KR20220097196A - 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 리튬 복합 산화물을 포함하되, 상기 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 소정의 두께로 형성됨에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 입자의 안정성을 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 양극을 사용하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 리튬 복합 산화물을 포함하되, 상기 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 소정의 두께로 형성됨에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 입자의 안정성을 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 양극을 사용하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 저장하는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 차이에 의하여 전기 에너지를 저장하는 리튬 이차 전지가 있다.
상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합 산화물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 복합 산화물들이 연구되고 있다.
상기 양극 활물질들 중에 LiCoO2은 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다.
LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다. 또한, LiNiO2계 양극 활물질은 높은 방전 용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, Li과 전이금속 간의 양이온 혼합(cation mixing) 문제로 인해 합성이 어려우며, 그에 따라 레이트(rate) 특성에 큰 문제점이 있다.
또한, 이러한 양이온 혼합의 심화 정도에 따라 다량의 Li 부산물이 발생하게 되고, 이들 Li 부산물의 대부분은 LiOH 및 Li2CO3의 화합물로 이루어져 있어서, 양극 페이스트 제조시 겔(gel)화되는 문제점과 전극 제조 후 충방전 진행에 따른 가스 발생의 원인이 된다. 잔류 Li2CO3는 셀의 스웰링 현상을 증가시켜 사이클을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리가 부풀어 오르는 원인이 된다.
한편, 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물은 충방전시 리튬 복합 산화물에 대한 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션에 따라 부피 변화를 수반하게 된다. 보통 리튬 복합 산화물은 복수의 1차 입자가 응집된 2차 입자 형태인데, 충방전시 1차 입자들의 급격한 부피 변화가 발생하거나, 반복된 충방전에 따른 스트레스가 누적될 경우, 2차 입자 내 크랙(crack)이 발생하거나, 결정 구조의 붕괴 또는 결정 구조의 변화(상전이)가 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제는 결국 양극 활물질의 안정성 및 신뢰성을 저하시키는 원인으로 작용하기 때문에 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 최소화하여 입자의 손상을 방지하기 위한 다양한 연구들이 이어져 오고 있다.
리튬 이차전지 시장에서는 전기 자동차용 리튬 이차전지의 성장이 시장의 견인 역할을 하고 있는 가운데, 리튬 이차전지에 사용되는 양극재의 수요 역시 지속적으로 변화하고 있다.
예를 들어, 종래에는 안전성 확보 등의 관점에서 LFP를 사용한 리튬 이차전지가 주로 사용되어 왔으나, 최근들어 LFP 대비 중량당 에너지 용량이 큰 니켈계 리튬 복합 산화물의 사용이 확대되는 추세이다.
이에 따라, 보다 고사양의 리튬 이차전지에 사용되는 양극 활물질은 더욱 가혹한 작동 조건 하에서도 적절히 기대되는 안정성 및 신뢰성을 모두 충족시킬 필요가 있다.
기존에는 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 최소화하여 입자의 손상을 방지하기 위해 1차 입자간 소정의 공극이 존재하도록 함으로써 1차 입자의 부피 변화에 따른 응력이 분산되도록 한 바 있다. 그러나, 이러한 리튬 복합 산화물은 단위 부피당 에너지 밀도가 낮다는 한계가 존재한다.
또한, 리튬 복합 산화물의 열화는 주로 입자의 표면 또는 입자간 계면에서 발생하기 때문에 입자의 표면 및/또는 계면을 코팅함으로써 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 줄일 수 있다. 일반적으로 리튬 복합 산화물은 많은 수의 1차 입자들이 응집되어 형성된 2차 입자 형태인데, 이 때 1차 입자의 표면 및/또는 계면을 충분히 코팅하기 위해서는 코팅을 위해 필요한 원료 물질의 함량 역시 늘어날 수 밖에 없다. 이 경우, 최종품 내 코팅 원소의 함량이 많아지고, 이에 따라 니켈의 함량이 줄어듬에 따라 양극 활물질의 충/방전 용량이 낮아질 우려가 있다.
이에 따라, 본 발명은 상대적으로 적은 양의 코팅 원료 물질을 사용하더라도 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서도 충분한 입자 보호 효과가 발휘될 수 있도록 입자의 응집 정도가 낮은 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 소정의 두께로 형성됨에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 입자의 안정성을 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 본원에서 정의된 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 본원에서 정의된 양극을 사용하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적(예를 들어, 전기 자동차용)으로 제한되지 않으며 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질로서, 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 기준으로 상기 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 소정의 두께로 형성됨에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 입자의 안정성을 향상된 양극 활물질이 제공된다.
구체적으로, 상기 양극 활물질 중 상기 리튬 복합 산화물에는 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 기준으로 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 제1 구간 및 상기 제1 구간의 내측으로 코발트의 농도가 소정의 범위 내로 유지되는 제2 구간이 구획될 수 있다.
이 때, 상기 리튬 복합 산화물의 단면으로부터 측정된 평균 반직경을 d라 할 때, 상기 평균 반직경(d)과 상기 제1 구간의 두께(d1)의 비(d1/d)는 0.08 내지 0.27 내에 존재함으로써 상기 리튬 복합 산화물의 표면 및/또는 계면 코팅을 위해 사용한 코팅 원료 물질의 함량을 최소화하면서 상기 리튬 복합 산화물의 표면부 및 중심부 내 입자의 충분한 보호 효과가 발휘되도록 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬 복합 산화물을 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자에 대하여 하기의 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하일 수 있다.
[식 1]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수)
이 때, 상기 리튬 복합 산화물은 단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자일 수 있으며, 이 경우 상기 식 1에 따라 상기 리튬 복합 산화물로부터 계산된 결정립계 밀도는 0일 것이다.
