KR20200090727A - Positive active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로 구조적 안정성 및 열적 안정성이 개선된 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method for manufacturing the lithium secondary battery including the same. More specifically, the present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery having improved structural stability and thermal stability, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same.
최근 HEV, PHEV, EV와 같은 전기 자동차의 개발과 관련하여 자동차 전기 모터의 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다.In recent years, in connection with the development of electric vehicles such as HEV, PHEV, EV, the need for high performance and high capacity of batteries used as power sources for automobile electric motors has increased.
전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생 시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션 / 디인터칼레이션 될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다.The battery generates electricity by using a material capable of electrochemical reaction on the positive electrode and the negative electrode. A typical example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electrical energy by changing the chemical potential when lithium ions are intercalated/deintercalated at the positive electrode and the negative electrode.
상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션 / 디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation/deintercalation of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and charging an organic electrolyte solution or a polymer electrolyte solution between the positive electrode and the negative electrode.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합 금속 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2등의 복합 금속 산화물들이 연구되고 있다.A lithium composite metal compound is used as a cathode active material of a lithium secondary battery, and examples thereof include composite metal oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 .
상기 양극 활물질 중 LiMn2O4, LiMnO2 등의 Mn계 양극 활물질은 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 과충전시 다른 활물질에 비하여 열적 안정성이 가장 우수하고, 환경에 대한 오염이 낮아 매력이 있는 물질이기는 하나, 용량이 적다는 단점을 가지고 있다.Among the positive electrode active materials, Mn-based positive electrode active materials such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 are also easy to synthesize, relatively inexpensive, have the best thermal stability compared to other active materials when overcharged, and have low environmental pollution and are attractive materials. Wins, but has the disadvantage of low capacity.
한편, LiCoO2는 양호한 전기 전도도와 약 3.7V 정도의 높은 전지 전압을 가지며, 사이클 수명 특성, 안정성이 우수하고, 또한 방전용량 역시 우수 하므로, 현재 상업화 되어 시판되고 있는 대표적인 양극 활물질이다. 그러나 LiCoO2는 가격이 비싸기 때문에 전지가격의 30% 이상을 차지며, 실제 용량은 이론 용량(270mAh/g)의 50% 정도 밖에 되지 않아 대형 전지용 양극 활물질의 요구 사항에 부합하지 않는다.On the other hand, LiCoO 2 has good electrical conductivity and a high battery voltage of about 3.7V, excellent cycle life characteristics and stability, and also excellent discharge capacity, and thus is a representative positive electrode active material commercially available and commercially available. However, because LiCoO 2 is expensive, it occupies more than 30% of the battery price, and the actual capacity is only about 50% of the theoretical capacity (270mAh/g), which does not meet the requirements of the positive electrode active material for large batteries.
이를 해결 하기 위해 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2이 개발 되었으며, 최근에는 에너지 밀도를 증가 시키기 위해 High Ni계(Ni=60%) 활물질이 연구되고 있다.To solve this, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 was developed, and recently, a High Ni-based (Ni=60%) active material has been studied to increase energy density.
High-Ni계 NCM 양극 활물질은 높은 방전용량의 전지특성을 나타내고 있으나, 높은 Ni 함량으로 인해 합성하기 어려운 단점이 있으며, 안정성 확보가 완전하지 않아서 전기 자동차 적용에 어려움을 겪고 있다.The High-Ni-based NCM positive electrode active material exhibits high discharge capacity battery characteristics, but has a disadvantage in that it is difficult to synthesize due to its high Ni content, and is difficult to secure in stability, and thus has difficulty in applying electric vehicles.
이에 High-Ni 양극 활물질의 구조적 안정성 및 열적 안정성을 향상 시키기 위한 연구가 필요한 실정이다.Accordingly, research is needed to improve the structural stability and thermal stability of the High-Ni positive electrode active material.
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다. 보다 구체적으로 구조적 안정성 및 열적 안정성이 개선된 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다.The present invention is to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a manufacturing method thereof and a lithium secondary battery comprising the same. More specifically, to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery having improved structural stability and thermal stability, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same.
본 발명의 일 구현예에서는, 하기 화학식 1로 표현되고, X선 회절분석 결과에 따른 I(003)/(104) 값이 1.13 내지 1.27 인 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다.In one embodiment of the present invention, it is represented by the following Chemical Formula 1, and provides a positive electrode active material for a lithium secondary battery having an I(003)/(104) value of 1.13 to 1.27 according to X-ray diffraction analysis results.
[화학식 1][Formula 1]
Lia[NibCocMndMe]O2 Li a [Ni b Co c Mn d M e ]O 2
상기 화학식 1에서, 1.0≤a≤1.1이고, 0.8≤b<1.0이고, 0≤c≤0.2이고, 0≤d≤0.2이고, 0≤e≤0.05이고, b+c+d+e=1.0이며, 도핑 원소인 M은 Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In Formula 1, 1.0≤a≤1.1, 0.8≤b<1.0, 0≤c≤0.2, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.05, b+c+d+e=1.0 , The doping element M may include Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P, or a combination thereof.
화학식 1에서 e는 0<e≤0.05 일 수 있다.In Formula 1, e may be 0<e≤0.05.
화학식 1에서 M은 Al 일 수 있다.In Formula 1, M may be Al.
양극 활물질의 X선 회절분석 결과에 따른 I(003)/(104)는 1.13 내지 1.17 일 수 있다. I (003) / (104) according to the X-ray diffraction analysis results of the positive electrode active material may be 1.13 to 1.17.
양극 활물질의 X선 회절분석 결과에 따른 I(006+102)/(101)는 0.53 내지 0.63 일 수 있다.I(006+102)/(101) according to the X-ray diffraction analysis result of the positive electrode active material may be 0.53 to 0.63.
