KR20240065831A - Additive for positive electrodes of lithium secondary batteries, manufacturing method of the same, and lithium secondary batteries including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 첨가제, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 비가역 용량의 향상을 가능하게 하면서도 안정적인 결정상을 가져 리튬 이차 전지의 안전성을 개선할 수 있는 양극 첨가제가 제공된다.The present invention relates to a positive electrode additive for lithium secondary batteries, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery containing the same. According to the present invention, a positive electrode additive is provided that can improve the safety of lithium secondary batteries by having a stable crystalline phase while enabling improvement of irreversible capacity.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 첨가제, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode additive for lithium secondary batteries, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery containing the same.
전자 기기의 다기능화와 함께 소비 전력이 증가함에 따라, 리튬 이차 전지의 용량을 늘리고 이의 충방전 효율을 개선하려는 많은 시도들이 있다.As power consumption increases along with the multifunctionalization of electronic devices, there are many attempts to increase the capacity of lithium secondary batteries and improve their charge and discharge efficiency.
일 예로, 리튬 이차 전지의 양극에 Ni 80 % 이상의 양극 활물질을 양극재로 적용하고, 음극에 SiO, Si 또는 SiC와 같은 금속 또는 금속 기반의 음극 활물질을 천연 흑연 또는 인조 흑연 등의 탄소계 음극 활물질과 함께 적용하는 기술이 제안된 바 있다.As an example, a cathode active material containing 80% or more Ni is applied to the cathode of a lithium secondary battery, and a metal or metal-based anode active material such as SiO, Si, or SiC is applied to the anode, and a carbon-based anode active material such as natural graphite or artificial graphite is applied to the anode. A technology applied together with has been proposed.
금속 및 금속 산화물 기반의 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질보다 고용량의 발현을 가능하게 한다. 하지만, 금속 및 금속 산화물 기반의 음극 활물질은 충방전시 부피 변화가 흑연에 비해 훨씬 크기 때문에 음극 내 금속 및 금속 산화물의 함량을 15 % 이상으로 증가시키기가 어렵다. 또한, 금속 및 금속 산화물을 음극 내에 추가할 경우 초기 충방전에서 비가역적인 반응이 일어나 리튬의 손실이 탄소계 음극 활물질을 적용한 경우에 비하여 크다. 때문에 금속 및 금속 산화물 기반의 음극 활물질을 적용한 경우 전지의 용량이 커질수록 손실되는 리튬의 양이 늘어나게 되며, 이로 인한 초기 용량의 감소 폭도 커지게 된다.Metal and metal oxide-based anode active materials enable higher capacity than carbon-based anode active materials. However, since metal and metal oxide-based negative electrode active materials have a much larger volume change during charging and discharging than graphite, it is difficult to increase the content of metal and metal oxide in the negative electrode to more than 15%. In addition, when metal and metal oxide are added to the negative electrode, an irreversible reaction occurs during initial charging and discharging, and the loss of lithium is greater than when a carbon-based negative electrode active material is used. Therefore, when metal and metal oxide-based negative electrode active materials are applied, the amount of lithium lost increases as the capacity of the battery increases, and the decrease in initial capacity also increases due to this.
이에 리튬 이차 전지의 용량을 늘리거나 비가역 용량을 줄이기 위한 다양한 방안들이 연구되어 왔다. 그 중 하나가 초기 상태에서 SEI 층(solid electrolyte interphase layer)의 형성에 소모되는 리튬을 배터리 내에서 보충해 주는 개념인 예비 리튬화(pre-lithiation)이다.Accordingly, various methods have been studied to increase the capacity of lithium secondary batteries or reduce the irreversible capacity. One of them is pre-lithiation, a concept that replenishes the lithium consumed in the formation of the SEI layer (solid electrolyte interphase layer) in the battery in the initial state.
배터리 내에서 예비 리튬화를 하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 왔다.Various methods have been proposed for pre-lithiation in batteries.
일 예로, 양극에서 예비 리튬화하는 방법으로는, 음극에서 소모되는 리튬의 양 만큼 양극재를 더 많이 코팅하는 방법이 있다. 그러나, 양극재 자체의 낮은 용량으로 인하여, 추가되는 양극재의 양이 증가하며, 증가하는 양극재의 양 만큼 최종 배터리의 에너지 밀도 및 무게당 용량이 감소하게 된다.For example, a method of preliminary lithiation at the anode includes coating more cathode material in proportion to the amount of lithium consumed at the cathode. However, due to the low capacity of the cathode material itself, the amount of added cathode material increases, and the energy density and capacity per weight of the final battery decrease as the amount of cathode material increases.
이에, 양극에서 배터리의 예비 리튬화에 적합한 소재는 첫 충전시 리튬이 기존 양극재보다 적어도 두 배 이상 많이 탈리되면서, 이후 방전시에는 리튬과 반응하지 않는 비가역적인 특성을 지녀야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 첨가제를 희생 양극재(sacrificial positive electrode materials)라고 한다.Accordingly, a material suitable for preliminary lithiation of a battery at the anode must have irreversible characteristics such that lithium is desorbed at least twice as much as existing anode materials during the first charge and does not react with lithium during subsequent discharge. Additives that satisfy these conditions are called sacrificial positive electrode materials.
한편, SiO를 포함한 음극의 예비 리튬화를 위해 Li2NiO2 화합물이 희생 양극재인 양극 첨가제로 사용되어 왔다. 그런데, 예비 리튬화를 위한 비가역 용량의 확보를 위해서는 양극재 대비 3 중량% 이상의 Li2NiO2 화합물이 요구된다. 이처럼 상대적으로 안정성이 떨어지는 Li2NiO2 화합물을 과량으로 첨가할 경우 리튬 이차 전지의 열적 안정성이 저하하고 가스 발생량이 증가하는 등의 안전상 이슈가 생길 수 있다.Meanwhile, Li 2 NiO 2 compounds have been used as a sacrificial positive electrode additive for preliminary lithiation of a negative electrode containing SiO. However, in order to secure irreversible capacity for preliminary lithiation, more than 3% by weight of Li 2 NiO 2 compound compared to the cathode material is required. If an excessive amount of Li 2 NiO 2 compound, which has relatively low stability, is added, safety issues may arise, such as reduced thermal stability of the lithium secondary battery and increased gas generation.
비가역 용량을 늘리기 위하여 Li6CoO4, Li5FeO4 및 Li6MnO4와 같은 다-리튬 금속 산화물을 양극 첨가제로 사용할 경우 Li2NiO2 화합물 대비 약 1/3 정도의 첨가량으로 예비 리튬화의 효과를 얻을 수 있고, 열적 안정성도 개선할 수 있다. 하지만, 상기 다-리튬 금속 산화물은 Li2NiO2 화합물 대비 가스 발생량이 높고 금속 원소의 용출로 인한 전지 저항의 증가와 같은 부작용을 나타낸다.In order to increase the irreversible capacity, when poly-lithium metal oxides such as Li 6 CoO 4 , Li 5 FeO 4 and Li 6 MnO 4 are used as anode additives, the amount of pre-lithiation is about 1/3 that of the Li 2 NiO 2 compound. This effect can be achieved and thermal stability can also be improved. However, the poly-lithium metal oxide generates a higher amount of gas compared to the Li 2 NiO 2 compound and exhibits side effects such as an increase in battery resistance due to the elution of metal elements.
본 발명은 비가역 용량의 향상을 가능하게 하면서도 안정적인 결정상을 가져 리튬 이차 전지의 안전성을 개선할 수 있는 양극 첨가제를 제공하기 위한 것이다.The present invention is intended to provide a positive electrode additive that can improve the safety of lithium secondary batteries by having a stable crystalline phase while enabling improvement of irreversible capacity.
본 발명은 상기 양극 첨가제의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a method for producing the positive electrode additive.
그리고, 본 발명은 상기 양극 첨가제를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.Additionally, the present invention is intended to provide a lithium secondary battery including the positive electrode additive.
발명의 일 구현 예에 따르면,According to one embodiment of the invention,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제가 제공된다:A positive electrode additive for a lithium secondary battery is provided, comprising a compound represented by the following formula (1):
[화학식 1][Formula 1]
a(Li2Ni1-xCuxO2)-b(LiyMOz)a(Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 )-b(Li y MO z )
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Co, Mn 또는 Fe이고,M is Co, Mn or Fe,
a 및 b는 상기 화학식 1의 화합물에 포함된 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 LiyMOz 결정상의 몰 비로서 0.5 ≤ a ≤ 0.9 및 0.1 ≤ b ≤ 0.5 이고, a and b are the molar ratio of the Li 2 Ni 1-x Cu
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, 및 3 < z < 5 이다0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, and 3 < z < 5
발명의 다른 일 구현 예에 따르면,According to another embodiment of the invention,
리튬 전구체, 니켈 전구체, 구리 전구체, 및 하기 M의 전구체를 포함한 전구체 혼합물을 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 형성하는 단계Forming a compound represented by Formula 1 by heat-treating a precursor mixture including a lithium precursor, a nickel precursor, a copper precursor, and the precursor M below under an inert gas atmosphere.
를 포함하는, 상기 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법이 제공된다.A method for producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery is provided, including a.
발명의 또 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 양극 첨가제를 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극이 제공된다.According to another embodiment of the invention, a positive electrode for a lithium secondary battery containing the positive electrode additive is provided.
발명의 또 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 리튬 이차 전지용 양극; 음극; 분리막; 및 전해질을 포함하는, 리튬 이차 전지가 제공된다.According to another embodiment of the invention, the anode for the lithium secondary battery; cathode; separation membrane; A lithium secondary battery comprising an electrolyte is provided.
이하, 발명의 구현 예들에 따른 리튬 이차 전지용 양극 첨가제, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a positive electrode additive for a lithium secondary battery according to embodiments of the invention, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery containing the same will be described in more detail.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the invention based on the principle that it exists.
본 명세서에서 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 통상의 기술자들에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Unless otherwise defined in this specification, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. The terminology used in the description herein is merely to effectively describe specific embodiments and is not intended to limit the invention.
본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.As used herein, singular forms include plural forms unless phrases clearly indicate the contrary.
본 명세서에서 사용되는 "포함"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.As used herein, the meaning of "comprising" is to specify a specific characteristic, area, integer, step, operation, element, and/or component, and to specify another specific property, area, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 상기 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can make various changes and take various forms, specific embodiments will be illustrated and described in detail below. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope above.