상기 리튬 복합 산화물은 단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자인 경우, 상기 단입자의 단면을 기준으로 상기 단입자의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 제1 구간 및 상기 제1 구간의 내측으로 코발트의 농도가 소정의 범위 내로 유지되는 제2 구간이 구획될 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질은 복수의 리튬 복합 산화물의 집합체일 수 있다. 즉, 상기 양극 활물질은 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 동일 또는 상이한 복수의 리튬 복합 산화물의 집합체로서 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 양극 활물질 중 상기 리튬 복합 산화물을 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자에 대하여 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하인 리튬 복합 산화물의 비율이 30% 이상인 것이 바람직하다.
다른 실시예에 있어서, 상기 리튬 복합 산화물의 표면에서의 입자 안정성을 높이기 위해 상기 리튬 복합 산화물의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층이 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본원에 정의된 양극 활물질을 포함하는 양극이 제공된다.
아울러, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본원에 정의된 양극을 사용하는 리튬 이차전지가 제공된다.
전술한 바와 같이, 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물은 충방전시 리튬 복합 산화물에 대한 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션에 따라 부피 변화를 필연적으로 수반할 수 밖에 없다. 이 때, 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 최소화하여 입자의 손상을 방지할 수 있는 방안은 여러가지나 존재할 수 있으나, 아직까지 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물의 손상에 기인한 리튬 이차전지의 열화 문제는 충분히 해소되었다고 보기 어렵다.
그러나, 본 발명에 따르면, 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 리튬 복합 산화물을 포함하되, 상기 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 소정의 두께로 형성됨에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 입자의 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
이에 따라, 본 발명에 따른 양극 활물질을 사용할 경우, 양극 활물질에 기인한 리튬 이차전지의 성능 열화를 늦추는 것이 가능할 것이다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 양극 활물질 및 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
양극 활물질
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질이 제공된다. 또한, 상기 리튬 복합 산화물은 니켈 및 코발트 이외 리튬을 포함하며, 리튬 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 층상 결정 구조를 가지는 복합 금속 산화물이다.
상기 리튬 복합 산화물 중 코발트는 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 가질 수 있다. 상기 리튬 복합 산화물 중 전이 금속의 농도는 공지된 다양한 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 복합 산화물을 단면 처리한 후 EDS 매핑을 통해 타겟 전이 금속의 농도 변화를 line scanning 방식으로 측정할 수 있다. 즉, 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향하는 방향으로 타겟 전이 금속의 농도 변화를 확인할 수 있다.
또한, 상기 리튬 복합 산화물의 표면으로 조사하는 전자빔(electron beam)의 가속 전압(Vacc)을 변화시키면서 가속 전압별 전자빔이 침투한 특정 깊이에서의 타겟 전이 금속의 농도를 측정하는 Engery Profiling-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EP-EDS) 방식이 있다.
이 때, 상기 코발트의 농도 구배는 상기 리튬 복합 산화물은 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 연속적으로 감소하거나 불연속적으로 감소하는 농도 구배일 수 있다.
즉, 상기 코발트의 농도를 측정하는 임의의 구간 내 시점으로부터 종점까지 상기 코발트의 농도가 감소할 경우, 상기 코발트는 상기 임의의 구간 내 시점으로부터 종점을 향해 감소하는 농도 구배를 가지는 것으로 지칭할 수 있다.
상기 리튬 복합 산화물의 단면을 기준으로 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 영역을 제1 구간으로 정의할 수 있다. 이 때, 상기 제1 구간의 시점이 되는 상기 리튬 복합 산화물의 표면부는 상기 리튬 복합 산화물의 최외곽에 해당한다. 또한, 상기 제1 구간의 종점은 후술할 상기 제2 구간의 시점과 동일하다.
상기 제1 구간의 내측으로는 상기 리튬 복합 산화물 중 코발트의 농도가 소정의 범위 내로 유지되는 영역이 존재하며, 상기 영역을 제2 구간으로 정의할 수 있다.
상기 제1 구간의 시점과 종점 사이의 코발트의 농도 변화의 기울기와 비교할 때 상기 제2 구간 내 코발트의 농도의 변화가 유의미하지 않으며, 상기 제1 구간의 시점과 종점 사이의 코발트의 농도 변화의 기울기보다 작은 기울기를 나타내는 영역을 상기 제2 구간으로 정의할 수 있다.
또한, 상기 리튬 복합 산화물 중 상기 코발트의 농도 변화율이 10mol% 이하인 영역을 제2 구간으로 정의할 수도 있으며, 이 때, 상기 코발트의 농도 변화율은 임의의 영역의 시점과 종점에서의 코발트의 농도를 비교하여 산출된 변화율이거나, 상기 제2 구간 중 코발트의 평균 농도와 상기 제2 구간 중 임의의 지점에서의 코발트의 농도의 차이를 지칭할 수 있다.
정리하자면, 본 발명에 따른 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물에는 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 기준으로 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 제1 구간 및 상기 제1 구간의 내측으로 코발트의 농도가 소정의 범위 내로 유지되는 제2 구간이 구획된다.
이 때, 상기 리튬 복합 산화물의 단면으로부터 측정된 평균 반직경을 d라 할 때, 상기 평균 반직경(d)과 상기 제1 구간의 두께(d1)의 비(d1/d)는 0.08 내지 0.27이며, 상기 평균 반직경(d)과 상기 제2 구간의 두께(d2)의 비(d2/d)는 0.73 내지 0.92인 것이 바람직하다.
상기 평균 반직경(d)과 상기 제1 구간의 두께(d1)의 비(d1/d)가 0.08 보다 작을 경우, 상기 리튬 복합 산화물 중 코발트가 상기 리튬 복합 산화물의 최외곽에 과도하게 가까이 존재함에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 내측으로 크랙(crack) 발생, 결정 구조의 붕괴 또는 결정 구조의 변화(상전이)와 같은 입자 손상을 충분히 방지하기 어려울 수 있다.
한편, 상기 평균 반직경(d)과 상기 제1 구간의 두께(d1)의 비(d1/d)가 0.27 보다 클 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 중심부 내 코발트의 함량이 과도하게 많아지고, 이에 따라 니켈의 함량이 줄어듬에 따라 상기 리튬 복합 산화물을 사용한 리튬 이차전지의 충/방전 용량이 낮아질 수 있다.
