KR100358799B1 - Method of preparing positive active material for lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것으로서, 리튬염과 망간염을 혼합하고, 상기 혼합물을 환원성 가스 하에서 열처리하는 단계를 포함한다. 이 방법은 LiMnO2를 제조하는 과정에서, Mn이 4가로 쉽게 산화됨에 따라 그 구조를 유지하지 못하는 문제점을 해결할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery, which comprises mixing a lithium salt and a manganese salt and heat-treating the mixture under a reducing gas. This method can solve the problem that the structure can not be maintained as Mn is easily oxidized in the course of manufacturing LiMnO 2 .
Description
[산업상 이용 분야][Industrial Applications]
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전기화학적 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery excellent in electrochemical characteristics.
[종래 기술]BACKGROUND ART [0002]
리튬 이차 전지는 가역적으로 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다.The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversibly inserting and desorbing lithium ions as a positive electrode and a negative electrode and filling an organic electrolytic solution or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode. And generate electrical energy by oxidation and reduction reactions when they are used.
리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 리튬 금속을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트(dendrite)의 형성으로 인한 전지 단락에 의해 폭발 위험성이 있어서 리튬 금속 대신 비정질 탄소 또는 결정질 탄소 등의 탄소계 물질로 대체되어 가고 있다.Lithium metal is used as an anode active material of a lithium secondary battery. However, when a lithium metal is used, there is a risk of explosion due to short circuit of the battery due to the formation of dendrite. Therefore, instead of lithium metal, a carbonaceous material such as amorphous carbon or crystalline carbon It is being replaced.
양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2등의 복합 금속 산화물들이 연구되고 있다. 상기 양극 활물질 중 LiNiO2는 가장 값이 싸며, 가장 높은 방전 용량의 전지 특성을 나타내고 있으나 합성하기가 어려운 단점을 안고 있다. LiCoO2는 양호한 전기 전도도와 높은 전지 전압 그리고 우수한 전극 특성을 보이며, 현재 Sony사 등에서 상업화되어 시판되고 있는 대표적인 양극 활물질이나, 가격이 비싸다는 단점이 있고, 고율 충방전시 안정성이 작은 문제가 있다. LiMn2O4, LiMnO2등의 Mn-계 양극 활물질은 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 환경에 대한 오염도 적은 장점이 있다. 이러한 Mn계 활물질은 용량이 작은 단점이 있으나, 전지 시스템의 안정성, Mn의 환경 친화성등으로 인하여 전기 자동차, 전기 자동차(electric vehicle)의 전력원으로 차세대 대형 전지에서 가장 유망한 양극 활물질 재료로 부각되고 있다.As a cathode active material is a chalcogenide (chalcogenide) and the compound is used, LiCoO 2, as geuye LiMn 2 O 4, LiNiO 2, LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1), LiMnO 2 , such as a complex metal of Oxides are being studied. LiNiO 2 among the above cathode active materials is the cheapest and has the disadvantage of being difficult to synthesize although it exhibits the battery characteristic of the highest discharge capacity. LiCoO 2 exhibits good electric conductivity, high battery voltage and excellent electrode characteristics. However, LiCoO 2 is a typical cathode active material commercially available from Sony Corporation and the like. However, LiCoO 2 has a disadvantage that it is expensive and has a small stability at high rate charging and discharging. Mn-based cathode active materials such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 are easy to synthesize, have relatively low cost, and have little environmental pollution. Although such Mn-based active materials have disadvantages of small capacity, they are regarded as the most promising cathode active material materials in next-generation large-sized batteries as electric power sources for electric vehicles and electric vehicles due to stability of battery system and environmental friendliness of Mn have.
