KR20200126351A - Lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
리튬전지에 관한 것이다.It relates to a lithium battery.
각종 기기의 소형화, 고성능화에 부합하기 위하여 리튬전지의 소형화, 경량화 외에 고에너지밀도화가 중요해지고 있다. 즉, 고용량의 리튬전지가 중요해지고 있다.In order to meet the miniaturization and high performance of various devices, high energy density in addition to miniaturization and weight reduction of lithium batteries is becoming important. That is, high-capacity lithium batteries are becoming more important.
상기 용도에 부합하는 리튬전지를 구현하기 위하여 고용량을 가지면서도 수명특성이 우수한 양극활물질 및 음극활물질을 포함하는 리튬전지가 검토되고 있다.In order to implement a lithium battery suitable for the above use, a lithium battery including a positive electrode active material and a negative electrode active material having a high capacity and excellent lifespan characteristics have been studied.
리튬전지용 음극활물질의 대표적인 예는 흑연과 같은 탄소계 재료이다. 흑연은 용량 유지 특성 및 전위 특성이 우수하며, 리튬과 합금 형성시 부피 변화가 없어 전지의 안정성이 높으나 전기 용량이 작다.A typical example of a negative active material for lithium batteries is a carbon-based material such as graphite. Graphite has excellent capacity retention characteristics and potential characteristics, and there is no change in volume when forming an alloy with lithium, so the stability of the battery is high, but the electric capacity is small.
탄소계 재료에 비하여 전기 용량이 높은 음극활물질로서 리튬과 합금가능한 금속, 이들의 합금, 또는 이들의 산화물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al 등이다. 리튬과 합금가능한 금속은 전기용량이 매우 크나 수명 특성이 부진하다.As an anode active material having a higher electric capacity than a carbon-based material, a metal alloyable with lithium, an alloy thereof, or an oxide thereof may be used. For example, lithium alloyable metals are Si, Sn, Al, and the like. Metals that can be alloyed with lithium have a very large electric capacity but have poor lifespan characteristics.
리튬전지용 양극활물질의 대표적인 예는 LiCoO2이다. LiCoO2는 수명특성이 우수하나 전기용량이 작다.A representative example of a cathode active material for lithium batteries is LiCoO 2 . LiCoO 2 has excellent life characteristics but small electric capacity.
LiNixCoyMnzO2(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1) 등의 복합전이금속산화물은 LiCoO2의 에 비하여 증가된 전기용량을 가지나 수명특성이 부진하다.Complex transition metal oxides such as LiNi x Co y Mn z O 2 (0<x<1, 0<y<1, 0<z<1) have increased electric capacity compared to LiCoO 2 but have poor lifespan characteristics. .
따라서, 고용량을 가지면서도 수명특성이 개선된 리튬전지가 여전히 요구된다.Therefore, there is still a need for a lithium battery having a high capacity and improved lifespan characteristics.
한 측면은 새로운 조성의 리튬전지를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a lithium battery with a new composition.
한 측면에 따라,According to one aspect,
양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 전해질;을 포함하며,anode; cathode; And an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode,
상기 양극이 일차입자의 평균입경 2㎛ 이상인 니켈계 리튬전이금속산화물 및리튬코발트산화물을 포함하며,The anode comprises a nickel-based lithium transition metal oxide and a lithium cobalt oxide having an average particle diameter of 2 μm or more of the primary particles,
상기 음극이 흑연 및 실리콘계 화합물을 포함하는 리튬전지가 제공된다.A lithium battery is provided in which the negative electrode includes graphite and a silicon-based compound.
한 측면에 따르면 새로운 조성의 양극 및 음극을 포함함에 의하여 리튬전지의 방전용량 및 수명특성이 향상될 수 있다.According to one aspect, discharge capacity and life characteristics of a lithium battery may be improved by including a positive electrode and a negative electrode having a new composition.
도 1은 제조예 1에서 제조된 니켈계 리튬전이금속산화물의 SEM 이미지이다.
도 2는 비교제조예 1에 따른 니켈계 리튬전이금속산화물의 SEM 이미지이다.
도 3은 제조에 1 및 비교제조예 1에서 제조된 니켈계 리튬전이금속산화물의 시차주사열량계 분석 그래프이다.
도 4는 일구현예에 따른 리튬전지의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 리튬전지
2: 음극
3: 양극
4: 세퍼레이터
5: 전지케이스
6: 캡 어셈블리1 is an SEM image of a nickel-based lithium transition metal oxide prepared in Preparation Example 1. FIG.
2 is an SEM image of a nickel-based lithium transition metal oxide according to Comparative Preparation Example 1.
3 is a differential scanning calorimeter analysis graph of the nickel-based lithium transition metal oxide prepared in
4 is a schematic diagram of a lithium battery according to an embodiment.
<Explanation of symbols for major parts of drawings>
1: lithium battery 2: negative electrode
3: anode 4: separator
5: battery case 6: cap assembly
이하에서 예시적인 구현예에 따른 리튬전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a lithium battery according to an exemplary embodiment will be described in more detail.
일구현예에 따른 리튬전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 전해질;을 포함하며, 상기 양극이 일차입자의 입경 2㎛ 이상인 니켈계 리튬전이금속산화물 및 리튬코발트산화물을 포함하며, 상기 음극이 흑연 및 실리콘계 화합물을 포함한다.A lithium battery according to an embodiment includes a positive electrode; cathode; And an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode includes a nickel-based lithium transition metal oxide and a lithium cobalt oxide having a particle diameter of 2 μm or more of the primary particles, and the negative electrode includes graphite and a silicon-based compound.
상기 리튬전지는 양극에서 양극활물질로서 일차입자의 입경이 2㎛ 이상인 단일입자(one body) 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물 및 리튬코발트산화물을 포함하며, 음극에서 음극활물질로서 흑연과 실리콘계 화합물을 동시에 포함함에 의하여 높은 방전용량과 향상된 수명특성을 동시에 제공할 수 있다.The lithium battery includes nickel-based lithium transition metal oxide and lithium cobalt oxide in the form of a single particle having a particle diameter of 2 μm or more as a positive electrode active material in the positive electrode, and graphite and silicon-based compounds are simultaneously used as negative electrode active materials in the negative electrode. By including it, it is possible to provide high discharge capacity and improved life characteristics at the same time.
상기 리튬전지의 양극에서 일차입자의 입경이 2㎛ 이상인 단일입자(one body) 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물 및 리튬코발트산화물을 포함함에 의하여 양극의 합제밀도가 증가하여 결과적으로 리튬전지의 방전용량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 양극을 사용함에 의하여 고전압에서의 가스발생이 감소하고 열안정성이 향상되어 수명특성이 향상된 리튬전지가 얻어질 수 있다.By including nickel-based lithium transition metal oxide and lithium cobalt oxide in the form of single particles having a particle diameter of 2 μm or more in the positive electrode of the lithium battery, the mixture density of the positive electrode increases, resulting in the discharge capacity of the lithium battery. Can be increased. In addition, by using the positive electrode, gas generation at a high voltage is reduced and thermal stability is improved, so that a lithium battery with improved life characteristics can be obtained.
상기 리튬전지에서 일차입자의 입경이 2㎛ 이상인 단일입자(one body) 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물 및 리튬코발트산화물을 포함하는 양극의 초기충방전 효율이 상기 음극의 초기충방전효율과 같거나 더 높을 수 있다. 상기 리튬전지에서 양극의 초기충방전 효율이 음극의 초기충방전효율에 비하여 낮을 경우 일차입자의 입경이 2㎛ 이상인 단일입자(one body) 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물이 가지는 높은 합제밀도에 의한 단위부피당 방전용량의 증가가 낮은 충방전효율에 의하여 상쇄될 수 있다.In the lithium battery, the initial charge/discharge efficiency of the positive electrode including nickel-based lithium transition metal oxide and lithium cobalt oxide in the form of a single particle having a particle diameter of 2 μm or more is equal to the initial charge/discharge efficiency of the negative electrode, or Can be higher. In the lithium battery, when the initial charging/discharging efficiency of the positive electrode is lower than that of the negative electrode, the high mixture density of the nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle having a particle diameter of 2㎛ or more of the primary particle The increase in discharge capacity per unit volume can be offset by low charge/discharge efficiency.
