KR20230025364A - 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 산화 아연 입자, 및 상기 산화 아연 입자의 내부, 표면 또는 내부 및 표면에 분포된 코발트를 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 특정 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어진 음극 활물질에 관한 것이다.

Description

음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, NEGATIVE ELECTRODE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이차전지에 관한 것이다.
최근 정보사회의 발달로 인한 개인 IT 디바이스와 전산망이 발달되고 이에 수반하여 전반적인 사회의 전기에너지에 대한 의존도가 높아지면서, 전기 에너지를 효율적으로 저장하고 활용하기 위한 전지 기술 개발이 요구되고 있다.
특히, 환경 문제의 해결, 지속 가능한 순환형 사회의 실현에 대한 관심이 대두되면서, 리튬 이온 전지로 및 전기 이중층 커패시터 등의 축전 디바이스의 연구가 광범위하게 행해지고 있다. 이중, 리튬 이차전지는 전지 기술 중에서도 이론적으로 에너지 밀도가 가장 높은 전지 시스템으로 각광을 받고 있다.
상기 리튬 이차전지는 크게 리튬을 함유하고 있는 전이금속 산화물로 구성된 양극과, 리튬을 저장할 수 있는 음극, 리튬 이온을 전달하는 매개체가 되는 전해액, 분리막으로 구성되어 있으며, 이중 전해액의 경우 전지의 안정성(stability, safety) 등에 큰 영향을 주는 구성 성분으로 알려지면서, 이에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
상기 음극에는 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질 등의 음극 활물질이 사용될 수 있으며, 최근에는 높은 에너지 밀도의 구현 측면에서 Zn, Co, Ni, Mn 등의 전이금속의 산화물을 음극 활물질로 사용되는 기술이 연구되고 있다.
이때, 산화 아연의 경우 높은 이론 용량(약 987mAh/g)을 갖지만, 사이클이 진행됨에 따라 비가역 용량이 증가하는 문제점이 있다. 이는 충방전이 계속되면서 산화 아연 내의 아연 입자의 응집, 성장으로 인해 가역성이 떨어지고, 아연과 리튬의 합금화 반응으로 인해 산화 아연의 부피 팽창 정도가 크기 때문인 것으로 보여진다.
한편 전술한 문제점을 방지하기 위해, 산화 아연 내에 코발트(Co) 등을 도핑하는 방법 등이 연구되고 있으나, 코발트 함유 산화 아연 내에 산화 코발트와 산화 아연이 독립된 상으로 존재함에 따라 산화 아연의 비가역 용량 증가를 충분히 방지할 수 없는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2017-0029684호는 이차전지용 음극 활물질로서 Zn, Ni, Mn, Co 중 2종의 전이금속 산화물 입자를 사용하는 것이 개시되어 있으나, 전술한 문제에 대한 대안을 제시하지 못하였다.
한국공개특허 제10-2017-0029684호
본 발명의 일 과제는 부피 팽창이 완화되고 비가역 용량이 낮아 수명 성능이 우수한 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하는 음극 활물질을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극 및 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 산화 아연 입자, 및 상기 산화 아연 입자의 내부, 표면 또는 내부 및 표면에 분포된 코발트를 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어진 음극 활물질을 제공한다.
[화학식 1]
ZnaCobO
상기 화학식 1에서, 0.45 ≤ a ≤ 0.80, 0.20 ≤ b ≤ 0.55, a+b= 1이다.
