KR20190057530A - Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same - Google Patents
Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20190057530A KR20190057530A KR1020170154553A KR20170154553A KR20190057530A KR 20190057530 A KR20190057530 A KR 20190057530A KR 1020170154553 A KR1020170154553 A KR 1020170154553A KR 20170154553 A KR20170154553 A KR 20170154553A KR 20190057530 A KR20190057530 A KR 20190057530A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- active material
- positive electrode
- lithium secondary
- secondary battery
- vanadium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G31/00—Compounds of vanadium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 바나듐 산화물에 마그네슘 이온을 도핑시켜 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있는, 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a cathode active material for a lithium secondary battery capable of improving life characteristics of a battery by doping magnesium oxide with vanadium oxide will be.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 최근에는 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대해 많은 연구가 진행되고 있고, 특히, 높은 에너지 밀도, 방전 전압 및 출력 안정성을 가지는 리튬 이차전지에 대한 수요가 높아 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing. Recently, the use of a secondary battery as a power source for an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV) and the like has been realized. Accordingly, a lot of research has been conducted on a secondary battery that can meet various demands, and in particular, a demand for a lithium secondary battery having a high energy density, a discharge voltage, and an output stability is high, .
리튬 이차전지의 기술은 최근 현저한 발전을 통하여 다양한 분야에서 응용되고 있으나, 전지의 용량, 안전성, 출력, 대형화, 초소형화 등의 관점에서 현재 리튬 이차전지의 한계를 극복할 수 있는 다양한 전지들이 연구되고 있다. 대표적으로 현재의 리튬 이차전지에 비해 용량 측면에서 이론 용량이 매우 큰 금속-공기 전지(Metal-air battery), 안전성 측면에서 폭발 위험이 없는 전고체 전지(All solid battery), 출력 측면에서 리튬 이차전지에 비해 출력 특성이 우수한 슈퍼 캐퍼시터(Supercapacitor), 대형화 측면에서는 나트륨-황(Na-S) 전지 혹은 레독스 플로우 전지(RFB: Redox flow battery), 초소형화 측면에서는 박막전지(Thin film battery) 등이 학계 및 산업계에서 지속적인 연구가 진행되고 있다.The lithium secondary battery technology has been applied to various fields through recent remarkable development. However, various batteries capable of overcoming the limitations of current lithium secondary batteries have been studied from the viewpoints of capacity, safety, output, enlargement and miniaturization of batteries have. Metal-air batteries, which have a theoretical capacity in terms of capacity in comparison with current lithium secondary batteries, all solid batteries that do not have explosion risk in terms of safety, lithium secondary batteries in terms of output, A supercapacitor having excellent output characteristics compared to a sodium-sulfur (Na-S) battery or a redox flow battery (RFB) in terms of enlargement and a thin film battery Continuous research is underway in academia and industry.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 넣고, LiPF6 등의 리튬염을 가진 비수성 전해액을 함침시켜 제조된다. 그러나 현재 대부분의 상용 리튬 이차전지의 양극 활물질로 사용되고 있는 LiCoO2는 작동 전압이 높고 용량이 크다는 장점이 있으나, 자원량의 한계로 인하여 상대적으로 고가이고, 충ㆍ방전 전류량이 약 150 mAh/g 정도로 낮으며, 4.3 V 이상의 전압에서는 결정구조가 불안정하고, 전해액과 반응을 일으켜 발화의 위험성을 갖고 있는 등 여러 가지 문제점을 갖고 있다. 더욱이, LiCoO2는 제조 공정상에서 일부 변수(Parameter)의 변화에도 매우 큰 물성 변화를 나타내는 단점을 가지고 있다.Generally, a lithium secondary battery uses a metal oxide such as LiCoO 2 as a cathode active material and a carbon material as a negative electrode active material, and a polyolefin-based porous separator is sandwiched between a cathode and an anode, and a non-aqueous electrolytic solution having a lithium salt such as LiPF 6 Impregnated. However, LiCoO 2, which is used as a cathode active material in most commercial lithium secondary batteries, has a high operating voltage and a large capacity. However, due to the limit of the amount of resources, LiCoO 2 is relatively expensive and has a charge / discharge current of about 150 mAh / g And the crystal structure is unstable at a voltage of 4.3 V or more, causing a reaction with the electrolytic solution, and there is a risk of ignition. Furthermore, LiCoO 2 has a disadvantage in that it exhibits a very large change in physical properties even when some parameters are changed on the manufacturing process.
이러한 LiCoO2의 대안으로 제시된 것 중의 하나는 LiMn2O4이다. LiMn2O4는 LiCoO2보다 용량은 낮으나 저가이면서 공해 요인이 없다는 장점을 가지고 있다. 양극 활물질의 대표적인 예인 LiCoO2와 LiMn2O4의 구조를 살펴보면, LiCoO2는 층상 구조(Layered structure)를 가지며, LiMn2O4는 경우는 스피넬(Spinel) 구조를 갖는다. 이 두 물질은 공통적으로 결정성(Crystallinity)이 우수할 때 전지로서 우수한 성능을 가지게 된다. 따라서, 특히 박막 전지를 제작할 때 이 두 물질의 결정화를 위해서는 박막의 제작 시 또는 후공정으로 반드시 열처리 공정을 수반하여야만 한다. 따라서, 이 두 물질을 이용한 전지의 제작을 의료용 또는 특수한 용도로 고분자(예컨대, 플라스틱) 재료 위에 구현하는 것은, 고분자 물질이 열처리 온도에서 견디지 못한다는 이유로 현재까지는 불가능하다.One of the alternatives to this LiCoO 2 is LiMn 2 O 4 . LiMn 2 O 4 has a lower capacity than LiCoO 2 but has a low cost and no pollution factor. Looking at the typical examples of the structure of LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 of the positive electrode active material, LiCoO 2 has a layered structure (Layered structure), LiMn 2 O 4 has a spinel if (Spinel) structure. These two materials commonly have excellent performance as a battery when they have excellent crystallinity. Therefore, in order to crystallize the two materials, it is necessary to carry out a heat treatment process during the manufacture of the thin film or a post-process. Therefore, the fabrication of a battery using these two materials on a polymer (e.g., plastic) material for medical or special purposes is impossible up to now because the polymer material can not withstand the heat treatment temperature.
