KR20220042657A - Manufacturing method of positive electrode material of nikel-rich lithium composite transition metal oxide in a form of a single particle and manufacturing method of positive electrode material of nikel-rich lithium composite transition metal oxide in a form of a single particle formed therefrom - Google Patents

Manufacturing method of positive electrode material of nikel-rich lithium composite transition metal oxide in a form of a single particle and manufacturing method of positive electrode material of nikel-rich lithium composite transition metal oxide in a form of a single particle formed therefrom Download PDF

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KR20220042657A
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing positive electrode active material single particles of nickel-rich lithium transition metal composite oxide, including the steps of: (S1) preparing a hollow composite transition metal precursor having a hollow particle shape having a core portion formed of a vacant space and a shell portion surrounding the core portion, and having a nickel content of 80 mol% or higher based on the total transition metals; and (S2) mixing the hollow composite transition metal precursor with a lithium source material, and firing the resultant mixture at a temperature of 800-870℃ in such a manner that the mixture may be over-fired until the particles grown by the firing cause popping in the form of single particles, thereby preparing a composite transition metal oxide in the form of single particles. According to the method of the present invention, it is possible to obtain positive electrode active material single particles of nickel-rich lithium transition metal composite oxide with ease even at a relatively low over-firing temperature.

Description

고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법 및 이로부터 형성된 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자{MANUFACTURING METHOD OF POSITIVE ELECTRODE MATERIAL OF NIKEL-RICH LITHIUM COMPOSITE TRANSITION METAL OXIDE IN A FORM OF A SINGLE PARTICLE AND MANUFACTURING METHOD OF POSITIVE ELECTRODE MATERIAL OF NIKEL-RICH LITHIUM COMPOSITE TRANSITION METAL OXIDE IN A FORM OF A SINGLE PARTICLE FORMED THEREFROM} A method for producing single particles of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel, and single particles of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel formed therefrom OXIDE IN A FORM OF A SINGLE PARTICLE AND MANUFACTURING METHOD OF POSITIVE ELECTRODE MATERIAL OF NIKEL-RICH LITHIUM COMPOSITE TRANSITION METAL OXIDE IN A FORM OF A SINGLE PARTICLE FORMED THEREFROM}

본 발명은 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물로 된 단입자 형태의 양극 활물질의 제조방법 및 이로부터 형성된 단입자 형태의 양극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a single particle type positive electrode active material made of a lithium composite transition metal oxide containing a high content of nickel and a single particle type positive electrode active material formed therefrom.

높은 에너지 밀도를 나타내는 고함량의 니켈 함유 (Ni-rich) 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질이 주목받고 있으나, 니켈함량이 높아짐에 따라 전지의 수명 안정성이 급격히 줄어드는 문제점이 있다. 수명 감소의 원인 중 하나는 고함량의 니켈 함유 (Ni-rich) 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질의 구조와 관련된다.A cathode active material made of a high nickel-rich lithium composite transition metal oxide exhibiting a high energy density is attracting attention, but there is a problem in that the lifespan stability of the battery is rapidly reduced as the nickel content increases. One of the causes of the decrease in lifespan is related to the structure of the positive electrode active material made of a high nickel-rich (Ni-rich) lithium composite transition metal oxide.

1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태로 된 통상적인 고함량의 니켈 함유 (Ni-rich) 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질은 충전과 방전이 진행될수록 1차 입자간 계면에서 크랙이 발생하여 전지의 수명을 감소시킨다. A positive active material made of a conventional high-content nickel-rich lithium composite transition metal oxide in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated causes cracks at the interface between primary particles as charging and discharging proceed. This reduces the lifespan of the battery.

이에 따라 2차 입자 형태가 아닌 단입자 형태의 고함량의 니켈 함유 (Ni-rich) 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질의 개발이 이루어지고 있다. 그레인 바운더리(Grain boundary)가 없는 단입자 형태의 양극 활물질은 마이크로 또는 매크로 크랙(micro/macro-crack)의 생성을 크게 줄일 수 있으므로, 고함량의 니켈 함유 (Ni-rich) 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질의 구조적 안정성을 높인다.Accordingly, development of a positive electrode active material made of a nickel-rich (Ni-rich) lithium composite transition metal oxide having a high content in the form of single particles rather than in the form of secondary particles is being conducted. The single-particle type positive active material without grain boundaries can greatly reduce the generation of micro or macro-cracks, so it is a lithium composite transition metal oxide containing high nickel content (Ni-rich). increase the structural stability of the positive electrode active material.

고함량의 니켈 함유 (Ni-rich) 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질 단입자를 제조하는 방법은 다양하나, 그 중 가장 많이 사용되는 방법은 공침법을 이용하여 고함량의 니켈 함유 복합전이금속 전구체 입자를 합성한 후 리튬 원료물질과 혼합하여 과소성시킴으로서 소성에 의해 성장한 입자들이 파핑(popping)되어 단입자 형태로 형성된 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질을 제조한다. There are various methods for preparing single particles of a positive electrode active material made of a high nickel content (Ni-rich) lithium composite transition metal oxide, but among them, the most used method is a composite transition metal containing a high nickel content using a co-precipitation method. After synthesizing the precursor particles, they are mixed with a lithium raw material and subjected to under-calcination, whereby the particles grown by sintering are popped to produce a cathode active material made of a lithium composite transition metal oxide containing a high content of nickel formed in the form of single particles.

니켈 함량이 높은 복합전이금속 전구체일수록 소성시 온도가 낮아져야만 양극활물질의 성능 저하 현상을 방지할 수 있으므로, 단입자 제조를 위한 과소성시에도 소성 온도가 낮아야 한다. 그러나, 과소성 온도를 낮출 경우 복합전이금속 전구체 입자의 쉘 부분보다 상대적으로 밀도가 낮은 시드 부분으로 인하여 복합전이금속 전구체 입자가 잘 성장되지 않으므로 이에 따라 입자들이 파핑(popping)이 잘 되지 않게 되어 단입자 형성이 어렵고 복합전이금속 전구체 입자의 시드 부분은 그대로 남는 현상이 발생한다.The higher the nickel content is, the lower the firing temperature is to prevent deterioration of the cathode active material performance. Therefore, the firing temperature should be low even during under-calcination for single particle production. However, when the over-calcination temperature is lowered, the composite transition metal precursor particles do not grow well due to the seed portion having a relatively lower density than the shell portion of the composite transition metal precursor particles. Particle formation is difficult and the seed portion of the composite transition metal precursor particle remains as it is.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비교적 낮은 과소성 온도에서도 용이하게 단입자 형태의 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a method capable of easily producing single particles of a lithium-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material having a high content in a single particle form even at a relatively low undercalcination temperature.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전술한 제조방법에 의해 형성된 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자를 제공하는데 있다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel formed by the above-described manufacturing method.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 구현예에 따른 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법은, In order to solve the above-described technical problem, the method for producing a single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel according to the first embodiment of the present invention,

