KR20220120468A - Sacrificial cathod meterials reduced gas generation, and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 전구체의 입도를 조절하여 희생 양극재의 전기 전도도를 특정 범위로 제어함으로써 충방전 시 가스 발생량이 저감된 희생 양극재를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조되는 희생 양극재에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a sacrificial cathode material having reduced gas generation during charging and discharging by controlling the particle size of a lithium precursor to control the electrical conductivity of the sacrificial cathode material to a specific range, and to a sacrificial cathode material manufactured according to the method.
최근 들어 전극 재료의 고용량화가 더욱 요구됨에 따라, 상기 비가역 첨가제에 대해서도 더욱 높은 비가역 용량을 가질 것이 요구되고 있다. 그러나, 이러한 높은 비가역 용량을 갖는 양극 첨가제의 개발에는 한계가 있었던 것이 사실이다.In recent years, as high-capacity electrode materials are more demanded, the irreversible additive is also required to have a higher irreversible capacity. However, it is true that there is a limit to the development of a positive electrode additive having such a high irreversible capacity.
한편, 상기 Li6CoO4와 같은 기존의 비가역 첨가제는 일반적으로 코발트 산화물 등을, 과량의 리튬 산화물과 반응시켜 제조된다. 이때, 반응에 참여하지 않은 미반응 리튬 산화물(Li2O) 등의 부산물이 최종 제조되는 비가역 첨가제에 잔류하게 되는데, 이는 충방전 과정에서 산화를 일으켜 전지 내부에서 산소 기체를 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생한 산소 기체는 부피 팽창 등을 유발하여 전지 성능의 저하를 초래하는 주된 요인의 하나로 작용할 수 있다.Meanwhile, the conventional irreversible additive such as Li 6 CoO 4 is generally prepared by reacting cobalt oxide or the like with an excess of lithium oxide. At this time, by-products such as unreacted lithium oxide (Li 2 O), which do not participate in the reaction, remain in the final manufactured irreversible additive, which may cause oxidation in the charging/discharging process to generate oxygen gas inside the battery. Oxygen gas thus generated may act as one of the main factors causing a decrease in battery performance by inducing volume expansion and the like.
따라서, 리튬 산화물 등의 부산물 잔류량이 작아 전지의 충방전 과정에서 발생되는 산소의 양이 적으면서도, 보다 높은 비가역 용량을 갖는 양극첨가제의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.Accordingly, there is a continuous demand for the development of a positive electrode additive having a higher irreversible capacity while a small amount of oxygen generated during the charging/discharging process of a battery is small due to a small residual amount of by-products such as lithium oxide.
이에, 본 발명의 목적은 전지의 충방전 과정에서 발생되는 산소의 양이 적으면서도, 보다 높은 비가역 용량을 갖는 양극 첨가제 및 이를 포함하는 양극과 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a positive electrode additive having a higher irreversible capacity while reducing the amount of oxygen generated during charging and discharging of a battery, and a positive electrode and a lithium secondary battery including the same.
상술된 문제를 해결하기 위하여,In order to solve the above-mentioned problem,
본 발명은 일실시예에서,The present invention in one embodiment,
산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)의 원료 혼합물을 소성하여 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 제조하는 단계를 포함하고,Comprising the step of calcining a raw material mixture of lithium oxide (Li 2 O) and cobalt oxide (CoO) to prepare a lithium cobalt metal oxide represented by the following formula (1),
상기 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50)은 50㎛ 이하이며,The average particle size (D50) of the lithium oxide (Li 2 O) is 50㎛ or less,
제조되는 희생 양극재의 전기 전도도는 1 × 10-4 S/cm 이상인 희생 양극재의 제조방법을 제공한다:Provided is a method for manufacturing a sacrificial cathode material having an electrical conductivity of 1 × 10 −4 S/cm or more:
[화학식 1][Formula 1]
LixCo(1-y)MyO4-zAz Li x Co (1-y) M y O 4-z A z
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Ti, Al, Zn, Zr, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종이고,M is at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Zn, Zr, Mn and Ni,
A는 산소 치환형 할로겐이며,A is an oxygen-substituted halogen,
x, y 및 z는 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, 및 0≤z≤0.001이다.x, y and z are 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, and 0≤z≤0.001.
여기서, 상기 전기 전도도는 1 × 10-3 S/㎝ 내지 9 × 10-3 S/㎝일 수 있다.Here, the electrical conductivity may be 1 × 10 -3 S/cm to 9 × 10 -3 S/cm.
또한, 상기 소성 시 온도는 500 내지 800℃일 수 있다.In addition, the firing temperature may be 500 to 800 ℃.
아울러, 상기 산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)의 원료 혼합물은 산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)를 2 내지 4 : 1의 몰 비율로 혼합된 것일 수 있다.In addition, the raw material mixture of lithium oxide (Li 2 O) and cobalt oxide (CoO) may be a mixture of lithium oxide (Li 2 O) and cobalt oxide (CoO) in a molar ratio of 2 to 4:1.
또한, 상기 산화리튬(Li2O)은 평균 입도(D50)가 15㎛ 내지 35㎛이고, 최소 입도(Dmin)가 2㎛ 이상일 수 있다.In addition, the lithium oxide (Li 2 O) may have an average particle size (D50) of 15 μm to 35 μm, and a minimum particle size (Dmin) of 2 μm or more.
이와 더불어. 상기 산화리튬(Li2O)은 단봉분포의 입도 분포를 가지며; 전체 입자의 80~90%가 10㎛ 내지 45㎛의 입도 범위에 존재하고, 전체 입자의 65~75%가 15㎛ 내지 35㎛의 입도 범위에 존재할 수 있다.In addition. The lithium oxide (Li 2 O) has a unimodal particle size distribution; 80 to 90% of the total particles may be present in a particle size range of 10 μm to 45 μm, and 65 to 75% of the total particles may be present in a particle size range of 15 μm to 35 μm.
아울러, 상기 제조방법에 의해 제조된 희생 양극재는 하기 식 1을 만족할 수 있다:In addition, the sacrificial cathode material manufactured by the above manufacturing method may satisfy
[식 1][Equation 1]
Vgas = -1.07 × DLi2O + AV gas = -1.07 × D Li2O + A
상기 식 1에서,In
Vgas는 희생 양극재를 포함하는 양극이 발생시키는 가스량(단위: mL/g)을 나타내고,V gas represents the amount of gas (unit: mL/g) generated by the positive electrode including the sacrificial positive electrode material,
DLi2O는 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50, 단위: ㎛)을 나타내며, 및D Li2O represents the average particle size (D50, unit: μm) of lithium oxide (Li 2 O), and
A는 상수로서, 128≤A≤132이다.A is a constant, and 128≤A≤132.
또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention in one embodiment,
양극 집전체; 및positive electrode current collector; and
상기 양극 집전체 상에 양극활물질, 도전재, 유기 바인더 고분자 및 희생 양극재를 함유하는 양극 합재층을 포함하고,a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material, a conductive material, an organic binder polymer, and a sacrificial positive electrode material on the positive electrode current collector;
상기 희생 양극재는 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 포함하며, 1 × 10-4 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 양극을 제공한다:The sacrificial cathode material includes a lithium cobalt metal oxide represented by the following Chemical Formula 1, and provides a cathode having an electrical conductivity of 1 × 10 −4 S/cm or more:
[화학식 1][Formula 1]
LixCo(1-y)MyO4-zAz Li x Co (1-y) M y O 4-z A z
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Ti, Al, Zn, Zr, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종이고,M is at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Zn, Zr, Mn and Ni,
A는 산소 치환형 할로겐이며,A is an oxygen-substituted halogen,
x, y 및 z는 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, 및 0≤z≤0.001이다.x, y and z are 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, and 0≤z≤0.001.