또한, 본 발명은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치되는 음극 활물질층을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 음극; 양극; 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질;을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 음극 활물질은 산화 아연 입자, 상기 산화 아연 입자의 표면 및/또는 내부에 분포된 코발트를 포함하는 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하는 것로서, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 특정 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하고, 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기 특징을 갖는 코발트 함유 산화 아연 입자는 예를 들면, 내부에 암염 결정 구조를 갖는 산화 코발트가 존재하지 않는 것으로서, 일정한 결정 구조를 갖는 것으로 이해할 수 있다. 본 발명에 따른 코발트 함유 산화 아연 입자는 일정한 결정 구조를 가지므로, 내부에 분포, 도핑된 코발트가 산화 아연의 비가역 용량이 증가되는 것을 방지하고 부피 팽창을 완화시킴으로써, 우수한 용량과 수명 성능을 갖는 음극 활물질의 구현이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극 및 이차전지는 충방전 시 부피 팽창률이 낮고 우수한 수명 성능을 가질 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 3의 음극 활물질의 XRD 그래프를 도시한 것이다.
도 2는 실시예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 3의 리튬 이차전지의 사이클에 따른 충전 용량 및 방전 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 D10, D50, 및 D90은 입자의 입경 분포 곡선에 있어서, 각각 체적 누적량의 10%, 50% 및 90%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.
본 명세서에서 XRD 분석은 Bruker AXS D4 Endeavor XRD (전압: 40 kV, 전류: 40 mA)을 이용할 수 있으며, Cu Ka radiation (파장: 1.54 Å)의 조건에서, 2-Theta 10°에서 90°까지 0.02°마다 87.5초씩의 스캐닝 속도로 측정될 수 있다.
이하, 본 발명의 음극 활물질, 및 이를 포함하는 음극 및 이차전지에 대해 상세히 설명한다.
음극 활물질
본 발명은 음극 활물질을 제공한다. 구체적으로, 상기 음극 활물질은 리튬 이차전지용 음극 활물질일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 음극 활물질은 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 산화 아연 입자, 및 상기 산화 아연 입자의 내부, 표면 또는 내부 및 표면에 분포된 코발트를 포함하고, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
ZnaCobO
상기 화학식 1에서, 0.45 ≤ a ≤ 0.80, 0.20 ≤ b ≤ 0.55, a+b= 1이다.
종래, 산화 아연 입자를 음극 활물질로 사용함에 있어서, 사이클 충방전에 따라 산화 아연 입자 내의 아연의 크기가 증가하고, 리튬과의 합금 형성 시 산화 아연 입자의 부피 팽창 정도가 커짐에 따라 비가역 용량이 증가하고, 수명 특성이 저하되는 문제가 있었다.
한편, 코발트(Co) 등의 금속을 산화 아연 입자에 도핑, 분포시키는 것이 연구되었으나, 산화 아연 내의 코발트는, 암염 결정 구조를 갖는 산화 코발트로서 독립된 상을 가지고 산화 아연 내에 분포되므로, 상술한 문제점을 방지하기에는 한계가 있었다.
이에, 본 발명은 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하는 음극 활물질에 있어서, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자가 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며, 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어진 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하는 음극 활물질은 일정한 결정 구조(우르짜이트 결정 구조)를 갖는 것이고, 예를 들어 암염 결정 구조는 존재하지 않는 것일 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 음극 활물질은 산화 아연 입자의 표면 및/또는 내부에 분포된 코발트가 산화 아연과 독립된 상으로 존재하지 않으므로, 기존 산화 아연을 음극 활물질로 사용함에 있어 문제되는 비가역 용량의 증가를 방지하고, 충방전 시의 부피 팽창을 완화하며, 사이클 특성이 향상되며, 용량이 높은 음극의 구현이 가능하다.
본 발명은 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함한다.
구체적으로, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 산화 아연 입자; 및 상기 산화 아연 입자의 표면, 내부, 또는 표면 및 내부에 분포된 코발트;를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 산화 아연 입자 및 상기 산화 아연 입자에 도핑된 코발트를 포함할 수 있다.
상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
ZnaCobO
상기 화학식 1에서, 0.45 ≤ a ≤ 0.80, 0.20 ≤ b ≤ 0.55, a+b= 1이다.