상기 제1 구간 중 Co/Ni의 평균 몰비는 0.25 내지 0.39이며, 상기 제1 구간 중 평균 Co 농도(c1)와 상기 리튬 복합 산화물에 대하여 ICP 분석에 기초하여 측정된 평균 Co 농도(c)의 비는 1.70 내지 2.60인 것이 바람직하다.
상기 제1 구간 중 Co/Ni의 몰비가 0.25 보다 작거나, 상기 제1 구간 중 평균 Co 농도(c1)와 상기 리튬 복합 산화물에 대하여 ICP 분석에 기초하여 측정된 평균 Co 농도(c)의 비가 1.70 보다 작다는 것은 상기 제1 구간 내 코발트가 충분히 존재하지 않을 뿐만 아니라, 상기 제1 구간보다 코발트의 함량이 적은 상기 제2 구간 내 코발트의 함량 역시 과도하게 낮다는 것을 의미한다.
이 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 표면부 및 중심부에 존재하는 입자의 손상(예를 들어, 결정 구조의 붕괴, 결정 구조의 변화(상전이))을 충분히 방지하기 어려울 수 있다.
달리 표현하면, 상기 리튬 복합 산화물이 복수의 1차 입자가 응집된 2차 입자인 경우, 상기 2차 입자의 표면부(또는 상기 2차 입자의 표면부에 위치하고, 외기에 노출된 1차 입자의 표면) 및 상기 2차 입자의 중심부에 위치하는 상기 1차 입자의 표면에 대한 보호 효과가 부족함에 따라 상기 2차 입자의 표면부 및 중심부에 위치하는 1차 입자의 손상(예를 들어, 결정 구조의 붕괴, 결정 구조의 변화(상전이))초래할 수 있다.
반면에, 상기 제1 구간 중 Co/Ni의 평균 몰비가 0.39 보다 크거나, 상기 제1 구간 중 평균 Co 농도(c1)와 상기 리튬 복합 산화물에 대하여 ICP 분석에 기초하여 측정된 평균 Co 농도(c)의 비가 2.60 보다 크다는 것은 상기 제1 구간 중 코발트가 과도하게 집중됨에 따라 상기 제2 구간 내 코발트의 함량이 부족해지거나, 상기 제1 구간 중 코발트가 과잉의 상태로 존재함을 의미한다.
이 경우, 상기 제1 구간 중 코발트가 과도하게 집중됨에 따라 오히려 상기 리튬 복합 산화물을 사용한 리튬 이차전지의 충/방전 용량이 낮아지는 역효과가 발생하거나, 상기 제2 구간 내 코발트의 함량이 부족해짐에 따라 상기 리튬 복합 산화물의 중심부(상기 제2 구간에 대응하는 영역)에서 결정 구조의 붕괴 또는 결정 구조의 변화(상전이)와 같은 입자 손상을 충분히 방지하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 제2 구간 중 Co/Ni의 평균 몰비는 타겟으로 하는 리튬 복합 산화물의 조성에 따라 달라질 수 있으나, 상기 리튬 복합 산화물을 사용한 리튬 이차전지의 충/방전 용량을 향상시키기 위해 0.090 보다 작은 것이 바람직하다. 만약 상기 제2 구간 중 Co/Ni의 평균 몰비가 0.089인 경우, 적어도 상기 제1 구간의 종점에서의 Co/Ni의 평균 몰비는 0.089 이상일 것이다.
상기 제2 구간 중 Co/Ni의 몰비가 커질수록 상기 리튬 복합 산화물을 사용한 리튬 이차전지의 충/방전 용량 이 낮아질 수 있다.
또한, 상기 제2 구간 중 Co/Ni의 몰비가 커질수록 상기 리튬 복합 산화물을 제조하기 위해 동일한 양의 코발트 함유 원료 물질을 사용하였다는 전제 하에 상대적으로 상기 제1 구간 내 코발트의 함량이 부족함을 의미할 수도 있다. 이 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 표면부에서의 입자 보호 효과가 불충분할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬 복합 산화물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 P, Sr, Ba, Ti, Zr, Mn, Al, W, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Cr, V, Fe, Zn, Si, Y, Ga, Sn, Mo, Ge, Nd, B, Nb, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이하며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0≤y≤0.20, 0≤z≤0.20이다)
상기 화학식 1로 표시되는 상기 리튬 복합 산화물은 상기 제1 구간 내 코발트의 농도에 대응하는 x와 상기 제2 구간 내 코발트의 농도에 대응하는 x는 서로 다른 값을 가질 것이다. 또한, 상기 제1 구간과 상기 제2 구간에서 코발트의 농도가 상이함에 따라 니켈, M1 및 M2로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 원소의 농도 역시 다를 수 있다.
상기 리튬 복합 산화물은 상기 제1 구간과 상기 제2 구간 중 코발트를 포함하는 적어도 하나의 금속 원소의 농도가 다르다 하더라도 ICP 분석에 의해 측정되는 평균 조성으로서 표시될 수 있다.
상기 리튬 복합 산화물은 상기 화학식 1에서 Ni, Co, M1 및 M2의 농도(mol%)가 하기의 관계식 1을 만족하는 high-Ni 타입의 리튬 복합 산화물일 수 있다.
[관계식 1]
Ni/(Ni+Co+M1+M2) ≥ 80.0
또한, 상기 리튬 복합 산화물 상기 화학식 1에서 Ni, Co, M1 및 M2의 농도(mol%)가 상기 관계식 1을 만족함과 동시에 Co의 함량이 10mol% 이하, 바람직하게는 5mol% 이하인 high-Ni / low-Co 타입의 리튬 복합 산화물일 수 있다.
