KR20180102874A - Nickel-based cathode material and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a nickel-based positive electrode material and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a manufacturing method of a Ni-rich positive electrode material having excellent physical and chemical properties using an effective and simple process; and to the Ni-rich positive electrode material manufactured through the method.

Description

니켈계 양극 재료 및 이의 제조방법 {Nickel-based cathode material and method of manufacturing the same}[0001] The present invention relates to a nickel-based cathode material and a method for manufacturing the same,

본 발명은 니켈계 양극 재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 우수한 방전용량비(rate capability) 및 사이클링 안정성이 크게 향상된 전기화학적 성능을 갖는 니켈계 양극 재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nickel-based cathode material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nickel-based cathode material having an electrochemical performance with a significantly improved rate capability and cycling stability, and a method of manufacturing the same.

리튬 충전식 배터리의 양극은 리튬을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 분말형 재료인 것이 통상적이다. 분말은 집전체의 역할을 하는 금속박 상에 전극 필름으로서 증착된다. 전극 필름은 흔히, 95% 초과의 양극 재료와 소량의 결합제 및 전도성 첨가제를 함유한다. 이렇게 제조된 양극(캐소드)은 세퍼레이터 및 음극 필름(애노드)에 적층 또는 권취된다. 일반적으로, 음극 필름은 카본을 함유한다. 최종적으로, 적층 또는 권취된 캐소드-세퍼레이터-애노드-롤이 케이스 내에 삽입되고, 전해질이 첨가되며, 케이스가 밀봉되어, 완전 셀이 형성된다.The anode of a lithium rechargeable battery is typically a powdered material capable of reversibly inserting and desorbing lithium. The powder is deposited as an electrode film on a metal foil serving as a current collector. The electrode film often contains more than 95% of the cathode material and a small amount of binder and conductive additive. The anode (cathode) thus produced is laminated or wound on the separator and the cathode film (anode). Generally, the cathode film contains carbon. Finally, the stacked or wound cathode-separator-anode-roll is inserted into the case, the electrolyte is added, and the case is sealed to form a complete cell.

종래, LiCoO2는 충전식 리튬 배터리에 있어서 주도적인 양극 재료였다. 근래에는 이른바 NCM 양극 재료가 다수의 분야에서 LiCoO2를 대체하고 있다. "NCM"는 니켈-코발트-망간의 약자이고, 리튬 전이 금속계 산화물에 사용되며, 여기서 전이 금속은 기본적으로 Ni, Co 및 Mn의 혼합물이고, 대략 화학량론 LiMO2를 가지며, 식 중 M=NixMnyCoz이다. 추가 도핑이 가능하며, 일반적인 도핑 원소는 Al, Mg, Zr 등이다. 결정 구조는 정돈된 암염 구조를 가지며, 이 구조에서 양이온은 2차원의 Li 및 M 층들 내에 정돈된다. 공간군은 R-3M이다. 가능한 조성물로서 다수의 상이한 조성물들이 있으며, 이들은 흔히 이들의 니켈, 망간 및 코발트 함량에 따라 분류 및 명명된다. 일반적인 NCM계 재료는 "111"(Ni1 / 3Co1 / 3Mn1 /3), "523"(Ni0 . 5Co0 . 2Mn0 .3), "622"(Ni0.6Co0.2Mn0.2) 등이다. Conventionally, LiCoO 2 has been a leading cathode material in rechargeable lithium batteries. In recent years, so-called NCM cathode materials have replaced LiCoO 2 in many applications. "NCM" is an abbreviation for nickel-cobalt-manganese and is used for a lithium transition metal oxide wherein the transition metal is essentially a mixture of Ni, Co and Mn and has approximately stoichiometric LiMO 2 wherein M = Ni x Mn y Co z . Further doping is possible. Typical doping elements are Al, Mg, Zr, and the like. The crystal structure has an ordered salt structure, in which cations are arranged in two-dimensional Li and M layers. The space group is R-3M. There are a number of different compositions as possible compositions, which are often classified and named according to their nickel, manganese and cobalt content. Typical NCM-based material is "111" (Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3), "523" (Ni 0. 5 Co 0. 2 Mn 0 .3), "622" (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ).

NCM의 조성물에서 니켈 과잉량은 중요한 화학양론적 파라미터이다. 니켈의 함량이 증가함에 따라, 가역 용량은 증가하지만, 동시에 양극 재료는 제조하기가 점점 더 어려워진다. Ni 과잉량 = 0인 "111"(Ni1/3Co1/3Mn1/3)은 리튬 공급원으로서의 저렴한 Li2CO3와 함께, 공기 흐름 중에서 높은 처리량으로 소결함으로써 쉽게 제조할 수 있는 강고한 재료이다. The nickel excess in the composition of NCM is an important stoichiometric parameter. As the nickel content increases, the reversible capacity increases, but at the same time, the cathode material becomes increasingly difficult to manufacture. &Quot; 111 " (Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ) in which the excess amount of Ni = 0 is used in combination with the inexpensive Li 2 CO 3 as a lithium source, Material.

"811"(Ni0 . 8Mn0 . 1Co0 . 1)과 같은 Ni-rich 양극 재료로 제작된 Ni-rich LNMCO(LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2)는 가역 용량(reversible capacity)이 커서 양극 재료로 매우 매력적이다. 그러나, Ni-rich 양극 재료는 전자 전도성이 낮고 구조 내의 Li+의 확산율이 낮기 때문에 전기 화학적 성능이 떨어진다. "811" (Ni 0. 8 Mn 0. 1 Co 0. 1) Ni-rich designed as a cathode material Ni-rich LNMCO such as (. LiNi 0 8 Co 0. 1 Mn 0. 1 O 2) is reversible capacity (reversible capacity) is large and is very attractive as a cathode material. However, the Ni-rich cathode material has low electrochemical performance and low electrochemical performance because of low diffusion rate of Li + in the structure.

특히, 4.3V 이상의 높은 전압에서 고도로 탈리튬화된 상태(delithiated)가 되며, 이때 심각한 용량 변색을 나타낸다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 CeO2, ZnO 및 TiO2를 이용한 Ni-rich 양극 재료의 표면 개질방법 및 Ni-rich 양극 재료의 코어 - 쉘 구조 또는 농도 - 구배(concentration-gradient) 구조의 실현 등의 많은 노력이 이루어져 왔다. 그러나 이러한 문제해결 방안 중 일부는 복잡한 프로세스가 포함되기 때문에 많은 비용이 발생한다.In particular, it becomes highly delithiated at a high voltage of 4.3V or higher, which exhibits severe capacity discoloration. In order to solve these problems, there are many methods of surface modification of Ni-rich cathode materials using CeO 2 , ZnO and TiO 2 and realization of core-shell structure or concentration-gradient structure of Ni-rich cathode materials Efforts have been made. However, some of these workarounds are costly because they involve complex processes.

또한, Ni-rich 양극 재료는 순수한 산소 분위기에서조차 Ni2 +에서 Ni3 +로 쉽게 산화되지 않는다. 따라서, 고성능의 Ni-rich 양극 재료를 얻기 위해, 일반적으로 순수한 산소 분위기에서 하소(calcination)시킨다. 이는 Ni-rich 양극 재료를 대기 중에서 하소시키는 것보다 많은 비용이 든다.In addition, the Ni-rich cathode material is not easily oxidized from Ni 2 + to Ni 3 + even in a pure oxygen atmosphere. Therefore, in order to obtain a high-performance Ni-rich cathode material, it is generally calcined in a pure oxygen atmosphere. This is more expensive than calcining Ni-rich cathode materials in air.

이러한 Ni-rich 양극 재료의 빈약한 사이클링 안정성(cycling stability) 및 하소비용은 Ni-rich 양극 재료의 상업화를 제한하는 심각한 문제였다. 따라서, 상술한 Ni-rich 양극 재료의 문제점을 극복하는 신규한 Ni-rich 양극 재료 및 이의 제조방법을 연구할 필요가 있다.The poor cycling stability and cost of the Ni-rich cathode material was a serious problem limiting the commercialization of the Ni-rich cathode material. Therefore, it is necessary to study a novel Ni-rich cathode material which overcomes the problems of the Ni-rich cathode material and a manufacturing method thereof.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기한 바와 같이 종래 기술의 단점 및 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 측면은 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to solve the problems and disadvantages of the prior art, and it is an aspect of the present invention to provide a method of manufacturing a Ni-rich LNMCO cathode material.

본 발명의 다른 측면은 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a Ni-rich LNMCO cathode material.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a Ni-rich LNMCO cathode material.

상기 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법은 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액을 가지는 혼합용액을 준비하는 단계, 상기 혼합용액에 산화제를 첨가하는 단계, 상기 산화제가 첨가된 혼합용액에서 LNMCO 전구체 분말을 여과하는 단계 및 상기 LNMCO 전구체 분말을 리튬(Li) 공급원과 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.The method for preparing the Ni-rich LNMCO cathode material comprises the steps of preparing a mixed solution having a nickel aqueous solution, a cobalt aqueous solution and a manganese aqueous solution, adding an oxidizing agent to the mixed solution, adding an LNMCO precursor powder Filtering and mixing the LNMCO precursor powder with a source of lithium (Li).

상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 몰비가 1-x-y : x : y ( 0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5)일 수 있다.The molar ratio of the nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution and the manganese aqueous solution may be 1-x-y: x: y (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0 <x + y? 0.5).

상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액은 각각 황산니켈 수용액(NiSO4·6H2O), 황산코발트 수용액(CoSO4·7H2O) 및 황산망간 수용액(MnSO4·6H2O)일 수 있다.The nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution and the manganese aqueous solution may be a nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 .6H 2 O), a cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 .7H 2 O) and a manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 .6H 2 O), respectively.

