KR20200019571A - Nickel-based active material precursor for lithium secondary battery, preparing method thereof, nickel-based active material for lithium secondary battery formed thereof, and lithium secondary battery comprising positive electrode including the nickel-based active material - Google Patents
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Abstract
Description
리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체, 이의 제조방법, 이로부터 형성된 리튬이차전지용 니켈계 활물질 및 이를 포함하는 양극을 함유한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery, a manufacturing method thereof, a nickel-based active material for a lithium secondary battery formed therefrom, and a lithium secondary battery containing a positive electrode including the same.
휴대용 전자기기, 통신기기 등이 발전함에 따라 고에너지 밀도의 리튬 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높다. 하지만 고에너지 밀도의 리튬이차전지는 안전성이 저하될 수 있어 이에 대한 개선이 필요하다. 리튬이차전지의 양극 활물질로는 리튬니켈망간코발트 복합 산화물, 리튬 코발트 산화물 등이 사용된다. 그런데 이러한 양극 활물질을 이용하는 경우 충방전시 이차 입자 크기에 따른 리튬 이온의 이동거리가 정해지고, 이러한 물리적인 거리로 인해 충방전의 효율이 높지 못했다. 또한 리튬이차전지의 충방전이 반복됨에 따라 일차 입자에 발생되는 크랙으로 인하여 리튬이차전지의 장기 수명이 저하되고 저항이 증가하고 용량 특성이 만족스러운 수준에 도달하지 못하여 이에 대한 개선이 요구된다.With the development of portable electronic devices, communication devices, etc., there is a high necessity for the development of high energy density lithium secondary batteries. However, a high energy density lithium secondary battery may be deteriorated in safety and needs improvement. Lithium nickel manganese cobalt composite oxide, lithium cobalt oxide, etc. are used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. However, when using the positive electrode active material, the moving distance of lithium ions according to the secondary particle size during charge and discharge is determined, and the efficiency of charge and discharge is not high due to the physical distance. In addition, as the charge and discharge of the lithium secondary battery is repeated, cracks generated in the primary particles decrease the long-term life of the lithium secondary battery, increase resistance, and do not reach satisfactory levels of capacity characteristics.
일 측면은 리튬 이온 이용률이 향상된 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery with improved lithium ion utilization.
다른 측면은 상술한 니켈계 활물질 전구체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a method for producing the nickel-based active material precursor described above.
또 다른 측면은 상술한 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어진 니켈계 활물질과 이를 함유한 양극을 포함한 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium secondary battery including the nickel-based active material obtained from the above-described nickel-based active material precursor and a positive electrode containing the same.
일 측면에 따라,According to one side,
입자상 구조체를 복수개 구비하는 이차 입자를 포함하며,Including secondary particles having a plurality of particulate structures,
상기 입자상 구조체가, 다공성 코어부 및 상기 다공성 코어부 상에 방사형으로 배치되는 일차 입자를 구비하는 쉘부를 포함하며,The particulated structure includes a shell portion having a porous core portion and primary particles disposed radially on the porous core portion,
상기 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체가 제공된다.At 50% or more of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery is provided in which the major axis of the primary particles is the normal direction of the surface of the secondary particles.
다른 측면에 따라According to the other side
공급원료를 제1 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드(seed)를 형성하는 1 단계; Supplying the feedstock at a first feed rate and stirring to form a precursor seed;
상기 1단계에서 형성된 전구체 시드에 공급원료를 제2 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드를 성장시키는 2 단계; 및 Supplying the feedstock to the precursor seed formed in the first step at a second feed rate and stirring to grow the precursor seed; And
상기 2단계에서 성장된 전구체 시드에 공급원료를 제3 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드 성장을 조절하는 3 단계를 포함하며,And supplying the feedstock to the precursor seed grown in the second step at a third feed rate and stirring to control precursor seed growth,
상기 공급원료는 착화제, pH 조절제 및 니켈계 활물질 전구체 형성용 금속원료를 포함하며,The feedstock includes a complexing agent, a pH adjuster and a metal material for forming a nickel-based active material precursor,
상기 니켈계 활물질 전구체 형성용 금속원료의 제2 공급속도는 제1 공급속도보다 크고 제3 공급속도는 제2 공급속도보다 큰, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체의 제조방법이 제공된다.A second supply rate of the metal raw material for forming the nickel-based active material precursor is greater than the first supply rate and the third supply rate is greater than the second supply rate, there is provided a method for producing a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery.
또 다른 측면에 따라, According to another aspect,
니켈계 활물질 전구체로부터 얻어진 리튬이차전지용 니켈계 활물질이 제공된다.There is provided a nickel-based active material for a lithium secondary battery obtained from a nickel-based active material precursor.
또 다른 측면에 따라, According to another aspect,
리튬이차전지용 니켈계 활물질을 포함하는 양극을 함유한 리튬이차전지가 제공된다.Provided is a lithium secondary battery containing a positive electrode including a nickel-based active material for a lithium secondary battery.
일 측면에 따른 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체를 이용하면, 양극 활물질과 전해액의 계면에서 리튬의 확산이 용이해지고, 활물질 내부로의 확산이 용이한 니켈계 활물질을 얻을 수 있다. 또한, 리튬의 삽입 및 탈리가 용이하고 리튬이온의 확산거리가 짧은 니켈계 활물질을 얻을 수 있다. 이러한 양극 활물질을 이용하여 제조된 리튬이차전지는 리튬의 이용률이 향상되고 충방전에 따른 활물질의 깨짐이 억제되어 용량 및 수명이 증가한다.When the nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery according to one aspect is used, lithium can be easily diffused at the interface between the positive electrode active material and the electrolyte and a nickel-based active material can be easily diffused into the active material. In addition, it is possible to obtain a nickel-based active material that is easy to insert and detach lithium and has a short diffusion distance of lithium ions. In the lithium secondary battery manufactured using the cathode active material, the utilization rate of lithium is improved and the breakage of the active material due to charge and discharge is suppressed, thereby increasing capacity and lifespan.
도 1은 일구현예에 따른 니켈계 활물질 전구체가 포함하는 이차 입자의 개략도이다.
도 2a는 도1의 이차 입자가 포함하는 입자상 구조체의 개략적인 부분 투시도이다.
도 2b는 도 1의 이차 입자가 포함하는 입자상 구조체의 보다 구체적인 부분 투시도이다.
도 3은 일구현예에 따른 니켈계 활물질 전구체가 포함하는 2차 입자의 표면 부근의 개략적인 단면도이다.
도 4a 및 4b는 실시예 1에서 제조된 니켈계 활물질의 표면 부근의 단면에 대한 고해상도 투과전자현미경(High Resolution TEM) 이미지이다.
도 5는 예시적인 구현예에 따른 리튬이차전지의 모식도이다.1 is a schematic view of secondary particles included in a nickel-based active material precursor according to one embodiment.
FIG. 2A is a schematic partial perspective view of the particulated structure included in the secondary particles of FIG. 1. FIG.
FIG. 2B is a more detailed partial perspective view of the particulated structure included in the secondary particles of FIG. 1. FIG.
3 is a schematic cross-sectional view of the vicinity of the surface of the secondary particles contained in the nickel-based active material precursor according to one embodiment.
4A and 4B are high resolution TEM images of a cross section near the surface of the nickel-based active material prepared in Example 1;
5 is a schematic view of a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체, 이의 제조방법, 이로부터 형성된 니켈계 활물질 및 이를 포함한 양극을 구비한 리튬이차전지에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 이하는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, a nickel-based active material formed therefrom, and a lithium secondary battery having a positive electrode including the same will be described in detail. The following is presented by way of example, and the present invention is not limited thereto. The present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
본 명세서에서 용어 "입자상 구조체"는 복수의 일차 입자가 응집하여 형성된 입자 형태의 구조체를 의미한다.As used herein, the term "particulate structure" means a structure in the form of particles formed by aggregation of a plurality of primary particles.
본 명세서에서 용어 "등방 배열(isotropical arrangement)"은 물체를 관찰하는 방향이 달라져도 그 성질이 변하지 않는 배열이며, 방향성을 알 수 없는 배열을 의미한다. As used herein, the term "isotropical arrangement" refers to an arrangement in which the properties of the object are not changed even when the direction in which the object is observed is changed.
본 명세서에서 용어 "다중심(multicenter)"는 하나의 입자 내에서 복수의 이상의 중심을 가짐을 의미한다. 다중심 입자는 입자 표면에서 입자 중심으로 리튬 이온이 이동해야 할 길이가 단축된다. 리튬 이온의 이동 거리가 단축되므로 내부 저항이 감소하며 충방전 효율 및 장수명에 유리한 입자 구조가 된다.As used herein, the term "multicenter" means having a plurality of ideal centers within one particle. Multicore particles have a shorter length of movement of lithium ions from the particle surface to the particle center. Since the movement distance of the lithium ions is shortened, the internal resistance is reduced, and the particle structure is advantageous for the charge and discharge efficiency and the long life.
본 명세서에서 용어 "방사형 중심"은 도 2a 및 2a에 도시된 바와 같이 다공성 코어부와 다공성 코어부 상에 방사형으로 배열되는 일차 입자를 구비하는 쉘부를 함유한 입자상 구조체의 중심을 의미한다.As used herein, the term "radial center" refers to the center of a particulate structure containing a porous core portion and a shell portion having primary particles arranged radially on the porous core portion as shown in FIGS. 2A and 2A.
본 명세서에서 "방사형"은 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 쉘부가 구비하는 일차 입자의 장축이 입자상 구조체의 표면에 수직인 방향 또는 수직인 방향과 ㅁ30ㅀ의 방향을 이루도록 배열되는 형태를 의미한다.As used herein, "radial" means a form in which the major axis of the primary particles included in the shell portion is arranged in a direction perpendicular to or perpendicular to the surface of the particulate structure as shown in FIGS. 2A and 2B. do.
본 명세서에서 입자의 "크기"는 입자가 구형인 경우 평균직경을 나타내며 입자가 비구형인 경우에는 평균 장축 길이를 나타낸다. 입자의 크기는 입자 크기 분석기(particle size analyzer(PSA))를 이용하여 측정할 수 있다.As used herein, the "size" of a particle represents the average diameter when the particle is spherical and the average major axis length when the particle is non-spherical. Particle size can be measured using a particle size analyzer (PSA).
본 명세서에서 용어 "기공 크기"는 기공이 구형 또는 원형인 경우 기공 크기는 기공의 평균직경 또는 기공의 개구 폭(opening width)을 의미한다. 기공이 타원형 등과 같이 비구형 또는 비원형인 경우 기공 크기는 평균 장축 길이를 의미한다As used herein, the term “pore size” refers to the mean diameter of the pores or the opening width of the pores when the pores are spherical or circular. When the pores are non-spherical or non-circular, such as elliptical, the pore size means the average major axis length.
본 명세서에서 용어 "불규칙 다공성 기공"은 기공 크기 및 형태가 규칙적이지 않고, 균일성이 없는 기공을 의미한다. 불규칙 다공성 기공을 포함한 코어부는 쉘부와 다르게 비정형 입자를 포함할 수 있고 이러한 비정형 입자는 쉘부와 달리 규칙성 없이 배열된다.As used herein, the term “irregular porous pores” refers to pores whose pore size and shape are not regular and which are not uniform. The core portion including the irregular porous pores may include amorphous particles differently from the shell portion, and the amorphous particles are arranged without regularity, unlike the shell portion.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한, 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부"나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함한다.In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings is exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, the embodiments described below are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. In addition, in the layer structure described below, the expressions "upper" or "upper" include not only being directly in contact but also being indirectly on.
일구현예에 따른 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체는, 입자상 구조체를 복수개 구비하는 이차 입자를 포함하며, 입자상 구조체가, 다공성 코어부 및 다공성 코어부 상에 방사형으로 배치되는 일차 입자를 구비하는 쉘부를 포함하며, 상기 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향이다.The nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery according to one embodiment includes secondary particles including a plurality of particulate structures, wherein the particulate structure includes a porous core portion and a shell portion including primary particles radially disposed on the porous core portion. At least 50% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, wherein the major axis of the primary particles is in the normal direction of the surface of the secondary particles.
