KR20240115462A - An olivine cathode active material including a hybrid coating film and its production method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 코팅막을 포함하는 올리빈 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 양극 활물질 표면에 비정질 탄소와 고체 전해질을 포함하는 하이브리드 코팅층을 형성하여, 우수한 율속 특성(rate capability) 및 사이클 안정성을 달성함으로써, 전반적인 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to an olivine positive electrode active material including a hybrid coating film and a method of manufacturing the same. By forming a hybrid coating layer containing amorphous carbon and a solid electrolyte on the surface of the positive electrode active material, excellent rate capability and cycle stability are achieved. By achieving this, there is the advantage of improving the overall electrochemical properties.
Description
본 발명은 하이브리드 코팅막을 포함하는 올리빈 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an olivine positive electrode active material including a hybrid coating film and a method of manufacturing the same.
최근 휴대전화, 휴대용개인정보단말기(PDA), 노트PC 등 정보통신용 휴대용 전자기기나, 디지털카메라, 캠코더, MP3 등의 휴대용 전자 기기나 전기자전거, 전기자동차 등의 전원으로, 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 이차전지의 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 현재 시판되는 리튬 전지는 양극에 LiCoO2를, 음극에 탄소를 사용한다.Recently, portable electronic devices for information and communication such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), and notebook PCs, portable electronic devices such as digital cameras, camcorders, and MP3s, and electric bicycles and electric vehicles are continuously charged and discharged. The demand for used secondary batteries is increasing exponentially. Currently commercially available lithium batteries use LiCoO 2 for the anode and carbon for the cathode.
그러나, 양극 활물질의 시작물질인 코발트는 매장량이 적고 고가인 데다가 인체에 대한 독성과 환경오염 문제 때문에 대체 양극 재료 개발이 요망되고 있다. 현재 활발하게 연구 개발되고 있는 양극 활물질 재료로서 LiNiO2, LiCoxNi1-xO2와 LiMn2O4 등을 들 수 있다. LiCoO2와 같은 층상구조를 이루고 있는 LiNiO2는 화학양론비로 재료를 합성하는 데에 어려움이 있을 뿐만 아니라 열적 안정성에 문제가 있어 상품화되지 못하고 있으며, LiMn2O4는 일부가 저가격 제품에 상품화되어 있다. 4V급 스피넬 양극 활물질인 LiMn2O4는 시작물질로 망간을 사용한다는 이점은 가지고 있으나, Mn3+에 기인한 얀텔러 뒤틀림 (Jahn-Teller distortion)이라는 구조변이 때문에 수명 특성이 좋지 않다.However, cobalt, the starting material for positive electrode active materials, has limited reserves and is expensive, and there is a need to develop alternative positive electrode materials due to problems with toxicity to the human body and environmental pollution. Positive electrode active materials currently being actively researched and developed include LiNiO 2 , LiCo x Ni 1-x O 2 and LiMn 2 O 4 . LiNiO 2 , which has a layered structure like LiCoO 2 , is not commercialized due to difficulties in synthesizing materials at stoichiometric ratios and problems with thermal stability, while some of LiMn 2 O 4 are commercialized in low-priced products. . LiMn 2 O 4 , a 4V-class spinel positive electrode active material, has the advantage of using manganese as a starting material, but has poor lifespan characteristics due to a structural variation called Jahn-Teller distortion caused by Mn 3+ .
따라서 보다 경제적이며, 안정성이 있고, 고용량이고, 양호한 사이클 특성을 가진 양극 활물질이 요망되고 있다. 현재 리튬 전지의 양극 활물질로서 올리빈 구조를 갖는 화합물로는 화학식 LixMyPO4(여기서, x는 0<x≤2이고, y는 0.8≤y≤1.2이며, M은 주기율표 3d족 전이금속이다.)를 예로 들 수 있다.Therefore, there is a need for a positive electrode active material that is more economical, stable, has high capacity, and has good cycle characteristics. Currently , compounds with an olivine structure as positive electrode active materials for lithium batteries have the chemical formula Li ) can be given as an example.
LixMyPO4로 표시되는 화합물 중에서 LiFePO4를 리튬 이온 전지의 양극에 사용하는 것이 일본 특허 공개 평9-171827호에 개시되어 있다. LiFePO4는 환경 친화적이고 매장량도 풍부하며 원료가격도 매우 저렴하다. 또한 기존의 양극 활물질 재료보다 쉽게 저전력, 저전압을 구현할 수 있으며, 이론 용량이 170 mAh/g 으로서 전지용량 또한 우수하다. Among the compounds represented by Li LiFePO 4 is environmentally friendly, has abundant reserves, and the raw material price is very cheap. In addition, low power and low voltage can be realized more easily than existing positive electrode active materials, and the battery capacity is also excellent with a theoretical capacity of 170 mAh/g.
그러나, 상기 LiFePO4의 전구체인 올리빈형 LiFePO4의 합성법인 고상반응법과 습식반응법은 입자크기와 입자형상의 제어가 불가능하며 단일입자로 구성된 분말을 합성하기 어렵다. 즉, 작은 비표면적을 억제하며, 높은 부피에너지밀도를 갖는 올리빈형 양극 활물질의 새로운 합성방법이 필요하다.However, the solid-phase reaction method and wet reaction method, which are the synthesis methods of olivine-type LiFePO 4 , which is the precursor of LiFePO 4 , are unable to control particle size and particle shape, and it is difficult to synthesize a powder composed of single particles. In other words, a new method for synthesizing olivine-type positive electrode active materials that suppresses a small specific surface area and has a high volumetric energy density is needed.
LiMnPO4(4.4 V vs. Li/Li+), LiCoPO4(4.8 V vs. Li/Li+) 및 LiNiPO4 (5.1 V vs. Li/Li+)는 높은 작동 전압을 가지며 상업화된 LiFePO4 (3.4 V vs. Li/Li+)보다 높은 에너지밀도를 가진다. 따라서 Fe, Mn, Co 및 Ni을 조합한 올리빈 물질의 고용체를 개발한다면 Fe에 의해 상대적으로 높은 전도성을 가질 뿐만 아니라 Mn, Co, Ni과 같은 이온들에 의해 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.LiMnPO 4 (4.4 V vs. Li/Li + ), LiCoPO 4 (4.8 V vs. Li/Li + ) and LiNiPO 4 (5.1 V vs. Li/Li + ) have higher operating voltages and are superior to commercial LiFePO 4 (3.4 V vs. Li/Li + ). It has a higher energy density than V vs. Li/Li + ). Therefore, if a solid solution of olivine material combining Fe, Mn, Co, and Ni is developed, not only can it have relatively high conductivity due to Fe, but it can also have higher energy density due to ions such as Mn, Co, and Ni.
올리빈 물질은 고유한 낮은 전도성을 갖기에 리튬이온과 전자가 불균형해진다. 이로 인해 리튬 이온 삽입 및 추출이 제한되며 올리빈 양극재의 전기화학적 특성이 악화된다. 탄소코팅에 의해 제공되는 리튬 이온 전도성은 전자 전도성보다 훨씬 작기 때문에 리튬 이온 전도성 코팅은 중요하다. 전자와 리튬 이온 하이브리드 전도층은 리튬이온과 전자의 전도도를 균형 있게 할 것이다. 그러므로 코팅된 물질은 전기화학적 성능을 향상 시킬 수 있다.Olivine materials have inherently low conductivity, so lithium ions and electrons become unbalanced. This limits lithium ion insertion and extraction and deteriorates the electrochemical properties of the olivine cathode material. Lithium ion conductive coatings are important because the lithium ion conductivity provided by carbon coatings is much less than the electronic conductivity. The electron and lithium ion hybrid conductive layer will balance the conductivity of lithium ions and electrons. Therefore, the coated material can improve electrochemical performance.
