KR20190020302A - 리튬복합산화물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬복합산화물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자의 형상이 제어된 리튬복합산화물 전구체를 이용함으로써, 리튬복합산화물 입자의 제조 시 표면에 균일한 코팅층이 형성되어, 우수한 입자 강도를 확보하여 이를 적용한 전지의 특성을 크게 개선할 수 있는 리튬복합산화물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

리튬복합산화물 및 이의 제조 방법{LITHIUM COMPOSITE OXIDE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 리튬복합산화물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자의 형상이 제어된 리튬복합산화물 전구체를 이용함으로써, 리튬복합산화물 입자의 제조 시 표면에 균일한 코팅층이 형성된 리튬복합산화물의 제조가 가능하고, 우수한 입자 강도를 확보하여 이를 적용한 전지의 특성을 크게 개선할 수 있는 리튬복합산화물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자 제품, 전자 기기, 통신 기기의 소형화, 경량화 및 고성능화가 급속히 진전됨에 따라 이들 제품의 전원으로 사용될 이차 전지의 성능 개선이 크게 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족시키는 이차 전지로 리튬 이차 전지가 있다.
양극 활물질은 리튬 이차 전지의 전지 성능 및 안전성에 가장 중요한 역할을 하는 물질로서, 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 등의 복합 금속 산화물들이 연구되고 있다. 이와 같은 양극 활물질을 카본 블랙과 같은 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조한 후, 알루미늄 호일 등의 얇은 금속판에 코팅하여 리튬 이온 이차 전지의 양극으로 사용한다.
이러한 이차전지용 양극 활물질은 제조 공정 중 하나로서 압연 공정을 거치게 된다. 압연 공정이란 밀도를 증가시키고 결정성을 높이기 위해 소정의 압력으로 활물질 층을 수회 프레싱하는 것을 의미한다.
종래 양극 활물질 전구체 및 활물질은 공침 공정으로 제조되는 과정에서 복수개의 seed가 응집되어 초기 입자를 형성시 구형이 유지되기 어렵다. 이와 같이 형상 유지가 어려운 전구체 입자를 이용한 활물질의 제조는 결과적으로 상기 압연 공정 동안 양극 활물질 입자가 받게 되는 압축 응력을 이기지 못하고 일부는 깨어져 입자가 파괴되는 문제점이 있다.
대한민국 공개공보 10-2012-0139448 (2012.12.27)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 전구체 입자의 형상을 제어함으로써 입자 강도가 우수하면서도 표면이 균일하게 코팅된 리튬 이차전지용 양극활물질로서 리튬복합산화물 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예를 따르면 입자 표면에 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층의 두께 편차가 코팅층의 두께 대비 1% 이하인 리튬 이차전지용 양극활물질을 제공한다. 본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 코팅층의 평균 두께를 의미할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 아래 식으로 표시되는 압력을 인가하기 전후의 입자 직경 유지율이 80% 이상인 것을 특징으로 한다.
입자 직경 유지율 = (압력 인가 후 D10 / 압력 인가 전 D10)×100
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질의 입자 직경 유지율이 80% 이상인 것은 압력 인가 후 D10 의 입자 직경이, 압력 인가 전 D10 의 입자 직경에 비해 80% 이상을 유지하는 것을 의미하며, 결과적으로 아래 식으로 나타내어지는 압력에 따른 입자 직경의 변화율이 20% 미만의 입자 강도를 나타내는 것을 의미한다.
