KR20180088301A - Positive electrode active material for secondary battery and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 우수한 수명 특성 및 고전압 안정성을 나타낼 수 있는 이차전지용 양극활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a secondary battery, which can exhibit excellent lifetime characteristics and high voltage stability, and a method for producing the same.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries having a high energy density and voltage, a long cycle life, and a low self-discharge rate are commercially available and widely used.
그러나, 리튬이차전지는 충방전을 거듭함에 따라서 수명이 급속하게 떨어지는 문제가 있다. 특히, 장수명 또는 고전압 전지에서 이러한 문제가 더욱 심각하다. 이는 전지 내부의 수분이나 기타 다른 영향으로 인해 전해질이 분해되거나 활물질이 열화되고, 또한 전지의 내부저항이 증가되어 생기는 현상 때문이다. 특히 양극재의 경우, 양극재 자체의 퇴화가 심화되면 양극활물질 구성 원소의 용출이 증가하고 그 결과 전지 수명이 빠르게 퇴화되거나 고전압에서 사용이 불가능하다. However, there is a problem that the lifetime of the lithium secondary battery rapidly decreases as the charge and discharge are repeated. In particular, such problems are more serious in long-life or high-voltage cells. This is due to the phenomenon that electrolytic decomposition or deterioration of the active material occurs due to moisture or other influences inside the battery, and also the internal resistance of the battery is increased. Particularly, in the case of the cathode material, if the degradation of the cathode material itself is intensified, the elution of the constituent elements of the cathode active material increases, and as a result, the battery life is rapidly degraded or the battery can not be used at high voltage.
이 같은 문제점을 해결하기 위해 양극활물질 표면에 표면처리층을 형성하는 방법들이 제안되었다. 이중 고전압과 전해액에서의 안정성을 인정받고 있는 알루미늄계 표면처리층의 경우, 결정 상태로 입자 표면에 코팅되기 때문에 활물질 전체에 균일하게 코팅되기 어렵다. 또, 알루미늄계 화합물 자체의 결정성으로 인한 저항 증가의 문제가 있다. 또한, 붕소(B)계 코팅물의 경우 비정질 상태로 균일하게 코팅됨으로써 양극재에서 전해액으로 이동하는 리튬 이온의 이동을 방해하지는 않는다. 그러나, 붕소(B)계 코팅물은 수분과 반응하기 때문에 전해액과의 반응이 장기화되면 코팅층으로서의 역할을 하지 못하는 문제가 있다. In order to solve such a problem, methods of forming a surface treatment layer on the surface of a cathode active material have been proposed. In the case of an aluminum-based surface treatment layer, which has high double voltage and stability in electrolytic solution, it is difficult to uniformly coat the active material because it is coated on the surface of the particles in a crystalline state. In addition, there is a problem of increased resistance due to crystallinity of the aluminum-based compound itself. In addition, the boron (B) -based coating is uniformly coated in an amorphous state, so that it does not hinder the movement of lithium ions moving from the cathode material to the electrolyte. However, since the boron (B) -based coating reacts with water, the coating layer can not function as a coating layer if the reaction with the electrolyte is prolonged.
이에 따라, 상기 문제를 해결하면서 리튬이차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 양극 활물질의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is an urgent need to develop a cathode active material capable of improving the performance of a lithium secondary battery while solving the above problems.
본 발명의 목적은 유연성 및 내화학성이 우수한 표면처리층을 포함하는 양극활물질을 제공함으로써, 우수한 수명 특성 및 고전압 안정성을 나타낼 수 있는 이차전지용 양극활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a cathode active material for a secondary battery which can exhibit excellent life characteristics and high voltage stability by providing a cathode active material having a surface treatment layer excellent in flexibility and chemical resistance and a method for producing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 코어; 및 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 인(P)과, 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층을 포함하는 이차전지용 양극활물질을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a lithium secondary battery comprising: a core comprising a lithium composite metal oxide; And a surface treatment layer which is located on the surface of the core and comprises an amorphous oxide containing phosphorus (P) and at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A elements and Group 3A elements, Thereby providing an active material.
또한, 본 발명은 인을 포함하는 제1 원료물질과 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 제2 원료물질을 이용하여 인(P)과, 2A족 및 3A족으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 비정질 산화물을 형성하는 제1 단계; 및 상기 비정질 산화물과 리튬 복합금속 산화물을 혼합한 후, 열처리하여 상기 리튬 복합금속 산화물 상에 상기 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층을 형성하는 제2 단계를 포함하는 이차전지용 양극활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing phosphorus (P) and phosphorus (P) by using a first raw material containing phosphorus and a second raw material containing at least one metallic element selected from the group consisting of Group 2A element and Group 3A element, And an amorphous oxide containing at least one metal element selected from the group consisting of Group 3A; And a second step of mixing the amorphous oxide and the lithium composite metal oxide and then performing a heat treatment to form a surface treatment layer containing the amorphous oxide on the lithium composite metal oxide. do.
또한, 본 발명은 상기 이차전지용 양극활물질을 포함하는 이차전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode for a secondary battery comprising the positive electrode active material for the secondary battery.
또한, 본 발명은 상기 이차전지용 양극을 포함하는 이차전지를 제공한다.The present invention also provides a secondary battery comprising the positive electrode for the secondary battery.
본 발명에 따른 이차전지용 양극활물질은 인과, 2A족 원소 및 3A족 원소 중 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층을 포함함으로써, 유연성 및 내화학성이 향상되며, 양극활물질의 구조안정성이 우수해진다. 이에 따라, 최종 생산품인 이차전지는 우수한 수명 특성 및 고전압 안정성을 구현할 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to the present invention includes a surface treatment layer containing an amorphous oxide including at least one of phosphorus, 2A group element and 3A group element, thereby improving flexibility and chemical resistance, The structural stability is improved. As a result, the secondary battery, which is a final product, can realize excellent life characteristics and high voltage stability.
도 1은 실시예 1, 비교예 2~3에서 제조한 리튬 이차전지의 사이클 수에 따른 방전용량 유지율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지의 고온 저장에 따른 용량 유지율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지의 고온 저장에 따른 저항 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing the discharge capacity retention ratios of the lithium secondary batteries manufactured in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3 according to the number of cycles. FIG.
2 is a graph showing the capacity retention rate of the lithium secondary batteries manufactured in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 according to high temperature storage.
3 is a graph showing resistance characteristics of the lithium secondary batteries manufactured in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 according to high-temperature storage.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail in order to facilitate understanding of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은, 코어 및 표면처리층을 포함할 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a core and a surface treatment layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 포함된 표면처리층은 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 인(P)과, 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 비정질 산화물을 포함할 수 있다. 특히, 상기 표면처리층이 인(P)을 포함함으로써 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소와 높은 결합력을 가지고 표면처리층을 형성할 수 있으며, 이에 따라 구조적 안정성이 향상된 표면처리층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 표면처리층이 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함함으로써 전해액에 대한 내산성을 확보할 수 있다.있다. 바람직하게는, 상기 금속 원소는 Mg, Ca, Al, B, Sr, Ba, Ra, Be, Ga, In 및 Tl로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 Mg, Ca, 및 Al로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The surface treatment layer included in the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention is disposed on the surface of the core and includes at least one metal selected from the group consisting of phosphorus (P), group 2A element and group 3A element An amorphous oxide containing an element. Particularly, since the surface treatment layer contains phosphorus (P), it is possible to form a surface treatment layer with high binding force with at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A elements and Group 3A elements, This improved surface treatment layer can be formed. In addition, the surface-treated layer contains at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A element and Group 3A element, thereby ensuring acid resistance to the electrolytic solution. Preferably, the metal element may be at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Al, B, Sr, Ba, Ra, Be, Ga, In and Tl, Al, and the like.
