KR20220139324A - 리튬 전이 금속 산화물의 제조 공정 - Google Patents

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폴 코나한
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존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니
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Abstract

리튬 전이 금속 산화물을 제조하는 공정이 제공된다. 공정은 리튬 공급원의 부재 하에 전이 금속 전구체를 사전 하소하는 단계 이어서 리튬 공급원의 존재 하에 사전 하소된 중간체 화합물을 고온 하소하는 단계를 포함한다.

Description

리튬 전이 금속 산화물의 제조 공정
본 발명은 일반적으로 리튬 전이 금속 산화물, 이러한 리튬 전이 금속 산화물의 제조 공정 및 이차 리튬 이온 배터리에서 캐소드 재료로서 이러한 리튬 전이 금속 산화물의 용도에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 이제 현대 사회에서 어디에나 있으며, 휴대폰 및 랩톱 컴퓨터와 같은 소형 휴대형 장치뿐만 아니라 전기 자동차에서도 점점 더 사용되고 있다.
리튬 이온 배터리는 일반적으로 리튬 이온이 충전 및 방전 주기 동안 흐르는 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드(예를 들어 흑연 애노드)을 포함한다. 리튬 이온 배터리의 캐소드는 리튬 전이 금속 산화물, 예를 들어 리튬 니켈 산화물, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 또는 2 종 이상의 전이 금속을 포함하는 혼합 리튬 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다. 리튬 전이 금속 산화물 조성물에 마그네슘과 같은 다른 금속 원소의 첨가는 전기화학적 성능을 개선하는 것으로 밝혀졌다.
리튬 전이 금속 산화물 배터리 재료는 전형적으로 (i) 전이 금속 산화물 전구체(이는 전형적으로 전이 금속 수산화물 또는 옥시수산화물임) 및 (ii) 리튬 공급원의 혼합물을 하소하여, 동시에 전구체를 리튬화하고 재료를 산화시켜, 리튬 전이 금속 산화물을 형성함으로써 제조된다.
예를 들어, WO 2017/189887(CAMX Power LLC)은 90.2 at% Ni, 7.8 at% Co, 및 2.0 at% Mg의 원자적으로 혼합된 조합을 포함하는 전구체 수산화물을 수산화리튬과 혼합한 다음 혼합물을 450℃에서 2 시간 동안 이어서 680℃ 또는 700℃에서 6 시간 동안 하소하는 단계를 포함하는 공정을 사용한 리튬 전이 금속 산화물의 형성을 기재한다(실시예 1).
LiOH는 통상적으로 리튬 전이 금속 산화물 캐소드 재료, 특히 낮은 수준의 망간을 함유하거나 또는 임의의 망간을 함유하지 않는 재료의 제조에서 리튬 공급원 화합물로서 사용되는데, 탄산리튬이 이러한 재료에 적합한 리튬 공급원이 아니기 때문이다. 그러나, LiOH는 불리하게는 약 450℃의 융점을 갖는다. 따라서, 리튬 전이 금속 산화물 캐소드 재료의 제조 공정에서 리튬 공급원으로 사용되는 경우, 용융된 LiOH가 형성되어 처리가 어렵고 반응이 불완전할 수 있다. 이는 하소가 수산화리튬 융점 부근의 온도에서 유지하는 것을 포함하는 경우 특히 문제가 될 수 있다. LiOH의 용융은 하소 공정의 중단으로 이어질 수 있어서 공정 장비를 세척하거나 또는 심지어 교체할 수 있도록 한다. 특히, 이는 LiOH의 용융이 로(furnace)의 막힘을 유발하므로 하소가 회전로(rotary furnace)에서 수행되는 경우 LiOH가 리튬 공급원으로서 불편하다는 것을 의미한다. 따라서, 전형적으로, 재료의 고정층(static bed)이 있는 로(예를 들어 고정로(static furnace) 또는 롤러 난로 가마(RHK)와 같은 터널로(tunnel furnace))는 LiOH를 사용한 하소를 수반하는 공정에 사용되어야 한다. 그러나, 고정층 로는 산화 반응 동안 반응 혼합물에 대한 훨씬 더 느린 온도 경사 및 덜 효율적인 산소 전달을 제공하므로, 이 접근법에는 단점이 있다. 또한, 터널로는 큰 공장 건축면적 및 값비싼 세라믹 내화갑(도가니)의 사용을 요구하고 작동 수명이 제한되어 운용 비용이 점점 증가한다.
개선된 하소 공정에 대한 필요성이 남아있다. 본 발명은 상기 문제 중 하나 이상을 극복하기 위해 개발되었다.
본 발명자들은 놀랍게도 리튬 전이 금속 산화물 캐소드 재료가 리튬 공급원의 부재 하에 전이 금속 전구체 상에서 초기 하소 단계를 수행한 후, 리튬 공급원의 존재 하에 후속 고온 하소를 수행하는 공정에 의해 성공적으로 제조될 수 있음을 밝혀내었다. 놀랍게도, 리튬은 사전 하소된 중간체로 성공적으로 이동하고, 하기 실시예 1a 및 1b에서 입증된 바와 같이 전기화학적 활성 리튬 전이 금속 산화물이 성공적으로 형성된다. 이 신규 공정에 의해 형성된 재료는 우수한 비용량 및 용량 보유율을 나타낸다.
