KR20170122000A - Novel precursor for cathode active material and preparing method thereof, and cathode active material using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 높은 비표면적과 우수한 전기전도도 특성을 갖는 신규 양극활물질 전구체 및 이의 제조방법, 상기 전구체를 포함하여 전기전도도 및 출력 특성이 개선된 이차전지용 양극활물질에 관한 것이다. The present invention relates to a novel cathode active material precursor having a high specific surface area and an excellent electric conductivity property, a method for producing the same, and a cathode active material for a secondary battery improved in electric conductivity and output characteristics including the precursor.
최근 전자기기의 소형화에 따라 고용량의 이차전지가 필요한 실정이며, 특히 니켈·카드뮴전지, 니켈·수소전지에 비하여 에너지 밀도가 높은 리튬 이차전지가 주목받고 있다. 2. Description of the Related Art In recent years, a secondary battery with a high capacity has been required due to miniaturization of electronic devices. In particular, lithium secondary batteries having higher energy density than nickel-cadmium batteries and nickel-hydrogen batteries have attracted attention.
리튬 이차전지의 양극활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 주로 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물인 LiNiO2의 사용도 고려되고 있다. 상기 양극활물질들 중 LiCoO2은 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 용량이 작고 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 전기자동차 등과 같은 중대형 전지분야의 동력원으로 대량 사용하기에는 가격 경쟁력에 한계가 있다. LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 원료로서 사용되는 망간 자원이 풍부하여 가격이 저렴하고, 환경 친화적이며, 열적 안전성이 우수하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 고온 특성 및 사이클 특성 등이 열악한 문제가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 이차전지의 양극활물질로서 니켈 리치 시스템(Ni rich system)의 수요가 늘어나기 시작하였다. 이러한 니켈 리치 시스템(Ni rich system)의 활물질은 고용량을 내는 우수한 장점을 가지고 있는 반면, 전해액과의 반응에 따른 전지 성능의 열화 현상이 나타나고 있다. Lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) is mainly used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and a lithium-containing manganese oxide such as LiMnO 2 having a layered crystal structure and LiMn 2 O 4 having a spinel crystal structure, The use of LiNiO 2 , which is a non-aqueous electrolyte, is also considered. Of the above cathode active materials, LiCoO 2 is most widely used because of its excellent life characteristics and charge / discharge efficiency. However, LiCoO 2 is expensive because of its small capacity and resource limitations of cobalt used as a raw material, so it is used as a power source for mid- Price competitiveness is limited. Lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 are advantageous in that they are rich in manganese resources used as raw materials, are inexpensive, environmentally friendly, and excellent in thermal stability. However, they have small capacity, high temperature characteristics, This is a poor problem. In order to overcome such disadvantages, demand for a nickel rich system (Ni rich system) as a cathode active material of a secondary battery has begun to increase. The active material of the Ni-rich system has excellent advantages in terms of high capacity, but deterioration of the battery performance due to the reaction with the electrolyte is appearing.
한편 전술한 리튬 복합 전이금속산화물계 양극활물질은 일반적으로 부도체(不導體) 성질을 갖는 복합전이금속 전구체와 리튬 전구체를 이용하여 고상합성법에 의해 제조된다. 이와 같이 제조된 양극활물질은 전기전도도가 높지 않기 때문에, 그 자체로 전지의 출력 특성을 높이는데 한계가 있다. 이를 해결하고자, 양극의 성분으로 전기전도성이 높은 도전재를 사용하거나 또는 기존 도전재의 사용량을 증가시키기도 하였으나, 이 경우 도전재의 사용량만큼 양극활물질의 사용량이 감소하므로 전지의 용량 저하가 필수적으로 초래된다. 따라서 양극활물질 자체의 전기전도성을 향상시키면서, 리튬 이차 전지의 전기 화학 성능을 향상시킬 수 있는 신규 구성의 양극활물질 개발이 절실히 요구되는 실정이다. On the other hand, the above-mentioned lithium complex transition metal oxide cathode active material is generally produced by a solid phase synthesis method using a complex transition metal precursor having a non-conductive property and a lithium precursor. The thus prepared cathode active material has a limitation in heightening the output characteristics of the battery itself because the electric conductivity is not high. In order to solve this problem, the conductive material having high electrical conductivity is used as a component of the anode, or the amount of the conductive material used is increased. In this case, however, the amount of the cathode active material is reduced by the amount of the conductive material. Therefore, there is an urgent need to develop a novel cathode active material capable of improving the electrochemical performance of a lithium secondary battery while improving the electrical conductivity of the cathode active material itself.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 절연성 복합전이금속 전구체를 사용하는 대신, 우수한 전기전도성과 높은 비표면적을 가진 신규 양극활물질 전구체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a novel cathode active material precursor having excellent electrical conductivity and high specific surface area, and a method for manufacturing the same, in place of the conventional insulating complex transition metal precursor The purpose.
또한 본 발명은 전술한 전기전도성 양극활물질 전구체와 리튬 전구체로부터 제조되어, 전지의 고출력 특성을 발휘할 수 있는 이차 전지용 양극활물질을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a cathode active material for a secondary battery, which is produced from the above-mentioned electroconductive cathode active material precursor and a lithium precursor and can exhibit high output characteristics of the battery.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복합전이금속 수산화물; 및 복합전이금속 산화물을 포함하며, 전기 전도도가 0.01 내지 0.1 mS/cm 범위인 양극활물질 전구체를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a composite transition metal hydroxide; And a complex transition metal oxide, and has an electric conductivity in the range of 0.01 to 0.1 mS / cm.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 양극활물질 전구체는 질소 흡착 BET법에 따라 측정되는 비표면적이 50 내지 200 m2/g 범위일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cathode active material precursor may have a specific surface area of 50 to 200 m 2 / g measured according to a nitrogen adsorption BET method.
또한 상기 양극활물질 전구체는 표면에 마이크로기공(micro porous)이 다수 존재하며, 10nm 미만의 기공 체적이 입자 중량당 10-3 내지 5×10-2 cm3/g·nm 범위일 수 있다. Also, the cathode active material precursor has a plurality of micropores on its surface, and the pore volume of less than 10 nm may be in the range of 10 -3 to 5 10 -2 cm 3 / g · nm per particle weight.
본 발명에 있어서, 상기 복합전이금속 수산화물과 복합전이금속 산화물은 서로 혼재(混在)되어 있거나, 또는 고용체(solid solution) 형태인 것이 바람직하다. In the present invention, the complex transition metal hydroxide and the complex transition metal oxide are preferably mixed or solid solution.
본 발명에 있어서, 상기 양극활물질 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 것이 바람직하다. In the present invention, the cathode active material precursor is preferably represented by the following general formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(MOx)A·(M(OH)2)B (MOx) A (M (OH) 2 ) B
상기 식에서, In this formula,
M은 NiaCobM'c 이며, M is Ni a Co b M ' c ,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal,
1 ≤ x ≤ 1.5, 0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이며, 1? X? 1.5, 0.6? A <1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, a + b + c =
A+B = 1이며, 0.5 ≤ A < 1.0, 0 < B ≤ 0.5이다. A + B = 1, 0.5? A < 1.0 and 0 < B? 0.5.
상기 화학식 1에서, M'는 Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, S, La 및 Y로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 또한 A는 0.6 이상, 1.0 미만이며, B는 0 초과, 0.4 이하인 것이 바람직하다. In the above formula (1), M 'is preferably at least one selected from the group consisting of Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, Also, A is preferably 0.6 or more and less than 1.0, and B is preferably more than 0 and not more than 0.4.
