KR102081858B1 - Positive electrode active material precursor for secondary battery and positive electrode active material for secondary battery prepared by using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 전구체 입자 내 위치에 따라 최적화된 조성 및 구조를 가져, 활물질의 표면 및 내부 구조를 안정화시킬 수 있는 이차전지용 양극활물질 전구체 및 이를 이용하여 제조한 이차전지용 양극활물질이 제공된다.In the present invention, a cathode active material precursor for a secondary battery capable of stabilizing a surface and an internal structure of an active material having an optimized composition and structure according to a position in the precursor particles, and a cathode active material for a secondary battery prepared using the same are provided.
Description
본 발명은 전구체 입자 내 위치에 따라 최적화된 조성 및 구조를 가져, 활물질의 표면 및 내부 구조를 안정화시킬 수 있는 이차전지용 양극활물질 전구체 및 이를 이용하여 제조한 이차전지용 양극활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material precursor for a secondary battery capable of stabilizing the surface and internal structure of an active material and having a composition and structure optimized according to the position in the precursor particles, and a cathode active material for a secondary battery prepared using the same.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as a source of energy is rapidly increasing. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and voltage, long cycle life, and low self discharge rate have been commercialized and widely used.
리튬 이차전지의 양극활물질로는 리튬 전이금속 복합 산화물이 이용되고 있으며, 이중에서도 작용전압이 높고 용량 특성이 우수한 LiCoO2의 리튬코발트 복합금속 산화물이 주로 사용되고 있다. 그러나, LiCoO2는 탈 리튬에 따른 결정 구조의 불안정화로 열적 특성이 매우 열악하고, 또 고가이기 때문에 전기 자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용하기에는 한계가 있다. A lithium transition metal composite oxide is used as a cathode active material of a lithium secondary battery, and among these, lithium cobalt composite metal oxide of LiCoO 2 having a high operating voltage and excellent capacity characteristics is mainly used. However, since LiCoO 2 has very poor thermal characteristics due to destabilization of the crystal structure due to de-lithography and is expensive, there is a limit to using LiCoO 2 as a power source in fields such as electric vehicles.
LiCoO2를 대체하기 위한 재료로서, 리튬망간 복합금속 산화물(LiMnO2 또는 LiMn2O4 등), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4 등) 또는 리튬니켈 복합금속 산화물(LiNiO2 등) 등이 개발되었다. 이중에서도 약 200 mAh/g의 높은 가역용량을 가져 대용량의 전지 구현이 용이한 리튬니켈 복합금속 산화물에 대한 연구 및 개발이 보다 활발히 연구되고 있다. 그러나, LiNiO2는 LiCoO2와 비교하여 열안정성이 나쁘고, 충전 상태에서 외부로부터의 압력 등에 의해 내부 단락이 생기면 양극활물질 그 자체가 분해되어 전지의 파열 및 발화를 초래하는 문제가 있다.As a material for replacing LiCoO 2 , lithium manganese composite metal oxides (such as LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate compounds (such as LiFePO 4 ), or lithium nickel composite metal oxides (such as LiNiO 2 ) have been developed. Among them, research and development of lithium nickel composite metal oxides having a high reversible capacity of about 200 mAh / g, which is easy to implement a large-capacity battery, are being actively studied. However, LiNiO 2 has a poor thermal stability compared to LiCoO 2, and when an internal short circuit occurs due to pressure from the outside in a charged state, the positive electrode active material itself is decomposed to cause the battery to rupture and ignite.
이에 따라 LiNiO2의 우수한 가역용량은 유지하면서도 낮은 열안정성을 개선하기 위한 방법으로서, 니켈(Ni)의 일부를 코발트(Co)나 망간(Mn)으로 치환하는 방법이 제안되었다. 그러나 니켈의 일부를 코발트로 치환한 LiNi1 - αCoαO2 (α=0.1~0.3)의 경우 우수한 충방전특성과 수명특성을 보이나, 열적 안정성이 낮은 문제가 있다. 또, Ni의 일부를 열적 안정성이 뛰어난 Mn으로 치환한 니켈망간계 리튬 복합금속 산화물 및 Mn과 Co으로 치환한 니켈코발트망간계 리튬 복합금속 산화물(이하 간단히 'NCM계 리튬 산화물'이라 함)의 경우 출력 특성이 낮고, 또 금속원소들의 용출 및 그에 따른 전지 특성 저하의 우려가 있다. Accordingly, as a method for improving low thermal stability while maintaining excellent reversible capacity of LiNiO 2 , a method of replacing a portion of nickel (Ni) with cobalt (Co) or manganese (Mn) has been proposed. However, LiNi 1 - α Co α O 2 (α = 0.1 ~ 0.3) in which a part of nickel is substituted with cobalt shows excellent charge / discharge characteristics and life characteristics, but there is a problem of low thermal stability. In the case of nickel manganese-based lithium composite metal oxide in which a part of Ni is replaced with Mn having excellent thermal stability, and nickel cobalt manganese-based lithium composite metal oxide substituted with Mn and Co (hereinafter simply referred to as 'NCM-based lithium oxide') The output characteristics are low, and there is a fear of dissolution of metal elements and deterioration of battery characteristics.
이러한 문제를 해결하기 위해 코어와 쉘이 서로 다른 금속 조성을 갖는 리튬 전이금속 산화물이 제안되었다. 상기와 같은 리튬 전이금속 산화물은코어 물질을 합성한 후에 외부에 다른 조성을 갖는 물질을 코팅하여 이중층으로 제조한 후, 리튬염과 혼합하여 열처리함으로써 제조된다. 그러나 상기와 같은 방법으로 제조된 리튬 전이금속 산화물은 출력 특성 개선 효과가 만족스럽지 못하고, 또 재현성이 낮은 문제가 있다.In order to solve this problem, a lithium transition metal oxide having a different metal composition in a core and a shell has been proposed. The lithium transition metal oxide as described above is prepared by coating a material having a different composition on the outside after synthesizing the core material to prepare a double layer, and then mixing the lithium salt with a heat treatment. However, the lithium transition metal oxide prepared by the above method is not satisfactory in the improvement of the output characteristics, and there is a problem of low reproducibility.
또 다른 방법으로 소형 자동차용, 전력 저장용 전지에서의 고에너지 밀도화를 위해 NCM계 리튬 산화물에서 Ni의 함량을 증가시키려는 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 양극활물질에 있어서 용량과, 수명 또는 안정성은, 용량을 증가시키면 전지의 수명 및 안정성이 급격히 감소하는 트레이드 오프(trade off)의 관계가 있다. 이에 따라 제한된 조성 및 전압 범위 내에서만 사용하는 방법, NCM 산화물의 일부 조성을 이종 원소로 치환하여 제한적으로 구조를 안정화하는 방법 및 코팅을 통해 표면 부반응을 감소시키는 방법 등이 제안되었다. 그러나 이들 방법 모두 활물질의 전기화학적, 열적 안정성을 근본적으로 개선하기에는 한계가 있으며, 또 고전압화시에는 성능의 열화가 가속화되기 때문에 전지의 고에너지 밀도화 역시 어려움이 있었다.As another method, researches are being made to increase the Ni content in NCM-based lithium oxide for high energy density in small automotive and power storage batteries. In general, in the positive electrode active material, capacity, life, or stability have a trade-off in which the life and stability of a battery decrease rapidly as the capacity increases. Accordingly, a method of using only within a limited composition and voltage range, a method of stabilizing a structure by restricting a partial composition of NCM oxide with a heterogeneous element, and a method of reducing surface side reactions through coating have been proposed. However, in all these methods, there is a limit to fundamentally improve the electrochemical and thermal stability of the active material, and the high energy density of the battery is also difficult because the deterioration of performance is accelerated at the time of high voltage.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 전구체 입자 내 위치에 따라 최적화된 조성 및 구조를 가져, 활물질의 표면 및 내부 구조를 안정화시킬 수 있는 양극활물질 전구체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The first technical problem to be solved by the present invention is to provide a cathode active material precursor having a composition and structure optimized according to the position in the precursor particles, which can stabilize the surface and the internal structure of the active material and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기한 전구체를 이용하여 제조한 이차전지용 양극활물질을 제공하는 것이다.The second technical problem to be solved by the present invention is to provide a cathode active material for a secondary battery prepared using the precursor.
또, 본 발명이 해결하고자 하는 제3 기술적 과제는 상기한 전구체를 이용하여 제조한 양극활물질을 포함하는 리튬 이차전지, 전지모듈 및 전지팩을 제공하는 것이다.In addition, a third technical problem to be solved by the present invention is to provide a lithium secondary battery, a battery module and a battery pack including a cathode active material prepared using the precursor.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 복합금속 수산화물의 1차 입자가 복수 개 응집되어 이루어진 2차 입자로서, 상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속은 상기 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배는 적어도 하나의 변곡점을 포함하는 것이고, 상기 2차 입자의 중심에서의 니켈의 함량을 X1, 변곡점에서의 니켈의 함량을 X2, 그리고 2차 입자 표면에서의 니켈의 함량을 X3라고 할 때, 니켈은 하기 (a1) 또는 (a2) 중 어느 하나의 조건으로 존재하는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체를 제공한다.According to one embodiment of the present invention for solving the above problems, a plurality of primary particles of a composite metal hydroxide including nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) Secondary particles formed by agglomeration of at least one of the nickel, cobalt, and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al), wherein the metal is gradually added from the center to the surface of the secondary particles; Varying concentration gradient, wherein the concentration gradient comprises at least one inflection point, the amount of nickel at the center of the secondary particle is X1, the amount of nickel at the inflection point is X2, and at the secondary particle surface When the nickel content is X3, nickel provides a cathode active material precursor for a secondary battery, which is present under any one of the following conditions (a1) or (a2). .
(a1) X1=X3<X2(a1) X1 = X3 <X2
(a2) X1≠X3<X2(a2) X1 ≠ X3 <X2
또, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 니켈, 코발트 및 금속원소 M을 포함하는 제1금속 함유 용액, 및 상기 제1 금속 함유 용액과는 서로 다른 농도로 니켈, 코발트 및 금속원소 M을 포함하는 제2 금속 함유 용액을 준비하는 단계; 상기 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액을 상기 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 100부피%:0부피%에서 0부피%:100부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 1차 공침반응시켜, 복합금속 수산화물의 1차 입자가 응집된 코어를 형성하는 단계; 및 상기 코어에 대해, 상기 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액을 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 0부피%:100부피%에서 100부피%:0부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 2차 공침반응시킴으로써, 상기 코어 상에 쉘을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 1차 공침반응시 제1 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 10.5 내지 11.5이고, 상기 2차 공침 반응시 제2 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 11 내지 12인 양극활물질 전구체의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the first metal-containing solution containing nickel, cobalt and metal elements M, and nickel, cobalt and metal elements M at different concentrations from the first metal-containing solution Preparing a second metal-containing solution; The mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution in the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is gradually changed from 100% by volume to 0% by volume and 100% by volume. At the same time as mixing, adding an ammonium cation-containing complex forming agent and a basic compound to first coprecipitation to form a core in which primary particles of the composite metal hydroxide are aggregated; And for the core, the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution to the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is from 0% by volume to 100% by volume: 0% by volume. Continuously mixing to gradually change, and simultaneously adding a ammonium cation-containing complex former and a basic compound to form a shell on the core, wherein the shell contains a first metal. A method of preparing a cathode active material precursor having a pH of 10.5 to 11.5 when the amount of the solution is 100 vol% and a pH of 11 to 12 when the amount of the second metal-containing solution is 100 vol% in the second coprecipitation reaction is described. to provide.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 양극활물질 전구체를 리튬 원료물질과 혼합 후 열처리하는 단계를 포함하는 이차전지용 양극활물질의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cathode active material for a secondary battery comprising the step of heat treatment after mixing the cathode active material precursor with a lithium raw material.
아울러, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 리튬 복합금속 산화물의 1차 입자가 복수 개 응집되어 이루어진 2차 입자로서, 상기 1차 입자는 1차 입자의 중심에서부터 표면까지 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속이 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배가 적어도 하나의 변곡점을 갖는 것인 이차전지용 양극활물질을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a plurality of primary particles of lithium composite metal oxide including nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) A secondary particle formed by agglomeration, wherein the primary particle includes at least one metal of nickel, cobalt, and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) from the center to the surface of the primary particle. The present invention provides a cathode active material for a secondary battery, wherein the concentration gradient is present in a gradually changing concentration gradient, and the concentration gradient has at least one inflection point.
더 나아가, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 양극활물질을 포함하는 양극, 리튬 이차전지, 전지모듈 및 전지팩을 제공한다.Furthermore, according to another embodiment of the present invention, a cathode, a lithium secondary battery, a battery module, and a battery pack including the cathode active material are provided.
본 발명에 따른 이차전지용 양극활물질 전구체는, 전구체 입자 내 위치에 따라 최적화된 조성 및 구조를 가져, 활물질의 표면 및 내부 구조를 안정화시킬 수 있다. 그 결과 상기 전구체를 이용하여 제조한 양극활물질을 포함하는 전지는 보다 개선된 전지 특성, 구체적으로 수명 특성 및 출력특성을 나타낼 수 있다.The cathode active material precursor for a secondary battery according to the present invention has an optimized composition and structure according to the position in the precursor particles, thereby stabilizing the surface and the internal structure of the active material. As a result, a battery including a cathode active material prepared using the precursor may exhibit more improved battery characteristics, specifically, life characteristics and output characteristics.
도 1은 실시예 1에서 제조한 양극 활물질 전구체의 SEM 이미지이다.1 is an SEM image of the cathode active material precursor prepared in Example 1. FIG.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
통상 고용량 특성 구현을 위해 양극활물질내 니켈 함량을 증가시킬 경우, 표면에서의 니켈과 전해질과의 부반응 증가로 인해 양극의 퇴화가 심화된다. 활물질 입자 내 금속원소의 함량이 점진적으로 변화하는 농도구배를 갖는 농도구배형 양극활물질은 이 같은 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 활물질 입자의 내부는 니켈의 함량을 높여 고용량을 구현하도록 하고, 표면에는 망간의 함량을 높여 표면 구조를 안정화시킴으로써 활물질의 용량특성과 수명특성을 개선하고자 하였다. In general, when the nickel content in the positive electrode active material is increased to achieve high capacity characteristics, the deterioration of the positive electrode is intensified due to an increase in side reaction between nickel and the electrolyte on the surface. A concentration gradient type cathode active material having a concentration gradient in which the content of metal elements in the active material particles gradually changes is proposed to solve such a problem, and the inside of the active material particles has a high content of nickel to realize high capacity. In order to stabilize the surface structure by increasing the content of manganese to improve the capacity characteristics and life characteristics of the active material.