상기 화학식 1에 있어서, a, b는 몰수를 의미하는 것일 수 있다. a, b가 상기 범위로 조절됨에 따라, 코발트를 함유시킴에 따른 산화 아연의 비가역 용량 증가의 방지, 부피 팽창 완화 효과가 바람직하게 구현됨과 동시에, 코발트 함유 산화 아연 입자 내의 균일하고 일정한 결정 구조의 형성이 가능할 수 있다.
만일, 상기 화학식 1에서, a < 0.45 이고, b > 0.55 이며, a+b=1일 경우에는 우르짜이트 결정 구조 외에 독립적으로 암염 결정 구조(Rock-salt crystal structure)가 형성될 우려가 있으며, 코발트 함량이 과도하여 방전 용량 측면에서 성능이 저하된다. 한편 상기 화학식 1에서, a > 0.80 이고, b < 0.20 이며, a+b=1일 경우에는 산화 아연의 비가역상 용량의 감소가 충분치 않으므로, 충방전 시 부피 팽창 문제를 방지할 수 없다.
상기 화학식 1의 a 및 b는 구체적으로 0.45 ≤ a ≤ 0.60, 0.40 ≤ b ≤ 0.55, a+b= 1일 수 있고, 보다 구체적으로 0.47 ≤ a ≤ 0.55, 0.45 ≤ b ≤ 0.53, a+b= 1일 수 있으며, 상기 범위일 때, 코발트 함유 산화 아연 입자의 균일한 결정 구조 형성 및 수명 성능 향상 효과가 더욱 바람직한 수준으로 구현될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 다른 결정 구조가 내부에 존재하지 않고, 우르짜이트 결정 구조만으로 이루어진 것일 수 있다. 우르짜이트 결정 구조란 육방정계 결정 시스템으로서, 음이온이 입방 조밀 쌓임(cubic close-packing) 배열하고 있고, 이때 형성된 두 가지 정사면체 자리(tetrahedral hole) 중 하나만을 양이온이 번갈아 가며 선택적으로 채우는 형태를 이루는 구조를 의미하며, 양이온은 정사면체 자리를 차지함에 따라 양이온과 음이온은 배위수 4를 가진다. 일반적으로 산화 아연은 우르짜이트 결정 구조를 가지는데, 본 발명에 따른 코발트 함유 산화 아연 입자는 아연과 산소, 코발트와 산소가 모두 우르짜이트 결정 구조를 가지는 것일 수 있으며, 이에 따라 코발트 함유 산화 아연 입자가 일정하고 균일한 결정 구조를 이루는 것으로 이해할 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명에 따른 코발트 함유 산화 아연 입자는 우르짜이트 결정 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시, 우르짜이트 결정 구조의 (100) 면, (002) 면, 및 (101) 면에 해당하는 피크가 존재할 수 있다. 이를 통해 상기 코발트 함유 산화 아연 입자에 우르짜이트 결정 구조가 존재하는 것을 확인할 수 있게 된다. 후술하는 바와 같이, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 XRD 분석 시 암염 결정 구조에 해당하는 피크가 존재하지 않고 우르짜이트 결정 구조에 해당하는 피크만이 존재하는 것일 수 있다.
이때, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시 우르짜이트 결정 구조의 (100)면의 피크는 2-Theta 31.5˚ 내지 32.5˚에서 나타날 수 있고, (002)면의 피크는 2-Theta 34.0˚ 내지 35.0˚에서 나타날 수 있고, (101)면의 피크는 2-Theta 35.5˚ 내지 36.5˚에서 나타날 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 암염 결정 구조(Rock-salt crystal structure)를 갖지 않을 수 있다. 암염 구조란 면심입방 구조로서 양이온과 음이온의 배위수가 6이고, 단위 격자에서 음이온이 면심 입방(face-centered cubic, FCC) 배열하고 있고, 양이온은 입방체의 중심과 12개의 모서리의 중심에 위치하는 구조이다. 산화 코발트는 일반적으로 암염 결정 구조를 갖지만, 본 발명의 코발트 함유 산화 아연 입자는 결정 구조로서 암염 결정 구조를 가지지 않고, 우르짜이트 결정 구조로 이루어지는 것이므로 코발트를 함유하는 산화 아연 입자가 균일하고 일정한 결정 구조를 가지는 것으로 이해할 수 있다.
