KR20180089059A - Positive Electrode Active Material for Lithium Secondary Battery Comprising Lithium Cobalt Oxide with Core-Shell Structure and Method of Manufacturing the Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery including a lithium cobalt doping oxide with a core-shell structure. A lithium cobalt doping oxide of the core and a lithium cobalt doping oxide of the shell each independently includes three kinds of dopants. The dopants of the core have metal (M1) of an oxidation number of +2, metal (M2) of an oxidation number of +3, and metal (M3) of an oxidation number +4, wherein each content of the M1, M2, and M3 satisfies the following condition (1) based on molar ratios. In addition, the dopants of the shell have metal (M1′) of an oxidation number of +2, metal (M2′) of an oxidation number of +3, and metal (M3′) of an oxidation number of +4, wherein each content of the M1′, M2′, and M3′ satisfies the following condition (2) based on molar ratios. The condition (1) is represented by 2 <= r (molar ratios) = CM1/(CM2 + CM3) <= 3, and the condition (2) is represented by 0.5 <= r′ (molar ratios) = CM1′/(CM2′ + CM3′) < 2, wherein the CM1 is the content of the M1, the CM2 is the content of the M2, the CM3 is the content of the M3, the CM1′ is the content of the M1′, the CM2′ is the content of the M2′, and the CM3′ is the content of the M3.

Description

코어-쉘 구조의 리튬 코발트 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이를 제조하는 방법 {Positive Electrode Active Material for Lithium Secondary Battery Comprising Lithium Cobalt Oxide with Core-Shell Structure and Method of Manufacturing the Same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery including a lithium-cobalt oxide having a core-shell structure, and a method for manufacturing the same. 2. Description of the Related Art Positive Electrode Active Material for Lithium Secondary Battery Comprising Lithium Cobalt Oxide with Core-

본 발명은 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium-cobalt oxide having a core-shell structure and a method for producing the same.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As the technology development and demand for mobile devices have increased, the demand for secondary batteries has increased sharply as an energy source. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and operating potential, long cycle life, Have been commercialized and widely used.

또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.In addition, as the interest in environmental issues grows, researches on electric vehicles and hybrid electric vehicles that can replace fossil fuel-based vehicles such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, . Although nickel-metal hydride secondary batteries are mainly used as power sources for such electric vehicles and hybrid electric vehicles, researches using lithium secondary batteries having high energy density and discharge voltage are being actively carried out, and they are in the commercialization stage.

현재 리튬 이차전지의 양극재로는 LiCoO2, 삼성분계(NMC/NCA), LiMnO4, LiFePO4 등이 사용되고 있다. 이중에서 LiCoO2의 경우, 높은 압연밀도 등의 장점 또한 분명히 존재하기 때문에 현재까지도 LiCoO2가 다수 사용되고 있는 편이며, 고용량 이차전지를 개발하기 위해 사용전압을 상승시키기 위한 연구가 진행되고 있는 실정이다. 그러나, LiCoO2는 충방전 전류량이 약 150 mAh/g 정도로 낮으며, 4.3V 이상의 전압에서는 결정구조가 불안정하여 수명 특성이 급격히 저하되는 문제가 있고, 전해액과의 반응에 의한 발화의 위험성을 가지고 있다.At present, LiCoO 2 , ternary system (NMC / NCA), LiMnO 4 , LiFePO 4 and the like are used as a cathode material of a lithium secondary battery. Among them, LiCoO 2 has advantages such as high rolling density and so on. Therefore, LiCoO 2 is widely used up to now, and studies are being conducted to increase the operating voltage to develop a high capacity secondary battery. However, LiCoO 2 has a low charging / discharging current of about 150 mAh / g and has a problem that its crystal structure is unstable at a voltage of 4.3 V or more, resulting in rapid deterioration of lifetime characteristics and a risk of ignition due to reaction with an electrolyte .

이를 해결하기 위해, 종래에는 상기 LiCoO2에 Al, Ti, Mg, Zr과 같은 금속을 도핑하거나, LiCoO2의 표면에 Al, Ti, Mg, Zr과 같은 금속을 코팅하는 기술이 사용되기도 하나, 그러나, 이러한 선행기술들은 모두 도핑 원소를 50ppm ~ 8000ppm 이내로 도핑하는 방법만을 개시하고 있어, 4.5V 초과의 고전압에서는 여전히 구조적 안정성을 유지하지 못하는 문제가 있었고, 상기 금속으로 이루어진 코팅층의 경우, 충방전시 Li 이온의 이동을 방해하거나, LiCoO2의 용량을 감소시켜, 오히려 이차전지의 성능을 저하시키고, 고온 및 고전압에서의 안정성 및 수명 특성에 여전히 문제가 있었다.To solve this problem, in the prior art, wherein the LiCoO 2 doped with a metal such as Al, Ti, Mg, Zr, or a technique of coating a metal such as Al, Ti, Mg, Zr on the surface of LiCoO 2 also used, but , All of these prior arts disclose only a method of doping the doping element within 50 ppm to 8000 ppm and there is still a problem that the structural stability can not be maintained at a high voltage exceeding 4.5 V. In the case of the coating layer made of the metal, Ions are prevented from moving or the capacity of LiCoO 2 is reduced, and the performance of the secondary battery is deteriorated rather than the stability and life characteristics at high temperature and high voltage.

따라서, 고온 및 고전압 환경에서도 수명특성이 높고 안정성이 강화된 리튬 코발트 산화물 기반의 양극 활물질 개발의 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high demand for the development of a cathode active material based on lithium cobalt oxide, which has high lifetime characteristics and enhanced stability even in a high temperature and high voltage environment.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물 및 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물에 각각 서로 다른 산화수를 가지는 3 종류의 도펀트들이 도핑되어 있고, 이들의 도펀트들의 함량이 청구항 1의 조건 (1) 및 (2)를 만족하는 경우, 4.5V 초과의 작동전압 범위에서도 결정 구조의 구조적 안정성이 향상되어 결정 구조가 유지되는 바, 높은 고전압 특성을 나타냄을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.As a result of intensive research and various experiments, the inventors of the present application have found that three kinds of dopants having different oxidation numbers are doped into the lithium-cobalt-doped oxide of the core and the lithium-cobalt-doped oxide of the shell , The structural stability of the crystal structure is improved and the crystal structure is maintained even in the operating voltage range exceeding 4.5 V when the content of the dopants satisfies the conditions (1) and (2) of claim 1, And reached the completion of the present invention.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 양극 활물질은, 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질로서,Accordingly, the cathode active material for a secondary battery according to the present invention is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a core-shell structure of lithium cobalt doped oxide,

상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 각각 서로 독립적으로 3 종류의 도펀트들을 포함하고;The lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell each independently comprise three kinds of dopants;

상기 코어의 도펀트들은, +2가 산화수의 금속(M1), +3가 산화수의 금속(M2), 및 +4가 산화수의 금속(M3)이며, 상기 M1, M2, 및 M3의 함량은 몰비를 기준으로 하기 조건 (1)을 만족하고;The dopants of the core are a metal (M1) having an oxidation number of +2, a metal (M2) having a +3 oxidation number and a metal (M3) having a oxidation number of +4, and the contents of M1, Satisfy the following condition (1) as a criterion;

상기 쉘의 도펀트들은, +2가 산화수의 금속(M1'), +3가 산화수의 금속(M2'), 및 +4가 산화수의 금속(M3')이며, 상기 M1', M2', 및 M3'의 함량은 몰비를 기준으로 하기 조건 (2)를 만족하는 것을 특징으로 한다.The dopants of the shell are metals M1 ', M2' and M2 'having a +2 oxidation number, a +3 metal oxidation number and a +4 oxidation metal M3' 'Is characterized by satisfying the following condition (2) based on the molar ratio.