여기서, 상기 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상의 원소를 포함하는 리튬 복합 전이금속 산화물일 수 있다.Here, the cathode active material is nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), aluminum (Al), zinc (Zn), titanium (Ti), magnesium (Mg), chromium (Cr) and zirconium (Zr) It may be a lithium composite transition metal oxide containing two or more elements selected from the group consisting of.
아울러, 상기 희생 양극재의 함량은 양극활물질 100 중량부에 대하여 0.001 내지 5.0 중량부일 수 있다.In addition, the content of the sacrificial cathode material may be 0.001 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 양극을 포함하는 전극 조립체를 제공한다.Further, in one embodiment, the present invention provides an electrode assembly including the positive electrode.
나아가, 본 발명은 일실시예에서, 상기 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.Furthermore, in one embodiment, the present invention provides a lithium secondary battery including the electrode assembly.
본 발명에 따른 희생 양극재의 제조방법은 특정 크기를 만족하는 리튬 전구체를 사용하여 희생 양극재의 전기 전도도를 특정 범위로 조절함으로써 전지 충전 시 양극에서 발생되는 가스, 특히 산소(O2) 가스의 발생을 저감시킬 수 있으므로, 이를 포함하는 전지의 안정성과 수명을 향상시키는 효과가 우수하다.The method for manufacturing a sacrificial cathode material according to the present invention uses a lithium precursor satisfying a specific size to adjust the electrical conductivity of the sacrificial cathode material to a specific range, thereby reducing the generation of gas, particularly oxygen (O 2 ) gas, generated from the cathode during battery charging. Since it can be reduced, the effect of improving the stability and lifespan of a battery including the same is excellent.
도 1은 희생 양극제의 제조 시 사용된 산화리튬(Li2O)의 평균 입도별 45℃에서의 충방전 횟수에 따른 양극의 가스 발생량을 도시한 그래프이다.
도 2는 희생 양극제의 제조 시 사용된 산화리튬(Li2O)의 평균 입도별 60℃에서의 저장시간 (단위: 주)에 따른 양극의 가스 발생량을 도시한 그래프이다.
도 3은 희생 양극제의 제조 시 사용된 산화리튬(Li2O)의 평균 입도에 따른 양극의 가스 발생량을 도시한 그래프이다.
도 4는 희생 양극제의 제조 시 사용된 산화리튬(Li2O)의 평균 입도에 따른 희생 양극재의 초기 충방전 곡선을 도시한 그래프이다.1 is a graph showing the amount of gas generated by the positive electrode according to the number of times of charging and discharging at 45° C. for each average particle size of lithium oxide (Li 2 O) used in the manufacture of a sacrificial positive electrode.
2 is a graph showing the amount of gas generated by the cathode according to the storage time (unit: weeks) at 60° C. for each average particle size of lithium oxide (Li 2 O) used in the manufacture of the sacrificial cathode material.
3 is a graph showing the amount of gas generated by the positive electrode according to the average particle size of lithium oxide (Li 2 O) used in the manufacture of the sacrificial positive electrode.
4 is a graph illustrating an initial charge/discharge curve of a sacrificial positive electrode material according to an average particle size of lithium oxide (Li 2 O) used in manufacturing the sacrificial positive electrode material.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments will be described in detail in the detailed description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprising" or "having" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.Also, in the present invention, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is described as being “on” another part, this includes not only cases where it is “directly on” another part, but also a case where there is another part in between. . Conversely, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is described as being “under” another part, this includes not only cases where the other part is “directly under” but also cases where another part is in between. In addition, in the present application, “on” may include the case of being disposed not only on the upper part but also on the lower part.
아울러, 본 발명에서, "D50"은 전체 부피를 100%로 하여 입도 분포의 누적곡선을 구할 때 이 누적곡선에서 부피 백분율 50%에 이르는 점의 입도로서, 입도가 작은 쪽부터 누적하여 체적이 50%가 되는 곳에서의 입도를 의미한다. 상기 평균 입도(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있으며, 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브마이크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입도의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다In addition, in the present invention, "D 50 " is the particle size of the point reaching 50% of the volume percentage in the cumulative curve when obtaining the cumulative curve of the particle size distribution with the total volume being 100%, and the volume is accumulated from the smaller particle size. It means the particle size where it becomes 50%. The average particle size (D 50 ) may be measured, for example, by using a laser diffraction method, and the laser diffraction method is generally used to measure a particle size of several mm from a submicron region. possible, and high reproducibility and high resolution results can be obtained.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
희생 양극재의 제조방법Manufacturing method of sacrificial cathode material
본 발명은 일실시예에서, 산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)의 원료 혼합물을 소성하여 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 제조하는 단계를 포함하는 희생 양극재의 제조방법을 제공한다:In one embodiment, the present invention provides a method for manufacturing a sacrificial cathode material comprising the step of preparing a lithium cobalt metal oxide represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
LixCo(1-y)MyO4-zAz Li x Co (1-y) M y O 4-z A z
상기 화학식 1에서,In
M은 Ti, Al, Zn, Zr, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종이고,M is at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Zn, Zr, Mn and Ni,
A는 산소 치환형 할로겐이며,A is an oxygen-substituted halogen,
x, y 및 z는 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, 및 0≤z≤0.001이다.x, y and z are 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, and 0≤z≤0.001.
본 발명에 따른 희생 양극재의 제조방법은 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 희생 양극재로서 제조하기 위한 것으로, 상기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물은 역형석형 구조(anti-fluorite structure)를 갖는 LixCoO4-zAz (단, A는 F 또는 Cl이고, 5.4≤x≤6.8 및 0≤z≤0.0005)를 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 LixCoO4-zAz의 코발트(Co) 위치에 Ti, Al, Zr, Mn 및 Ni 중 어느 하나 이상이 도핑된 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 코발트 금속 산화물은 Li6CoO4, Li6Co(1-y)TiyO4, Li6Co(1-y)AlyO4, Li6Co(1-y)ZnyO4, Li6Co(1-y)ZryO4, Li6Co(1-y)MnyO4, Li6Co(1-y)NiyO4 (단, 0≤y≤0.4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The method for manufacturing a sacrificial cathode material according to the present invention is to prepare a lithium cobalt metal oxide represented by
이러한 리튬 코발트 금속 산화물을 포함하는 희생 양극재는 2~4:1의 몰 비율, 예를 들어 2.5~3.5:1, 또는 2.95~3.1:1의 몰 비율로 혼합된 산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)의 원료 혼합물을 소성함으로써 제조할 수 있으며, 상기 원료 혼합물에 Ti, Al, Zr, Mn 및 Ni의 산화물을 1종 이상 첨가하는 경우 Ti, Al, Zr, Mn 및 Ni가 1종 이상 도핑된 형태의 리튬 코발트 금속 산화물이 제조할 수 있다.The sacrificial cathode material including such lithium cobalt metal oxide is mixed with lithium oxide (Li 2 O) and oxide in a molar ratio of 2 to 4:1, for example, 2.5 to 3.5:1, or 2.95 to 3.1:1. It can be produced by calcining a raw material mixture of cobalt (CoO), and when one or more oxides of Ti, Al, Zr, Mn and Ni are added to the raw material mixture, Ti, Al, Zr, Mn and Ni are at least one Doped form of lithium cobalt metal oxide can be prepared.