상기 리튬전지에서 실리콘계 화합물의 함량이 흑연 및 실리콘계 화합물 총 중량을 기준으로 5 중량% 이상일 수 있다. 예를 들어, 리튬전지에서 실리콘계 화합물의 함량이 흑연 및 실리콘계 화합물 총 중량을 기준으로 5 내지 25 중량%일 수 있다. 상기 리튬전지에서 실리콘계 화합물의 함량이 5중량% 미만이면 음극의 초기충방전효율이 양극에 비하여 높아 리튬전지의 방전용량이 감소될 수 있다. The content of the silicon-based compound in the lithium battery may be 5% by weight or more based on the total weight of graphite and the silicon-based compound. For example, the content of the silicon-based compound in the lithium battery may be 5 to 25% by weight based on the total weight of the graphite and the silicon-based compound. If the content of the silicon-based compound in the lithium battery is less than 5% by weight, the initial charging/discharging efficiency of the negative electrode is higher than that of the positive electrode, and the discharge capacity of the lithium battery may be reduced.
예를 들어, 상기 실리콘계 화합물이 실리콘 금속(준금속), 실리콘과 다른 금속의 합금 또는 실리콘산화물일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 실리콘계 화합물로서 사용될 수 있는 것이라면 가능하다.For example, the silicon-based compound may be a silicon metal (metalloid), an alloy of silicon and another metal, or a silicon oxide, but is not necessarily limited thereto, and any one that can be used as a silicon-based compound in the art may be used.
예를 들어, 상기 실리콘계 화합물은 Si, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), SiOa(0<a<3) 등일 수 있다.For example, the silicon-based compound is Si, an Si-Y alloy (the Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, a transition metal, a rare earth element, or a combination element thereof, but not Si), SiO a (0<a<3), etc.
예를 들어, 상기 실리콘계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 실리콘 산화물일 수 있다:For example, the silicon-based compound may be a silicon oxide represented by Formula 1:
<화학식 1><
SiOx SiO x
상기 식에서, 0<x<2.0이다.In the above formula, 0<x<2.0.
예를 들어, 상기 리튬전지에서 니켈계 리튬전이금속산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다:For example, in the lithium battery, the nickel-based lithium transition metal oxide may be a compound represented by the following Formula 2:
<화학식 2><
LixCoaNibMcO2+α Li x Co a Ni b M c O 2+α
상기 식에서, 0.9<x<1.5, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, -0.1≤α≤0.1이고, M은 Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이다.In the above formula, 0.9<x<1.5, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, -0.1≤α≤0.1, and M is Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb , Mo, W, Zn, Al, Si, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, and at least one element selected from the group consisting of rare earth elements.
예를 들어, 상기 리튬전지에서 니켈계 리튬전이금속산화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다:For example, in the lithium battery, the nickel-based lithium transition metal oxide may be a compound represented by the following Formula 3:
<화학식 3><
LixCoaNibMncO2+α Li x Co a Ni b Mn c O 2+α
상기 식에서, 0.9<x<1.1, 0<a<0.5, 0.4<b<1, 0<c<0.5, -0.1≤α≤0.1이다.In the above formula, 0.9<x<1.1, 0<a<0.5, 0.4<b<1, 0<c<0.5, -0.1≦α≦0.1.
예를 들어, 상기 리튬전지에서 니켈계 리튬전이금속산화물은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물일 수 있다:For example, in the lithium battery, the nickel-based lithium transition metal oxide may be a compound represented by Formula 4:
<화학식 4><
LixCoaNibMncO2 Li x Co a Ni b Mn c O 2
상기 식에서, 0≤x<1.1, 0.1<a<0.3, 0.4<b<0.6, 0.2<c<0.4이다.In the above formula, 0≤x<1.1, 0.1<a<0.3, 0.4<b<0.6, 0.2<c<0.4.
상기 리튬전지에서 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물의 시차주사열량계 분석에서 온셋 포인트 온도가 250 내지 270℃로서 종래의 일반적인 NCM에 비하여 온세 포인트 온도가 높고 주 피크의 순간 발영량이 감소하는 특징을 가진다. 이러한 특성을 나타냄에 의하여 상기 니켈계 리튬전이금속산화물을 포함하는 리튬전지의 고온안정성이 향상될 수 있다.In the differential scanning calorimeter analysis of the nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle in the lithium battery, the onset point temperature is 250 to 270°C. Compared to the conventional NCM, the onset point temperature is higher and the instantaneous emission amount of the main peak is reduced. Have. By exhibiting such characteristics, high temperature stability of a lithium battery including the nickel-based lithium transition metal oxide may be improved.
예를 들어, 상기 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물의 1차 입자 평균입경은 입경이 2㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물의 1차 입자 평균입경은 입경이 3㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 1차 입자 입경이 1㎛ 미만이면 합제밀도가 낮아지거나 고율 특성이 저하될 수 있다. 상기 1차 입자 입경이 지나치게 크면 합제밀도가 낮아질 수 있다.For example, the average primary particle diameter of the nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle may have a particle diameter of 2 μm to 5 μm. For example, the average primary particle diameter of the nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle may have a particle diameter of 3 μm to 5 μm. If the primary particle diameter is less than 1 μm, the density of the mixture may be lowered or the high rate characteristics may be lowered. If the primary particle diameter is too large, the density of the mixture may be lowered.
상기 리튬전지에서 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물의 1차 입자의 크기를 조절하여 이를 이용한 리튬전지 구현 시 고전압에서의 가스 발생량이 감소하고 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있다.In the lithium battery, when the size of the primary particles of the nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle is adjusted to implement a lithium battery using the same, the amount of gas generated at high voltage can be reduced and reliability and safety can be secured.
단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물은 1000℃ 이상의 고온에서 소성됨에 의하여 비표면적을 감소시키고 잔류 리튬을 최대한 제거하여 잔류 리튬과 전해액의 표면 부반응이 억제될 수 있다. 그리고 상기한 바와 같이 고온에서 소성됨에 의하여 니켈계 리튬전이금속산화물의 결정성이 향상되면서 고전압에서의 안정성이 확보될 수 있다.The nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle may be fired at a high temperature of 1000°C or higher to reduce a specific surface area and remove residual lithium as much as possible, thereby suppressing a side reaction between the residual lithium and the electrolyte. And, as described above, by firing at a high temperature, the crystallinity of the nickel-based lithium transition metal oxide is improved, and stability at a high voltage may be ensured.
상기 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물에서 잔류 리튬인 LiOH의 함량이 0.01 내지 0.06 중량%이고 Li2CO3의 함량은 0.05 내지 0.1 중량%일 수 있다. 여기서 LiOH 및 Li2CO3의 함량은 적정법을 통하여 측정된 것이다.In the single-particle type of nickel-based lithium transition metal oxide, the content of LiOH, which is residual lithium, may be 0.01 to 0.06% by weight, and the content of Li 2 CO 3 may be 0.05 to 0.1% by weight. Here, the contents of LiOH and Li 2 CO 3 were measured through a titration method.
상기 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물에서 GC-MS 분석을 통한 탄산리튬의 함량은 0.01 내지 0.05 중량%일 수 있다.In the single particle form of nickel-based lithium transition metal oxide, the content of lithium carbonate through GC-MS analysis may be 0.01 to 0.05% by weight.
상술한 바와 같이 잔류 리튬의 함량이 적으면 잔류 리튬과 전해액의 부반응을 억제하여 고전압 및 고온에서의 가스 발생을 억제할 수 있다. 또한 LiOH의 함량이 적으면 양극 슬러리 제조 공정에서 슬러리의 pH 값을 낮춰주어 양극 슬러리를 안정한 상태로 만들어 균일한 극판 코팅 작업이 가능하다.As described above, when the content of the residual lithium is small, side reactions between the residual lithium and the electrolyte may be suppressed, and generation of gas at high voltage and high temperature may be suppressed. In addition, if the content of LiOH is low, the pH value of the slurry is lowered in the positive electrode slurry manufacturing process, making the positive electrode slurry in a stable state, enabling a uniform electrode plate coating operation.