2 ≤ r(몰비) = CM1/(CM2+CM3) ≤ 3 (1)2? R (molar ratio) = CM1 / (CM2 + CM3)? 3 (One)

0.5 ≤ r'(몰비) = CM1'/(CM2'+CM3') < 2 (2)0.5? R '(molar ratio) = CM1' / (CM2 '+ CM3') <2 (2)

여기서, 상기 CM1은 M1의 함량, CM2는 M2의 함량, CM3는 M3의 함량, CM1'은 M1'의 함량, CM2'는 M2'의 함량, CM3'는 M3의' 함량이다.Here, CM1 is the content of M1, CM2 is the content of M2, CM3 is the content of M3, CM1 'is the content of M1', CM2 'is the content of M2', and CM3 'is the content of M3.

일반적으로 양극 활물질로서 4.35V, 4.4V, 4.45V의 전지 구동을 위한 리튬 코발트 산화물을 고전압으로 사용하는 경우, 리튬 코발트 산화물은 Al, Ti, Zr, Mg, P, Ca, F, Co 등의 도핑 또는 코팅으로 고전압 환경에서 구조적인 내구성 및 표면 안정성을 구현하였었다. 구체적으로, 리튬 코발트 산화물은 본질적인 특성으로 LixCoO2에서 x < 50인 상황에서 Co3+ 가 Co4+ 로 산화되면서, 작은 Co4+ 의 이온 반경으로 인해 구조적인 스트레스가 증가하고, 계속하여 충전함으로써 x = 20 부근까지 감소하면 코인 하프셀 전압 기준 4.53V 영역에서 O3 구조에서 H1-3 구조로의 구조변화가 발생한다. 이러한 구조변화는 충, 방전시 비가역적으로 발생되면서 4.55V 이상에서 효율, 방전 율 특성, 및 수명 특성의 열위가 두드러지게 확인된다. 물론, 기존의 4.2V에서 4.45V의 셀 개발에서는 O3 구조서부터 큰 변화 없이 충 방전이 이루어졌으나(물론, mono-clinic 상으로의 변화가 있으나 이는 가역적이며 수명에는 영향이 없다), 4.5V 이상의 전지 구동을 위해서는 상기 H1-3으로의 구조 변화를 막아야 하는 문제가 발생한다.In general, when lithium cobalt oxide is used as a cathode active material for driving a battery of 4.35 V, 4.4 V and 4.45 V at a high voltage, the lithium cobalt oxide is doped with Al, Ti, Zr, Mg, P, Ca, Or coatings have achieved structural durability and surface stability in high-voltage environments. Specifically, lithium cobalt oxide as the essential characteristics from Li x CoO 2 in the x <50 situation Co 3+ increases the structural stress due to the ionic radius of, small Co 4+ 4+ As oxidized to Co, and continue to When the charge is reduced to about x = 20 by charging, a structural change from the O3 structure to the H1-3 structure occurs in the region of 4.53 V based on the coin half cell voltage. These structural changes are irreversibly generated during charging and discharging, and the efficiency, discharge rate characteristics, and lifetime characteristics are remarkably confirmed at over 4.55V. Of course, in the development of 4.45V cell at 4.2V, the charge and discharge were done without any change from O3 structure (there is a change to mono-clinic phase, but it is reversible and has no effect on lifetime) There arises a problem that structural change to H1-3 must be prevented for driving.

이에, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물로서, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물이 각각 서로 다른 산화수를 가지는 3 종류의 도펀트를 가지면서 이들의 함량비를 조절하여 상기 범위를 가지도록 하는 경우에는, 고온, 고전압 하에서 표면 구조 변화를 억제하여 양극 활물질 입자의 구조적 안정성을 향상시킴으로써 수명 특성이 현저히 향상되는 것을 밝혀내었다.Therefore, the inventors of the present application have made intensive research and have found that, as a lithium-cobalt-doped oxide of a core-shell structure, the lithium-cobalt-doped oxide of the core and the lithium-cobalt-doped oxide of the shell have three kinds of dopants When the content ratio is adjusted to have the above range, the structural stability of the cathode active material particles is improved by suppressing the change of the surface structure under high temperature and high voltage, thereby remarkably improving the lifetime characteristics.

본 출원의 명세서에서, 구동 전압은 하프 코인 셀 기준으로 작성되었다.In the specification of the present application, the driving voltage was created on the basis of a half-coin cell.

여기서, 상기 r(몰비)이 조건(1)의 범위를 벗어나거나, 상기 r'(몰비)이 조건(2)를 벗어나는 경우, 비가역적인 결정구조의 변화가 많이 일어나며, 이에 수명 특성에 있어서도 열위가 나타나는 바, 본원발명이 소망하는 효과를 얻을 수 없다. 더욱 상세하게는, 상기 r(몰비)이 0.5 ≤ r ≤ 1.5, r'(몰비)이 2 ≤ r ≤ 2.5의 조건을 만족할 수 있다.Here, when the r (molar ratio) is out of the range of the condition (1) or when the r '(molar ratio) is out of the condition (2), the irreversible change of the crystal structure occurs a lot. As a result, the desired effect of the present invention can not be obtained. More specifically, the condition of r (molar ratio) is 0.5? R? 1.5 and r '(molar ratio) is 2? R? 2.5.

이러한 조건을 만족하는 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은, 만충전시의 양극 전위가 Li 전위 기준으로 4.5V 초과인 범위에서, 상변화 없이 결정구조가 유지될 수 있다.The crystal structure of the lithium-cobalt-doped oxide of the core-shell structure satisfying these conditions can be maintained without phase change in the range where the positive electrode potential of the full charge display exceeds 4.5 V on the basis of the Li potential.

먼저, 상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.First, the lithium cobalt doped oxide of the core may have a composition represented by the following formula (1).

LiaCo1-x-y-zM1xM2yM3zO2 (1)Li a Co 1- xy z M 1 x M 2 y M 3 z O 2 (1)

상기 식에서,In this formula,

M1, M2 및 M3은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;M1, M2 and M3 are independently selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V and Mn;

0.95≤a≤1.05;0.95? A? 1.05;

0<x≤0.02, 0<y≤0.02, 0<z≤0.02, 및 2≤ x/(y+z) ≤3이다.0 <x? 0.02, 0 <y? 0.02, 0 <z? 0.02, and 2? X / (y + z)?

유사하게, 상기 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.Similarly, the lithium cobalt doped oxide of the shell may have a composition of the following formula (2).

LibCo1-s-t-wM1'sM2'tM3'wO2 (2)Li b Co 1-stw M 1 ' s M 2' t M 3 ' w O 2 (2)

상기 식에서,In this formula,

M1', M2' 및 M3'은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;M 1 ', M 2' and M 3 'are independently an element selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, ;

0.95≤b≤1.05;0.95? B? 1.05;

0<s≤0.02, 0<t≤0.02, 0<w≤0.02, 0.5≤ s/(t+w)<2이다.0 <s? 0.02, 0 <t? 0.02, 0 <w? 0.02, 0.5? S / (t + w) <2.

즉, 상기 화학식에서 보는 바와 같이, 코어와 쉘의 조성식은 모두, 서로 다른 산화수를 가지는 3 종류의 도펀트들이 코발트 자리에 도핑된 형태로, 그 도핑원소의 종류 및 도핑량에 있어서도 크게 다르지 않다. 다만, 그 함량비에 있어서, 코어가 쉘보다 +2가 대비 +3가 및 +4가의 함량이 더 많은 구성을 가진다. That is, as shown in the above chemical formula, the composition formulas of the core and the shell are not different from each other in the kind and doping amount of the doping element, in which three kinds of dopants having different oxidation numbers are doped into the cobalt sites. However, in the content ratio, the core has a composition in which +2 is higher than the shell, and the content of +4 and +3 is higher.

따라서, 상기에서 볼 수 있듯이, 상기 쉘의 개념은 코어와 구분하여 완전히 독립된 다른 상이 아니라, 조성 및/또는 함량이 변하여 표면 도핑된 것과 같은 개념이라고 볼 수 있어, 코어와 쉘을 구분할 수 있는 정도라면 표면 도핑된 구성도 본 발명의 범주에 포함된다.Therefore, as can be seen from the above, the concept of the shell is not a completely independent phase separated from the core, but rather a concept such that the composition and / or the content is changed and the surface is doped. Surface doped configurations also fall within the scope of the present invention.

