KR20240047746A - Upcycling method of waste cathode active material - Google Patents

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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 ⅰ) 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 폐양극활물질을 염소 함유 기체와 반응시키는 염소화 단계; ⅱ) 상기 염소화 단계에서 형성된 리튬 염화물 및 전이금속 산화물을 분리하는 단계; ⅲ) 상기 분리된 전이금속 산화물에 리튬을 포함하는 화합물 및 전이금속 화합물을 혼합하는 단계; ⅳ) 상기 ⅲ) 단계에서 얻어진 혼합물을 100 내지 600℃에서 1차 가열하는 단계; 및 ⅴ) 상기 ⅳ) 단계에서 얻어진 결과물을 600 내지 1000℃에서 2차 가열하는 단계;를 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 관한 것이다.The present invention includes i) a chlorination step of reacting a waste cathode active material containing lithium transition metal oxide with a chlorine-containing gas; ii) separating lithium chloride and transition metal oxide formed in the chlorination step; iii) mixing a compound containing lithium and a transition metal compound with the separated transition metal oxide; iv) first heating the mixture obtained in step iii) at 100 to 600°C; and v) secondary heating the result obtained in step iv) at 600 to 1000°C. It relates to a method of upcycling a waste cathode active material.

Description

폐양극활물질의 업사이클링 방법{Upcycling method of waste cathode active material}Upcycling method of waste cathode active material}

본 발명은 폐양극활물질의 업사이클링 방법, 이를 통해 업사이클링된 양극활물질 및 이를 포함한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for upcycling waste cathode active material, a cathode active material upcycled through the method, and a lithium secondary battery containing the same.

리튬이차전지는 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 낮은 자가 방전율 등 많은 이점으로 인해 전기화학에너지의 저장 용도로 널리 이용되고 있다. 리튬이차전지 시장은 전자 기기에서부터 전기 자동차, 전력 저장소 분야로 급격히 확장하고 있고, 전세계 리튬이차전지 시장은 지속적으로 성장할 것으로 예상되고 있다.Lithium secondary batteries are widely used for storing electrochemical energy due to their many advantages such as high energy density, long lifespan, and low self-discharge rate. The lithium secondary battery market is rapidly expanding from electronic devices to electric vehicles and power storage fields, and the global lithium secondary battery market is expected to continue to grow.

이와 같이 리튬이차전지에 대한 수요가 크게 증가함에 따라, 리튬 자원은 수십년 안에 공급 부족에 시달릴 것으로 예상되고 있다. 또한, 사용하고 난 리튬이차전지는 환경에 유해한 영향을 미치는 중금속 및 유기 전해질과 같은 독성 물질을 함유하고 있어 폐리튬이차전지의 환경 오염에 대한 문제도 해결해야 할 과제이다.As the demand for lithium secondary batteries increases significantly, lithium resources are expected to suffer from a supply shortage within several decades. In addition, used lithium secondary batteries contain toxic substances such as heavy metals and organic electrolytes that have a harmful effect on the environment, so the problem of environmental pollution from waste lithium secondary batteries is also a problem that must be solved.

한편, 폐리튬이차전지는 코발트, 니켈, 망간, 리튬과 같이 자원 부족 문제를 해결할 수 있는 많은 귀금속을 포함하는 바, 폐양극활물질을 재활용하는 방안들이 제안되어 왔는데, 현재까지는 건식 제련(pyrometallurgy) 및 습식 제련(hydrometallurgy)을 통해 주로 폐양극활물질이 재활용되어 왔다.Meanwhile, waste lithium secondary batteries contain many precious metals such as cobalt, nickel, manganese, and lithium that can solve resource shortage problems, and methods for recycling waste cathode active materials have been proposed. To date, pyrometallurgy and Waste cathode active materials have been mainly recycled through hydrometallurgy.

건식 제련은 고분자 바인더와 분리막과 같은 유기 물질을 제거하고 탄소 환원을 통해 니켈, 코발트, 구리 등을 함유하는 합금을 형성하기 위해 1000℃ 이상에서 고온 제련하는 방식이다. 건식 제련을 통해 귀금속을 높은 효율로 회수할 수 있으나, 건식 제련에 소모되는 에너지의 양이 상당하고 다량의 이산화탄소 방출을 야기할 수 있으며, 회수된 금속을 통해 양극활물질을 재생산하는 것에 과도하게 많은 비용이 요구되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다.Dry smelting is a method of high-temperature smelting at over 1000°C to remove organic materials such as polymer binders and separators and form an alloy containing nickel, cobalt, copper, etc. through carbon reduction. Precious metals can be recovered with high efficiency through dry smelting, but the amount of energy consumed in dry smelting is significant and can cause large amounts of carbon dioxide emissions, and it is excessively expensive to reproduce the cathode active material through the recovered metal. There is a problem of low economic feasibility due to this requirement.

한편, 습식 제련은 니켈, 코발트, 알루미늄, 구리, 리튬과 같은 금속을 회수하기 위해 상대적으로 낮은 온도에서 진행되고 침출, 추출, 이온 교환, 화학적 침전 등을 포함한 다양한 화학 공정을 이용한다. 습식 제련은 고농도의 산성 용액 및 환원제를 방대한 양 사용하고, 폐수 및 유해 가스 배출로 인한 2차 환경 오염문제, 설비 부식 등의 문제를 일으킬 뿐만 아니라, 복합적인 공정단계로 이루어져 있어 경제성 측면에서 다소 불리하다는 단점이 있다.Meanwhile, hydrometallurgy is carried out at relatively low temperatures and uses various chemical processes including leaching, extraction, ion exchange, chemical precipitation, etc. to recover metals such as nickel, cobalt, aluminum, copper, and lithium. Hydrometallurgical smelting uses a large amount of highly concentrated acid solution and reducing agent, and not only causes problems such as secondary environmental pollution and equipment corrosion due to wastewater and harmful gas emissions, but is also somewhat disadvantageous in terms of economic feasibility as it consists of complex process steps. There is a downside to this.

이에 따라, 경제성, 환경 문제 등을 고려하여 폐양극활물질을 직접 재활용(direct recycling)하는 방법이 주목 받고 있는데, 폐양극활물질에 리튬만을 첨가하여 기존 양극활물질로 재합성하는 기술도 존재하나, 양극활물질의 성능이 저하된 된 시점에서 단순 재활용하게 될 경우 그 활용가치가 매우 떨어질 수 있다.Accordingly, direct recycling of waste cathode active material is attracting attention in consideration of economic feasibility and environmental issues. There is also a technology to resynthesize waste cathode active material into existing cathode active material by adding only lithium to waste cathode active material. If it is simply recycled when its performance has deteriorated, its useful value may be greatly reduced.

또한, 폐양극활물질의 재활용 과정에서 잔류 리튬 양을 정량하기 어려워 다량의 리튬을 첨가하여 합성하고, 과량의 리튬으로 형성된 불순물을 제거하는 과정이 필요한데, 상기 과정에서 성능 하향의 우려가 존재한다.In addition, it is difficult to quantify the amount of residual lithium in the recycling process of waste cathode active material, so it is necessary to synthesize it by adding a large amount of lithium and remove impurities formed by the excess lithium, but there is a risk of performance deterioration in this process.

이외에도 재활용된 양극활물질은 일반적으로 이차 입자형태를 가지는데, 충방전과정에서 입자의 수축팽창으로 입자 사이의 미세한 크랙이 발생하여 수명 특성이 저하되는 원인이 된다. In addition, recycled positive electrode active materials generally take the form of secondary particles, and microcracks occur between particles due to contraction and expansion of particles during the charging and discharging process, which causes deterioration of life characteristics.

따라서, 폐양극활물질을 경제적이고 친환경적인 방법으로 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 폐양극활물질로부터 성능이 향상된 고부가가치의 양극활물질을 제조할 수 있는, 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need to develop technology for an upcycling method for waste cathode active materials that can not only recycle waste cathode active materials in an economical and eco-friendly way, but also manufacture high value-added cathode active materials with improved performance from waste cathode active materials. This is the situation.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 폐양극활물질에 대한 염소화 처리를 통해서 리튬의 정량화를 가능하게 하고, 상기 염소화 처리 이후 리튬 및 전이금속을 혼합하고 특정 온도 범위에서 열처리하는 과정을 통해 단결정 형태의 양극활물질을 제조하고, 이에 따라 막대한 비용의 소모나 오염 물질의 배출 없이 성능이 향상된 양극활물질을 제공할 수 있는 폐양극활물질의 업사이클링 방법을 제공하고자 한다.The present invention is intended to solve the above-mentioned problem, enabling the quantification of lithium through chlorination treatment of waste cathode active material, and mixing lithium and transition metal after the chlorination treatment and heat treatment in a specific temperature range to form a single crystal. The aim is to provide a method of upcycling waste cathode active materials that can manufacture cathode active materials in the form of cathode active materials and provide cathode active materials with improved performance without consuming enormous costs or emitting pollutants.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, ⅰ) 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 폐양극활물질을 염소 함유 기체와 반응시키는 염소화 단계; ⅱ) 상기 염소화 단계에서 형성된 리튬 염화물 및 전이금속 산화물을 분리하는 단계; ⅲ) 상기 분리된 전이금속 산화물에 리튬을 포함하는 화합물 및 전이금속 화합물을 혼합하는 단계; ⅳ) 상기 ⅲ) 단계에서 얻어진 혼합물을 100 내지 600℃에서 1차 가열하는 단계; 및 ⅴ) 상기 ⅳ) 단계에서 얻어진 결과물을 600 내지 1000℃에서 2차 가열하는 단계;를 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법을 제공한다.According to one embodiment of the present invention, i) a chlorination step of reacting a waste cathode active material containing lithium transition metal oxide with a chlorine-containing gas; ii) separating lithium chloride and transition metal oxide formed in the chlorination step; iii) mixing a compound containing lithium and a transition metal compound with the separated transition metal oxide; iv) first heating the mixture obtained in step iii) at 100 to 600°C; and v) secondary heating the result obtained in step iv) at 600 to 1000°C.

