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KR101630162B1 - Positive-electrode Active Material of Li Secondary Battery with Improved Operating Life and The Fabrication Method Thereof - Google Patents

Positive-electrode Active Material of Li Secondary Battery with Improved Operating Life and The Fabrication Method Thereof Download PDF

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KR101630162B1
KR101630162B1 KR1020130088400A KR20130088400A KR101630162B1 KR 101630162 B1 KR101630162 B1 KR 101630162B1 KR 1020130088400 A KR1020130088400 A KR 1020130088400A KR 20130088400 A KR20130088400 A KR 20130088400A KR 101630162 B1 KR101630162 B1 KR 101630162B1
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active material
zeolite
cathode active
lithium
secondary battery
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정슬기
임지선
이철위
윤성훈
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한국화학연구원
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Abstract

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질은 알칼리금속 치환된 제올라이트로 표면 개질된 스피넬계 리튬금속산화물을 포함하며, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법은 a) 알칼리금속 치환된 제올라이트와 스피넬계 리튬금속산화물을 혼합하는 단계; 및 b) a) 단계의 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함한다.The cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises a spinel-type lithium metal oxide surface-modified with an alkali metal-substituted zeolite. The method for preparing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of: a) Based lithium metal oxide; And b) heat treating the mixture of step a).

Description

작동 수명이 향상된 리튬 이차전지용 양극활물질 및 이의 제조방법{Positive-electrode Active Material of Li Secondary Battery with Improved Operating Life and The Fabrication Method Thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positive active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬 이차전지용 양극활물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 우수한 작동 수명(operating life)을 갖는 리튬 이차전지용 양극활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a method for producing the same, and more particularly, to a positive electrode active material for a lithium secondary battery having an excellent operating life and a method for manufacturing the same.

최근 유가 불안정, 화석연료자원의 고갈로 인한 에너지 위기와 CO2 배출로 인한 환경문제가 심각하게 대두되고 있으며 에너지 문제 해결이 곧 환경문제를 해결하는 방법이라는 것이 전세계적으로 공감대를 형성하며, 이미 미국, 일본 등을 비롯한 선진국들은 자동차용 수송에너지원을 화석연료로부터 전기에너지로 전환시키기 위한 연구개발 및 에너지 저장-변환-수송 시스템 기술 시장이 급속도로 확대되고 있다.Recently, the oil crisis has become serious due to unstable oil, depletion of fossil fuel resources, and environmental problems caused by CO 2 emissions. It is a global consensus that the solution of energy problems is a solution to environmental problems. , Japan, and other developed countries are rapidly expanding their R & D and energy storage - conversion - transportation system technology market to convert automobile transportation energy sources from fossil fuel to electrical energy.

특히, 하이브리드 전기자동차(HEV)는 에너지 소비효율을 가장 획기적으로 높일 수 있는 대안으로 고려되고 있다. 일본은 이미 도요다, 혼다 등 글로벌 자동차 업체를 통해 업계 선두의 지위를 확고히 하고 있으며 미국, 유럽 등 주요 자동차 업체 또한 기술력의 차이를 좁히기 위해 연구개발을 진행하고 있다.In particular, hybrid electric vehicles (HEVs) are considered to be the most dramatic alternative to energy efficiency. Japan has already secured its position as a leader in the global automobile industry, including Toyota and Honda. Major automakers such as the US and Europe are also conducting R & D to narrow the gap in technology.

하이브리드 전기자동차(HEV)는 Ni-MH 전지를 전원으로 장착한 HEV가 대세였으나 2009년부터 리튬이차전지가 장착된 HEV가 출시되고 있다. Hybrid electric vehicles (HEV) were HEVs equipped with Ni-MH batteries, but since 2009, HEVs equipped with lithium secondary batteries have been released.

리튬이차전지는 고출력 특성, 에너지 밀도와 에너지 효율 등의 관점에서 HEV용으로 적합한 시스템이나, 시스템 안전성과 적절한 가격확보 등의 문제가 있다. 특히, HEV용 리튬이차전지에서는 우수한 작동 수명(operating life) 특성 확보가 필수적인데, 위의 요구 성능을 만족시키기 위하여 리튬이차전지의 가장 중요한 핵심소재이자 원가비중이 큰 양극소재의 신규물질 개발 또는 성능향상이 절대적으로 필요하다.Lithium secondary batteries are suitable systems for HEV in terms of high output characteristics, energy density and energy efficiency, but also have problems such as system safety and proper price assurance. In particular, it is essential to secure an excellent operating life characteristic in a lithium secondary battery for HEV. In order to satisfy the above requirements, development or performance of a new material for a cathode material, which is the most important core material of lithium secondary batteries and has a large cost- Improvement is absolutely necessary.

현재 HEV용 고출력 전지의 대표적 양극활물질로, 대한민국 공개특허 제2013-0040074호와 같은 스피넬계 리튬망간 금속산화물을 들 수 있는데, 스피넬계 리튬망간 금속산화물은 가격이 저렴하고 독성이 없다는 장점이 있고, HEV 등의 대형전지에 요구되는 고출력 특성이 우수할 뿐 아니라, 층상 화합물인 Ni계, Co계 활물질과는 달리 3차원적으로 리튬이온 삽입, 탈리가 가능한 구조적 안정성도 확보되므로, HEV 리튬이차전지용 최적의 양극재로 각광받고 있다. 이러한 그러나 고온 사이클에서 열화에 의한 성능퇴화는 해결해야할 문제로 남아 있다.Currently spinel type lithium manganese metal oxide such as Korean Laid-Open Patent Application No. 2013-0040074 can be exemplified as a typical positive electrode active material of HEV high output battery. Spinel type lithium manganese metal oxide is advantageous in that it is inexpensive and has no toxicity, HEV and other large-capacity batteries, as well as structural stability in which lithium ions can be inserted and desorbed three-dimensionally unlike Ni-based and Co-based active materials, which are layered compounds, As a cathode material. However, performance degradation due to deterioration in high temperature cycles remains a problem to be solved.

대한민국 공개특허 제2013-0040074호Korean Patent Publication No. 2013-0040074

본 발명은 가격 경쟁력이 우수하고, 독성이 없으며, HEV에 적합한 고출력 특성을 가지며, 리튬 이온의 삽입 및 탈리시 구조적 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 고온 열화가 방지되어 고온에서도 안정적인 충방전 사이클 특성을 갖는 리튬이차전지용 양극활물질을 제공하는 것이며, 상세하게, 스피넬계 리튬금속산화물을 주 물질로 하여, 고온 열화가 방지되는 리튬 이차전지용 양극활물질을 제공하는 것이다.
Disclosed is a lithium secondary battery which is excellent in price competitiveness, has no toxicity, has a high output characteristic suitable for an HEV, has excellent structural stability in insertion and desorption of lithium ions, has a stable charge / discharge cycle characteristic The present invention provides a cathode active material for a lithium secondary battery, and more particularly, to provide a cathode active material for a lithium secondary battery, wherein spinel-based lithium metal oxide is used as a main material and high temperature deterioration is prevented.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질은 알칼리금속 치환된 제올라이트로 표면 개질된 스피넬계 리튬금속산화물을 포함한다.The cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises a spinel-type lithium metal oxide surface-modified with an alkali metal-substituted zeolite.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 알칼리금속은 리튬(Li), 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)에서 하나 이상 선택된 원소일 수 있다.In the cathode active material according to an embodiment of the present invention, the alkali metal may be at least one element selected from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium (Cs).