본 명세서에서, 예를 들어 '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.In this specification, for example, when the positional relationship between two parts is described as 'on top', 'on top', 'on the bottom', 'next to', etc., it is called 'immediately' or 'directly'. One or more other parts may be placed between the two parts unless an expression is used.
본 명세서에서, 예를 들어 '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.In this specification, for example, when a temporal relationship is described as 'after', 'successfully', 'next to', 'before', etc., the expressions 'immediately' or 'directly' are not used. Cases that are not consecutive may also be included.
본 명세서에서 '적어도 하나'의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, the term 'at least one' should be understood to include all possible combinations from one or more related items.
발명의 일 구현 예에 따르면,According to one embodiment of the invention,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제가 제공된다:A positive electrode additive for a lithium secondary battery is provided, comprising a compound represented by the following formula (1):
[화학식 1][Formula 1]
a(Li2Ni1-xCuxO2)-b(LiyMOz)a(Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 )-b(Li y MO z )
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Co, Mn 또는 Fe이고,M is Co, Mn or Fe,
a 및 b는 상기 화학식 1의 화합물에 포함된 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 LiyMOz 결정상의 몰 비로서 0.5 ≤ a ≤ 0.9 및 0.1 ≤ b ≤ 0.5 이고, a and b are the molar ratio of the Li 2 Ni 1-x Cu
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, 및 3 < z < 5 이다0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, and 3 < z < 5
상기 화학식 1의 화합물은, 후술하는 제조 방법에 따라 구리 전구체의 존재 하에 리튬 전구체, 니켈 전구체 및 상기 M의 전구체를 포함한 혼합물을 열처리하여 형성되는 복합체이다.The compound of Formula 1 is a complex formed by heat treating a mixture containing a lithium precursor, a nickel precursor, and the precursor of M in the presence of a copper precursor according to a production method described later.
상기 화학식 1의 화합물은 상기 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 상기 LiyMOz 결정상이 혼재하는 복합 결정상을 가진다. 여기서, 상기 복합 결정상을 이루고 있다고 함은, 상기 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 상기 LiyMOz 결정상이 혼재하여 응집된 단일한 입자 상태로 존재함을 의미할 수 있다. 이는 Li2Ni1-xCuxO2 화합물 및 LiyMOz 화합물의 1차 입자들이 물리적 또는 기계적으로 단순 혼합된 상태와 구분될 수 있다.The compound of Formula 1 has a composite crystal phase in which the Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 crystal phase and the Li y MO z crystal phase coexist. Here, forming the composite crystal phase may mean that the Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 crystal phase and the Li y MO z crystal phase coexist and exist in a single aggregated particle state. This can be distinguished from a state in which the primary particles of the Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 compound and Li y MO z compound are simply mixed physically or mechanically.
일 실시 예에 따르면, 상기 화학식 1에서 상기 M은 다-리튬 금속 산화물의 결정상을 형성할 수 있는 원소이다. 구체적으로, 상기 M은 Co, Mn 또는 Fe 일 수 있다.According to one embodiment, in Formula 1, M is an element capable of forming a crystalline phase of poly-lithium metal oxide. Specifically, M may be Co, Mn, or Fe.
상기 화학식 1에서 a 및 b는 상기 화학식 1의 화합물에 포함된 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 LiyMOz 결정상의 몰 비(a+b=1)로서, 0.5 ≤ a ≤ 0.9 및 0.1 ≤ b ≤ 0.5 일 수 있다. 즉, 상기 화학식 1에서 a : b는 1 : 1 내지 9 : 1 일 수 있다.In Formula 1, a and b are the molar ratio (a+b=1) of the Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 crystal phase and Li y MO z crystal phase included in the compound of Formula 1, where 0.5 ≤ a ≤ 0.9 and 0.1 ≤ b ≤ 0.5. That is, in Formula 1, a:b may be 1:1 to 9:1.
상기 화학식 1의 화합물이 향상된 비가역 용량을 나타낼 수 있도록 하기 위하여, 상기 b는 0.1 이상, 혹은 0.15 이상, 혹은 0.2 이상이고; 상기 a는 0.9 이하, 혹은 0.85 이하, 혹은 0.8 이하인 것이 바람직하다. 다만, 상기 b가 과도하게 클 경우 상기 화합물에 의한 가스 발생량이 증가할 수 있다. 그러므로, 상기 b는 0.5 이하, 혹은 0.4 이하, 혹은 0.3 이하; 그리고 상기 a는 0.5 이상, 혹은 0.6 이상, 혹은 0.7 이상인 것이 바람직하다.In order for the compound of Formula 1 to exhibit improved irreversible capacity, b is 0.1 or more, or 0.15 or more, or 0.2 or more; It is preferable that a is 0.9 or less, or 0.85 or less, or 0.8 or less. However, if b is excessively large, the amount of gas generated by the compound may increase. Therefore, b is 0.5 or less, or 0.4 or less, or 0.3 or less; And it is preferable that a is 0.5 or more, or 0.6 or more, or 0.7 or more.
바람직하게는, 상기 a는 0.5 내지 0.9, 혹은 0.6 내지 0.9, 혹은 0.6 내지 0.85, 혹은 0.7 내지 0.85, 혹은 0.7 내지 0.8 일 수 있다. 그리고, 상기 b는 0.1 내지 0.5, 혹은 0.15 내지 0.5, 혹은 0.15 내지 0.4, 혹은 0.2 내지 0.4, 혹은 0.2 내지 0.3 일 수 있다.Preferably, a may be 0.5 to 0.9, or 0.6 to 0.9, or 0.6 to 0.85, or 0.7 to 0.85, or 0.7 to 0.8. And, b may be 0.1 to 0.5, or 0.15 to 0.5, or 0.15 to 0.4, or 0.2 to 0.4, or 0.2 to 0.3.
상기 화학식 1에서 상기 x는 니켈(Ni)의 일부를 치환하는 구리(Cu)의 몰 분율이다. 구체적으로 상기 x는 0.1 이상, 혹은 0.15 이상, 혹은 0.2 이상; 그리고 0.4 이하, 혹은 0.35 이하, 혹은 0.3 이하일 수 있다.In Formula 1, x is the mole fraction of copper (Cu) that replaces a portion of nickel (Ni). Specifically, x is 0.1 or more, or 0.15 or more, or 0.2 or more; And it may be less than 0.4, or less than 0.35, or less than 0.3.
상기 화학식 1의 화합물의 합성 과정에서 산화니켈(NiO) 이차상이 생성되는 것을 방지하기 위하여, 상기 x는 0.1 이상, 혹은 0.15 이상, 혹은 0.2 이상인 것이 바람직하다. 다만, 상기 화학식 1의 화합물에 구리(Cu)가 과량으로 포함될 경우 충전 용량이 상대적으로 감소할 수 있다. 그러므로, 상기 x는 0.4 이하, 혹은 0.35 이하, 혹은 0.3 이하인 것이 바람직하다.In order to prevent nickel oxide (NiO) secondary phase from being generated during the synthesis of the compound of Formula 1, x is preferably 0.1 or more, 0.15 or more, or 0.2 or more. However, if the compound of Formula 1 contains an excessive amount of copper (Cu), the charging capacity may be relatively reduced. Therefore, it is preferable that x is 0.4 or less, or 0.35 or less, or 0.3 or less.
바람직하게는, 상기 x는 0.1 내지 0.4, 혹은 0.15 내지 0.4, 혹은, 0.15 내지 0.35, 혹은 0.2 내지 0.35, 혹은 0.2 내지 0.3 일 수 있다.Preferably, x may be 0.1 to 0.4, or 0.15 to 0.4, or 0.15 to 0.35, or 0.2 to 0.35, or 0.2 to 0.3.
상기 화학식 1에서 y는 3 초과 7 미만, 혹은 3.5 내지 6.5, 혹은 4 내지 6.5, 혹은 4.5 내지 6.5, 혹은 5 내지 6.5 일 수 있다. 그리고, 상기 화학식 1에서 z는 3 초과 5 미만 혹은 3.5 내지 4.5일 수 있다.In Formula 1, y may be greater than 3 and less than 7, or 3.5 to 6.5, or 4 to 6.5, or 4.5 to 6.5, or 5 to 6.5. And, in Formula 1, z may be greater than 3 and less than 5, or 3.5 to 4.5.
상술한 수치 범위를 충족함에 따라, 상기 화학식 1의 화합물은 이전에 알려진 비가역 양극 첨가제와 비교하여 비가역 용량의 향상을 가능하게 하면서도, 열적 안정성의 개선 및 가스 발생의 억제를 가능하게 한다.By meeting the above-mentioned numerical range, the compound of Formula 1 enables improvement of irreversible capacity compared to previously known irreversible anode additives, while improving thermal stability and suppressing gas generation.
상기 화학식 1의 화합물은 상기 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 상기 LiyMOz 결정상이 혼재하는 복합 결정상을 가진다. 그에 따라, 상기 화학식 1의 화합물에 대한 분말 X-선 회절 분석시 상기 복합 결정상에 기인한 특성 피크가 관찰될 수 있다.The compound of Formula 1 has a composite crystal phase in which the Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 crystal phase and the Li y MO z crystal phase coexist. Accordingly, characteristic peaks due to the complex crystal phase can be observed during powder X-ray diffraction analysis of the compound of Formula 1.
일 실시 예에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 Cu Kα X-선 (X-rα)에 의한 분말 X-선 회절 분석시 19°±0.5°, 26°±0.5°, 37°±0.5°, 및 43°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들을 가질 수 있다.According to one embodiment, the compound of Formula 1 has 19°±0.5°, 26°±0.5°, 37°±0.5°, and 19°±0.5°, 26°±0.5°, 37°±0.5°, and It may have peaks that appear at 2θ of 43°±0.5°.
상기 분말 X-선 회절 분석에 있어서, 19°±0.5° 및 26°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들은 상기 Li2Ni1-xCuxO2 결정상에서 기인한 특성 피크들이다. 그리고, 37°±0.5° 및 43°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들은 상기 화학식 1의 화합물을 제조하는데 적용된 전구체 혼합물 중 미반응 니켈 전구체로부터 기인한 특성 피크들이다. 참고로, Li2Ni1-xCuxO2 화합물 및 LiyMOz 화합물의 1차 입자들이 물리적 또는 기계적으로 단순 혼합된 상태에서는 상기 37°±0.5° 및 43°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들이 관찰되지 않는다.In the powder X-ray diffraction analysis, peaks appearing at 2θ of 19°±0.5° and 26°±0.5° are characteristic peaks resulting from the Li 2 Ni 1-x Cu And, the peaks appearing at 2θ of 37°±0.5° and 43°±0.5° are characteristic peaks resulting from unreacted nickel precursors in the precursor mixture used to prepare the compound of Formula 1. For reference, when the primary particles of Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 compound and Li y MO z compound are simply mixed physically or mechanically, the No peaks are observed.
