KR20200127791A - Method of building content library of cathode active material, and analyzing method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법, 및 이를 이용한 양극 활물질의 조성 분석 방법에 대한 것이다.A method for constructing a composition library of a positive electrode active material, and a method for analyzing the composition of a positive electrode active material using the same.
최근 지구 온난화 및 환경오염 등의 문제 대처를 위해 친환경 에너지 생산 기술과 에너지 저장장치의 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, interest in the development of eco-friendly energy production technology and energy storage devices has been increasing to cope with problems such as global warming and environmental pollution.
상기 예시들 중 하나로, 리튬 이차전지는 노트북 및 휴대폰 등 소형 IT 기반 기술로 발전하여, 전기 자동차, 전동 공구, 전동 오토바이 등 중대형 디바이스에까지 그 적용범위가 급속도로 확장되고 있다. As one of the above examples, lithium secondary batteries have developed into small IT-based technologies such as notebook computers and mobile phones, and their application range is rapidly expanding to mid- to large-sized devices such as electric vehicles, power tools, and electric motorcycles.
이러한 리튬 이차전지의 양극 활물질의 구체적인 조성을 분석하는 방법으로는 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP) 분석법이 주로 활용되고 있다. ICP 분석법을 이용할 경우 양극 활물질 내 금속, 예컨대 리튬 및, 니켈, 코발트, 망간 등의 전이금속의 양을 분석할 수 있다. 그러나, ICP 분석법은 전처리 시간이 길고 고 진공 상태가 요구되는 등, 양극 활물질의 조성을 분석하는데 높은 비용이 요구되는 문제가 있다. As a method of analyzing the specific composition of the positive electrode active material of such a lithium secondary battery, an inductively coupled plasma (ICP) analysis method is mainly used. When using the ICP analysis method, the amount of metals, such as lithium, and transition metals such as nickel, cobalt, and manganese in the positive electrode active material can be analyzed. However, the ICP analysis method has a problem that a high cost is required to analyze the composition of the positive electrode active material, such as a long pretreatment time and a high vacuum state is required.
따라서, 최근 이차전지의 원료 다양화, 공정 개선, 수율 향상 등의 비용 절감 방향에 부합할 수 있도록, 낮은 비용으로도 신속한 조성 분석이 가능한 분석 방법의 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need to develop an analysis method capable of rapid composition analysis at low cost in order to meet the direction of cost reduction such as diversification of raw materials for secondary batteries, process improvement, and yield improvement.
낮은 비용으로도 신속한 실시간 조성 분석 결과를 제공할 수 있는 양극 활물질의 조성 라이브러리를 구축하는 방법과, 이를 이용한 양극 활물질의 조성 분석 방법을 제공하고자 한다.To provide a method for constructing a composition library of a positive electrode active material that can provide rapid real-time composition analysis results at low cost, and a method for analyzing the composition of a positive electrode active material using the same.
일 구현예에 따르면, 샘플에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고, 상기 분광선으로부터 상기 샘플의 전이금속 피크 강도 데이터(data)를 획득하고, 상기 전이금속 피크 강도 데이터와, 상기 샘플의 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터를 연동하여 전이금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 포함하여 수행하는 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법이 제공된다.According to an embodiment, a plasma is formed by irradiating a laser to a sample, measuring a spectral line by light emitted from the plasma, obtaining transition metal peak intensity data (data) of the sample from the spectral line, There is provided a method for constructing a composition library of a positive electrode active material, including the process of constructing a transition metal composition library by linking the transition metal peak intensity data and the transition metal composition ratio data already obtained of the sample.
상기 플라즈마 형성 및 상기 분광선 검출 과정으로 이루어진 단계를 100 사이클 이상 반복 수행하고, 상기 사이클마다 상기 측정한 분광선으로부터 각각 얻어지는 전이금속 피크 강도 정보(datum)의 평균을 계산하여 상기 전이금속 피크 강도 데이터(data)를 산출할 수 있다.The step consisting of the plasma formation and the spectral line detection process is repeatedly performed at least 100 cycles, and the transition metal peak intensity data is calculated by calculating an average of the transition metal peak intensity information (datum) each obtained from the measured spectral line for each cycle. (data) can be calculated.
상기 분광선으로부터 분석대상 전이금속에 해당하는 피크를 크기가 가장 큰 것부터 작아지는 순서로 1 내지 6 개 특정하고, 상기 특정된 피크들의 강도의 평균을 계산하여 전이금속 피크 강도 정보(datum)를 산출할 수 있다.From the spectral line, 1 to 6 peaks corresponding to the transition metal to be analyzed are specified in the order of decreasing size from largest to smallest, and the average of the intensities of the specified peaks is calculated to calculate transition metal peak intensity information (datum). can do.
상기 전이금속 피크 강도 데이터는 니켈 피크 강도 데이터, 코발트 피크 강도 데이터, 망간 피크 강도 데이터, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The transition metal peak intensity data may include nickel peak intensity data, cobalt peak intensity data, manganese peak intensity data, or a combination thereof.
상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터는 유도 결합 플라즈마 (Induced Coupled Plasma, ICP) 분석법, 레이저 유도 브레이크다운 분광 (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) 분석법 중 적어도 하나를 이용하여 얻어진 데이터일 수 있다.The already obtained transition metal composition ratio data may be data obtained using at least one of an Induced Coupled Plasma (ICP) analysis method and a Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) analysis method.
상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터는 니켈, 코발트, 및 망간 중 적어도 2 이상의 몰비 데이터를 포함할 수 있다.The transition metal composition ratio data already obtained may include molar ratio data of at least two of nickel, cobalt, and manganese.
상기 샘플은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.The sample may be represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
Mea(NixCoyMnz)QbTdO2(1-e)(OH)e Me a (Ni x Co y Mn z ) Q b T d O 2(1-e) (OH) e
화학식 1 내지 화학식 2에서,In
Me는 Li, Na, K, Rb, Cs 중에서 선택되는 1종 이상의 금속이고,Me is at least one metal selected from Li, Na, K, Rb, Cs,
T는 Al, Pb, Na, Mg, Fe, Cr, Zn 중에서 선택되는 1종 이상의 금속이고, T is at least one metal selected from Al, Pb, Na, Mg, Fe, Cr, Zn,
Q는 15족 내지 17족 원소 중에서 선택되는 1종 이상의 비금속이고,Q is one or more nonmetals selected from Group 15 to Group 17 elements,
0≤a≤1.5, 0≤b≤10-3, 0≤d≤10-3, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1이며, e는 0 또는 1이다. 0≤a≤1.5, 0≤b≤10 -3 , 0≤d≤10 -3 , 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1, e Is 0 or 1.
상기 샘플은 전이금속 조성비가 상이한 제1 샘플과 제2 샘플을 포함하며, 상기 제1 샘플과 상기 제2 샘플에 대하여 각각 독립적으로, 상기 플라즈마 형성, 상기 분광선 측정, 상기 전이금속 피크 강도 데이터 획득, 및 상기 양극 활물질의 전이금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 수행할 수 있다.The sample includes a first sample and a second sample having different transition metal composition ratios, and each independently for the first sample and the second sample to form the plasma, measure the spectral line, and obtain the transition metal peak intensity data , And a process of constructing a transition metal composition library of the positive active material may be performed.
상기 샘플은 펠릿(pellet) 형상을 가질 수 있다.The sample may have a pellet shape.
상기 레이저 조사 시점으로부터 상기 분광선 측정 시점까지의 시간은 0 초과 2 μs 이하일 수 있다. The time from the laser irradiation point to the point of measurement of the spectral line may be greater than 0 and less than or equal to 2 μs.
상기 플라즈마 형성 및 상기 분광선 측정은 불활성 가스 분위기에서 수행할 수 있다. The plasma formation and the spectral line measurement may be performed in an inert gas atmosphere.
상기 불활성 가스는 헬륨 가스를 포함할 수 있다.The inert gas may include helium gas.
상기 분광선으로부터 상기 샘플의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 더 획득하며, 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터와 구축된 상기 전이금속 조성 라이브러리를 이용하여 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 더 포함하여 수행할 수 있다. The alkali metal peak intensity data of the sample is further obtained from the spectral line, and the alkali metal composition library is constructed using the alkali metal peak intensity data and the established transition metal composition library. .
상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은 상기 전이금속 조성 라이브러리에서 상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터(data)와 연동되어 있는 상기 전이금속 피크 강도 데이터를 특정하고, 상기 특정된 전이금속 피크 강도 데이터의 합계에 대한 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터의 비율을 산출하는 과정을 포함할 수 있다.The process of constructing the alkali metal composition library is to specify the transition metal peak intensity data linked with the transition metal composition ratio data (data) already obtained in the transition metal composition library, and the sum of the specified transition metal peak intensity data It may include a process of calculating the ratio of the alkali metal peak intensity data to.
상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은, 상기 산출된 제1 매개변수(Ralkali)에 기준 알칼리금속 조성비(C)를 대입하여 기준변수 (Ralkali=c)를 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다.The process of constructing the alkali metal composition library may further include a process of calculating a reference variable (R alkali = c ) by substituting a reference alkali metal composition ratio (C) to the calculated first parameter (R alkali ). have.
상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은, 상기 제1 매개변수(Ralkali)를 산출된 상기 기준변수로 나누어 제2 매개변수 (Ralkali/Ralkali=c)를 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다.The process of constructing the alkali metal composition library may further include a process of calculating a second parameter (R alkali / R alkali = c ) by dividing the first parameter (R alkali ) by the calculated reference parameter. have.
상기 알칼리금속은 리튬이고, 상기 기준 알칼리금속 조성비(C)는 1.0일 수 있다.The alkali metal is lithium, and the reference alkali metal composition ratio (C) may be 1.0.
상기 샘플은 알칼리금속 조성비가 상이한 제3 샘플과 제4 샘플을 포함하며, 상기 제3 샘플과 상기 제4 샘플에 대하여 각각 독립적으로, 상기 플라즈마 형성, 상기 분광선 측정, 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터 획득, 및 상기 양극 활물질의 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 수행할 수 있다.The sample includes a third sample and a fourth sample having different alkali metal composition ratios, and each independently for the third sample and the fourth sample, the plasma formation, the spectral line measurement, and the alkali metal peak intensity data acquisition , And the process of building an alkali metal composition library of the positive electrode active material may be performed.
한편, 전술한 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법을 이용하여 전이금속 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 조성을 분석하는 방법으로,Meanwhile, as a method of analyzing the composition of the positive electrode active material for which the composition ratio of the transition metal is unknown using the method for constructing the composition library of the positive electrode active material described above,
상기 양극 활물질에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고, 상기 분광선으로부터 얻어진 상기 양극 활물질의 전이금속 피크 강도 데이터를 상기 전이금속 조성 라이브러리에 대입하여 상기 양극 활물질의 전이금속 조성비 데이터를 도출하는 과정을 포함하여 수행하는 양극 활물질의 조성 분석 방법이 제공된다.By irradiating a laser to the positive electrode active material to form a plasma, measuring a spectral line by light emitted from the plasma, and substituting the transition metal peak intensity data of the positive electrode active material obtained from the spectral line into the transition metal composition library There is provided a method for analyzing a composition of a positive electrode active material, including the process of deriving data on a composition ratio of a transition metal of the positive electrode active material.
또는, 전술한 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법을 이용하여 알칼리금속 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 조성을 분석하는 방법으로,Alternatively, as a method of analyzing the composition of the positive electrode active material of unknown alkali metal composition ratio by using the above-described method for constructing a composition library of the positive electrode active material,
상기 양극 활물질에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고, 상기 분광선으로부터 얻어진 양극 활물질의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 상기 알칼리금속 조성 라이브러리에 대입하여 상기 양극 활물질의 알칼리금속 조성비를 도출하는 과정을 포함하여 수행하는 양극 활물질의 조성 분석 방법이 제공된다.The positive electrode active material is irradiated with a laser to form a plasma, a spectral line by light emitted from the plasma is measured, and the alkali metal peak intensity data of the positive electrode active material obtained from the spectral line is substituted into the alkali metal composition library, and the There is provided a method for analyzing a composition of a positive electrode active material, including the process of deriving an alkali metal composition ratio of the positive electrode active material.
일 구현예에 따르면 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 낮은 비용으로도 이차 전지 양극 활물질의 실시간 조성을 신속하게 분석할 수 있는 기반이 되는 바, 이차전지의 수율 향상과 공정 개선에 이바지할 수 있다.According to one embodiment, the method of constructing a composition library of a positive electrode active material serves as a basis for quickly analyzing the composition of a positive electrode active material for a secondary battery at low cost in real time, thereby contributing to improving the yield and process of the secondary battery.
