KR20210119905A - Positive electrode active material, positive electrode including the same, and lithium secondary battery employing the positive electrode - Google Patents
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Abstract
Description
양극 활물질, 이를 포함한 양극 및 상기 양극을 채용한 리튬이차전지에 관한 것이다.It relates to a positive electrode active material, a positive electrode including the same, and a lithium secondary battery employing the positive electrode.
각종 기기의 소형화, 고성능화에 부합하기 위하여 리튬이차전지의 소형화, 경량화 외에 고에너지 밀도화가 중요해지고 있다. 또한, 전기차량(Electric Vehicle) 등의 분야에 적용되기 위하여 리튬이차전지의 고용량, 고온 및 고전압에서의 안정성이 중요해지고 있다.In order to meet the miniaturization and high performance of various devices, in addition to miniaturization and weight reduction of lithium secondary batteries, high energy density is becoming more important. In addition, in order to be applied to fields such as electric vehicles, high capacity, high temperature and high voltage stability of lithium secondary batteries are becoming important.
상기 용도에 부합하는 리튬이차전지를 구현하기 위하여 다양한 양극 활물질이 검토되고 있다.In order to implement a lithium secondary battery suitable for the above use, various positive electrode active materials are being studied.
양극 활물질로서 니켈계 활물질 또는 코발트계 활물질이 사용된다. 그런데 니켈계 활물질은 고유용량은 높으나 평균입도가 크고 단단한 구형 형상을 갖고 있어 이를 이용하면 양극의 합제밀도를 원하는 바대로 높이기가 어렵다. 그리고 코발트계 양극 활물질은 고가이므로 제조비용을 낮추는 것이 요구된다.As the positive electrode active material, a nickel-based active material or a cobalt-based active material is used. However, the nickel-based active material has a high intrinsic capacity, but has a large average particle size and a hard spherical shape. And since the cobalt-based positive electrode active material is expensive, it is required to lower the manufacturing cost.
한 측면은 양극의 합제밀도를 향상시켜 용량 특성이 개선된 양극 활물질을 제공하는 것이다.One aspect is to provide a positive electrode active material having improved capacity characteristics by improving the mixture density of the positive electrode.
다른 한 측면은 상술한 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a positive electrode including the above-described positive electrode active material.
또 다른 한 측면은 상기 양극을 채용하여 셀 성능이 개선된 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium secondary battery having improved cell performance by employing the positive electrode.
한 측면에 따라, According to one aspect,
리튬코발트계 활물질 및 리튬니켈코발트계 활물질을 포함하는 양극 활물질이며, 상기 리튬코발트계 활물질의 크기 및 함량은 각각 리튬니켈코발트계 활물질의 크기 및 함량에 비하여 크며, 상기 리튬니켈코발트계 활물질은 단일 입자 형태(One body type) 활물질인 양극 활물질이 제공된다.A positive electrode active material comprising a lithium cobalt-based active material and a lithium nickel cobalt-based active material, wherein the size and content of the lithium cobalt-based active material are respectively larger than the size and content of the lithium nickel cobalt-based active material, and the lithium nickel cobalt-based active material is a single particle A positive active material, which is a one body type active material, is provided.
다른 측면에 따라 상술한 양극 활물질을 포함하는 양극이 제공된다.According to another aspect, a positive electrode including the above-described positive active material is provided.
또 다른 측면에 따라 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질을 포함한 리튬이차전지가 제공된다.According to another aspect, there is provided a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed therebetween.
한 측면에 따르면, 고전압 특성이 향상된 양극 활물질을 제공한다. 이러한 양극 활물질을 이용하면 극판 제조 공정에서의 양극 슬러리 안정성 및 극판 합제 밀도가 향상된 리튬이차전지용 양극을 제작할 수 있다. 그리고 상기 양극을 채용하면 고전압에서의 가스 발생이 감소하고, 신뢰성 및 안전성이 향상된 리튬이차전지를 제작할 수 있다.According to one aspect, a positive electrode active material having improved high voltage characteristics is provided. By using such a positive active material, it is possible to manufacture a positive electrode for a lithium secondary battery with improved positive electrode slurry stability and electrode plate mixture density in the electrode plate manufacturing process. In addition, when the positive electrode is employed, a lithium secondary battery with improved reliability and safety can be manufactured by reducing gas generation at high voltage.
도 1은 실시예 1에 따른 양극의 압연 후의 상태를 보여주는 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 사진이다.
도 2 내지 도 5는 각각 비교예 1 내지 비교예 4의 양극의 압연후의 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 6a 및 도 6b은 제조예 1에 따라 얻은 양극 활물질에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 일구현예에 따른 리튬이차전지의 모식도이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 및 3에서 제조된 리튬이차전지에 있어서, 사이클수에 따른 방전용량 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a state after rolling of an anode according to Example 1;
2 to 5 are SEM photographs showing the state of the positive electrode of Comparative Examples 1 to 4 after rolling, respectively.
6a and 6b show the SEM analysis results of the positive active material obtained according to Preparation Example 1.
7 is a schematic diagram of a lithium secondary battery according to an embodiment.
8 is a graph showing the change in discharge capacity according to the number of cycles in the lithium secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 3;
이하에서 예시적인 구현예들에 따른 양극 활물질, 그 제조방법, 이를 포함하는 양극과 리튬이차전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a positive electrode active material according to exemplary embodiments, a method for manufacturing the same, and a positive electrode and a lithium secondary battery including the same will be described in more detail.
리튬코발트계 활물질 및 리튬니켈코발트계 활물질을 포함하는 양극 활물질이며, 상기 리튬코발트계 활물질의 크기 및 함량은 각각 리튬니켈코발트계 활물질의 크기 및 함량에 비하여 크고, 상기 리튬니켈코발트계 활물질이 단일 입자 형태(One body type) 활물질인 양극 활물질이 제공된다.A positive electrode active material comprising a lithium cobalt-based active material and a lithium nickel cobalt-based active material, wherein the size and content of the lithium cobalt-based active material is larger than that of the lithium nickel cobalt-based active material, respectively, and the lithium nickel cobalt-based active material is a single particle A positive active material, which is a one body type active material, is provided.
양극 활물질에서 리튬코발트계 활물질의 크기가 리튬니켈코발트계 활물질의 크기에 비하여 작으면 양극 제조시 압연후 활물질 입자의 깨짐 현상이 심해서 이러한 양극 활물질을 함유한 양극은 합제밀도 및 에너지 밀도 특성이 불량하다. 그리고 상기 리튬코발트계 활물질의 함량은 리튬니켈코발트계 활물질의 함량에 비하여 작으면 이러한 양극 활물질을 함유한 양극을 채용한 리튬이차전지의 용량 특성이 저하된다. 그리고 상기 리튬니켈코발트계 활물질이 단일 입자 형태(One body type)가 아니면 양극 활물질의 강도가 약하여 가압 과정에서 양극 활물질의 깨어짐이 일어날 수 있고 가스가 발생하여 고온 저항 특성이 저하되어 바람직하지 못하다.If the size of the lithium cobalt-based active material in the positive electrode active material is smaller than the size of the lithium nickel cobalt-based active material, the active material particles are severely cracked after rolling during the production of the positive electrode. . In addition, when the content of the lithium cobalt-based active material is smaller than that of the lithium nickel cobalt-based active material, the capacity characteristics of a lithium secondary battery employing a positive electrode containing such a positive active material are deteriorated. In addition, if the lithium nickel cobalt-based active material is not of a single body type, the strength of the positive electrode active material is weak, so that the positive electrode active material may be broken during the pressurization process, and the high temperature resistance property is deteriorated due to the generation of gas, which is not preferable.
본 명세서에서 용어 "크기(size)"는 리튬코발트계 활물질 및 리튬니켈코발트계 활물질의 입자가 구형인 경우에는 평균입경(D50)을 나타낸다. 그리고 리튬코발트계 활물질 및 리튬니켈코발트계 활물질이 구형이 아닌 경우에는 용어 "크기"는 장축길이를 나타낸다. In the present specification, the term “size” refers to an average particle diameter (D50) when the particles of the lithium cobalt-based active material and the lithium nickel cobalt-based active material are spherical. And when the lithium cobalt-based active material and the lithium nickel cobalt-based active material are not spherical, the term “size” indicates a major axis length.
평균입경은 PSD(Particle size distribution) 측정기기를 이용하여 측정하거나 SEM 등을 통하여 측정 가능하다. 장축길이는 SEM 등을 통하여 측정할 수 있다.The average particle diameter can be measured using a PSD (Particle Size Distribution) measuring device or it can be measured through SEM. The major axis length can be measured through SEM or the like.
본 명세서에서 "D50"은 입도분석기(HORIBA, LA-950 Laser Particle Size Analyzer)로 분석하여, 입자의 입경을 측정하여 작은 입자부터 부피를 누적할 경우 총 부피의 50%에 해당하는 입경을 의미한다. In this specification, "D50" is analyzed with a particle size analyzer (HORIBA, LA-950 Laser Particle Size Analyzer) to measure the particle size of the particles and when the volume is accumulated from small particles, it means a particle size corresponding to 50% of the total volume. .
양극 활물질로서 니켈계 활물질만을 이용하는 경우 니켈계 활물질은 고유 용량은 높으나 입자가 단단하고 구형을 갖고 있어 집전체 상부에 니켈계 활물질을 함유한 활물질층을 형성하면 활물질 입자 사이의 간격이 크게 발생되어 양극의 용량이 예상보다 작다. 또한 니켈계 활물질이 매우 단단하여 극판 제조시 프레스 성형을 해도 극판 체적 밀도를 향상시키는 것이 어렵다. 또한 니켈계 활물질은 일반적인 니켈계 양극활물질이 갖는 문제점인 낮은 방전 용량과 고전압에서 구동 시 안전성이 저하된다. When only nickel-based active materials are used as positive electrode active materials, nickel-based active materials have high intrinsic capacity, but particles are hard and spherical. capacity is smaller than expected. In addition, since the nickel-based active material is very hard, it is difficult to improve the volume density of the electrode plate even when press molding is performed during the production of the electrode plate. In addition, the nickel-based active material has a low discharge capacity, which is a problem with a general nickel-based positive electrode active material, and the safety when driven at a high voltage is deteriorated.
이에 본 발명자들은 니켈계 활물질의 상술한 문제점을 해결하기 위하여 평균입도가 큰 리튬코발트계 활물질에 평균입도가 작은 리튬니켈코발트계 활물질을 혼합하여 집전체 상부에 형성된 양극 활물질층에서 평균 입도가 큰 구형 입자인 리튬코발트계 활물질 사이의 공간을 평균 입도가 작은 리튬니켈코발트계 활물질을 채워 양극의 합제밀도 및 극판 체적밀도를 효율적으로 향상시킬 수 있다. Accordingly, the present inventors mixed a lithium-nickel-cobalt-based active material having a small average particle size with a lithium-cobalt-based active material having a large average particle size in order to solve the above-described problem of the nickel-based active material. The space between the lithium cobalt-based active materials, which are particles, can be filled with a lithium-nickel-cobalt-based active material having a small average particle size, thereby effectively improving the mixing density of the positive electrode and the electrode plate volume density.
리튬코발트계 활물질은 예를 들어 구형 형태를 가질 수 있다.The lithium cobalt-based active material may have, for example, a spherical shape.
또한 양극 활물질로서 리튬코발트계 활물질을 단독으로 이용하는 경우, 양극의 합제밀도는 우수하지만 리튬코발트계 활물질이 고가여서 제조비용이 상승할 뿐만 아니라 양극 제조시 압연후 양극 활물질의 깨짐이 발생된다. 그러나 일구현예에 따른 양극 활물질은 대입경의 리튬코발트계 활물질을 이용하면서 소입경의 리튬니켈코발트계 활물질을 함께 이용하되, 양극 활물질의 주성분으로서 리튬코발트계 활물질을 이용하여 리튬코발트계 활물질을 단독으로 사용하여 양극을 제조한 경우의 문제점을 해결하여 양극의 합제밀도가 우수하면서 압연후 활물질의 깨짐현상이 효과적으로 억제되어 크랙, 핀홀 등이 거의 발생되지 않아 용량 특성이 개선된 양극 및 리튬이차전지를 제조할 수 있다.In addition, when a lithium cobalt-based active material is used alone as a positive electrode active material, the positive mix density of the positive electrode is excellent, but the lithium cobalt-based active material is expensive, thus increasing the manufacturing cost. However, the positive electrode active material according to one embodiment uses a lithium cobalt-based active material having a large particle diameter and a lithium nickel cobalt-based active material having a small particle diameter, but using a lithium cobalt-based active material as a main component of the positive electrode active material and a lithium cobalt-based active material alone By solving the problems in the case of manufacturing a positive electrode using can do.
리튬니켈코발트계 활물질은 단일입자 형태를 갖는다. The lithium nickel cobalt-based active material has a single particle form.
