하고, 3 번째 사이클에서 충전 상태로 순환할 때, 배터리를 제거하여 오븐에 넣고 5 ℃/min의 승온 속도로 150 ℃까지 가열하고 150 ℃에서 배터리의 폭발 시간을 연구한다. 시험시, 본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는, 열풍 오븐에서 150 ℃에서의 열충격 시험 결과에 의해 입증된 바와 같이, 60 분 이내에 폭발 또는 균열이 없고 양호한 안전성을 갖는다.At 20 ± 5 ℃ and charged to 4.2V at 0.2 C 5 A, and then switch to constant voltage charging until the charging current ≤0.01C 5 A, and discharged to 2.75V to form a first cycle at 1C 5 A, 1C 5 A charging / discharging cycle was carried out. When the battery was circulated in the charging state in the third cycle, the battery was removed and heated in an oven at a heating rate of 5 ° C / min to 150 ° C. do. At the time of testing, the multicomponent material having a gradient structure for a lithium ion battery produced by this embodiment had no explosion or cracking within 60 minutes, as evidenced by the results of a thermal shock test at 150 DEG C in a hot air oven, Respectively.
상기 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiCoO2 (약 145 mAh)보다 훨씬 높은 170 mAh/g에 이르는 높은 비 방전 용량을 가지는 동시에, 다성분 재료는 우수한 고온 사이클 성능 및 안전 성능을 갖는다고 결론내릴 수 있다.The multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured by the above embodiment has a high non-discharge capacity of 170 mAh / g, much higher than LiCoO 2 (about 145 mAh) Performance and safety performance.
실시 형태 2
황산니켈, 황산코발트 및 황산망간을 0.87:0.06:0.07의 금속 몰비로 용해시켜 1.5 몰/L의 초기 염 용액 R1 225L를 수득하고, 황산코발트 및 황산망간을 금속 몰비 1:1.3으로 용해시켜 1.5mol/L 제2 염 용액 R2 35L를 얻고, 착제 C로서 5.0mol/L 암모니아 수용액과 침전제 D로서 8mol/L 수산화나트륨 용액을 제조하고, 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다.Nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate were dissolved in a metal molar ratio of 0.87: 0.06: 0.07 to obtain 225 mg of an initial salt solution R1 of 1.5 mol / L, and cobalt sulfate and manganese sulfate were dissolved at a metal molar ratio of 1: 1.3 to obtain 1.5 mol / L Secondary salt solution R2 35 L is obtained, and a 5.0 mol / L ammonia aqueous solution as complexing agent C and an 8 mol / L sodium hydroxide solution as precipitant D are prepared, and the initial salt solution R1 is put in a container with a stirrer.
교반하면서 1.16L/h의 유속으로 제1 염 용액 R1에 제2 염 용액 R2를 첨가해서 혼합 염 용액을 얻고; 반응을 위해 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 동시에 반응기 A에 첨가하고, 여기서 혼합 염 용액을 반응기 A에 첨가하는 유속은 8.67L/h이고, 반응 공정은 도 1에 나타내고, 반응 pH 11.3, 반응 온도 50 ℃, 착제 암모니아수 대 총 금속염의 몰비 1:1, 및 반응 시간 30 시간으로 조절하면서 반응을 질소 대기 보호하에서 수행해서, 전구체 침전물을 얻는다.Adding a second salt solution R2 to the first salt solution R1 with stirring at a flow rate of 1.16 L / h to obtain a mixed salt solution; The mixed salt solution, precipitant D and complex C are simultaneously added to reactor A for the reaction, wherein the flow rate at which the mixed salt solution is added to reactor A is 8.67 L / h, the reaction process is shown in Figure 1, The reaction is carried out under nitrogen atmosphere protection while adjusting the reaction temperature to 50 占 폚, the molar ratio of amphoteric ammonia to total metal salt to 1: 1, and the reaction time to 30 hours to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 110 ℃에서 건조시켜 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 수산화리튬과 1:1.05의 몰비로 완전히 혼합하고, 산소 가스 대기에서 10 시간 동안 890 ℃로 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and dried at 110 캜 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor was thoroughly mixed with lithium hydroxide in a molar ratio of 1: 1.05 and maintained at 890 DEG C for 10 hours in an oxygen gas atmosphere. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
실시 형태 1의 방법을 사용하여, 본 실시 양태에서 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로부터 양극을 제조하고, 양극을 053048 정사각형 알루미늄-셀 배터리로 가공한다. Using the method of Embodiment 1, a positive electrode is prepared from a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured in this embodiment, and the positive electrode is processed into a 053048 square aluminum-cell battery.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 77Co0 . 10Mn0 . 13O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 87mol %이고, Ni 원소 내부로부터 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상물은 구형이다. 시험시, 중앙경은 10.6㎛, 탭 밀도는 2.43g/cm3, 비 방전 용량은 183 mAh/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 90 %, 45 ℃에서 100 사이클 후의 용량 유지율은 88 %이고, 85±2 ℃의 고온에서 4 시간 보존 후의 배터리 두께의 성장 속도는 7.9 %이며, 열충격 시험 결과는, 150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분내에 폭발이나 균열을 보이지 않는다. The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 77 Co 0 . 10 Mn 0 . 13 O 2. The content of Ni element in the center of the granular material is 87 mol%, and continuously decreases from the inside of Ni element to the outside, and the granular material is spherical. When tested, the central 10.6㎛ diameter, tap density was 2.43g / cm 3, the non-discharge capacity is 183 mAh / g, 100 cycle charge at 1C5A - capacity retention ratio at room temperature and after-discharge cycle is 90%, and 100 cycles at 45 ℃ And the growth rate of the battery thickness after storage for 4 hours at a high temperature of 85 占 占 폚 was 7.9%. The thermal shock test result showed no explosion or cracking in the hot air oven at 150 占 폚 within 60 minutes.