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 올라이트는 제올라이트 Y일 수 있다.In the cathode active material according to one embodiment of the present invention, the olite may be zeolite Y.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 0.1 내지 10 몰%의 제올라이트 및 99.9 내지 90 몰%의 리튬금속산화물을 함유할 수 있다.The cathode active material according to an embodiment of the present invention may contain 0.1 to 10 mol% of zeolite and 99.9 to 90 mol% of lithium metal oxide.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 리튬금속산화물은 하기 화학식 1에 따른 물질일 수 있다.In the cathode active material according to one embodiment of the present invention, the lithium metal oxide may be a material according to the following formula (1).

(화학식 1)(Formula 1)

Li1+xMn2-yMyO4 Li 1 + x Mn 2-y M y O 4

화학식 1에서 x는 0≤x≤0.2인 실수, y는 0≤y≤0.7인 실수, M은 2가 또는 3가의 금속이다. X is a real number of 0? X? 0.2, y is a real number of 0? Y? 0.7, and M is a divalent or trivalent metal.

본 발명은 상술한 양극활물질을 함유하는 리튬 이차전지를 포함한다.The present invention includes a lithium secondary battery containing the above-mentioned cathode active material.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법은 a) 알칼리금속 치환된 제올라이트와 스피넬계 리튬금속산화물을 혼합하는 단계; 및 b) a) 단계의 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함한다.A method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of: a) mixing an alkali metal-substituted zeolite and a spinel-type lithium metal oxide; And b) heat treating the mixture of step a).

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법에 있어, a) 단계에서, 0.1 내지 10 몰%의 제올라이트 및 99.9 내지 90 몰%의 리튬금속산화물이 혼합될 수 있다.In the method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, in step a), 0.1 to 10 mol% of zeolite and 99.9 to 90 mol% of lithium metal oxide may be mixed.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법에 있어, 열처리는 산소의 존재 하에, 400 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있다.In the method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature of 400 to 900 DEG C in the presence of oxygen.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법은 a) 단계 전, 0.01 내지 2M 농도의 알칼리금속 이온을 함유하며 30 내지 80℃로 가온된 이온교환액에 제올라이트를 4 내지 8시간 함침시켜 알칼리금속 치환된 제올라이트를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
A method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises the step of adding zeolite to an ion exchange solution containing alkali metal ions at a concentration of 0.01 to 2 M and heated to 30 to 80 캜 for 4 to 8 hours Impregnated zeolite to prepare an alkali metal-substituted zeolite.

본 발명에 따른 양극활물질은 가격 경쟁력이 우수하고, 독성이 없으며, HEV에 적합한 고출력 특성을 가지며, 리튬 이온의 삽입 및 탈리시 구조적 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 고온 열화가 방지되어 고온에서도 안정적인 충방전 사이클 특성을 가지며, 우수한 전지 용량을 갖는 장점이 있다.
The cathode active material according to the present invention is excellent in price competitiveness, has no toxicity, has a high output characteristic suitable for HEV, has excellent structural stability in insertion and desorption of lithium ions, and is stable in charge / discharge Cycle characteristics, and has an advantage of having excellent cell capacity.

도 1은 실시예 1에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며,
도 2는 실시예 2에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며,
도 3은 실시예 3에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며,
도 4는 비교예에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며,
도 5는 실시예 1에서 제조된 양극활물질의 주사전자현미경 사진을 도시한 도면이며,
도 6은 실시예 2에서 제조된 양극활물질의 주사전자현미경 사진을 도시한 도면이며,
도 7은 실시예 3에서 제조된 양극활물질의 주사전자현미경 사진을 도시한 도면이며,
도 8은 비교예에서 제조된 양극활물질의 주사전자현미경 사진을 도시한 도면이며,
도 9는 실시예 2 및 비교예에서 제조된 리튬이차전지의 고온 충방전 사이클 특성을 측정 도시한 도면이다.
FIG. 1 is a graph showing the X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Example 1,
FIG. 2 is a graph showing the X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Example 2,
3 is a graph showing the X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Example 3,
FIG. 4 is a graph showing X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Comparative Example,
5 is a scanning electron microscope (SEM) image of the cathode active material prepared in Example 1,
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of the cathode active material prepared in Example 2,
7 is a scanning electron micrograph of the cathode active material prepared in Example 3,
8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the cathode active material prepared in Comparative Example,
FIG. 9 is a diagram showing the measurement of the high-temperature charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery manufactured in Example 2 and the comparative example.

이하 본 발명의 양극활물질 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the cathode active material of the present invention and its production method will be described in detail. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 출원인은 스피넬계 리튬금속산화물의 고온 충방전 사이클 특성을 개선하고자 장기간동안 연구를 수행한 결과, 놀랍게도, 알칼리금속 치환된 제올라이트로 스피넬계 리튬금속산화물을 표면 개질하는 경우, 고온 충방전 사이클 특성이 현저하게 향상될 뿐만 아니라, 활물질의 가역 용량이 증가됨을 발견하여 본 발명을 출원하기에 이르렀다.As a result of long-term research to improve the high-temperature charge-discharge cycle characteristics of spinel-type lithium metal oxides, the present applicant surprisingly found that when the spinel-based lithium metal oxide is surface-modified with an alkali metal-substituted zeolite, Not only remarkably improved but also the reversible capacity of the active material was increased, leading to the filing of the present invention.

본 발명에 따른 양극활물질은 리튬 이차전지용 양극활물질이며, 알칼리금속 치환된 제올라이트로 표면 개질된 스피넬계 리튬금속산화물을 포함한다.The cathode active material according to the present invention is a cathode active material for a lithium secondary battery and includes a spinel-type lithium metal oxide surface-modified with an alkali metal-substituted zeolite.

본 발명에 따른 양극활물질은 알칼리금속으로 치환된 제올라이트로, 스피넬계 리튬금속산화물이 표면 개질됨에 따라, 스피넬계 리튬금속산화물의 고온 열화가 방지되어, 고온 충방전 사이클 특성을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 스피넬계 리튬금속산화물 대비 보다 높은 전지 용량을 가질 수 있는 장점이 있다. The cathode active material according to the present invention is a zeolite substituted with an alkali metal. As the spinel-type lithium metal oxide is surface-modified, deterioration of the spinel-type lithium metal oxide at high temperature is prevented, , It is possible to have a higher battery capacity than the spinel type lithium metal oxide.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 알칼리금속 치환된 제올라이트로 표면 개질된 스피넬계 리튬금속산화물은 스피넬계 리튬금속산화물의 표면 이 알칼리금속 치환된 제올라이트로 감싸인 구조를 의미할 수 있다.In the cathode active material according to an embodiment of the present invention, the spinel-type lithium metal oxide surface-modified with an alkali metal-substituted zeolite may mean a structure in which the surface of the spinel-type lithium metal oxide is surrounded with an alkali metal-substituted zeolite .