보다 구체적으로, I(006+102)/(101)는 0.55 내지 0.60 일 수 있다.More specifically, I(006+102)/(101) may be 0.55 to 0.60.
양극 활물질은 하기 식 1을 만족할 수 있다.The positive electrode active material may satisfy Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
0.42 ≤ [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)]0.42 ≤ [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)]
양극 활물질의 입경은 3 내지 20 ㎛ 일 수 있다.The particle diameter of the positive electrode active material may be 3 to 20 μm.
양극 활물질은 코팅층을 더 포함할 수 있다.The positive electrode active material may further include a coating layer.
보다 구체적으로, 코팅층은 보론, 보론 산화물, 리튬 보론 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.More specifically, the coating layer may include boron, boron oxide, lithium boron oxide, or a combination thereof.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 금속 수산화물 전구체 입자를 준비하는 단계; 전구체 입자, 리튬 원료 물질 및 선택적으로 도핑 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 혼합물을 소성하여 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계;를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, the step of preparing the metal hydroxide precursor particles; Preparing a mixture by mixing precursor particles, a lithium raw material, and optionally a doped raw material; And calcining the mixture to obtain a lithium metal oxide; provides a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a.
소성은 상기 혼합물을 300 내지 500 ℃의 온도로 1차 소성 후, 700 내지 800 ℃의 온도로 2차 소성하는 것일 수 있다.The firing may be a first firing of the mixture at a temperature of 300 to 500 °C, followed by a second firing at a temperature of 700 to 800 °C.
전구체 입자는 하기 화학식 2로 표현되는 것일 수 있다.The precursor particles may be represented by Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
[NixCoyMnz](OH)2 [Ni x Co y Mn z ](OH) 2
상기 화학식 2에서, 0.8≤x<1.0, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2, x+y+z=1.0 일 수 있다.In Chemical Formula 2, 0.8≤x<1.0, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2, and x+y+z=1.0.
리튬 원료 물질은 Li2CO3, LiOH, C2H3LiO2, LiNO3, Li2SO4, Li2SO3, Li2O, Li2O2, LiCl로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.The lithium raw material is one or more selected from the group consisting of Li 2 CO 3 , LiOH, C 2 H 3 LiO 2 , LiNO 3 , Li 2 SO 4 , Li 2 SO 3 , Li 2 O, Li 2 O 2 , LiCl. Can.
도핑 원료 물질은 Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P 또는 이들의 조합일 수 있다.The doping raw material may be Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P or a combination thereof.
1차 소성 시간은 1시간 내지 2시간일 수 있다.The primary firing time may be 1 hour to 2 hours.
2차 소성 시간은 9시간 내지 13시간일 수 있다.The second firing time may be 9 hours to 13 hours.
2차 소성은 760 내지 780 ℃의 범위에서 이루어지는 것일 수 있다.Secondary firing may be made in the range of 760 to 780 ℃.
수득된 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 것일 수 있다.The obtained lithium metal oxide may be represented by Formula 1 below.
[화학식1][Formula 1]
Lia[NibCocMndMe]O2 Li a [Ni b Co c Mn d M e ]O 2
상기 화학식 1에서, 1.0≤a≤1.1이고, 0.8≤b<1.0이고, 0≤c≤0.2이고, 0≤d≤0.2이고, 0≤e≤0.05이고, b+c+d+e=1.0이며, 도핑 원소인 M은 Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In Formula 1, 1.0≤a≤1.1, 0.8≤b<1.0, 0≤c≤0.2, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.05, b+c+d+e=1.0 , The doping element M may include Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P, or a combination thereof.
수득된 리튬 금속 산화물은 X선 회절분석 결과에 따른 I(003)/(104) 값이 1.13 내지 1.27 일 수 있다.The obtained lithium metal oxide may have an I(003)/(104) value of 1.13 to 1.27 according to X-ray diffraction analysis results.
보다 구체적으로, 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계; 이후에, 리튬 금속 산화물에 코팅 원료 물질을 혼합 후 소성하여 코팅층을 형성시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.More specifically, obtaining a lithium metal oxide; Subsequently, mixing the raw material for coating on the lithium metal oxide and then firing to form a coating layer; may further include.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극을 제공한다.In another embodiment of the present invention, a positive electrode for a lithium secondary battery including the positive electrode active material according to the above-described embodiment of the present invention is provided.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 및 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질을 포함하고, 양극은 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the anode; cathode; And an electrolyte positioned between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode provides a lithium secondary battery including a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention described above.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬 이차 전지 양극 활물질 내부에 도핑 원소를 효과적으로 고루 분포 시킴으로써, 구조적 안정성, 열적 안정성 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by effectively distributing the doping element evenly inside the positive electrode active material of a lithium secondary battery, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery having excellent structural stability and thermal stability characteristics.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 9 및 비교예 1의 고온 저장 후 I(003)/(104) 비율에 따른 전이금속의 전체 용출량을 나타내는 그래프이다.
도 2은 본 발명의 실시예 1 내지 9 및 비교예 1의 고온 저장 후 전이금속의 용출량을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the total elution amount of transition metal according to the ratio of I(003)/(104) after high temperature storage of Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 of the present invention.
2 is a graph showing the elution amount of transition metal after high temperature storage of Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 of the present invention.
본 명세서에서, 제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.In this specification, terms such as first, second, and third are used to describe various parts, components, regions, layers, and/or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as a second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.
본 명세서에서, 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.In this specification, the terminology used is only for referring to a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention. The singular forms used herein include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the meaning of “comprising” embodies a particular property, region, integer, step, action, element, and/or component, and the presence or presence of another property, region, integer, step, action, element, and/or component. It does not exclude addition.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In the present specification, the term "combination of these" included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the elements described in the expression of the marki form, the components It means to include one or more selected from the group consisting of.
