KR100399634B1 - Positive active material for lithium secondary battery and method of preparing same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 이 양극 활물질은 하기 화학식 1 내지 14의 화합물로부터 선택되는 리튬 화합물을 포함하는 코어 및 상기 코어 위에 형성된 비정질 또는 결정질 금속 수산화물 층(여기서, 상기 금속은 알콜 또는 수용액에 용해되는 물성을 가짐)을 포함한다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the cathode active material, the core including a lithium compound selected from compounds of Formulas 1 to 14 and an amorphous or crystalline metal hydroxide layer formed on the core (wherein The metal has a physical property of being dissolved in an alcohol or an aqueous solution).
[화학식 1][Formula 1]
LixMnA2 Li x MnA 2
[화학식 2][Formula 2]
LixMnO2-zAz Li x MnO 2-z A z
[화학식 3][Formula 3]
LixMn1-yM'yA2 Li x Mn 1-y M ' y A 2
[화학식 4][Formula 4]
LixMn1-yM'yO2-zAz Li x Mn 1-y M ' y O 2-z A z
[화학식 5][Formula 5]
LixMn2O4 Li x Mn 2 O 4
[화학식 6][Formula 6]
LixMn2O4-zAz Li x Mn 2 O 4-z A z
[화학식 7][Formula 7]
LixMn2-yM'yA4 Li x Mn 2-y M ' y A 4
[화학식 8][Formula 8]
LixBA2 Li x BA 2
[화학식 9][Formula 9]
LixBO2-zAz Li x BO 2-z A z
[화학식 10][Formula 10]
LixB1-yM"yA2 Li x B 1-y M " y A 2
[화학식 11][Formula 11]
LixNi1-yCoyA2 Li x Ni 1-y Co y A 2
[화학식 12][Formula 12]
LixNi1-yCoyO2-zAz Li x Ni 1-y Co y O 2-z A z
[화학식 13][Formula 13]
LixNi1-y-zCoyM"zA2 Li x Ni 1-yz Co y M " z A 2
[화학식 14][Formula 14]
Lix'Ni1-y'Mny'Mz'Aα Li x ' Ni 1-y' Mn y ' M z' A α
(상기 식에서, 0.95 ≤ x ≤ 1.1, 0.01 ≤ y ≤ 0.1, 0.01 ≤ z ≤ 0.5, 0.95 ≤ x' ≤ 1, 0.01 ≤ y' ≤ 0.5, 0 ≤ z' ≤ 0.1, 0.01 ≤ α ≤ 0.5이고, M'은 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속 또는 란타나이드 금속 중 하나 이상의 금속이고, M"은 Al, Cr, Co, Mg, La, Ce, Sr 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속 또는 란타나이드 금속 중 하나 이상의 금속이며, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되고, B는 Ni 또는 Co이다.)Wherein 0.95 ≦ x ≦ 1.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, 0.01 ≦ z ≦ 0.5, 0.95 ≦ x '≦ 1, 0.01 ≦ y ′ ≦ 0.5, 0 ≦ z' ≦ 0.1, 0.01 ≦ α ≦ 0.5, M 'is at least one of transition metals or lanthanide metals selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr and V, and M "is Al, Cr, Co, Mg, La At least one of transition metals or lanthanide metals selected from the group consisting of Ce, Sr and V, A is selected from the group consisting of O, F, S and P, and B is Ni or Co.)
Description
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수명, 방전 전위 및 전력량 특성이 향상된 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a positive electrode active material for a lithium secondary battery with improved lifespan, discharge potential and power amount characteristics and a method for manufacturing the same.
[종래 기술][Prior art]
현재 상업화되어 사용중인 리튬 이차 전지는 평균 방전 전위가 3.7V, 즉 4V대의 전지로서 3C이라 일컬어지는 휴대용 전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등에 급속도로 적용되고 있는 디지털 시대의 심장에 해당하는 요소이다. 이러한 리튬 이차 전지의 양극 소재는 전 세계에 유통되고 있는 전지의 95% 이상의 고가격의 LiCoO2를 사용하고 있으며, 이러한 LiCoO2를 대체하고자 하는 노력들이 많이 진행되고 있다. LiCoO2분말을 양극 소재로 사용하는 리튬 이차 전지는 수명 특성이 비교적 우수하며, 방전 평탄성이 우수하긴 하나, 지속적인 성능 개선을 통한 수명 증대와 전력 특성의 향상 요구 등 지속적인 성능 개선에 대한 요구가 있어, 많은 연구가 진행되고 있다.Lithium secondary batteries, which are currently commercialized and used, correspond to the heart of the digital era, which is rapidly being applied to portable phones, notebook computers, camcorders, and the like, which have an average discharge potential of 3.7V, that is, 4C. The cathode material of the lithium secondary battery uses more than 95% of the high-priced LiCoO 2 of the battery in circulation around the world, and efforts to replace the LiCoO 2 have been in progress. Lithium secondary battery using LiCoO 2 powder as a positive electrode material has a relatively long lifespan and excellent discharge flatness, but there is a demand for continuous performance improvement, such as life expectancy through continuous performance improvement and demand for improvement of power characteristics. Many studies are in progress.
이러한 양극 소재인 LiCoO2의 개선 중의 하나가 Co의 일부를 금속 산화물로 치환하는 연구가 진행되어 왔는데, Sony는 Al2O3를 약 1 내지 5 중량% 도핑하여, Co의 일부를 Al으로 치환한 LiCo1-xAlxO2분말을 개발하여 양산(Mass production)에 적용하고 있으며, ATB는 SnO2를 도핑하여 Co의 일부를 Sn으로 치환하여 사용하는 연구를 진행 또는 완료한 상태다. 본 출원인도 LiCoO2의 표면에 금속-알콕사이드 용액을 사용하여 코팅한 후 열처리하여 표면 구조 및 성질이 변형된 고성능 LiCoO2분말 개발에 관한 특허를 이미 출원한 바 있다(국내 특허 출원 제 98-3755 호). 그러나 여전히 수명, 방전 전위 등의 전기화학적인 특성이 우수한 양극 활물질을 개발하기 위한 연구가 진행중이다.One of the improvements of LiCoO 2 , a cathode material, has been conducted to replace a part of Co with a metal oxide, and Sony has doped Al 2 O 3 by about 1 to 5% by weight to replace a part of Co with Al. LiCo 1-x Al x O 2 powder has been developed and applied to mass production, and ATB has been in progress or completed a study of doping SnO 2 to replace a part of Co with Sn. The present applicant has also applied for a patent on the development of high-performance LiCoO 2 powder whose surface structure and properties are modified by coating the surface of LiCoO 2 with a metal-alkoxide solution and then heat-treating (Domestic Patent Application No. 98-3755) ). However, research is still underway to develop a positive electrode active material having excellent electrochemical characteristics such as lifetime and discharge potential.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 수명, 방전 전위, 전력량 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a cathode active material for a lithium secondary battery having excellent life, discharge potential, and power amount characteristics.