그리고, 상기 화학식 1의 화합물은 상기 분말 X-선 회절 분석시 LiyMOz 결정상에서 기인한 특성 피크들을 가진다. 일 예로, 상기 M이 Fe인 경우 상기 화학식 1의 화합물은 LiyMOz 로부터 기인한 21.5°±0.5° 및 24°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들을 가질 수 있다.In addition, the compound of Formula 1 has characteristic peaks resulting from the Li y MO z crystal phase during the powder X-ray diffraction analysis. For example, when M is Fe, the compound of Formula 1 may have peaks that appear at 2θ of 21.5°±0.5° and 24°±0.5° resulting from Li y MO z .
상기 화학식 1의 화합물은 0.5 ㎛ 내지 45 ㎛, 혹은 1 ㎛ 내지 25 ㎛, 혹은 5 ㎛ 내지 20 ㎛의 체적 평균 입경(D50)을 갖는 1차 입자, 또는 상기 1차 입자들이 응집된 2차 입자의 형태를 가질 수 있다. 상기 입경 범위에서 상기 양극 첨가제는 양극 활물질과 균일하게 혼합되어 양극 내에서 적절한 특성을 나타낼 수 있다.The compound of Formula 1 is a primary particle having a volume average particle diameter (D50) of 0.5 ㎛ to 45 ㎛, 1 ㎛ to 25 ㎛, or 5 ㎛ to 20 ㎛, or secondary particles in which the primary particles are aggregated. It can have a shape. Within the above particle size range, the positive electrode additive can be uniformly mixed with the positive electrode active material to exhibit appropriate properties within the positive electrode.
적절한 입도 분포 및 체적 평균 입경을 갖도록 하기 위해, 상기 화학식 1의 화합물을 합성한 후, 원하는 입도 분포에 대응하는 눈의 크기를 갖는 표준 체를 이용하여 상기 화합물 입자를 통과시킬 수 있다. 상기 화합물의 입도 분포 및 체적 평균 입경(D50)은 잘 알려진 레이저 입도 분석기 등을 이용해 측정 및 산출될 수 있다.In order to have an appropriate particle size distribution and volume average particle size, after synthesizing the compound of Formula 1, the compound particles can be passed through a standard sieve with eye sizes corresponding to the desired particle size distribution. The particle size distribution and volume average particle diameter (D50) of the compound can be measured and calculated using a well-known laser particle size analyzer.
상기 화학식 1의 화합물은 리튬 이차 전지의 충방전시 비가역적으로 리튬을 내놓는 특성을 가진다. 그러므로, 상기 화학식 1의 화합물은 리튬 이차 전지용 양극에 포함되어 예비 리튬화(pre-lithiation)를 위한 희생 양극재(sacrificial positive electrode materials)의 역할을 수행할 수 있다.The compound of Formula 1 has the property of irreversibly releasing lithium during charging and discharging of a lithium secondary battery. Therefore, the compound of Formula 1 can be included in a positive electrode for a lithium secondary battery and serve as sacrificial positive electrode materials for pre-lithiation.
발명의 다른 일 구현 예에 따르면,According to another embodiment of the invention,
리튬 전구체, 니켈 전구체, 구리 전구체, 및 하기 M의 전구체를 포함한 전구체 혼합물을 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 형성하는 단계Forming a compound represented by Formula 1 below by heat-treating a precursor mixture including a lithium precursor, a nickel precursor, a copper precursor, and the precursor M below under an inert gas atmosphere.
를 포함하는, 상기 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법이 제공된다:A method for producing the positive electrode additive for a lithium secondary battery is provided, comprising:
[화학식 1][Formula 1]
a(Li2Ni1-xCuxO2)-b(LiyMOz)a(Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 )-b(Li y MO z )
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Co, Mn 또는 Fe이고,M is Co, Mn or Fe,
a 및 b는 상기 화학식 1의 화합물에 포함된 Li2Ni1-xCuxO2 및 LiyMOz의 몰 비로서 0.5 ≤ a ≤ 0.9 및 0.1 ≤ b ≤ 0.5 이고,a and b are the molar ratio of Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 and Li y MO z contained in the compound of Formula 1 and are 0.5 ≤ a ≤ 0.9 and 0.1 ≤ b ≤ 0.5,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, 및 3 < z < 5 이다.0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, and 3 < z < 5.
앞서 설명한 바와 같이, 희생 양극재로 알려진 양극 첨가제 중 Li2NiO2 화합물은 비가역 용량의 확보를 위해 과량의 첨가가 요구되어 리튬 이차 전지의 안전상 이슈를 유발한다. 그리고, Li6CoO4, Li5FeO4 및 Li6MnO4와 같은 다-리튬 금속 산화물은 가스 발생량이 높고 금속 원소의 용출로 인한 부작용을 유발한다.As previously explained, among the positive electrode additives known as sacrificial positive electrode materials, Li 2 NiO 2 compounds require excessive addition to secure irreversible capacity, causing safety issues in lithium secondary batteries. In addition, poly-lithium metal oxides such as Li 6 CoO 4 , Li 5 FeO 4 and Li 6 MnO 4 generate a high amount of gas and cause side effects due to the elution of metal elements.
Li2NiO2 화합물의 비가역 용량 개선을 위하여, Li2NiO2 화합물의 합성시 상기 다-리튬 금속 산화물의 전구체를 첨가하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 합성 방법에서는 니켈(Ni)과 다른 전이 금속의 혼합 문제로 인해 Li2NiO2 상이 형성되지 않고 니켈 산화물로 석출되는 경향을 나타낸다.In order to improve the irreversible capacity of the Li 2 NiO 2 compound, a method of adding the precursor of the poly-lithium metal oxide during the synthesis of the Li 2 NiO 2 compound can be considered. However, in this synthesis method, due to a problem of mixing nickel (Ni) with other transition metals, the Li 2 NiO 2 phase is not formed and tends to precipitate as nickel oxide.
그리고, Li2NiO2 화합물과 Li2CuO2 화합물의 혼합물을 양극 첨가제로 사용하는 것도 제안되었으나, Li2CuO2 화합물의 첨가로 인한 비가역 용량의 개선 효과는 거의 없는 것으로 알려져 있다.In addition, it has been proposed to use a mixture of Li 2 NiO 2 compound and Li 2 CuO 2 compound as a positive electrode additive, but it is known that there is little improvement in irreversible capacity due to the addition of Li 2 CuO 2 compound.
그런데, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 구리 전구체의 존재 하에 리튬 전구체, 니켈 전구체 및 상기 M의 전구체를 포함한 혼합물을 열처리함으로써, 니켈 산화물의 석출 없이, 상기 Li2Ni1-xCuxO2의 결정상 및 상기 LiyMOz의 결정상이 혼재하는 복합 결정상인 상기 화학식 1의 화합물이 제조될 수 있다.However, according to the research results of the present inventors, by heat treating a mixture containing a lithium precursor, a nickel precursor, and the precursor of M in the presence of a copper precursor, Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 without precipitation of nickel oxide. The compound of Formula 1 can be prepared as a composite crystal phase in which a crystal phase and a crystal phase of Li y MO z coexist.
일 실시 예에 따르면, 리튬 전구체, 니켈 전구체, 구리 전구체, 및 상기 M의 전구체를 포함한 전구체 혼합물을 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 형성하는 단계가 수행된다.According to one embodiment, a precursor mixture including a lithium precursor, a nickel precursor, a copper precursor, and the M precursor is heat-treated under an inert gas atmosphere to form the compound represented by Formula 1.
상기 전구체 혼합물은 리튬 전구체, 니켈 전구체, 구리 전구체, 및 상기 M의 전구체를 상기 화학식 1에 따른 화학양론 비에 맞도록 고상 혼합하여 준비될 수 있다.The precursor mixture may be prepared by solid-phase mixing the lithium precursor, nickel precursor, copper precursor, and the M precursor to match the stoichiometric ratio according to Formula 1.
상기 전구체들로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 해당 원소의 전구체로 사용 가능한 것으로 알려진 화합물들이 특별한 제한 없이 적용될 수 있다.As the precursors, compounds known to be usable as precursors of the corresponding elements in the technical field to which the present invention pertains may be applied without particular limitation.
바람직하게는, 상기 리튬 전구체는 리튬 산화물, 리튬 수산화물, 또는 리튬 탄산염일 수 있다.Preferably, the lithium precursor may be lithium oxide, lithium hydroxide, or lithium carbonate.
상기 니켈 전구체는 니켈 산화물, 니켈 수산화물, 니켈 황산염, 니켈 질산염, 니켈 아세트산염, 니켈 탄산염, 니켈 옥살산염, 니켈 시트르산염, 니켈 할라이드, 니켈 인산염, 및 이들의 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.The nickel precursor is one or more compounds selected from the group consisting of nickel oxide, nickel hydroxide, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel acetate, nickel carbonate, nickel oxalate, nickel citrate, nickel halide, nickel phosphate, and hydroxides thereof. It can be.
상기 구리 전구체는 구리 산화물, 구리 수산화물, 구리 황산염, 구리 질산염, 구리 아세트산염, 구리 탄산염, 구리 옥살산염, 구리 시트르산염, 구리 할라이드, 구리 인산염, 및 이들의 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.The copper precursor is one or more compounds selected from the group consisting of copper oxide, copper hydroxide, copper sulfate, copper nitrate, copper acetate, copper carbonate, copper oxalate, copper citrate, copper halide, copper phosphate, and hydroxides thereof. It can be.
그리고, 상기 M의 전구체는 원소 M을 포함하는 산화물, 수산화물, 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 인산염, 및 이들의 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.In addition, the precursor of M may be one or more compounds selected from the group consisting of oxides, hydroxides, sulfates, nitrates, acetates, carbonates, oxalates, citrates, halides, phosphates, and hydroxides containing the element M. there is.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리는 불활성 기체 분위기 및 600 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 하에서 3 시간 내지 18 시간 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment, the heat treatment may be performed for 3 hours to 18 hours in an inert gas atmosphere and at a temperature of 600 ℃ to 1000 ℃.
상기 열처리는 Ar, N2, Ne, 및 He와 같은 불활성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed under an inert gas atmosphere such as Ar, N 2 , Ne, and He.