본 명세서에서 “단일입자”는 니켈계 양극 활물질이 갖는 일반적인 형태 즉 평균입경 1㎛ 이하의 1차 입자들이 모여서 2차 입자를 형성하는 형태와 다르게 1차 입자의 크기를 키워서 만든 것이다. “단일입자”는 모폴로지(morphology)상으로 입자들이 상호 응집되지 않은 독립된 상(phase)으로 존재하는 구조를 의미한다. 이러한 단일 입자와 대비되는 입자 구조는 작은 크기의 입자(1차 입자)들이 물리적 및/또는 화학적으로 응집되어 상대적으로 큰 입자 형태(이차입자)를 이루는 구조를 들 수 있다. 단일입자 형태를 갖는 양극 활물질은 주로 단일입자로 구성된 양극 활물질이다. 양극 활물질의 90% 이상, 95% 이상, 99% 이상, 예를 들어 99 내지 100%가 단일입자로 구성된다.As used herein, the term “single particle” is made by increasing the size of the primary particles, which is different from the general shape of the nickel-based positive electrode active material, that is, the primary particles having an average particle diameter of 1 μm or less to form secondary particles. “Single particle” refers to a structure in which particles exist as independent phases in which particles are not agglomerated with each other as a morphology. The particle structure as opposed to such a single particle may include a structure in which small-sized particles (primary particles) are physically and/or chemically aggregated to form relatively large particles (secondary particles). A positive active material having a single particle shape is a positive electrode active material mainly composed of single particles. 90% or more, 95% or more, 99% or more, for example, 99 to 100% of the positive active material is composed of single particles.
단일입자 형태를 갖는 양극 활물질을 이용하면, 양극 제조 공정에서의 양극 슬러리 안정성 및 극판 합제 밀도가 향상된다. 그리고 이러한 양극을 이용하면 고전압에서의 가스발생이 감소하고, 신뢰성 및 안전성이 향상된 리튬이차전지를 제작할 수 있다.When the positive electrode active material having a single particle shape is used, the stability of the positive electrode slurry and the electrode plate mixture density in the positive electrode manufacturing process are improved. And by using such a positive electrode, it is possible to manufacture a lithium secondary battery with reduced gas generation at high voltage and improved reliability and safety.
리튬니켈코발트계 활물질은 상술한 바와 같이 단일입자 형태를 가짐으로써 리튬 이온이 양극 활물질의 표면에 도달하기까지 이동 경로가 길어지게 된다. 이에 따라 양극 활물질의 표면으로 이동한 리튬 이온이 공기중의 수분 또는 CO2 등과 반응하여 Li2CO3, LiOH 등이 얻어지고, 상기 Li2CO3, LiOH 등이 양극 활물질 표면에 흡착하여 만들어지는 표면 불순물의 형성을 최소화할 수 있다. 또한 표면 불순물로 인해 발생할 수 있는 문제점 즉, 전지 용량 감소, 리튬 이온의 이동 방해로 인한 계면저항의 증가, 불순물들의 분해로 인한 가스 발생 및 이로 인한 전지의 스웰링 현상 등의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과 양극 활물질의 전지 적용시 용량 특성, 고온 안정성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.As the lithium nickel cobalt-based active material has a single particle shape as described above, a movement path for lithium ions to reach the surface of the positive electrode active material becomes longer. Accordingly, lithium ions that have moved to the surface of the positive electrode active material react with moisture or CO 2 in the air to obtain Li 2 CO 3 , LiOH, etc., and the Li 2 CO 3 , LiOH, etc. are adsorbed on the surface of the positive electrode active material Formation of surface impurities can be minimized. In addition, it is possible to prevent problems that may occur due to surface impurities, i.e., decrease in battery capacity, increase in interfacial resistance due to obstruction of lithium ion movement, gas generation due to decomposition of impurities, and swelling of the battery due to this. . As a result, it is possible to improve the capacity characteristics, high temperature stability and charge/discharge characteristics when the positive electrode active material is applied to a battery.
상기 리튬코발트계 활물질의 평균입경은 10 내지 20㎛이며, 상기 리튬 니켈코발트계 활물질의 평균입경은 3 내지 8㎛이다. The average particle diameter of the lithium cobalt-based active material is 10 to 20㎛, and the average particle diameter of the lithium nickel cobalt-based active material is 3 to 8㎛.
리튬코발트계 활물질은 두 개 이상의 일차 입자의 응집체를 포함하는 적어도 하나의 이차 입자 또는 단일입자일 수 있다. 일구현예에 의하면, 리튬코발트계 활물질은 단일입자 형태를 갖는다.The lithium cobalt-based active material may be at least one secondary particle or a single particle including an aggregate of two or more primary particles. According to one embodiment, the lithium cobalt-based active material has a single particle form.
상기 리튬코발트계 활물질이 이차입자인 경우, 리튬코발트계 활물질의 평균입경은 이차 입자의 평균 입경을 나타낸다. 그리고 리튬코발트계 활물질이 단일입자인 경우, 리튬코발트계 활물질의 평균입경은 1차 입자의 크기를 키워서 얻은 단일 입자 형태의 평균입경을 나타낸다. 일구현예에 의하면, 리튬 니켈코발트계 활물질의 평균입경은 1차 입자의 크기를 키워서 얻은 단일 입자 형태의 평균입경을 말한다.When the lithium cobalt-based active material is a secondary particle, the average particle diameter of the lithium cobalt-based active material represents the average particle diameter of the secondary particles. And when the lithium cobalt-based active material is a single particle, the average particle diameter of the lithium cobalt-based active material represents the average particle diameter of a single particle obtained by increasing the size of the primary particles. According to one embodiment, the average particle diameter of the lithium nickel cobalt-based active material refers to the average particle diameter of a single particle obtained by increasing the size of the primary particles.
상기 리튬코발트계 활물질의 평균입경은 예를 들어 11 내지 18㎛, 예를 들어 12 내지 17㎛, 12.5 내지 17㎛, 13 내지 17㎛, 13.5 내지 17㎛, 14 내지 16.5㎛, 또는 14 내지 16㎛이다. 상기 리튬 니켈코발트계 활물질의 평균입경은 3 내지 8㎛, 3.5 내지 7.5㎛, 3.5 내지 7㎛, 4 내지 7㎛, 4.5 내지 6.5㎛, 예를 들어 5 내지 6㎛이다. 대입경의 리튬코발트계 활물질의 평균 입경이 상기 범위일 때 고율 특성이 저하됨이 없이 극판 합제 밀도가 우수하다. 그리고 소입경의 리튬 니켈코발트계 활물질(이차 입자)의 평균 입경이 상기 범위일 때 리튬이차전지의 안전성이 저하됨이 없이 극판 합제 밀도가 우수하다. The average particle diameter of the lithium cobalt-based active material is, for example, 11 to 18 μm, for example, 12 to 17 μm, 12.5 to 17 μm, 13 to 17 μm, 13.5 to 17 μm, 14 to 16.5 μm, or 14 to 16 μm. am. The lithium nickel cobalt-based active material has an average particle diameter of 3 to 8 μm, 3.5 to 7.5 μm, 3.5 to 7 μm, 4 to 7 μm, 4.5 to 6.5 μm, for example, 5 to 6 μm. When the average particle diameter of the lithium cobalt-based active material having a large particle diameter is within the above range, the high-rate characteristic is not deteriorated and the electrode plate mixture density is excellent. In addition, when the average particle diameter of the lithium nickel cobalt-based active material (secondary particles) having a small particle diameter is within the above range, the electrode plate mixture density is excellent without deteriorating the safety of the lithium secondary battery.
상기 리튬코발트계 활물질과 리튬 니켈코발트계 활물질의 혼합중량비는 6:4 내지 8:2(1.5;1 내지 4:1), 예를 들어 7:3 내지 6:2(2.3:1 내지 3:1)이다. 일구현예에 의하면, 리튬코발트계 활물질과 리튬 니켈코발트계 활물질의 혼합중량비는 7:3이다. 리튬코발트계 활물질과 리튬 니켈코발트계 활물질의 혼합중량비가 상기 범위일 때 고전압 및 고온에서의 가스 발생으로 인하여 스웰링 특성이 저하됨이 없이 부피당 용량 특성이 우수한 양극을 제작할 수 있다.The mixing weight ratio of the lithium cobalt-based active material and the lithium nickel cobalt-based active material is 6:4 to 8:2 (1.5; 1 to 4:1), for example, 7:3 to 6:2 (2.3:1 to 3:1). )am. According to one embodiment, the mixing weight ratio of the lithium cobalt-based active material and the lithium nickel cobalt-based active material is 7:3. When the mixing weight ratio of the lithium cobalt-based active material and the lithium nickel cobalt-based active material is within the above range, a positive electrode having excellent capacity per volume characteristics can be manufactured without deterioration of swelling characteristics due to gas generation at high voltage and high temperature.
일구현예에 따른 양극 활물질은 부피당 용량의 한계를 극복하여 우수한 양극 극판 합제 밀도를 유지하면서 고용량의 셀을 얻을 수 있다. 일구현예에 의하면 양극의 합제밀도는 4.0 g/cc 이상, 4.1 g/cc 이상, 4.1 내지 4.2 g/cc 또는 4.15 내지 4.2 g/cc이다. The positive electrode active material according to one embodiment overcomes the limit of capacity per volume, and thus it is possible to obtain a high-capacity cell while maintaining an excellent positive electrode plate mixture density. According to one embodiment, the anode mixture density is 4.0 g/cc or more, 4.1 g/cc or more, 4.1 to 4.2 g/cc, or 4.15 to 4.2 g/cc.
일구현예에 의한 양극의 공극률은 10.0% 내지 12.1%, 10.3% 내지 12%, 또는 10.5% 내지 11.5%이다. 본 명세서에서 양극의 공극률은 양극 전체 총부피 대비 공극이 차지하는 부피를 비율로 나타낸 것이다. The porosity of the positive electrode according to one embodiment is 10.0% to 12.1%, 10.3% to 12%, or 10.5% to 11.5%. In the present specification, the porosity of the positive electrode is expressed as a ratio of the volume occupied by the pores to the total volume of the positive electrode.
그리고 일구현예에 의하면 양극의 압축률은 42.7% 미만, 42.68% 이하, 20 내지 42.86%, 22 내지 42.5%, 23 내지 42%, 24 내지 41%, 또는 25 내지 40%이다. 양극의 압축률을 얻기 위하여 양극을 압연하기 전의 양극의 코팅 두께(d1)를 측정한다. 이어서 상기 양극을 압연한 후 양극의 두께(d2)를 측정한다. 여기에서 양극은 양극 활물질층과 양극 집전체를 합한 것을 나타낸다.And according to one embodiment, the compressibility of the positive electrode is less than 42.7%, 42.68% or less, 20 to 42.86%, 22 to 42.5%, 23 to 42%, 24 to 41%, or 25 to 40%. In order to obtain the compressibility of the positive electrode, the coating thickness (d1) of the positive electrode before rolling the positive electrode is measured. Then, after the positive electrode is rolled, the thickness (d2) of the positive electrode is measured. Here, the positive electrode represents a combination of the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector.
상기 양극을 30㎜ X 30㎜ 크기로 자른 후, 두께와 무게를 측정하여 합제밀도를 구하고, 동일 로딩레벨(loading level)을 갖는 양극을 압연하여 양극의 압축률을 하기 식 1에 따라 계산된다.After the positive electrode is cut to a size of 30 mm X 30 mm, the thickness and weight are measured to obtain the mixture density, and the positive electrode having the same loading level is rolled to calculate the compressibility of the positive electrode according to Equation 1 below.
<식 1><Equation 1>
압축률(%)= {(d1-집전체 두께)-(d2-집전체 두께)}/(d1-집전체 두께)Compressibility (%) = {(d1 - current collector thickness) - (d2 - current collector thickness)}/(d1 - current collector thickness)
상기 리튬코발트계 활물질의 비표면적은 0.1 내지 0.3 m2/g, 0.15 내지 0.25 m2/g, 0.1 내지 0.2 m2/g, 0.15 내지 0.18 m2/g, 또는 0.160 내지 0.165m2/g이며, 상기 리튬니켈코발트계 활물질의 비표면적은 0.4 내지 0.8m2/g, 0.5 내지 0.7m2/g 또는 0.60 내지 0.65m2/g이다. 비표면적은 Brunauer-Emmett-Teller (BET) method에 의하여 측정된 BET 비표면적이다.The specific surface area of the lithium-cobalt-based active material is 0.1 to 0.3 m 2 / g, 0.15 to 0.25 m 2 / g, 0.1 to 0.2 m 2 / g, 0.15 to 0.18 m 2 / g, or 0.160 to 0.165m 2 / g a specific surface area of the lithium-nickel-cobalt-based active material is 0.4 to 0.8m 2 / g, 0.5 to 0.7m 2 / g or 0.60 to 0.65m 2 / g. The specific surface area is the BET specific surface area measured by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method.
상기 리튬코발트계 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합이다.The lithium cobalt-based active material is a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (2), or a combination thereof.
<화학식 1><Formula 1>
LixCo1-yMyA2 Li x Co 1-y M y A 2
화학식 1중, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5, M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이며, A는 O, F, S, P 또는 그 조합이며,In formula 1, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5, M is Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, A rare earth element or a combination thereof, A is O, F, S, P or a combination thereof,
<화학식 2><Formula 2>
LixCo1-yMyO2-zXz Li x Co 1-y M y O 2-z X z
화학식 2 중, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이며, X는 F, S, P 또는 그 조합이다.In Formula 2, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, M is Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, a rare earth element or a combination thereof, and X is F, S, P or a combination thereof.