이때, 상기 소성은 소량의 산소 가스를 포함하는 비활성 가스 분위기, 예를 들어 0.01 내지 0.1%; 0.02 내지 0.09%; 또는 0.05 내지 0.08%의 분압으로 산소 가스를 함유하는 아르곤(Ar) 가스나 질소(N2) 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.In this case, the sintering is performed in an inert gas atmosphere containing a small amount of oxygen gas, for example, 0.01 to 0.1%; 0.02 to 0.09%; Alternatively, argon (Ar) gas or nitrogen (N 2 ) gas containing oxygen gas at a partial pressure of 0.05 to 0.08% may be performed under an atmosphere.
또한, 상기 소성 시 수행 온도는 혼합된 금속 산화물들이 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물로 변형될 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 소성 시 수행 온도는 500 내지 800℃일 수 있고, 보다 구체적으로는 500 내지 700℃; 600 내지 800℃; 600 내지 750℃; 650 내지 800℃; 630 내지 770℃; 또는 660 내지 740℃일 수 있다.In addition, the temperature at which the sintering is performed is not particularly limited as long as the mixed metal oxides can be transformed into the lithium cobalt metal oxide represented by
하나의 예로서, 상기 소성은 0.04 내지 0.07%의 분압으로 산소 가스를 함유하는 아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서, 670 내지 730℃에서 2~20시간 동안 수행될 수 있으며, 이 경우 제조되는 희생 양극재 내 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 사화물의 분율을 높일 수 있고 이에 따라 전지의 충방전 시 발생되는 가스량을 저감시킬 수 있다.As an example, the firing may be performed at 670 to 730° C. for 2 to 20 hours under an argon (Ar) gas atmosphere containing oxygen gas at a partial pressure of 0.04 to 0.07%, in which case the sacrificial cathode material manufactured It is possible to increase the fraction of lithium cobalt metal tetraoxide represented by the
아울러, 본 발명에 따른 희생 양극재의 제조방법은 그 형태는 특별히 제한되는 것은 아니나, 크기가 특정 범위로 조절된 산화리튬(Li2O)을 원료 물질로 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 희생 양극재의 제조방법은 평균 입도(D50)가 50㎛ 이하인 산화리튬(Li2O)을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 평균 입도(D50)가 10㎛ 내지 50㎛; 10㎛ 내지 40㎛; 10㎛ 내지 30㎛; 10㎛ 내지 20㎛; 20㎛ 내지 50㎛; 25㎛ 내지 50㎛; 15㎛ 내지 40㎛; 15㎛ 내지 35㎛; 15㎛ 내지 25㎛; 20㎛ 내지 40㎛; 25㎛ 내지 35㎛; 또는 15㎛ 내지 20㎛인 산화리튬(Li2O)을 사용할 수 있다.In addition, the form of the method for manufacturing the sacrificial cathode material according to the present invention is not particularly limited, but lithium oxide (Li 2 O) whose size is adjusted to a specific range may be used as a raw material. Specifically, in the method of manufacturing the sacrificial cathode material, lithium oxide (Li 2 O) having an average particle size (D 50 ) of 50 μm or less may be used, and more specifically, an average particle size (D 50 ) of 10 μm to 50 μm; 10 μm to 40 μm; 10 μm to 30 μm; 10 μm to 20 μm; 20 μm to 50 μm; 25 μm to 50 μm; 15 μm to 40 μm; 15 μm to 35 μm; 15 μm to 25 μm; 20 μm to 40 μm; 25 μm to 35 μm; Alternatively, 15 μm to 20 μm of lithium oxide (Li 2 O) may be used.
여기서, 상기 산화리튬(Li2O)의 최소 입도(Dmin)는 2㎛ 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로는 2.5㎛ 이상; 3㎛ 이상; 5㎛ 이상; 2㎛ 내지 25㎛; 2㎛ 내지 20㎛; 2㎛ 내지 10㎛; 2㎛ 내지 7㎛; 2㎛ 내지 4.5㎛; 4㎛ 내지 10㎛; 15㎛ 내지 25㎛; 또는 18㎛ 내지 22㎛일 수 있다.Here, the minimum particle size (D min ) of the lithium oxide (Li 2 O) may be 2 μm or more, more specifically 2.5 μm or more; 3 μm or more; 5 μm or more; 2 μm to 25 μm; 2 μm to 20 μm; 2 μm to 10 μm; 2 μm to 7 μm; 2 μm to 4.5 μm; 4 μm to 10 μm; 15 μm to 25 μm; or 18 μm to 22 μm.
또한, 상기 산화리튬(Li2O)은 단봉분포의 입도 분포를 가질 수 있으며, 상기 단봉분포를 갖는 산화리튬(Li2O)은 전체 입자의 80~90%가 10㎛ 내지 45㎛의 입도 범위에 존재하고, 전체 입자의 65~75%가 15㎛ 내지 35㎛의 입도 범위에 존재할 수 있다.In addition, the lithium oxide (Li 2 O) may have a particle size distribution of a unimodal distribution, and 80 to 90% of the total particles of the lithium oxide (Li 2 O) having a unimodal distribution are in a particle size range of 10 μm to 45 μm. and 65 to 75% of the total particles may be present in a particle size range of 15 μm to 35 μm.
하나의 예로서, 상기 산화리튬(Li2O)은 단봉분포의 입도 분포를 가지며, 평균 입도(D50) 및 최소 입도(Dmin)가 각각 25㎛ 내지 30㎛ 및 4㎛ 내지 6㎛이고, 전체 입자의 80~90%가 12㎛ 내지 40㎛의 입도 범위에 존재하고, 전체 입자의 65~75%가 20㎛ 내지 35㎛의 입도 범위에 존재할 수 있다.As an example, the lithium oxide (Li 2 O) has a particle size distribution of a unimodal distribution, and the average particle size (D 50 ) and the minimum particle size (D min ) are 25 μm to 30 μm and 4 μm to 6 μm, respectively, 80 to 90% of the total particles may be present in a particle size range of 12 μm to 40 μm, and 65 to 75% of the total particles may be present in a particle size range of 20 μm to 35 μm.
본 발명에 따른 희생 양극재의 제조방법은 원료물질인 산화리튬(LiO2)의 입도를 상기와 같이 제어함으로써 작은 입도의 산화리튬이 쉽게 부유하여 제조 공정 시 작업성이 떨어지고, 큰 입도를 갖는 산화리튬의 반응성이 저하되어 희생 양극재의 수율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 종래, 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 포함하는 희생 양극재는 소성 공정에 의해 역형석형 구조(anti-fluorite structure)를 갖게 되는데, 이러한 희생 양극재는 초기 충방전 이후에도 고온 조건의 충방전에서 산소(O2), 일산화탄소CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2) 등을 함유하는 가스를 발생시키는 문제가 있다. 그러나, 본 발명과 같이 상술된 범위로 입도가 제어된 산화리튬(Li2O)을 사용하는 경우 제조되는 희생 양극재의 전기 전도도가 특정 범위를 만족하도록 제어될 수 있으며, 이에 따라 상기 희생 양극재를 포함하는 전지의 충방전 시 발생되는 산소 가스의 양이 저감될 수 있다.In the method of manufacturing a sacrificial cathode material according to the present invention, by controlling the particle size of lithium oxide (LiO 2 ), which is a raw material, as described above, lithium oxide having a small particle size is easily floated, so that workability is deteriorated during the manufacturing process, and lithium oxide having a large particle size It is possible to prevent a decrease in the yield of the sacrificial cathode material due to a decrease in the reactivity of the sacrificial cathode material. In addition, conventionally, a sacrificial cathode material including lithium cobalt metal oxide represented by
하나의 예로서, 본 발명에 따라 제조된 희생 양극재의 분체 전기 전도도는 1 × 10-4 S/cm 이상일 수 있으며, 구체적으로 상한가는 9 × 10-3 S/cm 이하, 8 × 10-3 S/cm 이하, 7 × 10-3 S/cm 이하 또는 6 × 10-3 S/cm 이하일 수 있고, 하한가는 5 × 10-4 S/cm 이상, 8 × 10-4 S/cm 이상, 1 × 10-3 S/cm 이상 또는 2 × 10-3 S/cm 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 희생 양극제의 분체 전기 전도도는 1 × 10-3 S/cm 내지 9 × 10-3 S/cm; 2 × 10-3 S/cm 내지 9 × 10-3 S/cm; 4 × 10-3 S/cm 내지 8.5 × 10-3 S/cm; 4 × 10-3 S/cm 내지 6.5 × 10-3 S/cm; 또는 5 × 10-3 S/cm 내지 8.2 × 10-3 S/cm일 수 있다.As an example, the electrical conductivity of the powder of the sacrificial cathode material prepared according to the present invention may be 1 × 10 -4 S/cm or more, specifically, the upper limit is 9 × 10 -3 S/cm or less, 8 × 10 -3 S /cm or less, 7 × 10 -3 S/cm or less, or 6 × 10 -3 S/cm or less, and the lower limit is 5 × 10 -4 S/cm or more, 8 × 10 -4 S/cm or more, 1 × It may be 10 -3 S/cm or more or 2 × 10 -3 S/cm or more. More specifically, the electrical conductivity of the powder of the sacrificial positive electrode is 1 × 10 -3 S/cm to 9 × 10 -3 S/cm; 2×10 -3 S/cm to 9×10 -3 S/cm; 4×10 -3 S/cm to 8.5×10 -3 S/cm; 4 × 10 -3 S/cm to 6.5 × 10 -3 S/cm; or 5 × 10 -3 S/cm to 8.2 × 10 -3 S/cm.
