KR20240057595A - A cathode active material precursor for a lithium secondary battery, and a method for manufacturing the same - Google Patents

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KR20240057595A
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이상학
신용조
김세진
이장원
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Abstract

본 발명은 합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조되는 것을 특징으로 하는 다음 화학식 1로 표시되는 이차전지의 양극 활물질 전구체에 관한 것으로, 본 발명에 따라 특정 에너지지수 값을 만족하는 범위에서 제조된 전구체의 경우 적층 결함(Stacking fault) 값이 감소하여 양극활물질에서의 결정성이 우수하고, 이를 이용한 이차전지는 고온에서의 수명 특성이 우수한 효과를 가진다.
화학식 1
Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2
상기 식에서 A는 Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, 및 Zr로 이루어진 군으로 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0.2≥x≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 를 만족한다.
The present invention is manufactured under conditions in which the energy index (EI), defined as the product of the synthesis temperature (℃) and the stirring speed energy (Wh/kg), is in the range of 7,200 ℃·Wh/kg ≤ EI ≤ 15,600 ℃·Wh/kg This relates to a positive electrode active material precursor for a secondary battery represented by the following formula (1), which is characterized in that, in the case of a precursor manufactured in a range that satisfies a specific energy index value according to the present invention, the stacking fault value is reduced and the positive electrode The crystallinity of the active material is excellent, and secondary batteries using it have excellent lifespan characteristics at high temperatures.
Formula 1
Ni (1-xyz) Co x Mn y A z (OH) 2
In the above formula, A includes one or more elements selected from the group consisting of Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, and Zr, and x, y, and z are each 0.2≥x ≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 are satisfied.

Description

리튬 이차 전지용 양극활물질 전구체, 및 이의 제조 방법{A CATHODE ACTIVE MATERIAL PRECURSOR FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY, AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Cathode active material precursor for lithium secondary battery, and method for manufacturing same {A CATHODE ACTIVE MATERIAL PRECURSOR FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY, AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 리튬 이차 전지용 양극활물질 전구체, 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 특정 범위의 에너지지수 값을 만족하는 조건에서 제조됨으로써 결정성이 높고 고온 수명특성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극활물질 전구체, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material precursor for lithium secondary batteries, and a method for manufacturing the same. Specifically, a cathode active material precursor for lithium secondary batteries with high crystallinity and excellent high-temperature lifespan characteristics by being manufactured under conditions that satisfy an energy index value in a specific range; and methods for producing the same.

리튬 이온 이차전지의 구성 요소는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막이며, 이 중 핵심 소재는 양극재이다. 이러한 양극재를 제조하기 위해서는 전구체의 합성이 먼저 이루어져야 하는데, 일반적인 합성 방법은 금속 수용액과 착염제, 침전제를 이용한 공침법이다. 지금까지 상업적으로 가장 광범위하게 이용되고 있는 공침을 이용한 합성 공정은 CSTR 공정과 batch 공정으로 나눌 수 있으며 금속 수용액과 착염제, 침전제를 동시에 투입하여 전구체를 합성하게 된다. The components of a lithium-ion secondary battery are a positive electrode material, a negative electrode material, an electrolyte, and a separator, and the key material among these is the positive electrode material. In order to manufacture such a cathode material, the synthesis of the precursor must first be carried out, and a common synthesis method is a coprecipitation method using an aqueous metal solution, a complexing agent, and a precipitant. The synthesis process using coprecipitation, which has been most widely used commercially so far, can be divided into the CSTR process and the batch process, and the precursor is synthesized by simultaneously adding an aqueous metal solution, complexing agent, and precipitant.

일반적으로 전구체를 합성할 때, 합성온도를 설정하고 원하는 전구체의 형상과 특성에 따라 착염제와 침전제의 농도와 유량을 조절하고 교반기를 통하여 전체상을 균일하게 혼합시켜주며 합성을 진행한다. In general, when synthesizing a precursor, the synthesis temperature is set, the concentration and flow rate of the complexing agent and precipitant are adjusted according to the shape and characteristics of the desired precursor, and the entire phase is uniformly mixed through a stirrer to proceed with the synthesis.

이때, 합성온도와 교반속도는 전구체 입자의 성장 패턴 및 결정 구조에 직접적인 영향을 미친다. 특별한 경우가 아니라면 전구체의 합성온도는 60℃ 이하에서 진행한다. 합성온도는 초기 입자의 생성, 입자의 성장 속도, 전구체의 결정구조 형성 등에 영향을 미친다. 지나치게 낮은 온도에서 합성을 진행할 경우 전체 반응상이 지나치게 안정화 되어 입자성장 속도가 느려지는데 성장속도를 높이기 위해서 다른 조처를 하면 미분이 발생할 가능성이 커진다. 반대로 지나치게 높은 온도에서 합성할 경우 입자의 성장속도는 빨라지나 입자의 입도분포가 지나치게 넓어질 가능성이 커진다. 따라서 전구체에 따라 적절한 온도에서 반응을 진행하는 것이 매우 중요하다. At this time, the synthesis temperature and stirring speed directly affect the growth pattern and crystal structure of the precursor particles. Unless there are special cases, the synthesis temperature of the precursor is performed below 60℃. Synthesis temperature affects the creation of initial particles, the growth rate of particles, and the formation of the crystal structure of the precursor. If synthesis is carried out at an excessively low temperature, the entire reaction phase becomes too stabilized and the particle growth rate slows down. If other measures are taken to increase the growth rate, the possibility of fine particles occurring increases. Conversely, if synthesized at an excessively high temperature, the growth rate of the particles increases, but the possibility of the particle size distribution becoming too wide increases. Therefore, it is very important to proceed with the reaction at an appropriate temperature depending on the precursor.