입자 직경 변화율 = (압력 인가 전 D10-압력 인가 후 D10) / (압력 인가 전 D10)×100
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질의 상기 압력에 따른 입자 직경의 유지율 및 변화율은 압연 공정 시 인가되는 압력에 따라 입자 직경의 유지율 및 변화율을 측정하는 것으로, 리튬 이차전지 제조 공정에서 전극 활물질은 에너지 밀도를 높이고 적절한 전기전도도 및 기계적 성능을 높여주기 위하여 높은 강도의 압연 공정을 거치게 되며, 이러한 압연 공정에서 미분 제어를 최소로 하는 입자의 강도가 요구된다. 이에 따라, 본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 3톤의 압력을 인가 시에도 입자 직경 유지율이 80% 이상인 것, 즉 입자 직경 변화율이 20% 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질에 있어서, 상기 코팅층은 Co, Al, Mn, P, B, Zr, Ce, Ba, Ti 및 Mg 로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 표면이 코팅된 리튬 이차전지용 양극활물질은 상기 코팅물질을 포함하는 수용액으로 양극활물질을 수세하고 건조 또는 열처리에 의하여 얻을 수 있다. 구체적으로 본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질에 있어서, 상기 코팅층은 코팅층을 구성하는 금속의 농도가 일정하지 않고 농도구배를 나타내는 부분을 의미한다.
이 때, 수세 이후 단계의 처리에 따라 상기 코팅층의 두께 및 두께 편차를 분석한 결과, 건조 처리함으로써 얻어진 양극활물질은 코팅층의 두께가 0.4 내지 0.7 ㎛ 이며, 상기 코팅층의 두께 편차가 코팅층의 평균 두께의 1% 이하인 0.3 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
종래 구형도가 제어되지 않은 입자 표면에 코팅된 리튬 이차전지용 양극활물질은 그 코팅층의 두께가 1.5 내지 2.2 ㎛ 로서, 구형도가 제어되지 않은 양극활물질을 따라 형성되면서 본 발명의 구형도가 대비된 코팅층에 비하여 비교적 두껍고 두께의 편차가 크게 형성된다.
본원 발명과 인용 발명이 동일한 코팅량에도 불구하고 이와 같이 코팅층의 두께 및 두께의 편차에 차이가 발생하는 이유는 입자의 구형도에서 그 원인을 찾을 수 있으며, 입자의 구형도가 낮을 경우 내부로 인입되는 변곡점 부근에 코팅층이 두껍게 형성되나 본 발명에 의하여 입자의 구형도를 개선할 경우, 코팅층의 확산이 균일하게 이루어져 보다 얇고 균일한 두께의 코팅이 가능하다. 결과적으로 균일한 두께의 코팅층을 갖는 입자는 구조적 안정성을 향상시킴으로써, 이를 포함하는 전지의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하여 얻어진 양극활물질을 열처리함으로써 얻어진 양극활물질은 코팅층을 구성하는 금속이 확산되지만, 코팅층의 두께가 0.6 내지 0.7 ㎛이며, 상기 코팅층 두께의 편차가 0.2 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
종래 구형도가 제어되지 않은 입자 표면에 코팅된 리튬 이차전지용 양극활물질은 그 코팅층의 두께가 1 내지 1.3 ㎛ 로서, 본 발명 대비 보다 두꺼운 코팅층을 갖는 것으로 확인되는 바, 이 역시도 본 발명에 의한 양극활물질을 열처리하는 경우에도 입자의 구형도에 의하여 형성된 코팅층이 내부로 균일하게 확산되어 코팅층을 형성한다.
본 발명에 의한 표면이 코팅된 리튬 이차전지용 양극활물질의 코팅층 두께 차이가 일정 범위로 유지되고 있는 것을 나타내는 TEM 분석결과를 도 6 및 도 7 에 나타내었다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 입자의 장축(l)과 단축(s)의 길이비(s/l)가 0.85 ≤(s/l)≤ 1 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 상기 입자의 장축(l)과 단축(s)의 길이비(s/l)를 통하여 구형도를 나타내는 것으로써, 구형도가 높은 양극활물질 제조시 활물질 입자의 개선된 밀도 및 강도 향상 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 겉보기 밀도가 3.0 g/cc 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 입자의 높은 구형도로 인하여 종래 구형도가 낮은 활물질 입자 대비 개선된 밀도 값과 우수한 강도의 물성을 확보할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 비표면적(BET)이 0.1 m2/g 이상, 3.0 m2/g 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 아래 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.