도 1은 일 구현예에 따른 양극 활물질 조성 라이브러리 구축 방법 중 플라즈마 형성 및 분광선 측정 과정으로 이루어진 단계를 개략적으로 나타낸 것이고,
도 2는 측정된 분광선들의 파장-강도를 나타낸 그래프이고,
도 3은 상기 레이저 조사 시점으로부터 상기 분광선 측정 시점까지의 시간 변화에 따른 측정된 분광선들의 파장-강도 변화를 나타낸 그래프이고,
도 4는 플라즈마 형성 및 분광선 측정으로 이루어진 단계의 수행 횟수를 150 사이클까지 증가시면서, 사이클 증가에 따라 누적되는 Ni, Co, Mn 각각의 원자% 정보(datum)의 (산술)평균값을 나타낸 그래프이고,
도 5는 전이금속 피크 강도 데이터와 전이금속 조성비 데이터가 연동된 일례를 나타내는 그래프이고,
도 6은 전이금속(Ni, Co, Mn) 조성비 내에서 알칼리금속(Li)의 몰비에 따른 피크 강도의 변화로부터 구축된 알칼리금속 조성 라이브러리를 개략적으로 나타낸 3차원 그래프이고,
도 7은 도 6의 y-z 평면을 나타낸 그래프이고,
도 8은 다양한 NCM계 리튬 화합물에 대한 리튬의 몰비와 RLi/R(Li=1) 관계를 나타낸 그래프이다.1 schematically shows a step consisting of plasma formation and a spectral line measurement process in a method of constructing a cathode active material composition library according to an embodiment,
2 is a graph showing the wavelength-intensity of the measured spectral lines,
3 is a graph showing the wavelength-intensity change of the measured spectral lines according to the time change from the point of time of laser irradiation to the point of measurement of the spectral line,
FIG. 4 is a graph showing the (arithmetic) average value of the atomic percent information (datum) of Ni, Co, and Mn accumulated as the cycle increases while increasing the number of steps performed by plasma formation and spectroscopic measurement to 150 cycles. ,
5 is a graph showing an example in which transition metal peak intensity data and transition metal composition ratio data are linked,
6 is a three-dimensional graph schematically showing an alkali metal composition library constructed from a change in peak intensity according to a molar ratio of an alkali metal (Li) within a composition ratio of a transition metal (Ni, Co, Mn),
7 is a graph showing the yz plane of FIG. 6,
8 is a graph showing the relationship between the molar ratio of lithium and R Li /R (Li=1) for various NCM-based lithium compounds.
이하, 실시예에 대하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, it may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thicknesses are enlarged to clearly express various layers and regions. The same reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where the other part is "directly above", but also the case where there is another part in the middle. Conversely, when one part is "directly above" another part, it means that there is no other part in the middle.
기존 재료의 조성을 분석하는 방법으로는 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP) 분석법이 널리 활용되고 있다. 그러나, ICP 분석법은 재료를 오랜 시간에 걸쳐 용해해야 하므로 전처리 과정이 필요한 것은 물론, 전처리 시간이 긴 편이다. 또한 ICP 분석법은 고진공 등의 특정 압력 조건에서 수행되어야 하므로, 측정 조건을 맞추기 까다로운 편이다. 마지막으로 ICP 분석법은 전처리된 재료의 조성을 측정하므로, 측정 대상 재료의 실시간 내지 실시간에 가까운 조성을 파악하기는 어렵다. As a method of analyzing the composition of existing materials, an Inductively Coupled Plasma (ICP) analysis method is widely used. However, the ICP method requires a pretreatment process because the material must be dissolved over a long period of time, as well as a long pretreatment time. In addition, since the ICP method must be performed under specific pressure conditions such as high vacuum, it is difficult to meet the measurement conditions. Finally, since ICP analysis measures the composition of the pretreated material, it is difficult to grasp the composition of the material to be measured in real time or near real time.
한편, ICP 분석법이 가지는 전술한 제약을 해소하기 위한 다른 방안으로 레이저 유도 브레이크다운 분광 (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) 분석법을 이용하는 것을 고려할 수 있다. 이 경우, 레이저 조사를 통해 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선의 피크 강도, 피크 면적, 피크 파장 등을 분석함으로써 ICP 분석법과 달리 별도의 전처리 없이 측정 대상 재료의 실시간 원소 종류, 및 비율 등을 얻을 수 있음을 발견하였다. On the other hand, it may be considered to use a laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) analysis method as another method for solving the above-described limitations of the ICP analysis method. In this case, plasma is generated through laser irradiation, and by analyzing the peak intensity, peak area, and peak wavelength of the spectral line by the light emitted from the generated plasma, unlike the ICP analysis method, real-time elements of the material to be measured are not required. It has been found that types, and ratios, etc. can be obtained.
그러나, LIBS 분석법에 의해 측정되는 분광선의 피크 강도, 피크 면적 등은 동일 재료라 하더라도 측정 대상 재료의 물리적 성질, 플라즈마 생성 조건, 결정 구조 등에 따라 상이하게 나타날 수 있다. 이와 같은 현상은 LIBS 분석법의 매트릭스 효과(matrix effect)로 알려져 있다.However, the peak intensity, peak area, etc. of the spectral line measured by the LIBS analysis method may appear differently depending on the physical properties of the material to be measured, plasma generation conditions, crystal structure, etc. even if the material is the same. This phenomenon is known as the matrix effect of the LIBS analysis method.
따라서 본 연구자들은 LIBS 분석법을 이용하여 측정 대상 재료의 실시간 조성을 분석할 수 있는 방안을 연구한 결과, 측정 대상 재료에 대한 표준화된 조성 라이브러리를 구축할 경우, 전술한 매트릭스 효과를 최소화하면서도 실시간 조성 분석 결과를 얻어낼 수 있음을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Therefore, as a result of researching a method that can analyze the composition of the material to be measured in real time using the LIBS analysis method, the researchers found that when building a standardized composition library for the material to be measured, the result of real-time composition analysis while minimizing the matrix effect described above. It was found that can be obtained, and the present invention was completed.
일 구현예에 따른 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 양극 활물질 샘플에 함유되어 있는 구성성분들의 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 구성성분들은 금속일 수도 있고, 탄소, 질소, 인, 플루오린 등의 15족 내지 17족 원소를 포함하는 비금속일 수도 있다.A method of constructing a composition library of a positive electrode active material according to an exemplary embodiment may include a process of constructing a composition library of constituents contained in a positive electrode active material sample. The constituents may be metal, or may be a non-metal including elements from Groups 15 to 17 such as carbon, nitrogen, phosphorus, and fluorine.
예를 들어, 상기 샘플은 니켈, 코발트, 망간 중 적어도 2 이상과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 금속 산화물, 또는 금속 수산화물일 수 있다. For example, the sample may be a metal oxide or a metal hydroxide containing at least two or more of nickel, cobalt, manganese and other inevitable impurities.
예를 들어, 상기 샘플은 니켈, 코발트, 및 망간 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 금속 산화물 또는 금속 수산화물일 수 있다. For example, the sample may be a metal oxide or metal hydroxide containing nickel, cobalt, and manganese and other unavoidable impurities.
예를 들어, 상기 샘플은 알칼리금속, 니켈, 코발트, 및 망간 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 폐양극의 원료, 및/또는 재활용 양극 활물질, 또는 재활용 양극 활물질 전구체일 수 있다. For example, the sample may be a raw material for a waste anode containing alkali metal, nickel, cobalt, and manganese and other inevitable impurities, and/or a recycled positive electrode active material, or a recycled positive electrode active material precursor.
예를 들어, 상기 샘플은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.For example, the sample may be represented by
[화학식 1] [Formula 1]
Mea(NixCoyMnz)QbTdO2(1-e)(OH)e Me a (Ni x Co y Mn z ) Q b T d O 2(1-e) (OH) e
화학식 1 내지 화학식 2에서,In
Me는 Li, Na, K, Rb, Cs 중에서 선택되는 1종 이상의 금속이고,Me is at least one metal selected from Li, Na, K, Rb, Cs,
T는 Al, Pb, Na, Mg, Fe, Cr, Zn 중에서 선택되는 1종 이상의 금속이고, T is at least one metal selected from Al, Pb, Na, Mg, Fe, Cr, Zn,
Q는 15족 내지 17족 원소 중에서 선택되는 1종 이상의 비금속이고,Q is one or more nonmetals selected from Group 15 to Group 17 elements,
0≤a≤1.5, 0≤b≤10-3, 0≤d≤10-3, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1이며, e는 0 또는 1이다. 0≤a≤1.5, 0≤b≤10 -3 , 0≤d≤10 -3 , 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1, e Is 0 or 1.
화학식 1을 이루는 구성성분들은 각각 아래와 같다.The constituents that make up
상기 구성성분들 중 Me는 이차전지에서 캐리어(carrier) 역할을 수행하는 알칼리금속 또는 이들의 조합으로, 구체적으로 Li, Na, K, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 Li을 포함할 수 있다.Among the above constituents, Me is an alkali metal that plays a role of a carrier in a secondary battery, or a combination thereof, specifically Li, Na, K, or a combination thereof, and more specifically, includes Li can do.
상기 구성성분들 중 Ni, 및/또는 Co 및/또는 Mn은 상기 알칼리금속의 삽입 및/또는 탈리를 통해 양극 활물질의 전기 화학적 활성이 가능하도록 산소(O2, 화학식 1에서 e=0인 경우)와 함께 소정의 결정 구조를 구성하고 있을 수 있다.Among the constituents, Ni, and/or Co and/or Mn is oxygen (O 2 , when e=0 in Formula 1) to enable electrochemical activity of the positive electrode active material through insertion and/or removal of the alkali metal. Together, it may constitute a predetermined crystal structure.
상기 T는 양극 활물질과 결합되는 양극판의 재료로부터 유래한 불순물일 수 있고, 상기 Q는 15족 내지 17족 원소에 속하는 비금속 불순물일 수도 있다.The T may be an impurity derived from a material of the positive electrode plate bonded to the positive electrode active material, and Q may be a non-metallic impurity belonging to a group 15 to 17 element.
일 구현예에 따른 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 적어도 상기 전이금속의 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 포함할 수 있다. A method of constructing a composition library of a positive electrode active material according to an embodiment may include at least constructing a composition library of the transition metal.
이 경우, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 측정 대상이 되는 샘플에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고, 상기 분광선으로부터 상기 샘플의 전이금속 피크 강도 데이터(data)를 획득하고, 상기 전이금속 피크 강도 데이터와, 상기 샘플의 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터(data)를 연동하여 전이금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 포함하여 수행할 수 있다.In this case, the method of constructing a composition library of the positive electrode active material is to form a plasma by irradiating a laser to a sample to be measured, measuring a spectral line by light emitted from the plasma, and measuring a transition metal peak of the sample from the spectral line. It may be performed, including the process of constructing a transition metal composition library by acquiring intensity data and linking the transition metal peak intensity data with the transition metal composition ratio data obtained already of the sample.
도 1은 일 구현예에 따른 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법 중 플라즈마 형성 및 분광선 측정 과정으로 이루어진 단계를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 측정된 분광선들의 파장-강도를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 schematically shows a step of forming a plasma and measuring a spectral line in a method of constructing a composition library of a positive active material according to an embodiment, and FIG. 2 is a graph showing the wavelength-intensity of measured spectral lines.
상기 도 1에 따른 단계는 전술한 LIBS 분석법 중 적어도 일부를 이용하여 수행하는 것일 수 있다. 일 구현예에서 이용된 LIBS 분석법은 샘플 표면에 강력한 레이저 펄스를 집중시켜 형성된 플라즈마에 의해 방출된 방사광을 얻고, 상기 방사광으로부터 얻을 수 있는 분광선을 측정하는 과정을 포함할 수 있다. The step according to FIG. 1 may be performed using at least some of the aforementioned LIBS analysis methods. The LIBS analysis method used in one embodiment may include a process of obtaining radiation emitted by a plasma formed by concentrating a strong laser pulse on a sample surface, and measuring a spectral line obtained from the radiation.
일 구현예에서, 우선 플라즈마 형성 과정에서는 우선 샘플 표면에 강력한 레이저 펄스를 짧은 순간 집중하여 샘플 표면의 삭마(ablation)를 야기하며, 이를 통해 샘플 표면이 증기화, 이온화, 원자화됨으로써 플라즈마가 형성된다. 상기 플라즈마 형성 과정에서는 이른바 레이저로 유도된 물질의 붕괴(breakdown)현상이 발생한다. 형성된 플라즈마는 확산되어 매우 빠르게 냉각되며, 냉각 후 플라즈마 내에 생성된 여기된 원자, 이온, 분자 성분은 증기화된 샘플 내 물질의 원소 조성의 특징을 나타내는 복사(열, 광, 또는 이들의 조합)를 방사한다.In one embodiment, in the plasma formation process, a strong laser pulse is first concentrated on the sample surface for a short moment to cause ablation of the sample surface, through which the sample surface is vaporized, ionized, and atomized to form plasma. During the plasma formation process, a so-called laser-induced material breakdown occurs. The formed plasma diffuses and cools very quickly, and the excited atoms, ions, and molecular components generated in the plasma after cooling transmit radiation (heat, light, or a combination thereof) that characterizes the elemental composition of the material in the vaporized sample. Radiate.
본 발명의 목적에 맞는 레이저는 고체 레이저로 루비, Nd:YAG 를 사용할 수 있고, 기체 레이저로 CO2, N2 및 엑시머 레이저를 사용할 수 있으나, 구체적인 레이저 종류가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The laser suitable for the purpose of the present invention may use ruby, Nd:YAG as a solid laser, and may use CO 2 , N 2 and excimer lasers as gas lasers, but specific types of lasers are not necessarily limited thereto.
플라즈마로부터 방출되는 방사광은 렌즈나 광섬유 등의 광 전송 수단을 이용하여 광 검출기 등의 검출 수단으로 보내진다. 검출 수단은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 전자 결합 소자(Charged Coupled Device) 등을 들 수 있다.The radiated light emitted from the plasma is sent to a detection means such as a photo detector using a light transmission means such as a lens or an optical fiber. Although the detection means is not particularly limited, for example, a charged coupled device or the like may be mentioned.