망간 계열의 양극 활물질 중 LiMnO2(space G:Pmmm)는 다양한 방법으로 제조되고 있다. 그 방법 중 한 방법은 리튬의 산화물(Li2O)과 탄산염(Li2CO3), 또는 수산화물(LiOH)을 망간의 산화물(MnO2, Mn2O3)과 반응시키는 방법이고, 또 다른 방법으로는 먼저 LiMn2O4, Li4Mn5O12등의 전구체를 만들고 이를 리튬 화합물과 고상 반응시켜 합성할 수 있다. 고상 반응이란 고체 상태의 원료 분말을 혼합한 후 소성하고 볼밀하는 공정을 수 차례 반복하여 목적하는 화합물을 제조하는 방법이다.LiMnO 2 (space G: Pmmm) among the manganese-based cathode active materials is manufactured by various methods. One of the methods is a method of reacting lithium oxide (Li 2 O), carbonate (Li 2 CO 3 ), or hydroxide (LiOH) with oxides of manganese (MnO 2 , Mn 2 O 3 ) , A precursor such as LiMn 2 O 4 or Li 4 Mn 5 O 12 can be prepared and reacted with a lithium compound to form a solid phase. The solid-phase reaction is a method in which a desired compound is prepared by mixing raw material powders in a solid state, firing and ball milling several times.
이러한 방법으로 제조된 LiMnO2는 산화되기가 쉬어, 산화수가 +3에서 +4로 변화됨에 따라, 그 구조를 유지하지 못하는 문제점이 있었다. 따라서, LiMnO2의 정확한 결정 구조를 얻는데 문제점이 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여, 수소나 탄소 같은 환원제를 사용하거나, 또는 비활성 분위기를 이용하여 망간의 산화수를 낮추어 주거나 산화를 차단하는 방법을 사용하였다. 또는 γ-MnOOH를 전구체로 이용하여 LiOH와 반응시키거나, LiOH 용액에서 γ-MnOOH의 이온 교환 반응을 이용하여 LiMnO2를 제조하기도 하였다.LiMnO 2 produced by this method is apt to be oxidized and has a problem in that its structure can not be maintained as the oxidation number changes from +3 to +4. Therefore, there is a problem in obtaining an accurate crystal structure of LiMnO 2 . In order to prevent such problems, a reducing agent such as hydrogen or carbon or an inert atmosphere is used to lower the oxidation number of manganese or to block oxidation. Or γ-MnOOH as a precursor, or LiMnO 2 was produced by using an ion exchange reaction of γ-MnOOH in a LiOH solution.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 망간 이온의 산화를 방지할 수 있는 리튬 이차 전지용 망간계 양극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method for producing a manganese-based cathode active material for a lithium secondary battery which can prevent oxidation of manganese ions.
본 발명의 다른 목적은 전기화학적 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 망간계 양극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a manganese-based cathode active material for a lithium secondary battery excellent in electrochemical characteristics.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 방법으로 제조된 활물질의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프.1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of an active material prepared by the method of Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 and 2;
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2의 방법으로 제조된 활물질의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프.2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of an active material prepared by the methods of Examples 1 and 2 of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예 3 내지 5에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프.3 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a cathode active material for a lithium secondary battery produced according to Examples 3 to 5 of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예 6 내지 8에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프.4 is a graph showing X-ray diffraction patterns of a cathode active material for a lithium secondary battery manufactured according to Examples 6 to 8 of the present invention.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 SEM 사진.5A and 5B are SEM photographs of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 6a 및 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 SEM 사진.6A and 6B are SEM photographs of a cathode active material for a lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention.
도 7a 및 7b는 종래 사용되던 LiMn2O4양극 활물질의 SEM 사진.7A and 7B are SEM photographs of LiMn 2 O 4 cathode active material which has been conventionally used.