상기 산화제는 과망간산칼륨(KMnO4)일 수 있다.The oxidizing agent may be potassium permanganate (KMnO 4 ).

상기 혼합용액에 산화제를 첨가하는 단계에서, 상기 산화제의 양은 상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 총 몰수의 합에 대비하여 10 mol% 이하일 수 있다.In the step of adding the oxidizing agent to the mixed solution, the amount of the oxidizing agent may be 10 mol% or less relative to the sum of the total moles of the aqueous nickel solution, aqueous solution of cobalt and aqueous solution of manganese.

상기 LNMCO 전구체 분말의 화학식은 Ni1 -x- yCoxMny(OH)2 +z (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5, 0<z<1)일 수 있다.The formula of the LNMCO precursor powder is Ni 1 -x- y Co x Mn y (OH) 2 + z (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0 <x + y? 0.5, 0 <z <Lt; / RTI &gt;

상기 LNMCO 전구체 분말에 포함된 니켈의 원자가 상태는 Ni2 + 및 Ni3 +의 혼합 상태일 수 있다.The valence state of the nickel contained in the LNMCO precursor powder may be a mixed state of Ni 2 + and Ni 3 + .

상기 리튬(Li) 공급원은 리튬수산화물일 수 있다.The lithium (Li) source may be lithium hydroxide.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a Ni-rich LNMCO cathode material.

상기 Ni-rich LNMCO 양극 재료는 상술한 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법을 통해 제조된 것이다.The Ni-rich LNMCO cathode material is prepared by the above-described method of producing a Ni-rich LNMCO cathode material.

상기 Ni-rich LNMCO 양극 재료는 층상구조일 수 있다.The Ni-rich LNMCO cathode material may be a layered structure.

본 발명에 따르면, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, 고도로 산화된 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있다.According to the present invention, highly oxidized Ni-rich LNMCO cathode materials can be prepared by using pre-oxidized NCM as a precursor of Ni-rich LNMCO cathode material.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, 보다 안정된 층상 구조를 갖는 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있으며, 이로 인해 Ni-rich LNMCO 양극 재료는 우수한 전기 화학적 성능을 가진다.In addition, by using NCM pre-oxidized as a precursor of the Ni-rich LNMCO cathode material, a Ni-rich LNMCO cathode material having a more stable layered structure can be produced, and thus Ni-rich LNMCO cathode material Have excellent electrochemical performance.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, 방전용량비(rate capabilities)가 향상된 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있다.Also, by using pre-oxidized NCM as a precursor of Ni-rich LNMCO cathode material, Ni-rich LNMCO cathode material with improved rate capabilities can be manufactured.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, 4.3V 이상의 높은 컷-오프(cut-off)전압의 사이클에서 높은 용량 보유값(retention values)을 유지할 수 있는 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있다.Also, by using pre-oxidized NCM as a precursor of Ni-rich LNMCO cathode material, it is possible to maintain high capacity retention values in high cut-off voltage cycles above 4.3V Ni-rich LNMCO cathode material can be manufactured.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, Li+ 삽입/탈 삽입(intercalation/de-intercalation)에 보다 유리한 구조를 갖는 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있다.In addition, by using pre-oxidized NCM as a precursor of Ni-rich LNMCO cathode material, a Ni-rich LNMCO cathode material with a more favorable structure for Li + intercalation / de-intercalation can be obtained. Can be manufactured.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, Li+와 Ni2+간에 낮은 양이온 장애(low degree of cation disorder)를 갖는 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있다.In addition, by using pre-oxidized NCM as a precursor of Ni-rich LNMCO cathode material, Ni-rich LNMCO cathode material with low degree of cation disorder between Li + and Ni 2+ Can be manufactured.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, 잘 배열된 층상 구조를 갖는 Ni-rich LNMCO 양극 재료를 제조할 수 있다.In addition, Ni-rich LNMCO cathode materials with well-ordered layered structures can be prepared by using pre-oxidized NCM as a precursor of Ni-rich LNMCO cathode material.

또한, Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로 예비산화(pre-oxidation)된 NCM을 사용함으로써, 보다 높은 용량 유지율을 갖는 배터리 셀을 제조할 수 있다.Further, by using NCM pre-oxidized with a precursor of the Ni-rich LNMCO cathode material, a battery cell having a higher capacity retention rate can be manufactured.

또한, Ni-rich 양극 재료의 전구체를 사전 산화하는 것은 비용적인 측면에서 효율적이고 간단한 공정이며, 기존의 순수한 산소 분위기 하에서의 소성 공정 없이 뛰어난 Ni-rich 양극 재료를 제공 할 수 있다.In addition, pre-oxidation of the precursor of the Ni-rich cathode material is an efficient and simple process from a cost point of view and can provide an excellent Ni-rich cathode material without the conventional sintering process under pure oxygen atmosphere.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 바람직한 본 발명의 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 2는 바람직한 본 발명의 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말의 SEM 이미지이다.
도 3은 바람직한 본 발명의 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말의 XPS 스펙트럼이다.
도 4는 바람직한 본 발명의 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말의 FTIR 그래프이다.
도 5는 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 SEM 이미지이다.
도 6은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 XRD 그래프이다.
도 7은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 XPS 스펙트럼이다.
도 8은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 물질을 사용해 제조한 코인-타입 셀들의 충/방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 물질을 사용해 제조한 코인-타입 셀들의 충/방전 특성을 보다 높은 전압에서 측정한 그래프이다.
도 10은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 물질을 사용해 제조한 코인-타입 셀들의 충방전율(C rate)에 따른 방전용량비(rate capability)를 측정한 그래프이다.
1 is a flow chart showing a preferred method of producing the Ni-rich LNMCO cathode material of the present invention.
2 is an SEM image of the LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1 of the present invention and Production Example 1 of the present invention.
3 is an XPS spectrum of the LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1 of the present invention and Production Example 1 of the present invention.
4 is an FTIR graph of the LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1 of the present invention and Production Example 1 of the present invention.
5 is a SEM image of Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Preparation Example 2 of the present invention.
6 is an XRD graph of Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Production Example 2 of the present invention.
7 is an XPS spectrum of Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Production Example 2 of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing charge / discharge characteristics of coin-type cells manufactured using the Ni-rich LNMCO anode materials prepared in Comparative Examples 2, 3, and 2 of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing charge / discharge characteristics of coin-type cells manufactured using the Ni-rich LNMCO anode materials prepared in Comparative Examples 2, 3, and 2 of the present invention at higher voltages.
FIG. 10 is a graph showing the discharge capacity ratio (rate capability) according to the charge / discharge rate (C rate) of coin-type cells manufactured using the Ni-rich LNMCO anode materials prepared in Comparative Examples 2, 3, .

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.

실시예Example

도 1은 바람직한 본 발명의 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법을 나타내는 플로우차트이다.1 is a flow chart showing a preferred method of producing the Ni-rich LNMCO cathode material of the present invention.

먼저, 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 혼합용액을 준비하는 단계가 수행된다.(S100)First, a step of preparing a mixed solution of a nickel aqueous solution, a cobalt aqueous solution and a manganese aqueous solution is performed (S100)

상기 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로서 Ni-rich NCM이 사용되며, 상기 Ni-rich NCM을 얻기 위해 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 혼합용액을 준비한다.Ni-rich NCM is used as a precursor of the Ni-rich LNMCO cathode material. To obtain the Ni-rich NCM, a mixed solution of nickel aqueous solution, cobalt aqueous solution and manganese aqueous solution is prepared.

상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액을 포함하는 혼합용액의 몰비는 니켈 수용액 : 코발트 수용액 : 망간 수용액 = 1-x-y : x : y (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5)이다. 따라서, 니켈함량이 50% 이상, 100% 미만인 모든 Ni-rich 전극 재료의 전구체를 제조할 수 있다. The molar ratio of the nickel solution, the cobalt solution, and the manganese aqueous solution to the mixed solution is in the range of 1: 1 to 1: 1, y? 0.5). Therefore, precursors of all Ni-rich electrode materials having a nickel content of 50% or more and less than 100% can be produced.

한편, 알루미늄(Al)을 추가로 도핑하기 위해 알루미늄 수용액을 더 포함시켜 혼합용액을 제조하거나, 망간 수용액을 포함하지 않고 알루미늄 수용액만을 포함하여 혼합용액을 제조할 수 있다. 이 때, 니켈 수용액, 코발트 수용액, 망간 수용액 및 알루미늄 수용액의 몰비는 니켈 수용액 : 코발트 수용액 : 망간 수용액 = 1-x-y : x : y-a : a (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0≤a≤y, 0<x+y≤0.5) 이다.Meanwhile, in order to further dope aluminum (Al), a mixed solution may be prepared by further including an aqueous aluminum solution, or a mixed solution may be prepared by including only an aqueous aluminum solution without containing a manganese aqueous solution. In this case, the molar ratio of the nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution, the manganese aqueous solution and the aluminum aqueous solution was set to a molar ratio of nickel aqueous solution: cobalt aqueous solution: manganese aqueous solution = 1-xy: x: ya: a (0 < a < = y, 0 < x + y &lt;

이 때, a값이 0이면 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액만으로 구성된 혼합용액이 제조되고, a값이 y이면 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 알루미늄 수용액만으로 구성된 혼합용액이 제조된다.At this time, if the value of a is 0, a mixed solution composed of a nickel aqueous solution, a cobalt aqueous solution and a manganese aqueous solution is prepared. If the a value is y, a mixed solution composed of only nickel aqueous solution, cobalt aqueous solution and aluminum aqueous solution is produced.