본 발명의 다른 목적은 상기 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the positive electrode active material for a lithium secondary battery.
도 1은 본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질 제조 공정 중 코팅 공정에서 사용되는 장치를 개략적으로 나타낸 개략도.1 is a schematic diagram schematically showing a device used in a coating process of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention.
도 2는 LiCoO2를 사용하여, 본 발명의 제조 방법에 따라 최종 양극 활물질이 생성되는 과정을 간략하게 나타낸 공정도.2 is a process diagram briefly illustrating a process of producing a final positive electrode active material according to the manufacturing method of the present invention using LiCoO 2 .
도 3은 LiCoO2를 사용하여, 종래 방법에 따라 열처리 공정 후 얻어진 최종 양극 활물질이 생성되는 과정을 간략하게 나타낸 공정도.3 is a process diagram briefly showing a process of producing a final positive electrode active material obtained after a heat treatment process according to a conventional method using LiCoO 2 .
도 4는 본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질 제조 공정 중 일괄처리 방법을 이용한 공정과 종래 제조 공정을 나타낸 공정도.4 is a process chart showing a process using a batch processing method and a conventional manufacturing process of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 표면을 나타낸 SEM 사진.Figure 5a is a SEM photograph showing the surface of the positive electrode active material for a lithium secondary battery prepared according to an embodiment of the present invention.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 표면을 나타낸 SEM 사진.Figure 5b is a SEM photograph showing the surface of the positive electrode active material for a lithium secondary battery prepared according to another embodiment of the present invention.
도 5c는 종래 방법으로 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 표면을 나타낸 SEM 사진.Figure 5c is a SEM photograph showing the surface of the positive electrode active material for lithium secondary batteries prepared by a conventional method.
도 5d는 순순한 LiCoO2의 표면을 나타낸 SEM 사진.5D is a SEM photograph showing the surface of pure LiCoO 2 .
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예의 방법으로 제조된 양극 활물질을 0.1C으로 충방전을 실시하여 얻은 방전 특성을 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the discharge characteristics obtained by charging and discharging the positive electrode active material prepared by the method of the Example and Comparative Example of the present invention at 0.1C.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예의 방법으로 제조된 양극 활물질을 0.5C으로 충방전을 실시하여 얻은 방전 특성을 나타낸 그래프.Figure 7 is a graph showing the discharge characteristics obtained by charging and discharging the positive electrode active material prepared by the method of the embodiment of the present invention and the comparative example at 0.5C.
도 8은 본 발명의 실시예와 비교예의 방법으로 제조된 양극 활물질을 1C으로 충방전을 실시하여 얻은 방전 특성을 나타낸 그래프.Figure 8 is a graph showing the discharge characteristics obtained by charging and discharging the positive electrode active material prepared by the method of the Examples and Comparative Examples of the present invention at 1C.
도 9는 Al(OH)3와 Al2O3의 XRD 패턴을 나타낸 그래프.9 is a graph showing XRD patterns of Al (OH) 3 and Al 2 O 3 .
도 10은 Al(OH)3와 Al2O3의 참조 데이터가 기재되어 있는 JCPDS 카드.FIG. 10 is a JCPDS card describing reference data of Al (OH) 3 and Al 2 O 3 ; FIG.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1 내지 14의 화합물로부터 선택되는 리튬 화합물을 포함하는 코어; 및 상기 코어 위에 형성된 비정질 또는 결정질 금속 수산화물 층(여기서, 상기 금속은 알콜 또는 수용액에 용해되는 물성을 가짐)을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a core containing a lithium compound selected from compounds of Formula 1 to 14; And an amorphous or crystalline metal hydroxide layer formed on the core, wherein the metal has physical properties dissolved in an alcohol or an aqueous solution.
[화학식 1][Formula 1]
LixMnA2 Li x MnA 2
[화학식 2][Formula 2]
LixMnO2-zAz Li x MnO 2-z A z
[화학식 3][Formula 3]
LixMn1-yM'yA2 Li x Mn 1-y M ' y A 2
[화학식 4][Formula 4]
LixMn1-yM'yO2-zAz Li x Mn 1-y M ' y O 2-z A z
[화학식 5][Formula 5]
LixMn2O4 Li x Mn 2 O 4
[화학식 6][Formula 6]
LixMn2O4-zAz Li x Mn 2 O 4-z A z
[화학식 7][Formula 7]
LixMn2-yM'yA4 Li x Mn 2-y M ' y A 4
[화학식 8][Formula 8]
LixBA2 Li x BA 2
[화학식 9][Formula 9]
LixBO2-zAz Li x BO 2-z A z
[화학식 10][Formula 10]
LixB1-yM"yA2 Li x B 1-y M " y A 2
[화학식 11][Formula 11]
LixNi1-yCoyA2 Li x Ni 1-y Co y A 2
[화학식 12][Formula 12]
LixNi1-yCoyO2-zAz Li x Ni 1-y Co y O 2-z A z
[화학식 13][Formula 13]
LixNi1-y-zCoyM"zA2 Li x Ni 1-yz Co y M " z A 2
[화학식 14][Formula 14]
Lix'Ni1-y'Mny'Mz'Aα Li x ' Ni 1-y' Mn y ' M z' A α
(상기 식에서, 0.95 ≤ x ≤ 1.1, 0.01 ≤ y ≤ 0.1, 0.01 ≤ z ≤ 0.5, 0.95 ≤ x' ≤ 1, 0.01 ≤ y' ≤ 0.5, 0 ≤ z' ≤ 0.1, 0.01 ≤ α ≤ 0.5이고, M'은 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속 또는 란타나이드 금속 중 하나 이상의 금속이고, M"은 Al, Cr, Co, Mg, La, Ce, Sr 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속 또는 란타나이드 금속 중 하나 이상의 금속이며, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되고, B는 Ni 또는 Co이다.)Wherein 0.95 ≦ x ≦ 1.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, 0.01 ≦ z ≦ 0.5, 0.95 ≦ x '≦ 1, 0.01 ≦ y ′ ≦ 0.5, 0 ≦ z' ≦ 0.1, 0.01 ≦ α ≦ 0.5, M 'is at least one of transition metals or lanthanide metals selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr and V, and M "is Al, Cr, Co, Mg, La At least one of transition metals or lanthanide metals selected from the group consisting of Ce, Sr and V, A is selected from the group consisting of O, F, S and P, and B is Ni or Co.)