도 8은 본 발명의 실시예 6 및 비교예 1의 활물질을 이용하여 제조된 리튬이차 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프.8 is a graph showing charge-discharge characteristics of a lithium secondary battery manufactured using the active material of Example 6 and Comparative Example 1 of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예 6 및 비교예 3의 활물질을 이용하여 제조된 리튬 이차 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프.9 is a graph showing charge-discharge characteristics of a lithium secondary battery manufactured using the active material of Example 6 and Comparative Example 3 of the present invention.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬염과 망간염을 혼합하고; 상기 혼합물을 일산화탄소를 포함하는 환원성 가스 하에서 열처리하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for preparing a lithium salt, comprising mixing a lithium salt and a manganese salt; And heat-treating the mixture under a reducing gas containing carbon monoxide. The present invention also provides a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 환경 친화성이 우수하고 비교적 가격이 저렴하여 추후 리튬 이차전지 대형 전지 분야의 양극 활물질로 사용 가능성이 유망한 망간계 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법은 망간계 양극 활물질 중 제조 과정에서 산화되기 쉬운 LiMnO2의 산화를 방지하기 위하여, 일산화탄소 기체(CO 가스)를 포함하는 환원성 분위기(reducing atmosphere)를 이용하는 방법이다. 이 제조 방법은 LiMnO2의 산화를 방지할 수 있으므로, LiMnO2가 그 구조를 잘 유지할 수 있고 따라서 높은 수율로 LiMnO2를 제조할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a manganese-based cathode active material which is promising for use as a cathode active material in the field of lithium secondary batteries in the field of lithium secondary batteries. The production method of the present invention uses a reducing atmosphere containing a carbon monoxide gas (CO gas) to prevent the oxidation of LiMnO 2 , which is likely to be oxidized during the production of the manganese-based cathode active material. This manufacturing method it is possible to prevent oxidation of LiMnO 2, LiMnO 2 is able to maintain its structure better and thus can be produced at a high yield LiMnO 2.
또한, 본 발명의 제조 방법은 LiMnO2의 단일상에 다른 상이 혼합되어 있는 경우 그 전기화학적 특성이 다양하게 변화될 수 있다는 사실에 근거하여, 제조 과정에서 열처리 온도나 반응물의 반응비로 최종 생성물의 조성을 조절할 수 있는 방법이다.In addition, the production method of the present invention is based on the fact that the electrochemical characteristics of LiMnO 2 mixed with other phases can be variously changed, so that the composition of the final product It is a controllable method.
본 발명의 제조 방법은 먼저, 고체상 물질들간의 고상 반응을 그 일단계로 한다. 즉, 고체상의 리튬염과 망간염을 혼합한다. 상기 리튬염과 망간염의 혼합 비율은 중량비로 1.3 내지 2.3 : 2.0이며, 리튬염의 양이 이보다 적거나 큰 경우에는 LiMnO2이외에 Li/Mn/O의 부 상(minor phase)이 생성되는 문제점이 있다.The manufacturing method of the present invention firstly makes the solid phase reaction between the solid phase materials as one stage. That is, the solid lithium salt and the manganese salt are mixed. The mixing ratio of the lithium salt and the manganese salt is 1.3 to 2.3: 2.0 by weight. When the amount of the lithium salt is smaller or larger, a minor phase of Li / Mn / O is generated in addition to LiMnO 2 .
상기 리튬염으로는 리튬 하이드록사이드, 리튬 나이트레이트 또는 리튬 아세테이트를 사용할 수 있다. 리튬 하이드록사이드는 LiOH·H2O를 고온의 진공 오븐에서 탈수시켜 제조한다. 상기 망간염으로는 망간 아세테이트 또는 망간 디옥사이드를 사용할 수 있다. 망간 디옥사이드로는 γ-MnO2를 사용할 수 있으며, 전기적인증착법으로 제조되는 전기화학적인 망간 디옥사이드(EMD) 또는 화학적 산화환원 반응으로 제조되는 화학적인 망간 디옥사이드(CMD)를 사용할 수 있다. 이 중에서, 표면적이 작고, 입자의 크기가 큰 화학적인 망간 디옥사이드가 고온 수명이 우수하므로 바람직하다.As the lithium salt, lithium hydroxide, lithium nitrate or lithium acetate can be used. Lithium hydroxide is prepared by dehydrating LiOH.H 2 O in a hot vacuum oven. The manganese salt may be manganese acetate or manganese dioxide. As the manganese dioxide,? -MnO 2 may be used, and electrochemical manganese dioxide (EMD) produced by an electric vapor deposition method or chemical manganese dioxide (CMD) produced by a chemical oxidation-reduction reaction may be used. Of these, chemical manganese dioxide having a small surface area and a large particle size is preferable because of its excellent high temperature service life.