본 발명의 목적은 양극 활물질 표면에 비정질 탄소와 고체 전해질을 포함하는 하이브리드 코팅층을 형성하여, 우수한 율속 특성(rate capability) 및 사이클 안정성을 달성함으로써, 전반적인 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 양극 활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.The purpose of the present invention is to form a hybrid coating layer containing amorphous carbon and solid electrolyte on the surface of a positive electrode active material, thereby achieving excellent rate capability and cycle stability, thereby improving the overall electrochemical properties and a positive electrode active material thereof. The purpose is to provide a manufacturing method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질 및 상기 양극 활물질의 표면상에 도포되어 있으며, 하기 화학식 1을 만족하는 리튬 이온 전도성 고체전해질 및 탄소 재료를 포함하는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a positive electrode active material having an olivine structure and a coating layer comprising a lithium ion conductive solid electrolyte and a carbon material applied on the surface of the positive electrode active material and satisfying the following formula (1). Provided is a positive electrode active material comprising:
[화학식 1][Formula 1]
Li1+xRxM2-x(PO4)3 Li 1+x R x M 2-x (PO 4 ) 3
상기 화학식 1에서, R은 Al, B, Sn 및 Ge으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속이고, M은 Ti, Ge 및 Hf으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전이금속이며, 0≤x<2이다.In Formula 1, R is one or more metals selected from the group consisting of Al, B, Sn, and Ge, and M is one or more transition metals selected from the group consisting of Ti, Ge, and Hf, and 0≤x<2.
또한, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 전극을 제공한다.Additionally, the present invention provides an electrode containing the positive electrode active material.
또한, 본 발명은 상기 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.Additionally, the present invention provides a lithium secondary battery including the electrode.
또한, 본 발명은 올리빈 전구체, 고체 전해질 전구체 및 탄소 전구체를 준비하는 제 1단계; 올리빈 전구체를 합성하는 제 2단계; 상기 고체 전해질 전구체 및 탄소 전구체를 포함하는 코팅을 위한 전구체를 상기 올리빈 전구체와 혼합하는 제 3단계; 및 상기 코팅을 위한 전구체를 상기 올리빈 전구체와 합성하는 제 4단계를 포함하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention includes a first step of preparing an olivine precursor, a solid electrolyte precursor, and a carbon precursor; A second step of synthesizing olivine precursor; A third step of mixing a coating precursor including the solid electrolyte precursor and a carbon precursor with the olivine precursor; and a fourth step of synthesizing the coating precursor with the olivine precursor.
본 발명은 올리빈 양극 활물질 표면에 비정질 탄소와 고체 전해질을 포함하는 하이브리드 코팅층을 형성하고, 상기 올리빈 양극 활물질의 표면이나 입자들 사이에 전자와 리튬 이온을 위한 이동 통로를 제공하여, 우수한 율속 특성(rate capability) 및 사이클 안정성을 달성함으로써, 전반적인 전기화학적 특성을 향상시킨 양극 활물질을 제공한다.The present invention forms a hybrid coating layer containing amorphous carbon and solid electrolyte on the surface of the olivine positive electrode active material, provides a movement path for electrons and lithium ions between the surface or particles of the olivine positive electrode active material, and provides excellent rate characteristics. By achieving (rate capability) and cycle stability, we provide a positive electrode active material with improved overall electrochemical properties.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 같은 조건에서 합성된 제조된 양극 활물질의 X선 회절(XRD) 그래프로, (a) pristine LFMP, LFMP@C 및 LFMP@C_LATP; (b) pristine LFMCP, LFMCP@C 및 LFMCP@C_LATP; 및 (c)LATP이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질의 EDS 이미지 및 고-분해능 투과 전자 현미경(high-resolution transmission electron microscopy; HR-TEM) 이미지로, (a)는 각 원소 분포에 따른 LFMP@C_LATP의 EDS 층상 이미지로 각각 (b)Fe, (c)Mn, (d)Ti, (e)P, (f)C가 분포된 이미지이다. (g)는 EDS 이미지와 같은 위치에서의 TEM 이미지이고, (h)는 (a, b, d, f 및 g)에서 정사각형으로 표시된 지역에서 재료의 HR-TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질을 EDS 이미지 및 TEM 이미지로, (a)는 각 원소 분포에 따른 LFMCP@C_LATP의 EDS 층상 이미지로 각각(b)Fe, (c)Mn, (d)Co, (e)Ti, (f)P, (g)C. (h)는 (a, b, e 및 g)에서 정사각형으로 표시된 지역에서의 TEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질의 라만 스펙트럼(a,c) 및 열중량분석(TGA) 프로파일(b,d)을 나타낸 그래프이다. 도 4(a) 및 4(b)는 LFMP@C 및 LFMP@C_LATP이고, 도 4(c) 및 4(d)는 LFMCP@C 및 LFMCP@C_LATP의 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질인 pristine LFMP, LFMP@C 및 LFMP@C_LATP를 적용한 전극의 전기화학적 특성을 평가한 그래프로, (a)100 mV/s의 스캔 속도로 전류-전압 프로파일, (b)0.05 C에서 충·방전 프로파일, (c)C-rate 성능, (d)1.0 C에서 장기 사이클 성능을 각각 나타낸다(작동 전압 범위: 2.0∼4.5 V, vs Li/Li+).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질인 pristine LFMCP, LFMCP@C 및 LFMCP@C_LATP를 적용한 전극의 전기화학적 특성을 평가한 그래프로, (a)100 mV/s의 스캔 속도로 전류-전압 프로파일, (b)0.05 C에서 충·방전 프로파일, (c)C-rate 성능, (d)1.0 C에서 장기 사이클 성능을 각각 나타낸다(작동 전압 범위: 2.0∼5.0 V, vs Li/Li+).Figure 1 is an (b) pristine LFMCP, LFMCP@C and LFMCP@C_LATP; and (c) LATP.
Figure 2 is an EDS image and a high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) image of a positive electrode active material manufactured according to an embodiment of the present invention, (a) is LFMP according to the distribution of each element This is an EDS layered image of @C_LATP in which (b) Fe, (c) Mn, (d) Ti, (e) P, and (f) C are distributed, respectively. (g) is the TEM image at the same location as the EDS image, and (h) is the HR-TEM image of the material in the region marked with a square in (a, b, d, f and g).
Figure 3 shows an EDS image and a TEM image of the positive electrode active material manufactured according to an embodiment of the present invention, (a) shows an EDS layered image of LFMCP@C_LATP according to the distribution of each element, (b) Fe, (c) Mn, respectively. , (d)Co, (e)Ti, (f)P, (g)C. (h) is the TEM image in the region marked with a square in (a, b, e and g).
Figure 4 is a graph showing Raman spectra (a, c) and thermogravimetric analysis (TGA) profiles (b, d) of a positive electrode active material manufactured according to an embodiment of the present invention. Figures 4(a) and 4(b) are LFMP@C and LFMP@C_LATP, and Figures 4(c) and 4(d) are result graphs of LFMCP@C and LFMCP@C_LATP.
Figure 5 is a graph evaluating the electrochemical properties of an electrode using pristine LFMP, LFMP@C, and LFMP@C_LATP, which are cathode active materials manufactured according to an embodiment of the present invention, (a) at a scan rate of 100 mV/s. Current-voltage profile, (b) charge/discharge profile at 0.05 C, (c) C-rate performance, and (d) long-term cycle performance at 1.0 C (operating voltage range: 2.0∼4.5 V, vs Li/Li) + ).
Figure 6 is a graph evaluating the electrochemical properties of an electrode using pristine LFMCP, LFMCP@C, and LFMCP@C_LATP, which are cathode active materials manufactured according to an embodiment of the present invention, (a) at a scan rate of 100 mV/s. Current-voltage profile, (b) charge/discharge profile at 0.05 C, (c) C-rate performance, and (d) long-term cycle performance at 1.0 C (operating voltage range: 2.0∼5.0 V, vs Li/Li) + ).
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.
본 발명은 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질; 및 상기 양극 활물질의 표면상에 도포되어 있으며, 하기 화학식 1을 만족하는 리튬 이온 전도성 고체 전해질 및 탄소 재료를 포함하는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 제공한다.The present invention provides a positive electrode active material having an olivine structure; and a coating layer coated on the surface of the positive electrode active material and including a lithium ion conductive solid electrolyte and a carbon material that satisfies the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
Li1+xRxM2-x(PO4)3 Li 1+x R x M 2-x (PO 4 ) 3
상기 화학식 1에서, R은 Al, B, Sn 및 Ge으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속이고, M은 Ti, Ge 및 Hf으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전이금속이며, 0≤x<2이다.In Formula 1, R is one or more metals selected from the group consisting of Al, B, Sn, and Ge, and M is one or more transition metals selected from the group consisting of Ti, Ge, and Hf, and 0≤x<2.
