KR20190022396A - 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지 - Google Patents

양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지 Download PDF

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Abstract

양극활물질의 제조 방법이 제공된다. 상기 양극활물질의 제조 방법은, 양극활물질 전구체를 제조하는 단계, 상기 양극활물질 전구체와 리튬염을 혼합 및 소성하여, 양극활물질 베이스 입자(positive active material base particle)를 제조하는 단계, 및 금속 및 황의 화합물을 포함하는 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하고 열처리하여, 상기 양극활물질 베이스 입자 내에 존재하는 그레인 바운더리(grain boundary)를 따라 상기 코팅 물질이 침투되어, 상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질로 코팅된 양극활물질을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Positive active material, method of fabricating of the same, and lithium secondary battery comprising the same}
본 출원은 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관련된 것이다.
스마트폰, MP3 플레이어, 태블릿 PC와 같은 휴대용 모바일 전자 기기의 발전으로, 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차 전지에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 전기 자동차, 중대형 에너지 저장 시스템, 및 고 에너지 밀도가 요구되는 휴대 기기의 등장으로, 리튬 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다.
이러한, 리튬 이차 전지에 대한 수요의 증가로, 리튬 이차 전지에 사용되는 양극활물질에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허공개공보 10-2014-0119621(출원번호 10-2013-0150315)에는 니켈, 망간, 코발트를 포함하는 리튬 과량 양극활물질 제조용 전구체를 이용하여, 전구체에서 치환되는 금속의 종류 및 조성을 조절하고, 첨가되는 금속의 종류 및 첨가량을 조절하여, 고전압 용량 및 장수명 특성을 갖는 이차전지가 개시되어 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고용량의 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 장수명의 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 열적 안정성이 향상된 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 양극활물질의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질의 제조 방법은, 양극활물질 전구체를 제조하는 단계, 상기 양극활물질 전구체와 리튬염을 혼합 및 소성하여, 양극활물질 베이스 입자(positive active material base particle)를 제조하는 단계, 및 금속 및 황의 화합물을 포함하는 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하고 열처리하여, 상기 양극활물질 베이스 입자 내에 존재하는 그레인 바운더리(grain boundary)를 따라 상기 코팅 물질이 침투되어, 상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질로 코팅된 양극활물질을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 예비 입자는 건식 혼합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질은, 볼밀 방식으로 혼합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 전구체는, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질의 제조 방법은, 상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하고 열처리하기 전, 상기 코팅 물질을 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하는 단계는, 상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 제1 강도로 혼합하는 제1 혼합 단계, 및 상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 상기 제1 강도보다 높은 제2 강도로 혼합하는 제2 혼합 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 혼합 단계에서, 상기 코팅 물질의 양을 점차적으로 증가시킬 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 양극활물질을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질은, 양극활물질 베이스 입자, 및 상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인 바운더리를 따라 제공되고, 금속 및 황을 포함하는 코팅 물질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질로 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자는, c축 방향으로 고유의 격자 상수를 갖는 제1 결정 구조를 가지고, 충방전 과정에서, 상기 제1 결정 구조는, 상기 제1 결정 구조보다 c축 방향으로 긴 격자 상수를 갖는 제2 결정 구조, 및 상기 제1 결정 구조보다 c축 방향으로 짧은 격자 상수를 갖는 제3 결정 구조로 변화되고, 상기 양극활물질 베이스 입자의 결정 구조의 변화에 의해 상기 양극활물질 베이스 입자 내에 크랙이 발생되고, 상기 코팅 물질은, 상기 크랙으로 침투된 전해액으로부터, 상기 양극활물질 베이스 입자의 상기 그레인을 보호할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질의 상기 금속은, 몰리브덴, 텅스텐, 또는 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질은, 양극활물질 베이스 입자, 및 양극활물질 베이스 입자의 그레인 바운더리를 따라 제공되고, 금속 및 황을 포함하는 코팅 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질로 코팅될 수 있고, 충방전 과정에서 상기 양극활물질 베이스 입자로 침투되는 전해액으로부터, 상기 양극활물질 베이스 입자의 상기 그레인이 보호될 수 있다. 이로 인해, 상기 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 충방전 특성, 용량 특성, 수명 특성 등이 개선될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질 베이스 입자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 코팅 물질로 코팅된 양극활물질 베이스 입자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 코팅 물질을 그레핀을 보호하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질 베이스 입자의 결정 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 비교 예에 따른 양극활물질 베이스 입자의 열처리 전 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교 예에 따른 양극활물질 베이스 입자의 열처리 후 SEM사진이다.