즉, 상기 리튬 복합 산화물은 상기 화학식 1에서 Ni, Co, M1 및 M2의 농도(mol%)가 하기의 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
Co/(Ni+Co+M1+M2) ≤ 5.0
일반적으로, 적어도 니켈 및 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물에 있어서, Ni의 함량이 증가할수록 Li/Ni cation mixing에 의한 리튬 복합 산화물의 구조적 불안정성이 초래될 수 있음이 알려져 있다. 또한, 적어도 니켈 및 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물에 있어서, 코발트의 함량이 줄어들수록 초기 과전압(저항)이 증가하며, 이에 따라 율 특성의 저하가 불가피한 것으로 알려져 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물은 상기 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 소정의 두께로 형성됨에 따라 high-Ni 타입 또는 high-Ni / low-Co 타입의 리튬 복합 산화물의 구조적 불안정성 및 율 특성의 저하를 완화 및/또는 방지할 수 있다.
한편, 본원에 정의된 양극 활물질에 포함된 상기 리튬 복합 산화물은 적어도 하나의 1차 입자(primary particle)를 포함하는 2차 입자(secondary particle)일 수 있다. 이 때, 상기 1차 입자는 결정자(crystallite)로서 표현될 수 있다.
여기서, "적어도 하나의 1차 입자를 포함하는 2차 입자"는 "복수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자" 또는 "단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자"를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기 1차 입자 및 상기 2차 입자는 각각 독립적으로 막대 형상, 타원 형상 및/또는 부정형 형상을 가질 수 있다.
상기 1차 입자 및 상기 2차 입자의 크기를 나타내는 지표로서 평균 장축 길이를 사용할 경우, 상기 리튬 복합 산화물을 구성하는 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.1μm 내지 5μm일 수 있으며, 상기 2차 입자의 평균 장축 길이는 1μm 내지 30μm일 수 있다. 상기 2차 입자의 평균 장축 길이는 상기 2차 입자를 구성하는 상기 1차 입자의 수에 따라 달라질 수 있으며, 상기 양극 활물질 내에는 다양한 평균 장축 길이를 가지는 입자가 포함될 수 있다.
상기 리튬 복합 산화물이 "단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자"이거나, "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 경우, "단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자" 또는 "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자" 내 포함된 1차 입자의 크기(평균 입경)는 "수십~수백개 또는 그 이상의 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자" 내에 포함된 1차 입자(평균 입경)보다 클 수 있다.
이와 같이, "단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자"이거나, "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 리튬 복합 산화물은 일반적으로 "수십~수백개 또는 그 이상의 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자"를 제조하는 경우 대비 강한 열처리 조건(높은 열처리 온도/장시간 열처리)을 요구한다. 상대적으로 고온(예를 들어, 800℃ 이상)에서 장시간 열처리할 경우, 입자 성장(결정 성장)이 촉진되어 단일의 입자의 크기가 커짐과 동시에 입자의 응집도가 낮아진 양극 활물질이 수득되는 것으로 알려져 있다.
예를 들어, 상기 리튬 복합 산화물이 "단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자"이거나, "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 경우, 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.5μm 내지 20μm 범위 내에 존재할 수 있다. 반면에, 상기 리튬 복합 산화물이 "복수(수십~수백개 또는 그 이상)의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 경우, 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.1μm 내지 5μm 범위 내에 존재할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 상대적으로 적은 양의 코팅 원료 물질을 사용하더라도 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서도 충분한 입자 보호 효과가 발휘될 수 있도록 입자(결정자)의 응집 정도가 낮다.
상기 리튬 복합 산화물의 응집 정도는 본원에서 정의된 결정립계 밀도에 의해 측정될 수 있다.
구체적으로, 상기 결정립계 밀도는 상기 리튬 복합 산화물을 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수와 결정자 사이의 경계면의 수를 하기의 식 1에 대입하여 계산될 수 있다.
[식 1]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수)
이 때, 상기 리튬 복합 산화물은 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 복합 산화물이 단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자인 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수는 1개이며, 이에 따라 결정자 사이의 경계면은 존재하지 않으므로, 상기 식 1에 따라 계산되는 결정립계 밀도는 0이 된다.
또한, 상기 리튬 복합 산화물이 비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자인 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자(1차 입자)의 수는 2개이며, 이에 따라 결정자 사이의 경계면은 1개가 존재하므로, 상기 식 1에 따라 계산되는 결정립계 밀도는 0.5가 된다.
일반적으로 리튬 복합 산화물은 많은 수의 1차 입자들이 응집되어 형성된 2차 입자 형태인데, 이 때 1차 입자의 표면 및/또는 계면을 충분히 코팅하기 위해서는 코팅을 위해 필요한 원료 물질의 함량 역시 늘어날 수 밖에 없으며, 이에 따라 최종품 내 코팅 원소의 함량이 많아져 양극 활물질의 충/방전 용량 또는 가역 효율이 낮아질 우려가 있다. 또한, 동일 함량의 코팅 원료 물질을 사용한다는 전제 하에 상기 2차 입자 내 1차 입자의 수가 많아질수록 상기 2차 입자 내로 침투하는 코팅 원료 물질의 상대적인 함량이 늘어나기 때문에 상기 2차 입자의 표면에 존재하는 코팅 원소의 함량이 줄어들 수 있다.
이에 따라, 전술한 결정립계 밀도의 정의를 만족하는 본 발명에 따른 리튬 복합 산화물은 상대적으로 적은 양의 코팅 원료 물질을 사용하더라도 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서도 충분한 입자 보호 효과가 발휘될 수 있다는 이점이 있다.
한편, 상기 양극 활물질은 복수의 리튬 복합 산화물의 집합체일 수 있다. 즉, 상기 양극 활물질은 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 동일 또는 상이한 복수의 리튬 복합 산화물의 집합체로서 제공될 수 있다.
이 때, 상기 양극 활물질 중 상기 리튬 복합 산화물을 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자에 대하여 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하인 리튬 복합 산화물의 비율이 30% 이상인 것이 바람직하다.
상기 양극 활물질 중 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하인 리튬 복합 산화물의 비율은 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 복수의 리튬 복합 산화물의 결정립계 밀도를 각각 계산한 후 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 리튬 복합 산화물의 전체 수 대비 결정립계 밀도가 0.50 이하인 리튬 복합 산화물의 수의 비율로서 계산될 수 있다.