바람직한 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액은 각각 황산니켈 수용액(NiSO4·6H2O), 황산코발트 수용액(CoSO4·7H2O) 및 황산망간 수용액(MnSO4·6H2O)을 사용하였으며, 몰비가 NiSO4·6H2O : CoSO4·7H2O : MnSO4·6H2O = 0.8 : 0.1 : 0.1에 해당하는 화학양론적 양을 탈 이온수(deionized water)에 함께 용해시켜 투명한 혼합용액을 얻었다.Preferred nickel solution according to an embodiment of the present invention, a cobalt solution and a manganese aqueous solution of each of nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 · 6H 2 O) , cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 · 7H 2 O) and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 · 6H 2 O) and a stoichiometric amount corresponding to a molar ratio of NiSO 4揃 6H 2 O: CoSO 4揃 7H 2 O: MnSO 4揃 6H 2 O = 0.8: 0.1: 0.1 was dissolved in deionized water, To obtain a transparent mixed solution.

니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 혼합용액을 준비한 후, 상기 혼합용액에 산화제를 첨가하는 단계가 수행된다.(S200)A nickel solution, a cobalt solution, and a manganese solution is prepared, and then an oxidizing agent is added to the mixed solution (S200).

상기 산화제 첨가를 통해 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전구체로서 사용되는 Ni-rich NCM을 예비산화(pre-oxidation) 시킨다.The Ni-rich NCM used as a precursor of the Ni-rich LNMCO cathode material is pre-oxidized through the addition of the oxidizing agent.

상기 산화제의 양을 조절하여 Ni-rich NCM이 예비산화(pre-oxidation)되는 정도를 조절할 수 있다. 상기 산화제의 양은 상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 총 몰수의 합에 대비하여 10 mol% 이하이다. 산화제가 조금이라도 들어가면(0mol% 초과) Ni-rich NCM을 예비산화(pre-oxidation) 시킬 수 있으며, 10 mol%를 초과하여 사용하였을 경우 다량의 산화제 침전이 발생하는 문제점이 있다.The degree of pre-oxidation of Ni-rich NCM can be controlled by adjusting the amount of the oxidizing agent. The amount of the oxidizing agent is 10 mol% or less relative to the sum of the total moles of the nickel aqueous solution, the aqueous solution of cobalt and the aqueous solution of manganese. Ni-rich NCM can be pre-oxidized if the oxidizing agent is added in a small amount (more than 0 mol%). If the oxidizing agent is used in excess of 10 mol%, a large amount of oxidant precipitation occurs.

상기 산화제는 상기 혼합용액에 포함된 니켈의 원자가를 Ni2 +에서 Ni3 +로 산화시킬 수 있는 산화제라면 제한 없이 사용가능하며, 바람직한 본 발명의 일 실시예에 따른 산화제는 강한 산화제인 과망간산칼륨(KMnO4)을 사용하였다.The oxidizing agent can be used without limitation as long as it is an oxidizing agent capable of oxidizing the valence of nickel contained in the mixed solution from Ni 2 + to Ni 3 + . Preferably, the oxidizing agent according to an embodiment of the present invention is a strong oxidizing agent potassium permanganate KMnO 4 ) was used.

혼합용액에 산화제를 첨가하는 단계가 수행된 후, 상기 산화제가 첨가된 혼합용액에서 LNMCO 전구체 분말을 여과하는 단계가 수행된다.(S300)After the step of adding the oxidizing agent to the mixed solution, a step of filtering the LNMCO precursor powder in the mixed solution to which the oxidizing agent is added is performed (S300)

상기 LNMCO 전구체 분말의 화학식은 Ni1 -x- yCoxMny(OH)2 +z (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5, 0<z<1)일 수 있다. x 및 y의 값은 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 혼합용액을 준비하는 단계에서 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 몰비에 따라 결정된다.The formula of the LNMCO precursor powder is Ni 1 -x- y Co x Mn y (OH) 2 + z (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0 <x + y? 0.5, 0 <z <Lt; / RTI &gt; The values of x and y are determined according to the molar ratio of the aqueous nickel solution, the aqueous solution of cobalt and the aqueous solution of manganese in the step of preparing the mixed solution of the nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution and the manganese aqueous solution.

한편, 알루미늄 수용액을 더 포함하여 혼합용액을 제조하거나, 망간 수용액을 포함하지 않고 알루미늄 수용액만을 포함하여 혼합용액을 제조하였을 경우 Ni1 -x- yCoxMny - aAla(OH)2 +z (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0≤a≤y, 0<x+y≤0.5, 0<z<1)의 화학식을 갖는 전구체 분말이 여과된다. x, y 및 a의 값은 니켈 수용액, 코발트 수용액, 망간 수용액 및 알루미늄 수용액을 준비하는 단계에서 니켈 수용액, 코발트 수용액, 망간 수용액 및 알루미늄 수용액의 몰비에 따라 결정된다.On the other hand, when a mixed solution is prepared by further containing an aluminum aqueous solution or a mixed solution containing only an aluminum aqueous solution without containing a manganese aqueous solution, Ni 1 -x- y Co x Mn y - a Al a (OH) 2 + the precursor powder having the formula of z (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0? a? y, 0 <x + y? 0.5, 0 <z <1) is filtered. The values of x, y and a are determined according to the molar ratio of the nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution, the manganese aqueous solution and the aluminum aqueous solution in the step of preparing the nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution, the manganese aqueous solution and the aluminum aqueous solution.

z 값은 LNMCO 전구체 내의 각 전이 금속 이온 (Ni, Co 및 Mn)의 원자가 상태에 의해 결정될 수 있으며, 중성 조건을 충족시키기 위해 Ni3 +의 분율에 비례하여 증가할 것이다. 즉, Ni2 +가 조금이라도 산화되어 Ni3 +가 되었을 경우 z값은 0을 초과할 것이고, 모든 Ni2 + 가 산화되어 Ni3 +가 되었을 경우 z값은 1의 값을 가질 것이다. 따라서, z값의 범위는 0<z<1이다. 이는 상기 S200 단계에서 첨가되는 산화제의 양에 따라 조절된다. z values and will be determined by the valence states of the respective transition metal ion (Ni, Co and Mn) in the precursor LNMCO, increases in proportion to the fraction of the Ni 3 + to satisfy neutral conditions. That is, if Ni 2 + is slightly oxidized to Ni 3 + , the z value will exceed 0. If all Ni 2 + is oxidized to Ni 3 + , the z value will have a value of 1. Therefore, the range of the z value is 0 < z < 1. This is controlled according to the amount of the oxidizing agent added in the step S200.

바람직한 본 발명의 일 실시예에 따른 LNMCO 전구체 분말의 화학식은 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2.153이다. The preferred formulation of the LNMCO precursor powder according to one embodiment of the present invention is Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2.153 .

또한, 상기 LNMCO 전구체 분말에 포함된 니켈의 원자가 상태는 Ni2 + 및 Ni3 +의 혼합 상태이다. 이는 과망간산칼륨(KMnO4) 산화제 첨가에 따른 예비산화(pre-oxidation)가 니켈의 원자가를 2가에서 3가로 산화시키는 효과가 있음을 나타낸다.The valence state of nickel contained in the LNMCO precursor powder is a mixed state of Ni 2 + and Ni 3 + . This indicates that the pre-oxidation due to the addition of potassium permanganate (KMnO 4 ) oxidizing agent has the effect of trivalent oxidation of the valence of nickel atoms.

LNMCO 전구체 분말을 여과하는 단계가 수행된 후, 상기 LNMCO 전구체 분말을 리튬(Li) 공급원과 혼합하는 단계가 수행된다.(S400)After the step of filtering the LNMCO precursor powder is performed, the step of mixing the LNMCO precursor powder with a lithium (Li) source is performed (S400).

LNMCO 전구체 분말을 리튬(Li) 공급원과 혼합함으로써, Ni-rich LNMCO 양극 재료가 제조되며, 상술한 바와 같이 알루미늄을 포함하는 전구체 분말을 통해 NCA 계열의 양극 재료도 제조할 수 있다. 바람직한 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 리튬(Li) 공급원은 수산화리튬 수화물(LiOH·H2O)을 사용하였다. The Ni-rich LNMCO cathode material is prepared by mixing the LNMCO precursor powder with a source of lithium (Li), and the cathode material of the NCA series can also be prepared through the precursor powder containing aluminum as described above. According to one preferred embodiment of the present invention, lithium hydroxide hydrate (LiOH.H2O) is used as the lithium (Li) source.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 제조예를 제시한다. 다만, 하기의 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples of the preparation are described for the purpose of facilitating understanding of the present invention. However, the following Production Examples are for the purpose of helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following Production Examples.

바람직한 본 발명의 제조예 및 비교예로 제조된 Ni-rich LNMCO는 수산화물 공침법(via a hydroxide coprecipitation method)을 통해 제조되었으며, 이것은 원자 수준에서 균일한 화학 조성을 달성하는데 필수적이다. 또한, 입자 크기 및 모양을 일정하게 맞춤으로써, 높은 체적 에너지 밀도(volumetric energy density)를 달성할 수 있는 효과가 있다.The preferred Ni-rich LNMCOs prepared in the preparation and comparative examples of the present invention were prepared via a hydroxide coprecipitation method, which is essential for achieving a uniform chemical composition at the atomic level. In addition, by uniformly adjusting the particle size and shape, it is possible to achieve a high volumetric energy density.