상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 스피넬계 리튬금속산화물 입자 및 스피넬계 리튬금속산화물 입자의 표면에 코팅된 알칼리금속 치환된 제올라이트의 코팅층을 포함하는 복합입자일 수 있다.In detail, the cathode active material according to an embodiment of the present invention may be a composite particle comprising a coating layer of alkali metal-substituted zeolite coated on the surface of spinel-type lithium metal oxide particles and spinel-type lithium metal oxide particles.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 0.1 내지 10 몰%의 제올라이트 및 99.9 내지 90 몰%의 리튬금속산화물을 함유할 수 있다. 고온 열화의 효과적 방지 및 리튬 이온의 원활한 삽입 및 탈착 측면에서, 양극활물질은 1 내지 10 몰%의 제올라이트 및 99 내지 90몰%의 리튬금속산화물을 함유할 수 있다.The cathode active material according to an embodiment of the present invention may contain 0.1 to 10 mol% of zeolite and 99.9 to 90 mol% of lithium metal oxide. In terms of effective prevention of high temperature deterioration and smooth insertion and desorption of lithium ions, the cathode active material may contain 1 to 10 mol% of zeolite and 99 to 90 mol% of lithium metal oxide.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 스피넬계 리튬금속산화물 입자 및 알칼리금속 치환된 제올라이트의 코팅층을 포함하는 복합입자는 그 평균 직경이 1μm 내지 30μm일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 평균 직경이 1μm 내지 30μm이며 리튬금속산화물의 표면에 제올라이트의 코팅층이 형성된 입자상일 수 있다. In the cathode active material according to one embodiment of the present invention, the composite particles including the coating layer of the spinel-based lithium metal oxide particles and the alkali-metal-substituted zeolite may have an average diameter of 1 μm to 30 μm. That is, the cathode active material according to one embodiment of the present invention may have a particle size of 1 μm to 30 μm in average diameter and a coating layer of zeolite formed on the surface of the lithium metal oxide.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 입자 크기 분포에 있어, 바이모달 분포를 가질 수 있다.Specifically, the cathode active material according to an embodiment of the present invention may have a bimodal distribution in a particle size distribution.

후술하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 알칼리금속 치환된 제올라이트와 스피넬계 리튬금속산화물을 혼합한 후, 이를 열처리함으로써 제조될 수 있다. 이때, 알칼리금속 치환된 제올라이트에 의해 스피넬계 리튬금속산화물의 치밀화 및 입자성장이 현저하게 방지될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은, 입자 크기 분포상, 상대적으로 작은 크기의 입자들과 상대적으로 큰 입자들로 이루어진 바이모달 분포를 가질 수 있다. 이러한 바이모달 분포의 양극활물질은 상대적으로 큰 크기를 갖는 양극 활물질 입자들 사이의 빈 공간에 상대적으로 작은 크기를 갖는 양극 활물질 입자들이 위치할 수 있어, 양극 활물질층의 충진 밀도를 향상시키는 것이 가능하고, 이에 따라, 향상된 체적 밀도 및 방전 용량을 가질 수 있다.As described below, the cathode active material according to one embodiment of the present invention can be produced by mixing an alkali metal-substituted zeolite and a spinel-type lithium metal oxide and then heat-treating the mixture. At this time, densification and grain growth of the spinel-based lithium metal oxide can be remarkably prevented by the alkali metal-substituted zeolite. Accordingly, the cathode active material according to an embodiment of the present invention may have a bimodal distribution of relatively small particles and relatively large particles on a particle size distribution. In such a bimodal distributed cathode active material, the cathode active material particles having a relatively small size can be positioned in the void space between the cathode active material particles having a relatively large size, thereby improving the packing density of the cathode active material layer , Thus having improved bulk density and discharge capacity.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 알칼리금속 치환된 제올라이트의 알칼리금속은 리튬(Li), 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)에서 하나 이상 선택된 금속일 수 있다. 고온에서의 스피넬계 리튬금속산화물의 열화를 보다 효과적으로 방지하기 위해, 알칼리금속은 루비듐, 세슘 또는 루비듐과 세슘일 수 있으며, 보다 바람직하게는 세슘일 수 있다.In the cathode active material according to one embodiment of the present invention, the alkali metal of the alkali metal-substituted zeolite is selected from one or more selected from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium Metal. In order to more effectively prevent the deterioration of the spinel-based lithium metal oxide at a high temperature, the alkali metal may be rubidium, cesium or rubidium and cesium, more preferably cesium.

이때, 알칼리금속 치환된 제올라이트는 0.01 내지 2M 농도의 알칼리금속 이온을 함유하며 30 내지 80℃로 가온된 이온교환액에, 이온교환액 100 중량부를 기준으로 1 내지 80 중량부의 제올라이트를 4 내지 8시간 함침시켜 제조된 것일 수 있다. At this time, the alkali metal-substituted zeolite is added to an ion exchange solution containing alkali metal ions at a concentration of 0.01 to 2M and heated to 30 to 80 캜, and 1 to 80 parts by weight of zeolite based on 100 parts by weight of the ion exchange solution for 4 to 8 hours Impregnated < / RTI >

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 스피넬계 리튬금속산화물은 스피넬계 리튬망간금속산화물일 수 있으며, 상세하게 스피넬계 리튬금속산화물은 하기 화학식 1로 규정되는 물질일 수 있다.In the cathode active material according to an embodiment of the present invention, the spinel-based lithium metal oxide may be a spinel-based lithium manganese metal oxide, and more specifically, the spinel-based lithium metal oxide may be a material defined by the following formula (1).

(화학식 1)(Formula 1)

Li1+xMn2-yMyO4 Li 1 + x Mn 2-y M y O 4

화학식 1에서 x는 0≤x≤0.2인 실수, y는 0≤y≤0.7인 실수, M은 2가 또는 3가의 금속이다. 상세하게, 화학식 1에 따른 스피넬계 리튬금속산화물에 있어, 2가 또는 3가의 금속인 M은 Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Al, Cr, V 및 In에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속일 수 있으며, 이러한 금속(M)에 의해 망간의 용출을 억제하고 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 비가역적 용량 감소를 최소화하며 높은 에너지밀도를 갖기 위해 x는 0.2 이하인 실수일 수 있으며, 망간 용출을 억제하고 수명을 향상시킴과 동시에 M에 의한 초기 용량 감소를 최소화하는 측면에서 y는 0.2이하인 실수일 수 있다. X is a real number of 0? X? 0.2, y is a real number of 0? Y? 0.7, and M is a divalent or trivalent metal. In detail, in the spinel-based lithium metal oxide according to Formula 1, M, which is a divalent or trivalent metal, is one or more of Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, The metal (M) can inhibit the elution of manganese and improve the lifetime. Also, in order to minimize the irreversible capacity decrease and to have a high energy density, x may be a real number less than 0.2. In order to suppress the manganese dissolution and improve the lifetime and to minimize the initial capacity decrease by M, y is less than 0.2 It can be a mistake.