상기 화학식 1을 만족하는 리튬 이온 전도성 고체 전해질 이외에도 금속산화물, 인산염, 상이한 고체 전해질 등 높은 리튬 이온 전도성, 안정성 및 올리빈 물질과의 호환성을 갖는다면 이에 적용될 수 있다.In addition to the lithium ion conductive solid electrolyte that satisfies the above formula (1), it can be applied if it has high lithium ion conductivity, stability, and compatibility with olivine materials such as metal oxides, phosphates, and other solid electrolytes.
상기 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질은 하기 화학식 2를 만족하는 것일 수 있다.The positive electrode active material having the olivine structure may satisfy the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
LiMxM′yM″ZN1-x-y-zPO4 LiM x M′ y M″ Z N 1-xyz PO 4
상기 화학식 2에서, M, M′, M″ 및 N은 서로 독립적으로 Fe, Mn, Co, Ni및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 0≤x,y,z≤1, x+y+z≤1이다. In Formula 2, M, M′, M″, and N are elements independently selected from the group consisting of Fe, Mn, Co, Ni, and combinations thereof, 0≤x,y,z≤1, x+ y+z≤1.
이 때, 상기 양극 활물질은 Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 원소가 도핑된 것일 수 있다.At this time, the positive electrode active material may be doped with one or more metal elements selected from the group consisting of Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, and Al.
상기 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질은 리튬 함유 화합물과 혼합하여 소성함으로써 리튬 이차전지용 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질을 제조할 수 있다. 상기 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질은 구형인 것이 바람직하다. 여기에서, 구형이란 원형, 타원형, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 구형인 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질을 이용하여 리튬 이차전지용 양극 활물질을 제조하는 경우, 구형의 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질을 제조할 수 있어 바람직하다.The positive electrode active material having an olivine structure can be mixed with a lithium-containing compound and fired to produce a positive electrode active material having an olivine structure for a lithium secondary battery. The positive electrode active material having the olivine structure is preferably spherical. Here, the sphere may be selected from the group consisting of a circular shape, an oval shape, and a combination thereof, but is not limited thereto. When manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery using the positive electrode active material having a spherical olivine structure, it is preferable to manufacture a positive electrode active material having a spherical olivine structure.
상기 고체 전해질은 하기 화학식 3을 만족하는 것일 수 있다.The solid electrolyte may satisfy the following formula (3).
[화학식 3][Formula 3]
Li1+yAlyTi2-y(PO4)3 Li 1+y Al y Ti 2-y (PO 4 ) 3
상기 화학식 3에서, 0≤y<2이다.In Formula 3, 0≤y<2.
상기 탄소 전구체는 수크로오스(sucrose), 글루코스(glucose), 락토오스(lactose), 고분자 등의 탄소질 화합물 또는 아세틸렌 블랙(acetylene balck), 탄소 나노튜브, 그래핀 등의 무기 공급원, 나아가 옥살레이트(oxalate), 아세테이트(acetate), 카보네이트(carbonate), 시트르산염(citrate)와 같은 탄소 함유 전구체 등이 사용될 수 있다. The carbon precursor is a carbonaceous compound such as sucrose, glucose, lactose, or polymer, or an inorganic source such as acetylene black, carbon nanotube, or graphene, and further oxalate. , carbon-containing precursors such as acetate, carbonate, and citrate may be used.
또한, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 전극을 제공한다.Additionally, the present invention provides an electrode containing the positive electrode active material.
또한, 본 발명은 상기 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.Additionally, the present invention provides a lithium secondary battery including the electrode.
또한, 본 발명은 올리빈 전구체, 고체 전해질 전구체 및 탄소 전구체를 준비하는 제 1단계; 올리빈 전구체를 합성하는 제 2단계; 상기 고체 전해질 전구체 및 탄소 전구체를 포함하는 코팅을 위한 전구체를 상기 올리빈 전구체와 혼합하는 제 3단계; 및 상기 코팅을 위한 전구체를 상기 올리빈 전구체와 합성하는 제 4단계를 포함하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention includes a first step of preparing an olivine precursor, a solid electrolyte precursor, and a carbon precursor; A second step of synthesizing olivine precursor; A third step of mixing a coating precursor including the solid electrolyte precursor and a carbon precursor with the olivine precursor; and a fourth step of synthesizing the coating precursor with the olivine precursor.
상기 올리빈 전구체는 하기 화학식 2를 만족하는 것일 수 있다.The olivine precursor may satisfy the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
LiMxM′yM″zN1-x-y-zPO4 LiM x M′ y M″ z N 1-xyz PO 4
상기 화학식 2에서, M, M′, M″ 및 N은 서로 독립적으로 Fe, Mn, Co, Ni및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 0≤x,y,z≤1, x+y+z≤1이다. In Formula 2, M, M′, M″, and N are elements independently selected from the group consisting of Fe, Mn, Co, Ni, and combinations thereof, 0≤x,y,z≤1, x+ y+z≤1.
이 때, 상기 올리빈 전구체는 Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 원소가 도핑된 것일 수 있다.At this time, the olivine precursor may be doped with one or more metal elements selected from the group consisting of Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, and Al.
상기 고체 전해질 전구체 하기 화학식 3을 만족하는 것일 수 있다.The solid electrolyte precursor may satisfy the following formula (3).
[화학식 3][Formula 3]
Li1+yAlyTi2-y(PO4)3 Li 1+y Al y Ti 2-y (PO 4 ) 3
상기 화학식 3에서, 0≤y<2이다.In Formula 3, 0≤y<2.
상기 탄소 전구체는 수크로오스(sucrose), 글루코스(glucose), 락토오스(lactose), 고분자 등의 탄소질 화합물 또는 아세틸렌 블랙(acetylene balck), 탄소 나노튜브, 그래핀 등의 무기 공급원, 나아가 옥살레이트(oxalate), 아세테이트(acetate), 카보네이트(carbonate), 시트르산염(citrate)와 같은 탄소 함유 전구체 등이 사용될 수 있다. The carbon precursor is a carbonaceous compound such as sucrose, glucose, lactose, or polymer, or an inorganic source such as acetylene black, carbon nanotube, or graphene, and further oxalate. , carbon-containing precursors such as acetate, carbonate, and citrate may be used.
상기 제 1단계 및 제 3단계에서 전구체를 준비는 회전 속도 200 내지 400 rpm에서 2 내지 4시간 동안 볼밀을 통해 진행되는 것일 수 있다.In the first and third steps, the precursor may be prepared using a ball mill at a rotation speed of 200 to 400 rpm for 2 to 4 hours.
상기 제 2단계 및 제 4단계에서 합성은 고체 고상법을 통해 행해질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 150 내지 200 ℃에서 2 내지 4시간 동안 아르곤 가스 하에서 진행되는 것일 수 있다.In the second and fourth steps, the synthesis may be performed through a solid-state method, but is not limited thereto, and may be performed under argon gas at 150 to 200 ° C. for 2 to 4 hours.
본 발명은 올리빈 물질을 합성 및 코팅을 하기 위하여 고체 고상법을 이용하나, 올리빈 물질의 합성과정은 고체 고상법으로 한정되는 것은 아니며, 졸-겔(sol-gel)법, 공침법, 수열 및 용매열 공정과 같은 다양한 방법이 활용될 수 있다.The present invention uses a solid-state method to synthesize and coat olivine materials, but the synthesis process of olivine materials is not limited to the solid-state method, and includes sol-gel methods, coprecipitation methods, and hydrothermal methods. and solvothermal processes may be utilized.
본 발명은 전구물질을 준비하기 위하여 볼밀(ball-milling)을 하였다. 하지만 전구물질의 준비과정이 볼밀로 한정되는 것은 아니다.In the present invention, ball milling was performed to prepare the precursor. However, the preparation process of precursor materials is not limited to ball milling.
또한, 상기 제 2단계 및 제 4단계는 4∼6시간 동안 600∼700 ℃에서 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있으며, 양극재의 전반적인 전기화학적 성능을 향상시키기 위해서는 올리빈 입자 표면에 안정적인 탄소 및 고체 전해질 층이 필요할 수 있다. In addition, the second and fourth steps may additionally include heat treatment at 600 to 700° C. for 4 to 6 hours. In order to improve the overall electrochemical performance of the cathode material, stable carbon is added to the surface of the olivine particles. and a solid electrolyte layer may be required.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples to aid understanding. However, the following examples only illustrate the content of the present invention and the scope of the present invention is not limited to the following examples. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
<실시예> 양극활물질 제조<Example> Manufacture of positive electrode active material
재료 합성의 기술적인 scheme은 하기 제 1단계 내지 제 4단계를 포함한다.The technical scheme of material synthesis includes the following first to fourth steps.