상기 양극 활물질 중 상기 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하인 리튬 복합 산화물의 비율이 30% 보다 작다는 것은 상기 양극 활물질 중 다결정 형태의 리튬 복합 산화물의 과량으로 존재한다는 것을 의미한다.
이는 결국 본원에서 정의된 리튬 복합 산화물의 평균 반직경 대비 제1 구간의 두께 및 상기 제1 구간 중 소정의 코발트의 농도를 달성하기 위해 사용하여야 할 코발트 함유 원료 물질이 과도하게 많이 투입될 필요가 있다는 것을 의미한다. 이 경우, 복수의 리튬 복합 산화물의 집합체로서 제공되는 양극 활물질 내 코발트의 평균 함량이 많아지고, 그에 따라 Ni의 비율이 낮아져 양극 활물질의 충/방전 용량이 낮아질 우려가 있다 또한, 양극 활물질을 제조하기 위해 사용되는 코발트 함유 원료 물질의 양이 늘어남에 따라 양극 활물질의 제조 단가가 증가한다는 문제가 있다.
추가적으로, 상기 리튬 복합 산화물의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 코팅층에는 하기의 화학식 2로 표시되는 적어도 1종의 금속 산화물이 존재한다. 즉, 상기 코팅층은 상기 리튬 복합 산화물의 표면 중 하기의 화학식 2로 표시되는 산화물이 존재하는 영역으로 정의될 수 있다.
[화학식 2]
LiaM3bOc
(여기서,
M3은 Ni, Mn, Co, Fe, Cu, Nb, Mo, Ti, Al, Cr, Zr, Zn, Na, K, Ca, Mg, Pt, Au, B, P, Eu, Sm, W, Ce, V, Ba, Ta, Sn, Hf, Ce, Gd 및 Nd로부터 선택되는 적어도 하나이며,
0≤a≤10, 0≤b≤8, 2≤c≤13이다)
또한, 상기 코팅층은 하나의 층 내 이종의 금속 산화물이 동시에 존재하거나, 이종의 금속 산화물이 각각 별개의 층에 존재하는 형태일 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 금속 산화물은 상기의 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 산화물과 물리적 및/또는 화학적으로 결합된 상태일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물은 상기의 화학식 1로 표시되는 1차 입자와 고용체를 형성한 상태로 존재할 수도 있다.
상기 리튬 복합 산화물이 단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자인 경우, 상기 금속 산화물은 상기 단입자의 표면에 부분적으로 또는 전체적으로 존재할 수 있다.
반면에, 상기 리튬 복합 산화물이 복수의 1차 입자가 응집된 2차 입자인 경우, 상기 금속 산화물은 상기 복수의 1차 입자 사이의 계면 및 상기 2차 입자의 표면에 부분적으로 또는 전체적으로 존재할 수 있다.
상기 금속 산화물이 입자 표면에 부분적으로 존재할 경우, 상기 코팅층은 아일랜드(island) 형태로서 존재할 수 있다
리튬 이차전지
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극이 제공될 수 있다. 여기서, 상기 양극 활물질층은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 활물질을 포함할 수 있다. 따라서, 양극 활물질은 앞서 설명한 바와 동일하므로, 편의상 구체적인 설명을 생략하고, 이하에서는 나머지 전술되지 아니한 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 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. 또한, 상기 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.
상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질과 함께 도전재 및 필요에 따라 선택적으로 바인더를 포함하는 양극 슬러리 조성물을 상기 양극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다.
이 때, 상기 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 80 내지 99wt%, 보다 구체적으로는 85 내지 98.5wt%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기한 함량범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 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 15wt%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 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 wt%로 포함될 수 있다.
상기 양극은 상기한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기한 양극 활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극 슬러리 조성물을 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조할 수 있다.
상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 상기 양극은 상기 양극 슬러리 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 양극을 포함하는 전기화학소자가 제공될 수 있다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지, 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 구체적으로, 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 양극은 앞서 설명한 바와 동일하므로, 편의상 구체적인 설명을 생략하고, 이하에서는 전술되지 아니한 나머지 구성에 대해서만 구체적으로 설명한다.
상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 상기 음극 및 상기 분리막의 전극 조립체를 수납하는 전지용기 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3μm 내지 500μm의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 상기 음극 활물질과 함께 도전재 및 필요에 따라 선택적으로 바인더를 포함하는 음극 슬러리 조성물을 상기 음극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다.
상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ (0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또한, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극 활물질은 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 80 내지 99wt%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10wt%로 첨가될 수 있다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 10wt% 이하, 바람직하게는 5wt% 이하로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질층은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극 슬러리 조성물을 도포하고 건조함으로써 제조되거나, 또는 상기 음극 슬러리 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질층은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극 슬러리 조성물을 도포하고 건조하거나, 또는 상기 음극 슬러리 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또한, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN (R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0 M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 wt%로 포함될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 수명 특성을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다. 또한, 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및/또는 이를 포함하는 전지팩이 제공될 수 있다.
상기 전지모듈 또는 상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범주위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는다 할 것이다.
제조예. 양극 활물질의 제조
실시예 1
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 알루미늄을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 91:8:1 (at%))를 합성하였다. 합성된 수산화물 전구체는 450℃까지 분당 10℃로 승온하고, 450℃에서 6시간 동안 저온 소성하여 산화시켰다.
(b) 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03) 및 NaOH (Na/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.01)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 820℃까지 분당 2℃로 승온하고, 820℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(c) 상기 리튬 복합 산화물을 기준으로 3.0mol%의 황산 코발트를 포함하는 수용액을 준비하고, 상기 황산 코발트 수용액에 상기 리튬 복합 산화물, 착화제 및 pH 조절제를 투입하여 혼합물을 제조한 다음, 1시간 동안 교반하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 탈수한 후 120℃에서 12시간 동안 건조하였다.
(d) 상기 리튬 복합 산화물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며, 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 8시간 동안 제2 열처리하여 Li1.0Ni0.876Co0.109Al0.011Na0.004O2 조성을 가지는 리튬 복합 산화물을 수득하였다. 상기 리튬 복합 산화물의 조성은 ICP 분석을 통해 확인하였다.