상기 혼합물을 충분히 섞은 뒤 환원성 분위기 하에서 열처리하여 결정성 분말을 얻는다. 상기 환원성 분위기는 비활성 가스로 희석된 일산화탄소 가스를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 환원성 분위기로 수소 가스를 사용하는 경우에는 환원성이 너무 강하여, 망간을 2가 이온까지 환원시키므로, 목적 생성물인 LiMnO2를 생성할 수 없다. 일산화탄소 가스의 농도는 비활성 가스 대비 10ppm 내지 10%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 90 내지 300ppm인 것이다.The mixture is sufficiently mixed and then heat-treated in a reducing atmosphere to obtain a crystalline powder. The reducing atmosphere is preferably formed using carbon monoxide gas diluted with an inert gas. When hydrogen gas is used in a reducing atmosphere, the reducing property is too strong, and manganese is reduced to divalent ions, so that LiMnO 2 as a target product can not be produced. The concentration of the carbon monoxide gas is preferably 10 ppm to 10%, more preferably 90 to 300 ppm, relative to the inert gas.
상기 열처리 과정에서 일산화탄소는 주위의 산소와 반응하여 산화되며, 그 평형식은 다음과 같다.During the heat treatment, carbon monoxide reacts with the surrounding oxygen and is oxidized. The equilibrium formula is as follows.
2CO+O2⇔ 2CO2 2CO + O 2? 2CO 2
이 반응으로 시료와 주변의 산소를 제거해주어 반응 금속에 환원성 분위기를 제공해주게 되는 것이다.This reaction removes the sample and surrounding oxygen and provides a reducing atmosphere to the reactive metal.
상기 열처리는 600 내지 900℃에서 3 내지 48시간 동안 실시한다. 열처리 온도가 600℃ 미만이거나, 900℃를 초과하는 경우에는 부 상(minor phase) 또는 혼합 상(mixed phase)의 물질이 생기는 문제점이 있다. 또한, 상기 열처리를 3시간 미만으로 실시하거나, 48시간을 초과하여 실시할 경우에는 부 상(minor phase) 또는 혼합 상(mixed phase)의 물질이 생기는 문제점이 있다.The heat treatment is performed at 600 to 900 占 폚 for 3 to 48 hours. When the heat treatment temperature is lower than 600 ° C or higher than 900 ° C, a minor phase or a mixed phase material occurs. In addition, when the heat treatment is performed for less than 3 hours or for more than 48 hours, minor phase or mixed phase material is generated.
상기 비활성 가스로는 일반적으로 사용되는 질소 또는 아르곤 가스를 사용할 수 있다.As the inert gas, generally used nitrogen or argon gas may be used.
이 방법으로 제조된 양극 활물질은 섬유형 또는 구형의 미립자가 뭉쳐진 형태를 갖으며, LiMnO2의 양극 활물질이다.The cathode active material produced by this method has a fibrous or spherical fine particle aggregate and is a cathode active material of LiMnO 2 .
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 embodiments and comparative examples of the present invention will be described. However, the following embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
(실시예 1)(Example 1)
LiOH·H2O를 진공 오븐에서 탈수시켜 얻은 LiOH와 γ-MnO2의 몰비를 1.5대 2로 하여 막자 사발에 넣고 충분히 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 800℃에서 5시간 동안 열처리하여 결정성 LiMnO2활물질 분말을 얻었다. 열처리는 질소로 희석된 45ppm 농도의 일산화탄소를 오븐에 흘려주면서 실시하였다.LiOH · H 2 O was dehydrated in a vacuum oven and the molar ratio of LiOH and γ-MnO 2 was 1.5: 2. The obtained mixture was heat-treated at 800 ° C for 5 hours to obtain a crystalline LiMnO 2 active material powder. The heat treatment was carried out in an oven at a concentration of 45 ppm of carbon monoxide diluted with nitrogen.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
열처리를 건조 공기를 오븐에 흘려주면서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 이때, 건조 공기는 질소 78 부피%, 산소 21 부피% 및 아르곤 등의 기타 성분 1 부피%로 구성되어 있는 산화성 기체를 사용하였다.The heat treatment was carried out in the same manner as in Example 1, except that drying air was poured into the oven. At this time, an oxidizing gas composed of 78 vol.% Of nitrogen, 21 vol.% Of oxygen and 1 vol.% Of other components such as argon was used as dry air.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