도 8 내지 도 10는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예에 따른 양극활물질의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 비교 예 및 실시 예 1에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지이 용량 특성을 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교 예 및 실시 예 1에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 수명 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 비교 예 및 실시 예 2에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지이 용량 특성을 측정한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 비교 예 및 실시 예 2에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 수명 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 비교 예에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 미분 용량을 측정한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 미분 용량을 측정한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예 2에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 미분 용량을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 출원 명세서에서, 결정계(crystal system)는 삼사정계(triclinic), 단사정계(monoclinic), 사방정계(orthorhombic), 정방정계(tetragonal), 삼방정계(trigonal 또는 rhombohedral), 육방정계(hexagonal), 및 입방정계(cubic)의 7개로 구성될 수 있다.
또한, 본 출원 명세서에서 "mol%"는 양극활물질 또는 양극활물질 전구체에서 리튬과 산소를 제외한 나머지 금속의 합을 100%로 가정했을 경우, 양극활물질 또는 양극활물질 전구체에 포함된 임의의 금속의 함량을 나타내는 의미로 해석된다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질 베이스 입자를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 코팅 물질로 코팅된 양극활물질 베이스 입자를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 코팅 물질을 그레핀을 보호하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 양극활물질 전구체가 제조된다(S110). 상기 양극활물질 전구체는, 금속염 수용액을 이용한 공침법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 베이스 수용액이 준비된다. 상기 베이스 수용액이 니켈을 포함하는 경우, 예를 들어, 상기 베이스 수용액은 황산 니켈일 수 있다. 상기 베이스 수용액이 코발트를 포함하는 경우, 예를 들어, 상기 베이스 수용액은 황산 코발트일 수 있다. 상기 베이스 수용액이 망간을 포함하는 경우, 상기 베이스 수용액은 황산 망간일 수 있다. 상기 베이스 수용액이, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 복수개의 금속을 포함하는 경우, 상기 베이스 수용액은, 복수개의 금속염 수용액들을 포함할 수 있다.
상기 베이스 수용액을 상기 반응기에 제공하여, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 수산화물을 포함하는 양극활물질 전구체가 제조될 수 있다. 상기 베이스 수용액 외에, 암모니아 용액이 상기 반응기에 더 제공될 수 있다.
상기 양극활물질 전구체, 및 리튬염을 소성하여, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나 및 리튬를 포함하는 금속 산화물을 포함하는 양극활물질 베이스 입자(100)가 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는, 니켈, 리튬, 및 산소를 포함하는 금속 산화물일 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는, 니켈, 코발트, 리튬, 및 산소를 포함하는 금속 산화물일 수 있다. 또는, 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는, 니켈, 코발트, 망간, 리튬, 및 산소를 포함하는 금속 산화물일 수 있다. 또는, 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는, 니켈, 코발트, 알루미늄, 리튬, 및 산소를 포함하는 금속 산화물일 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 기술적 사상은, 다양한 물질을 포함하는 양극활물질 베이스 입자(100)에 적용될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나의 농도는 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내에서 실질적으로 일정할 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내에서 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나의 농도는, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 중심에서 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 표면 방향으로, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 전체에서 농도 구배를 갖거나, 또는 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 일부에서 농도 구배를 가질 수 있다. 또는, 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는 코어부, 및 상기 코어부와 금속(니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나)의 농도가 다른 쉘부를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 기술적 사상은, 다양한 구조 및 형태의 양극활물질 베이스 입자에 적용될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는 아래의 <화학식 1>로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
LiM1aM2bM3cO2
상기 <화학식 1>에서, M1, M2, M3는 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나이고, 0≤a<1이고, 0≤b<1이고, 0≤c<1이고, a, b, 및 c 중에서 적어도 어느 하나는 0보다 크고, M1, M2, 및 M3는 서로 다른 금속일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질은 60mol% 이상의 니켈을 포함할 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질은 80mol% 이상의 니켈을 포함할 수 있다.