화학식 1에 따른 스피넬계 리튬금속산화물은 가격 경쟁력이 우수하고, 독성이 없으며, HEV에 적합한 고출력 특성을 가지며, 리튬 이온의 삽입 및 탈리시 구조적 안정성이 우수한 장점이 있다. The spinel-based lithium metal oxide according to Formula (1) is excellent in price competitiveness, has no toxicity, has a high output characteristic suitable for HEV, and has excellent structural stability in insertion and desorption of lithium ions.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 있어, 알칼리금속으로 치환된 제올라이트는 제올라이트 A, 제올라이트 X, 제올라이트 Y, 제올라이트 L, ZSM-5, 베타-제올라이트, ZSM-8, ZSM-11 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 특징적으로, 알칼리금속으로 치환된 제올라이트는 제올라이트 Y일 수 있다. 제올라이트 Y는 그 자체의 열 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 600m2/g에 이르는 높은 비표면적을 가져 전지의 전해액과의 접촉 면적을 향상시킬 수 있고, 12개의 산소가 링 형상으로 위치하는 큰 세공(12-member oxygen ring)을 가지며, 3차원 세공을 가져, 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 한다.
Zeolite A, zeolite X, zeolite Y, zeolite L, ZSM-5, beta-zeolite, ZSM-8, ZSM-11, or a mixture thereof may be used in the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention. The zeolite substituted with an alkali metal may be zeolite Y. < RTI ID = 0.0 > The zeolite Y not only has excellent thermal stability, but also has a high specific surface area of up to 600 m 2 / g, which can improve the contact area of the battery with the electrolytic solution, and the large number of pores 12-member oxygen ring, and has three-dimensional pores to allow smooth migration of lithium ions.

본 발명은 상술한 양극활물질을 함유하는 리튬이차전지를 포함한다.The present invention includes a lithium secondary battery containing the above-mentioned cathode active material.

구체적으로, 본 발명은 상술한 양극활물질을 함유하는 리튬 이차전지용 양극을 포함하며, 이러한 양극이 구비된 리튬이차전지를 포함한다.Specifically, the present invention includes a lithium secondary battery including a positive electrode for a lithium secondary battery containing the positive electrode active material described above, and a lithium secondary battery having such a positive electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극은 집전체 및 집전체 상 위치하며 상술한 양극활물질을 함유하는 활물질층을 포함할 수 있다. 활물질층은 집전체의 적어도 일 면에 위치할 수 있으며, 집전체와 접하여 위치할 수 있다.The positive electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a positive electrode active material layer positioned on the current collector and current collector. The active material layer may be located on at least one surface of the current collector and may be located in contact with the current collector.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지는 리튬 이온 이차전지 또는 리튬 폴리머 이차전지를 포함하며, 상술한 양극과 함께 음극, 전해질 및 분리막을 더 포함할 수 있다.The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a lithium ion secondary battery or a lithium polymer secondary battery, and may further include a cathode, an electrolyte, and a separation membrane together with the anode.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지는 분리막을 사이에 두고 서로 대향하는 양극과 음극이 다수개 적층된 전극 적층체가 전해질에 함침된 구조일 수 있다.The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a structure in which an electrode stacked body in which a plurality of positive and negative electrodes opposite to each other with a separator interposed therebetween is impregnated with an electrolyte.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지는 분리막을 사이에 두고 서로 대향하는 양극 및 음극이 적어도 1회 이상 교번 적층된 전극조립체, 전극조립체가 함침되는 전해질 및 전극조립체와 전해질을 밀봉하는 전지 케이스를 포함할 수 있다.Specifically, the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes an electrode assembly in which an anode and a cathode opposite to each other with a separator interposed therebetween are alternately stacked at least once, an electrolyte in which the electrode assembly is impregnated, The battery case may include a battery case.

전극조립체의 각 양극은 서로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있으며, 각 음극 또한 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다. 이때, 양극은 집전체 및 집전체상 상술한 양극활물질을 함유하는 양극활물질층을 포함할 수 있으며, 집전체 상 양극활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함할 수 있다. 음극 또한, 집전체 및 집전체상 음극활물질을 함유하는 음극활물질층을 포함할 수 있으며, 음극활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함할 수 있다. 전극조립체의 각 양극 또는 각 음극간의 전기적 연결은 이러한 무지부를 통해 이루어질 수 있다.Each anode of the electrode assembly may be connected in series, parallel, or series-parallel, and each cathode may be connected in series, parallel, or series-parallel. At this time, the anode may include a current collector and a cathode active material layer containing the cathode active material on the current collector, and may include a non-cathode active material layer on which the cathode active material layer is not formed. The negative electrode may further include a current collector and a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material on the current collector, and may include an uncoated portion in which the negative electrode active material layer is not formed. Electrical connection between each anode or each cathode of the electrode assembly can be accomplished through this igniter.

전극조립체에서, 각 양극 및/또는 각 음극의 집전체는 그라파이트, 그래핀, 티타늄, 구리, 플라티늄, 알루미늄, 니켈, 은, 금, 또는 카본나노튜브의 폼(foam), 박(film), 메쉬(mesh), 펠트(felt) 또는 다공성 박(perforated film)일 수 있다. In the electrode assembly, the current collector of each anode and / or each cathode may be a foam, a film, a mesh, or the like of graphite, graphene, titanium, copper, platinum, aluminum, nickel, silver, gold, a mesh, a felt or a perforated film.

전극조립체 각 음극의 음극활물질은 리튬이차전지의 음극에 통상적으로 사용되는 활물질이면 사용 가능하다. 비 한정적인 일 예로, 음극활물질은 리튬(금속 리튬), 이흑연화성 탄소, 난흑연화성 탄소, 그라파이트, 실리콘 및 리튬-티타늄 산화물의 음극활물질 군에서 하나 이상 선택된 물질일 수 있다. Electrode Assembly The negative electrode active material of each negative electrode can be used as an active material conventionally used for a negative electrode of a lithium secondary battery. As a non-limiting example, the negative electrode active material may be at least one selected from the group of negative electrode active materials of lithium (metal lithium), graphitizable carbon, hard graphitizable carbon, graphite, silicon and lithium-titanium oxide.

전극조립체에서, 서로 인접하는 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막은 양극과 음극의 적층 방향에 따라 위치별로 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 통상의 리튬 이차전지에서 음극과 양극의 단락을 방지하기 위해 통상적으로 사용되는 분리막이면 족하다. 비 한정적인 일 예로, 분리막은 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리올레핀계 및 폴리에스테르계서 하나 이상 선택되는 물질일 수 있으며, 미세 다공막 구조일 수 있다. In the electrode assembly, the separation membrane positioned between the anodes and the cathodes adjacent to each other may be different or the same depending on positions in accordance with the stacking direction of the anodes and the cathodes, and in order to prevent a short circuit between the cathodes and the anodes in a conventional lithium secondary battery, A separator used as a separator is sufficient. As a non-limiting example, the separation membrane may be a material selected from one or more of polyethylene, polypropylene, polyolefin, and polyester, and may be a microporous membrane structure.