그러나, 양극 제조시 에너지 밀도를 높이기 위하여 양극활물질의 도포 후 압연하는 과정에서 활물질 입자의 균열 및 붕괴가 발생하기 쉽고, 또 전지 충방전 과정에서 활물질 입자의 균열이 발생하여 수명특성이 악화되기도 한다. 특히 농도구배형 양극활물질의 경우 입자의 균열 및 붕괴가 발생하게 되면 내부의 니켈이 많은 부분이 전해액과 직접적으로 반응하게 되기 때문에 안전성 및 수명 특성이 더 취약하게 된다. However, in order to increase the energy density during the production of the positive electrode, cracking and disintegrating of the active material particles are likely to occur during the rolling process of the positive electrode active material after application, and also, the lifetime characteristics of the active material particles may be deteriorated during the battery charging and discharging process. In particular, in the case of the concentration-graded cathode active material, when the cracks and collapses of the particles occur, a large portion of nickel inside reacts directly with the electrolyte, which makes the safety and life characteristics more vulnerable.
한편, 농도구배형 양극활물질의 용량 발현은 내부의 니켈이 많은 부분에서 발생하는 것으로 알려져 있지만, 실제로는 표면에서 일정 깊이의 조성이 용량 발현에 기여하는 부분이 더 크며, 또 용량 특성은 내부의 니켈 조성보다는 활물질 전체의 평균 조성에 더 큰 영향을 받는다.On the other hand, the dose expression of the concentration-graded positive electrode active material is known to occur in a large portion of nickel inside, but in reality, a portion of the composition having a certain depth at the surface contributes to the capacity expression, and the capacity characteristic is internal nickel. It is more affected by the average composition of the entire active material than the composition.
이에, 본 발명에서는 양극활물질 중심 및 표면의 양방향으로 농도구배 조성을 갖도록 함으로써, 전극 압연 등에 의해 균열 및 붕괴가 발생하더라도 안정적인 구조를 유지할 수 있고, 또 입자 중심을 제외한 내부에서는 니켈 조성이 높도록 함으로써 용량 특성을 보다 향상시킬 수 있다. Accordingly, in the present invention, by having a concentration gradient composition in both directions of the center and the surface of the positive electrode active material, it is possible to maintain a stable structure even if cracks and collapses occur due to electrode rolling, etc. The characteristic can be further improved.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질 전구체는 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 복합금속 수산화물의 1차 입자가 복수 개 응집되어 이루어진 2차 입자로서, 상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속은 상기 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배는 적어도 하나의 변곡점을 포함하는 것이고, 상기 2차 입자의 중심에서의 니켈의 함량을 X1, 변곡점에서의 니켈의 함량을 X2, 그리고 2차 입자 표면에서의 니켈의 함량을 X3라고 할 때, 니켈은 하기 (a1) 또는 (a2) 중 어느 하나의 조건으로 존재하는 것이다.That is, the cathode active material precursor for a secondary battery according to an embodiment of the present invention is a primary particle of a composite metal hydroxide containing nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al). A secondary particle composed of a plurality of aggregates, wherein at least one metal of the nickel, cobalt, and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) gradually increases from the center to the surface of the secondary particles. The concentration gradient includes at least one inflection point, the amount of nickel at the center of the secondary particle is X1, the amount of nickel at the inflection point is X2, and the surface of the secondary particle. When the content of nickel in X is X3, nickel is present under any one of the following conditions (a1) or (a2).
(a1) X1=X3<X2(a1) X1 = X3 <X2
(a2) X1≠X3<X2(a2) X1 ≠ X3 <X2
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질 전구체는 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 복합금속 수산화물의 1차 입자가 복수 개 응집되어 이루어진 2차 입자이다. Specifically, the cathode active material precursor for a secondary battery according to an embodiment of the present invention is a primary particle of a composite metal hydroxide containing nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al). Is secondary particles formed by agglomeration of plural pieces.
본 발명에 있어서, '1차 입자'는 단일 입자의 1차 구조체를 의미하고, '2차 입자'는 2차 입자를 구성하는 1차 입자(또는 1차 구조체)에 대한 의도적인 응집 또는 조립 공정 없이도 1차 입자간의 물리 또는 화학적 결합에 의해 1차 입자들끼리 응집된 응집체, 즉 2차 구조체를 의미한다.In the present invention, 'primary particles' means a primary structure of a single particle, 'secondary particles' means the intentional aggregation or assembly process for the primary particles (or primary structure) constituting the secondary particles Without agglomerates means aggregates, ie secondary structures, aggregated between primary particles by physical or chemical bonding between the primary particles.
또, 상기 2차 입자상의 이차전지용 양극활물질 전구체는, 상기 1차 입자가 응집된 코어, 및 상기 코어의 외표면에 위치하며, 상기 1차 입자가 입자의 중심에서부터 표면으로의 방사형 배향을 갖는 쉘의 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 활물질 입자 표면측에는 리튬의 삽입 및 탈리가 용이하도록 1차 입자들이 표면측으로의 방사 배향성을 부여함으로써, 리튬 이온의 이동성 및 활물질의 구조 안정성이 증가되어 전지 적용시 초기 용량 특성, 출력 특성, 장기 수명특성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.In addition, the cathode active material precursor for secondary battery-shaped secondary battery is located in the core of the aggregated primary particles and the outer surface of the core, the primary particles shell having a radial orientation from the center of the particle to the surface It may have a core-shell structure of. For example, on the surface of the active material particles, primary particles are given radial orientation to the surface side to facilitate insertion and desorption of lithium, thereby increasing lithium ion mobility and structural stability of the active material, thereby increasing initial capacity characteristics and output characteristics of the battery. It can improve long-term life characteristics and safety.
상기 '코어-쉘 구조'는 1차 입자의 배향성에 의해 구분되는 것으로, 이와 같은 코어-쉘 구조는 이하에서 설명하는 전구체 제조시 2단계로 수행되는 공침반응에서의 pH를 제어를 통해 구현될 수 있다. The 'core-shell structure' is distinguished by the orientation of the primary particles, such a core-shell structure can be implemented by controlling the pH in the coprecipitation reaction is carried out in two steps in the preparation of the precursor described below have.
구체적으로, 상기 코어는 전구체 입자 전체 부피에 대하여 60부피% 내지 80부피%를 차지할 수 있다. 코어 부분이 전구체 입자내에서 상기한 범위를 차지할 때 용량 특성의 저하 없이 표면측에서의 1차 입자의 배향성 제어에 따른 리튬 이온의 이동성 및 활물질의 구조 안정성 증가로 전지 적용시 초기 용량 특성, 출력 특성 및 장기 수명특성을 향상시킬 수 있다.Specifically, the core may occupy 60% by volume to 80% by volume with respect to the total volume of the precursor particles. When the core portion occupies the above-mentioned range in the precursor particles, the initial capacity characteristics, output characteristics and long-term characteristics of the battery are applied due to the mobility of lithium ions and the structural stability of the active material according to the orientation control of the primary particles on the surface side without deterioration of the capacity characteristics. Lifespan characteristics can be improved.
본 발명에 있어서 전구체 내 코어의 부피는 전자선 마이크로 애널라이저(electron probe micro analysis, EPMA)를 이용하여 전구체 내 코어가 차지하는 부피를 계산할 수 있다.In the present invention, the volume of the core in the precursor may be calculated by using an electron probe micro analysis (EPMA).
또, 상기 쉘은 코어의 외표면에 위치하며, 전구체 입자의 중심에서부터 표면으로의 방사형 배향을 갖는 1차 입자를 포함할 수 있다. 이와 같이, 쉘을 형성하는 1차 입자가 리튬의 삽입 및 탈리가 원활한 방향으로의 결정 배향성을 가짐으로써, 동일 조성의 결정 배향성을 갖지 않는 입자에 비해 높은 출력특성을 구현할 수 있다. In addition, the shell is located on the outer surface of the core, and may include primary particles having a radial orientation from the center of the precursor particles to the surface. As described above, since the primary particles forming the shell have a crystal orientation in a direction in which lithium is easily inserted and removed, high output characteristics may be realized as compared with particles having no crystal orientation of the same composition.
한편, 상기 코어 및 쉘을 구성하는 1차 입자는 로드(rod) 형태를 갖는 것일 수도 있다. 본 발명에 있어서 '로드 형태'는 원형 또는 타원형의 단면이 일 방향으로 연장된 막대, 봉 또는 장대와 같은 모양의 형태를 총칭하는 의미이다. 구체적으로 상기 로드 형태의 1차 입자는, 1차 입자의 중심을 지나는 단축의 길이에 대해, 1차 입자의 중심을 지나며 상기 단축에 수직한 장축의 길이 비, 즉 종횡비(aspect ratio)가 1 초과 5 이하의 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 1.2 내지 3의 것일 수 있다. 1차 입자의 종횡비가 상기한 범위를 충족할 때, 입자 성장이 균일하여 전기화학 특성을 더욱 개선시킬 수 있다.On the other hand, the primary particles constituting the core and shell may have a rod (rod) shape. In the present invention, the 'rod form' refers to a shape of a rod, rod or pole shape in which a circular or oval cross section extends in one direction. Specifically, the rod-shaped primary particles have a length ratio of the major axis passing through the center of the primary particle and perpendicular to the minor axis with respect to the length of the minor axis passing through the center of the primary particle, that is, the aspect ratio is greater than one. It may be 5 or less, and more specifically, may be 1.2 to 3. When the aspect ratio of the primary particles meets the above range, the particle growth is uniform, which can further improve the electrochemical properties.
또, 상기 1차 입자는 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 복합금속 수산화물을 포함하며, 상기 복합금속 수산화물은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 도핑원소에 의해 도핑될 수도 있다.In addition, the primary particles include a composite metal hydroxide containing nickel, cobalt and metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al), the composite metal hydroxide is W, Cu, Fe , V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and Mo It may be doped by any one or more doping elements.
구체적으로 상기 1차 입자는 하기 화학식 1의 복합금속 수산화물을 포함할 수 있다:Specifically, the primary particles may include a composite metal hydroxide of Formula 1 below:
[화학식 1] [Formula 1]
NixCoyMzM'w(OH)2 Ni x Co y M z M ' w (OH) 2
상기 화학식 1에서, In Chemical Formula 1,
M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고,M is at least one element selected from the group consisting of Mn and Al,
M'은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 도핑원소이며,M 'is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B Any one or two or more doping elements selected from the group consisting of
x, y, 및 z는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0<x<1, 0<y<1, 0<z<1, 0≤w≤0.05, x+y+z=1이고, 보다 구체적으로는 0.5<x<1, 0<y≤0.5, 0<z≤0.5, 및 0≤w≤0.05, x+y+z=1, 보다 더 구체적으로는 0.5<x≤0.98, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 및 0≤z≤0.05, x+y+z=1일 수 있다.x, y, and z are atomic fractions of independent elements, respectively, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 ≦ w ≦ 0.05, x + y + z = 1, and Specifically, 0.5 <x <1, 0 <y≤0.5, 0 <z≤0.5, and 0≤w≤0.05, x + y + z = 1, more specifically 0.5 <x≤0.98, 0 <y ≦ 0.4, 0 <z ≦ 0.4, and 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z = 1.
상기 화학식 1의 화합물의 조성은 1차 입자 내에서의 복합금속 수산화물 의 평균조성이다.The composition of the compound of Formula 1 is the average composition of the composite metal hydroxide in the primary particles.
또, 상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속은 상기 2차 입자상의 양극활물질 전구체 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재할 수 있다.In addition, at least one metal of the nickel, cobalt and metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) is a concentration gradient that gradually changes from the center of the cathode active material precursor on the secondary particles to the surface. May exist.
이 경우 상기 전구체는 입자 전체에 걸쳐 급격한 상 경계 영역이 존재하지 않아 결정 구조가 안정화되고 열 안정성이 증가하게 되고, 결과로서 이차전지에 적용 시 고용량, 고수명 및 열안정성을 나타내는 동시에 고전압 시 성능 열화가 최소화될 수 있다.In this case, since the precursor does not have a sharp phase boundary region throughout the particle, the crystal structure is stabilized and thermal stability is increased, and as a result, when the precursor is applied to a secondary battery, the precursor exhibits high capacity, long life and thermal stability, and deteriorates performance at high voltage. Can be minimized.
본 발명에 있어서, 금속이 '점진적으로 변화하는 농도 구배를 나타낸다'란, 금속의 농도가 입자 전체에서 연속하여 단계적으로 변화하는 농도 분포로 존재한다는 것을 의미한다. 구체적으로, 상기 농도 분포는 입자 내에서 표면을 향하는 1 ㎛ 당 금속 농도의 변화가, 입자 내 포함되는 해당 금속의 총 원자량을 기준으로, 각각 0.1원자% 내지 30원자%, 보다 구체적으로는 0.1원자% 내지 20원자%, 보다 더 구체적으로는 1원자% 내지 10원자%의 차이가 있는 것일 수 있다.In the present invention, the metal 'shows a gradually changing concentration gradient' means that the concentration of the metal is present in a concentration distribution that continuously changes in stages throughout the particle. Specifically, the concentration distribution is 0.1 atomic% to 30 atomic%, more specifically 0.1 atomic%, based on the total atomic weight of the corresponding metal contained in the particles, wherein the change in metal concentration per micrometer in the particle is directed to the surface. % To 20 atomic%, more specifically may be a difference of 1 atomic% to 10 atomic%.
또, 본 발명에 있어서, 전구체 입자 내에서의 금속의 농도구배 구조 및 농도는 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer, EPMA), 유도결합 플라스마-원자 방출 분광법(Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometer, ICP-AES), 또는 비행 시간형 2차 이온 질량분석기(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, ToF-SIMS) 등의 방법을 이용하여 확인할 수 있으며, 구체적으로는 전구체 입자에 대해 아르곤 이온으로 밀링하여 단면을 제조한 후, EPMA를 통해 원소 검출량을 분석함으로써 측정할 수 있다.In addition, in the present invention, the concentration gradient structure and concentration of the metal in the precursor particles are determined by using an Electron Probe Micro Analyzer (EPMA), Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer (ICP-). AES) or Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), and the like, and specifically, the precursor particles are milled with argon ions to prepare a cross section. After that, it can be measured by analyzing the elemental detection amount through EPMA.