따라서, 제1 바람직한 측면에서 본 발명은 하기를 포함하는 리튬 전이 금속 산화물을 제조하는 공정을 제공한다:
(a) 리튬 공급원의 부재 하에 전이 금속 전구체를 사전 하소하여 사전 하소된 중간체 화합물을 형성하는 단계로서, 상기 전이 금속 전구체는 니켈, 코발트 및 마그네슘을 포함하는 것인 단계; 이어서
(b) 리튬 공급원의 존재 하에 사전 하소된 중간체 화합물을 고온 하소하는 단계.
전이 금속 전구체는 임의적으로 적어도 하나의 추가 전이 금속을 포함한다. 이는 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상의 추가 금속을 포함할 수 있다. 전형적으로, 전이 금속 전구체는 전이 금속 수산화물 또는 옥시수산화물이다.
리튬 공급원의 부재 하에 사전 하소 단계를 수행함으로써, 본 발명의 공정은 하기에 보다 상세하게 논의된 바와 같이 사용될 수 있는 하소 장비와 관련하여 유의하게 더 많은 유연성을 제공한다.
제2 측면에서, 본 발명은 리튬 공급원의 부재 하에 니켈, 코발트 및 마그네슘을 포함하는 전이 금속 전구체의 하소를 포함하는, 사전 하소된 중간체 화합물을 제조하는 사전 하소 공정을 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 제1 측면에 따른 공정에 의해 수득되거나 또는 수득가능한 리튬 전이 금속 산화물 화합물이다.
본 발명의 제4 측면은 제2 측면에 따른 공정에 의해 수득되거나 또는 수득가능한 사전 하소된 중간체 화합물이다.
본 발명의 제5 측면은 리튬 이온 배터리의 캐소드에서 제3 측면에 따른 리튬 전이 금속 산화물 화합물의 용도이다.
본 발명의 제6 측면은 제3 측면에 따른 리튬 전이 금속 산화물 화합물을 포함하는 리튬 이온 배터리이다.
본 발명의 제7 측면은 제7 측면에 따른 리튬 이온 배터리를 포함하는 전기 자동차이다.
본원의 임의의 하위 제목은 단지 편의를 위해 포함되며 어떠한 방식으로든 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 고온 하소 후 실시예 1a에서 제조된 재료의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 2는 고온 하소 후 실시예 1b에서 제조된 재료의 XRD 패턴을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 및/또는 임의적인 특징이 이제 제시될 것이다. 본 발명의 임의의 측면은 문맥상 달리 요구하지 않는 한 본 발명의 임의의 다른 측면과 조합될 수 있다. 임의의 측면의 임의의 바람직한 및/또는 임의적인 특징은 문맥상 달리 요구하지 않는 한 단독으로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 임의의 측면과 조합될 수 있다.
본 발명은 리튬 공급원의 부재 하에 전이 금속 전구체의 사전 하소를 수반한다. 리튬 공급원의 부재 하에 사전 하소는 다수의 이점을 제공한다.
예를 들어, 리튬 공급원은 사전 하소 단계에 존재하지 않으므로, 이 단계에 사용될 수 있는 로에 관한 더 많은 선택이 있다. 예를 들어, 회전로에서 이 단계를 수행하는 것이 가능하다. 회전로는 내화갑과 같은 하소 용기의 사용을 필요로 하는 하소될 재료의 고정층이 있는 대체로(예컨대 고정로 및 터널로(예를 들어 롤러 난로 가마)보다 재료에 대한 개선된 고온 경사 및 더 효율적인 산소 전달을 제공한다. 추가로, 하소 공정의 일부를 터널로 이외의 로에 전달함으로써, 터널로에서의 전체 체류 시간이 감소되어, 공장 처리량이 증가되고/되거나, 공장 건축면적이 감소되고/되거나 운용 비용이 감소된다.
그러나, 사전 하소 공정은 당업계에 알려진 임의의 로, 예를 들어 고정 가마(예컨대 관로(tube furnace) 또는 머플로(muffle furnace)), 터널로(여기서 재료의 고정층은 롤러 난로 가마 또는 압입로(push-through furnace)와 같은 로를 통해 이동됨), 또는 회전로(스크류-공급 또는 오거-공급 회전로 포함)에서 적합하게 수행될 수 있다. 사전 하소에 사용되는 로는 전형적으로 제어된 가스 대기 하에 작동될 수 있다.
사전 하소 공정은 바람직하게는 회전로에서 수행된다. 회전로는 회분식 또는 연속식 회전로일 수 있다. 회전로는 스크류 공급기에 의해, 예를 들어 호퍼(hopper)로부터 공급될 수 있다.
로(furnace)의 가스 대기는 하소기에 가스를 병류식 또는 역류식, 바람직하게는 역류t식으로 공급함으로써 제공될 수 있다.