상기 양극활물질 베이스 입자(100)는, 1차 입자들, 및 상기 1차 입자들이 응집된 2차 입자로 제공될 수 있다.
상기 1차 입자들은, 상기 2차 입자 내부의 일 영역에서 상기 2차 입자의 표면을 향하여 방사(放射, radiate)되는 방향으로 연장할 수 있다. 상기 2차 입자 내부의 일 영역은 상기 2차 입자의 중심일 수 있다. 다시 말하면, 상기 1차 입자는 상기 2차 입자 내부의 상기 일 영역에서 상기 2차 입자의 상기 표면을 향하여 연장하는 로드 쉐입(rod shape) 형태일 수 있다.
상기 로드 형태를 갖는 상기 1차 입자들 사이, 다시 말하면, 상기 2차 입자의 상기 중심부에서 상기 표면부 방향으로 연장된 상기 1차 입자들 사이에, 금속 이온(예를 들어, 리튬 이온) 및 전해질의 이동 경로가 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 충방전 효율이 향상될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 2차 입자 내부의 상기 중심에 상대적으로 인접한 상기 1차 입자보다, 상기 2차 입자의 상기 표면에 상대적으로 인접한 상기 1차 입자가, 상기 2차 입자의 내부의 상기 중심에서 상기 2차 입자의 상기 표면을 향하는 방향으로, 더 긴 길이를 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 2차 입자의 상기 중심에서 상기 표면으로 연장하는 상기 2차 입자의 적어도 일부분에서, 상기 1차 입자들의 길이가, 상기 2차 입자의 상기 표면에 인접할수록, 증가될 수 있다.
금속 및 황의 화합물을 포함하는 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 혼합하고 열처리할 수 있다(S130). 일 실시 예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 내부에 복수의 크랙(110)이 존재할 수 있다. 상기 크랙(110)은 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내에 존재하는 그레인 바운더리(grain boundary)를 따라 형성될 수 있다. 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 혼합하고 열처리하여, 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내에 존재하는 상기 그레인 바운더리(크랙(110))를 따라 상기 코팅 물질(120)이 침투되어, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질(120)로 코팅된 양극활물질이 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 코팅 물질(120)의 상기 금속 및 황의 화합물 및/또는 상기 코팅 물질(120)의 상기 금속 및 황이, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 상기 그레인 바운더리(크랙(120))을 따라서 관찰될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 코팅 물질(120)은 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 내부로 침투되는 동시에, 막(layer) 형태로 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 표면의 적어도 일부를 감쌀 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120)은 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 내부로 침투되는 동시에, 파티클(particle) 또는 섬(island) 형태로 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 표면 상에 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120)의 상기 금속은 몰리브덴, 텅스텐, 또는 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 물질(120)은, Mo2S, WS2 또는 Al2S3 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120)은 금속 및 질소의 화합물이거나, 또는 금속 및 보론의 화합물 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극활물질의 황, 질소 또는 보론의 농도는 5mol% 미만일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 혼합하고 열처리하기 전, 상기 코팅 물질(120)이 분쇄될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 물질(120)은 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 크기와 비교하여 1/10 크기로 분쇄될 수 있다.
이에 따라, 분쇄된 상기 코팅 물질(120)이 상기 양극활물질 베이스 입자(100)와 혼합되고 열처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 코팅 물질(120)이 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내의 상기 그레인 바운더리(크랙(120))을 따라 용이하게 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내부로 침투될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 예비 입자(100)가 혼합 및 열처리되기 전, 상기 양극활물질 예비 입자(100)의 표면의 피막이 제거될 수 있다. 상기 피막은 열처리 공정(예를 들어, 300℃에서 3시간 열처리)으로 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 코팅 물질(120)이 상기 양극활물질 예비 입자(100) 내부로 침투되는 경로가 용이하게 확보되어, 상기 코팅 물질(120)이 상기 양극활물질 예비 입자(100)의 상기 그레인 바운더리(크랙(120))을 따라 용이하게 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내부로 침투될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 예비 입자(100)는 건식 혼합될 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 예비 입자(100)는, 볼밀 방식으로 혼합될 수 있다. 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 예비 입자(100)는 드라이룸 또는 Ar 분위기에서 건식 혼합(예를 들어, 볼밀 공정)될 수 있고, 또한, 혼합된 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 예비 입자(100)는 고순도 산소 분위기에서 열처리될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 혼합하는 단계는, 분쇄된 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 제1 강도로 혼합하는 제1 혼합 단계, 및 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 상기 제1 강도보다 높은 제2 강도로 혼합하는 제2 혼합 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 혼합 단계는 hand mix로 수행되고, 상기 제2 혼합 단계는 볼밀 공정으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 제1 혼합 단계에서 상기 코팅 물질(120) 양이 점차적으로 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 코팅 물질(120)이 상기 양극활물질 베이스 입자(100)에 균일하고 용이하게 코팅될 수 있다.