열처리를 아르곤으로 희석된 4% 농도의 수소를 오븐에 흘려주면서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The heat treatment was carried out in the same manner as in Example 1, except that 4% hydrogen diluted with argon was poured into the oven.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 방법으로 제조된 양극 활물질의 X-선 회절 패턴을 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에서,는 LiMnO2,는 LiMn2O4,는 γ-Mn2O3,는 MnO, c는 Li2O를 나타낸다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 공기를 흘리면서 열처리한 비교예 1의 활물질은 Mn의 비율이 Li보다 많은 조건에서 생성되는 LiMn2O4가 주생성물로 얻어졌고, Mn4+를 가지는 Li2MnO3가 부가 생성물로 얻어졌다. 이 결과에 따라 건조 공기의 산화성 분위기에서는 Mn3+와 Mn4+가 혼합된 형태의 복합 금속 산화물이 얻어짐을 알 수 있다.The X-ray diffraction patterns of the cathode active material prepared by the method of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were measured and the results are shown in FIG. 1, LiMnO 2 , Is LiMn 2 O 4 , Is γ-Mn 2 O 3, Is MnO, c represents the Li 2 O. As shown in Fig. 1, the active material of Comparative Example 1 subjected to heat treatment while flowing air had LiMn 2 O 4 produced as a main product in a condition where the ratio of Mn was larger than Li, and Li 2 MnO 3 having Mn 4+ As an adduct. As a result, it can be seen that a composite metal oxide in which Mn 3+ and Mn 4+ are mixed is obtained in an oxidizing atmosphere of dry air.
이에 반하여, 일산화탄소 기체를 이용한 실시예 1의 경우에는 더 환원된 형태인 Mn3+를 갖는 LiMnO2가 주생성물로 얻어졌고, 부생성물로 LiMn2O4, γ-Mn2O3가 얻어졌다.On the other hand, in the case of Example 1 using carbon monoxide gas, LiMnO 2 having Mn 3+ , which is a more reduced form, was obtained as a main product and LiMn 2 O 4 and γ-Mn 2 O 3 were obtained as by-products.
또한, 열처리 분위기를 일산화탄소 기체를 이용하여 환원성 분위기를 조성하면 망간 이온을 환원시켜 LiMnO2를 제조할 수 있다는 결과에 따라, 비교예 2에서는 더 강한 환원성을 가지는 수소 기체를 이용하여 시료를 열처리하였다. 이 경우에는 도 1에 나타낸 것과 같이, 리튬과 망간으로 된 복합 금속 산화물을 생성하지 못하고, MnO가 주생성물로 얻어지고 Li2O등이 부가 생성물로 얻어졌다. 이러한 결과는 수소 기체의 환원성 분위기가 너무 강하여 망간을 2가 이온으로 환원시키기 때문에 LiMnO2가 합성되지 못한데 따른 것으로 보인다. 이 경우 남은 리튬은 산화물 형태로 남아 있게 된다. 결과적으로 환원성 분위기를 주는 기체라도 수소 기체로는 LiMnO2를 합성이 불가능한 반면에, 일산화탄소 기체로는 합성할 수 있음을 알 수 있다.In addition, according to the result that LiMnO 2 can be produced by reducing manganese ions by forming a reducing atmosphere using a carbon monoxide gas in the heat treatment atmosphere, the sample was heat-treated using hydrogen gas having stronger reducibility in Comparative Example 2. In this case, as shown in Fig. 1, a composite metal oxide comprising lithium and manganese could not be produced, and MnO was obtained as a main product and Li 2 O and the like as an addition product. These results suggest that LiMnO 2 can not be synthesized because the reductive atmosphere of hydrogen gas is too strong to reduce manganese to bivalent ions. In this case, the remaining lithium remains in an oxide form. As a result, even if the gas gives a reducing atmosphere, LiMnO 2 can not be synthesized as a hydrogen gas, but it can be synthesized as a carbon monoxide gas.
(실시예 2)(Example 2)
열처리를 질소로 희석된 90ppm 농도의 일산화탄소를 오븐에 흘려주면서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The heat treatment was carried out in the same manner as in Example 1, except that carbon monoxide at a concentration of 90 ppm diluted with nitrogen was poured into the oven.