또한, 도 2는 실시 형태 2에 의해 제조된 다성분 재료에 대한 주사 전자 현미경 이미지이다. 도 3은 도 2의 다성분 재료 입자의 단면의 전자 현미경 이미지이다. 도 4는 도 3의 단면에 대한 전자 현미경 이미지에 도시된 다성분 재료 입자의 중심으로부터 주변까지의 Ni, Co 및 Mn 원소의 에너지 스펙트럼 선 스캐닝 이미지이다. 도 2, 3, 및 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 의해 제조된 다성분 재료는 중심부에서 주변부로 Ni의 함유량이 연속적으로 그리고 증가없이 감소하고, Mn과 Co의 함유량이 중앙부로부터 주변부까지 연속적으로 증가한다. 2 is a scanning electron microscope image of a multicomponent material manufactured according to
실시 형태 3Embodiment 3
염화니켈, 염화코발트 및 염화망간을 금속 몰비 0.85:0.1:0.05로 용해시켜, 2 mol/L 초기 염 용액 R1 500 L을 얻고; 질산코발트, 황산망간 및 질산알루미늄을 0.52:0.05:0.43의 금속 몰비로 용해시켜 66.5L의 2mol/L의 제2 염 용액 R2 66.5L를 얻고; 착제 C로서 2mol/L 황산암모늄 용액을 제조하고, 이 때 착제 C 대 총 금속염의 몰비는 0.7:1이고; 침전제 D로서 5mol/L의 수산화칼륨 용액을 제조하고 이 때 침전제 D 대 총 금속염의 몰비를 2:1로 조절하고; 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다. Nickel chloride, cobalt chloride and manganese chloride were dissolved in a metal molar ratio of 0.85: 0.1: 0.05 to obtain 500 ml of a 2 mol / L initial salt solution; Cobalt nitrate, manganese sulfate and aluminum nitrate were dissolved in a metal molar ratio of 0.52: 0.05: 0.43 to obtain 66.5 L of 2 mol / L of a second salt solution R2 66.5 L; A 2 mol / L ammonium sulphate solution as complex C was prepared, wherein the molar ratio of complex C to total metal salt was 0.7: 1; A 5 mol / L potassium hydroxide solution was prepared as precipitant D, wherein the molar ratio of precipitant D to total metal salt was adjusted to 2: 1; Place the initial salt solution R1 in a container with a stirrer.
교반하면서 3.33L/h의 유속으로 제1염 용액 R1에 제2염 용액 R2를 첨가하여 혼합 염 용액을 얻은 후, 반응을 위해 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 동시에 반응기 A에 첨가한다. 이 때, 반응기 A에 첨가되는 혼합 염 용액의 유속은 28.32L/h이고, 반응 공정을 도 1에 나타내고, 반응 pH를 11.5, 반응 온도를 60 ℃, 반응 시간을 20 시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에 반응을 수행하여 전구체 침전물을 얻는다.The mixed salt solution, the precipitant D and the complex C are simultaneously added to the reactor A for reaction after adding the secondary salt solution R2 to the primary salt solution R1 with stirring at a flow rate of 3.33 L / h to obtain a mixed salt solution. In this case, the flow rate of the mixed salt solution to be added to the reactor A is 28.32 L / h. The reaction process is shown in FIG. 1, and the reaction temperature is adjusted to 11.5, the reaction temperature is 60 ° C., The reaction is carried out under protection to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및80 ℃에서 건조시켜 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 탄산리튬과 1:0.52의 몰비로 완전히 혼합한 후 산소 가스 대기에서 800 ℃에서 15 시간 동안 유지한다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and dried at 80 캜 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium carbonate in a molar ratio of 1: 0.52, and then maintained in an oxygen gas atmosphere at 800 DEG C for 15 hours. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
실시 형태 1의 방법을 사용하여, 본 실시 형태에서 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로부터 양극을 제조하고, 양극을 053048 정사각형 알루미늄 - 셀 배터리로 가공한다.Using the method of Embodiment 1, a positive electrode is manufactured from a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured in this embodiment, and the positive electrode is processed into a 053048 square aluminum-cell battery.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 75Co0 . 15Mn0 . 05Al0 . 05O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 85mol %이고, Ni 원소는 내부로부터 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상 재료는 구형이다. 시험시, 중앙경은 10.1㎛, 탭 밀도는 2.45 g/cm3, 비 방전 용량은 180 mAh/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 92 %, 45 ℃에서 100 사이클 후의 용량 유지율은 90 %이고, 85±2 ℃의 고온에서 4 시간의 보존 후의 배터리 두께의 성장 속도는 7.7 %이며, 열충격 시험 결과는 150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분내에 폭발이나 균열을 보이지 않는다.The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 75 Co 0 . 15 Mn 0 . 05 A1 0 . 05 O 2 , the Ni element content is 85 mol% at the center of the granular material, the Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical. At the time of the test, the capacity retention ratio at room temperature after 100 charge-discharge cycles at a center diameter of 10.1 탆, a tap density of 2.45 g / cm 3 , a non-discharge capacity of 180 mAh / g and 1 C 5 A was 92% The capacity retention rate after 100 cycles was 90%. The growth rate of the battery thickness after storage for 4 hours at a high temperature of 85 占 占 폚 was 7.7%. The thermal shock test result showed explosion or cracking in a hot air oven at 150 占 폚 within 60 minutes Do not.