(S1) 빈 공간으로 된 코어부 및 상기 코어부를 둘러싼 쉘부로 이루어진 중공형 입자 형태를 가지며, 전체 전이금속 중 니켈 함유량이 80 몰% 이상인 중공형 복합전이금속 전구체를 준비하는 단계; 및(S1) preparing a hollow composite transition metal precursor having a hollow particle shape comprising a hollow core and a shell surrounding the core, and having a nickel content of 80 mol% or more in the total transition metal; and

(S2) 상기 중공형 복합 전이금속 전구체를 리튬 원료물질과 혼합하고 800 내지 870 ℃ 의 온도에서 소성하되, 상기 소성에 의해 성장한 입자들이 단입자 형태로 파핑(popping)될 때까지 과소성하여 단입자 형태의 복합전이금속 산화물을 제조하는 단계를 포함한다. (S2) The hollow composite transition metal precursor is mixed with a lithium raw material and calcined at a temperature of 800 to 870° C., but under calcined until the particles grown by the calcination are popped in the form of single particles. It includes the step of preparing a composite transition metal oxide in the form of.

본 발명의 제2 구현예에 따르면, 제1 구현예에 따른 제조방법에 있어서 상기 니켈 함유량이 80 몰% 이상인 중공형 복합전이금속 전구체는 니켈-망간-코발트 전구체일 수 있다.According to the second embodiment of the present invention, in the manufacturing method according to the first embodiment, the hollow composite transition metal precursor having a nickel content of 80 mol% or more may be a nickel-manganese-cobalt precursor.

본 발명의 제3 구현예에 따르면, 상기 제1 구현예 또는 제2 구현예 중 어느 하나 이상의 구현예에 있어서 상기 쉘부의 밀도는 상기 쉘부의 평균 밀도는 1.3 g/cm3 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1.7 g/cm3 이상일 수 있다.According to a third embodiment of the present invention, in any one or more embodiments of the first embodiment or the second embodiment, the average density of the shell part may be 1.3 g/cm 3 or more, and more preferably, the density of the shell part is 1.3 g/cm 3 or more. Preferably, it may be 1.7 g/cm 3 or more.

본 발명의 제4 구현예에 따르면, 상기 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 하나 이상의 구현예에 있어서 상기 중공형 복합전이금속 전구체의 코어부의 평균 직경은 1 내지 8 μm이고, 상기 쉘부의 평균 두께는 1 내지 8 μm일 수 있다.According to a fourth embodiment of the present invention, in any one or more embodiments of the first to third embodiments, the average diameter of the core portion of the hollow composite transition metal precursor is 1 to 8 μm, and the shell portion The average thickness may be 1 to 8 μm.

본 발명의 제5 구현예에 따르면, 상기 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 하나 이상의 구현예에 있어서 상기 리튬 원료물질은 수산화리튬, 수산화리튬 수화물 및 탄산 리튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. According to a fifth embodiment of the present invention, in at least one embodiment of the first to fourth embodiments, the lithium raw material is at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide, lithium hydroxide hydrate, and lithium carbonate. can

본 발명의 제6 구현예에 따르면, 상기 제1 구현예 내지 제5 구현예 중 어느 하나 이상의 구현예에 있어서 상기 (S2)의 과소성 온도는 830 내지 850 ℃일 수 있다. According to the sixth embodiment of the present invention, in any one or more embodiments of the first to fifth embodiments, the undercalcination temperature of (S2) may be 830 to 850 °C.

본 발명의 제7 구현예에 따르면, 상기 제1 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 하나 이상의 구현예에 있어서 상기 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 평균 입경은 2 내지 9 μm일 수 있다. According to the seventh embodiment of the present invention, in any one or more embodiments of the first to sixth embodiments, the average particle diameter of the single particles of the high content nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material is 2 to 9 μm.

본 발명의 제8 구현예에 따르면, 상기 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 하나 이상의 구현예에 있어서 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.According to the eighth embodiment of the present invention, in any one or more embodiments of the first to seventh embodiments, the single particles of the lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel are represented by the following formula (1) can

<화학식 1><Formula 1>

Lix[NiyCozMnw]O2 Li x [Ni y Co z Mn w ]O 2

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

0.8≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z<0.1, 0<w<0.1이고, y+z+w=1이다.0.8≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z<0.1, 0<w<0.1, and y+z+w=1.

본 발명의 제조방법에 따르면, 비교적 낮은 과소성 온도에서도 용이하게 단입자 형태의 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자를 제조할 수 있다. According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture single particles of a lithium-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material having a high content in the form of single particles even at a relatively low undercalcination temperature.

따라서, 전술한 제조방법에 따라 형성된 고함량 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자는 전지의 고용량화에 적합한 고함량 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질로서 단입자 형태를 가지므로, 1차 입자가 응집된 2차 입자 형태인 양극 활물질보다 구조적으로 안정하여 전지에 적용시 전지 특성의 열화 현상이 개선될 수 있다. Therefore, the single particles of the lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing high nickel content formed according to the above-described manufacturing method are single particles as the positive electrode active material made of the lithium composite transition metal oxide containing high nickel content suitable for high-capacity batteries, 1 Since the secondary particles are structurally more stable than the positive active material in the form of agglomerated secondary particles, deterioration of battery characteristics can be improved when applied to a battery.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 중공형 복합 전이금속 전구체를 소성하여 형성한 입자의 단면 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 사용된 시드 구비 복합 전이금속 전구체를 소성하여 형성한 입자의 단면 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조한 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 입자의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 2에 따라 제조한 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 SEM 사진이다.
1 is a cross-sectional SEM photograph of particles formed by calcining a hollow composite transition metal precursor prepared according to Example 1 of the present invention.
2 is a cross-sectional SEM photograph of particles formed by calcining the seed-equipped composite transition metal precursor used in Comparative Example 1 of the present invention.
3 is a SEM photograph of single particles of a nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material prepared according to Example 1 of the present invention.
4 is a SEM photograph of the nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material particles prepared according to Comparative Example 1 of the present invention.
5 is an SEM photograph of single particles of a nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material prepared according to Comparative Example 2 of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing nickel having a high content according to the present invention will be described.

본 발명의 제1 구현예에 따른 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법에 따르면, 먼저, 빈 공간으로 된 코어부 및 상기 코어부를 둘러싼 쉘부로 이루어진 중공형 입자 형태를 가지며, 전체 전이금속 중 니켈 함유량이 80 몰% 이상인 중공형 복합전이금속 전구체를 준비한다(S1).According to the method for manufacturing single particles of a high-content nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material according to the first embodiment of the present invention, first, a hollow particle shape comprising a core part with an empty space and a shell part surrounding the core part and prepare a hollow composite transition metal precursor having a nickel content of 80 mol% or more among the total transition metals (S1).