일산화탄소의 농도를 변경하면서 실시한 실시예 1 및 실시예 2의 활물질의 XRD 패턴을 도 2에 나타내었다. 도 2에서,는 LiMnO2,는 LiMn2O4,는 Li2Mn3O4를 나타낸다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 일산화탄소의 분율을 45ppm에서 두 배인 90ppm으로 높여서 열처리한 결과 LiMnO2가 더 잘 발달되는 것을 확인할 수 있었다. LiMnO2의 발달과 함께 LiMn2O4, γ-Mn2O3는 감소하는 것을 확인하였다.The XRD patterns of the active materials of Examples 1 and 2 while changing the concentration of carbon monoxide are shown in Fig. 2, LiMnO 2 , Is LiMn 2 O 4 , Represents Li 2 Mn 3 O 4 . As shown in FIG. 2, when the carbon monoxide fraction was increased from 45 ppm to 90 ppm twice, it was confirmed that LiMnO 2 was better developed. With the development of LiMnO 2 LiMn 2 O 4, γ -Mn 2 O 3 it was confirmed to decrease.
(실시예 3)(Example 3)
LiOH·H2O를 진공 오븐에서 탈수시켜 얻은 LiOH와 γ-MnO2(전기화학적 망간 디옥사이드, Aldrich Co.)의 몰비를 2.1 대 2로 하여 막자 사발에 넣고 충분히 혼합하였다. 이 혼합물을 일산화탄소(90ppm, 질소로 희석된)를 흘려주면서 600℃에서 열처리하여 결정성 LiMnO2활물질 분말을 제조하였다.LiOH · H 2 O was dehydrated in a vacuum oven and the molar ratio of LiOH and γ-MnO 2 (electrochemical manganese dioxide, Aldrich Co.) was adjusted to 2.1 to 2, and the mixture was thoroughly mixed. The mixture was heat-treated at 600 캜 while flowing carbon monoxide (90 ppm, diluted with nitrogen), thereby preparing a crystalline LiMnO 2 active material powder.
(실시예 4)(Example 4)
열처리를 700℃에서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 3 was carried out except that the heat treatment was performed at 700 캜.
(실시예 5)(Example 5)
열처리를 800℃에서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 3 was carried out except that the heat treatment was performed at 800 占 폚.
열처리 온도를 변경하면서 실시한 상기 실시예 3 내지 5의 방법으로 제조된 활물질의 X선 회절 패턴을 도 3에 나타내었다. 도 3에서는 LiMnO2,는 γ-Mn2O3,는 Li2MnO3를 나타낸다. 도 3에 나타낸 것과 같이, 600℃에서 열처리한 실시예 3의 경우에는 Li2MnO3가 주생성물로 얻어졌고, γ-Mn2O3, LiMnO2가 부가생성물로 생성되었다. 이와 같이 열처리를 600℃에서 실시하면, LiMnO2가 형성되기 시작함을 알 수 있다. 또한, 실시예 4 및 5에서와 같이 열처리 온도가 올라갈수록 낮은 온도에서 생성되었던 Li2MnO3상이 LiMnO2상으로 바뀌면서 나머지 상 역시 작아지는 것으로 나타났다. 즉, 환원성 분위기의 열처리 과정에서 LiOH와 MnO2가 반응으로 먼저 Mn4+를 가지는 Li2MnO3가 생성되었다가 온도가 증가하면 Mn3+를 가지는 LiMnO2가 생성되는 것으로 나타났다.The X-ray diffraction patterns of the active materials prepared by the methods of Examples 3 to 5, which were carried out while changing the heat treatment temperature, are shown in Fig. 3, LiMnO 2 , Is γ-Mn 2 O 3, Represents Li 2 MnO 3 . As shown in Fig. 3, Li 2 MnO 3 was obtained as the main product and γ-Mn 2 O 3 and LiMnO 2 were produced as an addition product in the case of Example 3 which was heat-treated at 600 ° C. It can be seen that when the heat treatment is performed at 600 ° C., LiMnO 2 starts to be formed. Also, as in Examples 4 and 5, the Li 2 MnO 3 phase, which was formed at a lower temperature as the heat treatment temperature was increased, was changed to LiMnO 2 phase, and the remaining phase was also decreased. In other words, Li 2 MnO 3 with Mn 4+ was first produced by the reaction of LiOH and MnO 2 during the heat treatment of the reducing atmosphere, and LiMnO 2 with Mn 3+ was produced when the temperature increased.