본 발명은 또한, 상기 화학식 1 내지 14의 화합물 중에서 선택되는 리튬 화합물을 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액으로 코팅하고; 상기 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액이 코팅된 화합물을 건조하는 공정을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다.The present invention is also coated with a metal alkoxide solution or a metal aqueous solution of a lithium compound selected from the compounds of Formula 1 to 14; It provides a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery comprising the step of drying the compound coated with the metal alkoxide solution or the metal aqueous solution.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 본 출원인에 의해 출원된 금속 알콕사이드 용액 코팅 방법에 의한 것을 변형시킨 것으로, 기존의 방법은 금속 알콕사이드 용액과 리튬 이차 전지용 양극 소재로 사용되는 금속 산화물 분말(LiCoO2, LiNi1-x-yMxNyO2등)을 서로 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 건조한 다음 약 300 내지 800℃ 사이에서 열처리를 하여 LiCoO2의 표면에 새로운 금속 산화물 층(metal oxide layer) 또는 금속 산화물 층과사용된 금속 알콕사이드 용액으로부터 유도된 금속 산화물(metal oxide)을 형성하여 표면 구조 및 표면 성질이 변화된 새로운 형태의 분말을 제조하는 방법이었다. 이에 반하여, 본 발명에서는 기존의 방법 중 열처리 공정을 제거하고, 단지 건조 공정까지만 실시하여 표면에 금속 산화물 층이 아닌 금속 수산화물이 형성된 새로운 리튬 이차 전지용 양극 소재이다.The present invention is modified by the metal alkoxide solution coating method filed by the present applicant, the conventional method is a metal oxide powder (LiCoO 2 , LiNi 1-xy M x used as a cathode material for a metal alkoxide solution and a lithium secondary battery) N y O 2, etc.) are mixed with each other to prepare a slurry, and then dried and heat-treated between about 300 to 800 ° C. to form a new metal oxide layer or a metal oxide layer and a used metal on the surface of LiCoO 2 . Metal oxides derived from alkoxide solutions were used to produce new forms of powders with altered surface structures and surface properties. On the contrary, in the present invention, the heat treatment process of the existing method is removed, and only the drying process is performed to form a new lithium secondary battery positive electrode material having a metal hydroxide instead of a metal oxide layer on the surface.
본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 상기 화학식 1 내지 14로부터 선택되는 리튬 화합물을 포함하는 코어와 이 코어 위에 형성되어, 코어를 둘러싸고 있는 금속 수산화물 층을 포함한다.The cathode active material for a lithium secondary battery of the present invention includes a core including a lithium compound selected from Chemical Formulas 1 to 14 and a metal hydroxide layer formed on the core and surrounding the core.
상기 금속 수산화물 층에서 금속은 알콜 또는 수용액에 용해될 수 있는 것이면 어떠한 것이나 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Ge, Ga 또는 B을 사용할 수 있다.In the metal hydroxide layer, any metal may be used as long as it can be dissolved in alcohol or aqueous solution, and representative examples thereof include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Ge, Ga, or B. Can be.
상기 구성을 갖는 본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 현재 상업화되어 사용하고 있는 LiCoO2, LiNi1-x-yMxNyO2분말보다 향상된 수명(cycle life), 방전 전위(dicharge potential) 그리고 전력량(power) 특성을 나타낸다.The positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention having the above structure has improved cycle life, discharge potential, and power amount compared to LiCoO 2 and LiNi 1-xy M x N y O 2 powders that are currently commercially available. power) characteristic.
본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제조하기 위해서는, 먼저 상기 화학식 1 내지 14로부터 선택되는 화합물을 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액으로 코팅(encapsulation)한다.In order to manufacture the cathode active material for a lithium secondary battery of the present invention, first, a compound selected from Chemical Formulas 1 to 14 is encapsulated with a metal alkoxide solution or a metal aqueous solution.
상기 코팅 방법으로는 스퍼터링법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 딥 코팅(dip coating)법 등 범용 코팅 방법을 사용할 수 있다. 이러한 코팅 방법 중에서 가장 간편한 방법은 단순히 분말을 코팅 용액에 담그어 슬러리 상태로 만든 후, 용액을 제거하는 방법인 딥 코팅법이다.As the coating method, a general coating method such as a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or a dip coating method may be used. Among these coating methods, the simplest method is a dip coating method that simply dips the powder into a coating solution to make a slurry and then removes the solution.
또한, 코팅 방법은 상술한 방법 이외에도, 슬러리 상태로 만든 후, 용액을 제거하는 공정과 추후 공정인 건조 공정을 동시에 실시할 수 있는 일원화 공정(one-shot process)을 실시할 수도 있으며, 이 방법은 공정이 간단함에 따라 경제적으로 잇점이 있고, 표면에 금속 수산화물 층을 더욱 균일하게 형성할 수도 있어 바람직하다. 상기 일원화 공정에 대해 자세히 설명하면, 상기 화학식 1 내지 14로부터 선택되는 화합물(리튬 금속 산화물)과 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액을 혼합기에 투입하고 교반하면서, 이 혼합기의 온도를 증가시키고, 질소 가스 또는 아르곤 가스 등의 비활성 기체를 주입한다. 이때, 상기 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액은 상기 리튬 금속 산화물 표면에 코팅되면서, 과량의 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액은 외부 온도 증가 및 교반에 의하여 증발되어 제거된다. 따라서, 슬러리 제조 공정, 용액 제거 공정 및 건조 공정을 각각 실시할 필요없이, 하나의 혼합기에서 일원화된 공정(one-shot process)으로 실시할 수 있다. 균일한 혼합을 위해서, 상기 리튬 금속 산화물과 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액을 혼합기에 투입한 후, 약 10 내지 30분 동안 예비혼합(premixing)을 실시할 수도 있다.In addition to the above-described method, the coating method may be performed in a slurry state, and then may be subjected to a one-shot process in which a step of removing a solution and a subsequent drying step may be simultaneously performed. It is advantageous because the process is simple and economically advantageous, and the metal hydroxide layer may be more uniformly formed on the surface. In more detail about the unification process, the compound (lithium metal oxide) and the metal alkoxide solution or the metal aqueous solution selected from the formulas (1) to (14) are added to the mixer and stirred while increasing the temperature of the mixer, nitrogen gas or argon Inert gas such as gas is injected. At this time, the metal alkoxide solution or the metal aqueous solution is coated on the surface of the lithium metal oxide, the excess metal alkoxide solution or the metal aqueous solution is evaporated and removed by increasing the external temperature and stirring. Therefore, the slurry production process, the solution removal process, and the drying process can be performed in one mixer in a one-shot process. For uniform mixing, the lithium metal oxide and the metal alkoxide solution or the metal aqueous solution may be added to the mixer, followed by premixing for about 10 to 30 minutes.