또한, 본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면, 본 발명의 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 따라 업사이클링되어서 제조된 양극활물질로서 상기 결정 구조가 단결정 형태인 양극활물질을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a cathode active material manufactured by upcycling according to the upcycling method of a spent cathode active material of the present invention is provided, and the cathode active material has a single crystal structure.

본 발명의 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 따르면, 염소화 처리를 통해 폐양극활물질로부터 리튬을 완벽하게 제거함으로써 리튬의 정량화가 가능할 수 있으며, 이에 따라 종래 기술과 같이 부수적인 리튬 제거 공정이 필요하지 않으므로 경제적이다.According to the upcycling method of the waste cathode active material of the present invention, lithium can be quantified by completely removing lithium from the waste cathode active material through chlorination treatment, and therefore, ancillary lithium removal process as in the prior art is not required. It's economical.

또한, 본 발명에 따른 폐양극활물질의 업사이클링 방법을 통해 제조된 양극활물질은 불순물이 없고 단결정 형태를 가짐으로써 성능이 향상된 고부가가치의 양극활물질을 구현할 수 있다.In addition, the cathode active material manufactured through the upcycling method of waste cathode active material according to the present invention is free of impurities and has a single crystal form, making it possible to implement a high value-added cathode active material with improved performance.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 폐양극활물질의 업사이클링 방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예 1에서 염소화 단계를 거친 직후의 양극활물질에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 3a 내지 도 3d는 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 양극활물질의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 4a는 실시예 8 내지 실시예 11에 따른 리튬이차전지에 대한 충방전 실험 결과를 나타낸 도시이다.
도 4b는 실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 변화를 나타낸 도시이다.
도 5a 내지 도 5d는 실시예 1 내지 4에 따른 양극활물질에 대한 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 6은 실시예 5에 따라 제조된 양극활물질의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 7a는 실시예 12에 따른 리튬이차전지에 대한 충방전 실험 결과를 나타낸 도시이다.
도 7b는 실시예 12에 따른 리튬이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 변화를 나타낸 도시이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 도시이다.
도 9a는 실시예 13 및 실시예 14에 따른 리튬이차전지에 대한 충방전 실험 결과를 나타낸 도시이다.
도 9b는 실시예 13 및 실시예 14에 따른 리튬이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 변화를 나타낸 도시이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질에 대한 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 11a 및 도 11b는 실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질에 대한 입자크기분포 분석을 결과를 나타낸 도시이다.
1 is a schematic diagram showing a method for upcycling a waste cathode active material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the results of XRD analysis of the positive electrode active material immediately after going through the chlorination step in Example 1.
Figures 3a to 3d show the results of X-ray diffraction analysis of the positive electrode active materials prepared according to Examples 1 to 4.
Figure 4a is a diagram showing the results of charge and discharge experiments for lithium secondary batteries according to Examples 8 to 11.
Figure 4b is a diagram showing the change in capacity of lithium secondary batteries according to Examples 8 to 11 as the cycle progresses.
Figures 5a to 5d show SEM images of positive electrode active materials according to Examples 1 to 4.
Figure 6 is a diagram showing the results of X-ray diffraction analysis of the positive electrode active material prepared according to Example 5.
Figure 7a is a diagram showing the results of a charge/discharge test for a lithium secondary battery according to Example 12.
Figure 7b is a diagram showing the change in capacity of the lithium secondary battery according to Example 12 as the cycle progresses.
Figures 8a and 8b show the results of XRD analysis of the positive electrode active material according to Example 6 and Example 7, respectively.
Figure 9a is a diagram showing the results of charge and discharge experiments for lithium secondary batteries according to Examples 13 and 14.
Figure 9b is a diagram showing the capacity change according to the cycle of the lithium secondary battery according to Example 13 and Example 14.
Figures 10a and 10b show SEM images of positive electrode active materials according to Examples 6 and 7.
Figures 11a and 11b show the results of particle size distribution analysis for the positive electrode active materials according to Examples 6 and 7.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명인 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, the upcycling method of the waste cathode active material of the present invention will be described in detail so that it can be easily performed by those skilled in the art.

본 발명의 일 실시형태에 따른 폐양극활물질의 업사이클링 방법은 ⅰ) 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 폐양극활물질을 염소 함유 기체와 반응시키는 염소화 단계; ⅱ) 상기 염소화 단계에서 형성된 리튬 염화물 및 전이금속 산화물을 분리하는 단계; ⅲ) 상기 분리된 전이금속 산화물에 리튬을 포함하는 화합물 및 전이금속 화합물을 혼합하는 단계; ⅳ) 상기 ⅲ) 단계에서 얻어진 혼합물을 100 내지 600℃에서 1차 가열하는 단계; 및 ⅴ) 상기 ⅳ) 단계에서 얻어진 결과물을 600 내지 1000℃에서 2차 가열하는 단계;를 포함한다.A method for upcycling a waste cathode active material according to an embodiment of the present invention includes: i) a chlorination step of reacting a waste cathode active material containing lithium transition metal oxide with a chlorine-containing gas; ii) separating lithium chloride and transition metal oxide formed in the chlorination step; iii) mixing a compound containing lithium and a transition metal compound with the separated transition metal oxide; iv) first heating the mixture obtained in step iii) at 100 to 600°C; and v) secondary heating of the result obtained in step iv) at 600 to 1000°C.

상기 ⅰ) 단계에서 폐양극활물질에 포함된 리튬 전이금속 산화물은 LiMOx 과 같은 조성을 가지는 것으로, Li는 리튬, M은 전이금속, X는 1 내지 5의 정수일 수 있다.In step i), the lithium transition metal oxide contained in the waste cathode active material has the same composition as LiMOx, where Li is lithium, M is a transition metal, and X may be an integer from 1 to 5.

상기 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.The transition metal may include at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), aluminum (Al), and magnesium (Mg).

구체적으로, 상기 리튬 전이금속 산화물은 예를 들어, 하기 화학식 1로 표시되는 평균 조성을 가지는 것일 수 있다.Specifically, the lithium transition metal oxide may have, for example, an average composition represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Lix[NiyCozMn1-y-z]O2 Li x [Ni y Co z Mn 1-yz ]O 2

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1이다.0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1.

상기 ⅰ) 단계에서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 폐양극활물질을 염소 함유 기체와 반응시킴으로써 리튬 염화물 및 전이금속 산화물이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 염화물은 LiCl 형태일 수 있고, 상기 전이금속 산화물은 MOx 형태일 수 있다. 또한, 전이금속 염화물 역시 형성될 수 있으며, MClx의 형태로 형성될 수 있다.In step i), lithium chloride and transition metal oxide may be formed by reacting the waste cathode active material containing lithium transition metal oxide with a chlorine-containing gas. Specifically, the lithium chloride may be in the form of LiCl, and the transition metal oxide may be in the form of MOx. Additionally, transition metal chlorides may also be formed, and may be formed in the form of MCl x .

상기 ⅰ) 단계에서의 염소 함유 기체와의 반응은 400 내지 800℃, 바람직하게는 450 내지 700℃, 더 바람직하게는 500 내지 600℃에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 ⅰ) 단계의 반응 온도가 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 지나치게 높은 온도로 인해 리튬 대신 전이금속의 염소화가 가속화되어 전이금속의 회수율이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우 리튬 염화물이 충분히 형성되지 않아서 폐양극활물질의 분리 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있다.The reaction with the chlorine-containing gas in step i) may be carried out at 400 to 800°C, preferably 450 to 700°C, and more preferably 500 to 600°C. If the reaction temperature in step i) exceeds the upper limit of the numerical range, the excessively high temperature may accelerate chlorination of the transition metal instead of lithium, which may cause a problem of lowering the recovery rate of the transition metal. If it is insufficient, there may be a problem that the separation efficiency of the waste cathode active material is reduced because lithium chloride is not sufficiently formed.

또한, 상기 ⅰ) 단계에서의 염소 함유 기체와의 반응은 1 내지 10시간, 바람직하게는 2 내지 8시간, 더 바람직하게는 3 내지 5시간 동안 수행되는 것일 수 있다.Additionally, the reaction with the chlorine-containing gas in step i) may be carried out for 1 to 10 hours, preferably 2 to 8 hours, and more preferably 3 to 5 hours.