상기 물질들이 가지고 있는 단점을 해결하기 위하여 제안된 것이 바로 바나듐 산화물이다. 바나듐 산화물은 용량은 낮으나 비정질(Amorphous) 상태에서도 매우 우수한 전극 특성을 갖는다는 장점을 가지고 있다. 그리고 바나듐 산화물의 경우, 상기 두 물질보다 합성이 비교적 용이하며, 특히 상온에서 합성이 가능하다는 이유로 매우 주목을 받고 있다. 상온에서 합성된 비정질 바나듐 산화물의 경우 결정성의 바나듐 산화물보다 오히려 그 성능(예컨대, 수명 또는 효율)이 우수하다. 그러므로 바나듐 산화물을 양극 활물질로 이용한다면 상온 공정이 가능해지고, 따라서, 플라스틱과 같은 고분자 물질 위에 이차전지를 제작하는 것이 가능하게 된다.Vanadium oxide has been proposed to solve the disadvantages of these materials. The vanadium oxide has an advantage that it has very good electrode characteristics even in the amorphous state although the capacity is low. In the case of vanadium oxide, the synthesis of the vanadium oxide is relatively easy and the synthesis is possible at room temperature. The amorphous vanadium oxide synthesized at room temperature is superior to the crystalline vanadium oxide in its performance (for example, life or efficiency). Therefore, if vanadium oxide is used as a cathode active material, a room temperature process becomes feasible, and it becomes possible to manufacture a secondary battery on a polymer material such as plastic.
특히, 층상 구조를 가지는 오산화바나듐(V2O5)은 리튬을 포함하지 않는 고용량 양극재로서, 2 전자 반응 시 이론 용량이 290 mAh/g을 나타내는 등, 바나듐 산화물은 고용량 및 높은 에너지 밀도의 장점을 가지고 있다. 하지만, 바나듐 산화물을 양극 활물질로 사용할 경우, 리튬 이온 확산 계수가 낮고, 또한, 바나듐이 전해액 내로 용출되어, 전지의 수명이 감소되는 문제가 있다. 이에, 해당 기술 분야에서는, 바나듐 산화물을 이용한 개선된 양극 활물질의 연구개발에 박차를 가하고 있으나, 아직까지 뚜렷한 대안을 마련하고 있지 못하는 실정이다.Particularly, vanadium pentoxide having a layered structure (V 2 O 5 ) is a high-capacity cathode material containing no lithium and exhibits a theoretical capacity of 290 mAh / g during a two-electron reaction. The vanadium oxide has advantages of high capacity and high energy density Lt; / RTI > However, when vanadium oxide is used as the positive electrode active material, there is a problem that the lithium ion diffusion coefficient is low and vanadium is eluted into the electrolytic solution, and the lifetime of the battery is reduced. Accordingly, in the related art, research and development of an improved cathode active material using vanadium oxide has been spurred, but a clear alternative has not yet been established.
따라서, 본 발명의 목적은, 바나듐 산화물에 마그네슘 이온을 도핑시켜 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있는, 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a method for producing the same, which can improve life characteristics of a battery by doping magnesium oxide with vanadium oxide.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 바나듐 산화물의 바나듐 일부가 마그네슘 이온으로 도핑된 하기 화학식 1의 화합물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a cathode active material for a lithium secondary battery, comprising a compound of the formula (1) wherein a part of vanadium of vanadium oxide is doped with magnesium ions.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
MgaVbOc Mg a V b O c
상기 화학식 1에서, 0.01 ≤ a ≤ 0.05이고, 1 ≤ b ≤ 6이고, 2 ≤ c ≤ 13이다.In the above formula (1), 0.01? A? 0.05, 1? B? 6, and 2? C?
또한, 본 발명은, a) 용매의 존재 하에서, 수용성의 마그네슘계 화합물, 바나듐 산화물 및 유기산을 반응시키는 단계; 및 b) 상기 반응물을 건조 및 열 처리하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a water-soluble polymer comprising the steps of: a) reacting a water-soluble magnesium compound, vanadium oxide and an organic acid in the presence of a solvent; And b) drying and heat-treating the reactant. The present invention also provides a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법에 의하면, 바나듐 산화물에 마그네슘 이온을 도핑시킴으로써 바나듐의 전해액 내 용출을 억제하고, 이를 통해, 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있다.According to the cathode active material for a lithium secondary battery and the method for producing the same according to the present invention, vanadium oxide is doped with magnesium ions to inhibit dissolution of vanadium in the electrolyte, thereby improving life characteristics of the battery.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 양극 활물질을 XRD 분석한 데이터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 바나듐 용출량을 비교하기 위한 데이터이다.1 is a graph showing lifetime characteristics of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
2 is data obtained by XRD analysis of a cathode active material prepared according to one embodiment of the present invention and a comparative example.
3 is data for comparing vanadium elution amounts of a lithium secondary battery manufactured according to one embodiment of the present invention and a comparative example.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질은, 바나듐 산화물의 바나듐 일부가 마그네슘 이온으로 도핑된 하기 화학식 1의 화합물을 포함한다.The cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises a compound of the following formula 1 in which a vanadium part of vanadium oxide is doped with magnesium ions.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
MgaVbOc Mg a V b O c
상기 화학식 1에서, 0.01 ≤ a ≤ 0.05이고, 1 ≤ b ≤ 6이고, 2 ≤ c ≤ 13이다.In the above formula (1), 0.01? A? 0.05, 1? B? 6, and 2? C?