한국등록특허 10-2066461에서는 공침 반응을 통해 니켈, 코발트, 및 망간을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질 복합 금속 수산화물 전구체의 제조 방법으로서, 공침 반응을 유도하는 단계에서 금속염 수용액 내 금속 이온 총 몰수 대비, 상기 암모니아의 몰수는 1: 0.95 내지 1: 1.5 [금속염 수용액 내 금속 이온의 총 몰수: 암모니아의 몰수]로 조절함으로써 방위차 (△g) 30 도 이하에서의 EBSD 분석 시 ND축을 기준으로 [001] 방향에 대한 배향성이 22% 이상이고, 방위차 (△g) 30 도 이하에서의 EBSD 분석 시 RD축을 기준으로 [120]+[210] 방향에 대한 배향성이 87% 이하이고, 방위차 (△g) 30 도 이하에서의 EBSD 분석 시 RD축을 기준으로 [120] 방향에 대한 배향성이 52% 이하인 배향성을 지닌 양극 전구체의 제조방법을 제시하고 있다.Korean Patent No. 10-2066461 is a method of producing a composite metal hydroxide precursor as a cathode active material for a lithium secondary battery containing nickel, cobalt, and manganese through a coprecipitation reaction. In the step of inducing the coprecipitation reaction, compared to the total number of moles of metal ions in the metal salt aqueous solution, The number of moles of ammonia is adjusted to 1: 0.95 to 1: 1.5 [total number of moles of metal ions in aqueous metal salt solution: number of moles of ammonia], so that when EBSD analysis is performed at a azimuth difference (△g) of 30 degrees or less, the number of moles is [001] based on the ND axis. The orientation in the direction is 22% or more, and the orientation in the [120] + [210] direction based on the RD axis is 87% or less when EBSD analysis is performed at an azimuth difference (△g) of 30 degrees or less, and the azimuth difference (△g) is 87% or less. ) A method for manufacturing an anode precursor with an orientation of 52% or less in the [120] direction relative to the RD axis is proposed when performing EBSD analysis at temperatures below 30 degrees.

또한, 한국등록특허 10-2082516에서는 나트륨 이차 전지용 양극활물질 제조시, 금속염 수용액으로서 M1, M2, M3 를 포함하고, 상기 M1 농도가 서로 같으며, 상기 M2의 농도와 상기 M3 의 농도는 서로 다른 중심부 형성용 금속염 수용액과 표면부 형성용 금속염 수용액을 준비하는 제 1 단계; 상기 중심부 형성용 금속염 수용액과 상기 표면부 형성용 금속염 수용액의 혼합 비율이 100 v% : 0 v% 에서 0v% : 100 v% 까지 점진적으로 변화하도록 혼합하는 동시에 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 상기 M1 의 농도는 상기 중심부로부터 상기 표면부까지 일정하고, 상기 M2, M3 의 농도는 중심부로부터 표면부까지 연속적인 농도 구배를 가지도록 침전물을 형성하는 제 2 단계; 상기 얻어진 침전물을 건조하거나 열처리하여 활물질 전구체를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 활물질 전구체와 나트륨염을 혼합한 후 열처리하는 제 4 단계를 포함하고, 상기 M1, M2 및 M3 는 Ni, Co, Mn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 나트륨 이차 전지용 양극활물질의 제조방법을 제시하였다. In addition, in Korean Patent No. 10-2082516, when manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery, an aqueous metal salt solution includes M1, M2, and M3, the concentration of M1 is the same, and the concentration of M2 and the concentration of M3 are different from each other in the center. A first step of preparing an aqueous metal salt solution for forming a metal salt solution and an aqueous metal salt solution for forming a surface portion; Mixing the aqueous metal salt solution for forming the core and the aqueous metal salt solution for forming the surface portion so that the mixing ratio gradually changes from 100 v%: 0 v% to 0 v%: 100 v%, while simultaneously mixing the chelating agent and the basic aqueous solution in the reactor. A second step of forming a precipitate so that the concentration of M1 is constant from the center to the surface, and the concentrations of M2 and M3 have a continuous concentration gradient from the center to the surface; A third step of preparing an active material precursor by drying or heat treating the obtained precipitate; And a fourth step of mixing the active material precursor and sodium salt and then heat treating, wherein M1, M2, and M3 are selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and combinations thereof. A method of producing a cathode active material for a sodium secondary battery. presented.

상기 특허들에서는 이차 전지용 양극활물질 전구체의 제조시, 합성온도와 교반 속도 등을 제한하고 있는 기술을 제시하고 있다.The above patents propose technologies that limit synthesis temperature and stirring speed when manufacturing cathode active material precursors for secondary batteries.

그러나, 리튬이온 이차전지 양극재용 전구체의 합성 시 반응기에서 가해지는 운동에너지를 교반기 RPM으로 나타내는 것은 반응기에 가해지는 정확한 운동에너지를 정의하는 데는 매우 제한적이다. 이는 일반적으로 전구체를 합성하는 반응기의 교반속도는 반응기의 크기에 매우 의존적이기 때문이다. However, expressing the kinetic energy applied in the reactor in terms of stirrer RPM when synthesizing a precursor for a lithium ion secondary battery cathode material is very limited in defining the exact kinetic energy applied to the reactor. This is because the stirring speed of the reactor that synthesizes the precursor is generally very dependent on the size of the reactor.

즉, 반응기의 부피가 작을수록 교반기의 크기가 작아지고 그에 따라 교반 RPM이 높아지며, 교반기의 부피가 증가할수록 교반 RPM은 낮아진다. 예를 들어, 실험실에서 사용하는 10L 이하 반응기의 교반 속도 범위는 수백에서 수천 RPM 범위에서 사용하며, 산업현장에서 사용하는 10 ㎥ 이상 양산 반응기의 교반 속도는 수십에서 200 RPM을 넘지 않는 범위에서 합성을 진행한다. That is, as the volume of the reactor decreases, the size of the stirrer becomes smaller and the stirring RPM increases accordingly, and as the volume of the stirrer increases, the stirring RPM decreases. For example, the stirring speed of reactors of 10L or less used in laboratories ranges from hundreds to thousands of RPM, and the stirring speed of mass production reactors of 10 ㎥ or more used in industrial sites ranges from tens to no more than 200 RPM for synthesis. Proceed.

따라서, 전구체에 가해지는 교반에너지를 교반 RPM으로 정의하는 것은 실제 합성과정에서 반응기에 가해지는 실제 에너지를 나타내는데 한계를 가진다. 또한, 전구체 합성과정에서는 교반속도를 합성시간에 따라 순차적으로 감소시키거나 증가시키는 경우가 일반적이다. 따라서 전구체의 교반속도로 전구체를 특정하는 것은 매우 모호한 정의라고 할 수 있다. Therefore, defining the stirring energy applied to the precursor as stirring RPM has limitations in representing the actual energy applied to the reactor during the actual synthesis process. Additionally, during the precursor synthesis process, the stirring speed is generally sequentially decreased or increased depending on the synthesis time. Therefore, specifying the precursor's stirring speed can be said to be a very vague definition.