중공형 복합 전이금속 전구체의 제조방법을 예시하면 다음과 같다.The manufacturing method of the hollow composite transition metal precursor is exemplified as follows.

먼저 반응기에 전이금속 수용액, 암모늄 이온 함유 용액 및 염기성 수용액을 이용하여 침전 반응을 통해 전이금속 수산화물을 형성한다. 반응 전 수용액의 온도는 핵 성장이 억제된 중공형 전구체를 형성하기 위하여 30 ℃ 이상 50 ℃ 이하가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.First, a transition metal hydroxide is formed through a precipitation reaction using a transition metal aqueous solution, an ammonium ion-containing solution, and a basic aqueous solution in a reactor. The temperature of the aqueous solution before the reaction is preferably adjusted to be 30 °C or more and 50 °C or less in order to form a hollow precursor with suppressed nuclear growth.

전이금속 수용액은 니켈 함유 원료물질과 그 외 망간 함유 원료물질, 코발트 함유 원료물질 등의 전이금속 원료물질을 적어도 1종 이상 포함하는 수용액으로서, 예를 들어, 니켈 함유 원료물질은 니켈 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있으며, 구체적으로는, Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O2ㆍ2H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, NiSO4, NiSO4ㆍ6H2O, 지방산 니켈염, 니켈 할로겐화물 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 코발트 함유 원료물질은 코발트 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있으며, 구체적으로는 Co(OH)2, CoOOH, Co(OCOCH3)2ㆍ4H2O, Co(NO3)2ㆍ6H2O, CoSO4, Co(SO4)2ㆍ7H2O 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 망간 함유 원료물질은 예를 들면, 망간 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물, 옥시수산화물 또는 이들의 조합일 수 있으며, 구체적으로는 Mn2O3, MnO2, Mn3O4 등과 같은 망간산화물; MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4, 아세트산 망간, 디카르복실산 망간염, 시트르산 망간, 지방산 망간염과 같은 망간염; 옥시 수산화망간, 염화 망간 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The transition metal aqueous solution is an aqueous solution containing at least one or more transition metal raw materials such as nickel-containing raw materials and other manganese-containing raw materials and cobalt-containing raw materials. For example, nickel-containing raw materials include nickel-containing acetate, Nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide or oxyhydroxide, etc., specifically, Ni(OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 ·2Ni(OH) 2 ·4H 2 O, NiC 2 O 2 · 2H 2 O, Ni(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, NiSO 4 , NiSO 4 ·6H 2 O, fatty acid nickel salt, nickel halide, or a combination thereof, or a combination thereof, but is not limited thereto. The cobalt-containing raw material may be cobalt-containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide, or oxyhydroxide, and specifically, Co(OH) 2 , CoOOH, Co(OCOCH 3 ) 2 ∙ 4H 2 O, Co(NO 3 ) 2 ㆍ6H 2 O, CoSO 4 , Co(SO 4 ) 2 ㆍ7H 2 O, or a combination thereof, but is not limited thereto. The manganese-containing raw material may be, for example, manganese-containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide, oxyhydroxide, or a combination thereof, specifically Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O manganese oxides such as 4 ; manganese salts such as MnCO 3 , Mn(NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, dicarboxylic acid manganese salt, manganese citrate, fatty acid manganese salt; It may be manganese oxyhydroxide, manganese chloride, or a combination thereof, but is not limited thereto.

암모늄 이온 함유 용액은 NH4OH, (NH4)2SO4, NH4NO3, NH4Cl, CH3COONH4, 및 NH4CO3 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때, 용매로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합 가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물이 사용될 수 있다.The ammonium ion-containing solution may include one or more selected from NH 4 OH, (NH 4 ) 2 SO 4 , NH 4 NO 3 , NH 4 Cl, CH 3 COONH 4 , and NH 4 CO 3 . In this case, as the solvent, water or a mixture of water and an organic solvent that can be uniformly mixed with water (specifically, alcohol, etc.) and water may be used.

염기성 수용액은 NaOH, KOH 및 Ca(OH)2 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 용매로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합 가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물이 사용될 수 있다. The basic aqueous solution may include at least one selected from NaOH, KOH, and Ca(OH) 2 , and as the solvent, water or a mixture of water and an organic solvent that can be uniformly mixed with water (specifically, alcohol, etc.) and water will be used. can

중공형 복합 전이금속 전구체의 제조시, 반응기에 탈이온수를 넣은 뒤 불활성 기체를 반응기에 퍼징하여 물 속의 용존 산소를 제거하고 반응기 내를 비산화 분위기로 조성한 후, 암모늄 양이온 착물 형성제 및 염기성 수용액을 반응기의 일정 부피까지 투입하여 반응기 내의 pH를 조절한 후 수행할 수 있다.When preparing the hollow composite transition metal precursor, deionized water is put into the reactor, an inert gas is purged into the reactor to remove dissolved oxygen in the water, and the inside of the reactor is created in a non-oxidizing atmosphere, and then an ammonium cation complex forming agent and a basic aqueous solution are added. It can be carried out after adjusting the pH in the reactor by adding up to a certain volume of the reactor.

전이금속 수산화물 입자의 핵 형성이 억제된 중공형 전구체를 제조하기 위하여 pH 8~11 이하에서, 구체적으로, pH 8 내지 pH 9 이하에서 수행될 수 있다. pH가 상기 범위를 벗어날 경우 입자 핵이 생성되고 중공형 입자가 형성되지 않을 수 있다. 또한 초기 RPM를 낮추고 반응 시간을 30분 이내로 하여 중공형 전구체를 만드는데 도움을 줄 수 있다.In order to prepare a hollow precursor in which the nucleation of transition metal hydroxide particles is suppressed, it may be carried out at pH 8 to 11 or less, specifically, at pH 8 to pH 9 or less. If the pH is out of the above range, particle nuclei may be formed and hollow particles may not be formed. In addition, it can help to make a hollow precursor by lowering the initial RPM and reducing the reaction time to less than 30 minutes.

상기 전이금속 수산화물 입자의 쉘부 성장시 밀도를 높이기 위하여 pH 11~ 13 에서, 구체적으로, pH 12 이상 pH 13 미만에서 수행될 수 있다. pH가 상기 범위 내인 경우, 새로운 입자 핵은 거의 생성되지 않고, 밀도가 높은 쉘 입자로 된 중공형 입자를 성장 시킬 수 있다.In order to increase the density during the growth of the shell part of the transition metal hydroxide particles, it may be carried out at pH 11 to 13, specifically, at pH 12 or more and less than pH 13. When the pH is within the above range, new particle nuclei are hardly generated, and hollow particles having a high density of shell particles can be grown.