상술된 바와 달리, 분쇄된 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)를 처음부터 높은 강도로 혼합하는 경우, 또는 상기 제1 혼합 단계에서 처음부터 많은 양의 분쇄된 상기 코팅 물질(120)이 제공되는 경우, 분쇄된 상기 코팅 물질(120)의 물리적 결합력에 의해 분쇄된 상기 코팅 물질(120)이 응집되어, 분쇄된 상기 코팅 물질(120)이 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 표면에 균일하게 코팅되지 않는 것은 물론, 분쇄된 상기 코팅 물질(120)의 응집에 의해 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 상기 그레인 바운더리(크랙(110))을 따라서 상기 코팅 물질(120)이 침투되는 것이 용이하지 않다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 분쇄된 상기 코팅 물질(120) 및 상기 양극활물질 베이스 입자(100)에 대해서, 상대적으로 낮은 강도의 상기 제1 혼합 단계, 및 상대적으로 높은 강도의 상기 제2 혼합 단계가 순차적으로 수행될 수 있고, 상기 제1 혼합 단계에서 분쇄된 상기 코팅 물질(120)의 양이 점차적으로 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 코팅 물질(120)의 상기 양극활물질 베이스 입자(100)에 실질적으로 균일하게 코팅되는 동시에, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 상기 그레인 바운더리(크랙(110))을 따라서 상기 코팅 물질(120)이 용이하게 침투될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는, 도 5에 도시된 바와 같이, trigonal crystal system에서 hexagonal lattice system을 가질 수 있고, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 결정 구조는 a축 및 c축을 가질 수 있다. 상기 양극활물질 베이스 입자(100)는 c축 방향으로, 고유의 격자 상수(lattice constant)를 가질 수 있다.
상기 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 충방전 과정에서, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)가 c축 방향으로 고유의 격자 상수가 증가되거나, 또는 감소될 수 있다. 다시 말하면, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)가 c축 방향으로 고유의 제1 길이의 격자 상수를 갖는 제1 결정 구조를 갖는 경우, 충방전 과정에서, 상기 제1 결정 구조는, 상기 제1 결정 구조보다 c축 방향으로 긴 격자 상수를 갖는 제2 결정 구조, 및 상기 제1 결정 구조보다 c축 방향으로 짧은 격자 상수를 갖는 제3 결정 구조로 변화될 수 있다. c축 방향으로 격자 상수의 증가 및 감소는 상기 양극활물질의 체적을 크게 변화시킬 수 있다. 이에 따라, c축 방향으로 격자 상수가 증가 또는 감소된 상기 제2 결정 구조 및 상기 제3 결정 구조의 비율이 증가하거나, 감소하는 경우, 이차 전지의 수명 특성이 현저하게 저하될 수 있다. 즉, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 결정 구조의 변화에 따른 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내 그레인의 체적 변화로 인해, 상기 양극활물질 베이스 입자(100) 내의 그레인과 그레인 사이, 다시 말하여 그레인 바운더리를 따라서 크랙이 더 크게 벌어지거나, 새로운 크랙이 발생할 수 있고, 더 크게 벌어진 크랙 및/또는 새롭게 생성된 크랙을 따라 전해액(130)이 침투하여, 상기 양극활물질의 충방전 특성을 저하시킬 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 상기 그레인 바운더리(크랙(110))을 따라서 상기 코팅 물질(120)이 침투하여, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질(120)로 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 코팅 물질(120)이, 상기 크랙(110)으로 침투된 상기 전해액(130)으로부터, 상기 양극활물질 베이스 입자(100)의 상기 그레인을 보호할 수 있고, 결과적으로 상기 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 수명 특성, 충방전 특성, 및 안정성이 향상될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 양극활물질의 구제적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
비교 예에 따른 양극활물질 제조
공침 반응기(용량47L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2가스를 반응기에 5리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 2 M 농도의 황산니켈, 황산코발트, 황산망간 수용액 (니켈:코발트:망간 = 90:5:5, 몰비), 4M 농도의 수산화나트륨 수용액, 10.5M 농도의 암모니아 용액을 15~35 시간 동안 연속적으로 투입하여 Ni0.90Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다.