<화학식 2> LixNi1-a-b-cCoaM1bM2cM3dOw
(상기 화학식 2에서 0.95≤x≤1.05, 1.50≤w≤2.1, 0.02≤a≤0.25, 0.01≤b≤0.20, 0≤c≤0.20, 0≤d≤0.20, M1 은 Mn 또는 Al 이고, M2 및 M3 는 Al, Ba, B, Co,Ce ,Cr, F, Li, Mg, Mn, Mo, P, Sr, Ti 및 Zr 로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소임)
본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 총 잔류 리튬이 1000 ppm 이상, 20000 ppm 이하인 것을 특징으로 한다.
양극활물질은 전구체에 수산화리튬을 혼합하여 열처리하여 제조하게 되는데, 이러한 열처리 과정 후, 양극활물질 제조 반응에 참여하지 못한 LiOH, Li2CO3 은 양극활물질 표면에 잔류하는 문제점이 있다. 이러한 잔류 리튬 즉, 미반응 LiOH 및 Li2CO3는 전지 내에서 전해액 등과 반응하여 가스 발생 및 스웰링(swelling) 현상을 유발함으로써, 고온 안전성이 심각하게 저하되는 문제를 야기시킨다. 또한, 미반응 LiOH는 극판 제조 전 슬러리 믹싱 시 점도가 높아 겔화를 야기시키기도 한다. 즉, 본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질은 상기 잔류 리튬으로서 LiOH 또는 Li2CO3 를 1000 ppm 이상, 20000 ppm 이하로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 미반응 리튬의 측정은 pH 적정에 의해 pH 4 가 될 때까지 사용된 0.1 M HCl의 양으로 측정한다. 먼저, 양극 활물질 5 g을 DIW 100 ml에 넣고 15 분간 교반한 후 필터링하고, 필터링 된 용액 50 ml를 취한 후 여기에 0.1 M HCl을 가하여 pH 변화에 따른 HCl 소모량을 측정하여 Q1, Q2를 결정하고, 아래 계산식에 따라 미반응 LiOH 및 Li2CO3 을 계산하여 측정한다.
M1 = 23.94 (LiOH Molecular weight)
M2 = 73.89 (Li2CO3 Molecular weight)
SPL Size = (Sample weight × Solution Weight) / Water Weight
LiOH(wt%) = [(Q1-Q2)×C×M1×100]/(SPL Size ×1000)
Li2CO3(wt%) = [2×Q2×C×M2/2×100]/(SPL Size×1000)
본 발명은 또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 양극활물질 제조에 이용되는 입자의 장축(l)과 단축(s)의 길이비(s/l)가 0.85≤(s/l)≤1 이고, 아래 화학식 1로 표시되는 것인 리튬 복합 산화물 전구체를 제공한다.
<화학식 1> Ni1-a-bCoaMb(OH)2
(상기 화학식 1에서 a+b≤0.5, a≤0.2, b≤0.3,
M은 Mn, Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti 및 Zr 로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소임)
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 상기 입자의 장축(l)과 단축(s)의 길이비(s/l)에 의하여 구형도를 나타내는 것으로써, 전구체 초기 입자의 형상 제어를 통해 보다 개선된 밀도를 갖는 전구체 입자 및 이를 이용하여 제조되는 양극활물질의 형상 제어를 통한 입자의 강도 향상 효과를 기대한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 입자의 높은 구형도로 인하여 종래 형상을 제어하지 않은 전구체 입자 대비 개선된 밀도 값을 확보할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 입자의 진밀도가 3.50 g/cc 이상 3.80 g/cc이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 입자의 겉보기 밀도가 1.5 g/cc 이상 2.5 g/cc이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 입자의 기공률이 20% 이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 전구체 입자 생성시 공정 시간을 조절하여 입자 내의 기공률을 20% 미만으로 조절함으로써 입자 강도를 개선하는 효과를 나타낸다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체의 초기 입자, 최종 입자 및 이와 같은 본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체를 이용하여 제조되는 양극활물질 입자의 파단면 형상에 대하여 도 1에 도시하였다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 반응기에 seed 를 먼저 분산시키고, 분산된 seed 로부터 초기 입자 형성시 형성되는 입자가 엉기지 않도록 하여 결과적으로 최종 전구체 입자의 입자 구형도를 개선하는 효과를 나타낸다.