전극 조립체가 함침되는 전해질은 통상의 리튬 이차전지에서, 전지의 충전 및 방전에 관여하는 리튬 이온을 원활히 전도시키며 장기간 안정적으로 전지 특성을 유지할 수 있는 통상의 수계 또는 비수계 전해질이면 족하다. 비 한정적인 일 예로, 전해질은 비수계 전해질일 수 있으며, 비수계 전해질은 비수계 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 전해질에 함유되는 리튬염은 리튬 양이온 및 NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 - 및 SCN-, (CF3CF2SO2)2N-에서 하나 이상 선택되는 음이온을 제공하는 염일 수 있다. 전해질의 용매는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디(2,2,2-트리플루오로에틸) 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 2,2,2-트리플루오로에틸 메틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 2,2,2-트리플루오로에틸 프로필 카보네이트, 메틸 포르메이트(methyl formate), 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 디메틸 에테르(dimethyl ether), 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트(ethyl propionate), 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트(methyl butyrate), 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, γ-티오부티로락톤, γ-에틸-γ-부티로락톤, β-메틸-γ-부티로락톤, γ-발레로락톤(γ-valerolactone), σ-발레로락톤, γ-카프로락톤(γ-caprolactone), ε-카프로락톤, β-프로피오락톤(β-propiolactone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 3-메틸테트라하이드로퓨란, 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 메틸 에틸렌 포스페이트, 에틸 에틸렌 포스페이트, 디메틸 설폰(dimethyl sulfone), 에틸 메틸 설폰, 메틸 트리플루오로메틸 설폰, 에틸 트리플루오로메틸 설폰, 메틸 펜타플루오로에틸 설폰, 에틸 펜타플루오로에틸 설폰, 디(트리플루오로메틸)설폰, 디(펜타플루오로에틸) 설폰, 트리플루오로메틸 펜타플루오로에틸 설폰, 트리플루오로메틸 노나플루오로부틸 설폰, 펜타플루오로에틸 노나플루오로부틸 설폰, 술포란(sulfolane), 3-메틸술포란, 2-메틸술포란, 3-에틸술포란 및 2-에틸술포란 그룹에서 하나 이상 선택된 용매를 들 수 있다.
The electrolyte in which the electrode assembly is impregnated may be a conventional aqueous or non-aqueous electrolyte capable of smoothly conducting lithium ions involved in charging and discharging of the battery and maintaining battery characteristics for a long period of time in a conventional lithium secondary battery. As a non-limiting example, the electrolyte may be a non-aqueous electrolyte, and the non-aqueous electrolyte may include a non-aqueous solvent and a lithium salt. As a non-limiting example, the lithium salt contained in the electrolyte may be a lithium cation and a cation selected from the group consisting of NO 3 - , N (CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - 3) 3 PF 3 -, ( CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , which provide at least one anion selected from the group consisting of 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - and SCN - It can be a salt. The solvent of the electrolyte is selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, Dimethyl carbonate, diethyl carbonate, di (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate , Ethyl propyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl propyl carbonate, methyl formate, ethyl formate, propyl formate, butyl formate, dimethyl ether, diethyl ether, di Propyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, Butyrate, butyl butyrate, gamma -butyrolactone (gamma-butyrolactone), ethyl propionate, propyl propionate, butyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, butyrolactone, 2-methyl- gamma -butyrolactone, 3-methyl- gamma -butyrolactone, 4-methyl- gamma -butyrolactone, gamma -thiobutyrolactone, ? -valerolactone,? -valerolactone,? -caprolactone,? -caprolactone,? -propiolactone (? -caprolactone,? -caprolactone, propiolactone), tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyltetrahydrofuran, trimethylphosphate, triethylphosphate, tris (2-chloroethyl) 2-trifluoroethyl) phosphate, tripropyl phosphate, triisopropyl But are not limited to, sulfates, triesters, tributyl phosphate, trihexyl phosphate, triphenyl phosphate, tritolyl phosphate, methyl ethylene phosphate, ethyl ethylene phosphate, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, methyl trifluoromethyl sulfone, Sulfone, methylpentafluoroethylsulfone, ethyl pentafluoroethylsulfone, di (trifluoromethyl) sulfone, di (pentafluoroethyl) sulfone, trifluoromethylpentafluoroethylsulfone, trifluoromethyl nonafluoro One or more selected solvents selected from butyl sulfone, pentafluoroethyl nonafluorobutyl sulfone, sulfolane, 3-methyl sulfolane, 2-methyl sulfolane, 3-ethyl sulfolane and 2- .

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법은 a) 알칼리금속 치환된 제올라이트와 스피넬계 리튬금속산화물을 혼합하는 단계; 및 b) a) 단계의 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함한다.A method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of: a) mixing an alkali metal-substituted zeolite and a spinel-type lithium metal oxide; And b) heat treating the mixture of step a).

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법은 알칼리금속 치환된 제올라이트와 스피넬계 리튬금속산화물을 혼합하고 열처리하는 극히 용이하고 간단한 공정을 통해, 고온 열화가 방지되어 고온 충방전 사이클 특성이 향상되고 우수한 전지 용량을 갖는 양극활물질의 제조가 가능하다.The method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention is characterized in that an extremely easy and simple process of mixing an alkali metal-substituted zeolite and a spinel-type lithium metal oxide and performing a heat treatment prevents high temperature deterioration, It is possible to manufacture a positive electrode active material having an excellent battery capacity.

a) 단계에서 혼합되는 알칼리금속 치환된 제올라이트는 0.01 내지 2M 농도의 알칼리금속 이온을 함유하며 30 내지 80℃로 가온된 이온교환액에, 이온교환액 100 중량부를 기준으로 1 내지 80 중량부, 구체적으로 10 내지 50 중량부, 보다 구체적으로 10 내지 30 중량부의 제올라이트를 4 내지 8시간 함침시켜 제조된 것일 수 있다. The alkali-metal-substituted zeolite mixed in step a) is added to an ion-exchange liquid containing alkali metal ions in a concentration of 0.01 to 2 M and heated to 30 to 80 캜, in an amount of 1 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the ion- Of 10 to 50 parts by weight, more specifically 10 to 30 parts by weight of zeolite for 4 to 8 hours.

이온교환액에 함유되는 알칼리금속 이온은 리튬(Li), 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)에서 하나 이상 선택된 금속의 이온일 수 있으며, 바람직하게, 루비듐 이온, 세슘 이온 또는 루비듐 이온과 세슘 이온일 수 있으며, 보다 바람직하게는 세슘 이온일 수 있다.The alkali metal ion contained in the ion exchange liquid may be an ion of a metal selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), and cesium (Cs) , A cesium ion or a rubidium ion and a cesium ion, and more preferably a cesium ion.