전이 금속 전구체는 스크류 공급기에 의해, 예를 들어 호퍼로부터 로에 공급될 수 있다. 사전 하소된 중간체는 수용 용기, 예를 들어 금속 용기에 수집될 수 있다. 수용 용기는 외부 대기로부터 단리될 수 있으며, 이는 사전 하소된 중간체를 함유하는 수용 용기가 제어된 가스 대기를 유지하면서 로에서 제거되도록 한다. 적합한 회전로는 Harper 및 Nabertherm에서 입수가능하다.
사전 하소 공정은 전형적으로 이산화탄소(CO2)가 없는 대기 하에 수행된다. 예를 들어, 대기는 이산화탄소가 없는 공기일 수 있으며, 이는 산소 및 질소의 혼합물일 수 있다. 대안적으로, 이산화탄소가 없는 대기는 산소(예를 들어 순수한 산소)일 수 있다. 바람직하게는, 대기는 산화되고 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "이산화탄소가 없는" 또는 "CO2가 없는"은 100ppm 미만 CO2, 50ppm 미만 CO2, 20ppm 미만 CO2, 또는 10ppm 미만 CO2를 포함하는 대기를 포함하는 것으로 의도된다. 이러한 CO2 수준은 CO2 스크러버를 사용하여 CO2를 제거함으로써 달성될 수 있다.
사전 하소 공정은 전형적으로 온도가 증가되는 가열 단계, 및 온도가 상승된 수준에서 유지되는 유지 단계를 포함한다. 사전 하소의 유지 단계는 전형적으로 적어도 275℃, 적어도 290℃, 적어도 300℃, 적어도 320℃, 적어도 330℃ 또는 적어도 350℃의 온도에서 수행된다. 사전 하소의 유지 단계는 전형적으로 600℃ 이하, 550℃ 이하, 525℃ 이하, 500℃ 이하, 또는 475℃ 이하의 온도에서 수행된다. 예를 들어, 사전 하소의 유지 단계는 275 내지 600℃, 290 내지 550℃, 300 내지 500℃, 320 내지 450℃, 또는 330 내지 450℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
사전 하소의 유지 단계는 전형적으로 50 분 이상, 60 분 이상, 70 분 이상, 또는 80 분 이상의 기간 동안 수행된다. 사전 하소의 유지 단계는 전형적으로 5 시간 이하, 4 시간 이하, 또는 3 시간 이하의 기간 동안 수행된다. 예를 들어, 사전 하소의 유지 단계는 1 내지 4 시간, 예컨대 1.5 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.
예를 들어, 사전 하소는 1 내지 3 시간의 기간 동안 300℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
사전 하소의 가열 단계 동안, 온도는 1℃/분 내지 20℃/분, 예를 들어 2℃/분 내지 10℃/분, 예컨대 3℃/분 내지 8℃/분의 속도로 증가될 수 있다.
사전 하소의 결과로서, 사전 하소된 중간체 화합물은 낮은 수분 함량을 갖는다. 사전 하소된 중간체 화합물의 낮은 수분 함량은 고온 하소 단계의 효율을 개선시킨다. 또한, 사전 하소된 중간체 화합물의 낮은 수분 함량은 '버핑(burping)'(즉 하소되는 재료를 격렬하게 방해하여 층에서 배출할 수 있는 고온 하소 동안 물의 갑작스러운 증발) 발생을 감소시킨다. 이는 고온 하소 단계가 고정로 또는 터널로(예를 들어 롤러 난로 가마 또는 압입로)와 같은 재료의 고정층을 사용하는 로에서 수행될 때 특히 유리하고, 고정층에서 재료의 로딩을 증가시켜(예를 들어 롤러 난로 가마에서 내화갑 로딩 증가) 처리량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 리튬 전이 금속 산화물을 제조하는 공정은 사전 하소된 중간체가 리튬 공급원의 존재 하에 하소되는 고온 하소 단계를 포함한다. 고온 하소 단계는 사전 하소 단계 직후 또는 사전 하소된 중간체 상에서 수행되는 하나 이상의 추가 처리 단계 후 수행될 수 있다. 고온 하소 단계가 사전 하소 단계 직후 수행되는 것이 바람직할 수 있다.
리튬 공급원은 고온 하소 단계 전 또는 동안 사전 하소된 중간체와 조합될 수 있다. 사전 하소된 중간체는 리튬 공급원과 배합되어 임의의 적합한 수단, 예를 들면 Nauta, Turbula 또는 리본 혼합기와 같은 분말 혼합기를 사용함으로써 균질한 혼합물을 제공할 수 있다. 예를 들어, Nauta 원뿔 스크류 혼합기는 30 내지 60 분의 기간 동안 약 70 rpm의 스크류 속도 및 1 내지 2 rpm의 아암(arm) 회전으로 사용될 수 있다. 당업자는 리튬 공급원과 사전 하소된 중간체의 적절한 혼합을 보장하는 적절한 혼합기 및 혼합 조건을 선택할 수 있을 것이다.