도 1을 참조하면, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체는 복수의 입자상 구조체(100)를 구비하는 이차 입자(200)를 포함한다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 입자상 구조체(100)가, 다공성 코어부(10) 및 다공성 코어(10)부 상에 방사형으로 배치되는 일차 입자(30)를 구비하는 쉘부(20)를 포함한다. 도 3을 참조하면, 복수의 입자상 구조체(100)로 이루어진 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자(30a, 30b, 30c)의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축(31, 31a, 31b, 31c)이 이차 입자(200) 표면의 법선 방향이다. 예를 들어, 복수의 입자상 구조체(100)로 이루어진 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자(30a, 30b, 30c)의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축(31a, 31b, 31c)이 이차 입자(200)의 표면에 대하여 90도의 각도(α)를 이룬다.Referring to FIG. 1, the nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery includes
도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 이차 입자(200)가 복수의 입자상 구조체(100)의 조립체이므로, 하나의 입자상 구조체로 이루어진 통상적인 이차 입자에 비하여 충방전 시의 리튬 이온의 확산 거리가 단축된다. 입자상 구조체(100)의 코어부(10)가 다공성이며, 코어부(10) 상에 일차 입자(30)가 방사형으로 배치되어 쉘부(20)를 구성하므로 충방전 시의 일차 입자(30)의 부피변화를 효과적으로 수용한다. 따라서, 충방전 시 이차 입자(200)의 부피 변화에 의한 이차 입자(200)의 균열을 억제한다. 일차 입자(30)의 (110) 면은 층상 결정구조를 가지는 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 리튬 이온의 주입 및 방출이 이루어지는 결정면이다. 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자의 장축(31, 31a, 31b, 31c)이 이차 입자(200)의 표면의 법선 방향인 경우, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질과 전해액의 계면에서 리튬의 확산이 용이하고, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질 내부로의 리튬 이온의 확산도 용이하다. 따라서, 이러한 이차 입자(200)로 이루어진 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이해진다.2A, 2B, and 3, since the
도 2a 및 2b를 참조하면, "쉘부(20)"는 입자상 구조체(100)의 중심으로부터 표면까지의 총거리 중, 최외곽으로부터 30 내지 50길이%, 예를 들어 40길이%의 영역 또는 입자상 구조체(100) 의 표면에서 2㎛ 이내의 영역을 의미한다. "코어부(10)"는 입자상 구조체(100)의 중심으로부터 최외곽까지의 총거리 중, 중심으로부터 50 내지 70길이%, 예를 들어 60 길이%의 영역 또는 입자상 구조체(100)의 표면에서 2㎛ 이내의 영역을 제외한 나머지 영역을 의미한다. 입자상 구조체(100)의 중심은 예를 들어 입자상 구조체(100)의 기하학적 중심(geometrical center)이다. 도 2a 및 도 2b에서 입자상 구조체(100)가 완전한 입자 형태를 가지나, 이러한 입자상 구조체(100)가 복수개 조립되어 얻어지는 도 1의 이차 입자(200)에서는 입자상 구조체(100)의 일부가 다른 입자상 구조체와 중복됨에 의하여 입자상 구조체(100)는 부분적인 입자 형태를 가진다.Referring to FIGS. 2A and 2B, the “
도 2b 및 도 3을 참조하면, 예시적인 하나의 이차 입자(200)에서, 일차 입자의 장축(31a, 31b, 31c)이 이차 입자(200) 표면의 법선 방향인 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 함량은, 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 전체 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 50% 내지 95%, 50% 내지 90%, 55% 내지 85%, 60% 내지 80%, 65% 내지 80%, 또는 70% 내지 80%이다. 이러한 일차 입자(30) 함량 범위를 가지는 이차 입자(200)를 포함하는 니켈계 활물질 전구체에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이해진다. 또한, 도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 예시적인 하나의 이차 입자(200)에서, 일차 입자의 장축(31a, 31b, 31c)이 이차 입자(200) 표면의 법선 방향인 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 함량은, 이차 입자(200)의 쉘부(20)를 구성하는 전체 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 50% 내지 95%, 50% 내지 90%, 55% 내지 85%, 60% 내지 80%, 65% 내지 80%, 또는 70% 내지 80%일 수 있다.2B and 3, in one exemplary
도 2b 및 도 3을 참조하면, 예시적인 하나의 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)는 단축과 장축을 가지는 비구형 입자이다. 단축은 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 임의의 양 말단의 거리가 가장 작은 지점을 연결한 축이며, 장축은 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 임의의 양 말단의 거리가 가장 큰 지점을 연결한 축이다. 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 단축과 장축의 비는 예를 들어, 1:2 내지 1:20, 1:3 내지 1:20, 또는 1:5 내지 1:15이다. 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)가 이러한 범위의 단축과 장축의 비를 가짐에 의하여 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이해진다.2B and 3, one exemplary
도 2b 및 도 3을 참조하면, 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)는 비구형 입자로서 예를 들어 플레이트 입자(plate particle)를 포함한다. 플레이트 입자는 서로 이격되어 대향하는 2개의 표면을 가지는 입자로서, 2개의 표면 사이의 거리인 두께에 비하여 표면의 길이가 크다. 플레이트 입자의 표면의 길이는 표면을 정의하는 2개의 길이 중에서 더 큰 값이다. 표면을 정의하는 2개의 길이는 서로 다르거나 같으며, 두께에 비하여 크다. 플레이트 입자의 두께가 단축의 길이이며 표면의 길이가 장축의 길이이다. 플레이트 입자가 가지는 표면의 형태는 삼각형, 사각형, 오각경, 육각형 등의 다각형이거나, 원형, 타원형 등이나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 플레이트 입자의 표면 형태로 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 플레이트 입자는 예를 들어 나노디스크, 사각형 나노시트, 오각형 나노시트, 육각형 나노시트이다. 플레이트 입자의 구체적인 형태는 이차 입자가 제조되는 구체적인 조건에 따라 달라진다. 플레이트 입자의 대향하는 2개의 표면이 서로 평행하지 않을 수 있으며, 표면 및 측면 사이의 각도도 다양하게 변형될 수 있으며, 표면과 측면의 모서리도 라운드 형태일 수 있으며, 표면 및 측면이 각각 평면 또는 곡면일 수 있다. 플레이트 입자의 두께와 표면 길이의 비는 예를 들어, 1:2 내지 1:20, 1:3 내지 1:20, 또는 1:5 내지 1:15이다. 예시적인 하나의 플레이트 입자의 평균 두께는 100 내지 250nm, 또는 100nm 내지 200nm이고, 평균 표면의 길이는 250nm 내지 1100nm, 또는 300nm 내지 1000nm이다. 플레이트 입자의 평균 표면 길이는 평균 두께 대비 2 내지 10배이다. 플레이트 입자가 이러한 범위의 두께, 평균 표면 길이, 및 이들의 비율(ratio)을 가짐에 의하여 플레이트 입자가 다공성 코어부 상에 방사형으로 배치되기가 더욱 용이하고 결과적으로 리튬 이온의 이용이 더욱 용이하다. 그리고, 이차 입자(200)에서, 플레이트 입자의 표면 길이 방향에 해당하는 장축, 즉 일차 입자의 장축(31a, 31b, 31c)이 이차 입자(200) 표면의 법선 방향으로 배치된다. 플레이트 입자의 장축이 이러한 방향으로 배치됨에 의하여 리튬 확산 경로가 이차 입자(200)의 표면을 향하며 이차 입자(200) 표면에 리튬 이온의 주입 및 방출이 이루어지는 결정면, 즉 플레이트 입자의 (110)면이 더 많이 노출되므로, 일차 입자(30)로서 플레이트 입자를 포함하는 니켈계 활물질 전구체에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이하다.2B and 3, the
또한, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 50% 이상에서, 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 장축이 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 (110) 면의 법선 방향으로 배치된다. 예를 들어, 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 60% 내지 80%에서, 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 장축이 이차 입자(200)의 표면을 구성하는 일차 입자(30, 30a, 30b, 30c)의 (110) 면의 법선 방향으로 배치된다.2B and 3, at 50% or more of the
도 1 및 도 3을 참조하면, 이차 입자(200)는 다중심을 가지며, 등방 배열로 배치되는 복수의 입자상 구조체(100)로 이루어진다. 이차 입자(200)가 복수의 입자상 구조체(100)를 포함하며, 입자상 구조체(100)마다 중심에 해당하는 다공성 코어부(10)를 포함하므로, 이차 입자(200)는 복수의 중심을 가진다. 따라서, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 이차 입자(200)의 내부의 복수의 중심에서 이차 입자(200)의 표면까지 리튬 온이 이동하는 경로가 단축된다. 결과적으로, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이하다. 또한, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 이차 입자(200)가 포함하는 복수의 입자상 구조체(100)가 일정한 방향성 없이 배치되는 등방 배열 배치를 가지므로, 이차 입자(200)가 배치되는 구체적인 방향에 무관하게 균일한 리튬 이온의 이용이 가능하다. 이차 입자(200)는 예를 들어 복수의 입자상 구조체(100)가 조립되는 형태에 따라 구형 또는 비구형이다.1 and 3, the
도 1 내지 도 3을 참조하면, 니켈계 활물질 전구체에서 입자상 구조체(100)의 크기는 예를 들어 2um 내지 7um, 3um 내지 6um, 3um 내지 5um, 또는 3um 내지 4um이다. 입자상 구조체(100)가 이러한 범위의 크기를 가짐에 의하여, 복수의 입자상 구조체(100)가 조립되어 등방 배열 배치를 가지는 것이 용이해지며 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이해진다.1 to 3, the size of the
도 1을 참조하면, 니켈계 활물질 전구체에서, 이차 입자(200)의 크기는 예를 들어 5um 내지 25㎛, 또는 8 내지 20㎛이다. 이차 입자(200)가 이러한 범위의 크기를 가짐에 의하여, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질에서 리튬 이온의 이용이 더욱 용이해진다.Referring to FIG. 1, in the nickel-based active material precursor, the size of the
도 2A 및 도 2B를 참조하면, 입자상 구조체(100)가 포함하는 다공성 코어부(10)에서 기공의 크기(size)는 150nm 내지 1㎛, 150nm 내지 550nm, 또는 200nm 내지 800nm이다. 또한, 입자상 구조체(100)가 포함하는 쉘부(20)의 기공 크기는 150 nm 미만, 100nm 이하, 또는 20 내지 90nm 이다. 입자상 구조체(100)가 포함하는 다공성 코어부(10)의 기공도(porosity)는 5 내지 15%, 또는 5 내지 10% 이다. 또한, 입자상 구조체(100)가 포함하는 쉘부(20)의 기공도는 1 내지 5%, 또는 1 내지 3%이다. 입자상 구조체(100)가 이러한 범위의 기공의 크기 및 기공도를 가짐에 의하여, 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질의 용량 특성이 우수하다. 예시적인 하나의 입자상 구조체(100)에서 쉘부(20)의 기공도는 다공성 코어부(10)의 기공도에 비하여 작게 제어된다. 예를 들어, 다공성 코어부(10)에서의 기공 크기 및 기공도는 쉘부(20)에서의 기공 크기 및 기공도에 비하여 크며 불규칙적으로 제어된다. 입자상 구조체(100)의 다공성 코어부(10) 및 쉘부(20)에서의 기공도가 범위 및 관계를 충족할 때 쉘부(20)의 치밀도가 다공성 코어부(10) 비하여 증가함에 의하여, 입자상 구조체(100)와 전해액과의 부반응이 효과적으로 억제된다.2A and 2B, the pore size of the
예시적인 하나의 입자상 구조체(100)에서 다공성 코어부(10)에는 닫힌 기공이 존재하고 쉘부(20)에는 닫힌 기공 및/또는 열린 기공이 존재할 수 있다. 닫힌 기공은 전해질 등이 포함되기 어려운 데 반하여, 열린 기공은 입자상 구조체(100)의 기공 내부에 전해질 등을 함유할 수 있다. 또한 입자상 구조체(100)의 다공성 코어부(10)에는 불규칙 다공성 기공이 존재할 수 있다. 불규칙 다공성 구조를 포함한 코어부(10)는 쉘부(20)와 마찬가지로 플레이트 입자를 포함하며, 코어부(10)의 플레이트 입자는 쉘부(20)와 달리 규칙성 없이 배열되어 있다. In one
니켈계 활물질 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The nickel-based active material precursor may be a compound represented by
[화학식 1][Formula 1]
Ni1-x-y-zCoxMnyMz(OH)2 Ni 1-xyz Co x Mn y M z (OH) 2
화학식 1 중, M은 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 원소이고,In
x≤(1-x-y-z), y≤(1-x-y-z), z≤(1-x-y-z), 0<x<1, 0≤y<1, 0≤z<1이다. 예를 들어,0<1-x-y-z<1일 수 있다.x≤ (1-x-y-z), y≤ (1-x-y-z), z≤ (1-x-y-z), 0 <x <1, 0≤y <1, and 0≤z <1. For example, it may be 0 <1-x-y-z <1.