상기 혼합기의 온도 증가는 용매인 알콜 또는 물이 증발될 수 있는 온도, 적적당하게는 50 내지 100℃의 가온수를 혼합기 외부로 순환시켜서 실시하며, 혼합기를 통과하여 냉각된 가온수는 일반적으로는 열교환기를 통하여 다시 온도를 증가시켜 순환된다.The temperature increase of the mixer is carried out by circulating the hot water at a temperature at which the solvent alcohol or water can be evaporated, suitably 50 to 100 ° C., outside the mixer, and the hot water cooled through the mixer is generally a heat exchanger. The temperature is circulated again by increasing the temperature.
상기 혼합기로는 리튬 금속 산화물과 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액을 잘 혼합시킬 수 있고, 비활성 기체를 주입할 수 있으며 온도를 증가시킬 수 있으면 되며, 특별한 제약은 없다. 대표적인 예로는 유성 혼합기(planetary mixer)를 사용할 수 있다. 도 1에 열교환기가 부착된 유성 혼합기를 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 유성 혼합기 상부로 비활성 기체인 질소 가스를 투입하고, 열교환기를 통하여 온수를 순환시킨다.The mixer can be a good mixture of lithium metal oxide and metal alkoxide solution or aqueous metal solution, inert gas can be injected and the temperature can be increased, there is no particular limitation. As a representative example, a planetary mixer may be used. 1 shows a planetary mixer equipped with a heat exchanger. As shown in FIG. 1, nitrogen gas serving as an inert gas is introduced into the oil-based mixer, and hot water is circulated through the heat exchanger.
코팅 공정에서 사용되는 상기 금속 알콕사이드 용액은 알코올과 상기 알코올에 대하여 0.1 내지 10 중량%에 해당하는 양의 금속을 혼합한 후, 이를 환류시켜 제조한다. 또는 금속 알콕사이드를 알코올에 용해하여 0.1 내지 10 중량% 농도의 금속 알콕사이드 용액을 제조할 수도 있다. 상기 금속 수용액은 물과 이 물에 대하여 0.1 내지 10 중량%에 해당하는 양의 금속 또는 금속 산화물을 혼합한 후, 이를 환류시켜 제조한다.The metal alkoxide solution used in the coating process is prepared by mixing alcohol and metal in an amount corresponding to 0.1 to 10% by weight based on the alcohol, and then refluxing it. Alternatively, the metal alkoxide may be dissolved in alcohol to prepare a metal alkoxide solution at a concentration of 0.1 to 10% by weight. The aqueous metal solution is prepared by mixing water with a metal or metal oxide in an amount corresponding to 0.1 to 10% by weight, and refluxing it.
상기 금속으로는 알콜 또는 수용액에 용해되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Ge, Ga 또는 B를 사용할 수 있다. Si을 함유하는 용액으로는 Aldrich사에서 시판하는 테트라오르토실리케이트(tetraorthosilicate)를 사용할 수 있다. 상기 금속 알콕사이드로는 금속 메톡사이드, 금속 에톡사이드 또는 금속 프로폭사이드를 사용할 수 있으며, 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로판올을 사용할 수 있다. 상기 금속수용액은 바나듐 옥사이드(V2O5) 수용액을 사용할 수 있다.As the metal, any dissolved in alcohol or aqueous solution may be used, and representative examples thereof may include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Ge, Ga, or B. As a solution containing Si, tetraorthosilicate commercially available from Aldrich can be used. As the metal alkoxide, metal methoxide, metal ethoxide or metal propoxide may be used, and the alcohol may be methanol, ethanol or isopropanol. As the metal aqueous solution, vanadium oxide (V 2 O 5 ) aqueous solution may be used.
상기 금속의 농도가 0.1 중량%보다 낮으면 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액으로 상기 화학식 1 내지 14의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 코팅하는 효과가 나타나지 않으며, 상기 금속의 농도가 10 중량%를 초과하면 코팅층의 두께가 너무 두꺼워져 바람직하지 않다.When the concentration of the metal is lower than 0.1% by weight, there is no effect of coating a compound selected from the group consisting of the compounds of Formulas 1 to 14 with a metal alkoxide solution or an aqueous metal solution, and the concentration of the metal exceeds 10% by weight. If the coating layer is too thick, it is not preferable.
범용 코팅 공정을 실시한 경우에는, 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액이 코팅된 분말을 상온 내지 200℃에서 1 내지 24시간 동안 건조시킨다.When the general purpose coating process is carried out, the metal alkoxide solution or the powder coated with the metal aqueous solution is dried at room temperature to 200 ° C. for 1 to 24 hours.
일원화 코팅 공정을 실시한 경우에는, 상술한 바와 같이, 건조 공정이 코팅과 동시에 이루어지므로 별도로 건조 공정을 실시할 필요는 없다.When the unitary coating process is performed, as described above, the drying process is performed simultaneously with the coating, and thus it is not necessary to perform the drying process separately.
이러한 건조 공정에 따라, 표면에 형성된 금속 알콕사이드 또는 금속 수용액 층은 대기 중에 있는 수분과 반응하여 금속-옥시 하이드록사이드로 1차 변화하고, 이렇게 변화된 물질이 더욱 건조가 되면서 금속 수산화물로 변화되어 표면에 새로운 비정질 또는 결정질의 금속 수산화물 층이 형성된다. 이러한 메카니즘을 도 2에 도시하였다. 이렇게 표면에 형성된 금속 수산화물 층은 내부저항을 작게 할 수 있어 방전 전위의 하락을 적게하여 충방전 속도(C-rate) 변화에 따른 높은 방전 전위 특성을 유지하는 특성을 나타내어, 이러한 표면 특성이 개선된 양극 활물질을 전지에 적용할 경우, 보다 우수한 수명 특성과 방전 전위 저하 특성이 나타나 전력량(power) 향상 특성을 나타낼 것으로 기대된다.According to this drying process, the metal alkoxide or aqueous metal layer formed on the surface reacts with moisture in the air to be primarily converted into metal-oxy hydroxide, and the changed material is converted into metal hydroxide as it is further dried. A new amorphous or crystalline metal hydroxide layer is formed. This mechanism is shown in FIG. The metal hydroxide layer formed on the surface can reduce the internal resistance, thereby reducing the drop in the discharge potential, thereby maintaining a high discharge potential characteristic according to the change of the charge-discharge rate (C-rate). When the positive electrode active material is applied to a battery, it is expected to exhibit better life characteristics and lowering discharge potential, thereby exhibiting power improvement characteristics.