또한, 상기 비정질 산화물은 인과, 상기 금속 원소를 모두 포함함으로써 유연성이 우수하고, 리튬의 삽입 및 탈리에 의한 코어의 부피변화에 유연하게 대처할 수 있다. 따라서 상기 비정질 산화물은 상기 코어를 안정적으로 보호할 수 있다. 상기 비정질 산화물은 우수한 내화학성을 가지므로, 전해액 및 전해액 유래 불화수소와 오랜 시간 접촉하여도 손상되지 않는다. 이에 따라 상기 비정질 산화물에 의해 이차전지 작동 중 코어와 전해액 및 전해액 유래 불화수소와의 직접적인 접촉이 방지되어, 코어의 손상을 미연에 방지할 수 있으며, 이에 따라 안정성이 향상된 양극 활물질을 제조할 수 있다. 또한, 상기 비정질 산화물은 우수한 파괴인성을 가지므로, 결과적으로 양극활물질의 압연밀도를 증가시킬 수 있다.In addition, the amorphous oxide is excellent in flexibility by including both phosphorus and the above-mentioned metal element, and is capable of flexibly coping with volume change of the core due to insertion and desorption of lithium. Therefore, the amorphous oxide can stably protect the core. Since the amorphous oxide has excellent chemical resistance, it is not damaged even after long contact with the electrolytic solution and the hydrogen fluoride derived from the electrolytic solution. Accordingly, the amorphous oxide prevents direct contact between the core and the electrolytic solution and hydrogen fluoride from the electrolyte during operation of the secondary cell, thereby preventing the core from being damaged. Thus, the cathode active material with improved stability can be manufactured . In addition, since the amorphous oxide has excellent fracture toughness, the rolling density of the cathode active material can be increased as a result.
상기 비정질 산화물의 효과로 인해 최종 생산품인 이차전지의 수명 특성, 출력특성, 사이클 특성이 우수해지며, 전지 내 가스발생량이 감소할 수 있다.Due to the effect of the amorphous oxide, the life characteristics, output characteristics, and cycle characteristics of the secondary battery as a final product are improved, and the amount of gas generated in the battery can be reduced.
반면, 상기 비정질 산화물이 인(P)만을 포함하거나 또는 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소만을 포함하거나, 또는 상기에서 개시하지 않은 다른 금속 원소를 포함할 경우, 상기와 같이 유연성 및 내화학성이 우수한 표면처리층의 형성에 따른 코어와 전해액의 접촉방지 효과를 달성하기 어렵다. 구체적으로, 상기 비정질 산화물이 Si를 포함할 경우, 표면처리층의 유연성이 낮아지고 이에 따라 충방전 시 코어의 팽창 및 수축에 따라 상기 표면처리층에 손상이 발생할 수 있고, 상기 비정질 산화물이 Li을 포함할 경우 초기 용량에서 유리할 수 있으나, 상기 Li은 전해액과의 반응성이 좋기 때문에, 양극 표면에 부수적인 층을 더 형성할 우려가 있다.On the other hand, when the amorphous oxide contains only phosphorus (P) or contains only one or more metal elements selected from the group consisting of Group 2A elements and Group 3A elements, or includes other metal elements not described above, It is difficult to achieve the effect of preventing contact between the core and the electrolyte due to the formation of the surface treatment layer having excellent flexibility and chemical resistance as described above. Specifically, when the amorphous oxide contains Si, the flexibility of the surface treatment layer is lowered, and accordingly, the surface treatment layer may be damaged due to the expansion and contraction of the core during charging and discharging. When the amorphous oxide contains Li It may be advantageous in the initial capacity. However, since Li has good reactivity with the electrolytic solution, there is a fear that an additional layer is formed on the surface of the positive electrode.
상기 비정질 산화물 내의 인과 금속 원소의 몰비는 1:0.1 내지 1:2, 구체적으로는 1:0.2 내지 1:1.5일 수 있다. 상술한 범위를 만족하면, 유연성, 내화학성 및 파괴 인성이 모두 우수한 비정질 산화물을 제공할 수 있다. 인과 금속 원소의 몰비가 상기 범위를 만족할 때, 내화학성 및 유연성이 우수하게 나타난다. The molar ratio of the phosphorus and metal elements in the amorphous oxide may be 1: 0.1 to 1: 2, specifically 1: 0.2 to 1: 1.5. When the above-mentioned range is satisfied, an amorphous oxide excellent in both flexibility, chemical resistance and fracture toughness can be provided. When the molar ratio of phosphorus and metal element satisfies the above range, excellent chemical resistance and flexibility are exhibited.
또한, 상기 표면처리층은 코어의 표면 전체에 형성될 수도 있고, 부분적으로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 상기 표면처리층이 부분적으로 형성될 경우, 코어 전체 표면적 중 25% 이상 100% 미만의 표면적에 대해 형성될 수 있다. 표면처리층 형성 면적이 25% 미만일 경우, 표면처리층 형성에 따른 개선효과가 미미하다. Further, the surface treatment layer may be formed on the whole surface of the core, or may be partially formed. Specifically, when the surface treatment layer is partially formed, it can be formed for a surface area of 25% or more and less than 100% of the total surface area of the core. When the surface treatment layer formation area is less than 25%, the effect of improving the surface treatment layer is insignificant.
한편, 상기 표면처리층이 부분적으로 형성되는 경우, 상기 코어 표면 위 국부적으로 형성된 표면처리층이 복수 존재할 수도 있다.On the other hand, when the surface treatment layer is partially formed, a plurality of surface treatment layers formed locally on the core surface may exist.
또한, 상기 표면처리층은 양극활물질의 용량을 결정하는 코어의 입자 직경을 고려하여 적절한 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 표면처리층은 평균 두께가 상기 코어의 평균 반직경의 0.001 내지 1배, 구체적으로는 0.001 내지 0.2배일 수 있고, 보다 구체적으로는 상기 표면처리층은 평균 두께가 10 내지 500㎚, 구체적으로는 10 내지 100㎚일 수 있다. 상술한 범위 미만이면, 표면처리층 형성에 따른 개선효과가 미미할 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, 표면처리층을 통과하는 리튬 이온에 대한 저항이 증가될 수 있다.The surface treatment layer is preferably formed to have an appropriate thickness in consideration of the particle diameter of the core for determining the capacity of the cathode active material. The surface treatment layer may have an average thickness of 0.001 to 1 times, more preferably 0.001 to 0.2 times, the average radius of the core. More specifically, the surface treatment layer may have an average thickness of 10 to 500 nm, And may be 10 to 100 nm. If it is less than the above-mentioned range, the effect of improving the surface treatment layer formation may be insignificant. Exceeding the above range can increase the resistance to lithium ions passing through the surface treatment layer.
본 발명에 있어서, 표면처리층의 두께는 집속 이온빔(forced ion beam, fib)을 이용한 입자 단면 분석을 통해 측정할 수 있다.In the present invention, the thickness of the surface treatment layer can be measured through particle section analysis using a forced ion beam (fib).
또한, 상기 표면처리층은 상기 양극활물질 총 중량에 대하여, 0.05중량% 내지 1중량%, 구체적으로는 0.1중량% 내지 0.7중량%, 보다 구체적으로는 0.2중량% 내지 0.6중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상술한 범위를 만족하면, 크기가 동일한 양극활물질과 비교하여 양극활물질의 용량 특성은 저하되지 않으면서, 표면처리층으로 인한 효과를 구현할 수 있다.The surface treatment layer may be contained in an amount of 0.05 wt% to 1 wt%, specifically 0.1 wt% to 0.7 wt%, more specifically 0.2 wt% to 0.6 wt% based on the total weight of the cathode active material have. When the above-described range is satisfied, the effect due to the surface treatment layer can be realized without deteriorating the capacity characteristics of the cathode active material as compared with the cathode active material having the same size.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 포함된 코어는 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다. Meanwhile, the core included in the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a lithium composite metal oxide.