일구현예에 따른 양극 활물질의 리튬니켈코발트계 활물질은 하기 화학식 3로 표시되는 화합물, 화학식 4로 표시되는 화합물 또는 그 조합이다.The lithium nickel cobalt-based active material of the positive electrode active material according to one embodiment is a compound represented by the following Chemical Formula 3, a compound represented by Chemical Formula 4, or a combination thereof.
<화학식 3><Formula 3>
LixNi1-y CoyO2-zXz Li x Ni 1-y Co y O 2-z X z
화학식 3 중, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0≤z≤0.5, In Formula 3, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0≤z≤0.5,
X는 F, S, P 또는 그 조합이고,X is F, S, P or a combination thereof,
<화학식 4><Formula 4>
LixNi1-y-z CoyMzO2-aXa Li x Ni 1-yz Co y M z O 2-a X a
화학식 4 중, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0<1-y-z, 0≤z≤0.5, 0≤a<2,In Formula 4, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0<1-yz, 0≤z≤0.5, 0≤a<2,
M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이며, X는 F, S, P 또는 그 조합이다.M is Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, a rare earth element or a combination thereof, and X is F, S, P or a combination thereof It is a combination.
상기 화학식 3 및 화학식 4에서 x는 1 내지 1.05, 1 내지 1.03 또는 1 내지 1.02이며, y는 예를 들어 0.05 내지 0.2이다. 그리고 상기 화학식 4에서 M은 Al이며, z은 예를 들어 0.005 내지 0.05이다.In Formulas 3 and 4, x is 1 to 1.05, 1 to 1.03, or 1 to 1.02, and y is, for example, 0.05 to 0.2. And in Formula 4, M is Al, and z is, for example, 0.005 to 0.05.
리튬코발트계 화합물은 예를 들어 하기 화학식 5로 표시되는 화합물이다.The lithium cobalt-based compound is, for example, a compound represented by the following formula (5).
<화학식 5><
LixCoaO2+α Li x Co a O 2+α
화학식 5중, 0.9≤x≤1.2, 0.98≤a≤1.00, -0.1≤α≤0.1이다.In
일구현예에 따른 리튬코발트계 화합물은 예를 들어 LiCoO2이다.The lithium cobalt-based compound according to an embodiment is, for example, LiCoO 2 .
일구현예에 따른 리튬니켈코발트계 활물질은 하기 화학식 7로 표시되는 화합물 또는 하기 화학식 8로 표시되는 화합물이다.The lithium nickel cobalt-based active material according to an embodiment is a compound represented by the following Chemical Formula 7 or a compound represented by the following Chemical Formula 8.
<화학식 7><Formula 7>
LixCoaNibMncO2 Li x Co a Ni b Mn c O 2
화학식 7중, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1, In formula 7, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1,
<화학식 8><Formula 8>
LixCoaNibAlcO2 Li x Co a Ni b Al c O 2
화학식 8중, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1이다.In Formula 8, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1.
상기 화학식 7 및 8에서 x는 1.0 내지 1.2이고, 또는 1.0 내지 1.1이며, a는 0.001 내지 0.45, 0.01 내지 0.4, 0.01 내지 0.3, 0.01 내지 0.2, 0.01 내지 0.1, 또는 0.01 내지 0.02이고, b는 0.6 내지 0.99, 0.7 내지 0.98, 또는 0.75 내지 0.95일 수 있다. c는 0.001 내지 0.3, 0.001 내지 0.2, 0.001 내지 0.1, 0.001 내지 0.05 또는 0.001 내지 0.01이다.In Formulas 7 and 8, x is 1.0 to 1.2, or 1.0 to 1.1, a is 0.001 to 0.45, 0.01 to 0.4, 0.01 to 0.3, 0.01 to 0.2, 0.01 to 0.1, or 0.01 to 0.02, and b is 0.6 to 0.99, 0.7 to 0.98, or 0.75 to 0.95. c is 0.001 to 0.3, 0.001 to 0.2, 0.001 to 0.1, 0.001 to 0.05 or 0.001 to 0.01.
상기 리튬니켈코발트계 활물질은 예를 들어 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2, LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2, Li1.05Ni0.9Co0.09Al0.01O2, Li1.05Ni0.9Co0.09Mn0.01O2, Li1.05Ni0.5Co0.2Mn0.3O2, Li1.1Ni0.5Co0.2Mn0.3O2, Li1.05Ni0.6Co0.2Mn0.2O2, Li1.1Ni0.6Co0.2Mn0.2O2, 등을 들 수 있다.The lithium nickel cobalt-based active material is, for example, LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 , LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 , Li 1.05 Ni 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 , Li 1.05 Ni 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 , Li 1.05 Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , Li 1.1 Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , Li 1.05 Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , Li 1.1 Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , and the like.
일구현예에 따르면, 상기 리튬니켈코발트계 활물질의 단일입자의 사이즈를 조절하여 이를 이용한 리튬이차전지 구현시 저온특성, 율 특성 개선 및 고전압에서의 가스 발생량이 감소하고 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있다.According to one embodiment, by adjusting the size of single particles of the lithium nickel cobalt-based active material, when implementing a lithium secondary battery using the same, low-temperature characteristics, rate characteristics improvement, and gas generation at high voltage are reduced, and reliability and safety can be secured. .
일구현예에 따른 리튬니켈코발트계 활물질은 양극 활물질의 제조공정에서 리튬니켈코발트계 활물질 전구체의 전이금속과 리튬 전구체의 리튬의 혼합 몰비를 조절하고 열처리 조건(열처리온도, 분위기 및 시간) 등을 제어하여 양극 활물질의 일차입자 및 이차입자의 크기를 조절하여 비표면적을 감소시키고 잔류 리튬을 최대한 제거하여 잔류 리튬과 전해액의 표면 부반응을 억제한다. 그리고 상기한 바와 같이 제조공정을 제어함으로써 결정성이 향상되면서 고전압에서의 안정성이 확보된 양극 활물질을 얻을 수 있다.상기 리튬니켈코발트계 활물질에서 잔류 리튬인 LiOH의 함량이 0.01 내지 0.06 중량%이고 Li2CO3의 함량은 0.05 내지 0.1 중량%이다. 여기서 LiOH 및 Li2CO3의 함량은 적정법을 통하여 측정된 것이다.In the lithium nickel cobalt-based active material according to an embodiment, the mixture molar ratio of the transition metal of the lithium nickel cobalt-based active material precursor and lithium of the lithium precursor is adjusted in the manufacturing process of the positive electrode active material, and heat treatment conditions (heat treatment temperature, atmosphere and time), etc. are controlled. By adjusting the size of the primary and secondary particles of the positive electrode active material, the specific surface area is reduced and residual lithium is removed as much as possible to suppress the surface side reaction between the residual lithium and the electrolyte. In addition, by controlling the manufacturing process as described above, it is possible to obtain a positive electrode active material having improved crystallinity and securing stability at high voltage. The content of 2 CO 3 is 0.05 to 0.1% by weight. Here, the content of LiOH and Li 2 CO 3 is measured through a titration method.
상기 리튬니켈코발트계 활물질에서 GC-MS 분석을 통한 탄산리튬의 함량은 리튬니켈코발트계 활물질 100 중량%를 기준으로 하여 0.01 내지 0.05 중량%이다. The content of lithium carbonate through GC-MS analysis in the lithium nickel cobalt-based active material is 0.01 to 0.05 wt% based on 100 wt% of the lithium nickel cobalt-based active material.
상술한 바와 같이 잔류 리튬의 함량이 적으면 잔류 리튬과 전해액의 부반응을 억제하여 고전압 및 고온에서의 가스 발생을 억제할 수 있어 양극 활물질의 안전성이 우수하다. 또한 LiOH의 함량이 적으면 양극 슬러리 제조 공정에서 슬러리의 pH 값을 낮춰주어 양극 슬러리를 안정한 상태로 만들어 균일한 극판 코팅 작업이 가능하다. 이러한 LiOH의 감소는 양극 극판 코팅을 위한 슬러리 제조 공정에서 슬러리 안정성을 확보한다.As described above, when the content of the residual lithium is small, the side reaction between the residual lithium and the electrolyte can be suppressed to suppress gas generation at high voltage and high temperature, and thus the safety of the positive electrode active material is excellent. In addition, when the content of LiOH is small, the pH value of the slurry is lowered in the positive electrode slurry manufacturing process to make the positive electrode slurry in a stable state so that a uniform electrode plate coating operation is possible. This reduction in LiOH ensures slurry stability in the slurry manufacturing process for coating the positive electrode plate.
상기 양극 활물질은 시차주사열량계 분석에서 온셋 포인트 온도가 250 내지 270 ℃으로 종래의 상용 NCM에 비하여 온셋 포인트 온도가 높고, 주 피크의 순간 발열량이 감소한 특성을 갖고 있다. 이러한 특성을 나타냄으로써 상기 양극 활물질을 사용한 리튬 이온 이차전지의 고온 안전성이 우수하다.The positive active material has an onset point temperature of 250 to 270 °C in differential scanning calorimetry analysis, which is higher than that of a conventional commercial NCM, and has a characteristic that the instantaneous calorific value of the main peak is reduced. By exhibiting these characteristics, the high temperature stability of the lithium ion secondary battery using the positive electrode active material is excellent.
상술한 양극 활물질을 이용하면 전해액의 부반응이 억제될 수 있고, 양극 활물질의 열적 안정성 및 구조적 안정성이 개선되어 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬이차전지의 안정성 및 충방전 특성이 개선될 수 있다.If the above-described positive active material is used, side reactions of the electrolyte may be suppressed, and thermal stability and structural stability of the positive active material may be improved, thereby improving stability and charge/discharge characteristics of a lithium secondary battery including the positive active material.
상기 단일입자인 리튬니켈코발트계 활물질의 제조방법은 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.The manufacturing method of the single particle lithium nickel cobalt-based active material will be described in more detail as follows.
리튬니켈코발트계 활물질 전구체를 300 내지 800℃, 320 내지 780℃, 예를 들어 350 내지 750℃, 400 내지 700℃, 예를 들어 400 내지 600℃에서 1차 열처리하는 단계, 리튬니켈코발트계 활물질 전구체의 전이금속과 리튬 전구체의 리튬의 혼합몰비가 The lithium nickel cobalt-based
1:1.05 이상이 되도록 상기 1차 열처리된 결과물 및 리튬 전구체를 혼합하고 이를 900 내지 1200℃, 920 내지 1150℃, 930 내지 1130℃, 950 내지 1100℃, 1000℃ 내지 1100℃, 1000℃ 내지 1050℃, 1010℃ 내지 1050℃, 또는 1020℃ 내지 1045℃에서 2차 열처리하는 단계를 포함한다.The resultant of the first heat treatment and the lithium precursor are mixed so as to be 1:1.05 or more, and the resultant is mixed at 900 to 1200 °C, 920 to 1150 °C, 930 to 1130 °C, 950 to 1100 °C, 1000 °C to 1100 °C, 1000 °C to 1050 °C. , 1010 °C to 1050 °C, or 1020 °C to 1045 °C comprising the step of secondary heat treatment.
상술한 바와 같이 리튬 전구체의 리튬의 함량은 리튬니켈코발트계 활물질 전구체의 전이금속과 비교하여 과잉으로 사용한다. 리튬니켈코발트계 활물질 전구체의 전이금속과 리튬 전구체의 리튬의 혼합몰비는 예를 들어 1:1.05 내지 1:1.1, 또는 1:1.05 내지 1:1.08이다. As described above, the lithium content of the lithium precursor is excessively used compared to the transition metal of the lithium nickel cobalt-based active material precursor. The mixing molar ratio of the transition metal of the lithium nickel cobalt-based active material precursor and lithium of the lithium precursor is, for example, 1:1.05 to 1:1.1, or 1:1.05 to 1:1.08.
1차 열처리 및 2차 열처리는 산화성 가스 분위기에서 실시한다.The primary heat treatment and the secondary heat treatment are performed in an oxidizing gas atmosphere.
산화성 가스 분위기는 대기 또는 산소가 포함된 기체 분위기를 말한다. 상기 산소가 포함된 기체 분위기에서 산소의 함량은 20 내지 40 부피%이다.The oxidizing gas atmosphere refers to an atmosphere or a gas atmosphere containing oxygen. The oxygen content in the oxygen-containing gas atmosphere is 20 to 40% by volume.
1차 열처리가 산화성 가스 분위기에서 1 내지 5 시간 동안 수행되며, 2차 열처리가 산화성 가스 분위기에서 5 내지 10 시간 동안 수행된다.The primary heat treatment is performed in an oxidizing gas atmosphere for 1 to 5 hours, and the secondary heat treatment is performed in an oxidizing gas atmosphere for 5 to 10 hours.