중공형 복합전이금속 전구체의 코어부의 평균 직경은 1 내지 8 μm일 수 있고, 상기 쉘부의 평균 두께는 1 내지 8 μm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The average diameter of the core portion of the hollow composite transition metal precursor may be 1 to 8 μm, and the average thickness of the shell portion may be 1 to 8 μm, but is not limited thereto.

쉘부의 평균 밀도는 1.3 g/cm3 이상인 것이 바람직한데, 쉘부의 밀도가 1.3 g/cm3 이상일 때 낮은 과소성 온도에서도 복합전이금속 전구체 입자가 잘 성장, 파핑(popping)되어 단입자 형성이 더욱 용이해진다. 이러한 측면에서 쉘부의 평균 밀도는 1.7 g/cm3 이상인 것이 더욱 바람직하다.It is preferable that the average density of the shell part is 1.3 g/cm 3 or more. When the density of the shell part is 1.3 g/cm 3 or more, the composite transition metal precursor particles grow and pop well even at a low undercalcination temperature, so that single particles are further formed. it gets easier In this respect, the average density of the shell portion is more preferably 1.7 g/cm 3 or more.

상기 니켈 함유량이 80 몰% 이상인 중공형 복합전이금속 전구체는 예를 들어 니켈-망간-코발트 전구체일 수 있는데, 니켈-망간-코발트 전구체로는, 특히 니켈망간코발트 수산화물일 수 있다. 또한, 니켈, 망간 및 코발트 이외에 양극 활물질의 안정성 및 물성을 향상하기 위한 도핑 금속 물질을 더 포함할 수 있다. 이러한 도핑 금속 물질로는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소일 수 있다. The hollow composite transition metal precursor having the nickel content of 80 mol% or more may be, for example, a nickel-manganese-cobalt precursor, and the nickel-manganese-cobalt precursor may be, in particular, nickel manganese cobalt hydroxide. In addition, in addition to nickel, manganese, and cobalt, a doped metal material for improving stability and physical properties of the positive electrode active material may be further included. These doped metal materials include W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, It may be at least one element selected from the group consisting of Mg, B, and Mo.

이어서, 상기 중공형 복합 전이금속 전구체를 리튬 원료물질과 혼합하고 800 내지 870 ℃의 온도에서 소성하되, 상기 소성에 의해 성장한 입자들이 단입자 형태로 파핑(popping)될 때까지 과소성하여 단입자 형태의 복합전이금속 산화물을 제조한다(S2).Then, the hollow composite transition metal precursor is mixed with a lithium raw material and calcined at a temperature of 800 to 870° C., but the particles grown by the calcination are over-baked until they are popped into a single particle form. A composite transition metal oxide of (S2) is prepared.

본 발명자들은 단입자 형태의 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 제조시, 상대적으로 밀도가 낮게 형성되는 시드(코어)가 없는 중공형의 복합 전이금속 전구체를 이용하면, 소성에 의해 성장한 입자들이 단입자 형태로 파핑(popping)될 때까지 단입자 형성을 위해 과소성 하는 온도를 낮출 수 있다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다. 여기서 파핑(popping)이란, 소성에 의해 1차 입자가 성장하면서 입자들끼리 서로 떨어져 나가 단입자로 형성되는 것을 의미한다. 과소성이란 파핑이 이루어질 때까지 소성을 진행하는 것을 의미한다. 과소성 온도를 낮추어 단입자 형태의 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질을 제조할 수 있게 됨으로서, 고온 과소성에 따른 양극 활물질의 저하 현상을 개선할 수 있다. When the present inventors use a hollow composite transition metal precursor without a seed (core) having a relatively low density when preparing a single particle type high content of nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material, the growth by firing The present invention was completed after confirming that the temperature for under-calcining to form single particles can be lowered until the particles are popped in the form of single particles. Here, popping means that the primary particles are grown by firing and the particles are separated from each other to form single particles. Under-firing means that the firing is carried out until the popping is made. By lowering the under-calcination temperature, it is possible to manufacture a single-particle type lithium composite transition metal oxide cathode active material with a high content of nickel, thereby improving the deterioration of the cathode active material due to high-temperature under-firing.

즉, 통상적으로 코어부에 시드를 포함하는 복합전이금속 전구체 입자를 이용하여 과소성할 때 과소성 온도를 낮출 경우, 복합전이금속 전구체 입자의 쉘 부분보다 상대적으로 밀도가 낮은 시드 부분으로 인하여 복합전이금속 2차 입자가 잘 성장되지 않으므로 이에 따라 입자들이 파핑(popping)이 잘 되지 않게 되어 단입자 형성이 어렵고 복합전이금속 전구체 입자의 시드 부분은 그대로 남는 현상이 발생한다. 반면, 본 발명에 따라 상대적으로 밀도가 높은 쉘부만으로 이루어진 중공형 복합전이금속 전구체 입자를 이용하여 과소성하면, 통상적인 복합전이금속 전구체 입자를 이용할 때보다 낮은 온도에서 과소성하여도 쉘부가 잘 성장하여 파핑(popping)됨으로서 단입자가 용이하게 형성된다.That is, when the under-calcination temperature is lowered when under-calcining using composite transition metal precursor particles including a seed in the core portion, the composite transition occurs due to a seed portion having a relatively lower density than the shell portion of the composite transition metal precursor particle. Since the secondary metal particles do not grow well, the particles are not well popped, so that it is difficult to form single particles, and the seed portion of the composite transition metal precursor particles remains as it is. On the other hand, according to the present invention, when the hollow composite transition metal precursor particles composed only of the shell portion having a relatively high density are under-calcined, the shell portion grows well even when under-calcining at a lower temperature than when using conventional composite transition metal precursor particles. By being popped, single particles are easily formed.

리튬 원료물질로는, 당해 기술 분야에서 알려져 있는 다양한 리튬 원료물질이 제한 없이 사용될 수 있는데, 예를 들면, 리튬 함유 탄산염(예를 들어, 탄산리튬 등), 리튬 함유 수화물 (예를 들어 수산화리튬 수화물(LiOH·H2O) 등), 리튬 함유 수산화물(예를 들어 수산화리튬 등), 리튬 함유 질산염(예를 들어, 질산리튬(LiNO3) 등), 리튬 함유 염화물(예를 들어, 염화리튬(LiCl) 등) 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 리튬 원료 물질은 수산화리튬, 수산화리튬 수화물 및 탄산 리튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.As the lithium raw material, various lithium raw materials known in the art may be used without limitation, for example, lithium-containing carbonate (eg, lithium carbonate, etc.), lithium-containing hydrate (eg, lithium hydroxide hydrate). (LiOH·H 2 O), etc.), lithium-containing hydroxides (such as lithium hydroxide), lithium-containing nitrates (such as lithium nitrate (LiNO 3 ), etc.), lithium-containing chlorides (such as lithium chloride ( LiCl), etc.) may be used. Preferably, the lithium raw material may be at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide, lithium hydroxide hydrate, and lithium carbonate.