본 명세서에서, 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.In this specification, when it is said that a part is "on" or "on" another part, it may be directly on or on another part, or another part may be involved therebetween. In contrast, if one part is referred to as being “just above” another part, no other part is interposed therebetween.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Commonly used dictionary-defined terms are additionally interpreted as having meanings consistent with related technical documents and currently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.In addition, unless otherwise specified,% means weight%, and 1 ppm is 0.0001% by weight.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and are conventional in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the knowledgeable person of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Thus, in some embodiments, well-known techniques are not specifically described to avoid obscuring the present invention. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used as meanings commonly understood by a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains.
본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표현되는 리튬 복합 산화물을 제공한다.The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention provides a lithium composite oxide represented by the following Chemical Formula 1.
[화학식 1][Formula 1]
Lia[NibCocMndMe]O2 Li a [Ni b Co c Mn d M e ]O 2
이 때, 1.0≤a≤1.1이고, 0.8≤b<1.0이고, 0≤c≤0.2이고, 0≤d≤0.2이고, 0≤e≤0.05이고, b+c+d+e=1.0 일 수 있다. 또한, 도핑 원소인 M은 Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P 또는 이들의 조합일 수 있다.In this case, 1.0≤a≤1.1, 0.8≤b<1.0, 0≤c≤0.2, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.05, and b+c+d+e=1.0 . Further, the doping element M may be Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P, or a combination thereof.
이 때, 0≤e≤0.05의 의미는 도핑 원소를 포함할 수도 있고, 아닐 수도 있음을 의미한다. 구체적으로, e는 0<e≤0.05 일 수 있으며, 즉, 도핑 원소를 반드시 포함할 수 있다. 이때의 도핑 원소는 Al일 수 있다. 도핑 원소가 Al일 때, 활물질로 제조된 코인 전지의 초기방전 용량 및 효율은 Al을 도핑함으로 인해 감소하나, 고온저장 전이금속 용출은 감소할 수 있어, 고온 안정성이 높아지는 효과가 있다.In this case, 0≤e≤0.05 means that the doping element may or may not be included. Specifically, e may be 0<e≤0.05, that is, it may necessarily include a doping element. The doping element at this time may be Al. When the doping element is Al, the initial discharge capacity and efficiency of the coin battery made of the active material decreases due to the doping of Al, but the elution of the transition metal at high temperature storage can be reduced, thereby improving the high temperature stability.
본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 X선 회절 분석 결과에서 얻어지는 I(003)/(104)는 일반적으로 양극 활물질 결정성을 나타내는 것이다. 이의 수치가 클수록 헥사고날 구조가 안정적으로 발달한 것을 의미하나, 전이금속 물질인 Ni, Co, Mn 보다 원자번호가 작은 도핑 원소를 첨가함에 따라 전이금속 층인 (003)면의 크기가 감소하여, I(003)/(104)의 감소폭으로 양극 활물질 내부의 도핑원소 분포를 가늠하는 척도로 사용할 수 있다. 단, 이때 유사 지표로 사용되는 I(006+102)/(101) 수치의 변화가 작아야 한다.I(003)/(104) obtained from the X-ray diffraction analysis results of the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention generally indicates the positive electrode active material crystallinity. The larger the number, the more stable the hexagonal structure is developed, but the size of the (003) plane of the transition metal layer decreases as a doping element with a smaller atomic number than Ni, Co, Mn, which is a transition metal material, decreases. It can be used as a measure of the distribution of doping elements inside the positive electrode active material with a reduction width of (003)/(104). However, at this time, the change in the value of I(006+102)/(101) used as a similar indicator should be small.
이 때, 양극 활물질의 I(003)/(104)는 1.13 내지 1.27 일 수 있다. 보다 구체적으로 1.13 내지 1.20 일 수 있다. 더욱 구체적으로는 1.13 내지 1.17 일 수 있다. 또한, 양극 활물질의 I(006+102)/(101)는 0.53 내지 0.63 일 수 있다. 보다 구체적으로 0.55 내지 0.60 일 수 있다. 양극 활물질의 X선 회절 분석 결과인 I(003)/(104) 및 I(006+102)/(101)이 상기 범위를 만족하는 경우, 고온 안정성 및 열적 안정성이 개선될 수 있다.At this time, I (003) / (104) of the positive electrode active material may be 1.13 to 1.27. More specifically, it may be 1.13 to 1.20. More specifically, it may be 1.13 to 1.17. In addition, I (006+102)/(101) of the positive electrode active material may be 0.53 to 0.63. More specifically, it may be 0.55 to 0.60. When I(003)/(104) and I(006+102)/(101), which are the results of X-ray diffraction analysis of the positive electrode active material, satisfy the above range, high temperature stability and thermal stability may be improved.
또한, 양극 활물질은 하기 식 1을 만족할 수 있다.In addition, the positive electrode active material may satisfy Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
0.42 ≤ [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)]0.42 ≤ [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)]
보다 구체적으로는, [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] 값이 0.425 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로는, [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] 값이 0.43 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로는, [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] 값이 0.434 이상일 수 있다.More specifically, the [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] value may be 0.425 or more. More specifically, the [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] value may be 0.43 or more. More specifically, the value of [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] may be 0.434 or more.