아울러, 본 발명은 전술한 양극활물질 전구체와 리튬 전구체를 포함하여 제조된 양극활물질을 제공한다.In addition, the present invention provides a cathode active material comprising the above-described cathode active material precursor and a lithium precursor.
본 발명에 있어서, 상기 양극활물질은 전체 전이금속 중 니켈(Ni) 함량이 60% 이상이며, 전기 전도도가 18 내지 40 mS/cm 범위인 것이 바람직하다. In the present invention, the positive electrode active material preferably has a nickel (Ni) content of 60% or more and an electrical conductivity of 18 to 40 mS / cm in the total transition metal.
나아가, 본 발명은 전술한 화학식 1로 표시되는 양극활물질 전구체의 제조방법을 제공한다. Further, the present invention provides a method for producing a precursor of a cathode active material represented by the above-mentioned formula (1).
보다 구체적으로, 상기 제조방법은 하기 화학식 2로 표시되는 복합전이금속 수산화물(Hydroxide)을 200~500℃의 온도로 0.5~10시간 동안 열처리하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. More specifically, the method may include the step of heat-treating the complex transition metal hydroxide represented by Formula 2 at a temperature of 200 to 500 ° C. for 0.5 to 10 hours.
[화학식 2](2)
M(OH)2 M (OH) 2
상기 식에서, In this formula,
M은 NiaCobM'c 이며, M is Ni a Co b M ' c ,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이다. M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal and a rare earth element, 1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, and a + b + c = 1.
본 발명에 있어서, 상기 화학식 1에 따른 복합전이금속 산화물(A)와 복합전이금속 수산화물(B)의 비율은 (i) 열처리시 산소의 농도; (ii) 산화제 사용, 또는 (iii) 이들 모두를 적용하여 조절할 수 있다. In the present invention, the ratio of the complex transition metal oxide (A) to the complex transition metal hydroxide (B) according to
본 발명에서는 종래 양극활물질의 전구체로 사용되는 절연성 복합전이금속 전구체 대신에 높은 비표면적과 우수한 전기전도성을 가진 신규 양극활물질 전구체를 사용함으로써, 이로부터 제조된 양극활물질의 전기전도성을 향상시켜 전지의 고출력 특성을 개선할 수 있다. In the present invention, by using a new cathode active material precursor having a high specific surface area and excellent electric conductivity instead of an insulating complex transition metal precursor used as a precursor of the cathode active material, the electric conductivity of the cathode active material prepared therefrom is improved, The characteristics can be improved.
도 1은 실시예 1에서 제조된 양극활물질 전구체의 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 전구체의 기공분포를 나타내는 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) results of the cathode active material precursor prepared in Example 1. FIG.
FIG. 2 is a graph showing the pore distribution of the cathode active material precursor prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에서는 종래 절연성 복합전이금속 전구체 대신, 전기전도도가 향상되고 비표면적이 큰 신규 복합전이금속 전구체를 양극활물질 전구체(precursor)로 사용하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, a novel composite transition metal precursor having improved electrical conductivity and large specific surface area is used as a precursor of a cathode active material instead of the conventional insulating complex transition metal precursor.
보다 구체적으로, 본 발명에서는 종래 공침공정을 통해 제조된 수산화물계 복합전이 금속전구체를 열처리 공정을 거치게 된다. 이러한 공정을 거쳐 제조된 복합전이금속 전구체는, 반응물인 복합전이금속 수산화물(hydroxide)의 일부가 산화되어 복합전이금속 산화물(oxide)을 생성하게 되고, 이러한 수산화물계와 산화물계 복합전이금속 전구체들이 서로 혼재(混在)되어 있는 구조를 가지게 된다.More specifically, in the present invention, the hydroxide complex transition metal precursor produced through the conventional co-precipitation process is subjected to a heat treatment process. In the composite transition metal precursor produced through such processes, a part of the complex transition metal hydroxide as a reactant is oxidized to produce a complex transition metal oxide, and the hydroxide-based and oxide-based complex transition metal precursors They have a structure in which they are mixed.
이와 같이 수산화물계와 산화물계 복합전이금속 전구체들이 혼재된 본 발명의 양극활물질 전구체는, 종래 절연성 전구체와는 달리 우수한 전기전도성을 나타낸다. 이에 따라, 상기 복합전이금속 전구체와 리튬 전구체와의 고상반응을 통해 제조된 양극활물질은 그 자체만으로 우수한 전기 전도성을 나타내므로, 이를 구비하는 이차 전지의 출력 특성을 유의적으로 향상시킬 수 있다. 특히 본 발명에서는 양극 제조시, 도전재를 사용하지 않거나 또는 기존 도전재의 사용량보다 소량 사용하더라도, 종래 도전재를 포함하는 양극과 대등한 전기 전도성을 나타낼 수 있다. 이와 동시에, 도전재의 감소된 사용량만큼 양극활물질의 사용량을 증가시킬 수 있으므로, 전지의 고용량 특성을 발휘할 수 있다. The cathode active material precursor of the present invention in which the hydroxide-based and oxide-based complex transition metal precursors are mixed in this way exhibits excellent electrical conductivity unlike the conventional insulating precursor. Accordingly, the positive electrode active material produced through the solid-phase reaction between the complex transition metal precursor and the lithium precursor exhibits excellent electrical conductivity by itself, so that the output characteristics of the secondary battery including the positive electrode active material can be significantly improved. Particularly, in the present invention, even when a conductive material is not used or a smaller amount of the conductive material than that of a conventional conductive material is used in producing the anode, it can exhibit electrical conductivity equivalent to that of a conventional anode. At the same time, since the amount of the positive electrode active material used can be increased by the reduced amount of the conductive material, high capacity characteristics of the battery can be exhibited.
또한 상기 양극활물질 전구체는, 종래 복합전이금속 전구체보다 대략 10 배 이상 비표면적이 증가하게 된다. 이와 같이 상대적으로 비표면적이 큰 전구체를 적용함으로써 리튬 전구체와의 고상반응이 활성화되어 이들 전구체간의 반응시간을 줄일 수 있으며, 고출력을 발휘하는 양극활물질을 제조할 수 있다. 특히 니켈 함량이 높은 High-Ni계 양극활물질의 경우 고온의 장시간 소성 과정에서 발생하는 양이온 혼합(cation mixing)을 줄일 수도 있다.In addition, the cathode active material precursor has an increase in specific surface area about 10 times or more as compared with the conventional composite transition metal precursor. By applying the precursor having a relatively large specific surface area as described above, the solid-phase reaction with the lithium precursor is activated, thereby reducing the reaction time between the precursors and producing a cathode active material exhibiting high output. In particular, the high-Ni-based cathode active material having a high nickel content may reduce the cation mixing occurring during the long-time firing at a high temperature.
<신규 양극활물질 전구체 및 이의 제조방법>≪ Precursor for a new cathode active material and method for producing the same &
본 발명에 따른 양극활물질 전구체는 수산화물(hydroxide)계 복합전이금속 전구체와 산화물(oxide)계 복합전이금속 전구체를 동시에 포함하되, 종래 절연성이 아니라 전기 전도성을 나타내는 것을 특징으로 한다. The cathode active material precursor according to the present invention includes both a hydroxide-based complex transition metal precursor and an oxide-based complex transition metal precursor, and is characterized by exhibiting electrical conductivity, not insulation.