상기 리튬 복합금속 산화물은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)이다. 상기 리튬 복합금속 화합물은 고용량 및 고전압에서 사용 가능한 층상형 리튬 복합금속 산화물일 수 있다.The lithium composite metal oxide is a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium (a lithiated intercalation compound). The lithium composite metal compound may be a layered lithium composite metal oxide which can be used at a high capacity and a high voltage.
상기 리튬 복합금속 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The lithium composite metal compound may be represented by the following general formula (1).
<화학식 1>≪
LiaNixCoyM1zM2wO2 Li a Ni x Co y M1 z M2 w O 2
상기 화학식 1에서, M1은 Mn 또는 Al이고, M2는 W, Mo, Zr, Ti, Mg, Ta, Fe, V, Cr, Ba, Ca, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, 0.8≤a≤1.2, 0.3≤x<1, 0<y≤0.35, 0<z≤0.35, 0≤w≤0.02 및 x+y+z+w=1이다.Wherein
상기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합금속 산화물에 있어서, Li은 a에 해당하는 함량, 즉 0.8≤a≤1.2로 포함될 수 있다. 상술한 범위를 만족하면, Li 함량 제어에 따른 양극활물질의 용량 특성 개선과 활물질 제조시의 소결성의 균형을 맞출 수 있다. 상술한 범위 미만이면, 양극활물질의 용량이 저하될 수 있고, 상술한 범위를 초과하면 소성 공정에서 리튬 복합금속 산화물 입자가 소결되어 버려, 양극활물질 제조가 어려울 수 있다. In the lithium composite metal oxide represented by the general formula (1), Li may be contained in an amount corresponding to a, that is, 0.8? A? 1.2. When the above-described range is satisfied, it is possible to balance the improvement of the capacity characteristics of the cathode active material and the sintering property at the time of manufacturing the active material according to the Li content control. If the amount is less than the above-mentioned range, the capacity of the cathode active material may be lowered, and if it exceeds the above-mentioned range, the lithium composite metal oxide particles are sintered in the firing step, so that the production of the cathode active material may be difficult.
상기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합금속 산화물에 있어서, Ni은 x에 해당하는 함량, 즉, 0.3≤x<1, 구체적으로는 0.6≤x<1의 함량으로 포함될 수 있다. 상술한 범위를 만족하면, 보다 우수한 용량 특성 및 고온 안정성을 구현할 수 있다. 특히, 상기 Ni을 0.6 이상의 고함량으로 포함할 경우, 이를 전지제 적용 시 전지의 용량 특성을 향상시킬 수 있다.In the lithium composite metal oxide represented by
상기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합금속 산화물에 있어서, Co는 y에 해당하는 함량, 즉 0<y≤0.35, 구체적으로는 0<y≤0.2의 함량으로 포함될 수 있다. 상술한 범위를 만족하면, 양극활물질의 용량 특성을 향상시킬 수 있다. y가 0일 경우 용량 특성이 저하될 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, Co의 함량 증가로 인한 효과가 미미할 수 있다.In the lithium composite metal oxide represented by
또한, 상기 화학식 1의 리튬 복합금속 산화물에 있어서, M1은 Mn 및 Al 으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 M1인 Mn인 경우 양극활물질의 용량 특성 및 구조 안정성이 개선되므로, 최종 생산품인 이차전지가 고용량을 구현할 수 있고, 출력 특성이 향상될 수 있다. 상기 M1이 Al인 경우 활물질의 출력 특성이 개선시킬 수 있다.In the lithium composite metal oxide of
상기 M1은 z에 해당하는 함량, 0<z≤0.35, 구체적으로는 0<z≤0.2의 함량으로 포함될 수 있다. z가 0이면 M1 포함에 따른 개선효과를 얻을 수 없고, 상술한 범위를 초과하면, 오히려 이차전지의 출력 특성 및 용량 특성이 저하될 수 있다.M1 may be included in the content corresponding to z, 0 < z < = 0.35, specifically 0 < z = 0.2. If z is 0, an improvement effect according to the inclusion of M1 can not be obtained. If the value exceeds the above range, the output characteristics and the capacity characteristics of the secondary battery may be deteriorated.
또한, 상기 화학식 1의 리튬 복합금속 산화물 또는 상기 리튬 복합금속 산화물에서의 Ni, Co 및 M1의 원소는, 활물질 내 금속 원소의 분포 조절을 통한 전지 특성 개선을 위해, 또 다른 원소, 즉 M2에 의해 일부 치환되거나 도핑될 수도 있다. 상기 M2는 구체적으로 W, Mo, Zr, Ti, Mg, Ta, Fe, V, Cr, Ba, Ca, Al 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소일 수 있으며, 보다 구체적으로는 상기 M1이 Mn인 경우, W, Ti, Mg 또는 Al일 수 있고, 상기 M1이 Al인 경우, W, Ti 또는 Mg일 수 있다. 상기 M2에 의해, 양극활물질의 구조 안정성이 개선되고, 그 결과로 이차전지의 출력특성이 향상될 수 있다.The elements of Ni, Co, and
상기 M2의 원소는 양극활물질의 특성을 저하시키지 않는 범위 내에서 w에 해당하는 양, 즉 0≤w≤0.02의 함량으로 포함될 수 있다.The element of M2 may be contained in an amount corresponding to w, that is, an amount of 0? W? 0.02 within a range that does not deteriorate the properties of the cathode active material.
상기 코어는 1차 입자 또는 1차 입자들이 응집된 2차 입자일 수 있다. 이때 1차 입자들은 균일 또는 불균일할 수 있다.The core may be a primary particle or a secondary particle with aggregated primary particles. Where the primary particles can be uniform or non-uniform.
또한, 상기 코어는 양극활물질의 비표면적 및 양극 합제의 밀도를 고려하여, 평균 입자 직경(D50)이 1㎛ 내지 20㎛, 구체적으로는 3 내지 18㎛일 수 있다. 상기 코어가 2차 입자일 경우, 평균 입자 직경(D50)은 50nm 내지 1,000nm일 수 있다. 상술한 범위를 만족하면, 전지의 율특성 및 초기 용량 특성이 개선될 수 있다. 상술한 범위 미만이면, 양극활물질 간 응집으로 인해 양극 합제 내 분산성이 저하될 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, 양극활물질의 기계적 강도가 저하될 수 있고 비표면적이 감소될 수 있다. In addition, the core may have an average particle diameter (D 50 ) of 1 탆 to 20 탆, specifically, 3 to 18 탆, in consideration of the specific surface area of the cathode active material and the density of the positive electrode mixture. When the core is a secondary particle, the average particle diameter (D 50 ) may be from 50 nm to 1,000 nm. When the above-described range is satisfied, the rate characteristic and the initial capacity characteristic of the battery can be improved. If the amount is less than the above-mentioned range, the dispersibility in the positive electrode mixture may deteriorate due to agglomeration between the positive electrode active materials. Exceeding the above-mentioned range may lower the mechanical strength of the cathode active material and reduce the specific surface area.
본 발명에 있어서, 코어의 평균 입자 직경은 집속 이온빔(forced ion beam, fib)을 이용한 입자 단면 분석을 통해 측정할 수 있다.In the present invention, the average particle diameter of the core can be measured through particle section analysis using a forced ion beam (fib).