양극 활물질의 입경은 3 내지 20 ㎛ 일 수 있다. 보다 구체적으로 5 내지 18 ㎛ 일 수 있다. 양극 활물질의 입경이 상기 범위를 만족하는 경우, 밀도, 수명 특성 및 출력 특성이 우수할 수 있다. 다만, 상기 입경 범위에 본 발명의 일 실시예가 한정되는 것은 아니며, 요구되는 전지 특성에 따라 입경 범위는 조절될 수 있다.The particle diameter of the positive electrode active material may be 3 to 20 μm. More specifically, it may be 5 to 18 μm. When the particle diameter of the positive electrode active material satisfies the above range, density, life characteristics, and output characteristics may be excellent. However, one embodiment of the present invention is not limited to the particle size range, and the particle size range may be adjusted according to required battery characteristics.
양극 활물질은 코팅층을 더 포함할 수 있다. 코팅층은 보론, 보론 산화물, 리튬 보론 산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. 코팅층을 사용할 경우, 수명 특성 향상, 고온 안정성 향상의 효과가 있다.The positive electrode active material may further include a coating layer. The coating layer may include boron, boron oxide, lithium boron oxide, or a combination thereof. When the coating layer is used, there is an effect of improving life characteristics and improving high temperature stability.
본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법은 금속 수산화물 전구체 입자를 준비하는 단계; 전구체 입자, 리튬 원료 물질 및 선택적으로 도핑 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 혼합물을 소성하여 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing metal hydroxide precursor particles; Preparing a mixture by mixing precursor particles, a lithium raw material, and optionally a doped raw material; And calcining the mixture to obtain a lithium metal oxide.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법은 금속 수산화물 전구체 입자를 준비하는 단계; 전구체 입자, 및 리튬 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 혼합물을 소성하여 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.More specifically, a method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing metal hydroxide precursor particles; Preparing a mixture by mixing the precursor particles and the lithium raw material; And calcining the mixture to obtain a lithium metal oxide.
또는, 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법은 금속 수산화물 전구체 입자를 준비하는 단계; 전구체 입자, 리튬 원료 물질 및 도핑 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 혼합물을 소성하여 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.Or, a method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing metal hydroxide precursor particles; Preparing a mixture by mixing the precursor particles, the lithium raw material, and the doped raw material; And calcining the mixture to obtain a lithium metal oxide.
전구체 입자는 하기 화학식 2로 표현되는 것일 수 있다.The precursor particles may be represented by Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
[NixCoyMnz](OH)2 [Ni x Co y Mn z ](OH) 2
상기 화학식 2에서, 0.8≤x<1.0, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2, x+y+z=1.0 일 수 있으며, 이러한 금속 수산화물 전구체는 직접 제조하거나, 시판 중인 제품을 사용할 수 있다. 도핑 원료 물질은 Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P 또는 이들의 조합일 수 있으며, 특히 Al일 수 있다. Al을 도핑한 경우의 효과는 상술한 바와 같다.In Chemical Formula 2, 0.8≤x<1.0, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2, x+y+z=1.0, and the metal hydroxide precursor may be directly manufactured or a commercially available product may be used. . The doping raw material may be Zr, Al, Mg, Ti, B, Si, P, or a combination thereof, particularly Al. The effect in the case of doping Al is as described above.
이 때, 소성은 상기 혼합물을 300 내지 500 ℃의 온도로 1차 소성 후, 700 내지 800 ℃의 온도로 2차 소성하는 것일 수 있다. 2차 소성의 온도는 보다 구체적으로 760 내지 780 ℃의 범위일 수 있다. 또한, 1차 소성 시간은 1시간 내지 2시간일 수 있고, 보다 구체적으로 1시간 20분 내지 1시간 40분일 수 있다. 또한, 2차 소성 시간은 9시간 내지 13시간일 수 있고, 보다 구체적으로 10시간 내지 12시간일 수 있다. 이러한 열처리 단계를 수행할 경우, 리튬염이 용융/분해되어 전이금속 전구체와의 반응이 용이해질 수 있다.At this time, the firing may be a primary firing of the mixture at a temperature of 300 to 500 °C, followed by secondary firing at a temperature of 700 to 800 °C. The temperature of the secondary firing may be more specifically in the range of 760 to 780 °C. In addition, the first firing time may be 1 hour to 2 hours, more specifically 1 hour 20 minutes to 1 hour 40 minutes. In addition, the second firing time may be 9 hours to 13 hours, more specifically 10 hours to 12 hours. When performing the heat treatment step, the lithium salt may be melted/decomposed to facilitate reaction with the transition metal precursor.
한편, 리튬 원료 물질은 Li2CO3, LiOH, C2H3LiO2, LiNO3, Li2SO4, Li2SO3, Li2O, Li2O2, LiCl로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Meanwhile, the lithium raw material is one selected from the group consisting of Li 2 CO 3 , LiOH, C 2 H 3 LiO 2 , LiNO 3 , Li 2 SO 4 , Li 2 SO 3 , Li 2 O, Li 2 O 2 , LiCl. It may include the above.
한편, 수득된 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 것일 수 있다.Meanwhile, the obtained lithium metal oxide may be represented by Formula 1 below.
[화학식1][Formula 1]
Lia[NibCocMndMe]O2 Li a [Ni b Co c Mn d M e ]O 2
상기 화학식 1에서, 1.0≤a≤1.1이고, 0.8≤b<1.0이고, 0≤c≤0.2이고, 0≤d≤0.2이고, 0≤e≤0.05이고, b+c+d+e=1.0일 수 있다.In Formula 1, 1.0≤a≤1.1, 0.8≤b<1.0, 0≤c≤0.2, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.05, b+c+d+e=1.0 days Can.