한국등록특허 10-2066461Korean registered patent 10-2066461 한국등록특허 10-2082516Korean registered patent 10-2082516

이에 본 발명에서는 종래 리튬이차전지용 양극활물질의 전구체 합성에 있어서, 합성온도와 교반속도에 따라 제조되는 전구체의 물성이 상이한 문제를 해결하기 위하여 전구체 합성 시작부터 종료 시까지 반응기에 가해진 운동에너지를 교반기에 투입된 전기에너지로 치환하여 정의함과 동시에 반응기에 가해지는 또 다른 에너지원인 합성온도를 총에너지에 포함시킴으로써 최적의 상태에서 리튬이차전지용 양극활물질의 전구체를 제조할 수 있는 조건을 제공하고자 하였다. Accordingly, in the present invention, in the synthesis of precursors for conventional cathode active materials for lithium secondary batteries, in order to solve the problem of different physical properties of the precursors produced depending on the synthesis temperature and stirring speed, the kinetic energy applied to the reactor from the start of precursor synthesis to the end is transferred to the stirrer. By substituting the input electrical energy for definition and at the same time including the synthesis temperature, another energy source applied to the reactor, in the total energy, we attempted to provide conditions for manufacturing the precursor of the cathode active material for lithium secondary batteries in optimal conditions.

이에 본 발명의 목적은 일정한 에너지지수 범위 이내에서 제조됨으로써 적층 결함이 적어 높은 결정성을 가지며, 우수한 고온 특성을 나타내는 리튬이차전지용 양극활물질 전구체를 제공하는 데 있다.Accordingly, the purpose of the present invention is to provide a cathode active material precursor for lithium secondary batteries that is manufactured within a certain energy index range, has low stacking defects, has high crystallinity, and exhibits excellent high-temperature characteristics.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 특성을 가지는 리튬이차전지용 양극활물질 전구체의 제조방법을 제공하는 데도 있다. In addition, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a cathode active material precursor for a lithium secondary battery having the above characteristics.

추가로 본 발명의 목적은 상기 제조된 전구체를 소성시켜 얻어진 리튬이차전지용 양극활물질을 제공하는 데도 있다.Additionally, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery obtained by sintering the prepared precursor.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 양극 활물질 전구체는 합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조되는 것을 특징으로 하는 다음 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.The positive electrode active material precursor for a secondary battery according to an embodiment of the present invention has an energy index (EI) defined as the product of the synthesis temperature (°C) and the stirring rate energy (Wh/kg) of 7,200°C·Wh/kg≤EI It may be represented by the following formula 1, which is characterized in that it is manufactured under conditions in the range of ≤ 15,600°C·Wh/kg.

화학식 1Formula 1

Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2 Ni (1-xyz) Co x Mn y A z (OH) 2

상기 식에서 A는 Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, 및 Zr로 이루어진 군으로 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0.2≥x≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 를 만족한다.In the above formula, A includes one or more elements selected from the group consisting of Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, and Zr, and x, y, and z are each 0.2≥x ≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 are satisfied.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체의 입도가 D50 기준 13.5 ~14.5 ㎛이고, 입도 분포를 나타내는 (D90-D10)/D50 값이 0.30 ~ 0.55인 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the particle size of the precursor is preferably 13.5 to 14.5 ㎛ based on D50, and the (D90-D10)/D50 value representing the particle size distribution is preferably 0.30 to 0.55.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 합성온도는 45℃(318K) 내지 60℃ (343K) 사이의 값을 만족하는 것일 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, the synthesis temperature may satisfy a value between 45°C (318K) and 60°C (343K).

또한, 상기 교반속도 에너지는 합성시작부터 종료까지 교반을 통해 합성계에 가해진 운동에너지로서, 그 범위는 최종 수득된 전구체 생산량(kg)에 대한 총 전기 에너지로서 160 내지 260Wh인 것이 바람직하다. In addition, the stirring speed energy is the kinetic energy applied to the synthesis system through stirring from the start of synthesis to the end, and the range is preferably 160 to 260 Wh as the total electric energy for the final obtained precursor production (kg).

이러한 본 발명에 따른 다음 화학식 1로 표시되는 이차전지의 양극 활물질 전구체의 제조방법은 합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조되는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.The method for producing a positive electrode active material precursor for a secondary battery represented by the following formula (1) according to the present invention has an energy index (EI) value of 7,200 °C, which is defined as the product of the synthesis temperature (°C) and the stirring rate energy (Wh/kg). ·Wh/kg ≤ EI ≤ 15,600°C ·Wh/kg may be manufactured including the step of manufacturing under conditions in the range.

화학식 1Formula 1

Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2 Ni (1-xyz) Co x Mn y A z (OH) 2

상기 식에서 A는 Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, 및 Zr로 이루어진 군으로 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0.2≥x≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 를 만족한다.In the above formula, A includes one or more elements selected from the group consisting of Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, and Zr, and x, y, and z are each 0.2≥x ≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 are satisfied.

또한, 본 발명은 상기 전구체를 소성시켜 얻어진 리튬이차전지용 양극활물질을 제공할 수 있다. Additionally, the present invention can provide a cathode active material for a lithium secondary battery obtained by sintering the precursor.

본 발명에 따르면, 특정 에너지지수 값을 만족하는 범위에서 리튬이차전지용 양극활물질 전구체를 제조함으로써 적층 결함(Stacking fault) 값이 감소하여 양극활물질에서의 결정성이 우수하고, 이를 이용한 이차전지는 고온에서의 수명 특성이 우수한 효과를 가진다. According to the present invention, by manufacturing a cathode active material precursor for a lithium secondary battery within a range that satisfies a specific energy index value, the stacking fault value is reduced, thereby improving the crystallinity of the cathode active material, and secondary batteries using the same are manufactured at high temperatures. It has excellent lifespan characteristics.

도 1은 전구체 합성온도에 따른 전구체의 XRD 반가폭과 그에 따른 양극재 XRD 반가폭의 관계를 설명한 도면이다.
도 2는 실시예 1, 2, 비교예 1의 XRD (001), (101) 면의 FWHM 값을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1, 2, 비교예 1의 XRD (102) 면의 FWHM 값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1, 2, 비교예 1의 고온에서의 수명 특성을 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a diagram illustrating the relationship between the XRD half width of the precursor and the corresponding XRD half width of the anode material according to the precursor synthesis temperature.
Figure 2 is a graph showing the FWHM values of the XRD (001) and (101) planes of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
Figure 3 is a graph showing the FWHM values of the XRD (102) surface of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
Figure 4 is a graph showing the life characteristics at high temperature of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail below.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.The terms used herein are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.As used herein, the singular forms include the plural forms unless the context clearly indicates otherwise. Additionally, when used herein, “comprise” and/or “comprising” means specifying the presence of stated features, numbers, steps, operations, members, elements and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, members, elements and/or groups.

본 발명은 일정한 에너지지수 범위 이내에서 제조됨으로써 우수한 물성을 나타내는 리튬이차전지용 양극활물질 전구체와 이의 제조방법, 및 상기 전구체를 소성시켜 얻어진 리튬이차전지용 양극활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material precursor for lithium secondary batteries that exhibits excellent physical properties by being manufactured within a certain energy index range, a method of manufacturing the same, and a cathode active material for lithium secondary batteries obtained by calcining the precursor.