상기 1차 열처리가 상기 범위일 때 균일한 리튬니켈코발트계 활물질을 형성할 수 있다. 그리고 상기 2차 열처리가 상기 범위일 때 입자 형상 성장이 너무 과하게 진행되어 용량 및 효율 등 전기화학적 특성이 급격히 저하되는 문제점이 없고 입자 형상 성장이 부족하여 결정성이 떨어지고, 구조 내부에 들어가거나 비산되는 리튬량이 줄어들면서 양극 활물질 표면에 잔류 리튬 함량이 높아지는 문제점이 없이 우수한 성능을 갖는 양극 활물질을 얻을 수 있다.When the first heat treatment is within the above range, a uniform lithium nickel cobalt-based active material may be formed. And when the secondary heat treatment is within the above range, there is no problem in that the electrochemical properties such as capacity and efficiency are rapidly lowered due to excessive grain growth, and the crystallinity is poor due to insufficient grain growth, entering or scattering inside the structure As the amount of lithium decreases, a positive electrode active material having excellent performance may be obtained without a problem in that the residual lithium content on the surface of the positive electrode active material increases.
상기 리튬니켈코발트계 활물질 전구체의 전이금속과 리튬 전구체의 리튬의 혼합몰비가 1:1.05 이상, 1:1.05 내지 1:1.1, 또는 1:1.05 내지 1:1.08가 되도록 제어한다. 전이금속에 대한 리튬의 혼합몰비가 상기 범위 미만이면 동일 온도에서 필요한 리튬의 결핍이 발생되고, 이는 양이온 혼합(cation mixing), 결정성 감소 및 입형 성장이 어려워지게 된다. 리튬니켈코발트계 활물질 전구체에서 전이금속은 리튬을 제외한 금속을 모두 합한 것이다. The mixing molar ratio of the transition metal of the lithium nickel cobalt-based active material precursor and lithium of the lithium precursor is controlled to be 1:1.05 or more, 1:1.05 to 1:1.1, or 1:1.05 to 1:1.08. If the mixing molar ratio of lithium to transition metal is less than the above range, a deficiency of lithium required at the same temperature occurs, which makes cation mixing, crystallinity reduction, and granular growth difficult. In the lithium nickel cobalt-based active material precursor, the transition metal is the sum of all metals except lithium.
상기 리튬니켈코발트계 활물질 전구체는 니켈 전구체 및 다른 전이금속의 전구체를 공침시켜 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬니켈코발트계 활물질 전구체는 니켈, 코발트 및 다른 금속들을 포함하는 수산화물일 수 있다.The lithium nickel cobalt-based active material precursor may be prepared by co-precipitating a nickel precursor and a precursor of another transition metal. For example, the lithium nickel cobalt-based active material precursor may be a hydroxide including nickel, cobalt, and other metals.
상기 리튬니켈코발트계 활물질 전구체는 예를 들어 니켈 전구체, 코발트 전구체, 망간 전구체를 제1용매에 혼합하여 제조할 수 있다. The lithium nickel cobalt-based active material precursor may be prepared by, for example, mixing a nickel precursor, a cobalt precursor, and a manganese precursor with a first solvent.
상기 니켈 전구체, 코발트 전구체 및 망간 전구체는 당해기술 분야에서 사용할 수 있는 물질이라면 모두 가능하다.The nickel precursor, cobalt precursor, and manganese precursor may be any material that can be used in the art.
상기 니켈 전구체로는 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈 등을 사용한다.Nickel sulfate, nickel chloride, nickel nitrate, etc. are used as the nickel precursor.
상기 코발트 전구체로는 황산코발트, 염화코발트, 질산코발트 등을 사용하고, 상기 망간 전구체로는 황산망간, 염화망간, 질산망간 등을 이용한다.Cobalt sulfate, cobalt chloride, cobalt nitrate, etc. are used as the cobalt precursor, and manganese sulfate, manganese chloride, manganese nitrate, etc. are used as the manganese precursor.
상기 니켈 전구체, 코발트 전구체 및 망간 전구체의 함량은 목적하는 리튬니켈코발트계 활물질 전구체를 얻을 수 있도록 화학양론적으로 제어된다.Contents of the nickel precursor, the cobalt precursor, and the manganese precursor are stoichiometrically controlled to obtain a desired lithium nickel cobalt-based active material precursor.
상기 제1용매는 물, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등을 사용한다. 그리고 상기 제1용매의 함량은 니켈 전구체, 코발트 전구체 및 망간 전구체의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 2000 중량부이다.As the first solvent, water, ethanol, propanol, butanol, and the like are used. And the content of the first solvent is 100 to 2000 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the nickel precursor, the cobalt precursor, and the manganese precursor.
상기 리튬니켈코발트계 활물질 전구체 및 리튬 전구체를 혼합시 제2용매가 사용될 수 있다. 제2용매는 상술한 제1용매와 동일하게 물, 에탄올, 부탄올, 프로판올 등을 이용하며, 제2용매의 함량은 리튬 전구체 100 중량부 대비 100 내지 2000 중량부를 사용한다.When mixing the lithium nickel cobalt-based active material precursor and the lithium precursor, a second solvent may be used. As the second solvent, water, ethanol, butanol, propanol, etc. are used in the same manner as in the above-described first solvent, and the content of the second solvent is 100 to 2000 parts by weight based on 100 parts by weight of the lithium precursor.
상기 리튬니켈코발트계 활물질 전구체 및 리튬 전구체를 함유하는 혼합물에는 착화제 및 pH 조절제를 부가 및 혼합한다.A complexing agent and a pH adjusting agent are added and mixed to the mixture containing the lithium nickel cobalt-based active material precursor and the lithium precursor.
리튬니켈코발트계 활물질 전구체는 예를 들어 하기 화학식 3-1로 표시되는 화합물이다.The lithium nickel cobalt-based active material precursor is, for example, a compound represented by the following Chemical Formula 3-1.
<화학식 3-1><Formula 3-1>
Ni1-y-z CoyMz(OH)2 Ni 1-yz Co y M z (OH) 2
화학식 3-1 중, 0<y≤0.5, 0<1-y-z, 0≤z≤0.5,In Formula 3-1, 0<y≤0.5, 0<1-yz, 0≤z≤0.5,
M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이다.M is Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, a rare earth element or a combination thereof.
상기 리튬 전구체는 수산화리튬, 탄산리튬, 황산리튬, 질산리튬, 불화리튬 중에서 선택된 하나 이상을 사용한다.The lithium precursor uses at least one selected from lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, and lithium fluoride.
착화제의 예로는, 암모늄 이온 공급체로서 암모니아수를 이용하며, pH 조절제의 예로는, 수산화나트륨 용액 등을 이용한다.As an example of a complexing agent, aqueous ammonia is used as an ammonium ion supplying agent, As an example of a pH adjusting agent, sodium hydroxide solution etc. are used.
상기 결과물의 pH는 pH 조절제의 함량을 조절하여 11 내지 13 범위로 제어한다. The pH of the resultant is controlled in the range of 11 to 13 by adjusting the content of the pH adjusting agent.
상기 결과물로부터 침전물을 얻고 이를 순수를 이용하여 세정 및 2차 열처리를 실시하면 리튬니켈코발트계 활물질을 얻을 수 있다. A lithium nickel cobalt-based active material can be obtained by obtaining a precipitate from the resultant and performing washing and secondary heat treatment using pure water.
상기 제조방법에서 혼합 과정은 습식 또는 건식 방법으로 수행될 수 있다. In the manufacturing method, the mixing process may be performed by a wet or dry method.
단일입자인 리튬코발트계 활물질은 상술한 단일입자인 리튬니켈코발트계 활물질의 제조방법에서 리튬니켈코발트계 활물질 전구체 대신 리튬코발트계 활물질 전구체를 이용한 것을 제외하고는, 동일하게 실시하여 단일입자인 리튬코발트계 활물질을 제조할 수 있다.The single-particle lithium cobalt-based active material was performed in the same manner as in the above-described method for preparing a single-particle lithium nickel cobalt-based active material, except that a lithium cobalt-based active material precursor was used instead of a lithium nickel cobalt-based active material precursor. A system active material can be prepared.
리튬코발트계 활물질 전구체는 예를 들어 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물이다.The lithium cobalt-based active material precursor is, for example, a compound represented by the following formula (6).
<화학식 6><Formula 6>
Co1-yMy(OH)2 Co 1-y M y (OH) 2
화학식 6중, 0≤y≤0.5, M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이다.In
일구현예에 따른 리튬코발트계 활물질 전구체는 니켈 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는, 상술한 리튬니켈코발트계 활물질 전구체의 제조방법과 동일하게 실시하여 얻을 수 있다.The lithium cobalt-based active material precursor according to the embodiment may be obtained by performing the same method as the above-described method for preparing the lithium-nickel-cobalt-based active material precursor, except that the nickel precursor is not used.
다른 구현예에 따르는 양극은 상술한 양극 활물질을 포함한다.A positive electrode according to another embodiment includes the above-described positive electrode active material.
상기 양극은 집전체; 및 상기 집전체 상에 배치된 일구현예에 따른 양극 활물질을 함유한 양극 활물질층;을 포함한다. The positive electrode is a current collector; and a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material according to an embodiment disposed on the current collector.
상기 양극은 예를 들어 상기 양극 활물질 및 결착제 등을 포함하는 양극 활물질 조성물이 일정한 형상으로 성형되거나, 상기 양극 활물질 조성물이 알루미늄박 등의 집전체에 도포되는 방법으로 제조될 수 있다.The positive electrode may be manufactured by, for example, a method in which a positive active material composition including the positive active material and a binder is molded into a predetermined shape, or the positive active material composition is applied to a current collector such as an aluminum foil.
구체적으로, 상기 양극 활물질, 도전재, 결합제 및 용매가 혼합된 양극활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극 활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극 활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다. 상기 양극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.Specifically, a cathode active material composition in which the cathode active material, a conductive material, a binder, and a solvent are mixed is prepared. The positive electrode active material composition is directly coated on a metal current collector to manufacture a positive electrode plate. Alternatively, the positive electrode active material composition may be cast on a separate support, and then a film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to manufacture a positive electrode plate. The positive electrode is not limited to the above-listed shapes and may be in a shape other than the above-mentioned shapes.
양극은 당해 기술분야에서 알려진 통상의 양극활물질을 추가적으로 포함할 수 있다.The positive electrode may additionally include a conventional positive electrode active material known in the art.
상기 통상의 양극 활물질로서 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극활물질이 추가적으로 사용될 수 있다.The conventional positive electrode active material may include at least one selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide, but is not necessarily limited thereto. Any positive electrode active material available in the technical field may be additionally used.
예를 들어, LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 및 0≤b≤0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1-bcCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-bcCobBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤ 0.5, 0 ≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001 ≤b≤0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2); 및 LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. For example, Li a A 1-b B b D 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, and 0≤b≤0.5); Li a E 1-b B b O 2-c D c (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE 2-b BbO 4-c D c (wherein 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); Li a Ni 1-bc Co b B c D α (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Mn b B c D α (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni b E c G d O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a Mn 2 GbO 4 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); And LiFePO 4 A compound represented by any one of the formulas may be used.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a mixture of the compound and a compound having a coating layer may be used. The coating layer may include a coating element compound of oxide or hydroxide of the coating element, oxyhydroxide of the coating element, oxycarbonate of the coating element, or hydroxycarbonate of the coating element. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As the coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or a mixture thereof may be used. In the coating layer forming process, any coating method may be used as long as it can be coated by a method that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using these elements in the compound (eg, spray coating, immersion method, etc.). Since the content can be well understood by those engaged in the field, a detailed description thereof will be omitted.
예를 들어, LiNiO2, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1-xMnxO2(0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFeO2, V2O5, TiS, MoS 등이 사용될 수 있다.For example, LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x=1, 2), LiNi 1-x Mn x O 2 (0<x<1), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 ≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, MoS, etc. may be used.
상기 도전재로는 카본블랙, 흑연미립자 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 탄소계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.Carbon black, graphite fine particles, etc. may be used as the conductive material, but are not limited thereto, and any conductive material that can be used as a conductive material in the art may be used. For example, graphite, such as natural graphite and artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; carbon fluoride; metal powders such as aluminum and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; A conductive material such as a polyphenylene derivative may be used.
상기 결합제로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물 또는 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 결합제로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.The binder includes vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene and mixtures thereof, or styrene butadiene rubber-based polymer, etc. may be used, but is not limited thereto, and any binder that can be used as a binder in the art may be used.
상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.As the solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, or water may be used, but the solvent is not limited thereto and any solvent that can be used in the art may be used.
상기, 양극 활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬이차전지에서 통상적으로 사용되는 수준이다. 리튬이차전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전제, 결합제 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The content of the positive active material, the conductive agent, the binder, and the solvent is a level commonly used in a lithium secondary battery. At least one of the conductive agent, the binder, and the solvent may be omitted depending on the use and configuration of the lithium secondary battery.
일구현예에 따른 양극 활물질의 진밀도(true density)는 공극이 없는 전극 활물질의 고유한 밀도를 의미한다. 양극 활물질의 진밀도는 4.76 내지 5.10g/cc, 4.8 내지 5.05g/cc, 또는 4.9 내지 5.0g/cc이다.The true density of the positive electrode active material according to an embodiment means the intrinsic density of the electrode active material without pores. The true density of the positive active material is 4.76 to 5.10 g/cc, 4.8 to 5.05 g/cc, or 4.9 to 5.0 g/cc.