다른 하나의 예로서, 본 발명에 따라 제조된 희생 양극재는 전지의 초기 방전 시 발생되는 가스의 양이 현저히 저감되어 하기 식 1을 만족시킬 수 있다:As another example, in the sacrificial cathode material manufactured according to the present invention, the amount of gas generated during the initial discharge of the battery is significantly reduced, and thus
[식 1][Equation 1]
Vgas = -1.07 × DLi2O + AV gas = -1.07 × D Li2O + A
상기 식 1에서,In
Vgas는 희생 양극재를 포함하는 양극이 발생시키는 가스량(단위: mL/g)을 나타내고,V gas represents the amount of gas (unit: mL/g) generated by the positive electrode including the sacrificial positive electrode material,
DLi2O는 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50, 단위: ㎛)을 나타내며, 및D Li2O represents the average particle size (D 50 , unit: μm) of lithium oxide (Li 2 O), and
A는 상수로서, 128≤A≤132이다.A is a constant, and 128≤A≤132.
상기 식 1은 본 발명에 따라 제조된 희생 양극재를 이용하여 제조되는 전지의 초기 방전 시, 양극에서 발생되는 가스량과 희생 양극재의 제조 시 사용된 산화리튬(LiO2)의 평균 입도(D50)의 상관관계를 나타낸 것으로서, 본 발명에 따라 제조되는 희생 양극재는 평균 입도(D50)가 50㎛ 이하인 산화리튬(Li2O)을 사용하여 제조되고, 이를 이용하여 제조된 양극은 초기 방전 시 70 mL/g 이하, 구체적으로는 70 mL/g 내지 130 mL/g의 가스를 발생시키므로, 상기 식 1을 만족할 수 있다.
본 발명에 따른 희생 양극재의 제조방법은 특정 범위의 평균 입도(D50)를 만족하는 산화리튬을 사용하여 희생 양극재의 전기 전도도를 특정 범위로 제어함으로써 전지 충전 시 양극에서 발생되는 가스, 특히 산소(O2) 가스의 발생을 현저히 저감시킬 수 있으므로, 이를 포함하는 전지의 안정성과 수명을 향상시키는 효과가 우수한 이점이 있다.The method for manufacturing a sacrificial cathode material according to the present invention uses lithium oxide that satisfies the average particle size (D 50 ) of a specific range to control the electrical conductivity of the sacrificial cathode material to a specific range, thereby generating gas, particularly oxygen ( O 2 ) Since it is possible to significantly reduce the generation of gas, there is an advantage in that it is excellent in the effect of improving the stability and lifespan of the battery including the same.
양극anode
또한, 본 발명은 일실시예예서,In addition, the present invention in one embodiment,
양극 집전체; 및positive electrode current collector; and
상기 양극 집전체 상에 양극활물질, 도전재, 유기 바인더 고분자 및 희생 양극재를 함유하는 양극 합재층을 포함하고,a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material, a conductive material, an organic binder polymer, and a sacrificial positive electrode material on the positive electrode current collector;
상기 희생 양극재는 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 포함하며, 1 × 10-4 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 양극을 제공한다:The sacrificial cathode material includes a lithium cobalt metal oxide represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
LixCo(1-y)MyO4-zAz Li x Co (1-y) M y O 4-z A z
상기 화학식 1에서,In
M은 Ti, Mg, Al, Zn, Zr, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종이고,M is at least one selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zn, Zr, Mn and Ni,
A는 산소 치환형 할로겐이며,A is an oxygen-substituted halogen,
x, y 및 z는 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, 및 0≤z≤0.001이다.x, y and z are 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, and 0≤z≤0.001.
본 발명에 따른 양극은 양극 집전체 상에 양극 합재층이 형성된 구조를 갖되, 상기 양극 합재층은 양극활물질; 도전재; 및 유기 바인더 고분자와 함께, 본 발명의 제조방법에 따라 제조되고 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 함유하는 희생 양극재를 포함하여, 활성화 이후 전지의 충방전 시 및/또는 고온 저장 시 발생되는 가스, 특히 산소(O2) 가스를 저감시키는 효과가 우수하다.The positive electrode according to the present invention has a structure in which a positive electrode mixture layer is formed on a positive electrode current collector, wherein the positive electrode mixture layer includes a positive electrode active material; conductive material; and a sacrificial cathode material prepared according to the manufacturing method of the present invention and containing lithium cobalt metal oxide represented by
하나의 예로서, 상기 양극은 활성화 이후 전지를 50회 충방전(45℃, 4.5C/0.3C 조건)하는 경우, 가스 발생량이 15 mL/g 이하일 수 있고, 구체적으로는 13 mL/g 이하, 10 mL/g 이하 또는 5 mL/g 이하일 수 있다.As an example, when the positive electrode is charged and discharged 50 times (45°C, 4.5C/0.3C conditions) after activation, the gas generation amount may be 15 mL/g or less, specifically 13 mL/g or less, It may be 10 mL/g or less or 5 mL/g or less.
다른 하나의 예로서, 상기 양극은 활성화 이후 60℃에서 4주간 저장하는 경우, 가스 발생량이 5 mL/g 이하일 수 있으며, 구체적으로는 3 mL/g 이하, 2 mL/g 이하 또는 1.8 mL/g 이하일 수 있다.As another example, when the positive electrode is stored at 60° C. for 4 weeks after activation, the gas generation amount may be 5 mL/g or less, specifically 3 mL/g or less, 2 mL/g or less, or 1.8 mL/g may be below.
여기서, 상기 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상의 원소를 포함하는 리튬 복합 전이금속 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 양극활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1종 이상의 전이금속으로 치환된 층상 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x는 0~0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; Li2CuO2 등의 리튬 구리 산화물; LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01~0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01~0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있다.Here, the cathode active material is nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), aluminum (Al), zinc (Zn), titanium (Ti), magnesium (Mg), chromium (Cr) and zirconium (Zr) It may be a lithium composite transition metal oxide containing two or more elements selected from the group consisting of. For example, the cathode active material may include a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a layered compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxide, such as Formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (here, x is 0-0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 ; lithium copper oxides such as Li 2 CuO 2 ; vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 (wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2-x M x O 2 (where M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn; LiNi x Mn 2-x O 4 A lithium manganese composite oxide having a spinel structure; LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 etc. are mentioned.