본 발명의 일실시예에 따른 양극활물질의 평균 입자 직경(D50)은 입자 직경 분포의 50% 기준에서의 입자 직경으로 정의할 수 있다. 상기 양극활물질의 평균 입자 직경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로 상기 양극활물질의 평균 입자 직경(D50)은 양극활물질의 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28 kHz의 초음파를 출력 60W로 조사하고, 측정 장치에 있어서의 입자 직경 분포의 50% 기준에서의 평균 입자 직경(D50)을 산출할 수 있다.The average particle diameter (D 50 ) of the cathode active material according to an embodiment of the present invention can be defined as a particle diameter at a standard of 50% of the particle diameter distribution. The average particle diameter (D 50 ) of the cathode active material can be measured using, for example, a laser diffraction method. Specifically, the average particle diameter (D 50 ) of the cathode active material is measured by dispersing the particles of the cathode active material in a dispersion medium and then introducing the particles into a commercially available laser diffraction particle size analyzer (for example, Microtrac MT 3000) to output an ultrasonic wave of about 28 kHz 60 W, and the average particle diameter (D 50 ) of 50% of the particle diameter distribution in the measuring apparatus can be calculated.
본 발명의 일실시예에 따른 양극활물질은, 상술한 구조 및 구성을 가지며, 평균 입자 직경(D50)이 1㎛ 내지 20㎛이고, BET 비표면적이 0.1㎡/g 내지 0.7㎡/g인 것일 수 있다. 상기 양극활물질의 평균 입자 직경(D50)이 1㎛ 미만이거나 또는 BET 비표면적이 0.7㎡/g를 초과하면 양극활물질간 응집으로 인한 활물질층 내 양극활물질의 분산성 저하 및 전극 내 저항 증가의 우려가 있다. 또 평균 입자 직경(D50)이 20㎛를 초과하거나 또는 BET 비표면적이 0.1㎡/g 미만일 경우, 양극활물질 자체의 분산성 저하 및 용량 저하의 우려가 있다. 또, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 상술한 평균 입자 직경 및 BET 비표면적 조건을 동시에 충족함으로써 우수한 용량 및 충방전 특성을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 양극활물질은 3㎛ 내지 18㎛의 평균 입자 직경(D50) 및 0.2㎡/g 내지 0.5㎡/g의 BET 비표면적을 가질 수 있다.The cathode active material according to one embodiment of the present invention has the above-described structure and composition, and has an average particle diameter (D 50 ) of 1 탆 to 20 탆 and a BET specific surface area of 0.1
본 발명의 일실시예에 따른 양극활물질의 평균 입자 직경(D50)은 앞서 코어의 평균 입자 직경 측정시와 동일한 방법으로 정의되고, 측정될 수 있다. 또, 본 발명에 있어서, 양극활물질의 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사 BELSORP-mino II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출할 수 있다.The average particle diameter (D 50 ) of the cathode active material according to an embodiment of the present invention can be defined and measured in the same manner as in the measurement of the average particle diameter of the core. In the present invention, the specific surface area of the positive electrode active material is measured by the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method. Specifically, the specific surface area of the positive electrode active material is measured by using BEL Japan's BELSORP- Can be calculated from the nitrogen gas adsorption amount.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 양극활물질은, 1.5g/cc 이상, 혹은 1.5g/cc 내지 4g/cc의 탭밀도를 가질 수 있다. 상기한 범위의 높은 탭밀도를 가짐으로써, 고용량 특성을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 양극활물질은 2.0g/cc 내지 3.0g/cc의 탭밀도를 가질 수 있다.Also, the cathode active material according to one embodiment of the present invention may have a tap density of 1.5 g / cc or more, or 1.5 g / cc to 4 g / cc. By having a high tap density in the above-mentioned range, high capacity characteristics can be exhibited. More specifically, the cathode active material may have a tap density of 2.0 g / cc to 3.0 g / cc.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 양극활물질의 탭밀도는 통상의 탭밀도 측정기를 이용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로는 LOGAN사제의 TAP-2S를 이용하여 측정할 수 있다. Also, the tap density of the cathode active material according to one embodiment of the present invention can be measured using a conventional tap density measuring instrument, specifically, TAP-2S manufactured by LOGAN.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 양극활물질의 제조방법은 인을 포함하는 제1 원료물질과 2A족 및 3A족으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 제2 원료물질을 이용하여 인(P)과, 2A족 및 3A족으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 비정질 산화물을 형성하는 제1 단계; 및 상기 비정질 산화물과 리튬 복합금속 산화물을 혼합한 후, 열처리하여 상기 리튬 복합금속 산화물 상에 상기 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층을 형성하는 제2 단계를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cathode active material, which comprises the steps of: forming a first raw material containing phosphorus and a second raw material containing at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A and Group 3A; A first step of forming an amorphous oxide containing phosphorus (P) and at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A and Group 3A; And a second step of mixing the amorphous oxide and the lithium composite metal oxide and then performing a heat treatment to form a surface treatment layer containing the amorphous oxide on the lithium composite metal oxide.
상기 제1 원료물질은 PO4, P2O4 및 P2O5로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 구체적으로는 P2O5일 수 있다. 상기 제1 원료물질은 유리 특성을 가지며, 이중 결합을 갖는 비가교 산소(non-bridging oxygen, NB0)를 가지므로, 링 구조 또는 층상 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조로 인해 실리케이트계 유리에 비하여 우수한 유연성을 비정질 산화물에 부여할 수 있다. 이에 따라 상기 제1 원료물질로 제조된 비정질 산화물은 코어 상에 균일하게 코팅될 수 있으며, 코어의 부피변화에 유연하게 대응할 수 있다. The first raw material may be at least one selected from the group consisting of PO 4 , P 2 O 4 and P 2 O 5 , and may be specifically P 2 O 5 . The first raw material has a glass property and has a ring structure or a layered structure since it has non-bridging oxygen (NBO) having double bonds. Due to this structure, excellent flexibility can be imparted to the amorphous oxide as compared with the silicate-based glass. Accordingly, the amorphous oxide made of the first raw material can be coated uniformly on the core, and the amorphous oxide can flexibly cope with the volume change of the core.
상기 제2 원료물질은 2A족 및 3A족으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소와, 산소를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 산화마그네슘, 산화칼슘 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 제2 원료물질은 비정질 산화물에 전해액 및 전해액 유래 불화수소에 대한 우수한 내화학성, 경도 및 파괴 인성을 부여할 수 있다. The second raw material may include one or more metal elements selected from the group consisting of Group 2A and Group 3AA and oxygen, and preferably, one selected from the group consisting of magnesium oxide, calcium oxide, and aluminum oxide It can be more than a species. The second raw material can impart excellent chemical resistance, hardness and fracture toughness to an amorphous oxide and an electrolytic solution and hydrogen fluoride derived from an electrolyte solution.
한편, 상기 제1 단계는 상기 제1 및 제2 원료물질을 혼합하고, 600℃ 내지 1,500℃, 구체적으로는 800℃ 내지 1,100℃에서 용융시킨 후, 냉각하여 비정질 산화물을 형성하는 단계일 수 있다. 상술한 용융 온도는 상기 제1 및 제2 원료물질의 종류 및 혼합 비율에 따라 조절될 수 있다.Meanwhile, in the first step, the first and second raw materials are mixed and melted at 600 ° C to 1,500 ° C, specifically 800 ° C to 1,100 ° C, and then cooled to form an amorphous oxide. The above-mentioned melting temperature can be controlled according to the kind and mixing ratio of the first and second raw materials.