적정한 속도로 결정 시드가 생성될 수 있도록 하기 위하여, 상기 열처리는 600 ℃ 이상 혹은 700 ℃ 이상의 온도 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 열처리의 온도가 과도하게 높을 경우 성장한 입자들끼리 뭉치는 소결 현상이 일어날 수 있다. 그러므로, 상기 열처리는 1000 ℃ 이하 혹은 900 ℃ 이하의 온도 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 열처리는 600 ℃ 내지 1000 ℃, 혹은 700 ℃ 내지 1000 ℃, 혹은 700 ℃ 내지 900 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.In order to enable crystal seeds to be generated at an appropriate rate, the heat treatment is preferably performed at a temperature of 600°C or higher or 700°C or higher. However, if the temperature of the heat treatment is excessively high, a sintering phenomenon in which the grown particles clump together may occur. Therefore, the heat treatment is preferably performed at a temperature of 1000°C or lower or 900°C or lower. Specifically, the heat treatment may be performed at a temperature of 600 ℃ to 1000 ℃, or 700 ℃ to 1000 ℃, or 700 ℃ to 900 ℃.
상기 열처리는 상기 열처리 온도 하에서 3 시간 내지 18 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 시간은 상기 전구체들이 충분히 반응할 수 있는 정도의 시간과 상기 화학식 1의 화합물 결정이 안정화되는데 소요되는 시간을 고려하여 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리 시간은 3 시간 이상 혹은 5 시간 이상; 그리고 18 시간 이하 혹은 15 시간 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 열처리 시간은 3 시간 내지 18 시간, 혹은 5 시간 내지 18 시간, 혹은 5 시간 내지 15 시간일 수 있다.The heat treatment may be performed for 3 to 18 hours at the heat treatment temperature. The heat treatment time can be adjusted by considering the time required for the precursors to sufficiently react and the time required for the crystal of the compound of Formula 1 to stabilize. Specifically, the heat treatment time is 3 hours or more or 5 hours or more; And it can be 18 hours or less or 15 hours or less. Preferably, the heat treatment time may be 3 hours to 18 hours, or 5 hours to 18 hours, or 5 hours to 15 hours.
필요에 따라, 상기 단계에서 얻어진 상기 화학식 1의 화합물을 분쇄하는 단계가 수행될 수 있다.If necessary, a step of pulverizing the compound of Formula 1 obtained in the above step may be performed.
양극재에서 양극 활물질과 양극 첨가제의 입도 차이가 커질 경우, 양극재의 균일한 혼합이 어려워지고 전극의 내부 응력이 증가하여 안정적인 전지 성능의 발현이 어려워질 수 있다.If the difference in particle size between the positive electrode active material and the positive electrode additive in the positive electrode material increases, uniform mixing of the positive electrode materials becomes difficult and the internal stress of the electrode increases, making it difficult to achieve stable battery performance.
상기 분쇄를 통해 얻어지는 상기 양극 첨가제의 입경은 양극 활물질과 유사한 수준에서 결정될 수 있다. 다만, 상기 분쇄 과정에서 미분이 과도하게 발생할 정도의 에너지를 부여하는 것은 바람직하지 않다.The particle size of the positive electrode additive obtained through the grinding may be determined at a level similar to that of the positive electrode active material. However, it is not desirable to provide enough energy to excessively generate fine powder during the grinding process.
비제한적인 예로, 상기 분쇄는, 상기 단계에서 덩어리 형태로 얻어진 상기 양극 첨가제를 수 cm 스케일의 청크로 분쇄하는 선-분쇄, 상기 청크를 1 mm 이하로 분쇄하는 조분쇄, 그리고 핀 밀 등을 이용한 미분쇄가 수행될 수 있다. 그 후 표준망채를 이용하여 분급할 수 있다.As a non-limiting example, the grinding includes pre-grinding, which grinds the positive electrode additive obtained in the form of lumps in the above step into chunks of several cm scale, coarse grinding, which grinds the chunks to 1 mm or less, and using a pin mill, etc. Fine grinding may be performed. Afterwards, it can be classified using a standard mesh.
발명의 또 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 양극 첨가제를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극이 제공된다.According to another embodiment of the invention, a positive electrode for a lithium secondary battery including the positive electrode additive is provided.
상기 리튬 이차 전지용 양극은 양극 활물질, 바인더, 도전재, 및 상기 양극 첨가제를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 리튬 이차 전지용 양극은 양극 활물질, 도전재, 상기 양극 첨가제, 및 바인더를 포함하는 양극재; 그리고, 상기 양극재를 지지하는 전류 집전체를 포함한다.The positive electrode for a lithium secondary battery may include a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and the positive electrode additive. Preferably, the positive electrode for a lithium secondary battery includes a positive electrode material including a positive electrode active material, a conductive material, the positive electrode additive, and a binder; And, it includes a current collector that supports the positive electrode material.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극 첨가제는 상기 양극재의 총 중량 대비 0 중량% 초과 15 중량% 이하로 포함될 수 있다.According to one embodiment, the positive electrode additive may be included in an amount of more than 0% by weight and less than 15% by weight based on the total weight of the positive electrode material.
SEI 층의 형성에 소모되는 비가역 리튬을 보상하기 위하여, 상기 리튬 전이 금속 산화물의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 0 중량% 초과인 것이 바람직하다. 다만, 희생 양극재인 상기 양극 첨가제가 과량으로 포함될 경우, 가역적인 충방전 용량을 나타내는 상기 양극 활물질의 함량이 줄어들어 전지의 용량이 감소하게 되고, 전지 내에 잔여 리튬이 음극에 플레이팅되어 전지의 쇼트를 유발하거나 안전성을 저해할 수 있다. 그러므로, 상기 양극 첨가제의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 15 중량% 이하인 것이 바람직하다.In order to compensate for the irreversible lithium consumed in forming the SEI layer, the content of the lithium transition metal oxide is preferably greater than 0% by weight based on the total weight of the cathode material. However, when the positive electrode additive, which is a sacrificial positive electrode material, is included in excess, the content of the positive electrode active material showing reversible charge/discharge capacity is reduced, thereby reducing the capacity of the battery, and the remaining lithium in the battery is plated on the negative electrode, preventing short circuit of the battery. It may cause or impair safety. Therefore, the content of the positive electrode additive is preferably 15% by weight or less based on the total weight of the positive electrode material.
구체적으로, 상기 양극 첨가제의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 0 중량% 초과, 혹은 0.5 중량% 이상, 혹은 1 중량% 이상, 혹은 2 중량% 이상, 혹은 3 중량% 이상; 그리고, 15 중량% 이하, 혹은 12 중량% 이하, 혹은 10 중량% 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 양극 첨가제의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 0.5 중량% 내지 15 중량%, 혹은 1 중량% 내지 15 중량%, 혹은 1 중량% 내지 12 중량%, 혹은 2 중량% 내지 12 중량%, 혹은 2 중량% 내지 10 중량%, 혹은 3 중량% 내지 10 중량%일 수 있다.Specifically, the content of the positive electrode additive is more than 0% by weight, or more than 0.5% by weight, or more than 1% by weight, or more than 2% by weight, or more than 3% by weight, based on the total weight of the cathode material; And, it may be 15% by weight or less, or 12% by weight or less, or 10% by weight or less. Preferably, the content of the positive electrode additive is 0.5% to 15% by weight, or 1% to 15% by weight, or 1% to 12% by weight, or 2% to 12% by weight, based on the total weight of the positive electrode material. , or 2% by weight to 10% by weight, or 3% by weight to 10% by weight.
상기 양극 활물질로는 리튬 이온의 가역적인 삽입 및 탈리가 가능한 물질이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질은 코발트, 망간, 니켈, 철, 또는 이들 조합의 금속과 리튬을 포함한 복합 산화물 또는 인산화물일 수 있다.As the positive electrode active material, any material capable of reversible insertion and desorption of lithium ions can be used without particular restrictions. For example, the positive electrode active material may be a complex oxide or phosphate containing cobalt, manganese, nickel, iron, or a combination of these metals and lithium.
비제한적인 예로, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 중 어느 하나로 표시되는 화합물일 수 있다.As a non-limiting example, the positive electrode active material may be a compound represented by any of the following chemical formulas.
LiaA1-bRbD2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); LiaE1-bRbO2-cDc (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE2-bRbO4-cDc (0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiaNi1-b-cCobRcDd (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d≤2); LiaNi1-b-cCobRcO2-dZd (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); LiaNi1-b-cCobRcO2-dZ2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); LiaNi1-b-cMnbRcDd (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d≤2); LiaNi1-b-cMnbRcO2-dZd (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); LiaNi1-b-cMnbRcO2-dZ2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); LiaNibEcGdO2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1.); LiaNibCocMndGeO2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); LiaNiGbO2 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaCoGbO2 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMnGbO2 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMn2GbO4 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiTO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3 (0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3 (0≤f≤2); 및 LiFePO4.Li a A 1-b R b D 2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); Li a E 1-b R b O 2-c D c (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE 2-b R b O 4-c D c (0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); Li a Ni 1-bc Co b R c D d (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d≤2); Li a Ni 1-bc Co b R c O 2-d Z d (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); Li a Ni 1-bc Co b R c O 2-d Z 2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); Li a Ni 1-bc Mn b R c D d (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d≤2); Li a Ni 1-bc Mn b R c O 2-d Z d (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); Li a Ni 1-bc Mn b R c O 2-d Z 2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<d<2); Li a Ni b E c G d O 2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1.); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); Li a NiG b O 2 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a CoG b O 2 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a MnG b O 2 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LITO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); and LiFePO 4 .
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; Z는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; R is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; Z is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; T is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
물론 상기 양극 활물질의 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 양극 활물질과 코팅층을 갖는 양극 활물질을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.Of course, the positive electrode active material having a coating layer on the surface may be used, or a mixture of the positive electrode active material and the positive electrode active material having a coating layer may be used. Coating elements included in the coating layer may include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or mixtures thereof.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극 활물질은 상기 양극재의 총 중량 대비 80 중량% 내지 95 중량%로 포함될 수 있다.According to one embodiment, the positive electrode active material may be included in an amount of 80% to 95% by weight based on the total weight of the positive electrode material.
구체적으로, 상기 양극 활물질의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 80 중량% 이상, 혹은 82 중량% 이상, 혹은 85 중량% 이상; 그리고, 95 중량% 이하, 혹은 93 중량% 이하, 혹은 90 중량% 이하일 수 있다.Specifically, the content of the positive electrode active material is 80% by weight or more, or 82% by weight, or 85% by weight or more, based on the total weight of the positive electrode material; And, it may be 95% by weight or less, or 93% by weight or less, or 90% by weight or less.