상기 ⅰ) 단계에서의 염소 함유 기체는 비활성 기체와 염소 기체(Cl2)를 1: 0.01 내지 1:0.1, 바람직하게는 1: 0.02 내지 1:0.08, 더 바람직하게는 1: 0.04 내지 1:0.06의 부피비로 포함하는 것일 수 있다. 상기 염소 함유 기체에서 비활성 기체와 염소 기체의 부피비가 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 과량의 염소 가스가 미반응하여 공정 효율 저하의 문제가 있을 수 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우 염소화 반응의 효율이 저하되어 폐양극활물질의 분리가 충분히 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있다.The chlorine-containing gas in step i) is an inert gas and chlorine gas (Cl 2 ) in a ratio of 1:0.01 to 1:0.1, preferably 1:0.02 to 1:0.08, more preferably 1:0.04 to 1:0.06. It may be included in a volume ratio of . If the volume ratio of the inert gas and chlorine gas in the chlorine-containing gas exceeds the upper limit of the above numerical range, excess chlorine gas may not react and there may be a problem of reduced process efficiency, and if it falls below the lower limit of the above numerical range, chlorination may occur. There may be a problem in which the efficiency of the reaction is reduced and the waste cathode active material is not sufficiently separated.

상기 비활성 기체는 Ar, N2, He 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.The inert gas may include at least one selected from the group consisting of Ar, N 2 , He, and Ne.

상기 ⅰ) 단계에서의 반응은 상기 염소 함유 기체가 폐양극활물질 100 중량부를 기준으로 200 내지 800 중량부로 혼합되어 반응하는 것일 수 있다. 반응하는 염소 함유 기체의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 적정한 염소 함유 기체의 양으로도 염소화 반응이 충분히 진행되어 공정 비용의 감소 및 전이금속 산화물의 분리가 효율적으로 이루어질 수 있다.The reaction in step i) may be performed by mixing 200 to 800 parts by weight of the chlorine-containing gas based on 100 parts by weight of the waste cathode active material. When the content of the reacting chlorine-containing gas satisfies the above numerical range, the chlorination reaction proceeds sufficiently even with an appropriate amount of chlorine-containing gas, thereby reducing process costs and efficiently separating transition metal oxides.

상기와 같은 염소화 단계를 통해 본 발명은 강산 등을 사용하는 별도의 부수적인 공정없이 리튬의 분리가 가능한 바, 산 폐기물과 같은 오염 물질을 발생시키지 않으면서도 간단하게 리튬 염화물을 선택적으로 회수할 수 있어서 공정 효율을 극대화할 수 있다.Through the above chlorination step, the present invention enables the separation of lithium without a separate auxiliary process using strong acids, etc., and allows for the simple and selective recovery of lithium chloride without generating contaminants such as acid waste. Process efficiency can be maximized.

다음으로, 본 발명에 따른 폐양극활물질의 업사이클링 방법은 상기 염소화 단계에서 형성된 리튬 염화물 및 전이금속 산화물을 분리하는 ⅱ) 단계를 포함한다.Next, the method for upcycling waste cathode active material according to the present invention includes step ii) of separating lithium chloride and transition metal oxide formed in the chlorination step.

상기 ⅱ) 단계에서의 분리는 용매를 이용한 세척을 통해 수행되는 것일 수 있다. 상기 ⅰ) 단계를 통해 형성된 전이금속 산화물을 용해시키지 않으면서 리튬 염화물 및 전이금속 염화물을 용해시킬 수 있는 용매를 사용하는 것일 수 있다.Separation in step ii) may be performed through washing with a solvent. A solvent that can dissolve lithium chloride and transition metal chloride without dissolving the transition metal oxide formed through step i) may be used.

상기 용매는 물 또는 알코올, 바람직하게는 물을 사용할 수 있으나, 전이금속 산화물을 용해시키지 않고 리튬 염화물 등을 용해할 수 있는 것이라면 제한 없이 적용 가능하다.The solvent may be water or alcohol, preferably water, but any solvent that can dissolve lithium chloride without dissolving transition metal oxide can be applied without limitation.

이후, 상기 분리된 전이금속 산화물에 리튬을 포함하는 화합물 및 전이금속 화합물을 혼합하는 단계를 수행한다. 상기 리튬을 포함하는 화합물은 Li(OH)2, Li(OH)ㆍH2O, Li2CO3 등의 형태를 가질 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 상기 전이금속 화합물과 반응하여 양극활물질을 재생할 수 있는 것이라면 제한없이 적용 가능하다. 또한, 상기 전이금속 화합물 역시 Ni(OH)2 등의 형태를 가질 수 있으나, 상기 리튬 화합물과 반응하여 양극활물질을 재생할 수 있는 것이라면, 그 형태에 제한 받지 않고 어느 형태이든 적용 가능하다.Thereafter, a step of mixing a compound containing lithium and a transition metal compound with the separated transition metal oxide is performed. The lithium-containing compound may have the form of Li(OH) 2 , Li(OH)·H 2 O, Li 2 CO 3 , etc., but is not necessarily limited thereto, and reacts with the transition metal compound to form a positive electrode active material. It can be applied without restrictions as long as it can be played. In addition, the transition metal compound may also have a form such as Ni(OH) 2 , but as long as it can regenerate the positive electrode active material by reacting with the lithium compound, it is not limited to the form and can be applied in any form.

상기 ⅲ) 단계에서의 리튬 및 전이금속은 1:0.9 내지 1:1, 바람직하게는 1:0.94 내지 1:1, 더 바람직하게는 1:0.97 내지 1:1의 몰비로 혼합되는 것일 수 있다. 리튬 및 전이금속이 혼합되는 몰비가 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 과량의 리튬으로 인한 불순물이 형성되어 제조된 리튬이차전지의 전기화학적 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우 리튬이 부족하여 합성된 양극이 전기화학적으로 불활성한 구조를 가질 수 있다.In step iii), lithium and transition metal may be mixed at a molar ratio of 1:0.9 to 1:1, preferably 1:0.94 to 1:1, and more preferably 1:0.97 to 1:1. If the molar ratio of lithium and transition metal mixed exceeds the upper limit of the above numerical range, impurities may be formed due to excessive lithium, which may cause a problem in that the electrochemical properties of the manufactured lithium secondary battery deteriorate, and the lower limit of the above numerical range may occur. If it is less than lithium, the synthesized positive electrode may have an electrochemically inactive structure.

다음으로, 상기 ⅲ) 단계에서 얻어진 혼합물을 1차 가열하는 ⅳ) 단계를 수행한다. 상기 1차 가열은 100 내지 600℃, 바람직하게는 150 내지 550℃, 더 바람직하게는 200 내지 500℃에서 수행되는 것일 수 있다.Next, step iv) is performed, in which the mixture obtained in step iii) is first heated. The first heating may be performed at 100 to 600°C, preferably 150 to 550°C, and more preferably 200 to 500°C.

상기 ⅳ) 단계에서의 1차 가열을 통해 리튬이 상기 혼합물 내에 균일하게 분산될 수 있다. 즉, 1차 가열 온도가 상기 수치범위를 만족하는 경우 상기 리튬을 포함하는 화합물이 분해되기 시작하는 온도에서 일정시간 유지함으로써 보다 균일한 구조의 양극활물질을 제조할 수 있는 효과가 있다.Lithium can be uniformly dispersed in the mixture through the primary heating in step iv). That is, when the primary heating temperature satisfies the above numerical range, it is possible to manufacture a positive electrode active material with a more uniform structure by maintaining the temperature at which the lithium-containing compound begins to decompose for a certain period of time.

이후, 상기 ⅳ) 단계에서 얻어진 결과물을 2차 가열하는 ⅴ) 단계를 수행한다. 상기 2차 가열은 600 내지 1000℃, 바람직하게는 650 내지 950℃, 더 바람직하게는 700 내지 900℃에서 수행되는 것일 수 있다.Thereafter, step v) of secondary heating of the result obtained in step iv) is performed. The secondary heating may be performed at 600 to 1000°C, preferably 650 to 950°C, and more preferably 700 to 900°C.

상기 ⅴ) 단계에서의 2차 가열을 통해 양극활물질이 재합성되는 것일 수 있다. 만약 상기 2차 가열이 상기 수치범위의 상한치를 초과하는 경우 층상형 구조로부터 전기화학적으로 비활성인 스피넬(spinel), 락솔트(rock salt) 구조로의 열화가 발생하여 제조된 리튬이차전지의 성능이 저하되는 문제가 생길 수 있고, 상기 수치범위의 하한치에 미달되는 경우 재합성 반응이 진행되지 않아 층상형 구조의 합성이 불완전하게 진행되는 문제가 있을 수 있다.The positive electrode active material may be re-synthesized through secondary heating in step v). If the secondary heating exceeds the upper limit of the above numerical range, deterioration from the layered structure to the electrochemically inactive spinel or rock salt structure occurs, thereby reducing the performance of the manufactured lithium secondary battery. There may be a problem of deterioration, and if it falls below the lower limit of the above numerical range, the resynthesis reaction may not proceed, and there may be a problem that the synthesis of the layered structure proceeds incompletely.