이와 같이 화학식 1의 니켈계 활물질 전구체에서는 니켈의 함량이 코발트의 함량에 비하여 크고 니켈의 함량이 망간의 함량에 비하여 크다. 상기 화학식 1에서 0<x≤1/3이고, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.05, 1/3≤(1-x-y-z) ≤0.95일 수 있다. As such, in the nickel-based active material precursor of
일구현예에 따르면, 화학식 1에서 x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.05 내지 0.3이고, z은 0일 수 있다.According to one embodiment, in
상기 니켈계 활물질 전구체는 예를 들어 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2, Ni0.7Co0.1Mn0.2(OH)2, Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2, Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2, Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2 또는 Ni0.85Co0.1Al0.05(OH)2일 수 있다.The nickel-based active material precursor is, for example, Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 , Ni 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 (OH) 2 , Ni 0.7 Co 0.1 Mn 0.2 (OH) 2 , Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 (OH ) 2 , Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 , Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 or Ni 0.85 Co 0.1 Al 0.05 (OH) 2 .
다른 일구현예에 따른 니켈계 활물질 전구체 제조방법은, 공급원료를 제1 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드(seed)를 형성하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 형성된 전구체 시드에 공급원료를 제2 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드를 성장시키는 제2 단계; 및 상기 제2 단계에서 성장된 전구체 시드에 공급원료를 제3 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드 성장을 조절하는 제3 단계를 포함하며, 공급원료는 착화제, pH 조절제 및 니켈계 활물질 전구체 형성용 금속원료를 포함하며, 니켈계 활물질 전구체 형성용 금속원료의 제2 공급속도는 제1 공급속도보다 크고 제3 공급속도는 제2 공급속도보다 크다.Nickel-based active material precursor manufacturing method according to another embodiment, the first step of supplying a feedstock at a first feed rate and stirring to form a precursor seed (seed); A second step of supplying a feedstock to the precursor seed formed in the first step at a second feed rate and stirring to grow the precursor seed; And a third step of supplying a feedstock to the precursor seed grown in the second step at a third feed rate and stirring to control precursor seed growth, wherein the feedstock is a complexing agent, a pH adjuster, and a nickel-based active material precursor formation. And a metal feed material, wherein the second feed rate of the metal raw material for forming the nickel-based active material precursor is greater than the first feed rate and the third feed rate is greater than the second feed rate.
제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계에서 금속원료의 공급속도를 순차적으로 증가시킴에 의하여 상술한 새로운 구조를 가지는 니켈계 활물질 전구체가 얻어진다. 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계에서 반응 온도는 40 ~ 60℃, 교반동력은 0.5 ~ 6.0kW/㎥이고 pH는 10 내지 12 범위이며, 반응 혼합물이 포함하는 착화제의 함량은 0.2 내지 0,8M, 예를 들어 0.4 내지 0.6M 범위이다. 이러한 범위에서 상술한 구조에 더욱 부합하는 니켈계 활물질 전구체가 얻어질 수 있다. By sequentially increasing the feed rate of the metal raw materials in the first, second and third steps, the nickel-based active material precursor having the new structure described above is obtained. In the first, second and third stages, the reaction temperature is 40 to 60 ° C, the stirring power is 0.5 to 6.0 kW /
제1단계에서, 착화제 및 pH 조절제를 함유하며 pH가 제어된 수용액을 포함하는 반응기에 금속원료, 착화제를 일정한 속도로 투입하면서 pH를 제어하여 전구체 시드를 형성 및 성장시킨다. 제1 단계에서 전구체 입자의 성장속도가 0.32 ㅁ 0.05 ㎛/hr일 수 있다. 제1 단계에서 반응 혼합물의 교반동력은 4 이상 6 이하 kW/m3, 또는 5.0kW/m3 이며, pH는 11 초과 내지 12 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 단계에서 금속원료의 공급속도는 1.0 내지 10.0 L/hr, 예를 들어 5.1 L/hr이고, 착화제의 공급속도는 금속원료의 몰 투입 속도 대비 0.3 내지 0.6배, 예를 들어 0.45배이다. 반응 혼합물의 온도는 40 내지 60℃, 예를 들어 50℃이며, 반응 혼합물의 pH는 11.20 내지 11.70, 예를 들어 11.3 내지 11.5이다.In the first step, the pH is controlled and the precursor seed is formed and grown by introducing a metal raw material and a complexing agent at a constant rate into a reactor containing a complexing agent and a pH adjusting agent and containing a pH controlled aqueous solution. In the first step, the growth rate of the precursor particles may be 0.32 ㅁ 0.05 μm / hr. Stirring power of the reaction mixture in the first stage is 4 and less than 6 kW / m 3, or 5.0kW / m 3, pH may be more than 11 to 12 range. For example, in the first step, the feed rate of the metal raw material is 1.0 to 10.0 L / hr, for example 5.1 L / hr, and the feed rate of the complexing agent is 0.3 to 0.6 times the molar feeding rate of the metal raw material, for example 0.45 times. The temperature of the reaction mixture is 40 to 60 ° C., for example 50 ° C., and the pH of the reaction mixture is 11.20 to 11.70, for example 11.3 to 11.5.
제2 단계에서 반응 조건을 변경하여 제1 단계에서 생성된 전구체 시드를 성장시킨다. 제2 단계에서 전구체 시드의 성장속도는 제1단계의 전구체 시드의 성장속도와 동일하거나 20% 이상 증가시킨다. 제2 단계에서 금속원료의 공급속도는 제1 단계의 금속원료의 공급속도와 비교하여 1.1배 이상, 예를 들어 1.1배 내지 1.5배이고, 반응 혼합물에서의 착화제 농도는 제1 단계에서의 착화제 농도를 기준으로 하여 0.05M 이상, 예를 들어 0.05 내지 0.15M 증가되도록 공급할 수 있다. 제2 단계에서 반응 혼합물의 교반 동력은 1 이상 4 미만 kW/m3, 또는 3.0kW/m3 이며, pH는 10.5 내지 11 범위일 수 있다. 제2 단계에서 얻어지는 전구체 입자의 평균입경(D50)이 9 내지 12㎛, 예를 들어 약 10㎛일 수 있다.The reaction conditions are changed in the second step to grow the precursor seeds produced in the first step. In the second step, the growth rate of the precursor seed is the same as the growth rate of the precursor seed in the first step or increases by 20% or more. The feed rate of the metal raw material in the second stage is 1.1 times or more, for example, 1.1 to 1.5 times compared to the feed rate of the metal raw material of the first stage, and the complexing agent concentration in the reaction mixture is the complexing agent in the first stage. It may be supplied so as to increase by 0.05 M or more, for example, 0.05 to 0.15 M based on the concentration. The stirring power of the reaction mixture in the second stage is at least 1 and less than 4 kW / m 3 , or 3.0 kW / m 3 , and the pH may range from 10.5 to 11. The average particle diameter (D50) of the precursor particles obtained in the second step may be 9 to 12㎛, for example about 10㎛.
제3 단계에서 전구체 시드에 입자의 성장속도를 조절하여 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체를 수득한다. 제2 단계에서 전구체 입자의 평균입경(D50)이 9 내지 12㎛, 예를 들어 약 10㎛에 도달하면 제3 단계를 진행한다. 제3 단계에서는 전구체 입자의 성장속도를 제2 단계 보다 2배 이상, 예를 들어 3배 이상 증가시킬 수 있다. 이를 위하여, 제2 단계를 거친 반응기 내부의 반응 생성물의 일부를 제거하여 반응기 내부에서 반응 생성물의 농도를 희석시킬 수 있다. 반응기 내부로부터 제거된 생성물은 다른 반응기에서 사용될 수 있다. 제3 단계에서 금속원료의 공급속도는 제2 단계의 금속원료의 공급속도와 비교하여 1.1배 이상, 예를 들어 1.1배 내지 1.5배이고, 반응 혼합물에서의 착화제 농도는 제2 단계에서의 착화제 농도를 기준으로 하여 0.05M 이상, 예를 들어 0.05 내지 0.15M 증가되도록 공급할 수 있다. 제3 단계에서 침전물이 급속 성장하여 니켈계 활물질 전구체가 얻어진다. 3단계에서 반응 혼합물의 교반동력은 0.5 이상 1 미만 kW/m3, 또는 0.8kW/m3 이며, pH는 10 내지 10.5 미만 범위일 수 있다.In a third step, the growth rate of the particles is controlled in the precursor seed to obtain a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery. If the average particle diameter (D50) of the precursor particles in the second step reaches 9 to 12㎛, for example about 10㎛ proceeds to the third step. In the third step, the growth rate of the precursor particles may be increased two times or more, for example, three times or more than the second step. To this end, a portion of the reaction product inside the reactor that has undergone the second step may be removed to dilute the concentration of the reaction product inside the reactor. Products removed from inside the reactor can be used in other reactors. The feed rate of the metal raw material in the third stage is 1.1 times or more, for example, 1.1 times to 1.5 times compared to the feed rate of the metal raw material of the second stage, and the complexing agent concentration in the reaction mixture is the complexing agent in the second stage. It may be supplied so as to increase by 0.05 M or more, for example, 0.05 to 0.15 M based on the concentration. In the third step, the precipitate rapidly grows to obtain a nickel-based active material precursor. Stirring power of the reaction mixture in
전구체 제조방법에서, 제1단계, 제2단계, 및 제3단계로 진행함에 따라 금속원료의 공급속도는 순차적으로 증가할 수 있다. 예를 들어, 금속원료의 제2 단계에서의 공급속도는 제1 단계에서의 공급속도를 기준으로 10 내지 50%로 증가하고, 제3 단계에서의 공급속도는 제2 단계에서의 공급속도를 기준으로 10 내지 50%로 증가할 수 있다. 이와 같이 금속원료의 공급속도를 점차적으로 증가시킴에 의하여, 상술한 구조에 더욱 부합하는 니켈계 활물질 전구체가 얻어질 수 있다.In the precursor manufacturing method, the feed rate of the metal raw material may increase sequentially as the first step, the second step, and the third step proceed. For example, the feed rate in the second stage of the metal raw material increases to 10 to 50% based on the feed rate in the first stage, and the feed rate in the third stage is based on the feed rate in the second stage. To 10 to 50%. By gradually increasing the feed rate of the metal raw material, a nickel-based active material precursor more suitable for the above-described structure can be obtained.
전구체 제조방법에서, 제1단계, 제2단계, 제3단계로 진행함에 따라 반응기에서 반응 혼합물의 교반속도는 순차적으로 감소될 수 있다. 이와 같이 교반속도가 점차적으로 감소됨에 의하여, 상술한 구조에 더욱 부합하는 니켈계 활물질 전구체가 얻어질 수 있다.In the precursor preparation method, the stirring speed of the reaction mixture in the reactor may be sequentially reduced as the first, second and third steps proceed. As the stirring speed is gradually reduced in this manner, a nickel-based active material precursor that is more compatible with the above-described structure can be obtained.