리튬 공급원은 리튬 이온 및 적합한 무기 또는 유기 반대 음이온을 포함한다. 적합하게는 리튬 공급원은 탄산리튬, 산화리튬, 수산화리튬, 염화리튬, 질산리튬, 황산리튬, 탄산수소리튬, 아세트산리튬, 불화리튬, 브롬화리튬, 요오드화리튬 및 과산화리튬으로부터 선택된 하나 이상의 리튬 화합물을 포함한다. 일부 구현예에서, 리튬 공급원은 탄산리튬 및 수산화리튬 중 하나 이상으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 리튬 공급원은 수산화리튬이다. 본 발명은 리튬 공급원이 수산화리튬인 경우 특히 이점을 제공할 수 있다. 수산화리튬은 리튬 전이 금속 산화물 재료가 낮은 수준의 망간을 함유하고/하거나, 임의의 망간을 함유하지 않는 경우 특히 적합한 리튬 공급원이다. 예를 들어, 리튬 전이 금속 산화물 재료는 리튬 전이 금속 산화물 재료 중 전이 금속의 몰에 대하여 10 mol% 미만, 5 mol% 미만, 또는 1 mol% 미만을 함유할 수 있다.
고온 하소 단계는 당업자에게 알려진 임의의 적합한 로, 예를 들어 고정 가마(예컨대 관로 또는 머플로), 터널로(여기서 재료의 고정층은 롤러 난로 가마 또는 압입로와 같은 로를 통해 이동됨), 또는 회전로(스크류-공급 또는 오거-공급 회전로 포함)에서 수행될 수 있다. 고온 하소에 사용되는 로는 전형적으로 제어된 가스 대기 하에 작동될 수 있다. 일부 구현예에서, 고정로 또는 터널로(예를 들어 롤러 난로 가마 또는 압입로)와 같은 재료의 고정층이 있는 로에서 고온 하소 단계를 수행하는 것이 필요하거나 또는 바람직할 수 있다. 일부 특정 구현예에서, 고온 하소 단계는 터널로, 예를 들어 롤러 난로 가마에서 수행될 수 있다.
고온 하소는 전형적으로 사전 하소 단계에 이용되는 온도보다 더 높은 온도에서 수행된다.
고온 하소는 전형적으로 온도가 증가되는 가열 단계, 및 온도가 상승된 수준에서 유지되는 유지 단계를 포함한다. 고온 하소의 유지 단계는 전형적으로 적어도 600℃, 적어도 650℃, 적어도 670℃ 또는 적어도 680℃의 온도에서 수행된다. 고온 하소의 유지 단계는 전형적으로 1000℃ 이하, 900℃ 이하, 850℃ 이하, 800℃ 이하, 또는 750℃ 이하의 온도에서 수행된다. 예를 들어, 고온 하소의 유지 단계는 600 내지 1000℃, 600 내지 800℃, 650 내지 800℃, 650 내지 750℃, 또는 670 내지 750℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
고온 하소의 유지 단계는 전형적으로 2 시간 이상, 3 시간 이상, 4 시간 이상, 5 시간 이상, 또는 5.5 시간 이상의 기간 동안 수행된다. 고온 하소의 유지 단계는 전형적으로 20 시간 이하, 10 시간 이하, 8 시간 이하, 7 시간 이하 또는 6.5 시간 이하의 기간 동안 수행된다. 예를 들어, 고온 하소의 유지 단계는 4 내지 10 시간, 예컨대 5 내지 7 시간 동안 수행될 수 있다.
예를 들어, 고온 하소는 5 내지 7 시간의 기간 동안 600 내지 800℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
고온 하소의 가열 단계 동안, 온도는 20℃/분 이하, 10℃/분 이하, 8℃/분 이하, 또는 6℃/분 이하의 속도로 증가될 수 있다. 본 발명자들은 5℃/분 미만의 가열 속도가 실시예에서 입증된 바와 같이, 개선된 전기화학적 특성을 초래할 수 있음을 발견하였다. 따라서, 온도가 4℃/분 이하, 또는 3℃/분 이하의 속도로 증가되는 것이 바람직할 수 있다. 전형적으로, 가열 속도는 적어도 0.5℃/분 또는 적어도 1℃/분일 것이다. 예를 들어, 가열 속도는 1 내지 10℃/분, 예를 들어 1 내지 8℃/분, 또는 1 내지 4℃/분 범위일 수 있다.
고온 하소가 재료의 고정층이 있는 로에서 수행되는 경우, 사전 하소된 중간체는 고온 하소 전에 하소 용기(예를 들어 내화갑 또는 다른 적합한 도가니)에 로딩될 수 있다.
고온 하소는 전형적으로 이산화탄소(CO2)가 없는 대기 하에 수행된다. 예를 들어, 대기는 이산화탄소가 없는 공기일 수 있으며, 이는 산소 및 질소의 혼합물일 수 있다. 대안적으로, 이산화탄소가 없는 대기는 산소(예를 들어 순수한 산소)일 수 있다. 바람직하게는, 대기는 산화되고 있다.
일부 구현예에서, 사전 하소와 고온 하소 사이에 지연이 있을 수 있다. 재료는 사전 하소와 고온 하소 사이에 냉각될 수 있다.