실시 형태 4
질산니켈, 질산코발트 및 염화망간을 금속 몰비 0.8:0.1:0.1로 용해시켜 1.8mol/L 초기 염 용액 R1 1111L을 수득하고, 염화코발트, 황산망간, 질산알루미늄 및 염화마그네슘을 금속 몰비 0.5:0.366:0.107:0.027로 용해하여 1.8mol/L의 제2 염 용액 R2 667L을 얻고, 착제 C로서 10mol/L의 암모니아 수용액을 제조하고, 착제 C 대 총 금속염의 몰비는 0.8:1이고; 침전제 D로서 8mol/L 수산화나트륨 용액을 제조하고, 이 때 침전제 D 대 총 금속염의 몰비를 2.05:1로 조절하고, 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다.Manganese sulfate, aluminum nitrate, and magnesium chloride were mixed at a molar ratio of metal of 0.5: 0.366: 0.1: 0.1 to obtain 11.11 L of 1.8 mol / L initial salt solution R1, 0.107: 0.027 to obtain 667 L of a second salt solution R2 of 1.8 mol / L, and a 10 mol / L aqueous ammonia solution was prepared as Complex C, the molar ratio of complex C to total metal salt was 0.8: 1; An 8 mol / L sodium hydroxide solution is prepared as precipitant D, wherein the molar ratio of precipitant D to total metal salt is adjusted to 2.05: 1 and the initial salt solution R1 is placed in a vessel with a stirrer.
교반하면서 제1 염 용액 R1에 제2 염 용액 R2를 26.7L/h의 유속으로 첨가하여 혼합 염 용액을 얻은 후; 반응을 위해 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 반응기 A에 동시에 첨가하고, 여기서 반응기 A에 첨가되는 혼합 염 용액의 유속(유량)은 71.12L/h이고, 반응 공정은 도 1에 나타내고, 반응 pH를 11.5, 반응 온도를 55 ℃, 반응 시간을 25 시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에서 반응을 수행해서, 전구체 침전물을 얻는다.A second salt solution R2 was added to the first salt solution R1 with stirring at a flow rate of 26.7 L / h to obtain a mixed salt solution; The mixed salt solution, the precipitant D and the complex C are simultaneously added to the reactor A for the reaction, wherein the flow rate (flow rate) of the mixed salt solution added to the reactor A is 71.12 L / h, The reaction is carried out under a nitrogen atmosphere while adjusting the pH to 11.5, the reaction temperature to 55 ° C and the reaction time to 25 hours to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 100 ℃에서 건조하여 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 탄산리튬과 1:0.525의 몰비로 완전히 혼합하고, 공기 대기에서 950 ℃에서 16시간 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and dried at 100 占 폚 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium carbonate in a molar ratio of 1: 0.525 and held at 950 < 0 > C for 16 hours in an air atmosphere. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
실시 형태 1의 방법을 사용하여, 본 실시 양태에서 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로부터 양극을 제조하고, 양극을 053048 정사각형 알루미늄 - 셀 배터리로 가공한다.Using the method of Embodiment 1, a positive electrode is prepared from a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured in this embodiment, and the positive electrode is processed into a 053048 square aluminum-cell battery.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 50Co0 . 25Mn0 . 20Al0 . 04Mg0 . 01O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 80mol %이고, Ni 원소의 함유량은 내부로부터 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상물은 구형이다. 시험시, 중앙경은 9.9㎛, 탭 밀도는 2.46 g/cm3, 비 방전 용량은 158 mAh/g, 1C5A에서의 충전-방전 사이클 100 회 후의 상온에서의 용량 유지율은 96 %, 45 ℃에서 100 사이클 후의 용량 유지율은 93 %이고, 85±2 ℃의 고온에서 4 시간 보존 후의 배터리 두께의 성장 속도는 5.9 %이며, 열충격 시험 결과는150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분내에 폭발이나 균열을 보이지 않는다.The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 50 Co 0 . 25 Mn 0 . 20 Al 0 . 04 Mg 0 . 01 O 2 , the content of Ni element in the center of the granular material is 80 mol%, the content of Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical. The capacity retention rate at room temperature after 100 charge-discharge cycles at a center diameter of 9.9 탆, a tap density of 2.46 g / cm 3 , a non-discharge capacity of 158 mAh / g and 1 C 5 A was 96% The capacity retention rate after 100 cycles was 93%. The growth rate of the battery thickness after storage at a high temperature of 85 占 占 폚 for 4 hours was 5.9%. The thermal shock test result showed no explosion or cracking in the hot air oven at 150 占 폚 within 60 minutes .
실시 형태 5Embodiment 5
염화니켈, 황산코발트 및 황산망간을 0.7:0.15:0.15의 금속 몰비로 용해시켜 2몰/L 초기 염 용액 R1 250L로 하고, 황산알루미늄과 황산마그네슘을 금속 몰비로 0.5:0.5로 용해시켜 2 몰/L의 제2염 용액 R2 10.5 L를 얻고, 염화암모늄과 EDTA를 0.8:0.2의 몰비로 용해시켜 2 몰/L의 착제 C를 얻고, 총 금속염에 대한 착제 C의 몰비(착제 C:총 금속염)는 0.2:1이고; 침전제 D로서 7mol/L 수산화나트륨 용액을 제조하고 침전제 D와 전체 금속염의 몰비를 2.1:1로 조절하고 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다.Nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate were dissolved in a metal molar ratio of 0.7: 0.15: 0.15 to make 250 mol of the initial salt solution R1, and aluminum sulfate and magnesium sulfate were dissolved at a metal molar ratio of 0.5: 0.5 to prepare a 2 mol / L of a second salt solution R2 was obtained, and ammonium chloride and EDTA were dissolved at a molar ratio of 0.8: 0.2 to obtain 2 moles / L of complex C, and the molar ratio of the complex C to the total metal salt (complex C: total metal salt) Is 0.2: 1; Prepare a 7 mol / L sodium hydroxide solution as precipitant D, adjust the molar ratio of precipitant D to total metal salt to 2.1: 1, and place the initial salt solution R1 in a vessel with a stirrer.
