KR20200107165A - 양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지 - Google Patents

양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지 Download PDF

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Abstract

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 코어; 및 상기 코어 표면에 배치된 인-함유 화합물을 포함하는 코팅층;을 포함한 양극활물질:
[화학식 1]
LixNiαM1βM21-α-βO2-ySy
상기 x, y, M1, M2, α, β에 대한 정의는 본 명세서에 기재된 바를 참고한다.

Description

양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지{ A cathode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery comprising a cathode comprising the cathode active material}
신규 조성의 양극활물질, 이를 포함하는 양극 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 1991년 Sony社에 의해 상용화된 이후 mobile IT 제품과 같은 소형 가전으로부터, 중대형 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템까지 다양한 분야에서 수요가 급증하고 있다. 특히, 중대형 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템을 위해서는 저가형 고에너지 양극 소재가 필수적인데, 현재 상용화된 양극 활물질인 단결정형 LiCoO2 (LCO)의 주원료인 코발트는 고가이다.
최근에는, 제조 단가를 낮추면서 용량을 극대화하기 위하여, Ni의 몰비율이 50몰% 이상으로 포함한 고-니켈계 양극활물질이 주목 받고 있다. 이러한 Ni계 양극활물질은 공침법으로 합성한 전이금속 화합물 전구체를 리튬 소스와 혼합한 후 고상으로 합성하여 제조된다. 그러나, 이렇게 합성된 Ni 계 양극 소재는 작은 일차입자들이 뭉쳐져 있는 이차입자 형태로 존재하여, 장기간의 충/방전 과정에서 이차입자 내부에 미세균열(micro-crack)이 발생된다는 문제점이 존재한다. 미세균열은 양극활물질의 새로운 계면과 전해액의 부반응을 유발하고, 그 결과 가스 발생에 따른 안정성 저하 및 전해액 고갈로 인한 전지 성능 저하와 같은 전지 성능 열화가 유발된다. 또한, 고에너지 밀도 구현을 위해 전극 밀도의 증가 (>3.6g/cc)를 필요로 하는데, 이는 이차입자의 붕괴를 유발해 전해액과의 부반응으로 인한 전해액 고갈을 유발하여 초기 수명 급락을 유발한다. 결국, 기존의 공침법으로 합성한 이차입자 형태의 Ni 계 양극활물질은 고에너지 밀도를 구현 할 수 없음을 의미한다.
전술한 이차입자 형태의 Ni계 양극활물질의 문제점을 해결하고자, 최근에 단입자형 Ni계 양극활물질에 대한 연구가 이루어지고 있다. 단결정형 Ni계 양극활물질은 3.6g/cc 초과의 전극 밀도에서도, 입자의 붕괴가 발생하지 않아 뛰어난 전기화학 성능을 구현할 수 있다. 하지만, 이러한 단결정형 Ni계 양극활물질은 전기화학 평가 시, 불안정한 Ni3+, Ni4+ 이온으로 인해 구조적 및/또는 열적 불안정성으로 인해 배터리 안정성이 저하된다는 문제점이 제기되었다. 따라서, 고에너지 리튬 이차 전지 개발을 위해서, 단결정 Ni계 양극활물질의 불안정한 Ni 이온을 안정화시키는 기술에 대한 요구가 여전히 존재한다.
한편, 최근에는 코발트의 가격이 상승함에 따라 양극활물질의 가격이 상승하고 있다. 이에, 코발트 원소를 함유하지 않는 저가형 양극활물질의 개발을 위한 연구가 진행되고 있으나, 코발트 원소를 포함하지 않는 경우 상의 안정성이 저하된다는 문제점이 발생하였다.
따라서, 코발트 원소를 포함하지 않으면서도, 고에너지 밀도를 갖고, 높은 전극밀도를 갖는 양극활물질의 개발에 대한 요구가 상당하다.
일 측면에 따르면, 전술한 바와 같은 단결정 Ni계 양극활물질 중에 불안정한 Ni이온을 안정화 시켜서, 고에너지 밀도 구현 및 장수명 특성이 향상된 양극활물질을 제공하는 것이다.
일 측면에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 코어; 및
상기 코어 표면에 배치된 인-함유 화합물을 포함하는 코팅층;
을 포함한 양극활물질:
[화학식 1]
LixNiαM1βM21-α-βO2-ySy
상기 화학식 1 중,
M1은 Zr 및 W 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속;
M2는 Co를 제외한 1종 이상의 전이금속이고,
0.98<x<1.02, 0<y≤0.1, 0.6≤α<1 및 0<β<0.1이다.