본 발명의 공정은 전이 금속 전구체의 사전 하소를 포함한다. 전이 금속 전구체는 니켈, 코발트 및 마그네슘을 포함한다. 전이 금속 전구체는 침전된 전이 금속 화합물일 수 있으며, 예를 들어 공침전된 혼합 전이 금속 화합물일 수 있다. 대안적으로, 2 종 이상의 전이 금속 화합물의 물리적 혼합물이 제공될 수 있다, (예를 들어 니켈 수산화물, 코발트 수산화물 및 마그네슘 수산화물의 혼합물). 바람직하게는, 전이 금속 전구체는 2 종 이상의 전이 금속을 포함하는 혼합 전이 금속 전구체이다. 전이 금속 전구체는 전이 금속 수산화물, 전이 금속 옥시수산화물 또는 이의 혼합물일 수 있다.
전이 금속 전구체가 Co, Ni 및 Mn, Ti, Zr 및 Zn (예를 들어 Ti, Zr 및 Zn)으로부터 선택된 적어도 하나의 추가 전이 금속을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
전이 금속 전구체는 하나 이상의 추가 금속을 포함할 수 있다. 하나 이상의 추가 금속은 전형적으로 1, 2 또는 13족 금속으로부터 선택된다. 예를 들면, 하나 이상의 추가 금속은 Na, K, Ca, Al 및 이의 조합, 바람직하게는 Al로부터 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 혼합 전이 금속 전구체의 금속 성분은 니켈, 코발트 및 마그네슘으로 본질적으로 이루어진다(또는 이로 이루어진다)(즉 다른 금속이 없거나, 또는 무시할 수 있는 양의 다른 금속이 존재한다).
일부 구현예에서, 전이 금속 전구체는 NixCoyMgz의 비율로 니켈, 코발트 및 마그네슘을 포함하며, 여기서
0.8 ≤ x ≤ 1.0
0 < y ≤ 0.2
및 0 < z ≤0.1.
x + y + z = 1 또는 약 1(예를 들어 0.98 ≤ x + y + z ≤ 1.02)인 것이 바람직할 수 있다.
일부 구현예에서, 혼합 전이 금속 전구체는 하기 화학식에 따른 혼합 전이 금속 화합물을 포함한다:
NixCoyTMwMzOa(OH)b
여기서:
0.6 ≤ x ≤ 1.0
0 < y ≤ 0.4
0 < z ≤ 0.1
0 ≤ w ≤ 0.3
0 ≤ a ≤ 0.1
1.7 ≤ b ≤ 2.0
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 1.0
0 < y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
0 ≤ w ≤ 0.05
0 ≤ a ≤ 0.3
1.7 ≤ b ≤ 2.0
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 ≤ y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
0 ≤ w ≤ 0.05
0 ≤ a ≤ 0.3
1.7 ≤ b ≤ 2.0
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 ≤ y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
0 ≤ w ≤ 0.05
a = 0
b = 2
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 ≤ y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
w = 0
0 ≤ a ≤ 0.3
1.7 ≤ b ≤ 2.0
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 ≤ y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
w = 0
0 ≤ a ≤ 0.3
1.7 ≤ b ≤ 2.0
M은 Mg이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 ≤ y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
w = 0
a = 0
b = 2
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 ≤ y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
w = 0
a = 0
b = 2
M은 Mg이다.
x + y + w = 1 또는 약 1(예를 들어 0.98 ≤ x + y + w ≤ 1.02)인 것이 바람직할 수 있다. x + y + z + w = 1 또는 약 1(예를 들어 0.98 ≤ x + y + z + w ≤ 1.05 또는 1.03)인 것이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 전이 금속 전구체는 화학식 Ni0.90Co0.05Mg0.05(OH)2, Ni0.90Co0.06Mg0.04(OH)2, Ni0.90Co0.07Mg0.03(OH)2, Ni0.91Co0.08Mg0.01(OH)2, Ni0.88Co0.08Mg0.04(OH)2, Ni0.90Co0.08Mg0.02(OH)2, 또는 Ni0.93Co0.06Mg0.01(OH)2의 전이 금속 화합물일 수 있다.
전이 금속 전구체는 미립자 형태일 수 있다. 전이 금속 전구체는 당업계에 알려진 공정, 예를 들어 염기성 조건 하에 전이 금속 염과 수산화나트륨의 반응에 의한 전이 금속 수산화물의 (공)침전에 의해 제조될 수 있다.
적합하게는, 전이 금속 전구체는 분말 형태이며, 분말은 2 내지 50 μm, 적합하게는 2 내지 30 μm, 적합하게는 5 내지 20 μm, 적합하게는 8 내지 15 μm의 부피 평균 입자 크기 D50을 갖는 전구체의 입자를 포함한다.
사전 하소는 리튬 공급원의 부재 하에 전이 금속 전구체 상에서 수행된다.
리튬 공급원의 부재는 사전 하소를 겪는 재료가 최종 리튬 전이 금속 산화물 생성물에서 리튬을 제공하도록 의도된 임의의 화합물을 함유하지 않음을 나타낸다. 이는 불순물로 존재하는 임의의 리튬과 같은 사전 하소를 위한 재료(예를 들어 전이 금속 전구체)에서 소량의 리튬의 존재를 배제하지 않는다. 일부 구현예에서, 전구체가 불순물로서 존재할 수 있는 무시할만한 수준의 리튬만을 함유하도록 리튬 공급원은 혼합 전이 금속 전구체에 의도적으로 첨가되지 않는다. 일부 구현예에서, 사전 하소를 위한 재료에서 원소 리튬의 양은 1 wt% 미만, 예를 들어 0.5 wt% 미만, 0.4 wt% 미만, 0.3 wt% 미만, 0.2 wt% 미만, 0.1 wt% 미만, 0.09 wt% 미만, 0.08 wt% 미만, 0.07 wt% 미만, 0.06 wt% 미만 또는 0.05 wt% 미만이다.