바람직하게는, 상기 양극 활물질의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 82 중량% 내지 95 중량%, 혹은 82 중량% 내지 93 중량%, 혹은 85 중량% 내지 93 중량%, 혹은 85 중량% 내지 90 중량%일 수 있다.Preferably, the content of the positive electrode active material is 82% to 95% by weight, or 82% to 93% by weight, or 85% to 93% by weight, or 85% to 90% by weight, based on the total weight of the positive electrode material. It can be.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것이다.The conductive material is used to provide conductivity to the electrode.
상기 도전재로는 전지의 화학 변화를 야기하지 않으면서 전자 전도성을 가지는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 도전재는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등일 수 있다. 상기 도전재로는 상술한 예들 중 1종 혹은 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.The conductive material may be used without particular limitations as long as it has electronic conductivity without causing chemical changes in the battery. As a non-limiting example, the conductive material may include carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; Graphites such as natural graphite and artificial graphite; Metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Alternatively, it may be a conductive polymer such as a polyphenylene derivative. As the conductive material, one or a mixture of two or more of the examples described above may be used.
상기 도전재의 함량은 적절한 수준의 도전성을 발현하면서도 배터리의 용량 감소를 유발하지 않는 범위에서 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상기 도전재의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 1 중량% 내지 10 중량% 혹은 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.The content of the conductive material can be adjusted within a range that does not cause a decrease in battery capacity while maintaining an appropriate level of conductivity. Preferably, the content of the conductive material may be 1% to 10% by weight or 1% to 5% by weight based on the total weight of the cathode material.
상기 바인더는 상기 양극재를 상기 전류 집전체에 잘 부착시키기 위해 사용되는 것이다.The binder is used to properly attach the positive electrode material to the current collector.
비제한적인 예로, 상기 바인더는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등일 수 있다. 상기 바인더로는 상술한 예들 중 1종 혹은 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.As a non-limiting example, the binder may be a polymer containing polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide, poly It may be vinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, etc. As the binder, one or a mixture of two or more of the examples described above may be used.
상기 바인더의 함량은 적절한 수준의 접착성을 발현하면서도 배터리의 용량 감소를 유발하지 않는 범위에서 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상기 바인더의 함량은 상기 양극재의 총 중량 대비 1 중량% 내지 10 중량% 혹은 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.The content of the binder can be adjusted within a range that does not cause a decrease in battery capacity while maintaining an appropriate level of adhesiveness. Preferably, the content of the binder may be 1% to 10% by weight or 1% to 5% by weight based on the total weight of the cathode material.
상기 전류 집전체로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 리튬 이차 전지의 양극에 적용 가능한 것으로 알려진 소재가 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.As the current collector, any material known in the technical field to which the present invention pertains is applicable to the positive electrode of a lithium secondary battery may be used without particular limitation.
비제한적인 예로, 상기 전류 집전체로는 스테인리스 스틸; 알루미늄; 니켈; 티탄; 소성 탄소; 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다As a non-limiting example, the current collector may include stainless steel; aluminum; nickel; titanium; calcined carbon; Alternatively, an aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used.
바람직하게는, 상기 전류 집전체는 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 양극재의 접착력을 높이기 위하여, 상기 전류 집전체는 그 표면에 미세한 요철이 형성된 것일 수 있다. 상기 전류 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 가질 수 있다.Preferably, the current collector may have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛. In order to increase the adhesion of the cathode material, the current collector may have fine irregularities formed on its surface. The current collector may have various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
상기 리튬 이차 전지용 양극은 상기 양극 활물질, 상기 도전재, 상기 양극 첨가제, 및 바인더를 포함하는 양극재를 상기 전류 집전체 상에 도포하여 형성될 수 있다.The cathode for a lithium secondary battery may be formed by applying a cathode material including the cathode active material, the conductive material, the cathode additive, and a binder onto the current collector.
발명의 또 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 리튬 이차 전지용 양극; 음극; 분리막; 및 전해질을 포함하는, 리튬 이차 전지가 제공된다.According to another embodiment of the invention, the anode for the lithium secondary battery; cathode; separation membrane; A lithium secondary battery comprising an electrolyte is provided.
상기 리튬 이차 전지는 상기 양극 첨가제를 포함한 양극을 구비한다. 그에 따라, 상기 리튬 이차 전지는 향상된 비가역 용량과 개선된 안전성을 나타낼 수 있다. 그리고, 상기 리튬 이차 전지는 높은 방전 용량, 우수한 출력 특성 및 용량 유지율을 나타낼 수 있다.The lithium secondary battery includes a positive electrode containing the positive electrode additive. Accordingly, the lithium secondary battery can exhibit improved irreversible capacity and improved safety. In addition, the lithium secondary battery can exhibit high discharge capacity, excellent output characteristics, and capacity maintenance rate.
상기 리튬 이차 전지는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 모바일 배터리, 디지털 카메라와 같은 휴대용 전자 기기 분야; 및 전기 자동차, 전기 오토바이, 퍼스널 모빌리티 디바이스와 같은 이동 수단 분야에서 향상된 성능과 안전성을 갖는 에너지 공급원으로 이용될 수 있다.The lithium secondary battery is used in the field of portable electronic devices such as mobile phones, laptop computers, tablet computers, mobile batteries, and digital cameras; And it can be used as an energy source with improved performance and safety in the field of transportation such as electric vehicles, electric motorcycles, and personal mobility devices.
상기 리튬 이차 전지는 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 케이스를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 양극, 상기 음극 및 상기 분리막은 전해질에 함침되어 있을 수 있다.The lithium secondary battery may include an electrode assembly wound with a separator between the positive electrode and the negative electrode, and a case in which the electrode assembly is built. In addition, the anode, the cathode, and the separator may be impregnated with an electrolyte.
상기 리튬 이차 전지는 각형, 원통형, 파우치형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.The lithium secondary battery may have various shapes, such as prismatic, cylindrical, or pouch-shaped.
상기 양극에 관한 사항은 상기 리튬 이차 전지용 양극의 항목에서 설명된 내용으로 갈음한다.Details regarding the positive electrode are replaced with those described in the section on the positive electrode for lithium secondary batteries.
상기 음극은 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극재; 그리고 상기 음극재를 지지하는 전류 집전체를 포함할 수 있다.The negative electrode includes a negative electrode material including a negative electrode active material, a conductive material, and a binder; And it may include a current collector supporting the negative electrode material.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질, 및 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.The negative electrode active material includes a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, and a transition metal oxide. It can be included.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소질 물질로서 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소질 물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 키쉬 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitches), 메조페이스 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 석유 또는 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes), 연화 탄소(soft carbon), 및 경화 탄소(hard carbon) 등일 수 있다.Examples of materials that can reversibly intercalate and deintercalate lithium ions include crystalline carbon, amorphous carbon, or mixtures thereof as carbonaceous materials. Specifically, the carbonaceous material includes natural graphite, artificial graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitches, mesophase pitch based carbon fiber, These may be meso-carbon microbeads, petroleum or coal tar pitch derived cokes, soft carbon, and hard carbon.
상기 리튬 금속의 합금은 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, Sn, Bi, Ga, 및 Cd로 이루어진 군에서 선택되는 금속과 리튬의 합금일 수 있다.The alloy of the lithium metal is Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, Sn, Bi, Ga, and Cd. It may be an alloy of lithium and a metal selected from the group consisting of.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질은 Si, Si-C 복합체, SiOx (0<x<2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이 금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다; 단, Si는 제외한다), Sn, SnO2, Sn-R 합금(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이 금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다; 단, Sn은 제외한다.) 등일 수 있다. 그리고, 상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 상기 예들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 Q 및 R은 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 등일 수 있다.Materials capable of doping and dedoping lithium include Si, Si-C composite, SiOx (0<x<2), Si-Q alloy (where Q is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, and a group 15 elements selected from the group consisting of group 16 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof; however, Si is excluded), Sn, SnO 2 , and Sn-R alloy (where R is an alkali metal, alkali). It may be an element selected from the group consisting of earth metals, group 13 elements, group 14 elements, group 15 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof; however, Sn is excluded). And, as a material capable of doping and dedoping lithium, at least one of the above examples and SiO 2 can be used in combination. Q and R are Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe , Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S , Se, Te, Po, etc.
그리고, 상기 전이 금속 산화물은 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 리튬 티타늄 산화물 등일 수 있다.And, the transition metal oxide may be vanadium oxide, lithium vanadium oxide, lithium titanium oxide, etc.
바람직하게는, 상기 음극은 탄소질 물질 및 규소 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 음극 활물질을 포함할 수 있다.Preferably, the negative electrode may include one or more negative electrode active materials selected from the group consisting of carbonaceous materials and silicon compounds.
즉, 발명의 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 리튬 이차 전지용 양극; 탄소질 물질 및 규소 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 음극 활물질을 포함하는 음극; 분리막; 및 전해질을 포함하는, 리튬 이차 전지가 제공된다.That is, according to another embodiment of the invention, the anode for the lithium secondary battery; A negative electrode containing at least one negative electrode active material selected from the group consisting of carbonaceous materials and silicon compounds; separation membrane; A lithium secondary battery comprising an electrolyte is provided.
여기서, 상기 탄소질 물질은, 앞서 예시된, 천연 흑연, 인조 흑연, 키쉬 흑연, 열분해 탄소, 메조페이스 피치, 메조페이스 피치계 탄소섬유, 탄소 미소구체, 석유 또는 석탄계 코크스, 연화 탄소, 및 경화 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질이다. 그리고, 상기 규소 화합물은, 앞서 예시된 Si를 포함하는 화합물, 즉 Si, Si-C 복합체, SiOx (0<x<2), 상기 Si-Q 합금, 이들의 혼합물, 또는 이들 중 적어도 하나와 SiO2의 혼합물일 수 있다.Here, the carbonaceous material is, as previously exemplified, natural graphite, artificial graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch, mesophase pitch-based carbon fiber, carbon microspheres, petroleum or coal-based coke, softened carbon, and hardened carbon. It is one or more substances selected from the group consisting of. And, the silicon compound is a compound containing Si as previously exemplified, that is, Si, Si-C composite, SiOx (0<x<2), the Si-Q alloy, a mixture thereof, or at least one of these and SiO It may be a mixture of 2 .
일 실시 예에 따르면, 상기 음극 활물질은 상기 음극재의 총 중량 대비 85 중량% 내지 98 중량%로 포함될 수 있다.According to one embodiment, the negative electrode active material may be included in an amount of 85% to 98% by weight based on the total weight of the negative electrode material.