교반하면서 0.7L/h의 유속으로 제1 염 용액 R1에 제2 염 용액 R2를 첨가하여 혼합 염 용액을 얻고; 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 반응기 A에 동시에 첨가하고, 이 때 반응기 A에 첨가되는 혼합 염 용액의 유속은 17.36L/h이고, 반응 공정은 도 1에 나타내고, 반응 pH를 12.4, 반응 온도를 60 ℃, 반응 시간을 15 시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에서 반응을 수행하여, 전구체 침전물을 얻는다.Adding a second salt solution R2 to the first salt solution R1 with stirring at a flow rate of 0.7 L / h to obtain a mixed salt solution; The mixed salt solution, the precipitant D and the complex C were simultaneously added to the reactor A, and the flow rate of the mixed salt solution added to the reactor A was 17.36 L / h. The reaction process is shown in FIG. 1, The reaction is carried out under the protection of nitrogen atmosphere while controlling the temperature to 60 DEG C and the reaction time to 15 hours to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 140 ℃에서 건조시켜 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 질산리튬과 1:1.03의 몰비로 완전히 혼합하고 산소 가스 대기에서 820 ℃로 12시간 동안 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and dried at 140 캜 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium nitrate in a molar ratio of 1: 1.03 and maintained at 820 占 폚 for 12 hours in an oxygen gas atmosphere. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
실시 형태 1의 방법을 사용하여, 본 실시 양태에서 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로부터 양극을 제조하고, 양극을 053048 정사각형 알루미늄 - 셀 배터리로 가공한다.Using the method of Embodiment 1, a positive electrode is prepared from a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured in this embodiment, and the positive electrode is processed into a 053048 square aluminum-cell battery.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 672Co0 . 144Mn0 . 144Al0 . 02Mg0 . 02O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 70 mol%이고, Ni 원소의 함유량은 내부에서 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상물은 구형이다. 시험시, 재료의 중앙경은 6.5㎛, 탭 밀도는 2.21 g/cm3, 비 방전 용량은 175 mAh/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 92 %, 45 ℃에서 100 사이클 후의 용량 유지율은 90 %, 85 ± 2 ℃의 고온에서 4시간 보존 후의 배터리 두께 증가율은 8.6 %이며, 열충격 시험 결과는, 150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분 이내에 폭발 또는 균열을 보이지 않는다. The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 672 Co 0 . 144 Mn 0 . 144 Al 0 . 02 Mg 0 . 02 O 2 , the content of Ni element in the center of the granular material is 70 mol%, the content of Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical. During the test, the center of the diameter 6.5㎛ material, tap density was 2.21 g / cm 3, the non-discharge capacity is 175 mAh / g,
실시 형태 6Embodiment 6
초기 염 용액 R1으로서 1.5mol/L 황산니켈 용액 667L를 제조하고, 황산코발트, 황산망간, 질산알루미늄, 황산마그네슘 및 질산이트륨을 0.375:0.3:0.1:0.1의 금속 몰비로 용해시킨다. 0.05mol/L의 제2 염 용액 R2 167L을 얻고, 착제 C로서 1mol/L의 에틸렌디아민 용액을 제조하고, 총 금속염에 대한 착제 C의 몰비는 0.2:1이고; 침전제 D로서 2 mol/L 탄산나트륨 용액을 제조하고 침전제 D와 전체 금속 염의 몰비를 1.1:1로 조절하고, 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다.667 L of a 1.5 mol / L nickel sulfate solution as an initial salt solution R1 was prepared, and cobalt sulfate, manganese sulfate, aluminum nitrate, magnesium sulfate and yttrium nitrate were dissolved in a metal molar ratio of 0.375: 0.3: 0.1: 0.1. 167 L of a second salt solution R2 of 0.05 mol / L is obtained, and 1 mol / L of an ethylenediamine solution is prepared as the complex C, the molar ratio of the complex C to the total metal salt is 0.2: 1; Prepare a 2 mol / L sodium carbonate solution as precipitant D, adjust the molar ratio of precipitant D to total metal salt to 1.1: 1, and place the initial salt solution R1 in a vessel with a stirrer.