일 측면에 따른 양극활물질은 Co를 포함하지 않음에도 불구하고, Li의 일부가 Na 원소로 치환되고, 전이금속 중 일부를 W 및 Zr로 치환함으로써, 양극활물질에 존재하는 불안정한 Ni 양이온이 안정화되고, 구조적 안정성이 향상되어, 이를 포함한 리튬 이차전지는 고에너지밀도 및 장수명 특성을 갖는다.
도 1은 예시적인 구현예에 따른 리튬전지의 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 리튬전지 2: 음극
3: 양극 4: 세퍼레이터
5: 전지케이스 6: 캡 어셈블리
이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하에서 사용되는 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서 예시적인 구현예들에 따른 양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
일 측면에 따른 양극활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 코어; 및 상기 코어 표면에 배치된 인-함유 화합물을 포함하는 코팅층;을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
LixNiαM1βM21-α-βO2-ySy
상기 화학식 1 중,
M1은 Zr 및 W 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속;
M2는 Co를 제외한 1종 이상의 전이금속이고,
0.98<x<1.02, 0<y≤0.1, 0.6≤α<1 및 0<β<0.1이다.
상기 양극활물질은 화학식 1로 표시되는 화합물에서 전이금속 중 일부가 Zr 및 W로 치환되고, 산소 중 일부가 S로 치환된다. 이로부터, 상기 양극활물질 내부에 존재하는 불안정한 Ni 이온, 예를 들어 Ni3+ 또는 Ni4+은 안정한 형태인 Ni2+의 형태로 환원되어, 수명특성이 향상된다.
또한, 상기 코팅층에 포함된 인-함유 화합물은 코어 표면에 존재하는 Li2CO3 또는 LiOH와 같은 잔류 리튬과 인 전구체 화합물의 반응에 의해 생성된 생성물이다. 상기 잔류 리튬은 불안정한 Ni3+의 Ni2+로의 자발적 환원 과정에서 공기 중의 이산화 탄소 및 수분과 리튬이 반응하여 생성된다. 또한, 충전시 잔류 리튬의 전기화학적 분해에 의하여 CO2 가스의 발생 또는 전해액과의 부반응에 의한 가스의 발생으로 인해 안정성 문제를 야기할 수 있다. 한편, 상기 양극활물질은 상기 코팅층의 형성에 의해 잔류 리튬의 양이 현저히 감소됨으로써, 고에너지 밀도 및 향상된 수명특성을 갖는다.
일 구현예에 따르면, 상기 M1은 Zr 및 W의 조합을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 M2는 Mn, Al, Mg, V 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 M2는 Mn, Al, Mg 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 M2는 Mn, Al 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 M2는 Mn 및 Al 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:
[화학식 2]
LixNiαWβ1Zr β2M21-α-β1- β2O2-ySy
M2은 1종 이상의 전이금속이고,
0.98<x<1, 0<y≤0.1, 0.6≤α<1, 0<β1<0.01 및 0<β2<0.01이다.
일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1은 하기 화학식 3-1 또는 3-2로 표시될 수 있다.
[화학식 3-1]
Lix'Niα'Wβ1'Zr β2'Mn1-α'-β1'- β2'O2-y'Sy'
[화학식 3-2]
Lix''Niα''Wβ1''Zr β2''Al1-α''-β1''- β2''O2-y''Sy''
상기 화학식 3-1 중,
0.98<x'<1, 0<y'≤0.1, 0.6≤α'<1, 0<β1'<0.01 및 0<β2'<0.01이고,
상기 화학식 3-2 중,
0.98<x''<1, 0<y''≤0.1, 0.6≤α''<1, 0<β1''<0.01 및 0<β2''<0.01이다.
일 구현예에 따르면, 상기 인-함유 화합물은 결정질, 비정질, 또는 이들의 조합일 수 있다.
예를 들어, 상기 인-함유 화합물은 결정질의 Li3PO4를 포함하거나, 리튬, 인 및 산소원자를 포함하는 비정질의 인-함유 화합물을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 인-함유 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다:
[화학식 3]
LiaPbOc
0<a≤3, 0<b≤1, 및 0<c≤4이다.
예를 들어, 상기 화학식 3 중, 0<b≤0.02일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 코팅층은 코어 표면에서 연속적인 코팅층 또는 코어 표면에서 부분적으로 존재하는 아일랜드 형태의 코팅층을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층은 코어 표면에서 아일랜드 형태의 코팅층을 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양극활물질은 CuKα선을 이용하는 XRD 분석에 의해 얻은 X선 회절 스펙트럼의 2θ= 20° 내지 25°에서 피크를 가질 수 있다.