이온교환액에 함침되는 제올라이트는 제올라이트 A, 제올라이트 X, 제올라이트 Y, 제올라이트 L, ZSM-5, 베타-제올라이트, ZSM-8, ZSM-11 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 특징적으로, 제올라이트 Y일 수 있다.The zeolite impregnated in the ion exchange liquid may be zeolite A, zeolite X, zeolite Y, zeolite L, ZSM-5, beta-zeolite, ZSM-8, ZSM-11 or mixtures thereof, have.

알칼리금속 이온을 함유하는 이온교환액에 제올라이트를 함침시킴으로써, 알칼리금속으로 치환된(이온 교환된) 제올라이트가 수득되는데, 알칼리금속으로 치환된 제올라이트는 리튬(Li), 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)에서 하나 이상 선택된 금속으로 치환된 제올라이트 A, 제올라이트 X, 제올라이트 Y, 제올라이트 L, ZSM-5, 베타-제올라이트, ZSM-8, ZSM-11 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 특징적으로, 루비듐 및 세슘에서 하나 이상 선택되는 금속으로 치환된 제올라이트 Y일 수 있으며, 보다 특징적으로 세슘으로 치환된 제올라이트 Y일 수 있다. The zeolite substituted with an alkali metal is obtained by impregnating zeolite with an ion exchange solution containing an alkali metal ion. The zeolite substituted with an alkali metal includes lithium (Li), sodium (Na), potassium (K Zeolite A, zeolite X, zeolite Y, zeolite L, ZSM-5, beta-zeolite, ZSM-8, ZSM-11 or mixtures thereof substituted with at least one selected metal selected from rubidium (Rb) and cesium And may be zeolite Y, which is characteristically substituted with one or more metals selected from rubidium and cesium, and may more particularly be zeolite Y substituted with cesium.

이온교환액을 이용한 이온 교환이 수행된 후, 수득되는 제올라이트를 공기중 100 내지 150℃의 온도에서 9 내지 24시간동안 건조하는 단계가 더 수행될 수 있다. After the ion exchange with the ion exchange liquid is performed, the step of drying the obtained zeolite at a temperature of 100 to 150 ° C in the air for 9 to 24 hours can be further performed.

a) 단계에서 혼합되는 리튬금속산화물은 스피넬계 리튬망간금속산화물일 수 있으며, 상세하게 스피넬계 리튬금속산화물은 하기 화학식 1로 규정되는 물질일 수 있다.The lithium metal oxide mixed in the step a) may be a spinel-based lithium manganese metal oxide, and the spinel-based lithium metal oxide may be a material defined by the following formula (1).

(화학식 1)(Formula 1)

Li1+xMn2-yMyO4 Li 1 + x Mn 2-y M y O 4

화학식 1에서 x는 0≤x≤0.2인 실수, y는 0≤y≤0.7인 실수, M은 2가 또는 3가의 금속이다. 상세하게, 화학식 1에 따른 스피넬계 리튬금속산화물에 있어, 2가 또는 3가의 금속인 M은 Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Al, Cr, V 및 In에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속일 수 있다. X is a real number of 0? X? 0.2, y is a real number of 0? Y? 0.7, and M is a divalent or trivalent metal. In detail, in the spinel-based lithium metal oxide according to Formula 1, M, which is a divalent or trivalent metal, is one or more of Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, It may be a metal selected.

a) 단계에서 혼합되는 리튬금속산화물은 평균 입자크기가 1μm 내지 30μm인 분말상일 수 있다. The lithium metal oxide to be mixed in the step a) may be in the form of a powder having an average particle size of 1 m to 30 m.

a) 단계에서, 0.1 내지 10 몰%의 제올라이트 및 99.9 내지 90 몰%의 리튬금속산화물, 구체적으로 1 내지 10 몰의 제올라이트 및 99 내지 90몰%의 리튬금속산화물이 혼합될 수 있다. 이러한 리튬금속산화물과 제올라이트간의 몰비는 스피넬계 리튬금속산화물 입자의 고온 열화를 효과적으로 방지하면서도, 제올라이트에 의해 스피넬계 리튬금속산화물 입자에서의 리튬 이온의 삽입 및 탈착이 저해되는 것을 방지할 수 있는 몰비이다.In step a), 0.1 to 10 mol% of zeolite and 99.9 to 90 mol% of lithium metal oxide, specifically 1 to 10 mol of zeolite and 99 to 90 mol% of lithium metal oxide may be mixed. The molar ratio between the lithium metal oxide and the zeolite is a molar ratio that can prevent the deterioration of insertion and desorption of lithium ions in the spinel type lithium metal oxide particles by the zeolite while effectively preventing the deterioration of the spinel type lithium metal oxide particles at high temperatures .

a) 단계에서 제올라이트와 리튬금속산화물간의 혼합은 물질의 혼합에 통상적으로 사용되는 방법이라면 어떠한 방법을 사용하여 수행하여도 무방하다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, 건식 또는 습식 볼밀링을 들 수 있다.The mixing of the zeolite and the lithium metal oxide in the step a) may be carried out by any method as long as it is a commonly used method for mixing the materials. A specific, non-limiting example is dry or wet ball milling.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법에 있어, 열처리는 산소의 존재 하에, 400 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있다. 열처리 분위기는 산소와 불활성 기체가 혼합된 혼합 기체 분위기 또는 공기 분위기일 수 있다. 열처리 온도는 400℃ 내지 900℃일 수 있는데, 열처리 온도가 400℃ 미만으로 너무 낮은 경우, 리튬금속산화물 표면이 제올라이트에 의해 충분히 개질되지 않을 위험이 있으며, 열처리 온도가 900℃를 초과하는 경우, 고온 열처리에 의해 과도하게 응집된 응집체(벌크의 소결체)가 제조될 위험이 있다.In the method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature of 400 to 900 DEG C in the presence of oxygen. The heat treatment atmosphere may be a mixed gas atmosphere or an air atmosphere in which oxygen and an inert gas are mixed. If the heat treatment temperature is less than 400 ° C., there is a danger that the surface of the lithium metal oxide is not sufficiently modified by the zeolite. If the heat treatment temperature is higher than 900 ° C., the heat treatment temperature may be 400 ° C. to 900 ° C., There is a risk that agglomerates (bulk sintered bodies) that are excessively agglomerated by heat treatment are produced.

균일한 크기 입자상으로 양극활물질을 제조하며, 리튬금속산화물 표면을 균일하고 균질하게 제올라이트로 표면개질(코팅)하는 측면에서, 열처리 온도는 400℃ 내지 900℃, 바람직하게 400 내지 600℃일 수 있다.The heat treatment temperature may be 400 ° C. to 900 ° C., preferably 400 ° C. to 600 ° C., in view of producing the cathode active material with a uniform size particle size and surface-modifying (coating) the lithium metal oxide surface uniformly and uniformly with zeolite.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법은 열처리에 의해 수득되는 제올라이트로 표면개질된 리튬금속산화물을 포함하는 수득물을 분쇄하는 후처리 단계를 더 포함할 수 있다.
The method for preparing a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include a post-treatment step of pulverizing a product containing a lithium metal oxide surface-modified with zeolite obtained by heat treatment.