고온 하소의 생성물은 전형적으로 리튬 전이 금속 산화물이다. 전형적으로 층상 α-NaFeO2-유형 구조를 갖는다.
일부 구현예에서, 리튬 전이 금속 산화물은 하기 화학식에 따른 조성물을 갖는다:
LicNixCoyTMwMzO2±d
여기서:
0.6 ≤ x ≤ 1.0
0 < y ≤ 0.4
0 < z ≤ 0.1
0 ≤ w ≤ 0.1
0.9 ≤ c ≤ 1.1
-0.2 ≤ d ≤ 0.2
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 1.0
0 < y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
0 ≤ w ≤ 0.05
0.9 ≤ c ≤ 1.1
-0.2 ≤ d ≤ 0.2
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 < y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
0 ≤ w ≤ 0.05
0.9 ≤ c ≤ 1.1
-0.2 ≤ d ≤ 0.2
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 < y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
0 ≤ w ≤ 0.05
0.9 ≤ c ≤ 1.1
-0.2 ≤ d ≤ 0.2
TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 < y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
w = 0
0.95 ≤ c ≤ 1.05
-0.2 ≤ d ≤ 0.2
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이거나; 또는
0.8 ≤ x ≤ 0.95
0.05 < y ≤ 0.2
0 < z ≤ 0.05
w = 0
0.95 ≤ c ≤ 1.05
-0.2 ≤ d ≤ 0.2
M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상이다.
x + y + w = 1 또는 약 1(예를 들어 0.98 ≤ x + y + w ≤ 1.02)인 것이 바람직할 수 있다. x + y + z + w = 1 또는 약 1(예를 들어 0.98 ≤ x + y + z + w ≤ 1.05 또는 1.03)인 것이 바람직할 수 있다.
임의적으로, 코팅 단계는 고온 하소로부터 수득된 리튬 전이 금속 산화물 재료 상에서 수행된다.
코팅 단계는 리튬 전이 금속 산화물을 하나 이상의 코팅 금속 요소를 포함하는 코팅 조성물과 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 코팅 금속 요소는 수용액으로서 제공될 수 있다. 적합하게는, 하나 이상의 코팅 요소는 하나 이상의 코팅 금속 요소 염의 수용액, 예를 들어 하나 이상의 코팅 금속의 질산염 또는 황산염으로서 제공될 수 있다. 하나 이상의 코팅 금속 요소는 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄, 마그네슘, 및 아연으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
코팅 단계는 전형적으로 코팅 조성물로부터 고체를 분리하는 단계 및 임의적으로 재료를 건조시키는 단계를 포함한다. 분리는 적합하게는 여과에 의해 수행되거나, 또는 대안적으로 분리 및 건조는 리튬 전이 금속 산화물 및 코팅 용액을 분무 건조시킴으로써 동시에 수행될 수 있다. 코팅된 재료는 후속 가열 단계를 거칠 수 있다.
본 발명의 공정은 리튬 전이 금속 산화물 재료를 포함하는 전극(전형적으로 캐소드)을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 전형적으로, 이는 리튬 전이 금속 산화물 재료의 슬러리를 형성하는 단계, 집전체(예를 들어 알루미늄 집전체)의 표면에 슬러리를 적용하는 단계, 및 임의적으로 전극의 밀도를 증가시키기 위해 처리(예를 들어 압연(calendaring))하는 단계에 의해 수행된다. 슬러리는 용매, 결합제, 탄소 재료 및 추가 첨가제 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 공정은 리튬 전이 금속 산화물 재료를 포함하는 전극을 포함하는 배터리 또는 전기화학적 전지를 구성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 배터리 또는 전지는 전형적으로 애노드 및 전해질을 추가로 포함한다. 배터리 또는 전지는 전형적으로 2차(재충전형) 리튬(예를 들어 리튬 이온) 배터리일 수 있다.
본 발명은 이제 하기 비제한적인 도면 및 실시예를 참조하여 추가로 기재될 것이다. 본 발명의 다른 구현예는 이들에 비추어 당업자에게 발생할 것이다.
실시예
실시예 1
Hunan Brunp Recycling Technology Co. Ltd로부터 수득된 화학식 Ni0.90Co0.08Mg0.02(OH)2의 상업적으로 입수가능한 혼합 전이 금속 전구체(251.70 g)를 2.4 g/cm2의 로딩으로 세라믹 내화갑으로 옮기고 Carbolite 동적 하소 오븐에 충전하였다.
내화갑을 5℃/분의 속도로 400℃까지 가열하고 이 온도에서 CO2가 없는 공기에서 2 시간 동안 유지하였다. 그런 다음 생성된 사전 하소된 중간체 화합물을 150℃까지 냉각시켰다(로 사이, 예를 들어 회전로에서 고정층이 있는 로까지의 전달을 모의하기 위해).