<비교예 1 : 산화제로 처리하지 않은 LNMCO 전구체 분말 (pristine precursor로 표기) >&Lt; Comparative Example 1: LNMCO precursor powder not treated with an oxidizing agent (expressed by pristine precursor) >

① 몰비가 NiSO4·6H2O : CoSO4·7H2O : MnSO4·6H2O = 0.8 : 0.1 : 0.1에 해당하는 화학양론적 양을 탈 이온수(deionized water)와 함께 용해시켜 투명한 혼합용액을 얻었다.(1) The stoichiometric amount corresponding to the molar ratio NiSO 4 .6H 2 O: CoSO 4 .7H 2 O: MnSO 4 .6H 2 O = 0.8: 0.1: 0.1 is dissolved together with deionized water to form a transparent mixed solution &Lt; / RTI &gt;

② 상기 혼합용액을 N2 대기 하에서 연속적으로 교반되는 탱크 반응기(tank reactor)로 펌핑 하였다. 동시에, NaOH 및 NH4OH의 수용액을 각각 pH 조절제 및 킬레이트제(chelating agent)로서 첨가하였다.(2) The mixed solution was pumped into a continuously stirred tank reactor under N 2 atmosphere. At the same time, an aqueous solution of NaOH and NH 4 OH was added as a pH adjusting agent and a chelating agent, respectively.

③ 상기 펌핑된 혼합용액에서 공침된(coprecipitated) 구형의(spherical) LNMCO 전구체 분말을 여과하여 탈 이온수(deionized water)로 여러 번 세척하고, 110 ℃에서 24 시간 동안 건조시켜 산화제로 처리하지 않은 LNMCO 전구체 분말(pristine precursor)을 제조하였다.(3) A coprecipitated spherical LNMCO precursor powder in the pumped mixed solution was filtered, washed several times with deionized water, and dried at 110 캜 for 24 hours to obtain an LNMCO precursor A pristine precursor was prepared.

<비교예 2 : 대기 분위기 하에서 하소하여 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 재료 (Air-LNMCO로 표기)>&Lt; Comparative Example 2: Ni-rich LNMCO cathode material prepared by calcination in air atmosphere (expressed by Air-LNMCO) >

① 상기 비교예 1에서 제조된 산화제로 처리하지 않은 LNMCO 전구체 분말(pristine precursor)을 LiOH·H2O(Li 공급원)와 혼합하였다. (1) The LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1, which had not been treated with the oxidizing agent, was mixed with LiOH.H 2 O (Li source).

② 상기 LiOH·H2O와 혼합된 LNMCO 전구체 분말(pristine precursor)을 480 ℃에서 5 시간 동안 예열한 후 대기 분위기 하에서 16시간 동안 800℃에서 가열하여 Air-LNMCO를 제조하였다.② LNMCO pristine precursor mixed with LiOH · H 2 O was preheated at 480 ° C. for 5 hours and then heated at 800 ° C. for 16 hours in air to prepare Air-LNMCO.

<비교예 3 : 순수한 산소 분위기 하에서 하소하여 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 재료 (Oxy-LNMCO로 표기)>&Lt; Comparative Example 3: Ni-rich LNMCO cathode material prepared by calcination under a pure oxygen atmosphere (represented by Oxy-LNMCO) >

① 상기 비교예 1에서 제조된 산화제로 처리하지 않은 LNMCO 전구체 분말(pristine precursor)을 LiOH·H2O(Li 공급원)와 혼합하였다. (1) The LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1, which had not been treated with the oxidizing agent, was mixed with LiOH.H 2 O (Li source).

② 상기 LiOH·H2O와 혼합된 LNMCO 전구체 분말(pristine precursor)을 480 ℃에서 5 시간 동안 예열한 후 순수한 산소 분위기 하에서 16시간 동안 800℃에서 가열하여 Oxy-LNMCO를 제조하였다.② LNMCO pristine precursor mixed with LiOH · H 2 O was preheated at 480 ° C. for 5 hours and then heated at 800 ° C. for 16 hours under pure oxygen atmosphere to prepare Oxy-LNMCO.

<제조예 1: 바람직한 본 발명에 따른 예비산화(pre-oxidation) 과정을 포함하여 제조된 LNMCO 전구체 분말 (KMnO4-treated precursor로 표기) >PREPARATION EXAMPLE 1: LNMCO precursor powder (designated as KMnO 4 -treated precursor) prepared with the pre-oxidation process according to the present invention>

① 몰비가 NiSO4·6H2O : CoSO4·7H2O : MnSO4·6H2O = 0.8 : 0.1 : 0.1에 해당하는 화학양론적 양을 탈 이온수(deionized water)와 함께 용해시켜 투명한 혼합용액을 얻었다.(1) The stoichiometric amount corresponding to the molar ratio NiSO 4 .6H 2 O: CoSO 4 .7H 2 O: MnSO 4 .6H 2 O = 0.8: 0.1: 0.1 is dissolved together with deionized water to form a transparent mixed solution &Lt; / RTI &gt;

② 상기 혼합용액에 KMnO4 0.2 mol%(니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 총 몰수의 합에 대비)를 첨가하였다.(2) To the mixed solution, 0.2 mol% of KMnO 4 (relative to the sum of the total molar amount of aqueous nickel solution, aqueous cobalt solution and aqueous manganese solution) was added.

③ 상기 KMnO4가 포함된 혼합용액을 N2 대기 하에서 연속적으로 교반되는 탱크 반응기(tank reactor)로 펌핑 하였다. 동시에, NaOH 및 NH4OH의 수용액을 각각 pH 조절제 및 킬레이트제(chelating agent)로서 첨가하였다.(3) The mixed solution containing KMnO 4 was pumped into a tank reactor which was continuously stirred under a N 2 atmosphere. At the same time, an aqueous solution of NaOH and NH 4 OH was added as a pH adjusting agent and a chelating agent, respectively.

④ 상기 펌핑된 혼합용액에서 공침된(coprecipitated) 구형의(spherical) LNMCO 전구체 분말을 여과하여 탈 이온수(deionized water)로 여러 번 세척하고, 110 ℃에서 24 시간 동안 건조시켜 KMnO4 산화제로 예비산화(pre-oxidation) 처리한 LNMCO 전구체 분말(KMnO4-treated precursor)을 제조하였다.(4) A coprecipitated spherical LNMCO precursor powder in the pumped mixed solution was filtered, washed several times with deionized water, and dried at 110 ° C for 24 hours to obtain KMnO 4 LNMCO precursor powder (KMnO 4 -treated precursor) pre-oxidized with an oxidizing agent was prepared.

<제조예 2: 바람직한 본 발명에 따른 예비산화(pre-oxidation) 과정을 포함하여 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 재료 (KMnO4-LNMCO로 표기) >PREPARATION EXAMPLE 2 Ni-rich LNMCO cathode material prepared with the preferred pre-oxidation process according to the present invention (denoted as KMnO 4 -LNMCO)

① 상기 제조예 1에서 제조된 KMnO4 산화제로 예비산화(pre-oxidation) 처리한 LNMCO 전구체 분말(KMnO4-treated precursor)을 LiOH·H2O(Li 공급원)와 혼합하였다.(1) KMnO 4 prepared in Preparation Example 1 LNMCO precursor powder (KMnO 4 -treated precursor) pre-oxidized with an oxidizing agent was mixed with LiOH.H 2 O (Li source).

② 상기 LiOH·H2O와 혼합된 LNMCO 전구체 분말(KMnO4-treated precursor)을 480 ℃에서 5 시간 동안 예열한 후 대기 분위기 하에서 16시간 동안 800℃에서 가열하여 KMnO4-LNMCO를 제조하였다. (2) The LNMCO precursor powder (KMnO 4 -treated precursor) mixed with LiOH.H 2 O was preheated at 480 ° C. for 5 hours and then heated at 800 ° C. for 16 hours in an air atmosphere to prepare KMnO 4 -LNMCO.

도 2는 바람직한 본 발명의 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말의 SEM 이미지이다.2 is an SEM image of the LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1 of the present invention and Production Example 1 of the present invention.

더욱 상세하게는, 비교예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말(pristine precursor) 입자의 SEM 이미지와, 전구체 분말(pristine precursor) 입자의 표면을 관찰하기 위해 더 확대된 SEM 이미지를 각각 도 2 (a) 및 (b)에 도시하였고, 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말(treated precursor) 입자의 SEM 이미지와, 전구체 분말(treated precursor) 입자의 표면을 관찰하기 위해 더 확대된 SEM 이미지를 각각 도 2 (c) 및 (d)에 도시하였다.More specifically, the SEM image of the LNMCO pristine precursor particles prepared in Comparative Example 1 and the SEM image further enlarged to observe the surface of the pristine precursor particles are shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b) and an SEM image of the LNMCO treated precursor particles prepared in Preparation Example 1 and a SEM image further enlarged to observe the surface of the particles of the treated precursor are shown in FIG. 2 (c) ) And (d).

도 2를 참조하면, 두 전구체 모두 수많은 나노 시트(nano-sheets)로 구성되며, 구형 구조(spherical structure)를 갖는 것을 확인할 수 있다. 두 전구체의 2 차 구형(secondary spherical) 입자는 균일하게 분포하고, 평균 입자 직경이 10 ㎛인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that both precursors are composed of a large number of nano-sheets and have a spherical structure. Secondary spherical particles of the two precursors are uniformly distributed, and it can be confirmed that the average particle diameter is 10 탆.

도 3은 바람직한 본 발명의 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말의 XPS 스펙트럼이다.3 is an XPS spectrum of the LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1 of the present invention and Production Example 1 of the present invention.

더욱 상세하게 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy : XPS) 측정은 Al Kα (excitation, 1486.6 eV) 방사선을 갖는 AXIS Ultra DLD 분광계를 사용하여 수행되었고, 이를 통해 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체에의 표면에서 니켈, 코발트 및 망간의 산화 상태를 측정하였으며, 각각 도 3 (a), 도 3 (b) 및 도 3 (c)에 도시하였다.More specifically, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements were performed using an AXIS Ultra DLD spectrometer with Al K? (Excitation, 1486.6 eV) radiation, The oxidation state of nickel, cobalt and manganese on the surface of the prepared LNMCO precursor was measured and shown in Figs. 3 (a), 3 (b) and 3 (c) respectively.