구체적으로, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시, 암염 결정 구조의 (200) 면에 해당하는 피크가 존재하지 않을 수 있다.
XRD 분석에 있어서, 암염 결정 구조의 (200) 면에 해당하는 피크는 암염 결정 구조를 확인함에 있어, 메인 피크로서 취급될 수 있다. 상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시, 암염 결정 구조의 (200) 면에 해당하는 피크가 존재하지 않는다는 것은 산화 코발트의 독립적인 상(예를 들면, 암염 결정 구조)이 산화 아연 입자에 존재하지 않는다는 것을 의미하는 것일 수 있으며, 나아가 상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 일정하고 균일한 결정 구조를 갖는다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시, 암염 결정 구조의 (200)면과 함께, 암염 결정 구조의 (111) 면, (220) 면, (311) 면, 및/또는 (222) 면에 해당하는 피크가 존재하지 않을 수 있으며, 이에 따라 코발트 함유 산화 아연 입자가 일정하고 균일한 결정 구조를 가짐으로써 음극 활물질의 비가역 용량 증가 방지, 수명 성능 향상 효과를 달성할 수 있다.
이때, 상기 XRD 분석 시 암염 결정 구조의 (200)면의 피크는 2-Theta 42.0˚ 내지 43.0˚에서 나타날 수 있고, (111)면의 피크는 2-Theta 36.0˚ 내지 37.0˚에서 나타날 수 있고, (220)면의 피크는 2-Theta 61.0˚ 내지 62.0˚에서 나타날 수 있고, (311)면의 피크는 73.0˚ 내지 74.0˚에서 나타날 수 있고, (222)면의 피크는 2-Theta 77.0˚ 내지 78.0˚에서 나타날 수 있다.
본 발명에 따른 코발트 함유 산화 아연 입자는 2 이상의 1차 입자가 결합된 2차 입자 형태일 수 있고, 상기 2 이상의 1차 입자 사이에 공극이 존재하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 코발트 함유 산화 아연 입자는 2차 입자의 형태로서, 1차 입자들 사이에 형성되는 공극으로 인해 코발트 함유 산화 아연 입자가 충방전으로 인해 부피 팽창하더라도, 상기 공극이 이러한 부피 팽창을 적절히 흡수할 수 있다.
상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 3㎛, 구체적으로 0.2㎛ 내지 1㎛, 보다 구체적으로 0.4㎛ 내지 0.8㎛일 수 있으며, 상기 범위일 때 음극 활물질 표면에서 비가역 반응이 과하게 일어나는 것을 방지하고, 음극 활물질의 부피 팽창으로 인해 입자 깨짐이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 음극 활물질의 D90-D10/D50은 2 이하, 구체적으로 0.7 내지 1.9일 수 있다. 상기 범위일 때 상기 음극 활물질 입자 크기의 균일성이 확보되고, 팩킹 밀도(packing density)가 향상되어 음극의 부피당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 음극 활물질은 구형일 수 있으며, 이때 상기 음극 활물질의 팩킹 밀도(packing density)가 향상되어 음극의 부피당 에너지 밀도를 향상시키는 장점이 있을 수 있다. 본 명세서에서 “구형”이란 완전한 구 형태 또는 일부 찌그러져 있더라도 실질적으로 구 형태인 것을 모두 포괄하는 개념이다.