(S2)의 과소성 온도는 800 내지 870 ℃의 온도이다. 과소성 온도가 870 ℃ 미만이면 소성에 의해 성장한 입자들이 단입자 형태로 파핑(popping)되어 단입자 형태가 되기가 어렵고, 870 ℃를 초과하면 고온 소성에 따라 생성된 고함량 니켈 함유 양극 활물질 입자의 용량 저하가 발생하게 된다. 바람직하게는, 과소성 온도가 830 내지 850 ℃인 것이 온도를 비교적 낮추면서도 단입자 형성에 특히 용이하다.The undercalcination temperature of (S2) is a temperature of 800 to 870 °C. If the under-calcination temperature is less than 870 ℃, the particles grown by sintering are popped in the form of single particles, making it difficult to form single-particles, and if it exceeds 870 ℃, capacity drop will occur. Preferably, it is particularly easy to form single particles while the temperature is relatively low that the under-calcination temperature is 830 to 850°C.

과소성 시간은 전술한 바와 같이 소성에 의해 성장하는 입자가 파핑(popping)되어 단입자로 형성될 때까지 진행하는데, 예를 들어 5 내지 20시간을 소성할 수 있다. 필요에 따라, 잘 알려진 바와 같이 과소성 전에 과소성 온도보다 낮은 온도로 가소성을 진행할 수 있다.As described above, the under-firing time proceeds until the particles growing by firing are popped and formed into single particles, for example, 5 to 20 hours may be fired. If necessary, as is well known, the plasticizing may be performed at a temperature lower than the under-firing temperature before the under-firing.

과소성한 후에 형성된 입자들을 필요에 따라 분쇄, 분급 및 수세하여 최종적인 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자를 제조할 수 있다.The particles formed after over-calcination may be pulverized, classified, and washed as necessary to finally prepare single particles of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing nickel having a high content.

전술한 방법으로 제조한 양극 활물질 단입자의 리튬 복합전이금속 산화물은 고함량의 니켈과 망간, 코발트 등의 전이금속을 적어도 1종 이상 포함하는 복합 전이금속과 니켈의 산화물로서, 보다 구체적으로는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.The lithium composite transition metal oxide of the single particles of the positive active material prepared by the above method is an oxide of a composite transition metal and nickel containing at least one transition metal such as high content nickel, manganese, and cobalt, and more specifically, the following It may be one represented by the formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

Lix[NiyCozMnw]O2 Li x [Ni y Co z Mn w ]O 2

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

0.8≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z<0.1, 0<w<0.1이고, y+z+w=1이다.0.8≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z<0.1, 0<w<0.1, and y+z+w=1.

도핑 원소가 더 포함되는 경우 y+z+w<이 된다.When a doping element is further included, it becomes y+z+w<.

여기서“리튬 복합전이금속 산화물로 된 단입자 형태의 양극 활물질"이란, 제조된 전체 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질 입자들이 2차 입자의 형태가 아닌 단일의 입자들이거나, 적어도 80% 이상이 단일의 입자들인 것을 의미한다. 단입자의 평균크기(D50)는 2.0~9.0 um일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Here, “a single particle type cathode active material made of lithium composite transition metal oxide” means that the positive active material particles made of all lithium composite transition metal oxides are single particles, not secondary particles, or at least 80% or more It means single particles The average size (D50) of the single particles may be 2.0 ~ 9.0 um, but is not limited thereto.

이렇게 제조된 고함량 리튬 복합전이금속 산화물로 된 양극 활물질 단입자들은 양극 집전체 상에 코팅되어 아래와 같은 방법으로 이용될 수 있다. The single particles of the positive electrode active material made of the high-content lithium composite transition metal oxide prepared in this way can be coated on the positive electrode current collector and used in the following way.

예를 들어 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.For example, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or carbon, nickel on the surface of aluminum or stainless steel. , titanium, silver, or the like surface-treated may be used. In addition, the positive electrode current collector may typically have a thickness of 3 to 500 μm, and may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface of the current collector. For example, it may be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a non-woven body.

양극 활물질층은 상기 양극 활물질과 함께, 도전재 및 필요에 따라 선택적으로 바인더를 포함할 수 있다. 이때 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 80 내지 99중량%, 보다 구체적으로는 85 내지 98.5중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기한 함량범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있다.The positive electrode active material layer may optionally include a conductive material and, if necessary, a binder together with the positive active material. In this case, the positive active material may be included in an amount of 80 to 99% by weight, more specifically 85 to 98.5% by weight, based on the total weight of the positive active material layer. When included in the above content range, excellent capacity characteristics may be exhibited.

도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 내지 15 중량%로 포함될 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the configured battery, it can be used without any particular limitation as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity. Specific examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers, such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one or a mixture of two or more thereof may be used. The conductive material may be included in an amount of 0.1 to 15% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.

바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 내지 15 중량%로 포함될 수 있다.The binder serves to improve adhesion between the positive active material particles and adhesion between the positive active material and the current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylalcohol, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose Woods (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and any one of them or a mixture of two or more thereof may be used. The binder may be included in an amount of 0.1 to 15% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.

양극은 상기한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기한 양극 활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을 양극집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조할 수 있다. The positive electrode may be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method except for using the above positive electrode active material. Specifically, the positive electrode active material and, optionally, a composition for forming a positive electrode active material layer prepared by dissolving or dispersing a binder and a conductive material in a solvent may be coated on a positive electrode current collector, and then dried and rolled.

또한, 다른 방법으로, 양극은 상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.Alternatively, the positive electrode may be manufactured by casting the composition for forming the positive electrode active material layer on a separate support and then laminating a film obtained by peeling it from the support on the positive electrode current collector.

전술한 방법으로 제조한 양극은 전지, 커패시터 등과 같은 전기화학소자에 이용될 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지에 이용될 수 있다.The positive electrode manufactured by the above method may be used in an electrochemical device such as a battery or a capacitor, and more specifically, may be used in a lithium secondary battery.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. Hereinafter, examples will be given to describe the present invention in detail. However, the embodiment according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiment described in detail below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

<평가 방법><Evaluation method>

평균 입경 등의 측정Measurement of average particle size, etc.

중공형 복합전이금속 전구체의 쉘부의 평균 밀도는 헬륨 피코노미터로 측정하였다.The average density of the shell portion of the hollow composite transition metal precursor was measured with a helium piconometer.