이러한 본 발명에 따른 이차전지의 양극 활물질 전구체는 다음 화학식 1로 표시되는 것으로, 합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조되는 것을 특징으로 한다.The positive electrode active material precursor for the secondary battery according to the present invention is represented by the following formula (1), and the energy index (EI), which is defined as the product of the synthesis temperature (℃) and the stirring rate energy (Wh/kg), is 7,200 ℃. It is characterized by being manufactured under conditions in the range of Wh/kg ≤ EI ≤ 15,600°C·Wh/kg.

화학식 1Formula 1

Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2 Ni (1-xyz) Co x Mn y A z (OH) 2

상기 식에서 A는 Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, 및 Zr로 이루어진 군으로 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0.2≥x≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 를 만족한다.In the above formula, A includes one or more elements selected from the group consisting of Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, and Zr, and x, y, and z are each 0.2≥x ≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 are satisfied.

전구체 결정 구조의 균일성을 높이기 위해서는 미분이 발생하지 않는 범위 내에서 각 입자가 합성 중 받는 에너지의 총량을 높여주는 방법이 매우 효과적이다. 이때 에너지의 총량은 전구체 합성 중 합성계로 가해져서 입자 성장에 영향을 주는 대표적인 에너지는 열에너지와 운동에너지로 나눌 수 있으며, 열에너지는 합성온도의 형태로 운동에너지는 교반의 형태로 합성계에 가해지게 된다. In order to increase the uniformity of the precursor crystal structure, it is very effective to increase the total amount of energy each particle receives during synthesis within the range where differentiation does not occur. At this time, the total amount of energy is added to the synthesis system during precursor synthesis, and the representative energy that affects particle growth can be divided into heat energy and kinetic energy, with heat energy being added to the synthesis system in the form of synthesis temperature and kinetic energy being added to the synthesis system in the form of stirring.

본 발명에서는 상기에 설명한 것과 같이 전구체 합성 시 합성 반응기에 가해지는 에너지를 열에너지와 운동에너지로 나누고 이들 에너지의 곱으로 에너지지수(Energy Index, EI)를 정의함으로써 일정한 에너지지수 범위 이내에서 합성한 전구체를 특정하고자 한다. In the present invention, as described above, the energy applied to the synthesis reactor during precursor synthesis is divided into heat energy and kinetic energy, and the energy index (EI) is defined as the product of these energies to produce precursors synthesized within a certain energy index range. I want to be specific.

에너지지수(EI) = 합성 온도(℃) x 교반 속도 에너지(Wh/kg)Energy index (EI) = synthesis temperature (℃) x stirring speed energy (Wh/kg)

일반적으로 합성온도는 전구체의 결정성장 패턴에 영향을 미치게 된다. 전구체의 입자가 성장함에 따라 형성되는 전구체 1차입자의 결정 형성 조건은 소성 후 양극의 특성에 결정적인 영향을 미친다. 문헌에 따르면 1차입자의 결정이 α상일 때 보다 좀 더 결정구성 원소 간 배열특성이 우수한 β상이 우세할 때 양극특성이 우수한 것으로 보고되고 있다. In general, synthesis temperature affects the crystal growth pattern of the precursor. The crystal formation conditions of the precursor primary particles, which are formed as the precursor particles grow, have a decisive influence on the characteristics of the anode after firing. According to the literature, it is reported that the anode characteristics are excellent when the primary particle crystal is dominated by the β phase, which has better arrangement characteristics between crystal constituent elements, than when the primary particle crystal is the α phase.

다음 도 1을 참조하면, 전구체 합성온도에 따른 전구체의 XRD 반가폭과 그에 따른 양극재 XRD 반가폭에 대하여 제시하였다. 전구체의 합성온도가 높아질수록 (102)면의 반가폭이 감소한다. 일반적으로 전구체의 (102)면 반가폭이 감소한다는 것은 β상의 증가를 의미한다. 그에 따라 양극재의 (003)면이 증가하며 이는 고온수명이 개선되는 직접적인 원인으로 볼 수 있다. Next, referring to Figure 1, the XRD half width of the precursor and the corresponding XRD half width of the cathode material according to the precursor synthesis temperature are presented. As the synthesis temperature of the precursor increases, the half width of the (102) plane decreases. In general, a decrease in the half width of the (102) plane of the precursor means an increase in the β phase. Accordingly, the (003) plane of the anode material increases, which can be seen as a direct cause of improved high-temperature lifespan.

따라서 합성온도가 양극 특성을 우수하게 하는 데 매우 중요하다 할 수 있다. 이에 본 발명에서 제안하고자 하는 적절한 합성 온도는 45℃(318K) 내지 60℃ (343K), 바람직하기로는 47℃(320K) 내지 52℃(345K)의 범위로 설정함으로써 전구체 입자 내부의 β상 분율을 높일 수 있고, 이로 인해 최종 양극재의 고온수명 특성이 우수하게 나타나는 결정상을 가지도록 하였다. Therefore, it can be said that the synthesis temperature is very important in improving anode characteristics. Accordingly, the appropriate synthesis temperature proposed in the present invention is set in the range of 45 ℃ (318 K) to 60 ℃ (343 K), preferably 47 ℃ (320 K) to 52 ℃ (345 K), thereby increasing the β phase fraction inside the precursor particle. It can be increased, and as a result, the final cathode material has a crystalline phase that exhibits excellent high-temperature lifespan characteristics.

또한, 본 발명에서는 종래 반응기 크기에 상관없이 단순히 교반속도(rpm)으로만 한정되어, 그 의미가 모호한 점이 있던 점에 감안하여 교반속도의 개념보다는 교반속도에너지로 정의하여, 합성 시작부터 종료까지 교반을 통해 합성계에 가해진 운동에너지는 교반기에서 사용한 전기에너지 개념을 적용하였다.In addition, in the present invention, regardless of the size of the conventional reactor, it was simply limited to the stirring speed (rpm), and considering the fact that the meaning was ambiguous, it was defined as stirring speed energy rather than the concept of stirring speed, and stirred from the start of synthesis to the end. The concept of electrical energy used in the stirrer was applied to the kinetic energy applied to the synthetic system.

본 발명에서 한정한 전기에너지는 최종 수득된 전구체 생산량(kg)에 대한 총 전기에너지(Wh)를 의미하는 것으로, 실제 교반에 가해진 총 에너지는 160 내지 260 Wh/kg 이며, 더욱 바람직하기로는 180 내지 240 Wh/kg 으로 한정할 수 있다. The electrical energy limited in the present invention means the total electrical energy (Wh) relative to the final precursor production (kg) obtained, and the total energy applied for actual stirring is 160 to 260 Wh/kg, more preferably 180 to 260 Wh/kg. It can be limited to 240 Wh/kg.