상기 음극 활물질의 BET 비표면적은 30m2/g 내지 70m2/g, 구체적으로 40m2/g 내지 60m2/g, 보다 구체적으로 42m2/g 내지 55m2/g 일 수 있다. 상기 범위일 때, 상기 음극 활물질의 공극이 적절한 수준으로 형성된 것으로 평가할 수 있으며, 이에 따라 코발트 함유 산화 아연 입자의 충방전에 따른 부피 팽창 시, 상시 공극이 이러한 부피 팽창을 적절히 흡수할 수 있으므로 바람직하다. 상기 BET 비표면적은 BEL Sorption 기기(BEL Japan社)를 이용하여 측정할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 음극 활물질의 제조방법은 산화 코발트 전구체 및 산화 아연 전구체를 용매에 첨가하는 단계; 상기 용매의 온도를 승온시켜 상기 산화 코발트 전구체와 산화 아연 전구체를 반응시키는 단계; 및 상기 반응물을 원심 분리하고 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응 전 상기 용매 내에 NaOH 등의 촉매를 투입할 수 있다.
상기 산화 코발트 전구체는 코발트 함유 산화 아연 입자를 제조함에 사용되는 것이라면 특별하게 제한되지 않으며, 예를 들면 아세트산 코발트(Co(CH3COO)2) 또는 아세트산 코발트의 사수화물(Co(CH3COO)2 · 4H2O)일 수 있다. 또한, 상기 산화 아연 전구체는 코발트 함유 산화 아연 입자를 제조함에 사용되는 것이라면 특별하게 제한되지 않으며, 예를 들면 아세트산 아연(Zn(CH3COO)2) 또는 아세트산 아연의 이수화물(Zn(CH3COO)2 · 2H2O)일 수 있다.
상기 용매는 디에틸렌글리콜일 수 있다.
상기 산화 코발트 전구체와 상기 산화 아연 전구체의 반응 시, 상기 용매의 온도는 상기 용매의 끓는 점까지 승온될 수 있다. 구체적으로 상기 산화 코발트 전구체와 상기 산화 아연 전구체의 반응 시, 상기 용매의 온도를 상기 용매의 끓는 점까지 승온시킨 후, 상기 용매의 온도를 상기 산화 코발트 전구체와 상기 산화 아연 전구체의 반응 동안 유지시킬 수 있다.
상기 용매에 투입되는 상기 산화 코발트 전구체 및 상기 산화 아연 전구체의 몰비는 목적하는 코발트 함유 산화 아연 입자의 조성을 고려하여 적절히 조절될 수 있다.
또한, 상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 제조 시, 상기 원심 분리 및 건조 후, 열처리, 구체적으로 200℃ 내지 400℃에서 열처리하는 공정을 더 수행할 수 있다.
본 발명의 음극 활물질, 이의 결정 구조 등의 특징은 산화 아연 전구체와 산화 코발트 전구체의 몰비의 조절, 반응 온도의 조절, 촉매의 사용 및 사용량의 조절, 원심 분리 및 건조 후의 열처리 공정 등에 의해 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
음극
또한, 본 발명은 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다. 구체적으로, 상기 음극은 리튬 이차전지용 음극일 수 있다.
구체적으로, 상기 음극은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치되는 음극 활물질층;을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질을 포함한다.
상기 음극 집전체는 상기 음극 활물질층을 지지하는 역할을 한다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 음극 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 음극 집전체로 사용할 수 있다. 상기 음극 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치된다. 구체적으로 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체의 일면 또는 양면에 배치될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질을 포함한다.
상기 음극 활물질은 상기 음극 활물질층에 60중량% 내지 90중량%, 구체적으로 65중량% 내지 80중량%로 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 전술한 음극 활물질층과 함께 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 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, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 도전재는 케첸 블랙을 포함할 수 있다.
상기 도전재는 상기 음극 활물질층에 5중량% 내지 20중량%, 구체적으로 10중량% 내지 18중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 폴리아미드이미드(polyamide imide, PAI), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 바인더는 폴리아미드이미드를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 상기 음극 활물질층에 5중량% 내지 20중량%, 구체적으로 10중량% 내지 18중량%로 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질층의 두께는 10㎛ 내지 60㎛, 구체적으로 25㎛ 내지 45㎛, 보다 구체적으로 30㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
리튬 이차전지
또한, 본 발명은 이차전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
구체적으로, 상기 이차전지는 전술한 음극; 양극; 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함할 수 있다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함하며, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4일 수 있다.