이때. 코어와 구분되는 조성에 차이가 있는 쉘의 두께는, 50 내지 2000 nm, 상세하게는, 50 내지 200 nm일 수 있다. At this time. The thickness of the shell, which differs in composition from the core, may be from 50 to 2000 nm, and more specifically, from 50 to 200 nm.

상기 범위를 벗어나, 쉘의 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 저항이 큰 쉘의 영향으로 저항이 클 수 있으며, Li 이온 이동통로의 단절로 인해 저항 및 율 특성에서 부정적일 수 있는 문제가 있고, 쉘의 두께가 너무 얇은 경우에는, 쉘에 의한 고전압 안정성을 보장받지 못할 수 있는 바, 바람직하지 않다.If the thickness of the shell is too large beyond the above range, the resistance may be large due to the influence of the shell having a large resistance, and there is a problem that the resistance and the rate characteristics may be negative due to the disconnection of the Li ion migration path. If the thickness is too thin, the high voltage stability due to the shell may not be guaranteed, which is not preferable.

상기 코어와 쉘의 코발트 자리에 치환되는 도펀트들의 종류는 전체가 동일할 수도(M1=M1', M2=M2', M3=M3'), 상이(M1≠M1'≠M2≠M2'≠M3≠M3')할 수도 있으며, 일부가 동일, 예를 들어, M1=M1', M2=M2', M3≠M3'할 수도 있다. 이는 하나의 예일 뿐이고, 상기 조건을 만족하는 범위 내에서는 어떠한 조합도 가능하다.(M1 = M1 ', M2 = M2', M3 = M3 ') and the different (M1? M1'? M2? M2 '? M3? M3 '), and some of them may be the same, for example, M1 = M1', M2 = M2 ', M3 = M3'. This is only one example, and any combination is possible within a range that satisfies the above conditions.

이때, 상기 도펀트들은 화학식 1 및 2에서 나열된 것과 같은 도펀트들 중에서 선택되는 것으로, 서로 산화수가 다른 금속이라면 한정되지 아니하나, 상세하게는 상기 M1 및 M1'는 +2가 산화수의 금속으로서 각각 독립적으로 Mg, Ca, Ni 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고; 상기 M2 및 M2'은 +3가 산화수의 금속으로서 각각 독립적으로 Ti, Al, Ta 및 Nb으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이며; 상기 M3 및 M3'은 +4가 산화수의 금속으로서 각각 독립적으로 Ti, Ta, Nb, Mn 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택되며 M2 및 M2'와 다른 원소일 수 있다.In this case, the dopants are not limited as long as they are metals having different oxidation numbers, and M1 and M1 'are independently selected from the group consisting of +2, Mg, Ca, Ni and Ba; M2 and M2 'are metals having +3 oxidation number and are each independently one element selected from the group consisting of Ti, Al, Ta and Nb; M3 and M3 'are +4 metal oxides independently selected from the group consisting of Ti, Ta, Nb, Mn and Mo and may be different from M2 and M2'.

이와 같이, 코어와 쉘에 도핑되는 도펀트들이 +2, +3, +4가 산화수를 모두 가지도록, 함께 도핑되는 다른 원소들과 서로 상이한 산화수를 가지는 경우에 본원발명이 의도한 구조적 안정성에 더욱 유리하다.As described above, when the dopants doped in the core and the shell have oxidation numbers different from those of other elements doped together so that +2, +3, +4 have all the oxidation numbers, the structural stability intended by the present invention is further improved Do.

구체적으로, +2가 산화수의 금속은, 도핑된 금속이 Co3+보다 먼저 산화되어, Co4+로의 산화를 방지하여 구조적인 스트레스 발생을 막아 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, +3가 산화수의 금속은 Co4+로 산화된 코발트를 대신하여 구조를 유지시키는 역할과 함께 표면 안정성도 향상시키며, +4가 산화수의 금속은 고온 및 고전압 하에서, 표면 구조 변화를 억제하고, 리튬 이온의 이동을 상대적으로 용이하게 하여 이차전지의 출력 특성 저하를 방지한다. 이와 같은 도펀트들의 조합에 의해 본 발명에 따른 리튬 코발트 도핑 산화물은 4.5V 초과의 작동범위에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있다.Specifically, a metal having an oxidation number of +2 can oxidize the doped metal before Co 3+ to prevent oxidation to Co 4+ , thereby preventing structural stress from occurring and improving structural stability, The metal instead of cobalt oxidized by Co 4+ plays a role in maintaining the structure and improves the surface stability. The +4 oxidation metal suppresses the change of the surface structure under high temperature and high voltage, Thereby preventing deterioration of output characteristics of the secondary battery. By the combination of these dopants, the lithium cobalt doped oxide according to the present invention can maintain structural stability even in the operating range of over 4.5V.

즉, 상기 각각에 도핑되는 서로 다른 산화수를 가지는 도펀트들은 리튬 코발트 산화물의 코발트 자리를 일부 치환되어 각각의 시기와 상황에 맞게 구조적 안전성을 향상시키는 역할을 수행한다. That is, the dopants having different oxidation numbers doped in each of them are partially substituted with the cobalt sites of the lithium cobalt oxide to improve the structural safety according to the respective times and situations.

그러나, 이러한 도펀트들이 모두 과량으로 포함된다고 해서 구조적 안정성이 계속 증가하는 것은 아니고, 도핑되는 도펀트들의 총 함량이 코어 및 쉘에 각각에서 몰비를 기준으로 6%를 넘지 않으면서, 함량비가 상기 조건(1) 및 조건(2)을 만족하는 경우에 향상된 구조적 안정성을 발휘할 수 있음은 상기에서 설명한 바와 같다. However, the inclusion of all these dopants in an excessive amount does not result in an increase in the structural stability, and the total content of the doped dopants does not exceed 6% based on the molar ratio in each of the core and the shell, ) And the condition (2) are satisfied, it is possible to exhibit the improved structural stability as described above.

한편, 상기 각각의 도펀트들은, 한정되지는 아니하나, 입자 내에서 국부적인 구조 변화를 방지하기 위해 리튬 코발트 도핑 산화물의 코어 및 쉘 전체적으로 균일하게 도핑될 수 있다. On the other hand, each of the dopants can be uniformly doped throughout the core and shell of the lithium cobalt doped oxide to prevent local structural changes in the grains, although this is not a limitation.

또한, 상기 리튬 코발트 도핑 산화물의 표면 구조 안정화를 더욱 향상시키기 위해서, 상기 리튬 코발트 도핑 산화물의 표면에는, 50 nm 내지 100 nm 두께의 Al2O3이 코팅되어 있을 수 있다.In order to further stabilize the surface structure of the lithium-cobalt-doped oxide, Al 2 O 3 having a thickness of 50 nm to 100 nm may be coated on the surface of the lithium-cobalt-doped oxide.

또한, 본 발명은 상기 양극 활물질의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제조 방법은,The present invention also provides a method for producing a lithium-cobalt-doped oxide of the core-shell structure of the cathode active material,

(i) 3 종류의 도펀트들을 포함하는 도핑 코발트 전구체를 공침에 의해 제조하는 과정; 및(i) preparing a doped cobalt precursor containing three kinds of dopants by coprecipitation; And

(ii) 상기 도핑 코발트 전구체와 리튬 전구체를 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및(ii) mixing the doping cobalt precursor with a lithium precursor and subjecting the mixture to primary calcination to prepare core particles; And

(iii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;(iii) preparing a core-shell structure lithium-cobalt doped oxide by mixing the core particles, the cobalt precursor, the lithium precursor, and the three kinds of dopant precursors, and secondary firing to form a shell on the core particle surface;

을 포함할 수 있다.. &Lt; / RTI &gt;

상기 제조방법에 따르면, 상기 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은 먼저, 코어의 제조를 위해, 도펀트를 포함하는 도핑 코발트 전구체를 공침에 의해 제조하고, 이후에 도핑 코발트 전구체와 리튬 전구체를 소성하는 과정을 거치는 바, 코어 제조시 코발트 전구체 자체에 도핑이 이루어진 후, 리튬 전구체와 반응하여 생성되므로 도펀트가 코발트 내에 고르게 분포한 상태로 리튬 전구체와 반응할 수 있고, 부생성물이 적어 본원발명이 얻고자 하는 도펀트들을 포함하는 리튬 코발트 도핑 산화물의 수득률이 높다.According to the above production method, the lithium-cobalt-doped oxide of the core-shell structure is prepared by first preparing a doping cobalt precursor containing a dopant by coprecipitation and then firing the doping cobalt precursor and the lithium precursor The dopant is reacted with the lithium precursor in a state where the dopant is uniformly distributed in the cobalt and the byproduct can be reacted with the lithium precursor in a state where the dopant is uniformly distributed in the cobalt. The yield of lithium cobalt doped oxides containing dopants is high.