이후, 검출 수단에 의해 검출된 광을 분광기 등의 분광 수단을 이용하여 분광함으로써 플라즈마로부터 방출되는 방사광의 분광선을 측정할 수 있다. 측정된 분광선은 도 2에 나타난 것과 같이 구성성분에 해당하는 특정 파장영역에 대응되는 피크가 형성되어 있을 수 있다. 도 2에서, 상기 구성성분에 해당하는 특정 파장영역은 물질 고유의 특성으로서, 이미 정해져 있다. 또한, 상기 특정 파장영역의 개수, 및/또는 상기 피크의 강도, 및/또는 상기 피크의 개수 등은 구성성분의 종류에 따라 상이하다.Thereafter, the light detected by the detection means is spectroscopic using a spectroscopic means such as a spectroscope, so that the spectral line of the radiation emitted from the plasma can be measured. As shown in FIG. 2, the measured spectral line may have a peak corresponding to a specific wavelength region corresponding to a component. In FIG. 2, a specific wavelength region corresponding to the constituent component is a material-specific property and has already been determined. In addition, the number of the specific wavelength region, and/or the intensity of the peak, and/or the number of peaks are different depending on the type of constituent.
상기 분광 수단은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 다채널 고분해능 분광기 등을 들 수 있다.The spectroscopy means is not particularly limited, but a multi-channel high-resolution spectrometer may be mentioned, for example.
한편, 일 구현예에 따른 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 LIBS 분석법 이용 시 나타나는 매트릭스 효과를 최소화하기 위한 방안으로, 전술한 도 1에 따른 단계 수행 시 소정의 조건들을 통제하여 수행할 수 있다.Meanwhile, the method of constructing a composition library of a positive electrode active material according to an embodiment is a method for minimizing the matrix effect that appears when using the LIBS analysis method, and may be performed by controlling predetermined conditions when performing the step according to FIG. 1.
상기 소정의 조건들로는, 예를 들어 측정 대상 샘플의 물리적 상태, 분위기, 조사하는 레이저의 에너지, 측정 대상 샘플 표면에 나타난 레이저 스팟(spot)의 크기, 레이저 조사 시점으로부터 상기 분광선 검출 시점까지의 시간 (지연시간, delay time) 등을 들 수 있다.The predetermined conditions include, for example, the physical state of the sample to be measured, the atmosphere, the energy of the laser to be irradiated, the size of the laser spot on the surface of the sample to be measured, and the time from the point of laser irradiation to the point of detection of the spectral line. (Delay time), etc. are mentioned.
일 구현예에서, 상기 샘플의 물리적 상태는 샘플의 상(phase), 크기(size), 형상(shape) 등을 들 수 있다. 일 구현예에서는 샘플의 강도, 형상, 밀도 등을 일정 수준으로 유지하기 위해 고체 상을 갖는 펠릿(pellet) 형상의 샘플을 사용할 수 있다. 샘플이 고체 상을 갖는 펠릿 형상을 가질 경우, 액상 및/또는 분말(powder) 형상 대비 검출되는 분광선의 편차가 적으므로, 구축되는 조성 라이브러리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In one embodiment, the physical state of the sample may be a phase, size, shape, or the like of the sample. In one embodiment, a pellet-shaped sample having a solid phase may be used to maintain the strength, shape, and density of the sample at a predetermined level. When the sample has a pellet shape having a solid phase, since the deviation of the detected spectral line compared to the liquid phase and/or powder shape is small, the reliability of the composition library to be constructed can be improved.
일 구현예에서, 상기 분위기는 양극 활물질 내 구성성분과 반응하지 않으면서 상기 도 1에 따른 단계 수행 중 플라즈마의 신속한 냉각을 도울 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 불활성 기체 분위기를 들 수 있다. In one embodiment, the atmosphere is not particularly limited as long as it does not react with the constituents in the positive electrode active material and can help rapid cooling of the plasma during the step according to FIG. 1, but may be an inert gas atmosphere. .
상기 불활성 기체로는, 예를 들어 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예를 들어 헬륨을 포함할 수 있다.The inert gas may include, for example, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, or a combination thereof, and may include, for example, helium.
상기 도 1에 따른 단계가 불활성 기체 분위기에서 수행될 경우, 양극 활물질 내 구성성분이 예상하지 못한 화학적, 및/또는 광학적 반응을 이루는 것을 억제할 수 있다. When the step according to FIG. 1 is performed in an inert gas atmosphere, it is possible to suppress unexpected chemical and/or optical reactions of constituents in the positive electrode active material.
예컨대 양극 활물질이 알루미늄을 포함할 경우, 알루미늄은 플라즈마에서 나오는 방출광을 자가흡수(self-absoprtion)하여 스스로 증폭시킬 우려가 있다. 그러나 도 1에 따른 단계가 불활성 기체 분위기, 예를 들어 헬륨 가스 분위기에서 수행될 경우 형성된 플라즈마를 신속하게 냉각시켜 방출광의 방출 시간을 줄일 수 있는 바, 알루미늄에 의한 상기 자가흡수를 억제 및/또는 방지할 수 있다.For example, when the positive electrode active material contains aluminum, there is a concern that aluminum may self-absorb light emitted from the plasma and amplify itself. However, when the step according to FIG. 1 is performed in an inert gas atmosphere, for example, a helium gas atmosphere, it is possible to reduce the emission time of the emitted light by rapidly cooling the formed plasma, thereby suppressing and/or preventing the self absorption by aluminum. can do.
일 구현예에서, 레이저 에너지는 샘플 표면이 레이저에 의해 삭마되어 플라즈마가 형성되기 위해 필요한 소정 출력 이상의 에너지이면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 0 초과 25 mJ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.In one embodiment, the laser energy is not particularly limited as long as the sample surface is energy equal to or higher than a predetermined output required to form a plasma by abrasion by a laser, but is preferably within a range of more than 0 and 25 mJ or less.
레이저에 의해 시료가 삭마되는 양상은 시료의 특성에 따라 다르지만, 레이저의 에너지가 너무 작으면 삭마가 발생되지 않고 표면만 가열되며, 너무 크면 증기화 과정만 발생한다. 따라서, 레이저의 에너지가 상기 범위에 있을 때 레이저 유도 플라즈마가 형성될 수 있다.The manner in which the sample is ablated by the laser differs depending on the characteristics of the sample, but if the energy of the laser is too small, abrasion does not occur and only the surface is heated, and if too large, only the vaporization process occurs. Thus, when the energy of the laser is in the above range, a laser induced plasma can be formed.
일 구현예에서, 레이저 스팟의 크기는 측정 대상 샘플로 조사하는 레이저가 실제로 측정 대상 샘플에 접촉하는 부분의 크기를 의미하며, 레이저 스팟 크기가 클수록 레이저에 의해 삭마되는 샘플 표면의 면적도 증가한다.In one embodiment, the size of the laser spot refers to the size of a portion where the laser irradiated to the sample to be measured actually contacts the sample to be measured, and as the size of the laser spot increases, the area of the sample surface that is ablated by the laser increases.
일 구현예에서, 레이저 스팟의 크기는 전술한 레이저 에너지와는 독립된 조건으로 다양하게 조절될 수도 있고, 전술한 레이저 에너지와의 관계에서 소정의 매개변수로 표현될 수도 있다. 일 구현예에서 매개변수는, 예컨대 레이저 에너지를 레이저 스팟의 크기로 나눈 것으로 표현될 수 있다. In one embodiment, the size of the laser spot may be variously adjusted under conditions independent of the aforementioned laser energy, or may be expressed as a predetermined parameter in relation to the aforementioned laser energy. In one embodiment the parameter may be expressed, for example, as the laser energy divided by the size of the laser spot.
예컨대 측정 대상 샘플은 샘플 내 양극 활물질이 차지하는 부피비, 합재 밀도, 로딩 레벨 등과 같은 요소에 따라 적절한 레이저 에너지 및/또는 레이저 스팟 크기가 상이할 수 있으므로, 상기 매개변수를 이용하면 측정 대상 샘플의 부피비, 합재 밀도, 로딩 레벨 등에 따른 체적 요소를 고려한 정밀한 수준의 레이저 조사가 가능하다. For example, the sample to be measured may have different appropriate laser energy and/or laser spot size depending on factors such as volume ratio, compound density, loading level, etc. occupied by the positive electrode active material in the sample. Therefore, using the above parameters, the volume ratio of the sample to be measured, Laser irradiation at a precise level is possible considering volume factors according to the density of the composite material and the loading level.
또한, 상기 매개변수를 후술할 전이금속 조성 라이브러리 및 알칼리금속 조성 라이브러리와 연동할 경우, 특정 매개변수를 갖는 측정 대상 샘플의 충전 상태(State of charge)에 대해서도 정량적인 분석이 가능할 수 있다.In addition, when the parameters are linked with a transition metal composition library and an alkali metal composition library to be described later, quantitative analysis may be performed on the state of charge of a sample to be measured having a specific parameter.
일 구현예에서, 레이저 조사 시점으로부터 상기 분광선 측정 시점까지의 시간(이하, 지연시간이라 함)은 샘플 내 측정 가능한 구성성분의 종류와 관련된 조건이다. 샘플 내 구성성분들은 각각 서로 다른 플라즈마 냉각 속도를 갖는다. 예를 들어 탄소, 질소, 인, 플루오린 등과 같은 15족 내지 17족 원소는 높은 이온화 에너지로 인해 플라즈마 냉각 속도가 다른 구성성분들 (예를 들어 알칼리금속, 전이금속 등) 대비 빠른 것으로 알려져 있다. 따라서 전술한 15족 내지 17족 원소 등의 존재를 감안하여 상기 지연시간을 분석 대상 원소의 종류에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들어 전술한 15족 내지 17족 원소를 분석 대상에 포함시킴으로써 샘플의 불순물들까지 전부 분석하고자 할 경우, 예를 들어 0 초과 2 μs 이하, 0 초과 1.5 μs 이하, 예를 들어 0 초과 1.4 μs 이하, 0 초과 1.3 μs 이하, 0 초과 1.2 μs 이하, 0 초과 1.1 μs 이하, 예를 들어 0 초과 1 μs 이하로 조절할 수 있다.In one embodiment, the time from the time of laser irradiation to the time of measurement of the spectral line (hereinafter, referred to as a delay time) is a condition related to the kind of measurable components in the sample. Each component in the sample has a different plasma cooling rate. For example, it is known that a group 15 to 17 element such as carbon, nitrogen, phosphorus, fluorine, etc. has a higher plasma cooling rate than other constituents (eg, alkali metal, transition metal, etc.) due to high ionization energy. Accordingly, the delay time can be variously adjusted according to the type of the element to be analyzed in consideration of the presence of the above-described group 15 to 17 element. For example, if you want to analyze all the impurities of the sample by including the above-described group 15 to 17 elements in the analysis target, for example, more than 0 2 μs or less, more than 0 1.5 μs or less, for example, more than 0 1.4 μs Hereinafter, it may be adjusted to more than 0 and not more than 1.3 μs, more than 0 and not more than 1.2 μs, more than 0 and not more than 1.1 μs, for example, more than 0 and less than 1 μs.
또는 전술한 15족 내지 17족 원소와 같은 불순물을 분석 대상에서 제외시키고 양극 활물질의 주요 금속 원소 조성을 보다 구체적으로 측정하기 위해 전술한 지연시간보다 짧은 지연시간, 예컨대 0 초과 0.5 μs 이하, 예를 들어 0 초과 0.4 μs 이하, 예를 들어 0 초과 0.3 μs 이하, 예를 들어 0 초과 0.2 μs 이하, 예를 들어 0 초과 0.1 μs 이하로 조절할 수도 있다.Alternatively, a delay time shorter than the above-described delay time, such as more than 0 and 0.5 μs or less, for example, in order to exclude impurities such as the above-described group 15 to 17 element from the analysis object and to more specifically measure the composition of the main metal element of the positive electrode active material. It may be adjusted to more than 0 and not more than 0.4 μs, for example, more than 0 and not more than 0.3 μs, for example, more than 0 and not more than 0.2 μs, for example, more than 0 and not more than 0.1 μs.
도 3은 상기 레이저 조사 시점으로부터 상기 분광선 분석 시점까지의 시간 변화에 따른 분석된 분광선들의 파장-강도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3의 레이저 형성 및 분광선 분석은 헬륨 분위기에서 수행하였다. 3 is a graph showing a change in wavelength-intensity of analyzed spectral lines according to a time change from the time of laser irradiation to the time of analysis of the spectral line. The laser formation and spectroscopic analysis of FIG. 3 were performed in a helium atmosphere.
도 3을 참조하면, 지연시간이 1 μs, 0.7 μs 인 경우 분광선의 피크 강도는 미미하게 나타나지만, 지연시간이 0.3 μs, 0.1 μs 인 경우는 분광선의 피크 강도가 전술한 지연시간이 1 μs, 0.7 μs 인 경우 대비 도드라지게 크게 나타나는 것이 확인된다.3, when the delay time is 1 μs and 0.7 μs, the peak intensity of the spectral line is insignificant, but when the delay time is 0.3 μs and 0.1 μs, the peak intensity of the spectral line is 1 μs. , It is confirmed that it appears significantly larger than the case of 0.7 μs.
탄소와 인의 분광선이 약 200 nm 내지 250 nm 파장영역에 걸쳐 나타나고, 플루오린의 분광선이 약 650 nm 내지 800 nm 의 파장영역에 걸쳐 나타나는 점을 고려하면, 도 3에 나타난 바와 같이 지연시간을 0.5 μs 이하로 조절할 경우 샘플에 포함된 구성성분들의 존재를 감안하여 샘플의 실제 조성을 더욱 정확하게 측정할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Considering that the spectral lines of carbon and phosphorus appear over the wavelength range of about 200 nm to 250 nm, and the spectral lines of fluorine appear over the wavelength range of about 650 nm to 800 nm, the delay time is reduced as shown in FIG. If adjusted to 0.5 μs or less, it can be confirmed that the actual composition of the sample can be more accurately measured in consideration of the presence of components included in the sample.