상기 양극 활물질은 바람직하게는 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물 및 LiaNix1Coy1Mnz1O2 (0.9≤a≤1.1, 0.6≤x1<1.0, 0<y1<0.4, 0<z1<0.4) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 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 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 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.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 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 분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 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. 또, 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.
상기 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 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 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.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 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-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이클 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
실시예
실시예 1: 음극 활물질의 제조
디에틸렌글리콜(DEG) 용매 내에 산화 코발트 전구체 및 산화 아연 전구체를 30:70의 몰비로 첨가하고, NaOH 촉매를 디에틸렌글리콜 1L 당 1.2g 첨가하였다. 상기 혼합물을 디에틸렌글리콜의 끓는 점(약 245℃)까지 승온시켜 30분 동안 반응시켰다. 이때, 상기 산화 코발트 전구체는 아세트산코발트의 사수화물이며, 상기 산화 코발트 전구체는 아세트산아연의 이수화물이었다.
상기 반응물을 원심분리하여 건조시켜 얻어진 분말을 질소 분위기에서 300℃로 열처리하였으며, 이를 실시예 1의 음극 활물질로 하였다.
상기 음극 활물질은 [Zn0.7Co0.3]O의 화학식 구조를 갖는 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함한다.
상기 음극 활물질의 D50은 0.6㎛이고, D10은 0.2㎛이고, D90은 1㎛이고, BET 비표면적은 50m2/g이었고, 상기 음극 활물질은 구형이며, 2 이상의 1차 입자가 결합된 2차 입자의 형태를 가진다.
실시예 2: 음극 활물질의 제조
산화 코발트 전구체 및 산화 아연 전구체를 50:50의 몰비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기 음극 활물질은 [Zn0.5Co0.5]O의 화학식 구조를 갖는 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함한다.
상기 음극 활물질의 D50은 0.5㎛이고, D10은 0.1㎛이고, D90은 1㎛이고, BET 비표면적은 45m2/g이었고, 상기 음극 활물질은 구형이며, 2 이상의 1차 입자가 결합된 2차 입자의 형태를 가진다.
비교예 1: 음극 활물질의 제조
산화 아연(Aldrich 사 제조)를 음극 활물질로 사용하였다.
비교예 2: 음극 활물질의 제조
산화 코발트 전구체 및 산화 아연 전구체를 10:90의 몰비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기 음극 활물질은 [Zn0.9Co0.1]O의 화학식 구조를 갖는 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함한다.
상기 음극 활물질의 D50은 0.5㎛이고, D10은 0.3㎛이고, D90은 0.7㎛이고, BET 비표면적은 50m2/g이었고, 상기 음극 활물질은 구형이며, 2 이상의 1차 입자가 결합된 2차 입자의 형태를 가진다.
비교예 3: 음극 활물질의 제조
산화 코발트 전구체 및 산화 아연 전구체를 70:30의 몰비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기 음극 활물질은 [Zn0.3Co0.7]O의 화학식 구조를 갖는 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함한다.
상기 음극 활물질의 D50은 0.5㎛이고, D10은 0.05㎛이고, D90은 1.2㎛이고, BET 비표면적은 35m2/g이었고, 상기 음극 활물질은 구형이며, 2 이상의 1차 입자가 결합된 2차 입자의 형태를 가진다.
실험예
실험예 1: XRD 분석
XRD 분석은 Bruker AXS D4 Endeavor XRD (전압: 40 kV, 전류: 40 mA)을 이용하여, Cu Ka radiation (파장: 1.54 Å)의 조건에서, 2-Theta 10°에서 90°까지 0.02°마다 87.5초씩의 스캐닝 속도로 측정하였다.