상기 리튬전지에서 양극은 리튬코발트산화물을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 리튬코발트산화물을 추가적으로 적절히 포함함에 의하여 리튬전지의 충방전 특성이 추가적으로 향상될 수 있다.In the lithium battery, the positive electrode may additionally include lithium cobalt oxide. By appropriately adding the lithium cobalt oxide, the charge/discharge characteristics of the lithium battery may be further improved.
예를 들어, 상기 리튬전지의 양극에서 리튬코발트산화물의 함량은 니켈계 리튬전이금속산화물과 리튬코발트산화물의 총중량을 기준으로 65 중량% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지의 양극에서 리튬코발트산화물의 함량은 니켈계 리튬전이금속산화물과 리튬코발트산화물의 총중량을 기준으로 65 중량% 내지 95중량%일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지의 양극에서 리튬코발트산화물의 함량은 니켈계 리튬전이금속산화물과 리튬코발트산화물의 총중량을 기준으로 70 중량% 내지 90중량%일 수 있다. 상기 함량 범위에서 더욱 향상된 전지특성이 구현될 수 있다.For example, the content of lithium cobalt oxide in the positive electrode of the lithium battery may be 65% by weight or more based on the total weight of the nickel-based lithium transition metal oxide and the lithium cobalt oxide. For example, the content of lithium cobalt oxide in the positive electrode of the lithium battery may be 65% by weight to 95% by weight based on the total weight of the nickel-based lithium transition metal oxide and the lithium cobalt oxide. For example, the content of lithium cobalt oxide in the positive electrode of the lithium battery may be 70% by weight to 90% by weight based on the total weight of the nickel-based lithium transition metal oxide and the lithium cobalt oxide. Further improved battery characteristics may be implemented in the above content range.
상기 리튬코발트산화물의 적어도 일부에 니켈이 도핑될 수 있다. 상기 리튬코발트산화물에 니켈이 추가적으로 도핑됨에 의하여 리튬코발트산화물의 충전용량이 증가할 수 있다.At least a part of the lithium cobalt oxide may be doped with nickel. As the lithium cobalt oxide is additionally doped with nickel, the charging capacity of the lithium cobalt oxide may increase.
상기 리튬코발트산화물에 도핑되는 니켈의 함량은 니켈과 코발트 총몰수에 대하여 20몰% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬코발트산화물에 도핑되는 니켈의 함량은 니켈과 코발트 총몰수에 대하여 0.5몰% 내지 20몰%일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬코발트산화물에 도핑되는 니켈의 함량은 니켈과 코발트 총몰수에 대하여 0.5몰% 내지 10몰%일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬코발트산화물에 도핑되는 니켈의 함량은 니켈과 코발트 총몰수에 대하여 0.5몰% 내지 5몰%일 수 있다.The content of nickel doped in the lithium cobalt oxide may be 20 mol% or less with respect to the total mol number of nickel and cobalt. For example, the amount of nickel doped in the lithium cobalt oxide may be 0.5 mol% to 20 mol% based on the total number of mols of nickel and cobalt. For example, the content of nickel doped in the lithium cobalt oxide may be 0.5 mol% to 10 mol% with respect to the total mol number of nickel and cobalt. For example, the content of nickel doped in the lithium cobalt oxide may be 0.5 mol% to 5 mol% based on the total number of moles of nickel and cobalt.
상기 리튬코발트산화물에 도핑되는 니켈의 함량이 너무 작으면 충전용량 증가가 미미하며, 상기 리튬코발트산화물에 도핑되는 니켈의 함량이 너무 크면 리튬코발트산화물의 충방전 전압이 저하될 수 있다. 상기 리튬코발트산화물에 니켈을 도핑하는 경우 리튬코발트산화물을 리튬니켈산화물을 단순히 혼합하는 경우에 비하여 합제밀도가 증가할 수 있다.If the amount of nickel doped in the lithium cobalt oxide is too small, the increase in charging capacity is insignificant, and if the content of nickel doped in the lithium cobalt oxide is too large, the charge/discharge voltage of the lithium cobalt oxide may decrease. When the lithium cobalt oxide is doped with nickel, the density of the mixture may increase compared to the case of simply mixing the lithium cobalt oxide with the lithium nickel oxide.
상기 리튬전지에서 양극의 초기 충방전효율이 91.5 % 이하일 수 있다. 상기 양극을 포함하는 반전지(half cell)를 리튬 금속에 대하여 0.1C의 전류로 전압이 4.4V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.4V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전한 후, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하는 경우에 초기충방전효율이 88.5% 이상일 수 있다. 상기 양극의 초기 충방전효율이 88.5% 초과이면 방전용량이 저하될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지에서 양극의 초기 충방전효율이 88% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지에서 양극의 초기 충방전효율이 87% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지에서 양극의 초기 충방전효율이 87% 이하일 수 있다.In the lithium battery, the initial charge/discharge efficiency of the positive electrode may be 91.5% or less. When the half cell including the positive electrode is charged at a constant current with a current of 0.1C with respect to lithium metal until the voltage reaches 4.4V (vs. Li), and the current becomes 0.01C while maintaining 4.4V After charging with a constant voltage up to and then discharging with a constant current of 0.1C until the voltage reaches 3.0V (vs. Li) during discharge, the initial charge/discharge efficiency may be 88.5% or more. If the initial charge/discharge efficiency of the positive electrode exceeds 88.5%, the discharge capacity may decrease. For example, in the lithium battery, the initial charge/discharge efficiency of the positive electrode may be 88% or less. For example, in the lithium battery, the initial charge/discharge efficiency of the positive electrode may be 87% or less. For example, in the lithium battery, the initial charge/discharge efficiency of the positive electrode may be 87% or less.
상기 리튬전지에서 양극의 합제밀도가 3.5g/cc 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지에서 양극의 합제밀도가 3.5g/cc 내지 3.9g/cc일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지에서 양극의 합제밀도가 3.7g/cc 내지 3.9g/cc일 수 있다. 상기 양극이 단일입자 형태의 니켈계 리튬전이금속산화물을 포함함에 의하여 종래의 일반적인 e단일입자가 아닌 니켈계 리튬전이금속산화물을 포함하는 양극의 3.3 내지 3.5g/cc에 비하여 증가된 합제밀도를 가짐에 의하여 향상된 부피당 방전용량을 제공할 수 있다.In the lithium battery, the mixture density of the positive electrode may be 3.5 g/cc or more. For example, in the lithium battery, the mixture density of the positive electrode may be 3.5g/cc to 3.9g/cc. For example, in the lithium battery, the mixture density of the positive electrode may be 3.7g/cc to 3.9g/cc. Since the positive electrode contains a nickel-based lithium transition metal oxide in the form of a single particle, it has an increased mixture density compared to 3.3 to 3.5 g/cc of a positive electrode containing a nickel-based lithium transition metal oxide other than the conventional e-single particle. Thus, it is possible to provide an improved discharge capacity per volume.
상기 리튬전지에서 음극의 초기충방전효율이 88.0% 이하일 수 있다. 상기 음극을 포함하는 반전지(half cell)를 리튬 금속에 대하여 리튬 금속에 대하여 0.1C의 전류로 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 0.01V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전한 후, 방전시에 전압이 1.5V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하는 경우에 초기충방전효율이 88.0% 이하일 수 있다. 상기 리튬전지에서 음극이 88.0%이하의 낮은 초기 충방전효율을 가짐에 의하여 초기충방전효율이 낮은 양극이 방전용량의 손실 없이 사용될 수 있다.In the lithium battery, the initial charge/discharge efficiency of the negative electrode may be 88.0% or less. The half cell including the negative electrode is charged at a constant current with a current of 0.1C for the lithium metal and for the lithium metal until the voltage reaches 0.01V (vs. Li), and the current is 0.01V while maintaining 0.01V. When the constant voltage is charged until C, and then discharged with a constant current of 0.1C until the voltage reaches 1.5V (vs. Li) during discharge, the initial charge/discharge efficiency may be 88.0% or less. In the lithium battery, since the negative electrode has a low initial charge/discharge efficiency of 88.0% or less, a positive electrode having a low initial charge/discharge efficiency can be used without loss of discharge capacity.