또 다른 구현예에 따른 리튬이차전지는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질을 채용한다. 상기 리튬이차전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.A lithium secondary battery according to another embodiment employs a positive electrode including the positive electrode active material, a negative electrode, and an electrolyte interposed therebetween. The lithium secondary battery may be manufactured in the following way.
먼저, 상기의 양극 제조방법에 따라 양극이 제조된다.First, a positive electrode is manufactured according to the above method of manufacturing the positive electrode.
다음으로, 음극활물질, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 음극활물질 조성물이 준비된다. 상기 음극활물질 조성물이 금속 집전체 상에 직접 코팅 및 건조되어 음극판이 제조된다. 다르게는, 상기 음극활물질 조성물이 별도의 지지체상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 음극판이 제조될 수 있다.Next, a negative electrode active material composition is prepared by mixing the negative electrode active material, the conductive material, the binder and the solvent. The negative electrode active material composition is directly coated and dried on a metal current collector to prepare a negative electrode plate. Alternatively, the negative electrode active material composition may be cast on a separate support, and then a film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to manufacture a negative electrode plate.
상기 음극활물질로는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로, 리튬 금속, 리튬과 합금화 가능한 금속, 전이금속 산화물, 전이금속 황화물, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리가 가능한 물질, 전도성 고분자 등이 사용될 수 있다.The negative active material is not particularly limited to those generally used in the art, but more specifically, lithium metal, a metal alloyable with lithium, a transition metal oxide, a transition metal sulfide, a material capable of doping and dedoping lithium, A material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions, a conductive polymer, and the like may be used.
상기 전이금속 산화물은 예를 들어 텅스텐 산화물, 몰리브데늄 산화물, 티탄 산화물, 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다. 예를 들어, CuO, Cu2O, Ag2O, CuS, CuSO4 등의 1족 금속 화합물, TiS2, SnO 등의 4족 금속 화합물, V2O5, V6O12, VOx(0<x<6), Nb2O5, Bi2O3, Sb2O3 등의 5족 금속 화합물, CrO3, Cr2O3, MoO3, MoS2, WO3, SeO2 등의 4족 금속 화합물, MnO2, Mn2O3, 등의 7족 금속 화합물, Fe2O3, FeO, Fe3O4, Ni2O3, NiO, CoO3, CoO 등의 8족 금속 화합물, 일반식 LixMNyX2(M, N은 1 내지 8 족의 금속, X는 산소, 유황, 0.1≤x≤2, 0≤y≤1)등으로 표시되며, 예를 들어, LiyTiO2(0≤y≤1), Li4+yTi5O12(0≤y≤1), Li4+yTi11O20(0≤y≤1) 등과 같은 티탄산리튬일 수 있다.The transition metal oxide may be, for example, tungsten oxide, molybdenum oxide, titanium oxide, lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, or the like. For example, Group 1 metal compounds such as CuO, Cu 2 O, Ag 2 O, CuS, CuSO 4 , TiS 2 , Group 4 metal compounds such as SnO, V 2 O 5 , V 6 O 12 , VO x (0 <x<6), Nb 2 O 5 , Bi 2 O 3 ,
상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질은 예를 들어 Si, SiOx(0<x≤2), Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-Y' 합금(상기 Y'는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있으며, 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.The material capable of doping and dedoping lithium is, for example, Si, SiOx (0<x≤2), Si-Y alloy (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal) , a rare earth element or a combination element thereof, but not Si), Sn, SnO 2 , Sn-Y' alloy (wherein Y' is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 to 16 element, transition metal, rare earth element, or these It is a combination element of , not Sn) and the like, and at least one of these and SiO 2 may be mixed and used. The element Y includes Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof.
상기 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 물질로는 탄소계 물질로서, 리튬이차전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물이다. 상기 결정질 탄소는 예를 들어 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연; 또는 인조 흑연이며, 상기 비정질 탄소는 예를 들어 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다.The material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions is a carbon-based material, and any carbon-based negative active material generally used in lithium secondary batteries may be used. For example, crystalline carbon, amorphous carbon, or mixtures thereof. The crystalline carbon is, for example, amorphous, plate-like, flake-like, spherical or fibrous natural graphite; or artificial graphite, and the amorphous carbon may be, for example, soft carbon (low temperature calcined carbon) or hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, or the like.
상기 전도성 고분자로는 디설파이드(disulfide), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린, 폴리파라페닐렌, 폴리아세틸렌(polyecetylene), 폴리아센계 재료 등일 수 있다.The conductive polymer may be disulfide, polypyrrole, polyaniline, polyparaphenylene, polyacetylene, polyacene-based material, or the like.
음극활물질 조성물에서 도전재, 결합제 및 용매는 상기 양극활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다. 한편, 상기 양극활물질 조성물 및/또는 음극활물질 조성물에 가소제를 더 부가하여 전극판 내부에 기공을 형성하는 것도 가능하다.In the negative active material composition, the conductive material, binder, and solvent may be the same as in the positive active material composition. Meanwhile, it is also possible to form pores in the electrode plate by further adding a plasticizer to the positive electrode active material composition and/or the negative electrode active material composition.
상기 음극활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬이차전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬이차전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 결합제 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The content of the negative electrode active material, the conductive material, the binder and the solvent is the level normally used in the lithium secondary battery. At least one of the conductive material, the binder, and the solvent may be omitted depending on the use and configuration of the lithium secondary battery.
다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다. 상기 세퍼레이터는 리튬이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.Next, a separator to be inserted between the positive electrode and the negative electrode is prepared. Any of the separators may be used as long as they are commonly used in lithium secondary batteries. Those having low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent in the electrolyte moisture content may be used. For example, it is selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in the form of a nonwoven fabric or a woven fabric. For example, a separator that can be wound up such as polyethylene or polypropylene is used for a lithium ion battery, and a separator having an excellent organic electrolyte impregnation ability may be used for a lithium ion polymer battery. For example, the separator may be manufactured according to the following method.
고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.A separator composition is prepared by mixing a polymer resin, a filler, and a solvent. The separator composition may be directly coated on the electrode and dried to form a separator. Alternatively, after the separator composition is cast and dried on a support, a separator film peeled from the support is laminated on an electrode to form a separator.
상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The polymer resin used for manufacturing the separator is not particularly limited, and all materials used for the bonding material of the electrode plate may be used. For example, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, or mixtures thereof may be used.
다음으로 전해질이 준비된다.Next, the electrolyte is prepared.
예를 들어, 상기 전해질은 유기전해액일 수 있다. 유기전해액은 유기용매에 리튬염이 용해되어 제조될 수 있다.For example, the electrolyte may be an organic electrolyte. The organic electrolyte may be prepared by dissolving a lithium salt in an organic solvent.
상기 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다.The organic solvent may be used as long as it can be used as an organic solvent in the art. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate , benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide , dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether, or mixtures thereof.
상기 리튬염도 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두사용될 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단 x, y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이다.The lithium salt may also be used as long as it can be used as a lithium salt in the art. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, or a mixture thereof.
또한, 상기 전해질은 유기 고체전해질, 무기 고체전해질 등의 고체전해질일 수 있다. 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.In addition, the electrolyte may be a solid electrolyte such as an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte. When a solid electrolyte is used, the solid electrolyte may also serve as a separator.
상기 유기 고체전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group or the like can be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, 보론산화물, 리튬옥시나이트라이드 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다. 무기 고체 전해질은 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등을 들 수 있다.The inorganic solid electrolyte may be, for example, boron oxide, lithium oxynitride, etc., but is not limited thereto, and any solid electrolyte that can be used in the art may be used. The solid electrolyte may be formed on the negative electrode by a method such as sputtering. The inorganic solid electrolyte may be, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 and the like.
도 7에서 보여지는 바와 같이 상기 리튬이차전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 리튬이차전지(1)가 완성된다. 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬이차전지는 박막형 전지일 수 있다. 상기 리튬이차전지는 리튬 이온 이차 전지일 수 있다.As shown in FIG. 7 , the lithium secondary battery 1 includes a positive electrode 3 , a negative electrode 2 , and a separator 4 . The positive electrode 3 , the negative electrode 2 and the separator 4 described above are wound or folded and accommodated in the
상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.A separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode to form a battery structure. After the battery structure is laminated in a bi-cell structure, impregnated with an organic electrolyte, and the obtained result is accommodated and sealed in a pouch, a lithium ion polymer battery is completed.
또한, 상기 전지 구조체는 복수개 적층되어 직렬로 연결된 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전동공구, 전기차량 등에 사용될 수 있다.In addition, a plurality of the battery structure is stacked to form a battery pack connected in series, and the battery pack can be used in any device requiring high capacity and high output. For example, it can be used in a laptop, a smartphone, a power tool, an electric vehicle, and the like.
특히, 상기 리튬이차전지는 고온 사이클특성 및 고온 안정성이 우수하므로 중대형 에너지 저장장치에 적합하다. 예를 들어, 전기차량(electric vehicle, EV)의 전원으로 적합하다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 전기차량의 전원으로 적합하다.In particular, since the lithium secondary battery has excellent high-temperature cycle characteristics and high-temperature stability, it is suitable for medium and large-sized energy storage devices. For example, it is suitable as a power source for an electric vehicle (EV). For example, it is suitable as a power source for a hybrid electric vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
제조예 1: 단일입자(one body) 타입 NCA(LiNiPreparation Example 1: One body type NCA (LiNi) 0.90.9 CoCo 0.090.09 AlAl 0.010.01 OO 2)2) 의 제조manufacture of
니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4 및 알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3를 Ni:Co:Al가 90:9:1의 몰비로 물에 첨가하여 리튬니켈코발트계 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 여기에 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하여 반응 혼합물을 5시간 동안 교반 및 반응함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈코발트알루미늄 수산화물인 Ni0.9Co0.09Al0.01(OH)2를 침전시켰다. 이 침전물을 여과, 수세하고 얻어진 결과물을 80℃, 대기 분위기에서 건조하여 평균 입경이 약 4㎛의 소입경 입자인 Ni0.9Co0.09Al0.01(OH)2 분말을 제조하였다. NiSO 4 as a nickel precursor, CoSO 4 as a cobalt precursor, and Al 2 (SO 4 ) 3 as an aluminum precursor are added to water in a molar ratio of Ni:Co:Al of 90:9:1 to prepare a lithium-nickel-cobalt-based hydroxide precursor aqueous solution did. While stirring the aqueous solution, an aqueous sodium hydroxide solution was slowly added dropwise thereto, and the precursor aqueous solution was neutralized by stirring and reacting the reaction mixture for 5 hours to precipitate Ni 0.9 Co 0.09 Al 0.01 (OH) 2 . The precipitate was filtered and washed with water, and the resultant product was dried at 80° C. in an atmospheric atmosphere to prepare Ni 0.9 Co 0.09 Al 0.01 (OH) 2 powder having an average particle diameter of about 4 μm.
상기 Ni0.9Co0.09Al0.01(OH)2 분말을 열처리온도(T1) 700℃로 대기분위기에서 1시간 동안 열처리하여 리튬니켈코발트계 전구체인 니켈코발트알루미늄 수산화물을 얻었다. The Ni 0.9 Co 0.09 Al 0.01 (OH) 2 powder was heat treated at a heat treatment temperature (T1) of 700° C. in an atmospheric atmosphere for 1 hour to obtain nickel cobalt aluminum hydroxide, a lithium nickel cobalt-based precursor.
상기 니켈코발트알루미늄 수산화물의 전이금속(니켈, 코발트 및 망간의 총합과 리튬 전구체인 Li2CO3의 리튬의 혼합몰비가 1: 1.05이 되도록 준비하였다. The transition metal of the nickel cobalt aluminum hydroxide (the total of nickel, cobalt, and manganese and the lithium precursor Li 2 CO 3 were prepared so that the mixing molar ratio of lithium was 1: 1.05.
상기 준비된 전구체들을 유발에서 혼합한 후, 노(furnace)에 넣고 O2를 흘려주면서 열처리온도(T2) 1040℃에서 10 시간 동안 2차 열처리하여 양극 활물질을 제조하였다.After mixing the prepared precursors in a mortar, put them in a furnace, and while flowing O 2 , a secondary heat treatment was performed at a heat treatment temperature (T2) of 1040° C. for 10 hours to prepare a cathode active material.
상기 제조방법에 따라 얻어진 양극 활물질은 NCA(LiNi0.9Co0.09Al0.01O2)이었고, 양극 활물질의 단일(one body) 입자 형태인 1차 입자의 평균 입경은 4㎛이다.The positive electrode active material obtained according to the manufacturing method was NCA (LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 ), and the average particle diameter of primary particles in the form of one body particles of the positive electrode active material was 4 μm.
상기 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 입도 분석기[Beckman Coulter LS13 320] 를 통하여 측정하였다.The average particle diameter of the primary particles of the positive active material was measured through a particle size analyzer [Beckman Coulter LS13 320].
제조예 2: 단일입자(one body) 타입 NCM(LiNiPreparation Example 2: One body type NCM (LiNi) 0.90.9 CoCo 0.090.09 MnMn 0.010.01 OO 22 )의 제조) manufacturing
알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3 대신 망간 전구체인 MnSO4를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 실시하여 단일입자(one body) 타입 NCM(LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2)을 제조하였다. MnSO 4 as a manganese precursor instead of Al 2 (SO 4 ) 3 as an aluminum precursor Except for using, it was carried out in the same manner as in Preparation Example 1 to prepare a single-body type NCM (LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 ).