한편, 일 구현예에서는 분광 수단을 이용하여 측정된 분광선으로부터 상기 샘플의 전이금속 피크 강도 데이터를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.Meanwhile, in an exemplary embodiment, a process of acquiring transition metal peak intensity data of the sample from a spectral line measured using a spectral means may be included.
일 구현예에서, 상기 전이금속 피크 강도 데이터 획득 과정은, 측정된 분광선으로부터 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)에 해당하는 특정 파장영역의 피크들을 추출하고, 추출된 피크들의 강도를 가공하여 전이금속 피크 강도 데이터를 획득하는 과정을 포함하여 수행할 수 있다.In one embodiment, the process of obtaining the transition metal peak intensity data includes extracting peaks of a specific wavelength region corresponding to a component (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) from the measured spectral line, and It may be performed including a process of obtaining transition metal peak intensity data by processing the intensity of the peaks.
상기 추출된 피크들의 가공 과정은 추출된 피크의 강도를 선택적으로 평균화하여 전이금속 피크 강도 정보(datum)를 산출하는 과정, 전이금속 피크 강도 정보를 평균화하여 전이금속 피크 강도 데이터를 산출하는 과정, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 추출된 피크들의 가공 과정은 컴퓨터, 서버 및 기타 연산기능을 갖춘 공지의 연산 수단을 이용하여 수행할 수 있다.The processing of the extracted peaks is a process of calculating transition metal peak intensity information (datum) by selectively averaging the intensity of the extracted peaks, a process of calculating transition metal peak intensity data by averaging the transition metal peak intensity information, or Combinations of these may be included. The process of processing the extracted peaks can be performed using a computer, a server, or a known calculation means equipped with other calculation functions.
우선, 피크의 강도를 선택적으로 평균화하는 과정은 다음과 같다. First, the process of selectively averaging the intensity of the peak is as follows.
일 구현예에서, 상기 분광선은 구성성분에 따라 상이하지만, 대체로 여러 개의 피크를 가지고 있을 수 있다. 이 경우, 구성성분에 해당하는 피크들을 모두 추출하여 계산하는 것은 각 피크들의 상이한 강도를 고려해 볼 때 오히려 오차를 증가시키는 원인이 될 수 있다. In one embodiment, the spectral line is different depending on the constituents, but may generally have several peaks. In this case, extracting and calculating all peaks corresponding to the constituent components may cause an error to increase when considering different intensities of each peak.
이에 따라, 일 구현예에서는 상기 분광선으로부터 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)에 해당하는 피크를 크기가 가장 큰 것부터 작아지는 순서로 1 내지 6 개, 예를 들어 2 내지 6 개, 예를 들어 3 내지 6 개, 예를 들어 4 내지 6 개, 예를 들어 5 내지 6 개 특정하고, 특정된 피크들의 강도의 평균(예컨대 산술평균)을 계산하여 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)의 피크 강도 정보(datum)를 산출할 수 있다. 단, 상기 피크의 강도를 선택적으로 평균화하는 과정은 구성성분의 종류 등에 따라 생략될 수도 있다.Accordingly, in one embodiment, peaks corresponding to constituents (eg, transition metals, alkali metals, or a combination thereof) from the spectral line are 1 to 6 peaks in the order of decreasing size from largest to small, for example 2 To 6, for example, 3 to 6, for example 4 to 6, for example 5 to 6, and calculating the average (e.g. arithmetic mean) of the intensity of the specified peaks to calculate the component (e.g., Transition metal, alkali metal, or a combination of these) peak intensity information (datum) can be calculated. However, the process of selectively averaging the intensity of the peak may be omitted depending on the type of constituents.
다음, 전이금속 피크 강도 정보를 평균화하는 방법은 다음과 같다.Next, a method of averaging the transition metal peak intensity information is as follows.
구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)의 피크 강도 정보는 샘플에 대한 상기 도 1에 나타난 단계(플라즈마 형성 및 방출선 분석)를 1 사이클 수행한 결과이므로, 전술한 바와 같은 조건들을 통제하더라도 단계 수행 시 마다 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 전술한 도 1에 나타난 단계를 소정의 반복 수행 횟수 이상으로 반복수행한 다음, 얻어진 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)의 피크 강도 정보(datum)에 대한 평균 예컨대 산술평균)을 계산함으로써, 비교적 높은 정확도를 갖는 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)의 피크 강도 데이터(data)를 도출해낼 수 있다.Peak intensity information of constituents (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) is the result of performing one cycle of the steps shown in FIG. 1 (plasma formation and emission line analysis) for the sample, as described above. Even if conditions are controlled, errors can occur every step of the way. Therefore, after repeating the above-described steps shown in FIG. 1 for more than a predetermined number of repetitions, the average of the obtained constituents (e.g., transition metal, alkali metal, or a combination thereof) for peak intensity information (datum) By calculating the arithmetic mean), it is possible to derive peak intensity data of components (eg, transition metals, alkali metals, or combinations thereof) having relatively high accuracy.
상기 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 피크 강도 정보 평균화 방법에 사용되는 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 피크 강도 정보는 전술한 피크 강도의 선택적 평균화 과정을 거친 것일 수도 있으나, 선택적 평균화 과정 없이 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합)에 해당하는 피크 모두에 대한 평균(예컨대 산술평균)을 계산한 것일 수도 있다.The component (e.g., transition metal, alkali metal, or a combination thereof) The component (e.g., transition metal, alkali metal, or a combination thereof) used in the peak intensity information averaging method peak intensity information The selective averaging process may be performed, but the average (eg, arithmetic average) of all peaks corresponding to constituents (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) may be calculated without the selective averaging process.
상기 소정의 반복 수행 횟수는 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 피크 강도 정보(예를 들어 분광선으로부터 얻어지는 전이금속, 알칼리금속, 비금속 등의 피크 강도 정보)의 정확도를 높이기 위해 다양하게 조절될 수 있지만, 예를 들어 적어도 20 사이클 이상, 예를 들어 30 사이클 이상, 예를 들어 40 사이클 이상, 예를 들어 50 사이클 이상, 예를 들어 60 사이클 이상, 예를 들어 70 사이클 이상, 예를 들어 80 사이클 이상, 예를 들어 90 사이클 이상, 예를 들어 100 사이클 이상, 예를 들어 110 사이클 이상, 예를 들어 120 사이클 이상, 예를 들어 130 사이클 이상, 예를 들어 140 사이클 이상, 예를 들어 150 사이클 이상 수행할 수 있다.The predetermined number of repetitions indicates the accuracy of component (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) peak intensity information (eg, peak intensity information of transition metal, alkali metal, non-metal, etc. obtained from a spectral line). It can be variously adjusted to increase, but for example at least 20 cycles or more, for example 30 cycles or more, for example 40 cycles or more, for example 50 cycles or more, for example 60 cycles or more, for example 70 cycles Or more, for example at least 80 cycles, for example at least 90 cycles, for example at least 100 cycles, for example at least 110 cycles, for example at least 120 cycles, for example at least 130 cycles, for example at least 140 cycles , For example, 150 cycles or more can be performed.
동일한 샘플에 대하여 전술한 단계를 적어도 100 사이클 이상 반복하여 수행함으로써, 얻어지는 100 개 이상의 구성성분의 피크 강도 정보(datum)의 평균(예컨대 산술평균)을 계산하여 보다 정확한 피크 강도 데이터(data)를 산출해낼 수 있다. By repeating the above steps for at least 100 cycles on the same sample, the average (e.g., arithmetic average) of the peak intensity information (datum) of 100 or more components obtained is calculated to calculate more accurate peak intensity data (data). You can do it.
도 4는 플라즈마 형성 및 분광선 측정으로 이루어진 단계의 수행 횟수를 150 사이클까지 증가시키면서, 사이클 증가에 따라 누적되는 Ni, Co, Mn 각각의 원자% 데이터의 (산술)평균값을 나타낸 그래프이다. 도 4는 ICP 측정 결과 Li(Ni0.693Co0.204Mn0.103)O2로 밝혀진 샘플에 대해 12.5 mJ의 레이저 에너지, 헬륨 분위기, 지연시간 0.3 μs 조건으로 상기 과정을 수행한 결과이다.FIG. 4 is a graph showing the (arithmetic) average value of atomic% data of Ni, Co, and Mn accumulated as the cycle increases while increasing the number of steps performed by plasma formation and spectroscopic measurement to 150 cycles. 4 is a result of performing the above process under conditions of 12.5 mJ laser energy, helium atmosphere, and a delay time of 0.3 μs for a sample found to be Li(Ni 0.693 Co 0.204 Mn 0.103 )O 2 as a result of ICP measurement.
도 4를 참조하면, 사이클이 증가함에 따라 Ni, Co, 및 Mn의 누적 원자% 데이터의 산술평균값은 각각 소정의 원자%로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 구체적으로 100 사이클 이상부터 각각 71 원자%, 20 원자%, 9 원자%로 수렴하는 양상을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 상기 수렴된 원자%의 값은 ICP 분석법을 이용해 얻어진 조성과 오차 범위 내로 유사한 수준임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that as the cycle increases, the arithmetic average values of the accumulated atomic% data of Ni, Co, and Mn converge to a predetermined atomic %, and specifically, from 100 cycles or more, each of 71 atomic %, It can be seen that the patterns converge to 20 atomic% and 9 atomic%. It can be seen that the value of the converged atomic% is similar to that of the composition obtained using the ICP analysis method within an error range.
따라서 도 4에 나타난 바와 같이 동일한 샘플에 대하여 도 1에 개시된 단계를 적어도 100 사이클 이상 반복할 경우, 정확도가 높은 피크 강도 데이터(data)를 실시간으로 획득 가능함을 확인할 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 4, it can be seen that when the steps disclosed in FIG. 1 are repeated at least 100 cycles or more for the same sample, peak intensity data with high accuracy can be obtained in real time.
전술한 가공 과정을 통해 획득한 구성성분 피크 강도 데이터는 적어도 전이금속 피크 강도 데이터를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 전이금속 피크 강도 데이터는 니켈 피크 강도 데이터, 코발트 피크 강도 데이터, 망간 피크 강도 데이터, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The component peak intensity data obtained through the above-described processing process may include at least transition metal peak intensity data. In one embodiment, the transition metal peak intensity data may include nickel peak intensity data, cobalt peak intensity data, manganese peak intensity data, or a combination thereof.
이후, 상기 가공 과정을 통해 획득한 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 피크 강도 데이터를 샘플의 이미 얻어진 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 조성비 데이터와 서로 연동하여 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 조성 라이브러리를 구축한다.Thereafter, the component (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) peak intensity data obtained through the above processing process is calculated as the composition ratio of the previously obtained component (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) of the sample. Constituent components (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) composition library are constructed by interworking with the data.
일 구현예에서, 상기 이미 얻어진 구성성분(예컨대, 전이금속, 알칼리금속, 또는 이들의 조합) 조성비 데이터는 상기 샘플을 유도 결합 플라즈마 (Induced Coupled Plasma, ICP) 분석법, 레이저 유도 브레이크다운 분광 (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) 분석법 중 적어도 하나를 이용하여 분석한 결과로 얻어진 조성비 데이터일 수 있다. In one embodiment, the composition ratio data of the already obtained constituents (eg, transition metal, alkali metal, or a combination thereof) is determined by analyzing the sample by Induced Coupled Plasma (ICP) analysis, laser-induced breakdown spectroscopy (Laser- Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) may be composition ratio data obtained as a result of analysis using at least one of the analysis methods.
일 구현예에서는 서로 다른 측정방법을 통해 측정된 데이터들 간 검증을 위해 ICP 분석법을 이용하여 얻어진 구성성분 조성비 데이터를 이미 얻어진 구성성분 데이터로 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, it is preferable to use the component composition ratio data obtained by using the ICP analysis method as the component data already obtained in order to verify between the data measured by different measurement methods. However, one embodiment is not necessarily limited thereto.
일 구현예에서, 상기 이미 얻어진 구성성분 조성비 데이터는 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터는 니켈, 코발트, 및 망간 중 적어도 2 이상의 몰비 데이터를 포함할 수 있다. In one embodiment, the already obtained component composition ratio data may include the already obtained transition metal composition ratio data. For example, the already obtained transition metal composition ratio data may include molar ratio data of at least two of nickel, cobalt, and manganese.
일 구현예에서, 전술한 구성성분 피크 강도 데이터와 이미 얻어진 구성성분 조성비 데이터간 연동은, 상기 이미 얻어진 구성성분 조성비 데이터에 해당하는 전술한 구성성분 피크 강도 데이터를 저장하는 과정을 포함할 수 있다. 예컨대 전술한 도 4에 따른 샘플에 대해 ICP 분석법을 이용하여 이미 얻어진 전이금속의 조성비가 Co : Ni : Mn = 0.693 : 0.204 : 0.103 일 경우, Co, Ni, Mn 의 상기 얻어진 조성비에 Co의 피크 강도 데이터, Ni의 피크 강도 데이터, Mn의 피크 강도 데이터를 각각 연동하여 저장하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 연동된 데이터들은 컴퓨터, 서버, 외부 저장매체 등, 저장기능을 갖춘 공지의 저장 수단에 저장될 수 있다.In one embodiment, the linkage between the above-described component peak intensity data and the previously obtained component composition ratio data may include a process of storing the aforementioned component peak intensity data corresponding to the previously obtained component composition ratio data. For example, when the composition ratio of the transition metal already obtained using the ICP analysis method for the sample according to FIG. 4 is Co:Ni:Mn = 0.693:0.204:0.103, the peak intensity of Co to the obtained composition ratio of Co, Ni, Mn The data, the peak intensity data of Ni, and the peak intensity data of Mn may be linked and stored, respectively. The linked data may be stored in a known storage means having a storage function, such as a computer, a server, or an external storage medium.