또한, 상기 희생 양극재는 상술된 본 발명에 따른 희생 양극재의 제조방법에 의해 제조된 것으로서, 특정 범위의 평균 입도(D50)를 만족하는 산화리튬을 사용하여 희생 양극재의 전기 전도도를 특정 범위로 제어된 것일 수 있으며, 이에 따라 이를 포함하는 양극은 활성화 시 발생되는 가스, 특히 산소(O2) 가스의 양이 현저히 적을 수 있다.In addition, the sacrificial cathode material is manufactured by the method for manufacturing the sacrificial cathode material according to the present invention described above, and the electrical conductivity of the sacrificial cathode material is controlled to a specific range by using lithium oxide satisfying the average particle size (D 50 ) in a specific range. The amount of gas generated during activation of the anode including the same, in particular oxygen (O 2 ) gas, may be significantly less.
구체적으로, 상기 희생 양극재의 분체 전기 전도도는 1 × 10-4 S/cm 이상일 수 있으며, 구체적으로 상한가는 9 × 10-3 S/cm 이하, 8 × 10-3 S/cm 이하, 7 × 10-3 S/cm 이하 또는 6 × 10-3 S/cm 이하일 수 있고, 하한가는 5 × 10-4 S/cm 이상, 8 × 10-4 S/cm 이상, 1 × 10-3 S/cm 이상 또는 2 × 10-3 S/cm 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 희생 양극제의 분체 전기 전도도는 1 × 10-3 S/cm 내지 9 × 10-3 S/cm; 2 × 10-3 S/cm 내지 9 × 10-3 S/cm; 4 × 10-3 S/cm 내지 8.5 × 10-3 S/cm; 4 × 10-3 S/cm 내지 6.5 × 10-3 S/cm; 또는 5 × 10-3 S/cm 내지 8.2 × 10-3 S/cm일 수 있다.Specifically, the powder electrical conductivity of the sacrificial cathode material may be 1 × 10 -4 S/cm or more, and specifically, the upper limit is 9 × 10 -3 S/cm or less, 8 × 10 -3 S/cm or less, 7 × 10 -3 S/cm or less or 6 × 10 -3 S/cm or less, and the lower limit is 5 × 10 -4 S/cm or more, 8 × 10 -4 S/cm or more, 1 × 10 -3 S/cm or more Or 2 × 10 -3 S/cm or more. More specifically, the electrical conductivity of the powder of the sacrificial positive electrode is 1 × 10 -3 S/cm to 9 × 10 -3 S/cm; 2×10 -3 S/cm to 9×10 -3 S/cm; 4×10 -3 S/cm to 8.5×10 -3 S/cm; 4 × 10 -3 S/cm to 6.5 × 10 -3 S/cm; or 5 × 10 -3 S/cm to 8.2 × 10 -3 S/cm.
또한, 상기 희생 양극재는 양극활물질 100 중량부에 대하여 0.001 내지 5.0 중량부로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 희생 양극재는 양극활물질 100 중량부에 대하여, 0.001 내지 4.0 중량부; 0.001 내지 3.0 중량부; 0.001 내지 2.0 중량부; 0.001 내지 1.0 중량부; 0.01 내지 2.0 중량부; 0.05 내지 2.0 중량부; 0.1 내지 2.0 중량부; 또는 0.1 내지 1.5 중량부로 포함할 수 있다.In addition, the sacrificial cathode material may be included in an amount of 0.001 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material. More specifically, the sacrificial cathode material may include 0.001 to 4.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material; 0.001 to 3.0 parts by weight; 0.001 to 2.0 parts by weight; 0.001 to 1.0 parts by weight; 0.01 to 2.0 parts by weight; 0.05 to 2.0 parts by weight; 0.1 to 2.0 parts by weight; Or 0.1 to 1.5 parts by weight may be included.
아울러, 상기 도전재는 양극활물질 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 첨가될 수 있으며, 구체적으로는 양극활물질 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부; 1 내지 5 중량부; 3 내지 8 중량부; 또는 2 내지 5 중량부로 첨가될 수 있다.In addition, the conductive material may be added in an amount of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material, specifically, 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material; 1 to 5 parts by weight; 3 to 8 parts by weight; Or 2 to 5 parts by weight may be added.
또한, 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 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.In addition, the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black, 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; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
아울러, 상기 유기 바인더 고분자는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 양극활물질 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있으며, 구체적으로는 양극활물질 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부; 1 내지 5 중량부; 3 내지 8 중량부; 또는 2 내지 5 중량부로 첨가될 수 있다.In addition, the organic binder polymer is a component that assists in bonding between the active material and the conductive material and bonding to the current collector, and may be added in an amount of 1 to 20% by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material, specifically, 100 parts by weight of the positive electrode active material. 1 to 10 parts by weight based on parts by weight; 1 to 5 parts by weight; 3 to 8 parts by weight; Or 2 to 5 parts by weight may be added.
또한, 이러한 유기 바인더 고분자의 예로는, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필 셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디에테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.In addition, examples of the organic binder polymer include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diether polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butyrene rubber, fluororubber, various copolymers, and the like.
이와 더불어, 상기 양극은 양극활물질, 도전재 및 유기 바인더 고분자 이외에 양극의 팽창을 억제시키기 위한 충진제를 더 포함할 수 있고, 이러한 충진재로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 충진재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체나; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질을 사용할 수 있다.In addition, the positive electrode may further include a filler for suppressing the expansion of the positive electrode in addition to the positive electrode active material, the conductive material and the organic binder polymer, and the filler is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. it's not going to be Specifically, as the filler, an olefin-based polymer such as polyethylene or polypropylene; A fibrous material such as glass fiber or carbon fiber may be used.
아울러, 상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리된 것을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 양극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 양극 집전체의 평균 두께는 제조되는 양극의 도전성과 총 두께를 고려하여 3~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.In addition, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, etc. may be used, and aluminum However, in the case of stainless steel, a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used. In addition, the positive electrode current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven body are possible. In addition, the average thickness of the positive electrode current collector may be appropriately applied in a range of 3 to 500 μm in consideration of the conductivity and total thickness of the positive electrode to be manufactured.
전극 조립체electrode assembly
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상술된 양극을 포함하는 전극 조립체를 제공한다.Further, in one embodiment, the present invention provides an electrode assembly including the above-described positive electrode.
본 발명에 따른 전극 조립체는 상술된 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 게재된 분리막을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 분리막이 배제될 수도 있다.The electrode assembly according to the present invention may have a structure including the above-described positive electrode, the negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and in some cases, the separator may be excluded.
여기서, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 양극에서와 같은 도전재, 유기 바인더 고분자, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.Here, the negative electrode is manufactured by coating, drying and pressing the negative electrode active material on the negative electrode current collector, and if necessary, the same conductive material as in the positive electrode, an organic binder polymer, a filler, and the like may be optionally further included.