또, 상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 농도구배는 변곡점을 포함할 수 있다.In addition, the concentration gradient of at least one of the nickel, cobalt and metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) may include an inflection point.
본 발명에 있어서 변곡점은 농도구배 기울기가 음의 값에서 양의 값, 또는 양의 값에서 음의 값으로 변화하는 점을 의미한다. In the present invention, the inflection point means that the concentration gradient slope changes from a negative value to a positive value or from a positive value to a negative value.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질의 전구체에 있어서, 상기 니켈은 2차 입자 내에서 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 니켈의 농도구배는 하나의 변곡점을 포함하며, 상기 2차 입자의 중심에서의 니켈의 함량을 X1, 상기 2차 입자의 중심 및 표면을 제외한 내부 영역에 위치하는 상기 변곡점에서의 니켈의 함량을 X2, 그리고 상기 2차 입자 표면에서의 니켈의 함량을 각각 X3라고 할 때, 니켈은 (a1) 또는 (a2) 중 하나의 조건으로 존재할 수 있다. Specifically, in the precursor of the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the nickel is present in a concentration gradient that gradually changes in the secondary particles, the concentration gradient of nickel includes one inflection point X1 is the content of nickel at the center of the secondary particle, X2 is the content of nickel at the inflection point located in the inner region excluding the center and the surface of the secondary particle, and When the content is each referred to as X 3, nickel may be present under one of (a1) or (a2).
(a1) X1=X3<X2(a1) X1 = X3 <X2
(a2) X1≠X3<X2(a2) X1 ≠ X3 <X2
특히, 상기 (a1) 또는 (a2)와 같이 2차 입자상의 전구체 내부에 위치하는 변곡점에서의 니켈의 함량(X2)을 표면에서의 니켈 함량(X3)보다 높게 함으로써 우수한 용량 특성을 유지하면서도, 입자 표면에서의 안정성을 높이고, 전해액과의 부반응을 억제할 수 있다. 또 1차 입자가 응집된 입자 중심측에 있어서 입자 중심에서의 니켈 함량(X1)을 낮춤으로써 전구체 내부의 구조 안정성을 향상시킬 수 있으며, 니켈의 함량이 높지 않아 전극 압연 등에 의해 균열 및 붕괴가 발생하더라도, 입자 중심측에서의 니켈 조성이 표면보다 안정적인 구조를 유지할 수 있다. 상기 (a1) 및 (a2)의 조성 변화는 니켈 외에, 코발트 및/또는 망간의 조성을 같은 방식을 이용하여 변화시킬 수 있다.Particularly, the nickel content (X2) at the inflection point located inside the precursor on the secondary particles such as (a1) or (a2) is higher than the nickel content (X3) on the surface, thereby maintaining excellent capacity characteristics, Stability at the surface can be improved and side reaction with electrolyte solution can be suppressed. In addition, the structural stability inside the precursor can be improved by lowering the nickel content (X1) at the particle center at the particle center side where the primary particles are agglomerated, and since the nickel content is not high, cracking and collapse occurs due to electrode rolling. Even so, the nickel composition at the particle center side can maintain a more stable structure than the surface. The composition change of the above (a1) and (a2) can change the composition of cobalt and / or manganese in addition to nickel using the same method.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질의 전구체에 있어서, 상기 금속원소 M은 2차 입자의 중심에서부터 표면으로 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 금속원소 M의 농도구배는 하나의 변곡점을 포함하며, 상기 2차 입자의 중심에서의 금속원소 M의 함량을 Z1, 상기 2차 입자의 중심 및 표면을 제외한 내부 영역에 위치하는 상기 변곡점에서의 금속원소 M의 함량을 Z2, 그리고 상기 2차 입자 표면에서의 금속원소 M의 함량을 Z3라고 할 때, 상기 금속원소 M은 하기 (b1) 내지 (b4)중 적어도 하나의 조건으로 존재할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 (b1) 또는 (b3) 중 하나의 조건으로 존재할 수 있다.In addition, in the precursor of the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the metal element M is present in a concentration gradient that gradually changes from the center of the secondary particles to the surface, the concentration gradient of the metal element M It includes one inflection point, the content of the metal element M in the center of the secondary particles Z1, the content of the metal element M at the inflection point located in the inner region excluding the center and the surface of the secondary particles Z2, And when the content of the metal element M on the surface of the secondary particle is Z3, the metal element M may be present under at least one condition of (b1) to (b4), more preferably (b1) or may exist under the condition of one of (b3).
(b1) Z1=Z3>Z2(b1) Z1 = Z3> Z2
(b2) Z1=Z3<Z2(b2) Z1 = Z3 <Z2
(b3) Z1≠Z3>Z2(b3) Z1 ≠ Z3> Z2
(b4) Z1≠Z3<Z2(b4) Z1 ≠ Z3 <Z2
상기 금속원소 M은 활물질의 구조안정성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 본 발명에서는 2차 입자의 표면에서의 금속원소 M의 함량(Z3)을 입자 내부에서의 함량(Z2)보다 높게 함으로써, 금속원소 M 포함에 따른 표면 안정화 효과를 더욱 높일 수 있다. 상기한 바와 같은 농도구배에 따른 개선 효과와 더불어 활물질에 대한 열안정성 개선 효과를 고려할 때 상기 금속원소 M은 바람직하게는 Mn일 수 있다.The metal element M serves to improve the structural stability of the active material. In the present invention, the metal element M content (Z3) on the surface of the secondary particles is higher than the content (Z2) inside the particle, The surface stabilization effect according to the inclusion of M can be further enhanced. The metal element M may be preferably Mn in consideration of the improvement effect of the concentration gradient as described above and the effect of improving the thermal stability of the active material.
상기한 구조 및 조성을 갖는 전구체는 4㎛ 내지 30㎛의 평균 입자 직경(D50)을 가질 수 있다. 상기한 범위 내의 평균 입자 직경을 가질 때, 이후 활물질 제조 시 활물질 간 응집으로 인한 활물질 층 내 분산성 저하, 또 양극활물질의 기계적 강도 저하 및 비표면적의 저하의 우려가 없다. 또 전구체 입자 내 위치에 따른 특징적인 분포로 인한 전지 특성의 개선 효과를 고려할 때, 상기 전구체는 4㎛ 내지 25㎛의 평균 입자 직경(D50)을 갖는 것일 수 있다. The precursor having the above structure and composition may have an average particle diameter (D 50 ) of 4 μm to 30 μm. When having an average particle diameter within the above range, there is no fear of lowering the dispersibility in the active material layer due to agglomeration between the active materials during the production of the active material, and lowering the mechanical strength of the positive electrode active material and lowering the specific surface area. In addition, when considering the effect of improving the battery characteristics due to the characteristic distribution according to the position in the precursor particles, the precursor may have an average particle diameter (D 50 ) of 4 ㎛ to 25 ㎛.
본 발명에 있어서, 상기 전구체의 평균 입자 직경(D50)은 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 상기 전구체 입자의 평균 입자 직경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 전구체의 평균 입자 직경(D50)은, 전구체의 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28 kHz의 초음파를 출력 60 W로 조사한 후, 측정 장치에 있어서의 입경 분포의 50% 기준에서의 평균 입자 직경(D50)을 산출할 수 있다.In the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the precursor may be defined as the particle size at 50% of the particle size distribution. The average particle diameter (D 50 ) of the precursor particles can be measured using, for example, a laser diffraction method. Specifically, the average particle diameter (D 50 ) of the precursor is dispersed in the precursor particles in a dispersion medium, and then introduced into a commercially available laser diffraction particle size measuring apparatus (for example, Microtrac MT 3000) to output ultrasonic waves of about 28 kHz. was irradiated with 60 W, it is possible to calculate the mean particle size (D 50) of from 50% based on the particle size distribution of the measuring device.
또 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 이차전지용 양극활물질 전구체는, 2단계 공침 반응에 의해서 제조할 수 있으며, 구체적으로 니켈, 코발트 및 금속원소 M을 포함하는 제1금속 함유 용액, 및 상기 제1 금속 함유 용액과는 서로 다른 농도로 니켈, 코발트 및 금속원소 M을 포함하는 제2 금속 함유 용액을 준비하는 단계(단계 1); 상기 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액을 상기 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 100부피%:0부피%에서 0부피%:100부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 1차 공침반응시켜, 복합금속 수산화물의 1차 입자가 응집된 코어를 형성하는 단계(단계 2); 및 상기 코어에 대해, 상기 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액을 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 0부피%:100부피%에서 100부피%:0부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 2차 공침반응시킴으로써, 상기 코어 상에 쉘을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 이때, 상기 제1 공침반응 시 제1 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 10.5 내지 11.5이고, 상기 제2 공침 반응시 제2 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 11 내지 12일 수 있다. In addition, the cathode active material precursor for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may be prepared by a two-step coprecipitation reaction, specifically, a first metal-containing solution containing nickel, cobalt, and metal element M, and the first Preparing a second metal containing solution containing nickel, cobalt, and metal element M at different concentrations from the metal containing solution (step 1); The mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution in the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is gradually changed from 100% by volume to 0% by volume and 100% by volume. Simultaneously mixing with the ammonium cation-containing complex forming agent and the basic compound to first coprecipitation to form a core in which the primary particles of the composite metal hydroxide are aggregated (step 2); And for the core, the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution to the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is from 0% by volume to 100% by volume: 0% by volume. It can be prepared by a manufacturing method comprising the step of forming a shell on the core (step 3) by continuously co-reacting by adding a basic compound and an ammonium cation-containing complex forming agent while continuously mixing to change gradually. have. In this case, the pH of the first metal-containing solution in the first coprecipitation reaction when the amount of the first metal-containing solution is 100% by volume and the pH of the second metal-containing solution in the second coprecipitation reaction is 100% by volume May be 11 to 12.
이하 각 단계 별로 상세히 설명한다. Hereinafter, each step will be described in detail.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질 전구체의 제조방법에 있어서 단계 1은, 니켈, 코발트, 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 제 1 금속 함유 용액, 및 제2 금속 함유 용액을 준비하는 단계이다. In the method of manufacturing a cathode active material precursor for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, step 1 is a first containing nickel, cobalt, and a metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al). Preparing a metal containing solution, and a second metal containing solution.
상기 제1 및 제2 금속 함유 용액은 서로 다른 농도로 니켈, 코발트 및 금속원소 M을 포함하는 것을 제외하고는, 동일한 방법으로 제조될 수 있다. 구체적으로는, 상기 제1 금속 함유 용액 및 제2 금속 함유 용액은 각각 니켈 원료물질, 코발트 원료물질, 및 금속원소 M의 원료물질을, 용매, 구체적으로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합 가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물에 첨가하여 제조할 수도 있고, 또는 각각의 금속 함유 원료물질을 포함하는 용액, 구체적으로는 수용액을 제조한 후 이를 혼합하여 사용할 수도 있다. The first and second metal-containing solutions may be prepared in the same manner, except that they contain nickel, cobalt and metal element M in different concentrations. Specifically, the first metal-containing solution and the second metal-containing solution are organic materials capable of uniformly mixing a nickel raw material, a cobalt raw material, and a raw material of metal element M with a solvent, specifically, water or water, respectively. It may be prepared by adding to a mixture of a solvent (specifically, alcohol, etc.) and water, or may be used after mixing a solution containing each metal-containing raw material, specifically, an aqueous solution.
상기 제1 및 제2 금속 함유 용액의 제조 시 사용 가능한, 상기 니켈, 코발트 및 M의 원료물질로는 각각의 금속원소 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물 또는 옥시수산화물 등을 들 수 있으며, 물 등 상기한 용매에 용해될 수 있는 한 특별히 한정되지 않는다. The raw materials of nickel, cobalt and M, which can be used in the preparation of the first and second metal-containing solutions, include respective metal element-containing acetates, nitrates, sulfates, halides, sulfides, hydroxides, oxides, or oxyhydroxides. It does not specifically limit as long as it can melt | dissolve in said solvent, such as water.
일례로 상기 코발트 원료물질로는 Co(OH)2, CoOOH, Co(OCOCH3)2ㆍ4H2O, Co(NO3)2ㆍ6H2O 또는 Co(SO4)2ㆍ7H2O 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. For example, the cobalt raw material may be Co (OH) 2 , CoOOH, Co (OCOCH 3 ) 2 ㆍ 4H 2 O, Co (NO 3 ) 2 ㆍ 6H 2 O or Co (SO 4 ) 2 ㆍ 7H 2 O And any one or a mixture of two or more thereof may be used.
또, 상기 니켈 원료물질로는 Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO32Ni(OH)24H2O, NiC2O22H2O, Ni(NO3)26H2O, NiSO4, NiSO46H2O, 지방산 니켈염 또는 니켈 할로겐화물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. In addition, as the nickel raw material, Ni (OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 2Ni (OH) 2 4H 2 O, NiC 2 O 2 2H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 6H 2 O, NiSO 4 , NiSO 4 6H 2 O, fatty acid nickel salts or nickel halides, and the like, and any one or a mixture of two or more thereof may be used.
또, 상기 금속원소 M의 원료물질로는, 예를 들면 상기 M이 망간인 경우 원료물질로서 Mn2O3, MnO2, 및 Mn3O4 등의 망간산화물; MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4, 아세트산 망간, 디카르복실산 망간염, 시트르산 망간 및 지방산 망간염과 같은 망간염; 옥시 수산화물, 그리고 염화 망간 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또, 상기 M이 알루미늄인 경우 원료물질로서 AlSO4, AlCl3, Al-이소프로폭사이드(Al-isopropoxide) 또는 AlNO3 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.As the raw material of the metal element M, for example, when M is manganese, manganese oxides such as Mn 2 O 3 , MnO 2 , and Mn 3 O 4 as raw materials; Manganese salts such as MnCO 3 , Mn (NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, manganese dicarboxylic acid, manganese citrate and fatty acid manganese; Oxy hydroxide, manganese chloride, and the like, and any one or a mixture of two or more thereof may be used. In addition, when M is aluminum, AlSO 4 , AlCl 3 , Al-isopropoxide or AlNO 3 may be used as a raw material, and any one or a mixture of two or more thereof may be used.