바나듐 산화물(Vanadium Oxide, Vanadate)은 비정질(Amorphous) 상태에서도 매우 우수한 전극 특성을 가질 뿐만 아니라(특히, 오산화바나듐(V2O5)의 경우 이론적으로 높은 비용량을 갖기 때문에 전극 재료로 적합하다), 상온에서 합성이 가능하여, 차세대 리튬 이차전지의 양극재(정확하게는, 양극 활물질)로서 주목을 받고 있다. 하지만, 바나듐 산화물을 양극 활물질로 사용할 경우, 리튬 이온 확산 계수(Ion diffusion coefficient)가 낮고, 또한, 바나듐이 전해액 내로 용출되어, 전지의 수명이 감소되는 문제가 발생한다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 바나듐 산화물의 바나듐 일부를 마그네슘 이온으로 도핑 또는 치환한 것이다.Vanadium oxide (Vanadium oxide) has excellent electrode characteristics even in the amorphous state (in particular, it is suitable as an electrode material because it has a theoretically high specific capacity in the case of vanadium pentoxide (V 2 O 5 )), And can be synthesized at room temperature, and has attracted attention as a cathode material (precisely, a cathode active material) of a next-generation lithium secondary battery. However, when vanadium oxide is used as the cathode active material, the ion diffusion coefficient is low, and vanadium is eluted into the electrolytic solution, thereby decreasing the lifetime of the battery. In order to solve such a problem, the present invention is a method for producing a vanadium oxide by doping or substituting a part of vanadium in a vanadium oxide with a magnesium ion.
상기 마그네슘 이온(Mg2+)은 다양한 형태의 바나듐 산화물 내 바나듐과 치환이 가능하다. 바나듐 산화물을 양극 활물질로 사용하면, 양추(bipyramid) 형태를 가지는 바나듐 산화물의 내부에는 리튬 이온이 탈삽입되는데, 바나듐에 마그네슘 이온이 도핑되더라도 바나듐 산화물 구조의 변화가 거의 없고, 이로 인해, 리튬 이온의 경로가 확보되어 리튬 이온의 확산 계수 값은 빠르게 변하며, 결국, 전지의 수명특성 등이 향상되는 것이다. 예를 들어, 마그네슘 이온 도핑 시 5가의 바나듐은 4가의 바나듐으로 바뀌면서 전기 전도도를 증가시키고, MgXV2O5의 골격에 형성된 MO6 팔면체(금속과 산소를 포함하는 배위수 6의 팔면체)는 물질의 3차원 특성을 증가시켜 전기 화학 사이클 동안 물질 구조의 변형을 억제할 수 있는 것이다.The magnesium ion (Mg 2+ ) can be substituted with vanadium in various forms of vanadium oxide. When vanadium oxide is used as the cathode active material, lithium ions are introduced into the vanadium oxide having a bipyramid form. Even if magnesium ions are doped into the vanadium, there is almost no change in the vanadium oxide structure, The diffusion coefficient of the lithium ion is rapidly changed, thereby improving the lifetime characteristics of the battery. For example, when magnesium ions are doped, the vanadium pentavalent is converted into tetravalent vanadium to increase the electrical conductivity, and the MO6 octahedron (octahedral octahedron with the number of coordination numbers 6 including metal and oxygen) formed on the skeleton of Mg X V 2 O 5 , Dimensional characteristics of the material, thereby suppressing the deformation of the material structure during the electrochemical cycle.
한편, 전이금속인 바나듐은 다양한 산화수를 가질 수 있기 때문에, 다양한 바나듐과 산소의 비를 가지는 바나듐 산화물이 다양하게 존재한다. 따라서, 상기 바나듐 산화물(또는, 바나듐 산화물 전구체)은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물, 이의 염 또는 이들의 혼합물일 수 있는 등, 바나듐 원자와 산소 원자를 포함하는 화합물일 수 있다. 한편, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물의 염의 예로는, 메타바나듐산 암모늄(NH4VO3) 등을 들 수 있다.On the other hand, since vanadium, which is a transition metal, can have various oxidized water, various kinds of vanadium oxides having various ratios of vanadium and oxygen exist. Accordingly, the vanadium oxide (or vanadium oxide precursor) may be a compound represented by the following general formula (2), a salt thereof, or a mixture thereof, or a compound containing a vanadium atom and an oxygen atom. On the other hand, examples of the salt of the compound represented by the following formula (2) include ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and the like.
[화학식 2](2)
VdOe V d O e
상기 화학식 2에서, 1 ≤ d ≤ 6이고, 2 ≤ e ≤ 13이다.In Formula 2, 1? D? 6 and 2? E? 13.
이와 같이, 양극 활물질로 사용되는 바나듐 산화물의 종류가 한정되는 것은 아니나, 구조의 안정성을 고려할 때 오산화바나듐(V2O5)이 바람직할 수 있고, 상기 오산화바나듐(V2O5)은 양추(bipyramidal) 형태의 사방정계(orthorhombic crystal system)로서, Pmmn 공간군(space group)의 구조를 갖는다. 상기 양극 활물질은 바나듐의 원자 수를 기준으로 0.5 내지 4 %, 바람직하게는 0.5 내지 2.5 %의 바나듐이 마그네슘 이온으로 치환된다. 0.5 % 미만의 바나듐이 마그네슘 이온으로 치환되는 경우 마그네슘 이온의 치환으로 인한 바나듐 용출 억제의 효과가 미미할 수 있고, 4 % 초과의 바나듐이 마그네슘 이온으로 치환되는 경우에는 용량 감소 및 수명특성 개선 효과가 미미할 수 있다.Although the type of the vanadium oxide used as the cathode active material is not limited in this way, vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) may be preferable in view of the stability of the structure, and the vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) bipyramidal form of orthorhombic crystal system, which has the structure of Pmmn space group. The cathode active material is substituted with magnesium ions of vanadium in a proportion of 0.5 to 4%, preferably 0.5 to 2.5% based on the number of atoms of vanadium. When vanadium of less than 0.5% is substituted with magnesium ion, the vanadium dissolution suppression effect due to the substitution of magnesium ion may be insignificant. When vanadium exceeding 4% is substituted with magnesium ion, the effect of reducing the capacity and improving the life characteristics is insignificant .