전구체 제조방법에서, 제1단계, 제2단계, 제3단계로 진행함에 따라 반응기에서 반응 혼합물의 교반동력(예를 들어, 교반 속도)이 순차적으로 감소될 수 있다. 제1 단계에서 교반동력은 4 이상 6 이하 kW/m3이고, 제2 단계에서 교반동력은 1 이상 4 미만 kW/m3이며, 제3 단계에서 교반동력은 0.5 이상 1 미만 kW/m3인 일 수 있다. 이와 같이 교반동력(예를 들어, 교반 속도)이 점차적으로 감소됨에 의하여, 상술한 구조에 더욱 부합하는 니켈계 활물질 전구체가 얻어질 수 있다.In the precursor manufacturing method, the stirring power (eg, stirring speed) of the reaction mixture in the reactor may be sequentially reduced as the first, second, and third steps proceed. In the first step, the stirring power is 4 or more and 6 or less kW / m 3 , in the second step, the stirring power is 1 or more and less than 4 kW / m 3 , and in the third step, the stirring power is 0.5 or more and less than 1 kW / m 3 . Can be. As the stirring power (for example, the stirring speed) is gradually reduced in this manner, a nickel-based active material precursor more suitable for the above-described structure can be obtained.
전구체 제조방법에서, 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계로 진행함에 따라 반응기에서 반응 혼합물의 pH는 순차적으로 감소될 수 있다. 예를 들어, 제1단계 내지 제3단계에서의 반응 혼합물의 pH는, 반응온도가 50℃일 때, 10.10 내지 11.50 범위일 수 있다. 예를 들어, 제3 단계에의 반응 혼합물의 pH는 반응온도가 50℃일 때 제1 단계의 반응 혼합물의 pH에 비하여 1.1 내지 1.4, 또는 1.2 내지 1.4 낮을 수 있다. 예를 들어, 반응온도 50℃에서 제2 단계에서의 반응 혼합물의 pH는 제1 단계에서의 반응 혼합물의 pH에 비하여 0.55 내지 0.85 낮고, 제3 단계에서의 반응 혼합물의 pH는 제2 단계에서의 반응 혼합물의 pH에 비하여 0.35 내지 0.55 낮을 수 있다. 이와 같이 반응 혼합물의 pH가 점차적으로 감소됨에 의하여, 상술한 구조에 더욱 부합하는 니켈계 활물질 전구체가 얻어질 수 있다.In the precursor preparation method, the pH of the reaction mixture in the reactor may be sequentially reduced as it proceeds to the first, second and third steps. For example, the pH of the reaction mixture in the first to third steps may range from 10.10 to 11.50 when the reaction temperature is 50 ° C. For example, the pH of the reaction mixture in the third stage can be 1.1 to 1.4, or 1.2 to 1.4 lower than the pH of the reaction mixture in the first stage when the reaction temperature is 50 ° C. For example, at a reaction temperature of 50 ° C., the pH of the reaction mixture in the second stage is 0.55 to 0.85 lower than the pH of the reaction mixture in the first stage, and the pH of the reaction mixture in the third stage is It may be 0.35 to 0.55 lower than the pH of the reaction mixture. As the pH of the reaction mixture is gradually reduced in this manner, a nickel-based active material precursor more compliant with the above-described structure can be obtained.
전구체 제조방법에서, 제2 단계에서의 반응 혼합물이 포함하는 착화제의 농도는 제1 단계에서의 반응 혼합물이 포함하는 착화제의 농도에 비하여 증가될 수 있으며, 제3 단계에서의 반응 혼합물이 포함하는 착화제의 농도는 제2 단계에서의 반응 혼합물이 포함하는 착화제의 농도에 비하여 증가될 수 있다. In the precursor preparation method, the concentration of the complexing agent included in the reaction mixture in the second step may be increased compared to the concentration of the complexing agent included in the reaction mixture in the first step, and the reaction mixture in the third step is included. The concentration of the complexing agent may be increased compared to the concentration of the complexing agent included in the reaction mixture in the second step.
니켈계 활물질 전구체 입자의 성장속도 제어를 위해 입자를 성장시키는 금속원료의 투입량을 제1 단계 대비 제2 단계에서 15 내지 35%, 예를 들어 약 25% 증가시키고, 제3 단계에서는 제2 단계 대비 20 내지 35%, 예를 들어 약 33% 증가시킬 수 있다. 또한, 제2 단계에서는 암모니아수 투입량을 제1 단계의 암모니아수의 투입량을 기준으로 하여 10 내지 35 %, 예를 들어 약 20% 증가시켜 입자의 치밀도를 증가시킬 수 있다. In order to control the growth rate of the nickel-based active material precursor particles, the input amount of the metal raw material for growing the particles is increased from 15 to 35%, for example, about 25% in the second step compared to the first step, and in the third step, compared to the second step. 20-35%, for example about 33%. In addition, in the second step, the ammonia water input amount may be increased by 10 to 35%, for example about 20%, based on the input amount of the ammonia water in the first step, thereby increasing the density of the particles.
금속원료는 니켈계 활물질 전구체의 조성을 고려하여 이에 대응되는 금속 전구체를 이용할 수 있다. 금속원료는 예를 들어 금속 카보네이트, 금속 설페이트, 금속 나이트레이트, 금속 클로라이드 등이나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 금속 전구체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The metal raw material may use a metal precursor corresponding to the composition of the nickel-based active material precursor. Metal raw materials are not limited to, for example, metal carbonates, metal sulfates, metal nitrates, metal chlorides, and the like, and can be used as long as they can be used as metal precursors in the art.
pH 조절제는 반응기 내부에서 금속이온의 용해도를 낮추어 금속이온이 수산화물로 석출되도록 하는 역할을 한다. pH 조절제는예를 들어 암모늄 하이드록사이드, 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3) 등이다. pH 조절제는 예를 들어 수산화나트륨(NaOH)이다.The pH regulator serves to lower the solubility of the metal ions in the reactor so that the metal ions precipitate into the hydroxide. pH adjusting agents are, for example, ammonium hydroxide, sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), and the like. The pH adjusting agent is for example sodium hydroxide (NaOH).
착화제는 공침반응에서 침전물의 형성 반응 속도를 조절해주는 역할을 한다. 착화제는 암모늄 하이드록사이드 (NH4OH)(암모니아수), 시트르산(citric acid), 구연산, 아크릴산, 타르타르산, 글리코산 등이다. 착화제의 함량은 통상적인 수준으로 사용된다. 착화제는 예를 들어 암모니아수이다.The complexing agent plays a role in controlling the formation reaction rate of the precipitate in the coprecipitation reaction. Complexing agents are ammonium hydroxide (NH 4 OH) (ammonia water), citric acid, citric acid, acrylic acid, tartaric acid, glycoic acid and the like. The content of the complexing agent is used at a conventional level. The complexing agent is, for example, ammonia water.
다른 일구현예에 따른 니켈계 활물질은 상술한 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어진다. 니켈계 활물질은 예를 들어 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이다.Nickel-based active material according to another embodiment is obtained from the above-described nickel-based active material precursor. The nickel-based active material is, for example, a compound represented by the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
Lia(Ni1-x-y-zCoxMnyMz)O2 Li a (Ni 1-xyz Co x Mn y M z ) O 2
상기 화학식 2 중, M은 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄 (Zr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 원소이고, 1.0≤a≤1.3이고, x≤(1-x-y-z), y≤(1-x-y-z), z≤(1-x-y-z), 0 <x<1, 0≤y<1, 0≤z<1, 0<1-x-y-z<1일 수 있다.In
화학식 2로 표시되는 화합물은 니켈의 함량이 코발트의 함량에 비하여 크고 니켈의 함량이 망간의 함량에 비하여 크다. 상기 화학식 2에서 1.0≤a≤1.3, 0<x≤1/3이고, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.05, 1/3≤(1-x-y-z)≤0.95일 수 있다.The compound represented by the formula (2) has a nickel content greater than that of cobalt and a nickel content greater than that of manganese. In
화학식 2에서 a는 예를 들어 1 내지 1.1이고, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.05 내지 0.3이고, z은 0일 수 있다.In
니켈계 활물질에서 예를 들어 니켈의 함량은 전이금속 총함량을 기준으로 하여 33몰% 내지 95몰%, 예를 들어 50 내지 90몰%, 예를 들어 60 내지 85몰%일 수 있다. 전이금속 총함량은 상기 화학식 2에서 니켈, 코발트, 망간 및 M의 총함량을 나타낸다.For example, the nickel content in the nickel-based active material may be 33 mol% to 95 mol%, for example, 50 to 90 mol%, for example, 60 to 85 mol%, based on the total transition metal content. The total transition metal content represents the total content of nickel, cobalt, manganese and M in the formula (2).
니켈계 활물질은 예를 들어 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2, LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 또는 LiNi0.85Co0.1Al0.05O2일 수 있다. The nickel-based active material is, for example, LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.1 Mn 0.2 O 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNi 1/3 Co 1 / 3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , or LiNi 0.85 Co 0.1 Al 0.05 O 2 .
니켈계 활물질은 리튬이 결정 구조 내에 배치되고, 수산화물이 산화물로 변경된 것을 제외하고는 상술한 니켈계 활물질 전구체와 실질적으로 유사/동일한 입자 구조 및 특성을 가질 수 있다.The nickel-based active material may have substantially similar / identical particle structures and properties to the nickel-based active material precursor described above except that lithium is disposed in the crystal structure and hydroxide is changed to an oxide.
니켈계 활물질이 포함하는 이차 입자는 다중심을 가지며, 등방 배열로 배치되는 복수의 입자상 구조체로 이루어지므로, 이차 입자 표면에서 중심부까지의 리튬 이온 및 전자의 이동 거리가 감소되므로, 리튬 이온의 삽입, 탈리가 용이해지고, 전자의 전달이 용이하다. 또한, 니켈계 활물질이 포함하는 입자상 구조체는 다공성 코어부 및 다공성 코어부 상에 방사형으로 배치되는 일차 입자를 구비함에 의하여 충방전시 니켈계 활물질의 부피를 효과적으로 수용하므로 니켈계 활물질의 스트레스가 감소될 수 있다. 따라서, 상술한 니켈계 활물질 전구체로부터 얻어지는 니켈계 활물질은 니켈의 함량을 증가시키지 않는다고 하더라도 동일한 조성 대비 용량 특성이 더 우수하다. Since the secondary particles included in the nickel-based active material have multiple cores and consist of a plurality of particulate structures arranged in an isotropic array, the movement distance of lithium ions and electrons from the surface of the secondary particles to the center is reduced, so that lithium ions are inserted, Desorption becomes easy and electron transfer is easy. In addition, the particulate structure including the nickel-based active material has a porous core portion and primary particles disposed radially on the porous core portion to effectively accommodate the volume of the nickel-based active material during charge and discharge, thereby reducing the stress of the nickel-based active material. Can be. Therefore, the nickel-based active material obtained from the above-described nickel-based active material precursor has better capacity characteristics compared to the same composition even if the nickel content is not increased.