제조된 Ni0.90Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 물 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조 시켰다.
양극활물질 전구체와 수산화리튬(LiOH·H2O)을 1:1의 몰비 또는 1:105의 몰비로 혼합한 후에2℃/min의 승온 속도로 가열한 후450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 750℃에서 10시간 소성시켜 양극활물질 베이스 입자 Li[Ni0.90Co0.05Mn0.05]O2 금속 복합산화물을 제조하였다.
실시 예 1에 따른 양극활물질 제조
몰타를 이용하여 코팅 물질인 MoS2를 분쇄한 후 분쇄한 MoS2를 몰타의 벽면에 퍼트렸다. 몰타에 비교 예에 따라서 제조된 양극활물질 베이스 입자 Li[Ni0.90Co0.05Mn0.05]O2 금속 복합산화물을 추가한 뒤 소량씩(0.1g) MoS2를 추가하여 hand mix 방법으로 혼합하였다. 이때, 소량으로 시작하여 hand mix진행하며 점차적으로 전체양(1g)을 혼합하였다. 이후, Ball mill 방식을 사용하여 추가로 혼합한 후 열처리 하였다. 이때 열처리는 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 MoS2 가 1mol% 코팅된 실시 예 1에 따른 양극활물질을 제조하였다
실시 예 2에 따른 양극활물질 제조
몰타를 이용하여 코팅 물질인 WS2를 분쇄한 후 분쇄한 WS2를 몰타의 벽면에 퍼트렸다. 몰타에 비교 예에 따라서 제조된 양극활물질 베이스 입자 Li[Ni0.90Co0.05Mn0.05]O2 금속 복합산화물을 추가한 뒤 소량씩(0.1g) WS2을 추가하여 hand mix 방법으로 혼합하였다. 이때, 소량으로 시작하여 hand mix진행하며 점차적으로 전체양(1g)을 혼합하였다. 이후, Ball mill 방식을 사용하여 추가로 혼합한 후 열처리 하였다. 이때 열처리는 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 WS2 가 1mol% 코팅된 실시 예 2에 따른 양극활물질을 제조하였다
도 6은 본 발명의 비교 예에 따른 양극활물질 베이스 입자의 열처리 전 SEM 사진이고, 도 7은 본 발명의 비교 예에 따른 양극활물질 베이스 입자의 열처리 후 SEM사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 비교 예에 따라서 제조된 양극활물질 베이스 입자의 SEM 사진을 촬영하고, 상기 양극활물질 베이스 입자를 300℃에서 3시간 열처리한 후, SEM 사진을 촬영하였다.
도 6에서 알 수 있듯이, 상기 양극활물질 베이스 입자의 표면이 오염되어 피막이 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 7에서 알 수 있듯이, 상기 양극활물질 베이스 입자를 열처리하는 경우 피막이 제거되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 양극활물질 베이스 입자와 코팅 물질을 혼합 및 열처리하기 전, 상기 양극활물질 베이스 입자를 열처리하여 오염에 의해 형성된 피막을 제거하는 경우, 상기 코팅 물질이 용이하게 상기 양극활물질 베이스 입자 내부로 침투될 수 있는 경로가 확보되는 것을 확인할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시 예들 및 비교 예에 따른 양극활물질의 SEM 사진이다. 구체적으로, 도 8 내지 도 10은, 각각, 비교 예, 실시 예 1 내지 3에 따른 양극활물질의 SEM 사진이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 상술된 실시 예 1 내지 실시 예 3 및 비교 예에 따른 양극활물질들의 SEM 사진을 촬영하였다. 도 8 내지 도 10에서 알 수 있듯이, 실시 예 1 내지 실시 예 2에 따라서, MoS2, 및 WS2가 Li[Ni0.90Co0.05Mn0.05]O2 양극활물질 베이스 입자의 표면 상에 코팅된 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 비교 예 및 실시 예 1에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지이 용량 특성을 측정한 그래프이고, 도 12는 본 발명의 비교 예 및 실시 예 1에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 수명 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 비교 예 및 실시 예 2에 따른 양극활물질을 이용하여 half cell을 제조하고, cut off 2.7~4.3V, 0.1C, 30℃ 조건에서, 방전 용량을 측정하였고, cut off 2.7~4.3V, 0.5C, 30℃ 조건에서 충방전 사이클 횟수에 따른 방전 용량 및 표면 잔류 리튬을 측정하였다. 측정 결과는 도 11, 도 12, 및 아래 [표 1]와 같다.