실시예 2
단계 (b)에서 제1 열처리 온도가 850℃인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
실시예 3
단계 (b)에서 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03), NaOH (Na/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.01) 및 KCl (K/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.01)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 900℃까지 분당 2℃로 승온하고, 900℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 수득한 리튬 복합 산화물을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
실시예 3에서 수득한 리튬 복합 산화물에 대하여 ICP 분석을 통해 확인한 조성은 Li1.0Ni0.871Co0.108Al0.011Na0.003K0.007O2이었다.
실시예 4
단계 (d)에서 제2 열처리를 6시간 동안 실시한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
실시예 5
단계 (d)에서 제2 열처리를 10시간 동안 실시한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
실시예 6
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 알루미늄을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 91:8:1 (at%))를 합성하였다. 합성된 수산화물 전구체는 450℃까지 분당 10℃로 승온하고, 450℃에서 6시간 동안 저온 소성하여 산화시켰다.
(b) 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03) 및 NaOH (Na/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.01)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 820℃까지 분당 2℃로 승온하고, 820℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(c) 상기 리튬 복합 산화물을 기준으로 3.0mol%의 황산 코발트 및 1.0mol%의 황산 알루미늄을 포함하는 수용액을 준비하고, 상기 황산 코발트 수용액에 상기 리튬 복합 산화물, 착화제 및 pH 조절제를 투입하여 혼합물을 제조한 다음, 1시간 동안 교반하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 탈수한 후 120℃에서 12시간 동안 건조하였다.
(d) 상기 리튬 복합 산화물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며, 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 8시간 동안 제2 열처리하여 Li1.0Ni0.865Co0.108Al0.023Na0.004O2 조성을 가지는 리튬 복합 산화물을 수득하였다. 상기 리튬 복합 산화물의 조성은 ICP 분석을 통해 확인하였다.
비교예 1
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 알루미늄을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 91:8:1 (at%))를 합성하였다. 합성된 수산화물 전구체는 450℃까지 분당 10℃로 승온하고, 450℃에서 6시간 동안 저온 소성하여 산화시켰다.
(b) 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 720℃까지 분당 2℃로 승온하고, 720℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(c) 상기 리튬 복합 산화물을 기준으로 3.0mol%의 황산 코발트를 포함하는 수용액을 준비하고, 상기 황산 코발트 수용액에 상기 리튬 복합 산화물, 착화제 및 pH 조절제를 투입하여 혼합물을 제조한 다음, 1시간 동안 교반하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 탈수한 후 120℃에서 12시간 동안 건조하였다.
(d) 상기 리튬 복합 산화물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며, 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 8시간 동안 제2 열처리하여 (Li1.0Ni0.879Co0.109Al0.012O2) 조성을 가지는 리튬 복합 산화물을 수득하였다. 상기 리튬 복합 산화물의 조성은 ICP 분석을 통해 확인하였다.
비교예 2
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 알루미늄을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 91:8:1 (at%))를 합성하였다. 합성된 수산화물 전구체는 450℃까지 분당 10℃로 승온하고, 450℃에서 6시간 동안 저온 소성하여 산화시켰다.
(b) 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03) 및 NaOH (Na/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.01)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 820℃까지 분당 2℃로 승온하고, 820℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(c) 상기 리튬 복합 산화물을 증류수에 투입하여 혼합물을 제조한 다음, 1시간 동안 교반하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 탈수한 후 120℃에서 12시간 동안 건조하였다.
(d) 상기 리튬 복합 산화물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며, 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 8시간 동안 제2 열처리하여 Li1.0Ni0.905Co0.081Al0.011Na0.003O2 조성을 가지는 리튬 복합 산화물을 수득하였다. 상기 리튬 복합 산화물의 조성은 ICP 분석을 통해 확인하였다.
비교예 3
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 알루미늄을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 91:8:1 (at%))를 합성하였다. 합성된 수산화물 전구체는 450℃까지 분당 10℃로 승온하고, 450℃에서 6시간 동안 저온 소성하여 산화시켰다.
(b) 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 820℃까지 분당 2℃로 승온하고, 820℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(c) 상기 리튬 복합 산화물을 기준으로 3.0mol%의 황산 코발트를 포함하는 수용액을 준비하고, 상기 황산 코발트 수용액에 상기 리튬 복합 산화물, 착화제 및 pH 조절제를 투입하여 혼합물을 제조한 다음, 1시간 동안 교반하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 탈수한 후 120℃에서 12시간 동안 건조하였다.
(d) 상기 리튬 복합 산화물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며, 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 8시간 동안 제2 열처리하여 Li1.0Ni0.880Co0.109Al0.011O2) 조성을 가지는 리튬 복합 산화물을 수득하였다. 상기 리튬 복합 산화물의 조성은 ICP 분석을 통해 확인하였다.
비교예 4
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 알루미늄을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 91:8:1 (at%))를 합성하였다. 합성된 수산화물 전구체는 450℃까지 분당 10℃로 승온하고, 450℃에서 6시간 동안 저온 소성하여 산화시켰다.
(b) 상기 산화물 전구체와 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.03) 및 NaOH (Na/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.01)를 혼합한 후, 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 820℃까지 분당 2℃로 승온하고, 820℃에서 12시간 동안 제1 열처리하여 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(c) 상기 리튬 복합 산화물을 기준으로 3.0mol%의 황산 코발트를 포함하는 수용액을 준비하고, 상기 황산 코발트 수용액에 상기 리튬 복합 산화물, 착화제 및 pH 조절제를 투입하여 혼합물을 제조한 다음, 1시간 동안 교반하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 탈수한 후 120℃에서 12시간 동안 건조하였다.
(d) 상기 리튬 복합 산화물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며, 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 18시간 동안 제2 열처리하여 Li1.0Ni0.874Co0.111Al0.011Na0.004O2 조성을 가지는 리튬 복합 산화물을 수득하였다. 상기 리튬 복합 산화물의 조성은 ICP 분석을 통해 확인하였다.