제 1단계: 올리빈 전구체의 준비하고, 상기 올리빈(olivine) 전구체는 LiFe0.4Mn0.6PO4 및 LiFe0.4Mn0.3Co0.3PO4임.Step 1: Preparation of olivine precursor, the olivine precursor is LiFe 0.4 Mn 0.6 PO 4 and LiFe 0.4 Mn 0.3 Co 0.3 PO 4 .
제 2단계: 올리빈 전구체들을 합성함.Step 2: Synthesizing olivine precursors.
제 3단계: 코팅을 위한 전구체의 준비하며, 구체적으로 코팅을 위한 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 고체 전해질 전구체인 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 및 탄소 전구체를 혼합함.Step 3: Preparation of precursor for coating, specifically mixing Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 ( PO 4 ) 3 solid electrolyte precursor for coating and carbon precursor .
제 4단계: 코팅을 위한 전구체와 올리빈 전구체를 합성함.Step 4: Synthesizing precursor for coating and olivine precursor.
전구체 준비 방법(제 1단계 및 제 3단계)Precursor Preparation Method (Steps 1 and 3)
제 1단계 및 제 3단계에서 모든 전구체들은 볼밀을 통해 준비하였다. LiFe0.4Mn0.6PO4, LiFe0.4Mn0.3Co0.3PO4 및 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3와 같은 최종 산출물의 몰분율에 따라 원재료들의 무게를 달았다. LiFe0.4Mn0.6PO4, LiFe0.4Mn0.3Co0.3PO4 전구체 준비를 위해 Li2CO3 (Aldrich, 99.0%), FeC2O4·2H2O (Junsei, 99.0%), MnC2O4·2H2O (AlfaAesar), CoC2O4·2H2O (Thermo Fisher Scientific), NH4H2PO4 (Junsei, 99.5%) 가 출발물질로 사용되었다. Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) 전구체 준비를 위해 Li2CO3 (Aldrich, 99.0%), AlOH(OOCCH3)2 (Aldrich, 100.0%), TiO2 (Aldrich, 100.0%), and NH4H2PO4 (Junsei, 99.5%) 가 출발물질로 사용되었다. Sucrose (Junsei, 100%) 를 고운 입자의 형태로 갈아 탄소 공급원으로 사용하였다.In the first and third steps, all precursors were prepared through a ball mill. LiFe0.4Mn0.6P.O.4, LiFe0.4Mn0.3Co0.3P.O.4 and Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3The raw materials were weighed according to the mole fraction of the final product. LiFe0.4Mn0.6P.O.4,LiFe0.4Mn0.3Co0.3P.O.4 Precursor preparation To Li2C.O.3(Aldrich, 99.0%), FeC2O4·2H2O (Junsei, 99.0%), MnC2O4·2H2O (AlfaAesar), CoC2O4·2H2O (Thermo Fisher Scientific), NH4H2P.O.4(Junsei, 99.5%) was used as the starting material. Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3For (LATP) precursor preparation, Li2C.O.3(Aldrich, 99.0%), AlOH(OOCCH3)2(Aldrich, 100.0%), TiO2(Aldrich, 100.0%), and N.H.4H2P.O.4(Junsei, 99.5%) was used as the starting material. Sucrose (Junsei, 100%) was ground into fine particles and used as a carbon source.
아세톤(삼천, 99.7 %) 용매에서 볼밀(Pulverisette, Fritsch)에 의해 각각의 최종 산출물을 위한 원재료들이 혼합되었다. 원재료에 대비하여 지르코니아 볼(Ø=5 mm, SciLab)의 질량비(mass ratio)는 20: 1로 하였다. 이 때, 볼밀의 회전 속도는 300 rpm이고, 볼밀은 약 3시간 동안 진행되었다.The raw materials for each final product were mixed by a ball mill (Pulverisette, Fritsch) in acetone (Samcheon, 99.7%) solvent. The mass ratio of zirconia balls (Ø=5 mm, SciLab) compared to the raw materials was set at 20:1. At this time, the rotation speed of the ball mill was 300 rpm, and the ball mill ran for about 3 hours.
재료 합성 방법(제 2단계 및 제 4단계)Material synthesis method (steps 2 and 4)
간단하고 확장성이 뛰어난 고상 반응은 올리빈 재료의 합성 과정인 제 2단계 및 제 4단계로서 후속 코팅 과정에 사용되었다. 전구체들은 120 ℃에서 3시간 동안 아르곤 가스 하, 튜브 도가니(furnace)안에서 퍼지되었고, 이어서 370 ℃에서 4시간 동안 처리되었고, 6시간 동안 670 ℃에서 열처리되었다.A simple and highly scalable solid-state reaction was used for the second and fourth steps of the olivine material synthesis process and for the subsequent coating process. The precursors were purged in a tube furnace under argon gas at 120°C for 3 hours, then treated at 370°C for 4 hours, and heat treated at 670°C for 6 hours.
<실험예><Experimental example>
물질 특성 확인Determination of material properties
하이브리드 층의 형성은 X선 회절(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Ultima Ⅳ, Japan, 10 ~ 80°의 측정범위와 10° min-1의 Cu Kα선을 이용하여 측정), 고-분해능 투과 전자 현미경 (High-resolution transmission electron microscope, HR-TEM, JEM-2100F With Cs Corrector) 및 에너지 분산형 분광분석기 (Energy dispersive spectroscpoy, EDS), 라만 분광기 (Raman spectroscopy, DXR™ 3, Thermo Fisher Scientific Inc., Woodward, Austin, AZ, USA), 열중량 분석기 (Thermal gravinetric analysis, TGA, DT Q600 대기 상태에서 10°C/min의 속도로 상온에서 750°C까지 가열)와 같은 다양한 특성 분석 기술에 의해 확인할 수 있었다.The formation of the hybrid layer was determined by Microscope (High-resolution transmission electron microscope, HR-TEM, JEM-2100F With Cs Corrector) and Energy dispersive spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy (DXR™ 3, Thermo Fisher Scientific Inc., Woodward, Austin, AZ, USA), thermogravimetric analysis (TGA, DT Q600 heated from room temperature to 750°C at a rate of 10°C/min in air condition). there was.
전기화학 특성 평가Electrochemical property evaluation
전기화학적 특성을 평가하기 위해서 전극을 제조하였다. 양극 활물질인 합성한 올리빈 물질, 도전재(Super-P), 바인더(PVDF: Polyvinylidene fluoride, Aldrich, MW = 534,000)를 8:1:1의 비율로 용매(NMP, N-methyl-2-pyrrolidone, Duksan, HPLC grade)와 혼합하여 슬러리를 제조하고 집전체인 탄소가 코팅된 Al포일에 도포하여 80°C의 진공오븐에서 12시간 동안 건조하였다. 이때, 활물질의 질량은 약 3.0 mg·cm-2이다. Cell을 2032-type을 사용하였으며 Ar 분위기의 글러브 박스에서 조립하였다. 전지의 구성에 있어 전해질(Panax Etec Co. Ltd, Korea)은 1.0M LiPF6가 용해된 ED(ethylene carbonate)/DMC (dimethyl carbonate)=1/1 (vol.%)을 사용하였다. 분리막은 다공성 폴리프로필렌 막 (polypropylene membrane)을 사용하였다. 상대전극인 음극은 리튬 호일을 사용하였다. 제조된 코인셀을 이용해 충·방전 특성을 확인하였다. 충·방전 측정기기는 automatic battery cycler인 WonAtech WBCS3000을 이용하여 상온에서 측정하였다. LiFe0.4Mn0.6PO4 기반 물질의 전압범위는 2.0-4.5V vs.Li/Li+을, LiFe0.4Mn0.3Co0.3PO4 기반 물질의 전압범위는 2.0-5.0 V vs. Li/Li+으로 고정하여 측정하였다. 고정된 전압범위 내에서 전류 값에 따른 충/방전 용량을 얻을 수 있으며, 충·방전 전류값(1C = 170 mAh/g)을 다른 C-rate에서 다양하게 측정하였다. Electrodes were prepared to evaluate electrochemical properties. Synthetic olivine material, a positive electrode active material, a conductive material (Super-P), and a binder (PVDF: Polyvinylidene fluoride, Aldrich, M W = 534,000) were mixed with a solvent (NMP, N-methyl-2-) at a ratio of 8:1:1. A slurry was prepared by mixing with pyrrolidone, Duksan, HPLC grade), applied to a carbon-coated Al foil as a current collector, and dried in a vacuum oven at 80°C for 12 hours. At this time, the mass of the active material is about 3.0 mg·cm -2 . The 2032-type cell was used and was assembled in an Ar atmosphere glove box. In the construction of the battery, ED (ethylene carbonate)/DMC (dimethyl carbonate) = 1/1 (vol.%) in which 1.0M LiPF 6 was dissolved was used as the electrolyte (Panax Etec Co. Ltd, Korea). A porous polypropylene membrane was used as the separator. The counter electrode, the cathode, used lithium foil. Charge and discharge characteristics were confirmed using the manufactured coin cell. The charge/discharge measurement device was measured at room temperature using WonAtech WBCS3000, an automatic battery cycler. The voltage range of LiFe 0.4 Mn 0.6 PO 4 based material is 2.0-4.5V vs.Li/Li + , and the voltage range of LiFe 0.4 Mn 0.3 Co 0.3 PO 4 based material is 2.0-4.5V vs.Li/Li + . 2.0-5.0 V vs. Measurements were made by fixing Li/Li + . Charge/discharge capacity according to current value can be obtained within a fixed voltage range, and charge/discharge current values (1C = 170 mAh/g) were measured at various C-rates.