상기 (마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물인) 양극 활물질은 리튬 이차전지용 양극재에 적용될 수 있으며, 이 경우 상기 양극 활물질은 양극재 전체 중량 100 중량부에 대하여 50 내지 90 중량부, 바람직하게는 60 내지 80 중량부의 함량으로 양극재에 포함될 수 있다. 상기 양극 활물질의 함량이 양극재 전체 중량 100 중량부에 대하여 50 중량부 미만이면 양극 활물질에 의한 전지의 전기화학적 특성이 저하되고, 90 중량부를 초과하면 바인더 및 도전재와 같은 추가적인 구성 성분이 소량으로 포함될 수 있어 효율적인 전지의 제조가 어려울 수 있다. 그밖에, 상기 리튬 이차전지용 양극재는 상기 마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물인 양극 활물질 이외에, 바인더 및 도전재를 더 포함한다.The positive electrode active material (which is vanadium oxide substituted with magnesium ion) can be applied to a positive electrode material for a lithium secondary battery. In this case, the positive electrode active material is used in an amount of 50 to 90 parts by weight, preferably 60 to 90 parts by weight, May be included in the cathode material in an amount of 80 parts by weight. If the content of the positive electrode active material is less than 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode material, the electrochemical characteristics of the positive electrode active material are deteriorated. If the amount exceeds 90 parts by weight, And it may be difficult to manufacture an efficient battery. In addition, the cathode material for the lithium secondary battery further includes a binder and a conductive material, in addition to the cathode active material, which is vanadium oxide substituted with the magnesium ion.
상기 양극재에 포함되는 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The binder contained in the cathode material is a component that assists in bonding of the cathode active material and the conductive material and bonding to the collector, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene (Meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene, copolymers (PVdF / HFP), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, Butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, liquor, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, Epoxidized EPDM rubber, styrene-butylene rubber, fluororubber, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, But at least one member selected from the group consisting of cellulose production in the Woods, and mixtures thereof can be used, is not limited thereto.
상기 바인더는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극재 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부 첨가된다. 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.The binder is usually added in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode material including the cathode active material. If the content of the binder is less than 1 part by weight, the adhesive force between the positive electrode active material and the current collector may be insufficient. If the amount of the binder is more than 50 parts by weight, the adhesive force may be improved, but the content of the positive electrode active material may be decreased.
상기 양극재에 포함되는 도전재는 리튬 이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material included in the cathode material is not particularly limited as long as it does not cause side reactions in the internal environment of the lithium secondary battery and does not cause chemical change in the battery and has excellent electrical conductivity. Typically, graphite or conductive carbon is used Graphite such as natural graphite, artificial graphite and the like; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, black black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; A carbon-based material whose crystal structure is graphene or graphite; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Carbon fluoride; Metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; And polyphenylene derivatives may be used singly or in combination of two or more, but the present invention is not limited thereto.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 양극재 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극재에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극 활물질에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 양극 활물질에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.The conductive material is usually added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode material including the cathode active material. If the content of the conductive material is less than 0.5 parts by weight, the effect of improving electrical conductivity may not be expected or the electrochemical characteristics of the battery may deteriorate. If the content of the conductive material exceeds 50 parts by weight, the amount of the cathode active material And the capacity and the energy density may be lowered. The method of incorporating the conductive material into the cathode material is not particularly limited, and conventional methods known in the art such as coating on the cathode active material can be used. Further, if necessary, since the conductive second coating layer is added to the positive electrode active material, the addition of the conductive material as described above may be substituted.
본 발명의 양극을 구성하는 양극재에는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.The positive electrode material constituting the positive electrode of the present invention may optionally contain a filler as a component for suppressing the expansion of the positive electrode. Such a filler is not particularly limited as long as it can inhibit the expansion of the electrode without causing chemical change in the battery, and examples thereof include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers; Etc. may be used.
상기 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 양극재는 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 본 발명의 양극을 제조할 수 있다. 상기 분산매(용매)로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode material of the present invention can be prepared by dispersing and mixing the positive electrode active material, the binder and the conductive material in a dispersion medium (solvent) to form a slurry, applying the slurry on the positive electrode current collector, and then drying and rolling. N-methyl-2-pyrrolidone (DMF), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol, isopropanol, water and mixtures thereof may be used as the dispersion medium.
상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.The positive electrode current collector may be formed of a metal such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS) ), Molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ) , A surface of aluminum (Al) or a stainless steel surface treated with carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti) or silver (Ag) may be used. The shape of the anode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched, a porous body, a foam or the like.
또한, 본 발명은, 상술한 내용에 따른 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 일반적으로 리튬 이차전지는 양극재와 집전체로 구성된 양극, 음극재와 집전체로 구성된 음극, 및 상기 양극과 음극 간의 전기적 접촉을 차단하고 리튬이온을 이동하게 하는 분리막으로 구성되며, 이들에 함침되어 리튬이온의 전도를 위한 전해액을 포함한다. 상기 음극은 해당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질, 도전재, 바인더, 필요에 따라 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조할 수 있다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode according to the above-described contents. Generally, a lithium secondary battery is composed of a positive electrode made of a positive electrode material and a current collector, a negative electrode made of a negative electrode material and a current collector, and a separator for blocking electrical contact between the positive electrode and the negative electrode and moving lithium ions, And an electrolytic solution for conduction of lithium ions. The negative electrode may be manufactured according to a conventional method known in the art. For example, a negative electrode may be prepared by dispersing and mixing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a filler as necessary in a dispersion medium (solvent) to prepare a slurry, coating the dispersion on an anode current collector, followed by drying and rolling .
상기 음극 활물질로는 리튬 금속이나 리튬 합금(예컨대, 리튬과 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등과 같은 금속과의 합금)를 사용할 수 있다. 상기 음극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 구리(Cu) 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 음극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.As the negative electrode active material, lithium metal or a lithium alloy (for example, an alloy of lithium and a metal such as aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, tin, gallium or indium) may be used. The negative electrode collector may be formed of at least one selected from the group consisting of Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Ru, Ni, STS, ), Molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ) (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) on the surface of copper, copper or stainless steel may be used. The anode current collector may be in the form of a foil, a film, a sheet, a punched, a porous body, a foam or the like.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬이온의 이동 통로를 제공하는 역할을 한다. 분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다.The separation membrane is interposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween and to provide a movement path of lithium ions. As the separation membrane, an olefin-based polymer such as polyethylene or polypropylene, glass fiber or the like may be used in the form of a sheet, a multilayer, a microporous film, a woven fabric and a nonwoven fabric, but is not limited thereto. On the other hand, when a solid electrolyte such as a polymer (for example, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte or the like) is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane. Specifically, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 mu m, and the thickness generally ranges from 5 to 300 mu m.