여기서, 상기 과정(i)에서, 도펀트 원소를 포함하는 염들과 코발트염을 물에 용해시킨 후, 용액을 염기성 분위기로 전환하여, 공침에 의해 도핑 코발트 전구체로서 도핑 코발트 산화물을 제조할 수 있다. 이때, 상기 도펀트 원소를 포함하는 염들은 각각 +2가 산화수의 금속(M1)을 포함하는 염, +3가 산화수의 금속(M2)을 포함하는 염, 및 +4가 산화수의 금속(M3)을 포함하는 염이며, 상기 염들의 혼합비는 하기 조건 (1)을 만족하도록 정해질 수 있다.In step (i), the doped cobalt oxide may be prepared by dissolving the salts including the dopant element and the cobalt salt in water, converting the solution into a basic atmosphere, and coprecipitating it as a doping cobalt precursor. In this case, the salts containing the dopant element may include a salt containing a metal (M1) having an oxidation number of +2, a salt including a metal (M2) having a +3 oxidation number and a metal (M3) , And the mixing ratio of the salts may be determined so as to satisfy the following condition (1).

2 ≤ r(몰비) = CM1/(CM2+CM3) ≤ 3 (1)2? R (molar ratio) = CM1 / (CM2 + CM3)? 3 (One)

여기서, CM1은 M1의 함량, CM2는 M2의 함량, CM3는 M3의 함량이다.Here, CM1 is the content of M1, CM2 is the content of M2, and CM3 is the content of M3.

또한, 상기 도펀트 원소를 포함하는 염들의 총함량과 코발트염의 함량은 최종 생성물인 코어의 조성을 고려하여 혼합비를 결정할 수 있다.In addition, the total content of the salts including the dopant element and the content of the cobalt salt can be determined in consideration of the composition of the core, which is the final product.

상기 과정(i)의 도핑 코발트 전구체를 제조하기 위한 상기 도펀트 원소를 포함하는 염들과 코발트염들은 공침 과정을 수행할 수 있는 형태라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 탄산염, 황산염, 또는 질산염의 형태일 수 있고, 상세하게는, 황산염일 수 있다.The salts and cobalt salts containing the dopant element for preparing the doping cobalt precursor of the above process (i) are not limited as long as they are capable of carrying out the coprecipitation process. For example, they may be in the form of carbonate, sulfate or nitrate And in particular, it may be a sulfate.

상기 과정(iii)에서, 3 종류의 도펀트 전구체들은, +2가 산화수의 금속(M1')을 포함하는 전구체, +3가 산화수의 금속(M2')을 포함하는 전구체, 및 +4가 산화수의 금속(M3')을 포함하는 전구체이며, 상기 전구체들의 혼합비는 하기 조건 (2)을 만족하도록 정해질 수 있다.In the above process (iii), the three kinds of dopant precursors are precursors including a metal (M1 ') having a +2 oxidation number, a precursor including a metal (M2') having a +3 oxidation number, Metal (M3 '), and the mixing ratio of the precursors may be set to satisfy the following condition (2).

0.5 ≤ r(몰비) = CM1'/(CM2'+CM3') < 2 (2)0.5? R (molar ratio) = CM1 '/ (CM2' + CM3 ') <2 (2)

여기서, CM1'은 M1'의 함량, CM2'는 M2'의 함량, CM3'는 M3'의 함량이다.Here, CM1 'is the content of M1', CM2 'is the content of M2', and CM3 'is the content of M3'.

또한, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체의 총함량은, 쉘의 조성을 고려하여 혼합비를 결정할 수 있다.In addition, the total content of the cobalt precursor, the lithium precursor, and the three kinds of dopant precursors can be determined in consideration of the composition of the shell.

리튬 코발트 도핑 산화물에 추가적인 금속 코팅을 위해서는 예를 들어, Al2O3 등의 산화물을 건식 또는 습식 혼합하여 가능하고, 당업계에 개시된 방법이라면 한정되지 아니한다. In order to further coat the metal with the lithium cobalt doped oxide, for example, an oxide such as Al 2 O 3 may be dry-mixed or wet-mixed, and the method disclosed in the art is not limited thereto.

또한, 본 발명은, 상기 양극 활물질의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 또 하나의 방법을 제공하고, 구체적으로 상기 제조방법은, In addition, the present invention provides another method of producing a lithium-cobalt-doped oxide of the core-shell structure of the cathode active material,

(i) 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및(i) preparing a core particle by mixing a cobalt precursor, a lithium precursor, and three kinds of dopant precursors and subjecting the precursor to a first calcination; And

(ii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 상기 과정(i)과는 독립적으로 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;(ii) mixing three kinds of dopant precursors independently of the core particle, the cobalt precursor, the lithium precursor, and the above-mentioned process (i) and then performing secondary firing to form a shell on the surface of the core particle, A process for preparing a cobalt doped oxide;

을 포함할 수 있다.. &Lt; / RTI &gt;

상기 제조방법에 따르면, 상기 코어부터 쉘까지 코발트 전구체와 리튬 전구체, 및 도펀트 전구체들을 한꺼번에 혼합하여 소성하여 제조하는 바, 보다 간편한 방법으로, 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조할 수 있다.According to the above manufacturing method, a lithium cobalt doped oxide can be prepared by mixing and firing a cobalt precursor, a lithium precursor, and a dopant precursor all at once from the core to the shell.

이때, 상기 각각의 단계에서, 3종류의 도펀트 전구체들의 혼합비는 상기 조건 1 및 2를 만족하도록 정해질 수 있고, 이들과 코발트 전구체, 및 리튬 전구체의 함량은 최종 생성물을 고려하여 혼합비를 결정할 수 있다. At this time, in each of the above steps, the mixing ratio of the three kinds of dopant precursors can be determined to satisfy the conditions 1 and 2, and the content of the cobalt precursor and the lithium precursor can be determined in consideration of the final product .

한편, 상기 어느 방법에 의해서도 본원발명의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 것은 가능하며, 여기서, 상기 코발트 전구체는 코발트 산화물, 예를 들어, Co3O4일 수 있고, 상기 도펀트 전구체들은 도펀트용 금속, 금속 산화물 또는 금속염일 수 있으며, 상기 리튬 전구체 역시, 한정되지 아니하나, 상세하게는, LiOH, 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.It is also possible to produce lithium cobalt doped oxides of the core-shell structure of the present invention by any of the above methods, wherein the cobalt precursor may be a cobalt oxide, for example, Co 3 O 4 , and the dopant precursor Metal oxides or metal salts, and the lithium precursor may also be at least one selected from the group consisting of, but not limited to, LiOH, and Li 2 CO 3 .

상기에서 설명한 바와 같이, 3 종류의 도펀트 전구체들의 도펀트들은 서로 다른 종류라면 산화수가 서로 동일할 수도 상이할 수도 있으나, 고전압에서 다양한 방법으로, 보다 향상된 구조적 안정성을 발휘하기 위해서는 상세하게는, 서로 상이한 산화수를 가질 수 있고, 더욱 상세하게는, +2가 산화수의 금속, +3가 산화수의 금속, 및 +4가 산화수의 금속일 수 있다.As described above, the dopants of the three kinds of dopant precursors may be the same or different from each other in the different kinds of dopants, but in order to exhibit more improved structural stability at various voltages at high voltage, in detail, More specifically, +2 may be a metal having an oxidation number, a metal having a +3 oxidation number, and a metal having a +4 oxidation number.