상술한 바와 같이, 본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 코팅 공정을실시한 후, 열처리 공정을 실시하지 않고, 건조 공정만 실시한다. 종래 방법에는 코팅 공정을 실시한 후, 건조 공정과 열처리 공정을 실시하여, 표면에 금속 산화물 층이 형성된 양극 활물질을 제조하였다(도 3). 이 경우, 표면에 형성된 금속 산화물 층이 이온 전도도가 비교적 낮아, 내부 저항이 증가되어 방전 전위 및 전력량 특성을 저하시킬 수 있었다. 그러나 본 발명에서는 이러한 열처리 공정을 실시하지 않음에 따라 표면에 금속 수산화물 층이 형성된 양극 활물질을 제조할 수 있었으며, 이 양극 활물질은 금속 산화물 층이 형성된 양극 활물질에 비해 놀라운 충방전 특성을 나타냄을 알게 되었다.As described above, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention performs only a drying step without performing a heat treatment step after performing a coating step. In the conventional method, a coating step is performed, followed by a drying step and a heat treatment step to prepare a cathode active material having a metal oxide layer formed on a surface thereof (FIG. 3). In this case, the metal oxide layer formed on the surface was relatively low in ionic conductivity, so that the internal resistance was increased, thereby lowering the discharge potential and power amount characteristics. However, in the present invention, the positive electrode active material having the metal hydroxide layer formed on the surface was not manufactured by performing the heat treatment process, and the positive electrode active material was found to exhibit remarkable charge and discharge characteristics compared to the positive electrode active material having the metal oxide layer formed thereon. .
본 발명에서 코팅 공정을 일원화 공정을 사용한 경우와 종래 제조 방법의 비교를 용이하게 하기 위하여, 각 공정을 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 종래 코팅 공정은 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액과 리튬 금속 산화물을 혼합하여 슬러리를 제조하고(슬러리 제조 공정), 이 슬러리로부터 용액을 제거한 후(용액 제거 공정), 얻어진 슬러리를 80 내지 100℃에서 건조시켜 미세한 분말로 제조한 뒤(건조 공정), 열처리를 실시하는 방법을 사용하였다.In the present invention, in order to facilitate the comparison between the case of using a unified process and the conventional manufacturing method, each process is shown in FIG. As shown in Fig. 4, in the conventional coating process, a slurry is prepared by mixing a metal alkoxide solution or a metal aqueous solution with lithium metal oxide (slurry manufacturing step), removing the solution from the slurry (solution removal step), and then After drying at 80 to 100 ° C. to produce a fine powder (drying step), a method of performing heat treatment was used.
이에 대하여, 도 4에 기재한 본 발명의 제조 방법은 상기 슬러리 제조 공정과 용액 제거 건조 공정 및 건조 공정을 하나의 용기 내에서 일원화된 공정(one-shot process)으로 실시함에 따라 공정이 간단해져 경제적으로 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제조할 수 있고, 상기 리튬 금속 산화물을 금속 알콕사이드 용액 또는 금속 수용액으로 종래 방법보다 더욱 균일하게 코팅할 수 있다. 또한, 열처리 공정을 실시하지 않음으로 표면에 금속 산화물 층이 아닌 금속 수산화물 층을 형성할 수 있다.On the other hand, the manufacturing method of the present invention described in FIG. 4 is simple and economical as the slurry production process, the solution removal drying process, and the drying process are carried out in a one-shot process in one container. The cathode active material for a lithium secondary battery can be prepared, and the lithium metal oxide can be more uniformly coated with a metal alkoxide solution or a metal aqueous solution than the conventional method. In addition, the metal hydroxide layer may be formed on the surface instead of the metal oxide layer by not performing the heat treatment process.
본 발명에서 사용한 상기 화학식 1 내지 14의 화합물은 상업적으로 유통되는 화학식 1 내지 14의 리튬 화합물을 사용할 수도 있고, 또는 다음과 같은 방법으로 제조된 리튬 화합물을 사용할 수도 있다.As the compound of Chemical Formulas 1 to 14 used in the present invention, a commercially available lithium compound of Chemical Formulas 1 to 14 may be used, or a lithium compound prepared by the following method may be used.
상기 화학식 1 내지 14의 화합물을 합성하기 위해서, 리튬염 및 금속염을 원하는 당량비대로 혼합한다. 상기 리튬염으로는 일반적으로 망간계 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제조하는데 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 리튬 나이트레이트, 리튬 아세테이트 또는 리튬 하이드록사이드를 사용할 수 있다. 상기 금속염으로는 망간염, 코발트염, 니켈염 또는 니켈 망간염을 사용할 수 있다. 상기 망간염으로는 망간 아세테이트 또는 망간 디옥사이드 등을 사용할 수 있고, 상기 코발트염으로는 코발트 옥사이드, 코발트 나이트레이트 또는 코발트 카보네이트를 사용할 수 있으며, 니켈염으로는 니켈 하이드록사이드, 니켈 나이트레이트 또는 니켈 아세테이트를 사용할 수 있다. 상기 니켈 망간염은 니켈염과 망간염을 공침 방법으로 침전시켜 제조된 것을 사용할 수 있다. 금속염으로 망간염, 코발트염, 니켈염, 또는 니켈 망간염과 함께 불소염, 황염 또는 인염을 함께 침전시킬 수도 있다. 상기 불소염으로는 망간 플루오라이드 또는 리튬 플루오라이드가 사용될 수 있으며, 상기 황 염으로는 망간 설파이드 또는 리튬 설파이드를 사용할 수 있고, 상기 인염으로는 H3PO4를 사용할 수 있다. 상기 망간염, 코발트염, 니켈염, 니켈 망간염, 불소염, 황염 및 인염이 상기 화합물에 한정되는 것은 아니다.In order to synthesize the compounds of Formulas 1 to 14, lithium salts and metal salts are mixed at a desired equivalent ratio. As the lithium salt, any one generally used to prepare a cathode active material for a manganese-based lithium secondary battery may be used, and representative examples thereof may include lithium nitrate, lithium acetate, or lithium hydroxide. Manganese salt, cobalt salt, nickel salt or nickel manganese salt may be used as the metal salt. The manganese salt may be used, such as manganese acetate or manganese dioxide, the cobalt salt may be used cobalt oxide, cobalt nitrate or cobalt carbonate, nickel salt, nickel hydroxide, nickel nitrate or nickel acetate Can be used. The nickel manganese salt may be prepared by precipitating nickel salt and manganese salt by coprecipitation method. The metal salt may be precipitated together with manganese salt, cobalt salt, nickel salt, or nickel manganese salt with fluorine salt, sulfur salt or phosphorus salt. Manganese fluoride or lithium fluoride may be used as the fluorine salt, manganese sulfide or lithium sulfide may be used as the sulfur salt, and H 3 PO 4 may be used as the phosphate salt. The manganese salt, cobalt salt, nickel salt, nickel manganese salt, fluorine salt, sulfur salt and phosphorus salt are not limited to the compound.