실시예 1~2, 비교예 1~3의 XRD 분석 결과 그래프를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, 실시예 1~2는 코발트가 산화 아연 입자에 분포 또는 도핑되었음에도 불구하고, 암염 결정 구조는 나타나지 않고 우르짜이트 결정 구조를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.구체적으로, 실시예 1~2의 음극 활물질은 XRD 분석 시, 암염 결정 구조의 (200)면, (111)면, (220)면, (311), 및 (222) 면에 해당하는 2-Theta(θ) 42.0˚ 내지 43.0˚, 2-Theta(θ) 36.0˚ 내지 37.0˚, 2-Theta(θ) 61.0˚ 내지 62.0˚, 2-Theta(θ) 73.0˚ 내지 74.0˚ 및 2-Theta(θ) 77.0˚ 내지 78.0˚ 에 피크가 존재하지 않는다. 또한, 실시예 1~2의 음극 활물질은 XRD 분석 시, 우르짜이트 결정 구조의 (100) 면, (002) 면, 및 (101) 면에 해당하는 2-Theta(θ) 31.5˚ 내지 32.5˚, 2-Theta(θ) 34.0˚ 내지 35.0˚, 및 2-Theta(θ) 35.5˚ 내지 36.5˚에 피크가 존재하는 것으로 분석된다. 즉, 실시예 1~2의 음극 활물질이 암염 결정 구조의 코발트 산화물을 포함하지 않고, 코발트 함유 산화 아연 입자가 전체적으로 우르짜이트 결정 구조로 이루어진 것을 의미하며, 실시예 1~2의 음극 활물질이 비교예 1의 음극 활물질과 동일한 결정 구조를 보이는 것임을 알 수 있다.
한편, 비교예 2의 음극 활물질의 경우, 상기 실시예 1~2와 마찬가지로 음극 활물질이 우르짜이트 결정 구조로 이루어진 것으로 확인되나, 후술하는 바와 같이 산화 아연의 비가역 용량의 제거가 충분히 일어나지 않아, 수명 특성에서 매우 좋지 않은 효과를 보인다.
또한, 비교예 3의 음극 활물질의 경우, 암염 결정 구조의 (200)면, (111)면에 해당하는 2-Theta(θ) 42.0˚ 내지 43.0˚, 2-Theta(θ) 36.0˚ 내지 37.0˚에서 피크가 관찰되고 있으므로, 암연 결정 구조와 우르짜이트 결정 구조가 혼재되고 있음을 알 수 있다.
실험예 2: 용량 유지율 평가
<이차전지의 제조>
1. 음극의 제조
음극 활물질로서 실시예 1의 음극 활물질, 도전재로서 케첸 블랙, 바인더로서 폴리아미드 이미드를 70:15:15의 중량비로 음극 슬러리 형성용 용매로서 N-메틸피롤리돈(NMP)에 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다.
음극 집전체로서 구리 집전체의 일면에 상기 음극 슬러리를 1mg/1.13cm2의 로딩량으로 코팅하고, 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 음극 활물질층을 형성하였고, 이를 음극으로 하였다.
2. 리튬 이차전지의 제조
양극으로서 리튬 금속 대극을 준비하였다.
전지 케이스에 상기 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 개재한 다음, 전해질(에틸렌카보네이트(EC)/디에틸카보네이트(DEC)=3:7 (부피비), 리튬 헥사플로로포스페이트 (LiPF6 1몰)을 주입하여 실시예 1의 리튬 이차전지를 제조하였다.
실시예 1의 음극 활물질 대신에 실시예 2, 및 비교예 1~3의 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 리튬 이차전지 제조방법과 동일한 방법으로 실시예 2, 및 비교예 1~3의 리튬 이차전지를 각각 제조하였다.
<용량 유지율 평가>
실시예 1~2 및 비교예 1~3에서 제조한 리튬 이차전지에 대해 전기화학 충방전기를 이용하여 사이클 용량 유지율을 평가하였다.
사이클 용량 유지율은 25℃의 온도에서 수행되었으며, 0.1C로 충방전을 수행하였다(충전 조건: CC/CV, 1mV cut-off, 방전 조건: CC, 3.0V cut off).
용량 유지율은 아래와 같이 계산하였다.
용량 유지율(%) = {(N번째 사이클에서의 충전 용량)/(첫 번째 사이클에서의 충전 용량)} × 100
(상기 식에서 N은 1 이상의 정수이다.)
사이클에 따른 충전 용량 및 방전 용량의 변화를 도 2에 나타내고, 50번째 사이클에서의 방전 용량(단위: mAh/g)와 용량 유지율(%)을 하기 표 1에 나타내었다.
도 2에 있어서, 실시예 1~2, 비교예 1~3의 충전 용량 및 방전 용량은 그래프의 도형 및 색깔로 구분하여 도시하였다. 이때, 도 2에서 실시예 1~2, 비교예 1~3에 해당하는 색으로 채워진 도형은 해당 사이클에서의 충전 용량을 나타내고, 색으로 채워지지 않은 도형은 해당 사이클에서의 방전 용량을 나타낸다. 예를 들면, 도 2에서 비교예 1의 사이클에 따른 충전 용량은 “●"로 나타내고, 사이클에 따른 방전 용량은 "○"로 나타내었다.
방전 용량(mAh/g, @50cycle) 용량 유지율(@50cycle)
실시예 1 915.9 95.3
실시예 2 870.3 101.3
비교예 1 532.9 55.2
비교예 2 842.4 80.0
비교예 3 822.5 106.0
도 2 및 표 1을 참조하면, 실시예 1~2는 비교예 1~2에 비해 우수한 방전 용량과 용량 유지율을 보임을 확인할 수 있으며, 이를 통해 실시예 1~2의 음극 활물질에 포함되는 코발트 함유 산화 아연 입자는 일정하고 균일한 결정 구조를 가지며, 우수한 용량을 발휘하면서, 코발트 및 아연의 함량이 바람직한 수준으로 포함됨으로써 산화 아연의 비가역 용량 증가가 방지되고, 충방전 시 부피 팽창이 방지되고, 수명 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 비교예 3의 경우 용량 유지율 측면에서는 우수한 효과를 보이기는 하지만, 실시예들에 비해 방전 용량 자체가 낮아 바람직하지 않다.

Claims (11)

  1. 코발트 함유 산화 아연 입자를 포함하고,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 산화 아연 입자, 및 상기 산화 아연 입자의 내부, 표면 또는 내부 및 표면에 분포된 코발트를 포함하고,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 우르짜이트 결정 구조(Wurtzite crystal structure)로 이루어진 음극 활물질:
    [화학식 1]
    ZnaCobO
    상기 화학식 1에서, 0.45 ≤ a ≤ 0.80, 0.20 ≤ b ≤ 0.55, a+b= 1이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시, 우르짜이트 결정 구조의 (100) 면, (002) 면, 및 (101) 면에 해당하는 피크가 존재하는 음극 활물질.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 암염 결정 구조(Rock-salt crystal structure)를 갖지 않는 음극 활물질.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자의 XRD 분석 시 암염 결정 구조의 (200) 면에 해당하는 피크가 존재하지 않는 음극 활물질.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1에서, 0.45 ≤ a ≤ 0.60, 0.40 ≤ b ≤ 0.55, a+b= 1인 음극 활물질.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 코발트 함유 산화 아연 입자는 2 이상의 1차 입자가 결합된 2차 입자 형태이고,
    상기 2 이상의 1차 입자 사이에 공극이 존재하는 음극 활물질.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 3㎛인 음극 활물질.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질의 D90-D10/D50은 2 이하인 음극 활물질.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질의 BET 비표면적은 30m2/g 내지 70m2/g인 음극 활물질.
  10. 음극 집전체; 및
    상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치되는 음극 활물질층을 포함하고,
    상기 음극 활물질층은 청구항 1에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극.
  11. 청구항 10에 따른 음극;
    양극;
    상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및
    전해질;을 포함하는 이차전지.
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