도 3을 참조하면, 산화 처리되지 않은 전구체(pristine precursor) 및 산화 처리된 전구체(KMnO4-treated precursor)의 Ni 2p, Mn 2p 및 Co 2p 스펙트럼을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, Ni 2p, Mn 2p and Co 2p spectra of a non-oxidized precursor and an oxidized precursor (KMnO 4 -treated precursor) can be confirmed.

도 3 (b) 및 도 3 (c)를 참조하면, 두 전구체 모두 Mn 2p3 /2 피크는 642.13eV 및 654.08eV에서 관찰되었으며, Co 2p3 /2 피크는 781.38eV 및 797.13eV에서 관찰되었다. 이러한 피크는 이전에 보고된 Mn4 + 및 Co3+에 대한 XPS 결과와 일치한다. 따라서, 산화 처리되지 않은 전구체(pristine precursor) 및 산화 처리된 전구체(KMnO4-treated precursor)의 Mn 및 Co의 원자가 상태는 유사한 것을 알 수 있다.When Fig. 3 (b) and FIG. 3 (c), in both precursor Mn 2p 3/2 peak was observed in 642.13eV and 654.08eV, Co 2p 3/2 peak was observed at 781.38eV and 797.13eV. This peak corresponds to the XPS results for the Mn 4 + and Co 3+ previously reported. Therefore, it can be seen that the valence states of Mn and Co of the un-oxidized precursor and the oxidized precursor (KMnO 4 -treated precursor) are similar.

반면, 산화 처리되지 않은 전구체(pristine precursor)와 산화 처리된 전구체(KMnO4-treated precursor)는 상이한 니켈의 원자가 상태를 가지는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be confirmed that the pristine precursor and the oxidized precursor (KMnO 4 -treated precursor), which are not oxidized, have different valence states of nickel.

도 3 (a)를 참조하면, 두 전구체 모두 856.08eV의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 피크는 이전에 보고된 Ni2 +에 대한 XPS 결과와 일치한다. 또한, 산화 처리된 전구체 (KMnO4-treated precursor)에서만 추가로 857.98eV의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 피크는 이전에 보고된 Ni3+에 대한 XPS 결과와 일치한다. Referring to FIG. 3 (a), it can be seen that a peak of 856.08 eV is observed in both precursors. This peak corresponds to the XPS results for the Ni 2 + previously reported. Further, it can be confirmed that a peak of 857.98 eV is observed only in the oxidized precursor (KMnO 4 -treated precursor). These peaks are consistent with the previously reported XPS results for Ni 3+ .

즉, KMnO4로 산화 처리된 LNMCO 전구체(KMnO4-treated precursor) 표면 근처의 니켈의 원자가 상태는 Ni2 +와 Ni3 +의 혼합 상태이다. 이 결과는 KMnO4가 아래의 [화학식 1]에 따라 Ni2 +를 Ni3 +로 산화시킬 수 있음을 나타낸다.That is, the valence state of nickel near the surface of the LNMCO precursor (KMnO 4 -treated precursor) oxidized with KMnO 4 is a mixed state of Ni 2 + and Ni 3 + . This result shows that KMnO 4 can oxidize Ni 2 + to Ni 3 + according to the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Mn7+ + 3Ni2+ → Mn4+ + 3Ni3+ Mn 7+ + 3Ni 2+ ? Mn 4+ + 3Ni 3+

정량적 XPS 결과 (deconvoluted peak의 면적)에 따라 총 Ni 함량의 Ni2 +와 Ni3 + 분율을 계산해본 결과, 산화 처리되지 않은 전구체(pristine precursor)와 산화 처리된 전구체 (KMnO4-treated precursor)의 Ni3 +/Ni2+ 비율은 각각 0과 0.237이었다.The Ni 2 + and Ni 3 + fractions of the total Ni contents were calculated from the quantitative XPS results (area of the deconvoluted peak). As a result, it was found that the non-oxidized precursor and the oxidized precursor (KMnO 4 -treated precursor) The Ni 3 + / Ni 2+ ratios were 0 and 0.237, respectively.

이러한 결과를 통해 KMnO4 산화제를 통한 예비산화(pre-oxidation)은 실제로 LNMCO 전구체에서 니켈(Ni)의 산화에 효과적이라는 것을 증명할 수 있으며, 첨가되는 산화제의 양을 조절하여 LNMCO 전구체 분말 표면 근처의 니켈 원자가 상태의 비를 조절할 수 있으며, 원하는 산화상태를 얻을 수 있다.These results suggest that KMnO 4 Pre-oxidation through an oxidant can actually prove effective in the oxidation of nickel (Ni) in the LNMCO precursor, and the amount of oxidant added can be controlled to control the ratio of nickel atomic states near the LNMCO precursor powder surface And a desired oxidation state can be obtained.

도 4는 바람직한 본 발명의 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체 분말의 FTIR 그래프이다.4 is an FTIR graph of the LNMCO precursor powder prepared in Comparative Example 1 of the present invention and Production Example 1 of the present invention.

더욱 상세하게는, FTIR(Fourier transform infrared) 분광기 (Excalibur 시리즈 FTS 3000 Bio-Rad 분광기)를 통해 비교예 1 및 제조예 1로 제조된 LNMCO 전구체의 작용기 및 작용기의 상호작용을 측정했다.More specifically, the interactions of functional groups and functional groups of the LNMCO precursor prepared in Comparative Example 1 and Production Example 1 were measured through a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer (Excalibur series FTS 3000 Bio-Rad spectrometer).

도 4를 참조하면, 3500-3626 cm- 1에서 관찰 된 날카로운 피크는 수산기를 나타내는 피크이다. 수산기 이외의 음이온에 대한 피크는 스펙트럼에서 발견되지 않았고, 이는 전구체가 Ni0 . 8Co0 . 1Mn0 .1(OH)2+z의 형태인 것을 의미한다. Referring to Fig. 4, the sharp peak observed at 3500-3626 cm & lt ; -1 &gt; is the peak indicating the hydroxyl group. Peaks for anions other than hydroxyl groups were not found in the spectrum, indicating that the precursor Ni 0 . 8 Co 0 . 1 Mn 0 .1 (OH) 2 + z .

z의 값은 전구체 내의 각 전이 금속 이온 (Ni, Co 및 Mn)의 원자가 상태에 의해 결정될 수 있으며, 중성 조건을 충족시키기 위해 Ni3 +의 분율에 비례하여 증가 할 것이다. 상기 XPS 결과에 기초하여 산화 처리되지 않은 전구체(pristine precursor) 및 산화 처리된 전구체 (KMnO4-treated precursor)의 z 값은 각각 0 및 0.153으로 계산되었다. 따라서, 상술한 바와 같이 LNMCO 전구체의 Ni3 +의 분율에 따라 0<z<1의 범위를 갖는 것을 알 수 있다.The value of z may be determined by the valence state of each transition metal ion (Ni, Co and Mn) in the precursor and will increase in proportion to the fraction of Ni 3 + to meet the neutral condition. Based on the XPS results, the z values of the un-oxidized precursor and the oxidized precursor (KMnO 4 -treated precursor) were calculated to be 0 and 0.153, respectively. Therefore, it can be seen that 0 < z < 1 according to the fraction of Ni 3 + of the LNMCO precursor as described above.

도 5는 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 SEM 이미지이다.5 is a SEM image of Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Preparation Example 2 of the present invention.

더욱 상세하게는, 비교예 2로 제조된 Air-LNMCO 입자의 SEM 이미지와, Air-LNMCO 입자의 표면을 관찰하기 위해 더 확대된 SEM 이미지를 각각 도 5 (a) 및 (b)에 도시하였고, 비교예 3으로 제조된 Oxy-LNMCO 입자의 SEM 이미지와, Oxy-LNMCO 입자의 표면을 관찰하기 위해 더 확대된 SEM 이미지를 각각 도 5 (c) 및 (d)에 도시하였으며, 제조예 2로 제조된 KMnO4-LNMCO 입자의 SEM 이미지와, KMnO4-LNMCO 입자의 표면을 관찰하기 위해 더 확대된 SEM 이미지를 각각 도 5 (e) 및 (f)에 도시하였다.More specifically, an SEM image of the air-LNMCO particles prepared in Comparative Example 2 and a SEM image further enlarged to observe the surface of the air-LNMCO particles are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b) SEM images of the Oxy-LNMCO particles prepared in Comparative Example 3 and SEM images further enlarged to observe the surface of the Oxy-LNMCO particles are shown in Figs. 5 (c) and 5 (d) the KMnO 4 shows an SEM image and a further enlarged SEM image for observing the surface of the particles of the KMnO 4 -LNMCO -LNMCO particles to 5 (e) and (f) respectively.

도 5를 참조하면, 모든 샘플(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO)에서 LNMCO 양극 물질의 입자 크기는 평균 입자 직경이 10 ㎛이며, 이는 LNMCO 전구체의 입자 크기와 같다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the particle size of the LNMCO anode material in all samples (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO) has an average particle diameter of 10 μm, which is equal to the particle size of the LNMCO precursor .

하지만, LNMCO 전구체에서 관찰되었던 나노 시트(nano-sheets) 구조는 열처리 과정에서 녹아 100 내지 300nm 크기의 입자구조로 변하여 LNMCO 양극 물질의 표면을 감싸고 있는 것을 확인할 수 있다.However, it can be seen that the nano-sheet structure observed in the LNMCO precursor is melted in the heat treatment process and changed into a particle structure of 100 to 300 nm in size, thereby covering the surface of the LNMCO cathode material.

도 6은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 XRD 그래프이다.6 is an XRD graph of Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Production Example 2 of the present invention.