본 발명은 또한,
Seed 형성을 위한 킬레이팅제 수용액을 반응기에 투입하고 200 내지 1000 rpm 으로 교반하는 제 1 단계;
전구체 수용액, 킬레이팅제 수용액 및 염기성 수용액을 반응기에 동시에 연속적으로 투입하여 구형의 침전물을 얻는 제 2 단계; 및
상기 침전물을 건조시키거나 열처리하여 리튬 복합 산화물 전구체를 제조하는 제 3 단계; 를 포함하는 리튬 복합 산화물 전구체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 단계에서 킬레이팅제 수용액의 농도는 2 내지 3 mol/L 이며, 상기 킬레이팅제 수용액을 전체 반응기부피의 25 내지 35% 까지 투입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 단계의 상기 전구체 수용액은 Ni: Co: Me1 = a:b:1-(a+b) (0.7≤a≤1.0, 0≤b≤0.2)이고, 상기 킬레이팅제와 상기 전구체 수용액 중의 금속염의 몰 비는 0.1 내지 0.5 이며, 상기 전구체 수용액, 상기 킬레이팅제 수용액 및 상기 염기성 수용액을 전체 반응기 부피의 30 ~ 60% 까지 반응기에 동시에 연속적으로 투입하여 구형의 침전물을 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체 제조 방법에 있어서, 상기 전구체 입자의 입자 성장 속도는 0.10 ㎛/Hr 이상 1.01 ㎛/Hr 이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 전구체 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 단계부터 제 3 단계까지의 수행 시간은 500 분 이상 800 분 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 단계부터 제 2 단계까지의 수행 시간이 50 분 이상 200 분 이하인 경우 생성되는 전구체 입자의 크기가 5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체 제조 방법은 전구체 입자의 성장 속도를 일정 범위로 유지하여 전구체 입자가 얽히지 않고 입자의 구형도를 유지하면서 입자 밀도를 증가시키면서 전구체 입자를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질 전구체 제조방법은 씨드 형성을 위한 킬레이팅제 수용액을 반응기에 투입하고 200 내지 1000rpm으로 교반하는 제 1 단계, 상기 반응기에 전구체 수용액, 킬레이팅제 수용액 및 염기성 수용액을 투입하여 구형의 침전물을 얻는 제 2 단계 및 상기 침전물을 건조 또는 열처리하여 양극활물질 전구체를 제조하는 제 3 단계를 포함한다.
상기 제 1 단계의 킬레이팅제 수용액은 농도가 2 내지 3 mol/L 일 수 있다.
상기 제 1 단계의 킬레이팅제 수용액은 전체 반응기 부피의 25 내지 35%까지 투입하는 것일 수 있다.
상기 제 2 단계의 킬레이팅제 및 전구체 수용액 중 금속염의 몰비는 0.1 내지 0.5일 수 있다.
상기 제 2 단계의 전구체 수용액, 킬레이팅제 수용액 및 염기성 수용액은 전체 반응기 부피의 30 내지 60%까지 투입하는 것일 수 있다.
상기 제 1 단계부터 상기 제 3 단계까지 수행시간은 500 내지 800분일 수 있다.