상기 XRD 그래프 중 2θ= 20°내지 25°에서의 피크는 Li3PO4의 존재를 의미한다. 또한, 후술하겠지만, 이러한 피크는 양극활물질의 코팅층에서 관찰되므로, 양극활물질의 코어 내부에는 P원소가 존재하지 않는다.
일 구현예에 따르면, 상기 양극활물질은 단결정일 수 있다. 여기서, 단결정은 단일 입자와는 구별되는 개념을 갖는다. 단일 입자는 내부에 결정의 유형과 개수에 상관없이 하나의 입자로 형성된 입자를 지칭하는 것이며, 단결정은 입자 내에 단일 결정을 포함하는 것을 의미한다. 상기 코어가 단결정을 가짐으로써, 구조적 안정성이 매우 높다. 또한, 다결정에 비해 리튬 이온 전도가 용이하여, 다결정의 활물질에 비하여 고속 충전 특성이 우수하다.
일 구현예에 따르면, 상기 양극활물질은 단일 입자일 수 있다. 여기서, 단일 입자는 복수의 단일 입자의 응집체인 이차입자와는 구별되는 개념이다. 상기 양극활물질이 단일입자의 형태를 가짐으로써, 높은 전극밀도에서도 입자의 부서짐을 방지할 수 있다. 따라서, 양극활물질의 고에너지 밀도의 구현이 가능해진다. 상기 코어는 단일 입자이므로, 압연시에 부서짐이 방지되어 고에너지 밀도의 구현이 가능하며, 입자의 부서짐에 따른 수명 열화도 방지할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양극활물질은 단결정 및 단일입자이다. 단결정 및 단일입자로 형성됨으로써, 구조적으로 안정하고 고밀도의 전극의 구현이 가능하여, 이를 포함한 리튬이차전지가 향상된 수명특성 및 고에너지 밀도를 동시에 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양극활물질의 평균 입경(D50)은 1.5㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 평균 입경(D50)은 1.5㎛ 내지 15㎛, 1.5㎛ 내지 10㎛, 2㎛ 내지 20㎛, 5㎛ 내지 20㎛, 1.5㎛ 내지 15㎛, 1.5㎛ 내지 10㎛, 5㎛ 내지 15㎛, 또는 5㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 상기 양극활물질의 평균 입경이 상기 범위에 속하는 경우, 소망하는 체적당 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 상기 양극활물질의 평균 입경이 20㎛을 초과하는 경우 충방전 용량의 급격한 저하를 가져오게 되고, 1.5㎛ 이하인 경우 원하는 체적당 에너지 밀도를 얻기 어렵다.
이하, 일 측면에 따른 양극활물질의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
일 구현예에 따른 양극활물질의 제조방법은 리튬 전구체, M1 전구체 및 M2 전구체, 황 전구체, 니켈 전구체 및 인-함유 화합물 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 혼합 단계; 및 상기 전구체 혼합물을 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 양극활물질을 얻는 열처리 단계;를 포함할 수 있다:
[화학식 1]
LixNiαM1βM21-α-βO2-ySy
상기 화학식 1 중,
M1은 Zr 및 W 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속;
M2는 Co를 제외한 1종 이상의 전이금속이고,
0.98<x<1.02, 0<y≤0.1, 0.6≤α<1 및 0<β<0.1이다.
상기 화학식 1에 대한 구체적인 설명은 전술한 바를 참조한다.
상기 혼합 단계는 상기 전구체를 기계적 혼합하는 것을 포함한다. 상기 기계적 혼합은 건식으로 수행된다. 상기 기계적 혼합은 기계적 힘을 가하여 혼합하고자 하는 물질들을 분쇄 및 혼합하여 균일한 혼합물을 형성하는 것이다. 기계적 혼합은 예를 들어, 화학적으로 불활성인 비드(beads)를 이용하는 볼 밀(ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼 밀(stirred ball mill), 진동 밀(vibrating mill) 등과 같은 혼합장치를 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 혼합 효과를 극대화 하기 위하여, 에탄올과 같은 알코올, 스테아르산과 같은 고급 지방산을 선택적으로 소량 첨가할 수 있다.
상기 기계적 혼합은 산화 분위기에서 수행되는데, 이는 전이금속 공급원(예, Ni 화합물)에서 전이금속의 환원을 막아서, 활물질의 구조적 안정성을 구현하기 위한 것이다.
상기 리튬 전구체는 리튬 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 리튬 전구체는 LiOH 또는 Li2CO3일 수 있다.