상기 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(Franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란과 같은 테트라하이드로푸란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.As the electrolyte solution, carbonate, ester, ether, or ketone may be used alone or as a mixture of two or more of them as a non-aqueous liquid electrolyte (non-aqueous organic solvent), but the present invention is not limited thereto. Examples of the solvent include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, methyl ethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, Ethyl acetate, n-propyl acetate, phosphoric acid triester, dibutyl ether, N-methyl-2-pyrrolidinone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfurfurane (Franc), 2-methyltetrahydrofuran Dimethylformamide, dioxolane and derivatives thereof, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, trimethoxymethane, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dioxolane, - dimethyl-2-imidazolidinone, methyl propionate, ethyl propionate and the like can be used but are not limited thereto It is not.
상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiFSI, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 (비수계) 전해액에는 충ㅇ방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 필요에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.(Lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution), and the lithium salt may be any known lithium salt which is soluble in a non-aqueous liquid electrolyte, for example, LiFSI, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylate lithium, lithium 4-phenylborate, imide, and the like. The (non-aqueous) electrolytic solution may contain, for the purpose of improving charge-discharge characteristics, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, Amide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxyethanol, . If necessary, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride, ethylene trifluoride or the like may be further added to impart nonflammability, or a carbon dioxide gas may be further added to improve high temperature storage characteristics.
본 발명의 리튬 이차전지는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 고속 충/방전 사이클 조건에서 향상된 용량 특성(급격한 용량 저하 방지)을 나타낼 뿐만 아니라, 사이클 특성, 레이트(Rate) 특성 및 수명 특성이 우수한 바, 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 상기 리튬 이차전지 2개 이상이 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬 이차전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.The lithium secondary battery of the present invention can be produced by a conventional method in the art. For example, a porous separator may be placed between the anode and the cathode, and a non-aqueous electrolyte may be added. The lithium secondary battery according to the present invention not only exhibits improved capacity characteristics (rapid capacity decrease prevention) under high-speed charge / discharge cycle conditions, but also excellent cycle characteristics, rate characteristics and life characteristics, The present invention can be suitably used as a unit cell of a battery module which is a power source of a medium and large-sized device. In this respect, the present invention also provides a battery module in which two or more lithium secondary batteries are electrically connected (in series or in parallel). The amount of the lithium secondary battery included in the battery module may be variously adjusted in consideration of the use and capacity of the battery module.
나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Further, the present invention provides a battery pack in which the battery module is electrically connected according to a conventional technique. The battery module and the battery pack may include a power tool; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); Electric truck; Electric commercial vehicle; Or a power storage system, but is not limited thereto.
다음으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법은, a) 용매의 존재 하에서, 수용성의 마그네슘계 화합물, 바나듐 산화물 및 유기산을 반응시키는 단계 및 b) 상기 반응물을 건조 및 열 처리하는 단계를 포함한다.Next, a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention will be described. The method for producing the cathode active material for a lithium secondary battery includes the steps of: a) reacting a water-soluble magnesium compound, vanadium oxide and an organic acid in the presence of a solvent; and b) drying and heat-treating the reactant.
상기 바나듐 산화물(전구체), 유기산 및 마그네슘계 화합물(마그네슘 이온 전구체)의 혼합 중량비는 20 내지 55 : 40 내지 75 : 0.4 내지 5일 수 있다. 상기 마그네슘계 화합물은 용매, 특히 증류수 등의 물에 잘 녹아 마그네슘 이온의 해리가 가능한 수용성의 화합물로서, 어떠한 형태의 바나듐 산화물과 반응하더라도 마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물이 제조되도록 하는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 이와 같은 수용성의 마그네슘계 화합물로는, 질산마그네슘(Mg(NO3)2·6H2O) 등 당업계에 알려진 수용성을 가지는 마그네슘계 화합물을 예시할 수 있다. 상기 바나듐 산화물의 예시는 전술한 바로 대신하고, 상기 유기산으로는 시트르산(citric acid), 옥살산(oxalic acid), 타닌산(tannic acid) 및 이들의 혼합물 등, 통상의 유기산을 예시할 수 있으며, 시트르산의 사용이 바람직하다.The mixing weight ratio of the vanadium oxide (precursor), the organic acid, and the magnesium compound (magnesium ion precursor) may be 20 to 55:40 to 75: 0.4 to 5. The magnesium-based compound is a water-soluble compound capable of dissolving magnesium ions in a solvent such as distilled water. The magnesium-based compound is not particularly limited as long as it can be reacted with any type of vanadium oxide to produce vanadium oxide substituted with magnesium ions. . Examples of such water-soluble magnesium compounds include water-soluble magnesium compounds known in the art such as magnesium nitrate (Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O). Examples of the vanadium oxide may be replaced with the above-mentioned organic acid. Examples of the organic acid include common organic acids such as citric acid, oxalic acid, tannic acid, and mixtures thereof. Examples of the organic acid include citric acid Use is preferred.