<실험예 1> X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정<Experimental Example 1> X-ray diffraction (XRD) measurement
올리빈 물질 및 코팅된 올리빈 물질의 구조 및 결정성을 알아보기 위해 X선 회절(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Ultima Ⅳ, Japan)을 측정하였다. 이 때 주사범위(2θ)는 10~80°, 주사속도는 10°/min으로 Cu Kα선을 이용하여 X-ray 경향을 분석하였다. 도 1(a)는 pristine LFMP, LFMP@C, LFMP@C_LATP의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. LFMP의 모든 피크들이 LiFePO4, LiMnPO4의 피크들과 잘 매치되는 것을 확인할 수 있다. LFMP@C 와 LFMP@C_LATP의 모든 XRD 피크들이 pristine LFMP 피크와 잘 매치되는 것을 확인할 수 있다. 이는 코팅을 위한 2-step 합성법이 LFMP의 구조에 영향을 미치지 않음을 의미한다. 또한, 샤프한 피크들이 나타나는 것을 통해 결정화가 잘 된 것을 확인할 수 있다. 세 개의 XRD 패턴들에서 graphitic C에 대한 피크들을 확인할 수 없다. 이는 코팅 이후의 카본의 양이 작고 amorphous 구조를 가지는 카본이 지배적이기 때문이다. X-ray diffraction (XRD, Rigaku Ultima IV, Japan) was measured to determine the structure and crystallinity of the olivine material and the coated olivine material. At this time, the scanning range (2θ) was 10 to 80°, the scanning speed was 10°/min, and the X-ray trend was analyzed using Cu Kα rays. Figure 1(a) shows the XRD patterns of pristine LFMP, LFMP@C, and LFMP@C_LATP. It can be seen that all peaks of LFMP match well with the peaks of LiFePO 4 and LiMnPO 4 . It can be seen that all XRD peaks of LFMP@C and LFMP@C_LATP match well with the pristine LFMP peak. This means that the two-step synthesis method for coating does not affect the structure of LFMP. In addition, it can be confirmed that crystallization was successful through the appearance of sharp peaks. Peaks for graphitic C cannot be identified in the three XRD patterns. This is because the amount of carbon after coating is small and carbon with an amorphous structure is dominant.
LFMP@C_LATP의 XRD 패턴을 pristine LFMP와 LFMP@C의 XRD패턴과 비교했을 때 LFMP@C_LATP의 패턴 2θ 의 24.5°부근에서 추가적인 작은 피크를 확인할 수 있다. pristine LFMCP, LFMCP@C 및 LFMCP@C_LATP에서도 유사한 양상을 확인할 수 있다(도 1(b)). LFMCP의 구조는 2-step 합성과정에 의해 영향을 받지 않고 기존의 구조를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 세 개의 XRD 패턴들에서 graphitic C 에 대한 피크들을 확인할 수 없다. 뿐만 아니라 LFMCP@C_LATP의 XRD 패턴을 pristine LFMCP와 LFMCP@C의 XRD패턴과 비교했을 때 LFMCP@C_LATP의 패턴 2θ 의 24.5o 부근에서 추가적인 작은 피크를 확인할 수 있다. When comparing the XRD pattern of LFMP@C_LATP with that of pristine LFMP and LFMP@C, an additional small peak can be seen around 24.5 ° of the pattern 2θ of LFMP@C_LATP. Similar patterns can be seen in pristine LFMCP, LFMCP@C, and LFMCP@C_LATP (Figure 1(b)). It can be confirmed that the structure of LFMCP is not affected by the two-step synthesis process and maintains its original structure. Peaks for graphitic C cannot be identified in the three XRD patterns. In addition, when comparing the XRD pattern of LFMCP@C_LATP with that of pristine LFMCP and LFMCP@C, an additional small peak can be seen around 24.5 o of the pattern 2θ of LFMCP@C_LATP.
LFMP@C_LATP 및 LFMCP@C_LATP에서만 관찰되는 24.5o 부근에서 추가적인 작은 피크를 조사하기 위해 동일한 조건에서 LATP를 합성한 후 XRD 패턴을 확인하였다(도 1(c)). LATP의 XRD 패턴을 기준물질 (ICSD#14585)과 비교하였을 때 잘 매치 되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명에서 제시한 합성 조건이 LATP 형성에 적합함을 알 수 있다. 또한 LATP 2θ의 약 24.6°부근에서 나타나는 강한 피크와 LFMP@C_LATP 및 LFMCP@C_LATP에서 나타나는 작은 피크가 유사한 위치에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. To investigate the additional small peak around 24.5 o observed only in LFMP@C_LATP and LFMCP@C_LATP, LATP was synthesized under the same conditions and the XRD pattern was confirmed (Figure 1(c)). When comparing the XRD pattern of LATP with the reference material (ICSD#14585), it can be confirmed that it matches well, which shows that the synthesis conditions presented in the present invention are suitable for forming LATP. In addition, a strong peak appears around 24.6° of LATP 2θ and It can be seen that small peaks appearing in LFMP@C_LATP and LFMCP@C_LATP appear in similar positions.
따라서, XRD 측정으로부터 올리빈 물질을 합성한 후 LATP 고체 전해질 및 탄소를 코팅하는 2-step 합성방법을 통해 성공적으로 합성할 수 있음을 확인할 수 있다. 합성과정과 코팅과정 모두 올리빈 물질의 결정구조에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed from XRD measurement that it can be successfully synthesized through a two-step synthesis method of synthesizing olivine material and then coating it with LATP solid electrolyte and carbon. It can be confirmed that neither the synthesis process nor the coating process affects the crystal structure of the olivine material.
<실험예 2> 고-분해능 투과 전자 현미경(High-resolution transmission elecron microscope, HR-TEM) 및 에너지 분산형 분광분석기(Energy dispersive spectroscopy, EDS) 결과 분석<Experimental Example 2> High-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) result analysis
합성된 물질의 분말입자의 크기와 형상, 분포도를 관찰하기 위해 고-분해능 투과 전자 현미경 (High-resolution transmission electron microscope, HR-TEM, JEM-2100F With Cs Corrector) 및 에너지 분산형 분광분석기 (Energy dispersive spectroscpoy, EDS)를 이용하여 확인하였다. 도 2a 내지 2f는 LFMP@C_LATP의 Fe, Mn, Ti, P 및 C에 해당하는 EDS 층상 이미지를 나타내며, 각 원소의 분포를 확인할 수 있다. Fe, Mn가 잘 분포되어 있음을 확인함에 따라 올리빈 구조를 가지는 고용체 LiFe0.4Mn0.6PO4(LFMP)가 성공적으로 형성된 것을 확인할 수 있다.To observe the size, shape, and distribution of powder particles of the synthesized material, a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM, JEM-2100F With Cs Corrector) and an energy dispersive spectrometer were used. It was confirmed using spectroscpoy (EDS). Figures 2a to 2f show EDS layer images corresponding to Fe, Mn, Ti, P, and C of LFMP@C_LATP, and the distribution of each element can be confirmed. As it was confirmed that Fe and Mn were well distributed, it was confirmed that the solid solution LiFe 0.4 Mn 0.6 PO 4 (LFMP) with an olivine structure was successfully formed.
Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)에서 Al의 함량이 Ti에 비해 매우 작기 때문에 LATP의 분포는 Ti 원소에 의해 확인할 수 있다. LATP는 올리빈 입자 표면에 잘 분포되거나, 올리빈 입자들과 강하게 연결되는 개별 입자로 형성될 수 있다. LATP는 비교적 높은 온도에서 합성되기 때문에 개별 LATP 입자의 형성이 예상된다. 이러한 합성조건은 더 큰 크기의 입자를 형성하기 위해 일부 작은 크기의 입자들의 이동을 유도하여 열역학적으로 더 안정적으로 만들 수 있다. Since the Al content in Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (LATP) is very small compared to Ti, the distribution of LATP can be confirmed by the Ti element. LATP can be well distributed on the surface of olivine particles or can form as individual particles that are strongly connected to olivine particles. Because LATP is synthesized at relatively high temperatures, the formation of individual LATP particles is expected. These synthesis conditions can make it thermodynamically more stable by inducing the movement of some small-sized particles to form larger-sized particles.
Fe-Mn 및 Ti 원소에 대한 P 원소의 분포는 앞선 XRD 측정에서와 마찬가지로 인산염계 화합물인 LFMP와 LATP의 형성을 확인할 수 있다. LFMP 입자 위에 탄소가 형성되는 것은 Fe-Mn 원소에 대해 C 원소의 분포가 잘 되어있는 것을 통해 확인할 수 있다. 또한 Fe-Mn 원소에 대한 C 원소의 강도가 Ti 원소에 비해 상대적으로 높은 것을 볼 수 있고 이를 통해 LFMP 입자에 탄소와 LATP가 동시에 코팅됨을 확인할 수 있다. LFMP 입자에 탄소와 LATP를 통시에 코팅하는 것은 충/방전 과정에서 전자와 리튬이온 수송 채널을 동시에 제공할 수 있기에 리튬이온 전지에 적용하는 것은 중요하다. The distribution of P element with respect to Fe-Mn and Ti elements confirms the formation of phosphate-based compounds LFMP and LATP, as in the previous XRD measurement. The formation of carbon on LFMP particles can be confirmed by the good distribution of C elements with respect to Fe-Mn elements. In addition, it can be seen that the intensity of the C element with respect to the Fe-Mn element is relatively higher than that of the Ti element, and this confirms that carbon and LATP are simultaneously coated on the LFMP particles. Simultaneous coating of carbon and LATP on LFMP particles is important for application to lithium-ion batteries because it can simultaneously provide electron and lithium ion transport channels during the charging/discharging process.
도 2g에 나타난 바와 같이, LFMP@C_LATP 입자는 광범위한 입자 크기와 고상법의 자연스러운 결과인 응집된 형태로 합성된다. 또한, C 원소뿐만 아니라 Fe-Mn 및 Ti 원소를 모두 포함하는 영역인 도 2h에서 물질의 HR-TEM 이미지는 탄소의 비정질상 내 입자 간 강한 연결을 확인할 수 있다. As shown in Figure 2g, LFMP@C_LATP particles are synthesized in a wide range of particle sizes and in aggregated form, which is a natural result of the solid-phase method. Additionally, the HR-TEM image of the material in Figure 2h, a region containing not only C elements but also Fe-Mn and Ti elements, confirms strong connections between particles in the amorphous phase of carbon.
한편, 도 3a 내지 3g는 LFMCP@C_LATP의 Fe, Mn, Co, Ti, P 및 C에 해당하는 EDS 층상 이미지를 나타내며, 각 원소의 분포를 확인할 수 있다. Fe, Mn 및 Co가 잘 분포되어 있음을 확인함에 따라 올리빈 구조를 가지는 고용체 LiFe0.4Mn0.3Co0.3PO4(LFMCP)가 성공적으로 형성된 것을 확인할 수 있다. LATP는 상기 LFMP@C_LATP에서 관찰되는 바와 같이 LFMCP 입자 표면에 잘 분포되거나, 올리빈 입자들과 강하게 연결되는 개별 입자로 형성될 수 있다. Fe-Mn-Co 및 Ti 원소에 대한 P 원소의 분포는 앞선 XRD 측정에서와 마찬가지로 인산염계인 LFMCP와 LATP의 형성을 확인할 수 있다. Meanwhile, Figures 3a to 3g show EDS layered images corresponding to Fe, Mn, Co, Ti, P, and C of LFMCP@C_LATP, and the distribution of each element can be confirmed. As it was confirmed that Fe, Mn, and Co were well distributed, it was confirmed that the solid solution LiFe 0.4 Mn 0.3 Co 0.3 PO 4 (LFMCP) with an olivine structure was successfully formed. LATP can be well distributed on the surface of LFMCP particles, as observed for LFMP@C_LATP, or can be formed as individual particles that are strongly connected to olivine particles. The distribution of P element with respect to Fe-Mn-Co and Ti elements confirms the formation of phosphate-based LFMCP and LATP, as in the previous XRD measurement.
또한 Fe-Mn-Co 원소에 대한 C 원소의 강도가 Ti 원소에 비해 상대적으로 높은 것을 볼 수 있고, 이를 통해 LFMCP 입자에 탄소와 LATP가 동시에 코팅됨을 확인할 수 있다. LFMCP@C_LATP 입자는 도 3h에서 광범위한 입자 크기와 고상법의 자연스러운 결과인 응집된 형태로 합성됨을 확인할 수 있다. 비정질 탄소의 형성은 LFMCP 및 LATP 입자에 상대적으로 질서정연하지 못한 매트릭스의 형성으로 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the intensity of the C element with respect to the Fe-Mn-Co element is relatively higher than that of the Ti element, and through this, it can be confirmed that carbon and LATP are simultaneously coated on the LFMCP particles. It can be seen in Figure 3h that LFMCP@C_LATP particles are synthesized in a wide range of particle sizes and in an aggregated form, which is a natural result of the solid-phase method. The formation of amorphous carbon can be confirmed by the formation of a relatively disordered matrix in LFMCP and LATP particles.
<실험예 3> 라만 분광기(Raman spectroscopy) 결과 분석<Experimental Example 3> Raman spectroscopy result analysis
상기 탄소의 특성은 도 4a 및 4c에 나타낸 바와 같이 라만 분광기(Raman spectroscopy, DXR™ 3, Thermo Fisher Scientific Inc., Woodward, Austin, AZ, USA)를 통해 한 번 더 확인할 수 있다. LFMP@C, LFMP@C_LATP, LFMCP@C 및 LFMCP@C_LATP 라만 스펙트럼의 약 1334 cm-1와 1592 cm-1에서 각각 비정질 탄소의 A 1 g 모드와 흑연의 E 2 g 진동 모드에 해당하는 탄소의 D 와 G밴드를 모두 확인할 수 있다. 또한 비교적 높은 ID/IG 값을 확인함에 따라 모든 시료에 대하여 비정질 탄소가 우세함을 알 수 있다. The properties of the carbon can be confirmed once again through Raman spectroscopy (DXR™ 3, Thermo Fisher Scientific Inc., Woodward, Austin, AZ, USA), as shown in FIGS. 4a and 4c. of amorphous carbon at approximately 1334 cm -1 and 1592 cm -1 in the Raman spectra of LFMP@C, LFMP@C_LATP, LFMCP@C and LFMCP@C_LATP, respectively. A 1 g mode and graphite Both the D and G bands of carbon corresponding to the E 2 g vibration mode can be confirmed. Also relatively high By checking the I D /I G values, it can be seen that amorphous carbon is dominant for all samples.