구분 0.1C, 1st
Dis-Capa
(mAh/g) 		1st
Efficiency 		0.2C
Capacity
(mAh/g) 		0.2C/0.1C 0.5C
Capacity
(mAh/g) 		0.5C/0.1C Cycle 0.5C
Cycle
Retention 		L/L
(mg/cm2)
비교 예 231.4 94.3% 224.6 97.1% 213.2 92.1% 100 82.3% 3.42
실시 예 2 229.9 96.7% 223.5 97.2% 214.5 93.3% 100 88.8% 3.42
230.3 96.7% 223.4 97.0% 215.3 93.5% 100 89.2% 3.02
도 11, 도 12, 및 [표 1]에서 알 수 있듯이, 비교 예에 따른 양극활물질을 이용하여 제조된 이차 전지와 비교하여, 실시 예 1에 따라서 MoS2 코팅 물질을 포함하는 양극활물질의 방전 용량 및 수명 특성이 현저하게 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 비교 예 및 실시 예 2에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지이 용량 특성을 측정한 그래프이고, 도 14는 본 발명의 비교 예 및 실시 예 2에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 수명 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 비교 예 및 실시 예 2에 따른 양극활물질을 이용하여 half cell을 제조하고, cut off 2.7~4.3V, 0.1C, 30℃ 조건에서, 방전 용량을 측정하였고, cut off 2.7~4.3V, 0.5C, 30℃ 조건에서 충방전 사이클 횟수에 따른 방전 용량 및 표면 잔류 리튬을 측정하였다. 측정 결과는 도 13, 도 14, 및 아래 [표 2]과 같다.
구분 0.1C, 1st
Dis-Capa
(mAh/g) 		1st
Efficiency 		0.2C
Capacity
(mAh/g) 		0.2C/0.1C 0.5C
Capacity
(mAh/g) 		0.5C/0.1C Cycle 0.5C
Cycle
Retention 		L/L
(mg/cm2)
비교 예 221.9 94.0% 215.9 97.3% 205.7 92.7% 100 85.1% 3.22
실시 예 3 225.2 96.3% 219.1 97.3% 209.2 92.9% 64 95.6% 3.47
도 13, 도 14, 및 [표 2]에서 알 수 있듯이, 비교 예에 따른 양극활물질을 이용하여 제조된 이차 전지와 비교하여, 실시 예 2에 따라서 WS2 코팅 물질을 포함하는 양극활물질의 방전 용량 및 수명 특성이 현저하게 우수한 것을 확인할 수 있다.
측정한 그래프이고, 도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 미분 용량을 측정한 그래프이고, 도 17은 본 발명의 실시 예 2에 따른 양극활물질을 포함하는 이차 전지의 미분 용량을 측정한 그래프이다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 도 15 내지 도 17에 도시된 것과 같이, 비교 예 1, 및 실시 예 1 내지 실시 예 2에 따른 양극활물질을 이용하여 half cell을 제조하고, 충방전 횟수에 따른 미분 용량을 측정하였다.