혼합 방법은 예를 들면, 몰타르 그라인더 혼합(mortar grinder mixing)을 사용할 수 있고, 이때, 리튬염 및 금속염의 반응을 촉진하기 위하여, 에탄올, 메탄올, 물, 아세톤 등 적절한 용매를 첨가하고 용매가 거의 없어질 때까지(solvent-free) 몰타르 그라인더 혼합(mortar grinder mixing)을 실시하는 것이 바람직하다.The mixing method may use, for example, mortar grinder mixing, in which an appropriate solvent such as ethanol, methanol, water, acetone is added and there is little solvent in order to promote the reaction of lithium salt and metal salt. It is desirable to carry out mortar grinder mixing until solvent-free.
얻어진 혼합물을 약 400 내지 600℃의 온도에서 열처리하여 준 결정성(semi-crystalline) 상태의 화학식 1 내지 14의 화합물 전구체 분말을 제조한다. 열처리 온도가 400℃보다 낮으면 리튬염과 금속염의 반응이 충분하지 않다는 문제점이 있다. 또한 열처리하여 제조된 전구체 분말을 건조시킨 후, 또는 열처리 과정 후에 건조 공기를 블로잉(blowing)하면서 상기 전구체 분말을 상온에서 재혼합(remixing)시켜 리튬염을 균일하게 분포시킬 수도 있다.The obtained mixture is heat-treated at a temperature of about 400 to 600 ° C. to prepare compound precursor powders of formulas 1 to 14 in a semi-crystalline state. If the heat treatment temperature is lower than 400 ℃ there is a problem that the reaction between the lithium salt and the metal salt is not sufficient. In addition, after drying the precursor powder prepared by the heat treatment, or after the heat treatment process (blowing) dry air may be uniformly distributed by remixing the precursor powder at room temperature (remixing).
얻어진 준 결정성 전구체 분말을 700 내지 900℃의 온도로 약 10 내지 15시간 동안 2차 열처리한다. 2차 열처리 온도가 700℃보다 낮으면 결정성 물질이 형성되기 어려운 문제점이 있다. 상기 열처리 공정은 건조 공기 또는 산소를 블로잉(blowing)하는 조건하에서 1 내지 5℃/분의 속도로 승온하여 실시하고, 각 열처리 온도에서 일정 시간 동안 유지한 후 자연 냉각하는 것으로 이루어진다.The semi-crystalline precursor powder obtained is subjected to secondary heat treatment at a temperature of 700 to 900 ° C. for about 10 to 15 hours. If the secondary heat treatment temperature is lower than 700 ° C, there is a problem that the crystalline material is difficult to form. The heat treatment process is carried out by raising the temperature at a rate of 1 to 5 ℃ / min under the conditions of blowing (dry) air or oxygen, and consists of natural cooling after maintaining for a predetermined time at each heat treatment temperature.
이어서, 제조된 화학식 1 내지 14의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물의 분말을 상온에서 재혼합(remixing)시켜 리튬 염을 더욱 균일하게 분포시키는 것이 바람직하다.Subsequently, it is preferable to remix the powder of the compound selected from the group consisting of the compounds of Formulas 1 to 14 at room temperature to distribute the lithium salt more uniformly.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
양극 활물질로 LiCoO2(Nippon Chem사, 상품명: C-10)분말을 사용하여 활물질/도전재/바인더의 비를 94/3/3의 비율로 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때, 도전재로는 슈퍼 P를 사용하였으며, 바인더로는 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 약 100㎛ 두께로 Al-포일 위에 캐스팅하여 코인 전지용 양극 극판을 제조하였다. 제조된 양극 극판을 지름 1.6㎝로 펀칭하고, 전해액으로 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트과 디메틸카보네이트의 혼합 용매를 사용하여 글로브 박스 내에서 코인 전지를 제조하였다.Using a LiCoO 2 (Nippon Chem, trade name: C-10) powder as the cathode active material, a cathode active material slurry was prepared at a ratio of 94/3/3 to an active material / conductive material / binder ratio. In this case, super P was used as the conductive material, and polyvinylidene fluoride was used as the binder. The positive electrode active material slurry was cast on Al-foil to a thickness of about 100 μm to prepare a positive electrode plate for a coin battery. The prepared positive electrode plate was punched to a diameter of 1.6 cm, and a coin battery was prepared in a glove box using a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate in which 1 M LiPF 6 was dissolved as an electrolyte.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
양극 활물질로 UMEX사의 LiCoO2분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.Except that UMEX LiCoO 2 powder was used as the positive electrode active material was carried out in the same manner as in Comparative Example 1.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
양극 활물질로 Honjo사의 LiNi0.9Sr0.002Co0.1O2분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.A lithium active material was used in the same manner as in Comparative Example 1 except that LiNi 0.9 Sr 0.002 Co 0.1 O 2 powder, manufactured by Honjo, was used.
(비교예 4)(Comparative Example 4)
5 중량%의 Al-이소프로폭사이드를 95 중량%의 에탄올에 용해시켜 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액을 제조하였다. 이 에탄올 용액에 LiCoO2(Nippon Chem사, 상품명: C-10) 분말을 담그고 교반하여, LiCoO2분말의 표면에 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액이 충분히 반응하게 한 후, 100℃ 오븐에서 약 12시간 정도 건조하였다. 건조된 분말을 500℃에서 10시간동안 건조 공기를 불어넣으면서 열처리하여, 표면에 Al2O3층이 형성된 양극 활물질을 제조하였다.5% by weight of Al-isopropoxide was dissolved in 95% by weight of ethanol to prepare an Al-isopropoxide ethanol solution. LiCoO 2 (Nippon Chem, trade name: C-10) powder was immersed in this ethanol solution and stirred to allow the Al-isopropoxide ethanol solution to sufficiently react on the surface of the LiCoO 2 powder. It dried about time. The dried powder was heat-treated while blowing dry air at 500 ° C. for 10 hours to prepare a cathode active material having an Al 2 O 3 layer formed on its surface.