탄소의 양은 일반적으로 고온에서 물질의 중량 감소로 표현될 수 있기에 열중량 분석기(Thermal gravinetric analysis, TGA, DT Q600) 측정을 해주었으며 대기 상태에서 10°C/min의 속도로 상온에서 750°C까지 가열하였다. TGA 측정이 공기 중에서 수행되었기에 탄소의 분해 및 연소에 의한 무게 손실의 일부는 Fe-Mn-Co 원소의 부분적인 산화에 의한 무게 증가에 의해 절충되었다. 따라서, 실제 탄소의 양은 TGA에서 관측한 무게 손실보다 약간 더 많을 수 있다.Since the amount of carbon can generally be expressed as a decrease in the weight of the material at high temperature, it was measured using a thermogravimetric analysis (TGA, DT Q600), and the temperature was measured from room temperature to 750°C at a rate of 10°C/min in air condition. Heated. Since the TGA measurements were performed in air, some of the weight loss due to decomposition and combustion of carbon was offset by weight gain due to partial oxidation of the Fe-Mn-Co elements. Therefore, the actual amount of carbon may be slightly higher than the weight loss observed by TGA.
도 4b 및 4d에 나타난 바와 같이 LFMP@C, LFMP@C_LATP, LFMCP@C, LFMCP@C_LATP에 대하여 각각 2.15%, 2.84%, 1.56%, 2.39%의 중량 감소를 확인할 수 있다. 올리빈 물질에 대한 탄소의 질량은 적지만 리튬 이온 전지에 적용될 때, 탄소의 존재는 입자를 보호하고 전해질 분자를 보존하며 올리빈 물질의 전자 전도도를 향상시키기 위해 이들의 존재는 매우 중요하다.As shown in Figures 4b and 4d, weight reductions of 2.15%, 2.84%, 1.56%, and 2.39% can be confirmed for LFMP@C, LFMP@C_LATP, LFMCP@C, and LFMCP@C_LATP, respectively. Although the mass of carbon for olivine materials is small, when applied to lithium-ion batteries, their presence is very important to protect particles, preserve electrolyte molecules and improve the electronic conductivity of olivine materials.
<실험예 4> 전기화학적 특성 평가<Experimental Example 4> Electrochemical property evaluation
전기화학적 특성을 측정하기 위해서 전극을 제조했다. 양극 활물질인 합성한 올리빈 물질, 도전재 (Super-P), 바인더 (PVDF: Polyvinylidene fluoride, Aldrich, MW=534,000)를 8:1:1의 비율로 용매 (NMP, N-methyl-2-pyrrolidone, Duksan, HPLC grade )와 혼합해 슬러리를 제조하고 집전체인 탄소가 코팅된 Al포일에 도포해 80°C의 진공오븐에서 12시간 동안 건조하였다. 이때, 활물질의 질량은 약 3.0 mg·cm-2이다. Cell을 2032-type을 사용하였으며 Ar 분위기의 글러브 박스에서 조립하였다. 전지의 구성에 있어 전해질(Panax Etec Co. Ltd, Korea)은 1.0M LiPF6가 용해된 ED(ethylene carbonate)/DMC (dimethyl carbonate)=1/1 (vol.%)을 사용하였다. 분리막은 다공성 폴리프로필렌 막 (polypropylene membrane)을 사용하였다. 상대전극인 음극은 리튬 호일을 사용하였다. Electrodes were prepared to measure electrochemical properties. Synthetic olivine material, a positive electrode active material, conductive material (Super-P), and binder (PVDF: Polyvinylidene fluoride, Aldrich, M W = 534,000) were mixed with a solvent (NMP, N-methyl-2-) at a ratio of 8:1:1. A slurry was prepared by mixing with pyrrolidone, Duksan, HPLC grade), applied to a carbon-coated Al foil as a current collector, and dried in a vacuum oven at 80°C for 12 hours. At this time, the mass of the active material is about 3.0 mg·cm -2 . The 2032-type cell was used and was assembled in an Ar atmosphere glove box. In the construction of the battery, the electrolyte (Panax Etec Co. Ltd, Korea) is 1.0M LiPF 6 dissolved in ED ( ethylene carbonate)/DMC (dimethyl carbonate)=1/1 (vol.%) was used. The separator was a porous polypropylene membrane. The negative electrode, which is the counter electrode, used lithium foil.
제조된 코인셀을 이용해 충·방전 특성을 확인하였다. 충·방전 측정기기는 automatic battery cycler인 WonAtech WBCS3000을 이용하여 상온에서 측정하였다. LiFe0.4Mn0.6PO4 기반 물질의 전압범위는 2.0-4.5V vs.Li/Li+로, LiFe0.4Mn0.3Co0.3PO4 기반 물질의 전압범위는 2.0-5.0 V vs. Li/Li+로 고정하여 측정하였다. 고정된 전압범위 내에서 전류 값에 따른 충/방전 용량을 얻을 수 있으며, 충/방전 전류값(1C=170 mAh/g)을 다른 C-rate에서 다양하게 측정하였다.Charge and discharge characteristics were confirmed using the manufactured coin cell. The charge/discharge measurement device was measured at room temperature using WonAtech WBCS3000, an automatic battery cycler. The voltage range of LiFe 0.4 Mn 0.6 PO 4 based material is 2.0-4.5V vs.Li/Li + , The voltage range of LiFe 0.4 Mn 0.3 Co 0.3 PO 4 based material is 2.0-5.0 V vs. Measurements were made by fixing Li/Li + . Charge/discharge capacity according to current value can be obtained within a fixed voltage range, and charge/discharge current values (1C=170 mAh/g) were measured at various C-rates.
도 5a 및 6a는 각각 pristine LFMP, LFMP@C, LFMP@C_LATP 및 pristine LFMCP, LFMCP@C, LFMCP@C_LATP의 전류-전압 프로파일을 나타낸다. 코팅은 올리빈 물질, 특히 LFMCP의 경우 통상적인 것 보다 상대적으로 높은 작동 전압에서 전기화학적 성능을 향상시키는 것을 확인할 수 있다. pristine 물질들과 탄소 코팅만 되어있는 물질들과 비교해 LFMP@C_LATP 및 LFMCP@C_LATP는 2.2~2.8V의 낮은 전압범위에서 전기화학적 피크를 가지는 것을 확인할 수 있으며 이는 LATP에 의한 것일 수 있다. Figures 5a and 6a show the current-voltage profiles of pristine LFMP, LFMP@C, LFMP@C_LATP and pristine LFMCP, LFMCP@C, LFMCP@C_LATP, respectively. It can be seen that the coating improves the electrochemical performance at relatively higher operating voltages than usual for olivine materials, especially LFMCP. Compared to pristine materials and materials with only carbon coating, LFMP@C_LATP and LFMCP@C_LATP can be seen to have an electrochemical peak in the low voltage range of 2.2~2.8V, which may be due to LATP.
LATP는 도 5(b) 및 도 6(b)에 나타낸 바와 같이 올리빈 물질의 전반적인 성능에 중요한 역할을 한다. LATP 코팅을 통해 올리빈 물질은 상대적으로 낮은 전압에서 충전되기 시작한다. 낮은 전압에서의 리튬 이온의 추출은 올리빈 물질의 중심부로부터 입자 표면으로 리튬 이온의 수송을 지속적으로 유도하는 구배(gradient)를 유발할 수 있다. LFMP@C_LATP와 LFMCP@C_LATP의 충전 과정에서 리튬이온의 수송이 더 많이 전달되고 이에 따라 방전 과정에서 리튬이온이 더 많은 공간에 저장된다. LATP plays an important role in the overall performance of olivine materials, as shown in Figures 5(b) and 6(b). Through the LATP coating, the olivine material begins to charge at a relatively low voltage. Extraction of lithium ions at low voltage can induce a gradient that leads to sustained transport of lithium ions from the core of the olivine material to the particle surface. During the charging process of LFMP@C_LATP and LFMCP@C_LATP, more lithium ions are transported, and accordingly, lithium ions are stored in more space during the discharging process.
그 결과, LFMP@C_LATP와 LFMCP@C_LATP는 각각 도 5c, 5d, 6c 및 6d에서 나타낸 바와 같이 향상된 C-rate 및 Long cycle 성능을 나타낸다. LFMP@C_LATP는 0.05C의 첫 번째 사이클에서 162.1 mAh g-1 로 가장 높은 방전용량을 보여주며, 1.0C의 첫 번째 사이클에서 132.9 mAh g-1의 방전용량을 보여준다. 또한, 50사이클 후 92%의 유지율을 가지는 것을 확인할 수 있다. As a result, LFMP@C_LATP and LFMCP@C_LATP show improved C-rate and long cycle performance as shown in Figures 5c, 5d, 6c, and 6d, respectively. LFMP@C_LATP shows the highest discharge capacity of 162.1 mAh g -1 in the first cycle of 0.05C, and 132.9 mAh g -1 in the first cycle of 1.0C. Additionally, it can be confirmed that there is a retention rate of 92% after 50 cycles.