상기 리튬전지에서 양극의 초기 충전용량이 200mAh/g 이상일 수 있다. 상기인 양극을 포함하는 반전지(half cell)를 리튬금속에 대하여 리튬 금속에 대하여 0.1C의 전류로 전압이 4.5V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.5V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전한 후, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하는 경우에 초기충전용량이 200mAh/g 이상일 수 있다.In the lithium battery, the initial charging capacity of the positive electrode may be 200 mAh/g or more. The half cell including the positive electrode is charged at a constant current with a current of 0.1C for the lithium metal and for the lithium metal until the voltage reaches 4.5V (vs. Li), and the current is maintained at 4.5V. When the constant voltage is charged to 0.01C and then discharged with a constant current of 0.1C until the voltage reaches 3.0V (vs. Li) during discharge, the initial charging capacity may be 200mAh/g or more.
상기 리튬전지는 다음과 같이 제조될 수 있다.The lithium battery may be manufactured as follows.
먼저 양극은 양극활물질로서 상술한 일차입자의 입경 1㎛ 이상인 니켈계 리튬전이금속산화물 및 리튬코발튼산화물을 포함한다.First, the positive electrode includes a nickel-based lithium transition metal oxide and a lithium cobalton oxide having a particle diameter of 1 μm or more of the aforementioned primary particles as a positive electrode active material.
양극은 예를 들어, 상술한 양극활물질, 도전제, 결합제 및 용매를 혼합하여 양극활물질 조성물을 준비한다. 상기 양극활물질 조성물을 알루미늄 집전체상에 직접 코팅 및 건조하여 양극활물질층이 형성된 양극 극판을 제조할 수 있다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물을 별도의 지지체상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 상기 알루미늄 집전체 상에 라미네이션하여 양극활물질층이 형성된 양극 극판을 제조할 수 있다.The positive electrode is, for example, prepared by mixing the above-described positive electrode active material, conductive agent, binder, and solvent to prepare a positive electrode active material composition. The positive electrode active material composition may be directly coated and dried on an aluminum current collector to prepare a positive electrode plate having a positive electrode active material layer formed thereon. Alternatively, the positive electrode active material composition may be cast on a separate support, and then a film obtained by peeling from the support may be laminated on the aluminum current collector to prepare a positive electrode plate having a positive electrode active material layer.
도전제로는 카본 블랙, 흑연 미립자, 천연 흑연, 인조 흑연, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유; 탄소나노튜브; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 또는 금속 튜브; 폴리페닐렌 유도체와 같은 전도성 고분자 등이 사용될 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.Conductive agents include carbon black, graphite fine particles, natural graphite, artificial graphite, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber; Carbon nanotubes; Metal powders such as copper, nickel, aluminum, silver, or metal fibers or metal tubes; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives may be used, but are not limited thereto, and any material that can be used as a conductive material in the art may be used.
결합제로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 전술한 고분자들의 혼합물, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으며, 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해기술 분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.As a binder, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE), a mixture of the aforementioned polymers, styrene butadiene rubber type A polymer or the like may be used, and N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water, and the like may be used as the solvent, but are not necessarily limited thereto, and any solvent that can be used in the art may be used.
경우에 따라서는 양극활물질 조성물에 가소제를 더 부가하여 전극판 내부에 기공을 형성하는 것도 가능하다.In some cases, it is also possible to form pores inside the electrode plate by adding a plasticizer to the positive electrode active material composition.
상기 복합양극활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 결합제 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The contents of the composite positive electrode active material, the conductive agent, the binder, and the solvent are the levels commonly used in lithium batteries. Depending on the use and configuration of the lithium battery, one or more of the conductive material, the binder, and the solvent may be omitted.
또한, 상기 양극은 상술한 일차입자의 입경 1㎛ 이상인 니켈계 리튬전이금속산화물 외에 조성, 입경 및 물성 등에서 하나 이상이 다른 일반적인 양극활물질을 추가적으로 포함할 수 있다.In addition, the positive electrode may additionally include a general positive electrode active material having at least one different in composition, particle diameter, and physical properties in addition to the nickel-based lithium transition metal oxide having a particle diameter of 1 μm or more of the primary particles described above.
상기 일반적인 양극활물질은 리튬함유 금속산화물로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는, LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:The general positive electrode active material is a lithium-containing metal oxide and may be used without limitation as long as it is commonly used in the art. For example, one or more of a complex oxide of a metal and lithium selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used, and a specific example thereof is Li a A 1-b B b D 2 (the Where 0.90≦a≦1, and 0≦b≦0.5); Li a E 1-b B b O 2-c D c (wherein 0.90≦a≦1, 0≦b≦0.5, 0≦c≦0.05); LiE 2-b B b O 4-c D c (where 0≦b≦0.5, 0≦c≦0.05); Li a Ni 1-bc Co b B c D α (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F α (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B c D α (wherein, 0.90≦a≦1, 0≦b≦0.5, 0≦c≦0.05, 0<α≦2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F α (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (in the above formula, 0.90≦a≦1, 0≦b≦0.9, 0≦c≦0.5, 0.001≦d≦0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (wherein, 0.90≦a≦1, 0≦b≦0.9, 0≦c≦0.5, 0≦d≦0.5, 0.001≦e≦0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90≦a≦1, 0.001≦b≦0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90≦a≦1, 0.001≦b≦0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90≦a≦1, 0.001≦b≦0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (In the above formula, 0.90≦a≦1, 0.001≦b≦0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≦f≦2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0≦f≦2); A compound represented by any one of the formulas of LiFePO 4 can be used:
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements, or combinations thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1-xMnxO2x(0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), FePO4 등이다.For example, LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x=1, 2), LiNi 1-x Mn x O 2x (0<x<1), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0≤x≤ 0.5, 0≤y≤0.5), FePO 4 and the like.
물론 상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, one having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a mixture of the compound and a compound having a coating layer may be used. The coating layer may contain a coating element compound of oxide, hydroxide, oxyhydroxide of coating element, oxycarbonate of coating element, or hydroxycarbonate of coating element. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As a coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or a mixture thereof may be used. The coating layer formation process may be any coating method as long as the compound can be coated by a method that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using these elements (e.g. spray coating, dipping method, etc.). Since the content can be well understood by those engaged in the relevant field, detailed description will be omitted.
다음으로, 음극이 다음과 같이 제조될 수 있다. 음극은 양극활물질 대신에 음극활물질을 사용하는 것을 제외하고는 양극과 동일한 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 음극활물질 조성물에서 도전제, 결합제 및 용매는 양극의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다. 상기 음극은 음극활물질로서 흑연 및 실리콘계 화합물을 포함한다.Next, the negative electrode can be manufactured as follows. The negative electrode may be manufactured in the same manner as the positive electrode, except that a negative electrode active material is used instead of the positive electrode active material. In addition, in the negative electrode active material composition, the same conductive agent, binder, and solvent as in the case of the positive electrode may be used. The negative electrode includes graphite and a silicon-based compound as a negative electrode active material.
예를 들어, 음극활물질, 도전제, 결합제 및 용매를 혼합하여 음극활물질 조성물을 제조하며, 이를 구리 집전체에 직접 코팅하여 음극 극판을 제조할 수 있다. 다르게는, 상기 음극활물질 조성물을 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 음극활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 음극 극판을 제조할 수 있다.For example, a negative electrode active material composition may be prepared by mixing a negative electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent, and the negative electrode plate may be manufactured by directly coating this on a copper current collector. Alternatively, a negative electrode plate may be manufactured by casting the negative active material composition on a separate support and laminating a negative electrode active material film peeled from the support on a copper current collector.
또한, 상기 음극은 상술한 흑연 및 실리콘계 화합물과 조성, 입경 및 물성 등에서 하나 이상이 다른 일반적인 음극활물질을 추가적으로 포함할 수 있다.In addition, the negative electrode may additionally include a general negative electrode active material having one or more different in composition, particle diameter, and physical properties with the above-described graphite and silicon-based compounds.
상기 다른 일반적인 음극활물질은 당해 기술분야에서 리튬전지의 음극활물질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The other general negative electrode active material may be any material that can be used as a negative electrode active material for lithium batteries in the art. For example, it may include at least one selected from the group consisting of lithium metal, a metal alloyable with lithium, a transition metal oxide, a non-transition metal oxide, and a carbon-based material.