한편, 상기 ⅱ) 단계와 상기 ⅲ) 단계의 사이에, 비활성 기체 분위기하에서 400 내지 900℃, 바람직하게는 450 내지 850℃, 더 바람직하게는 500 내지 800℃에서 열처리를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 열처리 온도가 상기 수치범위를 만족하는 경우 상기 ⅱ) 단계에서 분리된 전이금속 산화물의 입자 크기가 균일해지는 효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 추후 리튬 및 전이금속과의 혼합을 용이하게 하고, 고온에서의 합성 반응 결과 단결정의 양극활물질을 형성할 수 있다.Meanwhile, between step ii) and step iii), heat treatment is performed at 400 to 900°C, preferably 450 to 850°C, more preferably 500 to 800°C in an inert gas atmosphere. It may be. When the heat treatment temperature satisfies the above numerical range, the particle size of the transition metal oxide separated in step ii) may have the effect of becoming uniform. Accordingly, future mixing with lithium and transition metals can be facilitated, and a single crystal cathode active material can be formed as a result of a synthesis reaction at high temperature.

상기 ⅱ) 단계와 상기 ⅲ) 단계의 사이의 열처리는 2 내지 10시간, 바람직하게는 4 내지 8시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 열처리 시간이 상기 수치범위를 만족하는 경우 열화 문제 없이 분리된 전이금속 산화물의 입자 크기가 균일하게 분산될 수 있다.The heat treatment between step ii) and step iii) may be performed for 2 to 10 hours, preferably 4 to 8 hours. When the heat treatment time satisfies the above numerical range, the particle size of the separated transition metal oxide can be uniformly dispersed without deterioration problems.

상기 비활성 기체는 Ar, N2, He 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.The inert gas may include at least one selected from the group consisting of Ar, N 2 , He, and Ne.

또한, 상기 ⅴ) 단계 이후에, 500 내지 900℃, 바람직하게는 550 내지 850℃, 더 바람직하게는 600 내지 800℃에서 열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.In addition, after step v), the step of performing heat treatment at 500 to 900°C, preferably 550 to 850°C, and more preferably 600 to 800°C may be further included.

ⅴ) 단계 이후에 상기 온도범위에서 열처리를 수행함으로써, 상기 ⅴ) 단계에서 형성된 결정 구조 내 리튬과 전이금속의 자리 바꿈 현상 및 구조적 열화로부터 회복될 수 있고, 합성된 양극활물질이 구조적 안정성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 용량, 수명, 고율 특성 등이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.By performing heat treatment in the above temperature range after step v), it can be recovered from the displacement phenomenon and structural deterioration of lithium and transition metal in the crystal structure formed in step v), and the synthesized positive electrode active material can have structural stability. In addition, it is possible to prevent deterioration in capacity, lifespan, and high rate characteristics.

본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면, 상기 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 따라 제조된 것으로서, 결정 구조가 단결정 형태인 것인 양극활물질을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, a positive electrode active material is provided, which is manufactured according to the upcycling method of the waste positive electrode active material and has a single crystal structure.

양극활물질이 다결정인 경우 충방전이 반복되면 입자들이 수축 및 팽창을 반복함에 따라 상기 입자 구조 내에 균열이 발생하게 되고, 작은 입자 크기와 넓은 표면적으로 인해 전해질과의 부반응이 활발이 일어나 상기 양극활물질을 포함하는 리튬이차전지의 효율이 감소되는 문제가 있다. 반면, 양극활물질의 입자가 단결정의 형태를 가지면, 다결정인 경우와 대비하여 상기 양극활물질의 표면 반응이 감소하고 잦은 충방전에도 균열이 발생하지 않을 정도로 강한 강도를 가지게 되어 전기화학적 안정성 및 리튬이차전지의 성능이 향상될 수 있다.If the positive electrode active material is polycrystalline, when charging and discharging are repeated, cracks occur within the particle structure as the particles repeat contraction and expansion, and due to the small particle size and large surface area, side reactions with the electrolyte become active, thereby damaging the positive electrode active material. There is a problem that the efficiency of the lithium secondary battery included is reduced. On the other hand, when the particles of the positive electrode active material have the form of a single crystal, the surface reaction of the positive electrode active material is reduced compared to the case of polycrystalline, and the strength is strong enough to prevent cracks from occurring even after frequent charging and discharging, thereby improving electrochemical stability and lithium secondary batteries. performance can be improved.

또한, 상기 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 따라 제조된 양극활물질은 업사이클링 전의 폐양극활물질과 대비하여 전이금속을 1 내지 50중량%, 바람직하게는 10 내지 50 중량%, 더 바람직하게는 30 내지 50 중량% 더 포함하는 것일 수 있다. 이와 같이, 업사이클링 이후의 양극활물질에 포함된 전이금속의 함량이 업사이클링 전의 폐양극활물질에 포함된 전이금속의 함량보다 높아짐에 따라, 상기 양극활물질의 에너지 밀도 및 성능이 향상될 수 있다.In addition, the cathode active material prepared according to the upcycling method of the waste cathode active material contains 1 to 50% by weight of transition metal, preferably 10 to 50% by weight, more preferably 30 to 30% by weight, compared to the waste cathode active material before upcycling. It may contain an additional 50% by weight. In this way, as the content of transition metals contained in the cathode active material after upcycling becomes higher than the content of transition metals contained in the spent cathode active material before upcycling, the energy density and performance of the cathode active material can be improved.

본 발명의 또다른 일 실시형태에 따르면, 상기 폐양극활물질의 업사이클링 방법에 따라 제조된 양극활물질을 포함하는 양극; 및 리튬 금속을 포함하는 음극;을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a positive electrode comprising a positive electrode active material manufactured according to the upcycling method of the waste positive electrode active material; and a negative electrode containing lithium metal.

상기 리튬이차전지에 포함되는 양극은 상기 양극활물질과 바인더, 도전재 및 용매를 포함하는 양극 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅한 후, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode included in the lithium secondary battery may be manufactured by coating a positive electrode slurry containing the positive electrode active material, a binder, a conductive material, and a solvent on a positive electrode current collector, followed by drying and rolling.

상기 양극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있고, 당해 리튬이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.The positive electrode current collector may be stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., and may be used chemically in the lithium secondary battery. There is no particular limitation as long as it is challenging without causing change.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(poly(ethylene glycol) dimethyl ether), 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴플루오라이드의 공중합체(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), 폴리(비닐아세테이트)(polyvinyl acetate), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐에테르(polyvinyl ether), 폴리(메틸메타크릴레이트)(poly(methyl methacrylate)), 폴리(에틸아크릴레이트)(poly(ethyl acrylate)), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피리딘(poly(vinyl pyridine)), 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR) 및 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.The binder is a component that assists in the bonding of the active material and the conductive material and the bonding to the current collector, and is composed of polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(ethylene glycol) dimethyl ether, and polyhexamethylene fluoride. Copolymer of fluoropropylene and polyvinylidene fluoride (poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), poly(vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, poly Polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl ether, poly(methyl methacrylate), poly(ethyl acrylate), polytetrafluoro Ethylene (polytetrafluoroethylene, PTFE), polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, poly(vinyl pyridine), styrene butadiene rubber (SBR) and acrylonitrile- It may include at least one selected from the group consisting of butadiene rubber (acrylonitrile-butadiene rubber).

상기 도전재는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 천연 흑연, 인조흑연, 그래파이트, 탄소 섬유, 금속 섬유, 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨, 산화티탄, 폴리페닐렌 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 당해 리튬이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.The conductive materials include carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, natural graphite, artificial graphite, graphite, carbon fiber, metal fiber, fluorinated carbon, aluminum, nickel powder, zinc oxide, and titanic acid. It may contain at least one selected from the group consisting of potassium, titanium oxide, and polyphenylene derivatives, and is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the lithium secondary battery.

상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 테트라 하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸 아세트아미드(dimethyl acetamide, DMAc) 및 톨루엔(toluene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.The solvent is N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), acetone, ethanol, tetrahydrofuran (THF), dimethyl acetamide, It may be one or more selected from the group consisting of DMAc) and toluene.

상기 리튬이차전지에 포함되는 음극은 상기 양극과 마찬가지로 음극 활물질과 바인더, 도전재 및 용매를 포함하는 음극 슬러리를 음극 집전체 상에 코팅한 후, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.Like the positive electrode, the negative electrode included in the lithium secondary battery can be manufactured by coating a negative electrode slurry containing a negative electrode active material, a binder, a conductive material, and a solvent on a negative electrode current collector, followed by drying and rolling.

상기 음극 집전체로서 구리, 스텐인리스 스틸, 티탄, 니켈 등이 사용될 수 있고, 상기 음극 활물질로는 리튬 금속 등을 사용할 수 있다.Copper, stainless steel, titanium, nickel, etc. may be used as the negative electrode current collector, and lithium metal, etc. may be used as the negative electrode active material.

상기 바인더, 도전재 및 용매는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일하다.The binder, conductive material, and solvent are the same as previously described for the positive electrode.

상기 리튬이차전지의 용량은 업사이클링 전의 폐양극활물질 함유 리튬이온전지와 대비하여 5 내지 35% 향상된 것일 수 있다.The capacity of the lithium secondary battery may be improved by 5 to 35% compared to a lithium ion battery containing a waste cathode active material before upcycling.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any way.