교반하면서 4.18L/h의 유속으로 제1 염 용액 R1에 제2 염 용액 R2를 첨가해서 혼합 염 용액을 얻고; 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 반응기 A에 동시에 첨가하는데, 이 때 반응기 A에 첨가되는 혼합 염 용액의 유속은 20.85L/h 이며, 반응 공정은 도 1에 나타낸다. 반응 온도를 반응 pH를 9.0, 반응 온도를 45 ℃, 반응 시간을 40 시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에서 반응을 수행해서 전구체 침전물을 얻는다.Adding a second salt solution R2 to the first salt solution R1 with stirring at a flow rate of 4.18 L / h to obtain a mixed salt solution; Mixed salt solution, precipitant D and complex C were simultaneously added to reactor A, wherein the flow rate of the mixed salt solution added to reactor A was 20.85 L / h, and the reaction process is shown in FIG. The reaction is carried out under a nitrogen atmosphere while controlling the reaction temperature to 9.0, the reaction temperature to 45 ° C and the reaction time to 40 hours to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 500 ℃에서 소결하여 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체과 수산화리튬을 1:1.04의 몰비로 완전히 혼합하고, 산소 가스 대기에서 750 ℃로 15시간 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 가진 구형의 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and sintered at 500 < 0 > C to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor and lithium hydroxide were thoroughly mixed in a molar ratio of 1: 1.04 and maintained at 750 DEG C for 15 hours in an oxygen gas atmosphere. Natural cooling, crushing and screening are performed to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
실시 형태 1의 방법을 사용하여, 본 실시 양태에서 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로부터 양극을 제조하고, 양극을 053048 정사각형 알루미늄 - 쉘 배터리로 가공한다.Using the method of Embodiment 1, a positive electrode is fabricated from a multi-component material having a gradient structure for a lithium-ion battery manufactured in this embodiment, and the positive electrode is processed into a 053048 square aluminum-shell battery.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 80Co0 . 075Mn0 . 075Al0 . 02Mg0 . 02Y0 . 01O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 100mol %이고, Ni 원소의 함유량은 내부에서 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상물은 구형이다. 시험시, 중앙경은 24.5㎛, 탭 밀도는 2.73 g/cm3, 비 방전 용량은 184 mAh/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 91 %, 45 ℃에서의 100 사이클 후의 용량 유지율은 89 %이고, 85±2 ℃의 고온에서의 4 시간의 보존 후의 배터리 두께의 증가율은 8.0 %이며, 열충격 시험 결과는150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분내에 폭발이나 균열이 보이지 않는다.The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 80 Co 0 . 075 Mn 0 . 075 Al 0 . 02 Mg 0 . 02 Y 0 . 01 O 2 , the content of Ni element in the center of the granular material is 100 mol%, the content of Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical. When tested, the central 24.5㎛ diameter, tap density was 2.73 g / cm 3, the non-discharge capacity is 100 times of charging at 184 mAh / g, 1C 5 A - capacity retention ratio at room temperature and after-discharge cycle is at 91%, 45 ℃ , The capacity retention after 100 cycles was 89%, the rate of increase of the battery thickness after storage for 4 hours at a high temperature of 85 占 占 폚 was 8.0%, and the result of thermal shock test showed that explosion or cracking occurred within 60 minutes in a hot air oven at 150 占 폚 I can not see.
실시 형태 7Embodiment 7
염화니켈 및 황산코발트를 0.9:0.1의 금속 몰비로 용해시켜 1 mol/L의 초기 염 용액 R1 1000L를 수득하고, 황산코발트, 황산망간, 황산마그네슘 및 염화칼슘을 금속 몰비 0.2:0.6:0.1:0.1의 몰비로 용해시켜 1.0mol/L의 제2 염 용액 R2 250L를 얻고, 착제 C로서 1mol/L의 질산암모늄 용액을 제조하고, 총 금속염에 대한 착제 C의 몰비(착제 C:총 금속염)는 0.2:1이고; 침전제 D로서 3mol/L의 중탄산암모늄 용액을 제조하고, 침전제 D와 전체 금속염의 몰비를 1:1로 조절하고, 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣는다.Nickel chloride and cobalt sulfate were dissolved in a metal molar ratio of 0.9: 0.1 to obtain 1000 L of an initial salt solution R1 of 1 mol / L, and cobalt sulfate, manganese sulfate, magnesium sulfate and calcium chloride were mixed in a metal molar ratio of 0.2: 0.6: 0.1: 0.1 To prepare 250 ml of a second salt solution R2 of 1.0 mol / L and a 1 mol / L ammonium nitrate solution as the complexing agent C, the molar ratio of the complexing agent C to the total metal salt (complexing agent C: total metal salt) was 0.2: 1; A 3 mol / L ammonium bicarbonate solution is prepared as the precipitant D, the molar ratio of the precipitant D to the whole metal salt is adjusted to 1: 1, and the initial salt solution R1 is placed in a vessel equipped with a stirrer.