예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.For example, the metal alloyable with lithium is Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y alloy (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth Element or a combination element thereof, not Si), Sn-Y alloy (the Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, or a combination element thereof, not Sn ), etc. The element Y is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, It may be Se, Te, Po, or a combination thereof.
예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.For example, the transition metal oxide may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, or the like.
예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다. For example, the non-transition metal oxide may be SnO 2 , SiO x (0<x<2), or the like.
상기 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있으며, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다.The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The crystalline carbon may be graphite such as amorphous, plate-shaped, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and the amorphous carbon is soft carbon (low temperature calcined carbon) or hard carbon (hard carbon). carbon), mesophase pitch carbide, calcined coke, or the like.
상기 음극활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다.The contents of the negative electrode active material, the conductive agent, the binder, and the solvent are the levels commonly used in lithium batteries.
다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다. 상기 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.Next, a separator to be inserted between the positive and negative electrodes is prepared. Any of the separators can be used as long as they are commonly used in lithium batteries. Those having low resistance to ion migration of the electrolyte and excellent in the ability to impregnate the electrolyte may be used. For example, as selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, it may be a non-woven fabric or a woven fabric. For example, a woundable separator such as polyethylene or polypropylene may be used for a lithium ion battery, and a separator having excellent organic electrolyte impregnation ability may be used for a lithium ion polymer battery. For example, the separator may be manufactured according to the following method.
고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.A polymer resin, a filler, and a solvent are mixed to prepare a separator composition. The separator composition may be directly coated and dried on an electrode to form a separator. Alternatively, after the separator composition is cast and dried on a support, a separator film peeled off from the support may be laminated on an electrode to form a separator.
상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The polymer resin used for manufacturing the separator is not particularly limited, and all materials used for the bonding material of the electrode plate may be used. For example, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, or mixtures thereof may be used.
다음으로 전해질이 준비된다.Next, the electrolyte is prepared.
예를 들어, 상기 전해질은 유기전해액일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 고체일 수 있다. 예를 들어, 보론산화물, 리튬옥시나이트라이드 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 사용가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다.For example, the electrolyte may be an organic electrolyte. In addition, the electrolyte may be a solid. For example, boron oxide, lithium oxynitride, etc. may be used, but the present invention is not limited thereto, and any solid electrolyte may be used as long as it can be used as a solid electrolyte in the art. The solid electrolyte may be formed on the negative electrode by a method such as sputtering.
예를 들어, 유기전해액이 준비될 수 있다. 유기전해액은 유기용매에 리튬염이 용해되어 제조될 수 있다.For example, an organic electrolyte may be prepared. The organic electrolyte may be prepared by dissolving a lithium salt in an organic solvent.
상기 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다.The organic solvent may be used as long as it can be used as an organic solvent in the art. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate , Benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide , Dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether, or mixtures thereof.
상기 리튬염도 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두사용될 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단 x,y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이다.The lithium salt may also be used as long as it can be used as a lithium salt in the art. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 ) (where x,y are natural numbers), LiCl, LiI, or a mixture thereof.
도 4에서 보여지는 바와 같이 상기 리튬전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 리튬전지(1)가 완성된다. 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지는 대형박막형전지일 수 있다. 상기 리튬전지는 리튬이온전지일 수 있다.As shown in FIG. 4, the
상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.A separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode to form a battery structure. After the battery structure is stacked in a bi-cell structure, it is impregnated with an organic electrolyte, and the resulting product is accommodated in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery.
또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.In addition, a plurality of battery structures are stacked to form a battery pack, and the battery pack can be used in all devices requiring high capacity and high output. For example, it can be used for laptop computers, smart phones, electric vehicles, and the like.
또한, 상기 리튬전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구 등에 사용될 수 있다.In addition, since the lithium battery has excellent life characteristics and high rate characteristics, it can be used in an electric vehicle (EV). For example, it can be used in hybrid vehicles such as plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). In addition, it can be used in a field requiring a large amount of power storage. For example, it can be used for electric bicycles, power tools, and the like.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.
(니켈계 전이금속산화물의 제조)(Preparation of nickel-based transition metal oxide)
제조예 1: one body NCMPreparation Example 1: one body NCM
니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4 및 망간 전구체인 MnSO4를 0.5:0.2:0.3의 몰비로 물에 첨가하여 니켈코발트망간 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 여기에 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하여 반응 혼합물을 5시간 동안 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈코발트망간 수산화물인 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2를 침전시켰다. 이 침전물을 여과, 수세하고 얻어진 결과물을 80℃, 대기 분위기에서 건조하여 평균 입경이 약 6㎛의 소입경 입자인 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2 분말을 제조하였다. Nickel precursor, NiSO 4, CoSO 4 cobalt precursor and manganese precursor of MnSO 4 0.5: 0.2 was added to the water in a molar ratio of 0.3 nickel cobalt manganese hydroxide precursor solution was prepared. While stirring the aqueous solution, an aqueous sodium hydroxide solution was slowly added dropwise thereto, and the reaction mixture was stirred for 5 hours to neutralize the precursor aqueous solution to precipitate nickel cobalt manganese hydroxide Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 (OH) 2 . The precipitate was filtered and washed with water, and the resulting product was dried in an air atmosphere at 80° C. to prepare Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 (OH) 2 powder having an average particle diameter of about 6 μm.
상기 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2 분말을 600℃로 대기분위기에서 1시간 동안 열처리하여 수분이 제거되고 리튬이 쉽게 침투될 수 있는 모양을 갖는 전이금속 산화물을 얻었다. The Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 (OH) 2 powder was heat-treated at 600° C. for 1 hour in an atmospheric atmosphere to obtain a transition metal oxide having a shape in which moisture was removed and lithium could easily penetrate.
상기 전이금속 산화물 및 리튬 전구체인 Li2CO3를 1: 0.525의 몰비가 되도록 준비하였다. 상기 전이금속인 니켈, 코발트 및 망간 각각에 대한 리튬의 중량비는 약 1.05이 되도록 하였다.The transition metal oxide and the lithium precursor Li 2 CO 3 were prepared in a molar ratio of 1: 0.525. The weight ratio of lithium to each of the transition metals nickel, cobalt, and manganese was about 1.05.
상기 준비된 전구체들을 유발에서 혼합한 후, 노(furnace)에 넣고 O2를 흘려주면서 1040℃에서 10 시간 동안 2차 열처리하여 양극 활물질을 제조하였다.After mixing the prepared precursors in a mortar, a positive electrode active material was prepared by placing it in a furnace and performing secondary heat treatment at 1040°C for 10 hours while flowing O 2 .
상기 제조방법에 따라 얻어진 양극 활물질은 Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2이었고, 양극 활물질의 단일(one body) 입자 형태인 1차 입자의 평균 입경은 4㎛이고 2차 입자의 평균 입경 6㎛의 소구경 입자 상태를 나타냈다.The positive electrode active material obtained according to the above manufacturing method was Li[Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 ]O 2 , the average particle diameter of the primary particles in the form of one body particles of the positive electrode active material was 4 μm, and the average particle diameter of the secondary particles was 6 The state of small-diameter particles of µm was shown.
상기 양극 활물질의 1차 입자의 평균 입경은 SEM (FEI sirion)을 통하여 측정하였으며, 2차 입자의 평균 입경은 입도 분석기(Beckman Coulter LS13 320)를 통하여 측정하였다.The average particle diameter of the primary particles of the positive electrode active material was measured through SEM (FEI sirion), and the average particle diameter of the secondary particles was measured through a particle size analyzer (Beckman Coulter LS13 320).
제조예 2: Ni 도핑된 LCOPreparation Example 2: Ni-doped LCO
기존 LCO 제조 시 Ni을 도핑하여 제조하였다. Ni 공급원은 Ni(OH)2를 사용하였다. Li2CO3, Co3O4, 및 Ni(OH)2를 혼합하여 열처리 하였다. 열처리 온도는 1000~1100℃ 사이였다.It was prepared by doping with Ni during the production of the existing LCO. As the Ni source, Ni(OH) 2 was used. Li 2 CO 3 , Co 3 O 4 , and Ni(OH) 2 were mixed and heat treated. The heat treatment temperature was between 1000 and 1100°C.