상기 제1 및 제2 금속 함유 용액의 제조 시 니켈, 코발트 및 금속원소 M의 원료물질의 사용량은 최종 제조되는 전구체에서의 복합금속 수산화물의 조성에 따라 적절히 결정될 수도 있다. The amount of the raw materials of nickel, cobalt, and metal element M in the preparation of the first and second metal-containing solutions may be appropriately determined according to the composition of the composite metal hydroxide in the final precursor.
다음으로, 상기 양극활물질의 제조를 위한 제조방법에 있어서 단계 2는, 상기 단계 1에서 제조한 제1 및 제2 금속 함유 용액을 이용하여 복합금속 수산화물의 1차 입자가 응집된 코어를 형성하는 단계이다.Next, in the manufacturing method for producing the positive electrode active material, step 2, using the first and the second metal-containing solution prepared in step 1 to form a core agglomerated primary particles of the composite metal hydroxide to be.
구체적으로는 상기 단계 2는 상기 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액을 상기 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 100부피%:0부피%에서 0부피%:100부피%까지 점진적으로 변화되도록 첨가하여 혼합하고, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 공침반응(이하 '1차 공침반응'이라 함) 시킴으로써 수행될 수 있다. 이때 상기 1차 공침반응은 제1 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 10.5 내지 11.5인 조건에서 수행된다.Specifically, in the step 2, the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is 100% by volume: 0% by volume and 0% by volume: 100% by volume. It may be carried out by adding and mixing to gradually change up to%, and coprecipitation reaction (hereinafter referred to as 'first coprecipitation reaction') by adding an ammonium cation-containing complex former and a basic compound. At this time, the first coprecipitation reaction is carried out under the condition that the pH of 10.5 to 11.5 when the dose of the first metal-containing solution is 100% by volume.
상기 단계 2에 있어서, 상기 제1 금속 함유 용액 및 제2 금속 함유 용액의 혼합비율을 조절하는 것은 제1 금속 함유 용액의 투입 유량 및 제2 금속 함유 용액의 투입 유량을 제어함으로써 조절하는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 금속 함유 용액의 투입 유량 및 제2 금속 함유 용액의 투입 유량은, 제1 및 제2 금속 함유 용액 각각에 연결된 펌프를 이용하여 조절하는 것일 수 있다.In step 2, adjusting the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution may be controlled by controlling the input flow rate of the first metal-containing solution and the input flow rate of the second metal-containing solution. . For example, the input flow rate of the first metal-containing solution and the input flow rate of the second metal-containing solution may be controlled by using a pump connected to each of the first and second metal-containing solutions.
또한, 상기 단계 2에 있어서, 상기 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합 공정은 연속적으로 이루어질 수 있도록 정적 혼합기(static mixer)를 이용하여 수행될 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액은 각각 독립된 배관을 통해 정적 혼합기내로 투입되며, 이때 혼합비율을 점진적으로 변화시키면서 혼합 공정을 수행한다.In addition, in step 2, the mixing process of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution may be performed using a static mixer (static mixer) to be carried out continuously. Specifically, the first metal-containing solution and the second metal-containing solution are introduced into the static mixer through separate pipes, respectively, and the mixing process is performed while gradually changing the mixing ratio.
본 발명에 있어서, 정적 혼합기란 유체와 같은 물질을 혼합할 때 사용되는 부품으로서 통상적으로 사용되는 의미와 동일하며, 혼합 노즐(mixing nozzle)이라 불리기도 한다. 상기 정적 혼합기는 유체를 연속 공정에 의해 혼합하는 경우 부족한 유량으로 혼합이 잘 이루어지지 않는 문제점을 개선시킬 수 있다. In the present invention, the static mixer is the same as commonly used as a component used when mixing a substance such as a fluid, and is also called a mixing nozzle. The static mixer can improve the problem that the mixing is not well performed at the insufficient flow rate when the fluid is mixed by a continuous process.
상기 정적 혼합기의 형태는 혼합기 내에서 분산에 적합한 형태를 가지는 한 특별히 제한되지 않으나, 혼합도를 고려할 경우 구체적으로 스크류 형태 또는 나선 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 정적 혼합은 관내 고정식 연속 정적 혼합기(In-line static mixer)를 이용하여 관내 혼합으로 수행될 수도 있다.The shape of the static mixer is not particularly limited as long as it has a shape suitable for dispersion in the mixer, in consideration of the degree of mixing may be specifically screw or spiral. More specifically, the static mixing may be performed by intra-tube mixing using an in-line static mixer.
상기 혼합기를 통해 혼합된 혼합 금속 용액은 반응기 내로 연속 투입되고, 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가에 의해 공침반응이 일어나 복합금속 수산화물 입자의 씨드가 형성되게 된다. 이후 상기 제1금속 함유 용액과 상기 제2금속 함유 용액의 혼합기 내 투입이 연속적으로 이루어짐에 따라 이후의 정적 혼합, 결과의 혼합 금속 용액의 반응기 내 투입 및 1차 공침반응이 연속적으로 수행되게 되며, 그 결과로서 복합금속 수산화물 입자의 성장이 이루어지게 된다.The mixed metal solution mixed through the mixer is continuously introduced into the reactor, and coprecipitation occurs by adding a cation-containing complex former and a basic compound to form seeds of the composite metal hydroxide particles. Thereafter, as the first metal-containing solution and the second metal-containing solution are continuously introduced into the mixer, subsequent static mixing, subsequent injection of the mixed metal solution into the reactor, and first coprecipitation reaction are continuously performed. As a result, the growth of the composite metal hydroxide particles is achieved.
상기 1차 공침반응은, 혼합된 금속 함유 용액의 pH가 10 내지 12인 조건에서 수행될 수 있으며, 단 제1 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 10.5 내지 11.5일 수 있다. 상기한 pH 조건에서 1차 공침반응이 수행될 때, 제조되는 전구체의 크기 변화 또는 입자 쪼개짐 발생, 그리고 전구체 표면에서의 금속 이온의 용출에 따른 부반응에 의해 각종 산화물이 생성되는 일 없이 복수 개의 복합금속 수산화물의 1차 입자가 응집된 전구체 입자를 제조할 수 있다. 상기한 pH 조건은 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물의 투입양에 따라 제어될 수 있다.The first coprecipitation reaction may be performed under the condition that the pH of the mixed metal-containing solution is 10 to 12, provided that the pH of the first metal-containing solution is 100% by volume may be 10.5 to 11.5. When the first coprecipitation reaction is performed at the above pH condition, a plurality of composite metals are not produced by various changes in the size of the prepared precursor or particle splitting and side reactions caused by elution of metal ions on the precursor surface. The precursor particles in which the primary particles of the hydroxide are aggregated can be produced. The pH condition may be controlled according to the amount of the ammonium cation-containing complex forming agent and the basic compound.
구체적으로 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제는 구체적으로 NH4OH, (NH4)2SO4, NH4NO3, NH4Cl, CH3COONH4, 또는 NH4CO3 등일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또, 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제는 수용액의 형태로 사용될 수도 있으며, 이때 용매로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합 가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물이 사용될 수 있다. Specifically, the ammonium cation-containing complexing agent may specifically be NH 4 OH, (NH 4 ) 2 SO 4 , NH 4 NO 3 , NH 4 Cl, CH 3 COONH 4 , or NH 4 CO 3 , and the like. Species alone or mixtures of two or more may be used. In addition, the ammonium cation-containing complex forming agent may be used in the form of an aqueous solution, in which case a mixture of water or an organic solvent (specifically, alcohol, etc.) that can be uniformly mixed with water may be used.
또, 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제는 제1 및 제2 금속 함유 용액의 혼합 용액 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 150 중량%가 되도록 하는 양으로 첨가될 수 있다. 일반적으로 암모늄 양이온 함유 착물 형성제는 금속과 1:1 몰비 이상으로 반응하여 착제를 형성하지만, 형성된 착체 중 염기성 수용액과 반응하지 않은 미반응 착체가 중간 생성물로 변하여 암모늄 양이온 함유 착물 형성제로 회수되어 재사용될 수 있기 때문에 본 발명에서는 통상에 비해 암모늄 양이온 함유 착물 형성제의 사용량을 낮출 수 있다. 그 결과, 양극활물질의 결정성을 높이고, 안정화할 수 있다.In addition, the ammonium cation-containing complex forming agent may be added in an amount such that 5 wt% to 150 wt% with respect to the total weight of the mixed solution of the first and second metal-containing solutions. In general, the ammonium cation-containing complex forming agent reacts with the metal in a molar ratio of at least 1: 1 to form a complex, but the unreacted complex which has not reacted with the basic aqueous solution turns into an intermediate product and is recovered as an ammonium cation-containing complex forming agent for reuse. In the present invention, the amount of the ammonium cation-containing complex forming agent can be lowered than that in the present invention. As a result, the crystallinity of the positive electrode active material can be increased and stabilized.
또, 상기 염기성 화합물은 NaOH, KOH 또는 Ca(OH)2 등과 같은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 수산화물, 또는 이들의 수화물일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 염기성 화합물 역시 수용액의 형태로 사용될 수도 있으며, 이때 용매로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합 가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물이 사용될 수 있다.In addition, the basic compound may be a hydroxide of an alkali metal or an alkaline earth metal such as NaOH, KOH or Ca (OH) 2 , or a hydrate thereof, and one or more of these may be used. The basic compound may also be used in the form of an aqueous solution, in which case a mixture of water or an organic solvent (specifically, alcohol, etc.) that can be uniformly mixed with water may be used.
상기 염기성 화합물은 상기한 1차 공침 반응시의 pH 조건을 충족하도록 하는 양으로 투입될 수 있으며, 구체적으로는 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제 1 몰에 대해 염기성 화합물 1 내지 10의 몰비로 투입될 수 있다.The basic compound may be added in an amount that satisfies the pH conditions of the first coprecipitation reaction, specifically, it may be added in a molar ratio of basic compounds 1 to 10 per mole of the ammonium cation-containing complex forming agent. have.
또, 상기 공침 반응시 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제 및 염기성 화합물의 첨가량은 최종 제조되는 전구체에서의 금속원소의 농도구배 및 혼합 금속 용액의 투입량에 따라 적절히 결정될 수 있다. 구체적으로는 암모늄 양이온 함유 착물 형성제의 첨가량은 제1 및 제2 금속 함유 용액에 전체 중량에 대하여 4 중량% 내지 100 중량%, 바람직하게는 4 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.In addition, the addition amount of the ammonium cation-containing complex forming agent and the basic compound in the coprecipitation reaction may be appropriately determined according to the concentration gradient of the metal element in the precursor to be prepared and the input amount of the mixed metal solution. Specifically, the amount of the ammonium cation-containing complex forming agent added may be 4% by weight to 100% by weight, preferably 4% by weight to 30% by weight, based on the total weight of the first and second metal-containing solutions.
또, 상기 1차 공침반응은 질소 또는 아르곤 등의 비활성 분위기하에서, 40 내지 80℃에서 수행될 수 있다. 또, 상기 반응 시 반응 속도를 증가시키기 위하여 교반 공정이 선택적으로 수행될 수 있으며, 이때 교반 속도는 20L 반응기를 기준으로, 반응기 반지름 대비 교반기의 길이가 40% 정도일 때, 100rpm 내지 1000rpm일 수 있다. 그러나, 상기 교반기가 상술한 것보다 클 경우, 교반력이 충분하므로 교반 속도는 상기 범위보다 낮아질 수 있다.In addition, the first coprecipitation reaction may be performed at 40 to 80 ° C. under an inert atmosphere such as nitrogen or argon. In addition, the stirring process may be selectively performed to increase the reaction rate during the reaction, wherein the stirring speed may be 100rpm to 1000rpm based on the 20L reactor, when the length of the stirrer relative to the reactor radius is about 40%. However, when the stirrer is larger than that described above, the stirring speed may be sufficient, so that the stirring speed may be lower than the above range.
상기와 같은 조건에서의 1차 공침반응의 결과로, 복합금속 수산화물의 1차 입자가 응집되며, 상기 복합금속 수산화물을 구성하는 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속이 입자 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화되는 농도구배로 존재하는 전구체의 코어가 형성되게 된다.As a result of the first coprecipitation reaction under the above conditions, primary particles of the composite metal hydroxide aggregate, and nickel, cobalt, and metal elements M constituting the composite metal hydroxide, wherein M is Mn and Al At least one of the metals selected) forms a core of the precursor that is present in a concentration gradient that changes gradually from the particle center to the surface.
다음으로, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조한 복합금속 수산화물의 코어의 외표면 상에 쉘을 형성하는 단계이다.Next, step 3 is a step of forming a shell on the outer surface of the core of the composite metal hydroxide prepared in step 2.
구체적으로, 단계 3은 상기 복합금속 수산화물의 코어에 대해, 상기 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액을 단계 2에서와 반대의 혼합비율로, 구체적으로는 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 0부피%:100부피%에서 100부피%:0부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 공침반응(이하 '2차 공침반응이라 함)시킴으로써 수행될 수 있다. Specifically, step 3 is a mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution to the core of the composite metal hydroxide in the opposite direction to that in step 2, specifically, the first metal-containing solution and the second metal. Continuous mixing was carried out so that the mixing ratio of the solution contained was gradually changed from 0% to 100% by volume to 100% by volume to 0% by volume, and co-precipitation reaction was performed by adding an ammonium cation-containing complex former and a basic compound (hereinafter, 'secondary' By coprecipitation reaction).
이때 상기 2차 공침 반응시 제2 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH는 단계 2에서의 1차 공침반응시 보다 높은 pH 조건, 구체적으로는 pH 11.0 내지 12에서 수행될 수 있다. At this time, the pH when the amount of the second metal-containing solution is 100% by volume during the second coprecipitation reaction may be performed at a higher pH condition, specifically pH 11.0 to 12 during the first coprecipitation reaction in step 2.