한편, 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계; 이후에, 리튬 금속 산화물에 코팅 원료 물질을 혼합 후 소성하여 코팅층을 형성시키는 단계;를 더 포함할 수 있고, 코팅층은 보론, 보론 산화물, 리튬 보론 산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다.On the other hand, obtaining a lithium metal oxide; Subsequently, mixing the raw material for coating on the lithium metal oxide and then firing to form a coating layer may be further included, and the coating layer may include boron, boron oxide, lithium boron oxide, or a combination thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 리튬 이차 전지의 양극에 유용하게 사용될 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 양극과 함께 음극 활물질을 포함하는 음극 및 전해질을 포함할 수 있다.The positive electrode active material according to an embodiment of the present invention can be usefully used for the positive electrode of a lithium secondary battery. The lithium secondary battery may include a negative electrode and an electrolyte including a negative electrode active material together with a positive electrode.
상기 양극은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질과, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조한 다음, 알루미늄 집전체상에 직접 코팅 및 건조하여 제조한다. 또는 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 알루미늄 집전체상에 라미네이션하여 제조가 가능하다.The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent according to an embodiment of the present invention to prepare a positive electrode active material composition, and then directly coating and drying the aluminum current collector. Alternatively, the positive electrode active material composition can be produced by casting on a separate support and then laminating the film obtained by peeling from the support on an aluminum current collector.
이때 도전재는 카본블랙, 흑연, 금속분말을 사용하며, 결합제는 비닐 리덴 플루오라이드/헥사 플루오로 프로필렌코폴리머, 폴리 비닐 리덴 플루오라이드, 폴리 아크릴로 니트릴, 폴리 메틸 메타크릴레이트, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 및 그 혼합물이 가능하다. 또한 용매는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 데칸등을사용한다. 이때 양극 활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬이차전지에서 통상적으로 사용하는 수준으로 사용된다.At this time, carbon black, graphite, and metal powder are used as the conductive material, and the binder is vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene And mixtures thereof. Also, N-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, and decane are used as the solvent. At this time, the content of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent is used at a level commonly used in lithium secondary batteries.
상기 음극은 양극과 마찬가지로 음극활물질, 결합제 및 용매를 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 제조하며, 이를 구리 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 제조한다. 이때 음극 활물질 조성물에는 필요한 경우에는 도전재를 더욱 함유하기도 한다.The anode is prepared by mixing an anode active material, a binder, and a solvent, as in the anode, to prepare an anode active material composition, which is coated directly on a copper current collector or cast on a separate support and a negative electrode active material film peeled from the support is applied to the copper current collector. It is manufactured by lamination. At this time, the negative electrode active material composition may further contain a conductive material, if necessary.
상기 음극 활물질로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 재료가 사용되고, 예컨대, 리튬금속이나 리튬합금, 코크스, 인조흑연, 천연흑연, 유기고분자화합물연소체, 탄소섬유 등을 사용한다. 또한 도전재, 결합제 및 용매는 전술한 양극의 경우와 동일하게 사용된다. As the negative electrode active material, a material capable of intercalating/deintercalating lithium is used, for example, lithium metal or lithium alloy, coke, artificial graphite, natural graphite, organic polymer compound burner, carbon fiber, etc. . Further, the conductive material, the binder and the solvent are used in the same manner as in the case of the positive electrode described above.
상기 세퍼레이터는 리튬이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용 가능하며, 일예로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.All of the separators can be used as long as they are commonly used in lithium secondary batteries. For example, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or a multilayer film of two or more layers thereof can be used, and a polyethylene/polypropylene two-layer separator, It goes without saying that a mixed multilayer film such as a polyethylene/polypropylene/polyethylene three-layer separator, a polypropylene/polyethylene/polypropylene three-layer separator, or the like can be used.
상기 리튬이차전지에 충전되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질등이 사용 가능하며, 리튬염이 용해된 것을 사용한다. As the electrolyte charged in the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte can be used, and a lithium salt is used.
상기 비수성 전해질의 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류등을 사용할 수 있다. 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상카보네이트와 쇄상카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.The solvent of the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; Amides such as dimethylformamide can be used. These may be used alone or in combination of a plurality. In particular, a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate can be preferably used.
또한 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다.Further, as the electrolyte, a gel polymer electrolyte impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N is possible.
이때 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.At this time, the lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , One selected from the group consisting of LiCl and LiI is possible.
또한, 기존의 종래 기술은 cation mixing 효과를 최소화 하여 양극재의 성능을 개선하는데 초점을 두었다. 반면, 본 발명은 안정성을 개선을 위해서 cation mixing 효과를 이용한다. 즉, cation mixing을 합리적인 범위에서 이용함으로써 양극재의 안정성을 극대화할 수 있게 된다.In addition, the existing prior art focused on improving the performance of the cathode material by minimizing the cation mixing effect. On the other hand, the present invention uses a cation mixing effect to improve stability. That is, it is possible to maximize the stability of the cathode material by using cation mixing in a reasonable range.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, it is necessary to note that the following examples are only intended to illustrate the present invention in more detail and are not intended to limit the scope of the present invention. This is because the scope of the present invention is determined by the items described in the claims and the items reasonably inferred therefrom.