더욱 자세하게는, CuKα 방사선을 갖는 Rigaku D Max / 2000 PC를 사용하여 4°×min1의 주사율로 10°내지 80°에서 X-선 회절(XRD) 측정을 수행하여 비교예 2(Air-LNMCO), 비교에 3(Oxy-LNMCO) 및 제조예 2(KMnO4-LNMCO)로 제조된 Ni-rich LNMCO의 결정 구조를 측정했다.More specifically, Comparative Example 2 (Air-LNMCO) was performed by performing X-ray diffraction (XRD) measurement at 10 ° to 80 ° at a refresh rate of 4 ° × min 1 using Rigaku D Max / 2000 PC with CuKα radiation. , The crystal structure of Ni-rich LNMCO prepared in Example 3 (Oxy-LNMCO) and Production Example 2 (KMnO 4 -LNMCO) was measured.

도 6을 참조하면, 모든 샘플(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO)의 XRD 패턴은 R3m 공간 그룹(space group)과 동일한 6각형 α-NaFeO2 구조(hexagonal α-NaFeO2 structure)를 가지며, 여분의 회절 피크가 관찰되지 않아 준비된 샘플에 불순물 상이 없음을 확인할 수 있다.6, the XRD patterns of all the samples (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO, and KMnO 4 -LNMCO) have the same hexagonal α-NaFeO 2 structure as the R3m space group And an extra diffraction peak was not observed, so that it was confirmed that there was no impurity phase in the prepared sample.

또한, 본 출원인은 모든 샘플(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO)의 단위 셀 파라미터(unit cell parameters)를 측정하였고, 결과를 아래의 [표 1]에 요약 하였다.In addition, Applicants measured unit cell parameters of all samples (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO) and summarized the results in Table 1 below.

SampleSample aa cc c/ac / a RwRw Air-LNMCOAir-LNMCO 2.87482.8748 14.21114.211 4.94324.9432 1.38911.3891 Oxy-LNMCOOxy-LNMCO 2.87502.8750 14.22214.222 4.94584.9458 1.68351.6835 KMnO4-LNMCOKMnO 4 -LNMCO 2.87562.8756 14.22614.226 4.94704.9470 1.47991.4799

상기 [표 1]을 참조하면, c축의 격자 상수는 Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO의 순서로 약간 증가하지만, a축의 격자 상수는 거의 동일하다. KMnO4-LNMCO의 c/a 값은 다른 시료의 c/a 값보다 높으며, 이는 KMnO4-LNMCO가 Li+ 삽입/탈 삽입(intercalation/de-intercalation)에 보다 유리한 구조임을 나타내며, 이러한 구조는 방전용량비(rate capabilities)에 긍정적인 영향을 미친다.Referring to Table 1, the lattice constants of the c-axis slightly increase in the order of Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO, but the lattice constants of the a-axis are almost the same. C / a value of KMnO 4 -LNMCO is higher than the c / a value of the other sample, which indicates that the KMnO 4 -LNMCO the Li + insertion / de-insertion (intercalation / de-intercalation) to the more favorable structure, such a construction is discharged This has a positive effect on the rate capabilities.

또한, 적분 강도비(Rw)는 1.2보다 크다. 이는 모든 샘플(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO)이 Li+와 Ni2 +간에 낮은 양이온 장애(low degree of cation disorder)를 갖는다는 것을 나타내며, 양호한 육각형 배열을 가짐을 의미한다. 여기서 적분 강도비(Rw)는 상기 도 6에서의 (003)피크의 넓이/(104)피크의 넓이 이다.(Rw = (I003)/(I104))The integral intensity ratio Rw is greater than 1.2. This means that all samples (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO) indicates that the cation has a lower failure (low degree of cation disorder) between Li + and Ni + 2, has a good hexagonal arrangement. Here, the integral intensity ratio Rw is the width of the (003) peak / (104) peak in FIG. 6 (Rw = (I003) / (I104)

이러한 XRD 결과는 산화제를 사용한 LNMCO 전구체 처리가 잘 배열된 층상 구조를 갖도록 도움을 주는 역할을 수행한다는 것을 증명하는 것이다.These XRD results demonstrate that the LNMCO precursor treatment with oxidants plays a role in helping to have a well-ordered layered structure.

도 7은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 XPS 스펙트럼이다.7 is an XPS spectrum of Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Production Example 2 of the present invention.

더욱 상세하게, X- 선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy : XPS) 측정은 Al Kα (excitation, 1486.6 eV) 방사선을 갖는 AXIS Ultra DLD 분광계를 사용하여 수행되었고, 이를 통해 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO의 표면에서 니켈, 코발트 및 망간의 산화 상태를 측정하였으며, 각각 도 7 (a), 도 7 (b) 및 도 7 (c)에 도시하였다.More specifically, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements were performed using an AXIS Ultra DLD spectrometer with Al K? (Excitation, 1486.6 eV) radiation, And the oxidation state of nickel, cobalt and manganese on the surface of Ni-rich LNMCO prepared in Production Example 2 were measured and shown in Figs. 7 (a), 7 (b) and 7 (c), respectively.

도 7을 참조하면, Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO의 Ni 2p, Mn 2p 및 Co 2p 스펙트럼을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, Ni 2p, Mn 2p and Co 2p spectra of Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO can be confirmed.

도 7 (b) 및 도 7 (c)를 참조하면, 모든 샘플(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO)에서 Mn 2p3 /2의 주 피크는 642.2eV에서 관찰되었으며, Co2p3 / 2 의 주 피크는 780.01eV 부근에서 관찰되었다. 이러한 피크는 이전에 보고된 Mn4 + 및 Co3 +에 대한 XPS 결과와 일치한다. 따라서, 모든 샘플(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO)의 Mn 및 Co의 원자가 상태는 유사한 것을 알 수 있다.Main peaks of Figure 7 (b) and Mn 2p 3/2 in Fig. 7 (c) Referring to, all of the samples (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO) was observed at 642.2eV, Co2p 3 / The main peak of 2 was observed at around 780.01 eV. This peak corresponds to the XPS results for the Mn 4 + and Co 3 + previously reported. Therefore, it can be seen that the valence states of Mn and Co of all the samples (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO) are similar.

도 7 (a)를 참조하면, KMnO4-LNMCO에서 Ni 2p3 /2의 주 피크는 855.85eV에서 관찰되었으며, 이는 Oxy-LNMCO에서 Ni 2p3 /2의 주 피크(856.35eV)에 매우 가깝다. 이는 두 샘플(KMnO4-LNMCO 및 Oxy-LNMCO) 모두에서 Ni의 원자가 상태가 2+와 3+의 혼합물임을 입증하며, Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO에서 Ni3+/Ni2+의 비는 각각 1.22, 1.56 및 1.96으로 측정된다. 이러한 결과는 Ni-rich LNMCO 전구체인Ni1 -x-yCoxMny(OH)2+z (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5, 0<z<1) 제조시 산화제 첨가를 통해 니켈 원자가 상태의 비를 조절(z값을 조절)하면, 상기 Ni-rich LNMCO 전구체로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 재료 표면 근처의 니켈 원자가 상태의 비가 조절된다는 것을 의미한다.Referring to Figure 7 (a), the main peak of the Ni 2p 3/2 in the KMnO 4 was observed in -LNMCO 855.85eV, which is very close to the main peak (856.35eV) of the Ni 2p 3/2 in the Oxy-LNMCO. This proves that the valence state of Ni in both samples (KMnO 4 -LNMCO and Oxy-LNMCO) is a mixture of 2+ and 3+, and that Ni 3+ / Ni 2 in air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO + Is measured as 1.22, 1.56 and 1.96, respectively. These results show that the Ni-rich LNMCO precursor Ni 1 -xy Co x Mn y (OH) 2 + z (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0 <x + y? 0.5, The adjustment of the ratio of nickel atomic states (adjusting the z value) through the addition of an oxidizing agent during manufacture means that the ratio of nickel atomic states near the surface of the Ni-rich LNMCO cathode material made of the Ni-rich LNMCO precursor is controlled.

상기 도 3에서 서술한 바와 같이 KMnO4로 처리 된 LNMCO 전구체 표면 근처의 니켈의 원자가 상태는 Ni2+와 Ni3 +의 혼합 상태이다. 이는 분명히 LNMCO에서 Ni3 +의 분율을 증가시키는 것으로 보인다. 니켈 이온의 원자가 상태가 2가에서 3가로 증가함에 따라, Li+와 Ni2 + 양이온 간의 혼합은 감소할 것이며, 낮은 양이온 혼합은 보다 우수한 전기 화학적 성능을 나타낼 수 있음을 의미한다. 또한, Li+와 Ni2 +간에 낮은 양이온 장애(low degree of cation disorder)는 보다 안정한 층 구조를 생성할 수 있음을 의미한다.As described in FIG. 3, the valence state of nickel near the surface of the LNMCO precursor treated with KMnO 4 is a mixed state of Ni 2+ and Ni 3 + . This apparently seems to increase the fraction of Ni 3 + in LNMCO. As the valence state of the nickel ion increases from 2 to 3, the mixing between the Li + and Ni 2 + cations will decrease and the lower cation mixing will show better electrochemical performance. In addition, Li + and Ni 2 + low cation disorder (low degree of cation disorder) between the means that can generate a more stable floor structure.