상기 M1 전구체는 Zr 또는 W의 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, Zr(OH)4, ZrO2, W(OH)6, WO3 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 M2를 포함하는 전구체는 Mn, Al, Mg, V 및 Ti 중 1종 이상의 전이금속의 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 니켈 전구체는 Ni의 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, Ni(OH)2, NiO 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 황 전구체는 황의 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, S(OH)2, SO2 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 인-함유 화합물 전구체는 P 원소를 제공할 수 있는 인-함유 화합물을 모두 포함한다. 예를 들어, 인 전구체는 (NH4)2HPO4일 수 있다.
상기 혼합하는 단계 이후에, 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열처리 단계는 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계는 연속적으로 수행되거나, 제1 열처리 단계 이후에 휴식기를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계는 동일한 챔버 내에서 이루어지거나, 서로 상이한 챔버 내에서 이루어질 수 있다.
상기 제1 열처리 단계에서의 열처리 온도는 상기 제2 열처리 단계에서의 열처리 온도보다 높을 수 있다.
상기 제1 열처리 단계는 열처리 온도 800℃ 내지 1200℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도는 예를 들어, 850℃ 내지 1200℃, 860℃ 내지 1200℃, 870℃ 내지 1200℃, 880℃ 내지 1200℃, 890℃ 내지 1200℃, 또는 900℃ 내지 1200℃일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.
상기 제2 열처리 단계는 열처리 온도는 700℃ 내지 800℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도는 710℃ 내지 800℃, 720℃ 내지 800℃, 730℃ 내지 800℃, 740℃ 내지 800℃, 750℃ 내지 800℃, 700℃ 내지 780℃, 700℃ 내지 760℃, 700℃ 내지 750℃, 또는 700℃ 내지 730℃일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 열처리 단계에서의 열처리 시간은 상기 제2 열처리 단계에서의 열처리 시간보다 짧을 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 열처리 단계에서 열처리 시간은 3시간 내지 5시간, 4시간 내지 5시간, 또는 3시간 내지 4시간일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.
예를 들어, 상기 제2 열처리 단계에서 열처리 시간은 10시간 내지 20시간, 10시간 내지 15시간 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.
상기 제1 열처리 단계는, 800℃ 내지 1200℃의 열처리 온도에서 3 내지 5시간 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 열처리 단계는, 700℃ 내지 800℃의 열처리 온도에서 10 내지 20시간 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 열처리 단계는 리튬 전이금속산화물이 층상구조의 양극활물질을 형성함과 동시에 입자의 성장을 유발하여, 단결정의 형상을 이룰 수 있도록 한다. 상기 제1 열처리 단계에서는 이차입자 형상의 리튬 전이금속산화물 내의 각각의 일차입자들이 급격하게 성장하여 입자 간 응력을 견디지 못함에 따라 일차입자들의의 내부가 드러나면서 서로 융합되어, 이차전지용 단결정 양극 활물질이 형성되는 것으로 생각된다. 상기 제2 열처리 단계는 제1 열처리 단계에서 보다 낮은 온도로 열처리를 장시간 수행함으로써, 제1 열처리 단계에서 생성된 층상구조의 결정도를 높인다. 제1 및 제2 열처리 단계를 통하여 단일상, 단결정, 단일 입자의 니켈계 양극활물질이 얻어질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제조 방법에 의해 제조된 리튬 전이금속 산화물은 단결정, 단일입자이고, 상기 단결정은 층상구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 리튬 전이금속산화물의 평균 입경은 1.5㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
또한, 상기 양극활물질의 제조 방법에 의해 제조된 양극활물질은 W 및 Zr 원소는 구조 내 전이금속 자리에 치환되고, S 원소가 O 자리에 치환된다. W, Zr 및 S 원소가 Ni계 양극 활물질 구조 내 치환됨으로써 기존에 존재하는 Ni3+ 이온의 Ni2+ 이온으로의 환원이 유발된다. 환원된 Ni2+ 이온과 Li+ 이온은 이온 반경이 비슷하여 Li/Ni 무질서화(disordering)가 촉진되어, 코어 내에서 부분적으로 산소 격자구조를 변화시킨다. 산소 격자구조가 부분적으로 변화됨으로써 P 원소는 구조 내 정사면체 자리를 차지함으로써 PO4 구조를 형성하지 못하여, 코어 내의 정사면체 위치에 P 원소가 침투하지 못하고, 양극 활물질 표면에 인-함유 화합물, 예를 들어 Li3PO4 형태로 존재하는 것이다.
또한, 상기 방법에 의해 제조된 양극활물질은 전이금속 중 일부가 Zr 및 W로 치환되고, 산소(O) 중 일부가 S로 치환된 전이금속 산화물을 포함하는 코어; 및 코어 표면에 인-함유 화합물을 포함한 코팅층을 포함함으로써, 잔류 리튬의 양 및 불안정한 Ni 이온의 양이 동시에 감소한 양극활물질이 얻어지고, 이러한 양극활물질을 채용한 리튬 이차전지는 고에너지 밀도 및 장수명을 갖는다.