상기한 범위의 pH 조건에서 수행될 때, 코어 상에 복합금속 수산화물이 코어 중심에서 표면으로 방사 배향성을 가지며 성장하게 된다. 상기와 같이 전구체 입자가 배향성을 가질 경우, 전기화학적 특성 중 용량 및 출력 특성이 향상된 이차전지를 제조할 수 있다.When carried out at pH conditions in the above range, the composite metal hydroxide on the core grows radially oriented from the core center to the surface. When the precursor particles have an orientation as described above, a secondary battery having improved capacity and output characteristics among electrochemical characteristics may be manufactured.
상기 단계 3은 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율 및 pH 조건을 달리하는 것을 제외하고는 상기 단계 2에서와 동일한 방법으로 수행될 수 있다. Step 3 may be performed in the same manner as in Step 2 except for changing the mixing ratio and pH conditions of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution.
상기한 제조 공정의 결과로, 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 복합금속 수산화물의 1차 입자가 복수 개 응집되어 이루어진 2차 입자로서, 상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속은 상기 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배는 적어도 하나의 변곡점을 포함하는 것이고, 상기 2차 입자의 중심에서의 니켈의 함량을 X1, 변곡점에서의 니켈의 함량을 X2, 그리고 2차 입자 표면에서의 니켈의 함량을 X3라고 할 때, 니켈은 하기 (a1) 또는 (a2) 중 어느 하나의 조건으로 존재하는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체가 제조되게 된다. As a result of the above manufacturing process, secondary particles are formed by agglomeration of a plurality of primary particles of a composite metal hydroxide including nickel, cobalt and a metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al). At least one metal of the nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) is present in a concentration gradient that gradually changes from the center of the secondary particle to the surface. The concentration gradient includes at least one inflection point, the content of nickel at the center of the secondary particle is X1, the content of nickel at the inflection point is X2, and the content of nickel at the surface of the secondary particle is X3. When the nickel is present, the cathode active material precursor for a secondary battery, wherein the nickel is present under any one of the following conditions (a1) or (a2) is produced.
(a1) X1=X3<X2(a1) X1 = X3 <X2
(a2) X1≠X3<X2(a2) X1 ≠ X3 <X2
제조된 양극활물질 전구체에 대해서는 통상의 방법에 따라 분리 후, 건조 공정이 선택적으로 수행될 수 있으며, 이때 상기 건조 공정은 110℃ 내지 400℃에서 15시간 내지 30시간 수행될 수 있다.The prepared cathode active material precursor may be selectively separated after the separation according to a conventional method, and the drying process may be optionally performed at 110 ° C. to 400 ° C. for 15 to 30 hours.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질 전구체에 있어서 상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속의 농도구배가 2 이상의 변곡점을 포함하는 경우, 상기 단계 2 또는 단계 3에서 제1 금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율을 증가 후 감소시키거나, 감소 후 증가시키는 등의 방법으로 변화시킴으로써 구현할 수 있다.Meanwhile, in the cathode active material precursor according to an embodiment of the present invention, a concentration gradient of at least one metal of nickel, cobalt, and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) is 2 or more. In the case of including the inflection point, the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution in step 2 or 3 may be implemented by changing the method such as increasing after decreasing or increasing after decreasing.
또, 상기 양극활물질 전구체가 도핑된 경우, 상기 단계 1에서의 상기 제 1 및 제2 금속 함유 용액의 제조시, 제1 및 제2 금속 함유 용액 중 적어도 하나의 금속 함유 용액에 도핑원소의 원료물질이 더 첨가되거나; 또는 상기 단계 2에서의 제1 및 제2 금속 함유 용액의 혼합기 투입 시, 제1 및 제2 금속 함유 용액과는 별도의 배관을 통해, 니켈, 코발트, 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 및 도핑원소를 포함하는 금속 함유 용액이 혼합기 내로 더 첨가될 수도 있다. In addition, when the cathode active material precursor is doped, at the time of preparing the first and second metal-containing solutions in step 1, at least one metal-containing solution of the first and second metal-containing solutions is a raw material of the doping element. Is further added; Or in the mixing of the first and second metal-containing solutions in step 2, through a separate pipe from the first and second metal-containing solutions, nickel, cobalt, and metal elements M (where M is Mn and Al). Metal containing solution comprising at least one selected from the group consisting of) and the doping element may be further added into the mixer.
이때, 상기 도핑원소는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 것인 수 있으며, 상기한 도핑원소 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 황산염, 질산염, 아세트산염, 할라이드, 수산화물 또는 옥시수산화물 등이 원료물질로서 사용될 수 있다. 일 례로, 상기 도핑원소가 텅스텐인 경우 원료물질로서 텅스텐 설페이트(W(SO4)2) 등이 사용될 수 있다.At this time, the doping element is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, It may be selected from the group consisting of Mg, B, and Mo, sulfates, nitrates, acetates, halides, hydroxides or oxyhydroxides including any one or two or more of the above doping elements may be used as a raw material. have. For example, when the doping element is tungsten, tungsten sulfate (W (SO 4 ) 2 ) may be used as a raw material.
상기 도핑원소의 원료물질은 최종 제조되는 전구체에서의 도핑원소의 함량에 따라 적절히 결정될 수 있다. The raw material of the doping element may be appropriately determined according to the content of the doping element in the precursor to be finally prepared.
또, 제조되는 전구체에서의 도핑원소의 분포는 도핑원소의 투입시기, 금속 함유 용액들의 혼합 시 혼합 비율 제어에 따라 결정될 수 있다.In addition, the distribution of the doping element in the precursor to be prepared may be determined according to the dosing time of the doping element, the mixing ratio control when mixing the metal-containing solutions.
일례로, 도핑원소의 원료물질이 별도의 금속 함유 용액으로서 혼합기에 직전 투입되고, 또 혼합 공정 초기부터 끝까지 동일한 혼합비율을 유지하며 투입될 경우, 제조되는 전구체 전체에 걸쳐 도핑원소가 균일하게 분포할 수 있다. 또 다른 일례로, 도핑원소의 원료물질이 제2금속 함유 용액 중에 포함되고, 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액의 혼합비율이 100부피:0부피%에서 0부피%:100부피%으로 점진적으로 변화될 경우, 제조되는 전구체 입자의 중심에서 표면으로 갈수록 도핑원소의 농도가 점진적으로 증가하는 농도구배를 나타낼 수 있다.For example, when the raw material of the doping element is added immediately before the mixer as a separate metal-containing solution and maintained with the same mixing ratio from the beginning to the end of the mixing process, the doping element may be uniformly distributed throughout the precursor to be produced. Can be. In another example, a doping element raw material is contained in the second metal-containing solution, and the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is from 100% by volume to 0% by volume: 100% by volume. When gradually changed, the concentration gradient of the doping element may gradually increase from the center of the precursor particles to the surface to be prepared.
이와 같이 도핑원소가 전구체 내에 균일하게 분포하거나 점진적으로 변화하는 농도구배를 가질 경우, 입자 내 결정 경계상이 존재하지 않음으로써 전구체 및 이를 이용하여 제조한 활물질의 구조 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.As such, when the doping element has a concentration gradient uniformly distributed or gradually changes in the precursor, there is no crystal boundary phase in the particle, thereby further improving the structural stability of the precursor and the active material prepared using the same.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기한 제조방법에 의해 제조된 전구체를 이용한 이차전지용 양극활물질의 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a cathode active material for a secondary battery using the precursor prepared by the above-described manufacturing method is provided.
구체적으로, 상기 제조방법은 상기에서 제조한 양극활물질의 전구체를 리튬 원료물질과 혼합 후 열처리하는 단계를 포함한다.Specifically, the manufacturing method includes the step of heat treatment after mixing the precursor of the cathode active material prepared above with a lithium raw material.
상기 리튬 원료물질로는 리튬 함유 탄산염(예를 들어, 탄산리튬 등), 수화물(예를 들어 수산화리튬 I수화물(LiOHㆍH2O) 등), 수산화물(예를 들어 수산화리튬 등), 질산염(예를 들어, 질산리튬(LiNO3) 등), 염화물(예를 들어, 염화리튬(LiCl) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또, 상기 리튬 원료물질의 사용량은 최종 제조되는 리튬 복합금속 산화물에서의 리튬과, 리튬을 제외한 금속원소들의 함량에 따라 결정될 수 있으며, 구체적으로는 리튬 원료물질내 포함되는 리튬과 전구체 내 포함되는 금속원소들(Me=Ni+Co+M)의 몰비(리튬/금속원소(Me)의 몰비)가 1.0 이상, 보다 구체적으로는 1.0 내지 1.07이 되도록 하는 양으로 사용될 수 있다.Examples of the lithium raw material include lithium-containing carbonates (for example, lithium carbonate), hydrates (for example, lithium hydroxide I hydrate (LiOH · H 2 O), etc.), hydroxides (for example, lithium hydroxide, etc.), nitrates ( For example, lithium nitrate (LiNO 3 ), etc.), chlorides (for example, lithium chloride (LiCl), etc.), and the like may be used alone, or a mixture of two or more thereof may be used. In addition, the amount of the lithium raw material used may be determined according to the amount of lithium and metal elements other than lithium in the final lithium composite metal oxide to be manufactured. Specifically, the metal included in the lithium and the precursor included in the lithium raw material It may be used in an amount such that the molar ratio of the elements (Me = Ni + Co + M) (molar ratio of lithium / metal element (Me)) is 1.0 or more, more specifically 1.0 to 1.07.
또, 상기 전구체의 제조방법에 따라 제조된 전구체는 도핑되지 않았으나, 최종 제조되는 양극활물질이 도핑될 경우, 상기 양극활물질 전구체와 리튬 원료물질의 혼합 시 도핑원소의 원료물질을 선택적으로 더 첨가할 수 있다.In addition, although the precursor prepared according to the method for preparing the precursor is not doped, when the positive electrode active material is finally prepared, the raw material of the doping element may be selectively added when the positive electrode active material precursor and the lithium raw material are mixed. have.
상기 도핑원소의 원료물질로는, W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 도핑원소(M')를 포함하는 산화물 또는 수화물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 일 례로, 상기 도핑원소가 텅스텐인 경우 원료물질로서 텅스텐 산화물(WO3) 등이 사용될 수 있다. 상기 도핑원소의 원료물질은 최종 제조되는 활물질에서의 리튬 복합 금속 산화물 내 도핑원소의 함량에 따라 결정될 수 있다.As a raw material of the doping element, W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce , Nb, Mg, B, and an oxide or a hydrate including one or more doping elements (M ') selected from the group consisting of, and any one or a mixture of two or more of these may be used. . For example, when the doping element is tungsten, tungsten oxide (WO 3 ) or the like may be used as a raw material. The raw material of the doping element may be determined according to the content of the doping element in the lithium composite metal oxide in the final active material.
상기 도핑원소의 원료물질이 전구체와 리튬 원료물질과의 혼합 단계에서 첨가될 경우, 최종 제조되는 양극 활물질에 있어서 도핑원소는 전구체 입자 표면에서부터 중심 방향으로 갈수록 감소하는 농도구배로 존재할 수 있으며, 이 경우 활물질의 표면 안정성을 개선시켜 전해액과의 부반응 발생을 억제할 수 있다.When the raw material of the doping element is added in the mixing step of the precursor and the lithium raw material, the doping element may be present in a concentration gradient decreasing from the surface of the precursor particle toward the center in the final active material. The surface stability of the active material can be improved to suppress the occurrence of side reactions with the electrolyte.
또, 상기 양극활물질 제조 시 전구체와 리튬 원료물질 혼합할 때, 소결제를 선택적으로 더 첨가할 수 있다. 상기 소결제로는 구체적으로 NH4F, NH4NO3, 또는 (NH4)2SO4과 같은 암모늄 이온을 함유한 화합물; B2O3 또는 Bi2O3과 같은 금속산화물; 또는 NiCl2 또는 CaCl2과 같은 금속할로겐화물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 소결제는 양극활물질 전구체 1 몰에 대하여 0.01몰 내지 0.2몰의 함량으로 사용될 수 있다. In addition, when the precursor and the lithium raw material is mixed when the cathode active material is manufactured, a sintering agent may be optionally added. Specific examples of the sintering agent include compounds containing ammonium ions such as NH 4 F, NH 4 NO 3 , or (NH 4 ) 2 SO 4 ; Metal oxides such as B 2 O 3 or Bi 2 O 3 ; Or metal halides such as NiCl 2 or CaCl 2, and any one or a mixture of two or more thereof may be used. The sintering agent may be used in an amount of 0.01 mol to 0.2 mol with respect to 1 mol of the cathode active material precursor.
또, 상기 양극활물질 전구체와 리튬 원료물질 혼합 시, 수분제거제가 선택적으로 더 첨가될 수도 있다. 구체적으로 상기 수분제거제로는 구연산, 주석산, 글리콜산 또는 말레인산 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 수분 제거제는 양극활물질 전구체 1 몰에 대하여 0.01 내지 0.2 몰의 함량으로 사용될 수 있다.In addition, when the cathode active material precursor and the lithium raw material is mixed, a moisture removing agent may be optionally further added. Specifically, the water removing agent may include citric acid, tartaric acid, glycolic acid or maleic acid, and any one or a mixture of two or more thereof may be used. The moisture remover may be used in an amount of 0.01 to 0.2 mole based on 1 mole of the positive electrode active material precursor.
또, 상기 양극활물질의 전구체와 리튬 원료물질, 그리고 필요한 경우 상기 도핑원소의 원료물질 및 기타 첨가제들의 혼합 공정은 건식 혼합 방법에 의해 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 볼 밀 등의 기계적 혼합 방법에 의해 수행될 수 있다.In addition, the mixing process of the precursor and the lithium raw material of the positive electrode active material, and if necessary the raw material and other additives of the doping element may be carried out by a dry mixing method, more specifically in a mechanical mixing method such as a ball mill Can be performed by
또, 상기 열처리 공정은 720℃ 내지 950℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 시 온도가 상기한 범위 내일 때 미반응 원료물질의 잔류 및 부반응물 생성으로 인한 단위무게당 방전 용량의 저하, 사이클 특성의 저하 및 작동 전압의 저하 우려가 없다. 보다 구체적으로는 750℃ 내지 900℃에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 소성 온도가 상기 범위를 초과할 경우, 양극 활물질의 농도 구배가 없어질 수 있다.In addition, the heat treatment process may be performed at 720 ℃ to 950 ℃. When the temperature during the heat treatment is within the above range, there is no fear of lowering the discharge capacity per unit weight, lowering of cycle characteristics, and lowering of operating voltage due to the residual and unreacted materials of the unreacted raw materials. More specifically, it may be performed at 750 ℃ to 900 ℃. For example, when the firing temperature exceeds the above range, there may be no concentration gradient of the positive electrode active material.