상기 제조방법에 따라 얻어진 양극 활물질은 NCM(LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2)이었고, 양극 활물질의 단일(one body) 입자 형태인 1차 입자의 평균 입경은 4㎛이다.The positive active material obtained according to the above preparation method was NCM (LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 ), and the average particle diameter of primary particles in the form of one body particles of the positive active material was 4 μm.
상기 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 입도 분석기[Beckman Coulter LS13 320] 를 통하여 측정하였다.The average particle diameter of the primary particles of the positive active material was measured through a particle size analyzer [Beckman Coulter LS13 320].
제조예 3: 단일입자 NCA의 제조Preparation Example 3: Preparation of single particle NCA
양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경이 약 3㎛가 되도록 열처리온도(T1)를 650℃을 변화시킨 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 실시하여 NCA(LiNi0.9Co0.09Al0.01O2)를 얻었고, 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 약 3㎛이다. NCA (LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 ) was carried out in the same manner as in Preparation Example 1, except that the heat treatment temperature (T1) was changed by 650° C. so that the average particle diameter of the primary particles of the positive electrode active material was about 3 μm. was obtained, and the average particle diameter of the primary particles of the positive electrode active material was about 3 μm.
상기 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 입도 분석기[Beckman Coulter LS13 320] 를 통하여 측정하였다.The average particle diameter of the primary particles of the positive active material was measured through a particle size analyzer [Beckman Coulter LS13 320].
제조예 4: 단일입자 NCA의 제조Preparation Example 4: Preparation of single particle NCA
양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경이 약 5㎛가 되도록 열처리온도(T1)를 750℃을 변화시키고, 니켈코발트알루미늄 수산화물의 전이금속과 리튬 전구체 Li2CO3의 리튬의 혼합몰비가 1:1.1이 되도록 변화한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 실시하여 평균입경(D50)이 약 5㎛인 단일입자 형태의 NCA(LiNi0.9Co0.09Al0.01O2)를 얻었고, 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 약 5㎛이다. 상기 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 입도 분석기[Beckman Coulter LS13 320] 를 통하여 측정하였다.The heat treatment temperature (T1) was changed to 750° C. so that the average particle diameter of the primary particles of the positive electrode active material was about 5 μm, and the mixing molar ratio of the transition metal of nickel cobalt aluminum hydroxide and lithium of the lithium precursor Li 2 CO 3 was 1:1.1 Except that it was changed to be this, it was carried out in the same manner as in Preparation Example 1 to obtain NCA (LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 ) in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 5 μm, and the primary of the positive electrode active material The average particle diameter of the particles is about 5 μm. The average particle diameter of the primary particles of the positive active material was measured through a particle size analyzer [Beckman Coulter LS13 320].
비교제조예 1: 이차입자 형태의 LiNiComparative Preparation Example 1: LiNi in the form of secondary particles 0.90.9 CoCo 0.090.09 MnMn 0.010.01 OO 22 (NCM)의 제조Preparation of (NCM)
평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2(NCM)가 얻어지도록, 열처리온도(T1)을 1050℃, 열처리온도(T2)를 900℃로 변화시키고 니켈코발트망간 수산화물의 전이금속과 리튬 전구체인 Li2CO3의 리튬의 혼합몰비가 1:1.03으로 변화시킨 것을 제외하고는, 제조예 2와 동일하게 실시하여 평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2(NCM)를 얻었다. In order to obtain LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 (NCM) in the form of secondary particles having an average particle diameter (D50) of about 12 μm, the heat treatment temperature (T1) was changed to 1050°C and the heat treatment temperature (T2) to 900°C, and the nickel A secondary having an average particle diameter (D50) of about 12 μm was carried out in the same manner as in Preparation Example 2, except that the mixture molar ratio of the transition metal of cobalt manganese hydroxide and lithium of Li 2 CO 3 , a lithium precursor, was changed to 1:1.03. LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 (NCM) in particle form was obtained.
비교제조예 2: 이차입자 형태의 LiNiComparative Preparation Example 2: LiNi in the form of secondary particles 0.90.9 CoCo 0.090.09 AlAl 0.010.01 OO 22 (NCA)의 제조Preparation of (NCA)
평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2(NCA)가 얻어지도록 NCM 전구체 대신 NCA 전구체를 사용한 것을 제외하고는, 비교제조예 1과 동일하게 실시하여 평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn Al0.01O2(NCA)를 얻었다. Except for using an NCA precursor instead of an NCM precursor to obtain LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 (NCA) in the form of secondary particles having an average particle diameter (D50) of about 12 μm, it was carried out in the same manner as in Comparative Preparation Example 1, and the average LiNi 0.9 Co 0.09 Mn Al 0.01 O 2 (NCA) in the form of secondary particles having a particle diameter (D50) of about 12 μm was obtained.
(리튬이차전지의 제조)(Manufacture of lithium secondary battery)
실시예 1Example 1
단일입자 형태의 평균 입경이 16㎛인 LiCoO2(CM15V, ㈜삼성SDI)과 제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2을 7:3 중량비로 혼합하여 양극 활물질로 준비하였다. LiCoO 2 (CM15V, Samsung SDI Co., Ltd.) having an average particle diameter of 16 μm in the form of single particles and LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 It was mixed in a weight ratio of 7:3 to prepare a positive electrode active material.
상기 양극 활물질, 탄소 도전제(Super P) 및 PVDF(polyvinylidene fluoride) 바인더 용액을 첨가하고 이를 혼합하여 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 활물질 슬러리에서 활물질:도전제:바인더의 혼합중량비는 98:1:1이다. 상기 슬러리를 후막 코팅기를 사용하여 두께 12㎛의 알루미늄 집전체 위에 로딩 레벨(Loading level)이 36 mg/cm2이 되도록 코팅하고 120℃에서 1시간 이상 건조시킨 후 압연(프레스)하여 양극을 제조하였다. 압연은 25℃에서 압연롤을 이용하여 실시하며, 압연롤의 선압을 약 2.3톤로 제어하며, 압연롤을 구성하는 상부롤과 하부롤의 갭을 0으로 조절하여 양극을 최대로 압연처리함으로써 압연후 양극의 두께가 최소화되어 합제밀도가 높게 형성되었다.The positive active material, carbon conductive agent (Super P), and PVDF (polyvinylidene fluoride) binder solution were added and mixed to prepare an active material slurry. The mixing weight ratio of the active material: the conductive agent: the binder in the active material slurry is 98:1:1. The slurry was coated on an aluminum current collector having a thickness of 12 μm using a thick film coater so that the loading level was 36 mg/cm 2 , dried at 120° C. for at least 1 hour, and then rolled (pressed) to prepare a positive electrode. . Rolling is carried out using a rolling roll at 25°C, the linear pressure of the rolling roll is controlled to about 2.3 tons, and the gap between the upper and lower rolls constituting the rolling roll is adjusted to 0, and the anode is rolled to the maximum after rolling. The thickness of the anode was minimized and the density of the mixture was formed to be high.
음극 활물질인 흑연분말(japan carbon)을 SBR(styrene butadiene rubber)과 CMC(carboxymethyl cellulose) 를 1:1의 중량비로 혼합한 혼합물을 98:2 중량비로 혼합하여 음극활물질 슬러리를 준비하였다.A negative electrode active material slurry was prepared by mixing a mixture of graphite powder (japan carbon), which is an anode active material, SBR (styrene butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose) in a weight ratio of 1:1 at a weight ratio of 98:2.
준비한 음극활물질 슬러리를 두께가 8㎛인 구리 호일 집전체에 19.5mg/cm2 수준으로 코팅하였다. 코팅이 완료된 극판을 100℃에서 1시간 이상 건조시킨 다음, 압연하여 합제밀도가 1.66g/㎤ 인 음극을 제조하였다.The prepared negative active material slurry was coated on a copper foil current collector having a thickness of 8 μm at a level of 19.5 mg/cm 2 . The coated electrode plate was dried at 100° C. for at least 1 hour, and then rolled to prepare a negative electrode having a mixture density of 1.66 g/cm 3 .
상기 양극 및 음극을 사용하고, 분리막으로 폴리에틸렌 격리막(separator, STAR 20, Asahi)을 사용하고, 전해질로는 EC (에틸렌카보네이트):EMC (에틸메틸카보네이트):DMC(디메틸카보네이트)(3:3:4 부피비) 혼합 용매에 1.15M LiPF6이 용해된 것을 사용하여 2000mAh 용량을 갖는 리튬이차전지를 제조하였다.Using the positive electrode and the negative electrode, using a polyethylene separator (separator, STAR 20, Asahi) as a separator, EC (ethylene carbonate): EMC (ethylmethyl carbonate): DMC (dimethyl carbonate) (3: 3: 4 volume ratio) A lithium secondary battery having a capacity of 2000 mAh was prepared by using 1.15 M LiPF 6 dissolved in a mixed solvent.
실시예 2Example 2
제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2(NCA) 대신 제조예 2에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2(NCM)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 (NCA) in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 instead of an average particle diameter (D50) prepared according to Preparation Example 2 of about 4 μm A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 (NCM) in the form of single particles was used.
실시예 3Example 3
평균 입경이 16㎛인 LiCoO2(CM15V, ㈜삼성SDI)과 제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2을 6:4 중량비로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 having an average particle diameter of 16 μm LiCoO 2 (CM15V, Samsung SDI Co., Ltd.) and single particle LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 in a 6:4 weight ratio A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that it was changed to .
실시예 4Example 4
평균 입경이 16㎛인 LiCoO2(CM15V, ㈜삼성SDI)과 제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2을 8:2 중량비로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 having an average particle diameter of 16㎛ LiCoO 2 (CM15V, Samsung SDI Co., Ltd.) and LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 in an 8:2 weight ratio A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that it was changed to .
실시예 5-7Example 5-7
하기 표 1과 같은 평균입경을 갖는 LiCoO2와 NCA를 각각 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiCoO 2 and NCA having an average particle diameter as shown in Table 1 were used, respectively.
비교예 1Comparative Example 1
제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2 대신 비교제조예 2에 따라 얻은 평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 리튬이차전지를 제조하였다. 비교예 1에서 사용된 양극 활물질은 단일입자 형태의 평균 입경이 16㎛인 LiCoO2(CM15V, ㈜삼성SDI)과 평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2을 7:3 중량비로 혼합한 것이다.Secondary particles having an average particle diameter (D50) of about 12 μm obtained according to Comparative Preparation Example 2 instead of LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 was used. The positive active material used in Comparative Example 1 was LiCoO 2 (CM15V, Samsung SDI Co., Ltd.) having an average particle diameter of 16 μm in the form of single particles and LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O in the form of secondary particles having an average particle diameter (D50) of about 12 μm. 2 was mixed in a 7:3 weight ratio.
비교예 2Comparative Example 2
양극 활물질로서 제조예 1에 따라 얻은 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. 양극의 합제밀도는 약 3.6g/cc이었다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that only LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm was used as the positive electrode active material according to Preparation Example 1 prepared. The mixture density of the positive electrode was about 3.6 g/cc.
비교예 3Comparative Example 3
단일입자 형태의 평균 입경이 16㎛인 LiCoO2(CM15V, ㈜삼성SDI)과 제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2의 혼합중량비가 3:7로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. 비교예 3의 양극 활물질은 단일입자 형태의 평균 입경이 16㎛인 LiCoO2(CM15V, ㈜삼성SDI)과 제조예 1에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2을 3:7 중량비로 혼합한 것이다. LiCoO 2 (CM15V, Samsung SDI) with an average particle diameter of 16 μm in the form of single particles and LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the mixing weight ratio was changed to 3:7. The positive active material of Comparative Example 3 was LiCoO 2 (CM15V, Samsung SDI) having an average particle diameter of 16 μm in the form of single particles and LiNi 0.9 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 1 Co 0.09 Al 0.01 O 2 is mixed in a weight ratio of 3:7.
비교예 4Comparative Example 4
양극 활물질로서 단일입자 형태의 평균입경(D50)이 약 16㎛인 LiCoO2만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that only LiCoO 2 having an average particle diameter (D50) of about 16 μm was used as the positive electrode active material.
비교예 5Comparative Example 5
양극 활물질로서 제조예 2에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다. LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 In the same manner as in Example 1, except that only LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm, prepared according to Preparation Example 2, was used as the positive electrode active material. paper was prepared.
비교예 6Comparative Example 6
제조예 2에 따라 제조된 평균입경(D50)이 약 4㎛인 단일입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2(NCM) 대신 비교제조예 1에 따라 얻은 평균입경(D50)이 약 12㎛인 이차입자 형태의 LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2(NCM)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 리튬이차전지를 제조하였다. LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 (NCM) in the form of single particles having an average particle diameter (D50) of about 4 μm prepared according to Preparation Example 2 instead of an average particle diameter (D50) obtained according to Comparative Preparation Example 1 of about 12 μm A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 2, except that LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 (NCM) in the form of secondary particles was used.
평가예 1: 양극의 합제밀도Evaluation Example 1: Mixture density of positive electrode
실시예 1-5 및 비교예 1-4에 따라 제조된 양극의 합제밀도를 조사하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The mixture density of the positive electrodes prepared according to Examples 1-5 and Comparative Examples 1-4 was investigated, and the results are shown in Table 2 below.