(제조예)(Production example)

알칼리금속 치환된 제올라이트의 제조Preparation of alkali metal substituted zeolite

0.5M농도의 Cs+ 이온을 함유하는 증류수인 이온교환액을 제조하였다. 제조된 이온교환액을 50℃로 가온하고, 가온된 이온교환액에, 이온교환액 100g당 10g의 제올라이트-Y를 투입한 후, 6시간동안 이온교환을 수행하였다. 이온교환된 제올라이트를 120℃의 오븐에서 12시간동안 건조하였다.
And an ion exchange solution of distilled water containing 0.5 M concentration of Cs + ions was prepared. The prepared ion-exchange liquid was heated to 50 ° C, 10g of zeolite-Y per 100g of the ion-exchange liquid was added to the warmed ion-exchange liquid, and ion exchange was performed for 6 hours. The ion-exchanged zeolite was dried in an oven at 120 DEG C for 12 hours.

(실시예 1)(Example 1)

리튬망간니켈 복합산화물(LiMn1.5Ni0.5O4)과 제조예에서 제조된 이온교환된 제올라이트를, 리튬망간니켈 복합산화물 99몰% 및 이온교환된 제올라이트 1몰%가 되도록 혼합하였다. 이후 공기중 500℃에서 5시간동안 열처리하여 양극활물질을 제조하였으며, 열처리에 의해 수득되는 양극활물질을 유발로 분쇄하여 리튬이차전지 제조에 사용하였다.Lithium manganese nickel complex oxide (LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 ) and the ion-exchanged zeolite prepared in Production Example were mixed so as to be 99 mol% lithium manganese nickel composite oxide and 1 mol% ion-exchanged zeolite. Thereafter, the cathode active material was heat-treated at 500 ° C for 5 hours in the air to prepare a cathode active material. The cathode active material obtained by the heat treatment was pulverized by induction and used in the manufacture of a lithium secondary battery.

제조된 양극활물질, 바인더(Polyvinylidene Fluoride) 및 카본 블랙(super-P)을 90(양극활물질) : 5(바인더) : 5(카본 블랙)의 중량비로 혼합하고, N-메틸-피롤리돈을 용매로 양극활물질 슬러리를 제조하였다. 제조된 양극활물질 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포하여 건조한 후, 롤프레스로 압착하여 양극을 제조하였다.The prepared cathode active material, a binder (Polyvinylidene Fluoride) and a carbon black (super-P) were mixed in a weight ratio of 90 (cathode active material): 5 (binder): 5 (carbon black) To prepare a cathode active material slurry. The prepared positive electrode active material slurry was applied to an aluminum current collector and dried, followed by pressing with a roll press to prepare a positive electrode.

음극으로는 리튬박을 사용하였으며, 분리막으로는 폴리에틸린계 미세다공막을 사용하였다. 전해액으로는 1M LiPF6의 에틸렌 카보네이트/에틸 메틸 카보네이트(1(EC) : 2(EMC) vol/vol) 혼합용액을 사용하였다. Lithium foil was used as the cathode and polyethylenic microporous membrane was used as the separator. A mixed solution of 1M LiPF 6 in ethylene carbonate / ethylmethyl carbonate (1 (EC): 2 (EMC) vol / vol) was used as the electrolyte solution.

전해액을 분리막에 함침시킨 후, 제조된 양극 및 음극 사이에 위치시킨 후 케이스로 밀봉하여 코인셀을 제조하였다.
The electrolytic solution was impregnated into the separator, then placed between the prepared anode and cathode, and then sealed with a case to prepare a coin cell.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1에서 알칼리금속 치환된 제올라이트 2몰%와 리튬망간니켈 복합산화물 98몰%를 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로, 양극활물질 및 리튬이차전지를 제조하였다.
A cathode active material and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that 2 mol% of alkali metal-substituted zeolite and 98 mol% of lithium manganese nickel composite oxide were mixed in Example 1.

(실시예 3)(Example 3)

실시예 1에서 알칼리금속 치환된 제올라이트 5몰%와 리튬망간니켈 복합산화물 95몰%를 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로, 양극활물질 및 리튬이차전지를 제조하였다.
A cathode active material and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that 5 mol% of alkali metal substituted zeolite and 95 mol% of lithium manganese nickel composite oxide were mixed in Example 1.

(비교예)(Comparative Example)

실시예 1에서 알칼리금속 치환된 제올라이트를 혼합하지 않고 순수한 리튬망간니켈 복합산화물만을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로, 양극활물질 및 리튬이차전지를 제조하였다.
A cathode active material and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that only the pure lithium manganese nickel complex oxide was used without mixing the alkali metal-substituted zeolite in Example 1.

도 1은 실시예 1에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며, 도 2는 실시예 2에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며, 도 3은 실시예 3에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며, 도 4는 비교예에서 제조된 양극활물질의 X-선 회절결과를 도시한 도면이다. 여기서, X선 회절은 40kV, 40mA의 Cu Kα를 이용하여 측정되었으며, θ-2θ에서 2θ가 10~90°범위로 측정된 결과이다. FIG. 1 is a graph showing X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Example 1, FIG. 2 is a graph showing X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Example 2, and FIG. Ray diffraction results of the cathode active material prepared in Example 3, and FIG. 4 is a view showing X-ray diffraction results of the cathode active material prepared in Comparative Example. Here, the X-ray diffraction was measured using Cu K? Of 40 kV, 40 mA, and the result of 2? In the range of 10? 90? At? -2 ?.

도 1 내지 도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 제조된 양극활물질 모두 스피넬상의 리튬망간니켈 복합산화물을 가짐을 확인할 수 있었다.As can be seen from FIGS. 1 to 3 and FIG. 4, it was confirmed that both of the prepared cathode active materials had lithium manganese nickel composite oxide on spinel.

도 5는 실시예 1에서 제조된 양극활물질을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 6은 실시예 2에서 제조된 양극활물질을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 7은 실시예 3에서 제조된 양극활물질을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 8은 비교예에서 제조된 양극활물질을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) image of the cathode active material prepared in Example 1, FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) image of the cathode active material prepared in Example 2, FIG. 8 is a scanning electron microscope (SEM) image of the cathode active material prepared in Comparative Example. FIG.

도 5 내지 도 7에서 알 수 있듯이, 첨가되는 제올라이트의 양이 증가함에 따라, 리튬망간니켈 복합산화물의 입자 성장이 저해되어 전체적인 입자 크기의 감소가 발생함을 알 수 있으며, 상대적으로 큰 입자와 상대적으로 작은 입자가 공존하는 바이모달 분포를 가짐을 알 수 있다. 5 to 7, it can be seen that as the amount of zeolite added increases, the particle growth of the lithium manganese nickel complex oxide is inhibited, resulting in a decrease in the overall particle size. In addition, It can be seen that there is a bimodal distribution in which small particles coexist.