또, 상기 열처리 공정은 공기나 산소 등의 산화성 분위기, 질소가 포함된 비산화성 분위기에서 5시간 내지 30시간 수행될 수 있다. 이와 같은 조건에서의 열처리 공정을 통해 입자간의 확산 반응이 충분히 이루어질 수 있고, 또한 내부 금속 농도가 일정한 부분에서도 금속의 확산이 일어나, 결과적으로 중심에서 표면까지 연속적인 금속의 농도 분포를 갖는 금속 산화물이 제조될 수 있다. In addition, the heat treatment process may be performed for 5 to 30 hours in an oxidizing atmosphere such as air or oxygen, a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen. Through the heat treatment process under such conditions, the diffusion reaction between the particles can be sufficiently performed, and the diffusion of the metal occurs even in the portion where the internal metal concentration is constant. As a result, a metal oxide having a continuous metal concentration distribution from the center to the surface is obtained. Can be prepared.
한편, 상기 열처리 공정 전에 250℃ 내지 750℃에서 5 내지 20시간 유지시키는 예비 소성이 선택적으로 수행될 수도 있다. 또 상기 열처리 공정 후 700℃ 내지 900℃에서 10 내지 20시간 동안의 어닐링 공정이 선택적으로 수행될 수도 있다.Meanwhile, preliminary firing may be optionally performed at 250 ° C. to 750 ° C. for 5 to 20 hours before the heat treatment process. In addition, the annealing process for 10 to 20 hours at 700 ℃ to 900 ℃ may be optionally performed after the heat treatment process.
상기한 제조방법에 의해 제조된 양극활물질은, 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임)을 포함하는 리튬 복합금속 산화물의 1차 입자가 복수 개 응집되어 이루어진 2차 입자로서, 상기 1차 입자는 1차 입자의 중심에서부터 표면까지 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속이 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배가 적어도 하나의 변곡점을 갖는 것일 수 있다. The positive electrode active material produced by the above-described manufacturing method, a plurality of primary particles of a lithium composite metal oxide containing nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al). Wherein the primary particles are progressively formed of at least one metal of nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) from the center to the surface of the primary particles. It may be present in a concentration gradient to change, the concentration gradient may have at least one inflection point.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어서, 상기 니켈은 2차 입자 내에서 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 니켈의 농도구배는 하나의 변곡점을 포함하며, 상기 2차 입자의 중심에서의 니켈의 함량을 X1, 상기 2차 입자의 중심 및 표면을 제외한 내부 영역에 위치하는 상기 변곡점에서의 니켈의 함량을 X2, 그리고 상기 2차 입자 표면에서의 니켈의 함량을 각각 X3라고 할 때, 니켈은 (a1) 또는 (a2) 중 하나의 조건으로 존재할 수 있다. Specifically, in the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the nickel is present in a concentration gradient gradually changing in the secondary particles, the concentration gradient of nickel includes one inflection point, The content of nickel at the center of the secondary particle is X1, the content of nickel at the inflection point located at the inner region excluding the center and the surface of the secondary particle is X2, and the content of nickel at the surface of the secondary particle. When each referred to as X 3, nickel may be present under one of (a1) or (a2).
(a1) X1=X3<X2(a1) X1 = X3 <X2
(a2) X1≠X3<X2(a2) X1 ≠ X3 <X2
특히, 상기 (a1) 또는 (a2)와 같이 2차 입자상의 활물질 내부에 위치하는 변곡점에서의 니켈의 함량(X2)을 표면에서의 니켈 함량(X3)보다 높게 함으로써 우수한 용량 특성을 유지하면서도, 입자 표면에서의 안정성을 높이고, 전해액과의 부반응을 억제할 수 있다. 또 1차 입자가 응집된 입자 중심측에 있어서 입자 중심에서의 니켈 함량(X1)을 낮춤으로써 활물질 내부의 구조 안정성을 향상시킬 수 있으며, 니켈의 함량이 높지 않아 전극 압연 등에 의해 균열 및 붕괴가 발생하더라도, 입자 중심측에서의 니켈 조성이 표면보다 안정적인 구조를 유지할 수 있다. 상기 (a1) 및 (a2)의 조성 변화는 니켈 외에, 코발트 및/또는 망간의 조성을 같은 방식을 이용하여 변화시킬 수 있다.Particularly, the nickel content (X2) at the inflection point located inside the active material on the secondary particles such as (a1) or (a2) is higher than the nickel content (X3) on the surface, thereby maintaining excellent capacity characteristics. Stability at the surface can be improved, and side reaction with electrolyte solution can be suppressed. In addition, the structural stability inside the active material can be improved by lowering the nickel content (X1) at the particle center at the particle center side where the primary particles are agglomerated, and since the nickel content is not high, cracking and collapse occurs due to electrode rolling. Even so, the nickel composition at the particle center side can maintain a more stable structure than the surface. The composition change of the above (a1) and (a2) can change the composition of cobalt and / or manganese in addition to nickel using the same method.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어서, 상기 금속원소 M은 2차 입자의 중심에서부터 표면으로 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 금속원소 M의 농도구배는 하나의 변곡점을 포함하며, 상기 2차 입자의 중심에서의 금속원소 M의 함량을 Z1, 상기 2차 입자의 중심 및 표면을 제외한 내부 영역에 위치하는 상기 변곡점에서의 금속원소 M의 함량을 Z2, 그리고 상기 2차 입자 표면에서의 금속원소 M의 함량을 Z3라고 할 때, 상기 금속원소 M은 하기 (b1) 내지 (b4)중 적어도 하나의 조건으로 존재할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 (b1) 또는 (b3) 중 하나의 조건으로 존재할 수 있다.In addition, in the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the metal element M is present in a concentration gradient that gradually changes from the center of the secondary particles to the surface, and the concentration gradient of the metal element M is one. A content of the metal element M at the center of the secondary particles, including an inflection point, Z 1, a content of the metal element M at the inflection point located at an internal region excluding the center and the surface of the secondary particles, and Z 2; When the content of the metal element M on the surface of the secondary particle is Z3, the metal element M may be present under at least one of the following (b1) to (b4), more preferably (b1) or (b3). May exist as one of the following conditions.
(b1) Z1=Z3>Z2(b1) Z1 = Z3> Z2
(b2) Z1=Z3<Z2(b2) Z1 = Z3 <Z2
(b3) Z1≠Z3>Z2(b3) Z1 ≠ Z3> Z2
(b4) Z1≠Z3<Z2(b4) Z1 ≠ Z3 <Z2
상기 금속원소 M은 활물질의 구조안정성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 본 발명에서는 2차 입자의 표면에서의 금속원소 M의 함량(Z3)을 입자 내부에서의 함량(Z2)보다 높게 함으로써, 금속원소 M 포함에 따른 표면 안정화 효과를 더욱 높일 수 있다. 상기한 바와 같은 농도구배에 따른 개선 효과와 더불어 활물질에 대한 열안정성 개선 효과를 고려할 때 상기 금속원소 M은 바람직하게는 Mn일 수 있다.The metal element M serves to improve the structural stability of the active material. In the present invention, the metal element M content (Z3) on the surface of the secondary particles is higher than the content (Z2) inside the particle, The surface stabilization effect according to the inclusion of M can be further enhanced. The metal element M may be preferably Mn in consideration of the improvement effect of the concentration gradient as described above and the effect of improving the thermal stability of the active material.
상기 양극활물질의 2차 입자는 상기 1차 입자가 응집된 코어 및 상기 코어의 외표면에 위치하며, 상기 1차 입자가 입자의 중심에서부터 표면으로의 방사형 배향을 갖는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가질 수 있다.The secondary particles of the positive electrode active material are core-shell structure in which the primary particles are agglomerated and the outer surface of the core, the primary particles including a shell having a radial orientation from the center of the particles to the surface It can have
상기 양극활물질은 반응물의 pH, 농도 및 속도를 제어를 통해 활물질 입자 전체에 걸쳐 금속원소의 분포가 제어됨으로써, 고용량 특성을 나타내면서도 우수한 열적 안정성을 나타낼 수 있다. 그 결과 전지 적용 시 고용량, 장수명 및 열안정성을 나타내는 동시에 고전압 시 성능 열화를 최소화할 수 있다.The positive electrode active material may control the distribution of metal elements throughout the active material particles by controlling the pH, concentration and rate of the reactant, thereby exhibiting high capacity characteristics and excellent thermal stability. As a result, it can exhibit high capacity, long life and thermal stability when the battery is applied, while minimizing performance degradation at high voltage.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기한 양극활물질을 포함하는 양극을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a cathode including the cathode active material is provided.
구체적으로, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 위에 형성되며, 상기한 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함한다.Specifically, the positive electrode is formed on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, and includes a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material.
상기 양극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, carbon, nickel, titanium on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with silver, silver or the like can be used. In addition, the positive electrode current collector may have a thickness of typically 3 μm to 500 μm, and may form fine irregularities on the surface of the current collector to increase adhesion of the positive electrode active material. For example, it can be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven body.
또, 상기한 집전체의 적어도 일면에는 양극활물질을 포함하며, 필요에 따라 도전재 및 바인더 중 적어도 1종을 선택적으로 더 포함하는 양극활물질층이 위치한다.In addition, at least one surface of the current collector includes a positive electrode active material, and optionally a positive electrode active material layer further includes at least one of a conductive material and a binder.
이때 상기 양극활물질은 양극활물질층 총 중량에 대하여 80 내지 99중량%, 보다 구체적으로는 85중량% 내지 98중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기한 함량범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있다.At this time, the positive electrode active material may be included in an amount of 80 to 99% by weight, more specifically 85 to 98% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. When included in the above content range may exhibit excellent capacity characteristics.
또, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극활물질층 총 중량에 대하여 0.5중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있다.In addition, the conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery constituted, any conductive material can be used without particular limitation as long as it has electronic conductivity without causing chemical change. Specific examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black and carbon fiber; Metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, or a mixture of two or more kinds thereof may be used. The conductive material may be included in an amount of 0.5% to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.
또, 상기 바인더는 양극활물질 입자들 간의 부착 및 양극활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극활물질층 총 중량에 대하여 1중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있다.In addition, the binder serves to improve adhesion between the cathode active material particles and adhesion between the cathode active material and the current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC). ), Starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubbers, or various copolymers thereof, and the like, and one or more of these may be used. The binder may be included in an amount of 1 wt% to 30 wt% with respect to the total weight of the positive electrode active material layer.
상기 양극은 상기한 양극활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로는, 상기한 양극활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재 중 적어도 1종을 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극활물질층 형성용 조성물을 양극집전체의 적어도 일면에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 양극활물질, 바인더, 도전재의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 같다.The positive electrode may be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method except using the positive electrode active material described above. Specifically, the positive electrode active material and optionally, a composition for forming a positive electrode active material layer prepared by dissolving or dispersing at least one of a binder and a conductive material in a solvent is applied to at least one surface of the positive electrode current collector, and then dried and rolled. It can be prepared by. In this case, the type and content of the cathode active material, the binder, and the conductive material are as described above.
상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극 제조를 위한 도포 시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.The solvent may be a solvent generally used in the art, and may include dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone or acetone. Water, and the like, one of these alone or a mixture of two or more thereof may be used. The amount of the solvent is sufficient to dissolve or disperse the positive electrode active material, the conductive material and the binder in consideration of the coating thickness of the slurry, the production yield, and to have a viscosity that can exhibit excellent thickness uniformity during the coating for the positive electrode production. Do.
또, 다른 방법으로, 상기 양극은 상기 양극활물질층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.Alternatively, the positive electrode may be prepared by casting the composition for forming the positive electrode active material layer on a separate support, and then laminating the film obtained by peeling from the support onto a positive electrode current collector.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 양극을 포함하는 전기화학소자가 제공된다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지 또는 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, an electrochemical device including the anode is provided. The electrochemical device may be specifically a battery or a capacitor, and more specifically, a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지는 구체적으로 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하며, 상기 양극은 앞서 설명한 바와 같다. 또, 상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극, 세퍼레이터의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다. The lithium secondary battery specifically includes a positive electrode, a negative electrode positioned to face the positive electrode, a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is as described above. The lithium secondary battery may further include a battery container for accommodating the electrode assembly of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and a sealing member for sealing the battery container.
상기 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극집전체 및 상기 음극집전체의 적어도 일면에 위치하는 음극활물질층을 포함한다.In the lithium secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer positioned on at least one surface of the negative electrode current collector.
상기 음극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the negative electrode current collector may be formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or stainless steel. Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy and the like can be used. In addition, the negative electrode current collector may have a thickness of 3 μm to 500 μm, and similarly to the positive electrode current collector, fine concavities and convexities may be formed on the surface of the current collector to enhance the bonding force of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, foam, a nonwoven body.
상기 음극활물질층은 음극활물질을 포함하고, 또 필요에 따라 바인더 및 도전재 중 적어도 1종을 선택적으로 더 포함한다. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material, and optionally further includes at least one of a binder and a conductive material.
상기 음극활물질층은 일례로서 음극집전체 상에 음극활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 음극 형성용 조성물을 도포하고 건조하거나, 또는 상기 음극 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.For example, the negative electrode active material layer is coated with a negative electrode active material, and optionally a composition for forming a negative electrode including a binder and a conductive material on a negative electrode current collector and dried, or casting the negative electrode forming composition on a separate support It can also be produced by laminating a film obtained by peeling from this support onto a negative electrode current collector.
상기 음극활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOv(0<v<2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.As the negative electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Specific examples thereof include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fibers, and amorphous carbon; Metallic compounds capable of alloying with lithium such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloys, Sn alloys or Al alloys; Metal oxides capable of doping and undoping lithium, such as SiO v (0 <v <2), SnO 2 , vanadium oxide, lithium vanadium oxide; Or a composite including the metallic compound and the carbonaceous material, such as a Si-C composite or a Sn-C composite, and any one or a mixture of two or more thereof may be used. In addition, a metal lithium thin film may be used as the anode active material. As the carbon material, both low crystalline carbon and high crystalline carbon can be used. Soft crystalline carbon and hard carbon are typical low crystalline carbon, and high crystalline carbon is amorphous, plate, scaly, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, Kish graphite (Kish) graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch High-temperature calcined carbon such as derived cokes is typical.