한편, 일 구현예에서, 샘플은 구성성분 조성비가 상이한 제1 샘플과 제2 샘플을 포함하며, 상기 제1 샘플과 상기 제2 샘플에 대하여 각각 독립적으로, 상기 플라즈마 형성, 상기 분광선 측정, 상기 구성성분 피크 강도 데이터 획득, 및 상기 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 수행할 수 있다. Meanwhile, in one embodiment, the sample includes a first sample and a second sample having different compositional composition ratios, and each independently for the first sample and the second sample, the plasma formation, the spectral line measurement, the The process of obtaining component peak intensity data and constructing a component composition library of the positive active material may be performed.
예컨대 NCM111, NCM433, NCM424, NCM523, NCM622, NCM514, NCM811, 등과 같이 이미 알려진 서로 다른 전이금속 조성비를 가지는 다양한 샘플들에 대하여 전술한 과정을 반복 수행함으로써 다양한 전이금속 조성비에 대한 전이금속 피크 강도 데이터가 연동되어 있는 전이금속 조성 라이브러리를 구축할 수 있다.For example, by repeating the above-described process for various samples having different transition metal composition ratios, such as NCM111, NCM433, NCM424, NCM523, NCM622, NCM514, NCM811, etc., transition metal peak intensity data for various transition metal composition ratios can be obtained. Interlocked transition metal composition library can be constructed.
도 5는 전이금속 피크 강도 데이터와 전이금속 조성비 데이터가 연동된 일례를 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing an example in which transition metal peak intensity data and transition metal composition ratio data are linked.
도 5는 Li(NixCoyMnz)O2으로 알려진 조성비를 갖는 샘플에 대하여 x+y+z=1을 만족하는 전제 하에 x, y, z를 각각 0에서 1까지 변화시켜가면서 얻어진 니켈, 코발트, 망간 각각의 피크 강도 데이터를 조성비와 연동하여 전이금속 조성 라이브러리를 구축한 다음, 구축된 전이금속 조성 라이브러리를 니켈 및 망간에 대한 그래프로 출력한 것이다. 기타 조건은 아래와 같다.5 shows nickel obtained by changing x, y, z from 0 to 1, respectively, under the assumption that x+y+z=1 for a sample having a composition ratio known as Li(Ni x Co y Mn z )O 2 The transition metal composition library was constructed by linking the peak intensity data of each of, cobalt and manganese with the composition ratio, and then the constructed transition metal composition library was output as a graph for nickel and manganese. Other conditions are as follows.
-레이저 에너지: 12.5 mJ, -Laser energy: 12.5 mJ,
-분위기: 헬륨 분위기-Atmosphere: Helium atmosphere
-지연시간: 0.3 μs-Delay time: 0.3 μs
-플라즈마 형성 및 방출선 분석 반복시행 횟수: 100 사이클-Plasma formation and emission ray analysis number of repeated trials: 100 cycles
-5 내지 6개의 피크 강도를 선택적으로 평균화함-5 to 6 peak intensities are optionally averaged
도 5를 참조하면, 니켈과 망간 각각에 대하여, 알려진 조성비(x축)에 따른 상대적인 피크 강도 데이터는 각각 네모에 기록된 바와 같으며, 이들을 연결한 추세선은 직선이 아닌 지수적(exponential) 또는 로그적(logarithmic) 곡선임을 확인할 수 있다. 이와 같이 서로 다른 전이금속 조성비를 갖는 다양한 샘플들에 대한 전이금속 피크 강도 데이터를 연동하여 전이금속 조성 라이브러리를 구축할 수 있다.5, for each of nickel and manganese, the relative peak intensity data according to the known composition ratio (x-axis) are as recorded in the squares, and the trend line connecting them is exponential or logarithmic, not a straight line. It can be seen that it is a logarithmic curve. In this way, a transition metal composition library can be constructed by linking transition metal peak intensity data for various samples having different transition metal composition ratios.
상기 구축된 전이금속 조성 라이브러리를 이용할 경우, LIBS 분석법 등을 이용하더라도 간편한 방법으로 양극 활물질의 실시간 구성성분 조성을 분석할 수 있다.When using the constructed transition metal composition library, it is possible to analyze the composition of the positive electrode active material in real time by a simple method even if the LIBS analysis method is used.
구체적으로, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법을 이용하여 전이금속 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 조성을 분석하는 방법은, 상기 양극 활물질에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고, 상기 분광선으로부터 얻어진 상기 양극 활물질의 전이금속 피크 강도 데이터를 상기 전이금속 조성 라이브러리에 대입하여 상기 양극 활물질의 전이금속 조성비 데이터를 도출하는 과정을 포함하여 수행하는 것일 수 있다.Specifically, the method of analyzing the composition of the positive electrode active material of which the composition ratio of the transition metal is unknown by using the method of constructing the composition library of the positive electrode active material is to form a plasma by irradiating a laser to the positive electrode active material, and It may be performed including a process of measuring light rays and substituting transition metal peak intensity data of the positive electrode active material obtained from the spectral line into the transition metal composition library to derive the transition metal composition ratio data of the positive electrode active material.
즉, 일 구현예에 따라 구축된 전이금속 조성 라이브러리를 이용할 경우, LIBS 분석법 등의 간편한 측정 방법을 이용하여 전이금속 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 전이금속 피크 강도 데이터를 상기 전이금속 조성 라이브러리에 단순 대입하는 것만으로도 양극 활물질의 실시간 전이금속 조성비 데이터를 용이하게 도출해낼 수 있다.That is, when using a transition metal composition library constructed according to an embodiment, the transition metal peak intensity data of the positive electrode active material of which the composition ratio of the transition metal is not known is simply substituted into the transition metal composition library using a simple measurement method such as LIBS analysis. Just by doing that, it is possible to easily derive real-time transition metal composition ratio data of the positive electrode active material.
한편, 전술한 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 상기 구축된 전이금속 조성 라이브러리를 토대로 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the method for constructing a composition library of the positive active material described above may further include a process of constructing an alkali metal composition library based on the constructed transition metal composition library.
이차전지의 캐리어로 널리 사용되는 알칼리금속, 예를 들어 리튬의 경우, 전술한 도 2에서도 확인할 수 있듯 LIBS 분석법에 대한 민감도가 다른 전이금속 대비 매우 큰 편이다. 구체적으로, LIBS 분석법 적용 시 플라즈마로부터 방출되는 방출광의 양이 알칼리금속의 함량 변화에 매우 민감하게 변화하며, 이에 따라 미세한 알칼리금속 함량 변화에도 얻어지는 알칼리금속 피크 강도 데이터가 큰 폭으로 변화할 수 있다. 이와 같은 알칼리금속의 LIBS 분석법에 대한 민감성은 알칼리금속 피크 강도 데이터의 오차를 유발할 우려가 있다.In the case of an alkali metal, for example lithium, which is widely used as a carrier for a secondary battery, the sensitivity to the LIBS analysis method is very high compared to other transition metals, as can be seen in FIG. 2. Specifically, when the LIBS analysis method is applied, the amount of light emitted from the plasma is very sensitive to the change in the content of the alkali metal, and accordingly, the alkali metal peak intensity data obtained even with the change in the content of the alkali metal can be greatly changed. The sensitivity of the alkali metal to the LIBS analysis method may cause errors in the alkali metal peak intensity data.
그러나, 일 구현예에 따른 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 상기 알칼리금속의 LIBS 분석법에 대한 민감성을 고려, 전술한 방법을 통해 구축된 전이금속 조성 라이브러리를 이용해 알칼리금속의 전이금속 조성 라이브러리를 구축한다. 따라서 구축된 알칼리금속의 전이금속 조성 라이브러리는 전이금속 조성 라이브러리를 참고하지 않는 경우 대비 오차가 크게 줄어드는 것은 물론, ICP 분석법 등의 공지된 방법으로 얻어진 조성과 오차 범위 내로 일치하는 정확성을 나타낼 수 있다.However, in the method for constructing a composition library of a positive electrode active material according to an embodiment, considering the sensitivity to the LIBS analysis method of the alkali metal, a transition metal composition library of an alkali metal is constructed using the transition metal composition library constructed through the above method. . Therefore, the constructed transition metal composition library of alkali metals significantly reduces the error compared to the case where the transition metal composition library is not referenced, and may exhibit an accuracy consistent with the composition obtained by a known method such as ICP analysis within an error range.
일 구현예에서 상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은, 먼저 상기 분광선으로부터 상기 샘플의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 더 획득하는 과정을 포함할 수 있다. In one embodiment, the process of constructing the alkali metal composition library may include a process of further obtaining alkali metal peak intensity data of the sample from the spectral line.
상기 샘플의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 획득하는 과정은, 전술한 전이금속 피크 강도 데이터 획득 과정과 마찬가지로 측정된 분광선으로부터 알칼리금속에 해당하는 특정 파장영역의 피크들을 추출하고, 추출된 피크들의 강도를 가공하여 알칼리금속 피크 강도 데이터를 획득하는 과정을 포함하여 수행할 수 있다.In the process of acquiring the alkali metal peak intensity data of the sample, the peaks in a specific wavelength region corresponding to the alkali metal are extracted from the measured spectral line, and the intensity of the extracted peaks is calculated as in the above-described transition metal peak intensity data acquisition process. It can be carried out including a process of obtaining the alkali metal peak intensity data by processing.
상기 추출된 피크들의 가공 과정은 전술한 전이금속 피크 강도 데이터 획득 과정과 마찬가지로 추출된 피크의 강도를 선택적으로 평균화하여 알칼리금속 피크 강도 정보(datum)를 산출하는 과정, 알칼리금속 피크 강도 정보를 평균화하여 전이금속 피크 강도 데이터를 산출하는 과정, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 각 과정에 대한 상세한 설명은 전술한 바와 동일하므로 생략한다.The processing of the extracted peaks is a process of calculating alkali metal peak intensity information (datum) by selectively averaging the intensity of the extracted peaks as in the above-described transition metal peak intensity data acquisition process, and averaging alkali metal peak intensity information. Transition metal peak intensity data may be calculated, or a combination thereof may be included. Detailed description of each process is the same as described above, and thus will be omitted.
이후, 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터(data)와 연동되어 있는 상기 전이금속 피크 강도 데이터를 특정하고, 상기 특정된 전이금속 피크 강도 데이터의 합계에 대한 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터의 비율인 제1 매개변수(Ralkali)를 산출하는 과정을 수행한다. Thereafter, the transition metal peak intensity data linked with the transition metal composition ratio data (data) already obtained is specified, and a first parameter that is the ratio of the alkali metal peak intensity data to the sum of the specified transition metal peak intensity data Perform the process of calculating (R alkali ).
상기 제1 매개변수는 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.The first parameter may be expressed by
[수학식 1][Equation 1]
Ralkali는 특정된 전이금속 피크 강도 데이터의 합계에 대한 알칼리금속 피크 강도 데이터의 비율을, Itransition은 전이금속 피크 강도 데이터를, Ialkali는 획득한 알칼리금속 피크 강도 데이터를 각각 의미한다.R alkali represents the ratio of the alkali metal peak intensity data to the sum of the specified transition metal peak intensity data, I transition represents the transition metal peak intensity data, and I alkali represents the obtained alkali metal peak intensity data.
일 구현예에서는 상기 제1 매개변수(Ralkali)를 이용하여 전술한 전이금속 조성비 데이터로부터 유래한 전이금속 피크 강도 데이터와 알칼리금속 피크 강도 데이터 간 관계를 규정할 수 있다.In one embodiment, a relationship between the transition metal peak intensity data derived from the above-described transition metal composition ratio data and the alkali metal peak intensity data may be defined using the first parameter (R alkali ).
한편, 일 구현예에서 상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은 상기 수학식 1로 표현되는 제1 매개변수(Ralkali)에 기준 알칼리금속 조성비(C)를 대입하여 기준변수 (Ralkali=c)를 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in the process of constructing the alkali metal composition library in one embodiment, a reference variable (R alkali = c ) by substituting a reference alkali metal composition ratio (C) to the first parameter (R alkali ) represented by
상기 기준 알칼리 금속 조성비(C)는 적어도 0 몰을 초과하되, 예컨대 0 몰비 초과 1.5 몰비 이하의 범위 내에서 임의로 선택될 수 있다.The reference alkali metal composition ratio (C) is at least more than 0 mol, for example, may be arbitrarily selected within a range of more than 0 mol ratio and not more than 1.5 mol ratio.
일 구현예에서 기준변수(Ralkali=c)란, 전술한 제1 매개변수(Ralkali)에서 알칼리 금속 조성비를 특정 조성비(C)로 고정한 경우의 매개변수를 의미하는 것이다. 상기 기준변수 기준변수(Ralkali=c)는 구체적으로 하기와 같은 의의가 있다. In one embodiment, the reference parameter (R alkali = c ) refers to a parameter when the alkali metal composition ratio is fixed to a specific composition ratio (C) in the above-described first parameter (R alkali ). The reference variable The reference variable (R alkali = c ) has the following significance in detail.