LFMCP@C_LATP는 0.05 C의 첫 번째 사이클에서 142.8 mAh g-1 로 가장 높은 방전용량을 보여주며, 1.0 C의 첫 번째 사이클에서는 131.9 mAh g-1의 방전용량을 보여준다. 또한 50 사이클 후 54 %의 유지율을 가지는 것을 확인할 수 있다. 1.0 C에서 LFMCP@C_LATP에 대해 관찰된 낮은 용량 유지율은 통상보다 높은 작동 전압범위인 2.0~5.0 V에서 전해액의 분해에 의한 것일 수 있다. LFMCP@C_LATP shows the highest discharge capacity of 142.8 mAh g -1 in the first cycle of 0.05 C, and 131.9 mAh g -1 in the first cycle of 1.0 C. It can also be confirmed that it has a retention rate of 54% after 50 cycles. The low capacity retention observed for LFMCP@C_LATP at 1.0 C may be due to electrolyte decomposition at a higher than normal operating voltage range of 2.0–5.0 V.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 즉, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it is clear to those skilled in the art that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. do. That is, the practical scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (15)
상기 양극 활물질의 표면상에 도포되어 있으며, 하기 화학식 1을 만족하는 리튬 이온 전도성 고체전해질 및 탄소 재료를 포함하는 코팅층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
[화학식 1]
Li1+xRxM2-x(PO4)3
상기 화학식 1에서, R은 Al, B, Sn 및 Ge으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속이고, M은 Ti, Ge 및 Hf으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전이금속이며, 0≤x<2이다.A positive electrode active material having an olivine structure; and
A coating layer applied on the surface of the positive electrode active material and including a lithium ion conductive solid electrolyte and a carbon material that satisfies the following formula (1);
A positive electrode active material comprising:
[Formula 1]
Li 1+x R x M 2-x (PO 4 ) 3
In Formula 1, R is one or more metals selected from the group consisting of Al, B, Sn, and Ge, and M is one or more transition metals selected from the group consisting of Ti, Ge, and Hf, and 0≤x<2.
상기 올리빈 구조를 갖는 양극 활물질은 하기 화학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
[화학식 2]
LiMxM′yM″zN1-x-y-zPO4
상기 화학식 2에서, M, M′, M″ 및 N은 서로 독립적으로 Fe, Mn, Co, Ni및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 0≤x,y,z≤1, x+y+z≤1이다. According to claim 1,
The positive electrode active material having the olivine structure is characterized in that it satisfies the following Chemical Formula 2:
[Formula 2]
LiM x M′ y M″ z N 1-xyz PO 4
In Formula 2, M, M′, M″, and N are elements independently selected from the group consisting of Fe, Mn, Co, Ni, and combinations thereof, 0≤x,y,z≤1, x+ y+z≤1.
상기 양극 활물질은 Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 원소가 도핑된 것을 특징으로 하는 양극 활물질.According to claim 2,
The positive electrode active material is characterized in that it is doped with one or more metal elements selected from the group consisting of Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, and Al.
상기 고체 전해질은 하기 화학식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
[화학식 3]
Li1+yAlyTi2-y(PO4)3
상기 화학식 3에서, 0≤y<2이다.According to claim 1,
The solid electrolyte is a positive electrode active material characterized in that it satisfies the following formula 3:
[Formula 3]
Li 1+y Al y Ti 2-y (PO 4 ) 3
In Formula 3, 0≤y<2.
상기 탄소 재료는 수크로오스(sucrose), 글루코스(glucose), 락토오스(lactose), 아세틸렌 블랙(acetylene balck), 탄소 나노튜브, 그래핀, 옥살레이트(oxalate), 아세테이트(acetate), 카보네이트(carbonate) 및 시트르산염(citrate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.According to claim 1,
The carbon materials include sucrose, glucose, lactose, acetylene black, carbon nanotubes, graphene, oxalate, acetate, carbonate, and citric acid. A positive electrode active material characterized in that it is one or more selected from the group consisting of salts (citrates).
올리빈 전구체를 합성하는 제 2단계;
상기 고체 전해질 전구체 및 탄소 전구체를 포함하는 코팅을 위한 전구체를 상기 올리빈 전구체와 혼합하는 제 3단계; 및
상기 코팅을 위한 전구체를 상기 올리빈 전구체와 합성하는 제 4단계를 포함하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법.A first step of preparing an olivine precursor, a solid electrolyte precursor, and a carbon precursor;
A second step of synthesizing olivine precursor;
A third step of mixing a coating precursor including the solid electrolyte precursor and a carbon precursor with the olivine precursor; and
A method for producing an olivine positive electrode active material comprising a fourth step of synthesizing the precursor for the coating with the olivine precursor.
상기 올리빈 전구체는 하기 화학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법:
[화학식 2]
LiMxM′yM″zN1-x-y-zPO4
상기 화학식 2에서, M, M′, M″ 및 N은 서로 독립적으로 Fe, Mn, Co, Ni및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 0≤x,y,z≤1, x+y+z≤1이다. According to claim 8,
The olivine precursor is a method of producing an olivine positive electrode active material, characterized in that it satisfies the following Chemical Formula 2:
[Formula 2]
LiM x M′ y M″ z N 1-xyz PO 4
In Formula 2, M, M′, M″, and N are elements independently selected from the group consisting of Fe, Mn, Co, Ni, and combinations thereof, 0≤x,y,z≤1, x+ y+z≤1.
상기 올리빈 전구체는 Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 원소가 도핑된 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법.According to clause 9,
A method of producing an olivine positive electrode active material, characterized in that the olivine precursor is doped with one or more metal elements selected from the group consisting of Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, and Al.
상기 고체 전해질 전구체는 하기 화학식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법:
[화학식 3]
Li1+yAlyTi2-y(PO4)3
상기 화학식 3에서, 0≤y<2이다.According to claim 8,
A method of producing an olivine positive electrode active material, wherein the solid electrolyte precursor satisfies the following formula 3:
[Formula 3]
Li 1+y Al y Ti 2-y (PO 4 ) 3
In Formula 3, 0≤y<2.
상기 탄소 전구체는 수크로오스(sucrose), 글루코스(glucose), 락토오스(lactose), 아세틸렌 블랙(acetylene balck), 탄소 나노튜브, 그래핀, 옥살레이트(oxalate), 아세테이트(acetate), 카보네이트(carbonate) 및 시트르산염(citrate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법.According to claim 8,
The carbon precursors include sucrose, glucose, lactose, acetylene black, carbon nanotubes, graphene, oxalate, acetate, carbonate, and citric acid. A method of producing an olivine positive electrode active material, characterized in that it contains at least one selected from the group consisting of salts (citrates).
상기 제 1단계 및 제 3단계는 회전 속도 200∼400 rpm에서 2∼4시간 동안 볼밀을 통해 진행되는 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법.According to claim 8,
A method of producing an olivine positive electrode active material, characterized in that the first and third steps are performed through a ball mill at a rotation speed of 200 to 400 rpm for 2 to 4 hours.
상기 제 2단계 및 제 4단계에서 합성은 고체 고상법을 통해 행해지는 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법.According to claim 8,
A method for producing an olivine positive electrode active material, characterized in that the synthesis in the second and fourth steps is performed through a solid-state method.
상기 제 4단계는 4∼6시간 동안 600∼700 ℃에서 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 올리빈 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 8,
The fourth step is a method of producing an olivine positive electrode active material, characterized in that it further includes the step of heat treatment at 600 to 700 ° C. for 4 to 6 hours.
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KR1020230007802A KR20240115462A (en) | 2023-01-19 | 2023-01-19 | An olivine cathode active material including a hybrid coating film and its production method |
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---|---|---|---|---|
KR102245002B1 (en) | 2020-02-28 | 2021-04-27 | 동우 화인켐 주식회사 | Method of preparing cathodic active material precursor material and cathodic active material for lithum secondary battery, and cathodic active material for lithum secondary battery preparing therefrom |
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2023
- 2023-01-19 KR KR1020230007802A patent/KR20240115462A/en unknown
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