그런 다음 사전 하소된 중간체 재료를 로에서 제거하고, 실온까지 냉각시킨 다음 Turbula 혼합기에서 건조 및 밀링된 수산화리튬(66.33 g)과 배합하였다.
그런 다음 배합된 사전 하소된 중간체 재료 및 수산화리튬 혼합물을 2 개 배치로 분리하고(실시예 1a 및 1b), 2.4 g/cm2의 로딩으로 세라믹 내화갑에 로딩하고, 각각을 Carbolite 동적 하소 오븐에서 CO2가 없는 공기에서 하기 기재된 바와 같은 고온 하소 단계를 거쳤다.
실시예 1a를 2℃/분 경사의 온도 경사로 700℃까지 가열하고 700℃에서 6 시간 동안 유지하였다. 실시예 1b를 5℃/분의 온도 경사로 700℃까지 가열하고 700℃에서 6 시간 동안 유지하였다. 그런 다음 각 샘플을 냉각시키고 50 μm 체를 통과시켰다.
실시예 1a 및 1b에서 제조된 재료를 XRD 분석에 적용하였으며, 결과는 각각 도 1 및 2에 제시하였다. 각 샘플에 대한 XRD 패턴은 층상 α-NaFeO2-유형 구조를 갖는 리튬 니켈 코발트 산화물의 존재를 나타낸다. 재료는 피크의 예리함에 의해 입증된 바와 같은 높은 결정도를 갖는다. XRD 데이터는 원하는 재료가 리튬 공급원의 부재 하에 사전 하소를 포함하는 공정으로 성공적으로 제조되었음을 입증한다.
비교예 1
Hunan Brunp Recycling Technology Co. Ltd로부터 수득된 화학식 Ni0.90Co0.08Mg0.02(OH)2의 상업적으로 입수가능한 혼합 전이 금속 전구체(199.19 g)를 건조 및 밀링된 수산화리튬(52.53 g)과 배합하였다. 배합물을 2.4 g/cm2의 로딩으로 세라믹 내화갑으로 옮기고 Carbolite 동적 하소 오븐에 충전하였다.
내화갑을 5℃/분으로 450℃까지 가열하고 2 시간 동안 유지한 후 즉시 2℃/분으로 700℃까지 상승시키고 CO2가 없는 공기에서 6 시간 동안 유지하였다. 생성된 재료를 150℃까지 냉각시키고 50 μm 체를 통과시켰다.
비교예 2
Hunan Brunp Recycling Technology Co. Ltd로부터 수득된 화학식 Ni0.90Co0.08Mg0.02(OH)2의 상업적으로 입수가능한 혼합 전이 금속 전구체(38.48 g)를 건조 및 밀링된 수산화리튬(10.13 g)과 배합하였다. 배합물을 2.4 g/cm2의 로딩으로 세라믹 내화갑으로 옮기고 Carbolite 동적 하소 오븐에 충전하였다.
내화갑을 2℃/분의 속도로 300℃까지 가열하고 이 온도에서 CO2가 없는 공기에서 1 시간 동안 유지하였다. 그런 다음 생성된 화합물을 150℃까지 냉각시켰다(로 사이, 예를 들어 회전로에서 고정층이 있는 로까지의 전달을 모의하기 위해).
그런 다음 내화갑을 5℃/분의 온도 경사로 700℃까지 가열하고 700℃에서 CO2가 없는 공기에서 3 시간 동안 유지하였다. 그런 다음 재료를 냉각시키고 50 μm 체를 통과시켰다.
전기화학적 테스트
실시예 1a 및 1b, 및 비교예 1 및 2의 재료를 전기화학적 테스트에 적용하였다.
65 % 고체의 잉크를 사용하여 94:3:3 활성제:탄소:결합제 제형으로 전극을 제조하였다. 0.6 g의 SuperC65 탄소를 Thinky® 혼합기 상에서 5.25 g의 N-메틸 피롤리돈(NMP)과 혼합하였다. 18.80 g의 활성 재료를 첨가하고 Thinky 혼합기를 사용하여 추가로 혼합하였다. 마지막으로, 6.00 g의 Solef® 5130 결합제 용액(NMP 중 10 wt%)을 첨가하고 Thinky 혼합기에서 혼합하였다. 생성된 잉크를 125 μm 고정 블레이트 코터를 사용하여 알루미늄 호일에 주조하고 120℃에서 60 분 동안 건조시켰다. 건조되면, 전극 시트를 3 g/cm3의 밀도를 달성하기 위해 Hohsen 압연기에서 압연하였다. 개별 전극을 절단하고 진공 하에 밤새 건조시킨 후 아르곤 충전된 글로브박스로 옮겼다.
코인 전지를 1:1:1 EC(에틸렌 카보네이트) : EMC(에틸 메틸 카보네이트) : DMC(디메틸 카보네이트) + 1 wt% VC(비닐렌 카보네이트) 전해질에서 리튬 애노드 및 1M LiPF6을 사용하여 구축하였다. 선택된 전극은 9.0 mg/cm2의 로딩 및 3 g/cm3의 밀도를 가졌다. 전기화학적 측정은 전압 창 3.0-4.3V에 따라 23℃에서 측정된 3 개 전지의 평균에서 취하였다.