구체적으로, 상기 음극 활물질의 함량은 상기 음극재의 총 중량 대비 85 중량% 이상, 혹은 87 중량% 이상, 혹은 90 중량% 이상; 그리고, 98 중량% 이하, 혹은 97 중량% 이하, 혹은 95 중량% 이하일 수 있다.Specifically, the content of the negative electrode active material is 85% by weight or more, or 87% by weight, or 90% by weight or more, based on the total weight of the negative electrode material; And, it may be 98% by weight or less, or 97% by weight or less, or 95% by weight or less.
바람직하게는, 상기 음극 활물질의 함량은 상기 음극재의 총 중량 대비 85 중량% 내지 97 중량%, 혹은 87 중량% 내지 97 중량%, 혹은 87 중량% 내지 95 중량%, 혹은 90 중량% 내지 95 중량%일 수 있다.Preferably, the content of the negative electrode active material is 85% to 97% by weight, or 87% to 97% by weight, or 87% to 95% by weight, or 90% to 95% by weight, relative to the total weight of the negative electrode material. It can be.
상기 음극재에 포함되는 상기 도전재와 상기 바인더, 그리고 상기 전류 집전체에 대해서는 상기 리튬 이차 전지용 양극의 항목에서 설명된 내용으로 갈음한다.The conductive material, the binder, and the current collector included in the negative electrode material are replaced with the information described in the section on the positive electrode for a lithium secondary battery.
상기 분리막은 양극과 음극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공한다. 상기 분리막으로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 리튬 이차 전지의 세퍼레이터에 적용 가능한 것으로 알려진 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 분리막은 전해질의 이온 이동에 대해 낮은 저항을 가지면서 전해질에 대한 젖음성이 우수한 것이 바람직하다.The separator separates the anode and cathode and provides a passage for lithium ions. As the separator, any membrane known in the technical field to which the present invention pertains is applicable to a separator of a lithium secondary battery may be used without particular limitation. The separator preferably has low resistance to ion movement in the electrolyte and has excellent wettability to the electrolyte.
구체적으로는 상기 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체, 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조된 다공성 고분자 필름일 수 있다. 상기 분리막은 상기 다공성 고분자 필름이 2 층 이상으로 적층된 다층막일 수 있다. 상기 분리막은 유리 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유 등을 포함하는 부직포일 수 있다. 그리고, 상기 분리막은 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 코팅된 것일 수 있다.Specifically, the separator may be a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, ethylene-butene copolymer, ethylene-hexene copolymer, and ethylene-methacrylate copolymer. The separator may be a multilayer membrane in which two or more layers of the porous polymer film are stacked. The separator may be a non-woven fabric containing glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc. Additionally, the separator may be coated with a ceramic component or polymer material to ensure heat resistance or mechanical strength.
한편, 상기 전해질로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 리튬 이차 전지에 적용 가능한 것으로 알려진 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질은 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등일 수 있다.Meanwhile, the electrolyte may be used without particular limitation as long as it is known to be applicable to lithium secondary batteries in the technical field to which the present invention pertains. For example, the electrolyte may be an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, a molten inorganic electrolyte, etc.
구체적으로, 상기 전해질은 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.Specifically, the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.
상기 비수성 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다.The non-aqueous organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
구체적으로, 상기 비수성 유기 용매는 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 및 ε-카프로락톤(ε-caprolactone)과 같은 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 및 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran)과 같은 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone)과 같은 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 및 플루오로벤젠(fluorobenzene)과 같은 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 메틸 에틸 카보네이트(methyl ethyl carbonate, MEC), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 및 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC)와 같은 카보네이트계 용매; 에틸알코올 및 이소프로필 알코올과 같은 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다)과 같은 니트릴류; 디메틸포름아미드와 같은 아미드류; 1,3-디옥솔란과 같은 디옥솔란류; 및 설포란(sulfolane) 등일 수 있다.Specifically, the non-aqueous organic solvent includes ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-caprolactone; ether-based solvents such as dibutyl ether and tetrahydrofuran; Ketone-based solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), and carbonate-based solvents such as propylene carbonate (PC); alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C2 to C20 straight-chain, branched or ring-structured hydrocarbon group, and may include a double bond aromatic ring or ether bond); Amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; and sulfolane.
상기 예들 중에서도 상기 비수성 유기 용매로 카보네이트계 용매가 바람직하게 사용될 수 있다.Among the above examples, a carbonate-based solvent may be preferably used as the non-aqueous organic solvent.
특히, 전지의 충방전 성능 및 상기 희생 양극재와의 상용성을 고려하여, 상기 비수성 유기 용매로는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트) 및 저점도의 선형 카보네이트(예를 들어, 에틸 메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트)의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 이 경우 상기 환형 카보네이트와 상기 선형 카보네이트를 1:1 내지 1:9의 부피 비로 혼합하여 사용하는 것이 상술한 성능의 발현에 유리할 수 있다.In particular, considering the charge/discharge performance of the battery and compatibility with the sacrificial cathode material, the non-aqueous organic solvent may be a cyclic carbonate (e.g., ethylene carbonate, propylene carbonate) with high ionic conductivity and high dielectric constant and a low viscosity. Mixtures of linear carbonates (e.g., ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate) may be preferably used. In this case, it may be advantageous to achieve the above-mentioned performance by mixing the cyclic carbonate and the linear carbonate at a volume ratio of 1:1 to 1:9.
또한, 상기 비수성 유기 용매로는 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 1:2 내지 1:10의 부피 비로 혼합한 것; 또는 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC) 및 디메틸 카보네이트(DMC)를 1~3 : 1~9 : 1의 부피 비로 혼합한 것이 바람직하게 사용될 수 있다.In addition, the non-aqueous organic solvent includes ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) mixed at a volume ratio of 1:2 to 1:10; Alternatively, a mixture of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 1 to 3:1 to 9:1 may be preferably used.
상기 전해질에 포함되는 상기 리튬염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 한다.The lithium salt contained in the electrolyte is dissolved in the non-aqueous organic solvent and acts as a source of lithium ions in the battery, enabling the operation of a basic lithium secondary battery and promoting the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. It plays a role.
구체적으로, 상기 리튬염은 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO2F)2 (LiFSI, lithium bis(fluorosulfonyl)imide), LiCl, LiI, 및 LiB(C2O4)2 등일 수 있다. 바람직하게는, 상기 리튬염은 LiPF6, LiFSI, 및 이들의 혼합물일 수 있다.Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(SO 2 F) 2 (LiFSI, lithium bis(fluorosulfonyl)imide), LiCl, LiI, and LiB(C 2 O4) It could be 2nd place. Preferably, the lithium salt may be LiPF 6 , LiFSI, or a mixture thereof.
상기 리튬염은 상기 전해질에 0.1 M 내지 2.0 M의 농도로 포함될 수 있다. 상기 농도 범위로 포함되는 리튬염은, 상기 전해질에 적절한 전도도와 점도를 부여함으로써 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있게 한다.The lithium salt may be included in the electrolyte at a concentration of 0.1 M to 2.0 M. The lithium salt contained in the above concentration range enables excellent electrolyte performance by providing appropriate conductivity and viscosity to the electrolyte.
선택적으로, 상기 전해질에는 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 한 첨가제들이 포함될 수 있다.Optionally, the electrolyte may contain additives for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity.
예를 들어, 상기 첨가제는 디플루오로 에틸렌카보네이트와 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(n-glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등일 수 있다. 상기 첨가제는 상기 전해질의 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.For example, the additives include haloalkylene carbonate compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and tria hexaphosphate. It may be mead, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. . The additive may be included in an amount of 0.1% to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
본 발명에 따르면, 비가역 용량의 향상을 가능하게 하면서도 안정적인 결정상을 가져 리튬 이차 전지의 안전성을 개선할 수 있는 양극 첨가제가 제공된다.According to the present invention, a positive electrode additive is provided that can improve the safety of lithium secondary batteries by having a stable crystalline phase while enabling improvement of irreversible capacity.
도 1 내지 도 4는 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 양극 첨가제에 대한 X-선 회절(XRD) 분석 결과이다.Figures 1 to 4 show the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of the positive electrode additives prepared in Examples and Comparative Examples of the invention.
이하 발명의 구체적인 실시예들을 통해 발명의 작용과 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 예시로서 제시되는 것이다. 이하의 실시예들을 통해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것을 의도하지 않으며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백할 것이다.Hereinafter, the operation and effect of the invention will be described in more detail through specific examples of the invention. However, this is presented as an example to aid understanding of the invention. It is not intended that the scope of the invention is limited in any way through the following examples, and it will be clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and technical idea of the present invention.
실시예 1Example 1
(1) 양극 첨가제의 제조(1) Preparation of anode additives
다음의 방법으로 0.8(Li2Ni0.75Cu0.25O2)-0.2(Li5FeO4) 화합물을 합성하였다.Compound 0.8(Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 )-0.2(Li 5 FeO 4 ) was synthesized by the following method.
Li2O (Ganfeng Lithium 社), NiO (Sigma-Aldrich 社), CuO (Sigma-Aldrich 社), 및 Fe2O3 (Sigma-Aldrich 社)를 상기 당량비 대로 혼합하여 총 50 g의 전구체 혼합물을 준비하였다. 상기 전구체 혼합물을 믹서기(Tefal 社 BL142-AKR)에 넣어 5 분 이상 섞었다. 상기 전구체 혼합물을 알루미나 도가니에 담고 도가니 뚜껑을 닫았다. 상기 도가니를 가스압 소결로(gas pressure sintering furnace)에 넣고 N2 가스 분위기 및 700 ℃ 하에서 12 시간 동안 열처리 후 냉각하였다. 이렇게 얻은 상기 화합물 입자를 jaw crusher (Retsch 社 BB50)에 넣고 날 간격(gap) 2 mm로 조분쇄한 후 pin mill (Retsch 社 ZM200)에서 18,000 rpm으로 분쇄하였다. 분쇄된 상기 화합물 입자를 분체기(sieve shaker)를 이용하여 입경 38 ㎛ 이하로 분급하였다.Prepare a total of 50 g of precursor mixture by mixing Li 2 O (Ganfeng Lithium), NiO (Sigma-Aldrich), CuO (Sigma-Aldrich), and Fe 2 O 3 (Sigma-Aldrich) in the above equivalence ratio. did. The precursor mixture was placed in a blender (BL142-AKR, Tefal) and mixed for more than 5 minutes. The precursor mixture was placed in an alumina crucible and the crucible lid was closed. The crucible was placed in a gas pressure sintering furnace, heat treated for 12 hours at 700° C. in an N 2 gas atmosphere, and then cooled. The compound particles thus obtained were placed in a jaw crusher (Retsch BB50), coarsely crushed with a blade gap of 2 mm, and then ground in a pin mill (Retsch ZM200) at 18,000 rpm. The pulverized compound particles were classified into particle sizes of 38 ㎛ or less using a sieve shaker.