이하에서는 바람직한 본 발명에 따른 비교예 2, 비교예 3 및 제조예 2에서 제조된 Ni-rich LNMCO를 사용해 코인-타입 셀(coin-type cell)을 제조하여 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 전기 화학적 특성을 측정했다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.A coin-type cell was fabricated using the Ni-rich LNMCO prepared in Comparative Example 2, Comparative Example 3 and Preparation Example 2 according to the present invention, and the electrochemical characteristics of the Ni-rich LNMCO cathode material . It should be understood, however, that the following examples are intended to aid in the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실험예Experimental Example

양극은 알루미늄 호일 상에 80 중량%의 활성 물질(Air-LNMCO, Oxy-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO), 10 중량%의 카본 블랙(Super P) 및 10 중량%의 폴리비닐리덴 플로라이드(poly-vinylidene fluoride) 바인더의 배합물로 슬러리를 캐스팅하여 제조 하였다. 또한, 리튬 금속을 상대 전극(counter electrode)으로 사용하고, 미세 다공성 폴리에틸렌 세퍼레이터(a microporous polyethylene separator)를 양극과 상대 전극 사이에 삽입하였다. 전해액으로는 LiPF6를 에틸렌 카보네이트 / 디메틸 카보네이트(ethylene carbonate/dimethyl carbonate) (1:1, v/v)에 용해시켜 사용하였다. The positive electrode active material of 80% by weight on an aluminum foil (Air-LNMCO, Oxy-LNMCO and KMnO 4 -LNMCO), 10% by weight of carbon black (Super P), and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (of poly- vinylidene fluoride) binder. Further, lithium metal was used as a counter electrode, and a microporous polyethylene separator was inserted between the positive electrode and the counter electrode. As the electrolyte, LiPF 6 was dissolved in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (1: 1, v / v).

도 8은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 물질을 사용해 제조한 코인-타입 셀들의 충/방전 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing charge / discharge characteristics of coin-type cells manufactured using the Ni-rich LNMCO anode materials prepared in Comparative Examples 2, 3, and 2 of the present invention.

더욱 자세하게, 25 ℃에서 3.0과 4.3 V 사이의 전압 및 18.5 mAg-1의 일정한 전류 밀도 조건에서 상기 코인-타입 셀들의 초기 충전/방전 곡선을 도 8 (a)에 도시하였으며, 25 ℃에서 3.0과 4.3 V 사이의 전압 및 185.0mAg-1 (1C rate)의 일정한 전류 밀도 조건에서 상기 코인-타입 셀들의 사이클 안정성을 평가한 결과를 도 8 (b)에 도시하였다.More specifically, the initial charge / discharge curves of the coin-type cells are shown in FIG. 8 (a) at a voltage between 3.0 and 4.3 V at 25 ° C. and a constant current density of 18.5 mAg -1 , 8 (b) shows the result of evaluating the cycle stability of the coin-type cells under a constant current density condition of a voltage of 4.3 V and a current density of 185.0 mAg- 1 (1C rate).

도 8 (a)를 참조하면, Air-LNMCO 코인-타입 셀, Oxy-LNMCO 코인-타입 셀 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀의 초기 충전/방전(charge/discharge) 용량은 각각 239/191, 241/193 및 228/190 mAh×g1이다. 이러한 데이터는 하기 [표 2]에 더 자세히 설명되어 있다.8A, the initial charge / discharge capacities of the Air-LNMCO coin-type cell, the Oxy-LNMCO coin-type cell and the KMnO 4 -LNMCO coin-type cell are 239/191, 241/193 and 228/190 mAh x g 1 . These data are described in more detail in Table 2 below.

SampleSample Charge capacity
(mAh×g-1)
Charge capacity
(mAh x g -1 )
Discharge capacity
(mAh×g-1)
Discharge capacity
(mAh x g -1 )
쿨롱효율
(Coulombic efficiency)
(%)
Coulomb efficiency
(Coulombic efficiency)
(%)
Air-LNMCOAir-LNMCO 239.561239.561 191.481191.481 79.9279.92 Oxy-LNMCOOxy-LNMCO 241.438241.438 193.731193.731 80.2480.24 KMnO4-LNMCOKMnO 4 -LNMCO 228.131228.131 190.601190.601 83.5483.54

상기 [표 2]와 같은 결과는 Oxy-LNMCO 양극 재료 및 KMnO4-LNMCO 양극 재료가 보다 우수한 층상 구조를 생성하고 있다는 사실로 설명할 수 있다.The results shown in Table 2 can be explained by the fact that the Oxy-LNMCO cathode material and the KMnO 4 -LNMCO cathode material generate a better layered structure.

도 8 (a)에서 볼 수 있듯이, Air-LNMCO 코인-타입 셀의 전하 고원(charge plateau)은 조기 충전 단계에서 Oxy-LNMCO 코인-타입 셀 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀의 전하 고원(charge plateau)보다 약간 높고, 이는 Air-LNMCO 코인-타입 셀의 탈 리튬 공정(delithiation process)에서 보다 높은 활성화 에너지가 필요하다는 것을 나타낸다.As shown in FIG. 8 (a), the charge plateau of the Air-LNMCO coin-type cell is the charge plateau of the Oxy-LNMCO coin-type cell and the KMnO 4 -LNMCO coin- plateau, indicating that higher activation energy is needed in the delithiation process of the Air-LNMCO coin-type cell.

도 8 (b)를 참조하면, 100 사이클 후에 Air-LNMCO 코인-타입 셀 및 Oxy-LNMCO 코인-타입 셀은 각각 154 및 161 mAh×g1의 방전용량(discharge capacity)을 나타내며, 이는 각각 89% 및 93%의 용량 유지율을 나타내는 것을 의미한다. 또한, 100 사이클 후에 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀은 163 mAh×g1의 방전용량을 제공 할 수 있으며, 이는 95%의 높은 용량 유지율을 나타내는 것을 의미한다.Referring to FIG. 8 (b), after 100 cycles, the Air-LNMCO coin-type cell and the Oxy-LNMCO coin-type cell exhibit a discharge capacity of 154 and 161 mAh x g 1 , respectively, And a capacity retention rate of 93%. In addition, after 100 cycles, the KMnO 4 -LNMCO coin-type cell can provide a discharge capacity of 163 mAh x g 1 , which means that it exhibits a high capacity retention rate of 95%.

즉, KMnO4-LNMCO 양극 재료의 보다 안정한 구조는, 배터리 셀의 리튬화(lithiation)를 안정화 시키고, 이로 인해 보다 높은 용량 유지율을 갖는 셀을 제조할 수 있음을 의미한다.That is, the more stable structure of the KMnO 4 -LNMCO cathode material stabilizes the lithiation of the battery cell, thereby making it possible to manufacture a cell having a higher capacity retention rate.

도 9는 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 물질을 사용해 제조한 코인-타입 셀들의 충/방전 특성을 보다 높은 전압에서 측정한 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing charge / discharge characteristics of coin-type cells manufactured using the Ni-rich LNMCO anode materials prepared in Comparative Examples 2, 3, and 2 of the present invention at higher voltages.

더욱 자세하게는, 보다 높은 전압에서 코인-타입 셀들의 전기 화학적 성능을 더 조사하기 위해, 상부 컷오프 전압을 4.3V에서 4.5V로 상승시켰다. 25 ℃에서 3.0과 4.5 V 사이의 전압 및 18.5 mAg-1의 일정한 전류 밀도 조건에서 상기 코인-타입 셀들의 초기 충전/방전 곡선을 도 9 (a)에 도시하였으며, 25 ℃에서 3.0과 4.5V 사이의 전압 및 185.0mAg-1 (1C rate)의 일정한 전류 밀도 조건에서 상기 코인-타입 셀들의 사이클 안정성을 평가한 결과를 도 9 (b)에 도시하였다.More specifically, to further investigate the electrochemical performance of coin-type cells at higher voltages, the upper cut-off voltage was raised from 4.3V to 4.5V. The initial charge / discharge curves of the coin-type cells are shown in Figure 9 (a) at a voltage between 3.0 and 4.5 V at 25 ° C and a constant current density of 18.5 mAg -1 , and between 3.0 and 4.5 V at 25 ° C And the cycle stability of the coin-type cells was evaluated under a constant current density condition of 185.0 mAg- 1 (1C rate), as shown in FIG. 9 (b).

도 9 (a)를 참조하면, Air-LNMCO 코인-타입 셀, Oxy-LNMCO 코인-타입 셀 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀의 초기 충전/방전(charge/discharge) 용량은 각각 233/208, 238/210 및 233/209 mAh×g1 이다. 9A, the initial charge / discharge capacities of the Air-LNMCO coin-type cell, the Oxy-LNMCO coin-type cell and the KMnO 4 -LNMCO coin-type cell are 233/208, 238/210 and 233/209 mAh x g 1 .

도 9 (b)를 참조하면, 100 사이클 후에 Oxy-LNMCO 코인-타입 셀 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀은 각각 82% 및 72%의 용량 유지율을 나타내지만, Air-LNMCO 코인-타입 셀의 경우 52%의 낮은 용량 유지율을 나타낸다.9 (b), after 100 cycles, Oxy-LNMCO coin-type cells and KMnO 4 -LNMCO coin-type cells exhibited capacity retention ratios of 82% and 72%, respectively, And a low capacity maintenance rate of 52%.

일반적으로 높은 상부 컷오프 전압은 셀의 격자에서 더 많은 Li+ 이온을 추출하기 때문에 캐소드(양극) 전극에서 돌이킬 수 없는 구조적 변화가 쉽게 발생한다. 이는 셀의 용량 감소로 이어진다. In general, irreversible structural changes easily occur at the cathode (anode) electrode because high upper cut-off voltage extracts more Li + ions from the cell's lattice. This leads to a reduction in cell capacity.

또한, 이온이동에 의해 유도된 양이온 혼합은 사이클 동안 Li+ 이온의 가역적 인 탈/삽입(de/intercalation)에 대한 동역학적 장벽(kinetic barrier)을 극적으로 증가시켜 전극 계면 저항을 크게 증가시키고 용량 퇴색을 가속시킨다.In addition, cationic mixing induced by ion transfer dramatically increases the kinetic barrier to reversible de / intercalation of Li + ions during the cycle, greatly increasing the electrode interface resistance, .