보다 구체적으로, 상기 양극활물질 전구체는 (a)복합전이금속 수산화물[M(OH)2]과 (b)복합전이금속 산화물[MOx]을 포함한다. More specifically, the cathode active material precursor includes (a) a complex transition metal hydroxide [M (OH) 2 ] and (b) a complex transition metal oxide [MOx].
상기 복합전이금속 수산화물(a)과 복합전이금속 산화물(b)에 포함된 복합전이금속 성분(M)은 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 여기서, 상기 양극활물질 전구체는 수산화물(hydroxide)계 복합전이금속 전구체를 열처리 공정을 거쳐 생성되는 것이므로, 복합전이금속 수산화물과 복합전이금속 산화물에 포함된 복합전이금속 성분(M)은 서로 동일한 것이 바람직하다.The complex transition metal hydroxide (a) and the complex transition metal component (M) contained in the complex transition metal oxide (b) may be the same or different from each other. Here, since the precursor of the cathode active material is produced through a heat treatment process of a hydroxide-based complex transition metal precursor, the complex transition metal hydroxide and the complex transition metal component (M) contained in the complex transition metal oxide are preferably the same .
또한, 복합전이금속 수산화물과 복합전이금속 산화물은 서로 혼재(混在)되어 있는 형태이거나 또는 고용체(solid solution) 형태일 수 있다. 본 발명에서, 고용체(固溶體)는 완전하게 균일한 상을 이루는 고체의 혼합물을 지칭하는 것으로서, 침입형 고용체 또는 치환형 고용체를 모두 포함한다. In addition, the complex transition metal hydroxide and the complex transition metal oxide may be in a mixed state or in a solid solution form. In the present invention, a solid solution refers to a mixture of solids forming a completely uniform phase, and includes both interstitial solid solution and substituted solid solution.
본 발명에 따른 양극활물질 전구체는, X선 회절 스펙트럼(XRD)에서 수산화물계 유래의 제1피크와 산화물계 유래의 제2피크를 나타내는데, 이는 수산화물계와 산화물계가 동시에 포함되어 있음을 나타낸다. The cathode active material precursor according to the present invention shows a first peak derived from a hydroxide system and a second peak derived from an oxide system in an X-ray diffraction spectrum (XRD), which indicates that a hydroxide system and an oxide system are simultaneously included.
보다 구체적으로, 본 발명의 양극활물질 전구체는 X선 회절 스펙트럼의 회절 각도(2θ)가 18~20°, 33~35°, 및 38~40°에서 나타나는 수산화물 유래의 제1피크; 및 회절 각도(2θ)가 36~38°, 42~44°, 62~64°, 및 75~80°에서 나타나는 산화물 유래의 제2피크가 동시에 존재한다. 이러한 복합전이금속 수산화물(a)과 복합전이금속 산화물(b)의 비율에 따라 2개의 상의 강도(intensity)가 달라질 수 있다.More specifically, the cathode active material precursor of the present invention has a first peak derived from a hydroxide, which diffraction angle (2?) Of the X-ray diffraction spectrum appears at 18 to 20 °, 33 to 35 °, and 38 to 40 °; And a second peak derived from an oxide appearing at diffraction angles (2?) Of 36 to 38 °, 42 to 44 °, 62 to 64 °, and 75 to 80 °. The intensity of the two phases may vary depending on the ratio of the complex transition metal hydroxide (a) and the complex transition metal oxide (b).
본 발명에서, 상기 (a)복합전이금속 수산화물과 (b)복합전이금속 산화물의 함유 비율은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 복합전이금속 수산화물(a) : 복합전이금속 산화물(b)은 50~99.9 : 0.1~50 중량비일 수 있으며, 바람직하게는 60 ~ 99.0 : 1.0 ~ 40 범위일 수 있다. In the present invention, the content ratio of the complex transition metal hydroxide (a) and the complex transition metal oxide (b) is not particularly limited, and for example, the complex transition metal hydroxide (a) : 0.1 to 50 weight ratio, preferably 60 to 99.0: 1.0 to 40.
전술한 수산화물계(a)와 산화물계(b) 복합전이금속 전구체를 포함하는 본 발명의 양극활물질 전구체는 그 자체만으로 우수한 전기 전도성을 나타낸다. 상기 양극활물질 전구체의 전기전도성은 0.01 내지 0.1 mS/cm 범위일 수 있으며, 바람직하게는 0.03 내지 0.07 mS/cm 범위일 수 있다. The cathode active material precursor of the present invention comprising the above-mentioned hydroxide-based (a) and oxide-based (b) complex transition metal precursor itself exhibits excellent electrical conductivity. The electrical conductivity of the cathode active material precursor may range from 0.01 to 0.1 mS / cm, and preferably from 0.03 to 0.07 mS / cm.
또한 상기 양극활물질 전구체는 표면에 마이크로기공(micro porous)이 다수 존재함에 따라, 종래 복합전이금속 전구체와 달리 비표면적이 증대되는 특징을 가진다. 즉, 본 발명의 양극활물질 전구체는 저온에서 열처리 과정을 통하여 합성되는데, 저온 열처리 과정 중 수산화물계 전구체에서 수분이 증발하면서 표면에 기공이 많아지고, 이에 따라 양극활물질 전구체의 비표면적이 증가하게 된다. 이러한 양극활물질 전구체는 표면에 기공이 거의 존재하지 않는 종래 전구체와 달리, 마이크로기공(micro porous)이 전구체 표면에 많이 존재하게 된다. 이에 따라, 본 발명의 양극활물질 전구체는 질소 흡착 BET법에 따라 측정되는 비표면적이 50 내지 200 m2/g 범위일 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 170 m2/g 일 수 있다. In addition, since the positive electrode active material precursor has many micropores on its surface, the specific surface area of the positive electrode active material precursor is increased unlike the conventional complex transition metal precursor. That is, the cathode active material precursor of the present invention is synthesized through a heat treatment process at a low temperature. During the low-temperature heat treatment process, moisture is evaporated from the hydroxide precursor, thereby increasing pores on the surface, thereby increasing the specific surface area of the cathode active material precursor. Unlike the conventional precursor in which the pore is hardly present on the surface of the cathode active material precursor, micropores exist on the surface of the precursor. Accordingly, the cathode active material precursor of the present invention may have a specific surface area of 50 to 200 m 2 / g, preferably 100 to 170 m 2 / g, measured according to the nitrogen adsorption BET method.
본 발명에 따른 양극활물질 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 것이 바람직하다. The cathode active material precursor according to the present invention is preferably represented by the following general formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(MOx)A·(M(OH)2)B (MOx) A (M (OH) 2 ) B
상기 식에서, In this formula,
M은 NiaCobM'c 이며, M is Ni a Co b M ' c ,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal,
1 ≤ x ≤ 1.5, 0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이며, 1? X? 1.5, 0.6? A <1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, a + b + c =
A+B = 1이며, 0.5 ≤ A < 1.0, 0 < B ≤ 0.5이다. A + B = 1, 0.5? A < 1.0 and 0 < B? 0.5.
상기 화학식 1에서, a, b, 및 c는 화합물 내 각 원소들의 몰%를 나타내며, x는 화합물 내 산소 분율을 나타내는 것이다. 또한 A와 B는 수산화물계와 산화물계 전구체 간의 함유 비율을 나타내는 것이다. In the above formula (1), a, b, and c represent mol% of each element in the compound, and x represents an oxygen fraction in the compound. Also, A and B represent the content ratio between the hydroxide system and the oxide precursor.