또, 상기 바인더 및 도전재는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.In addition, the binder and the conductive material may be the same as described above in the positive electrode.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.On the other hand, in the lithium secondary battery, the separator is to separate the negative electrode and the positive electrode and to provide a passage for the movement of lithium ions, if it is usually used as a separator in a lithium secondary battery can be used without particular limitation, in particular for ion transfer of the electrolyte It is desirable to have a low resistance against the electrolyte solution and excellent in electrolytic solution moisture content. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene / butene copolymer, ethylene / hexene copolymer and ethylene / methacrylate copolymer or the like Laminate structures of two or more layers may be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, for example, a non-woven fabric made of high melting glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, or the like may be used. In addition, a coated separator including a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be optionally used as a single layer or a multilayer structure.
또, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. In addition, examples of the electrolyte used in the present invention include an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, a molten inorganic electrolyte, and the like, which can be used in manufacturing a lithium secondary battery. It doesn't happen.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; Ra-CN(Ra는 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1 : 1 내지 1 : 9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. The organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, the organic solvent may be an ester solvent such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone or ε-caprolactone; Ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; Ketone solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, Carbonate solvents such as PC); Alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; Nitriles, such as Ra-CN (Ra is a C2-C20 linear, branched or ring-shaped hydrocarbon group, and may contain a double bond aromatic ring or an ether bond); Amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Or sulfolanes may be used. Of these, carbonate-based solvents are preferable, and cyclic carbonates having high ionic conductivity and high dielectric constant (for example, ethylene carbonate or propylene carbonate) that can improve the charge / discharge performance of a battery, and low viscosity linear carbonate-based compounds ( For example, a mixture of ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate and the like is more preferable. In this case, the cyclic carbonate and the chain carbonate may be mixed and used in a volume ratio of about 1: 1 to 1: 9, so that the performance of the electrolyte may be excellent.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt may be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . LiCl, LiI, or LiB (C 2 O 4 ) 2 and the like can be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1M to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is included in the above range, since the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, it can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can move effectively.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로에틸렌 카보네이트 등과 같은 할로알킬렌 카보네이트계 화합물; 또는 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다. The electrolyte includes, in addition to the electrolyte components, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate and the like for the purpose of improving battery life characteristics, reducing battery capacity, and improving battery discharge capacity; Or pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N, N One or more additives such as -substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol or aluminum trichloride may be included. In this case, the additive may be included in an amount of 0.1% to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 용량 유지율을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다. As described above, the lithium secondary battery including the cathode active material according to the present invention stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics, and capacity retention rate, and therefore, portable devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and hybrid electric vehicles ( It is useful for electric vehicle fields such as hybrid electric vehicle (HEV).
이에 따라, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다. Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.The battery module or the battery pack is a power tool (Power Tool); Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Or it can be used as a power source for any one or more of the system for power storage.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
[[ 실시예Example 1] One]
(전구체의 제조)(Production of precursor)
60℃로 설정된 회분식 배치(batch)형 20L 반응기에서, 니켈 설페이트, 코발트 설페이트 및 망간 설페이트를 니켈:코발트:망간의 몰비가 60:20:20의 몰비가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 2M 농도의 제1 금속 함유 용액을 준비하고, 또 니켈 설페이트, 코발트 설페이트 및 망간 설페이트를 니켈:코발트:망간의 몰비가 90:5:5의 몰비가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 2M 농도의 제2 금속 함유 용액을 준비하였다.In a batch 20L reactor set at 60 ° C., nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate were mixed in water in an amount such that the molar ratio of nickel: cobalt: manganese was 60:20:20 in water at a 2 M concentration. A first metal-containing solution was prepared, and nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate were mixed in water in an amount such that the molar ratio of nickel: cobalt: manganese was 90: 5: 5, and containing a second metal at 2M concentration. The solution was prepared.
제1 금속 함유 용액이 담겨있는 용기와 제2 금속 함유 용액이 담겨있는 용기를 관내 고정식 연속 정적 혼합기(In-line static mixer)와 각각 연결하고, 상기 정적 혼합기의 배출구 측에 반응기를 연결하였다. 추가로 25% NaOH 용액과 15% 농도의 NH4OH 수용액을 준비하여 각각 반응기에 연결하였다. 공침 반응기(용량 20L)에 탈이온수 4리터를 넣은 뒤 질소가스를 반응기에 2L/min의 속도로 퍼징하여 물 속의 용존 산소를 제거하고 반응기 내를 비산화 분위기로 조성하였다. 이후 반응기에 25% NaOH를 10ml, 15% 암모니아수 300 ml를 투입한 후, 60℃ 온도에서 500rpm의 교반속도로 교반하면서, 제1 금속 함유 용액을 제1 펌프를 이용하여 6 ml/min의 유속에서 0 ml/min로 변화시키고, 제2 금속 함유 용액을 제2 펌프를 이용하여 0 ml/min 유속에서 6 ml/min 유속으로 100부피%:0부피%에서 0부피%:100 부피%의 비율로 점진적으로 변화시키며, 상기 정적 혼합기 내에 투입하여 연속 혼합을 수행하였다. The vessel containing the first metal containing solution and the vessel containing the second metal containing solution were respectively connected to an in-line static mixer in the tube, and a reactor was connected to the outlet side of the static mixer. In addition, a 25% NaOH solution and a 15% NH 4 OH aqueous solution were prepared and connected to the reactor, respectively. 4 liters of deionized water was added to the coprecipitation reactor (capacity 20L), and nitrogen gas was purged at 2 L / min in the reactor to remove dissolved oxygen in water and to form a non-oxidizing atmosphere in the reactor. Thereafter, 10 ml of 25% NaOH and 300 ml of 15% ammonia water were added to the reactor, followed by stirring at a stirring speed of 500 rpm at a temperature of 60 ° C., while the first metal-containing solution was used at a flow rate of 6 ml / min using a first pump. The second metal-containing solution was changed to 0 ml / min, using a second pump at a rate of 100 vol%: 0 vol% to 0 vol%: 100 vol% at a flow rate of 0 ml / min at 6 ml / min. It was gradually changed and put into the static mixer to perform continuous mixing.
이어서, 상기 반응기 내에 NH4OH 수용액을 2mL/min의 속도로 투입하고, 반응기 내 pH가 10.8~11.2을 유지하도록 NaOH 수용액을 투입하였다. 30분 동안 반응시키면서 평균 입경이 4㎛인 씨드를 형성하였으며, 연속해서 360분 동안 1차 공침반응시켜 니켈망간코발트 복합금속 수산화물로 이루어진 코어를 형성하였다. 반응 시간 동안 pH가 10.8에서 점진적으로 상승하여 최종적으로 pH가 11.7이 되도록 하였다. Subsequently, NH 4 OH aqueous solution was added to the reactor at a rate of 2 mL / min, and NaOH aqueous solution was added to maintain a pH of 10.8 to 11.2 in the reactor. A seed having an average particle diameter of 4 μm was formed while reacting for 30 minutes, followed by primary coprecipitation for 360 minutes in succession to form a core made of nickel manganese cobalt composite metal hydroxide. During the reaction time, the pH gradually rose from 10.8 to finally bring the pH to 11.7.
이후, 상기 제1 금속 함유 용액을 제1펌프를 이용하여 0mL/min의 유속에서 6mL/min으로, 그리고 상기 제2 금속 함유 용액을 제2펌프를 이용하여 6 mL/min에서 0mL/min로 0부피%:100부피%에서 100부피%:0부피%의 비율로 점진적으로 변화시키며 상기 정적 혼합기 내에 투입하여 연속 혼합을 수행하면서, 상기 반응기 내에 NH4OH 수용액을 2mL/min의 속도로 투입하고, 제2 금속 함유 용액의 함량이 100부피%일 때, 반응기 내 pH가 11.7이 되고, 상기 제2 금속 함유 용액의 함량이 0 부피%일 때, 반응기 내 pH가 10.8이 되도록 NaOH 수용액을 각각 투입하였다. 18 시간 동안 2차 공침반응시켜 니켈코발트망간계 복합금속 수산화물 입자의 성장을 유도함과 동시에 입자 내부에 농도구배가 생기도록 유도하였다. 이때, 상기 1차 공침 반응에서 제1 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH를 10.8로 설정하고, 반응이 진행됨에 따라 제2 금속 함유 용액의 투입량이 100 부피%가 투입될 때까지 pH를 높여서 1차 공침 반응 완료 시 반응기 내 pH가 11.7이 되도록 하였다. 한편, 반응 시간에 따른 제1 금속 함유 용액 및 제2 금속 함유 용액의 유량은 하기 표 1에 나타내었다.Thereafter, the first metal-containing solution was used at 6 mL / min at a flow rate of 0 mL / min using a first pump, and the second metal-containing solution was used at 0 mL / min at 6 mL / min using a second pump. Gradually adding a volume ratio of 100% by volume to 100% by volume to 0% by volume into the static mixer to perform continuous mixing, while introducing NH 4 OH aqueous solution into the reactor at a rate of 2 mL / min, When the content of the second metal-containing solution is 100% by volume, the pH in the reactor is 11.7, and when the content of the second metal-containing solution is 0% by volume, a NaOH aqueous solution was added so that the pH in the reactor was 10.8. . The second co-precipitation reaction for 18 hours induced the growth of nickel cobalt manganese-based composite metal hydroxide particles and at the same time induced a concentration gradient inside the particles. In this case, the pH of the first metal-containing solution in the first coprecipitation reaction is set to 10.8 when the volume of the first metal-containing solution is 100% by volume, and until the volume of the second metal-containing solution is 100% by volume as the reaction proceeds. The pH was increased so that the pH in the reactor was 11.7 upon completion of the first coprecipitation reaction. Meanwhile, the flow rates of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution according to the reaction time are shown in Table 1 below.
결과로 형성된 니켈망간코발트계 복합금속 함유 수산화물의 입자를 분리하여 수세 후 120℃의 오븐에서 건조하여 평균입경이 15㎛인 전구체를 제조하였다. 결과로 제조된 양극 활물질 전구체의 평균 조성은 LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2였다.The resulting nickel manganese cobalt-based composite metal-containing hydroxide particles were separated and washed with water and dried in an oven at 120 ℃ to prepare a precursor having an average particle diameter of 15㎛. The resulting composition of the positive electrode active material precursor was LiNi 0 . 8 Co 0 . 1 Mn 0 . 1 O 2 .
(활물질의 제조)(Production of active substance)
상기에서 제조한 전구체를 리튬 원료물질로서 리튬 수산화물(전구체 1몰에 대해 리튬 수산화물 1.03몰)과 건식 혼합한 후, 산소 분위기 하에 650℃에서 3시간, 이후 750℃에서 15시간동안 열처리하여, 활물질 입자 내 금속원소의 농도구배를 포함하는 리튬 복합금속 산화물의 입자를 제조하였다.The precursor prepared above was dry mixed with lithium hydroxide (1.03 mol of lithium hydroxide per 1 mol of precursor) as a lithium raw material, and then heat-treated at 650 ° C. for 3 hours in an oxygen atmosphere and then at 750 ° C. for 15 hours to form active material particles. Particles of a lithium composite metal oxide including a concentration gradient of a metal element were prepared.
(리튬 이차전지의 제조)(Manufacture of Lithium Secondary Battery)
상기에서 제조한 양극 활물질, 덴카 블랙 도전재, 폴리비닐리덴플루오라이드전구바인더를 95:2.5:2.5의 중량비로 혼합하고, N-메틸피롤리돈 용매를 이용하여 양극 형성용 조성물을 제조하였다. 제조한 양극 형성용 조성물을 알루미늄 호일에 도포하고, 롤 프레스한 후, 120℃에서 12시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.또한, 음극 활물질로서 천연 흑연, 카본블랙 도전재, 스티렌-부타디엔 고무(SBR)을 96:2:2의 중량비로 혼합하여 음극 형성용 조성물을 제조하였다. 제조한 음극 형성용 조성물을 구리 호일에 도포하고, 110℃에서 2시간 동안 진공 건조하여 음극을 제조하였다.The positive electrode active material, the denka black conductive material, and the polyvinylidene fluoride precursor binder prepared above were mixed at a weight ratio of 95: 2.5: 2.5 to prepare a composition for forming a positive electrode using an N-methylpyrrolidone solvent. The prepared positive electrode forming composition was coated on aluminum foil, roll pressed, and dried at 120 ° C. for 12 hours to prepare a positive electrode. Further, as a negative electrode active material, natural graphite, carbon black conductive material, and styrene-butadiene rubber (SBR) were used. ) Was mixed in a weight ratio of 96: 2: 2 to prepare a composition for forming a negative electrode. The prepared negative electrode composition was applied to a copper foil, and vacuum dried at 110 ° C. for 2 hours to prepare a negative electrode.
상기에서 제조한 양극 및 음극 사이에 폴리에틸렌 분리막을 개재한 후, 에틸렌 카보네이트:디메틸카보네이트를 1:1의 부피비율로 혼합한 혼합 용매에 1M의 LiPF6를 혼합한 전해질을 주입하여 코인셀 형태의 전지를 제조하였다. After the polyethylene separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode prepared above, 1M LiPF 6 mixed electrolyte is injected into a mixed solvent in which ethylene carbonate: dimethylcarbonate is mixed at a volume ratio of 1: 1, thereby injecting a coin-type battery. Was prepared.
[[ 비교예Comparative example 1] One]
상기 실시예 1에서, 제1 및 제2 금속 함유 용액 대신에 니켈 설페이트, 코발트 설페이트:망간 설페이트를 니켈:코발트:망간의 몰비가 80:10:10의 몰비가 되도록 하는 양으로 물 중에서 혼합하여 2M 농도로 제조한 금속 함유 용액을 사용하는 것 및 반응 중 pH를 pH 11.5로 유지하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여 전구체 및 양극활물질을 제조하였다. In Example 1, instead of the first and second metal-containing solutions, nickel sulfate, cobalt sulfate: manganese sulfate is mixed in water in an amount such that the molar ratio of nickel: cobalt: manganese is a molar ratio of 80:10:10, 2M A precursor and a cathode active material were prepared in the same manner as in Example 1, except for using a metal-containing solution prepared at a concentration and maintaining a pH of 11.5 during the reaction.