한편, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물을 얻기 위한 상기 1차 소성은 850℃ 내지 1100℃의 온도에서 8 시간 내지 12 시간 수행되고, 쉘을 형성하기 위한 상기 2차 소성은 700℃ 내지 1100℃의 온도에서 5 시간 내지 12 시간 수행될 수 있다.On the other hand, the primary firing to obtain the lithium cobalt doped oxide of the core is performed at a temperature of 850 to 1100 캜 for 8 to 12 hours, and the secondary firing to form the shell is performed at a temperature of 700 to 1100 캜 5 hours to 12 hours.

상기 1차 소성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 온도에서 수행되거나, 지나치게 짧은 시간 동안 수행될 경우에는 수행될 경우에는, 리튬 소스가 충분히 침투하지 못하여 상기 양극 활물질이 안정적으로 형성되지 못할 수 있고, 이와 반대로, 상기 범위를 벗어나 지나치게 높은 온도, 또는 지나치게 긴 시간 동안 수행될 경우에는, 상기 도핑이 이루어진 리튬 코발트계 산화물의 물리적, 화학적 특성을 변화시켜, 오히려 성능 저하를 유발할 수 있어 바람직하지 않다.If the primary firing is carried out at an excessively low temperature beyond the above range or if it is carried out for an excessively short time, the lithium source may not penetrate sufficiently and the cathode active material may not be stably formed. On the other hand, If the temperature is exceeded beyond the above range, or if the lithium cobalt oxide is performed for an excessively long time, the physical and chemical characteristics of the doped lithium cobalt oxide may be changed to cause deterioration in performance, which is not preferable.

유사하게, 상기 2차 소성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 온도, 또는 지나치게 짧은 시간 동안 수행될 경우에는, 쉘을 이루는 전구체들이 반응하지 못한 채로 양극 활물질 사이에 잔류하여 전지의 성능 저하를 유발할 수 있고, 이와 반대로, 상기 2차 소성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 높은 온도, 또는 너무 긴 시간 동안 수행될 경우에는, 쉘의 도펀트 성분이 코어부로 도핑이 될 수 있고, 이 경우, 상기 조건 (1)을 만족하도록 제조하는데 어려움이 있는 바, 바람직하지 않다.Similarly, when the secondary firing is carried out at an excessively low temperature or an excessively short time outside the above range, the precursors constituting the shell may remain in the cathode active material without reacting, On the other hand, when the secondary firing is carried out at an excessively high temperature beyond the above range or for an excessively long time, the dopant component of the shell may be doped into the core portion. In this case, It is difficult to manufacture, which is not preferable.

이러한 결과로 얻어지는 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은, 상기 상기 조건 (1) 및 (2)를 만족하여 본 발명이 의도한 효과를 발휘한다.The resulting lithium-cobalt-doped oxide of the core-shell structure satisfies the above-mentioned conditions (1) and (2) and exerts the intended effect of the present invention.

본 발명은 또한, 상기 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 슬러리를 집전체에 도포하여 제조되는 것을 특징으로 하는 양극을 제공한다. 필요에 따라서는 상기 슬러리에 충진제를 더 첨가할 수 있다.The present invention also provides a positive electrode, which is produced by applying a slurry containing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder to a current collector. If necessary, a filler may be further added to the slurry.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The cathode current collector is generally formed to a thickness of 3 to 500 탆 and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium , And a surface treated with carbon, nickel, titanium or silver on the surface of aluminum or stainless steel can be used. Specifically, aluminum can be used. The current collector may have fine irregularities on the surface thereof to increase the adhesive force of the cathode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.

상기 양극활물질은, 예를 들어, 상기 양극활물질 입자 외에, 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등으로 구성될 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. The cathode active material may be, for example, a layered compound such as lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) or a compound substituted with one or more transition metals in addition to the cathode active material particle; Lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2 -x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 and the like; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiV 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; A Ni-site type lithium nickel oxide expressed by the formula LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga and x = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2-x M x O 2 ( where, M = Co, Ni, Fe , Cr, and Zn, or Ta, x = 0.01 ~ 0.1 Im) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where, M = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like, but is not limited thereto.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is usually added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode material mixture containing the positive electrode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component which assists in bonding of the active material and the conductive material and bonding to the current collector, and is usually added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture containing the cathode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for suppressing the expansion of the anode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.

본 발명은 또한, 상기 양극과 음극 및 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.The present invention also provides a secondary battery comprising the positive electrode, the negative electrode, and an electrolytic solution. The secondary battery may be a lithium secondary battery such as a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery having advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability, though the kind thereof is not particularly limited.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.Generally, a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.

이하에서는, 상기 리튬 이차전지의 기타 성분에 대해 설명한다.Hereinafter, other components of the lithium secondary battery will be described.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.The negative electrode is manufactured by applying and drying a negative electrode active material on a negative electrode collector, and if necessary, the above-described components may be selectively included.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 micrometers. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the negative electrode current collector is formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, Carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams and nonwoven fabrics.

상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.The negative electrode active material may include, for example, carbon such as non-graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1 ), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn x Me 1-x Me 'y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, Halogen, 0 < x &lt; Lithium metal; Lithium alloy; Silicon-based alloys; Tin alloy; SnO, SnO 2, PbO, PbO 2, Pb 2 O 3, Pb 3 O 4, Sb 2 O 3, Sb 2 O 4, Sb 2 O 5, GeO, GeO 2, Bi 2 O 3, Bi 2 O 4, and Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the membrane is generally 0.01 to 10 micrometers, and the thickness is generally 5 to 30 micrometers. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.

상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The electrolyte solution may be a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and the non-aqueous electrolyte containing a lithium salt is composed of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt. Non-aqueous organic solvents, organic solid electrolytes, inorganic solid electrolytes, The present invention is not limited thereto.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile , Nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, Tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride A polymer containing an acid dissociation group and the like may be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.

상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a substance that is soluble in the nonaqueous electrolyte and includes, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylate lithium, lithium tetraphenylborate, and imide.

또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.For the purpose of improving the charge-discharge characteristics and the flame retardancy, the nonaqueous electrolytic solution is preferably a solution prepared by dissolving or dispersing in a solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexaphosphoric triamide, N, N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride and the like may be added have. In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate, PRS (Propene sultone), and the like.

하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.In one specific example, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiN (SO 2 CF 3) 2 , such as a lithium salt, a highly dielectric solvent of DEC, DMC or EMC Fig solvent cyclic carbonate and a low viscosity of the EC or PC of And then adding it to a mixed solvent of linear carbonate to prepare a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물 및 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물에 각각 서로 다른 산화수를 가지는 3 종류의 도펀트들이 도핑되어 있고, 이들의 도펀트들의 함량이 청구항 1의 조건 (1) 및 (2)를 만족함으로써, 4.5V 초과의 작동전압 범위에서도 결정 구조의 구조적 안정성이 향상되어 결정 구조가 유지되는 바, 높은 고전압 특성 나타내고, 고온에서도 구조적 안정성을 유지하여 수명 특성이 향상되는 효과가 있다.As described above, in the cathode active material according to the present invention, three types of dopants having different oxidation numbers are doped in the lithium-cobalt-doped oxide of the core and the lithium-cobalt-doped oxide of the shell, respectively, (1) and (2), the structural stability of the crystal structure is improved and the crystal structure is maintained even in the operating voltage range exceeding 4.5 V, which shows high high voltage characteristics and maintains structural stability even at high temperature, The characteristics are improved.

도 1은 실험예 1에 따른 25℃에서 상한 전압을 4.55V로 충전한 때의 용량 유지율을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing a capacity retention rate when the upper limit voltage is charged to 4.55 V at 25 DEG C according to Experimental Example 1. FIG.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but it should be understood that the scope of the present invention is not limited thereto.

<제조예 1>&Lt; Preparation Example 1 &

코어의 제조Manufacture of cores

MgO 2.88 g, Al2O3 0.535 g, TiO2 0.865 g, Co3O4 200 g, 및 Li2CO3 81.9 g을 건식 혼합한 후, 노에서 1,050℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.96Mg0.03Al0.005Ti0.005O2을 제조하였다.2.88 g of MgO, 0.535 g of Al 2 O 3 , 0.865 g of TiO 2 , 200 g of Co 3 O 4 and 81.9 g of Li 2 CO 3 were dry mixed and then calcined at 1,050 ° C. for 10 hours in a furnace to obtain Mg, Ti-doped lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.96 Mg 0.03 Al 0.005 Ti 0.005 O 2 was prepared.