니켈계 활물질은 입자상 구조체를 복수개 구비하는 이차 입자를 포함하며, 입자상 구조체가, 다공성 코어부 및 다공성 코어부 상에 방사형으로 배치되는 일차 입자를 구비하는 쉘부를 포함하며, 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면의 법선 방향이다. 예를 들어, 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자는 60% 내지 80%에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면의 법선 방향이다. 도 4A 및 4B를 참조하면, 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면의 법선 방향이다. 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 각각의 일차 입자의 장축이 [110] 방향이다. 도 4A 및 4B를 참조하면, 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 60% 내지 80%에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면의 법선 방향이다. 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 60% 내지 80%에서, 각각의 일차 입자의 장축이 [110] 방향이다. 일차 입자의 (110) 면은 니켈계 활물질에서 리튬이온의 주입 및 방출이 이루어지는 면으로, 이차 입자의 최외곽에서 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면의 법선 방향인 경우, 니켈계 활물질과 전해액의 계면에서 리튬의 확산이 용이해지고, 니켈계 활물질 내부로의 리튬의 확산이 용이하다. 니켈계 활물질에서 리튬의 삽입 및 탈리가 용이하고 리튬이온의 확산거리가 단축된다. 니켈계 활물질이 포함하는 일차 입자는 플레이트 입자(plate particle)를 포함하고, 플레이트 입자의 장축이 이차 입자의 표면의 법선 방향이며, 플레이트 입자는 두께와 길이 비율이 1:2 내지 1:20일 수 있다. The nickel-based active material includes secondary particles including a plurality of particulate structures, and the particulate structure includes a porous core portion and a shell portion having primary particles disposed radially on the porous core portion, and constitutes a surface of the secondary particles. At 50% or more of the primary particles, the major axis of the primary particles is in the normal direction of the surface of the secondary particles. For example, at 60% to 80% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the major axis of the primary particles is in the normal direction of the surface of the secondary particles. 4A and 4B, at 50% or more of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the major axis of the primary particles is the normal direction of the surface of the secondary particles. At 50% or more of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the major axis of each primary particle is in the [110] direction. 4A and 4B, in 60% to 80% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the major axis of the primary particles is the normal direction of the surface of the secondary particles. At 60% to 80% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the major axis of each primary particle is in the [110] direction. The (110) plane of the primary particles is a surface where lithium ions are injected and released from the nickel-based active material. When the major axis of the primary particles is in the normal direction of the surface of the secondary particles at the outermost part of the secondary particles, the nickel-based active material and the electrolyte solution The diffusion of lithium at the interface becomes easy, and the diffusion of lithium into the nickel-based active material is easy. Insertion and desorption of lithium in the nickel-based active material is easy, and the diffusion distance of lithium ions is shortened. The primary particles included in the nickel-based active material include plate particles, the major axis of the plate particles is in the normal direction of the surface of the secondary particles, and the plate particles may have a thickness and length ratio of 1: 2 to 1:20. have.
니켈계 활물질 전구체로부터 니켈계 활물질을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 건식일 수 있다.The method for producing the nickel-based active material from the nickel-based active material precursor is not particularly limited and may be, for example, dry.
니켈계 활물질은 예를 들어 리튬 전구체 및 니켈계 활물질 전구체를 일정 몰비로 혼합하고 이를 600 내지 800℃에서 1차 열처리(저온 열처리)하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다. The nickel-based active material may be prepared, for example, by mixing a lithium precursor and a nickel-based active material precursor at a predetermined molar ratio, and performing a first heat treatment (low temperature heat treatment) at 600 to 800 ° C.
리튬 전구체는 예를 들어 수산화리튬, 플루오르화리튬, 탄산리튬, 또는 그 혼합물을 사용한다. 리튬 전구체와 니켈계 활물질 전구체의 혼합비는 예를 들어 상기 화학식 2의 니켈계 활물질을 제조할 수 있도록 화학양론적으로 조절된다. The lithium precursor uses, for example, lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium carbonate, or a mixture thereof. The mixing ratio of the lithium precursor and the nickel-based active material precursor is stoichiometrically controlled to prepare the nickel-based active material of
혼합은 건식 혼합일 수 있고, 믹서 등을 이용하여 실시할 수 있다. 건식 혼합은 밀링을 이용하여 실시할 수 있다. 밀링 조건은 특별히 한정되지 않으나, 출발물질로 사용한 전구체의 미분화 등과 같은 변형이 거의 없도록 실시할 수 있다. 니켈계 활물질 전구체와 혼합되는 리튬 전구체의 사이즈를 미리 제어할 수 있다. 리튬 전구체의 사이즈(평균입경)은 5 내지 15㎛, 예를 들어 약 10㎛ 범위이다. 이러한 사이즈를 갖는 리튬 전구체를 전구체와 300 내지 3,000rpm으로 밀링을 실시함에 의하여 요구되는 혼합물을 얻을 수 있다. 밀링 과정에서 믹서 내부 온도가 30℃ 이상으로 올라가는 경우에는 믹서 내부 온도를 상온(25℃) 범위로 유지할 수 있도록 냉각 과정을 거칠 수 있다. Mixing may be dry mixing and may be performed using a mixer or the like. Dry mixing can be carried out using milling. Milling conditions are not particularly limited, but may be carried out such that there is little deformation such as micronization of the precursor used as starting material. The size of the lithium precursor mixed with the nickel-based active material precursor can be controlled in advance. The size (average particle diameter) of the lithium precursor is in the range of 5 to 15 mu m, for example about 10 mu m. The desired mixture can be obtained by milling a lithium precursor having such a size at 300 to 3,000 rpm with the precursor. When the temperature inside the mixer rises above 30 ° C. during the milling process, cooling may be performed to maintain the temperature inside the mixer at room temperature (25 ° C.).
저온 열처리는 산화성 가스 분위기하에서 실시된다. 산화성 가스 분위기는 산소 또는 공기와 같은 산화성 가스를 이용하며, 예를 들어 상기 산화성 가스는 산소 또는 공기 10 내지 20 부피%와 불활성가스 80-90 부피%로 이루어진다. 저온 열처리는 리튬 전구체 및 니켈계 활물질 전구체의 반응이 진행되면서 치밀화 온도 이하의 범위에서 실시할 수 있다. 치밀화온도는 결정화가 충분히 이루어져 활물질이 제공할 수 있는 충전용량을 구현할 수 있는 온도이다. 저온 열처리는 예를 들어 600 내지 800℃, 구체적으로 650 내지 800℃에서 실시된다. 저온 열처리 시간은 열처리 온도 등에 따라 가변적이지만 예를 들어 3 내지 10시간이다.Low temperature heat treatment is carried out in an oxidizing gas atmosphere. The oxidizing gas atmosphere uses an oxidizing gas such as oxygen or air, for example, the oxidizing gas is composed of 10 to 20% by volume of oxygen or air and 80 to 90% by volume of inert gas. The low temperature heat treatment may be performed in a range below the densification temperature while the reaction of the lithium precursor and the nickel-based active material precursor proceeds. The densification temperature is a temperature at which the crystallization is sufficiently made to implement the filling capacity that the active material can provide. Low temperature heat treatment is carried out, for example, at 600 to 800 ° C, specifically at 650 to 800 ° C. The low temperature heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature and the like, but is for example 3 to 10 hours.
니켈계 활물질의 제조 방법은, 저온 열처리 후에 반응기 내부로부터 배기를 억제하고 산화성 가스 분위기에서 수행되는 2차 열처리(고온 열처리) 단계를 추가할 수 있다. 고온 열처리는 예를 들어 700 내지 900℃에서 실시된다. 고온 열처리 시간은 고온 열처리 온도 등에 따라 가변적이지만 예를 들어 3 내지 10시간이다.The method of manufacturing the nickel-based active material may further include a secondary heat treatment (high temperature heat treatment) step in which the exhaust gas is suppressed from inside the reactor after the low temperature heat treatment and is performed in an oxidizing gas atmosphere. High temperature heat treatment is carried out, for example, at 700 to 900 ° C. The high temperature heat treatment time varies depending on the high temperature heat treatment temperature and the like, but is for example 3 to 10 hours.
다른 일구현예에 따른 리튬이차전지는 상술한 리튬이차전지용 니켈계 활물질을 포함하는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질을 포함한다.According to another exemplary embodiment, a lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed therebetween including the above-described nickel-based active material for a lithium secondary battery.
리튬이차전지의 제조방법은 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용되는 방법이라면 모두 가능하다. 리튬이차전지는 예를 들어 하기의 방법으로 제조될 수 있다.The manufacturing method of the lithium secondary battery is not particularly limited and may be any method used in the art. The lithium secondary battery can be produced, for example, by the following method.
양극 및 음극은 집전체상에 양극 활물질층 형성용 조성물 및 음극 활물질층 형성용 조성물을 각각 도포 및 건조하여 제작된다.The positive electrode and the negative electrode are produced by coating and drying the positive electrode active material layer-forming composition and the negative electrode active material layer-forming composition on a current collector, respectively.
양극 활물질 형성용 조성물은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 혼합하여 제조되는데, 상기 양극 활물질로서 일구현예에 따른 양극 활물질을 이용한다.The composition for forming a positive electrode active material is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent, and a positive electrode active material according to one embodiment is used as the positive electrode active material.
바인더는, 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 양극 활물질의 총중량 100중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 이러한 바인더의 비제한적인 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. The binder is added to 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode active material as a component to assist in the bonding between the active material and the conductive agent and the bonding to the current collector. Non-limiting examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoro Ethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butyrene rubber, fluororubber, various copolymers, and the like.
도전제로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. The conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
용매의 비제한적 예로서, N-메틸피롤리돈 등을 사용한다.As a non-limiting example of a solvent, N-methylpyrrolidone and the like are used.
바인더, 도전제 및 용매의 함량은 통상적인 수준이다. The content of binders, conductive agents and solvents is at normal levels.
양극 집전체는 3 내지 500 ㎛의 두께로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 열처리 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector has a thickness of 3 to 500 μm and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, heat treated carbon, or Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of aluminum or stainless steel may be used. The current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
이와 별도로 음극 활물질, 바인더, 도전제, 용매를 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 준비한다. 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이 사용된다. 상기 음극 활물질의 비제한적인 예로서, 흑연과 같은 탄소계 재료, 리튬 금속, 그 합금, 실리콘 옥사이드계 물질 등을 사용할 수 있다.Separately, a negative electrode active material, a binder, a conductive agent, and a solvent are mixed to prepare a composition for forming a negative electrode active material layer. As the negative electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium ions is used. As a non-limiting example of the negative electrode active material, a carbon-based material such as graphite, lithium metal, an alloy thereof, a silicon oxide-based material, or the like may be used.
바인더는 음극 활물질의 총중량 100중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 이러한 바인더의 비제한적인 예는 양극과 동일한 종류를 사용할 수 있다.The binder is added in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the negative electrode active material. Non-limiting examples of such a binder can use the same kind as the positive electrode.
도전제는 음극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 5 중량부를 사용한다. 도전제의 함량이 상기 범위일 때 최종적으로 얻어진 전극의 전도도 특성이 우수하다.The conductive agent is used in 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the negative electrode active material. When the content of the conductive agent is in the above range, the conductivity characteristics of the finally obtained electrode are excellent.
용매의 함량은 음극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부를 사용한다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 음극 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.The solvent is used in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the negative electrode active material. When the content of the solvent is within the above range, the operation for forming the negative electrode active material layer is easy.
도전제 및 용매는 양극 제조시와 동일한 종류의 물질을 사용할 수 있다.As the conductive agent and the solvent, the same kind of material as that of the positive electrode may be used.
음극 집전체로는, 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 열처리 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.As the negative electrode current collector, it is generally made in a thickness of 3 to 500 mu m. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, heat treated carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, and aluminum-cadmium alloys may be used. In addition, like the positive electrode current collector, fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
이러한 과정에 따라 제작된 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재한다.A separator is interposed between the anode and the cathode manufactured according to this process.
세퍼레이터는 기공 직경이 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛인 것을 사용한다. 구체적인 예로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 올레핀계 폴리머; 또는 유리섬유로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 세퍼레이터를 겸할 수도 있다.The separator has a pore diameter of 0.01 to 10 µm and a thickness of 5 to 300 µm in general. Specific examples include olefin polymers such as polypropylene and polyethylene; Or sheets made of glass fibers or nonwoven fabrics are used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. A lithium salt containing non-aqueous electrolyte consists of a nonaqueous electrolyte solution and a lithium salt. As the nonaqueous electrolyte, a nonaqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
비수 전해액으로는, 비제한적인 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부티로 락톤, 1,2-디메톡시에탄, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 포름아미드, N,N-디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Non-aqueous electrolytes include, but are not limited to, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2 Dimethoxyethane, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, N, N-dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate , Phosphoric acid triester, trimethoxy methane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, pyrion Aprotic organic solvents such as methyl acid and ethyl propionate can be used.