상기에서 제조된 Ni 도핑된 LCO에서 Ni함량은 Ni과 Co 총 몰수에 대하여 5몰%이었다.In the Ni-doped LCO prepared above, the Ni content was 5 mol% based on the total number of moles of Ni and Co.
비교제조예 1: 상용 523 NCMComparative Preparation Example 1: Commercial 523 NCM
2차입자의 평균입경이 6㎛인 Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2를 양극 활물질로 사용하였다.Li[Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 ]O 2 having an average particle diameter of 6 μm of secondary particles was used as a positive electrode active material.
비교제조예 2: 상용 LCOComparative Preparation Example 2: Commercial LCO
2차입자 평균입경 16㎛의 LiCoO2를 양극활물질로 사용하였다.LiCoO 2 having an average secondary particle diameter of 16 μm was used as a positive electrode active material.
(양극, 음극 및 리튬전지(full cell)의 제조)(Production of positive electrode, negative electrode and lithium battery (full cell))
비교예 1: 양극 (one body NCM 단독) + 음극 (흑연:SiOx=90:10)Comparative Example 1: Positive electrode (one body NCM alone) + negative electrode (graphite:SiOx=90:10)
제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말과 탄소 도전제(Super P)를 97:1.5의 중량비로 균일하게 혼합하였다. 이 혼합물에 PVDF(polyvinylidene fluoride) 바인더 용액을 첨가하여 활물질:탄소도전제:바인더=97:1.5:1.5의 중량비가 되도록 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 후막 코팅기를 사용하여 두께 12㎛의 알루미늄 집전체 위에 로딩 레벨(Loading level)이 40mg/cm2이 되도록 코팅하고 120℃에서 1시간 이상 건조시킨 후 압연하여 합제밀도가 3.7g/cc인 양극을 제조하였다.The positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1 and the carbon conductive agent (Super P) were uniformly mixed in a weight ratio of 97:1.5. A PVDF (polyvinylidene fluoride) binder solution was added to the mixture to prepare an active material slurry in a weight ratio of active material: carbon conductive agent: binder = 97:1.5:1.5. The slurry was coated on an aluminum current collector having a thickness of 12 μm using a thick film coater so that the loading level was 40 mg/cm 2 , dried at 120° C. for 1 hour or more, and then rolled to give a mixture density of 3.7 g/cc. A positive electrode was prepared.
(음극 제조)(Cathode manufacturing)
음극 활물질인 흑연분말(Japan carbon)과 SiOx(0<x<2)(ShinEtsu)를 90:10의 중량비로 혼합한 혼합물에 SBR(styrene butadiene rubber)과 CMC(carboxymethyl cellulose) 를 1:1의 중량비로 혼합한 혼합물을 98:2 중량비로 혼합하여 음극활물질 슬러리를 준비하였다.A 1:1 weight ratio of SBR (styrene butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose) to a mixture of negative electrode active material graphite powder (Japan carbon) and SiOx (0<x<2) (ShinEtsu) in a weight ratio of 90:10 The mixture was mixed at a weight ratio of 98:2 to prepare a negative active material slurry.
준비한 음극활물질 슬러리를 두께가 8㎛인 구리 호일 집전체에 16mg/cm2 수준으로 코팅하였다. 코팅이 완료된 극판을 100℃에서 1시간 이상 건조시킨 다음, 압연하여 합제밀도가 1.6 g/cc인 음극을 제조하였다.The prepared negative active material slurry was coated on a copper foil current collector having a thickness of 8 μm at a level of 16 mg/cm 2 . The coated electrode plate was dried at 100° C. for 1 hour or more, and then rolled to prepare a negative electrode having a mixture density of 1.6 g/cc.
(전지 조립)(Battery assembly)
상기 양극 및 음극을 사용하고, 격리막으로 폴리에틸렌 격리막(separator, STAR 20, Asahi)을 사용하고, 전해질로는 EC(에틸렌카보네이트):EMC(에틸메틸카보네이트):DMC(디메틸카보네이트:)(3:3:4 부피비) 혼합 용매에 1.15M LiPF6이 용해된 것을 사용하여 리튬전지 (full cell) 을 제조하였다.The positive and negative electrodes are used, a polyethylene separator (
실시예 1 : 양극 (one body NCM +Ni-doped LCO) + 음극 (흑연:SiOx=90:10)Example 1: positive electrode (one body NCM + Ni-doped LCO) + negative electrode (graphite: SiOx = 90:10)
양극활물질로서 제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말 대신에 제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말(one body NCM)과 제조예 2에서 합성된 양극활물질 분말(Ni doped LCO)을 10:90의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.As a positive electrode active material, instead of the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1, the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1 (one body NCM) and the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 2 (Ni-doped LCO) in a weight ratio of 10:90 A lithium battery (full cell) having the same capacity was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the mixed mixture was used.
실시예 2: 양극 (one body NCM +Ni-doped LCO) + 음극 (흑연:SiOx=90:10)Example 2: positive electrode (one body NCM + Ni-doped LCO) + negative electrode (graphite: SiOx = 90:10)
양극활물질로서 제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말 대신에 제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말(one body NCM)과 제조예 2에서 합성된 양극활물질 분말(Ni doped LCO)을 20:80의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.As a positive electrode active material, instead of the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1, the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1 (one body NCM) and the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 2 (Ni doped LCO) in a weight ratio of 20:80 A lithium battery (full cell) having the same capacity was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the mixed mixture was used.
실시예 3: 양극 (one body NCM +Ni-doped LCO) + 음극 (흑연:SiOx=90:10)Example 3: positive electrode (one body NCM + Ni-doped LCO) + negative electrode (graphite: SiOx = 90:10)
양극활물질로서 제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말 대신에 제조예 1에서 합성된 양극활물질 분말(one body NCM)과 제조예 2에서 합성된 양극활물질 분말(Ni doped LCO)을 30:70의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.As a positive electrode active material, instead of the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1, the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 1 (one body NCM) and the positive electrode active material powder synthesized in Preparation Example 2 (Ni doped LCO) in a weight ratio of 30:70 A lithium battery (full cell) having the same capacity was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the mixed mixture was used.
비교예 2: 양극 (one body NCM 단독) + 음극 (흑연:SiOx=80:20)Comparative Example 2: Positive electrode (one body NCM alone) + negative electrode (graphite:SiOx=80:20)
음극 활물질인 흑연분말(Japan carbon)과 SiOx(0<x<2)(ShinEtsu)의 혼합 중량비 를 90:10에서 80:20으로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 사용하여 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.The same capacity as in Comparative Example 1 was used except that the mixing weight ratio of the negative electrode active material, graphite powder (Japan carbon) and SiOx (0<x<2) (ShinEtsu) was changed from 90:10 to 80:20. A lithium battery (full cell) was prepared.
비교예 3: 양극 (상용 NCM 단독) + 음극 (흑연:SiOx=90:10)Comparative Example 3: Positive electrode (commercial NCM alone) + negative electrode (graphite:SiOx=90:10)
제조예 1에서 제조된 양극활물질(one body NCM) 대신 비교제조예 1에 따른 양극 활물질(상용 NCM)을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 사용하여 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.A lithium battery (full cell) of the same capacity was used in the same manner as in Comparative Example 1, except that the positive electrode active material (commercial NCM) according to Comparative Preparation Example 1 was used instead of the positive electrode active material (one body NCM) prepared in Preparation Example 1. ) Was prepared.
비교예 4: 양극 (상용 LCO 단독) + 음극 (흑연:SiOx=90:10)Comparative Example 4: Positive electrode (only commercial LCO) + negative electrode (graphite:SiOx=90:10)
제조예 1에서 제조된 양극활물질(one body NCM) 대신 비교제조예 1에 따른 양극활물질(상용 LCO)을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 사용하여 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.A lithium battery (full cell) of the same capacity was used in the same manner as in Comparative Example 1, except that the positive electrode active material (commercial LCO) according to Comparative Preparation Example 1 was used instead of the positive electrode active material (one body NCM) prepared in Preparation Example 1. ) Was prepared.