특히 본 발명의 양극활물질에 있어서, a인 니켈(Ni)의 함량은 0.6 이상일 수 있으며, 바람직하게는 0.6 내지 0.9, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 0.9 범위일 수 있다. 또한 x인 산소 분율은 1 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 1.5 범위이다. 아울러 A는 0.6 이상, 1.0 미만이고, B는 0 초과, 0.4 이하인 것이 바람직하다.In particular, in the cathode active material of the present invention, the content of nickel (Ni) as a may be 0.6 or more, preferably 0.6 to 0.9, and more preferably 0.7 to 0.9. The oxygen fraction of x may be 1 or more, preferably 1 to 1.5. It is preferable that A is 0.6 or more and less than 1.0, and B is more than 0 and 0.4 or less.
전술한 a, x, A와 B 범위를 만족할 경우, 우수한 전기전도도, 높은 비표면적을 갖는 양극활물질, 특히 High-Ni계 양극활물질을 용이하게 제조할 수 있으며, 제조된 양극활물질의 우수한 전기화학적 물성(고출력 특성, 높은 초기 용량 및 장수명 특성)을 나타낼 수 있다. When the above ranges of a, x, A and B are satisfied, it is possible to easily produce a positive electrode active material having excellent electrical conductivity and high specific surface area, particularly a high-Ni positive electrode active material, (High output characteristics, high initial capacity, and long life characteristics).
본 발명에서는 High-Ni계 복합산화물에, 소량의 이종(異種) 금속, 준금속, 또는 기타 음이온 성분 등의 M'을 치환함으로써, Ni 함량이 60% 이상으로 증가하더라도 최종 양극활물질의 구조적 안정성과 전기화학적 특성을 지속적으로 유지할 수 있다. In the present invention, by substituting M 'such as a small amount of a different kind of metal, quasi metal or other anion component into the high-Ni composite oxide, even if the Ni content is increased to 60% or more, the structural stability of the final cathode active material The electrochemical characteristics can be continuously maintained.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 M'는 Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, S, La 및 Y로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, M 'is at least one element selected from the group consisting of Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, .
본 발명에서, 상기 양극활물질 전구체는 1차 입자 또는 다수의 1차 입자들이 응집된 2차 입자일 수 있다. 이때 상기 1차 입자는 평균 입경이 0.01~0.8㎛ 범위의 판상(flake) 또는 침상(Niddle) 형상일 수 있다. 또한 상기 1차 입자가 응집된 2차 입자는 평균 입경(D50)이 3 내지 30 ㎛ 범위인 구형 형상일 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않는다. X선 회절 분석에서, 상기 전구체의 격자 상수는 a = b = c의 값을 갖는다. In the present invention, the cathode active material precursor may be a primary particle or a secondary particle in which a plurality of primary particles are aggregated. In this case, the primary particles may have a flake shape or a Niddle shape with an average particle diameter ranging from 0.01 to 0.8 mu m. The secondary particles in which the primary particles are aggregated may have a spherical shape having an average particle diameter (D50) in the range of 3 to 30 占 퐉, but are not particularly limited thereto. In X-ray diffraction analysis, the lattice constant of the precursor has a value of a = b = c.
또한 상기 양극활물질 전구체는 표면 및/또는 내부에 마이크로기공(micro porous)과 메조기공(meso porous)이 다수 존재할 수 있으며, 바람직하게는 대부분의 기공 구조가 10 nm 미만의 기공으로 구성될 수 있다. 그리고 상기 양극활물질 전구체는 10nm 미만의 기공 체적이 입자 중량당 10-3 내지 5×10-2 cm3/g·nm 범위일 수 있다. In addition, the cathode active material precursor may have a plurality of micropores and mesopores on the surface and / or inside thereof, and most of the pores may have pores of less than 10 nm. And the cathode active material precursor may have a pore volume less than 10 nm in the range of 10 -3 to 5 × 10 -2 cm 3 / g · nm per particle weight.
본 발명에서, 기공(pore)은 국제순수응용화학연맹(IUPAC)의 정의에 따라 기공의 직경이 2nm 미만은 마이크로기공(micropore), 2 내지 50nm 범위는 메조기공(mesopore), 그리고 50nm 이상은 마크로기공(macropore)으로 각각 규정하고 있다. In the present invention, pores are defined as micropores having a pore diameter of less than 2 nm, mesopores having a diameter of 2 to 50 nm, and pores having a diameter of more than 50 nm according to the definition of International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) And macropores, respectively.
또한 상기 복합전이금속 산화물계 전구체 분말은 탭 밀도(tap density)가 2.0g/cc 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2.1 g/cc 이상일 수 있다. The complex transition metal oxide precursor powder preferably has a tap density of 2.0 g / cc or more, more preferably 2.1 g / cc or more.
이하, 본 발명에 따른 양극활물질 전구체의 제조방법에 대해서 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다. Hereinafter, a method for producing the positive electrode active material precursor according to the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following production methods, and the steps of each process may be modified or selectively mixed if necessary.
상기 양극활물질 전구체를 제조하는 바람직한 일 실시예를 들면, 복합전이금속 수산화물을 200~500℃의 온도로 0.5~10 시간 동안 열처리하여 제조될 수 있다. For example, the composite transition metal hydroxide may be heat-treated at a temperature of 200 to 500 ° C for 0.5 to 10 hours to produce the cathode active material precursor.
이때 복합전이금속 수산화물계 전구체는 니켈을 고함량으로 포함하면서 수산화물(Hydroxide) 형태이기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 일례로 하기 화학식 2와 같이 표시될 수 있다. At this time, the complex transition metal hydroxide precursor is not particularly limited as long as it contains nickel in a high content and is in the form of hydroxide. Can be represented by the following formula (2).
[화학식 2](2)
M(OH)2 M (OH) 2
상기 식에서, In this formula,
M은 NiaCobM'c 이며, M is Ni a Co b M ' c ,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이다. M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal and a rare earth element, 1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, and a + b + c = 1.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 M'는 Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, S, La 및 Y로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, M 'is at least one element selected from the group consisting of Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, .
또한 열처리 조건은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 200~500℃ 범위로 0.5~10 시간 동안 열처리하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 250~450℃ 범위이다. The heat treatment conditions are not particularly limited. For example, the heat treatment may be performed at 200 to 500 ° C for 0.5 to 10 hours, preferably at 250 to 450 ° C.
상기와 같이, 복합금속 수산화물계 전구체를 산소 분위기하에서 열처리하면, 수산화물계 전구체의 일부가 산화되어 산화물계 전구체를 생성하게 되며, 이러한 수산화물계 전구체와 산화물계 전구체가 서로 혼재(混在)되어 있는 구조를 나타내게 된다. As described above, when the composite metal hydroxide precursor is heat-treated in an oxygen atmosphere, a part of the hydroxide precursor is oxidized to form an oxide precursor, and the structure in which the hydroxide precursor and the oxide precursor are mixed is present .
한편, 본 발명에서는 상기 화학식 1의 양극활물질 전구체를 구성하는 복합전이금속 산화물(A)와 복합전이금속 수산화물(B)의 비율을 용이하게 조절할 수 있다. In the present invention, the ratio of the complex transition metal oxide (A) and the complex transition metal hydroxide (B) constituting the precursor of the cathode active material of
이때, 상기 복합전이금속 산화물(A)와 복합전이금속 수산화물(B)의 비율은 크게 3가지 방법, 예컨대 (i) 열처리시 산소의 농도; (ii) 산화제 사용, 또는 (iii) 이들 모두를 적용함으로써 조절될 수 있다. At this time, the ratio of the complex transition metal oxide (A) to the complex transition metal hydroxide (B) can be largely divided into three methods, for example, (i) (ii) the use of an oxidizing agent, or (iii) all of these.