또한, 상기 음극활물질은 예를 들어, 천연 흑연과 같이 층상 결정구조가 완전히 이루어진 그라파이트, 저결정성 층상 결정 구조(graphene structure; 탄소의 6각형 벌집 모양 평면이 층상으로 배열된 구조)를 갖는 소프트 카본 및 이런 구조들이 비결정성 부분들과 혼합되어 있는 하드 카본, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료나; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me', Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.In addition, the negative active material is, for example, graphite having a completely layered crystal structure such as natural graphite, and soft carbon having a low crystallinity layered crystal structure (graphene structure; a structure in which hexagonal honeycomb planes of carbon are arranged in layers). and carbon and graphite materials, such as hard carbon, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, activated carbon, etc., in which these structures are mixed with amorphous parts; LixFe 2 O 3 (0≤x≤1), LixWO 2 (0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me', Al, B, P, Si, periodic table metal complex oxides such as
천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 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.graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black, 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; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
하나의 예로서, 상기 음극활물질은 탄소 및 흑연 재료 80~95 중량%와 SiO2 5~20 중량%를 혼합한 것일 수 있으며, 상기 탄소 및 흑연 재료는 흑연 및/또는 아세틸렌블랙과 탄소나노튜브를 1:0.05~0.5 중량 비율로 혼합한 것일 수 있다.As an example, the anode active material may be a mixture of 80 to 95% by weight of carbon and graphite material and 5 to 20% by weight of SiO 2 , and the carbon and graphite material is graphite and/or acetylene black and carbon nanotubes. It may be mixed in a weight ratio of 1:0.05 to 0.5.
아울러, 상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 구리나 스테리인레스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리된 것을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질과의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 음극 집전체의 평균 두께는 제조되는 음극의 도전성과 총 두께를 고려하여 3~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.In addition, the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, copper, stainless steel, nickel, titanium, sintered carbon, etc. may be used, and copper In the case of stainless steel, a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used. In addition, the negative electrode current collector, like the positive electrode current collector, may form fine irregularities on the surface to strengthen the bonding force with the negative electrode active material, and may have various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, nonwovens, etc. It is possible. In addition, the average thickness of the negative electrode current collector may be appropriately applied in the range of 3 to 500 μm in consideration of the conductivity and total thickness of the negative electrode to be manufactured.
나아가, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로는, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌; 유리섬유; 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는, 상기 시트나 부직포와 같은 다공성 고분자 기재에 무기물 입자/유기물 입자가 유기 바인더 고분자에 의해 코팅된 복합 분리막이 사용될 수도 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 아울러, 상기 분리막의 기공 직경은 평균 0.01~10 ㎛이고, 두께는 평균 5~300 ㎛일 수 있다.Furthermore, the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The separation membrane is not particularly limited as long as it is conventionally used in the art, and specifically, chemical resistance and hydrophobic polypropylene; glass fiber; Alternatively, a sheet or non-woven fabric made of polyethylene may be used, and in some cases, a composite separator in which inorganic particles/organic particles are coated with an organic binder polymer on a porous polymer substrate such as the sheet or non-woven fabric may be used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator. In addition, the membrane may have an average pore diameter of 0.01 to 10 μm, and an average thickness of 5 to 300 μm.
한편, 상기 전극조립체는 젤리롤 형태로 권취되어 원통형 전지, 각형 전지 또는 파우치형 전지에 수납되거나, 또는 폴딩 또는 스택앤폴딩 형태로 파우치형 전지에 수납될 수 있다.Meanwhile, the electrode assembly may be wound in the form of a jelly roll and accommodated in a cylindrical battery, a prismatic battery, or a pouch-type battery, or may be accommodated in a pouch-type battery in a folding or stack-and-folding form.
하나의 예로서, 상기 전극조립체는 젤리롤 형태로 권취되어 원통형 전지 또는 파우치형 전지에 수납된 형태를 가질 수 있다.As an example, the electrode assembly may be wound in the form of a jelly roll and accommodated in a cylindrical battery or a pouch-type battery.
리튬 이차전지lithium secondary battery
나아가, 본 발명은 일실시예에서, 상기에서 언급된 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.Furthermore, in one embodiment, the present invention provides a lithium secondary battery including the above-mentioned electrode assembly.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상기 전극 조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조를 가질 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention may have a structure in which the electrode assembly is impregnated with a lithium salt-containing electrolyte.
이때, 상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.In this case, the lithium salt-containing electrolyte may be composed of an electrolyte and a lithium salt, and a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like may be used as the electrolyte.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸설폭사이드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.As the non-aqueous organic solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dime ethoxyethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, pyropion An aprotic organic solvent such as methyl acid or ethyl propionate may be used.
또한, 상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.In addition, as the organic solid electrolyte, for example, polyethylene derivative, polyethylene oxide derivative, polypropylene oxide derivative, phosphoric acid ester polymer, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride , a polymerization agent containing an ionic dissociation group, etc. may be used.
아울러, 상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5Ni2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.In addition, as the inorganic solid electrolyte, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 Ni 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 Nitride, halide, sulfate, etc. of Li may be used.
이와 더불어, 리튬염은 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐보론산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.In addition, lithium salt is a material that is easily dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB10Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenylboronate, imide, and the like may be used.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환된 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄소 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.In addition, for the purpose of improving charge/discharge characteristics, flame retardancy, etc. in the electrolyte solution, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. have. In some cases, in order to impart incombustibility, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate) ), PRS (propene sultone), and the like may be further included.
한편, 본 발명은 일실시예에서, 상술된 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.Meanwhile, in one embodiment, the present invention provides a battery module including the above-described secondary battery as a unit cell, and provides a battery pack including the battery module.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 중대형 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있고, 좀더 구체적으로는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The battery pack may be used as a power source for a medium or large device requiring high temperature stability, long cycle characteristics, and high rate characteristics, and specific examples of the medium or large device include a power tool that is powered by an omniscient motor; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooter); electric golf carts; and a power storage system, and more specifically, a hybrid electric vehicle (HEV), but is not limited thereto.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.
실시예 1~5 및 비교예 1~2. 희생 양극재의 제조Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2. Preparation of sacrificial cathode material
산화리튬(Li2O, 단봉분포)과 산화코발트(CoO)를 3.0~3.03의 몰비율을 갖도록 반응기에 투입하고, 믹서(mixer)를 이용하여 약 30분간 균일하게 건식 혼합하였다. 그런 다음, 준비된 원료 혼합물을 전기로에 넣고, 아르곤 가스(Ar) 조건 하에서 약 700℃로 10시간 동안 소성하여 리튬 코발트 산화물(Li6CoO4)을 얻었다. 이때, 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50) 및 최소 입도(Dmin)와 소성 시 아르곤 가스에 함유된 산소 가스(O2)의 분압을 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.Lithium oxide (Li 2 O, unimodal distribution) and cobalt oxide (CoO) were put into the reactor to have a molar ratio of 3.0 to 3.03, and uniformly dry-mixed for about 30 minutes using a mixer. Then, the prepared raw material mixture was put in an electric furnace, and calcined at about 700° C. for 10 hours under argon gas (Ar) conditions to obtain lithium cobalt oxide (Li 6 CoO 4 ). At this time, the average particle size (D 50 ) and the minimum particle size (D min ) of lithium oxide (Li 2 O) and the partial pressure of oxygen gas (O 2 ) contained in argon gas during firing are shown in Table 1 below.
실험예 1.Experimental Example 1.