제조예 2. 리튬 이차전지의 제조
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질 각각 92wt%, 인조 흑연 4wt%, PVDF 바인더 4wt%를 N-메틸-2 피롤리돈(NMP) 30g에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 두께 15μm의 알루미늄 박막에 균일하게 도포하고 135℃에서 진공 건조하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다.
상기 양극에 대하여 리튬 호일을 상대 전극(counter electrode)으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막(Celgard 2300, 두께: 25μm)을 분리막으로 하고, 에틸렌카보네이트 및 에틸메틸카보네이트가 3:7의 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6가 1.15M 농도로 존재하는 전해액을 사용하여 코인 전지를 제조하였다.
실험예 1. 양극 활물질의 구조 분석
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물의 결정립계 밀도를 측정하기 위해 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 2차 입자 내 1차 입자의 응집 정도를 확인하였다.
우선, 제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물을 각각 선별한 후, 상기 리튬 복합 산화물을 FIB (Ga-ion source)를 이용하여 단면 처리한 후 주사형 전자 현미경을 사용하여 단면 SEM 이미지를 촬영하였다.
이어서, 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 복수의 입자들에 대하여 각각 상기 입자의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수와 결정자 사이의 경계면의 수를 하기의 식 1에 대입하여 결정립계 밀도를 계산하였다.
[식 1]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수)
그리고, 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 복수의 입자들 중 상기 식 1에 따라 계산된 결정립계 밀도가 0.5 이하인 입자의 비율을 산출하였으며, 상기 산출 결과는 하기의 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 결정립계 밀도(분율%) | |
| 0.5 이하 | 0.5 초과 | |
| 실시예 1 | 45 | 55 |
| 실시예 2 | 56 | 44 |
| 실시예 3 | 72 | 28 |
| 실시예 4 | 45 | 55 |
| 실시예 5 | 45 | 55 |
| 실시예 6 | 45 | 55 |
| 비교예 1 | 0 | 100 |
| 비교예 2 | 45 | 55 |
| 비교예 3 | 45 | 55 |
| 비교예 4 | 45 | 55 |
실험예 2. 양극 활물질의 조성 분석
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물 중 코발트의 농도 변화를 확인하기 위해 SEM/EDX 분석을 실시하였다.
우선, 제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물을 각각 선별한 후, 상기 리튬 복합 산화물을 FIB (Ga-ion source)를 이용하여 단면 처리한 후 주사형 전자 현미경을 사용하여 단면 SEM 이미지를 촬영하였다.
이어서, 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 복수의 입자들 중 10개를 선별한 후, 선별된 입자들에 대한 EDS 분석을 통해 타겟 전이 금속인 코발트를 mapping하고, line scanning을 통해 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향하는 방향으로 코발트의 농도 변화를 확인하였다.
이 때, 상기 리튬 복합 산화물의 단면 SEM 이미지를 기준으로 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 영역을 제1 구간으로 정의하고, 상기 제1 구간의 내측으로 코발트의 농도가 소정의 범위(코발트의 농도 변화율이 10mol% 이하)로 유지되는 영역을 제2 구간으로 정의하였다.
상기 분석 결과는 하기의 표 2 및 표 3에 기재되었으며, 표 2에 기재된 결과값은 각각의 실시예 및 비교예에 따른 양극 활물질 중 복수의 리튬 복합 산화물로부터 측정된 평균값을 나타내었다.
| 구분 | d (μm) | d1 (μm) | d1/d |
| 실시예 1 | 2.80 | 0.23 | 0.08 |
| 실시예 2 | 2.14 | 0.25 | 0.12 |
| 실시예 3 | 1.67 | 0.35 | 0.21 |
| 실시예 4 | 2.65 | 0.24 | 0.09 |
| 실시예 5 | 2.79 | 0.32 | 0.11 |
| 실시예 6 | 1.95 | 0.21 | 0.11 |
| 비교예 1 | 7.20 | 0.06 | 0.01 |
| 비교예 2 | 6.94 | 0.00 | 0.00 |
| 비교예 3 | 3.13 | 0.11 | 0.03 |
| 비교예 4 | 2.77 | 0.77 | 0.28 |
| 구분 | c1 (mol%) | n1 (mol%) | c1/n1 | c1/c | c2 (mol%) | n2 (mol%) |
c2/n2 |
| 실시예 1 | 0.246 | 0.754 | 0.326 | 2.253 | 0.080 | 0.920 | 0.087 |
| 실시예 2 | 0.240 | 0.760 | 0.316 | 2.202 | 0.079 | 0.921 | 0.086 |
| 실시예 3 | 0.226 | 0.774 | 0.292 | 2.093 | 0.077 | 0.923 | 0.084 |
| 실시예 4 | 0.249 | 0.751 | 0.332 | 2.284 | 0.080 | 0.920 | 0.087 |
| 실시예 5 | 0.234 | 0.766 | 0.305 | 2.147 | 0.079 | 0.921 | 0.086 |
| 실시예 6 | 0.242 | 0.758 | 0.319 | 2.241 | 0.080 | 0.920 | 0.087 |
| 비교예 1 | 0.303 | 0.697 | 0.434 | 2.778 | 0.082 | 0.918 | 0.090 |
| 비교예 2 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 | 0.083 | 0.917 | 0.091 |
| 비교예 3 | 0.284 | 0.716 | 0.397 | 2.606 | 0.082 | 0.918 | 0.089 |
| 비교예 4 | 0.187 | 0.813 | 0.230 | 1.685 | 0.080 | 0.920 | 0.087 |
d : 리튬 복합 산화물의 평균 반직경
d1 : line sum spectrum 그래프로부터 확인된 제1 구간의 두께
c1 : 제1 구간 중 Co의 평균 농도(mol%)
n1 : 제1 구간 중 Ni의 평균 농도(mol%)
c : 리튬 복합 산화물에 대하여 ICP 분석에 기초하여 측정된 평균 Co 농도
c2 : 제2 구간 중 Co의 평균 농도(mol%)
n2 : 제2 구간 중 Ni의 평균 농도(mol%)
실험예 3. 리튬 이차전지의 전기화학적 특성 평가
제조예 2에서 제조된 리튬 이차전지(코인 셀)에 대하여 전기화학분석장치(Toyo, Toscat-3100)를 이용하여 25℃, 전압범위 3.0V ~ 4.25V, 0.2C의 방전율을 적용하여 충방전 실험을 실시하여, 충전 및 방전 용량을 측정하였다
또한, 동일한 리튬 이차전지에 대하여 25℃, 3.0V ~ 4.25V의 구동 전압 범위 내에서 1C/1C의 조건으로 50회 충/방전을 실시한 후 초기 용량 대비 50사이클째 방전용량의 비율(사이클 용량 유지율; capacity retention)을 측정하였다.