비교예 5: 양극 (one body NCM 단독) + 음극 (흑연:SiOx=97:03)Comparative Example 5: Positive electrode (one body NCM alone) + negative electrode (graphite:SiOx=97:03)
음극 활물질인 흑연분말(Japan carbon)과 SiOx(0<x<2)(ShinEtsu)의 혼합 중량비 를 90:10에서 97:3으로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 사용하여 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.Same capacity as in Comparative Example 1, except that the mixing weight ratio of graphite powder (Japan carbon) and SiOx (0<x<2) (ShinEtsu), which is an anode active material, was changed from 90:10 to 97:3. A lithium battery (full cell) was prepared.
비교예 6: 양극 (one body NCM 단독) + 음극 (흑연:SiOx=70:30)Comparative Example 6: Positive electrode (one body NCM alone) + negative electrode (graphite:SiOx=70:30)
음극 활물질인 흑연분말(Japan carbon)과 SiOx(0<x<2)(ShinEtsu)의 혼합 중량비 를 90:10에서 70:30으로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 사용하여 동일한 용량의 리튬전지(full cell)를 제조하였다.The same capacity as in Comparative Example 1 was used except that the mixing weight ratio of the negative electrode active material, graphite powder (Japan carbon) and SiOx (0<x<2) (ShinEtsu) was changed from 90:10 to 70:30. A lithium battery (full cell) was prepared.
평가예 1: SEM 실험Evaluation Example 1: SEM experiment
상기 제조예 1에서 제조된 양극활물질, 비교제조예 1에서 제조된 양극활물질 입자에 대한 SEM 이미지를 측정하였다. SEM 측정 기기는 FEI(USA)사의 모델명(Sirion)을 사용하였다.SEM images of the positive electrode active material prepared in Preparation Example 1 and the positive electrode active material particles prepared in Comparative Preparation Example 1 were measured. The SEM measurement device used the model name (Sirion) of FEI (USA).
도 1은 제조예 1에서 제조된 양극활물질의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the positive electrode active material prepared in Preparation Example 1.
도 2는 비교제조예 1에서 제조된 양극활물질의 SEM 사진이다. 2 is a SEM photograph of the positive electrode active material prepared in Comparative Preparation Example 1.
도 1에 나타난 제조예 1에 따른 양극활물질은 도 2의 비교제조예 1의 양극활물질과 비교하여 1차 입자의 평균 입경이 증가함을 보여준다.The positive electrode active material according to Preparation Example 1 shown in FIG. 1 shows that the average particle diameter of the primary particles increases as compared to the positive electrode active material of Comparative Preparation Example 1 of FIG. 2.
비교제조예 1의 양극활물질인 리튬전이금속산화물은 1㎛ 정도의 1차 입자를 갖으며, 이러한 1차 입자들이 모여 2차 입자를 이루고 있다.The lithium transition metal oxide, which is the positive electrode active material of Comparative Preparation Example 1, has primary particles of about 1 μm, and these primary particles are gathered to form secondary particles.
평가예 2: pH 및 잔류 리튬 측정Evaluation Example 2: Measurement of pH and residual lithium
제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 양극활물질의 pH를 측정하여 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다. pH 평가는 순수 100g 에 양극 활물질 2g을 10분간 교반 후, pH meter [eutech , pH 6000 ] 를 사용하여 측정하였다.The pH of the positive electrode active material prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1 was measured, and the results are shown in Table 1 below. The pH evaluation was measured using a pH meter [eutech, pH 6000] after stirring 2 g of a positive electrode active material in 100 g of pure water for 10 minutes.
제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 양극 활물질의 잔류 리튬량을 측정하여 표 1 에 나타내었다. 잔류 리튬 평가는 적정법으로 평가하였으며, 양극 활물질 분말을 물에 용해시킨 후 염산으로 적정하여 양극 활물질 분말에 포함된 LiOH 및 Li2CO3의 함량을 계산하고, 이로부터 양극 활물질 표면에 잔류하는 LiOH 또는 Li2CO3의 함량을 계산하였다. The amount of lithium remaining in the positive electrode active material prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1 was measured and shown in Table 1. The residual lithium evaluation was evaluated by a titration method, and the positive electrode active material powder was dissolved in water and then titrated with hydrochloric acid to calculate the contents of LiOH and Li 2 CO 3 contained in the positive electrode active material powder, from which LiOH remaining on the positive electrode active material surface or The content of Li 2 CO 3 was calculated.
한편, 제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 양극 활물질에서 탄산리튬의 함량을 확인하기 위해 GC-MS [gas chromatograph-mass spectrometer, Agilent 7000] 분석을 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Meanwhile, GC-MS [gas chromatograph-mass spectrometer, Agilent 7000] analysis was performed to check the content of lithium carbonate in the positive electrode active material prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1, and the results are shown in Table 1 below. Done.
(중량%)Residual lithium
(weight%)
탄산리튬의 함량
(중량%)GC-MS analysis
Content of lithium carbonate
(weight%)
표 1을 참조하여, 제조예 1의 양극활물질은 비교제조예 1의 양극활물질과 비교하여 양극 활물질 표면에 존재하는 잔류 리튬 화합물의 양이 적음을 확인할 수 있다. 이러한 잔류 리튬량의 감소는 활물질 표면의 pH 감소로도 확인하였으며, 이러한 활물질 표면의 pH의 감소는 양극 슬러리 제조 시, 슬러리 안정성을 향상시키고, 코팅 중발생 될 수 있는 극판 상의 돌기, 끌림 등의 문제를 예방할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the positive electrode active material of Preparation Example 1 has a small amount of the residual lithium compound present on the surface of the positive electrode active material compared to the positive electrode active material of Comparative Preparation Example 1. This decrease in the amount of residual lithium was also confirmed by a decrease in the pH of the surface of the active material, and the decrease in the pH of the surface of the active material improves the stability of the slurry when manufacturing the positive electrode slurry, and problems such as protrusions and drag on the electrode plate that may occur during coating Can be prevented.
평가예 3: DSC 실험Evaluation Example 3: DSC experiment
상기 제조예 1 및 비교제조예 1에 따라 얻은 양극 활물질의 열적 안정성을 시차주사열량계를 이용하여 분석하였고 그 결과를 도 3에 나타내었다.The thermal stability of the positive electrode active material obtained according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1 was analyzed using a differential scanning calorimeter, and the results are shown in FIG. 3.
도 3을 참조하여, 제조예 1의 양극 활물질은 비교제조예 1의 상용 양극활물질과 비교하여 온셋포인트(onset point) 온도가 높아지고 주피크 발열량이 감소하면서 브로드한 피크를 나타냈다. 이로부터 제조예 1의 양극활물질의 열안전성이 보다 우수하다는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 3, the positive electrode active material of Preparation Example 1 exhibits a broad peak as the onset point temperature increases and the main peak calorific value decreases compared to the commercial positive electrode active material of Comparative Preparation Example 1. From this, it was found that the thermal safety of the positive electrode active material of Preparation Example 1 is more excellent.
평가예 4: 양극의 합제밀도 측정Evaluation Example 4: Measurement of the mixture density of the positive electrode
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~6에서 제조된 풀셀에 사용된 것과 동일한 양극 에 포함된 양극활물질층을 압연한 후, 이를 30㎜ X 30㎜ 크기로 자른 후, 두께와 무게를 측정하여 합제밀도를 구하였다. 상기 합제밀도는 하기 표 1에 나타내었다.After rolling the positive electrode active material layer included in the same positive electrode used in the full cells prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6, cut it into a size of 30
하기 표 1에서 보여지는 바와 같이 제조예 1에서 제조된 양극활물질과 리튬코발트산화물을 동시에 포함하는 실시예 1의 양극은 비교제조예 1에서 제조된 양극활물질을 포함하는 비교예 1에 비하여 합제밀도가 높았다.As shown in Table 1 below, the positive electrode of Example 1 including the positive electrode active material prepared in Preparation Example 1 and lithium cobalt oxide at the same time has a mixture density compared to Comparative Example 1 including the positive electrode active material prepared in Comparative Preparation Example 1. It was high.