상기 제 1 단계부터 상기 제 2 단계까지 수행시간이 50 내지 200분 이고, 생성되는 전구체 입자 크기가 5μm 이하일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질 제조방법은 상기 양극활물질 전구체 제조방법으로 제조된 양극활물질 전구체를 준비하는 단계, 상기 양극활물질 전구체와 수산화리튬을 혼합하는 단계 및 상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 코팅층을 포함하는 양극활물질 제조방법은 상기 양극활물질 제조방법으로 얻은 양극활물질을 Co를 포함하는 수세 용액에 침지시키는 단계, 상기 침지 후 교반하는 단계 및 상기 교반 후 건조 또는 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 Co를 포함하는 수세 용액은 5 내지 40℃의 온도일 수 있다.
상기 Co를 포함하는 수세용액은 Co를 포함하는 염의 농도가 10 mol%일 수 있다.
상기 코팅층을 포함하는 양극활물질 제조방법에 있어서, 교반하는 단계는 0.1 내지 10 시간 교반하는 것일 수 있다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물 전구체는 반응기에 seed 형성을 위한 킬레이트 수용액을 투입하고 교반하여 seed 를 먼저 분산시키고, 분산된 seed 로부터 형성되는 초기 입자가 엉기지 않도록 하여 결과적으로 최종 전구체 입자의 입자 구형도를 개선하는 효과를 나타낸다.
또한, 이와 같은 본원 발명의 전구체 입자로부터 제조되는 리튬 복합 산화물은 입자 강도가 크게 개선되어, 리튬 복합 산화물 제조 공정 및 전지 제조 공정에서의 압연, 코팅 공정에서 압력이 인가되더라도 이에 의한 미분 발생을 감소시켜 결과적으로는 전지의 안정성을 개선하는 효과를 나타낸다.
도 1 은 본 발명에 의한 전구체 입자의 제조 및 활물질 입자의 제조 과정을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 전구체 입자의 구형도 분석을 위한 SEM 사진을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 활물질 입자의 구형도 분석을 위한 SEM 사진을 나타낸다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 활물질 입자의 강도 측정 결과를 나타낸다.
도 6 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 표면이 코팅된 활물질의 코팅층 두께를 나타낸다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 활물질을 포함하는 전지의 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
(실시예 1) 전구체 제조
내용적 100 L의 용량을 가지는 공침 반응기(co-precipitation reactor, 회전모터의 출력 80 W이상) 에 증류수 20 L와 킬레이팅제로서 암모니아를 1000 g 을 넣은 뒤, 반응기 내의 온도를 45 ℃로 유지하면서 1000 rpm으로 반응기 내부의 임펠러를 교반하여 생성되는 seed가 얽히지 않고 분산되도록 하였다.
황산니켈, 황산코발트의 몰 비(mole ratio)가 98 : 2 비율로 혼합된 2.5 M 농도의 전구체 수용액을 2.2 L/hr으로, 28% 농도의 암모니아 수용액을 0.15 L/hr으로 반응기에 연속적으로 투입하여 전구체 입자를 형성하였다.
또한, pH 조정을 위해 25% 농도의 수산화나트륨 수용액을 공급하여 pH가 11.3~11.4 로 유지되도록 하였다. 임펠러 속도는 300~1000 rpm 으로 조절하였다.
반응이 종결되고 난 후, 반응기(reactor)로부터 구형의 니켈망간코발트 복합수산화물 침전물을 얻었다.
상기 침전된 복합금속수산화물을 여과하고, 순수로 세척한 후에 100℃ 온풍건조기에서 12시간 건조시켜 (Ni0.98Co0.02)(OH)2로 표시되는 금속 복합 수산화물 형태의 전구체 분말을 얻었다.
(비교예 1) 전구체 제조
비교예로서 내용적 100 L의 용량을 가지는 공침 반응기(co-precipitation reactor, 회전모터의 출력 80 W이상) 에 증류수 20 L와 킬레이팅제로서 암모니아를 1000 g 및 황산니켈, 황산코발트의 몰 비가 98 : 2 비율로 혼합된 2.5 M 농도의 전구체 수용액을 2.2 L/hr으로, 28% 농도의 암모니아 수용액을 0.15 L/hr으로 반응기에 연속적으로 투입하여 전구체 입자를 형성하였다.