<실시예 1> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 1<Example 1> Manufacturing 1 of upcycled cathode active material from waste cathode active material

ⅰ) 단계 (염소화 단계)Step i) (chlorination step)

먼저 폐양극활물질로서 Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2 시료(성일하이텍)를 이용하였고, 상기 시료 2g을 190 mL/min의 아르곤과 10 mL/min의 염소기체(Cl2)가 혼합된 기체와 550℃ 조건에서 4시간 동안 반응시켰다. First, a Li(Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 )O 2 sample (Sungil Hitech) was used as a waste cathode active material, and 2 g of the sample was placed in a mixture of 190 mL/min argon and 10 mL/min chlorine gas (Cl 2 ). It was reacted with gas at 550°C for 4 hours.

ⅱ) 단계 (분리 단계)ii) Step (separation step)

반응 후의 혼합물을 물에 침지시켜 리튬 염화물을 녹여내고, 필터를 통해 물에 용해되지 않은 전이금속 산화물(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2을 분리하였다. 이후, 분리한 전이금속 산화물을 오븐에 넣고 120℃에서 2시간 동안 건조시켰다.The reaction mixture was immersed in water to dissolve lithium chloride, and transition metal oxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 )O 2 that was not dissolved in water was separated through a filter. Afterwards, the separated transition metal oxide was placed in an oven and dried at 120°C for 2 hours.

ⅲ) 단계 (혼합 단계)iii) Step (mixing step)

다음으로, 하기 반응식 1과 같이 진행될 수 있도록 분리한 고체 상태의 전이금속 산화물(Ni0.6Co0.2Mn0.2O2) 0.3g에 리튬을 포함하는 화합물로서 수산화 리튬 1수화물(LiOHㆍH2O) 0.29621g 및 전이금속 화합물로서 수산화 니켈(Ni(OH)2) 0.26893g을 첨가하였다. 즉, 리튬은 첨가한 수산화니켈 중 니켈 및 분리된 전이금속 산화물의 니켈, 코발트, 망간의 총 몰수를 기준으로 1.03의 몰비율을 가지도록 첨가하였다.Next, 0.3 g of the solid state transition metal oxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) separated to proceed as shown in Scheme 1 below, and lithium hydroxide monohydrate (LiOH·H 2 O) 0.29621 as a compound containing lithium. g and 0.26893 g of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) as a transition metal compound was added. That is, lithium was added at a molar ratio of 1.03 based on the total number of moles of nickel, cobalt, and manganese of nickel and separated transition metal oxides in the added nickel hydroxide.

[반응식 1][Scheme 1]

LiOHㆍH2O + 0.375Ni(OH)2 + 0.625Ni0.6Co0.2Mn0.2O2 → Li(Ni0.75Co0.125Mn0.125)O2 + xH2O + yO2 LiOHㆍH 2 O + 0.375Ni(OH) 2 + 0.625Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 → Li(Ni 0.75 Co 0.125 Mn 0.125 )O 2 + xH 2 O + yO 2

ⅳ) (1차 열처리 단계)ⅳ) (First heat treatment step)

이렇게 얻어진 혼합물 입자 내에 리튬을 균일하게 분산시키기 위해 250℃에서 6시간 동안 1차 열처리하였다.In order to uniformly disperse lithium within the mixture particles thus obtained, primary heat treatment was performed at 250°C for 6 hours.

ⅴ) 단계 (2차 열처리 단계)Step v) (secondary heat treatment step)

이후 800℃에서 12시간 동안 산소분위기에서 2차 가열하여 고온 합성을 진행하였다.Afterwards, high-temperature synthesis was performed by secondary heating at 800°C for 12 hours in an oxygen atmosphere.

<실시예 2> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 2<Example 2> Production of upcycled cathode active material from waste cathode active material 2

하기 반응식 2와 같이 진행될 수 있도록, 실시예 1의 ⅲ) 단계에서 분리한 고체 상태의 전이금속 산화물(Ni0.6Co0.2Mn0.2O2) 0.3g에 리튬을 포함하는 화합물로서 수산화 리튬 1수화물(LiOHㆍH2O) 0.58687g 및 전이금속 화합물로서 수산화 니켈(Ni(OH)2) 0.78612g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 양극활물질을 업사이클링하였다.To proceed as shown in Scheme 2 below, 0.3 g of the solid transition metal oxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) separated in step iii) of Example 1 was mixed with lithium hydroxide monohydrate (LiOH) as a compound containing lithium. The positive electrode active material was upcycled under the same conditions as in Example 1, except that 0.58687 g of H 2 O) and 0.78612 g of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) as a transition metal compound were added.

[반응식 2][Scheme 2]

LiOHㆍH2O + 0.625Ni(OH)2 + 0.375Ni0.6Co0.2Mn0.2O2 → Li(Ni0.85Co0.075Mn0.075)O2 + xH2O + yO2 LiOHㆍH 2 O + 0.625Ni(OH) 2 + 0.375Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 → Li(Ni 0.85 Co 0.075 Mn 0.075 )O 2 + xH 2 O + yO 2

<실시예 3> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 3<Example 3> Production of upcycled cathode active material from waste cathode active material 3

하기 반응식 3과 같이 진행될 수 있도록, 실시예 1의 ⅲ) 단계에서 분리한 고체 상태의 전이금속 산화물 0.3g에 리튬을 포함하는 화합물로서 수산화 리튬 1수화물(LiOHㆍH2O) 0.73452g 및 전이금속 화합물로서 수산화 니켈(Ni(OH)2) 1.04472g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 양극활물질을 업사이클링하였다.To proceed as shown in Scheme 3 below, 0.3 g of the solid transition metal oxide separated in step iii) of Example 1, 0.73452 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH·H 2 O) as a compound containing lithium, and 0.73452 g of the transition metal The positive electrode active material was upcycled under the same conditions as in Example 1, except that 1.04472 g of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) was added as a compound.

[반응식 3][Scheme 3]

LiOHㆍH2O + 0.7Ni(OH)2 + 0.3Ni0.6Co0.2Mn0.2O2 → Li(Ni0.88Co0.06Mn0.06)O2 + xH2O + yO2 LiOHㆍH 2 O + 0.7Ni(OH) 2 + 0.3Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 → Li(Ni 0.88 Co 0.06 Mn 0.06 )O 2 + xH 2 O + yO 2

<실시예 4> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 4<Example 4> Production of upcycled cathode active material from waste cathode active material 4

하기 반응식 4와 같이 진행될 수 있도록, 실시예 1의 ⅲ) 단계에서 분리한 고체 상태의 전이금속 산화물 0.3g에 리튬을 포함하는 화합물로서 수산화 리튬 1수화물(LiOHㆍH2O) 0.9806g 및 전이금속 화합물로서 수산화 니켈(Ni(OH)2) 1.47571g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 양극활물질을 업사이클링하였다.To proceed as shown in Scheme 4 below, 0.3 g of the solid transition metal oxide separated in step iii) of Example 1, 0.9806 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH·H 2 O) as a compound containing lithium, and 0.9806 g of the transition metal The positive electrode active material was upcycled under the same conditions as in Example 1, except that 1.47571 g of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) was added as a compound.

[반응식 4][Scheme 4]

LiOHㆍH2O + 0.75Ni(OH)2 + 0.25Ni0.6Co0.2Mn0.2O2 → Li(Ni0.9Co0.05Mn0.05)O2 + xH2O + yO2 LiOHㆍH 2 O + 0.75Ni(OH) 2 + 0.25Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 → Li(Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 )O 2 + xH 2 O + yO 2

<실시예 5> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 5<Example 5> Production of upcycled cathode active material from waste cathode active material 5

전체적인 입자 크기를 균일하게 만들기 위해, 실시예 1에서 염소화 처리 단계, 즉 ⅱ) 단계까지 동일하게 수행하고, 이후에 600℃의 아르곤 기체 분위기에서 4시간 동안 열처리를 진행하였다. 열처리 진행 후 실시예 1의 ⅲ) 단계 내지 ⅴ) 단계를 동일하게 수행하였다.In order to make the overall particle size uniform, the chlorination treatment step, that is, step ii), was performed in the same manner as in Example 1, and then heat treatment was performed for 4 hours in an argon gas atmosphere at 600°C. After heat treatment, steps iii) to v) of Example 1 were performed in the same manner.

<실시예 6> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 6<Example 6> Production of upcycled cathode active material from waste cathode active material 6

하기 반응식 5와 같이 진행될 수 있도록, ⅲ) 단계에서 분리한 고체 상태의 전이금속 산화물 0.3g에 리튬을 포함하는 화합물로서 수산화 리튬 1수화물(LiOHㆍH2O) 0.3001708g 및 전이금속 화합물로서 수산화 니켈(Ni(OH)2) 0.2689381g을 첨가한 것(즉, 리튬은 첨가한 수산화니켈 중 니켈 및 분리된 전이금속 산화물의 니켈, 코발트, 망간의 총 몰수를 기준으로 1.06의 몰비율을 가지도록 첨가) 및 ⅴ) 단계에서의 고온 합성 조건을 900℃에서 4시간 동안 산소 분위기에서 수행한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 진행하였고, 이후 양극활물질 입자의 구조 안정화를 위해 상대적으로 낮은 온도인 750℃에서 10시간 동안 열처리를 수행하였다.To proceed as shown in Scheme 5 below, 0.3 g of the solid transition metal oxide separated in step iii) is mixed with 0.3001708 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH·H 2 O) as a compound containing lithium and nickel hydroxide as a transition metal compound. (Ni(OH) 2 ) 0.2689381 g was added (i.e., lithium was added to have a molar ratio of 1.06 based on the total number of moles of nickel, cobalt, and manganese of nickel and separated transition metal oxides in the added nickel hydroxide. ) and v) were carried out in the same manner as in Example 1, except that the high-temperature synthesis conditions in steps were carried out in an oxygen atmosphere at 900°C for 4 hours, and then at a relatively low temperature to stabilize the structure of the positive electrode active material particles. Heat treatment was performed at 750°C for 10 hours.