충방전이 진행됨에 따라서, 실시 예 1 내지 2 및 비교 예 1에 따른 양극활물질이 H1 phase, H1+M phase, M phase, M+H2 phase, H2 phase, H2+H3 phase, H3 phase, H2+H3 phase, M+H2 phase, M phase, H1+M phase, H1 phase를 순차적으로 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 15 내지 도 17에서 H1 phase는 실시 예들 및 비교 예에 따른 양극활물질이 c축 방향으로 고유의 격자 상수를 갖는 결정 구조를 나타내고, H2 phase는 실시 예들 및 비교 예에 따른 양극활물질이 c축 방향으로 고유의 격자 상수 보다 긴 격자 상수를 갖는 결정 구조를 나타내고, H3 phase는 실시 예들 및 비교 예에 따른 양극활물질이 c축 방향으로 고유의 격자 상수보다 짧은 격자 상수를 갖는 결정 구조를 나타내고, M phase는 단사정계 결정 구조를 나타낸다.
상기 코팅 물질이 제공되지 않은 비교 예의 경우, 도 15에 도시된 바와 같이, 충방전 횟수가 진행됨에 따라서, H2 및 H3 phase의 피크 값이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 4.1~4.3V 범위에서 적분면적이 급격하게 감소하며, 상술된 바와 같이, 비교 예에 따른 경우, 충방전 횟수에 따라서 용량이 급격하게 감소하는 것을 재확인할 수 있다.
반면, 실시 예 1 내지 실시 예 2에 따른 경우, 도 16 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 충방전 횟수가 진행됨에 따라서, H2 및 H3 phase의 피크 값이 감소량이 적은 것을 알 수 있다. 즉, 충방전 횟수에 따라서, H2 및 H3 phase의 생성 비율의 변화량이, 상기 코팅 물질에 의해 현저하게 감소되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 4.1~4.3V 범위에서 적분면적이 실질적으로 일정하게 유지되며, 상술된 바와 같이, 실시 예들에 따른 경우, 충방전 횟수에 따라서 용량이 감소되는 것이 최소화되는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 양극활물질 베이스 입자
110: 크랙
120: 코팅 물질

Claims (11)

  1. 양극활물질 전구체를 제조하는 단계;
    상기 양극활물질 전구체와 리튬염을 혼합 및 소성하여, 양극활물질 베이스 입자(positive active material base particle)를 제조하는 단계; 및
    금속 및 황의 화합물을 포함하는 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하고 열처리하여, 상기 양극활물질 베이스 입자 내에 존재하는 그레인 바운더리(grain boundary)를 따라 상기 코팅 물질이 침투되어, 상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질로 코팅된 양극활물질을 제조하는 단계를 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 예비 입자는 건식 혼합되는 것을 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 예비 입자는, 볼밀 방식으로 혼합되는 것을 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 양극활물질 전구체는, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하고 열처리하기 전,
    상기 코팅 물질을 분쇄하는 단계를 더 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 혼합하는 단계는,
    상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 제1 강도로 혼합하는 제1 혼합 단계; 및
    상기 코팅 물질 및 상기 양극활물질 베이스 입자를 상기 제1 강도보다 높은 제2 강도로 혼합하는 제2 혼합 단계를 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 혼합 단계에서, 상기 코팅 물질의 양을 점차적으로 증가시키는 것을 포함하는 양극활물질의 제조 방법.
  8. 양극활물질 베이스 입자; 및
    상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인 바운더리를 따라 제공되고, 금속 및 황을 포함하는 코팅 물질을 포함하는 양극활물질.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 양극활물질 베이스 입자의 그레인의 적어도 일부가 상기 코팅 물질로 코팅된 것을 포함하는 양극활물질.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 양극활물질 베이스 입자는, c축 방향으로 고유의 격자 상수를 갖는 제1 결정 구조를 가지고,
    충방전 과정에서, 상기 제1 결정 구조는, 상기 제1 결정 구조보다 c축 방향으로 긴 격자 상수를 갖는 제2 결정 구조, 및 상기 제1 결정 구조보다 c축 방향으로 짧은 격자 상수를 갖는 제3 결정 구조로 변화되고,
    상기 양극활물질 베이스 입자의 결정 구조의 변화에 의해 상기 양극활물질 베이스 입자 내에 크랙이 발생되고,
    상기 코팅 물질은, 상기 크랙으로 침투된 전해액으로부터, 상기 양극활물질 베이스 입자의 상기 그레인을 보호하는 것을 포함하는 양극활물질.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 코팅 물질의 상기 금속은, 몰리브덴, 텅스텐, 또는 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 양극활물질.
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