양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 과정 중, 앞서 구해진 전이금속 조성비 데이터를 이용하여 알칼리 금속의 조성비까지 알아내기 위해서는 원칙적으로 모든 알칼리 금속의 조성비 데이터에 대한 전이금속 조성비 데이터의 관계를 확인해야 한다. During the process of constructing the composition library of the positive electrode active material, in principle, in order to find out the composition ratio of the alkali metal using the obtained transition metal composition ratio data, in principle, the relationship between the composition ratio data of the transition metal and the composition ratio data of all alkali metals should be checked.
그러나, 본 발명자들은 전기화학적 방법을 이용하여 양극 활물질 내 기준 조성비(C)를 갖는 알칼리 금속 조성비로부터 소정량 (α, 여기서 α는 상기 기준 조성비인 C 보다 같거나 적은 몰비이다) 탈리시켜 양극 활물질 내 조성비가 (C-α)가 되도록 조절할 경우, 기준변수(Ralkali=c)에 대한 기준변수의 변화 양상(Ralkali=c- α)의 비율이 전이금속 조성비 변화와 무관하게, 알칼리 금속 조성비의 변화에만 의존하는 것을 발견하였다. However, the present inventors use an electrochemical method to desorb a predetermined amount (α, where α is the same or less molar ratio than the reference composition ratio C) from the alkali metal composition ratio having the reference composition ratio (C) in the positive electrode active material. If the composition ratio is adjusted such that the (C-α), the reference variable (R = alkali c) to the ratio of the change in aspect (R = c- alkali α) of the reference variable, regardless of the transition metal composition ratio changes in, the composition ratio of the alkali metal I found it dependent only on change.
즉, 전술한 바와 같이 우선 기준변수(Ralkali=c)를 설정하고, 상기 기준변수(Ralkali=c)에 대한 임의의 제1 매개변수(Ralkali)의 비를 산출함으로써, 전이금속 조성비와는 독립적인 "알칼리금속 조성비 변화에 따른 알칼리금속 피크 강도 데이터"를 얻을 수 있다. That is, by calculating the arbitrary ratio of the first parameter (R alkali) for setting a first reference variable (R alkali = c), as described above, and the reference variable (R alkali = c), the transition metal composition ratio and Can obtain independent "alkali metal peak intensity data according to alkali metal composition ratio change".
따라서, 전술한 기준변수(Ralkali=c)모든 알칼리 금속 조성비(C)에 따른 변화 양상을 모든 전이금속 조성비 데이터별로 따로 라이브러리로 구축할 필요가 없으며, 이에 따라 좀 더 용이하고 신속한 라이브러리 구축이 가능하다.Therefore, it is not necessary to build a separate library for all the transition metal composition ratio data for the change pattern according to the above-described reference variable (R alkali = c ) and all alkali metal composition ratios (C), and accordingly, it is possible to build a library more easily and quickly. Do.
전술한 바와 같이, 일 구현예에서 상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은 상기 제1 매개변수(Ralkali)를 산출된 상기 기준변수로 나누어 제2 매개변수(Ralkali/Ralkali=c)를 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다.As described above, in the process of constructing the alkali metal composition library in one embodiment, the second parameter (R alkali / R alkali = c ) is divided by dividing the first parameter (R alkali ) by the calculated reference parameter. It may further include a process of calculating.
즉, 상기 제2 매개변수는 하기 수학식 2로 표현될 수 있다.That is, the second parameter may be expressed by
[수학식 2][Equation 2]
예컨대, 상기 알칼리금속이 리튬이고, 기준 알칼리금속 조성비(C)가 1.0이라면, 상기 기준변수는 RLi=1.0으로 표현되며, 이에 따른 제2 매개변수는 RLi/RLi=1.0으로 표현될 수 있다.For example, if the alkali metal is lithium and the reference alkali metal composition ratio (C) is 1.0, the reference parameter is expressed as R Li = 1.0 , and the second parameter accordingly may be expressed as R Li / R Li = 1.0 . have.
예컨대, 수학식 1로 표현되는 제1 매개변수의 경우, 알칼리금속의 값이 소정의 조성비(C)를 만족하더라도, 전이금속들의 조성비에 따라 전술한 LIBS의 매트릭스 효과(matrix effect)에 의해 Ralkali=c의 값이 서로 상이해질 수도 있다. 따라서 상이한 전이금속 조성비에 대하여 모든 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 점에는 한계가 있고, 서로 상이한 전이금속 조성비를 갖는 다양한 샘플들을 하나의 그래프로 비교/분석하기 어려울 수 있다.For example, in the case of the first parameter represented by
그러나, 본 연구자들은 전술한 바와 같이 알칼리금속의 값이 소정의 조성비(C)를 갖는 경우를 제1 매개변수에 대입함으로써 기준변수를 산출하고, 이를 이용하여 기준변수에 대한 제1 매개변수의 변화율로(즉, 전술한 수학식 2의 관계를 갖도록) 나타낼 경우, 제2 매개변수는 전이금속의 종류, 조성비와 무관하게 서로 동일하게 나타나는 점을 알아내었다.However, as described above, the researchers calculated the reference variable by substituting the case where the alkali metal value has a predetermined composition ratio (C) into the first parameter, and using this to calculate the rate of change of the first parameter relative to the reference variable. When expressed as R (that is, to have the relationship of
즉, 일 구현예에 따른 알칼리금속 조성 라이브러리 구축 과정은, 전술한 제1 매개변수를 이용하여 전이금속 피크 강도 데이터와 알칼리금속 피크 강도 데이터 간 관계를 규정하고, 이를 기준 알칼리 금속 조성비(C)를 대입한 기준변수로 나눔으로써 매트릭스 효과(matrix effect)에 구애받지 않고 다양한 전이금속의 종류, 조성비를 하나의 그래프에 표현할 수 있는 제2 매개변수를 산출해낼 수 있다. That is, in the process of building an alkali metal composition library according to an embodiment, the relationship between the transition metal peak intensity data and the alkali metal peak intensity data is defined using the above-described first parameter, and the reference alkali metal composition ratio (C) is determined. By dividing by the substituted reference variable, it is possible to calculate a second parameter that can express the types and composition ratios of various transition metals in one graph regardless of the matrix effect.
한편, 일 구현예에서, 샘플은 알칼리금속 조성비가 상이한 제3 샘플과 제4 샘플을 포함하고, 상기 제3 샘플과 상기 제4 샘플에 대하여 각각 독립적으로, 상기 플라즈마 형성, 상기 분광선 측정, 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터 획득, 및 상기 양극 활물질의 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 수행할 수 있다.Meanwhile, in one embodiment, the sample includes a third sample and a fourth sample having different alkali metal composition ratios, and each independently for the third sample and the fourth sample, the plasma formation, the spectral line measurement, the Alkali metal peak intensity data may be obtained, and a process of constructing an alkali metal composition library of the positive electrode active material may be performed.
예컨대, 동일한 전이금속 조성비를 갖되 리튬 조성비가 서로 상이한 다양한 샘플들에 대하여 전술한 과정을 반복 수행하여 다양한 리튬 조성비에 따른 RLi 값들을 산출하고, 이를 기준 리튬 조성비(예컨대 1.0몰)인 경우로 대입하여 RLi=1.0 값들을 산출하며, 이를 이용하여 RL/ RLi=1.0을 산출해낼 수 있다. For example, R Li values according to various lithium composition ratios are calculated by repeating the above process for various samples having the same transition metal composition ratio but different lithium composition ratios, and this is substituted as the case of the reference lithium composition ratio (eg 1.0 mol). Thus, R Li = 1.0 values are calculated, and R L / R Li = 1.0 can be calculated using this.
상기 산출된 다양한 RLi, RLi=1.0, RL/ RLi=1.0 값들은 컴퓨터, 서버, 외부 저장매체 등, 정보 저장 기능을 갖춘 공지의 정보 저장 수단에 저장될 수 있으며, 이로써 상기 양극 활물질의 리튬 조성 라이브러리를 구축할 수 있다.The calculated values of R Li , R Li = 1.0 , R L / R Li = 1.0 may be stored in a known information storage means having an information storage function, such as a computer, server, and external storage medium, whereby the positive electrode active material Li composition library of can be built.
이하에서는 전술한 제1, 제2 매개변수의 산출 과정과 해석 방법에 대한 예시를 도 6 내지 도 8을 이용하여 설명한다.Hereinafter, an example of the calculation process and analysis method of the above-described first and second parameters will be described with reference to FIGS. 6 to 8.
도 6은 전이금속(Ni, Co, Mn) 조성비 내에서 알칼리금속(Li)의 몰비에 따른 피크 강도의 변화로부터 구축된 알칼리금속 조성 라이브러리를 개략적으로 나타낸 3차원 그래프이다. 도 6에서 x축은 전이금속(Ni, Co, Mn) 조성비의 총합에 대한 리튬의 몰비를, y축은 전이금속(Ni, Co, Mn)의 함량비를, z축은 전술한 제1 매개변수(RLi)를 각각 나타낸다.6 is a three-dimensional graph schematically showing an alkali metal composition library constructed from a change in peak intensity according to a molar ratio of an alkali metal (Li) within a composition ratio of a transition metal (Ni, Co, Mn). In FIG. 6, the x-axis represents the molar ratio of lithium to the total composition ratio of the transition metals (Ni, Co, Mn), the y-axis represents the content ratio of transition metals (Ni, Co, Mn), and the z-axis represents the aforementioned first parameter (R Li ) respectively.
예컨대, 샘플이 도 6에 나타난 바와 같은 NCM계 리튬 화합물인 경우, 우선 전술한 제1 매개변수는 하기 수학식 1-1에 따라 산출될 수 있다. For example, when the sample is an NCM-based lithium compound as shown in FIG. 6, first, the above-described first parameter may be calculated according to Equation 1-1 below.
[수학식 1-1][Equation 1-1]
수학식 1에서, RLi는 특정된 전이금속 피크 강도 데이터의 합계에 대한 알칼리금속 피크 강도 데이터의 비율을, INi, ICo, IMg는 각각 특정된 니켈, 코발트, 망간 피크 강도 데이터를, ILi는 획득한 리튬의 피크 강도 데이터를 각각 의미한다.In
이후, 제1 매개변수에 리튬의 몰비가 1.0인 경우를 대입하여 기준변수(RLi=1.0)를 산출해낸 다음, 제1 매개변수를 산출된 기준변수로 나눔으로써 제2 매개변수 (RLi/RLi=1.0)을 산출해 낼 수 있다.Thereafter, the case where the molar ratio of lithium is 1.0 is substituted for the first parameter to calculate the reference variable (R Li = 1.0 ), and then the second parameter (R Li / R Li = 1.0 ) can be calculated.
도 7은 도 6의 y-z 평면을 나타낸 그래프로, 도 7에서 y축은 전이금속 중 하나인 니켈의 전체 전이금속에 대한 몰비를, z축은 기준 리튬 조성비를 1.0몰로 설정한 경우의 기준변수(RLi=1.0)를 각각 나타낸다. 7 is a graph showing the yz plane of FIG. 6. In FIG. 7, the y-axis represents the molar ratio of nickel, which is one of the transition metals, to the total transition metal, and the z-axis represents the reference variable (R Li =1.0 ) respectively.
도 7을 참조하면, 전체 전이금속에 대한 니켈 몰비가 증가함에 따라 기준변수(RLi=1.0)는 증가하는 양상의 그래프 개형을 나타낸다. 도 7에 나타난 그래프 개형은 전체 전이 금속 조성비에 대한 기준 리튬 조성비가 달라짐에 따라 달라질 수 있다. 예컨대 도 7의 그래프 개형은 기준 리튬 조성비가 1.0몰로부터 점차 감소함에 따라 도 6의 서로 평행한 세 삼각형 각각의 장변(長邊)과 교차하는 y-z 평면 상의 그래프 개형을 나타낼 수 있으며, 그에 따른 기준변수의 변화 양상(Ralkali=1.0-k) 또한 전술한 기준변수(RLi=1.0) 대비 작아지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, as the molar ratio of nickel to the total transition metal increases, the reference variable (R Li = 1.0 ) shows an outline of a graph of an increasing aspect. The shape of the graph shown in FIG. 7 may vary as the reference lithium composition ratio with respect to the total transition metal composition ratio is changed. For example, the graph outline of FIG. 7 may represent a graph outline on the yz plane intersecting the long sides of each of the three parallel triangles of FIG. 6 as the reference lithium composition ratio gradually decreases from 1.0 mol, and the reference variable accordingly It can be seen that the change pattern of (R alkali = 1.0-k ) is also smaller than the above-described reference variable (R Li = 1.0 ).
한편, 도 7은 전체 전이금속에 대한 니켈 몰비에 대한 기준변수(RLi=1.0)를 나타낸 것이나, 도 7에 나타난 그래프 개형은 전체 전이금속에 대한 코발트 몰비 또는 전체 전이금속에 대한 망간 몰비에 대한 그래프로 나타내더라도 동일하다.On the other hand, Figure 7 shows the reference variable (R Li = 1.0 ) for the molar ratio of nickel to the entire transition metal, but the graph remodeling shown in Figure 7 shows the molar ratio of cobalt to the entire transition metal or the mole ratio of manganese to the entire transition metal. It is the same even if it is represented by a graph.
도 8은 다양한 NCM계 리튬 화합물에 대한 리튬의 몰비와 RLi/R(Li=1) 관계를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the relationship between the molar ratio of lithium and R Li /R (Li=1) for various NCM-based lithium compounds.
도 8을 산출하기 위한 기타 조건은 아래와 같다.Other conditions for calculating FIG. 8 are as follows.