상기 a) 단계의 반응(혼합 및 용해 포함)은 60 내지 90 ℃, 바람직하게는 70 내지 80 ℃의 온도 하에서 스터링(stirring) 등 통상적인 교반 방식에 의해 수행될 수 있고, 상기 용매로는 증류수 등의 물(water) 등을 예시할 수 있다. 또한, 상기 b) 단계의 건조 공정은 생성된 혼합물 중 용매의 전부 또는 일부를 제거하기 위한 공정으로서, 건조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 당업계에서 통용되는 일반적인 방법일 수 있다. 또한, 상기 b) 단계의 열 처리 공정은 건조된 혼합물에 잔류할 수 있는 용매의 제거 및 적절한 바나듐 산화물 구조체를 형성하기 위한 공정으로서, 공기 분위기 하에서 350 내지 650 ℃, 바람직하게는 450 내지 550 ℃의 온도로 1 내지 10 시간, 바람직하게는 4 내지 8 시간 동안 가열로(furnace) 등 가열이 가능한 통상의 장치 또는 방식에 의해 수행될 수 있다. 한편, 열 처리 공정에 있어서, 상기 온도 범위를 초과하면, 산화 및 열 변형 등에 의해 바나듐 산화물의 구조를 일정하게 유지하기 어렵고, 상기 시간 범위를 초과하는 경우에는, 결정 구조에서 리튬 이온 확산 통로(Li ion diffusion pathway)가 길어져 리튬 이온의 탈삽입에 있어서 비효율적인 구조가 형성될 수 있다.The reaction (including mixing and dissolution) in step a) may be carried out by a conventional stirring method such as stirring at a temperature of 60 to 90 ° C, preferably 70 to 80 ° C, and the solvent may be distilled water Water, and the like. The drying process in step b) is a process for removing all or part of the solvent in the resulting mixture. The drying method is not particularly limited and may be a general method commonly used in the art. In addition, the heat treatment process in the step b) is a process for removing a solvent remaining in the dried mixture and for forming an appropriate vanadium oxide structure. The heat treatment is carried out in an air atmosphere at 350 to 650 ° C, preferably 450 to 550 ° C For example, by heating or the like in a furnace for 1 to 10 hours, preferably 4 to 8 hours. On the other hand, in the heat treatment process, when the temperature is out of the above temperature range, it is difficult to keep the structure of the vanadium oxide constant due to oxidation and thermal deformation, and when it exceeds the time range, the lithium ion diffusion path ion diffusion pathway is prolonged and an inefficient structure can be formed in the de-insertion of lithium ions.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. It is of course also within the scope of the appended claims.
[실시예 1][Example 1]
양극 활물질의 제조Preparation of cathode active material
먼저, 시트르산 : 메타바나듐산 암모늄(바나듐 산화물 전구체) : 질산마그네슘(마그네슘 이온 전구체)의 혼합 중량비를 55 : 43 : 2로 하여 500 ml의 증류수에 첨가한 후 80 ℃의 온도 하에서 교반시켰다. 이어서, 교반된 혼합액을 120 ℃의 온도 하에서 건조시키고, 계속해서, 공기 분위기 하에서 500 ℃의 가열로에 넣어 6 시간 동안 열 처리함으로써, 마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물(Mg0.05V1.95O5)을 포함하는 양극 활물질을 제조하였다.First, 500 ml of distilled water was added at a mixing weight ratio of ammonium citrate: ammonium metavanadate (vanadium oxide precursor): magnesium nitrate (magnesium ion precursor) at a weight ratio of 55: 43: 2, and the mixture was stirred at 80 ° C. Subsequently, the stirred mixture was dried at a temperature of 120 DEG C, and then heat-treated for 6 hours in a 500 DEG C heating furnace under an air atmosphere to obtain a vanadium oxide (Mg 0.05 V 1.95 O 5 ) substituted with magnesium ions To prepare a cathode active material.
리튬 이차전지용 양극의 제조Preparation of positive electrode for lithium secondary battery
상기 제조된 양극 활물질, 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 및 도전재로서 super-P를 8 : 1 : 1의 중량비로 혼합하여 양극재를 제조한 후, 이를 NMP 용매에 분산시키고, 알루미늄 집전체에 약 500 ㎛의 두께로 코팅하였다. 코팅 후 약 120 ℃의 진공 오븐에서 약 13 시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.The prepared cathode active material, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder and super-P as a conductive material were mixed at a weight ratio of 8: 1: 1 to prepare a cathode material, which was then dispersed in an NMP solvent, Lt; RTI ID = 0.0 > 500 < / RTI > After coating, the substrate was dried in a vacuum oven at about 120 캜 for about 13 hours to prepare a positive electrode.
리튬 이차전지의 제조Manufacture of lithium secondary battery
상기 제조된 양극을 음극과 대면하도록 위치시킨 후, 양극과 리튬메탈 음극의 사이에 폴리에틸렌 분리막을 개재하였다. 이어서, 디메틸에테르 용매에 4 M 농도로 LiFSI가 용해된 전해액을 케이스 내부로 주입하여 코인셀을 제조하였다.After the prepared positive electrode was positioned to face the negative electrode, a polyethylene separator was interposed between the positive electrode and the lithium metal negative electrode. Subsequently, an electrolytic solution in which LiFSI was dissolved in a dimethyl ether solvent at a concentration of 4 M was injected into the case to prepare a coin cell.
[실시예 2][Example 2]
마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물이 Mg0.05V1.95O5 대신 Mg0.01V1.99O5가 되도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 양극 활물질, 양극 및 리튬 이차전지(코인셀)를 순차 제조하였다.The magnesium ions are substituted with vanadium oxide Mg 0.05 V 1.95 O 5 instead of Mg 0.01 V 1.99 O to 5, except that such that and are performed in the same manner as in Example 1, the positive electrode active material, a positive electrode and a lithium secondary battery (coin cell) .
[비교예 1][Comparative Example 1]
양극 활물질의 제조 시 질산마그네슘을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 양극 활물질, 양극 및 리튬 이차전지(코인셀)를 순차 제조하였다.A positive electrode active material, a positive electrode and a lithium secondary battery (coin cell) were prepared in the same manner as in Example 1 except that magnesium nitrate was not used in the production of the positive electrode active material.
[비교예 2][Comparative Example 2]
마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물이 Mg0.05V1.95O5 대신 Mg0.1V1.9O5가 되도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 양극 활물질, 양극 및 리튬 이차전지(코인셀)를 순차 제조하였다.The magnesium ions are substituted with vanadium oxide Mg 0.05 V 1.95 O 5 instead of Mg 0.1 V 1.9 O 5 is one, and is in the same way as in Example 1, the positive electrode active material, a positive electrode and a lithium secondary battery (coin cell), except that .