일반적으로 전구체의 공침 합성공정에서는 CSTR 공정이나 Batch 공정 상관없이 리엑터 내부로 주입되는 금속 수용액 및 부재료들은 교반을 통해 되도록 짧은 시간 안에 리엑터 내부에서 균일하게 혼합되어져야 한다. 이때 교반속도는 합성하고자 하는 전구체의 형상, 입도 등에 따라 조절되어진다. In general, in the precursor co-precipitation synthesis process, regardless of the CSTR process or the batch process, the metal aqueous solution and auxiliary materials injected into the reactor must be uniformly mixed within the reactor within the shortest possible time through stirring. At this time, the stirring speed is adjusted depending on the shape and particle size of the precursor to be synthesized.

일반적으로 batch 공정에서는 교반속도를 너무 높게 유지하면 미분발생의 원인이 되며 미분이 발생하면 입자 성장속도가 느려진다. 반대로 교반속도를 너무 낮게 유지하면 주입되는 반응물들이 반응기 내부에서 균일하게 혼합되는 속도가 느려져서 입도분포가 넓어지고 특정입자의 성장이 과도하게 빠르게 일어날 수 있다. 따라서 합성 간 적절한 교반속도를 유지하는 것이 고품질의 전구체를 합성하기 위해서는 매우 중요하기 때문에, 본 발명에서는 교반 속도 에너지(Wh/kg)를 160 내지 260 Wh/kg의 범위로 유지함으로써 미분이 발생되지 않도록 어느 정도 속도를 유지하되, 양극재의 성능이 우수하도록 균일한 입도분포를 가지는 전구체 합성이 가능하도록 하였다. In general, in batch processes, keeping the stirring speed too high causes the generation of fine powder, and when fine dust occurs, the particle growth rate slows down. On the other hand, if the stirring speed is kept too low, the speed at which the injected reactants are uniformly mixed inside the reactor may slow down, resulting in a broadened particle size distribution and excessively rapid growth of specific particles. Therefore, since maintaining an appropriate stirring speed during synthesis is very important for synthesizing high-quality precursors, in the present invention, the stirring speed energy (Wh/kg) is maintained in the range of 160 to 260 Wh/kg to prevent fines from occurring. While maintaining a certain speed, it was possible to synthesize a precursor with a uniform particle size distribution to ensure excellent performance of the cathode material.

한편, 성장하는 전구체 입자가 받는 에너지의 총합에 영향을 미치는 또 다른 인자는 합성시간이다. 합성시간이 길어질수록 같은 교반속도라면 성장하는 전구체 입자가 받는 에너지의 양은 증가하게 된다. 즉, 입자의 성장 속도를 줄이면 줄일수록 성장하는 전구체 입자에 가해지는 에너지는 증가한다는 말이다. 그러나 상업적인 전구체 생산 공정에서 전구체 성장 속도는 생산성과 밀접한 관련이 있다. 따라서 대부분의 전구체 생산 공정에서는 생산성을 고려하여 입자의 성장 속도를 일정이상으로 유지한다. 전구체의 성장속도는 전체 합성시간과 매우 밀접한 관계가 있고 전구체 합성시간은 양극재의 특성과도 매우 밀접한 관계가 있다. 따라서 단순하게 합성 RPM만으로 전구체의 특성을 한정하는 것은 불합리하며, 합성 시작부터 종료시까지 가해지는 에너지로 전구체를 특정하는 것이 타당하다. Meanwhile, another factor that affects the total energy received by growing precursor particles is synthesis time. As the synthesis time increases, the amount of energy received by the growing precursor particles increases at the same stirring speed. In other words, the more the particle growth rate is reduced, the more energy applied to the growing precursor particle increases. However, in commercial precursor production processes, precursor growth rate is closely related to productivity. Therefore, in most precursor production processes, the particle growth rate is maintained above a certain level in consideration of productivity. The growth rate of the precursor is very closely related to the overall synthesis time, and the precursor synthesis time is also very closely related to the characteristics of the cathode material. Therefore, it is unreasonable to simply limit the characteristics of the precursor only by the synthesis RPM, and it is reasonable to specify the precursor by the energy applied from the start of synthesis to the end.

이에, 본 발명의 에너지지수에는 이러한 합성시간까지 포함하는 개념으로 운동에너지 값(교반속도에너지)을 설정한 것이다. Accordingly, the energy index of the present invention sets the kinetic energy value (stirring speed energy) with the concept of including this synthesis time.

따라서 본 발명에 따른 전구체 합성 시 에너지지수(EI)는 상기 합성온도가 45℃(318K) 내지 60℃ (343K)이고, 교반 속도 에너지(Wh/kg)가 160 내지 260 Wh/kg일 때 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 의 범위를 가진다.Therefore, the energy index (EI) during the synthesis of the precursor according to the present invention is 7,200 ℃ when the synthesis temperature is 45 ℃ (318 K) to 60 ℃ (343 K) and the stirring speed energy (Wh / kg) is 160 to 260 Wh / kg. ·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg range.

또한, 합성온도가 바람직하기로는 47℃(320K) 내지 52℃(345K)이고, 교반 속도 에너지(Wh/kg)가 180 내지 240 Wh/kg일 때 전구체 합성 시 에너지지수(EI)는 8,460 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 12,480℃·Wh/kg인 것을 특징으로 한다. In addition, when the synthesis temperature is preferably 47°C (320K) to 52°C (345K) and the stirring rate energy (Wh/kg) is 180 to 240 Wh/kg, the energy index (EI) during precursor synthesis is 8,460°C. It is characterized by Wh/kg ≤ EI ≤ 12,480°C·Wh/kg.

상기 범위에서 제조된 전구체의 경우 적층 결함(Stacking fault) 값이 감소하여 양극활물질에서의 결정성이 우수하고, 이를 이용한 이차전지는 고온에서의 수명 특성이 우수한 효과를 가진다. In the case of precursors manufactured within the above range, the stacking fault value is reduced, resulting in excellent crystallinity in the positive electrode active material, and secondary batteries using the same have excellent lifespan characteristics at high temperatures.

본 발명에 따른 양극활물질 전구체는 상기 화학식 1로 표시되는 니켈-코발트-망간, 및 다른 금속(A)을 포함하는 것으로, 그 제조방법은 공침반응을 이용하는 것이 바람직하다.The positive electrode active material precursor according to the present invention contains nickel-cobalt-manganese represented by the above formula (1) and another metal (A), and the production method is preferably using a coprecipitation reaction.