여기서, 산화제는 당 분야에 알려진 통상적인 산화제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 KMnO4, H2O2, Na2O2, FeCl3, CuSO4, CuO, PbO2, MnO2, HNO3, KNO3, K2Cr2O7, CrO3, P2O5, H2SO4, K2S2O8, 할로겐류 및 C6H5NO2 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. The oxidizing agent may be selected from the group consisting of KMnO 4 , H 2 O 2, Na 2 O 2 , FeCl 3 , CuSO 4 , CuO, PbO 2 , MnO 2 , HNO 3 , At least one selected from KNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 , CrO 3 , P 2 O 5, H 2 SO 4 , K 2 S 2 O 8 , halogens and C 6 H 5 NO 2 can be used.
<양극활물질><Cathode Active Material>
본 발명에 따른 양극활물질은, 상술한 산화물계와 수산화물계가 포함된 전기전도성 양극활물질 전구체로부터 제조되는 리튬 복합 전이금속 산화물이다. The cathode active material according to the present invention is a lithium complex transition metal oxide prepared from the above-mentioned oxide conductive agent and hydroxide-based conductive cathode active material precursor.
보다 구체적으로, 상기 양극활물질은 하기 화학식 3으로 표시되는 것일 수 있다. More specifically, the cathode active material may be represented by the following general formula (3).
[화학식 3](3)
LiyNiaCobM'cO2 Li y Ni a Co b M ' c O 2
상기 화학식 3에서, In Formula 3,
M'는 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, a group 15 element, a group 16 element, a group 17 element, a transition metal,
0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이며, 0.9 ≤ y ≤ 1.3이다. 0.6? A <1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, a + b + c = 1, and 0.9? Y? 1.3.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 M'는 Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, S, La 및 Y로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, M 'is at least one element selected from the group consisting of Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, .
본 발명에서, 상기 양극활물질은 전체 전이금속 중 니켈(Ni) 함량이 60% 이상인 니킬 리치(Ni-rich) 시스템의 활물질일 수 있으며, 바람직하게는 60~90% 범위이며, 더욱 바람직하게는 70 내지 90%일 수 있다. In the present invention, the cathode active material may be an Ni-rich system active material having a nickel (Ni) content of 60% or more, preferably 60 to 90%, more preferably 70 To 90%.
또한 상기 양극활물질은 종래 절연성 복합전이금속 전구체로부터 제조된 양극활물질 보다 우수한 전기 전도성을 나타낸다. 일례로 전기 전도도가 18 내지 40 mS/cm, 바람직하게는 18 내지 28 mS/cm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20 내지 25 mS/cm 범위일 수 있다.Also, the cathode active material exhibits superior electrical conductivity than the cathode active material prepared from the conventional insulating complex transition metal precursor. For example, the electrical conductivity may be 18 to 40 mS / cm, preferably 18 to 28 mS / cm, and more preferably 20 to 25 mS / cm.
상기 양극활물질의 평균 입경은 활물질로 사용될 수 있는 통상적인 범위라면 특별히 제한되지 않는다. 일례로 5 내지 30 ㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 20 ㎛ 범위이다. The average particle diameter of the cathode active material is not particularly limited as long as it is a typical range that can be used as an active material. For example, in the range of 5 to 30 mu m, preferably in the range of 5 to 20 mu m.
본 발명의 양극활물질은, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 일례로 건식법, 습식법 또는 이들을 병용하여 제조될 수 있다. The cathode active material of the present invention can be produced according to a conventional method known in the art, and can be produced, for example, by a dry method, a wet method, or a combination thereof.
상기 양극활물질을 제조하는 방법의 일례를 들면, 상기 산화물계와 수산화물계가 포함된 전기전도성 양극활물질 전구체와 리튬 전구체를 혼합한 후 열처리하는 고상 반응을 통해 제조될 수 있다.An example of the method for producing the cathode active material may be a solid phase reaction in which the precursor of an electroconductive cathode active material containing an oxide system and a hydroxide system is mixed with a lithium precursor and then heat-treated.
여기서, 리튬 전구체는 리튬을 포함하여 공급원으로 사용될 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 LiOH, Li2CO3 또는 이들의 혼합물일 수 있다.Here, the lithium precursor is not particularly limited as long as it can be used as a source including lithium. Preferably it may be LiOH, Li 2 CO 3 or a mixture thereof.
또한 전기전도성 양극활물질 전구체와 리튬 전구체의 혼합 비율은 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 조절할 수 있으며, 일례로 1 : 0.95 내지 1.15 중량비 범위일 수 있다.Also, the mixing ratio of the electrically conductive cathode active material precursor and the lithium precursor may be appropriately adjusted within the conventional range known in the art, and may be, for example, in the range of 1: 0.95 to 1.15 weight ratio.
상기와 같이 양극활물질 전구체와 리튬 전구체를 혼합하고 열처리를 수행함으로써, 결정 구조 내 리튬이 치환되어 리튬 복합 전이금속산화물이 형성된다. By mixing the cathode active material precursor and the lithium precursor and performing the heat treatment as described above, lithium in the crystal structure is substituted to form a lithium complex transition metal oxide.
이때 열처리 조건은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 700 내지 1000℃의 대기 조건 하에서 1 ~ 24시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.The heat treatment conditions are not particularly limited. For example, the heat treatment is preferably performed for 1 to 24 hours under an atmospheric condition of 700 to 1000 ° C.
필요에 따라, 이후 2차 열처리 공정을 수행하거나 또는 분급공정을 더 포함할 수 있다. If necessary, it may further be subjected to a secondary heat treatment step or further include a classification step.
본 발명에서 제조된 양극활물질은 이차전지용 양극재로 주로 사용되며, 그 외 예컨대 전술한 구성이 적용될 수 있는 다양한 분야에 사용될 수 있다. The cathode active material prepared in the present invention is mainly used as a cathode material for a secondary battery, and may be used in various fields in which the above-described structure can be applied.
<양극><Anode>
본 발명에서는 전술한 이차전지용 양극재 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention provides a cathode material for a secondary battery and a lithium secondary battery including the same.
이때 본 발명의 양극재는, 적어도 상기 산화물계와 수산화물계가 포함된 전기전도성 양극활물질 전구체로부터 제조된 양극활물질을 포함하는 것을 요건으로 한다. 일례로, 상기 양극활물질 자체가 양극활물질로 사용되거나, 또는 상기 양극활물질과 결합제를 혼합한 양극합제, 추가로 용매를 첨가하여 수득되는 양극합제 페이스트, 추가로 이것을 집전체에 도포하여 형성된 양극 등도 본 발명의 양극재의 범위에 해당된다.At this time, the cathode material of the present invention is required to include a cathode active material prepared from an electrically conductive cathode active material precursor containing at least the oxide system and the hydroxide system. For example, the positive electrode active material itself may be used as a positive electrode active material, or a positive electrode material mixture in which the positive electrode active material and a binder are mixed, a positive electrode material mixture paste obtained by further adding a solvent, It falls within the scope of the anode material of the invention.
상기 양극은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 일례로, 양극활물질에, 필요에 따라 바인더, 도전제, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 제조될 수 있다. The anode may be manufactured by a conventional method known in the art. For example, a slurry is prepared by mixing and stirring a binder, a conductive agent, and a dispersant, if necessary, in a cathode active material, Followed by compression and drying.