(실시예 6)(Example 6)
LiOH와 γ-MnO2(전기화학적 망간 디옥사이드, Aldrich Co.)의 몰비를 1.7 대 2.0으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.The procedure of Example 2 was repeated, except that the molar ratio of LiOH to γ-MnO 2 (electrochemical manganese dioxide, Aldrich Co.) was changed from 1.7 to 2.0.
(실시예 7)(Example 7)
LiOH와 γ-MnO2(전기화학적 망간 디옥사이드, Aldrich Co.)의 몰비를 2.0 대 2.0으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.The procedure of Example 2 was repeated, except that the molar ratio of LiOH to γ-MnO 2 (electrochemical manganese dioxide, Aldrich Co.) was changed from 2.0 to 2.0.
(실시예 8)(Example 8)
LiOH와 γ-MnO2(전기화학적 망간 디옥사이드, Aldrich Co.)의 몰비를 2.2 대 2.0으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.The procedure of Example 2 was repeated, except that the molar ratio of LiOH to γ-MnO 2 (electrochemical manganese dioxide, Aldrich Co.) was changed from 2.2 to 2.0.
상기 실시예 2 및 실시예 6 내지 8의 방법으로 제조된 양극 활물질의 X선 회절 패턴을 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서,는 LiMnO2,는 Li2MnO3,는 LiMn2O4,는 γ-Mn2O3를 나타낸다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 모두 LiMnO2가 주생성물로 얻어졌고, LiOH의 몰비가 증가함에 따라 부가 생성물인 LiMn2O4상이 Li2MnO3상으로 발달하는 것으로 나타났다. 그리고 리튬과 충분히 혼합되지 못한 망간이 γ-Mn2O를 형성하는 것으로 보인다.The X-ray diffraction patterns of the cathode active materials prepared by the methods of Example 2 and Examples 6 to 8 were measured and the results are shown in FIG. 4, LiMnO 2 , Li 2 MnO 3 , Is LiMn 2 O 4 , Represents? -Mn 2 O 3 . As shown in FIG. 4, all LiMnO 2 was obtained as the main product, and as the molar ratio of LiOH was increased, the LiMn 2 O 4 phase as an additive product developed into a Li 2 MnO 3 phase. And manganese which is not sufficiently mixed with lithium appears to form γ-Mn 2 O.
아울러, 실시예 2 및 6의 활물질과 종래 사용되던 Nikki사의 LiMn2O4의 SEM 사진을 도 5a-5b, 도 6a-6b 및 도 7a-7b에 각각 나타내었다. 도 5a 및 도 5b는 실시예 2의 활물질을 각각 2000배 및 5000배로 확대하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 6a및 6b는 실시예 6의 활물질을 각각 2000배 및 5000배로 확대하여 나타낸 SEM 사진이다. 도 7a 및 도 7b는 Nikki사의 LiMn2O4활물질을 각각 300배 및 10000배 확대하여 나타낸 SEM 사진이다. 도 5a에 나타낸 것과 같이, 실시예 2의 활물질은 섬유형을 나타내며, 도 6a에 나타낸 것과 같이, 실시예 6의 활물질은 미세한 구형에 가까운 형상을 갖는다. 또한, 도 7a에 나타낸 것과 같이, 종래 사용되던 Nikki사의 LiMn2O4도 구형에 가까운 형상을 갖는 것으로 보여지므로, 도 6a와 유사한 구조를 갖는 것으로도 생각할 수 있으나, 이를 더욱 확대한 도 6b 및 도 7b를 보면, 실시예 6의 활물질은 1㎛ 이하의 미립자가 뭉쳐져 있는 반면에, Nikki사의 LiMn2O4는 약 2㎛의 단일 입자로 형성되어 있음을 알 수 있다.5A-5B, 6A-6B, and 7A-7B show the active materials of Examples 2 and 6 and SEM photographs of LiMn 2 O 4 of Nikki, which is conventionally used. FIGS. 5A and 5B are SEM photographs of the active material of Example 2 enlarged to 2000 times and 5000 times, respectively, and FIGS. 6A and 6B are SEM photographs of the active material of Example 6 enlarged to 2000 times and 5000 times, respectively. 7A and 7B are SEM photographs of LiMn 2 O 4 active material of Nikki Co., which are magnified 300 times and 10000 times, respectively. As shown in Fig. 5A, the active material of Example 2 represents a fiber type, and as shown in Fig. 6A, the active material of Example 6 has a shape which is close to a minute sphere. In addition, as shown in Figure 7a, because it appears having a shape close to Fig LiMn 2 O 4 Nikki's release of conventionally used spherical shape, but can also be thought of as having a structure similar to that of Figures 6a, a further expanded it 6b and Fig. in the 7b, example 6, while the active material is a particulate of less than 1㎛ mungchyeojyeo, Nikki's LiMn 2 O 4 of it can be seen that it is formed of a single particle of about 2㎛.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
LiOH와 γ-MnO2(전기화학적 망간 디옥사이드, Aldrich Co.)의 몰비를 1.7 대 2로 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.Comparative Example 1 was carried out except that the molar ratio of LiOH to? -MnO 2 (electrochemical manganese dioxide, Aldrich Co.) was changed from 1.7 to 2.