단입자의 평균 입균 입경(D50)은 입경 분포 곡선에서 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의되는데, 양극 활물질 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28kHz의 초음파를 출력 40W로 조사한 후, 측정 장치에 있어서의 체적 누적량의 50%에 해당하는 평균 입경(D50)을 산출하였다.The average particle diameter (D50) of single particles is defined as the particle diameter corresponding to 50% of the cumulative volume in the particle size distribution curve. After introducing and irradiating an ultrasonic wave of about 28 kHz with an output of 40 W, the average particle diameter (D50) corresponding to 50% of the volume accumulation in the measuring device was calculated.

한편, 중곡형 복합전이금속 전구체의 코어부 평균 직경 및 쉘부의 평균 두께는 아래 기술된 간접 방법에 따라 소성 입자를 제조한 후, 입자를 절단하고 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 사용하여 코어부의 평균 직경, 쉘부의 평균 두께를 측정하였다. On the other hand, the average diameter of the core part and the average thickness of the shell part of the mid-curved composite transition metal precursor were obtained by preparing the fired particles according to the indirect method described below, then cutting the particles and using a scanning electron microscope (SEM). The average diameter of the core part and the average thickness of the shell part were measured.

초기용량 평가Initial dose evaluation

제조된 단입자 양극재는 최종적으로 coin half cell(CHC)을 제조하여 성능 평가를 실시하였다. 평가에 앞서 제작한 양극재 전극은 양극재 분말은 도전재, 바인더와 혼합하여 만든 슬러리를 Al foil위에 코팅하여 제작하였다. 전극 제작 시 양극 활물질과, PvdF 바인더 및 카본블랙의 비율은 97.5 : 1.5 : 1.0의 비율로 NMP 용액에 분산시켜 싱키 믹서(thinky mixer)를 사용하여 혼합하여 전극 슬러리를 제조한 후 이를 Al 집전체에 도포하였다. 이후 롤 프레스로 압연하여 양극을 제조하였다.The prepared single-particle cathode material was finally manufactured by manufacturing a coin half cell (CHC) and performance evaluation was performed. The cathode material electrode prepared prior to evaluation was prepared by coating the cathode material powder with a conductive material and a binder on Al foil. When manufacturing the electrode, the ratio of the positive electrode active material, PvdF binder, and carbon black is 97.5: 1.5: 1.0, dispersed in NMP solution, mixed using a thinky mixer to prepare an electrode slurry, and then added to the Al current collector. was applied. Then, it was rolled by a roll press to prepare a positive electrode.

또한, 카운터 전극으로서 리튬 메탈을 사용하여 코인 하프셀을 제조하였다. In addition, a coin half cell was manufactured using lithium metal as a counter electrode.

이와 같이 제조된 코인 하프셀을 상온에서 충전 종지 전압 4.25V, 방전 종지 전압 3V, 0.2C/0.2C 조건으로 초기 충방전 용량을 측정하였다. The initial charging and discharging capacity of the coin half-cell prepared as described above was measured at room temperature under the conditions of a final charging voltage of 4.25V, a final discharging voltage of 3V, and 0.2C/0.2C.

실시예 1Example 1

Li[Ni0.92Co0.04Mn0.04]O2로 표시되는 양극 활물질 단입자 제조를 목표로 하여 다음과 같이 제조하였다.Li[Ni 0.92 Co 0.04 Mn 0.04 ]O 2 A positive active material single particle represented by the target was prepared as follows.

NiSO4, CoSO4, MnSO4를 니켈:코발트:망간의 몰비가 92:4:4가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 전이금속 수용액을 준비하였다. NiSO 4 , CoSO 4 , and MnSO 4 were mixed in water in an amount such that the molar ratio of nickel:cobalt:manganese was 92:4:4 to prepare an aqueous transition metal solution.

상기 전이금속 수용액이 담겨있는 용기, 20중량% 농도의 NaOH 수용액이 담겨있는 용기 및 NH4OH 수용액이 담겨있는 용기를 각각 배치 반응기(10L)에 연결하였다.A vessel containing the transition metal aqueous solution, a vessel containing an aqueous solution of NaOH having a concentration of 20% by weight, and a vessel containing an aqueous NH4OH solution were respectively connected to a batch reactor (10L).

이어서, 상기 반응기에 탈이온수를 넣은 뒤 질소 기체를 반응기에 2L/min의 속도로 퍼징하여 물 속의 용존 산소를 제거하고 반응기 내를 비산화 분위기로 조성하였다. 이후 NaOH 수용액과 NH4OH 수용액을 투입한 후, 30℃에서 200rpm의 교반속도로 교반하여, 반응기 내의 pH를 8로 조절하였다.Then, after adding deionized water to the reactor, nitrogen gas was purged into the reactor at a rate of 2 L/min to remove dissolved oxygen in the water, and a non-oxidizing atmosphere was created in the reactor. After the NaOH aqueous solution and NH 4 OH aqueous solution were added, the mixture was stirred at 30° C. at a stirring speed of 200 rpm, and the pH in the reactor was adjusted to 8.

이후 상기 전이금속 수용액을 0.8L/hr, NaOH 수용액을 0.54L/hr, NH4OH 수용액을 0.06L/hr의 속도로 반응기에 투입하며 pH 13에서 40시간 동안 침전 반응을 진행하여, 복합 전이금속 수산화물을 제조하였다.Thereafter, the transition metal aqueous solution was introduced into the reactor at a rate of 0.8L/hr, NaOH aqueous solution 0.54L/hr, and NH 4 OH aqueous solution 0.06L/hr, and the precipitation reaction was carried out at pH 13 for 40 hours, the composite transition metal Hydroxide was prepared.

얻어진 중공형 복합전이금속 전구체의 쉘부 평균 밀도는 1.7 g/cm3 이었다.The average density of the shell portion of the obtained hollow composite transition metal precursor was 1.7 g/cm 3 .

상술한 방법으로 수득한 중공형 복합전이금속 전구체를 리튬 원료물질로서 수산화리튬을 혼합하고, 알루미나 도가니에 투입하고 산소 농도가 95 부피%인 분위기에서 830 ℃로 승온한 후 10시간 동안 온도를 유지하면서 소성한 다음 냉각시킨 후, 입자간 네킹(necking)을 깨기 위하여 분쇄하였다. The hollow composite transition metal precursor obtained by the above method was mixed with lithium hydroxide as a lithium raw material, put into an alumina crucible, and the temperature was raised to 830 ° C in an atmosphere with an oxygen concentration of 95 vol% while maintaining the temperature for 10 hours. After calcination and cooling, the particles were pulverized to break necking between particles.

이어서, 수득된 결과는 목표한 조성식의 양극 활물질 단입자((단입자의 평균크기(D50) = 5 um)를 얻었다.Subsequently, as a result, single particles of the positive electrode active material of the target composition formula ((average size of single particles (D50) = 5 um) were obtained.