[실시예 1][Example 1]
금속 수산화물 전구체와 수산화리튬, 수산화 알루미늄을 혼합하였다. 이 때 Li/M = 1.03 비율로 혼합하였으며, 수산화 알루미늄은 M 대비 2mol%, 즉, 0.02mol을 혼합하였다. 그 후 혼합물을 알루미나 도가니에 투입하고 산소 분위기에서 400℃에서 1시간 30분, 760℃에서 10시간 소성하였다. 이후 리튬 복합 산화물과 증류수를 1:1의 중량비로 혼합하여, 수세, 여과, 건조 후 H3BO3를 활물질 대비 0.01wt%의 중량비로 투입하여 혼합하였다. 혼합된 물질을 300℃에서 6시간 30분 동안 유지하여 열처리를 진행하여 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제조하였다.The metal hydroxide precursor was mixed with lithium hydroxide and aluminum hydroxide. At this time, Li/M was mixed at a ratio of 1.03, and aluminum hydroxide was mixed with 2 mol% of M, that is, 0.02 mol. Thereafter, the mixture was put in an alumina crucible and calcined at 400°C for 1 hour 30 minutes and at 760°C for 10 hours in an oxygen atmosphere. Thereafter, the lithium composite oxide and distilled water were mixed at a weight ratio of 1:1, followed by washing, filtering, and drying, followed by adding H 3 BO 3 at a weight ratio of 0.01 wt% compared to the active material. The mixed material was maintained at 300° C. for 6 hours and 30 minutes to conduct heat treatment to prepare a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 도전제(Denka black), 및 바인더(PVDF)의 중량 비율이 96.5:1.5:2.0이 되도록 N-메틸-2-피롤리돈 용매에서 균일하게 혼합하였다. The prepared positive electrode active material for a lithium secondary battery, a conductive agent (Denka black), and a binder (PVDF) were uniformly mixed in a N-methyl-2-pyrrolidone solvent such that the weight ratio was 96.5:1.5:2.0.
상기의 혼합물을 알루미늄 호일에 고르게 도포한 후 롤프레스에서 압착하고 1시간 건조 후 100℃ 진공오븐에서 1시간 진공 건조하여 양극을 제조하였다. The mixture was evenly applied to an aluminum foil, compressed in a roll press, dried for 1 hour, and then dried in a vacuum oven at 100° C. for 1 hour to prepare an anode.
상대 전극으로 Li-metal을 사용하고, 전해액으로 EC:DMC:EMC = 30:40:30인 혼합용매에 1몰의 LiPF6용액을 액체 전해액으로 사용하여 통상적인 제조방법에 따라 2032 반쪽 전지(half coin cell)를 제조하였다.2032 half cell (half) according to a conventional manufacturing method using Li-metal as a counter electrode and 1 mol of LiPF 6 solution as a liquid electrolyte in a mixed solvent of EC:DMC:EMC = 30:40:30 as the electrolyte. coin cell).
[실시예 2][Example 2]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 760℃에서 11시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The firing conditions were prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 760°C for 11 hours.
[실시예 3][Example 3]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 760℃에서 12시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 760°C for 12 hours.
[실시예 4][Example 4]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 770℃에서 10시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The firing conditions were prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 770°C for 10 hours.
[실시예 5][Example 5]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 770℃에서 11시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 770°C for 11 hours.
[실시예 6][Example 6]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 770℃에서 12시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The firing conditions were prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 770°C for 12 hours.
[실시예 7][Example 7]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 780℃에서 10시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 780°C for 10 hours.
[실시예 8][Example 8]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 780℃에서 11시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.The firing conditions were prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 780°C for 11 hours.
[실시예 9][Example 9]
소성 조건을 400℃에서 1시간 30분, 780℃에서 12시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 400°C for 1 hour and 30 minutes, and at 780°C for 12 hours.
[비교예 1][Comparative Example 1]
혼합 시 Al(OH)3를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질과 코인전지를 제작하였다.A positive electrode active material and a coin battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that Al(OH) 3 was not added during mixing.
[비교예 2][Comparative Example 2]
소성 조건을 760℃에서 10시간 소성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing conditions were fired at 760°C for 10 hours.
[실험예][Experimental Example]
실험예 1: X선 회절 분석Experimental Example 1: X-ray diffraction analysis
상기 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 양극 활물질 분말에 대하여 X선 회절 분석하였고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.X-ray diffraction analysis of the positive electrode active material powders prepared in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 2 and the results are shown in Table 1 below.
실험예 2: 전지 특성 평가Experimental Example 2: Battery characteristics evaluation
실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 2의 코인 전지를 각각 25℃에서 4.25V까지 0.2C의 정전류로 충전 시키고, 4.25V의 정전압에서 1/200C가 될 때까지 충전하여 충전용량을 측정하였다. 이후 10 분간 Rest Time을 준 뒤, 2.5V까지 0.2C의 정전류 방전하여 방전용량을 측정하여 표 2에 나타내었다.The coin cells of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 2 were charged with a constant current of 0.2C at 25°C to 4.25V, respectively, and charged at a constant voltage of 4.25V until 1/200C to measure the charging capacity. After the rest time was given for 10 minutes, the discharge capacity was measured by discharging a constant current of 0.2C to 2.5V and shown in Table 2.
실험예 3: 고온 안정성 평가1 (DSC)Experimental Example 3: High temperature stability evaluation 1 (DSC)
실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 2의 코인전지를 25℃에서 4.25V까지 0.2C의 정전류로 충전 시키고, 4.25V의 정전압에서 1/200C가 될 때까지 충전하였다. 이후 10 분간 Rest Time을 준 뒤, 2.5V까지 0.2C의 정전류 방전하고, 다시 4.25V까지 0.2C의 정전류로 충전 시키고, 4.25V의 정전압에서 1/200C가 될 때까지 충전하였다. 이후 코인 전지를 분해하여 양극 극판을 회수한 뒤, 회수한 양극 극판을 3Φ로 펀칭하여 DSC 측정용 Cell에 전해액과 함께 투입 후 결합한다. 이때, 양극 극판과 전해액은 0.75%의 중량비로 투입한다.The coin cells of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 2 were charged with a constant current of 0.2C at 25°C to 4.25V, and charged at a constant voltage of 4.25V until 1/200C. After 10 minutes of rest time, 0.2C of constant current was discharged to 2.5V, and then charged to 0.225 of constant current up to 4.25V, and charged until 1/200C at a constant voltage of 4.25V. Thereafter, the coin cell is disassembled to recover the positive electrode plate, and then the recovered positive electrode plate is punched with 3Φ to be injected into the cell for DSC measurement together with the electrolyte, and then combined. At this time, the positive electrode plate and the electrolyte are added at a weight ratio of 0.75%.