교반하면서 25L/h의 유속으로 제1 염 용액 R1에 제2 염 용액 R2를 첨가하여 혼합 염 용액을 얻고; 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 동시에 반응기 A에 첨가하고, 이 때 반응기 A에 첨가되는 혼합 염 용액의 유속(유량)을 125L/h로 하고, 반응 공정을 도 1에 나타낸다. 반응 pH를 8.7, 반응 온도를 40 ℃, 반응 시간을 10 시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에서 반응을 수행하여 전구체 침전물을 얻는다.Adding a second salt solution R2 to the first salt solution R1 with stirring at a flow rate of 25 L / h to obtain a mixed salt solution; The mixed salt solution, the precipitant D and the complex C are simultaneously added to the reactor A, and the flow rate (flow rate) of the mixed salt solution added to the reactor A at this time is set to 125 L / h. The reaction is carried out under a nitrogen atmosphere while controlling the reaction pH to 8.7, the reaction temperature to 40 ° C and the reaction time to 10 hours to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 600 ℃에서 여과, 세척 및 소결하여 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 수산화리튬과 1:1.04의 몰비로 완전히 혼합하고, 산소 가스 대기에서 800 ℃로 16시간 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and sintered at 600 ° C to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium hydroxide in a molar ratio of 1: 1.04 and maintained at 800 占 폚 for 16 hours in an oxygen gas atmosphere. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 72Co0 . 12Mn0 . 12Mg0 . 02Ca0 . 02O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 90mol %이고, Ni 원소의 함유량은 내부에서 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상물은 구형이다. 시험시, 재료의 중앙경은 7.3㎛, 탭 밀도는 2.33 g/cm3, 비 방전 용량은 177 mAh/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 93 %, 45 ℃에서의 100 사이클 후의 용량 유지율은 91 %이며, 85±2 ℃의 고온에서의 4 시간 보존 후의 배터리 두께 성장율은 7.4 %이며, 열충격 시험 결과는150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분 이내 폭발 또는 균열이 보이지 않는다. The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 72 Co 0 . 12 Mn 0 . 12 Mg 0 . 02 Ca 0 . 02 O 2 , the content of Ni element in the center of the granular material is 90 mol%, the content of Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical. During the test, the center of the diameter 7.3㎛ material, tap density was 2.33 g / cm 3, the non-discharge capacity is 177 mAh / g,
실시 형태 8Embodiment 8
초기 염 용액 R1으로서 1.5 mol/L 황산니켈 용액 667L를 제조하고, 황산코발트, 황산망간, 질산알루미늄, 황산마그네슘 및 질산이트륨을 0.375:0.3:0.1:0.1의 금속 몰비로 용해시켰다. 0.05 mol/L의 제2 염 용액 R2 167L를 얻고, 착제 C로서 5 mol/L의 암모니아 수용액을 제조하고, 총 금속염에 대한 착제 C의 몰비는 0.95:1이고; 침전제 D로서 8mol/L 수산화나트륨 용액을 제조하고, 침전제 D와 전체 금속 염의 몰비를 2.07:1로 조절하고, 초기 염 용액 R1을 교반기가 달린 용기에 넣었다.667 L of a 1.5 mol / L nickel sulfate solution as an initial salt solution R1 was prepared, and cobalt sulfate, manganese sulfate, aluminum nitrate, magnesium sulfate and yttrium nitrate were dissolved in a metal molar ratio of 0.375: 0.3: 0.1: 0.1. 167 L of a second salt solution R2 of 0.05 mol / L is obtained and an ammonia solution of 5 mol / L is prepared as complexing agent C, the molar ratio of the complexing agent C to the total metal salt is 0.95: 1; An 8 mol / L sodium hydroxide solution was prepared as precipitant D, the molar ratio of precipitant D to total metal salt was adjusted to 2.07: 1, and the initial salt solution R1 was placed in a vessel with a stirrer.
교반하면서 4.18L/h의 유속으로 제1 염 용액 R1에 제2 염 용액 R2를 첨가해서 혼합 염 용액을 얻고; 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 반응기 A에 동시에 첨가하고, 이 때 반응기 A에 첨가되는 혼합 염 용액의 유속(유량)은 20.85L/h 이이고, 반응 공정을 도 1에 나타내며, 반응의 pH를 12.1, 반응 온도를 50 ℃, 반응 시간을 40 시간으로 조절하면서고, 반응 공정을 도 1에 나타내며, 반응의 pH를 12.1, 반응 온도를 50 ℃, 반응 시간을 40 시간으로 조절하면서 질소 대기의 보호하에서 반응을 수행하여, 전구체 침전물을 얻는다.Adding a second salt solution R2 to the first salt solution R1 with stirring at a flow rate of 4.18 L / h to obtain a mixed salt solution; The mixed salt solution, the precipitant D and the complex C were simultaneously added to the reactor A, and the flow rate (flow rate) of the mixed salt solution added to the reactor A at this time was 20.85 L / h and the reaction process was shown in FIG. The pH of the reaction was adjusted to 12.1, the reaction temperature to 50 ° C and the reaction time to 40 hours, and the reaction process was shown in FIG. The reaction is carried out to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 130 ℃에서 건조시켜 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 수산화리튬과 1:1.04의 몰비로 완전히 혼합하고, 산소 가스 대기에서 760 ℃로 15시간 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다. The precursor precipitate is filtered, washed, and dried at 130 캜 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium hydroxide in a molar ratio of 1: 1.04 and maintained at 760 占 폚 for 15 hours in an oxygen gas atmosphere. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 8Co0 . 075Mn0 . 075Al0 . 02Mg0 . 02Y0 . 01O2의 조성을 가지며, 입상물의 중심에서 Ni 원소의 함량은 100 %이다. Ni 원소의 함유량은 내부에서 외측으로 연속적으로 감소하고, 입상물은 구형이다. 시험시, 재료의 중앙경은 12.2㎛, 탭 밀도는 2.60 g/cm3, 비 방전 용량은 187 mAh/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 90 %, 45 ℃에서의 100 사이클 후의 용량 유지율은 88 %, 85±2 ℃의 고온에서 4 시간의 보존 후의 배터리 두께의 성장률은 8.4 %이며, 열충격 시험 결과는150 ℃의 열풍 오븐에서 60 분 이내에 폭발이나 균열을 보이지 않는다. The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 8 Co 0 . 075 Mn 0 . 075 Al 0 . 02 Mg 0 . 02 Y 0 . 01 O 2 , and the content of Ni element in the center of the granular material is 100%. The content of Ni element continuously decreases from the inside to the outside, and the granular material is spherical. At the time of the test, the capacity maintenance ratio at room temperature after 90 cycles of 100 charge-discharge cycles at 1 C 5 A, 90% at 45 C, and 45% at 45 C was 12.2 μm, tap density was 2.60 g / cm 3 , 187 mAh / g non- The capacity retention rate after 100 cycles at 100 ° C was 88%. The growth rate of the battery thickness after storage at a high temperature of 85 ± 2 ° C for 4 hours was 8.4%. The thermal shock test result showed that explosion or cracking I can not see.