표 2를 참조하여, 실시예 1 내지 4의 양극 활물질은 비교예 3의 경우와 비교하여 합제밀도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 합제밀도가 증가되면 용량 증가 효과를 얻을 수 있다. 비교예 4의 양극 활물질은 합제밀도 특성은 우수하지만 과도한 합제밀도 구현으로 하기 평가예 3에 나타난 바와 같이 LCO 대립의 깨짐이 다수 관찰되어 전해액 부반응 증가, 고온저장 특성 열세, 극판 유연성이 열세하였다.Referring to Table 2, it can be seen that the positive active material of Examples 1 to 4 has an increase in the density of the mixture as compared to the case of Comparative Example 3. As such, when the density of the mixture is increased, an effect of increasing the capacity can be obtained. The positive active material of Comparative Example 4 has excellent mixture density characteristics, but as shown in Evaluation Example 3 below due to the implementation of excessive mixture density, many cracks of the LCO opposition were observed, resulting in increased electrolyte side reactions, poor high-temperature storage characteristics, and poor electrode plate flexibility.
또한 실시예 5-8의 양극의 합제밀도를 조사하였다. 실시예 5-8의 양극은 실시예 1의 경우와 동일한 수준의 합제밀도를 나타냈다.In addition, the mixing density of the positive electrode of Examples 5-8 was investigated. The positive electrode of Examples 5-8 exhibited the same level of mixing density as that of Example 1.
평가예 2: 전자주사현미경(SEM) 분석Evaluation Example 2: Scanning Electron Microscopy (SEM) Analysis
상기 제조예 1에 따라 얻은 양극 활물질에 대한 SEM 이미지를 측정하였다. SEM 측정 기기는 (FEI, USA)사의 모델명(Sirion)을 사용하였다. SEM 분석 결과를 도 6a 및 도 6b에 나타내었다. 도 6b에서 일부 작은 입자는 분석 과정에서 발생된 파편이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하여, 제조예 1의 양극 활물질은 단일 입자 형태를 갖는 일차 입자이며 그 크기가 균일하다는 것을 알 수 있었다.An SEM image of the positive active material obtained according to Preparation Example 1 was measured. The SEM measuring device (FEI, USA) used a model name (Sirion). The results of the SEM analysis are shown in FIGS. 6A and 6B . In Figure 6b, some small particles are fragments generated during the analysis process. 6A and 6B , it was found that the positive active material of Preparation Example 1 was a primary particle having a single particle shape and had a uniform size.
평가예 3: 양극의 두께, 합제밀도, 접착력, 진밀도(true density) 및 공극률Evaluation Example 3: Anode thickness, mixture density, adhesive force, true density and porosity
실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 양극의 두께(d1)를 측정하였다. 이어서 상기 양극 활물질층을 압연한 후 양극의 두께(d2)를 측정하였다.The thickness (d1) of the positive electrode prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was measured. Then, after the positive electrode active material layer was rolled, the thickness (d2) of the positive electrode was measured.
상기 양극을 30㎜ X 30㎜ 크기로 자른 후, 두께와 무게를 측정하여 합제밀도를 구하였고, 동일 로딩레벨(loading level)을 갖는 양극을 압연하여 양극의 압축률을 하기 식 1에 따라 계산된다.After the positive electrode was cut to a size of 30 mm X 30 mm, the thickness and weight were measured to obtain a mixture density, and the positive electrode having the same loading level was rolled to calculate the compressibility of the positive electrode according to Equation 1 below.
<식 1><Equation 1>
압축률(%)= {(d1-집전체 두께)-(d2-집전체 두께)}/(d1-집전체 두께)Compressibility (%) = {(d1 - current collector thickness) - (d2 - current collector thickness)}/(d1 - current collector thickness)
또한 상기 실시예 1, 비교예 1 내지 4의 양극을 압연한 후의 단면을 나타낸 SEM 사진을 도 1 내지 도 5에 나타내었고 이를 통하여 확인한 크랙 테스트 결과를 나타내었다. SEM 측정 기기는 (FEI, USA)사의 모델명(Sirion)을 사용하였다.In addition, SEM photographs showing cross-sections after rolling the positive electrodes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in FIGS. 1 to 5, and the crack test results confirmed through this are shown. The SEM measuring device (FEI, USA) used a model name (Sirion).
SEM 사진을 통하여 각 양극에 대하여 프레스(압연) 롤 갭(Gap)을 최소치인 0으로 고정하고, 약 2.5ton의 압력으로 가압하여 압연을 25℃에서 실시한 후 활물질의 분쇄 정도를 확인할 수 있다. 가압은 유압식 방식으로 가압하며 롤 사이즈(roll size)는 Φ500x550mm(W)이다. 압연 조건은 실시예 1의 양극 압연 조건과 동일하다.Through the SEM photograph, the press (rolling) roll gap for each positive electrode is fixed to 0, which is the minimum value, and the degree of pulverization of the active material can be confirmed after the rolling is carried out at 25° C. by pressing with a pressure of about 2.5 tons. Pressurization is pressurized by a hydraulic method, and the roll size is Φ500x550mm (W). The rolling conditions are the same as the anode rolling conditions of Example 1.
또한 각 양극의 접착력은 UTM 장비로 평가하였고, 각 양극의 공극률은 식 2에 따라 계산된다.In addition, the adhesive strength of each positive electrode was evaluated using UTM equipment, and the porosity of each positive electrode was calculated according to Equation 2.
<식 2> <Equation 2>
P = {A-(B/T)}/AХ100P = {A-(B/T)}/AХ100
식 2중, P는 양극 공극률을 나타내고, A는 양극에서 양극 활물질층의 실제 체적을 나타내며, B는 양극 내 활물질의 중량, T는 양극에서 양극 집전체를 제외한 양극 활물질의 진밀도를 나타낸다. 진밀도는 문헌(리튬이차전지의 원리 및 응용-박정기 저자 문헌 참고)에 개시된 것을 이용한다.In Equation 2, P represents the porosity of the cathode, A represents the actual volume of the cathode active material layer in the cathode, B represents the weight of the active material in the cathode, and T represents the true density of the cathode active material in the cathode excluding the cathode current collector. The true density uses the one disclosed in the literature (Principle and Application of Lithium Secondary Battery - Refer to the author's document, Jeonggi Park).
각 특성의 평가 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.The evaluation results of each characteristic are shown in Tables 3 and 4 below.
(gf/mm)adhesion
(gf/mm)
(g/cc)mix density
(g/cc)
(7:3 중량비)LCO: single particle NCA
(7:3 weight ratio)
표 3에서 “프레스 후”는 프레스 장비의 갭을 최소로 해서 최대로 가압한 경우를 말한다. 표 3에서 프레스는 실시예 1의 압연과 동일하며, 조건도 동일하다.In Table 3, “after press” refers to the case of maximally pressurizing the gap of the press equipment to the minimum. In Table 3, the press is the same as the rolling of Example 1, and the conditions are the same.
(crack test)crack test
(crack test)
상기 표 4에서 진밀도는 리튬이차전지의 원리 및 응용 (박정기 저자)문헌을 참조한 것이다.The true density in Table 4 refers to the principle and application of a lithium secondary battery (author Park Jung-ki).
표 3을 참조하여, 동일한 로딩레벨에서 양극의 코팅두께는 실시예 1의 경우가 가장 낮은 결과를 나타냈다. 그리고 압축률은 동일한 갭으로 프레스를 진행할 경우, 실시예 1의 양극의 압축률이 비교예 1 내지 4의 양극의 압축률에 비하여 작은 결과를 나타냈다. 이로부터 실시예 1의 양극은 비교예 1 내지 4의 양극 대비 극판 유연성이 향상되며, 합제밀도를 높이는데 유리할 뿐만 아니라 도 1에 나타난 바와 같이 압연후 활물질의 깨짐 현상이 없음을 알 수 있었다. Referring to Table 3, the coating thickness of the positive electrode at the same loading level was the lowest in Example 1. In addition, the compression ratio of the positive electrode of Example 1 was smaller than that of the positive electrode of Comparative Examples 1 to 4 when the pressing was performed with the same gap. From this, it can be seen that the positive electrode of Example 1 has improved electrode plate flexibility compared to the positive electrode of Comparative Examples 1 to 4, and is advantageous for increasing the density of the mixture, and there is no cracking of the active material after rolling as shown in FIG. 1 .
실시예 1의 양극의 합제밀도는 표 3에 나타난 바와 같이 비교예 4의 양극(LCO단독)과 비교하여 동일한 수준을 나타내지만, 상기 표 4와 같이 실시예 1의 양극의 압축률이 비교예 4의 양극의 압축률에 비하여 더 작다. 실시예 1의 양극은 극판 압연시 압축률이 낮아서 극판에 스트레스(stress)가 적고, 도 1에 나타난 바와 같이 단일 입자 형태의 NCA로 인하여 활물질의 깨짐이 전혀 관찰되지 않았으며, 고합제밀도 구현시에 극판 품질도 우수하다.As shown in Table 3, the mixture density of the positive electrode of Example 1 shows the same level as that of the positive electrode (LCO alone) of Comparative Example 4, but as shown in Table 4, the compressibility of the positive electrode of Example 1 is the same as that of Comparative Example 4 It is smaller than the compressibility of the positive electrode. The positive electrode of Example 1 had a low compressibility when the electrode plate was rolled, so there was little stress on the electrode plate. The plate quality is also excellent.
비교예 4의 양극은 도 5에 나타난 바와 같이 과도한 합제밀도 구현으로 가압후 LCO 대립의 깨짐이 다수 관찰되었다. As shown in FIG. 5, in the positive electrode of Comparative Example 4, many cracks in the LCO opposition were observed after pressing due to the implementation of excessive mixture density.
비교예 1에 따라 이차입자 NCA를 이용하여 양극을 제조한 경우, 양극의 압축률은 실시예 1의 경우와 비교하여 불리하며, 도 2에 나타난 바와 같이 NCA의 이차입자의 깨짐이 관찰되었고 충방전 사이클이 반복되면서 가스가 발생될 가능성이 높다. 그리고 비교예 1의 양극은 표 3에 나타난 바와 같이 실시예 1의 양극 대비 합제밀도 및 접착력이 불리한 결과를 나타냈다. When a positive electrode was manufactured using secondary particles NCA according to Comparative Example 1, the compressibility of the positive electrode was disadvantageous compared to that of Example 1, and as shown in FIG. As this is repeated, there is a high possibility that gas is generated. And, as shown in Table 3, the positive electrode of Comparative Example 1 exhibited unfavorable results compared to the positive electrode of Example 1 in density and adhesive strength.
비교예 3의 양극은 양극 활물질에서 단일입자 형태의 NCA 비율이 LCO 대비 높고, 비교예 2의 양극은 양극 활물질로서 단일입자 NCA 단독을 사용한 경우이며, 코팅 극판의 두께가 높고 압축률이 높은 수준을 나타내어 팩킹(packing)면에 불리하다. 그리고 접착력도 너무 낮아서 과량의 단일입자 타입의 NCA 블렌딩 시에는 바인더를 더 추가할 필요가 있으며 그럴 경우 셀 저항 상승 및 활물질 분율 감소로 용량 감소에 영향을 줄 수 있다. 또한 비교예 2의 양극은 양극 활물질로서 단일입자 형태의 NCA만을 함유하여 권취시 극판에 핀홀이 발생되었다. The positive electrode of Comparative Example 3 had a higher ratio of NCA in the form of single particles in the positive electrode active material compared to LCO, and the positive electrode of Comparative Example 2 was a case where single particle NCA was used as the positive electrode active material, and the thickness of the coated electrode plate was high and the compressibility was high. It is disadvantageous in terms of packing. In addition, the adhesive strength is too low, so it is necessary to add more binder when blending an excessive amount of single-particle type NCA. In addition, the positive electrode of Comparative Example 2 contained only NCA in the form of a single particle as a positive electrode active material, so that pinholes were generated in the electrode plate during winding.
표 4를 참조하여, 실시예 1의 양극은 비교예 1 내지 3의 양극과 비교하여 공극률이 작다. 이와 같이 공극률이 작아서 활물질간 접촉(Contact)이 유리하여 저항 감소 효과가 있다. 그리고 실시예 1의 양극은 크랙 발생이 없어 고밀도, 고용량의 특성을 갖는다. Referring to Table 4, the positive electrode of Example 1 has a smaller porosity than the positive electrode of Comparative Examples 1 to 3. As such, since the porosity is small, contact between the active materials is advantageous, thereby reducing the resistance. In addition, the positive electrode of Example 1 does not have cracks and has characteristics of high density and high capacity.
이에 비하여, 비교예 1의 양극은, 실시예 1의 양극과 비교하여 치밀하지 못하여 극판내 공극률이 높고 과도하게 프레스되어 극판 내 핀홀이 발생하는 불량이 관찰되었다. 그리고 비교예 1의 양극은 권취시 활물질 탈락 가능성이 높아 셀 불량 발생가능성이 매우 높다.On the other hand, the positive electrode of Comparative Example 1 was not dense compared to the positive electrode of Example 1, so the porosity in the electrode plate was high, and a defect in which a pinhole was generated in the electrode plate was observed due to excessive pressing. And the positive electrode of Comparative Example 1 has a high possibility of dropping the active material during winding, and thus the possibility of cell failure is very high.