유기 고체 전해질로는, 비제한적인 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴 등이 사용될 수 있다.상기 무기 고체 전해질로는, 비제한적인 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include, but are not limited to, polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyester sulfides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and the like. Examples of the solid electrolyte include, but are not limited to, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 —Li 2 S-SiS 2 and the like may be used.
리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 비제한적인 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2) 2NLi, (FSO2) 2NLi, (FSO2) 2NLi, 리튬클로로보레이트, 저급 지방족 카르복실산 리튬, 테트라페닐 붕산 리튬, 및 리튬 이미드 등이 사용될 수 있다.Lithium salt is a good material to dissolve in the non-aqueous electrolyte, non-limiting examples, such as LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4,
도 5는 일구현예에 따른 리튬이차전지의 대표적인 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 리튬이차전지 (1)는 양극 (3), 음극 (2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극 (3), 음극 (2) 및 세퍼레이터 (4)가 와인딩되거나 접혀서 전지 케이스 (5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지 케이스 (5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리 (6)로 밀봉되어 리튬이차전지 (1)가 완성된다. 상기 전지 케이스 (5)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬이차전지 (1)는 대형 박막형 전지일 수 있다. 상기 리튬이차전지는 리튬 이온 전지일 수 있다.5 is a cross-sectional view schematically showing a representative structure of a lithium secondary battery according to one embodiment. Referring to FIG. 5, the lithium
양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬 이온 폴리머 전지가 완성된다. 또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지 팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용 량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트 폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차 전지는 고온에서 저장 안정성, 수명특성 및 고율 특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에 사용될 수 있다.A separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode to form a battery structure. The battery structure is stacked in a bi-cell structure, and then impregnated in an organic electrolyte, and the resultant is accommodated in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery. In addition, a plurality of battery structures may be stacked to form a battery pack, and the battery pack may be used in any device requiring a high capacity and a high output. For example, it can be used in notebooks, smartphones, electric vehicles and the like. In addition, the lithium secondary battery may be used in an electric vehicle (EV) because of its excellent storage stability, lifetime characteristics, and high rate characteristics at high temperatures. For example, it may be used in a hybrid vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 한정되는 것이 아니다.It will be described in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are provided for illustration only and are not limited thereto.
제조예 1: 니켈계 활물질 전구체의 제조(6:2:2): 3스텝 방법Preparation Example 1 Preparation of Nickel-Based Active Material Precursor (6: 2: 2): 3-Step Method
공침법을 통해 니켈계 활물질 전구체(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)를 합성하였다. 하기 제조과정에서 니켈계 활물질 전구체를 형성하는 금속원료로는 황산니켈(NiSO4ㆍ6H2O), 황산코발트 (CoSO4ㆍ7H2O) 및 황산망간(MnSO4ㆍH2O)을 Ni:Co:Mn=6:2:2 몰비가 되도록 용매인 증류수에 녹여 혼합 용액을 준비하였다. 또한, 착화합물 형성을 위해 암모니아수(NH4OH)와 침전제로서 수산화나트륨(NaOH)을 준비하였다.Nickel-based active material precursors (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) were synthesized by coprecipitation. Nickel sulfate (NiSO 4 .6H 2 O), cobalt sulfate (CoSO 4 .7H 2 O) and manganese sulfate (MnSO 4 .H 2 O) as Ni as a metal raw material to form a nickel-based active material precursor in the following manufacturing process Ni: A mixed solution was prepared by dissolving in distilled water as a solvent such that Co: Mn = 6: 2: 2 molar ratio. In addition, ammonia water (NH 4 OH) and sodium hydroxide (NaOH) as a precipitant were prepared to form a complex.
1단계: 공급속도 5.10 L/hr, Stage 1: Feed rate 5.10 L / hr, 교반동력Stirring power 5.0kW/㎥, NH 5.0kW / ㎥, NH 33 ㆍHㆍ H 22 O 0.5M, pH 11.30~11.50O 0.5M, pH 11.30 ~ 11.50
교반기가 부착된 반응기에 농도가 0.5 mol/L(M)인 암모니아수를 넣었다. 교반동력 5.0 kW/㎥, 반응온도 50℃를 유지하면서, 2 mol/L(M)인 금속원료(황산니켈, 황산코발트 및 황산망간의 혼합용액) 5.10 L/hr, 0.5 mol/L(M)인 암모니아수 0.77 L/hr로 투입하였다. 이어서 수산화나트륨(NaOH)을 pH 유지를 위해 투입하였다. 반응기 내의 반응 혼합물의 pH는 11.30 ~ 11.50로 유지하였다. 이러한 pH 범위에서 6시간 동안 교반하여 제1 단계 반응을 실시하였다.Ammonia water having a concentration of 0.5 mol / L (M) was added to the reactor to which the stirrer was attached. A metal raw material (mixed solution of nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate) of 2 mol / L (M) while maintaining a stirring power of 5.0 kW / m3 and a reaction temperature of 50 ° C 5.10 L / hr, 0.5 mol / L (M) Phosphorus ammonia water was added at 0.77 L / hr. Sodium hydroxide (NaOH) was then added to maintain pH. The pH of the reaction mixture in the reactor was maintained at 11.30 to 11.50. In this pH range, stirring was performed for 6 hours to carry out the first step reaction.
2단계: 공급속도 6.38 L/hr, Stage 2: Feed rate 6.38 L / hr, 교반동력Stirring power 3.0kW/㎥, NH 3.0kW / ㎥, NH 33 ㆍHㆍ H 22 O 0.6M, pH 10.65~10.75O 0.6M, pH 10.65 ~ 10.75
1단계 반응을 실시한 후, 반응기내 교반동력을 3.0 kW/㎥으로 감소시키고 반응온도 50℃를 유지하면서 2 mol/L(M)인 금속원료 6.38 L/hr, 0.6 mol/L(M)인 암모니아수 1.01 L/hr 투입하였다. 이어서 수산화나트륨(NaOH)을 pH 유지를 위해 투입하였다. 반응기 내의 반응 혼합물의 pH는 10.65 ~ 10.75로 유지하였다. 반응기내 입자의 평균입경 D50이 약 10㎛ 도달할 때까지 교반하여 2단계 반응을 실시하였다. 이어서 제2단계에서 얻어진 생성물의 일부를 반응기로부터 제거하여 생성물의 농도를 감소시켰다. After the one-step reaction, the agitation power in the reactor was reduced to 3.0 kW / m3 and the reaction temperature was 50 ° C., while 6.38 L / hr and 0.6 mol / L (M) of ammonia water were used. 1.01 L / hr was added. Sodium hydroxide (NaOH) was then added to maintain pH. The pH of the reaction mixture in the reactor was maintained at 10.65-10.75. The reaction was stirred until the average particle diameter D50 of the particles in the reactor reached about 10 μm, and a two-step reaction was performed. A portion of the product obtained in the second step was then removed from the reactor to reduce the concentration of the product.
3단계: 공급속도 8.50 L/hr, Stage 3: Feed rate 8.50 L / hr, 교반동력Stirring power 0.8kW/㎥, NH 0.8 kW / ㎥, NH 33 ㆍHㆍ H 22 O 0.7M, pH 10.10~10.20O 0.7M, pH 10.10 ~ 10.20
2단계 반응을 실시한 후, 반응기내 입자의 평균입경(D50)이 약 10㎛에 도달하면 반응기내 교반 동력을 0.8 kW/㎥으로 감소시키고 반응 온도 약 50℃를 유지하면서, 2 mol/L(M)인 금속원료 8.50 L/hr, 0.7 mol/L(M)인 암모니아수 1.18 L/hr 투입하고, NaOH는 pH 유지를 위해 투입하였다. 반응기 내의 반응 혼합물의 pH는 10.10 ~ 10.20으로 유지하였다. 이러한 pH 범위에서 6시간 동안 교반하여 3단계 반응을 실시하였다. 이어서, 반응기 내의 슬러리 용액을 여과 및 고순도의 증류수로 세척 후 열풍 오븐에서 24 시간 건조하여 니켈계 활물질 전구체(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)를 수득하였다.After the two-step reaction, when the average particle diameter (D50) of the particles in the reactor reaches about 10 μm, the stirring power in the reactor is reduced to 0.8 kW /
제조예 2: 니켈계 활물질 전구체의 제조(7:1.5:1.5)Preparation Example 2 Preparation of Nickel-Based Active Material Precursor (7: 1.5: 1.5)
제조예 1에서 금속원료로서 황산니켈(NiSO4ㆍ6H2O), 황산코발트 (CoSO4ㆍ7H2O) 및 황산망간(MnSO4ㅇH2O)을 Ni:Co:Mn=6:2:2 몰비 대신 Ni:Co:Mn=7:1.5:1.5 몰비가 되도록 혼합 용액을 준비한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 니켈계 활물질 전구체(Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2)를 합성하였다.Nickel sulfate (NiSO 4 .6H 2 O), cobalt sulfate (CoSO 4 .7H 2 O) and manganese sulfate (MnSO 4 -H 2 O) were prepared as a metal raw material in Preparation Example 1 with Ni: Co: Mn = 6: 2: A nickel-based active material precursor (Ni 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 (OH) 2 ) was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixed solution was prepared such that the molar ratio of Ni: Co: Mn = 7: 1.5: 1.5. Synthesized.
제조예 3: 니켈계 활물질 전구체의 제조(7:1:2)Preparation Example 3 Preparation of Nickel-Based Active Material Precursor (7: 1: 2)
제조예 1에서 금속원료로서 황산니켈(NiSO4ㅇ6H2O), 황산코발트 (CoSO4ㆍ7H2O) 및 황산망간(MnSO4ㆍH2O)을 Ni:Co:Mn=6:2:2 몰비 대신 Ni:Co:Mn=7:1:2 몰비가 되도록 혼합 용액을 준비한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 니켈계 활물질 전구체 (Ni0.7Co0.1Mn0.2(OH)2)를 합성하였다.Nickel sulfate (NiSO 4 -6H 2 O), cobalt sulfate (CoSO 4 -7H 2 O) and manganese sulfate (MnSO 4 -H 2 O) were prepared as a metal raw material in Preparation Example 1 by Ni: Co: Mn = 6: 2: A nickel-based active material precursor (Ni 0.7 Co 0.1 Mn 0.2 (OH) 2 ) was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixed solution was prepared so that the Ni: Co: Mn = 7: 1: 2 molar ratio was used. Synthesized.
비교제조예 1: 니켈계 활물질 전구체의 제조(6:2:2): 1스텝 방법Comparative Production Example 1 Preparation of Nickel-Based Active Material Precursor (6: 2: 2): One-Step Method
하기 비교제조과정에서 니켈계 활물질 전구체를 형성하는 금속원료로는 황산니켈(NiSO4ㆍ6H2O), 황산코발트 (CoSO4ㆍ7H2O) 및 황산망간(MnSO4ㆍH2O)을 Ni:Co:Mn=6:2:2 몰비가 되도록 용매인 증류수에 녹여 혼합 용액을 준비하였고, 착화합물 형성을 위해 암모니아수(NH4OH)와 침전제로서 수산화나트륨(NaOH)을 준비하였다.Nickel sulfate (NiSO 4 ㆍ 6H 2 O), cobalt sulfate (CoSO 4 ㆍ 7H 2 O), and manganese sulfate (MnSO 4 · H 2 O) may be used as a metal raw material to form a nickel-based active material precursor in the following comparative manufacturing process. A mixed solution was prepared by dissolving in distilled water, which was a solvent, in a: Co: Mn = 6: 2: 2 molar ratio, and ammonia water (NH 4 OH) and sodium hydroxide (NaOH) as a precipitant were prepared to form a complex.