-레이저 에너지: 12.5 mJ, -Laser energy: 12.5 mJ,
-분위기: 헬륨 분위기-Atmosphere: Helium atmosphere
-지연시간: 0.3 μs-Delay time: 0.3 μs
-플라즈마 형성 및 방출선 분석 반복시행 횟수: 25 사이클-Plasma formation and emission line analysis repetitions: 25 cycles
-Ni, Mn, Co에 대해서는 5 내지 6개의 피크 강도를, Li에 대해서는 3개의 피크 강도를 선택적으로 평균화함-Selectively average 5 to 6 peak intensities for Ni, Mn and Co and 3 peak intensities for Li
일 구현예에 따른 제2 매개변수의 의의는 제1 매개변수와 기준변수를 이용하여 전이금속의 조성비와 상관 없이 리튬 조성비 변화에 따른 결과를 하나의 수식으로 정리할 수 있는 것이다. 따라서 일 구현예에 따른 제2 매개변수를 이용할 경우, 도 8에 나타난 바와 같이 전이금속의 조성비에 상관 없이 리튬의 조성비 별로 다양한 NCM계 리튬 화합물들에 대한 분포를 2차원 그래프 형태로 표현할 수 있다. The significance of the second parameter according to an embodiment is that the result of the change in the composition ratio of lithium can be summarized in one formula using the first parameter and the reference parameter, regardless of the composition ratio of the transition metal. Therefore, when the second parameter according to an embodiment is used, as shown in FIG. 8, the distribution of various NCM-based lithium compounds according to the composition ratio of lithium can be expressed in the form of a two-dimensional graph, regardless of the composition ratio of the transition metal.
또한, 도 8을 참조하면 다양한 NCM계 리튬 화합물에 대한 RLi/R(Li=1)는 각각 기록된 바와 같으며, 이들을 추세선으로 연결할 경우 직선이 아닌 지수적(exponential) 또는 로그적(logarithmic) 곡선이 될 것임을 예측할 수 있다.In addition, referring to FIG. 8, R Li / R (Li = 1) for various NCM-based lithium compounds is as recorded, and when connecting them with a trend line, it is exponential or logarithmic rather than a straight line. You can predict that it will be a curve.
이와 같이 상기 구축된 전이금속 조성 라이브러리를 이용하여 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축할 경우, LIBS 분석법에 민감한 알칼리금속의 실시간 조성 분석을 더욱 용이하게 수행할 수 있다.When constructing an alkali metal composition library using the constructed transition metal composition library as described above, real-time composition analysis of an alkali metal sensitive to the LIBS analysis method can be more easily performed.
구체적으로, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법을 이용하여 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법을 이용하여 알칼리금속 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 조성을 분석하는 방법은, 상기 양극 활물질에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고, 상기 분광선으로부터 얻어진 양극 활물질의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 상기 알칼리금속 조성 라이브러리에 대입하여 상기 양극 활물질의 알칼리금속 조성비를 도출하는 과정을 포함하여 수행할 수 있다.Specifically, a method of analyzing the composition of a positive electrode active material with an unknown alkali metal composition ratio using a method of constructing a composition library of a positive electrode active material using a method of constructing a composition library of a positive electrode active material includes forming a plasma by irradiating a laser to the positive electrode active material. And measuring a spectral line by light emitted from the plasma, and substituting the alkali metal peak intensity data of the positive electrode active material obtained from the spectral line into the alkali metal composition library to derive the alkali metal composition ratio of the positive electrode active material. You can do it.
즉, 일 구현예에 따라 구축된 알칼리금속 조성 라이브러리를 이용할 경우, LIBS 분석법을 이용하여 얻어지는 알칼리금속 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 상기 알칼리금속 조성 라이브러리에 단순 대입하는 것만으로도 양극 활물질의 실시간 알칼리금속 조성비 데이터를 용이하게 도출해낼 수 있다.That is, in the case of using an alkali metal composition library constructed according to an embodiment, the alkali metal peak intensity data of the positive electrode active material of which the alkali metal composition ratio obtained by using the LIBS analysis method is unknown can be simply substituted into the alkali metal composition library. It is possible to easily derive real-time alkali metal composition ratio data of the positive electrode active material.
전술한 바와 같이, 일 구현예에 따른 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법은 전술한 과정을 거쳐 전이금속 조성 라이브러리 및/또는 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축할 수 있으며, 구축된 각각의 조성 라이브러리를 이용할 경우 조성비가 알려지지 않은 다양한 양극 활물질의 실시간 알칼리금속 및/또는 전이금속 조성비를 분석할 수 있다.As described above, in the method for constructing a composition library of a positive electrode active material according to an embodiment, a transition metal composition library and/or an alkali metal composition library can be constructed through the above-described process, and when each constructed composition library is used, the composition ratio It is possible to analyze the composition ratio of alkali metals and/or transition metals in real time of various cathode active materials for which are unknown.
따라서, 전술한 바와 같이 구축된 양극 활물질의 조성 라이브러리를 이용한 조성 분석 방법은 이미 완성된 양극 활물질의 조성 분석에 활용될 수 있음은 물론, 폐양극 원료, 및/또는 재활용 양극 활물질의 실시간 조성 분석, 심지어는 이차전지 양극 활물질의 제조 공정 전반에 걸쳐 활용될 수도 있다. Therefore, the composition analysis method using the composition library of the positive electrode active material constructed as described above can be utilized for the composition analysis of the already completed positive electrode active material, as well as the real-time composition analysis of the waste positive electrode raw material and/or recycled positive electrode active material, It may even be used throughout the manufacturing process of a positive electrode active material for a secondary battery.
예컨대 이차전지 양극 활물질의 제조 공정, 예컨대 폐양극 원료를 활용한 이차전지 양극 활물질 제조 공정에 활용 시, 폐양극 원료 내 구성성분 조성비를 실시간으로 파악할 수 있다. 따라서 목표 리튬, 및/또는 전이금속 조성을 맞추기 위해 폐양극 원료에 추가 투입해야 하는 전구체의 양을 빠르게 계산할 수 있으며, 이에 따라 폐양극 원료를 별도로 산에 녹여 새롭게 전구체를 만드는 대신 폐양극 원료에 추가 전구체를 투입하고 소성하는 것 만으로도 새로운 양극 활물질을 제조할 수 있다. 따라서, 전술한 조성 분석 방법을 이용할 경우 이차전지의 수율 향상과 공정 개선에 이바지할 수 있다.For example, when used in a manufacturing process of a secondary battery positive electrode active material, for example, a manufacturing process of a secondary battery positive electrode active material using a waste positive electrode raw material, the composition ratio of the components in the waste positive electrode raw material can be grasped in real time. Therefore, it is possible to quickly calculate the amount of precursor that needs to be added to the waste anode material to match the target lithium and/or transition metal composition, and accordingly, the waste anode material is separately dissolved in an acid to create a new precursor. A new positive electrode active material can be manufactured just by adding and firing. Therefore, when the above-described composition analysis method is used, it is possible to improve the yield and process of the secondary battery.
이하, 검증예들을 통하여 일 구현예에 따라 구축된 양극 활물질의 조성 라이브러리를 이용해 조성비가 알려지지 않은 양극 활물질의 LIBS 분석 및 ICP 분석 결과와 그 오차를 비교하여 설명하도록 한다. 그러나 하기 검증예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, through verification examples, the LIBS analysis and ICP analysis results of the positive electrode active material of which the composition ratio is unknown using the composition library of the positive electrode active material constructed according to the exemplary embodiment and the error thereof will be compared and described. However, the technical features of the present invention are not limited by the following verification examples.
검증예 1: 양극 활물질 조성 라이브러리를 이용한 폐양극 원료의 조성 분석Verification Example 1: Analysis of the composition of waste anode raw materials using a cathode active material composition library
폐양극 원료 1 (성일하이텍社으로부터 입수)를 물리적으로 파쇄 및 여과하여 분말 형태의 폐양극 샘플 1을 준비한다. Waste anode material 1 (obtained from Sungil Hitech) is physically crushed and filtered to prepare
준비된 폐양극 샘플 1에 대하여 하기 조건 하에 LIBS 실시간 분석을 수행하여 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 피크 강도 데이터를 각각 획득한다.LIBS real-time analysis was performed on the prepared
-레이저 에너지: 12.5 mJ-Laser energy: 12.5 mJ
-분위기: 헬륨 분위기-Atmosphere: Helium atmosphere
-지연시간: 0.3 μs-Delay time: 0.3 μs
-플라즈마 형성 및 방출선 분석 반복시행 없음-No repetition of plasma formation and emission line analysis
-Ni, Mn, Co에 대해서는 5 내지 6개의 피크 강도를, Li에 대해서는 3개의 피크 강도를 선택적으로 평균화함-Selectively average 5 to 6 peak intensities for Ni, Mn and Co and 3 peak intensities for Li
이후, 획득한 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 피크 강도 데이터를 전술한 방법을 통해 구축된 양극 활물질의 전이금속 조성 라이브러리 및 알칼리금속 조성 라이브러리에 각각 대입하여 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 조성비를 도출하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.Thereafter, the obtained lithium, nickel, cobalt, and manganese peak intensity data were substituted into the transition metal composition library and the alkali metal composition library of the positive electrode active material constructed through the above method to derive the composition ratio of lithium, nickel, cobalt, and manganese. And the results are shown in Table 1.
한편, 전술한 폐양극 원료 1을 질산에 녹인 용액에 대하여 ICP-MS 유도결합 플라즈마 질량분석기(Perkin-Elmer社, NexION 350D)를 이용하여 ICP 분석을 수행함으로써 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 조성비를 도출하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. Meanwhile, the composition ratio of lithium, nickel, cobalt, and manganese was determined by performing ICP analysis using an ICP-MS inductively coupled plasma mass spectrometer (Perkin-Elmer, NexION 350D) on the solution of the above-described
표 1을 참조하면, 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용한 LIBS 실시간 분석 결과는 ICP 분석 결과와 상당부분 일치하였으며, 특히 리튬의 오차가 0.1 미만으로 매우 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the LIBS real-time analysis result using the constituent composition library of the constructed positive electrode active material substantially coincided with the ICP analysis result, and in particular, the error of lithium was very low, less than 0.1.
폐양극 원료가 니켈, 코발트, 망간 외에도 양극판으로부터 유래한 각종 불순물 등을 더 포함하는 점을 고려할 때, LIBS 실시간 분석 결과와 ICP 분석 결과 간 오차(약 5)는 용인할만한 수준인 것으로 파악된다.Considering the fact that the waste anode material further contains various impurities derived from the anode plate in addition to nickel, cobalt, and manganese, the error (about 5) between the results of the real-time LIBS analysis and the results of the ICP analysis is considered to be acceptable.
검증예 2: 전구체 1로부터 추출된 재활용 양극 활물질의 조성 분석Verification Example 2: Analysis of the composition of the recycled positive electrode active material extracted from
전술한 폐양극 원료 1과는 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 초기 구성성분비가 다른 폐양극 원료 2 (성일하이텍社으로부터 입수)에 대하여 전술한 검증예 1과 동일한 방법을 거쳐 폐양극 분말을 준비한다. 준비된 폐양극 분말에 대해 화학 반응을 이용하여 강제적으로 리튬을 탈리시킴으로써, 리튬의 몰비가 0에 가까운 폐양극 샘플 2를 준비하였다.Waste anode material 2 (obtained from Sungil Hitech) with a different initial composition ratio of lithium, nickel, cobalt, and manganese from the aforementioned
이후, 준비된 폐양극 샘플 2를 질산에 녹인 후, 그 용액에 대하여 전술한 검증예 1과 동일한 과정을 거쳐 ICP 분석을 수행함으로써 폐양극 샘플 2의 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 조성비를 도출한다.Thereafter, after dissolving the prepared
도출된 폐양극 샘플 2의 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 조성비에 기초하여 Ni/(Ni+Co+Mn)=0.88이 되도록 전술한 폐양극 원료 2에 Ni(OH)2 를 추가로 투입한 다음, 물리적으로 분쇄한 다음 여과함으로써 전구체 1을 제조한다.Based on the composition ratio of lithium, nickel, cobalt, and manganese in the derived
이후, 제조된 전구체 1에 대하여 전술한 검증예 1과 동일한 방법으로 LIBS 분석 및 ICP 분석을 각각 수행하고, 그 결과를 표 2에 나타낸다.Thereafter, the
표 2를 참조하면, 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용한 LIBS 실시간 분석 결과는 ICP 분석 결과와 매우 일치하였으며, 특히 리튬의 오차가 0.001, 니켈, 코발트와 망간의 오차 또한 모두 2.5 이하로 매우 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.표 2의 결과로부터, 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용할 경우 LIBS 분석법을 이용한 양극 활물질 제조 과정 중 실시간 조성비를 파악할 수 있음을 알 수 있다.Referring to Table 2, the LIBS real-time analysis result using the constituent composition library of the positive electrode active material was very consistent with the ICP analysis result.In particular, the error of lithium was 0.001, and the errors of nickel, cobalt, and manganese were all less than 2.5. From the results of Table 2, it can be seen from the results of Table 2 that when the composition library of the constructed positive active material is used, the composition ratio in real time during the manufacturing process of the positive active material using the LIBS analysis method can be identified.