다른 측면에 따르면, 전술한 양극활물질을 포함하는 양극이 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.
상기 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
먼저 양극이 준비된다.
예를 들어, 전술한 양극활물질, 도전재, 바인더 및 용매가 혼합된 양극활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다. 상기 양극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.
상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.
상기 바인더로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 그 혼합물, 금속염, 또는 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 또 다른 바인더의 예로는, 전술한 폴리머의 리튬염, 나트륨염, 칼슘염 또는 Na염 등이 사용될 수 있다.
상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.
다음으로 음극이 준비된다.
예를 들어, 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 음극활물질 조성물이 준비된다. 상기 음극활물질 조성물이 3㎛ 내지 500㎛ 두께를 갖는 금속 집전체 상에 직접 코팅 및 건조되어 음극판이 제조된다. 다르게는, 상기 음극활물질 조성물이 별도의 지지체상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 음극판이 제조될 수 있다.
상기 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 니켈, 구리의 표면에 카본으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다.
상기 음극활물질은 당해 기술분야에서 리튬전지의 음극활물질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, 또는 Te일 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.
예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.
상기 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있으며, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다.
음극활물질 조성물에서 도전재, 바인더 및 용매는 상기 양극활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다.
상기 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.
다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다.
상기 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 단일막 또는 다층막일 수 있으며, 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 또한, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.
고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.
상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
다음으로 전해질이 준비된다.
예를 들어, 상기 전해질은 유기전해액일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 고체일 수 있다. 예를 들어, 보론산화물, 리튬옥시나이트라이드 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 사용가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다.
예를 들어, 유기전해액은 유기용매에 리튬염이 용해되어 제조될 수 있다.
상기 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 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 아미드류 등이 있다. 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트를 혼합한 용매를 사용할 수 있다.
또한, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N, LixGeyPzSα, LixGeyPzSαXδ (X=F, Cl, Br) 등의 무기 고체 전해질을 사용할 수 있다.
상기 리튬염도 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두사용될 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단 x,y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이다.
도 1에서 보여지는 바와 같이 상기 리튬전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 리튬전지(1)가 완성된다. 상기 전지케이스(5)는 원통형, 각형, 파우치형, 코인형, 또는 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지(1)는 박막형전지일 수 있다. 상기 리튬전지(1)는 리튬이온전지일 수 있다.
상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.
또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.
또한, 상기 리튬전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구, 전력 저장용 시스템 등에 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 코어; 및
    상기 코어 표면에 배치된 인-함유 화합물을 포함하는 코팅층;
    을 포함한 양극활물질:
    [화학식 1]
    LixNiαM1βM21-α-βO2-ySy
    상기 화학식 1 중,
    M1은 Zr 및 W 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속;
    M2는 Co를 제외한 1종 이상의 전이금속이고,
    0.98<x<1.02, 0<y≤0.1, 0.6≤α<1 및 0<β<0.1이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 M2는 Mn, Al, Mg, V 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함한, 양극활물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시되는, 양극활물질:
    [화학식 2]
    LixNiαWβ1Zr β2M21-α-β1- β2O2-ySy
    M2은 1종 이상의 전이금속이고,
    0.98<x<1, 0<y≤0.1, 0.6≤α<1, 0<β1<0.01 및 0<β2<0.01이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 3-1 또는 3-2 중 어느 하나로 표시된, 양극활물질:
    [화학식 3-1]
    Lix'Niα'Wβ1'Zr β2'Mn1-α'-β1'- β2'O2-y'Sy'
    [화학식 3-2]
    Lix''Niα''Wβ1''Zr β2''Al1-α''-β1''- β2''O2-y''Sy''
    상기 화학식 3-1 중,
    0.98<x'<1, 0<y'≤0.1, 0.6≤α'<1, 0<β1'<0.01 및 0<β2'<0.01이고,
    상기 화학식 3-2 중,
    0.98<x''<1, 0<y''≤0.1,0.6≤α''<1, 0<β1''<0.01 및 0<β2''<0.01이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인-함유 화합물은 결정질, 비정질, 또는 이들의 조합인, 양극활물질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인-함유 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함하는, 양극활물질:
    [화학식 3]
    LiaPbOc
    0<a≤3, 0<b≤1, 및 0<c≤4이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극활물질의 평균 입경(D50)은 1.5㎛ 내지 20㎛인, 양극활물질.
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