상기 제1 원료물질과 상기 제2 원료물질의 혼합비는 표면처리층을 형성하는 비정질 산화물 내 인과 금속 원소의 함량을 고려하여 적절히 결정될 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 원료물질과 상기 제2 원료물질은 1:0.1 내지 1:2의 몰비, 구체적으로는 1:0.2 내지 1:1.5의 몰비로 혼합할 수 있다. 수치 한정 이유는 비정질 산화물 내 인과 금속 원소의 몰비에 대한 설명에 기재한 바와 같다.The mixing ratio of the first raw material and the second raw material may be appropriately determined in consideration of the content of phosphorus and metal elements in the amorphous oxide forming the surface treatment layer. Specifically, the first raw material and the second raw material may be mixed in a molar ratio of 1: 0.1 to 1: 2, specifically 1: 0.2 to 1: 1.5. The reason for the numerical limitation is as described in the description of the molar ratio of phosphorus and metal element in the amorphous oxide.
상기 제1 단계 이후, 상기 비정질 산화물을 10nm 내지 500nm, 구체적으로는 100nm 내지 300nm의 평균 입자 직경을 갖도록 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 비정질 산화물이 코어 상에 잘 코팅되기 위해서는 상술한 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상술한 범위 미만이면, 원료물질 입자끼리의 뭉침으로 양극활물질 표면에 대한 코팅성이 저하될 우려가 있다. 상술한 범위를 초과하면 코어 상에 형성되는 표면처리층의 치밀성이 저하될 우려가 있다.After the first step, the amorphous oxide may be pulverized to have an average particle diameter of 10 nm to 500 nm, specifically, 100 nm to 300 nm. In order for the amorphous oxide to be well coated on the core, it is preferable to have the above-mentioned particle size. If it is less than the above-mentioned range, there is a fear that coating property on the surface of the positive electrode active material is lowered due to aggregation of the raw material particles. Exceeding the above range may lower the compactness of the surface treatment layer formed on the core.
상기 분쇄는 볼밀 등 통상의 분쇄 공정에 의해 수행될 수 있다.The pulverization may be carried out by a conventional pulverizing process such as a ball mill.
상기 제2 단계에서, 상기 혼합은 고상 혼합일 수 있다. 고상 혼합은 액상 혼합시 사용되는 용매 등에 의한 부반응물 생성의 우려가 없고, 보다 균일한 표면처리층의 형성이 가능하다.In the second step, the mixing may be solid phase mixing. Solid-phase mixing is free from the formation of byproducts by a solvent or the like used in the liquid phase mixing, and a more uniform surface treatment layer can be formed.
상기 제2 단계에서, 상기 열처리는 300℃ 내지 600℃, 구체적으로는 300℃ 내지 500℃에서 열처리가 수행될 수 있다. 상술한 온도를 만족하면, 표면처리층 형성성이 우수하고, 양극활물질이 변성되지 않는다. 또한, 비정질 산화물과 리튬 복합금속 산화물 사이에 부반응물이 생성되지 않는다.In the second step, the heat treatment may be performed at 300 ° C to 600 ° C, specifically 300 ° C to 500 ° C. When the above-mentioned temperature is satisfied, the surface treatment layer forming property is excellent and the positive electrode active material is not denatured. In addition, no side reactions are formed between the amorphous oxide and the lithium composite metal oxide.
또, 상기 열처리시의 분위기는 특별히 한정되지 않으며, 진공, 불활성 또는 대기 분위기하에서 수행될 수 있다. 또, 상기 열처리 공정은 상기한 조건에서 5시간 내지 48시간, 혹은 10시간 내지 20시간 실시될 수 있다.The atmosphere at the time of the heat treatment is not particularly limited and may be carried out under a vacuum, inert atmosphere or atmospheric environment. The heat treatment may be performed under the above conditions for 5 hours to 48 hours, or for 10 hours to 20 hours.
또, 상기 열처리 공정은 상기한 온도 범위 내에서 다단계로 수행될 수도 있으며, 이때 각 단계 진행에 따라 온도를 다양하게 변화시키며 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment process may be performed in multiple stages within the temperature range described above, and may be performed by varying the temperature according to the progress of each step.
또, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기한 양극활물질을 포함하는 양극을 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, it is possible to provide a positive electrode comprising the positive electrode active material.
구체적으로, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 위에 형성되며, 상기한 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함한다.Specifically, the anode includes a cathode current collector and a cathode active material layer formed on the cathode current collector and including the cathode active material.
상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, carbon, nickel, titanium, , Silver or the like may be used. In addition, the cathode current collector may have a thickness of 3 to 500 탆, and fine unevenness may be formed on the surface of the current collector to increase the adhesive force of the cathode active material. For example, it can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
또, 상기 양극활물질층은 앞서 설명한 양극활물질과 함께, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.In addition, the cathode active material layer may include a conductive material and a binder together with the cathode active material described above.
이때, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 양극활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.At this time, the conductive material is used for imparting conductivity to the electrode. The conductive material can be used without particular limitation as long as it has electron conductivity without causing chemical change. Specific examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black and carbon fiber; Metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum and silver; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Or a conductive polymer such as a polyphenylene derivative, and mixtures of at least one of these may be used. The conductive material may be typically contained in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the cathode active material layer.
또, 상기 바인더는 양극활물질 입자들 간의 부착 및 양극활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.In addition, the binder serves to improve the adhesion between the positive electrode active material particles and the adhesion between the positive electrode active material and the current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose ), Starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and mixtures of at least one of them may be used. The binder may be included in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the cathode active material layer.
상기 양극은 상기한 양극활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기한 양극활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 포함하는 양극활물질층 형성용 조성물을 양극집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 양극활물질, 바인더, 도전재의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 같다.The positive electrode may be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method, except that the positive electrode active material described above is used. Specifically, the composition for forming a cathode active material layer containing the above-mentioned cathode active material and optionally a binder and a conductive material may be coated on the cathode current collector, followed by drying and rolling. At this time, the types and contents of the cathode active material, the binder, and the conductive material are as described above.
상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.Examples of the solvent include dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, and the like. Water, etc., and mixtures of at least one of them may be used. The amount of the solvent to be used is sufficient to dissolve or disperse the cathode active material, the conductive material and the binder in consideration of the coating thickness of the slurry and the yield of the slurry, and then to have a viscosity capable of exhibiting excellent thickness uniformity Do.
또, 다른 방법으로, 상기 양극은 상기 양극활물질층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.Alternatively, the positive electrode may be produced by casting the composition for forming the positive electrode active material layer on a separate support, then peeling off the support from the support, and laminating the obtained film on the positive electrode current collector.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 양극을 포함하는 전기화학소자가 제공된다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지, 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬이차전지일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided an electrochemical device including the anode. The electrochemical device may be specifically a battery, a capacitor, or the like, and more specifically, it may be a lithium secondary battery.
상기 리튬이차전지는 구체적으로 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하며, 상기 양극은 앞서 설명한 바와 같다. 또, 상기 리튬이차전지는 상기 양극, 음극, 세퍼레이터의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.Specifically, the lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the positive electrode is as described above. In addition, the lithium secondary battery may further include a battery container for storing the positive electrode, the negative electrode, and an electrode assembly of the separator, and a sealing member for sealing the battery container.
상기 리튬이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극집전체 및 상기 음극집전체 상에 위치하는 음극활물질층을 포함한다.In the lithium secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector.
상기 음극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the negative electrode current collector may be formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, Carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like may be used. In addition, the negative electrode collector may have a thickness of 3 to 500 탆, and similarly to the positive electrode collector, fine unevenness may be formed on the surface of the collector to enhance the binding force of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
상기 음극활물질층은 음극활물질과 함께 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함한다. 상기 음극활물질층은 일례로서 음극집전체 상에 음극활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 음극 형성용 조성물을 도포하고 건조하거나, 또는 상기 음극 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.The anode active material layer optionally includes a binder and a conductive material together with the anode active material. The negative electrode active material layer may be formed by applying and drying a composition for forming a negative electrode including a negative electrode active material on the negative electrode collector and, optionally, a binder and a conductive material, or by casting the composition for forming a negative electrode on a separate support , And a film obtained by peeling from the support may be laminated on the negative electrode collector.