제조된 양극 활물질과, 도전재로 슈퍼 P, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드를 활물질/도전재/바인더의 비를 94/3/3의 비율로 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하였다. 제조된 양극 활물질 슬러리 조성물을 약 100㎛ 두께로 Al-포일 위에 캐스팅하여 코인 전지용 양극 극판을 제조하였다. 제조된 양극 극판을 지름 1.6㎝로 펀칭하고, 전해액으로 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합 용매를 사용하여 글로브 박스 내에서 코인 전지를 제조하였다.A positive electrode active material slurry composition was prepared at a ratio of the prepared positive active material, super P as the conductive material, polyvinylidene fluoride as the binder, and the ratio of the active material / conductive material / binder to 94/3/3. The prepared positive electrode active material slurry composition was cast on an Al-foil with a thickness of about 100 μm to prepare a positive electrode plate for a coin battery. The prepared positive electrode plate was punched to a diameter of 1.6 cm, and a coin battery was prepared in a glove box using a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate in which 1M LiPF 6 was dissolved as an electrolyte.
(비교예 5)(Comparative Example 5)
1% 농도의 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액을 사용하고, 열처리 온도를 600℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 4와 동일하게 실시하였다.An Al-isopropoxide ethanol solution at a concentration of 1% was used, and the same procedure as in Comparative Example 4 was carried out except that the heat treatment temperature was changed to 600 ° C.
(비교예 6)(Comparative Example 6)
Honjo사에서 시판하고 있는 LiNi0.9Sr0.002Co0.1O2분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 4와 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Comparative Example 4 was carried out except that LiNi 0.9 Sr 0.002 Co 0.1 O 2 powder commercially available from Honjo was used.
(비교예 7)(Comparative Example 7)
1% 농도의 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 6과 동일하게 실시하였다.Except that the Al-isopropoxide ethanol solution of 1% concentration was used in the same manner as in Comparative Example 6.
(실시예 1)(Example 1)
1 중량% Al-이소프로폭사이드를 99 중량% 에탄올에 용해하여 1% 농도의 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액을 제조하였다.1% Al-isopropoxide was dissolved in 99% ethanol to prepare an Al-isopropoxide ethanol solution at 1% concentration.
상기 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액과 LiCoO2(Nippon Chem사, 상품명: C-10)을 도 1에 나타낸 장치인 유성 혼합기(planetary mixer)에 각각 넣고, 약 10분간 혼합하였다. 항온조의 온도를 60℃로 고정한 후, 물을 순환(water circulation)시키며, 동시에 질소 기체를 흘려넣으면서(purging), 약 1시간 정도 교반하여, 표면에 Al(OH)3층이 형성된 LiCoO2양극 활물질 분말을 제조하였다.The Al-isopropoxide ethanol solution and LiCoO 2 (Nippon Chem, trade name: C-10) were put in a planetary mixer, which is a device shown in FIG. 1, and mixed for about 10 minutes. After fixing the temperature of the thermostat at 60 ° C., the water was circulated, and at the same time, while purging nitrogen gas, the mixture was stirred for about 1 hour to form a LiCoO 2 cathode active material having an Al (OH) 3 layer formed on the surface thereof. Powder was prepared.
상기 양극 활물질 분말을 사용하여 활물질/도전재/바인더의 비를 94/3/3의 비율로 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때, 도전재로는 슈퍼 P를 사용하였으며, 바인더로는 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 약 100㎛ 두께로 Al-포일 위에 캐스팅하여 코인 전지용 양극 극판을 제조하였다. 이러한 극판을 지름 1.6㎝로 펀칭하고, 전해액으로 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합 용매를 사용하여 글로브 박스 내에서 코인 전지를 제조하였다.Using the positive electrode active material powder, a positive electrode active material slurry was prepared at a ratio of an active material / conductive material / binder at a ratio of 94/3/3. In this case, super P was used as the conductive material, and polyvinylidene fluoride was used as the binder. The positive electrode active material slurry was cast on Al-foil to a thickness of about 100 μm to prepare a positive electrode plate for a coin battery. This electrode plate was punched to a diameter of 1.6 cm, and a coin cell was prepared in a glove box using a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate in which 1M LiPF 6 was dissolved as an electrolyte.
(실시예 2)(Example 2)
건조 후, 열처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 비교예 4와 동일하게 실시하였다.After drying, the same process as in Comparative Example 4 was carried out except that heat treatment was not performed.
(실시예 3)(Example 3)
건조 후, 열처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 비교예 5와 동일하게 실시하였다.After drying, the same process as in Comparative Example 5 was carried out except that heat treatment was not performed.
(실시예 4)(Example 4)
건조 후, 열처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 비교예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.After drying, the same process as in Comparative Example 6 was conducted except that heat treatment was not performed.
(실시예 5)(Example 5)
Honjo사의 LiNi0.9Sr0.002Co0.1O2분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 2 was conducted except that LiNi 0.9 Sr 0.002 Co 0.1 O 2 powder from Honjo Co. was used.
(실시예 7)(Example 7)
5% 농도의 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.Except that 5% Al-isopropoxide ethanol solution was used in the same manner as in Example 6.
상기 실시예 2 및 3과 비교예 4의 방법으로 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 SEM 사진을 도 5a, 5b 및 5c에 각각 나타내었다. 참조로, 순수 LiCoO2(Nippon Chem사, 상품명: C-10)의 SEM 사진을 도 5d에 나타내었다. 도 5a-d에 나타낸 것과 같이, 열처리를 실시하지 않고 건조 공정만 실시한 실시예 2 및 3의 양극 활물질의 표면(도 5a, 5b)은 순수 LiCoO2분말 표면(도 5d)과 유사하게 매끄러우나, 열처리를 실시한 비교예 4의 양극 활물질(도 5c)은 표면에 형성된 금속산화물 덩어리로 인하여 울퉁불퉁한 표면을 갖음을 알 수 있다.SEM pictures of the cathode active material for a lithium secondary battery prepared by the method of Examples 2 and 3 and Comparative Example 4 are shown in FIGS. 5A, 5B and 5C, respectively. For reference, SEM images of pure LiCoO 2 (Nippon Chem, trade name: C-10) are shown in FIG. 5D. As shown in Figs. 5A-D, the surfaces of the positive electrode active materials of Examples 2 and 3 (Figs. 5A and 5B) subjected to only a drying process without heat treatment are smoothly similar to pure LiCoO 2 powder surfaces (Fig. 5D). It can be seen that the positive electrode active material (FIG. 5C) of Comparative Example 4 subjected to the heat treatment has an uneven surface due to the metal oxide mass formed on the surface.