[실험예 1] [Experimental Example 1] 전지의 용량 및 수명 특성 평가Evaluation of battery capacity and life characteristics
전지의 수명 특성을 평가하기 위하여, 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 코인셀(4.0 ~ 2.1 V)을 반복적으로 충/방전(충전: 0.2 C, 방전: 0.5 C)하여 각 사이클에 따른 비용량(Specific Capacity)을 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다(Mg 함량은 ICP로 분석). 도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 수명특성을 보여주는 그래프로서, 'Mg-V2O5(Mg: 0.05)'는 실시예 1에 해당하고, 'Ref.'는 비교예 1에 해당하며, 'Mg-V2O5(Mg: 0.1)'는 비교예 2에 해당한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 마그네슘 이온이 치환된 바나듐 산화물을 포함하는 실시예 1의 전지는, 바나듐 산화물만을 포함하는 비교예 1의 전지나, 마그네슘 이온값이 본 발명을 벗어나는 0.1인 비교예 2에 비하여 충/방전 용량 및 수명 유지율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 도 1에 도시되지는 않았으나, 실시예 2의 결과 또한 실시예 1과 매우 유사한 것을 확인하였다.Charging / discharging (charging: 0.2 C, discharging: 0.5 C) was repeatedly performed on the coin cell (4.0 to 2.1 V) manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 to evaluate the life characteristics of the battery The specific capacity according to each cycle was measured, and the result is shown in Fig. 1 (Mg content is analyzed by ICP). FIG. 1 is a graph showing lifetime characteristics of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment and a comparative example of the present invention, wherein 'Mg-V 2 O 5 (Mg: 0.05) 'Corresponds to Comparative Example 1, and' Mg-V 2 O 5 (Mg: 0.1) 'corresponds to Comparative Example 2. As shown in FIG. 1, the battery of Example 1 including vanadium oxide in which magnesium ions were substituted according to the present invention is a battery of Comparative Example 1 containing only vanadium oxide, a battery of magnesium oxide having a magnesium ion value of 0.1 It was confirmed that the charge / discharge capacity and the life span maintenance ratio were improved as compared with Comparative Example 2. On the other hand, although not shown in FIG. 1, the results of Example 2 were also confirmed to be very similar to those of Example 1.
[실험예 2] [Experimental Example 2] XRD 분석XRD analysis
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 양극 활물질을 XRD 분석하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 양극 활물질을 XRD 분석한 데이터로서, 'Mg0.05V1.95O5'는 실시예 1에 해당하고, 'Ref.'는 비교예 1에 해당하며, 'Mg0.1V1.9O5'는 비교예 2에 해당한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 비교예 2의 경우에는 마그네슘-바나듐 산화물 복합체 피크(peak, 점선의 붉은 색 원)가 나타나지만, 실시예 1의 경우에는 해당 피크가 나타나지 않아, 이로부터 실시예 1은 마그네슘 이온이 바나듐 산화물 구조 내로 치환되었다는 것을 확인할 수 있었다(즉, 이종의 결정 피크가 나타난다는 것은, 해당 부분은 바나듐 산화물 구조 내로 치환되지 않았거나 치환되기 어렵다는 것을 의미한다). 이는, 마그네슘을 과량 첨가하는 경우, 치환되지 못한 마그네슘이 바나듐 산화물과 다른 화합물을 생성하게 되고, 그만큼 전지 활동에 참여하지 못하기 때문에 초기 용량이 감소하고 전기적 특성이 나빠짐을 의미한다. 한편, 도 2에 도시되지는 않았으나, 실시예 2의 결과 또한 실시예 1과 매우 유사한 것을 확인하였다.The cathode active materials prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to XRD analysis. The results are shown in FIG. FIG. 2 is data obtained by XRD analysis of a cathode active material prepared according to one embodiment of the present invention and Comparative Example, wherein 'Mg 0.05 V 1.95 O 5 ' corresponds to Example 1 and 'Ref.' Corresponds to Comparative Example 1 , And 'Mg 0.1 V 1.9 O 5 ' corresponds to Comparative Example 2. As shown in Fig. 2, the magnesium-vanadium oxide composite peak (peak, dotted circle) appears in the case of the comparative example 2, but the peak does not appear in the case of the example 1. From this, It was confirmed that the magnesium ion was substituted into the vanadium oxide structure (that is, when a different crystal peak appears, it means that the corresponding part is not substituted in the vanadium oxide structure or is difficult to be substituted). This means that when magnesium is added in an excessive amount, the non-substituted magnesium produces a compound different from the vanadium oxide, and thus the initial capacity decreases and the electrical characteristics deteriorate because it can not participate in the battery activity. On the other hand, although not shown in FIG. 2, the results of Example 2 were also confirmed to be very similar to those of Example 1.
[실험예 3] [Experimental Example 3] 전지의 바나듐 용출량 평가Evaluation of vanadium leaching amount of battery
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 코인셀(4.0 ~ 2.1 V)을 이용하여 전지의 충/방전 시 시간당 바나듐 용출량을 평가하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 바나듐 용출량을 비교하기 위한 데이터로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 마그네슘 이온이 도핑된 양극 활물질을 포함하는 실시예 1의 전지는, 바나듐 산화물만을 양극 활물질로 하는 비교예 1의 전지에 비하여, 전해액으로의 바나듐 용출량이 약 30 % 감소한 것을 확인할 수 있었다.The amount of vanadium elution per hour during the charging / discharging of the battery was evaluated using the coin cell (4.0 to 2.1 V) prepared in Example 1 and Comparative Example 1, and the results are shown in FIG. FIG. 3 is a graph for comparing the amount of vanadium elution of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention and a comparative example. As shown in FIG. 3, It was confirmed that the amount of vanadium leached into the electrolytic solution was reduced by about 30% as compared with the battery of Comparative Example 1 in which only the vanadium oxide was used as the cathode active material.