(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Manufacturing of lithium secondary batteries
상기 0.8(Li2Ni0.75Cu0.25O2)-0.2(Li5FeO4) 화합물, 도전재로 카본블랙, 및 바인더로 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF)를 95 : 3 : 2의 중량비로 유기용매(N-메틸-2-피롤리돈)에 혼합하여 양극재 슬러리를 제조하였다. 두께 15 ㎛의 알루미늄 호일인 전류 집전체의 일면에 상기 양극재 슬러리를 도포하고, 압연 및 건조하여 양극을 제조하였다(타발 사이즈 Φ14mm).The above 0.8(Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 )-0.2(Li 5 FeO 4 ) compound, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in an organic solvent at a weight ratio of 95:3:2. A cathode material slurry was prepared by mixing with (N-methyl-2-pyrrolidone). The positive electrode material slurry was applied to one side of a current collector, which was an aluminum foil with a thickness of 15 ㎛, and was rolled and dried to produce a positive electrode (punch size Φ14 mm).
상기 양극, 음극, 분리막, 및 전해액을 준비하여 코인 형태의 하프-셀을 제조하였다. 이때, 상기 음극으로는 300 ㎛ 두께의 Li-metal (타발 사이즈 Φ15mm)이 사용되었다. 상기 전해액으로는 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 1 : 2 : 1의 부피비로 혼합한 비수성 유기 용매에 1.0 M의 LiPF6 및 2 중량%의 비닐렌 카보네이트(VC)를 용해시킨 것이 사용되었다. 그리고, 상기 분리막으로는 PE 수지제 분리막(W-scope사 제조, WL20C, 20 ㎛)이 사용되었다.A coin-shaped half-cell was manufactured by preparing the anode, cathode, separator, and electrolyte solution. At this time, Li-metal (punch size Φ15mm) with a thickness of 300 ㎛ was used as the cathode. The electrolyte solution is a non-aqueous organic solvent mixed with ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1:2:1, 1.0 M of LiPF 6 , and 2% by weight of vinylene. Dissolved carbonate (VC) was used. And, as the separator, a PE resin separator (manufactured by W-scope, WL20C, 20 ㎛) was used.
실시예 2Example 2
(1) 양극 첨가제의 제조(1) Preparation of anode additives
전구체들의 당량비를 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 0.7(Li2Ni0.75Cu0.25O2)-0.3(Li5FeO4) 화합물을 합성하였다.0.7(Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 )-0.3(Li 5 FeO 4 ) compound was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the equivalence ratio of the precursors was changed.
(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Manufacturing of lithium secondary batteries
양극 첨가제로 상기 0.7(Li2Ni0.75Cu0.25O2)-0.3(Li5FeO4) 화합물을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that the 0.7(Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 )-0.3(Li 5 FeO 4 ) compound was used as a positive electrode additive.
비교예 1Comparative Example 1
(1) 양극 첨가제의 제조(1) Preparation of anode additives
Li2O (Ganfeng Lithium 社), NiO (Sigma-Aldrich 社), 및 Fe2O3 (Sigma-Aldrich 社)를 Li : Fe : Ni의 몰 비가 2.6 : 0.2 : 0.8이 되도록 혼합하여 총 50 g의 전구체 혼합물을 준비하였다. 상기 전구체 혼합물을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 첨가제를 제조하였다. 하기 XRD 분석 결과에 따르면, 상기 비교예 1에 따른 양극 첨가제는 Li5FeO4 및 NiO의 혼합물로 확인된다.Li 2 O (Ganfeng Lithium), NiO (Sigma-Aldrich), and Fe 2 O 3 (Sigma-Aldrich) were mixed so that the molar ratio of Li: Fe: Ni was 2.6: 0.2: 0.8, and a total of 50 g was added. A precursor mixture was prepared. A positive electrode additive was prepared in the same manner as Example 1, except that the precursor mixture was used. According to the following XRD analysis results, the positive electrode additive according to Comparative Example 1 was confirmed to be a mixture of Li 5 FeO 4 and NiO.
(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Manufacturing of lithium secondary batteries
상기 양극 첨가제를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that the positive electrode additive was used.
비교예 2Comparative Example 2
(1) 양극 첨가제의 제조(1) Preparation of anode additives
Li2O (Ganfeng Lithium 社), NiO (Sigma-Aldrich 社), 및 CoO (Sigma-Aldrich 社)를 Li : Co : Ni의 몰 비가 3.2 : 0.3 : 0.7이 되도록 혼합하여 총 50 g의 전구체 혼합물을 준비하였다. 상기 전구체 혼합물을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 첨가제를 제조하였다. 하기 XRD 분석 결과에 따르면, 상기 비교예 2에 따른 양극 첨가제는 Li2NiO2 및 Li6CoO4의 혼합물로 확인된다.A total of 50 g of precursor mixture was prepared by mixing Li 2 O (Ganfeng Lithium), NiO (Sigma-Aldrich), and CoO (Sigma-Aldrich) at a Li:Co:Ni molar ratio of 3.2:0.3:0.7. Ready. A positive electrode additive was prepared in the same manner as Example 1, except that the precursor mixture was used. According to the following XRD analysis results, the positive electrode additive according to Comparative Example 2 was confirmed to be a mixture of Li 2 NiO 2 and Li 6 CoO 4 .
(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Manufacturing of lithium secondary batteries
상기 양극 첨가제를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that the positive electrode additive was used.
비교예 3Comparative Example 3
(1) 양극 첨가제의 제조(1) Preparation of anode additives
Li2O (Ganfeng Lithium 社), NiO (Sigma-Aldrich 社), 및 MnO2 (Sigma-Aldrich 社)를 Li : Mn : Ni의 몰 비가 2.8 : 0.2 : 0.8이 되도록 혼합하여 총 50 g의 전구체 혼합물을 준비하였다. 상기 전구체 혼합물을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 첨가제를 제조하였다. 하기 XRD 분석 결과에 따르면, 상기 비교예 3에 따른 양극 첨가제는 Li2NiO2 및 NiO의 혼합물로 확인된다.Li 2 O (Ganfeng Lithium), NiO (Sigma-Aldrich), and MnO 2 (Sigma-Aldrich) were mixed at a Li:Mn:Ni molar ratio of 2.8:0.2:0.8 to produce a total of 50 g of precursor mixture. prepared. A positive electrode additive was prepared in the same manner as Example 1, except that the precursor mixture was used. According to the following XRD analysis results, the positive electrode additive according to Comparative Example 3 was confirmed to be a mixture of Li 2 NiO 2 and NiO.
(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Manufacturing of lithium secondary batteries
상기 양극 첨가제를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that the positive electrode additive was used.
비교예 4Comparative Example 4
(1) 양극 첨가제의 제조(1) Preparation of anode additives
Li2O (Ganfeng Lithium 社), NiO (Sigma-Aldrich 社) 및 CuO (Sigma-Aldrich 社)를 Li : Ni : Cu의 몰 비가 2 : 0.75 : 0.25가 되도록 혼합하였다. 상기 혼합물을 프레스를 이용하여 펠렛 형태로 제조하고, Ar 분위기 하에 750 ℃로 소성하여 Li2Ni0.75Cu0.25O2 입자를 얻었다. 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 상기 Li2Ni0.75Cu0.25O2 입자를 분쇄 후 분급하였다.Li 2 O (Ganfeng Lithium), NiO (Sigma-Aldrich), and CuO (Sigma-Aldrich) were mixed so that the molar ratio of Li:Ni:Cu was 2:0.75:0.25. The mixture was prepared in the form of pellets using a press, and fired at 750° C. in an Ar atmosphere to obtain Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 particles. The Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 particles were pulverized and classified in the same manner as in Example 1.
Li2O (Ganfeng Lithium 社) 및 Fe2O3 (Sigma-Aldrich 社)를 Li : Fe의 몰 비가 5 : 1이 되도록 혼합하였다. 상기 혼합물을 프레스를 이용하여 펠렛 형태로 제조하고, Ar 분위기 하에 750 ℃로 소성하여 Li5FeO4 입자를 얻었다. 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 상기 Li5FeO4 입자를 분쇄 후 분급하였다.Li 2 O (Ganfeng Lithium) and Fe 2 O 3 (Sigma-Aldrich) were mixed so that the Li:Fe molar ratio was 5:1. The mixture was prepared in the form of pellets using a press and calcined at 750°C in an Ar atmosphere to obtain Li 5 FeO 4 particles. The Li 5 FeO 4 particles were pulverized and classified in the same manner as in Example 1.
믹서기(Tefal 社 BL142-AKR)에 상기 Li2Ni0.75Cu0.25O2 입자와 상기 Li5FeO4 입자를 8 : 2의 중량비로 넣고 5 분 이상 섞어 양극 첨가제를 제조하였다.A positive electrode additive was prepared by adding the Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 particles and the Li 5 FeO 4 particles in a mixer (BL142-AKR, Tefal) at a weight ratio of 8:2 and mixing for at least 5 minutes.
(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Manufacturing of lithium secondary batteries
상기 양극 첨가제를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that the positive electrode additive was used.
시험예Test example
(1) X-선 회절 분석(1) X-ray diffraction analysis
XRD 분석 장비(Bruker 社 D4 Endeavor, Cu Kα X-선(X-rα))를 이용하여 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 양극 첨가제에 대해 분말 X-선 회절 분석을 실시하였다. 그 결과를 도 1 (실시예 1), 도 2 (비교예 1), 도 3 (비교예 2), 및 도 4 (비교예 3)에 나타내었다.Powder X-ray diffraction analysis was performed on the positive electrode additives prepared in the above examples and comparative examples using XRD analysis equipment (Bruker D4 Endeavor, Cu Kα X-ray (X-rα)). The results are shown in Figure 1 (Example 1), Figure 2 (Comparative Example 1), Figure 3 (Comparative Example 2), and Figure 4 (Comparative Example 3).