평가예 5: 리튬전지 하프셀(half cell)의 충방전 특성 평가Evaluation Example 5: Evaluation of charge/discharge characteristics of a lithium battery half cell
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~6에서 제조된 풀셀에 사용된 것과 동일한 양극 및 음극에 대하여 리튬금속을 상대전극으로 한 것을 제외하고는 풀셀과 동일하게 하프셀을 제조하였다.A half cell was manufactured in the same manner as a full cell except that lithium metal was used as a counter electrode for the same positive and negative electrodes as those used for the full cells prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6.
상기 양극에 대하여 25℃에서 0.1C의 전류로 전압이 4.3V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.3V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하였다. 상기 충방전에서 얻어진 충전용량과 충전용량으로부터 초기충방전용량을 측정하였다.The positive electrode was charged at a constant current with a current of 0.1 C at 25° C. until the voltage reached 4.3 V (vs. Li), and charged at a constant voltage until the current reached 0.01 C while maintaining 4.3 V. Subsequently, at the time of discharging, it was discharged at a constant current of 0.1 C until the voltage reached 3.0V (vs. Li). The initial charging and discharging capacity was measured from the charging capacity and charging capacity obtained in the charging and discharging.
상기 음극에 대하여 25℃에서 0.1C의 전류로 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 0.01V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전시에 전압이 1.5V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하였다. 상기 충방전에서 얻어진 충전용량과 충전용량으로부터 초기충방전용량을 측정하였다.The negative electrode was charged at a constant current at a current of 0.1 C at 25° C. until the voltage reached 0.01 V (vs. Li), and charged at a constant voltage until the current reached 0.01 C while maintaining 0.01 V. Then, at the time of discharging, it was discharged with a constant current of 0.1 C until the voltage reached 1.5 V (vs. Li). The initial charging and discharging capacity was measured from the charging capacity and charging capacity obtained in the charging and discharging.
상기 충방전 실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 초기충방전효율은 하기 수학식 1로 표시된다.The results of the charge/discharge experiment are shown in Table 2 below. The initial charge/discharge efficiency is expressed by
<수학식 1><
초기충방전효율[%]=[방전용량/충전용량]×100Initial charge/discharge efficiency[%]=[discharge capacity/charge capacity]×100
[g/cc]Positive electrode mixture density
[g/cc]
상기 표 2에서 보여지는 바와 같이 실시예 1~3의 양극은 음극보다 초기충방전효율이 더 높았다. 그리고, 실시예 1~5의 양극의 초기충방전 효율은 91.2% 이하이었다. 또한, 실시예 1~5의 양극의 합제밀도는 3.5 g/cc 이상이었다.As shown in Table 2, the anodes of Examples 1 to 3 had higher initial charge/discharge efficiency than the cathode. In addition, the initial charge/discharge efficiency of the positive electrodes of Examples 1 to 5 was 91.2% or less. In addition, the mixture density of the positive electrodes of Examples 1 to 5 was 3.5 g/cc or more.
또한, 상기 표에는 기재되지 않았으나 실시예 1~3의 양극의 초기 충전용량은 200mAh/g 이상이었다.In addition, although not described in the above table, the initial charging capacity of the positive electrodes of Examples 1 to 3 was 200 mAh/g or more.
평가예 6: 리튬전지 풀셀(full cell)의 충방전 특성 평가Evaluation Example 6: Evaluation of charge/discharge characteristics of a lithium battery full cell
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~6에서 제조된 상기 풀셀을 25℃에서 0.2C의 전류로 전압이 4.3V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.3V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전시에 전압이 2.75V에 이를 때까지 0.2C의 정전류로 방전하였다.When the full cells prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 were charged at a constant current with a current of 0.2C at 25°C until the voltage reached 4.3V, and the current became 0.01C while maintaining 4.3V To a constant voltage charge. Then, at the time of discharging, it was discharged with a constant current of 0.2C until the voltage reached 2.75V.
이어서, 0.5C의 전류로 전압이 4.3V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.3V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전시에 전압이 2.75V에 이를 때까지 0.5C의 정전류로 방전하였다(이상 화성 단계).Subsequently, constant current charging was performed with a current of 0.5C until the voltage reached 4.3V, and constant voltage charging was performed until the current reached 0.01C while maintaining 4.3V. Then, at the time of discharging, discharge was performed at a constant current of 0.5C until the voltage reached 2.75V (ideal formation step).
상기 화성단계를 거친 리튬전지를 25℃에서 1.0C rate의 전류로 전압이 4.3V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.3V를 유지하면서 전류가 0.01C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전시에 전압이 2.75V에 이를 때까지 1.0C의 정전류로 방전하는 사이클을 100회 반복하였다.The lithium battery that had undergone the formation step was charged at a constant current at 25° C. at a current of 1.0 C until the voltage reached 4.3 V, and while maintaining 4.3 V, the lithium battery was charged at a constant voltage until the current reached 0.01 C. Subsequently, the cycle of discharging with a constant current of 1.0 C was repeated 100 times until the voltage reached 2.75 V during discharge.
상기 충방전 실험 결과를 하기 표 3 나타내었다. 초기방전용량은 첫번째사이클에서의 방전용량이며 용량유지율은 하기 수학식 2로 표시된다.The results of the charge/discharge experiment are shown in Table 3 below. The initial discharge capacity is the discharge capacity in the first cycle, and the capacity retention rate is expressed by
<수학식 2><
용량 유지율[%]=[100th 사이클에서의 방전용량/1st 사이클에서의 방전용량]×100Capacity retention rate [%] = [Discharge capacity at 100 th cycle/1 Discharge capacity at st cycle] × 100
방전용량 [mAh]In 1 th cycle
Discharge capacity [mAh]
용량유지율 [%]At 100 th cycle
Capacity retention rate [%]
상기 표 3에서 보여지는 바와 같이 실시예 1~3의 리튬전지는 비교예 1~6의 리튬전지에 비하여 방전용량 및 수명특성이 향상되었다.As shown in Table 3, the lithium batteries of Examples 1 to 3 have improved discharge capacity and life characteristics compared to the lithium batteries of Comparative Examples 1 to 6.
Claims (15)
상기 양극이 일차입자의 평균입경 2㎛ 이상인 니켈계 리튬전이금속산화물 및을 리튬코발트산화물을 포함하며,
상기 음극이 흑연 및 실리콘계 화합물을 포함하며,
상기 실리콘계 화합물의 함량이 흑연 및 실리콘계 화합물 총 중량을 기준으로 5 중량% 내지 20 중량% 미만인, 리튬전지.anode; cathode; And an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode comprises a nickel-based lithium transition metal oxide and a lithium cobalt oxide having an average particle diameter of 2 μm or more of the primary particles,
The negative electrode comprises graphite and a silicon-based compound,
The lithium battery, wherein the content of the silicon-based compound is 5% to less than 20% by weight based on the total weight of graphite and the silicon-based compound.
<화학식 1>
SiOx
상기 식에서, 0<x<2.0이다.The lithium battery according to claim 1, wherein the silicon-based compound is a silicon oxide represented by the following Formula 1:
<Formula 1>
SiO x
In the above formula, 0<x<2.0.
<화학식 2>
LixCoaNibMcO2+α
상기 식에서, 0.9<x<1.5, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, -0.1≤α≤0.1이고,
M은 Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이다.The lithium battery according to claim 1, wherein the nickel-based lithium transition metal oxide is a compound represented by the following formula (2):
<Formula 2>
Li x Co a Ni b M c O 2+α
In the above formula, 0.9<x<1.5, 0<a<0.5, 0<b<1, 0<c<1, -0.1≤α≤0.1,
M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al, Si, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, and rare earth elements to be.
<화학식 3>
LixCoaNibMncO2+α
상기 식에서, 0.9<x<1.1, 0<a<0.5, 0.4<b<1, 0<c<0.5, -0.1≤α≤0.1이다.The lithium battery according to claim 1, wherein the nickel-based lithium transition metal oxide is a compound represented by the following formula (3):
<Formula 3>
Li x Co a Ni b Mn c O 2+α
In the above formula, 0.9<x<1.1, 0<a<0.5, 0.4<b<1, 0<c<0.5, -0.1≦α≦0.1.
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