(실시예 2~3, 비교예 2~3) 양극활물질의 제조
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전구체인 금속 복합 수산화물과 수산화리튬(LiOH.H2O) 및 Al, Mg, Ti 를 1 : 1.00~1.10 몰 비로 혼합한 후에 2 ℃/min의 승온 속도로 가열하여 550 ℃에서 10시간 열처리를 진행한 후, 하기 표 1에서와 같은 조성을 갖는 실시예 2 및 비교예 2의 양극 활물질 분말을 얻었다.
또한, 상기 실시예 2 및 비교예 2의 양극활물질을 Co 를 포함하는 염의 농도가 10 mol% 인 5 내지 40℃ 의 온도의 수세 용액에 침지시키고 0.1 내지 10 시간 동안 교반 후, 건조 또는 열처리하여 실시예 3 및 비교예 3의 양극 활물질 분말을 얻었다.
수세 후 건조 처리하여 제조된 양극 활물질을 실시예 3-1 및 비교예 3-1 로 하고, 수세 후 700 내지 750 ℃ 에서 20 시간 동안 열처리함에 따른 양극 활물질 제조 방법을 실시예 3-2 및 비교예 3-2 로 하였다.
Figure pat00001
<실험예> 전구체 입자 및 활물질 입자의 구형도 분석(SEM 분석)
상기 실시예 1 및 비교예 1 에서 제조된 전구체 입자와, 실시예 2 및 비교예 2 에서 제조된 활물질 입자의 구형도를 분석하기 위하여, SEM 분석을 실시하고 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
상기 SEM 측정 사진을 통하여, 전구체 입자 및 활물질 입자 장축과 단축의 길이를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure pat00002
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전구체 입자는 1개의 seed 로부터 성장되어 구형을 나타내는데 비해, 비교예 1에서 제조된 전구체 입자는 여러 개의 seed 가 결합되어 구형이 유지되지 못하는 것을 볼 수 있다.
표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 전구체의 장축과 단축의 길이비는 0.97 인데 비해, 비교예 1의 경우 장축과 단축의 길이비가 0.79로 실시예와 비교예 입자의 구형도가 크게 차이가 나는 것을 알 수 있다.
또한, 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하여 구형 전구체로부터 형성되는 활물질 입자는 구형이 유지되는데 비해, 비교예의 활물질 입자는 여러 개의 seed 가 결합되어 구형이 유지되지 못하는 것을 알 수 있다.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2의 활물질 입자의 장축과 단축의 길이비는 0.74 인데 비해, 비교예 1의 경우 장축과 단축의 길이비가 0.96 으로 구형도가 크게 개선되었음을 알 수 있다.
<실험예> 활물질 입자 직경 변화율 및 유지율 평가(압축 파괴 강도 분석)
상기 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 활물질 입자의 입자 직경 변화율 및 유지율을 평가하기 위하여, 입자의 압축 파괴 강도를 측정하고, 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
입자 직경 유지율은 활물질 입자에 인가하는 압력을 증가시키면서 입자 직경 D10 의 유지율을 측정하고, 하기 식에 따라 평가하였다.
입자 직경 유지율 = (압력 인가 후 D10 / 압력 인가 전 D10)×100
도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 활물질의 경우, 인가하는 압력이 3톤으로 증가함에도 D10 의 입자 직경 유지율은 80% 인데 비하여, 비교예 2 및 비교예 3에서 제조된 활물질의 경우 D10 의 입자 직경 유지율이 40% 까지 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 활물질 입자의 압축 강도가 크게 개선되었다는 것을 입증한다.
<실험예> 전구체 물성 및 양극활물질 특성 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전구체의 밀도, 비표면적, 기공률을 분석하였고, 각각 실시예 1 및 비교예 1의 전구체를 이용하여 제조된 실시예 3 및 비교예 3의 양극활물질 특성을 분석하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure pat00003
상기 표 3에서 겉보기 밀도는 입자 내부의 내부 공공, 빈 공간을 포함하는 상태에서 측정한 밀도를 나타내며, 진밀도는 내부의 빈공간을 제외한 밀도를 의미한다. 따라서 일반적으로 겉보기 밀도는 공극을 뺀 진밀도보다 낮게 측정된다.