비교예 2의 양극은 양극 활물질이 소립입자만으로 구성되어 진밀도와 합제밀도가 낮아 팩킹에 불리하다. 그리고 양극판내 공극률이 표 4에 나타난 바와 같이 매우 높다. In the positive electrode of Comparative Example 2, since the positive electrode active material is composed of only small particles, true density and mixing density are low, which is disadvantageous in packing. And, as shown in Table 4, the porosity in the positive electrode plate is very high.
비교예 3의 양극은 양극 활물질에서 소립 입자의 비중이 높아 실시예 1의 양극 대비 진밀도가 낮고 극판 공극률이 높게 나타났다. 그리고 비교예 4의 양극은 LCO만으로 구성되어 진밀도가 높고 극판 공극률이 낮지만, 도 5에 나타난 바와 같이 압연시 과도하게 프레스되어 LCO 대립 입자의 깨짐이 심하게 발생되었다. The positive electrode of Comparative Example 3 had a high specific gravity of small particles in the positive electrode active material, so that the true density was low and the porosity of the electrode plate was high compared to the positive electrode of Example 1. And the positive electrode of Comparative Example 4 was composed of only LCO, and had a high true density and a low porosity of the electrode plate, but as shown in FIG.
평가예 4: 방전용량, 효율, 율 특성,상온수명 및 고온 수명Evaluation Example 4: Discharge capacity, efficiency, rate characteristics, room temperature life and high temperature life
상기 실시예 1 및 비교예 1 및 3에서 제조된 리튬이차전지를 25℃에서 0.5C 의 전류로 전압이 4.35V로 정전류 충전하고, 4.35V를 유지하면서 전류가 0.1C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전 시에 전압이 2.75V 에 이를 때까지 0.7C의 정전류로 방전하였다. (화성단계)The lithium secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 3 were charged with a constant current at 25° C. with a current of 0.5 C at a voltage of 4.35 V, and while maintaining 4.35 V, the lithium secondary batteries were charged at a constant voltage until the current reached 0.1 C. . Then, it was discharged at a constant current of 0.7C until the voltage reached 2.75V during discharge. (Mars stage)
이어서, 0.5C의 전류로 전압이 4.35V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.35V를 유지하면서 전류가 0.02C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전시에 전압이 2.75V에 이를 때까지 0.2C의 정전류로 방전하였다(표준 단계).Then, constant current charging was performed with a current of 0.5C until the voltage reached 4.35V, and constant voltage charging was performed until the current reached 0.02C while maintaining 4.35V. Then, it was discharged with a constant current of 0.2C until the voltage reached 2.75V at the time of discharge (standard step).
상기 화성, 표준 단계를 거친 리튬이차전지를 25℃에서 각각 0.7C의 전류로 전압이 4.35V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.35V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전 시에 전압이 3.0V에 이를 때까지 0.5C의 정전류로 방전하는 사이클을 300회 반복하였다.The lithium secondary battery, which had undergone the chemical formation and standard steps, was charged with a constant current at 25° C. with a current of 0.7C, respectively, until the voltage reached 4.35V, and was charged with a constant voltage until the current reached 0.05C while maintaining 4.35V. Then, a cycle of discharging at a constant current of 0.5C until the voltage reached 3.0V during discharging was repeated 300 times.
또한 상기 충방전 실험을 25℃에서 45℃로 변화한 것을 제외하고는 25℃의 충방전 실험과 동일하게 실시하여 충방전 사이클을 총300회 반복적으로 실시하였다. 율 특성은 각 리튬이차전지에 대하여 25℃에서 0.5C 의 전류로 전압이 4.35V로 정전류 충전하고, 4.35V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 3.0V에 이를 때까지 0.2C, 0.5C, 1.0C, 및 2.0C로 정전류로 방전을 실시한 후 c-rate가 0.2C일 때의 방전용량에 대한 2.0C일 때의 방전용량을 하기의 식에 따라 계산하여, 하기의 표 5에 율특성으로 나타내었다.In addition, the charge-discharge experiment was performed in the same manner as the charge-discharge experiment at 25°C, except that the charge/discharge experiment was changed from 25°C to 45°C, and a total of 300 charge/discharge cycles were repeated. For the rate characteristics, each lithium secondary battery was charged with a constant current of 4.35V with a current of 0.5C at 25°C, and charged with a constant voltage until the current reached 0.05C while maintaining 4.35V. After discharging at a constant current of 0.2C, 0.5C, 1.0C, and 2.0C until it reaches 3.0V, the discharge capacity at 2.0C compared to the discharge capacity at c-rate of 0.2C is given by the following equation It was calculated according to the ratio and shown in Table 5 below.
<식 3><Equation 3>
율 특성(%) = (2.0C일 때의 방전용량 / 0.2C일 때의 방전용량) × 100Rate characteristic (%) = (discharge capacity at 2.0C / discharge capacity at 0.2C) × 100
상기 충방전 실험 결과 중 일부를 하기 표 5 및 도 8에 나타내었다. 용량 유지율은 하기 식 4로 표시된다.Some of the results of the charging and discharging experiments are shown in Table 5 and FIG. 8 below. The capacity retention rate is expressed by the following formula (4).
<식 4><Equation 4>
용량유지율(%)=(300th 사이클에서의 방전용량/1st 사이클에서의 방전용량]×100Capacity retention rate (%) = (discharge capacity at 300 th cycle/1 discharge capacity at st cycle] x 100
(2.0C/0.2C)Rate characteristics (%)
(2.0C/0.2C)
용량유지율(%]at 300 th cycle
Capacity retention rate (%]
표 5 및 도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 리튬이차전지는 비교예 1 및 3의 리튬이차전지와 비교하여 충방전효율, 율 특성, 상온수명 및 고온 수명이 개선된다는 것을 알 수 있었다. As shown in Table 5 and FIG. 8, it was found that the lithium secondary battery of Example 1 has improved charge/discharge efficiency, rate characteristics, room temperature life and high temperature life compared to the lithium secondary batteries of Comparative Examples 1 and 3.
또한 실시예 2 내지 7의 리튬이차전지의 충방전효율, 율 특성, 상온수명 및 고온 수명을 상술한 실시예 1의 리튬이차전지의 충방전효율, 율 특성, 상온수명 및 고온 수명 평가 방법과 동일하게 실시하여 평가하였다.In addition, the charging and discharging efficiency, rate characteristics, room temperature life, and high temperature life of the lithium secondary batteries of Examples 2 to 7 are the same as the charging and discharging efficiency, rate characteristics, room temperature life and high temperature life evaluation method of the lithium secondary battery of Example 1 described above. and evaluated.
평가 결과, 실시예 2 내지 7의 리튬이차전지의 충방전효율, 율 특성, 상온수명 및 고온 수명은 실시예 1의 리튬이차전지의 경우와 동등한 수준을 나타냈다.As a result of the evaluation, the charge/discharge efficiency, rate characteristics, room temperature life and high temperature life of the lithium secondary batteries of Examples 2 to 7 were equivalent to those of the lithium secondary batteries of Example 1.
1: 리튬이차전지
2: 음극
3: 양극
4: 세퍼레이터
5: 전지케이스
6: 캡 어셈블리1: lithium secondary battery 2: negative electrode
3: positive electrode 4: separator
5: Battery case 6: Cap assembly
Claims (12)
상기 리튬코발트계 활물질의 크기 및 함량은 각각 리튬니켈코발트계 활물질의 크기 및 함량에 비하여 크고,
상기 리튬니켈코발트계 활물질은 단일 입자 형태(One body type) 활물질인 양극 활물질.It is a positive electrode active material comprising a lithium cobalt-based active material and a lithium nickel cobalt-based active material,
The size and content of the lithium cobalt-based active material is larger than the size and content of the lithium nickel cobalt-based active material, respectively,
The lithium nickel cobalt-based active material is a positive active material of a single body type active material.
상기 리튬코발트계 활물질의 평균입경은 10㎛ 내지 20㎛이며,
상기 리튬 니켈코발트계 활물질의 평균입경은 3㎛ 내지 8㎛인 양극 활물질.According to claim 1,
The average particle diameter of the lithium cobalt-based active material is 10 μm to 20 μm,
The lithium nickel cobalt-based active material has an average particle diameter of 3 μm to 8 μm.
상기 리튬코발트계 활물질은 단일 입자 형태(One body type) 활물질인 양극 활물질.According to claim 1,
The lithium cobalt-based active material is a positive active material of a single body type active material.
상기 리튬코발트계 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합인 양극 활물질:
<화학식 1>
LixCo1-yMyA2
화학식 1중, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5,
M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이며,
A는 0, F, S, P 또는 그 조합이며,
<화학식 2>
LixCo1-yMyO2-zXz
화학식 2 중, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5,
M은 Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이며, X는 F, S, P 또는 그 조합이다.According to claim 1,
The lithium cobalt-based active material is a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (2), or a positive active material of a combination thereof:
<Formula 1>
Li x Co 1-y M y A 2
In Formula 1, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5,
M is Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, a rare earth element or a combination thereof;
A is 0, F, S, P or a combination thereof,
<Formula 2>
Li x Co 1-y M y O 2-z X z
In Formula 2, 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5,
M is Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, a rare earth element or a combination thereof, and X is F, S, P or a combination thereof It is a combination.
상기 리튬니켈코발트계 활물질은 하기 화학식 3로 표시되는 화합물, 화학식 4로 표시되는 화합물 또는 그 조합인 양극 활물질:
<화학식 3>
LixNi1-y CoyO2-zXz
화학식 3 중, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0≤z≤0.5,
X는 F, S, P 또는 그 조합이고,
<화학식 4>
LixNi1-y-z CoyMzO2-aXa
화학식 5 중, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0<1-y-z, 0≤z≤0.5, 0≤a<2,
M은 Ni, Co, Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, 희토류 원소 또는 그 조합이며,
X는 F, S, P 또는 그 조합이다.According to claim 1,
The lithium nickel cobalt-based active material is a compound represented by the following formula (3), a compound represented by the formula (4), or a positive active material a combination thereof:
<Formula 3>
Li x Ni 1-y Co y O 2-z X z
In Formula 3, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0≤z≤0.5,
X is F, S, P or a combination thereof,
<Formula 4>
Li x Ni 1-yz Co y M z O 2-a X a
In Formula 5, 0.9≤x≤1.2, 0<y≤0.5, 0<1-yz, 0≤z≤0.5, 0≤a<2,
M is Ni, Co, Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Cr, Fe, V, a rare earth element or a combination thereof;
X is F, S, P or a combination thereof.
<화학식 5>
LixCoaO2+α
화학식 5중, 0.9≤x≤1.2, 0.98≤a≤1.00, -0.1≤α≤0.1이다.The cathode active material according to claim 1, wherein the lithium cobalt-based compound is a compound represented by the following formula (5):
<Formula 5>
Li x Co a O 2+α
In Formula 5, 0.9≤x≤1.2, 0.98≤a≤1.00, and -0.1≤α≤0.1.
<화학식 7>
LixCoaNibMncO2
화학식 7중, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1,
<화학식 8>
LixCoaNibAlcO2
화학식 8중, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1이다.The cathode active material according to claim 1, wherein the lithium nickel cobalt-based active material is a compound represented by the following Chemical Formula 7 or a compound represented by the following Chemical Formula 8:
<Formula 7>
Li x Co a Ni b Mn c O 2
In formula 7, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1,
<Formula 8>
Li x Co a Ni b Al c O 2
In Formula 8, 0.9<x<1.2, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1.
상기 리튬코발트계 활물질은 LiCoO2이며,
상기 리튬니켈코발트계 활물질은 LiNi0.9Co0.09Al0.01O2, LiNi0.9Co0.09Mn0.01O2, Li1.05Ni0.9Co0.09Al0.01O2, Li1.05Ni0.9Co0.09Mn0.01O2, Li1.05Ni0.5Co0.2Mn0.3O2, Li1.1Ni0.5Co0.2Mn0.3O2, Li1.05Ni0.6Co0.2Mn0.2O2, Li1.1Ni0.6Co0.2Mn0.2O2, 또는 그 조합인 양극 활물질.According to claim 1,
The lithium cobalt-based active material is LiCoO 2 ,
The lithium nickel cobalt-based active material is LiNi 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 , LiNi 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 , Li 1.05 Ni 0.9 Co 0.09 Al 0.01 O 2 , Li 1.05 Ni 0.9 Co 0.09 Mn 0.01 O 2 , Li 1.05 Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , Li 1.1 Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , Li 1.05 Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , Li 1.1 Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , or a combination thereof.
상기 양극의 합제밀도는 4.0 g/cc 이상인 양극.10. The method of claim 9,
The positive electrode mixture density of the positive electrode is 4.0 g / cc or more.
상기 양극의 공극률이 10.0% 내지 12.1%인 양극.10. The method of claim 9,
A positive electrode having a porosity of 10.0% to 12.1% of the positive electrode.
A lithium secondary battery comprising the positive electrode of claim 9, the negative electrode and an electrolyte interposed therebetween.
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