상기 음극활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOx(0 < x < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.As the negative electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Specific examples thereof include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber and amorphous carbon; Metal compounds capable of alloying with lithium such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloys, Sn alloys or Al alloys; Metal oxides capable of doping and dedoping lithium such as SiO x (0 <x <2), SnO 2 , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; Or a composite containing the above-mentioned metallic compound and a carbonaceous material such as Si-C composite or Sn-C composite, and mixtures of at least one of them may be used. Also, a metal lithium thin film may be used as the negative electrode active material. The carbon material may be both low-crystalline carbon and high-crystallinity carbon. Examples of the low-crystalline carbon include soft carbon and hard carbon. Examples of the highly crystalline carbon include natural graphite, artificial graphite, artificial graphite or artificial graphite, Kish graphite graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar coke derived cokes).
또, 상기 바인더 및 도전재는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.In addition, the binder and the conductive material may be the same as those described above for the anode.
한편, 상기 리튬이차전지에 있어서, 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.Meanwhile, in the lithium secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a moving path of lithium ions. The separator can be used without any particular limitation as long as it is used as a separator in a lithium secondary battery. Particularly, It is preferable to have a low resistance and an excellent ability to impregnate the electrolyte. Specifically, porous polymer films such as porous polymer films made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymers, propylene homopolymers, ethylene / butene copolymers, ethylene / hexene copolymers and ethylene / methacrylate copolymers, May be used. Further, a nonwoven fabric made of a conventional porous nonwoven fabric, for example, glass fiber of high melting point, polyethylene terephthalate fiber, or the like may be used. In order to secure heat resistance or mechanical strength, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used, and may be optionally used as a single layer or a multilayer structure.
또, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬이차전지 제조 시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.Examples of the electrolyte used in the present invention include an organic-based liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, and a molten inorganic electrolyte that can be used in the production of a lithium secondary battery. It is not.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.The organic solvent may be used without limitation as long as it can act as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, examples of the organic solvent include ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate,? -Butyrolactone and? -Caprolactone; Ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; Ketone solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethyl carbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate PC) and the like; Alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; R-CN (R is a straight, branched or cyclic hydrocarbon group of C2 to C20, which may contain a double bond aromatic ring or an ether bond); Amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Or sulfolane may be used. Among these, a carbonate-based solvent is preferable, and a cyclic carbonate (for example, ethylene carbonate or propylene carbonate) having a high ionic conductivity and a high dielectric constant, for example, such as ethylene carbonate or propylene carbonate, For example, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate) is more preferable. In this case, when the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of about 1: 1 to about 1: 9, the performance of the electrolytic solution may be excellent.
상기 리튬염은 리튬이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt can be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt, LiPF 6, LiClO 4, LiAsF 6,
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.In addition to the electrolyte components, the electrolyte may contain, for example, a haloalkylene carbonate-based compound such as difluoroethylene carbonate or the like, pyridine, triethanolamine, or the like for the purpose of improving lifetime characteristics of the battery, Ethyl phosphite, triethanol amine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexametriamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, At least one additive such as benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, benzyl alcohol, The additive may be included in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극활물질을 포함하는 리튬이차전지는 우수한 방전용량, 출력 특성 및 용량 유지율을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.As described above, since the lithium secondary battery including the cathode active material according to the present invention stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics, and capacity retention ratio, it can be used in portable devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and hybrid electric vehicles hybrid electric vehicle (HEV)).
특히, 본 발명에 따른 리튬이차전지는 4.3V 이상인 고전압용 전지로 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로는 리튬이차전지는 충전종지전압이 4.3V 이상, 구체적으로는 4.3V 내지 4.35V인 조건으로 400회 충방전한 후의 용량유지율, 구체적으로는 방전용량 유지율이 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상일 수 있다.In particular, the lithium secondary battery according to the present invention can be usefully used as a high voltage battery having a voltage of 4.3 V or higher. Concretely, the capacity retention ratio after charging and discharging 400 times under the condition that the charging end voltage of the lithium battery is 4.3 V or more, specifically 4.3 V to 4.35 V, specifically 80% or more, preferably 85 % ≪ / RTI >
이에 따라, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 리튬이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the battery module.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.The battery module or the battery pack may include a power tool; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle, and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); Or a power storage system, as shown in FIG.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
실시예Example 1 One
(( 양극활물질의Cathode active material 제조) Produce)
하기 표 1에 기재된 몰비로 P2O5와 Al2O3를 혼합하였다. 그 결과물을 하기 표 1에 기재된 용융 온도로 용융시켰다. 그 후, 상온에서 냉각하여 비정질 산화물을 제조하였다. 그 후, 상기 비정질 산화물의 평균 입자 크기(D50)가 300㎚가 되도록 분쇄하였다. P 2 O 5 and Al 2 O 3 were mixed at the molar ratios shown in Table 1 below. The resultant was melted at the melting temperature shown in Table 1 below. Thereafter, the resultant was cooled at room temperature to prepare an amorphous oxide. Thereafter, the amorphous oxide was pulverized to have an average particle size (D 50 ) of 300 nm.
이어서, 하기 표 1에 기재된 리튬 복합금속 산화물 100중량부에 대하여, 상기 비정질 산화물 0.5중량부를 반응기 내에서 고상 혼합한 후, 하기 표 1에 기재된 열처리 온도에서 가열하였다. 이로써, 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 코어 상에 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층이 형성된 양극활물질을 제조하였다.Subsequently, 0.5 part by weight of the amorphous oxide was mixed in a solid phase with 100 parts by weight of the lithium composite metal oxide described in Table 1 below and then heated at the heat treatment temperature described in Table 1 below. Thus, a cathode active material having a surface-treated layer containing an amorphous oxide formed on a core containing a lithium composite metal oxide was produced.
(양극의 제조)(Preparation of positive electrode)
상기에서 제조한 양극활물질, 카본블랙 및 PVdF를 중량비로 95:2.5:2.5로 혼합하고, N-메틸피롤리돈와 혼합하여 양극 형성용 조성물(점도: 5000mPa·s)을 제조하고, 이를 알루미늄 집전체에 도포한 후, 130℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.The cathode active material, carbon black, and PVdF prepared above were mixed in a weight ratio of 95: 2.5: 2.5 and mixed with N-methylpyrrolidone to prepare a composition for forming an anode (viscosity: 5000 mPa.s) , Dried at 130 캜, and rolled to prepare a positive electrode.
(음극의 제조)(Preparation of negative electrode)
음극활물질로서 천연흑연, 카본블랙 도전재 및 PVDF 바인더를 85:10:5의 중량비로 혼합한 혼합물을 용매인 N-메틸피롤리돈와 혼합하여 음극 형성용 조성물을 제조하고, 이를 구리 집전체에 도포하여 음극을 제조하였다.A mixture of natural graphite, a carbon black conductive material and a PVDF binder as a negative electrode active material in a weight ratio of 85: 10: 5 was mixed with N-methyl pyrrolidone as a solvent to prepare a composition for forming a negative electrode, To prepare a negative electrode.
(리튬 이차전지의 제조)(Production of lithium secondary battery)
상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 세퍼레이터를 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 케이스 내부로 전해액을 주입하여 리튬이차전지를 제조하였다. 이때 전해액은 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트/에틸메틸카보네이트(EC/DMC/EMC의 혼합 부피비=3/4/3)로 이루어진 유기 용매에 1.0M 농도의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시켜 제조하였다. An electrode assembly was made between the positive electrode and the negative electrode through a separator made of porous polyethylene. After the electrode assembly was positioned inside the case, an electrolyte solution was injected into the case to manufacture a lithium secondary battery. The electrolyte solution was prepared by dissolving 1.0 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in an organic solvent composed of ethylene carbonate / dimethyl carbonate / ethyl methyl carbonate (mixed volume ratio of EC / DMC / EMC = 3/4/3) Respectively.