한편, 본 명세서에서 중공형 복합전이금속 전구체의 코어부 평균 직경과 쉘부 평균두께는 다음의 간접적인 방법으로 측정하였고 이와 같이 정의된다. 중공형 복합전이금속 전구체를 상기 기재된 제조방법에 따라 리튬 원료물질과 혼합하여 소성하되, 소성온도를 760 ℃로 승온한 후 10시간 동안 소성하였다. 도 1은 중공형 복합 전이금속 전구체를 이와 같은 방법으로 소성하여 형성한 입자의 단면 SEM 사진이다. 코어부의 평균 직경은 4 um, 쉘부의 평균 두께는 2.0 um이었다.Meanwhile, in the present specification, the average diameter of the core part and the average thickness of the shell part of the hollow composite transition metal precursor were measured by the following indirect method and are defined as follows. The hollow composite transition metal precursor was mixed with a lithium raw material according to the manufacturing method described above and calcined, but the calcination temperature was raised to 760 °C and calcined for 10 hours. 1 is a cross-sectional SEM photograph of particles formed by sintering a hollow composite transition metal precursor in this way. The average diameter of the core part was 4 um, and the average thickness of the shell part was 2.0 um.

실시예 2Example 2

Li[Ni0.92Co0.04Mn0.04]O2로 표시되는 양극 활물질 단입자 제조를 목표로 하여 다음과 같이 제조하였다.Li[Ni 0.92 Co 0.04 Mn 0.04 ]O 2 A positive active material single particle represented by the target was prepared as follows.

NiSO4, CoSO4, MnSO4를 니켈:코발트:망간의 몰비가 92:4:4가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 전이금속 수용액을 준비하였다. NiSO 4 , CoSO 4 , and MnSO 4 were mixed in water in an amount such that the molar ratio of nickel:cobalt:manganese was 92:4:4 to prepare an aqueous transition metal solution.

상기 전이금속 수용액이 담겨있는 용기, 20중량% 농도의 NaOH 수용액이 담겨있는 용기 및 NH4OH 수용액이 담겨있는 용기를 각각 배치 반응기(10L)에 연결하였다.A vessel containing the transition metal aqueous solution, a vessel containing an aqueous solution of NaOH having a concentration of 20% by weight, and a vessel containing an aqueous NH4OH solution were respectively connected to a batch reactor (10L).

이어서, 상기 반응기에 탈이온수를 넣은 뒤 질소 기체를 반응기에 2L/min의 속도로 퍼징하여 물 속의 용존 산소를 제거하고 반응기 내를 비산화 분위기로 조성하였다. 이후 NaOH 수용액과 NH4OH 수용액을 투입한 후, 30℃에서 200rpm의 교반속도로 교반하여, 반응기 내의 pH를 8로 조절하였다.Then, after adding deionized water to the reactor, nitrogen gas was purged into the reactor at a rate of 2 L/min to remove dissolved oxygen in the water, and a non-oxidizing atmosphere was created in the reactor. After the NaOH aqueous solution and NH 4 OH aqueous solution were added, the mixture was stirred at 30° C. at a stirring speed of 200 rpm, and the pH in the reactor was adjusted to 8.

이후 상기 전이금속 수용액을 0.8L/hr, NaOH 수용액을 0.54L/hr, NH4OH 수용액을 0.06L/hr의 속도로 반응기에 투입하며 pH 12에서 40시간 동안 침전 반응을 진행하여, 복합 전이금속 수산화물을 제조하였다.Thereafter, the transition metal aqueous solution was introduced into the reactor at a rate of 0.8 L/hr, NaOH aqueous solution 0.54 L/hr, and NH 4 OH aqueous solution at a rate of 0.06 L/hr, and the precipitation reaction was performed at pH 12 for 40 hours, the composite transition metal Hydroxide was prepared.

중공형 복합전이금속 전구체의 쉘부 평균 밀도는 1.55 g/cm3이었다. The average density of the shell portion of the hollow composite transition metal precursor was 1.55 g/cm 3 .

이를 이용하여 소성 온도를 850 ℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 양극 활물질 단입자((단입자의 평균크기(D50) = 5.3 um)를 얻었다.Using this, it was carried out in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was changed to 850 °C to obtain single positive active material particles ((average size of single particles (D50) = 5.3 um).

한편, 전술한 방법으로 간접적으로 측정한 중공형 복합전이금속 전구체의 코어부의 평균 직경은 4 um, 쉘부의 평균 두께는 2.5 um이었다.On the other hand, the average diameter of the core part of the hollow composite transition metal precursor measured indirectly by the above-described method was 4 um, and the average thickness of the shell part was 2.5 um.

비교예 1Comparative Example 1

NiSO4, CoSO4, MnSO4를 니켈:코발트:망간의 몰비가 92:4:4가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 전이금속 수용액을 준비하였다. NiSO 4 , CoSO 4 , and MnSO 4 were mixed in water in an amount such that the molar ratio of nickel:cobalt:manganese was 92:4:4 to prepare an aqueous transition metal solution.

상기 전이금속 수용액이 담겨있는 용기, 25중량% 농도의 NaOH 수용액이 담겨있는 용기 및 NH4OH 수용액이 담겨있는 용기를 각각 배치 반응기(10L)에 연결하였다.A vessel containing the transition metal aqueous solution, a vessel containing an aqueous NaOH solution having a concentration of 25% by weight, and a vessel containing an aqueous NH 4 OH solution were respectively connected to a batch reactor (10L).

이어서, 상기 반응기에 탈이온수 질소 기체를 반응기에 2L/min의 속도로 퍼징하여 물 속의 용존 산소를 제거하고 반응기 내를 비산화 분위기로 조성하였다. 이후 NaOH 수용액, NH4OH 수용액을 투입한 후, 60℃에서 1000rpm의 교반속도로 교반하여, 반응기 내의 pH를 12.5로 조절하였다.Then, the reactor was purged with deionized water nitrogen gas at a rate of 2 L/min to remove dissolved oxygen in the water, and a non-oxidizing atmosphere was created in the reactor. Thereafter, an aqueous NaOH solution and an aqueous NH4OH solution were added, followed by stirring at a stirring speed of 1000 rpm at 60° C. to adjust the pH in the reactor to 12.5.

이후 상기 전이금속 수용액을 1.7L/hr, NaOH 수용액을 0.54L/hr, NH4OH 수용액을 0.06L/hr의 속도로 반응기에 투입하며 pH 10.5에서 40시간 동안 침전 반응을 진행하여, 복합 전이금속 수산화물을 제조하였다.Thereafter, the transition metal aqueous solution was put into the reactor at a rate of 1.7L/hr, NaOH aqueous solution 0.54L/hr, and NHOH aqueous solution 0.06L/hr, and the precipitation reaction was carried out at pH 10.5 for 40 hours to obtain a complex transition metal hydroxide prepared.