<제조예 2>&Lt; Preparation Example 2 &

MgO 0.48 g, Al2O3 1.07 g, TiO2 0.865 g, Co3O4 200 g, 및 Li2CO3 81.9 g을 건식 혼합한 후, 노에서 1,050℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.98Mg0.005Al0.01Ti0.005O2을 제조하였다.0.48 g of MgO, 1.07 g of Al 2 O 3 , 0.865 g of TiO 2 , 200 g of Co 3 O 4 and 81.9 g of Li 2 CO 3 were dry mixed and then calcined at 1,050 ° C. for 10 hours in a furnace to obtain Mg, Ti-doped lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.98 Mg 0.005 Al 0.01 Ti 0.005 O 2 was prepared.

<제조예 3>&Lt; Preparation Example 3 &

Co3(SO4)4, 황산마그네슘(MgSO4), 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 황산티타늄(Ti(SO4)2)이 Co : Mg : Al : Ti = 0.96 : 0.03 : 0.005 : 0.005로 혼합된 혼합 수용액에 분산시키고, 수산화 나트륨을 사용하여 공침하여 (Co0.96Mg0.03Al0.005Ti0.005)(OH)2의 전구체 입자를 얻었다.Co 3 (SO 4) 4, magnesium sulfate (MgSO 4), aluminum sulfate (Al 2 (SO 4) 3 ), sulfate titanium (Ti (SO 4) 2) Co: Mg: Al: Ti = 0.96: 0.03: 0.005: 0.005, and coprecipitated using sodium hydroxide to obtain precursor particles of (Co 0.96 Mg 0.03 Al 0.005 Ti 0.005 ) (OH) 2 .

상기 전구체 100g에 입자 내 총 원소들의 몰비가 Li:M(Co, Mg, Al, Ti)=1.02:1의 몰비가 되도록 LiOH.H2O 41g를 첨가하여 지르코니아 볼과 함께 볼밀을 이용해 혼합한 후, 혼합물을 공기 분위기하에서 1010℃에서 12시간 고온에서 1차 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.96Mg0.03Al0.005Ti0.005O2을 제조하였다.41 g of LiOH.H 2 O was added to 100 g of the precursor such that the molar ratio of the total elements in the particle was Li: M (Co, Mg, Al, Ti) = 1.02: 1 and then mixed with the zirconia balls using a ball mill , And the mixture was subjected to a first calcination at 1010 캜 for 12 hours at a high temperature in an air atmosphere to prepare a lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.96 Mg 0.03 Al 0.005 Ti 0.005 O 2 doped with Mg, Al, and Ti.

<제조예 4>&Lt; Preparation Example 4 &

MgO 1.248 g, Al2O3 0.107 g, TiO2 0.346 g, Co3O4 200 g, 및 Li2CO3 81.9 g을 건식 혼합한 후, 노에서 1,050℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.984Mg0.013Al0.001Ti0.002O2을 제조하였다.1.248 g of MgO, 0.107 g of Al 2 O 3 , 0.346 g of TiO 2 , 200 g of Co 3 O 4 and 81.9 g of Li 2 CO 3 were dry mixed and then calcined at 1,050 ° C. for 10 hours in a furnace to obtain Mg, Ti-doped lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.984 Mg 0.013 Al 0.001 Ti 0.002 O 2 was prepared.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

상기 제조예 1에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물 200 g과, MgO 0.204 g, Al2O3 0.267 g, TiO2 0.216 g, Co3O4 50 g, 및 Li2CO3 20.475 g을 건식 혼합한 후, 노에서 950℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.977Mg0.008Al0.01Ti0.005O2이 Li1.02Co0.96Mg0.03Al0.005Ti0.005O2의 코어에 형성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하였다.200 g of the lithium-cobalt-doped oxide prepared in Preparation Example 1, 0.204 g of MgO, 0.267 g of Al 2 O 3 , 0.216 g of TiO 2 , 50 g of Co 3 O 4 and 20.475 g of Li 2 CO 3 were dry mixed And calcined at 950 ° C. for 10 hours in a furnace to obtain a lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.977 Mg 0.008 Al 0.01 Ti 0.005 O 2 doped with Mg, Al, and Ti in the form of Li 1.02 Co 0.96 Mg 0.03 Al 0.005 Ti 0.005 O 2 To prepare a cathode-shell structure cathode active material.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

상기 실시예 1에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물에 평균 입경이 50 nm인 Al2O3을 양극 활물질 전체 질량을 기준으로 0.05 중량% 추가 혼합한 후 570℃에서 6 시간 동안 2차 소성하여, 알루미늄 500 ppm의 코팅층을 형성하였다. 이때, 알루미늄 코팅층은 평균적으로 대략 50 nm 의 두께로 형성되었다.Al 2 O 3 having an average particle size of 50 nm was further added to the lithium cobalt doped oxide prepared in Example 1 in an amount of 0.05 wt% based on the total mass of the cathode active material and then subjected to secondary calcination at 570 ° C for 6 hours to obtain an aluminum 500 ppm &lt; / RTI &gt; At this time, the aluminum coating layer was formed to have an average thickness of about 50 nm.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

상기 제조예 2에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물 200 g과, MgO 0.48 g, Al2O3 0.13 g, TiO2 0.216 g, Co3O4 50 g, 및 Li2CO3 20.475 g을 건식 혼합한 후, 노에서 950℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.97Mg0.02Al0.005Ti0.005O2이 Li1.02Co0.98Mg0.005Al0.01Ti0.005O2의 코어에 형성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하였다.After 200 g of the lithium cobalt doped oxide prepared in Preparation Example 2 was dry-mixed with 0.48 g of MgO, 0.13 g of Al 2 O 3 , 0.216 g of TiO 2 , 50 g of Co 3 O 4 and 20.475 g of Li 2 CO 3 , And calcined at 950 ° C. for 10 hours in a furnace to obtain a lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.97 Mg 0.02 Al 0.005 Ti 0.005 O 2 doped with Mg, Al, and Ti in the form of Li 1.02 Co 0.98 Mg 0.005 Al 0.01 Ti 0.005 O 2 To prepare a cathode-shell structure cathode active material.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

상기 제조예 4에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물 200 g과, MgO 0.048 g, Al2O3 0.13 g, TiO2 0.195 g, Co3O4 50 g, 및 Li2CO3 20.475 g을 건식 혼합한 후, 노에서 950℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.989Mg0.002Al0.005Ti0.004O2이 Li1.02Co0.984Mg0.013Al0.001Ti0.002O2의 코어에 형성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하였다.After 200 g of the lithium cobalt doped oxide prepared in Preparation Example 4 was dry-mixed with 0.048 g of MgO, 0.13 g of Al 2 O 3 , 0.195 g of TiO 2 , 50 g of Co 3 O 4 and 20.475 g of Li 2 CO 3 And then calcined at 950 ° C. for 10 hours in a furnace to obtain a lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.989 Mg 0.002 Al 0.005 Ti 0.004 O 2 doped with Mg, Al, and Ti in the form of Li 1.02 Co 0.984 Mg 0.013 Al 0.001 Ti 0.002 O 2 To prepare a cathode-shell structure cathode active material.

하기 표 1 및 2는 상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2의 도핑 원소의 함량과 함량비를 나타낸 것이다.Tables 1 and 2 below show the contents and content ratios of the doping elements in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively.