비교예Comparative Example
황산니켈, 황산코발트 및 황산망간을 0.6:0.2:0.2의 금속 몰비로 용해시켜 1.5 mol/L 혼합 염 용액 500L을 얻고, 착제 C로서5.0 mol/L 암모니아 수용액을, 침전제 D로서 8 mol/L 수산화나트륨 용액을 제조한 후, 혼합 염 용액, 침전제 D 및 착제 C를 반응기 A에 동시에 첨가하고, 이 때 반응기 A에 첨가하는 혼합 염 용액의 유속(유량)은 16.67L/h이고, 반응 pH는 11.3, 반응 온도는 50 ℃, 착제 암모니아 수용액 대 총 금속염의 몰비를 1:1, 반응 시간을 30 시간으로 조절하면서 반응을 질소 대기의 보호하에서 수행하여, 전구체 침전물을 얻는다.Nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate were dissolved in a metal molar ratio of 0.6: 0.2: 0.2 to obtain 500 L of a 1.5 mol / L mixed salt solution. A 5.0 mol / L aqueous ammonia solution was used as complexing agent C and 8 mol / After the sodium salt solution was prepared, the mixed salt solution, the precipitant D and the complex C were simultaneously added to the reactor A, and the flow rate (flow rate) of the mixed salt solution added to the reactor A at this time was 16.67 L / h and the reaction pH was 11.3 , The reaction temperature is 50 ° C, the molar ratio of the aqueous ammonia solution to the total metal salt is 1: 1, and the reaction time is 30 hours. The reaction is carried out under a nitrogen atmosphere to obtain a precursor precipitate.
상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 120 ℃에서 건조시켜 다성분 재료의 전구체를 얻는다. 전구체를 수산화리튬과 1:1.05의 몰비로 완전히 혼합하고 공기 대기에서 890 ℃로 10시간 유지시킨다. 자연 냉각, 분쇄 및 스크리닝을 수행하여 구배 구조를 갖는 구형 다성분 재료를 얻는다.The precursor precipitate is filtered, washed and dried at 120 캜 to obtain a precursor of a multi-component material. The precursor is thoroughly mixed with lithium hydroxide in a molar ratio of 1: 1.05 and maintained at 890 占 폚 for 10 hours in an air atmosphere. Followed by natural cooling, pulverization and screening to obtain spherical multicomponent materials having a gradient structure.
실시 형태 1의 방법을 사용하여, 본 실시 형태에서 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료로부터 양극을 제조하고, 양극을 053048 정사각형 알루미늄 - 쉘 배터리로 가공한다.Using the method of Embodiment 1, a positive electrode is manufactured from a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured in this embodiment, and the positive electrode is processed into a 053048 square aluminum-shell battery.
본 실시 형태에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2의 조성을 가지며, 입상 물질은 구형이다. 시험시, 중앙경은 15.6㎛, 탭 밀도는 2.56 g/cm3, 비 방전 용량은 170m Ah/g, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 사이클 후의 상온에서의 용량 유지율은 85 % 45 ℃에서 100 사이클 후의 용량 유지율은 70 %이며, 85±2 ℃의 고온에서 4 시간의 보존 후의 배터리 두께의 성장률은 14.5 %이며, 열충격 시험 결과는 150℃의 열풍 오븐에서 60 분이내에 폭발이나 균열을 보이지 않는다. The multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery manufactured by this embodiment is LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 , and the particulate material is spherical. When tested, the central 15.6㎛ diameter, tap density was 2.56 g / cm 3, the non-discharge capacity of 170m Ah / g,
상기 시험 데이터로부터, 비교예에 의해 제조된 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료는 외관상 낮은 비 방전 용량, 1C5A에서의 100 회 충전-방전 후 상온에서의 용량 유지율은 단지 85 %에 이르고, 45 ℃에서의 100 사이클 후의 용량 유지율은 70 %이기 때문에, 비교예의 다성분 재료의 상온 및 고온 사이클 성능 모두는 본 발명의 실시 형태에 의해 제조된 재료 보다도 낮고, 고온에서의 보존(보관) 성능 및 안전 성능도 나쁘다.From the above test data, the multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery manufactured by the comparative example had apparently low non-discharge capacity, capacity retention ratio at normal temperature after 100 charge-discharge cycles at 1C5A reached only 85% Since the capacity retention after 100 cycles at 45 캜 is 70%, both the room temperature and high temperature cycle performances of the multi-component materials of the comparative examples are lower than those of the materials produced by the embodiments of the present invention, Safety performance is also bad.
마지막으로, 상기 실시 형태들은 단지 본 발명의 기술적 해결책을 제한하기 위한 것이 아니라, 예시하기 위한 것임을 유념해야 하며; 본 발명은 상기 실시 형태를 참조하여 구체적으로 기술되었지만, 통상의 기술자는 전술한 실시 형태에 기재된 기술적 해결책의 전부 또는 일부에 대해 변형을 가할 수 있음을 이해할 것이며, 이들 변형 및 대체(치환)는 해당하는 기술적 해결책의 본질이 본 발명의 상기 실시 형태 중의 기술적 해결책의 범위를 벗어나게 하지 않을 것이다.Finally, it should be noted that the above embodiments are for illustrative purposes only, not for limiting the technical solution of the present invention; Although the present invention has been specifically described with reference to the above embodiments, it will be understood by those of ordinary skill in the art that modifications may be made to all or some of the technical solutions described in the foregoing embodiments, Will not deviate from the scope of the technical solution of the above-described embodiments of the present invention.
Claims (12)
상기 다성분 재료는 하기 식 (I)의 평균 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 다성분 재료.
LiNixCoyMnzGdO2 (I)
(식 중, 0.4≤x≤0.9, 0≤y+z≤0.6, 0≤d≤0.1, x+y+z+d=1, G는 Li, Cr, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Y, Sm, Ti, Zn, Zr, V, Nb, Ta, Mo 및 W 원소 중 하나 이상을 포함하고, 상기 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료에서 Ni 원소의 함량은 입자의 중심으로부터 입자의 표면으로 연속적으로 감소한다).As a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery,
Wherein the multicomponent material has an average composition of formula (I)
LiNi x Co y Mn z G d O 2 (I)
Mg, Ca, Sr, Ba, and Z are selected from the group consisting of Li, Cr, Fe, Wherein the content of the Ni element in the multi-component material having at least one of B, Al, Y, Sm, Ti, Zn, Zr, V, Nb, Ta, Mo and W, Lt; / RTI > to the surface of the particle).