[반응식 5][Scheme 5]

LiOHㆍH2O + 0.375Ni(OH)2 + 0.625Ni0.6Co0.2Mn0.2O2 → Li(Ni0.75Co0.125Mn0.125)O2 + xH2O + yO2 LiOHㆍH 2 O + 0.375Ni(OH) 2 + 0.625Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 → Li(Ni 0.75 Co 0.125 Mn 0.125 )O 2 + xH 2 O + yO 2

<실시예 7> 폐양극활물질로부터 업사이클링된 양극활물질의 제조 7<Example 7> Production of upcycled cathode active material from waste cathode active material 7

양극활물질 합성 분위기에 따른 차이를 파악하고자 산소 분위기가 아닌 일반 공기 분위기에서 ⅴ) 단계를 수행한 것을 제외하고 실시예 6과 동일하게 양극활물질을 제조하였다.In order to determine the difference depending on the atmosphere for synthesizing the cathode active material, a cathode active material was manufactured in the same manner as in Example 6, except that step v) was performed in a general air atmosphere rather than an oxygen atmosphere.

<실시예 8> 실시예 1에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 8> Manufacture of a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 1

먼저, 양극을 제조하기 위해 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매에 실시예 1에 따른 업사이클링된 양극활물질, 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 도전재로서 카본 블랙을 각각 8:1:1의 질량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 그리고 상기 슬러리를 알루미늄 호일에 코팅한 후 진공 오븐에서 건조시켜 용매를 제거함으로써 양극 제조를 완료하였다.First, to manufacture a positive electrode, the upcycled positive electrode active material according to Example 1, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and carbon black as a conductive material were added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent. A slurry was prepared by mixing at a mass ratio of 8:1:1. Then, the slurry was coated on aluminum foil and dried in a vacuum oven to remove the solvent, thereby completing the production of the positive electrode.

상기 전극을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로, 1M LiPF6 in EC/EMC(ethylene carbonate/ethylmethyl carbonate) with 2wt% VC(vinylene carbonate)를 전해질로, 유리 섬유 멤브레인을 분리막으로 사용하여 CR2032 코인셀을 제조하였다.A CR2032 coin cell was made using the above electrode as an anode, lithium metal as a cathode, 1M LiPF 6 in EC/EMC (ethylene carbonate/ethylmethyl carbonate) with 2wt% VC (vinylene carbonate) as an electrolyte, and a glass fiber membrane as a separator. Manufactured.

<실시예 9> 실시예 2에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 9> Manufacture of a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 2

실시예 1에 따른 양극활물질 대신 실시예 2에 따른 양극활물질을 이용한 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 조건으로 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured under the same conditions as Example 8, except that the cathode active material according to Example 2 was used instead of the cathode active material according to Example 1.

<실시예 10> 실시예 3에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 10> Manufacturing a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 3

실시예 1에 따른 양극활물질 대신 실시예 3에 따른 양극활물질을 이용한 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 조건으로 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured under the same conditions as Example 8, except that the cathode active material according to Example 3 was used instead of the cathode active material according to Example 1.

<실시예 11> 실시예 4에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 11> Manufacture of a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 4

실시예 1에 따른 양극활물질 대신 실시예 4에 따른 양극활물질을 이용한 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 조건으로 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured under the same conditions as Example 8, except that the cathode active material according to Example 4 was used instead of the cathode active material according to Example 1.

<실시예 12> 실시예 5에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 12> Manufacture of a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 5

실시예 1에 따른 양극활물질 대신 실시예 5에 따른 양극활물질을 이용한 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 조건으로 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured under the same conditions as Example 8, except that the cathode active material according to Example 5 was used instead of the cathode active material according to Example 1.

<실시예 13> 실시예 6에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 13> Manufacture of a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 6

실시예 1에 따른 양극활물질 대신 실시예 6에 따른 양극활물질을 이용한 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 조건으로 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured under the same conditions as Example 8, except that the cathode active material according to Example 6 was used instead of the cathode active material according to Example 1.

<실시예 14> 실시예 7에 따른 양극활물질을 적용한 리튬이차전지의 제조<Example 14> Manufacture of a lithium secondary battery using the cathode active material according to Example 7

실시예 1에 따른 양극활물질 대신 실시예 7에 따른 양극활물질을 이용한 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 조건으로 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured under the same conditions as Example 8, except that the cathode active material according to Example 7 was used instead of the cathode active material according to Example 1.

<실험예 1> 실시예 1 내지 4에 따른 양극활물질에 대한 X선 회절 분석<Experimental Example 1> X-ray diffraction analysis of the positive electrode active materials according to Examples 1 to 4

먼저 실시예 1에서 ⅰ) 단계(염소화 단계)를 거친 직후의 양극활물질에 대한 X선 회절 분석(XRD)을 수행하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.First, X-ray diffraction analysis (XRD) was performed on the positive electrode active material immediately after going through step i) (chlorination step) in Example 1, and the results are shown in FIG. 2.

염소화 단계를 거치기 전의 양극활물질은 공간군이 R-3m인 삼방정계 결정구조를 가지는데, 염소화 단계를 통해 상기 삼방정계 결정구조에서 리튬 염화물 형태로 리튬이 제거됨으로써 공간군이 Fd-3m(66.6%)인 입방정계 스피넬 결정 구조 및 공간군이 Fm-3m(33.4%)인 암염 구조로 변화하는 것을 확인하였다.The positive electrode active material before going through the chlorination step has a trigonal crystal structure with a space group of R-3m. Through the chlorination step, lithium is removed from the trigonal crystal structure in the form of lithium chloride, and the space group is Fd-3m (66.6%). ) It was confirmed that the cubic spinel crystal structure and space group changed to a rock salt structure of Fm-3m (33.4%).

그 다음, 업사이클링이 완료된 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 양극활물질의 X선 회절 분석 결과를 도 3a 내지 도 3d에 나타내었다. 도 3a 내지 도 3d 공통적으로 염소화 단계 이후 형성된 Fd-3m, Fm-3m의 구조가 단결정 형태의 R-3m구조로 회복된 것을 확인하였다. 또한, 과량의 리튬으로 인한 불순물 관련 패턴이 보이지 않았으며, 이를 통해 균일한 구조의 양극활물질의 형성 및 안정적인 전기화학적 특성을 가지는 이차전지의 제조를 위한 적정량의 리튬이 첨가된 것을 확인하였다.Next, the results of X-ray diffraction analysis of the positive electrode active materials prepared according to Examples 1 to 4 in which upcycling was completed are shown in FIGS. 3A to 3D. 3A to 3D, it was confirmed that the structures of Fd-3m and Fm-3m formed after the chlorination step were restored to the single crystal R-3m structure. In addition, no pattern related to impurities due to excessive lithium was seen, and it was confirmed that an appropriate amount of lithium was added to form a positive electrode active material with a uniform structure and to manufacture a secondary battery with stable electrochemical properties.

<실험예 2> 실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지에 대한 전기화학적 특성 분석<Experimental Example 2> Analysis of electrochemical properties of lithium secondary batteries according to Examples 8 to 11

실시예 1 내지 4에 따른 업사이클링된 양극활물질을 이용하여 제조된 실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지에 대한 충방전 실험을 수행하였다. Charge and discharge experiments were performed on lithium secondary batteries according to Examples 8 to 11 manufactured using the upcycled cathode active materials according to Examples 1 to 4.

싸이클러를 이용해 CCCV (constant current-constant voltage) 모드, 2.5-4.3 V의 전압범위에서 40mA/g 정전류 조건에서 충방전 실험을 진행하였고, 그 결과를 도 4a에 나타내었다.A charge/discharge experiment was conducted using a cycler in CCCV (constant current-constant voltage) mode under a constant current of 40 mA/g in a voltage range of 2.5-4.3 V, and the results are shown in Figure 4a.

실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지는, 일반적으로 알려진 Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2의 용량인 160~170mAh/g 보다 높은 용량을 180~200mAh/g 나타내었으며, 향상된 용량은 니켈의 함량 증가로 인한 니켈 산화환원반응 구간 증가에 기인하는 것이다. The lithium secondary batteries according to Examples 8 to 11 showed a higher capacity of 180 to 200 mAh/g than the generally known capacity of Li(Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 )O 2 of 160 to 170 mAh/g, and the improved capacity was achieved by nickel. This is due to an increase in the nickel redox reaction section due to an increase in the content.