실시예Example 2 2
하기 표 1에 기재된 몰비로 P2O5와 MgO를 혼합하였다. 그 결과물을 하기 표 1에 기재된 용융 온도로 용융시켰다. 그 후, 상온에서 냉각하여 비정질 산화물을 제조하였고, 상기 비정질 산화물의 평균 입자 크기(D50)가 300 nm가 되도록 분쇄하였다. 이어서, 리튬 복합금속 산화물 100 중량부에 대하여, 상기 비정질 산화물 0.5 중량부를 반응기 내에서 고상 혼합한 후, 하기 표 1에 기재된 열처리 온도에서 가열함으로써, 코어 상에 비정질 산화물을 포함하는 표면 처리층이 형성된 양극활물질을 제조하였다.P 2 O 5 and MgO were mixed in the molar ratios shown in Table 1 below. The resultant was melted at the melting temperature shown in Table 1 below. Thereafter, the amorphous oxide was prepared by cooling at room temperature, and the amorphous oxide was pulverized to have an average particle size (D 50 ) of 300 nm. Subsequently, 0.5 part by weight of the amorphous oxide was mixed in a solid phase with 100 parts by weight of the lithium composite metal oxide, and the mixture was heated at the heat treatment temperature shown in Table 1 to form a surface treatment layer containing an amorphous oxide Thereby preparing a cathode active material.
상기에서 제조한 양극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극, 음극 및 리튬 이차전지를 제조하였다. A positive electrode, a negative electrode and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that the above-prepared positive electrode active material was used.
실시예Example 3 3
하기 표 1에 기재된 몰비로 P2O5와 CaO를 혼합하였다. 그 결과물을 하기 표 1에 기재된 용융 온도로 용융시켰다. 그 후, 상온에서 냉각하여 비정질 산화물을 제조하였고, 상기 비정질 산화물의 평균 입자 크기(D50)가 300 nm가 되도록 분쇄하였다. 이어서, 리튬 복합금속 산화물 100 중량부에 대하여, 상기 비정질 산화물 0.5 중량부를 반응기 내에서 고상 혼합한 후, 하기 표 1에 기재된 열처리 온도에서 가열함으로써, 코어 상에 비정질 산화물을 포함하는 표면 처리층이 형성된 양극활물질을 제조하였다.P 2 O 5 and CaO were mixed in the molar ratios shown in Table 1 below. The resultant was melted at the melting temperature shown in Table 1 below. Thereafter, the amorphous oxide was prepared by cooling at room temperature, and the amorphous oxide was pulverized to have an average particle size (D 50 ) of 300 nm. Subsequently, 0.5 part by weight of the amorphous oxide was mixed in a solid phase with 100 parts by weight of the lithium composite metal oxide, and the mixture was heated at the heat treatment temperature shown in Table 1 to form a surface treatment layer containing an amorphous oxide Thereby preparing a cathode active material.
상기에서 제조한 양극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극, 음극 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A positive electrode, a negative electrode and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that the above-prepared positive electrode active material was used.
(℃)Melting temperature
(° C)
비교예 1Comparative Example 1
별도의 표면처리층을 형성하지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 리튬 이차전지를 제조하였다. A positive electrode and a lithium secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that no separate surface treatment layer was formed.
비교예Comparative Example 2 2
표면처리층으로서 PO4만을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 및 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A positive electrode active material and a positive electrode and a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material were prepared in the same manner as in Example 1 except that only PO 4 was used as the surface treatment layer.
비교예Comparative Example 3 3
표면처리층으로서 Al2O3만을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 및 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A positive electrode active material and a positive electrode and a lithium secondary battery comprising the same were prepared in the same manner as in Example 1 except that only Al 2 O 3 was used as the surface treatment layer.
실험예Experimental Example 1: One: 리튬이차전지의The lithium secondary battery 특성 평가 Character rating
실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 리튬이차전지에 대해, 45℃에서 0.33C의 정전류(CC)로 하기 표 2에 기재한 전압이 될 때까지 충전하고, 4.3V의 정전압(CV)로 충전하여 충전전류가 0.05%가 될 때까지 1회 충전하였다. 이어서, 0.33C의 정전류로 2.5V가 될 때까지 방전하여 1사이클의 방전용량을 측정하였다. 이를 400사이클까지 반복하고, 1사이클의 방전용량 대비 사이클 수에 따른 방전용량의 비율인 방전용량 유지율을 측정하였다. 그 결과를 도 1에 나타내었다.The lithium secondary batteries of Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 were charged at a constant current (CC) of 0.33 C at 45 캜 until the voltage shown in Table 2 was obtained, and a constant voltage (CV) of 4.3 V was applied. And charged once until the charge current became 0.05%. Subsequently, discharge was performed until the voltage reached 2.5 V at a constant current of 0.33 C, and the discharge capacity of one cycle was measured. This was repeated up to 400 cycles, and the discharge capacity retention ratio, which is the ratio of the discharge capacity according to the number of cycles versus the discharge capacity in one cycle, was measured. The results are shown in Fig.
도 1을 참조하면, 실시예 1의 리튬이차전지의 경우, 사이클 수가 경과됨에 방전용량 유지율이 완만하게 저하되므로, 안정적인 수명 특성을 나타낸다. 하지만, 비교예 2의 리튬이차전지의 경우, 양극활물질의 내구성이 우수하지 못하여, 방전용량 유지율이 급격하게 저하되었다. 비교예 3의 리튬이차전지의 경우, 실시예 1의 리튬이차전지 보다 낮은 전압에서 구동가능하며, 방전용량 유지율의 저하 속도가 실시예 1의 리튬이차전지 보다 빠른 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 1, in the case of the lithium secondary battery of Example 1, since the cycle number is elapsed, the discharge capacity retention rate is gradually lowered, thereby exhibiting a stable life characteristic. However, in the case of the lithium secondary battery of Comparative Example 2, the durability of the positive electrode active material was not excellent, and the discharge capacity retention ratio rapidly decreased. It was confirmed that the lithium secondary battery of Comparative Example 3 can be driven at a voltage lower than that of the lithium secondary battery of Example 1 and the rate of decrease of the discharge capacity retention rate is faster than that of the lithium secondary battery of Example 1. [
실험예Experimental Example 2: 고온 저장 후 용량 유지율 2: Capacity retention rate after high temperature storage
상기 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지의 고온 저장 후 용량 유지율을 측정하였다. 이때, 실시예 2~3 및 비교예 1에 대해서 샘플을 각각 4개씩 제조하여 고온 저장 후 용량 유지율을 측정하였다.The capacity retention ratios of the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 after storage at high temperature were measured. At this time, four samples were prepared for each of Examples 2 to 3 and Comparative Example 1, and the capacity retention ratio after storage at high temperature was measured.
구체적으로, 상기 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지를 상온(25℃)에서 0.33C의 정전류로 4.35V까지 만충전한 후, SOC 100%에서 0.33C의 정전류로 2.5V까지 방전하였다. 그 방전 용량을 계산하여 제조 직후의 용량으로 하였다. 이후, 상기 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지를 각각 4.35V까지 만충전한 후, 60℃에서 4주간 저장하면서 용량 유지율을 측정하였다.Specifically, the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 were fully charged at a constant current of 0.33 C at a room temperature (25 캜) to 4.35 V, and then charged at a constant current of 0.33 C at a SOC of 100% And discharged. The discharge capacity was calculated to be the capacity immediately after the production. Thereafter, the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 were fully charged to 4.35 V, and then the capacity retention ratio was measured while being stored at 60 ° C for 4 weeks.