검증예 3: 전구체 2로부터 추출된 재활용 양극 활물질의 조성 분석Verification Example 3: Analysis of the composition of the recycled positive electrode active material extracted from the
폐양극 원료 2 대신 폐양극 원료 1 내지 2와는 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 초기 구성성분비가 다른 폐양극 원료 3(성일하이텍社으로부터 입수)을 사용하는 것을 제외하고는 검증예 2와 동일한 과정을 거쳐 전구체 2를 제조한다.In place of the
이후, 제조된 전구체 2에 대하여 전술한 검증예 1과 동일한 방법으로 LIBS 및 ICP를 각각 수행하고, 그 결과를 표 3에 나타낸다.Thereafter, LIBS and ICP were each performed in the same manner as in Verification Example 1 for the
표 3를 참조하면, 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용한 LIBS 실시간 분석 결과는 ICP에 의한 분석 결과와 매우 일치하였으며, 전술한 검증예 2와 유사한 양상을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to Table 3, the LIBS real-time analysis result using the constituent composition library of the positive active material was very consistent with the analysis result by ICP, and it can be seen that it exhibits a similar aspect to that of Verification Example 2.
아울러 표 2와 표 3의 결과로부터, 약 80 원자% 이상의 고니켈계 양극 활물질 및/또는 이를 제조하기 위한 전구체에 대해서도 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용하면 LIBS 분석법을 이용하여 비교적 정확한 실시간 조성비를 파악할 수 있음을 알 수 있다.In addition, from the results of Tables 2 and 3, using a library of constituent components of the positive electrode active material constructed for a high nickel-based positive electrode active material of about 80 atomic% or more and/or a precursor for preparing the same, a relatively accurate real-time using LIBS analysis method It can be seen that the composition ratio can be determined.
검증예 4: 재활용 양극 활물질의 조성 분석Verification Example 4: Analysis of the composition of recycled positive electrode active material
폐양극 원료 3 대신 폐양극 원료 1 내지 3과는 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 구성성분비가 다른 폐양극 원료 4(성일하이텍社으로부터 입수)를 사용하고, 전이금속들 간 목표 조성비가 Ni:Co:Mn = 70:20:10 이 되도록 전술한 폐양극 원료 4에 Ni(OH)2, Mn(OH)2, Co(OH)2 를 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 검증예 3과 동일한 과정을 거쳐 전구체 3을 제조한다.Instead of the
이후, 제조된 전구체 3에 LiOH·H2O을 투입한 다음 800 ℃ 내지 950℃의 온도에서 12 시간 이상 소성하여 검증예 4에 따른 재활용 양극 활물질을 제조한다.Thereafter, LiOH·H 2 O is added to the
이후, 제조된 재활용 양극 활물질에 대하여 전술한 검증예 1과 동일한 방법으로 LIBS 및 ICP를 각각 수행하고, 그 결과를 표 4에 나타낸다.Then, the manufactured recycled positive electrode active material For each of the LIBS and ICP were performed in the same manner as in Verification Example 1 described above, the results are shown in Table 4.
표 4를 참조하면, 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용한 LIBS 실시간 분석 결과는 ICP 분석 결과와 상당부분 일치하였으며, 리튬의 오차가 0.05 이하, 니켈, 코발트, 망간의 오차가 4 이하로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 4, the LIBS real-time analysis result using the constituent composition library of the constructed positive electrode active material substantially coincided with the ICP analysis result, and the error of lithium was less than 0.05, and the error of nickel, cobalt, and manganese was as low as 4 or less. You can see that it appears.
따라서, 구축된 양극 활물질의 구성성분 조성 라이브러리를 이용하면 재활용 양극 활물질의 실시간 조성 분석이 가능함을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the real-time composition analysis of the recycled positive electrode active material is possible by using the constructed library of the composition of the positive electrode active material.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of the invention.
Claims (20)
상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고,
상기 분광선으로부터 얻어지는 전이금속 피크 강도 정보(datum)로부터 상기 샘플의 전이금속 피크 강도 데이터(data)를 획득하고,
상기 전이금속 피크 강도 데이터와, 상기 샘플의 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터를 연동하여 전이금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 포함하여 수행하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.The sample is irradiated with a laser to form a plasma,
Measuring a spectral line by light emitted from the plasma,
To obtain transition metal peak intensity data (data) of the sample from the transition metal peak intensity information (datum) obtained from the spectral line,
A method for constructing a composition library of a positive electrode active material, comprising the step of constructing a transition metal composition library by linking the transition metal peak intensity data and the transition metal composition ratio data already obtained of the sample.
상기 플라즈마 형성 및 상기 분광선 검출 과정으로 이루어진 단계를 20 사이클 이상 반복 수행하며,
상기 사이클의 반복 수행됨에 따라 누적되는 상기 전이금속 피크 강도 정보(datum)의 평균을 계산함으로써 상기 전이금속 피크 강도 데이터(data)를 산출하는 것인, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The step consisting of the plasma formation and the spectral ray detection process is repeatedly performed at least 20 cycles,
To calculate the transition metal peak intensity data (data) by calculating the average of the transition metal peak intensity information (datum) accumulated as the cycle is repeatedly performed, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 전이금속 피크 강도 정보(datum)는,
상기 분광선으로부터 분석대상 전이금속에 해당하는 피크를 크기가 가장 큰 것부터 작아지는 순서로 1 내지 10 개 특정하고,
상기 특정된 피크들의 강도의 평균을 계산함으로써 산출하는 것인, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In paragraph 2,
The transition metal peak intensity information (datum),
From the spectral line, 1 to 10 peaks corresponding to the transition metal to be analyzed are specified in the order from the largest to the smallest,
To calculate by calculating the average of the intensities of the specified peaks, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 전이금속 피크 강도 데이터는 니켈 피크 강도 데이터, 코발트 피크 강도 데이터, 망간 피크 강도 데이터, 또는 이들의 조합을 포함하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The transition metal peak intensity data includes nickel peak intensity data, cobalt peak intensity data, manganese peak intensity data, or a combination thereof, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터는
유도 결합 플라즈마 (Induced Coupled Plasma, ICP) 분석법, 레이저 유도 브레이크다운 분광 (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) 분석법 중 적어도 하나를 이용하여 얻어진 데이터인, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The transition metal composition ratio data already obtained is
Data obtained using at least one of an Induced Coupled Plasma (ICP) analysis method and a Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) analysis method, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터는
니켈, 코발트, 및 망간 중 적어도 2 이상의 몰비 데이터를 포함하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The transition metal composition ratio data already obtained is
A method for constructing a composition library of a positive electrode active material, comprising data on a molar ratio of at least two of nickel, cobalt, and manganese.
상기 샘플은 하기 화학식 1로 표현되는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법:
[화학식 1]
Mea(NixCoyMnz)QbTdO2(1-e)(OH)e
화학식 1 내지 화학식 2에서,
Me는 Li, Na, K, Rb, Cs 중에서 선택되는 1종 이상의 금속이고,
T는 Al, Pb, Na, Mg, Fe, Cr, Zn 중에서 선택되는 1종 이상의 금속이고,
Q는 15족 내지 17족 원소 중에서 선택되는 1종 이상의 비금속이고,
0≤a≤1.5, 0≤b≤10-3, 0≤d≤10-3, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1이며, e는 0 또는 1이다. In claim 1,
The sample is represented by the following formula (1), a method for constructing a composition library of a positive active material:
[Formula 1]
Me a (Ni x Co y Mn z ) Q b T d O 2(1-e) (OH) e
In Formula 1 to Formula 2,
Me is at least one metal selected from Li, Na, K, Rb, Cs,
T is at least one metal selected from Al, Pb, Na, Mg, Fe, Cr, Zn,
Q is one or more nonmetals selected from Group 15 to Group 17 elements,
0≤a≤1.5, 0≤b≤10 -3 , 0≤d≤10 -3 , 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1, e Is 0 or 1.
상기 샘플은 전이금속 조성비가 상이한 제1 샘플과 제2 샘플을 포함하며,
상기 제1 샘플과 상기 제2 샘플에 대하여 각각 독립적으로, 상기 플라즈마 형성, 상기 분광선 측정, 상기 전이금속 피크 강도 데이터 획득, 및 상기 양극 활물질의 전이금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 수행하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The sample includes a first sample and a second sample having different transition metal composition ratios,
A positive electrode for performing the process of forming the plasma, measuring the spectral line, obtaining the transition metal peak intensity data, and building a transition metal composition library of the positive electrode active material independently for each of the first sample and the second sample How to build an active material composition library.
상기 샘플은 펠릿(pellet) 형상을 가지는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The sample has a pellet shape, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 레이저 조사 시점으로부터 상기 분광선 측정 시점까지의 시간은 0 초과 2 μs 이하인, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
A method for constructing a composition library of a positive electrode active material, wherein the time from the laser irradiation time to the spectral line measurement time is more than 0 and less than or equal to 2 μs.
상기 플라즈마 형성 및 상기 분광선 측정은 불활성 가스 분위기에서 수행하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
The plasma formation and the spectral line measurement are performed in an inert gas atmosphere, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 불활성 가스는 헬륨 가스를 포함하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In clause 11,
The inert gas contains helium gas, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 분광선으로부터 상기 샘플의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 더 획득하며,
상기 알칼리금속 피크 강도 데이터와 구축된 상기 전이금속 조성 라이브러리를 이용하여 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 더 포함하여 수행하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 1,
Further obtaining alkali metal peak intensity data of the sample from the spectral line,
A method for constructing a composition library of a positive electrode active material, further comprising a process of constructing an alkali metal composition library using the alkali metal peak intensity data and the constructed transition metal composition library.
상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은
상기 전이금속 조성 라이브러리에서 상기 이미 얻어진 전이금속 조성비 데이터(data)와 연동되어 있는 상기 전이금속 피크 강도 데이터를 특정하고,
상기 특정된 전이금속 피크 강도 데이터의 합계에 대한 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터의 비율인 제1 매개변수(Ralkali)를 산출하는 과정을 포함하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 13,
The process of building the alkali metal composition library
Specifying the transition metal peak intensity data linked with the transition metal composition ratio data (data) already obtained in the transition metal composition library,
A method for constructing a composition library of a positive electrode active material comprising a process of calculating a first parameter (R alkali ), which is a ratio of the alkali metal peak intensity data to the sum of the specified transition metal peak intensity data.
상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은
상기 산출된 제1 매개변수(Ralkali)에 기준 알칼리금속 조성비(C)를 대입하여 기준변수 (Ralkali=c)를 산출하는 과정을 더 포함하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In clause 14,
The process of building the alkali metal composition library
A method for constructing a composition library of a positive electrode active material further comprising a process of calculating a reference parameter (R alkali = c ) by substituting a reference alkali metal composition ratio (C) to the calculated first parameter (R alkali ).
상기 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정은
상기 제1 매개변수(Ralkali)를 산출된 상기 기준변수로 나누어 제2 매개변수 (Ralkali/Ralkali=c)를 산출하는 과정을 더 포함하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In paragraph 15,
The process of building the alkali metal composition library
Dividing the first parameter (R alkali ) by the calculated reference variable and calculating a second parameter (R alkali /R alkali = c ).
상기 알칼리금속은 리튬이고,
상기 기준 알칼리금속 조성비(C)는 1.0인, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In paragraph 15,
The alkali metal is lithium,
The reference alkali metal composition ratio (C) is 1.0, a method for constructing a composition library of a positive electrode active material.
상기 샘플은 알칼리금속 조성비가 상이한 제3 샘플과 제4 샘플을 포함하며,
상기 제3 샘플과 상기 제4 샘플에 대하여 각각 독립적으로, 상기 플라즈마 형성, 상기 분광선 측정, 상기 알칼리금속 피크 강도 데이터 획득, 및 상기 양극 활물질의 알칼리금속 조성 라이브러리를 구축하는 과정을 수행하는, 양극 활물질의 조성 라이브러리 구축 방법.In claim 13,
The sample includes a third sample and a fourth sample having different alkali metal composition ratios,
A positive electrode for performing the process of forming the plasma, measuring the spectral line, obtaining the alkali metal peak intensity data, and building an alkali metal composition library of the positive electrode active material independently for each of the third sample and the fourth sample How to build an active material composition library.
상기 양극 활물질에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고,
상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고,
상기 분광선으로부터 얻어진 상기 양극 활물질의 전이금속 피크 강도 데이터를 상기 전이금속 조성 라이브러리에 대입하여 상기 양극 활물질의 전이금속 조성비 데이터를 도출하는 과정을 포함하여 수행하는, 양극 활물질의 조성 분석 방법.A method of analyzing a composition of a positive electrode active material with an unknown transition metal composition ratio using the method for constructing a composition library of a positive electrode active material according to any one of claims 1 to 18,
Forming plasma by irradiating a laser to the positive electrode active material,
Measuring a spectral line by light emitted from the plasma,
Substituting the transition metal peak intensity data of the positive electrode active material obtained from the spectral line into the transition metal composition library to derive the transition metal composition ratio data of the positive electrode active material composition analysis method.
상기 양극 활물질에 레이저를 조사하여 플라즈마를 형성하고,
상기 플라즈마로부터 방출된 빛에 의한 분광선을 측정하고,
상기 분광선으로부터 얻어진 양극 활물질의 알칼리금속 피크 강도 데이터를 상기 알칼리금속 조성 라이브러리에 대입하여 상기 양극 활물질의 알칼리금속 조성비를 도출하는 과정을 포함하여 수행하는, 양극 활물질의 조성 분석 방법.A method of analyzing a composition of a positive electrode active material with an unknown alkali metal composition ratio using the method for constructing a composition library of a positive electrode active material according to any one of claims 13 to 18,
Forming plasma by irradiating a laser to the positive electrode active material,
Measuring a spectral line by light emitted from the plasma,
Substituting the alkali metal peak intensity data of the positive electrode active material obtained from the spectral line into the alkali metal composition library to derive the alkali metal composition ratio of the positive electrode active material composition analysis method of the positive electrode active material.
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