또한, 도 4a의 4.1-4.2V 부근에서 상변화가 확인되었으며, 이러한 상변화는 니켈을 다량 함유하는 층상형 양극활물질에서 발현되는 H2(양극활물질이 c축 방향으로 고유의 격자 상수 보다 긴 격자 상수를 갖는 결정 구조)에서 H3(양극활물질이 c축 방향으로 고유의 격자 상수보다 짧은 격자 상수를 갖는 결정 구조)로의 상변화로 알려져 있는 바, 폐양극활물질로부터 니켈을 고함량으로 함유하는 결정구조의 양극활물질이 제조되었음을 확인할 수 있다.In addition, a phase change was confirmed around 4.1-4.2V in Figure 4a, and this phase change is H2 expressed in a layered positive electrode active material containing a large amount of nickel (the positive electrode active material has a lattice constant that is longer than the intrinsic lattice constant in the c-axis direction). It is known as a phase change from (crystal structure with nickel) to H3 (crystal structure with a lattice constant shorter than the intrinsic lattice constant of the cathode active material in the c-axis direction), and it is known that the crystal structure containing a high content of nickel from the waste cathode active material It can be confirmed that the positive electrode active material was manufactured.

한편, 도 4b에는 실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 변화를 나타낸 도시인데, 모든 경우에서 50사이클 진행 이후에도 약 75% 이상의 용량이 유지됨을 확인할 수 있다.Meanwhile, Figure 4b shows the capacity change according to the cycle of the lithium secondary battery according to Examples 8 to 11. In all cases, it can be seen that the capacity of about 75% or more is maintained even after 50 cycles.

<실험예 3> 양극활물질의 조성 분석<Experimental Example 3> Composition analysis of positive electrode active material

유도결합 플라즈마 분석법(ICP-MS)을 통해 실시예 1 내지 4의 조성을 파악하여 하기 표 1에 나타내었다. 기존 폐양극활물질의 조성에서 첨가한 니켈양만큼 비례하여 니켈을 고함량으로 함유하는 양극활물질로 합성되었음을 확인하였다.The compositions of Examples 1 to 4 were determined through inductively coupled plasma analysis (ICP-MS) and are shown in Table 1 below. It was confirmed that the cathode active material was synthesized with a high content of nickel in proportion to the amount of nickel added in the composition of the existing waste cathode active material.

%% NiNi CoCo MnMn 폐양극활물질Waste cathode active material 0.6000.600 0.2020.202 0.1960.196 실시예 1Example 1 0.7550.755 0.1270.127 0.1170.117 실시예 2Example 2 0.8650.865 0.0700.070 0.0640.064 실시예 3Example 3 0.8890.889 0.0580.058 0.0520.052 실시예 4Example 4 0.9050.905 0.0480.048 0.0450.045

<실험예 4> 실시예 1 내지 4에 따른 양극활물질의 구조 관찰<Experimental Example 4> Observation of the structure of the positive electrode active material according to Examples 1 to 4

실시예 1 내지 4에 따른 양극활물질의 구조를 관찰하기 위해 SEM 이미지를 관찰하여 도 5a 내지 도 5d에 나타내었다.To observe the structure of the positive electrode active materials according to Examples 1 to 4, SEM images were observed and are shown in FIGS. 5A to 5D.

그 결과, 실시예 1 내지 4에 따른 양극활물질의 구조가 기존의 이차입자 형태가 아닌 단결정 형태를 가진 것을 확인하였다. 기존 양극활물질의 경우 200-300㎚의 입자들이 모여 10-15㎛의 입자를 이루는 이차입자형태를 가지고 있다. 이러한 이차입자 양극활물질의 경우 충방전 과정에서 나노입자들이 수축/팽창을 반복함에 따라 기존 이차입자구조내의 미세한 균열이 형성될 수 있고, 이는 전해질과의 부반응을 유발하며 리튬 이온의 확산 저하를 유도한다. As a result, it was confirmed that the structure of the positive electrode active material according to Examples 1 to 4 had a single crystal form rather than the existing secondary particle form. Existing cathode active materials have a secondary particle form in which particles of 200-300 nm gather to form particles of 10-15 ㎛. In the case of these secondary particle cathode active materials, fine cracks may form within the existing secondary particle structure as the nanoparticles repeat contraction/expansion during the charging and discharging process, which causes a side reaction with the electrolyte and reduces the diffusion of lithium ions. .

하지만 단일입자의 경우 언급한 현상들이 억제되는 바, 기존 이차입자형태의 폐양극활물질과 대비하여 장기 수명 특성이 향상될 수 있을 것으로 판단된다.However, in the case of single particles, the mentioned phenomena are suppressed, and it is believed that long-term life characteristics can be improved compared to existing secondary particle type waste cathode active materials.

<실험예 5> 실시예 5에 따른 양극활물질에 대한 X선 회절 분석<Experimental Example 5> X-ray diffraction analysis of the positive electrode active material according to Example 5

실시예 5에 따른 양극활물질에 대해 실험예 1에서와 동일한 조건으로 X선 회절 분석(XRD)을 수행하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.X-ray diffraction analysis (XRD) was performed on the positive electrode active material according to Example 5 under the same conditions as in Experimental Example 1, and the results are shown in FIG. 6.

먼저, ⅰ) 단계(염소화 단계)를 거친 직후의 양극활물질에 대한 X선 회절 분석에서 Fd-3m 구조의 단위셀의 부피는 557.102 Å3, Fm-3m 구조의 경우 70.987 Å3의 부피를 가지는 것을 확인하였다. First , in the Confirmed.

그 다음, ⅱ) 단계, 그 이후의 열처리 및 ⅲ) 단계 내지 ⅴ) 단계를 모두 수행한 이후 실시예 5에 따른 양극활물질에 대한 X-선 회절패턴 분석을 진행한 결과, R-3m 구조의 단일상으로 잘 합성되었음을 확인하였으며 불순물 또한 확인되지 않았다.Next, after performing all steps ii), the subsequent heat treatment, and steps iii) to v), an It was confirmed that it was synthesized well on a daily basis, and no impurities were confirmed.

<실험예 6> 실시예 12에 따른 리튬이차전지에 대한 전기화학적 특성 분석<Experimental Example 6> Analysis of electrochemical properties of lithium secondary battery according to Example 12

실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지 대신 실시예 12에 따른 리튬이차전지를 대상으로 한 것을 제외하고, 실험예 2에서와 동일한 조건으로 충방전 실험을 수행하여 그 결과를 도 7a에 나타내었다.A charging and discharging experiment was performed under the same conditions as in Experimental Example 2, except that the lithium secondary battery according to Example 12 was used instead of the lithium secondary battery according to Examples 8 to 11, and the results are shown in FIG. 7A.

그 결과, 4.1-4.2V부근에서 상변화가 확인되었으며 이를 통해 니켈을 다량 함유하는 양극활물질이 합성되었음을 확인하였다.As a result, a phase change was confirmed around 4.1-4.2V, and through this, it was confirmed that a positive electrode active material containing a large amount of nickel was synthesized.

한편, 도 7b에는 실시예 12에 따른 리튬이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 변화를 나타낸 도시인데, 두 경우 모두 50사이클 진행 이후에도 약 90% 이상의 용량이 유지됨을 확인할 수 있다.Meanwhile, Figure 7b shows the capacity change according to the cycle of the lithium secondary battery according to Example 12. In both cases, it can be seen that the capacity of about 90% or more is maintained even after 50 cycles.

<실험예 7> 실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질에 대한 X선 회절 분석<Experimental Example 7> X-ray diffraction analysis of positive electrode active materials according to Examples 6 and 7

실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질에 대해 실험예 1에서와 동일한 조건으로 X선 회절 분석(XRD)을 수행하여 그 결과를 도 8a 및 도 8b에 나타내었다.X-ray diffraction analysis (XRD) was performed on the positive electrode active materials according to Examples 6 and 7 under the same conditions as in Experimental Example 1, and the results are shown in FIGS. 8A and 8B.

모두 R-3m구조의 단일상의 결정구조를 가짐을 확인하였으며 불순물은 확인되지 않았다.It was confirmed that all had a single-phase crystal structure of R-3m structure, and no impurities were confirmed.

<실험예 8> 실시예 13 및 실시예 14에 따른 리튬이차전지에 대한 전기화학적 특성 분석<Experimental Example 8> Analysis of electrochemical properties of lithium secondary batteries according to Examples 13 and 14

실시예 8 내지 11에 따른 리튬이차전지 대신 실시예 13 및 실시예 14에 따른 리튬이차전지를 대상으로 한 것을 제외하고, 실험예 2에서와 동일한 조건으로 충방전 실험을 수행하여 그 결과를 도 9a에 나타내었다.A charging and discharging experiment was performed under the same conditions as in Experimental Example 2, except that the lithium secondary batteries according to Examples 13 and 14 were used instead of the lithium secondary batteries according to Examples 8 to 11, and the results are shown in Figure 9a. shown in

4.1~4.2V부근에서 상변화가 확인되었으며 이를 통해 니켈을 다량 함유하는 양극활물질이 합성되었음을 확인하였다. A phase change was confirmed around 4.1~4.2V, and through this, it was confirmed that a positive electrode active material containing a large amount of nickel was synthesized.