CM1CM1 CM2CM2 CM3CM3 rr 실시예 1Example 1 33 0.50.5 0.50.5 33 비교예 1Comparative Example 1 0.50.5 1One 0.50.5 0.330.33 비교예 2Comparative Example 2 1.31.3 22 1One 4.334.33

CM1'CM1 ' CM2'CM2 ' CM3'CM3 ' r'r ' 실시예 1Example 1 0.80.8 1One 0.50.5 0.530.53 비교예 1Comparative Example 1 22 0.50.5 0.20.2 2.852.85 비교예 2Comparative Example 2 0.20.2 0.50.5 0.40.4 0.220.22

<실험예 1><Experimental Example 1>

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 산화물 입자들을 양극 활물질로서 사용하고, 바인더로서 PVdF 및 도전재로서 천연 흑연을 사용하였다. 양극활물질: 바인더: 도전재를 중량비로 96 : 2 : 2가 되도록 NMP에 잘 섞어 준 후 20 ㎛ 두께의 Al 호일에 도포한 후 130℃에서 건조하여 양극을 제조하였다. 음극으로는 리튬 호일을 사용하고, EC : DMC : DEC = 1 : 2 : 1 인 용매에 1M의 LiPF6가 들어있는 전해액을 사용하여 하프 코인 셀들을 제조하였다.The oxide particles prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were used as a cathode active material, and PVdF as a binder and natural graphite as a conductive material were used. The positive electrode active material: binder: conductive material was mixed well with NMP so as to have a weight ratio of 96: 2: 2, and then applied to Al foil having a thickness of 20 탆 and dried at 130 캜 to prepare a positive electrode. Lithium foil was used as the cathode, and half-coin cells were prepared using an electrolyte containing 1M of LiPF 6 in a solvent of EC: DMC: DEC = 1: 2: 1.

상기 제조된 하프 코인 셀들을, 25℃에서 0.5C으로 상한 전압을 각각 4.55V로 하여 충전하고 다시 1.0C으로 하한 전압 3V까지 방전하는 것을 1회 사이클로 하여, 50회 사이클의 용량 유지율을 측정하였고, 그 결과를 하기 도 1에 나타내었다.The prepared half-coin cells were charged at 4.5 DEG C at an upper limit voltage of 4.5 DEG C at 25 DEG C and 0.5 DEG C, respectively, and discharged again to 1.0 V at a lower limit voltage of 3 V to measure the capacity retention rate of 50 cycles. The results are shown in Fig.

도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 실시예의 양극 활물질을 사용한 전지의 용량 유지율은 모두 90% 이상의 용량 유지율을 나타냄에 비해, 비교예들의 양극 활물질을 사용한 전지의 용량 유지율은 약 70% 이하로 수명 특성이 좋지 않아, 본원발명의 조건을 만족하는 실시예들이 고전압 고온 수명 특성이 더 높음을 알 수 있고, 이는 사이클이 진행될수록 그 차이가 더욱 가속화됨을 예상할 수 있다.Referring to FIG. 1, the capacity retention ratio of the battery using the cathode active material according to the present invention is 90% or more, while the capacity retention rate of the battery using the cathode active material of the comparative example is about 70% It can be seen that the embodiments satisfying the conditions of the present invention have higher high voltage and high temperature lifetime characteristics because the characteristics are poor and it is expected that the difference accelerates as the cycle progresses.

이상 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.

Claims (19)