구체적으로는 일정한 크기(용적)의 공침반응기에서 본 발명에 따른 에너지지수 값을 만족하는 범위를 가지는 온도로 유지하면서, 교반기의 속도를 상기 공침반응기의 크기와 최종 제조되는 전구체 총량을 고려하여 일정한 속도로 교반기를 가동시켜 특정 교반 속도 에너지(Wh/kg)를 가지도록 한다. Specifically, while maintaining the temperature in a range that satisfies the energy index value according to the present invention in a coprecipitation reactor of a certain size (volume), the speed of the stirrer is set at a constant speed in consideration of the size of the coprecipitation reactor and the total amount of precursor to be finally manufactured. Operate the stirrer to have a specific stirring speed energy (Wh/kg).

이 상태에서 전구체를 구성하는 니켈, 코발트, 망간, 및 추가의 다른 금속(A)을 포함하는 금속염 수용액을 제조한 후 이를 소정의 몰 비율로 혼합하여, 150 ~ 220 kg/hr 범위의 속도로 반응기에 공급하면서 전구체 합성을 시작한다. 상기 금속염은 황산염, 질산염, 초산염, 할라이드, 수산화물 등이 있고, 수용액 상태로 제조될 수 있는 것이면 어느 것이나 무방하며, 본 발명에서는 황산염이 바람직하게 사용될 수 있다.In this state, an aqueous metal salt solution containing nickel, cobalt, manganese, and additional other metals (A) constituting the precursor is prepared, mixed at a predetermined molar ratio, and reacted at a rate in the range of 150 to 220 kg/hr. Precursor synthesis begins by supplying . The metal salt includes sulfate, nitrate, acetate, halide, hydroxide, etc., and any metal salt may be used as long as it can be prepared in an aqueous solution. In the present invention, sulfate may be preferably used.

이때 상기 반응기에는 침전제와 착염제를 상기 금속염 수용액 중의 금속의 투입 속도에 따라 계산된 양으로 연속적으로 투입한다. At this time, the precipitant and complexing agent are continuously added to the reactor in amounts calculated according to the input rate of the metal in the aqueous metal salt solution.

상기 침전제는 NaOH 수용액이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 착염제로는 암모니아 수용액, 황산암모늄 수용액, 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. The precipitant may preferably be an aqueous NaOH solution, and the complexing agent may be an ammonia aqueous solution, an aqueous ammonium sulfate solution, or a mixture thereof.

반응이 진행되면서 합성초기에 설정한 입자 성장 속도에 따라 교반속도를 조절하여 최종적으로 반응기의 교반속도를 조절하여 전구체를 합성한다. 최종 얻어진 전구체는 일정한 온도에서 건조하여 니켈-코발트-망간 복합 금속 수산화물 전구체를 얻을 수 있다. As the reaction progresses, the stirring speed is adjusted according to the particle growth rate set at the beginning of synthesis, and the precursor is finally synthesized by adjusting the stirring speed of the reactor. The final obtained precursor can be dried at a constant temperature to obtain a nickel-cobalt-manganese composite metal hydroxide precursor.

본 발명에 따라 얻어진 상기 전구체의 입자크기는 D50 기준 13.5 ~ 14.5 ㎛인 것을 특징으로 한다. 전구체의 적절한 입도 분포는 양극재 공정에서의 소성특성과 셀 제조 시 공정특성에 영향을 준다. 따라서 전구체의 적절한 입도 분포는 양극재의 성능에 매우 중요하다. 본 발명에서의 입도 분포를 나타내는 (D90-D10)/D50 값은 0.30 ~ 0.55 범위인 것이 바람직하다.The particle size of the precursor obtained according to the present invention is characterized in that it is 13.5 to 14.5 ㎛ based on D50. The appropriate particle size distribution of the precursor affects the plasticity characteristics in the cathode material process and the process characteristics during cell manufacturing. Therefore, appropriate particle size distribution of the precursor is very important for the performance of the cathode material. The (D90-D10)/D50 value representing the particle size distribution in the present invention is preferably in the range of 0.30 to 0.55.

또한, 상기 전구체를 리튬염(LiOH·H2O)과 혼합하여 리튬 금속:전구체에서의 복합 금속의 몰비를 맞추어 혼합한 후, 일정 온도의 산소 분위기에서 소성시켜 양극활물질을 얻는다. In addition, the precursor is mixed with lithium salt (LiOH·H 2 O) to match the molar ratio of lithium metal to the composite metal in the precursor, and then calcined in an oxygen atmosphere at a constant temperature to obtain a positive electrode active material.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The following examples are only for illustrating the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention by these examples. In addition, although the examples below are exemplified using specific compounds, it is obvious to those skilled in the art that equivalent effects can be achieved even when equivalents thereof are used.

<실시예 1><Example 1>

약 3㎥ 용적의 공침반응기에 증류수를 넣고 질소 가스를 공급하여 용존산소를 제거하고 반응기의 온도를 48℃로 유지하여 합성 준비를 마친 후 교반기 RPM을 240 이상으로 유지하면서 황산니켈, 황산코발트, 황산망간의 몰비가 80 : 12 : 8 비율로 혼합된 일정 농도 이상의 금속 수용액을 150 내지 220 kg/hr 범위의 속도로 공급하여서 전구체의 합성을 시작하였다. 이때, 25wt% NaOH을 침전제, 28wt% NH4OH를 착염제로 사용하였다고 금속의 투입속도에 따라 계산된 양을 반응기에 연속적으로 투입하였다. 교반기 RPM은 합성 초기에 설정된 입자 성장 속도에 따라 조절해 최종적으로 130 RPM(합성 총 교반속도 에너지=192.25 Wh/kg)으로 조정하여 Ni0.8Co0.12Mn0.08(OH)2 구조를 가지는 전구체를 합성하였다. 이렇게 얻은 전구체를 120℃로 건조하여 니켈 코발트 망간 복합 금속 수산화물 전구체를 획득하였다. 합성된 전구체의 건조 후 최종 입도는 D50 기준으로 14.07 ㎛ 였고, (D90-D10)/D50 값이 0.43이었다. Distilled water was added to a coprecipitation reactor with a volume of about 3㎥, nitrogen gas was supplied to remove dissolved oxygen, and the temperature of the reactor was maintained at 48°C to prepare for synthesis. Nickel sulfate, cobalt sulfate, and sulfuric acid were then added while maintaining the stirrer RPM at 240 or higher. The synthesis of the precursor was started by supplying an aqueous metal solution of a certain concentration or higher, mixed with manganese at a molar ratio of 80:12:8, at a rate in the range of 150 to 220 kg/hr. At this time, 25 wt% NaOH was used as a precipitant and 28 wt% NH4OH was used as a complexing agent, and the amount calculated according to the metal input rate was continuously added to the reactor. The stirrer RPM was adjusted according to the particle growth rate set at the beginning of the synthesis, and was finally adjusted to 130 RPM (total stirring speed energy of synthesis = 192.25 Wh/kg) to synthesize a precursor with a Ni 0.8 Co 0.12 Mn 0.08 (OH) 2 structure. . The precursor thus obtained was dried at 120°C to obtain a nickel cobalt manganese composite metal hydroxide precursor. The final particle size of the synthesized precursor after drying was 14.07 ㎛ based on D50, and the (D90-D10)/D50 value was 0.43.