조립된 Cell은 DSC 측정장비에서 질소분위기에 분당 10℃로 승온하여 30~350℃까지 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.The assembled cell was heated to 10°C per minute in a nitrogen atmosphere in DSC measurement equipment and measured to 30~350°C, and the results are shown in Table 3.
실험예 4: 고온 안정성 평가2 (전이금속 용출)Experimental Example 4: High temperature stability evaluation 2 (transition metal elution)
실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 2에 대한 코인전지를 25℃에서 4.25V까지 0.2C의 정전류로 충전 시키고, 4.25V의 정전압에서 1/200C가 될 때까지 충전하였다. 이후 10 분간 Rest Time을 준 뒤, 2.5V까지 0.2C의 정전류 방전하고, 다시 4.7V까지 0.2C의 정전류로 충전 시키고, 4.7V의 정전압에서 1/200C가 될 때까지 충전하였다. 이후 코인 전지를 분해하여 양극 극판을 회수하여, Al-Pouch에 전해액 20㎖와 함께 밀봉한 뒤 50℃ Oven에서 1~4 주간 보관한 뒤 전해액을 회수하여 ICP 분석을 통해 용출된 전이금속의 양을 측정하였다. 그리고 그 결과를 도 1에 나타내었다.The coin cells for Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 2 were charged at a constant current of 0.2C at 25°C to 4.25V, and charged at a constant voltage of 4.25V until 1/200C. After 10 minutes of rest time, 0.2C of constant current was discharged to 2.5V, and then charged to 0.2V of constant current up to 4.7V, and charged at a constant voltage of 4.7V until 1/200C. After that, the coin cell was disassembled to recover the positive electrode plate, sealed with 20 ml of electrolyte in the Al-Pouch, stored in an oven at 50°C for 1 to 4 weeks, and then recovered to recover the amount of transition metal eluted through ICP analysis. It was measured. And the results are shown in FIG. 1.
[결과][result]
표 1 내지 3 및 도 1 내지 2을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 9의 경우 및 실시예 7의 경우 양극 활물질은 X선 회절 분석 결과 I(003)/(104)가 1.13 및 1.17이고 이때 I(006+102)/(101)는 각각 0.56 및 0.55로 나타난 것으로 알 수 있다.Referring to Tables 1 to 3 and FIGS. 1 to 2, in the case of Example 9 and Example 7 according to the present invention, the positive electrode active material has an X-ray diffraction analysis result I(003)/(104) of 1.13 and 1.17. It can be seen that I(006+102)/(101) is 0.56 and 0.55, respectively.
실시예 1 내지 실시예 9 및 비교예 1 내지 2의 활물질로 제조된 코인 전지의 초기방전 용량 및 효율은 Al을 도핑함으로 인해 감소하나, 고온 안정성 평가 결과 I(003)/(104)가 증가에 따라 DSC 1St Main Peak는 증가하며, 고온저장 전이금속 용출은 감소하는 것을 확인 할 수 있다.The initial discharge capacity and efficiency of the coin cells made of the active materials of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 2 decrease due to the doping of Al, but as a result of high temperature stability evaluation, I(003)/(104) increased. Accordingly, it can be seen that DSC 1 St Main Peak increases and elution of transition metal at high temperature decreases.
반면에 비교예 1의 활물질은 X선 회절 분석 결과 I(006+102)/(101)는 0.51이고 I(003)/(104)는 1.32으로 실시예 7에 비해서 I(003)/(104)는 높아지고 I(006+102)/(101) 값은 낮아지는 것을 알 수 있다. 이러한 상황에서 표 3에서 얻어진 DSC가 증가함을 알 수 있는데 공정 조건 변경을 통해 cation mixing이 더 잘 일어나도록 했을 때 DSC가 증가함을 이해할 수 있다. On the other hand, in the active material of Comparative Example 1, the result of X-ray diffraction analysis was I(006+102)/(101) of 0.51, and I(003)/(104) was 1.32, which is I(003)/(104) compared to Example 7. It can be seen that is higher and the value of I(006+102)/(101) is lowered. In this situation, it can be seen that the DSC obtained in Table 3 increases. It can be understood that the DSC increases when the cation mixing is made better by changing the process conditions.
실시예 4 및 실시예 9를 살펴보면 cation mixing index가 증가함에 따라서 DSC 값은 증가하고 있음을 알 수 있으나 충방전 효율이 감소하고 있음을 알 수 있다. 그러나, 실시예 2 와 5 사이에서 충방전 용량 감소가 최소화 되고 DSC의 급격한 증가가 발견되어 이 영역의 I(003)/(104)가 1.13 내지 1.20 사이에서 안정성이 크게 증가하고 있음을 알 수 있다.Looking at Example 4 and Example 9, as the cation mixing index increases, it can be seen that the DSC value increases, but it can be seen that the charge/discharge efficiency decreases. However, between Examples 2 and 5, a decrease in charge/discharge capacity was minimized, and a sharp increase in DSC was found, indicating that the stability of I(003)/(104) in this region was significantly increased between 1.13 and 1.20. .
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may have other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that can be carried out as. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (13)
X선 회절분석 결과에 따른 I(003)/(104) 값이 1.13 내지 1.27 이고,
I(006+102)/(101) 값은 0.53 내지 0.63 이고,
상기 양극 활물질은 코팅층을 더 포함하고,
상기 코팅층은 보론, 보론 산화물, 리튬 보론 산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질:
[화학식 1]
Lia[NibCocMndMe]O2
상기 화학식 1에서, 1.0≤a≤1.1이고, 0.8≤b<1.0이고, 0<c≤0.2이고, 0<d≤0.2이고, 0<e≤0.05이고, b+c+d+e=1.0이며, 도핑 원소인 M은 Al이다.