상기 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 중앙경이 3 내지 25 ㎛이고, 탭 밀도가 1.5 내지 3.0 g/m3인, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료.The method according to claim 1,
A multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery, wherein the multi-component material having a gradient structure for the lithium ion battery has a center diameter of 3 to 25 탆 and a tap density of 1.5 to 3.0 g / m 3 .
상기 다성분 재료는 Ni, Co, Mn 및 G 원소 중 하나 이상을 함유하는 금속염을 Ni 함유 금속염 용액에 서서히 첨가하여, 침전제와 착제와의 침전 반응을 거친 후, 산소 가스 대기에서 침전 생성물과 리튬 원료를 소결시키는 것에 의해 얻어지는 것인, 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료.The method according to claim 1,
The multi-component material is prepared by gradually adding a metal salt containing at least one of Ni, Co, Mn and G elements to a Ni-containing metal salt solution, precipitating the precipitant with the complex, Wherein the multi-component material has a gradient structure for a lithium ion battery.
(1) Ni 함유 금속염을 물에 용해시켜 초기 염 용액을 제조하고, Ni, Co, Mn 및 G 원소 중 하나 이상을 함유하는 금속염을 물에 용해시켜 제2 염 용액을 제조하는 단계;
(2) 교반하면서 상기 초기 염 용액에 상기 제2 염 용액을 서서히 첨가하여 혼합 염 용액을 얻은 후, 혼합 염 용액, 착제 및 침전제를 동시에 반응기에 주입하고, pH 값을 8-13, 반응 온도를 40 ~ 80 ℃, 반응 시간을 5 ~ 50 시간으로 조절하여 전구체 침전물을 얻고, 상기 전구체 침전물을 여과, 세척 및 열처리한 후 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 전구체를 얻는 단계; 및
(3) 상기 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 전구체와 리튬 원료를 균일하게 혼합하고, 공기 또는 산소 가스의 반응 대기에서 500~1100 ℃에서 4~30 시간 동안 소결하고, 분쇄하여 리튬 이온 배터리용 구배 구조를 갖는 다성분 재료를 얻는 단계를 포함하는 제조 방법.A method for producing a multi-component material having a gradient structure for a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 3,
(1) dissolving a Ni-containing metal salt in water to prepare an initial salt solution, and dissolving a metal salt containing at least one of Ni, Co, Mn and G elements in water to prepare a second salt solution;
(2) The second salt solution is gradually added to the initial salt solution while stirring to obtain a mixed salt solution. Then, the mixed salt solution, the complex and the precipitant are simultaneously injected into the reactor, and the pH value is adjusted to 8-13 Obtaining a precursor precipitate by controlling the reaction time to 40 to 80 ° C and a reaction time of 5 to 50 hours to obtain a precursor of a multi-component material having a gradient structure by filtering, washing and heat-treating the precursor precipitate; And
(3) The precursor of the multi-component material having the above-mentioned gradient structure is uniformly mixed with the lithium source, sintered at 500 to 1100 DEG C for 4 to 30 hours in an air or oxygen gas atmosphere, pulverized, Lt; RTI ID = 0.0 > multi-component < / RTI >
상기 혼합 염 용액을 상기 반응기에 첨가하는 유속의 0.1-0.6 배의 유속으로 상기 초기 염 용액에 상기 제2 염 용액을 첨가하고 교반하는 것인, 제조 방법.5. The method of claim 4,
The second salt solution is added to the initial salt solution at a flow rate of 0.1-0.6 times the flow rate of the mixed salt solution added to the reactor and stirred.
상기 구배 구조를 갖는 다성분 재료의 전구체와 상기 리튬 원료를 균일하게 혼합하고, 공기 또는 산소 가스의 반응 대기에서 700 ~ 1000 ℃에서 7~20 시간 동안 열처리하고, 분쇄하여 상기 구배 구조를 갖는 다성분 재료를 얻는 것인, 제조 방법.5. The method of claim 4,
The precursor of the multi-component material having the above-mentioned gradient structure and the lithium source are uniformly mixed and heat-treated at 700 to 1000 ° C for 7 to 20 hours in a reaction atmosphere of air or oxygen gas and pulverized to obtain a multi- To obtain a material.
상기 금속염은 황산염, 염화물, 질산염 및 아세테이트 중 하나 이상인 것인, 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the metal salt is at least one of a sulfate, a chloride, a nitrate, and an acetate.
상기 착제는 EDTA, 암모니아수, 염화암모늄, 황산암모늄, 질산암모늄, 시트르산암모늄 및 에틸렌디아민 중 하나 이상이고, 상기 착제 대 상기 총 금속염의 몰비는 0.1:1-3.0:1인, 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the complex is at least one of EDTA, ammonia water, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ammonium citrate and ethylenediamine, and the molar ratio of the complex to the total metal salt is 0.1: 1-3.0: 1.
상기 침전제가 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 중탄산암모늄, 탄산암모늄, 중탄산나트륨 및 탄산나트륨 중 하나 이상이고, 상기 착제 대 총 금속염의 몰비는 1.0:1-2.5:1인, 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the precipitant is at least one of sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, ammonium bicarbonate, ammonium carbonate, sodium bicarbonate and sodium carbonate and the molar ratio of the complexing agent to the total metal salt is 1.0: 1-2.5: 1.
상기 원료는 카본 블랙 및 폴리불화비닐리덴을 더 포함하는 것인, 리튬 이온 배터리의 양극.11. The method of claim 10,
Wherein the raw material further comprises carbon black and polyvinylidene fluoride.
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