이렇게 얻어진 전구체를 LiOH·와 Li/Me(전구체에서의 복합금속)의 몰비가 1.05가 되도록 혼합한 뒤 780℃ 산소 분위기에서 15시간 소성하여 양극활물질을 얻었다.The precursor obtained in this way was mixed so that the molar ratio of LiOH· and Li/Me (composite metal in the precursor) was 1.05, and then calcined in an oxygen atmosphere at 780°C for 15 hours to obtain a positive electrode active material.

<실시예 2><Example 2>

상기 실시예 1에서 반응기의 온도를 50℃로 유지시키면서 최종적으로 교반속도가 140 RPM(합성 총 교반속도 에너지=207.77 Wh/kg)으로 교반하는 것을 제외하고는, 동일한 과정으로 전구체와 양극활물질을 제조하였다. 합성된 전구체의 건조 후 최종 입도는 D50 기준으로 13.99 ㎛ 였고, (D90-D10)/D50 값이 0.42 이었다.Precursors and positive electrode active materials were prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the reactor was maintained at 50°C and the final stirring speed was 140 RPM (total stirring speed energy of synthesis = 207.77 Wh/kg). did. The final particle size after drying of the synthesized precursor was 13.99 ㎛ based on D50, and the (D90-D10)/D50 value was 0.42. It was.

<비교예 1><Comparative Example 1>

상기 실시예 1에서 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 최종적으로 105 RPM(합성 총 교반속도 에너지=155.28h/kg)으로 교반하는 것을 제외하고는, 동일한 과정으로 전구체와 양극활물질을 제조하였다. 합성된 전구체의 건조 후 최종 입도는 D50 기준으로 14.06 ㎛ 였고, (D90-D10)/D50 값이 0.57인 것이었다. The precursor and positive electrode active material were prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the reactor was maintained at 45°C and the mixture was finally stirred at 105 RPM (total stirring speed energy of synthesis = 155.28h/kg). The final particle size of the synthesized precursor after drying was 14.06 ㎛ based on D50, and the (D90-D10)/D50 value was 0.57.

실험예 1 : 전구체의 XRD 측정Experimental Example 1: XRD measurement of precursor

실시예 1, 2 및 비교예1에 따라 합성된 전구체의 XRD를 측정하였으며, 각 결정 면에서의 FWHM 값을 나타내었다. 다음 도 2은 실시예 1, 2와 비교예 1에 따라 합성된 전구체의 (001), (101)면, 도 3는 실시예 1, 2와 비교예 1의 (102)면의 FWHM값을 나타낸 그래프이다. The XRD of the precursor synthesized according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was measured, and the FWHM value for each crystal plane was shown. Next, Figure 2 shows the FWHM values of the (001) and (101) surfaces of the precursor synthesized according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, and Figure 3 shows the FWHM values of the (102) surface of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. It's a graph.

이를 참조하면 전구체 합성 시 리엑터에 가해진 총 에너지가 높을수록 (001) 및 (101)면의 FWHM 값이 감소하는 것을 볼 수 있으며 이는 전구체 결정성이 높아지는 것을 의미한다. 전구체 (001)면의 FWHM는 양극재의 (003)면의 FWHM과, 전구체 (101)면의 FWHM은 양극재의 (104)면의 FWHM과 밀접한 관계가 있으며 전구체의 (001)면과 (101)면의 결정성이 높아지면 양극재의 수명 및 고온수명이 높아지는 것으로 알려져 있다. Referring to this, it can be seen that as the total energy applied to the reactor during precursor synthesis increases, the FWHM values of the (001) and (101) planes decrease, which means that the crystallinity of the precursor increases. The FWHM of the (001) plane of the precursor is closely related to the FWHM of the (003) plane of the anode material, and the FWHM of the (101) plane of the precursor is closely related to the FWHM of the (104) plane of the anode material. It is known that as the crystallinity increases, the lifespan and high-temperature lifespan of the cathode material increases.

실시예 1, 2, 비교예 1의 XRD (102) 면의 FWHM 값을 나타낸 다음 도 3을 참조하면, 투입된 에너지가 높을수록 전구체 (102)면의 FWHM이 낮아지는 것을 알 수 있다. 전구체의 (102)면 반가폭이 감소한다는 것은 β상의 증가를 의미하며, 그에 따라 양극재의 (003)면이 증가하며 이는 고온수명이 개선되는 직접적인 원인으로 볼 수 있는데, 이러한 결과는 상기 도 1의 결과와 일치하는 것이다. 뿐만 아니라, 전구체 (102)면은 전구체의 적층 결함(stacking fault) 값과 관련이 있으며 전구체의 적층 결함(stacking fault)이 낮아질수록 결정성이 증가되므로 양극재의 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 showing the FWHM values of the XRD (102) surface of Examples 1, 2, and Comparative Example 1, it can be seen that the higher the input energy, the lower the FWHM of the precursor (102) surface. A decrease in the half width of the (102) plane of the precursor means an increase in the β phase, and accordingly the (003) plane of the cathode material increases, which can be seen as a direct cause of improved high temperature lifespan. This result is shown in FIG. 1 above. This is consistent with the results. In addition, the precursor (102) plane is related to the stacking fault value of the precursor, and as the stacking fault of the precursor decreases, crystallinity increases, so it can be confirmed that the performance of the cathode material is improved.

실험예 2 : 전구체의 고온에서 수명 특성 측정Experimental Example 2: Measurement of lifetime characteristics of precursor at high temperature

실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 합성된 전구체를 이용하여 생산된 양극재의 고온수명을 코인셀을 제조하여 45℃ 유지한 항온 챔버 내에서, 1C의 전류밀도로 3.0V~4.3V에서 충방전을 진행하여 50 cycle까지 고온수명 특성을 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 4와 표 1에 나타내었다. 양극재의 소성 과정은 실시예 1, 2 및 비교예 1이 완전하게 같다. The high-temperature lifespan of the cathode material produced using the precursor synthesized according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was tested by manufacturing a coin cell and charging it at 3.0V to 4.3V at a current density of 1C in a constant temperature chamber maintained at 45°C. Discharging was performed and high-temperature lifespan characteristics were measured up to 50 cycles, and the results are shown in Figure 4 and Table 1. The firing process of the cathode material was completely the same in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.