본 발명의 실시예에서 제조된 전구체의 경우, 겉보기 밀도는 분말을 일정용기에 담았을 때의 단위 용적당 분말의 질량으로 측정하였고, 진밀도는 입자와 입자사이의 간극을 제외한 완전히 재료로 채워진 부분만의 밀도, 즉 입자 밀도로서 입자 부피당 건조 입자의 질량을 측정하여 구하였다.
표 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전구체의 경우, 비교예 1의 전구체에 비하여 진밀도 및 겉보기 밀도가 증가하는 동시에 기공률은 감소하는 것을 통해, 본 발명에 의하여 제조된 리튬복합산화물 전구체 입자의 밀도가 향상된 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1의 전구체를 각각 이용하여 제조된 실시예 3-2 및 비교예 3-2의 양극활물질의 특성 측정 결과, 비교예 3-2에 비하여 실시예 3-2의 양극활물질은 개선된 펠렛 밀도를 나타내며, 이에 따라 입자 직경 D10 유지율이 2배 이상 향상된 89% 를 나타내는 것을 알 수 있다.
결과적으로, 상기 실시예 3-2의 양극활물질을 포함한 전지의 경우, 충방전 용량 및 수명 유지율 특성의 증가와 저항 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
<실험예> 활물질 입자 표면 코팅층 측정(TEM 분석)
상기 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 양극활물질 입자의 표면의 코팅층 두께를 분석하기 위하여 TEM 분석 및 깊이에 따른 농도 분석을 실시하고, 그 결과를 도 6 내지 도 9에 나타내었다. 본 발명에 의한 리튬 이차전지용 양극활물질에 있어서, 코팅층은 코팅층에 포함되는 금속염이 농도가 일정하지 않고 구배를 나타내는 층으로 하였다.
상기 수세 이후 건조 처리에 따른 실시예 3-1 및 비교예 3-1에서 제조된 양극활물질 입자의 표면 코팅층 두께는, 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 0.4 내지 0.7 ㎛ 이고, 각 다른 부위의 표면을 측정한 결과 그 두께 편차는 0.3 ㎛ 이하인 것을 알 수 있다. 비교예 3-1에서 제조된 양극활물질 입자의 표면 코팅층의 두께는 1.5 내지 2.2 ㎛ 로서, 상기 실시예 3-1 대비 비교적 두껍고 두께의 편차가 큰 코팅층을 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 수세 이후 열처리에 따른 실시예 3-2 및 비교예 3-2에서 제조된 양극활물질 입자의 표면 코팅층 두께는, 도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이, 0.5 내지 0.7 ㎛ 이고, 각 다른 부위의 표면을 측정한 결과 그 두께 편차는 0.2 ㎛ 이하인 것을 알 수 있다. 비교예 3-2에서 제조된 양극활물질 입자의 표면 코팅층의 두께는 1 내지 1.3 ㎛ 인 것으로, 마찬가지로 상기 실시예 3-2 대비 약 2배 가까이 두꺼운 코팅층을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 코팅층의 두께 및 두께 편차의 차이는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 입자의 경우 구형도가 높아 코팅되는 코팅층의 두께 차이도 일정 범위로 유지되는데 비해, 비교예의 활물질의 경우 내부로 인입되는 변곡점 부근에서 코팅층이 두껍게 형성됨으로써 불균일하고 두껍게 코팅된다는 것을 보여준다.
<제조예> 전지 제조
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 양극 활물질과 도전제로 super-P, 결합제로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 92:5:3의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다.
상기 슬러리를 15㎛ 두께의 알루미늄박에 균일하게 도포하고, 135 ℃에서 진공 건조하여 리튬 이차 전지용 양극을 제조하였다.