도 8과 같이, 순수한 리튬망간니켈 복합산화물로 양극활물질이 이루어진 경우, 상대적으로 입자 크기가 증가하고 유니모달한 분포를 갖는 활물질 입자가 제조됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, when a cathode active material is formed of a pure lithium manganese nickel composite oxide, active material particles having a relatively large particle size and a uniform distribution are produced.

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 리튬이차전지의 고온 충방전 특성을 테스트하기 위해, 55℃의 온도에서 반복적인 충방전을 수행하였다. 첫 번째 및 두 번째 충방전인 초기 두 충방전 사이클은 전극의 안정화를 위하여 0.1C 조건으로 충/방전을 수행하였으며, 이후, 세번째 사이클은 0.2C 조건으로 충/방전을 수행하고, 네 번째 사이클부터 0.5C 조건으로 80회 충/방전을 수행하였다. 충전은 4.5V 정전류/정전압 방식으로 수행되었다.In order to test the high temperature charging and discharging characteristics of the lithium secondary batteries manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Examples, repetitive charging and discharging was performed at a temperature of 55 캜. The first and second charge / discharge cycles were initially charged / discharged at 0.1 C for stabilization of the electrode. After that, charge / discharge was performed at 0.2 C for the third cycle. The charge / discharge was performed 80 times under the condition of 0.5C. Charging was performed with a 4.5V constant current / constant voltage method.

아래의 표 1은 세 번째 사이클에서 측정된 방전 용량을 측정하여 정리 도시한 표로, 표 1에서 알 수 있듯이, 실시예에서 제조된 양극활물질의 경우, 비교예의 순수한 리튬망간니켈 복합산화물 대비 방전 용량이 현저하게 증가함을 확인할 수 있다. As can be seen from Table 1, in the case of the cathode active material prepared in the examples, the discharge capacity as compared with the pure lithium manganese nickel composite oxide of the comparative example is as shown in Table 1 below. It can be confirmed that it is remarkably increased.

(표 1)(Table 1)

Figure 112013067615148-pat00001
Figure 112013067615148-pat00001

도 9는 55℃, 80회의 충방전 사이클 수행시, 사이클별 방전용량을 도시한 것으로, 실시예 2에서 제조된 리튬이차전지의 측정결과(붉은색 도시)와 비교예에서 제조된 리튬이차전지의 측정결과(검은색 도시)를 함께 도시한 것이다.FIG. 9 shows the discharge capacity per cycle at the time of performing 80 charge / discharge cycles at 55 ° C. The results of the measurement of the lithium secondary battery manufactured in Example 2 (red color) and the lithium secondary battery produced in Comparative Example The measurement results (black city) are shown together.

도 9에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 양극활물질의 경우, 보다 높은 방전 용량을 가짐과 동시에, 고온 안정성이 우수하여 가역성이 향상됨을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 9, the cathode active material according to the present invention has a higher discharge capacity, and is excellent in high-temperature stability and improved reversibility.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (10)

세슘(Cs)으로 치환되고 12개의 산소가 링 형상으로 위치하는(12-membered oxygen ring) 제올라이트 Y로 표면 개질된 화학식 1에 따른 스피넬계 리튬금속산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극활물질.
(화학식 1)
Li1+xMn2-yMyO4
(화학식 1에서 x는 0≤x≤0.2인 실수, y는 0≤y≤0.7인 실수, M은 2가 또는 3가의 금속이다)
A cathode active material for a lithium secondary battery comprising a spinel-type lithium metal oxide according to Chemical Formula 1, which is surface-modified with zeolite Y substituted with cesium (Cs) and 12-membered oxygen ring.
(Formula 1)
Li 1 + x Mn 2-y M y O 4
(Wherein x is a real number of 0? X? 0.2, y is a real number of 0? Y? 0.7, and M is a divalent or trivalent metal)
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 양극활물질은 0.1 내지 10 몰%의 제올라이트 Y 및 99.9 내지 90 몰%의 리튬금속산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode active material comprises 0.1 to 10 mol% of zeolite Y and 99.9 to 90 mol% of lithium metal oxide.
삭제delete 제 1항 또는 제 4항의 리튬 이차전지용 양극활물질을 함유하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery containing the cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1 or claim 4. a) 세슘(Cs)으로 치환되고 12개의 산소가 링 형상으로 위치하는(12-membered oxygen ring) 제올라이트 Y와 화학식 1에 따른 스피넬계 리튬금속산화물을 혼합하는 단계; 및
b) a) 단계의 혼합물을 열처리하여, 세슘(Cs)으로 치환된 제올라이트 Y로 표면 개질된 스피넬계 리튬금속산화물을 제조하는 단계;
를 포함하는 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
(화학식 1)
Li1+xMn2-yMyO4
(화학식 1에서 x는 0≤x≤0.2인 실수, y는 0≤y≤0.7인 실수, M은 2가 또는 3가의 금속이다)
a) mixing a 12-membered oxygen ring zeolite Y substituted with cesium (Cs) and 12 oxygen atoms in ring form with a spinel-type lithium metal oxide according to formula 1; And
b) subjecting the mixture of step a) to heat treatment to produce a spinel-type lithium metal oxide surface-modified with zeolite Y substituted with cesium (Cs);
Wherein the positive electrode active material is a positive electrode active material.
(Formula 1)
Li 1 + x Mn 2-y M y O 4
(Wherein x is a real number of 0? X? 0.2, y is a real number of 0? Y? 0.7, and M is a divalent or trivalent metal)
제 7항에 있어서,
상기 a) 단계에서, 0.1 내지 10 몰%의 제올라이트 Y 및 99.9 내지 90 몰%의 리튬금속산화물이 혼합되는 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step a), 0.1 to 10 mol% of zeolite Y and 99.9 to 90 mol% of lithium metal oxide are mixed.
제 7항에 있어서,
상기 열처리는 산소의 존재 하에, 400 내지 900℃의 온도에서 수행되는 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 400 to 900 占 폚 in the presence of oxygen.
제 7항에 있어서,
상기 제조방법은
a) 단계 전,
0.01 내지 2M 농도의 세슘(Cs) 이온을 함유하며 30 내지 80℃로 가온된 이온교환액에, 이온교환액 100 중량부를 기준으로 1 내지 80 중량부의 제올라이트 Y를 4 내지 8시간 함침시켜 세슘(Cs)으로 치환된 제올라이트 Y를 제조하는 단계;
를 더 포함하는 리튬 이차전지용 양극활물질의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The above-
a) before the step,
1 to 80 parts by weight of zeolite Y is impregnated into the ion exchange solution containing 0.01 to 2 M cesium (Cs) ions and heated to 30 to 80 캜 based on 100 parts by weight of the ion exchange solution for 4 to 8 hours to obtain cesium ), ≪ / RTI >
Wherein the positive electrode active material is a lithium salt.
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