한편, 도 9b에는 실시예 13 및 실시예 14에 따른 리튬이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 변화를 나타낸 도시인데, 두 경우 모두 50사이클 진행 이후에도 약 80% 이상의 용량이 유지됨을 확인할 수 있다.Meanwhile, Figure 9b shows the capacity change according to the cycle of the lithium secondary battery according to Example 13 and Example 14. In both cases, it can be seen that the capacity of about 80% or more is maintained even after 50 cycles.

또한, 산소 분위기에서 2차 가열을 진행한 경우가 일반 공기 분위기에서 2차 가열을 진행한 경우보다 수명특성에서 좋은 결과를 확인하였다. 즉, 산소분위기에서 합성하는 경우가 일반 공기 분위기에서 합성하는 경우와 대비하여, 합성과정에서 입자 표면에 산화분위기가 잘 형성되는 결과 입자 표면에서의 전이금속의 환원이 방지되고, 결정 구조 내 리튬과 니켈의 자리바꿈 현상이 억제되어 제조된 리튬이차전지의 수명 성능 향상의 원인이 될 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, better results in life characteristics were confirmed when secondary heating was performed in an oxygen atmosphere than when secondary heating was performed in a normal air atmosphere. In other words, in the case of synthesis in an oxygen atmosphere, compared to the case of synthesis in a general air atmosphere, the oxidation atmosphere is well formed on the particle surface during the synthesis process, preventing the reduction of transition metals on the particle surface, and lithium and lithium in the crystal structure. It can be confirmed that the displacement phenomenon of nickel is suppressed, which can lead to improved lifespan performance of the manufactured lithium secondary battery.

<실험예 9> 실시예 6 및 7에 따른 양극활물질의 구조 관찰<Experimental Example 9> Observation of the structure of the positive electrode active material according to Examples 6 and 7

실시예 1 내지 4에 따른 양극활물질 대신 실시예 6 및 7에 따른 양극활물질을 대상으로 한 것을 제외하고 실험예 4와 동일한 조건으로 SEM 이미지를 촬영하였다.SEM images were taken under the same conditions as in Experimental Example 4, except that the cathode active materials according to Examples 6 and 7 were used instead of the cathode active materials according to Examples 1 to 4.

도 10a 및 도 10b를 참고하면, 실험예 4에서와 마찬가지로 실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질은 이차입자 형태가 아닌 단결정의 형태를 가진 것으로 확인되었으며, 기존 단순 합성으로 업사이클링을 진행한 실시예 1 내지 4의 경우보다 입자 크기가 증가한 것을 확인하였다. Referring to FIGS. 10A and 10B, as in Experimental Example 4, the positive electrode active materials according to Examples 6 and 7 were confirmed to have the form of a single crystal rather than a secondary particle, and were upcycled through existing simple synthesis. It was confirmed that the particle size increased compared to Examples 1 to 4.

또한, 도 11a 및 도 11b에는 실시예 6 및 실시예 7에 따른 양극활물질에 대한 입자크기분포 분석을 결과를 나타냈는데, 이를 통해 일반 공기 분위기에서 업사이클링을 진행한 경우가 산소 분위기에서 업사이클링을 진행한 경우보다 더 큰 입자 크기를 가진 것을 확인하였다.In addition, Figures 11a and 11b show the results of particle size distribution analysis of the positive electrode active material according to Example 6 and Example 7, which shows that when upcycling was performed in a normal air atmosphere, upcycling was performed in an oxygen atmosphere. It was confirmed that the particle size was larger than in the proceeding case.

즉, 실시예 1 내지 4와 대비하여 입자 균일화 및 구조 안정화를 모두 거친 실시예 6 및 7에 따른 양극활물질을 적용하는 경우 양극활물질을 구성하는 입자의 크기가 증가함으로써 전기화학적 특성이 더 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 산소분위기에서 합성하는 경우가 일반 공기 분위기에서 합성하는 경우와 대비하여, 합성과정에서 입자 표면에 산화분위기가 잘 형성되는 결과 입자 표면에서의 전이금속의 환원이 방지되고, 결정 구조 내 리튬과 니켈의 자리바꿈 현상이 억제되어 제조된 리튬이차전지의 수명 성능 향상의 원인이 될 수 있음을 확인할 수 있다.In other words, when the positive electrode active material according to Examples 6 and 7, which has undergone both particle uniformization and structure stabilization compared to Examples 1 to 4, is applied, the size of the particles constituting the positive electrode active material increases, resulting in superior electrochemical properties. It can be expressed. In addition, in the case of synthesis in an oxygen atmosphere, compared to the case of synthesis in a general air atmosphere, the oxidation atmosphere is well formed on the particle surface during the synthesis process, preventing the reduction of transition metals on the particle surface, and lithium and lithium in the crystal structure. It can be confirmed that the displacement phenomenon of nickel is suppressed, which can lead to improved lifespan performance of the manufactured lithium secondary battery.

Claims (14)

ⅰ) 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 폐양극활물질을 염소 함유 기체와 반응시키는 염소화 단계;
ⅱ) 상기 염소화 단계에서 형성된 리튬 염화물 및 전이금속 산화물을 분리하는 단계;
ⅲ) 상기 분리된 전이금속 산화물에 리튬을 포함하는 화합물 및 전이금속 화합물을 혼합하는 단계;
ⅳ) 상기 ⅲ) 단계에서 얻어진 혼합물을 100 내지 600℃에서 1차 가열하는 단계; 및
ⅴ) 상기 ⅳ) 단계에서 얻어진 결과물을 600 내지 1000℃에서 2차 가열하는 단계;
를 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
i) a chlorination step of reacting a waste cathode active material containing lithium transition metal oxide with a chlorine-containing gas;
ii) separating lithium chloride and transition metal oxide formed in the chlorination step;
iii) mixing a compound containing lithium and a transition metal compound with the separated transition metal oxide;
iv) first heating the mixture obtained in step iii) at 100 to 600°C; and
v) secondary heating of the result obtained in step iv) at 600 to 1000°C;
A method of upcycling a waste cathode active material, comprising:
청구항 1에 있어서,
상기 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
The transition metal is a method of upcycling a waste cathode active material, wherein the transition metal includes at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), aluminum (Al), and magnesium (Mg). .
청구항 1에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서의 염소 함유 기체와의 반응은 400 내지 800℃에서 수행되는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
A method for upcycling a waste cathode active material, wherein the reaction with the chlorine-containing gas in step i) is performed at 400 to 800°C.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서의 염소 함유 기체는 비활성 기체와 염소 기체(Cl2)를 1: 0.01 내지 1:0.1의 부피비로 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
The chlorine-containing gas in step i) includes an inert gas and chlorine gas (Cl 2 ) in a volume ratio of 1:0.01 to 1:0.1.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅱ) 단계에서의 분리는 용매를 이용한 세척을 통해 수행되는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
A method of upcycling a waste cathode active material, wherein the separation in step ii) is performed through washing with a solvent.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅲ) 단계에서의 리튬 및 전이금속은 1:0.9 내지 1:1의 몰비로 혼합되는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
In step iii), the lithium and transition metal are mixed at a molar ratio of 1:0.9 to 1:1.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅳ) 단계에서의 1차 가열을 통해 리튬이 상기 혼합물 내에 균일하게 분산하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
A method of upcycling a waste cathode active material, wherein lithium is uniformly dispersed in the mixture through the first heating in step iv).
청구항 1에 있어서,
상기 ⅴ) 단계에서의 2차 가열을 통해 양극활물질이 재합성되는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
A method of upcycling a waste cathode active material, in which the cathode active material is resynthesized through secondary heating in step v).
청구항 1에 있어서,
상기 ⅱ) 단계와 상기 ⅲ) 단계의 사이에, 비활성 기체 분위기하에서 400 내지 900℃에서 열처리를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
Between step ii) and step iii), performing heat treatment at 400 to 900° C. in an inert gas atmosphere.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅴ) 단계 이후에, 500 내지 900℃에서 열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것인, 폐양극활물질의 업사이클링 방법.
In claim 1,
After step v), the method of upcycling a waste cathode active material further includes performing heat treatment at 500 to 900°C.
청구항 1 내지 청구항 10 중의 어느 한 항에 따라 업사이클링되어서 제조되고,
결정 구조가 단결정 형태인 것인, 양극활물질.
Manufactured by upcycling according to any one of claims 1 to 10,
A positive electrode active material whose crystal structure is in the form of a single crystal.
청구항 11에 있어서,
상기 양극활물질은 업사이클링 전의 폐양극활물질과 대비하여 전이금속을 1 내지 50중량% 더 포함하는 것인, 양극활물질.
In claim 11,
The positive electrode active material contains 1 to 50% by weight more transition metal compared to the waste positive electrode active material before upcycling.
청구항 11에 따른 양극활물질을 포함하는 양극; 및
리튬 금속을 포함하는 음극;
을 포함하는 리튬이차전지.
A positive electrode containing the positive electrode active material according to claim 11; and
A cathode containing lithium metal;
A lithium secondary battery containing.
청구항 13에 있어서,
상기 리튬이차전지의 용량은 업사이클링 전의 폐양극활물질 함유 리튬이온전지와 대비하여 5 내지 35% 향상된 것인, 리튬이차전지.
In claim 13,
The capacity of the lithium secondary battery is improved by 5 to 35% compared to a lithium ion battery containing a waste cathode active material before upcycling.
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