본 발명에 따라 제조된 희생 양극재의 전기 전도도를 평가하기 위하여, 실시예 1~3와 비교예 1~2에서 제조된 희생 양극재의 전기 전도도를 측정하였다. 이때, 상기 측정은 분체 저항 특성 측정기를 이용하여 각 희생 양극재의 체적과 압력 변화에 따른 면저항을 4-점 프로브(4-point probe) 방식으로 측정하고, 측정된 체적과 입력된 질량을 이용하여 분체 전기 전도도를 산출하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.In order to evaluate the electrical conductivity of the sacrificial positive electrode material prepared according to the present invention, the electrical conductivity of the sacrificial positive electrode material prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 was measured. In this case, the measurement is performed by measuring the sheet resistance according to the volume and pressure change of each sacrificial cathode material by a 4-point probe method using a powder resistance characteristic measuring instrument, and using the measured volume and the input mass to measure the sheet resistance Electrical conductivity was calculated, and the results are shown in Table 2 below.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예에서 제조된 희생 양극재는 전기 전도도가 1 × 10-3 S/cm 내지 8.5 × 10-3 S/cm로 본 발명에 따른 분체 전기 전도도를 만족하는 것을 알 수 있다.As shown in Table 2 above, it can be seen that the sacrificial cathode material prepared in Examples has electrical conductivity of 1 × 10 -3 S/cm to 8.5 × 10 -3 S/cm, which satisfies the powder electrical conductivity according to the present invention. have.
실험예 2.Experimental Example 2.
본 발명에 따라 제조된 희생 양극재의 성능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.In order to evaluate the performance of the sacrificial cathode material prepared according to the present invention, the following experiment was performed.
가) 가스 방출량 측정A) Measurement of gas emission
호모 믹서(homo mixer)에 N-메틸피롤리돈 용매를 주입하고, 실시예 1~5 및 비교예 1~2에서 제조된 각각의 희생 양극재와, 아세틸렌 블랙 도전재, 개질된 실란올 바인더 및 분산제를 95:3:1.7:0.3의 중량 비율로 투입한 후 3,000rpm에서 60분 동안 혼합하여 선분산액을 준비하였다.N-methylpyrrolidone solvent was injected into a homo mixer, and each of the sacrificial cathode materials prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, an acetylene black conductive material, a modified silanol binder, and The dispersant was added in a weight ratio of 95:3:1.7:0.3 and mixed at 3,000 rpm for 60 minutes to prepare a pre-dispersion.
희생 양극재의 함량이 양극활물질 (LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 100 중량부에 대하여 2 중량부가 되도록 준비된 선분산액을 양극활물질에 혼합하고, N-메틸피롤리돈 용매에 혼합된 양극활물질, 바인더인 PVdF 및 도전재인 카본블랙을 96:1:3의 중량 비율이 되도록 호모 믹서(Homo mixer)에 투입한 다음, 3,000rpm에서 80분 동안 분산하여 양극용 슬러리를 제조하였다. 제조된 양극용 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포하고, 100℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.The content of the sacrificial cathode material is mixed with the cathode active material so that 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) is mixed with the cathode active material, and the cathode active material mixed in N-methylpyrrolidone solvent, a binder Phosphorus PVdF and carbon black as a conductive material were put into a homo mixer in a weight ratio of 96:1:3, and then dispersed at 3,000 rpm for 80 minutes to prepare a slurry for a positive electrode. The prepared positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and rolled to prepare a positive electrode.
상기 양극과 리튬 금속 대극을 사용하여 2032 타입의 셀을 제조하였다. 상기 양극과 리튬 금속 대극 사이에는 다공질 폴리에틸렌(PE) 필름으로 이루어진 세퍼레이터(두께: 약 16㎛)를 개재하고, 전해액을 주입하여 반쪽 전지 형태의 셀을 제작하였다.A 2032 type cell was manufactured using the positive electrode and the lithium metal counter electrode. A separator (thickness: about 16 μm) made of a porous polyethylene (PE) film was interposed between the positive electrode and the lithium metal counter electrode, and electrolyte was injected to prepare a half-cell type cell.
이때, 상기 전해액은 에틸렌카보네이트(EC):에틸메틸카보네이트(EMC)=3:7 (부피비), 리튬 헥사플루오로 포스페이트(LiPF6, 0.7M), 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI, 0.5M), 리튬 테트라플루오로 보레이트(LiBF4, 0.2 중량%), 비닐카보네이트(VC, 2 중량%), 1,3-프로판 설톤(PS, 0.5 중량%), 및 에틸렌설페이트(Esa, 1 중량%)을 혼합한 용액을 사용하였다.At this time, the electrolyte is ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 3:7 (volume ratio), lithium hexafluoro phosphate (LiPF 6 , 0.7M), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) , 0.5M), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 , 0.2 wt%), vinyl carbonate (VC, 2 wt%), 1,3-propane sultone (PS, 0.5 wt%), and ethylene sulfate (Esa, 1 % by weight) was used.
제작된 셀에 대하여 4.5C/0.3C 조건으로 1회 충방전을 실시하여 화성(formation)을 진행하고, 이후 ① 45℃에서 0.3C/0.3C 조건으로 50회 충방전을 반복 수행하여 각 충방전 시 발생되는 가스량과 60℃에서 4주간 저장 시 발생되는 가스량을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 3과 도 1 및 도 2에 나타내었다.Formation is carried out by charging and discharging one time at 4.5C/0.3C condition for the fabricated cell, and then ① repeating charging and discharging 50 times at 45°C under 0.3C/0.3C condition to charge and discharge each charge/discharge. The amount of gas generated during storage and the amount of gas generated during storage at 60°C for 4 weeks were measured. The results are shown in Table 3 and FIGS. 1 and 2 below.
가스 발생량initial charge/discharge
gas generation
상기 표 3과 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 희생 양극재는 충방전 과정에서 발생되는 가스량이 저감되는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 희생 양극재 제조 시 사용되는 리튬 전구체, 예컨대 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50)가 크고, 소성 시 사용되는 불활성 가스 내에 산소 가스(O2)를 낮은 분압으로 사용할수록 커지는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 3 and FIGS. 1 and 2, the amount of gas generated in the charge/discharge process of the sacrificial cathode material prepared according to the present invention is reduced. This tendency shows that the average particle size (D 50 ) of a lithium precursor used in manufacturing the sacrificial cathode material, for example, lithium oxide (Li 2 O) is large, and the oxygen gas (O 2 ) in the inert gas used during firing is used at a low partial pressure. You can see it grows.
나) 초기 충방전 평가B) Initial charge/discharge evaluation
가스 방출량 측정 시 수행한 방법과 동일한 방법으로 반쪽 전지 형태의 셀을 제작하되, 전해액으로 에틸메틸카보네이트(EMC):디메틸카보네이트(DMC):디에틸카보네이트(DEC)=1:2:1 (부피비), 리튬 헥사플루오로 포스페이트(LiPF6, 1.0M) 및 비닐카보네이트(VC, 2 중량%)을 혼합한 용액을 사용하였다.A half-cell type cell was manufactured in the same manner as in the measurement of gas emission, except that the electrolyte was ethylmethyl carbonate (EMC): dimethyl carbonate (DMC): diethyl carbonate (DEC) = 1:2:1 (volume ratio). , a solution of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 , 1.0M) and vinyl carbonate (VC, 2 wt%) was used.
제작된 각 셀을 대상으로 충방전(formation)을 수행하여 초기 충전용량을 측정하였다. 이때, 상기 충방전(formation)은 25℃, 70mah/3mAh의 조건으로 수행하였으며, 그 결과는 하기 표 4와 도 3에 나타내었다.The initial charging capacity was measured by performing charging and discharging (formation) for each manufactured cell. At this time, the charging/discharging (formation) was performed under the conditions of 25°C and 70mah/3mAh, and the results are shown in Table 4 and FIG. 3 below.
[㎛]Average particle size of Li 2 O (D 50 )
[μm]
[%]O 2 partial pressure
[%]
[mAh]initial charge capacity
[mAh]
상기 표 4 및 도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 희생 양극재는 전지의 성능을 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있다.As shown in Table 4 and FIG. 3, it can be seen that the sacrificial cathode material prepared according to the present invention has an effect of improving battery performance.