교반기가 부착된 반응기에 농도가 0.35 mol/L인 암모니아수를 부가하고 교반속도 250 rpm, 반응온도 50℃를 유지하면서, 2 mol/L(M)인 금속원료 6.00 L/hr, 0.35 mol/L(M)인 암모니아수 0.6 L/hr의 속도로 동시에 투입하고 NaOH는 pH 유지를 위하여 투입하였다. 반응기 내의 반응 혼합물은 pH 11.3 ~ 11.4로 유지하였다. 이러한 pH 범위에서 33시간 동안 교반한 후 반응이 정상상태가 되면 오버플로우(overflow)되는 반응 결과물을 수집하였다.수집된 반응 결과물을 세척한 후, 150℃에서, 24시간 동안 열풍 건조를 실시하여 니켈계 활물질 전구체(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)을 제조하였다. 6.00 L / hr, 0.35 mol / L of metal raw material of 2 mol / L (M) while adding ammonia water having a concentration of 0.35 mol / L to a reactor equipped with a stirrer and maintaining a stirring speed of 250 rpm and a reaction temperature of 50 ° C M) ammonia water was added at the same time at a rate of 0.6 L / hr and NaOH was added to maintain pH. The reaction mixture in the reactor was maintained at pH 11.3 to 11.4. After stirring for 33 hours at this pH range, the reaction product was collected when the reaction became steady. After washing the collected reaction product, hot air drying was performed at 150 ° C. for 24 hours to obtain nickel. The active material precursor (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) was prepared.
비교제조예 2: 니켈계 활물질 전구체의 제조(7:1.5:1.5)Comparative Production Example 2 Preparation of Nickel-Based Active Material Precursor (7: 1.5: 1.5)
비교제조예 1에서 금속원료로서 황산니켈(NiSO4ㅇ6H2O), 황산코발트 (CoSO4ㆍ7H2O) 및 황산망간(MnSO4ㆍH2O)을 Ni:Co:Mn=6:2:2 몰비 대신 Ni:Co:Mn=7:1.5:1.5 몰비가 되도록 혼합 용액을 준비한 것을 제외하고는, 비교제조예 1과 동일한 방법으로 니켈계 활물질 전구체(Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2)를 합성하였다.In Comparative Production Example 1, nickel sulfate (NiSO 4 -6H 2 O), cobalt sulfate (CoSO 4 -7H 2 O), and manganese sulfate (MnSO 4 -H 2 O) were used as a metal raw material to form Ni: Co: Mn = 6: 2. A nickel-based active material precursor (Ni 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 (OH) 2 ) was prepared in the same manner as in Comparative Preparation Example 1, except that a mixed solution was prepared so that the Ni: Co: Mn = 7: 1.5: 1.5 molar ratio was used instead of the: 2 molar ratio. ) Was synthesized.
비교제조예 3: 니켈계 활물질 전구체의 제조(7:1:2)Comparative Production Example 3 Preparation of Nickel-Based Active Material Precursor (7: 1: 2)
비교제조예 1에서 금속원료로서 황산니켈(NiSO4ㆍ6H2O), 황산코발트 (CoSO4ㆍ7H2O) 및 황산망간(MnSO4ㅇH2O)을 Ni:Co:Mn=6:2:2 몰비 대신 Ni:Co:Mn=7:1:2 몰비가 되도록 혼합 용액을 준비한 것을 제외하고는, 비교제조예 1과 동일한 방법으로 니켈계 활물질 전구체 (Ni0.7Co0.1Mn0.2(OH)2)를 합성하였다.In Comparative Production Example 1, nickel sulfate (NiSO 4 · 6H 2 O), cobalt sulfate (CoSO 4 · 7H 2 O), and manganese sulfate (MnSO 4? H 2 O) were used as metal raw materials, and Ni: Co: Mn = 6: 2. A nickel-based active material precursor (Ni 0.7 Co 0.1 Mn 0.2 (OH) 2 ) was prepared in the same manner as in Comparative Preparation Example 1, except that a mixed solution was prepared such that Ni: Co: Mn = 7: 1: 2 molar ratio instead of: 2 molar ratio. ) Was synthesized.
실시예 1: 니켈계 활물질의 제조Example 1: Preparation of Nickel-Based Active Material
제조예 1에 따라 제조된 니켈계 활물질 전구체인 복합 금속 하이드록사이드(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2) 및 수산화리튬(LiOH)을 건식으로 1:1 몰비로 혼합하고 이를 산소 분위기에서 약 700℃에서 6시간 동안 열처리를 실시하여 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)을 얻었다. 이렇게 얻은 니켈계 활물질의 내부는 다공성 구조를 갖고 외부는 방사형 배열 구조를 가졌다. 이러한 니켈계 활물질을 공기 분위기에서 약 800℃에서 6시간 동안 열처리를 실시하여 일차 입자의 방사형 중심을 적어도 2개 이상 분산하여 일차 입자 응집체가 다중심(multicenter) 등방 배열로 배치된 이차 입자를 함유한 니켈계 활물질 (LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)를 얻었다.The composite metal hydroxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) and lithium hydroxide (LiOH), which are nickel-based active material precursors prepared according to Preparation Example 1, were mixed dryly in a 1: 1 molar ratio, and were mixed in an oxygen atmosphere. Heat treatment was performed at 700 ° C. for 6 hours to obtain a nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ). The nickel-based active material thus obtained had a porous structure and the outside had a radial arrangement. The nickel-based active material was heat-treated at about 800 ° C. for 6 hours in an air atmosphere to disperse at least two radial centers of the primary particles so that the primary particle aggregates contained secondary particles arranged in a multicenter isotropic array. Nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) was obtained.
실시예 2: 니켈계 활물질의 제조Example 2: Preparation of Nickel-Based Active Material
제조예 1의 니켈계 활물질 전구체 대신 제조예 2의 니켈계 활물질 전구체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 니켈계 활물질을 제조하였다.A nickel-based active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the nickel-based active material precursor of Preparation Example 2 was used instead of the nickel-based active material precursor of Preparation Example 1.
실시예 3: 니켈계 활물질의 제조Example 3: Preparation of Nickel-Based Active Material
제조예 1의 니켈계 활물질 전구체 대신 제조예 3의 니켈계 활물질 전구체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 니켈계 활물질을 제조하였다.A nickel-based active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the nickel-based active material precursor of Preparation Example 3 was used instead of the nickel-based active material precursor of Preparation Example 1.
비교예 1 내지 3: 니켈계 활물질의 제조Comparative Examples 1 to 3: Preparation of Nickel-Based Active Material
제조예 1에 따라 제조된 니켈계 활물질 전구체 대신 비교제조예 1 내지 3에 따라 제조된 니켈계 활물질 전구체를 각각 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 니켈계 활물질을 제조하였다.A nickel-based active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the nickel-based active material precursors prepared according to Comparative Preparation Examples 1 to 3 were used instead of the nickel-based active material precursors prepared according to Preparation Example 1, respectively. .
제작예 1: 코인셀 제조Production Example 1: Coin Cell Manufacturing
양극 활물질로서 실시예 1에 따라 얻은 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)을 이용하여 코인셀을 다음과 같이 제조하였다.A coin cell was prepared using the nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) obtained according to Example 1 as a cathode active material.
실시예 1에 따라 얻은 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 96g, 폴리비닐리덴플로라이드 2g 및 용매인 N-메틸피롤리돈 47g, 도전제인 카본블랙 2g의 혼합물을 믹서기를 이용하여 기포를 제거하여 균일하게 분산된 양극 활물질층 형성용 슬러리를 제조하였다.A mixture of 96 g of a nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) obtained according to Example 1, 2 g of polyvinylidene fluoride, 47 g of N-methylpyrrolidone as a solvent, and 2 g of carbon black as a conductive agent was mixed using a mixer. Bubbles were removed to prepare a slurry for forming the positive electrode active material layer uniformly dispersed.
상기 과정에 따라 제조된 슬러리를 닥터 블래이드를 사용하여 알루미늄 박상에 코팅하여 얇은 극판 형태로 만든 후, 이를 135℃에서 3시간 이상 건조시킨 후, 압연과 진공 건조 과정을 거쳐 양극을 제작하였다.The slurry prepared according to the above process was coated on aluminum foil using a doctor blade to form a thin electrode plate, which was dried at 135 ° C. for at least 3 hours, and then a cathode was manufactured by rolling and vacuum drying.
상기 양극과 상대극으로서 리튬 금속 대극을 사용하여 2032 타입의 코인셀(coin cell)을 제조하였다. 상기 양극과 리튬 금속 대극 사이에는 다공질 폴리에틸렌(PE) 필름으로 이루어진 세퍼레이터(두께: 약 16㎛)를 개재하고, 전해액을 주입하여 2032 타입 코인셀을 제작하였다. 상기 전해액으로서 에틸렌카보네이트(EC)와 에틸메틸카보네이트(EMC)를 3:5의 부피비로 혼합한 용매에 용해된 1.1M LiPF6가 포함된 용액을 사용하였다.A 2032 type coin cell was manufactured using a lithium metal counter electrode as the positive electrode and the counter electrode. Between the positive electrode and the lithium metal counter electrode, a 2032 type coin cell was manufactured by injecting an electrolyte solution through a separator (thickness: about 16 μm) made of a porous polyethylene (PE) film. As the electrolyte solution, a solution containing 1.1 M LiPF 6 dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 3: 5 was used.
제작예 2: 코인셀 제조Production Example 2: Coin Cell Manufacturing
실시예 1의 니켈계 활물질 대신 실시예 2의 니켈계 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 코인셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured by the same method as Preparation Example 1, except that the nickel-based active material of Example 2 was used instead of the nickel-based active material of Example 1.
제작예 3: 코인셀 제조Production Example 3: Coin Cell
실시예 1의 니켈계 활물질 대신 실시예 3의 니켈계 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 코인셀을 제조하였다.A coin cell was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that the nickel-based active material of Example 3 was used instead of the nickel-based active material of Example 1.
비교제작예 1 내지 3: 코인셀 제조Comparative Production Examples 1 to 3: Coin Cell
실시예 1에 따라 제조된 니켈계 활물질 대신 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 니켈계 활물질을 각각 사용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 리튬이차전지를 제작하였다.A lithium secondary battery was manufactured according to the same method as in Preparation Example 1, except that the nickel-based active materials prepared according to Comparative Examples 1 to 3 were used instead of the nickel-based active materials prepared according to Example 1, respectively.
평가예 1: 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 장축 배향성 분석(니켈계 활물질 전구체)Evaluation Example 1 Long-axis orientation analysis of primary particles constituting the surface of secondary particles (nickel-based active material precursor)
제조예 1 내지 3 및 비교제조예 1 내지 3에 따라 제조된 니켈계 활물질 전구체 입자에 대하여, 이차 입자의 최외곽에 존재하는 일차 입자의 배향성을 분석하였다. 일차 입자의 배향성을 분석하기 위하여, 이차 입자 단면의 TEM 이미지에서 이차 입자의 표면에 배치되는 일차 입자 전체 중에서 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면에 법선 방향인 일차 입자를 계산하였다. Leopard (Grain size analysis) 프로그램을 사용하여 상기 단면의 TEM 이미지에서 이차 입자의 표면에 배치된 일차입자 중 방사형으로 배열되어 있는 입자의 개수 및 면적을 계산하여 이차 입자의 표면에 법선 방향으로 배치되는 장축을 가지는 일차입자의 비율을 계산 하였다.For the nickel-based active material precursor particles prepared according to Production Examples 1 to 3 and Comparative Production Examples 1 to 3, the orientation of the primary particles existing in the outermost portion of the secondary particles was analyzed. In order to analyze the orientation of the primary particles, in the TEM image of the secondary particle cross-section, primary particles whose major axis is normal to the surface of the secondary particles among the primary particles disposed on the surface of the secondary particles were calculated. Long axis arranged in the normal direction on the surface of the secondary particles by calculating the number and area of the radially arranged particles of the primary particles disposed on the surface of the secondary particles in the TEM image of the cross section using a Leopard (Grain size analysis) program The proportion of primary particles having was calculated.
이의 결과를 표 1에 나타내었다.The results are shown in Table 1.