이때 분산매, 바인더, 도전제, 집전체 등의 전극 재료는 당 업계에 알려진 통상적인 것을 사용 가능하며, 양극활물질 대비 바인더는 1~10 중량비로, 도전제는 1~30 중량비 범위로 적절히 사용할 수 있다.The electrode material such as dispersion medium, binder, conductive agent, current collector and the like may be any of those conventionally known in the art. The binder may be suitably used in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the weight of the positive electrode active material and 1 to 30 parts by weight of the conductive material. .
사용 가능한 도전제의 예로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙계열 또는 걸프 오일 컴퍼니, 케트젠블랙, 불칸 (Vulcan) XC-72, 수퍼 P, 코크스류, 탄소 나노튜브, 그래핀, 또는 이들의 1종 이상 혼합물 등이 있다.Examples of usable conductive agents include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black or Gulf Oil Company, ketjen black, Vulcan XC-72, Super P, coke, carbon nanotubes, And mixtures of one or more of these.
또한 상기 결합제의 대표적인 예로는 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVdF) 또는 그 공중합체, 스티렌부타디엔고무(SBR), 셀룰로오즈등이 있으며, 분산제의 대표적인 예로는 아이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈 (NMP), 아세톤 등이 있다.Typical examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF) or a copolymer thereof, styrene butadiene rubber (SBR), cellulose and the like. Representative examples of the dispersing agent include isopropyl alcohol, N Methylpyrrolidone (NMP), acetone, and the like.
상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 재료의 페이스트가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 일례로, 알루미늄, 구리 또는 스테인레스 스틸 등의 메쉬 (mesh), 호일 (foil) 등이 있다.The current collector of the metal material may be any metal that has high conductivity and is a metal that can easily adhere the paste of the material and does not have reactivity in the voltage range of the battery. For example, a mesh, a foil, or the like of aluminum, copper, or stainless steel may be used.
<리튬 이차 전지><Lithium secondary battery>
아울러, 본 발명은 상기 양극을 포함하는 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a secondary battery comprising the anode, preferably a lithium secondary battery.
본 발명의 리튬 이차 전지는 전술한 산화물계와 수산화물계가 포함된 전기전도성 양극활물질 전구체로부터 제조된 양극활물질을 이용하는 것을 제외하고는 특별히 한정되지 않으며, 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예컨대, 양극과 음극 사이에 분리막을 넣고 비수 전해질을 투입하여 제조할 수 있다. The lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited except that a cathode active material prepared from the above-described oxide-based and hydroxide-based electrically conductive cathode active material precursor is used, and can be produced by a conventional method known in the art have. For example, a separation membrane may be inserted between an anode and a cathode, and a nonaqueous electrolyte may be charged.
이때 본 발명의 리튬 이차 전지는 음극, 양극, 분리막, 전해질을 전지 구성요소로 포함하는데, 여기서 전술한 음극을 제외한 양극, 분리막, 전해질과 필요한 경우 기타 첨가제의 구성요소에 관해서는 당 업계에 알려진 통상적인 리튬 이차 전지의 요소에 준한다. The lithium secondary battery of the present invention includes a cathode, a cathode, a separator, and an electrolyte as battery components. Components of the anode, the separator, the electrolyte, and other additives, if necessary, other than the cathode described above, Which is the same as that of the lithium secondary battery.
일례로, 상기 음극은 당 업계에 알려진 통상적인 리튬 이차 전지용 음극활물질을 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 재료가 사용되고, 예컨대, 리튬 금속이나 리튬 합금, 코크스, 인조 흑연, 천연 흑연, 유기 고분자 화합물 연소체, 탄소 섬유, 실리콘계, 주석계 등이 있다. 또한 도전제, 결합제 및 용매는 전술한 양극의 경우와 동일하게 사용된다.For example, the negative electrode may be a negative electrode active material for a lithium secondary battery known in the art. As a non-limiting example, a material capable of intercalating / deintercalating lithium is used. For example, Lithium alloys, coke, artificial graphite, natural graphite, combustibles of organic polymer compounds, carbon fibers, silicones, and tin-based alloys. The conductive agent, binder and solvent are used in the same manner as in the case of the positive electrode described above.
또한 비수계 전해질은 당 업계에 통상적으로 알려진 전해질 성분, 예컨대 전해질염과 전해액 용매를 포함한다.Also, the non-aqueous electrolyte includes electrolytic components commonly known in the art, such as an electrolyte salt and an electrolyte solvent.
상기 전해질 염은 (i) Li+, Na+, K+로 이루어진 군에서 선택된 양이온과 (ii) PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -로 이루어진 군에서 선택된 음이온의 조합으로 이루어질 수 있으며, 이중 리튬염이 바람직하다. 리튬염의 구체적인 예로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, 및 LiN(CF3SO2)2 등이 있다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. (I) a cation selected from the group consisting of Li + , Na + , K + and (ii) a cation selected from the group consisting of PF 6 - , BF 4 - , Cl - , Br - , I - , ClO 4 - , AsF 6 - A combination of anions selected from the group consisting of CH 3 CO 2 - , CF 3 SO 3 - , N (CF 3 SO 2 ) 2 - and C (CF 2 SO 2 ) 3 - . Specific examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . These electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more.
상기 전해질 용매는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 아세토니트릴, 락탐, 케톤을 사용할 수 있다.The electrolyte solvent may be selected from cyclic carbonates, linear carbonates, lactones, ethers, esters, acetonitriles, lactams, and ketones.
상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 등이 있고, 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 상기 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 상기 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄 등이 있다. 상기 에스테르의 예로는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있다. 또한, 상기 락탐으로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 또한, 상기 유기 용매의 할로겐 유도체도 사용 가능하나, 이에 한정하지는 않는다. 아울러, 상기 유기용매는 글림(glyme), 디글림, 트리글림, 테트라글림도 사용 가능하다. 이들 유기 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) and fluoroethylene carbonate (FEC). Examples of the linear carbonate include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), and methyl propyl carbonate (MPC). Examples of the lactone include gamma butyrolactone (GBL), and examples of the ether include dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and the like. Examples of the ester include methyl formate, ethyl formate, propyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, methyl pivalate and the like. Examples of the lactam include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and the ketone is polymethyl vinyl ketone. The halogen derivative of the organic solvent may be used, but is not limited thereto. In addition, the organic solvent may be glyme, diglyme, triglyme, or tetraglyme. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
상기 분리막은 양(兩) 전극의 내부 단락을 차단하고 전해액을 함침하는 역할을 하는 다공성 물질을 제한 없이 사용 가능하다. 이의 비제한적 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막 또는 상기 다공성 분리막에 무기물 재료가 첨가된 복합 다공성 분리막 등이 있다.The separator may use any porous material that interrupts the internal short circuit of both electrodes and impregnates the electrolyte. Examples thereof include polypropylene-based, polyethylene-based, polyolefin-based porous separation membranes, or composite porous separation membranes in which an inorganic material is added to the above-mentioned porous separation membranes.
이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.
[실시예 1][Example 1]
1-1. 양극활물질 전구체 제조1-1. Manufacture of cathode active material precursor
Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2를 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 실시예 1의 양극활물질 전구체 (Ni0.8Co0.1Mn0.1O1.05)0.89·(Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2)0.11를 제조하였다. Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH ) 2 by a heat treatment at 300 ℃ for 3 hours embodiment the positive electrode active material precursor of Example 1 (Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 1.05) 0.89 · (Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2) 0.11 .
1-2. 양극활물질 제조1-2. Cathode active material manufacturing
상기 실시예 1-1에서 제조된 양극활물질 전구체[(Ni0.8Co0.1Mn0.1O1.05)0.89·(Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2)0.11]과 리튬 화합물로서 LiOH·H2O을 사용하여 1 대 1.01 몰비로 혼합 후 800℃에서 12시간 동안 열처리하여 실시예 1의 양극활물질을 제조하였다. (Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 1.05 ) 0.89 (Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 ) 0.11 ) prepared in Example 1-1 and LiOH · H 2 O as a lithium compound were used as the cathode active material precursor And the mixture was heat-treated at 800 ° C. for 12 hours to prepare a cathode active material of Example 1.
1-3. 양극 제조1-3. Anode manufacturing
실시예 1-2에서 제조된 양극활물질 95 중량부 및 PvdF 바인더 2.5 중량부, 도전재로 카본블랙 2.5 중량부를 NMP 용액에 분산시켜 슬러리를 제조한 후 이를 Al 집전체에 도포하였다. 이후 롤 프레스로 압연하여 양극을 제조하였다 95 parts by weight of the cathode active material prepared in Example 1-2, 2.5 parts by weight of the PvdF binder, and 2.5 parts by weight of carbon black as a conductive material were dispersed in an NMP solution to prepare a slurry, which was then applied to the Al current collector. And then rolled by a roll press to produce a positive electrode
1-4. 리튬 이차전지 제조1-4. Lithium secondary battery manufacturing
상기 실시예 1-3에서 제조된 양극과 리튬 금속을 대극으로 하고, EC/EMC/DEC (40/30/30, 부피비) 및 1M의 LiPF4로 구성된 전해액을 사용하여 코인 전지(coin cell)를 제조하였다.A coin cell was prepared using the electrolyte prepared from EC / EMC / DEC (40/30/30, volume ratio) and 1M LiPF 4 using the positive electrode and lithium metal prepared in Example 1-3 as a counter electrode, .
[비교예 1] [Comparative Example 1]
수산화물 전구체와 리튬 전구체로서 각각 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2와 LiOH를 사용하여 1 대 1.01 몰비로 혼합 후 800℃에서 12시간 동안 열처리하여 비교예 1의 양극활물질을 제조하였다. The hydroxide precursor and lithium precursor were mixed at a molar ratio of 1: 1.01 using Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 and LiOH, respectively, and then heat-treated at 800 ° C for 12 hours to prepare a cathode active material of Comparative Example 1.
상기 양극활물질을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같이 동일하게 수행하여 비교예 1의 양극 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지를 제조하였다. A positive electrode of Comparative Example 1 and a lithium secondary battery having the positive electrode were fabricated in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material was used.
[실험예 1] 양극활물질 전구체의 X선 회절 분석(XRD)[Experimental Example 1] X-ray diffraction analysis (XRD) of the cathode active material precursor
실시예 1에서 제조된 양극활물질 전구체를 이용하여 XRD 분석을 실시하였다. XRD analysis was performed using the cathode active material precursor prepared in Example 1.
XRD 분석 기기는 PANalytical X'Rert PRO model을 사용하였으며, X-ray 소스는 Cu κα 8048eV을 사용하였다. 이때, 회절각도인 2θ는 10 내지 90도 범위로 측정하였으며, 스캔 속도는 0.9sec/step으로 수행하여, 이의 결과를 하기 도 1에 나타내었다. The XRD analyzer used PANalytical X'Rert PRO model and the X-ray source used Cu κα 8048eV. At this time, the
실험 결과, 실시예 1의 양극활물질 전구체는 수산화물 유래의 특정 피크와 산화물 유래의 특정 피크가 모두 존재하였다. 이에 따라, 본 발명의 양극활물질 전구체는 복합전이금속 수산화물과 복합전이금속 산화물 형태가 동시에 존재하는 형태라는 것을 확인할 수 있었다(도 1 참조).As a result of the experiment, the cathode active material precursor of Example 1 had both a specific peak derived from hydroxide and a specific peak derived from oxide. As a result, it was confirmed that the precursor of the cathode active material of the present invention had a complex transition metal hydroxide and a complex transition metal oxide form simultaneously (see FIG. 1).
[실험예 2] 양극활물질 전구체의 비표면적 및 기공 분포(Porous Distribution) (BET) 평가 [Experimental Example 2] Evaluation of specific surface area and porosity distribution (BET) of the cathode active material precursor
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 전구체를 이용하여 비표면적과 기공 분포도(Porous Distribution)를 각각 측정하였다. The specific surface area and porosity distribution were measured using the cathode active material precursor prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
이때, 비표면적과 기공 분포도(Porous Distribution)는 양극활물질 전구체 3g을 이용하여 130℃에서 3시간 동안 전처리한 후, 0.01~0.2 압력의 질소 분위기 하에서 측정하였다. 측정된 비표면적과 기공분포도는 하기 표 1과 도 2에 나타내었다. The specific surface area and the porosity distribution (Porous Distribution) were pre-treated at 130 ° C for 3 hours using 3 g of the cathode active material precursor, and then measured under a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.01 to 0.2. The measured specific surface area and pore distribution are shown in Table 1 and FIG.
실험 결과, 실시예 1 및 비교예 1에 제조된 양극활물질 전구체의 기공 분포도를 보면, 종래 수산화물형 비교예 1의 전구체는 표면에 기공이 거의 존재하지 않으며, 현저히 낮은 비표면적을 나타내었다. As a result of the experiment, the pore distribution of the precursor of the cathode active material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 showed that the precursor of the hydroxide type Comparative Example 1 had substantially no pores on the surface and had a significantly low specific surface area.
이에 비해, 실시예 1의 양극활물질 전구체는 비교예 1에 비해 10배 이상의 비표면적이 증가하여 미세 기공이 상대적으로 많이 존재하는 것을 알 수 있다 (도 2 참조). 이러한 비표면적 및 표면 미세기공의 증가는 리튬과 전구체와의 고상반응에서 반응성을 향상시키며, 이는 곧 양극활물질의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 요소(factor)라는 것을 알 수 있었다. In contrast, the positive electrode active material precursor of Example 1 has a specific surface area increased by 10 times or more as compared with Comparative Example 1, and a relatively large number of micropores exist (see FIG. 2). This increase in specific surface area and surface micropores improves the reactivity in the solid phase reaction between lithium and the precursor, which is a factor that can improve the output characteristics of the cathode active material.
[실험예 3] 양극활물질 전구체의 전기전도도 평가 [Experimental Example 3] Evaluation of electrical conductivity of a cathode active material precursor
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 전구체를 이용하여 전기전도도를 각각 측정하였다. The electrical conductivity was measured using the cathode active material precursor prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
또한 전기전도도는 양극활물질 전구체 3g을 이용하여 압력 20 kN 하에서 저항을 측정하였으며, 이들의 결과를 하기 표 2에 기재하였다. The electrical conductivity was measured by using 3 g of the cathode active material precursor under a pressure of 20 kN. The results are shown in Table 2 below.