실시예 2 및 3과 비교예 1의 리튬 이차 전지용 양극 활물질과 참고로 순수 LiCoO2(Nippon Chem사, 상품명: C-10)을 0.1C, 0.5C 및 1C 충방전 속도로 각각 충방전을 실시한 후, 방전 특성을 도 6 내지 8에 각각 나타내었다. 도 6 내지 8에 나타낸 것과 같이, 실시예 2 및 3의 양극 활물질의 방전 특성은 저율(도 6, 0.1C)에서는 비교예 1과 큰 차이를 보이지 않으나, 점점 고율로 가면서(도 7, 0.5C, 도 8, 1C) 비교예 1보다 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다.After charging and discharging the positive electrode active material for lithium secondary batteries of Examples 2 and 3 and Comparative Example 1 and pure LiCoO 2 (Nippon Chem, trade name: C-10) at 0.1C, 0.5C, and 1C charge and discharge rates, respectively, And discharge characteristics are shown in FIGS. 6 to 8, respectively. 6 to 8, the discharge characteristics of the positive electrode active materials of Examples 2 and 3 did not show a large difference from Comparative Example 1 at low rates (FIGS. 6 and 0.1C), but gradually increased to higher rates (FIGS. 7 and 0.5C). 8, 1C) it can be seen that it shows a superior property than Comparative Example 1.
이러한 결과는 비교예 1의 양극 활물질은 표면 층에 이온 전도도가 비교적 나쁜 금속 산화물이 형성되어 있어 내부 저항이 증가됨에 따라 방전 전위 및 전력 특성이 저하된 반면, 금속 수산화물이 표면에 형성된 실시예 2 및 3의 경우에는 상대적으로 내부 저항을 작게 하여 방전 전위의 하락을 적게 하여 충방전 속도 변화에 따른 높은 방전 전위 특성을 유지하는 것으로 생각된다. 따라서, 실시예 2 및 3의 양극 활물질을 전지에 적용할 경우, 보다 우수한 수명 특성과 방전 전위 저하 특성이 나타나 전력량(power) 향상 특성을 나타낼 것으로 기대된다.These results indicate that the positive electrode active material of Comparative Example 1 had a relatively poor ion conductivity formed on the surface layer, so that the discharge potential and power characteristics were decreased as the internal resistance was increased, whereas the metal hydroxide was formed on the surface. In the case of 3, it is considered that the internal resistance is relatively small, the drop of the discharge potential is reduced, and the high discharge potential characteristic is maintained in accordance with the charge / discharge rate change. Therefore, when the positive electrode active materials of Examples 2 and 3 are applied to a battery, it is expected to exhibit more excellent lifespan characteristics and discharge potential lowering characteristics, thereby exhibiting power improvement characteristics.
아울러, 참고로, 비정질 Al(OH)3와 Al2O3의 차이점을 알아보기 위하여, 두 물질의 XRD 패턴을 측정하는 실험을 실시하였다. 비정질 Al(OH)3와 Al2O3는, Al-이소프로폭사이드 용액 5g과 에탄올 용액 95g을 서로 혼합한 후, 약 3시간 교반을 하여 맑은 Al-이소프로폭사이드 에탄올 용액을 제조한 후, 이 용액을 3개의 비이커에 각각 나누어 담은 후, No. 1 비이커는 상온에서 1일간 건조하고, No. 2 비이커는 130℃ 오븐에서 1일간 건조하고, No. 3 비이커는 600℃ 열처리로에 넣어서 1일간 열처리하여 각각 얻었다. 비정질 Al(OH)3와 Al2O3의 XRD 패턴을 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타낸 것과 같이, 비정질 Al(OH)3와 비정질 Al2O3의 XRD 패턴은 명확하게 구별됨을 알 수 있다.In addition, in order to determine the difference between amorphous Al (OH) 3 and Al 2 O 3 , an experiment was performed to measure the XRD patterns of the two materials. After amorphous Al (OH) 3 and Al 2 O 3 were mixed with 5 g of Al-isopropoxide solution and 95 g of ethanol solution, the mixture was stirred for about 3 hours to prepare a clear Al-isopropoxide ethanol solution. After dividing each solution into three beakers, No. 1 beaker is dried at room temperature for 1 day, 2 Beakers were dried in an oven at 130 ° C. for 1 day, and no. Three beakers were put into a 600 degreeC heat treatment furnace, and heat-treated for 1 day, respectively. XRD patterns of amorphous Al (OH) 3 and Al 2 O 3 are shown in FIG. 9. As shown in FIG. 9, it can be seen that the XRD patterns of amorphous Al (OH) 3 and amorphous Al 2 O 3 are clearly distinguished.
또한, 도 9에 나타낸 결과에서 보는 바와 같이, 두 가지 분말(130℃에서 건조, 600℃에서 10시간 열처리) 모두는 비정질 형태를 나타내었다. 비정질 형태이기 때문에 정확한 구조는 알 수 없었지만 도 10에 나타낸 JCPDS 카드에 나타나있는 참조 데이터와 비교한 결과 130℃에서 건조한 분말의 경우는 JCPDS No. 83-2256에서 제시하고 있는 Al(OH)3의 비정질 형태로 생각되며, 600℃에서 열처리한 경우는 JCPDS No. 02-1373에서 제시하고 있는 Al2O3의 비정질 형태로 추측된다. 이러한 결과에 따라, 실시예 및 비교예의 방법으로 제조되는 활물질의 표면은 모두 비정질 코팅 층을 갖음을 예상할 수 있다.In addition, as shown in the results shown in FIG. 9, both powders (drying at 130 ° C. and heat treatment at 600 ° C. for 10 hours) showed an amorphous form. Because of its amorphous form, the exact structure was unknown, but as a result of comparison with the reference data shown on the JCPDS card shown in FIG. 10, JCPDS No. It is considered to be an amorphous form of Al (OH) 3 shown in 83-2256, and when heat-treated at 600 ° C, JCPDS No. It is assumed to be an amorphous form of Al 2 O 3 shown in 02-1373. According to these results, it can be expected that the surfaces of the active materials prepared by the methods of Examples and Comparative Examples all have an amorphous coating layer.
상술한 바와 같이, 본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 표면에 이온 전도도가 우수한 금속 수산화물이 형성되어 있으므로 내부 저항을 작게 할 수 있어서 방전 전위의 하락을 적게 하여 충방전 속도 변화에 따른 높은 방전 전위 특성을 유지하는 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 양극 활물질을 전지에 적용할 경우 보다 우수한 수명 특성과 방전 전위 저하 특성이 나타나 전력량(Power) 향상 특성을 나타낼 것으로 기대된다.As described above, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is formed with a metal hydroxide having excellent ion conductivity on the surface thereof, so that the internal resistance can be reduced, so that the discharge potential is decreased, and thus the discharge potential characteristics according to the charge / discharge rate change are high. It can represent the property to maintain. When the positive electrode active material is applied to a battery, it is expected to exhibit better life and discharge potential lowering characteristics, thereby improving power.
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