제조 후, 각각 각각 1 주, 2 주, 3 주 및 4 주 후의 용량/제조 직후의 용량 x 100으로 고온 저장 이후의 용량을 계산하였고, 이를 도 2에 나타내었다.After preparation, the capacities after 1, 2, 3 and 4 weeks after storage and after storage at high temperature, respectively, were calculated and are shown in FIG.
도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 2 및 3에서 제조한 리튬 이차전지는 고온에서 4주 동안 저장하는 동안, 80% 이상의 용량 유지율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지는 고온에서 2주 이상 저장할 경우, 리튬 복합금속 산화물과 전해액의 접촉에 따른 리튬 복합금속 산화물의 손상에 의해 리튬 이차전지의 용량이 저하된 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 2, it was confirmed that the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 exhibited a capacity retention ratio of 80% or more during storage for 4 weeks at a high temperature. However, when the lithium secondary battery of Comparative Example 1 was stored at a high temperature for 2 weeks or longer, it was confirmed that the capacity of the lithium secondary battery was deteriorated by the damage of the lithium composite metal oxide due to contact between the lithium composite metal oxide and the electrolyte .
실험예Experimental Example 3: 고온 저장 후 저항 특성 3: Resistance characteristic after high temperature storage
상기 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지의 고온 저장 후 저항을 측정하였다. 이때, 실시예 2~3 및 비교예 1에 대해서 샘플을 각각 4개씩 제조하여 고온 저장 후 용량 유지율을 측정하였다.The resistance of the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 after storage at high temperature was measured. At this time, four samples were prepared for each of Examples 2 to 3 and Comparative Example 1, and the capacity retention ratio after storage at high temperature was measured.
구체적으로, 상기 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지를 25℃에서 0.33C의 정전류로 4.35V까지 충전하였고, SOC 100%에서 0.33C 정전류로 2.5V까지 방전하여 초기 충방전을 수행하였다. 이후, 상기 실시예 2~3 및 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지를 각각 4.35V까지 만충전한 후, 60℃에서 4주 동안 저장하면서 저항 특성을 측정하였고, 이를 도 3에 나타내었다. Specifically, the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 were charged to 4.35 V at a constant current of 0.33 C at 25 캜, discharged at 2.5 V with a constant current of 0.33 C at an SOC of 100% Respectively. Then, the lithium secondary batteries prepared in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 were fully charged to 4.35 V and then stored at 60 ° C. for 4 weeks. The resistance characteristics of the lithium secondary batteries were measured as shown in FIG.
도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 2 및 3에서 제조한 리튬 이차전지는 고온에서 4주간 저장하는 동안, 거의 저항이 증가하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교예 1에서 제조한 리튬 이차전지는 고온에서 1주 이상 저장할 경우, 저항이 급격하게 증가되었으며, 2주 이상 저장할 경우 초기 저항 대비 2배 이상으로 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3, it was confirmed that the resistance of the lithium secondary battery manufactured in Examples 2 and 3 hardly increased during storage for 4 weeks at a high temperature. However, the resistance of the lithium secondary battery prepared in Comparative Example 1 was rapidly increased when stored for 1 week or more at high temperature, and the resistance increased more than twice as much as the initial resistance when stored for 2 weeks or more.
Claims (15)
상기 코어의 표면 상에 위치하고, 인(P)과, 2A족 원소 및 3A족 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층;을 포함하는 이차전지용 양극활물질.
A core comprising a lithium composite metal oxide; And
And a surface treatment layer which is located on the surface of the core and comprises an amorphous oxide containing phosphorus (P) and at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A elements and Group 3A elements, Active material.
상기 비정질 산화물 내의 인 : 금속 원소의 몰비가 1:0.1 내지 1:2인 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the mole ratio of phosphorus: metal element in the amorphous oxide is 1: 0.1 to 1: 2.
상기 표면처리층은 평균 두께가 상기 코어의 평균 반직경의 0.001 내지 1배인 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the surface treatment layer has an average thickness of 0.001 to 1 times the average radius of the core.
상기 표면처리층은 상기 양극활물질 총 중량에 대하여, 0.05중량% 내지 1중량%인 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the surface treatment layer is 0.05 wt% to 1 wt% with respect to the total weight of the cathode active material.
상기 리튬 복합금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 이차전지용 양극활물질:
<화학식 1>
LiaNixCoyM1zM2wO2
상기 화학식 1에서,
M1은 Mn 또는 Al이고,
M2는 W, Mo, Zr, Ti, Mg, Ta, Al, Fe, V, Cr, Ba, Ca, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
0.8≤a≤1.2, 0.3≤x<1, 0<y≤0.35, 0<z≤0.35, 0≤w≤0.02 및 x+y+z+w=1이다.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium composite metal oxide is represented by the following Formula 1:
≪ Formula 1 >
Li a Ni x Co y M1 z M2 w O 2
In Formula 1,
M1 is Mn or Al,
M2 is at least one element selected from the group consisting of W, Mo, Zr, Ti, Mg, Ta, Al, Fe, V, Cr, Ba, Ca,
0? Z? 0.35, 0? W? 0.02 and x + y + z + w = 1.
상기 비정질 산화물과 리튬 복합금속 산화물을 혼합한 후, 열처리하여 상기 리튬 복합금속 산화물 상에 상기 비정질 산화물을 포함하는 표면처리층을 형성하는 제2 단계를 포함하는 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
(P), the group 2A element, and the group 3A element, by using a first raw material containing phosphorus and a second raw material containing at least one metal element selected from the group consisting of Group 2A elements and Group 3A elements, A first step of forming an amorphous oxide containing at least one metal element selected from the group consisting of Group III elements; And
And a second step of mixing the amorphous oxide and the lithium composite metal oxide and then performing a heat treatment to form a surface treatment layer containing the amorphous oxide on the lithium composite metal oxide.
상기 제1 원료물질은 PO4, P2O4 및 P2O5로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the first raw material is at least one selected from the group consisting of PO 4 , P 2 O 4, and P 2 O 5 .
상기 제2 원료물질은 산화마그네슘, 산화칼슘 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the second raw material is at least one selected from the group consisting of magnesium oxide, calcium oxide, and aluminum oxide.
상기 제1 단계는 상기 제1 및 제2 원료물질을 혼합하고, 600℃ 내지 1,500℃에서 용융시킨 후, 냉각하여 비정질 산화물을 형성하는 단계인 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the first step comprises mixing the first and second raw materials, melting the first and second raw materials at 600 ° C to 1,500 ° C, and then cooling to form an amorphous oxide.
상기 혼합은 상기 제1 원료물질 및 제2 원료물질을 1:0.1 내지 1:2의 몰비로 혼합하는 것인 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 9,
Wherein the mixing is performed by mixing the first raw material and the second raw material at a molar ratio of 1: 0.1 to 1: 2.
상기 제1 단계 이후, 상기 비정질 산화물을 10㎚ 내지 500㎚의 평균 입자 직경을 갖도록 분쇄하는 단계를 더 포함하는 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
Further comprising the step of grinding the amorphous oxide to have an average particle diameter of 10 nm to 500 nm after the first step.
상기 제2 단계에서, 상기 열처리는 300℃ 내지 600℃에서 수행되는 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C to 600 ° C in the second step.
A positive electrode for a secondary battery comprising the positive electrode active material for a secondary battery according to claim 1.
A secondary battery comprising a positive electrode for a secondary battery according to claim 13.
상기 이차전지는 충전종지전압이 4.3V 이상인 조건으로 400회 충방전한 후의 방전용량 유지율이 80% 이상인 이차전지.15. The method of claim 14,
Wherein the secondary battery has a discharge capacity retention rate of 80% or more after 400 charge / discharge cycles with a charge end voltage of 4.3 V or higher.
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