(mS/cm)Precursor electrical conductivity
(mS / cm)
(mS/cm)Electrical Conductivity of Cathode Active Material
(mS / cm)
실험 결과, 종래 수산화물 형태의 비교예 1의 전구체는 부도체의 성질을 나타냈다. 이에 비해, 실시예 1의 양극활물질 전구체는 전기전도도가 유의적으로 상승하여 우수한 전기전도성을 갖는다는 것을 알 수 있었다(표 2 참조). 이와 같이 양극활물질 전구체의 비표면적과 전기전도도의 증가는 양극활물질의 전기전도도 증가로 기인하는 것을 알 수 있었다. As a result of the test, the precursor of Comparative Example 1 in the hydroxide form in the past exhibited the property of the nonconductor. In contrast, the positive electrode active material precursor of Example 1 exhibited a significant increase in electric conductivity and had excellent electrical conductivity (see Table 2). It was found that the increase of the specific surface area and the electric conductivity of the cathode active material precursor is caused by the increase of the electric conductivity of the cathode active material.
[[ 실험예Experimental Example 4] 이차전지의 전기화학 성능 평가 - 출력특성 평가 4] Evaluation of electrochemical performance of secondary battery - Evaluation of output characteristics
실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 리튬 이차전지를 사용하여 전기화학 성능을 평가하였다. The electrochemical performance was evaluated using the lithium secondary batteries manufactured in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
이때 전기화학 성능 평가는 3.0 내지 4.25V의 전압 범위에서, 0.2C로 충전하고, 0.2C 및 3C으로 각각 고율방전시켜 전지의 출력을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. At this time, the electrochemical performance evaluation was carried out in a voltage range of 3.0 to 4.25 V, charged to 0.2 C, and discharged at a high rate of 0.2 C and 3 C, respectively, and the output of the battery was measured.
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 산화물계와 수산화물계가 포함된 전기전도성 양극활물질 전구체로부터 제조된 양극을 구비하는 실시예 1의 전지는 절연성 수산화물계 전구체를 사용하여 제조된 양극을 구비하는 비교예 1에 비해, 전지의 출력 특성이 향상되었음을 알 수 있었다(표 3 참조). As can be seen from the above Table 3, the battery of Example 1 having an anode made from an electroconductive cathode active material precursor containing an oxide system and a hydroxide system was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 having an anode made using an insulating hydroxide- 1, the output characteristics of the battery were improved (see Table 3).
Claims (14)
복합전이금속 산화물을 포함하며,
전기 전도도가 0.01 내지 0.1 mS/cm 범위인 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체. Complex transition metal hydroxides; And
A composite transition metal oxide,
Lt; RTI ID = 0.0 > mS / cm. ≪ / RTI >
질소 흡착 BET법에 따라 측정되는 비표면적이 50 내지 200 m2/g 범위인 것을 특징으로 양극활물질 전구체.The method according to claim 1,
Wherein the specific surface area measured by the nitrogen adsorption BET method is in the range of 50 to 200 m 2 / g.
상기 전구체는 10nm 미만의 기공 체적이 입자 중량당 10-3 내지 5×10-2 cm3/g·nm인 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체. The method according to claim 1,
Wherein the precursor has a pore volume less than 10 nm in the range of 10 -3 to 5 10 -2 cm 3 / g · nm per particle weight.
상기 복합전이금속 수산화물과 복합전이금속 산화물은 서로 혼재(混在)되어 있거나, 또는 고용체 형태인 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체. The method according to claim 1,
Wherein the complex transition metal hydroxide and the complex transition metal oxide are mixed with each other or are in a solid solution form.
하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체:
[화학식 1]
(MOx)A·(M(OH)2)B
상기 식에서,
M은 NiaCobM'c 이며,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
1 ≤ x ≤ 1.5, 0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이며,
A+B = 1이며, 0.5 ≤ A < 1.0, 0 < B ≤ 0.5이다. The method according to claim 1,
A positive electrode active material precursor represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
(MOx) A (M (OH) 2 ) B
In this formula,
M is Ni a Co b M ' c ,
M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal,
1? X? 1.5, 0.6? A <1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, a + b + c =
A + B = 1, 0.5? A < 1.0 and 0 < B? 0.5.
상기 M'는 Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, S, La 및 Y로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체.6. The method of claim 5,
Wherein M 'is at least one element selected from the group consisting of Al, Mn, Zr, W, Ti, Mg, Sr, Ba, Ce, Hf, F, P, S, La and Y.
상기 화학식 1에서, A는 0.6 이상, 1.0 미만이며, B는 0 초과, 0.4 이하인 것을 특징으로 하는 복합전이금속 산화물계 전구체.6. The method of claim 5,
Wherein A is not less than 0.6 and not more than 1.0, and B is more than 0 and not more than 0.4.
전체 전이금속 중 니켈(Ni) 함량이 60% 이상인 것을 특징으로 하는 양극활물질. 9. The method of claim 8,
Wherein the nickel (Ni) content in the total transition metal is 60% or more.
전기 전도도가 18 내지 40 mS/cm인 것을 특징으로 하는 양극활물질. 10. The method of claim 9,
Lt; RTI ID = 0.0 > mS / cm. ≪ / RTI >
[화학식 2]
M(OH)2
상기 식에서,
M은 NiaCobM'c 이며,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이다. A process for producing the precursor of a cathode active material according to claim 1, comprising heat-treating the complex transition metal hydroxide represented by the following formula (2) at a temperature of 200 to 500 ° C for 0.5 to 10 hours:
(2)
M (OH) 2
In this formula,
M is Ni a Co b M ' c ,
M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal,
0.6? A <1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, a + b + c =
상기 양극활물질 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체의 제조방법:
[화학식 1]
(MOx)A·(M(OH)2)B
상기 식에서,
M은 NiaCobM'c 이며,
M'은 알칼리금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 17족 원소, 전이금속, 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
1 ≤ x ≤ 1.5, 0.6 ≤ a < 1.0, 0 ≤ b ≤ 0.4, 0 ≤ c ≤ 0.4, a+b+c = 1이며,
A+B = 1이며, 0.5 ≤ A < 1.0, 0 < B ≤ 0.5이다. 12. The method of claim 11,
Wherein the positive electrode active material precursor is represented by the following Formula 1:
[Chemical Formula 1]
(MOx) A (M (OH) 2 ) B
In this formula,
M is Ni a Co b M ' c ,
M 'is at least one element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a Group 17 element, a transition metal,
1? X? 1.5, 0.6? A <1.0, 0? B? 0.4, 0? C? 0.4, a + b + c =
A + B = 1, 0.5? A < 1.0 and 0 < B? 0.5.
상기 화학식 1에서 A와 B의 비율은
(i) 열처리시 산소의 농도를 변화시키거나,
(ii) 산화제를 사용하거나, 또는
(iii) 이들 모두를 적용함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체의 제조방법. 13. The method of claim 12,
In the above formula (1), the ratio of A to B is
(i) changing the concentration of oxygen during heat treatment,
(ii) using an oxidizing agent, or
(iii) by applying both of them. < Desc / Clms Page number 13 >
상기 산화제는 KMnO4, H2O2, Na2O2, FeCl3, CuSO4, CuO, PbO2, MnO2, HNO3, KNO3, K2Cr2O7, CrO3, P2O5, H2SO4, K2S2O8, 할로겐 및 C6H5NO2 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양극활물질 전구체의 제조방법. 14. The method of claim 13,
The oxidizing agent is selected from the group consisting of KMnO 4 , H 2 O 2, Na 2 O 2 , FeCl 3 , CuSO 4 , CuO, PbO 2 , MnO 2 , HNO 3 , KNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 , CrO 3 , P 2 O 5 , H 2 SO 4 , K 2 S 2 O 8 , halogen, and C 6 H 5 NO 2 .
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