전기화학적 테스트 데이터는 표 1에 제시된다. 결과는 실시예 1a 및 1b 둘 다의 재료가 우수한 전기화학적 성능 특성을 가짐을 나타내며, 따라서 리튬의 부재 하에 사전 하소를 수반하는 공정이 우수한 배터리 재료를 제공함을 입증한다. 결과는 또한 더 느린 가열 속도가 고온 하소 단계에 사용되는 경우, 개선된 전기화학적 성능이 관찰됨을 나타낸다. 실시예와 비교예를 비교하면 본 발명에 따른 공정 및 리튬 공급원이 처음에 첨가되는 공정을 사용하여 필적할만한 성능이 달성됨을 입증한다. 공정에서 나중에 리튬 공급원을 첨가하는 것이 전기화학적 성능에 해롭지 않다는 점은 놀라운 일이다.
표 1
Figure pct00001

Claims (18)

  1. 리튬 전이 금속 산화물을 제조하는 공정으로서,
    (a) 리튬 공급원의 부재 하에 전이 금속 전구체를 사전 하소하여 사전 하소된 중간체 화합물을 형성하는 단계로서, 상기 전이 금속 전구체는 니켈, 코발트 및 마그네슘을 포함하는 것인, 단계; 이어서
    (b) 리튬 공급원의 존재 하에 사전 하소된 중간체 화합물을 고온 하소하는 단계를 포함하는, 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사전 하소 공정이 온도가 증가되는 가열 단계 및 온도가 상승된 수준에서 유지되는 유지 단계를 포함하고, 상기 사전 하소의 유지 단계가 1 내지 4 시간 동안 275℃ 내지 600℃ 범위의 온도에서 수행되는 것인, 공정.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전 하소가 1 내지 3 시간의 기간 동안 300℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 수행되는 것인, 공정.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사전 하소 단계가 회전로(rotary furnace)에서 수행되는 것인, 공정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 하소가 온도가 증가되는 가열 단계 및 온도가 상승된 수준에서 유지되는 유지 단계를 포함하고, 고온 하소의 유지 단계가 4 내지 10 시간 동안 600℃ 내지 1000℃ 범위의 온도에서 수행되는 것인, 공정.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 하소가 5 내지 7 시간의 기간 동안 600℃ 내지 800℃ 범위의 온도에서 수행되는 것인, 공정.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 하소 공정의 가열 단계 동안 온도가 4℃/분 이하의 속도로 증가되는 것인, 공정.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서 사전 하소된 중간체가 수산화리튬 및/또는 탄산리튬, 바람직하게는 수산화리튬의 존재 하에 하소되는 것인, 공정.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 전이 금속 산화물이 망간을 함유하지 않거나 또는 리튬 전이 금속 산화물 중 전이 금속의 총 몰에 대해 10 mol% 미만의 망간을 함유하는 것인, 공정.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전이 금속 전구체가 전이 금속 수산화물, 전이 금속 옥시수산화물, 또는 이의 혼합물인, 공정.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전이 금속 전구체가 Ni, Co 및 임의적으로 Ti, Zr, Mn 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상의 전이 금속을 포함하는 것인, 공정.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전이 금속 전구체가 1, 2 또는 13 족 금속으로부터 선택된 하나 이상의 추가 금속을 포함하는 것인, 공정.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 전이 금속 전구체가 하기 화학식에 따른 혼합 전이 금속 화합물을 포함하는 것인, 공정:
    NixCoyTMwMzOa(OH)b
    여기서:
    0.6 ≤ x ≤ 1.0
    0 < y ≤ 0.4
    0 < z ≤ 0.1
    0 ≤ w ≤ 0.3
    0 ≤ a ≤ 0.1
    1.7 ≤ b ≤ 2.0
    TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
    M은 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상임.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 전이 금속 산화물이 층상 α-NaFeO2-유형 구조를 갖는 것인, 공정.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리튬 전이 금속 산화물이 하기 화학식에 따른 조성물을 갖는 것인, 공정:
    LicNixCoyTMwMzO2±d
    여기서:
    0.6 ≤ x ≤ 1.0
    0 < y ≤ 0.4
    0 < z ≤ 0.1
    0 ≤ w ≤ 0.1
    0.9 ≤ c ≤ 1.1
    -0.2 ≤ d ≤ 0.2
    TM은 Mn, Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상, 바람직하게는 Ti, Zr 및 Zn으로부터 선택된 하나 이상이고
    M은 M이 Mg이고 임의적으로 Na, K, Ca 및 Al로부터 선택된 하나 이상으로부터 선택된 하나 이상임.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅 단계가 고온 하소로부터 수득된 리튬 전이 금속 산화물 재료 상에서 수행되는 것인, 공정.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정이 리튬 전이 금속 산화물 재료를 포함하는 전극을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 공정.
  18. 제17항에 있어서, 상기 공정이 리튬 전이 금속 산화물 재료를 포함하는 전극을 포함하는 전기화학적 전지를 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 공정.
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