도 1을 참고하면, 상기 실시예 1의 0.8(Li2Ni0.75Cu0.25O2)-0.2(Li5FeO4) 화합물에서는 Li2Ni0.75Cu0.25O2 결정상으로부터 기인한 19°±0.5° 및 26°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들, Li5FeO4 결정상으로부터 기인한 21.5°±0.5° 및 24°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들, 그리고 미반응 니켈 전구체(NiO)로부터 기인한 37°±0.5° 및 43°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들이 관찰되었다.Referring to Figure 1, in the 0.8(Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 )-0.2(Li 5 FeO 4 ) compound of Example 1, 19°±0.5° resulting from the Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 crystal phase and Peaks appearing at 2θ of 26°±0.5°, peaks appearing at 21.5°±0.5° and 24°±0.5° resulting from the Li 5 FeO 4 crystalline phase, and 37 originating from unreacted nickel precursor (NiO). Peaks appearing at 2θ of °±0.5° and 43°±0.5° were observed.
도 2를 참고하면, 상기 비교예 1에서는 Li2NiO2 결정상에 의한 특성 피크가 거의 관찰되지 않았고, Li2NiO2-Li5FeO4 복합 결정상에서 기인한 특성 피크는 관찰되지 않았으며, NiO에서 기인한 특성 피크가 강하게 나타났다.Referring to FIG. 2, in Comparative Example 1, almost no characteristic peaks due to the Li 2 NiO 2 crystal phase were observed, no characteristic peaks due to the Li 2 NiO 2 -Li 5 FeO 4 composite crystal phase were observed, and in NiO The resulting characteristic peak appeared strongly.
도 3을 참고하면, 상기 비교예 2에서는 Li2NiO2 결정상 및 Li6CoO4 결정상의 복합 결정상에서 기인한 특성 피크가 약하게 관찰되었으나, 미반응 Li2O 및 NiO가 다량 잔류하는 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 3, in Comparative Example 2, a weak characteristic peak resulting from the composite crystal phase of the Li 2 NiO 2 crystal phase and Li 6 CoO 4 crystal phase was observed, but it was confirmed that a large amount of unreacted Li 2 O and NiO remained.
도 4를 참고하면, 상기 비교예 3에서는 Li2NiO2 결정상에 의한 특성 피크가 약하게 관찰되었을 뿐, Li2NiO2-Li6MnO4 복합 결정상에서 기인한 특성 피크는 관찰되지 않았고, Li2O 및 NiO가 다량 잔류하는 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 4, in Comparative Example 3, only a weak characteristic peak due to the Li 2 NiO 2 crystal phase was observed, and no characteristic peak due to the Li 2 NiO 2 -Li 6 MnO 4 composite crystal phase was observed, and Li 2 O And it was confirmed that a large amount of NiO remained.
(2) 충방전 용량 및 가스 발생량(2) Charge/discharge capacity and gas generation amount
상기 실시예 1, 상기 실시예 2 및 상기 비교예 4에서 제조된 리튬 이차 전지를 45 ℃ 하의 constant current 60 mA/g 및 constant voltage 30 mA/g 하에서 4.25 V가 될 때까지 충전하고 constant current 10 mA/g 하에서 2.5 V까지 방전하여 충방전 실험을 진행하였다. 상기 충방전 실험을 통해 1차 충전 용량 및 1차 방전 용량을 각각 산출하였다.The lithium secondary batteries prepared in Example 1, Example 2, and Comparative Example 4 were charged until 4.25 V at a constant current of 60 mA/g and a constant voltage of 30 mA/g at 45°C, and the constant current was 10 mA. A charge/discharge experiment was conducted by discharging to 2.5 V under /g. Through the above charging and discharging experiment, the primary charging capacity and primary discharging capacity were calculated, respectively.
그리고, 비중계(MATSUHAKU, TWD-150DM)를 이용하여 상기 충방전 실험에서의 가스 발생량을 측정하였다. 상기 리튬 이차 전지의 원래 무게와 물 속에서의 무게 차이를 측정하고, 상기 전지 내의 부피의 변화를 계산하였으며, 부피의 변화량을 양극 첨가제의 무게로 나누어 무게당 가스 발생량을 계산하였다.Then, the amount of gas generated in the charge and discharge experiment was measured using a hydrometer (MATSUHAKU, TWD-150DM). The difference between the original weight of the lithium secondary battery and the weight in water was measured, the change in volume within the battery was calculated, and the amount of gas generated per weight was calculated by dividing the change in volume by the weight of the positive electrode additive.
(mAh/g)Primary charging capacity
(mAh/g)
(mAh/g)Primary discharge capacity
(mAh/g)
(mAh/g)irreversible capacity
(mAh/g)
가스 발생량
(mL/g)Formation
amount of gas generated
(mL/g)
상기 시험예의 결과를 참고하면, 상기 실시예에서는 Li2Ni0.75Cu0.25O2 결정상 및 Li5FeO4 결정상을 포함하는 복합 결정상의 화합물이 얻어졌으며, 상기 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지는 상기 비교예 4와 대비하여 동등 이상의 비가역 용량을 나타내면서 가스 발생을 억제할 수 있는 것으로 확인된다.Referring to the results of the above test example, in this example, a complex crystalline compound containing a Li 2 Ni 0.75 Cu 0.25 O 2 crystal phase and a Li 5 FeO 4 crystal phase was obtained, and the lithium secondary battery containing the compound was obtained in the comparative example. Compared to 4, it is confirmed that gas generation can be suppressed while exhibiting an irreversible capacity equal to or greater than that of 4.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with limited examples, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the patents described below will be understood by those skilled in the art. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalence of the claims.
Claims (12)
[화학식 1]
a(Li2Ni1-xCuxO2)-b(LiyMOz)
상기 화학식 1에서,
M은 Co, Mn 또는 Fe이고,
a 및 b는 상기 화학식 1의 화합물에 포함된 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 LiyMOz 결정상의 몰 비로서 0.5 ≤ a ≤ 0.9 및 0.1 ≤ b ≤ 0.5 이고,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, 및 3 < z < 5 이다.
A positive electrode additive for a lithium secondary battery comprising a compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
a(Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 )-b(Li y MO z )
In Formula 1,
M is Co, Mn or Fe,
a and b are the molar ratio of the Li 2 Ni 1-x Cu
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, and 3 < z < 5.
상기 화학식 1의 화합물은 상기 Li2Ni1-xCuxO2 결정상 및 상기 LiyMOz 결정상이 혼재하는 복합 결정상을 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제.
According to claim 1,
The compound of Formula 1 has a composite crystal phase in which the Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 crystal phase and the Li y MO z crystal phase coexist, a positive electrode additive for a lithium secondary battery.
상기 화학식 1의 화합물은 Cu Kα X-선 (X-rα)에 의한 분말 X-선 회절 분석시 19°±0.5°, 26°±0.5°, 37°±0.5°, 및 43°±0.5°의 2θ에서 나타나는 피크들을 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제.
According to claim 1,
The compound of Formula 1 has 19°±0.5°, 26°±0.5°, 37°±0.5°, and 43°±0.5° when analyzed by powder X-ray diffraction by Cu Kα X-ray (X-rα). A positive electrode additive for lithium secondary batteries, which has peaks that appear at 2θ.
를 포함하는, 제 1 항에 따른 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법:
[화학식 1]
a(Li2Ni1-xCuxO2)-b(LiyMOz)
상기 화학식 1에서,
M은 Co, Mn 또는 Fe이고,
a 및 b는 상기 화학식 1의 화합물에 포함된 Li2Ni1-xCuxO2 및 LiyMOz의 몰 비로서 0.5 ≤ a ≤ 0.9 및 0.1 ≤ b ≤ 0.5 이고,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, 및 3 < z < 5 이다.
Forming a compound represented by Formula 1 below by heat-treating a precursor mixture including a lithium precursor, a nickel precursor, a copper precursor, and the precursor M below under an inert gas atmosphere.
Method for producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery according to claim 1, comprising:
[Formula 1]
a(Li 2 Ni 1-x Cu x O 2 )-b(Li y MO z )
In Formula 1,
M is Co, Mn or Fe,
a and b are the molar ratio of Li 2 Ni 1-x Cu
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 3 < y < 7, and 3 < z < 5.
상기 열처리는 불활성 기체 분위기 및 600 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 하에서 3 시간 내지 18 시간 동안 수행되는, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법.
According to claim 4,
The heat treatment is performed for 3 hours to 18 hours in an inert gas atmosphere and at a temperature of 600 ℃ to 1000 ℃.
상기 리튬 전구체는 리튬 산화물, 리튬 수산화물, 또는 리튬 탄산염인, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법.
According to claim 4,
A method of producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery, wherein the lithium precursor is lithium oxide, lithium hydroxide, or lithium carbonate.
상기 니켈 전구체는 니켈 산화물, 니켈 수산화물, 니켈 황산염, 니켈 질산염, 니켈 아세트산염, 니켈 탄산염, 니켈 옥살산염, 니켈 시트르산염, 니켈 할라이드, 니켈 인산염, 및 이들의 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법.
According to claim 4,
The nickel precursor is one or more compounds selected from the group consisting of nickel oxide, nickel hydroxide, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel acetate, nickel carbonate, nickel oxalate, nickel citrate, nickel halide, nickel phosphate, and hydroxides thereof. Method for producing cathode additives for phosphorus and lithium secondary batteries.
상기 구리 전구체는 구리 산화물, 구리 수산화물, 구리 황산염, 구리 질산염, 구리 아세트산염, 구리 탄산염, 구리 옥살산염, 구리 시트르산염, 구리 할라이드, 구리 인산염, 및 이들의 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법.
According to claim 4,
The copper precursor is one or more compounds selected from the group consisting of copper oxide, copper hydroxide, copper sulfate, copper nitrate, copper acetate, copper carbonate, copper oxalate, copper citrate, copper halide, copper phosphate, and hydroxides thereof. Method for producing cathode additives for phosphorus and lithium secondary batteries.
상기 M의 전구체는 상기 M을 포함하는 산화물, 수산화물, 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 인산염, 및 이들의 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 리튬 이차 전지용 양극 첨가제의 제조 방법.
According to claim 4,
The precursor of M is lithium secondary, which is one or more compounds selected from the group consisting of oxides, hydroxides, sulfates, nitrates, acetates, carbonates, oxalates, citrates, halides, phosphates, and hydroxides thereof containing the M. Method for producing a positive electrode additive for batteries.
A positive electrode for a lithium secondary battery comprising the positive electrode additive according to claim 1.
A positive electrode for a lithium secondary battery according to claim 10; cathode; separation membrane; and a lithium secondary battery comprising an electrolyte.
상기 상기 음극은 탄소질 물질 및 규소 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차 전지.According to claim 11,
A lithium secondary battery, wherein the negative electrode includes at least one negative electrode active material selected from the group consisting of carbonaceous materials and silicon compounds.
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