구체적으로, 실시예의 희생 양극재를 포함하는 전지는 리튬 전구체, 예컨대 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50)가 작아질수록 초기 충전용량이 높아지는 경향이 나타났다. 이는 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50)가 작아지는 경우 충전용량은 향상되나 활성화 단계 이후 충방전 및/또는 저장 시 발생되는 가스량이 증가됨을 의미한다.Specifically, in the battery including the sacrificial cathode material of the embodiment, the initial charge capacity tends to increase as the average particle size (D 50 ) of the lithium precursor, for example, lithium oxide (Li 2 O) decreases. This means that when the average particle size (D 50 ) of lithium oxide (Li 2 O) is decreased, the charging capacity is improved, but the amount of gas generated during charging/discharging and/or storage after the activation step is increased.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 제조되는 희생 양극재는 제조 시 특정 크기를 만족하는 리튬 전구체를 사용하여 희생 양극재의 전기 전도도를 특정 범위로 조절함으로써 전지의 성능을 향상시키는 효과가 뛰어나고, 전지 충방전 시 전극 조립체에서 발생되는 가스, 특히 산소(O2) 가스의 발생을 저감시킬 수 있으므로, 이를 포함하는 전지의 안정성과 수명을 개선하는 효과가 우수한 것을 알 수 있다.From these results, the sacrificial cathode material prepared according to the present invention has an excellent effect of improving the performance of the battery by adjusting the electrical conductivity of the sacrificial cathode material to a specific range using a lithium precursor satisfying a specific size during manufacture, and when charging and discharging the battery Since the generation of gas, particularly oxygen (O 2 ) gas, generated from the electrode assembly can be reduced, it can be seen that the effect of improving the stability and lifespan of a battery including the same is excellent.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field do not depart from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and variations of the present invention may be made within the scope thereof.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.Accordingly, the technical scope of the present invention is not limited to the content described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
Claims (13)
상기 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50)은 50㎛ 이하이며,
제조되는 희생 양극재의 전기 전도도는 1 × 10-4 S/cm 이상인 희생 양극재의 제조방법:
[화학식 1]
LixCo(1-y)MyO4-zAz
상기 화학식 1에서,
M은 Ti, Al, Zn, Zr, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종이고,
A는 산소 치환형 할로겐이며,
x, y 및 z는 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, 및 0≤z≤0.001이다.
Comprising the step of calcining a raw material mixture of lithium oxide (Li 2 O) and cobalt oxide (CoO) to prepare a lithium cobalt metal oxide represented by the following formula (1),
The average particle size (D50) of the lithium oxide (Li 2 O) is 50㎛ or less,
The sacrificial cathode material has an electrical conductivity of 1 × 10 -4 S/cm or more. Method for producing a sacrificial cathode material:
[Formula 1]
Li x Co (1-y) M y O 4-z A z
In Formula 1,
M is at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Zn, Zr, Mn and Ni,
A is an oxygen-substituted halogen,
x, y and z are 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, and 0≤z≤0.001.
전기 전도도는 1 × 10-3 S/㎝ 내지 9 × 10-3 S/㎝인 희생 양극재의 제조방법.
According to claim 1,
Electrical conductivity is 1 × 10 -3 S/cm to 9 × 10 -3 S/cm A method of manufacturing a sacrificial cathode material.
소성은 500 내지 800℃의 온도에서 수행되는 희생 양극재의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing a sacrificial cathode material wherein the firing is performed at a temperature of 500 to 800°C.
산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)의 원료 혼합물은 산화리튬(Li2O) 및 산화코발트(CoO)를 2 내지 4 : 1의 몰 비율로 혼합되는 희생 양극재의 제조방법.
According to claim 1,
A raw material mixture of lithium oxide (Li 2 O) and cobalt oxide (CoO) is a method of manufacturing a sacrificial cathode material in which lithium oxide (Li 2 O) and cobalt oxide (CoO) are mixed in a molar ratio of 2 to 4:1.
산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50)는 15㎛ 내지 35㎛인 희생 양극재의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing a sacrificial cathode material having an average particle size (D50) of lithium oxide (Li 2 O) of 15 μm to 35 μm.
산화리튬(Li2O)의 최소 입도(Dmin)는 2㎛ 이상인 희생 양극재의 제조방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing a sacrificial cathode material having a minimum particle size (Dmin) of lithium oxide (Li 2 O) of 2 μm or more.
산화리튬(Li2O)은 단봉분포의 입도 분포를 가지며; 및
전체 입자의 80~90%가 10㎛ 내지 45㎛의 입도 범위에 존재하고,
전체 입자의 65~75%가 15㎛ 내지 35㎛의 입도 범위에 존재하는 희생 양극재의 제조방법.
According to claim 1,
Lithium oxide (Li 2 O) has a unimodal particle size distribution; and
80-90% of the total particles are present in the particle size range of 10㎛ to 45㎛,
A method of manufacturing a sacrificial cathode material in which 65 to 75% of the total particles are present in a particle size range of 15 μm to 35 μm.
희생 양극재는 하기 식 1을 만족하는 희생 양극재의 제조방법:
[식 1]
Vgas = -1.07 × DLi2O + A
상기 식 1에서,
Vgas는 희생 양극재를 포함하는 전극 조립체가 발생시키는 가스량(단위: mL/g)을 나타내고,
DLi2O는 산화리튬(Li2O)의 평균 입도(D50, 단위: ㎛)을 나타내며, 및
A는 상수로서, 128≤A≤132이다.
According to claim 1,
The sacrificial cathode material is a method of manufacturing a sacrificial cathode material satisfying Equation 1:
[Equation 1]
V gas = -1.07 × D Li2O + A
In Equation 1 above,
V gas represents the amount of gas (unit: mL/g) generated by the electrode assembly including the sacrificial cathode material,
D Li2O represents the average particle size (D50, unit: μm) of lithium oxide (Li 2 O), and
A is a constant, and 128≤A≤132.
상기 양극 집전체 상에 양극활물질, 도전재, 유기 바인더 고분자 및 희생 양극재를 함유하는 양극 합재층을 포함하고,
상기 희생 양극재는 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 금속 산화물을 포함하며, 1 × 10-4 S/cm 이상의 전기 전도도를 갖는 양극:
[화학식 1]
LixCo(1-y)MyO4-zAz
상기 화학식 1에서,
Ti, Al, Zn, Zr, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종이고,
A는 산소 치환형 할로겐이며,
x, y 및 z는 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, 및 0≤z≤0.001이다.
positive electrode current collector; and
a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material, a conductive material, an organic binder polymer, and a sacrificial positive electrode material on the positive electrode current collector;
The sacrificial cathode material includes a lithium cobalt metal oxide represented by the following Chemical Formula 1, and has an electrical conductivity of 1 × 10 −4 S/cm or more:
[Formula 1]
Li x Co (1-y) M y O 4-z A z
In Formula 1,
At least one selected from the group consisting of Ti, Al, Zn, Zr, Mn and Ni,
A is an oxygen-substituted halogen,
x, y and z are 5≤x≤7, 0≤y≤0.4, and 0≤z≤0.001.
양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상의 원소를 포함하는 리튬 복합 전이금속 산화물인 양극.
10. The method of claim 9,
The cathode active material is a group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), aluminum (Al), zinc (Zn), titanium (Ti), magnesium (Mg), chromium (Cr) and zirconium (Zr). A positive electrode comprising a lithium composite transition metal oxide comprising two or more elements selected from
희생 양극재의 함량은 양극활물질 100 중량부에 대하여 0.001 내지 5.0 중량부인 양극.
10. The method of claim 9,
The content of the sacrificial cathode material is 0.001 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material.
An electrode assembly comprising the positive electrode according to claim 9 .
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