상기 도 7에서 서술한 바와 같이, KMnO4-LNMCO 양극 재료는 낮은 Ni2 + 함량 및 높은 Ni3 + 함량을 가지고 있으며, 이는 고전압의 사이클링 동안 셀의 구조를 안정화시키고 더 나은 전기 화학적 특성을 가져온다는 것을 의미한다.7, the KMnO 4 -LNMCO cathode material has a low Ni 2 + content and a high Ni 3 + content, which stabilizes the structure of the cell during high voltage cycling and leads to better electrochemical properties .

도 10은 바람직한 본 발명의 비교예 2, 비교에 3 및 제조예 2로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 물질을 사용해 제조한 코인-타입 셀들의 충방전율(C rate)에 따른 방전용량비(rate capability)를 측정한 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing the discharge capacity ratio (rate capability) according to the charge / discharge rate (C rate) of coin-type cells manufactured using the Ni-rich LNMCO anode materials prepared in Comparative Examples 2, 3, .

더욱 자세하게는, 0.1C 내지 7C의 다양한 전류 밀도 조건에서 Air-LNMCO 코인-타입 셀, Oxy-LNMCO 코인-타입 셀 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀의 방전용량비(rate capability)를 측정하였고, 3.0 ~ 4.3V (vs. Li + / Li)의 전압 범위에서 0.1C로 복귀 할 때의 용량 복구량을 측정하였다.More specifically, the discharge capability ratio of Air-LNMCO coin-type cell, Oxy-LNMCO coin-type cell and KMnO 4 -LNMCO coin-type cell was measured at various current density conditions of 0.1C to 7C, and 3.0 Capacitance recovery when returning to 0.1 C in the voltage range of ~ 4.3 V (vs. Li + / Li) was measured.

도 10을 참조하면, Oxy-LNMCO 코인-타입 셀 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀은 Air-LNMCO 코인-타입 셀보다 높은 방전용량을 나타낸다. 특히, 높은 충방전율(3C에서 7C까지)에서 Air-LNMCO의 코인-타입 셀의 방전용량은 크게 감소한다. Referring to Figure 10, Oxy-LNMCO coin-type cell and KMnO 4 -LNMCO coin-type cell Air-LNMCO coin-type exhibits a high discharge capacity than the cells. Particularly, the discharge capacity of coin-type cells of Air-LNMCO greatly decreases at high charge / discharge rates (from 3C to 7C).

모든 샘플은 전류 밀도가 0.1C로 돌아왔을 때 원래의 방전용량을 되찾았는데, 이는 높은 전류 밀도에서의 용량 감소는 돌이킬 수없는 구조적 변화보다는 이온이동에 의해 유도된 양이온 혼합에 따른 용량 감소임을 의미한다.All the samples recovered their original discharge capacity when the current density returned to 0.1 C, which implies that the decrease in capacity at high current density is a decrease in capacity due to cation migration induced by ion transport rather than irreversible structural change .

즉, 낮은 양이온 혼합을 갖는 KMnO4-LNMCO 양극 재료를 통해 제조된 셀은 높은 전류 밀도에서 보다 우수한 특성을 나타낼 수 있음을 의미하며, 실제로 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀은 3가지 샘플 중에서 가장 높은 방전용량비(rate capability)를 갖는 것을 알 수 있다.That is, a cell made with a KMnO 4 -LNMCO cathode material with a low cationic mix can exhibit better properties at higher current densities. In fact, the KMnO 4 -LNMCO coin-type cell has the highest Discharge capacity ratio (rate capability).

상술한 바와 같이 산화제를 통해 예비산화(pre-oxidation)된 LNMCO 전구체를 사용하여 KMnO4-LNMCO 및 KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀을 제조하여, 물리적 특성과 화학적 특성을 측정하였다. KMnO 4 -LNMCO and KMnO 4 -LNMCO coin-type cells were prepared using pre-oxidized LNMCO precursors via an oxidant as described above, and their physical and chemical properties were measured.

물리적 특성 측정 결과, XPS 분석을 통해 예비산화(pre-oxidation) 공정 (KMnO4 처리)이 LNMCO 전구체에서 Ni2 +를 부분적으로 Ni3 +로 산화 시킨다는 것을 증명했다. KMnO4-LNMCO에서 Ni3 +의 비율은 Air-LNMCO에서보다 높았고 Oxy-LNMCO에서와 거의 동일했다. 또한, XRD 분석 결과 KMnO4 처리가 LNMCO의 결정 구조에는 거의 영향을 미치지 않으며 양이온 장애(cation disorder)를 낮춘다는 것을 증명했다.Physical properties measurements have shown that pre-oxidation (KMnO 4 treatment) oxidizes Ni 2 + to Ni 3 + in the LNMCO precursor through XPS analysis. The ratio of Ni 3 + in KMnO 4 -LNMCO was higher than that of Air-LNMCO and almost identical to that of Oxy-LNMCO. In addition, XRD analysis showed that KMnO 4 treatment had little effect on the crystal structure of LNMCO and lowered the cation disorder.

화학적 특성 측정 결과, KMnO4-LNMCO 코인-타입 셀은 Oxy-LNMCO 코인-타입 셀과 비교하여 동등하거나 더 우수한 방전용량비(rate capability) 및 사이클링 안정성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.As a result of the chemical property measurement, it was confirmed that the KMnO 4 -LNMCO coin-type cell showed equivalent or better discharge capability and cycling stability as compared with the Oxy-LNMCO coin-type cell.

또한, Ni-rich 양극 재료의 전구체를 사전 산화하는 것은 비용적인 측면에서 효율적이고 간단한 공정이며, 기존의 순수한 산소 분위기 하에서의 소성 공정 없이 뛰어난 Ni-rich 양극 재료를 제공할 수 있음을 증명했다.In addition, pre-oxidation of the precursor of the Ni-rich cathode material is an efficient and simple process from a cost point of view and proved that excellent Ni-rich cathode material can be provided without the calcination process in the pure oxygen atmosphere.

Claims (9)

니켈계 양극 재료의 제조방법에 있어서,
니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액을 가지는 혼합용액을 준비하는 단계;
상기 혼합용액에 산화제를 첨가하는 단계;
상기 산화제가 첨가된 혼합용액에서 LNMCO 전구체 분말을 여과하는 단계; 및
상기 LNMCO 전구체 분말을 리튬(Li) 공급원과 혼합하는 단계를 포함하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
A method for producing a nickel-based cathode material,
Preparing a mixed solution having a nickel aqueous solution, a cobalt aqueous solution and a manganese aqueous solution;
Adding an oxidizing agent to the mixed solution;
Filtering the LNMCO precursor powder in the mixed solution to which the oxidizing agent is added; And
And mixing the LNMCO precursor powder with a lithium source. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 18. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 몰비가 1-x-y : x : y (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5)인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the molar ratio of the nickel aqueous solution, the aqueous solution of cobalt and the aqueous solution of manganese is 1-xy: x: y (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0 <x + y? 0.5) Gt; Ni-rich &lt; / RTI &gt; LNMCO cathode material. 제1항에 있어서,
상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액은 각각 황산니켈 수용액(NiSO4·6H2O), 황산코발트 수용액(CoSO4·7H2O) 및 황산망간 수용액(MnSO4·6H2O)인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
The nickel aqueous solution, the cobalt aqueous solution and the manganese aqueous solution are each an aqueous solution of nickel sulfate (NiSO 4 .6H 2 O), an aqueous solution of cobalt sulfate (CoSO 4 .7H 2 O) and a solution of manganese sulfate (MnSO 4 .6H 2 O) Gt; Ni-rich &lt; / RTI &gt; LNMCO cathode material.
제1항에 있어서,
상기 산화제는 과망간산칼륨(KMnO4)인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidizing agent is potassium permanganate (KMnO 4 ).
제1항에 있어서,
상기 혼합용액에 산화제를 첨가하는 단계에서, 상기 산화제의 양은 상기 니켈 수용액, 코발트 수용액 및 망간 수용액의 총 몰수의 합에 대비하여 10 mol% 이하인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the amount of the oxidizing agent in the step of adding the oxidizing agent to the mixed solution is not more than 10 mol% with respect to the sum of the total moles of the aqueous nickel solution, aqueous solution of cobalt and aqueous solution of manganese.
제1항에 있어서,
상기 LNMCO 전구체 분말의 화학식은 Ni1 -x- yCoxMny(OH)2 +z (0<x≤0.4, 0<y≤0.4, 0<x+y≤0.5, 0<z<1)인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
The formula of the LNMCO precursor powder is Ni 1 -x- y Co x Mn y (OH) 2 + z (0 <x? 0.4, 0 <y? 0.4, 0 <x + y? 0.5, 0 <z < Wherein the Ni-rich LNMCO anode material is a Ni-rich LNMCO cathode material.
제1항에 있어서,
상기 LNMCO 전구체 분말에 포함된 니켈의 원자가 상태는 Ni2 + 및 Ni3 +의 혼합 상태인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the valence state of the nickel contained in the LNMCO precursor powder is a mixed state of Ni 2 + and Ni 3 + .
제1항에 있어서,
상기 리튬(Li) 공급원은 리튬수산화물인 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium source is lithium hydroxide. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 15. &lt; / RTI &gt;
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 Ni-rich LNMCO 양극 재료에서, 상기 Ni-rich LNMCO 양극 재료는 층상구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 Ni-rich LNMCO 양극 재료.
The Ni-rich LNMCO cathode material according to any one of claims 1 to 8, wherein the Ni-rich LNMCO cathode material has a layered structure.
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