코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질로서,
상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 각각 서로 독립적으로 3 종류의 도펀트들을 포함하고;
상기 코어의 도펀트들은, +2가 산화수의 금속(M1), +3가 산화수의 금속(M2), 및 +4가 산화수의 금속(M3)이며, 상기 M1, M2, 및 M3의 함량은 몰비를 기준으로 하기 조건 (1)을 만족하고;
상기 쉘의 도펀트들은, +2가 산화수의 금속(M1'), +3가 산화수의 금속(M2'), 및 +4가 산화수의 금속(M3')이며, 상기 M1', M2', 및 M3'의 함량은 몰비를 기준으로 하기 조건 (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
2 ≤ r(몰비) = CM1/(CM2+CM3) ≤ 3 (1)
0.5 ≤ r'(몰비) = CM1'/(CM2'+CM3') < 2 (2)
여기서, 상기 CM1은 M1의 함량, CM2는 M2의 함량, CM3는 M3의 함량, CM1'은 M1'의 함량, CM2'는 M2'의 함량, CM3'는 M3의' 함량이다.
1. A cathode active material for a lithium secondary battery comprising a core-shell structure of lithium cobalt doped oxide,
The lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell each independently comprise three kinds of dopants;
The dopants of the core are a metal (M1) having an oxidation number of +2, a metal (M2) having a +3 oxidation number and a metal (M3) having a oxidation number of +4, and the contents of M1, Satisfy the following condition (1) as a criterion;
The dopants of the shell are metals M1 ', M2' and M2 'having a +2 oxidation number, a +3 metal oxidation number and a +4 oxidation metal M3''Satisfies the following condition (2) based on the molar ratio:
2? R (molar ratio) = CM1 / (CM2 + CM3)? 3 (1)
0.5? R '(molar ratio) = CM1' / (CM2 '+ CM3') <2 (2)
Here, CM1 is the content of M1, CM2 is the content of M2, CM3 is the content of M3, CM1 'is the content of M1', CM2 'is the content of M2', and CM3 'is the content of M3.
제 1 항에 있어서, 상기 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은, 만충전시의 양극 전위가 Li 전위 기준으로 4.5V 초과인 범위에서, 상변화 없이 결정구조가 유지되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The positive electrode active material according to claim 1, wherein the lithium-cobalt-doped oxide of the core-shell structure retains its crystal structure without phase change in a range where the positive electrode potential of full-bombardment exceeds 4.5 V on the basis of Li potential. 제 1 항에 있어서, 상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물은 하기 화학식 1의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
LiaCo1-x-y-zM1xM2yM3zO2 (1)
상기 식에서,
M1, M2 및 M3은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;
0.95≤a≤1.05;
0<x≤0.02, 0<y≤0.02, 0<z≤0.02, 및 2≤ x/(y+z) ≤3이다.
The cathode active material according to claim 1, wherein the lithium-cobalt-doped oxide of the core has a composition represented by the following Formula 1:
Li a Co 1- xy z M 1 x M 2 y M 3 z O 2 (1)
In this formula,
M1, M2 and M3 are independently selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V and Mn;
0.95? A? 1.05;
0 <x? 0.02, 0 <y? 0.02, 0 <z? 0.02, and 2? X / (y + z)?
제 1 항에 있어서, 상기 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 하기 화학식 2의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
LibCo1-s-t-wM1'sM2'tM3'wO2 (2)
상기 식에서,
M1', M2' 및 M3'은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;
0.95≤b≤1.05;
0<s≤0.02, 0<t≤0.02, 0<w≤0.02, 0.5≤ s/(t+w)<2이다.
The cathode active material according to claim 1, wherein the lithium cobalt doped oxide of the shell has a composition represented by the following formula (2)
Li b Co 1-stw M 1 ' s M 2' t M 3 ' w O 2 (2)
In this formula,
M 1 ', M 2' and M 3 'are independently an element selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, ;
0.95? B? 1.05;
0 <s? 0.02, 0 <t? 0.02, 0 <w? 0.02, 0.5? S / (t + w) <2.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 M1 및 M1'는 +2가 산화수의 금속이고, 상기 M2 및 M2'는 +3가 산화수의 금속이며, 상기 M3 및 M3'는 +4가 산화수의 금속인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The method according to claim 3 or 4, wherein M1 and M1 'are metals having an oxidation number of +2, M2 and M2' are metals having +3 oxidation number, M3 and M3 ' And a positive electrode active material. 제 1 항에 있어서,
상기 M1 및 M1'은 각각 독립적으로 Mg, Ca, Ni 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;
상기 M2 및 M2'은 각각 독립적으로 Ti, Al, Ta 및 Nb으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이며;
상기 M3 및 M3'은 각각 독립적으로 Ti, Ta, Nb, Mn 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택되며 M2 및 M2'와 다른 원소인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
The method according to claim 1,
Each of M1 and M1 'is independently an element selected from the group consisting of Mg, Ca, Ni and Ba;
M2 and M2 'are each independently an element selected from the group consisting of Ti, Al, Ta and Nb;
M3 and M3 'are independently selected from the group consisting of Ti, Ta, Nb, Mn and Mo, and are different from M2 and M2'.
제 1 항에 있어서, 상기 쉘의 두께는 50 내지 2000 nm인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The cathode active material according to claim 1, wherein the thickness of the shell is 50 to 2000 nm. 제 1 항에 있어서, 상기 쉘의 표면에는 50 nm 내지 100 nm 두께의 Al2O3이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The cathode active material according to claim 1, wherein Al 2 O 3 is coated on the surface of the shell in a thickness of 50 nm to 100 nm. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 이차전지용 양극 활물질의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 방법으로서,
(i) 3 종류의 도펀트들을 포함하는 도핑 코발트 전구체를 공침에 의해 제조하는 과정; 및
(ii) 상기 도핑 코발트 전구체와 리튬 전구체를 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및
(iii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. A method of producing a lithium-cobalt-doped oxide of a core-shell structure of a cathode active material for a secondary battery according to any one of claims 1 to 8,
(i) preparing a doped cobalt precursor containing three kinds of dopants by coprecipitation; And
(ii) mixing the doping cobalt precursor with a lithium precursor and subjecting the mixture to primary calcination to prepare core particles; And
(iii) preparing a core-shell structure lithium-cobalt doped oxide by mixing the core particles, the cobalt precursor, the lithium precursor, and the three kinds of dopant precursors, and secondary firing to form a shell on the core particle surface;
&Lt; / RTI &gt;
제 9 항에 있어서, 상기 과정(i)에서, 도펀트 원소를 포함하는 염들과 코발트염을 물에 용해시킨 후, 용액을 염기성 분위기로 전환하여, 공침에 의해 도핑 코발트 전구체로서 도핑 코발트 산화물을 제조하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 9, wherein in step (i), the salt containing the dopant element and the cobalt salt are dissolved in water, and the solution is converted into a basic atmosphere to prepare a doped cobalt oxide as a doping cobalt precursor by coprecipitation &Lt; / RTI &gt; 제 10 항에 있어서, 상기 도펀트 원소를 포함하는 염들은 각각 +2가 산화수의 금속(M1)을 포함하는 염, +3가 산화수의 금속(M2)을 포함하는 염, 및 +4가 산화수의 금속(M3)을 포함하는 염이며, 상기 염들의 혼합비는 하기 조건 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 제조방법:
2 ≤ r(몰비) = CM1/(CM2+CM3) ≤ 3 (1)
여기서, CM1은 M1의 함량, CM2는 M2의 함량, CM3는 M3의 함량이다.
11. The method of claim 10, wherein the salts comprising the dopant element each comprise a salt comprising a metal (M1) having an oxidation number of +2, a salt comprising a metal (M2) having a +3 oxidation number, (M3), and the mixing ratio of the salts satisfies the following condition (1): &lt; EMI ID =
2? R (molar ratio) = CM1 / (CM2 + CM3)? 3 (1)
Here, CM1 is the content of M1, CM2 is the content of M2, and CM3 is the content of M3.
제 10 항에 있어서, 도펀트 원소를 포함하는 염들과 코발트염은 탄산염, 황산염, 또는 질산염의 형태인 것을 특징으로 하는 제조 방법.11. The process according to claim 10, wherein the salts and cobalt salts comprising the dopant element are in the form of a carbonate, sulphate or nitrate salt. 제 9 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 3 종류의 도펀트 전구체들은, +2가 산화수의 금속(M1')을 포함하는 전구체, +3가 산화수의 금속(M2')을 포함하는 전구체, 및 +4가 산화수의 금속(M3')을 포함하는 전구체이며, 상기 전구체들의 혼합비는 하기 조건 (2)을 만족하는 것을 특징으로 하는 제조방법:
0.5 ≤ r(몰비) = CM1'/(CM2'+CM3') < 2 (2)
여기서, CM1'은 M1'의 함량, CM2'는 M2'의 함량, CM3'는 M3'의 함량이다.
The method of claim 9, wherein the three dopant precursors of step (iii) are selected from the group consisting of a precursor comprising a metal (M1 ') having a +2 oxidation number, a precursor comprising a metal (M2' +4 is a precursor containing an oxidized metal (M3 '), and the mixing ratio of the precursors satisfies the following condition (2):
0.5? R (molar ratio) = CM1 '/ (CM2' + CM3 ') <2 (2)
Here, CM1 'is the content of M1', CM2 'is the content of M2', and CM3 'is the content of M3'.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 이차전지용 양극 활물질의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 방법으로서,
(i) 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및
(ii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 상기 과정(i)과는 독립적으로 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. A method of producing a lithium-cobalt-doped oxide of a core-shell structure of a cathode active material for a secondary battery according to any one of claims 1 to 8,
(i) preparing a core particle by mixing a cobalt precursor, a lithium precursor, and three kinds of dopant precursors and subjecting the precursor to a first calcination; And
(ii) mixing three kinds of dopant precursors independently of the core particle, the cobalt precursor, the lithium precursor, and the above-mentioned process (i) and then performing secondary firing to form a shell on the surface of the core particle, A process for preparing a cobalt doped oxide;
&Lt; / RTI &gt;
제 14 항에 있어서,
상기 과정(i)의 3 종류의 도펀트 전구체들은, +2가 산화수의 금속(M1)을 포함하는 염, +3가 산화수의 금속(M2)을 포함하는 염, 및 +4가 산화수의 금속(M3)을 포함하는 염이며, 상기 염들의 혼합비는 하기 조건 (1)을 만족하고;
상기 과정(iii)의 3 종류의 도펀트 전구체들은, +2가 산화수의 금속(M1')을 포함하는 전구체, +3가 산화수의 금속(M2')을 포함하는 전구체, 및 +4가 산화수의 금속(M3')을 포함하는 전구체이며, 상기 전구체들의 혼합비는 하기 조건 (2)을 만족하는 것을 특징으로 하는 제조방법:
2 ≤ r(몰비) = CM1/(CM2+CM3) ≤ 3 (1)
0.5 ≤ r(몰비) = CM1'/(CM2'+CM3') < 2 (2)
여기서, CM1은 M1의 함량, CM2는 M2의 함량, CM3는 M3의 함량, CM1'은 M1'의 함량, CM2'는 M2'의 함량, CM3'는 M3'의 함량이다.
15. The method of claim 14,
The three kinds of dopant precursors of the above-mentioned process (i) include a salt containing a metal (M1) having an oxidation number of +2, a salt including a metal (M2) having a +3 oxidation number and a metal having a oxidation number of +4 ), Wherein the mixing ratio of the salts satisfies the following condition (1);
The three kinds of dopant precursors of the above process (iii) are a precursor including a metal (M1 ') having a +2 oxidation number, a precursor including a metal (M2') having a +3 oxidation number, (M3 '), and the mixing ratio of the precursors satisfies the following condition (2): &lt; EMI ID =
2? R (molar ratio) = CM1 / (CM2 + CM3)? 3 (1)
0.5? R (molar ratio) = CM1 '/ (CM2' + CM3 ') <2 (2)
Here, CM1 is the content of M1, CM2 is the content of M2, CM3 is the content of M3, CM1 'is the content of M1', CM2 'is the content of M2', and CM3 'is the content of M3'.
제 9 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 코발트 전구체는 코발트 산화물이고, 상기 도펀트 전구체들은 도펀트용 금속, 금속 산화물 또는 금속염이며, 상기 리튬 전구체는 LiOH, 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.10. The method of claim 9 or 14, wherein the cobalt precursor is a cobalt oxide, wherein the dopant precursors dopant metal, metal oxide or metal salt for the lithium precursor is one selected from the group consisting of LiOH, and Li 2 CO 3 Or more. 제 9 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 1차 소성은 850℃ 내지 1100℃의 온도에서 수행되고, 상기 2차 소성은 700℃ 내지 1100℃되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 9 or 14, wherein the first firing is performed at a temperature of 850 ° C to 1100 ° C, and the second firing is performed at 700 ° C to 1100 ° C. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 슬러리를 집전체에 도포하여 제조되는 것을 특징으로 하는 양극.A positive electrode, which is produced by applying a slurry containing a positive electrode active material, a conductive material and a binder according to any one of claims 1 to 8 to a current collector. 제 18 항에 따른 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.A secondary battery comprising a positive electrode according to claim 18.
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