표 1에 나타난 바와 같이, 제조예 1 내지 3의 니켈계 활물질 전구체의 경우, 이차 입자의 최외곽에 존재하는 일차 입자의 50% 이상이 장축이 이차 입차 표면의 법선 방향이었다. 이에 반해, 비교제조예 1 내지 3의 니켈계 활물질 전구체의 경우, 오직 일차 입자의 46% 이하가 장축이 이차 입차 표면의 법선 방향이었다. As shown in Table 1, in the nickel-based active material precursors of Preparation Examples 1 to 3, 50% or more of the primary particles present in the outermost portion of the secondary particles had a long axis in the normal direction of the secondary occupancy surface. In contrast, in the nickel-based active material precursors of Comparative Production Examples 1 to 3, only 46% or less of the primary particles had a long axis in the normal direction of the secondary occupancy surface.
평가예 2: 이차 입자 표면을 구성하는 일차 입자의 장축 배향성 분석(니켈계 활물질)Evaluation Example 2 Analysis of Long-axis Orientation of Primary Particles Comprising Secondary Particle Surfaces (Nickel-Based Active Material)
실시예 1 내지 3 및 비교실시예 1 내지 3에 따라 제조된 니켈계 활물질 입자에 대하여, 이차 입자의 최외곽에 존재하는 일차 입자의 배향성을 분석하였다. 상기 일차 입자의 배향성을 분석하기 위하여, 이차 입자 단면의 TEM 이미지에서 이차 입자의 표면에 배치되는 일차 입자 전체 중에서 일차 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향인 일차 입자를 계산하였다. Leopard (Grain size analysis) 프로그램을 사용하여 상기 단면의 TEM 이미지에서 이차 입자의 표면에 배치된 일차입자 중 방사형으로 배열되어 있는 입자의 개수 및 면적을 계산하여 이차 입자 표면의 법선 방향으로 배치되는 장축을 가지는 일차입자의 비율을 계산하였다.For the nickel-based active material particles prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, the orientation of the primary particles existing in the outermost portion of the secondary particles was analyzed. In order to analyze the orientation of the primary particles, primary particles having a long axis of the primary particles in the normal direction of the surface of the secondary particles were calculated from the entire primary particles disposed on the surface of the secondary particles in the TEM image of the secondary particle cross section. Using the Leopard (Grain size analysis) program, the number and area of the radially arranged particles of the primary particles disposed on the surface of the secondary particles in the TEM image of the cross section are calculated to determine the major axis of the secondary particles surface in the normal direction. The branches were calculated for the proportion of primary particles.
도 4A 및 4B에 보여지는 바와 같이, 실시예 1의 니켈계 활물질의 경우, 이차 입자의 표면에 배치되는 다수의 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 이차 입차 표면의 법선 방향이었다. 즉, 일차 입자의 장축이 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 (110) 면의 법선 방향으로 배치되며, 일차 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향이었다. 즉, 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자에서, 각각의 일차 입자의 장축이 [110] 방향이다. 이에 반해, 도면에 도시되지 않으나, 비교실시예 1 내지 3의 니켈계 활물질의 경우, 오직 일차 입자의 40% 이하에서 일차 입자의 장축이 이차 입차의 표면의 법선 방향이었다.As shown in FIGS. 4A and 4B, in the case of the nickel-based active material of Example 1, at 50% or more of the plurality of primary particles disposed on the surface of the secondary particles, the major axis of the primary particles was in the normal direction of the secondary occupancy surface. That is, the long axis of the primary particles was disposed in the normal direction of the (110) plane of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, and the long axis of the primary particles was the normal direction of the surface of the secondary particles. That is, in the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the major axis of each primary particle is in the [110] direction. On the contrary, although not shown in the drawings, in the nickel-based active materials of Comparative Examples 1 to 3, only 40% or less of the primary particles had the long axis of the primary particles in the normal direction of the surface of the secondary particles.
도 4A 및 4B를 참조하면, 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자는 플레이트 입자이며, 이차 입자를 구성하는 입자상 구조체의 표면에서 중심 방향으로 방사형으로 배치된다. 또한, 도면에 도시되지 않으나, 입자상 구조체는 다공성 코어부를 가짐을 확인하였다.4A and 4B, the primary particles constituting the surface of the secondary particles are plate particles, and are radially disposed in the center direction on the surface of the particulate construct constituting the secondary particles. In addition, although not shown in the figure, it was confirmed that the particulated structure has a porous core portion.
평가예 3: 초기 충방전 효율(Initial charge efficiency: I.C.E)Evaluation Example 3: Initial Charge Efficiency (I.C.E)
제작예 1 내지 3 및 비교제작예 1 내지 3에 따라 제조된 코인셀을 25℃에서, 0.1C에서 1회 충방전을 실시하여 화성 (formation)을 진행하였다. 이어서, 0.1C에서 충방전을 1회 실시하여 초기 충방전 특성을 확인하였다. 충전시에는 CC (constant current) 모드로 시작하여 이후 CV (constant voltage)로 바꾸어서 4.3V, 0.05C 에서 컷오프되도록 셋팅하였으며 방전시에는 CC (constant current) 모드에서 3.0V에서 컷오프로 셋팅하였다. 하기 식 1에 따라 초기 충방전 효율(Initial charge efficiency: I.C.E)을 측정하여 표 2에 나타내었다.The coin cells prepared according to Production Examples 1 to 3 and Comparative Production Examples 1 to 3 were charged and discharged at 25 ° C. and once at 0.1C to form the cells. Subsequently, charging and discharging was performed once at 0.1 C to confirm initial charge and discharge characteristics. When charging, it started in CC (constant current) mode and then changed to CV (constant voltage) to cut off at 4.3V and 0.05C, and at discharge, to cutoff at 3.0V in CC (constant current) mode. Initial charge efficiency (I.C.E) was measured and shown in Table 2 according to
[식 1][Equation 1]
초기 충방전 효율[%]=[1st 사이클 방전용량/1st 사이클 충전용량]×100The initial charge-discharge efficiency [%] = [1 st cycle discharge capacity / 1 st cycle charge capacity] × 100
표 2에 나타난 바와 같이, 제작예 1 내지 3에 따라 제조된 코인셀은 비교제작예 1 내지 3에서 제조된 코인셀과 비교하여 충방전 효율(초기 특성) 및 초기 방전 용량이 향상되었다. As shown in Table 2, the coin cells prepared according to Production Examples 1 to 3 have improved charge and discharge efficiency (initial characteristics) and initial discharge capacity as compared to the coin cells prepared in Comparative Production Examples 1 to 3.
1: 리튬전지
2: 음극
3: 양극
4: 분리막
5: 전지케이스
6: 캡 어셈블리
10: 코어부
20: 쉘부
30, 30a, 30b, 30c: 일차 입자
31, 31a, 31b, 31c: 일차 입자의 장축
100: 입자상 구조체
200: 이차 입자1: lithium battery 2: negative electrode
3: anode 4: separator
5: battery case 6: cap assembly
10: core portion 20: shell portion
30, 30a, 30b, 30c: primary particles
31, 31a, 31b, 31c: long axis of primary particles
100: particulate structure
200: secondary particles
Claims (12)
상기 입자상 구조체가, 다공성 코어부 및 상기 다공성 코어부 상에 방사형으로 배치되는 일차 입자를 구비하는 쉘부를 포함하며,
상기 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체.Including secondary particles having a plurality of particulate structures,
The particulated structure includes a shell portion having a porous core portion and primary particles disposed radially on the porous core portion,
The nickel-based active material precursor for lithium secondary batteries, wherein at least 50% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles have a long axis of the primary particles in a normal direction of the surface of the secondary particles.
상기 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 60% 내지 80%에서, 일차 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체.According to claim 1,
At 60% to 80% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the long axis of the primary particles is the normal direction of the surface of the secondary particles, nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery.
상기 일차 입자는 플레이트 입자(plate particle)를 포함하고,
상기 플레이트 입자의 장축이 이차 입자 표면의 법선 방향이며,
상기 플레이트 입자는 두께와 길이 비율이 1:2 내지 1:20인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체.According to claim 1,
The primary particles comprise plate particles,
The major axis of the plate particles is in the normal direction of the surface of the secondary particles,
The plate particles have a thickness and length ratio of 1: 2 to 1:20, the nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery.
상기 이차 입자의 표면을 구성하는 일차 입자의 50% 이상에서, 일차 입자의 장축이 (110) 면의 법선 방향으로 배치되는, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체.According to claim 1,
At least 50% of the primary particles constituting the surface of the secondary particles, the long axis of the primary particles is disposed in the normal direction of the (110) plane, nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery.
상기 이차 입자가, 다중심 등방 배열로 배치되는 입자상 구조체로 이루어진, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체. According to claim 1,
The nickel-based active material precursor for lithium secondary batteries, wherein the secondary particles are made of a particulate structure arranged in a multi-core isotropic array.
상기 다공성 코어부에서 기공의 크기는 150nm 내지 1㎛이고, 기공도는 5 내지 15%이며, 상기 쉘부의 기공도는 1 내지 5%인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체.According to claim 1,
The pore size in the porous core portion is 150nm to 1㎛, porosity is 5 to 15%, the porosity of the shell portion is 1 to 5%, nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery.
상기 니켈계 활물질 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체:
[화학식 1]
Ni1-x-y-zCoxMnyMz(OH)2
화학식 1 중, M은 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄 (Zr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 원소이고,
x≤(1-x-y-z), y≤(1-x-y-z), z≤(1-x-y-z), 0<x<1, 0≤y<1, 0≤z<1이다. According to claim 1,
The nickel-based active material precursor is a compound represented by the following formula 1, nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery:
[Formula 1]
Ni 1-xyz Co x Mn y M z (OH) 2
In Formula 1, M is boron (B), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe) , An element selected from the group consisting of copper (Cu), zirconium (Zr) and aluminum (Al),
x≤ (1-xyz), y≤ (1-xyz), z≤ (1-xyz), 0 <x <1, 0≤y <1, and 0≤z <1.
상기 니켈계 활물질 전구체에서 니켈의 함량은 전이금속의 총함량을 기준으로 하여 33몰% 내지 95몰%이고, 망간의 함량 및 코발트의 함량에 비하여 높은 함량인, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체.The method of claim 7, wherein
Nickel content of the nickel-based active material precursor is 33 mol% to 95 mol% based on the total content of the transition metal, the nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery is higher than the content of manganese and cobalt.
상기 제1 단계에서 형성된 전구체 시드에 공급원료를 제2 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드를 성장시키는 제2 단계; 및
상기 제2 단계에서 성장된 전구체 시드에 공급원료를 제3 공급속도로 공급하고 교반하여 전구체 시드 성장을 조절하는 제3 단계를 포함하며,
상기 공급원료는 착화제, pH 조절제 및 니켈계 활물질 전구체 형성용 금속원료를 포함하며,
상기 니켈계 활물질 전구체 형성용 금속원료의 제2 공급속도는 제1 공급속도보다 크고 제3 공급속도는 제2 공급속도보다 큰, 제1항의 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체의 제조방법.A first step of feeding and stirring the feedstock at a first feed rate to form precursor seeds;
A second step of supplying a feedstock to the precursor seed formed in the first step at a second feed rate and stirring to grow the precursor seed; And
And a third step of controlling precursor seed growth by supplying and stirring a feedstock to a precursor seed grown in the second step at a third feed rate,
The feedstock includes a complexing agent, a pH adjuster and a metal material for forming a nickel-based active material precursor,
The method of manufacturing the nickel-based active material precursor for lithium secondary batteries of claim 1, wherein the second feed rate of the metal raw material for forming the nickel-based active material precursor is greater than the first feed rate and the third feed rate is larger than the second feed rate.
상기 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계로 갈수록 반응 혼합물의 교반동력이 순차적으로 감소하는, 리튬이차전지용 니켈계 활물질 전구체의 제조방법.The method of claim 9,
Method for producing a nickel-based active material precursor for a lithium secondary battery, the stirring power of the reaction mixture is sequentially reduced toward the first step, the second step and the third step.
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