수득한 복합전이금속 전구체를 실시예 1과 동일한 방법으로 소성하여 그 입자를 확인한 결과 도 2와 같이, 코어부가 채워진 형태임을 확인할 수 있다.The obtained composite transition metal precursor was calcined in the same manner as in Example 1, and as a result of checking the particles, it can be confirmed that the core portion is filled as shown in FIG. 2 .

이 전구체를 이용하되 소성 온도를 850℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. This precursor was used, except that the firing temperature was changed to 850° C., and the same procedure as in Example 1 was performed.

비교예 2Comparative Example 2

소성 온도를 900℃로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다. It was carried out in the same manner as in Comparative Example 1, except that the firing temperature was changed to 900°C.

  전구체 타입Precursor type 과소성 온도
(℃)
underfiring temperature
(℃)
단입자 형성 여부Whether single particles are formed 초기용량(mA/g)
충전/방전
Initial capacity (mA/g)
charge/discharge
실시예 1Example 1 중공형 전구체 hollow precursor 830830 OO 236/206236/206 실시예 2Example 2 중공형 전구체 hollow precursor 850850 OO 234/204234/204 비교예 1Comparative Example 1 시드 구비
전구체
seed
precursor
850850 XX 235/200235/200
비교예 2Comparative Example 2 시드 구비
전구체
seed
precursor
900900 OO 224/195224/195

표 1의 결과로부터, 실시예 1 및 2는 비교적 낮은 과소성 온도에서도 단입자가 잘 형성되었음을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 1은 실시예 2보다 쉘부의 밀도가 높은 중공형 전구체를 사용함으로서 보다 낮은 온도에서도 단입자가 잘 형성되었다(도 3 참조).From the results in Table 1, it can be seen that in Examples 1 and 2, single particles were well formed even at a relatively low under-calcination temperature. In particular, in Example 1, single particles were well formed even at a lower temperature by using a hollow precursor having a higher density of the shell portion than in Example 2 (see FIG. 3).

반면, 비교예 1에 따라 통상적인 시드 구비 전구체를 이용하여 과소성시 850℃에서도 단입자가 형성되지 않고 서로 뭉쳐져 있음을 확인하였으며(도 4), 이로 인해 비교예 2에 따라 과소성 온도를 900 ℃로 높여야만 단입자가 형성되었다.On the other hand, according to Comparative Example 1, it was confirmed that single particles were not formed and agglomerated even at 850° C. during over-calcination using a conventional seed-equipped precursor ( FIG. 4 ), and for this reason, according to Comparative Example 2, the under-calcination temperature was set at 900 ° C. A single particle was formed only when it was raised to .

다만, 비교예 2의 단입자들도 도 5에서 확인되듯이 시드 부분(원으로 표시된 부분)은 단입자로 형성되지 않고 뭉쳐져 남아 있었다. However, the single particles of Comparative Example 2 also remained agglomerated without being formed as single particles in the seed portion (the portion indicated by a circle) as confirmed in FIG. 5 .

Claims (10)

(S1) 빈 공간으로 된 코어부 및 상기 코어부를 둘러싼 쉘부로 이루어진 중공형 입자 형태를 가지며, 전체 전이금속 중 니켈 함유량이 80 몰% 이상인 중공형 복합전이금속 전구체를 준비하는 단계; 및
(S2) 상기 중공형 복합 전이금속 전구체를 리튬 원료물질과 혼합하고 800 내지 870 ℃의 온도에서 소성하되, 상기 소성에 의해 성장한 입자들이 단입자 형태로 파핑(popping)될 때까지 과소성하여 단입자 형태의 복합전이금속 산화물을 제조하는 단계를 포함하는, 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
(S1) preparing a hollow composite transition metal precursor having a hollow particle shape comprising a hollow core and a shell surrounding the core, and having a nickel content of 80 mol% or more in the total transition metal; and
(S2) The hollow composite transition metal precursor is mixed with a lithium raw material and calcined at a temperature of 800 to 870° C., but under calcined until the particles grown by the calcination are popped in the form of single particles. A method for preparing single particles of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel, comprising the step of preparing a composite transition metal oxide of the form.
제1항에 있어서,
상기 니켈 함유량이 80 몰% 이상인 중공형 복합전이금속 전구체는 니켈-망간-코발트 전구체인 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
According to claim 1,
The hollow composite transition metal precursor having the nickel content of 80 mol% or more is a nickel-manganese-cobalt precursor.
제1항에 있어서,
상기 쉘부의 평균 밀도는 1.3 g/cm3 이상인 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
According to claim 1,
The average density of the shell portion is 1.3 g/cm 3 or more.
제1항에 있어서,
상기 쉘부의 평균 밀도는 1.7 g/cm3 이상인 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
According to claim 1,
The average density of the shell part is 1.7 g/cm 3 or more.
제1항에 있어서,
상기 중공형 복합전이금속 전구체의 코어부의 평균 직경은 1 내지 8 um이고, 상기 쉘부의 평균 두께는 1 내지 8 um인 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
The method of claim 1,
The average diameter of the core portion of the hollow composite transition metal precursor is 1 to 8 μm, and the average thickness of the shell portion is 1 to 8 μm Preparation of high-content nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material single particles Way.
제1항에 있어서,
상기 리튬 원료물질은 수산화리튬, 수산화리튬 수화물 및 탄산리튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
The method of claim 1,
The lithium raw material is a method of manufacturing a single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel, characterized in that at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide, lithium hydroxide hydrate and lithium carbonate.
제1항에 있어서,
상기 (S2)의 과소성 온도는 830 내지 850 ℃인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel, characterized in that the under-calcination temperature of (S2) is 830 to 850 °C.
제1항에 있어서,
상기 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 평균 입경은 2 내지 9 um인 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel, characterized in that the average particle diameter of the single particle of the high content nickel-containing lithium composite transition metal oxide positive electrode active material is 2 to 9 um.
제1항에 있어서,
상기 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 단입자의 제조방법:
<화학식 1>
Lix[NiyCozMnw]O2
상기 화학식 1에서,
0.8≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z<0.1, 0<w<0.1이고, y+z+w=1이다.
According to claim 1,
The lithium composite transition metal oxide containing nickel of high content is a method of manufacturing a lithium composite transition metal oxide positive electrode single particle containing high content of nickel, characterized in that represented by the following formula (1):
<Formula 1>
Li x [Ni y Co z Mn w ]O 2
In Formula 1,
0.8≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z<0.1, 0<w<0.1, and y+z+w=1.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 형성된 고함량의 니켈 함유 리튬 복합전이금속 산화물 양극 활물질 단입자.[10] A single particle of a lithium composite transition metal oxide positive electrode active material containing a high content of nickel formed according to the method of any one of claims 1 to 9.
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