Claims (12)
[화학식 1]
MgaVbOc
상기 화학식 1에서, 0.01 ≤ a ≤ 0.05이고, 1 ≤ b ≤ 6이고, 2 ≤ c ≤ 13이다.A cathode active material for a lithium secondary battery, comprising a compound of the following formula (1) wherein a part of vanadium of vanadium oxide is doped with magnesium ions.
[Chemical Formula 1]
Mg a V b O c
In the above formula (1), 0.01? A? 0.05, 1? B? 6, and 2? C?
[화학식 2]
VdOe
상기 화학식 2에서, 1 ≤ d ≤ 6이고, 2 ≤ e ≤ 13이다.The cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the vanadium oxide is selected from the group consisting of a compound represented by the following formula (2), a salt thereof, and a mixture thereof.
(2)
V d O e
In Formula 2, 1? D? 6 and 2? E? 13.
b) 상기 반응물을 건조 및 열 처리하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.a) reacting a water-soluble magnesium compound, vanadium oxide and an organic acid in the presence of a solvent; And
b) drying and heat-treating the reactant. < RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
[화학식 2]
VdOe
상기 화학식 2에서, 1 ≤ d ≤ 6이고, 2 ≤ e ≤ 13이다.[Claim 6] The method according to claim 5, wherein the vanadium oxide is a compound represented by the following formula (2), a salt thereof, or a mixture thereof.
(2)
V d O e
In Formula 2, 1? D? 6 and 2? E? 13.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170154553A KR20190057530A (en) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same |
PCT/KR2018/012756 WO2019098564A2 (en) | 2017-11-20 | 2018-10-25 | Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170154553A KR20190057530A (en) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20190057530A true KR20190057530A (en) | 2019-05-29 |
Family
ID=66540258
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020170154553A KR20190057530A (en) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20190057530A (en) |
WO (1) | WO2019098564A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102533407B1 (en) * | 2022-11-29 | 2023-05-17 | 광주과학기술원 | Cathode active material containing vanadium for magnesium ion secondary battery and cathode for magnesium ion secondary battery and secondary battery comprising the same |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114988471B (en) * | 2022-05-18 | 2023-11-14 | 北京大学深圳研究生院 | Preparation method of vanadium-based positive electrode material, vanadium-based positive electrode material and positive electrode sheet |
CN116282156B (en) * | 2023-04-13 | 2024-09-17 | 重庆大学 | Magnesium ion pre-intercalated hydrated vanadium oxide positive electrode material, preparation method and application |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106784738A (en) * | 2017-02-13 | 2017-05-31 | 湘潭大学 | A kind of mg-doped vanadic anhydride/carbon composite anode material and preparation method thereof |
CN107170967B (en) * | 2017-05-05 | 2021-04-20 | 武汉理工大学 | Divalent metal ion pre-embedded layered vanadium oxide nano material and preparation method and application thereof |
-
2017
- 2017-11-20 KR KR1020170154553A patent/KR20190057530A/en not_active Application Discontinuation
-
2018
- 2018-10-25 WO PCT/KR2018/012756 patent/WO2019098564A2/en active Application Filing
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102533407B1 (en) * | 2022-11-29 | 2023-05-17 | 광주과학기술원 | Cathode active material containing vanadium for magnesium ion secondary battery and cathode for magnesium ion secondary battery and secondary battery comprising the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2019098564A3 (en) | 2019-07-11 |
WO2019098564A2 (en) | 2019-05-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3012890B1 (en) | Method of manufacturing a cathode active material for secondary batteries | |
EP2405511B1 (en) | Positive electrode material having a high energy density, and lithium secondary battery comprising same | |
KR101844110B1 (en) | Cathode active material for lithium secondary battery, and cathode and lithium secondary battery comprising the same | |
KR101463996B1 (en) | Improved stable lithium secondary battery | |
KR101887781B1 (en) | Negative electroed active material comprising titanium based composite, method thereof and lithium secondary battery comprising the same | |
KR101844631B1 (en) | Positive electrode material and method for preparing the same | |
KR20200018852A (en) | Cathode active material for lithium secondary battery, method of preparing the same and lithium secondary battery including the same | |
KR20150013079A (en) | Electrode for Secondary Battery Improved Energy Density and Lithium Secondary Battery Comprising the Same | |
KR20160090580A (en) | Positive electrode active material, preparing method thereof, and lithium secondary battery employing positive electrode comprising the positive electrode active material | |
KR20180009911A (en) | Positive Electrode Active Material Comprising High-voltage Lithium Cobalt Oxide for Lithium Secondary Battery and Method of Manufacturing the Same | |
KR20200056235A (en) | Positive active material, method of manufacturing the same and rechargeable lithium battery incluidng the same | |
KR101564131B1 (en) | Cathode active material for lithium secondary battery and manufacturing method thereof | |
WO2019098564A2 (en) | Positive electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing same | |
KR20160126840A (en) | Cathode Active Material Particles Comprising One or More Coating Layer and Method for Preparation of the Same | |
KR20130130357A (en) | Cathode active material composition for lithium secondary battery, method of preparing the same, and lithium secondary battery comprising the same | |
KR20180091413A (en) | Preparation method of long-life electrode for secondary battery | |
KR20190036049A (en) | Positive electrode active material for lithium secondary battery and manufacturing method thereof | |
CN111132933B (en) | Positive electrode material for lithium secondary battery and method for producing same | |
KR101588252B1 (en) | Secondary Battery Cell | |
KR20130117732A (en) | Cathode active material and lithium secondary battery comprising the same | |
KR101608635B1 (en) | Anode Electrodes for Secondary Battery having High Capacity | |
KR101493255B1 (en) | The Method for Preparing Electrodes and the Electrodes Prepared by Using the Same | |
US20210218010A1 (en) | Method for electrochemical pretreatment of vanadium positive electrode for lithium secondary batteries and vanadium positive electrode for lithium secondary batteries pretreated thereby | |
KR102415160B1 (en) | Positive electrode active material for lithium secondary battery including vanadium oxide coated with carbon and method for preparing the same | |
KR102229448B1 (en) | Positive electrode material for lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |