KR20230101512A - A cathode active material having a core-double-shell structure, a method for manufacturing the same, a cathode comprising the same, and a secondary battery comprising the same - Google Patents

A cathode active material having a core-double-shell structure, a method for manufacturing the same, a cathode comprising the same, and a secondary battery comprising the same Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는, 활물질을 포함하는 코어부; 상기 코어부 표면에 금속이 도핑되어 층을 이루는 제1쉘층; 및 상기 제1쉘층 표면에 코팅되어 층을 이루며 인산염을 포함하는 제2쉘층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질을 제공한다.
상기 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질은 도핑과 코팅으로 구조적 안정성과 화학적 안정성이 개선되어 전기화학적 특성이 우수하며, 수명 특성이 우수하다.
One embodiment of the present invention, the core portion including an active material; a first shell layer formed by doping a metal on a surface of the core part; and a second shell layer coated on the surface of the first shell layer to form a layer and containing phosphate.
The positive electrode active material of the core-double shell structure has excellent electrochemical properties and excellent lifespan characteristics because structural stability and chemical stability are improved through doping and coating.

Description

코어-이중쉘 구조의 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 이를 포함하는 이차 전지{A CATHODE ACTIVE MATERIAL HAVING A CORE-DOUBLE-SHELL STRUCTURE, A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, A CATHODE COMPRISING THE SAME, AND A SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}A cathode active material with a core-double shell structure, a method for manufacturing the same, a cathode including the same, and a secondary battery including the same AND A SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 도핑 층과 인산염을 포함하는 코팅층이 이중쉘 구조를 형성하는 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a core-double shell structure cathode active material, and more particularly, to a core-double shell structure cathode active material in which a metal doped layer and a coating layer containing a phosphate form a double shell structure.

최근 리튬이온 배터리는 휴대용 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 및 무정전 전원 공급 장치 등 광범위한 응용 분야에서 이점을 보여주어 많은 관심을 받고 있다.Recently, lithium-ion batteries have received a lot of attention because of their advantages in a wide range of applications, including portable devices, electric vehicles, hybrid electric vehicles and uninterruptible power supplies.

리튬이온 배터리의 활물질에 있어서 더 높은 에너지 밀도를 충족시키기 위해 대두된 삼원 층상 산화물 LiNixCoyMnzO2(NCM)은 놀라운 용량, 넓은 작동 전압 범위 및 우수한 구조적 안정성으로 강렬한 연구 관심을 받고 있다.The ternary layered oxide LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM), which has emerged to meet higher energy densities in active materials of lithium-ion batteries, is receiving intense research attention due to its remarkable capacity, wide operating voltage range, and excellent structural stability. .

특히 LiNixCoyMnzO2 계열 중에서 Ni이 풍부한 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811) 양극은 고에너지 리튬이온 배터리에 대한 가장 유망한 양극 후보 중 하나이다.In particular, among the LiNi x Co y Mn z O 2 family, the Ni-rich LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811) anode is one of the most promising anode candidates for high-energy Li-ion batteries.

그러나 NCM811의 충분한 상용화를 위해서는 향상된 에너지 밀도를 위해 니켈 함량을 증가시킴으로써 발생하는 열등한 구조 및 열악한 화학적 안정성과 같은 재료적 문제를 개선해야 한다.However, for sufficient commercialization of NCM811, material problems such as inferior structure and poor chemical stability caused by increasing the nickel content for improved energy density must be improved.

(1) 구조적 안정성과 관련하여 중요한 문제 중 하나는 사이클링 동안 원래의 층상 구조(layered structure)에서 무질서한 스피넬 구조(spinel structure) 및 비활성 암염 구조(rock-salt structure)로 전환되는 것이다. 이러한 변화는 사이클링 동안 심각한 구조적 붕괴와 용량 감소로 이어진다.(1) One of the important issues related to structural stability is the conversion from the original layered structure to a disordered spinel structure and an inactive rock-salt structure during cycling. These changes lead to severe structural collapse and capacity loss during cycling.

(2) 또 다른 구조적 안정성과 관련하여 중요한 문제는 공기와 접촉한 양극 표면에서 Ni3+가 Ni2+로 자발적인 환원을 하며, 이에 따라 생성된 Ni2+는 Li+를 점유하는 경향이 있으며, 반경이 유사한 Ni2+(0.69Å)와 Li+(0.76Å)은 필연적으로 Li+와 Ni2+ 혼합층을 형성하게 된다.(2) Another important issue related to structural stability is the spontaneous reduction of Ni 3+ to Ni 2+ on the anode surface in contact with air, and the resulting Ni 2+ tends to occupy Li + , Ni 2+ (0.69 Å) and Li + (0.76 Å) having similar radii inevitably form a Li + and Ni 2+ mixed layer.

(3) 또 다른 화학적 안정성과 관련된 중요한 문제는 Ni이 풍부한 NCM 재료는 LiPF6 - 기반의 전해질에서 전이 금속(Transition Metal, TM)이 용해되는 문제에 직면하며, 이는 심각한 구조적 불안정성까지 초래한다.(3) Another important issue related to chemical stability is that Ni-rich NCM materials face the problem of dissolution of transition metals (TMs) in LiPF 6 -based electrolytes, which leads to severe structural instability.

다음으로 (4) 화학적 안정성과 관련하여 중요한 문제 중 하나는 Ni이 풍부한 NCM 재료는 합성 과정에서 공기 중의 수분과 CO2에 노출되어 표면에 LiOH 및 Li2CO3와 같은 많은 잔류 리튬 화합물이 존재한다는 것이다.Next, (4) one of the important issues related to chemical stability is that Ni-rich NCM materials are exposed to moisture and CO 2 in the air during the synthesis process, and many residual lithium compounds such as LiOH and Li 2 CO 3 exist on the surface. will be.

이러한 리튬 불순물의 형성은 Li+ 이온의 확산에 의한 삽입/탈리 및 계면에서의 전하 이동 반응을 차단하고 HF의 형성을 촉진하며, 특히 리튬 불순물인 Li2CO3는 HF 매개 반응에 의해 CO2를 다량으로 발생시킨다.The formation of these lithium impurities blocks intercalation/ deintercalation by diffusion of Li + ions and charge transfer reactions at the interface, and promotes the formation of HF. generate in large quantities.

또한 LiOH는 전해질에서 리튬 육불화인산염(LiPF6)과 쉽게 반응하여 궁극적으로 사이클링 시 양극 표면에 절연성 LiF를 지속적으로 축적시킨다.In addition, LiOH readily reacts with lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in the electrolyte, ultimately continuously accumulating insulating LiF on the anode surface during cycling.

또한, 잔류 리튬은 양극 슬러리의 겔화로 인해 양호한 양극 제조에 유해하다. 이는 전극 제조 과정에서 수중 양극 분말의 pH 값이 증가했기 때문이며, 불행히도 이러한 문제는 Ni 함량이 많은(≥80%) 양극 재료에서 현저하게 악화된다.In addition, residual lithium is detrimental to good positive electrode production due to gelation of the positive electrode slurry. This is because the pH value of the anode powder in water increased during the electrode manufacturing process, and unfortunately, this problem is significantly aggravated in cathode materials with a high Ni content (≥80%).

다행히도 전술한 Ni을 다량으로 함유하는 NCM 재료에서 발생하는 구조적, 화학적 안정성과 관련된 문제는 NCM 재료에 도펀트를 도입하거나 표면을 개질하는 방식으로 완화될 수 있다.Fortunately, the problems related to structural and chemical stability occurring in NCM materials containing a large amount of Ni can be mitigated by introducing a dopant into the NCM material or modifying the surface.

다만 도펀트를 도입하는 방식은 구조적 안정성을 개선하며, 표면을 개질하는 방식은 화학적 안정성을 개선하는 점에서 각 방식은 단일 측면에서만 개선의 효과를 얻을 수 있는 한계를 가진다.However, since the method of introducing a dopant improves structural stability and the method of surface modification improves chemical stability, each method has a limitation in that an improvement effect can be obtained only in a single aspect.

따라서 구조적 안정성과 화학적 안정성을 동시에 개선할 수 있는 기술 개발은 고에너지 리튬이온 배터리 상용화를 위해 매우 시급한 문제라고 할 수 있다.Therefore, the development of technology that can simultaneously improve structural stability and chemical stability is a very urgent problem for commercialization of high-energy lithium-ion batteries.

이와 같은 관점에서 선행기술의 추이를 살펴보면, 예를 들어 대한민국 공개특허 제10-2019-0086403호(명칭 : 양극활물질, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지)는 니켈의 농도가 79mol% 이상인 것을 포함하는 양극활물질에 있어서, 보론(B), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 또는 탄탈럼(Ta) 중 적어도 어느 하나가 도핑된 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 개시하여 고니켈 양극활물질에서 수명 저하 특성이 최소화된 양극활물질 제공을 시도하고 있으나, 상기 도핑은 충방전 과정에서 발생하는 크랙을 최소화하는 방식으로 구조적 안정성을 개선하는 것에 한계를 가지는 점에서 여전히 구조적 안정성과 화학적 안정성을 동시에 개선할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다.Looking at the trend of the prior art from this point of view, for example, Korean Patent Publication No. 10-2019-0086403 (name: cathode active material, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery including the same) has a nickel concentration of 79 mol% or more In the cathode active material comprising a, at least one of boron (B), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), molybdenum (Mo), tin (Sn), or tantalum (Ta) is doped Disclosure of a cathode active material characterized in that it has been attempted to provide a cathode active material with a minimized lifespan reduction characteristic in a high-nickel cathode active material, but the doping is to improve structural stability by minimizing cracks generated during charging and discharging. In view of the limitations, there is still an urgent need to develop a technology that can simultaneously improve structural stability and chemical stability.

대한민국 공개특허 제10-2019-0086403호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0086403

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, Ni을 다량으로 함유하는 양극활물질에 있어서 구조적 안정성과 화학적 안정성이 모두 개선된 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질을 제공하는 것이다.An object of the present invention to solve the above problems is to provide a positive electrode active material having a core-double shell structure in which both structural stability and chemical stability are improved in a positive electrode active material containing a large amount of Ni.

본 발명의 또 다른 목적은 Ni을 다량으로 함유하는 양극활물질에 있어서 구조적 안정성과 화학적 안정성이 모두 개선된 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a cathode active material having a core-double shell structure in which both structural stability and chemical stability are improved in a cathode active material containing a large amount of Ni.

본 발명의 또 다른 목적은, Ni을 다량으로 함유하는 양극활물질에 있어서 구조적 안정성과 화학적 안정성이 모두 개선된 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질을 포함하는 양극 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode including a positive electrode active material of a core-double shell structure with improved structural stability and chemical stability in the positive electrode active material containing a large amount of Ni, and a secondary battery including the same.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예로, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질은 구성으로 활물질을 포함하는 코어부; 상기 코어부 표면에 금속이 도핑되어 층을 이루는 제1쉘층; 및 상기 제1쉘층 표면에 코팅되어 층을 이루며 인산염을 포함하는 제2쉘층;을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, the core-double shell structure of the positive electrode active material includes a core portion including an active material; a first shell layer formed by doping a metal on a surface of the core part; and a second shell layer coated on the surface of the first shell layer to form a layer and containing phosphate.

본 발명의 실시예에 있어서 상기 활물질은, LiNiMnCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active material may include at least one selected from the group consisting of LiNiMnCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 and combinations thereof.

본 발명의 실시예에 있어서 상기 도핑되는 금속은, 마그네슘, 붕소, 타이타늄, 알루미늄, 크롬 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the doped metal may include at least one selected from the group consisting of magnesium, boron, titanium, aluminum, chromium, and combinations thereof.

본 발명의 실시예에 있어서 상기 인산염은, FePO4, AlPO4, CoPO4, Li3PO4, CaHPO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the phosphate may include at least one selected from the group consisting of FePO 4 , AlPO 4 , CoPO 4 , Li 3 PO 4 , CaHPO 4 and combinations thereof.

본 발명의 실시예에 있어서 상기 제1쉘층은, 두께가 50nm 이상 80nm 이하일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first shell layer may have a thickness of 50 nm or more and 80 nm or less.

본 발명의 실시예에 있어서 상기 제2쉘층은, 두께가 1.5nm 이상 2.5nm 이하일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second shell layer may have a thickness of 1.5 nm or more and 2.5 nm or less.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예로, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법은 구성으로 (i) 활물질 전구체를 금속 및 인산염을 포함하는 쉘층 전구체와 혼합하는 단계; 및 (ii) 상기 혼합물을 하소하는 단계;를 포함하며, 이때 상기 하소하는 단계는 상기 하소로 상기 활물질 전구체가 코어부를 형성하고, 상기 코어부 표면에 상기 금속이 도핑되어 제1쉘층을 형성하며, 상기 제1쉘층 표면에 상기 인산염을 포함하는 제2쉘층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, in another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a cathode active material having a core-double shell structure comprises the steps of (i) mixing an active material precursor with a shell layer precursor including a metal and a phosphate; and (ii) calcining the mixture. In this case, in the calcining, the active material precursor forms a core portion and the surface of the core portion is doped with the metal to form a first shell layer, It is characterized in that the second shell layer containing the phosphate is coated on the surface of the first shell layer.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (i) 단계의 활물질 전구체와 쉘층 전구체는 1:0.01 이상 1:0.02 이하의 몰 비로 혼합될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active material precursor and the shell layer precursor in step (i) may be mixed at a molar ratio of 1:0.01 or more and 1:0.02 or less.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 하소는 730℃ 이상 780℃ 이하의 온도로 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the calcination in step (ii) may be performed at a temperature of 730° C. or more and 780° C. or less.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활물질 전구체는, LiNiMnCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active material precursor may include at least one selected from the group consisting of LiNiMnCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 and combinations thereof.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 쉘층 전구체는, MgHPO4, AlPO4, CaHPO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the shell layer precursor may include at least one selected from the group consisting of MgHPO 4 , AlPO 4 , CaHPO 4 and combinations thereof.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a positive electrode characterized by comprising a positive electrode active material of a core-double shell structure.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a secondary battery comprising the positive electrode.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는,The effect of the present invention according to the above configuration is,

Ni을 다량으로 함유하는 활물질에 있어서, 충방전 사이클 동안 암염 구조로의 상전이가 억제되고, 전해질과의 부반응이 억제되어 전기화학적 특성이 우수하고 수명 특성이 우수한 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 이차 전지를 제공할 수 있다.In the active material containing a large amount of Ni, a positive electrode active material of a core-double shell structure having excellent electrochemical characteristics and lifespan characteristics by suppressing phase transition to a rock salt structure during charge and discharge cycles and suppressing side reactions with electrolytes, It is possible to provide a manufacturing method, a cathode and a secondary battery including the same.

본 발명의 또 다른 효과는 단일 물질을 사용하여 도핑과 코팅이 동시에 수행되어 간단하고 효율적인 방법으로 제조할 수 있으며, 또한 코팅에 있어서 리튬 잔류물을 사용하여 코팅층을 형성하므로 전기화학적 특성이 개선되고 수명 특성이 개선된 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 이차 전지를 제공할 수 있다.Another effect of the present invention is that doping and coating can be performed at the same time using a single material, so that it can be produced in a simple and efficient way, and since a coating layer is formed using lithium residue in the coating, the electrochemical characteristics are improved and the lifespan is improved. It is possible to provide a positive electrode active material of a core-double shell structure with improved properties, a manufacturing method thereof, and a positive electrode and a secondary battery including the same.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도1은 본 발명의 일 실시예인 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질의 구조를 나타낸 이미지이다.
도2는 본 발명의 일 실시예인 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법의 순서도이다.
도3(a)는 pristine NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM에 대한 XRD 패턴을 분석한 데이터이다.
도3(b)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM에 대한 XRD 패턴에 있어서 (003) 피크를 확대한 것이다.
도4는 XRD 패턴을 토대로 Rietveld refinements를 수행한 결과를 정리한 데이터이다.
도5는 (a) pristine-NCM, (b) M-NCM, (c) P-NCM 및 (d) MP-NCM의 FE-SEM 이미지이다.
도6은 MP-NCM의 SEM-EDS 분석 결과이다.
도7은 (f) pristine-NCM, (g) M-NCM, (h) P-NCM 및 (i) MP-NCM의 HR-TEM 이미지이다.
도8은 MP-NCM 입자 단면의 TEM-EDS 라인 스캔 데이터이다.
도9는 FT-IR spectroscopy를 이용하여 pristine-NCM 및 MP-NCM의 표면층을 분석한 데이터이다.
도10은 비행시간형 이차이온질량분석기(Time-of-flight secondary-ion mass spectrometry, TOF-SIMS)를 이용하여 pristine-NCM 및 MP-NCM의 표층 화학종을 분석한 데이터이다.
도11 및 도12는 XPS로 pristine-NCM 및 MP-NCM의 화학종을 비교 분석한 데이터이다.
도13은 MP-NCM에 대한 XPS 깊이 프로파일 측정(XPS depth profile measurement) 데이터이다.
도14(a)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도14(b)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 율 성능을 측정한 데이터이다.
도14(c)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 사이클 특성을 측정한 데이터이다.
도14(d)는 55℃의 온도 조건에서 pristine-NCM 및 MP-NCM의 사이클 특성을 측정한 데이터이다.
도15(e)는 1번째 사이클 후 전기화학적 거동을 측정한 데이터이며, 도15(f)는 100번째 사이클 후 전기화학적 거동을 측정한 데이터이다.
도15(g, h)는 pristine-NCM 및 MP-NCM을 순환 전압 전류법(CV)으로 전압 범위 2.7V 내지 4.3V에서 측정한 데이터이다.
도16은 pristine-NCM 및 MP-NCM을 대상으로 insitu XRD를 이용하여 충전 과정 동안의 상변화를 측정한 데이터이다.
도17은 pristine-NCM의 HR-TEM, FFT 및 SEAD 패턴 이미지이다.
도18은 MP-NCM의 HR-TEM, FFT 및 SEAD 패턴 이미지이다.
도19는 pristine-NCM 및 MP-NCM의 단면에 대한 TEM 이미지이다.
1 is an image showing the structure of a positive electrode active material having a core-double shell structure, which is an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a method for manufacturing a cathode active material having a core-double shell structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 (a) is the XRD pattern analysis data for pristine NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM.
3(b) is an enlarged view of the (003) peak in XRD patterns for pristine-NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM.
4 is data summarizing the results of performing Rietveld refinements based on XRD patterns.
5 is FE-SEM images of (a) pristine-NCM, (b) M-NCM, (c) P-NCM and (d) MP-NCM.
6 is the result of SEM-EDS analysis of MP-NCM.
7 is HR-TEM images of (f) pristine-NCM, (g) M-NCM, (h) P-NCM and (i) MP-NCM.
8 is TEM-EDS line scan data of a cross-section of MP-NCM particles.
9 is data obtained by analyzing the surface layers of pristine-NCM and MP-NCM using FT-IR spectroscopy.
10 is data obtained by analyzing surface layer species of pristine-NCM and MP-NCM using time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (TOF-SIMS).
11 and 12 are data obtained by comparing and analyzing chemical species of pristine-NCM and MP-NCM by XPS.
13 is XPS depth profile measurement data for MP-NCM.
Figure 14 (a) is a graph showing charge and discharge curves of pristine-NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM.
14(b) is data obtained by measuring rate performances of pristine-NCM, M-NCM, P-NCM, and MP-NCM.
14(c) is data obtained by measuring cycle characteristics of pristine-NCM, M-NCM, P-NCM, and MP-NCM.
14(d) is data obtained by measuring cycle characteristics of pristine-NCM and MP-NCM at a temperature of 55°C.
FIG. 15(e) is data obtained by measuring the electrochemical behavior after the 1st cycle, and FIG. 15(f) is data obtained by measuring the electrochemical behavior after the 100th cycle.
Figure 15 (g, h) is the data measured in the voltage range of 2.7V to 4.3V pristine-NCM and MP-NCM by cyclic voltammetry (CV).
16 is data obtained by measuring phase changes during the charging process using in situ XRD for pristine-NCM and MP-NCM.
17 is HR-TEM, FFT and SEAD pattern images of pristine-NCM.
18 is HR-TEM, FFT and SEAD pattern images of MP-NCM.
19 is a TEM image of a cross section of pristine-NCM and MP-NCM.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in between. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예인 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the cathode active material 10 having a core-double shell structure, which is an embodiment of the present invention, will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 있어서 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)은 구성으로 활물질을 포함하는 코어부(100); 상기 코어부(100) 표면에 금속이 도핑되어 층을 이루는 제1쉘층(200); 및 상기 제1쉘층(200) 표면에 코팅되어 층을 이루며 인산염을 포함하는 제2쉘층(300);을 포함할 수 있다.In the present invention, the core-double shell structure of the positive electrode active material 10 includes a core portion 100 including an active material; a first shell layer 200 forming a layer by doping a metal on the surface of the core part 100; and a second shell layer 300 coated on the surface of the first shell layer 200 to form a layer and containing phosphate.

각 구성의 상세한 설명에 앞서서 상기 구성을 포함하는 이유를 먼저 살피기로 한다.Prior to a detailed description of each component, the reason for including the above configuration will be examined first.

본 발명은 Ni을 고함량으로 함유하는 양극 활물질에 있어서 발생하는 문제점을 해결하고자 개발되었다.The present invention was developed to solve problems occurring in a cathode active material containing a high Ni content.

전술한 바와 같이 Ni을 고함량으로 함유하는 양극 활물질에서는 i) 층상 구조(layered structure)가 구조적 붕괴로 이어지는 암염 구조(rock-salt strucure)로 전환되는 문제, ii) 전해질에 따라 전이금속(transition metal)이 용출되어 구조적으로 불안정해지는 문제, iii) 리튬 잔류물이 기체(CO2 등)를 발생시켜 활물질 및 전극을 팽창시키는 문제, iv) 리튬 잔류물이 절연성 물질을 활물질 및 전극 표면에 축적시키는 문제 등 전기화학적 특성과 수명 특성을 악화시키는 다양한 문제가 발생한다.As described above, in the cathode active material containing a high content of Ni, i) the layered structure is converted into a rock-salt structure leading to structural collapse, ii) transition metal depending on the electrolyte ) is eluted and becomes structurally unstable, iii) lithium residue generates gas (CO 2 , etc.) and expands the active material and electrode, iv) lithium residue accumulates insulating material on the surface of the active material and electrode Various problems such as deteriorating electrochemical properties and life characteristics occur.

본 발명은 이러한 Ni을 고함량으로 함유하는 양극 활물질을 상용화 시키기 위해, 활물질을 포함하는 코어부(100) 상에 금속으로 도핑된 도핑층(제1쉘층(200))을 형성하고, 도핑층(200) 상에 인산염을 포함하는 코팅층(제2쉘층(300))을 형성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in order to commercialize such a positive electrode active material containing a high content of Ni, a doped layer (first shell layer 200) doped with a metal is formed on the core portion 100 containing the active material, and the doped layer ( 200) is characterized in that a coating layer (second shell layer 300) containing phosphate is formed on it.

구체적으로 도핑 금속은 활물질(100) 격자 내에 치환되어 격자의 구조적 안정성을 개선하며, 이에 따라 활물질(100)은 지속된 충방전에도 격자의 변화나 구조의 전이가 억제되어 구조적 안정성이 개선된다.Specifically, the doped metal is substituted into the lattice of the active material 100 to improve the structural stability of the lattice, and thus, the active material 100 is suppressed from changing the lattice or structural transition even during continued charging and discharging, thereby improving the structural stability.

또한 코팅층(300)은 활물질(100)과 전해액 간의 부반응을 차단하여 활물질(100)의 전기화학적 특성 및 수명 특성에 악영향을 끼치는 요소를 제거하며, 특히 인산염을 포함하는 코팅층(300)은 Ni을 다량으로 함유하는 활물질(100)에서 크게 문제되는 리튬 잔류물을 소모하여 코팅층(300)을 형성하므로 리튬 잔류물에 의한 부반응이 억제되고 리튬 잔류물이 반응하여 생성하는 절연성 물질의 발생을 억제한다.In addition, the coating layer 300 blocks side reactions between the active material 100 and the electrolyte to remove elements that adversely affect the electrochemical characteristics and lifespan characteristics of the active material 100. In particular, the coating layer 300 containing phosphate contains a large amount of Ni. Since the coating layer 300 is formed by consuming the lithium residue, which is a major problem in the active material 100, the side reaction caused by the lithium residue is suppressed and the generation of an insulating material generated by the reaction of the lithium residue is suppressed.

이에 따라 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)은 전기화학적 특성이 우수하며 수명 특성이 월등하게 개선될 수 있다.Accordingly, the positive active material 10 of the core-double shell structure proposed by the present invention has excellent electrochemical characteristics and significantly improved lifespan characteristics.

이하 본 발명인 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)의 각 구성을 살피기로 한다.Hereinafter, each configuration of the positive electrode active material 10 having a core-double shell structure according to the present invention will be examined.

첫째로 활물질을 포함하는 코어부(100)를 설명하기로 한다.First, the core part 100 including an active material will be described.

도1을 참조하면, 상기 활물질(100)은 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)에 있어서 코어를 형성한다. 형태에 있어서 도1에 나타난 구형(spherical)은 예시적인 것이며, 합성에 조건에 따라 다양한 형태일 수 있으며 다만, 상기 이중쉘에 의해 전면이 덮인 구조라면 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Referring to FIG. 1 , the active material 100 forms a core in the positive electrode active material 10 having a core-double shell structure. In terms of shape, the spherical shown in FIG. 1 is exemplary, and may have various shapes depending on synthesis conditions, but if the structure is covered on the entire surface by the double shell, it should be interpreted as being included in the present invention.

상기 활물질(100)은, LiNiMnCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The active material 100 may include at least one selected from the group consisting of LiNiMnCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 and combinations thereof.

다만 이에 제한되지 않고, 본 발명에 있어서 상기 활물질(100)과 직접적으로 관련되는 해결 원리가 i) 도핑 금속이 활물질(100) 내 전이금속을 대체하여 더 강한 결합과 더 넓은 이온 채널을 형성하고, ii) 리튬 잔류물을 차단 또는 제거하는 것인 점에서,However, it is not limited thereto, and in the present invention, the solution principle directly related to the active material 100 is i) the doped metal replaces the transition metal in the active material 100 to form a stronger bond and a wider ion channel, ii) in terms of blocking or removing lithium residues,

a) 리튬계 활물질이며, b) 도핑 금속 보다 격자(lattice)와 약한 결합을 형성하고 더 작은 입자 반경으로 더 좁은 이온 채널을 형성하는 전이금속을 포함하는 활물질이라면 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It should be construed as being included in the present invention as long as it is a) a lithium-based active material, and b) includes a transition metal that forms a weaker bond with a lattice than a doped metal and forms a narrower ion channel with a smaller particle radius. .

예를 들어 상기 활물질(100)은 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)일 수 있다.For example, the active material 100 may be LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811).

다음으로 상기 코어부(100) 표면에 금속이 도핑되어 층을 이루는 제1쉘층(200)을 설명하기로 한다. Next, the first shell layer 200 forming a layer by doping metal on the surface of the core portion 100 will be described .

도1을 참조하면, 상기 제1쉘층(200)은 상기 코어부(100) 상에 위치하며, 코어부(100)의 전면을 감싸며 층을 이룬다. 구체적으로 상기 코어부(100)를 이루는 활물질(100) 표층에 도핑 금속이 침투하여 활물질(100) 격자(lattice)의 일부 원소와 치환되는 방식으로 층을 이룬다.Referring to FIG. 1 , the first shell layer 200 is positioned on the core part 100 and surrounds the entire surface of the core part 100 to form a layer. Specifically, the doped metal penetrates into the surface layer of the active material 100 constituting the core part 100 and forms a layer in such a way that it is substituted with some elements of the lattice of the active material 100 .

이때 상기 도핑되는 금속은 활물질(100) 격자에서 치환된 기존 원소 보다 입자 반경이 더 커서 활물질(100) 격자 내에 더 넓은 이온 채널을 형성하며, 활물질(100) 격자와 더 강한 결합을 형성하여 활물질(100) 격자에 구조적 안정성을 부여할 수 있는 물질로 채택됨이 바람직하다.At this time, the doped metal has a larger particle radius than the existing element substituted in the lattice of the active material 100 to form a wider ion channel in the lattice of the active material 100, and forms a stronger bond with the lattice of the active material 100 to form an active material ( 100) It is preferable to adopt a material capable of imparting structural stability to the lattice.

이를 고려하여 상기 도핑되는 금속은, 마그네슘, 붕소, 타이타늄, 알루미늄, 크롬 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 전술한 조건을 만족하는 물질이라면 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In consideration of this, the doped metal may include at least one selected from the group consisting of magnesium, boron, titanium, aluminum, chromium, and combinations thereof. However, it is not limited thereto, and any material that satisfies the above conditions should be construed as being included in the present invention.

다음으로 상기 제1쉘층(200)은, 상기 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)의 입자 표면으로부터 약 2nm 떨어진 구간에서부터 입자 내부로 약 80nm까지 존재할 수 있다.Next, the first shell layer 200 may exist from about 2 nm away from the particle surface of the core-double shell structure positive active material 10 to about 80 nm into the particle.

이때 상기 제1쉘층(200)의 두께는 50nm 이상 80nm 이하일 수 있으며, 이는 활물질 내부로 상기 도핑되는 금속이 정상적으로 도핑되어 전술한 결정격자 내 리튬이온이 침투할 수 있는 공간을 늘리고 유효하게 전기화학적 특성을 향상시키기 위한 두께이다.At this time, the thickness of the first shell layer 200 may be 50 nm or more and 80 nm or less, which is that the metal to be doped is normally doped into the active material to increase the space in which lithium ions can penetrate in the crystal lattice and effectively exhibit electrochemical properties. is the thickness to improve

다음으로 상기 제1쉘층(200) 표면에 코팅되어 층을 이루며 인산염을 포함하는 제2쉘층(300)을 설명하기로 한다.Next, the second shell layer 300 coated on the surface of the first shell layer 200 to form a layer and containing phosphate will be described.

도1을 참고하면, 상기 제2쉘층(300)은 상기 제1쉘층(200) 상에 위치하며, 상기 제1쉘층(200)이 활물질(100) 내부로 침투하여 층을 형성하는 것과 달리 상기 제1쉘층(200) 상에 별개의 층을 형성하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1, the second shell layer 300 is located on the first shell layer 200, and unlike the first shell layer 200 penetrating into the active material 100 to form a layer, the first shell layer 200 forms a layer. It is characterized in that a separate layer is formed on the 1 shell layer 200.

형태에 있어서, 상기 제1쉘층(200)과 마찬가지로 도1에 도시된 구형(spherical)으로 제한되는 것이 아니며, 상기 제1쉘층(200)의 전면을 감싸는 형태라면 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In shape, like the first shell layer 200, it is not limited to the spherical shape shown in FIG. .

전술한 바와 같이 상기 제2쉘층(300)은 활물질(100)의 전기화학적 특성과 수명 특성에 악영향을 끼치는 전해액과의 부반을 차단하는 역할을 한다. 또한 물리적으로 활물질(100)을 단단하게 유지하여 구조적 안정성을 부가하는 역할을 한다.As described above, the second shell layer 300 serves to block the reaction with the electrolyte, which adversely affects the electrochemical characteristics and lifespan characteristics of the active material 100 . In addition, it serves to add structural stability by physically maintaining the active material 100 firmly.

특히 상기 제2쉘층(300)은 코팅 물질로 인산염을 포함하는 것을 특징으로 한다. 후술할 실험예에서 자세히 설명할 것 과 같이, 인산염은 리튬계 활물질이 공기중의 수분이나 CO2와 반응하여 생성하는 리튬 잔류물(LiOH 및 Li2CO3)을 결합 및 소모하여 코팅층(300)을 형성한다.In particular, the second shell layer 300 is characterized in that it contains phosphate as a coating material. As will be described in detail in experimental examples to be described later, phosphate binds and consumes lithium residues (LiOH and Li 2 CO 3 ) generated by the reaction of a lithium-based active material with moisture or CO 2 in the air to form a coating layer 300. form

상기 리튬 잔류물은 활물질(100) 내 전이금속 이온의 용출을 촉진하고, 절연성 물질(LiF)을 생성하며, 활물질(100) 및 전극을 팽창시켜 구조적 안정성을 해하는 기체(CO2)를 발생시키는데 기여하는 점에서 리튬 잔류물의 제거는 필수적이다.The lithium residue promotes the elution of transition metal ions in the active material 100, generates an insulating material (LiF), and expands the active material 100 and the electrode to contribute to generating gas (CO 2 ) that harms structural stability. In this regard, the removal of lithium residues is essential.

따라서 상기 인산염을 포함하는 제2쉘층(300)이 활물질(100)에 악영향을 끼치는 리튬 잔류물을 제거하며 형성되고, 동시에 코팅층(300)을 형성하여 활물질(100)의 구조적 안정성과 화학적 안정성에 기여하는 점은 Ni을 다량으로 함유하는 리튬계 활물질의 수명 특성 개선에 매우 고무적이라고 할 수 있다.Therefore, the second shell layer 300 containing the phosphate is formed by removing lithium residues that adversely affect the active material 100, and at the same time, the coating layer 300 is formed to contribute to the structural stability and chemical stability of the active material 100. It can be said that it is very encouraging to improve the lifespan characteristics of lithium-based active materials containing a large amount of Ni.

이를 바탕으로 상기 인산염은, FePO4, AlPO4, CoPO4, Li3PO4, CaHPO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 양이온으로 구성된 금속과 Li3PO4으로 합성된 인산염의 물질이라면 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Based on this, the phosphate may include at least one selected from the group consisting of FePO 4 , AlPO 4 , CoPO 4 , Li 3 PO 4 , CaHPO 4 and combinations thereof. However, it is not limited thereto, and it should be construed as being included in the present invention if it is a material of phosphate synthesized with a metal composed of cations and Li 3 PO 4 .

다음으로 상기 제2쉘층(300)은, 두께가 1.5nm 이상 2.5nm 이하인 것을 특징으로 한다.Next, the second shell layer 300 is characterized in that the thickness is 1.5 nm or more and 2.5 nm or less.

구체적으로 상기 제2쉘층(300)의 두께가 1.5nm 미만인 경우에는 상대적으로 입자 표면에 코팅층(300)이 존재하지 않거나 너무 얇은 코팅층(300)으로 존재하여 활물질(100)과 전해액 간의 부반응 차단을 효과적으로 할 수 없으며, 2.5nm 초과라면 너무 두꺼운 코팅층(300)에 의해 원활한 리튬이온의 탈살입에 어려움을 야기하므로, 상기 제2쉘층(300)의 두께는 1.5nm 이상 2.5nm 이하인 것이 바람직하다.Specifically, when the thickness of the second shell layer 300 is less than 1.5 nm, the coating layer 300 does not exist on the surface of the particles relatively or the coating layer 300 is too thin to effectively block side reactions between the active material 100 and the electrolyte It cannot be done, and if it exceeds 2.5 nm, it causes difficulties in smooth lithium ion desulfurization due to the too thick coating layer 300, so the thickness of the second shell layer 300 is preferably 1.5 nm or more and 2.5 nm or less.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다른 실시예인 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 설명에 있어서, 전술한 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)과 중복되는 구성은 동일하게 해석되어야 하며 중복된 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, a method for manufacturing a cathode active material having a core-double shell structure, which is another embodiment of the present invention, will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, components overlapping with the positive electrode active material 10 of the above-described core-double shell structure should be interpreted in the same way, and overlapping descriptions will be omitted.

본 발명에 있어서 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법은 구성으로 (i) 활물질 전구체를 금속 및 인산염을 포함하는 쉘층 전구체와 혼합하는 단계(S100); 및 (ii) 상기 혼합물을 하소하는 단계(S200);를 포함하며, 상기 하소하는 단계는 상기 하소로 상기 활물질 전구체가 코어부(100)를 형성하고, 상기 코어부(100) 표면에 상기 금속이 도핑되어 제1쉘층(200)을 형성하며, 상기 제1쉘층(200) 표면에 상기 인산염을 포함하는 제2쉘층(300)이 코팅되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the method for manufacturing a core-double shell structure positive active material includes (i) mixing an active material precursor with a shell layer precursor including a metal and a phosphate (S100); and (ii) calcining the mixture (S200). In the calcining, the active material precursor forms the core part 100 by the calcination, and the metal It is doped to form the first shell layer 200, characterized in that the second shell layer 300 containing the phosphate is coated on the surface of the first shell layer 200.

각 단계의 상세한 설명에 앞서서 상기 단계를 포함하는 이유를 먼저 살피기로 한다.Prior to a detailed description of each step, the reason for including the above step will be examined first.

제조방법에 있어서 본 발명의 제1특징은 단일 물질 및 단일 공정으로 금속 도핑층(제1쉘층(200))과 코팅층(제2쉘층(300))이 형성된다는 점이다. 여기서 단일 물질이란 금속 도핑층(200) 형성을 위한 물질과 코팅층(300) 형성을 위한 물질을 별도로 준비할 필요가 없다는 의미이며, 단일 공정이란 금속 도핑층(200)을 형성하기 위한 단계와 별개로 코팅층(300)을 형성하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않는다는 의미이다.A first feature of the present invention in the manufacturing method is that a metal doped layer (first shell layer 200) and a coating layer (second shell layer 300) are formed by a single material and a single process. Here, a single material means that there is no need to separately prepare a material for forming the metal doped layer 200 and a material for forming the coating layer 300, and a single process is separate from the step for forming the metal doped layer 200. This means that a separate process for forming the coating layer 300 is not required.

구체적으로 금속 및 인산염을 포함하는 쉘층 전구체를 활물질 전구체와 혼합하고 연소하는 단일 공정을 통해 상기 쉘층 전구체의 금속은 활물질(100) 내에 침투하여 도핑층(제1쉘층(200))을 형성하고, 상기 쉘층 전구체의 인산염은 상기 도핑층(200) 상에 도핑층(200)과 구분되는 코팅층(제2쉘층(300))을 형성한다.Specifically, through a single process of mixing and burning a shell layer precursor containing a metal and a phosphate with an active material precursor, the metal of the shell layer precursor penetrates into the active material 100 to form a doped layer (first shell layer 200), The phosphate of the shell layer precursor forms a coating layer (second shell layer 300) on the doped layer 200 that is distinct from the doped layer 200.

따라서 본 제조방법은 공정 방법이 간단하며 매우 효율적이므로 저렴한 제조비용이 예상되며, 상용화에 적합하다고 볼 수 있다.Therefore, this manufacturing method is expected to have a low manufacturing cost because the process method is simple and very efficient, and it can be considered suitable for commercialization.

다음으로 제조방법에 있어서 본 발명의 제2특징은 코팅층(제2쉘층(300))이 리튬 잔류물(LiOH, Li2CO3)을 소모 또는 제거하며 형성된다는 점이다. 전술한 바와 같이 리튬 잔류물은 활물질 또는 전극의 전기화학적 특성과 수명 특성에 악영향을 끼친다.Next, in the manufacturing method, the second characteristic of the present invention is that the coating layer (second shell layer 300) is formed while consuming or removing lithium residues (LiOH, Li 2 CO 3 ). As described above, the lithium residue adversely affects the electrochemical properties and lifespan characteristics of an active material or an electrode.

이에 비추어 볼 때 본 제조방법은 활물질에 악영향을 끼치는 요소를 제거하기 위해 요구되는 공정과 활물질을 개선하기 위해 요구되는 공정을 단일 공정으로 해결하는 것으로 공정상 효율성이 뛰어나며, 동시에 그 효과는 후술할 실험예에서 자세히 살필것과 같이 매우 뛰어나다.In light of this, this manufacturing method is excellent in process efficiency by solving the process required to remove the elements that adversely affect the active material and the process required to improve the active material in a single process, and at the same time, the effect is demonstrated in the experiments described later. As you will see in detail in the example, it is very good.

이하 본 발명인 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법의 각 단계를 살피기로 한다.Hereinafter, each step of the method for manufacturing a positive active material having a core-double shell structure according to the present invention will be described.

첫째로 (i) 활물질 전구체를 금속 및 인산염을 포함하는 쉘층 전구체와 혼합하는 단계(S100);를 설명하기로 한다.First, (i) mixing an active material precursor with a shell layer precursor including a metal and a phosphate (S100); will be described.

상기 (i) 단계(S100)의 혼합에 있어서 특징으로, 액상 공정에 의한다. 기존의 코팅 공정과, 도핑 공정은 주로 고상법(solid-state method)으로 수행되었으나, 본 발명은 가장 경제성이 있고 간단하다는 점에서 액상 공정으로 수행되는 것을 특징으로 한다.In the mixing of step (i) (S100), it is characterized by a liquid phase process. The existing coating process and the doping process are mainly performed by a solid-state method, but the present invention is characterized in that it is performed by a liquid-state process in that it is the most economical and simple.

목적하는 활물질의 함량과 제1쉘층(200) 및 제2쉘층(300)을 두께를 고려하여 혼합하며, 이에 따라 상기 (i) 단계(S100)의 활물질 전구체와 쉘층 전구체는 1:0.01 이상 1:0.02 이하의 몰 비로 혼합될 수 있다.The content of the desired active material and the first shell layer 200 and the second shell layer 300 are mixed in consideration of the thickness, and accordingly, the active material precursor and the shell layer precursor in step (i) (S100) are 1:0.01 or more 1: They may be mixed in a molar ratio of 0.02 or less.

구체적으로 상기 활물질 전구체와 상기 쉘층 전구체가 1:0.01 미만의 몰 비로 혼합되면 상기 코어부(100) 표면에 부분적으로 상기 제1쉘층(200) 또는 상기 제2쉘층(300)이 없는 영역이 존재하며, 1:0.02를 초과하여 혼합되면 상기 제1쉘층(200) 및 상기 제2쉘층(300)이 두껍게 존재하게 되어 오히려 양극재의 성능이 저하하게 된다. 이에 따라 상기 활물질 전구체와 상기 쉘층 전구체의 혼합 몰 비는 1:0.01 이상 1:0.02 이하인 것이 바람직하다.Specifically, when the active material precursor and the shell layer precursor are mixed at a molar ratio of less than 1:0.01, an area without the first shell layer 200 or the second shell layer 300 partially exists on the surface of the core part 100, , 1: When mixed in excess of 0.02, the first shell layer 200 and the second shell layer 300 exist thickly, and the performance of the cathode material is rather deteriorated. Accordingly, the mixing molar ratio of the active material precursor and the shell layer precursor is preferably 1:0.01 or more and 1:0.02 or less.

물질에 있어서 상기 활물질 전구체는, LiNiMnCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In the material, the active material precursor may include at least one selected from the group consisting of LiNiMnCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 and combinations thereof.

또한 상기 쉘층 전구체는, MgHPO4, AlPO4, CaHPO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 상기 쉘층 전구체는 산소와의 결합력이 강한 금속 양이온이 상기 코어부(100) 표면에 도핑되고, 인산염은 상기 도핑층(제1쉘층(200)) 상에 코팅되어 코팅과 금속 도핑의 시너지 효과를 동시에 누리는 물질이라면 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the shell layer precursor may include at least one selected from the group consisting of MgHPO 4 , AlPO 4 , CaHPO 4 and combinations thereof. However, it is not limited thereto, and the shell layer precursor is doped with metal cations having a strong bonding force with oxygen on the surface of the core part 100, and phosphate is coated on the doped layer (the first shell layer 200) to perform coating and metal doping. Any material that simultaneously enjoys the synergistic effect of should be interpreted as being included in the present invention.

다음으로 (ii) 상기 혼합물을 하소하는 단계(S200);를 설명하기로 한다.Next, (ii) calcining the mixture (S200); will be described.

상기 하소로 상기 코어부(100) 표면에 상기 금속이 도핑되어 제1쉘층(200)을 형성하며, 상기 제1쉘층(200) 표면에 상기 인산염을 포함하는 제2쉘층(300)이 코팅되는 것을 특징으로 한다.By the calcination, the metal is doped on the surface of the core part 100 to form the first shell layer 200, and the surface of the first shell layer 200 is coated with the second shell layer 300 containing the phosphate. to be characterized

이때 상기 (ii) 단계(S200)의 하소는 730℃ 이상 780℃ 이하의 온도로 수행될 수 있다. 구체적으로 하소 온도가 730℃ 미만이거나 780℃ 초과라면 상기 혼합물의 합성이 원활히 되지 않으므로, 상기 하소 온도는 730℃ 이상 780℃ 이하의 온도로 수행되는 것이 바람직하다.At this time, the calcination of step (ii) (S200) may be performed at a temperature of 730° C. or more and 780° C. or less. Specifically, if the calcination temperature is less than 730 ° C or greater than 780 ° C, the synthesis of the mixture is not smooth.

이하 본 발명의 또 다른 실시예인 양극 및 이차 전지를 설명하기로 한다.Hereinafter, a cathode and a secondary battery as another embodiment of the present invention will be described.

상기 양극은 전술한 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 이차 전지는 상기 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)을 포함하는 양극을 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that the positive electrode includes the above-described positive electrode active material 10 of the core-double shell structure, and the secondary battery includes a positive electrode including the positive electrode active material 10 of the core-double shell structure do.

상기 양극과 상기 이차 전지는 상기 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질(10)을 포함하므로 구조적 안정성과 화학적 안정성이 뛰어나며 이에 따라 전기화학적 특성과 수명 특성이 현저히 우수하다. 자세한 특성은 이하 실험예에서 자세히 후술하기로 한다.Since the positive electrode and the secondary battery include the positive electrode active material 10 having the core-double shell structure, structural stability and chemical stability are excellent, and thus, electrochemical characteristics and lifespan characteristics are remarkably excellent. Detailed characteristics will be described later in detail in the following experimental examples.

제조예manufacturing example

(1) 제조 개요(1) Manufacturing overview

본 발명에서 제시하는 도핑층과 코팅층이 코어-이중쉘 구조를 형성하는 양극 활물질의 특성을 확인하고자 순수 NCM(pristine NCM), Mg가 도핑된 NCM(M-NCM), Li3PO4가 코팅된 NCM(P-NCM) 및 MgHPO4로 처리된 NCM(MP-NCM)을 제조하였으며 추가적으로 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 활물질을 포함하는 전극 및 이차 전지를 제조하였다.In order to confirm the characteristics of the cathode active material in which the doped layer and the coating layer presented in the present invention form a core-double shell structure, pure NCM (pristine NCM), NCM doped with Mg (M-NCM), and Li 3 PO 4 coated NCM (P-NCM) and NCM (MP-NCM) treated with MgHPO4 were prepared, and electrodes and secondary batteries including the active material of the core-double shell structure proposed in the present invention were additionally prepared.

(2) pristine NCM의 제조(2) Preparation of pristine NCM

전구체로 Cosmo Material Co.의 상업용 LiNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2을 사용하였으며, 이와 LiOH·H2O(Li/화학량론=1.05)을 균일하게 혼합하였다.Commercial LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 from Cosmo Material Co. was used as a precursor, and LiOH·H 2 O (Li/stoichiometry = 1.05) was uniformly mixed with it.

그런 다음 혼합물을 500℃에서 5시간 동안 예열한 다음, 750℃에서 15시간 동안 공기중의 관로에서 하소하여 pristine NCM을 제조하였다.Then, the mixture was preheated at 500 °C for 5 hours and calcined at 750 °C for 15 hours in an air conduit to prepare pristine NCM.

(3) M-NCM의 제조(3) Preparation of M-NCM

전구체인 LiNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2 및 LiOH를 1:1.05로 혼합하고, 이후 마그네슘 공급원인 Mg(OH)2와 1wt%의 몰 비로 혼합한 후 공기 분위기에서 750℃에서 15시간 동안 하소하여 M-NCM을 제조하였다.Precursor LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 and LiOH were mixed at a ratio of 1:1.05, and then mixed with magnesium source Mg(OH) 2 at a molar ratio of 1 wt%, followed by calcination at 750 °C for 15 hours in an air atmosphere. Thus, M-NCM was prepared.

(4) P-NCM의 제조(4) Preparation of P-NCM

5 polyphosphoric acid(PPA, 0.4g)를 디메틸 설폭사이드(DMSO, 10g)에 첨가한 후 NCM(5g)을 첨가하였다.After adding 5 polyphosphoric acid (PPA, 0.4 g) to dimethyl sulfoxide (DMSO, 10 g), NCM (5 g) was added.

이후 80℃에서 고형물만 남을 때까지 슬러리를 교반하였으며, 이후 잔류 수분을 완전히 제거하기 위해 80℃에서 진공 건조를 수행하여 Li3PO4가 코팅된 NCM(P-NCM)을 제조하였다.Thereafter, the slurry was stirred at 80° C. until only solids remained, and thereafter, vacuum drying was performed at 80° C. to completely remove residual moisture to prepare Li 3 PO 4 coated NCM (P-NCM).

(5) MP-NCM의 제조(5) Preparation of MP-NCM

LiNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2 전구체를 MgHPO4·3H2O와 1:1.015의 몰 비로 완전히 혼합하였다.The LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 precursor was thoroughly mixed with MgHPO 4 .3H 2 O in a molar ratio of 1:1.015.

이후 생성된 혼합물을 상기 언급된 가열 방식과 같은 방법(750℃에서 15시간)을 통해 하소하여 MgHPO4로 처리된 NCM(MP-NCM으로 표시됨)을 제조하였다.Thereafter, the resulting mixture was calcined through the same method as the above-mentioned heating method (750° C. for 15 hours) to prepare NCM (denoted MP-NCM) treated with MgHPO 4 .

(6) 코어-이중쉘 구조의 활물질을 포함하는 양극의 제조(6) Preparation of a positive electrode containing an active material of a core-double shell structure

활물질 ~14.6mg cm-2만큼 로딩된 알루미늄(Al) 호일에 96wt% NCM811 분말, 2wt% Super-P 카본 블랙 및 2wt% 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 바인더를 포함하는 N-메틸 피롤리돈(NMP) 슬러리를 캐스팅하였다.N-methyl pyrrolidone with 96wt% NCM811 powder, 2wt% Super-P carbon black and 2wt% polyvinylidene fluoride (PVDF) binder on aluminum (Al) foil loaded with ~14.6mg cm −2 of active material NMP) slurry was cast.

이후, 120℃ 진공에서 24시간 이상 건조하여 NMP 용매를 증발시켜 코어-이중쉘 구조의 활물질을 포함하는 양극을 제조하였다.Thereafter, the NMP solvent was evaporated by drying in a vacuum at 120° C. for 24 hours or more to prepare a positive electrode including an active material having a core-double shell structure.

(7) 상기 양극을 포함하는 이차전지의 제조(7) Manufacturing of a secondary battery including the positive electrode

전지는 전해액으로 탄산 에틸렌(EC), 탄산 다이메틸(DMC), 탄산 에틸메틸(EMC)이 1:1:1 부피비로 혼합된 용액에 1M LiPF6를 넣어 준비하고, 리튬 금속 디스크를 양극으로, 폴리에틸렌(PE)을 분리막으로 준비하였으며, Ar이 채워진 글로브 박스에 조립하여 제조하였다.The battery was prepared by adding 1M LiPF 6 to a solution in which ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 1:1:1 as an electrolyte, and a lithium metal disk was used as an anode. Polyethylene (PE) was prepared as a separator and assembled in an Ar-filled glove box.

실험예1Experimental example 1

XRD 및 Rietveld refinements 를 이용한 결정학적 분석 실험Crystallographic analysis experiments using XRD and Rietveld refinements

(1) 실험 개요(1) Experiment outline

본 실험은 상기 제조예에 따라 제조된 NCM의 상과 결정 구조를 확인하기 위해 XRD 패턴 분석을 수행하였다.In this experiment, XRD pattern analysis was performed to confirm the phase and crystal structure of the NCM prepared according to the above Preparation Example.

또한 결정 구조의 추가적인 분석을 위해 Rietveld refinements을 통해 결과를 분석하였다.In addition, the results were analyzed through Rietveld refinements for further analysis of the crystal structure.

(2) 결과 분석1 - XRD 패턴 분석(2) Result analysis 1 - XRD pattern analysis

도3(a)는 pristine NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM에 대한 XRD 패턴을 분석한 데이터이다.Figure 3 (a) is the XRD pattern analysis data for pristine NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM.

도3(a)에 따르면, pristine NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 모든 회절 피크(diffraction peaks)는 공간군 R-3m에 속하는 hexagonal α-NaFeO2 층상 구조와 잘 일치하여 높은 결정성을 나타냄을 확인하였다.According to Figure 3(a), all the diffraction peaks of pristine NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM are in good agreement with the hexagonal α-NaFeO 2 layered structure belonging to the space group R-3m, resulting in high It was confirmed that it exhibits crystallinity.

동시에 (006)/(102) 및 (108)/(110) 피크의 명확한 피크 분할을 통해 제조된 NCM이 잘 정렬된 층상 구조를 가지고 있음을 확인하였다.At the same time, it was confirmed that the prepared NCM had a well-ordered layered structure through clear peak splitting of (006)/(102) and (108)/(110) peaks.

도3(b)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM에 대한 XRD 패턴에 있어서 (003) 피크를 확대한 것이다.3(b) is an enlarged view of the (003) peak in XRD patterns for pristine-NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM.

도3(b)에 따르면, Mg2+가 도핑된 M-NCM 및 MP-NCM의 피크는 Mg2+가 도핑되지 않은 pristine-NCM 및 P-NCM의 피크와 비교하여 2θ 축에서 약간 왼쪽으로 이동하여 나타났다.According to FIG. 3(b), the M-NCM and MP-NCM peaks doped with Mg 2+ are slightly shifted to the left in the 2θ axis compared to the peaks of pristine-NCM and P-NCM undoped with Mg 2+ . appeared.

이는 격자 매개변수(lattice parameter)와 격자 간격(lattice spacing)의 증가를 나타내는 명확한 결과이므로 도3(b)을 통해 Mg2+ 도핑이 격자 매개변수와 격자 간격을 증가시켜 활물질 내 Li+ 이온의 확산을 촉진하고 사이클링 동안 활물질의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인한 결과라고 볼 수 있다.This is a clear result indicating an increase in the lattice parameter and lattice spacing , so Mg 2+ doping increases the lattice parameter and lattice spacing through Fig. This can be seen as a result of confirming that the structural stability of the active material can be improved during cycling.

(3) 결과 분석2 - Rietveld refinements(3) Analysis of results 2 - Rietveld refinements

도4는 XRD 패턴을 토대로 Rietveld refinements를 수행한 결과를 정리한 데이터이다.4 is data summarizing the results of performing Rietveld refinements based on XRD patterns.

도4에 있어서, 파라미터 a는 층간(inter-layer) 금속-금속 간의 거리에 해당하며, 파라미터 c는 층간(inter-slab) 거리의 3배 값에 해당한다.In FIG. 4, parameter a corresponds to the inter-layer metal-to-metal distance, and parameter c corresponds to three times the inter-slab distance.

도4에 따르면 Mg2+가 도핑된 M-NCM 및 MP-NCM의 파라미터 a와 파라미터 c의 값이 Mg2+가 도핑되지 않은 pristine-NCM 및 P-NCM과 비교하여 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 4, it can be confirmed that the values of parameter a and parameter c of Mg 2+ doped M-NCM and MP-NCM are relatively larger than those of Mg 2+ undoped pristine-NCM and P-NCM. .

이러한 결과는 다음과 같이 해석할 수 있다.These results can be interpreted as follows.

1) 소량의 이온 반경이 큰 Mg2+(0.72Å)가 리튬 자리(lithium site)에서 이온 반경이 작은 Ni2+(0.69Å)를 대체하여 c 축(c-axis)을 증가시킬 뿐만 아니라, 전이 금속 자리(Ni3+(0.56Å), Co3+(0.54Å), Mn4+(0.53Å))에서 a 축(a-axis)을 증가시키는 결과이다.1) A small amount of Mg 2+ (0.72Å) with a large ionic radius replaces Ni 2+ (0.69Å) with a small ionic radius at the lithium site, not only increasing the c-axis, This is the result of increasing the a-axis at transition metal sites (Ni 3+ (0.56Å), Co 3+ (0.54Å), Mn 4+ (0.53Å)).

2) 층상 구조에서 Mg2+-O 의 결합 길이가 Ni-O의 결합 길이보다 큰 결과이다.2) In the layered structure, the bond length of Mg 2+ -O is greater than that of Ni-O.

즉 Mg 도핑을 통해 NCM 재료의 Li 층과 전이금속 층의 격자 매개변수(lattice parameter) a 및 c를 증가시켜 Li+ 이온의 확산을 촉진시키고 사이클링 동안 구조적 안정성을 향상 시킬 수 있음을 알 수 있다.In other words, it can be seen that Mg doping can increase the lattice parameters a and c of the Li layer and the transition metal layer of the NCM material to promote Li+ ion diffusion and improve structural stability during cycling.

추가적으로 도4에 정리된 I(003)/I(104) 값은 층상 화합물에서 Li+/Ni2+ 양이온 무질서의 정도(extent of cation disorder)를 판단하는데 사용될 수 있다.Additionally, the I(003)/I(104) value summarized in FIG. 4 can be used to determine the extent of cation disorder in the layered compound.

알려진 바에 따르면 I(003)/I(104) 값이 1.2 보다 작을 때는 바람직하지 않은 양이온 무질서를 겪는다. 이에 근거하여 볼 때, 본 실험에서 측정한 모든 NCM은 1.2 보다 뚜렷하게 큰 값을 가지므로 별개의 층으로 구분된 뚜렷한 층상 구조를 가진다는 것을 알 수 있다.It is known to suffer from undesirable cation disorder when the value of I(003)/I(104) is less than 1.2. Based on this, all NCMs measured in this experiment have values significantly greater than 1.2, indicating that they have a distinct layered structure divided into distinct layers.

실험예2Experimental Example 2

SEM, TEM을 이용한 Mg 도핑층 및 코팅층의 구조적 분석 실험Structural analysis experiment of Mg doped layer and coating layer using SEM and TEM

(1) 실험 개요(1) Experiment outline

SEM을 통해 상기 제조예에 따라 제조된 NCM의 합성 상태와 성분 원소의 분포를 확인하고, TEM을 통해 도핑과 코팅의 상태를 확인하여 본 발명인 코어-이중쉘 구조의 양극 화물질의 이중층 구조를 확인하고자 본 실험을 수행하였다.Confirm the synthesis state and distribution of component elements of the NCM prepared according to the preparation example through SEM, and check the state of doping and coating through TEM to confirm the double layer structure of the anode material of the present invention core-double shell structure This experiment was conducted.

(2) 결과 분석1 - SEM을 통한 합성 상태 및 성분 원소 분포 상태 확인(2) Result analysis 1 - Confirmation of synthesis state and component element distribution state through SEM

도5는 (a) pristine-NCM, (b) M-NCM, (c) P-NCM 및 (d) MP-NCM의 FE-SEM 이미지이다.5 is FE-SEM images of (a) pristine-NCM, (b) M-NCM, (c) P-NCM and (d) MP-NCM.

도5에 따르면, 합성된 모든 NCM의 각 입자는 평균 직경이 8.0μm 내지 12.0μm인 구형 입자(이를 2차 입자라고 명칭함) 상태이며, 이러한 2차 입자는 다시 약 250nm 크기의 단단하게(tightly) 뭉쳐진 입자(이를 1차 입자라고 명칭함)들로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.According to FIG. 5, each particle of all the synthesized NCMs is a spherical particle with an average diameter of 8.0 μm to 12.0 μm (this is called a secondary particle), and these secondary particles are again about 250 nm in size and are tightly (tightly). ), it can be confirmed that it is composed of agglomerated particles (which are referred to as primary particles).

본 발명이 제시하는 MP-NCM의 합성 상태를 조금 더 면밀히 분석하고자 EDS 분석을 수행하였다.In order to more closely analyze the synthesis state of MP-NCM presented in the present invention, EDS analysis was performed.

도6은 MP-NCM의 SEM-EDS 분석 결과이다.6 is the result of SEM-EDS analysis of MP-NCM.

도6에 따르면, Ni, Co, Mn, Mg 및 P가 MP-NCM에 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해 이하 수행할 분석에 앞서서 본 NCM들이 균일하게 합성되어 표본으로 충분함을 확인하였으며, 또한 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법이 균일한 합성 결과를 도출함을 예상할 수 있다.According to Figure 6, it can be seen that Ni, Co, Mn, Mg and P are uniformly dispersed in MP-NCM. Through this, it was confirmed that the NCMs were uniformly synthesized and sufficient as samples prior to the analysis to be performed below, and it is expected that the method for manufacturing a cathode active material of a core-double shell structure proposed by the present invention produces uniform synthesis results. can

(3) 결과 분석2 - TEM을 통한 도핑 및 코팅층 형성 상태 확인(3) Result Analysis 2 - Confirmation of doping and coating layer formation through TEM

도7은 (f) pristine-NCM, (g) M-NCM, (h) P-NCM 및 (i) MP-NCM의 HR-TEM 이미지이다.7 is HR-TEM images of (f) pristine-NCM, (g) M-NCM, (h) P-NCM and (i) MP-NCM.

도7에 따르면 (f) pristine-NCM 및 (g) M-NCM은 불순물이 없고 깨끗하며 매끄러운 입자 표면을 보인다. 반면 (h) P-NCM 및 (i) MP-NCM은 약 2nm 두께의 얇은 층이 형성되어 있다.According to FIG. 7, (f) pristine-NCM and (g) M-NCM show clean and smooth particle surfaces free from impurities. On the other hand, (h) P-NCM and (i) MP-NCM have a thin layer with a thickness of about 2 nm.

이러한 차이는 Mg의 경우 도핑으로 NCM 입자 내부 표면에 침투하여 층을 형성하나 Li3PO4는 NCM 입자 외부 표면에 코팅되어 별도의 층을 형성함에 따른 결과이다. 또한 Li3PO4 층이 열처리 과정에서 NCM 외부로 용출되어 형성된 리튬 잔류물(Li2CO3 및 LiOH)과 MgHPO4가 결합하여 형성됨을 나타내는 결과로도 해석할 수 있다.This difference is the result of Mg penetrating into the inner surface of the NCM particle to form a layer by doping, but Li 3 PO 4 being coated on the outer surface of the NCM particle to form a separate layer. It can also be interpreted as a result indicating that the Li 3 PO 4 layer is formed by combining lithium residues (Li 2 CO 3 and LiOH) formed by eluting out of the NCM during the heat treatment process and MgHPO 4 .

이러한 이중충 구조를 조금 더 면밀히 분석하고자 MP-NCM 입자 단면의 TEM-EDS 라인 스캔을 수행하였다.TEM-EDS line scans of MP-NCM particle cross-sections were performed to analyze this double layer structure in more detail.

도8은 MP-NCM 입자 단면의 TEM-EDS 라인 스캔 데이터이다.8 is TEM-EDS line scan data of a cross-section of MP-NCM particles.

도8에 따르면, P 원소는 최표층으로부터 2nm 이내에만 낮은 수준의 함량으로 분포하는 반면, Mg 원소는 최표층으로부터 2nm 내지 5nm 범위의 MP-NCM 벌크 격자 내에 고농도로 집중되어 있어, Li3PO4가 코팅된 부분과 Mg가 도핑된 부분이 명확하게 구분되는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 8, the P element is distributed in a low level content only within 2 nm from the outermost layer, while the Mg element is concentrated in the MP-NCM bulk lattice in the range of 2 nm to 5 nm from the outermost layer, so that Li 3 PO 4 It can be seen that the coated portion and the Mg-doped portion are clearly distinguished.

상기 결과들을 통해 본 발명이 제시하는 MgHPO4를 이용하여 NCM을 처리하는 경우 단일 물질로 금속층의 도핑과 코팅층의 형성이 명확하게 구분되어 수행되며, 이는 MgHPO4를 이용한 처리가 Ni을 다량으로 함유하는 활물질에 도핑층이 제공하는 구조적 안정성과 코팅층이 제공하는 화학적 안정성을 제공할 수 있음을 확인시켜준 결과라고 할 수 있다.Through the above results, when NCM is treated using MgHPO 4 proposed by the present invention, the doping of the metal layer and the formation of the coating layer are clearly separated and performed with a single material, which means that the treatment using MgHPO 4 contains a large amount of Ni. This can be said to be a result confirming that the structural stability provided by the doping layer and the chemical stability provided by the coating layer can be provided to the active material.

실험예3Experimental Example 3

표층 분석을 통한 Mg 도핑 및 LiMg doping and Li through surface layer analysis 33 POPO 44 코팅의 효과 확인 실험 Experiment to confirm the effect of coating

(1) 실험 개요(1) Experiment outline

본 실험은 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR spectroscopy) 및 비행시간형 이차이온질량분석법(Time-of-flight secondary-ion mass spectrometry, TOF-SIMS)을 이용하여 pristine-NCM 및 MP-NCM의 표층 원소 구성을 분석하고, 이를 통해 Ni을 다량을 함유하는 NCM에 있어서 Mg 도핑과 Li3PO4 코팅의 효과를 확인하고자 수행하였다.In this experiment, pristine-NCM and MP were analyzed using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR spectroscopy) and time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (TOF-SIMS). - The elemental composition of the surface layer of NCM was analyzed, and through this, the effects of Mg doping and Li 3 PO 4 coating on NCM containing a large amount of Ni were confirmed.

(2) 결과 분석1 - pristine-NCM 및 MP-NCM의 표층 원소 구성 분석(2) Analysis of results 1 - Analysis of surface layer elements of pristine-NCM and MP-NCM

도9는 FT-IR spectroscopy를 이용하여 pristine-NCM 및 MP-NCM의 표면층을 분석한 데이터이다.9 is data obtained by analyzing the surface layers of pristine-NCM and MP-NCM using FT-IR spectroscopy.

도9를 살펴보면, pristine-NCM에 강하게 나타난 865.6cm-1, 1442.3cm-1, 1502.2cm-1 및 3200~3650cm-1의 피크 또는 밴드가 MP-NCM과 차이를 보인다.Referring to FIG. 9, peaks or bands at 865.6 cm -1 , 1442.3 cm -1 , 1502.2 cm -1 and 3200 to 3650 cm -1 strongly appearing in pristine-NCM are different from those of MP-NCM.

구체적으로 865.6cm-1에서의 피크는 CO3 2-의 외평면의 굽힘진동(out-plane flexural vibration)과 관련되며 1442.3cm-1 및 1502.2cm-1에서의 피크는 CO3 2-의 비대칭 신축 진동(anti-symmetric stretching vibration)과 관련되어 이는 Li2CO3를 나타낸다.Specifically, the peak at 865.6 cm -1 is related to out-plane flexural vibration of CO 3 2- , and the peaks at 1442.3 cm -1 and 1502.2 cm -1 are related to asymmetric stretching of CO 3 2- . Associated with vibration (anti-symmetric stretching vibration), it represents Li 2 CO 3 .

그리고 3200~3650cm-1에서의 밴드는 O-H의 신축 진동(stretching vibration)과 관련되어 LiOH를 나타낸다.And the band at 3200 to 3650 cm -1 represents LiOH in relation to the stretching vibration of OH.

MP-NCM의 경우 전술한 피크(865.6cm-1, 1442.3cm-1, 1502.2cm-1 및 3200~3650cm-1)가 없거나 미약한 점에서 pristine-NCM과 비교하여 Li2CO3 및 LiOH의 양이 현저하게 적은 것을 알 수 있다.In the case of MP-NCM, the above-mentioned peaks (865.6 cm -1 , 1442.3 cm -1 , 1502.2 cm -1 and 3200~3650 cm -1 ) are absent or weak compared to pristine-NCM, and the amount of Li 2 CO 3 and LiOH It can be seen that this is remarkably small.

반면 MP-NCM은 1035.8cm-1 및 1085.4cm-1에서 강한 피크를 나타내어 pristine-NCM과 차이를 보이는데, 이는 P-O의 비대칭 신축 진동과 관련되어 PO4 3-를 나타낸다.On the other hand, MP-NCM exhibits strong peaks at 1035.8 cm -1 and 1085.4 cm -1 , showing a difference from pristine-NCM, which is associated with asymmetric stretching vibration of PO and represents PO 4 3- .

상기 결과를 종합하면, MP-NCM의 경우 Li3PO4 코팅층이 형성되며 리튬 잔류 화합물(Li2CO3 및 LiOH)을 제거 또는 감소 시킨다는 것을 알 수 있다.Summarizing the above results, it can be seen that in the case of MP-NCM, a Li 3 PO 4 coating layer is formed and lithium residual compounds (Li 2 CO 3 and LiOH) are removed or reduced.

(3) 결과 분석2 - 표층 화학종 분석(3) Analysis of results 2 - Analysis of surface layer species

도10은 비행시간형 이차이온질량분석기(Time-of-flight secondary-ion mass spectrometry, TOF-SIMS)를 이용하여 pristine-NCM 및 MP-NCM의 표층 화학종을 분석한 데이터이다.10 is data obtained by analyzing surface layer species of pristine-NCM and MP-NCM using time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (TOF-SIMS).

구체적으로 도10은 pristine-NCM 및 MP-NCM에 있어서, 전해질 산화나 전이금속 용출에 의해 발생하는 양극-전해질 계면층(cathode-electrolyte interphases, CEI)의 전형적인 화학종을 나타낸다.Specifically, FIG. 10 shows typical species of cathode-electrolyte interphases (CEI) generated by electrolyte oxidation or transition metal elution in pristine-NCM and MP-NCM.

양극 전해질 계면층(CEI)은 내부층과 외부층으로 구분되며, 일반적으로 외부층은 전해질과 LiPF6의 산화 분해로 발생하는 유기 및 무기 계면종(interphase species)인 POF2 -, C2F- 및 C2HO-을 포함하는 보호층으로 간주되며, 내부층은 주로 활물질 분해의 결과이며, 특히 HF에 의해 악화된 활물질 분해와 층상 구조(layered structure)에서 암염 구조(rock-salt structure)로의 불안정한 전이금속 이동에서 비롯되는 LiF2 -, MnF3 - 및 NiF3 -를 포함하는 층으로 간주된다.The positive electrolyte interphase layer (CEI) is divided into an inner layer and an outer layer. Generally, the outer layer is POF 2 - , C 2 F - which is an organic and inorganic interphase species generated by oxidative decomposition of electrolyte and LiPF 6 . and C 2 HO - , and the inner layer is mainly a result of active material decomposition, especially active material decomposition exacerbated by HF and unstable from layered structure to rock-salt structure. It is considered a layer containing LiF 2 - , MnF 3 - and NiF 3 - originating from transition metal migration.

상술한 내용을 바탕으로 도10을 살펴보면, MP-NCM은 pristine-NCM와 비교하여 모든 화학종(POF2 -, C2F-, C2HO-, LiF2 -, MnF3 - 및 NiF3 -)이 적은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10 based on the foregoing, MP-NCM has all chemical species (POF 2 - , C 2 F - , C 2 HO - , LiF 2 - , MnF 3 - and NiF 3 - compared to pristine-NCM). ) can be found to be small.

또한 pristine-NCM의 경우 1600s의 스퍼터링 후에도 POF2 -, C2F-, C2HO- 및 LiF2 -가 다량으로 검출되며 이는 pristine-NCM의 벌크(bulk)에 전해질의 침투가 있음을 의미한다.In addition, in the case of pristine-NCM, POF 2 - , C 2 F - , C 2 HO - and LiF 2 - are detected in large quantities even after 1600s of sputtering, which means that electrolyte penetrates into the bulk of pristine-NCM. .

또한 MP-NCM의 경우 검출된 MnF3 - 및 NiF3 -가 pristine-NCM 보다 적은데, 이는 양극과 전해질 사이의 기생 반응이 감소했을 뿐만 아니라 최종적으로 양극-전해질 계면층(CEI)이 소멸했음을 나타낸다.In addition, the MnF 3 - and NiF 3 - detected in MP-NCM were smaller than those in pristine-NCM, which indicates that the parasitic reaction between the anode and the electrolyte was reduced, as well as the final disappearance of the cathode-electrolyte interface layer (CEI).

상기 분석을 종합해보면, 본 발명이 제시하는 Mg 도핑과 Li3PO4 코팅에 의한 코어-이중쉘 구조가 Ni을 다량으로 함유하는 활물질의 균열 발생을 감소시키고, 활물질과 전해질 간의 의도하지 않은 부반응을 감소시킬 수 있으며, 궁극적으로는 활물질 분해 및 전해질 분해를 효율적으로 완화할 수 있음을 확인하였다.In summary of the above analysis, the core-double shell structure by Mg doping and Li 3 PO 4 coating proposed by the present invention reduces the occurrence of cracks in the active material containing a large amount of Ni, and prevents unintended side reactions between the active material and the electrolyte. can be reduced, and ultimately, it was confirmed that active material decomposition and electrolyte decomposition can be effectively alleviated.

실험예4Experimental Example 4

XPS를 이용한 화학종 분석 실험Chemical species analysis experiment using XPS

(1) 실험 개요(1) Experiment outline

본 실험은 MP-NCM의 화학적 상태를 조금 더 면밀히 파악하고자 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 pristine-NCM 및 MP-NCM을 비교 분석하는 방식으로 수행하였다.This experiment was carried out in a way to comparatively analyze pristine-NCM and MP-NCM using XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) in order to understand the chemical state of MP-NCM more closely.

(2) 결과 분석(2) Analysis of results

도11 및 도12는 XPS로 pristine-NCM 및 MP-NCM의 화학종을 비교 분석한 데이터이다.11 and 12 are data obtained by comparing and analyzing chemical species of pristine-NCM and MP-NCM by XPS.

1) O 1s XPS 스펙트럼1) O 1s XPS spectrum

도11(a)는 O 1s XPS 스펙트럼이며, 결합 에너지(Binding energy)가 528.9eV인 피크는 격자 산소(Olattice)를 나타내며 531.5eV인 피크는 불순물 산소(Oimpurity)를 나타낸다.11(a) is an O 1s XPS spectrum, and a peak having a binding energy of 528.9 eV represents lattice oxygen (O lattice ) and a peak of 531.5 eV represents impurity oxygen (O impurity ).

도11(a)에 따르면, pristine-NCM에 비해 MP-NCM에서 Olattice 피크 강도가 더 강하고 Oimpurity 피크 강도가 약하다. 강한 Olattice 피크는 Mg-O 결합이 강함을 의미하며, 강한 Oimpurity 피크는 활물질 표면에서 활성 산소(O-, O2- 및 CO3 2-)와의 부반응이 강함을 의미한다.According to FIG. 11(a), the O lattice peak intensity is stronger and the O impurity peak intensity is weaker in MP-NCM than in pristine-NCM. A strong O lattice peak means strong Mg-O bonding, and a strong O impurity peak means strong side reactions with active oxygen (O - , O 2- and CO 3 2- ) on the surface of the active material.

따라서 도11(a)은 pristine-NCM에 비해 MP-NCM가 강한 Mg-O 결합으로 구조 안정성이 우수하며, 표면의 부반응이 적어 공기 안정성이 우수함을 나타내는 결과로 볼 수 있다.Therefore, FIG. 11 (a) can be seen as a result showing that MP-NCM has excellent structural stability due to a strong Mg-O bond compared to pristine-NCM, and excellent air stability due to less side reactions on the surface.

2) C 1s XPS 스펙트럼2) C 1s XPS spectrum

도11(b)는 C 1s XPS 스펙트럼이며, 결합 에너지가(Binding energy)가 284.6eV인 피크는 C-C 결합을 나타내며 289.5eV인 피크는 CO3 2-를 나타낸다.Figure 11 (b) is a C 1s XPS spectrum, a peak with a binding energy of 284.6 eV represents CC bonding and a peak of 289.5 eV represents CO 3 2- .

도11(b)에 따르면, pristine-NCM의 피크가 전반적으로 더 넓은 것을 볼 수 있는데, 이는 화학적 풍화(chemical weathering)로 인해 활물질 표면이 리튬 불순물(LiOH, LiHCO3 및 Li2CO3) 층으로 둘러 쌓여 있음을 의미한다.According to FIG. 11(b), it can be seen that the peak of pristine-NCM is broader overall, which is because the surface of the active material is covered with lithium impurities (LiOH, LiHCO 3 and Li 2 CO 3 ) due to chemical weathering. It means surrounded.

또한 MP-NCM의 경우 CO3 2-를 나타내는 피크가 다소 낮은데, 이는 어닐링(annealing) 과정 동안 활물질 입자 표면에 흡수된 리튬 불순물을 MgHPO4가 소모함을 의미한다.In addition, in the case of MP-NCM, the peak representing CO 3 2- is rather low, which means that MgHPO 4 consumes lithium impurities absorbed on the surface of active material particles during the annealing process.

상기 결과를 통해 MgHPO4를 이용한 처리가 악영향을 끼치는 잔류 리튬을 억제하여 리튬 저장 용량을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.Through the above results, it was confirmed that the treatment using MgHPO 4 can improve the lithium storage capacity by suppressing residual lithium that has a negative effect.

3) Ni 2p XPS 스펙트럼3) Ni 2p XPS spectrum

도11(c)는 Ni 2p XPS 스펙트럼이며, 결합 에너지가(Binding energy) 855.2eV인 피크는 Ni 2p3/2를 나타낸다.11(c) is the Ni 2p XPS spectrum, and the peak with a binding energy of 855.2 eV represents Ni 2p 3/2 .

도11(c)를 살펴보면, pristine-NCM의 약한 Ni 2p3/2는 활물질 표면이 잔류 리튬 불순물로 덮여 있음을 의미한다.Referring to FIG. 11(c), the weak Ni 2p 3/2 of pristine-NCM means that the surface of the active material is covered with residual lithium impurities.

또한, MP-NCM의 경우 Ni 2p3/2 스펙트럼은 pristine-NCM에 비해 더 강한 강도의 Ni3+(856.5eV) 피크를 나타내며, 이는 MP-NCM 표면에 존재하는 대부분의 Ni가 Ni3+의 상태로 존재함을 의미한다.In addition, in the case of MP-NCM, the Ni 2p 3/2 spectrum shows a Ni 3+ (856.5eV) peak with stronger intensity than that of pristine-NCM, indicating that most of the Ni present on the surface of MP-NCM is Ni 3+ means to exist.

상기 결과를 종합하면, MgHPO4 처리가 전술한 바와 같이 구조적 안정성에 악영향을 끼치는 Li+/Ni2+ 결합을 감소시키므로 MP-NCM의 구조적 안정성이 우수함을 알 수 있다.Summarizing the above results, it can be seen that the MgHPO 4 treatment has excellent structural stability of MP-NCM because the Li + /Ni 2+ bond, which adversely affects structural stability, is reduced as described above.

4) Co 2p XPS 스펙트럼4) Co 2p XPS spectrum

도11(d)는 Co 2p XPS 스펙트럼이며, 결합 에너지가(Binding energy) 779.5eV인 피크는 2p3/2를 나타내며 794.4eV인 피크는 2p1/2를 나타낸다.11(d) is a Co 2p XPS spectrum, and a peak having a binding energy of 779.5 eV represents 2p 3/2 and a peak having a binding energy of 794.4 eV represents 2p 1/2 .

도11(d)를 살펴보면, MP-NCM에 대한 Co 2p의 피크 위치가 pristine-NCM을 기준으로 약간 이동해 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 Co의 원자 상태가 MgHPO4 처리에 의해 영향을 받는 다는 것을 의미한다.Referring to FIG. 11 (d), it can be seen that the peak position of Co 2p for MP-NCM is slightly shifted relative to pristine-NCM. These differences indicate that the atomic state of Co is affected by MgHPO 4 treatment.

5) Mn 2p XPS 스펙트럼5) Mn 2p XPS spectrum

도12(e)는 Mn 2p XPS 스펙트럼이며, 결합 에너지가(Binding energy) 642.2eV인 피크는 Mn 2p3/2를 나타내며 653.9eV인 피크는 Mn 2p1/2를 나타낸다.12(e) is the Mn 2p XPS spectrum, and the peak with a binding energy of 642.2 eV represents Mn 2p 3/2 and the peak with 653.9 eV represents Mn 2p 1/2 .

도12(e)에 따르면, Mn 2p3/2 피크가 지배적으로 나타나며 이는 지배적인 Mn4+ 양이온을 의미한다.According to FIG. 12(e), the Mn 2p 3/2 peak appears dominant, which means the dominant Mn 4+ cation.

6) Mg 1s XPS 스펙트럼6) Mg 1s XPS spectrum

도12(f)는 Mg 1s XPS 스펙트럼이며, MP-NCM에서 결합 에너지가(Binding energy) 1302.7eV일 때 Mg 1s를 나타내는 피크가 관찰된다. 이러한 결과는 도핑으로 Mg2+ 이온이 NCM 물질의 결정 격자를 대체한다는 확실한 증거에 해당한다.12(f) is the Mg 1s XPS spectrum, and a peak representing Mg 1s is observed when the binding energy is 1302.7 eV in MP-NCM. These results correspond to strong evidence that Mg 2+ ions replace the crystal lattice of NCM materials by doping.

7) P 2p XPS 스펙트럼7) P2p XPS spectrum

도12(g)는 P 2p XPS 스펙트럼이며, MP-NCM에서 결합 에너지가(Binding energy) 132.7eV 일 때 2p3/2를 나타내는 피크가 관찰된다. 2p3/2 피크는 Li3PO4를 나타내므로 이를 통해 MgHPO4 처리로 Li3PO4 코팅막이 유효하게 형성되었음을 확인하였다.12(g) is a P 2p XPS spectrum, and a peak indicating 2p 3/2 is observed when the binding energy is 132.7 eV in MP-NCM. Since the 2p 3/2 peak represents Li 3 PO 4 , it was confirmed that the Li 3 PO 4 coating layer was effectively formed by the MgHPO 4 treatment.

8) MP-NCM에 대한 XPS 깊이 프로파일 측정(XPS depth profile measurement)8) XPS depth profile measurement for MP-NCM

도13은 MP-NCM에 대한 XPS 깊이 프로파일 측정(XPS depth profile measurement) 데이터이다.13 is XPS depth profile measurement data for MP-NCM.

도13은 살피면, 에칭 깊이가 0nm 내지 2nm일 때 P가 검출되는 반면 Mg는 2nm 내지 80nm의 에칭 깊이에서 검출된다. 이러한 결과는 전술한 실험예2의 도8과 매우 일치한다.13, P is detected when the etching depth is 0 nm to 2 nm, while Mg is detected at an etching depth of 2 nm to 80 nm. These results are very consistent with FIG. 8 of Experimental Example 2 described above.

9) 종합9) Overall

상기 결과들을 종합해보면, MgHPO4를 이용한 처리로 기둥 이온(pillar ion) 역할을 하는 Mg 이온이 NCM에 혼입되고 동시에 인산염 이온과 리튬 불순물 사이의 반응에서 비롯된 Li3PO4 층이 NCM 위에 성공적으로 코팅된다는 것을 확인하였다.Summarizing the above results, Mg ions serving as pillar ions were incorporated into NCM by treatment with MgHPO 4 , and at the same time, a Li 3 PO 4 layer resulting from the reaction between phosphate ions and lithium impurities was successfully coated on NCM. confirmed that it is.

실험예5Experimental Example 5

전기화학적 특성 측정 실험Electrochemical property measurement experiment

(1) 실험 개요(1) Experiment outline

전술한 제조예에 따라 제조한 전극을 대상으로 전기화학적 특성을 측정하였다. 각 실험의 공통된 조건으로 약 14.6mg cm-2의 두껍게 로딩된 전극을 대상으로 측정이 수행되었다.Electrochemical properties were measured for the electrode prepared according to the above-described Preparation Example. As a common condition for each experiment, measurement was performed for an electrode thickly loaded with about 14.6 mg cm −2 .

(2) 충방전 프로파일(2) charge and discharge profile

1) 측정 조건1) Measurement conditions

본 충방전 프로파일 측정 실험은 25℃, 3.0V 내지 4.3V 및 0.1C(1C=202mAh g-1)의 조건에서 수행되었다.This charge/discharge profile measurement experiment was performed under conditions of 25°C, 3.0V to 4.3V, and 0.1C (1C=202mAh g -1 ).

2) 결과 분석2) Result analysis

도14(a)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.Figure 14 (a) is a graph showing charge and discharge curves of pristine-NCM, M-NCM, P-NCM and MP-NCM.

도14(a)에 따르면 이를 살피면 측정된 모든 충방전 곡선에서 추가적인 전위 평탄면(plateau)이나 분극 곡선이 관찰되지 않았다. 이는 도핑된 Mg2+와 코팅된 Li3PO4가 전기화학 반응에 참여하지 않음을 의미한다.According to FIG. 14 (a), no additional potential plateau or polarization curve was observed in all measured charge/discharge curves. This means that the doped Mg 2+ and the coated Li 3 PO 4 do not participate in the electrochemical reaction.

또한 pristine-NCM은 199.1mAh g-1의 가장 낮은 초기 방전 용량과 85.5%의 가장 낮은 쿨롱 효율을 보였으며, N-NCM 및 P-NCM는 pristine-NCM 보다 근소하게 더 높은 초기 방전 용량을 보였으며, MP-NCM의 경우 203.5mAh g-1의 가장 높은 초기 방전 용량과 89.4%의 가장 높음 쿨롱 효율을 보였다.In addition, pristine-NCM showed the lowest initial discharge capacity of 199.1mAh g -1 and the lowest coulombic efficiency of 85.5%, and N-NCM and P-NCM showed slightly higher initial discharge capacity than pristine-NCM. , MP-NCM showed the highest initial discharge capacity of 203.5mAh g -1 and the highest coulombic efficiency of 89.4%.

MP-NCM이 가장 높은 초기 방전 용량과 가장 높은 쿨롱 효율을 보이는 원인을 살피면, Ni을 다량으로 함유하는 NCM계 활물질에 Mg2+에 의한 도핑과 Li3PO4에 의한 코팅으로 다른 NCM 보다 더 빠른 전하 전달과 더 큰 Li+ 저장 능력이 부여되기 때문인 것으로 분석된다.Looking at the cause of MP-NCM showing the highest initial discharge capacity and highest coulombic efficiency, doping with Mg 2+ and coating with Li 3 PO 4 on the NCM-based active material containing a large amount of Ni resulted in a faster rate than other NCMs. It is analyzed that this is due to the endowment of charge transfer and greater Li + storage capacity.

(3) 율 성능(rate performances) 측정(3) Measure rate performances

1) 측정 조건1) Measurement conditions

3.0V 내지 4.3V 및 0.5C 내지 6.0C의 C-rate 조건에서 측정하였다Measured under C-rate conditions of 3.0V to 4.3V and 0.5C to 6.0C

2) 결과 분석2) Result analysis

도14(b)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 율 성능을 측정한 데이터이다.14(b) is data obtained by measuring rate performances of pristine-NCM, M-NCM, P-NCM, and MP-NCM.

도14(b)를 살펴보면, 모든 NCM에서 보존 용량(capacity retentions)은 C-rate에 반비례하였다.Looking at Figure 14 (b), the capacity retentions in all NCMs were inversely proportional to the C-rate.

또한 낮은 C-rate(0.5C, 1.0C 및 2.0C)에서 NCM간 보존 용량의 차이는 미세하였다. 그러나 C-rate가 증가함에 따라 보존 용량의 차이가 증가하였으며, 높은 C-rate(4.0C 및 6.0C)에서는 보존 용량의 차이가 명확해졌다.Also, at low C-rates (0.5C, 1.0C, and 2.0C), the difference in retention capacity between NCMs was subtle. However, the difference in retention capacity increased as the C-rate increased, and the difference in retention capacity became clear at high C-rates (4.0C and 6.0C).

구체적으로 pristine-NCM의 경우 6.0C의 높은 C-rate에서 151.3mAh의 용량을 보여 확연한 용량 강하와 낮은 율 특성을 보였으며 이는 pristine-NCM과 전해질 사이에 원하지 않는 부반응으로 인해 저항이 증가하고 구조적으로 붕괴가 발생하여 전자 및 이온전도도가 감소하기 때문으로 보인다.Specifically, in the case of pristine-NCM, it showed a capacity of 151.3mAh at a high C-rate of 6.0C, showing a clear capacity drop and low rate characteristics. It appears to be due to a decrease in electronic and ionic conductivities due to the occurrence of decay.

반면 활물질의 표면이 개질된 M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM은 pristine-NCM과 비교할 때 높은 용량 유지율을 보였다.On the other hand, M-NCM, P-NCM, and MP-NCM with surface-modified active materials showed higher capacity retention rates compared to pristine-NCM.

특히 MP-NCM은 측정된 모든 C-rate에서 가장 높은 용량 유지율을 보였으며, 6.0C에서 방전 용량이 169.4mAh g-1으로 가장 높았다. 또한 C-rate가 6.0C에서 2.0C로 되돌아 올 때 조사된 NCM 중에서 유일하게 초기와 동일한 초기 용량으로 회복되는 모습을 보였다.In particular, MP-NCM showed the highest capacity retention rate at all measured C-rates, and the highest discharge capacity at 6.0C with 169.4mAh g-1. In addition, when the C-rate returned from 6.0C to 2.0C, it was the only NCM investigated to recover to the same initial capacity as the initial one.

이러한 결과는 i) Mg가 도핑으로 NCM 격자 내에 치환되어 Mg-O 결합을 형성하며, Mg-O 결합 길이는 Ni-O 결합 보다 길어서 리튬 이온과 전자의 확산 경로를 확장시키며 이에 따라 리튬 이온의 전도도와 전자의 이동이 빨라졌기 ‹š문으로 보인다. ii) 또한 Li3PO4 코팅층은 이온 전도 특성으로 높은 C-rate에서도 리튬의 확산을 촉진할 수 있기 ‹š문으로 보인다. Iii) 또한 MgHPO4 처리로 Li+의 침투를 방해하는 잔류 리튬이 Li3PO4 코팅층을 형성하며 효과적으로 감소하기 때문으로 보인다.These results show that i) Mg is substituted in the NCM lattice by doping to form Mg-O bonds, and the length of Mg-O bonds is longer than that of Ni-O bonds, which expands the diffusion path of lithium ions and electrons, thereby increasing the conductivity of lithium ions. It seems to be because the movement of electrons and electrons became faster. ii) Also, it seems that the Li 3 PO 4 coating layer can promote the diffusion of lithium even at a high C-rate due to its ionic conductivity. Iii) Also, it seems that the MgHPO 4 treatment effectively reduces residual lithium, which hinders the penetration of Li + , by forming a Li 3 PO 4 coating layer.

상기 결과들을 종합해보면 본 발명이 제시하는 MgHPO4를 이용한 처리가 계면 저항을 감소시키며, 리튬 이온이 NCM을 빠르게 이동하는 촉진제 역할을 할 수 있음을 확인할 수 있었다.In summary of the above results, it was confirmed that the treatment using MgHPO 4 according to the present invention reduces interfacial resistance and can act as an accelerator for rapid movement of lithium ions through NCM.

(4) 사이클링 테스트1(4) Cycling test 1

1) 측정 조건1) Measurement conditions

pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM 을 대상으로 100 사이클 후, 3.0V 내지 4.3V, 25℃ 및 0.5C의 속도 조건으로 측정되었다.After 100 cycles for pristine-NCM, M-NCM, P-NCM, and MP-NCM, it was measured under the speed conditions of 3.0V to 4.3V, 25℃ and 0.5C.

2) 결과 분석2) Result analysis

도14(c)는 pristine-NCM, M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM의 사이클 특성을 측정한 데이터이다.14(c) is data obtained by measuring cycle characteristics of pristine-NCM, M-NCM, P-NCM, and MP-NCM.

도14(c)를 살펴보면, pristine-NCM의 방전 용량은 100 사이클 후 134.9mAh g-1으로 용량이 급격히 감소하여 72.4%의 용량 유지를 나타내어 모든 NCM 중에서 가장 낮은 사이클 특성을 나타냈다.Referring to FIG. 14(c), the discharge capacity of pristine-NCM rapidly decreased to 134.9mAh g -1 after 100 cycles, showing a capacity retention of 72.4%, showing the lowest cycle characteristics among all NCMs.

반면 M-NCM, P-NCM 및 MP-NCM은 100 사이클 후 각 82.4%, 80.7% 및 86.3%의 용량 유지를 보였다.On the other hand, M-NCM, P-NCM and MP-NCM showed capacity retention of 82.4%, 80.7% and 86.3% after 100 cycles, respectively.

이하 상기 결과를 분석해보면,Analyzing the results below,

우선 산소 방출, Li2CO3 및 전해질 분해에 기인하는 원치 않는 가스의 발생은 사이클 특성에 악영향을 끼치는 주요 원인으로 종국적으로 심각한 용량 감소를 초래한다.First of all, oxygen release, Li 2 CO 3 , and generation of unwanted gases due to electrolyte decomposition are major causes that adversely affect cycle characteristics, ultimately resulting in a serious capacity decrease.

구체적으로 격자 산소(Olattice) 방출은 Ethylene Carbonate(EC)/Dimethyle Carbonate(DMC) 기반의 용매의 음극 산화를 유발하여 CO와 CO2를 방출한다.Specifically, the release of lattice oxygen (O lattice ) causes cathodic oxidation of Ethylene Carbonate (EC)/Dimethyle Carbonate (DMC)-based solvents to release CO and CO 2 .

Olattice + EC/DMC → 2CO2 + CO + 2H2O (1)O lattice + EC/DMC → 2CO 2 + CO + 2H 2 O (1)

2Olattice → O2 (2)2O lattice → O 2 (2)

또한 LiPF6와 Li2CO3의 반응은 POF3와 CO2를 생성한다.In addition, the reaction between LiPF 6 and Li 2 CO 3 produces POF 3 and CO 2 .

LiPF6 + Li2CO3 → POF3 + CO2 + 3LiF (3)LiPF 6 + Li 2 CO 3 → POF 3 + CO 2 + 3LiF (3)

또한 전해질염인 불안정한 LiPF6는 쉽게 분해되어 수분이 존재하는 상태에서 HF를 생성한다.In addition, unstable LiPF 6 , an electrolyte salt, is easily decomposed to generate HF in the presence of moisture.

LiPF6 → LiF + PF5 (4)LiPF 6 → LiF + PF 5 (4)

PF5 +H2O → POF3 +2HF (5)PF 5 +H 2 O → POF 3 +2HF (5)

POF3 + Li2O → 6LiF + P2O5 (6)POF 3 + Li 2 O → 6LiF + P 2 O 5 (6)

또한 상기 LiPF6 분해 반응은 HF에 의한 전이금속 이온의 용해를 유발하고, 생성된 절연성의 LiF는 양극 표면에 침전되어 저항을 높인다. 이에 따라 NCM의 구조는 변형이 되어 종국적으로 지속적인 성능 저하를 보이게 된다.In addition, the LiPF 6 decomposition reaction causes dissolution of transition metal ions by HF, and the produced insulating LiF is precipitated on the surface of the anode to increase resistance. Accordingly, the structure of the NCM is deformed, resulting in continuous performance degradation.

이를 기초로 할 때 본 발명이 제시하는 MgHPO4를 이용한 MP-NCM 형성은 Mg2+ 도핑과 Li3PO4 코팅을 동시에 수행하여 전술한 문제를 효과적으로 해결하고 NCM의 전기화학적 성능을 개선할 수 있다.Based on this, the MP-NCM formation using MgHPO 4 proposed by the present invention can effectively solve the above problems and improve the electrochemical performance of NCM by simultaneously performing Mg 2+ doping and Li 3 PO 4 coating. .

구체적으로 Li3PO4 코팅층의 역할을 살피면 P-NCM 및 MP-NCM에서 내부 균열의 형성을 억제할 뿐만 아니라 전이금속의 용해 및 전극과 전해질 사이의 부반응을 방지한다.Specifically, looking at the role of the Li 3 PO 4 coating layer, it not only inhibits the formation of internal cracks in P-NCM and MP-NCM, but also prevents the dissolution of transition metals and side reactions between electrodes and electrolytes.

또한 Li3PO4 코팅층은 NCM 표면 근처의 전해질에서 잔류 수분과 HF를 제거하는 역할을 한다.In addition, the Li 3 PO 4 coating layer serves to remove residual moisture and HF from the electrolyte near the NCM surface.

Li3PO4 + H2O = LixHyPO4 (or POxHy) + Li2O (7)Li 3 PO 4 + H 2 O = Li x H y PO 4 (or PO x H y ) + Li 2 O (7)

Li3PO4 + HF = LixHyPO4 (or POxHy) + LiF (8)Li 3 PO 4 + HF = Li x H y PO 4 (or PO x H y ) + LiF (8)

이에 따라 사이클링 동안 HF의 전파를 억제하며, 전해질의 산성도를 낮추고 NCM 표면의 열화를 크게 억제한다. 특히 가장 중요한 것은 NCM 표면에 Li3PO4 층이 형성되면 전술한 식(1)-(3)에서 언급한 바와 같이 사이클 특성에 악영향을 끼치는 Li2O, LiOH 및 Li2CO3를 감소시킬 수 있다.Accordingly, the propagation of HF during cycling is suppressed, the acidity of the electrolyte is lowered, and the deterioration of the NCM surface is greatly suppressed. In particular, the most important thing is that when the Li 3 PO 4 layer is formed on the NCM surface, as mentioned in the above equations (1)-(3), Li 2 O, LiOH and Li 2 CO 3 that adversely affect the cycle characteristics can be reduced. there is.

다음으로 Mg 도핑층의 역할을 살피면 M-NCM 및 MP-NCM의 경우 NCM 구조에 Mg2+가 결합되어 우수한 구조적 안정성을 제공한다. 이는 Mg-O의 결합 해리 에너지가 394kJ/mol, Ni-O의 결합 해리 에너지가 391kJ/mol인 점에서 타당하다.Next, looking at the role of the Mg doped layer, in the case of M-NCM and MP-NCM, Mg 2+ is bonded to the NCM structure to provide excellent structural stability. This is reasonable in that the bond dissociation energy of Mg-O is 394 kJ/mol and the bond dissociation energy of Ni-O is 391 kJ/mol.

또한 Mg2+는 전이금속-슬라브(slab)에서 기둥 효과(pillaring effect)로 사이클 동안 Li+/Ni2+ 이온의 결합을 감소시켜 NCM 격자 구조를 유지할 뿐만 아니라 이방성 수축 및 국부적인 붕괴를 방지한다.In addition, Mg 2+ reduces the binding of Li + /Ni 2+ ions during cycling due to the pillaring effect in the transition metal-slab, not only maintaining the NCM lattice structure but also preventing anisotropic contraction and local collapse. .

또한 Ni2+(0.69Å)에 비해 이온 반경이 큰 Mg2+(0.72Å)의 도핑으로 넓어진 리튬 이온 확산 채널은 리튬 이온의 빠른 확산을 가능하게 한다.In addition, the lithium ion diffusion channel widened by doping with Mg 2+ (0.72 Å), which has a larger ionic radius than Ni 2+ (0.69 Å), enables rapid diffusion of lithium ions.

상기 Li3PO4 코팅 및 Mg2+ 도핑으로 인한 효과를 종합하면, 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조가 Ni을 다량으로 함유하는 활물질을 전해질과의 반응으로부터 보호하고, HF에 의한 부식을 완화하여 종국적으로 심각한 구조적 붕괴로부터 보호하는 최적의 해결책임을 알 수 있다.Considering the effects of the Li 3 PO 4 coating and Mg 2+ doping, the core-double shell structure proposed by the present invention protects an active material containing a large amount of Ni from reaction with an electrolyte and prevents corrosion by HF. mitigating and ultimately protecting against severe structural collapse.

따라서 14(c)에 나타난 MP-NCM의 가장 우수한 사이클 특성은 Mg 도핑층과 Li3PO4 코팅층으로 구성된 코어-이중쉘 구조에 기인한 것임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the best cycle characteristics of MP-NCM shown in Fig. 14(c) are due to the core-double shell structure composed of Mg doped layer and Li 3 PO 4 coating layer.

(5) 사이클링 테스트2(5) Cycling test 2

1) 측정 조건1) Measurement conditions

전술한 사이클링 테스트1과 온도 조건을 55℃로 달리하여 사이클링 테스트를 수행하였으며, 이를 통해 구조적 분해 및 가스 발생과 같은 사이클링 특성에 해로운 영향이 강하게 작용하는 고온에서도 본 발명에 제시하는 코어-이중쉘 구조의 MP-NCM이 우수한 사이클 특성을 나타냄을 확인하고자 한다.The cycling test was performed at a temperature of 55 ° C., which was different from the aforementioned cycling test 1, and through this, the core-double shell structure presented in the present invention was performed even at high temperatures, where detrimental effects on cycling characteristics such as structural decomposition and gas generation strongly act. We want to confirm that the MP-NCM of shows excellent cycle characteristics.

2) 결과 분석2) Result analysis

도14(d)는 55℃의 온도 조건에서 pristine-NCM 및 MP-NCM의 사이클 특성을 측정한 데이터이다.14(d) is data obtained by measuring cycle characteristics of pristine-NCM and MP-NCM at a temperature of 55°C.

도14(d)를 살펴보면, pristine-NCM 및 MP-NCM 모두 전술한 25℃에서의 사이클링 측정보다 저조한 용량 유지율을 나타냈다.Referring to FIG. 14(d), both pristine-NCM and MP-NCM exhibited a lower capacity retention rate than the aforementioned cycling measurement at 25°C.

특히 pristine-NCM은 54.0%의 낮은 용량 유지율로 심각한 용량 저하를 보였다. 반면 MP-NCM은 55℃에서 100회 사이클 후에도 163.4mAh g-1의 용량이 유지되어 85.4%의 우수한 유지율을 나타냈다.In particular, pristine-NCM showed a severe dose decline with a low dose retention rate of 54.0%. On the other hand, MP-NCM maintained a capacity of 163.4mAh g-1 even after 100 cycles at 55°C, showing an excellent retention rate of 85.4%.

상기 결과를 통해 본 발명이 제시하는 이중쉘 구조의 MP-NCM이 고온에서도 구조적 안정성과 화학적 안정성을 개선하여 사이클링 특성에 우수한 효과를 보임을 확인하였다.Through the above results, it was confirmed that the MP-NCM of the double shell structure proposed by the present invention showed excellent effects on cycling properties by improving structural stability and chemical stability even at high temperatures.

(6) 전기화학적 거동 분석(6) Electrochemical behavior analysis

1) 측정 조건1) Measurement conditions

전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)으로 측정하였으며, 전압 범위 3.0V 내지 4.3V의 조건으로 수행하였다.It was measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and was performed under conditions of a voltage range of 3.0V to 4.3V.

2) 결과 분석2) Result analysis

도15(e)는 1번째 사이클 후 전기화학적 거동을 측정한 데이터이며, 도15(f)는 100번째 사이클 후 전기화학적 거동을 측정한 데이터이다.FIG. 15(e) is data obtained by measuring the electrochemical behavior after the 1st cycle, and FIG. 15(f) is data obtained by measuring the electrochemical behavior after the 100th cycle.

전기화학적 거동을 측정한 데이터에 있어서, 반원은 짧은 확산 방식에 의한 속도 성능과 표면층을 통한 리튬이온 이동의 낮은 저항의 기여가 종합된 결과이다.In the electrochemical behavior measurement data, the semicircle is the result of combining the contribution of the rate performance by the short diffusion method and the low resistance of lithium ion migration through the surface layer.

구체적으로 고주파 영역에서의 반원은 표면 필름 저항(film resistance, Rs)을 나타내며, 중간 영역에서의 반원은 전하-전달 저항(charge-transfer resistance, Rct)을 나타내며, 저주파 영역에서의 경사선은 NCM 구조의 리튬이온 거동에 기인하는 와버그 임피던스(Warburg impedance, W)를 나타낸다.Specifically, the semicircle in the high frequency region represents the surface film resistance (Rs), the semicircle in the middle region represents the charge-transfer resistance (Rct), and the slanted line in the low frequency region represents the NCM structure. represents the Warburg impedance (W) resulting from the lithium ion behavior of

도15(e, f)에 삽입된 회로는 EIS 결과의 등가 회로에 해당한다.Circuits inserted in Fig. 15(e, f) correspond to equivalent circuits of EIS results.

도15(e, f)를 살펴보면, 사이클링 후 pristine-NCM의 Rct 값이 확연히 더 크게 증가하는 거동을 보이는데 이는 NCM 입자 표면에서 낮은 이온전도도를 갖는 CEI가 형성되는 것에 따른 결과로 분석된다.15(e, f), the Rct value of pristine-NCM significantly increases after cycling, which is analyzed as a result of the formation of CEI with low ionic conductivity on the surface of NCM particles.

반대로 MP-NCM는 확연히 작은 Rct 증가폭을 보이는데, 이는 MgHPO4를 이용한 처리로 i) 전극과 전해질이 Li3PO4 코팅층에 의해 분리되고(격리 효과) ii) Mg 도핑에 의해 구조적 안정성이 개선되었기 때문인 것으로 분석된다.On the contrary , MP-NCM shows a significantly smaller increase in Rct, which is because i) electrode and electrolyte are separated by Li 3 PO 4 coating layer (isolation effect) and ii) structural stability is improved by Mg doping. is analyzed as

상기 결과를 통해서도 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 MP-NCM이 계면에서 원치 않는 부반응을 억제하며 장기간의 사이클 동안 이온과 전자의 전도성을 보존하여 우수한 사이클 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.Through the above results, it can be confirmed that the MP-NCM of the core-double shell structure proposed by the present invention suppresses unwanted side reactions at the interface and exhibits excellent cycle performance by preserving the conductivity of ions and electrons during long-term cycling.

(7) 용량 감소 메커니즘 분석(7) Analysis of capacity reduction mechanism

1) 측정 조건1) Measurement conditions

NCM에서 발생하는 용량 감소 메커니즘을 확인하고자 순환 전압 전류법(Cyclic voltammetry, CV)으로 pristine-NCM 및 MP-NCM을 분석하였다.To confirm the capacity reduction mechanism occurring in NCM, pristine-NCM and MP-NCM were analyzed by cyclic voltammetry (CV).

2) 결과 분석 - 순환 전압 전류법(Cyclic voltammetry, CV)을 이용한 분석2) Analysis of results - analysis using cyclic voltammetry (CV)

도15(g, h)는 pristine-NCM 및 MP-NCM을 순환 전압 전류법(CV)으로 전압 범위 2.7V 내지 4.3V에서 측정한 데이터이다.Figure 15 (g, h) is the data measured in the voltage range of 2.7V to 4.3V pristine-NCM and MP-NCM by cyclic voltammetry (CV).

도15(g, h)을 살펴보면, 2.7V 내지 4.3V의 전압 범위에서 3쌍의 산화 환원 피크가 나타난다. hexagonal 상(H1)에서 monoclinic 상(M)으로 그리고 다시 다른 두개의 hexagonal 상(H2 및 H3)으로 나타난다.Looking at Figure 15 (g, h), three pairs of redox peaks appear in the voltage range of 2.7V to 4.3V. It appears in a hexagonal phase (H1), a monoclinic phase (M), and then two other hexagonal phases (H2 and H3).

H2에서 H3로의 상전이는 심각한 이방성(anisotropic) 부피 변화와 벌크(bulk)에서 미세 균열의 생성 및 전파와 관련되어 있다고 알려져 있다.It is known that the phase transition from H2 to H3 is associated with a severe anisotropic volume change and the generation and propagation of microcracks in the bulk.

pristine-NCM의 경우 주목할 점으로 4.2V 부근에 나타나는 초기 산화 환원 피크 강도가 사이클이 길어지는 동안 H3의 손실로 점진적으로 감소하는 모습을 보이는데, 이는 급속한 용량 감소와 pristine-NCM의 점진적인 구조적 저하가 원인으로 분석된다.In the case of pristine-NCM, it is noteworthy that the intensity of the initial redox peak appearing around 4.2 V gradually decreases due to the loss of H3 while the cycle lengthens, which is caused by the rapid capacity decrease and the gradual structural degradation of pristine-NCM. is analyzed as

대조적으로 MP-NCM의 경우 사이클이 길어져도 피크 강도의 변화가 무시할 수 있는 수준이며, 프로파일 또한 매우 유사하게 유지되는 모습을 보인다. 이는 H2와 H3 간의 상전이가 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조에 의해 감소됨을 나타내는 결과이다.In contrast, in the case of MP-NCM, even if the cycle is prolonged, the change in peak intensity is negligible, and the profile is also maintained very similar. This is a result indicating that the phase transition between H2 and H3 is reduced by the core-double shell structure proposed by the present invention.

따라서 상기 결과를 통해서도 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 NCM에 적용된 Mg 도핑과 Li3PO4의 시너지가 구조적 안정성을 개선하며, 반복적인 충방전 동안 전기화학적 활성을 향상시킨다는 것을 확인할 수 있었다.Therefore, through the above results, it was confirmed that the synergy between Mg doping and Li 3 PO 4 applied to the NCM of the core-double shell structure proposed by the present invention improves structural stability and improves electrochemical activity during repeated charging and discharging. .

실험예6Experimental Example 6

상(phase) 분석 실험Phase analysis experiments

(1) 실험 개요(1) Experiment outline

상(phase) 변화 및 분포를 확인하여 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 효과를 확인하고자 수행하였다.It was performed to confirm the effect of the core-double shell structure proposed by the present invention by checking the phase change and distribution.

구체적으로 상 변화를 통해 코어-이중쉘 구조의 효과를 확인하고자 insitu XRD 분석을 수행하였으며, 상 분포를 통해 코어-이중쉘 구조의 효과를 확인하고자 HR-TEM(High-resolution transmission electron microscope), FFT(Fast Fourier transformed), 및 SEAD(selected area electron diffraction) 패턴 분석을 수행하였다.Specifically, in situ XRD analysis was performed to confirm the effect of the core-double shell structure through phase change, and HR-TEM (High-resolution transmission electron microscope), FFT to confirm the effect of the core-double shell structure through phase distribution (Fast Fourier transformed), and selected area electron diffraction (SEAD) pattern analysis were performed.

(2) 결과 분석1 - insitu XRD를 이용한 상(phase) 변화 분석(2) Analysis of results 1 - Phase change analysis using in situ XRD

도16은 pristine-NCM 및 MP-NCM을 대상으로 insitu XRD를 이용하여 충전 과정 동안의 상변화를 측정한 데이터이다.16 is data obtained by measuring phase changes during the charging process using in situ XRD for pristine-NCM and MP-NCM.

도16는 insitu XRD 측정으로 (003) 반사를 도시한 것이며, (003) 반사는 c-축 방향의 단위 셀 크기를 나타내며, 이는 충전 전압의 기능을 나타낸다.Figure 16 shows the (003) reflection from in situ XRD measurements, and (003) reflection represents the unit cell size in the c-axis direction, which is a function of the charging voltage.

도16을 살펴보면, prisitne-NCM 및 MP-NCM 모두 (003) 반사가 4.1V까지 낮은 회절 각도로 이동하는 모습을 보인다. 4.1V는 H2에서 H3으로의 상전이가 시작되는 지점이며, prisitne-NCM 및 MP-NCM 모두 4.1V를 기점으로 회절 각도가 증가하는 모습을 보인다.Referring to FIG. 16, both prisitne-NCM and MP-NCM show that the (003) reflection shifts to a low diffraction angle up to 4.1V. 4.1V is the starting point of the phase transition from H2 to H3, and the diffraction angles of both prisitne-NCM and MP-NCM increase from 4.1V.

다만 정도에 있어서, MP-NCM의 경우 (003) 반사의 회절 각도 변화가 부드럽게 이동하여 H2에서 H3으로의 상전이 또한 부드럽게 진행되는 것을 예상할 수 있으나, pristine-NCM의 경우 회절 각도의 변화가 상대적으로 급작스러운 모습을 보인다.However, in terms of degree, in the case of MP-NCM, the diffraction angle change of (003) reflection moves smoothly, so it can be expected that the phase transition from H2 to H3 also proceeds smoothly, but in the case of pristine-NCM, the change in diffraction angle is relatively looks sudden

이러한 결과는 NCM 격자에서 c-축 방향의 이방성(anisotropic) 변화와 상전이가 Mg 도핑과 Li3PO4 코팅으로 지연됨에 따른 것으로 분석된다.These results are analyzed to be due to delay of anisotropic change and phase transition in the c-axis direction in the NCM lattice by Mg doping and Li 3 PO 4 coating.

NCM 격자에서 c-축 방향의 이방성(anisotropic) 변화는 구조를 불안정하게 만들 뿐만 아니라 미세 균열의 생성에 기여하여 종국적으로는 Ni을 다량으로 포함하는 NCM에서 용량 감퇴의 주요 원인이 되는 점에 비추어, 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 NCM이 우수한 해결책이 됨을 알 수 있다.In view of the fact that the anisotropic change in the c-axis direction in the NCM lattice not only destabilizes the structure but also contributes to the generation of microcracks, which is ultimately the main cause of capacity decay in NCM containing a large amount of Ni, It can be seen that the NCM of the core-double shell structure proposed by the present invention is an excellent solution.

(3) 결과 분석2 - HR-TEM, FFT 및 SEAD 패턴을 이용한 상(phase) 분포 분석(3) Result analysis 2 - Phase distribution analysis using HR-TEM, FFT and SEAD patterns

상 분포 분석은 pristine-NCM 및 MP-NCM을 대상으로 사이클 수행 후 NCM 입자 단면을 HR-TEM으로 확인하고, 후속하여 FFT 및 SEAD 패턴 분석을 수행하는 방식으로 수행하였다.Phase distribution analysis was performed by cycling the pristine-NCM and MP-NCM, checking the NCM particle cross-section with HR-TEM, and subsequently performing FFT and SEAD pattern analysis.

도17은 pristine-NCM의 HR-TEM, FFT 및 SEAD 패턴 이미지이며,17 is HR-TEM, FFT and SEAD pattern images of pristine-NCM,

도18은 MP-NCM의 HR-TEM, FFT 및 SEAD 패턴 이미지이며,18 is HR-TEM, FFT and SEAD pattern images of MP-NCM,

도19는 pristine-NCM 및 MP-NCM의 단면에 대한 TEM 이미지이다.19 is a TEM image of a cross section of pristine-NCM and MP-NCM.

도17을 살펴보면, pristine-NCM의 경우 최표면(Region1)에서 내부(Region3)로 갈수록 구조는 암염상(rock-salt phase), 혼합상(mixed phase) 및 층상(layered phase) 순서로 나타났다. 이는 사이클 동안 pristine-NCM 입자의 최표면부터 내부까지 구조적 파괴가 발생하였음을 나타내는 결과이며, pristine-NCM과 전해질 사이의 원치 않는 계면 반응을 원인으로 한다.Referring to FIG. 17, in the case of pristine-NCM, the structure appeared in the order of rock-salt phase, mixed phase, and layered phase from the outermost surface (Region 1) to the interior (Region 3). This result indicates that structural destruction occurred from the outermost surface to the inside of pristine-NCM particles during the cycle, and is caused by an unwanted interfacial reaction between pristine-NCM and electrolyte.

반면 도18을 살펴보면, MP-NCM의 경우 최표면(Region1)에서 내부(Region3)까지 모두 층상(layered phase)으로만 구성되어 있어, 구조적 안정성이 우수함을 확인할 수 있다.On the other hand, looking at FIG. 18, in the case of MP-NCM, it can be confirmed that the entire surface (Region 1) to the inside (Region 3) is composed of only layered phases, and thus the structural stability is excellent.

상기 결과는 도19와도 일치한다. 도19를 살펴보면, pristine-NCM의 경우 암염상(rock-salt phase)이 최표면뿐만 아니라 pristine-NCM 내부에도 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 대조적으로 MP-NCM의 경우 최표면에만 미약하게 암염상(rock-salt phase)이 관찰될 뿐 전반적으로 층상(layered phase)이 균일하게 분포하고 있다.The above results are also consistent with FIG. 19 . Referring to FIG. 19, in the case of pristine-NCM, it can be seen that the rock-salt phase is distributed not only on the outermost surface but also inside the pristine-NCM. In contrast, in the case of MP-NCM, a weak rock-salt phase was observed only on the outermost surface, but the layered phase was uniformly distributed throughout.

(4) 분석 결과 종합(4) Synthesis of analysis results

Ni을 다량으로 함유하는 NCM에 있어서 암염상(rock-salt phase)의 존재는 전하 이동을 억제하여 전극과 전해질 간의 계면에서 전하 이동 임피던스(charge-transfer impedance)를 증가시킨다고 알려져있다. 또한 상 변화(H2 → H3)는 산소 방출을 동반하여 활물질 또는 전극 내부 압력을 증가시킨다.It is known that the presence of a rock-salt phase in NCM containing a large amount of Ni inhibits charge transfer and increases charge-transfer impedance at the interface between the electrode and the electrolyte. In addition, the phase change (H2 → H3) increases the pressure inside the active material or electrode accompanied by oxygen release.

이에 상기 결과는 본 발명이 제시하는 코어-이중쉘 구조의 MP-NCM이 Mg 도핑으로 강력한 Mg-O을 형성하여 사이클 동안 구조적 변형을 억제하며, Li3PO4 코팅은 리튬 잔류물을 제거하고 원치 않는 부반응을 억제하여, NCM이 암염상(rock-salt phase)으로 상전이하는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인시켜준 결과라고 할 수 있다.Accordingly, the above results show that the MP-NCM of the core-double shell structure proposed by the present invention forms strong Mg-O with Mg doping to suppress structural deformation during cycling, and the Li 3 PO 4 coating removes lithium residues and It can be said that it is a result confirming that it can effectively suppress the phase transition of NCM to the rock-salt phase by suppressing undesirable side reactions.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

10 : 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질
100 : 활물질 또는 코어부
200 : 도핑층 또는 제1쉘층
300 : 코팅층 또는 제2쉘층
10: Cathode active material of core-double shell structure
100: active material or core
200: doped layer or first shell layer
300: coating layer or second shell layer

Claims (13)

활물질을 포함하는 코어부;
상기 코어부 표면에 금속이 도핑되어 층을 이루는 제1쉘층; 및
상기 제1쉘층 표면에 코팅되어 층을 이루며 인산염을 포함하는 제2쉘층;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질.
a core portion containing an active material;
a first shell layer formed by doping a metal on a surface of the core part; and
A second shell layer coated on the surface of the first shell layer to form a layer and containing a phosphate; characterized in that it comprises a core-double shell structure of the positive electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 활물질은, LiNiMnCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질.
According to claim 1,
The active material is characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of LiNiMnCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 and combinations thereof, the core-double shell structure of the cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 도핑되는 금속은, 마그네슘, 붕소, 타이타늄, 알루미늄, 크롬 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질.
According to claim 1,
The doped metal comprises at least one selected from the group consisting of magnesium, boron, titanium, aluminum, chromium, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 인산염은, FePO4, AlPO4, CoPO4, Li3PO4, CaHPO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질.
According to claim 1,
The phosphate is FePO 4 , AlPO 4 , CoPO 4 , Li 3 PO 4 , CaHPO 4 and combinations thereof, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of, a core-double shell structure cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 제1쉘층은, 두께가 50nm 이상 80nm 이하인 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질.
According to claim 1,
The first shell layer has a thickness of 50 nm or more and 80 nm or less, the core-double shell structure of the cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 제2쉘층은, 두께가 1.5nm 이상 2.5nm 이하인 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질.
According to claim 1,
The second shell layer has a thickness of 1.5 nm or more and 2.5 nm or less, the core-double shell structure of the cathode active material.
(i) 활물질 전구체를 금속 및 인산염을 포함하는 쉘층 전구체와 혼합하는 단계; 및
(ii) 상기 혼합물을 하소하는 단계;를 포함하며,
상기 하소하는 단계는 상기 하소로 상기 활물질 전구체가 코어부를 형성하고, 상기 코어부 표면에 상기 금속이 도핑되어 제1쉘층을 형성하며, 상기 제1쉘층 표면에 상기 인산염을 포함하는 제2쉘층이 코팅되는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법.
(i) mixing an active material precursor with a shell layer precursor including a metal and a phosphate; and
(ii) calcining the mixture;
In the calcining, the active material precursor forms a core portion by the calcination, the metal is doped on the surface of the core portion to form a first shell layer, and the surface of the first shell layer is coated with a second shell layer containing the phosphate. Characterized in that, the core-double shell structure of the cathode active material manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 (i) 단계의 활물질 전구체와 쉘층 전구체는 1:0.01 이상 1:0.02 이하의 몰 비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법.
According to claim 7,
The active material precursor and the shell layer precursor of step (i) are mixed in a molar ratio of 1: 0.01 or more and 1: 0.02 or less.
제7항에 있어서,
상기 (ii) 단계의 하소는 730℃ 이상 780℃ 이하의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법.
According to claim 7,
The calcination of the step (ii) is characterized in that carried out at a temperature of 730 ℃ or more and 780 ℃ or less, the core-double shell structure of the cathode active material manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 활물질 전구체는, LiNiMnCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법.
According to claim 7,
The active material precursor comprises at least one selected from the group consisting of LiNiMnCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 and combinations thereof, a core-double shell structure positive electrode active material manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 쉘층 전구체는, MgHPO4, AlPO4, CaHPO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질 제조방법.
According to claim 7,
The shell layer precursor comprises at least one selected from the group consisting of MgHPO 4 , AlPO 4 , CaHPO 4 and combinations thereof, the core-double shell structure of the cathode active material manufacturing method.
제1항의 코어-이중쉘 구조의 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극.A positive electrode comprising the positive electrode active material of claim 1 having a core-double shell structure. 제12항의 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.A secondary battery comprising the positive electrode of claim 12.
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