상기 측정 결과는 하기의 표 4에 나타내었다.
| 구분 | 충전용량(mAh/g) | 방전용량(mAh/g) | 충방전 효율(%) | Retention@50cy (%) |
| 실시예 1 | 234.4 | 214.7 | 91.6% | 94.7% |
| 실시예 2 | 237.8 | 216.7 | 91.1% | 95.2% |
| 실시예 3 | 237.0 | 215.6 | 91.0% | 96.5% |
| 실시예 4 | 235.4 | 215.1 | 91.4% | 94.6% |
| 실시예 5 | 235.1 | 214.4 | 91.2% | 94.6% |
| 실시예 6 | 234.8 | 213.7 | 91.0% | 96.3% |
| 비교예 1 | 232.8 | 214.6 | 92.2% | 81.8% |
| 비교예 2 | 236.4 | 205.1 | 86.8% | 92.4% |
| 비교예 3 | 233.2 | 212.3 | 91.0% | 87.7% |
| 비교예 4 | 234.5 | 206.4 | 88.0% | 91.7% |
실험예 4. 리튬 이차전지의 안정성 평가
제조예 2와 동일한 방법으로 50mm × 65mm 파우치 형태의 리튬 이차전지를 제조하고, 상기 리튬 이차전지를 정전류 0.2C로 4.3V까지 충전한 후, 고온(70℃)에서 14일 동안 보관하여 리튬 이차전지 내 가스 발생에 기인한 리튬 이차전지의 부피 변화를 측정하였다. 부피 변화율은 고온 보관 전/후 부피를 각각 측정하여 고온 보관 전/후 부피 변화율을 %로 환산하였다.
상술한 방법에 따라 측정된 리튬 이차전지의 부피 변화율은 하기의 표 5에 나타내었다.
| 구분 | 부피 변화율(%) |
| 실시예 1 | 10.5% |
| 실시예 2 | 9.2% |
| 실시예 3 | 7.0% |
| 실시예 4 | 11.3% |
| 실시예 5 | 10.9% |
| 실시예 6 | 8.5% |
| 비교예 1 | 28.8% |
| 비교예 2 | 20.6% |
| 비교예 3 | 17.5% |
| 비교예 4 | 14.9% |
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
Claims (12)
- 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질로서,
상기 리튬 복합 산화물의 단면을 기준으로 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 제1 구간 및 상기 제1 구간의 내측으로 코발트의 농도가 소정의 범위 내로 유지되는 제2 구간이 구획되며,
상기 리튬 복합 산화물의 단면으로부터 측정된 평균 반직경을 d라 할 때, 상기 평균 반직경(d)과 상기 제1 구간의 두께(d1)의 비(d1/d)는 0.08 내지 0.27인,
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 구간 중 Co/Ni의 평균 몰비는 0.25 내지 0.39인,
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 구간 중 평균 Co 농도(c1)와 상기 리튬 복합 산화물에 대하여 ICP 분석에 기초하여 측정된 평균 Co 농도(c)의 비는 1.70 내지 2.60인,
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 평균 반직경(d)과 상기 제2 구간의 두께(d2)의 비(d2/d)는 0.73 내지 0.92인,
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 구간 중 상기 코발트의 농도 변화율은 10mol% 이하인,
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 리튬 복합 산화물은 하기의 화학식 1로 표시되는,
양극 활물질.
[화학식 1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 P, Sr, Ba, Ti, Zr, Mn, Al, W, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Cr, V, Fe, Zn, Si, Y, Ga, Sn, Mo, Ge, Nd, B, Nb, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이하며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0≤y≤0.20, 0≤z≤0.20이다)
- 제1항에 있어서,
상기 리튬 복합 산화물을 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자에 대하여 하기의 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하인,
양극 활물질.
[식 1]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수)
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 복수의 리튬 복합 산화물의 집합체로서,
상기 양극 활물질 중 상기 리튬 복합 산화물을 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자에 대하여 하기의 식 1로 계산되는 결정립계 밀도가 0.50 이하인 리튬 복합 산화물의 비율이 30% 이상인,
양극 활물질.
[식 1]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수)
- 제1항에 있어서,
상기 리튬 복합 산화물은 단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자이며,
상기 단입자의 단면을 기준으로 상기 단입자의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성된 제1 구간 및 상기 제1 구간의 내측으로 코발트의 농도가 소정의 범위 내로 유지되는 제2 구간이 구획되는,
양극 활물질.
- 제1항에 있어서,
상기 리튬 복합 산화물의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층을 더 포함하며,
상기 코팅층에는 하기의 화학식 2로 표시되는 적어도 1종의 금속 산화물이 존재하는,
양극 활물질.
[화학식 2]
LiaM3bOc
(여기서,
M3은 Ni, Mn, Co, Fe, Cu, Nb, Mo, Ti, Al, Cr, Zr, Zn, Na, K, Ca, Mg, Pt, Au, B, P, Eu, Sm, W, Ce, V, Ba, Ta, Sn, Hf, Ce, Gd 및 Nd로부터 선택되는 적어도 하나이며,
0≤a≤10, 0≤b≤8, 2≤c≤13이다)
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극.
- 제11항에 따른 양극을 사용하는 리튬 이차전지.
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