합성온도
(T, ℃)
synthesis temperature
(T,℃)
최종 교반속도(RPM)Final stirring speed (RPM) 교반속도 에너지(E)
Wh/kg
Stirring speed energy (E)
Wh/kg
에너지지수
(EI, ℃·
Energy Index
(EI, ℃·
고온수명
(%, 50cycle)
High temperature life
(%, 50 cycles)
비교예 1Comparative Example 1 4545 105105 155.28155.28 6987.66987.6 84.784.7 실시예 1Example 1 4848 130130 192.25192.25 9,228.09,228.0 87.387.3 실시예 2Example 2 5050 140140 207.77207.77 10,388.510,388.5 89.189.1

다음 도 4를 참조하면, cycle이 진행될수록 각 양극재의 고온수명의 폭이 커지는 것을 볼 수 있다. 따라서 전구체 합성 시 높은 에너지지수(EI)에서 합성된 전구체로 제작된 양극재의 고온 수명이 획기적으로 개선된 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the high-temperature lifespan of each cathode material increases as the cycle progresses. Therefore, it can be seen that the high-temperature lifespan of the cathode material made from a precursor synthesized at a high energy index (EI) is dramatically improved during precursor synthesis.

또한, 상기 표 1의 결과를 참조하면, 본 발명과 같이 합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조된 전구체를 이용한 활물질의 경우(실시예 1, 2) 고온수명 특성이 우수한 것을 확인할 수 있으며, 가해진 에너지지수 값이 클수록 고온에서의 수명 특성은 우수한 것을 알 수 있다. 그러나 합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 이에 못 미치는 비교예 1의 경우 고온 수명이 떨어지는 것을 알 수 있다. In addition, referring to the results in Table 1, as in the present invention, the value of the energy index (EI), defined as the product of the synthesis temperature (℃) and the stirring rate energy (Wh/kg), is 7,200 ℃·Wh/kg ≤ EI In the case of active materials using precursors manufactured under conditions in the range of ≤ 15,600℃·Wh/kg (Examples 1 and 2), it can be seen that the high-temperature lifespan characteristics are excellent, and the larger the applied energy index value, the better the lifespan characteristics at high temperatures. Able to know. However, in the case of Comparative Example 1, where the value of the energy index (EI), defined as the product of the synthesis temperature (°C) and the stirring rate energy (Wh/kg), is less than this, it can be seen that the high temperature lifespan is poor.

Claims (6)

합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조되는 것을 특징으로 하는 다음 화학식 1로 표시되는 이차전지의 양극 활물질 전구체:
화학식 1
Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2
상기 식에서 A는 Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, 및 Zr로 이루어진 군으로 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0.2≥x≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 를 만족한다.
It is characterized by being manufactured under conditions in which the energy index (EI), defined as the product of the synthesis temperature (℃) and the stirring speed energy (Wh/kg), is in the range of 7,200 ℃·Wh/kg ≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg A positive electrode active material precursor for a secondary battery represented by the following formula 1:
Formula 1
Ni (1-xyz) Co x Mn y A z (OH) 2
In the above formula, A includes one or more elements selected from the group consisting of Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, and Zr, and x, y, and z are each 0.2≥x ≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 are satisfied.
제 1 항에 있어서,
상기 전구체의 입도가 D50 기준 13.5 ~14.5 ㎛이고, 입도 분포를 나타내는 (D90-D10)/D50 값이 0.30 ~ 0.55 인 것을 특징으로 하는 양극 활물질 전구체.
According to claim 1,
A positive electrode active material precursor, characterized in that the particle size of the precursor is 13.5 to 14.5 ㎛ based on D50, and the (D90-D10)/D50 value representing the particle size distribution is 0.30 to 0.55.
제 1 항에 있어서,
상기 합성온도는 45℃(318K) 내지 60℃ (343K) 사이의 값을 만족하는 것인 이차전지의 양극 활물질 전구체.
According to claim 1,
A positive active material precursor for a secondary battery, wherein the synthesis temperature satisfies a value between 45°C (318K) and 60°C (343K).
제 1 항에 있어서,
상기 교반속도 에너지는 합성시작부터 종료까지 교반을 통해 합성계에 가해진 운동에너지로서, 그 범위는 최종 수득된 전구체 생산량(kg)에 대한 총 전기 에너지로서 160 내지 260Wh인 것인 이차전지의 양극 활물질 전구체.
According to claim 1,
The stirring speed energy is the kinetic energy applied to the synthesis system through stirring from the start of synthesis to the end, and its range is 160 to 260 Wh as the total electrical energy for the final obtained precursor production (kg). A positive active material precursor for a secondary battery.
합성 온도(℃)와 교반 속도 에너지(Wh/kg)의 곱으로 정의되는 에너지지수(EI)의 값이 7,200 ℃·Wh/kg≤ EI ≤ 15,600℃·Wh/kg 범위의 조건에서 제조되는 단계를 포함하는 다음 화학식 1로 표시되는 이차전지의 양극 활물질 전구체의 제조방법:
화학식 1
Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2
상기 식에서 A는 Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, 및 Zr로 이루어진 군으로 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0.2≥x≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 를 만족한다.
The energy index (EI), defined as the product of the synthesis temperature (℃) and the stirring speed energy (Wh/kg), is manufactured under conditions in the range of 7,200 ℃·Wh/kg ≤ EI ≤ 15,600 ℃·Wh/kg. A method for producing a positive electrode active material precursor for a secondary battery represented by the following Chemical Formula 1, comprising:
Formula 1
Ni (1-xyz) Co x Mn y A z (OH) 2
In the above formula, A includes one or more elements selected from the group consisting of Al, B, Ba, Ce, Cr, F, Li, Mo, P, Sr, Ti, and Zr, and x, y, and z are each 0.2≥x ≥0, 0.1≥y≥0, 0.05≥z≥0 are satisfied.
제 1 항에 따른 전구체를 소성시켜 얻어진 리튬이차전지용 양극활물질. A cathode active material for a lithium secondary battery obtained by sintering the precursor according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102082516B1 (en) 2013-05-31 2020-02-27 한양대학교 산학협력단 A cathode active material for sodium secondary battery, method for preparing the same, and sodium secondary battery containing the same

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