또한, 본 발명의 활물질의 충방전 특성을 알아보기 위하여, 상기 실시예 6과 비교예 1 및 비교예 3의 방법으로 제조된 활물질을 이용하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. 실시예 6, 비교예 1 및 비교예 3의 방법으로 제조된 양극 활물질을 카본 블랙 도전제, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더와 함께 N-메틸피롤리돈 용매에 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 알루미늄 포일에 캐스팅하여 양극을 제조하였다. 이 양극과 대극으로 금속 리튬을 사용하여 리튬 이차 반쪽 전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합물을 사용하였다.In order to examine the charge / discharge characteristics of the active material of the present invention, a lithium secondary battery was prepared using the active material prepared in the method of Example 6, Comparative Example 1, and Comparative Example 3. The cathode active material prepared by the method of Example 6, Comparative Example 1 and Comparative Example 3 was added to N-methylpyrrolidone solvent together with a carbon black conductive agent and a polyvinylidene fluoride binder to prepare a slurry. This slurry was cast in an aluminum foil to prepare a positive electrode. Lithium secondary semiconductors were fabricated by using metal lithium as the anode and the counter electrode. At this time, a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate in which 1 M LiPF 6 was dissolved was used as the electrolyte solution.
제조된 전지의 충방전 특성을 측정한 결과를 도 8 및 도 9에 각각 나타내었다. 도 8에 나타낸 것과 같이, 실시예 6 및 비교예 1의 전지의 충방전 특성은 유사한 것을 알 수 있다. 또한, 도 9에 나타낸 것과 같이, 실시예 6의 활물질을 이용한 전지는 충방전 용량 및 전위가 비교예 3보다 우수함을 알 수 있다.The results of measuring the charge-discharge characteristics of the produced battery are shown in FIG. 8 and FIG. 9, respectively. As shown in Fig. 8, the charge and discharge characteristics of the cells of Example 6 and Comparative Example 1 are similar. As shown in Fig. 9, the battery using the active material of Example 6 has a charge / discharge capacity and a potential higher than that of Comparative Example 3.
상술한 바와 같이, 본 발명의 양극 활물질을 제조하는 방법은 일산화탄소 환원성 분위기를 이용하여, LiMnO2를 제조하는 과정에서, Mn이 4가로 쉽게 산화됨에 따라 그 구조를 유지하지 못하는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 합성 과정에서 여러 가지 조건을 조절하여 다양한 혼합상을 갖는 LiMnO2를 얻을 수 있는 합성법으로, 그 혼합상이 가지는 다양한 전기화학적 특성을 고찰할 수 있는 방법이다.As described above, the method of producing the positive electrode active material of the present invention can solve the problem that the structure can not be maintained as Mn is easily oxidized in the course of manufacturing LiMnO 2 using a carbon monoxide reducing atmosphere. In addition, it is a synthesis method that can obtain LiMnO 2 having various mixed phases by controlling various conditions in the synthesis process, and it is a method to examine various electrochemical characteristics of the mixed phase.
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