상기 양극과, 리튬 호일을 상대 전극으로 하며, 다공성폴리에틸렌막 (셀가르드엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트와 에틸메틸카보네이트가 부피비로 3:7로 혼합된 용매에 LiPF6가 1.15 M 농도로 녹아 있는 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 제조공정에 따라 코인 전지를 제조하였다.
<실험예> 전지 특성 평가(열안정성 분석)
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 활물질로 제조된 전지의 열안정성을 평가하기 위하여, DSC(differential scanning colorimetry) 분석을 실시하고 그 결과를 도 10 에 나타내었다.
도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 전지는 활물질의 높은 구형화 유지율에 따라 입자 강도가 우수하여, 전지 제조 과정에서 압력이 인가되더라도 미분이 제어됨으로써 열안정성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예> 전지 특성 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 활물질로 제조된 전지의 초기 용량, 초기 효율, 율특성, 수명 특성 및 고온 저장 특성을 측정하고 그 결과를 아래 도 11 내지 도 14 에 나타내었다.
본 발명의 실시예에 의하여 제조된 전지의 초기 용량 및 율특성은, 도 11 내지 도 12를 참조하면, 비교예에 의하여 제조된 전지에 뒤쳐지지 않으며 어느 정도 유사한 특성 내지 소폭 개선된 특성을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 의하여 제조된 전지의 수명 특성은, 도 13을 참조하면, 비교예에 의하여 제조된 전지에 비하여 50회 사이클에도 91% 이상의 수명 유지율을 보이며, 약 5% 가까이 향상된 특성을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 의하여 제조된 전지의 고온 저장 특성은, 도 14를 참조하면, 비교예에 의하여 제조된 전지에 비하여 고온 저장 전, 후에서 모두 저항 특성이 개선되며, 특히 고온 저장 후 크게 개선된 것을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. 씨드 형성을 위한 킬레이팅제 수용액을 반응기에 투입하고 200 내지 1000rpm으로 교반하는 제 1 단계;
    상기 반응기에 전구체 수용액, 킬레이팅제 수용액 및 염기성 수용액을 투입하여 구형의 침전물을 얻는 제 2 단계; 및
    상기 침전물을 건조 또는 열처리하여 양극활물질 전구체를 제조하는 제 3 단계를 포함하는,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 킬레이팅제 수용액은 농도가 2 내지 3 mol/L 인,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 킬레이팅제 수용액은 전체 반응기 부피의 25 내지 35%까지 투입하는 것인,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 킬레이팅제 및 전구체 수용액 중 금속염의 몰비는 0.1 내지 0.5인,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 전구체 수용액, 킬레이팅제 수용액 및 염기성 수용액은 전체 반응기 부피의 30 내지 60%까지 투입하는 것인,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계부터 상기 제 3 단계까지 수행시간은 500 내지 800분인,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계부터 상기 제 2 단계까지 수행시간이 50 내지 200분 이고,
    생성되는 전구체 입자 크기가 5μm 이하인,
    양극활물질 전구체 제조방법.
  8. 제 1 항의 제조방법으로 제조된 양극활물질 전구체를 준비하는 단계;
    상기 양극활물질 전구체와 수산화리튬을 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는
    양극활물질 제조방법.
  9. 제 8 항의 제조방법으로 얻은 양극활물질을 Co를 포함하는 수세 용액에 침지시키는 단계;
    상기 침지 후 교반하는 단계; 및
    상기 교반 후 건조 또는 열처리하는 단계를 포함하는
    코팅층을 포함하는 양극활물질 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 Co를 포함하는 수세 용액은 5 내지 40℃의 온도인,
    코팅층을 포함하는 양극활물질 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 Co를 포함하는 수세용액은 Co를 포함하는 염의 농도가 10 mol%인,
    코팅층을 포함하는 양극활물질 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 교반하는 단계는 0.1 내지 10 시간 교반하는 것인,
    코팅층을 포함하는 양극활물질 제조방법.
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