It is represented by the following formula (1),
The I(003)/(104) values according to the X-ray diffraction analysis results are 1.13 to 1.27,
The value of I(006+102)/(101) is 0.53 to 0.63,
The positive electrode active material further includes a coating layer,
The coating layer is a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising boron, boron oxide, lithium boron oxide or a combination thereof:
[Formula 1]
Li a [Ni b Co c Mn d M e ]O 2
In Formula 1, 1.0≤a≤1.1, 0.8≤b<1.0, 0<c≤0.2, 0<d≤0.2, 0<e≤0.05, b+c+d+e=1.0 , The doping element M is Al.
상기 I(003)/(104)는 1.13 내지 1.17 인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The I (003) / (104) is a positive electrode active material for a lithium secondary battery of 1.13 to 1.17.
상기 I(006+102)/(101)는 0.55 내지 0.60 인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The I (006 + 102) / (101) is a positive electrode active material for a lithium secondary battery of 0.55 to 0.60.
상기 양극 활물질은 하기 식 1을 만족하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
[식 1]
0.42 ≤ [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] ≤ 0.56
According to claim 1,
The positive electrode active material is a positive electrode active material for a lithium secondary battery that satisfies Expression 1 below.
[Equation 1]
0.42 ≤ [I(006+102)/(101)]/[I(003)/(104)] ≤ 0.56
상기 양극 활물질의 입경은 3 내지 20 ㎛ 인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The positive electrode active material for a lithium secondary battery having a particle diameter of 3 to 20 μm.
상기 전구체 입자, 리튬 원료 물질 및 도핑 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 소성하여 리튬 금속 산화물을 수득하는 단계; 및
상기 리튬 금속 산화물에 코팅 원료 물질을 혼합 후 소성하여 코팅층을 형성시키는 단계;
를 포함하고,
상기 소성은 상기 혼합물을 300 내지 500 ℃의 온도로 1차 소성 후, 700 내지 800 ℃의 온도로 2차 소성하는 것이고,
상기 수득된 리튬 금속 산화물은 X선 회절분석 결과에 따른 I(003)/(104) 값이 1.13 내지 1.27 이고, I(006+102)/(101) 값은 0.53 내지 0.63 인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법이되,
상기 수득된 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되고,
상기 코팅층은 보론, 보론 산화물, 리튬 보론 산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법:
[화학식 1]
Lia[NibCocMndMe]O2
상기 화학식 1에서, 1.0≤a≤1.1이고, 0.8≤b<1.0이고, 0<c≤0.2이고, 0<d≤0.2이고, 0<e≤0.05이고, b+c+d+e=1.0이며, 도핑 원소인 M은 Al이다.
Preparing metal hydroxide precursor particles;
Preparing a mixture by mixing the precursor particles, a lithium raw material, and a doped raw material;
Calcining the mixture to obtain lithium metal oxide; And
Mixing the lithium metal oxide with a coating raw material and firing to form a coating layer;
Including,
The firing is a first firing of the mixture at a temperature of 300 to 500 °C, followed by a second firing at a temperature of 700 to 800 °C,
The obtained lithium metal oxide is a positive electrode active material for a lithium secondary battery having an I(003)/(104) value of 1.13 to 1.27 and an I(006+102)/(101) value of 0.53 to 0.63 according to X-ray diffraction analysis results. Become a manufacturing method,
The obtained lithium metal oxide is represented by the following formula (1),
The coating layer is a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that includes boron, boron oxide, lithium boron oxide, or a combination thereof:
[Formula 1]
Li a [Ni b Co c Mn d M e ]O 2
In Formula 1, 1.0≤a≤1.1, 0.8≤b<1.0, 0<c≤0.2, 0<d≤0.2, 0<e≤0.05, b+c+d+e=1.0 , The doping element M is Al.
상기 전구체 입자는 하기 화학식 2로 표현되는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법:
[화학식 2]
[NixCoyMnz](OH)2
상기 화학식 2에서, 0.8≤x<1.0, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2, x+y+z=1.0 이다.
The method of claim 6,
The precursor particles are represented by the following formula (2) Method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery:
[Formula 2]
[Ni x Co y Mn z ](OH) 2
In Formula 2, 0.8≤x<1.0, 0≤y≤0.2, 0≤z≤0.2, and x+y+z=1.0.
상기 리튬 원료 물질은 Li2CO3, LiOH, C2H3LiO2, LiNO3, Li2SO4, Li2SO3, Li2O, Li2O2, LiCl로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
The lithium raw material is at least one selected from the group consisting of Li 2 CO 3 , LiOH, C 2 H 3 LiO 2 , LiNO 3 , Li 2 SO 4 , Li 2 SO 3 , Li 2 O, Li 2 O 2 , LiCl A method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 도핑 원료 물질은 Al인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 6,
The doping raw material is a method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery is Al.
상기 1차 소성 시간은 1시간 내지 2시간인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 6,
The primary firing time is 1 hour to 2 hours, the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 2차 소성 시간은 9시간 내지 13시간인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 6,
The secondary firing time is 9 hours to 13 hours, the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 2차 소성은 760 내지 780 ℃의 범위에서 이루어지는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 6,
The secondary firing is a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that is made in the range of 760 to 780 ℃.
음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질을 포함하고,
상기 양극은 제1항에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.
anode;
cathode; And
It includes an electrolyte located between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode is a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material according to claim 1.
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