[[ 비교예Comparative example 2] 2]
니켈 설페이트, 코발트 설페이트 및 망간 설페이트를 니켈:코발트:망간의 몰비가 90:5:5의 몰비가 되도록 하는 양으로 물 중에서 2M 농도로 혼합하여 이를 제1 금속 함유 용액으로 사용하고, 니켈 설페이트, 코발트 설페이트 및 망간 설페이트를 니켈:코발트:망간의 몰비가 60:20:20의 몰비가 되도록 하는 양으로 물 중에서 2M 농도로 혼합하여 이를 제2 금속 함유 용액으로 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 전구체 및 양극 활물질을 제조하였다.Nickel sulphate, cobalt sulphate and manganese sulphate are mixed at a concentration of 2M in water in an amount such that the molar ratio of nickel: cobalt: manganese is 90: 5: 5 and used as a first metal containing solution, nickel sulphate, cobalt Example 1 except that the sulfate and manganese sulfate were mixed at a concentration of 2M in water in an amount such that the molar ratio of nickel: cobalt: manganese was 60:20:20 and used as a second metal-containing solution. Using the same method as the precursor and the cathode active material was prepared.
[[ 실험예Experimental Example 1: 양극 활물질 전구체의 입자 특성] 1: Particle Characteristics of Cathode Active Material Precursor]
상기 실시예 1에서 제조한 양극 활물질 전구체 입자의 성장에 따른 Ni 조성 변화를 고주파 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 분석을 통해 확인하였다. 구체적으로, 실시예 1에서 제조한 양극 활물질 전구체 0.1g에 염산은 1 mL를 추가한 후, 100℃로 가열하여 용해시키고 시료가 완전히 분해가 되면 초순수를 투입하여 10 mL로 희석하였다. 상기 희석된 용액을 ICP로 분석하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The change in Ni composition according to the growth of the cathode active material precursor particles prepared in Example 1 was confirmed through high frequency inductively coupled plasma (ICP) analysis. Specifically, 1 mL of hydrochloric acid was added to 0.1 g of the positive electrode active material precursor prepared in Example 1, and then heated to 100 ° C. to dissolve. When the sample was completely decomposed, ultrapure water was added and diluted to 10 mL. The diluted solution was analyzed by ICP and the results are shown in Table 2 below.
[[ 실험예Experimental Example 2: 양극 활물질 전구체 내 2: in positive electrode active material precursor 농도구배Concentration gradient 분석] analysis]
상기 실시예 1에서 제조한 양극 활물질 전구체 입자의 구조를 확인하기 위하여, 전자선 마이크로 애널라이저(electron probe micro analyzer, EPMA)를 이용하여 500 nm 단위로 이동하면서 양극 활물질 전구체 입자의 내부 조성을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.In order to confirm the structure of the cathode active material precursor particles prepared in Example 1, the internal composition of the cathode active material precursor particles was confirmed while moving in 500 nm units using an electron probe micro analyzer (EPMA). It is shown in Table 3 below.
표 3에 나타난 바와 같이, 실시에 1에서 제조한 양극 활물질 전구체 입자 중 니켈, 코발트 및 망간 모두 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하며, 이때 상기 농도구배가 하나 이상의 변곡점을 포함하는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 3, in the positive electrode active material precursor particles prepared in Example 1, all of nickel, cobalt, and manganese exist in a concentration gradient that gradually changes from the center of the secondary particles to the surface, wherein the concentration gradient is one or more inflection points. It could be confirmed to include.
[[ 실험예Experimental Example 3: 양극 활물질 내 3: in positive electrode active material 농도구배Concentration gradient 분석] analysis]
상기 실시예 1에서 제조한 양극 활물질 입자의 구조를 확인하기 위하여, 전자선 마이크로 애널라이저(electron probe micro analyzer, EPMA)를 이용하여 500 nm 단위로 이동하면서 양극 활물질 입자의 내부 조성을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.In order to confirm the structure of the positive electrode active material particles prepared in Example 1, the internal composition of the positive electrode active material particles was confirmed while moving in 500 nm units using an electron probe micro analyzer (EPMA), and the results are as follows. Table 4 shows.
표 4에 나타난 바와 같이, 실시에 1에서 제조한 양극 활물질 입자 중 니켈, 코발트 및 망간 모두 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하며, 이때 상기 농도구배가 하나 이상의 변곡점을 포함하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 4, in the positive electrode active material particles prepared in Example 1, nickel, cobalt, and manganese are all present in a concentration gradient that gradually changes from the center of the secondary particles to the surface, wherein the concentration gradient is one or more inflection points. It was confirmed to include.
[[ 실험예Experimental Example 4: 리튬 이차전지의 전지 특성 평가] 4: Battery Characteristic Evaluation of Lithium Secondary Battery]
상기 실시예 1 및 비교예 1~2에서 제조한 리튬 이차전지에 대해 하기와 같은 방법을 이용하여 전지 특성을 평가하였다.Battery characteristics of the lithium secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated using the following method.
구체적으로, 25℃에서 0.2C 정전류로 4.25V가 될 때까지 충전하고, 0.2C 정전류로 2.5V가 될 때까지 방전하였다. 상기 충방전 거동을 1 사이클로 하여, 30 사이클을 실시한 후의 초기 용량에 대한 30 사이클 째의 방전 용량의 비율인 사이클 용량 유지율(capacity retention) 및 저항 증가율을 각각 측정하고, 이를 하기 표 5에 나타내었다.Specifically, the battery was charged at 25 ° C until it became 4.25V with 0.2C constant current and discharged until it became 2.5V with 0.2C constant current. With the charge and discharge behavior as one cycle, the cycle capacity retention and the resistance increase rate, which are ratios of the discharge capacity at the 30th cycle with respect to the initial capacity after 30 cycles, were measured, respectively, and are shown in Table 5 below.
(mAh/g)Charge capacity
(mAh / g)
(mAh/g)Discharge capacity
(mAh / g)
상기 표 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조한 리튬 이차전지는 0.2C rate로 충방전 시 비교예 1 및 2의 전지에 비해 우수한 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 5, the lithium secondary battery prepared in Example 1 was confirmed to exhibit excellent efficiency compared to the batteries of Comparative Examples 1 and 2 when charging and discharging at 0.2C rate.
또한, 실시예 1의 리튬 이차전지는 30 사이클 동안 충방전을 진행한 후의 수명 특성 및 저항 특성이 비교예 1 및 2에서 제조한 리튬 이차전지에 비해 우수한 것을 확인할 수 있었다. In addition, it was confirmed that the lithium secondary battery of Example 1 was superior to the lithium secondary batteries manufactured in Comparative Examples 1 and 2 after the charge and discharge for 30 cycles.
Claims (14)
상기 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속은 상기 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배는, 농도구배 기울기가 음의 값에서 양의 값, 또는 양의 값에서 음의 값으로 변화하는 점인 변곡점을 적어도 하나 포함하는 것이고,
상기 2차 입자의 중심에서의 니켈의 함량을 X1, 변곡점에서의 니켈의 함량을 X2, 그리고 2차 입자 표면에서의 니켈의 함량을 X3라고 할 때, 니켈은 하기 (a1) 또는 (a2) 중 어느 하나의 조건으로 존재하는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
(a1) X1=X3<X2
(a2) X1≠X3<X2
As secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles of a composite metal hydroxide including nickel, cobalt and a metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al),
At least one metal of the nickel, cobalt and metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) is present in a concentration gradient that gradually changes from the center of the secondary particle to the surface. The concentration gradient includes at least one inflection point at which the concentration gradient slope changes from a negative value to a positive value or a positive value to a negative value,
When the content of nickel at the center of the secondary particles is X1, the content of nickel at the inflection point is X2, and the content of nickel at the surface of the secondary particles is X3, nickel is the following (a1) or (a2) A cathode active material precursor for a secondary battery that is present under any one condition.
(a1) X1 = X3 <X2
(a2) X1 ≠ X3 <X2
상기 2차 입자는 상기 1차 입자가 응집된 코어 및 상기 코어의 외표면에 위치하며, 상기 1차 입자가 입자의 중심에서 표면으로 방사형 배향을 갖는 쉘의 코어-쉘 구조를 가지는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
The method of claim 1,
The secondary particles are located on the core and the outer surface of the core agglomerated the primary particles, the primary particles have a core-shell structure of the shell having a radial orientation from the center of the particle to the surface Cathode active material precursor.
상기 금속원소 M은 2차 입자의 중심에서부터 표면까지 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 금속원소 M의 농도구배는 하나의 변곡점을 포함하며,
상기 2차 입자의 중심에서의 금속원소 M의 함량을 X1, 변곡점에서의 금속원소 M의 함량을 X2, 그리고 2차 입자 표면에서의 금속원소 M의 함량을 Z3라고 할 때, 상기 금속원소 M은 하기 (b1) 내지 (b4) 중 어느 하나의 조건으로 존재하는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
(b1) Z1=Z3>Z2
(b2) Z1=Z3<Z2
(b3) Z1≠Z3>Z2
(b4) Z1≠Z3<Z2
The method of claim 1,
The metal element M is present in a concentration gradient gradually changing from the center of the secondary particle to the surface, the concentration gradient of the metal element M includes one inflection point,
When the content of the metal element M at the center of the secondary particles is X1, the content of the metal element M at the inflection point is X2, and the content of the metal element M at the surface of the secondary particles is Z3, the metal element M is A cathode active material precursor for a secondary battery, which is present under any one of the following conditions (b1) to (b4).
(b1) Z1 = Z3> Z2
(b2) Z1 = Z3 <Z2
(b3) Z1 ≠ Z3> Z2
(b4) Z1 ≠ Z3 <Z2
상기 금속원소 M은 망간인 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
The method of claim 3,
The metal element M is manganese positive electrode active material precursor.
상기 코어는 2차 입자 총 부피에 대하여 60부피% 내지 80부피%를 차지하는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
The method of claim 2,
The core is a positive electrode active material precursor for a secondary battery, which occupies 60% by volume to 80% by volume with respect to the total volume of secondary particles.
상기 1차 입자는 막대(rod) 형태를 갖는 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
The method of claim 1,
The primary particles have a rod (rod) having a cathode active material precursor for a secondary battery.
상기 1차 입자는, 1차 입자의 중심을 지나는 단축의 길이에 대해, 1차 입자의 중심을 지나며 상기 단축에 수직한 장축의 길이 비가 1 초과 5 미만인 것인 이차전지용 양극활물질 전구체.
The method of claim 1,
The primary particle, the positive electrode active material precursor for a secondary battery is a ratio of the length of the long axis passing through the center of the primary particle and perpendicular to the short axis with respect to the length of the short axis passing through the center of the primary particle.
W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도핑원소에 의해 도핑되는 것을 더 포함하는 이차전지용 양극활물질 전구체.
The method of claim 1,
W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, In, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and Mo A cathode active material precursor for a secondary battery further comprising being doped with one or more doping elements selected from the group consisting of.
상기 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액을 상기 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 100부피%:0부피%에서 0부피%:100부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 1차 공침반응시켜, 복합금속 수산화물의 1차 입자가 응집된 코어를 형성하는 단계; 및
상기 코어에 대해, 상기 제1금속 함유 용액과 제2금속 함유 용액을 제1금속 함유 용액과 제2 금속 함유 용액의 혼합비율이 0부피%:100부피%에서 100부피%:0부피%까지 점진적으로 변화되도록 연속 혼합하는 동시에, 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 2차 공침반응시킴으로써, 상기 코어 상에 쉘을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 1차 공침반응시 제1 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 10.5 내지 11.5이고, 상기 2차 공침 반응시 제2 금속 함유 용액의 투입량이 100부피%일 때의 pH가 11 내지 12인 양극활물질 전구체의 제조방법.
Preparing a first metal containing solution containing nickel, cobalt and metal element M, and a second metal containing solution containing nickel, cobalt and metal element M at different concentrations from the first metal containing solution;
The mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution in the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is gradually changed from 100% by volume to 0% by volume and 100% by volume. At the same time as mixing, adding an ammonium cation-containing complex forming agent and a basic compound to first coprecipitation to form a core in which primary particles of the composite metal hydroxide are aggregated; And
With respect to the core, the mixing ratio of the first metal-containing solution and the second metal-containing solution to the first metal-containing solution and the second metal-containing solution is 0 vol%: 100 vol% to 100 vol%: 0 vol% Continuously mixing so as to change into the second compound, and adding a basic compound with an ammonium cation-containing complex forming agent to form a shell on the core,
The pH when the dose of the first metal-containing solution in the first coprecipitation reaction is 100 vol% is 10.5 to 11.5, and the pH when the dose of the second metal-containing solution in the second coprecipitation reaction is 100 vol% is 11 Method for producing a positive electrode active material precursor of 12 to 12.
A method of manufacturing a cathode active material for a secondary battery comprising the step of heat treatment after mixing the cathode active material precursor according to claim 1 with a lithium raw material.
상기 1차 입자는 1차 입자의 중심에서부터 표면까지 니켈, 코발트 및 금속원소 M(이때 M은 Mn 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나임) 중 적어도 하나의 금속이 점진적으로 변화하는 농도구배로 존재하고, 상기 농도구배는, 농도구배 기울기가 음의 값에서 양의 값, 또는 양의 값에서 음의 값으로 변화하는 점인 변곡점을 적어도 하나 갖는 것인 이차전지용 양극활물질.
As secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles of a lithium composite metal oxide including nickel, cobalt and a metal element M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al),
The primary particles are present in a concentration gradient in which at least one metal of nickel, cobalt and metal elements M (wherein M is at least one selected from the group consisting of Mn and Al) is gradually changed from the center to the surface of the primary particles. The concentration gradient is a positive electrode active material for a secondary battery having at least one inflection point in which the concentration gradient is changed from a negative value to a positive value or a positive value to a negative value.
상기 2차 입자는 상기 1차 입자가 응집된 코어 및 상기 코어의 외표면에 위치하며, 상기 1차 입자가 입자의 중심에서부터 표면으로의 방사형 배향을 갖는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 것인 이차전지용 양극활물질.
The method of claim 11,
The secondary particles having a core-shell structure comprising a core in which the primary particles are aggregated and an outer surface of the core, wherein the primary particles comprise a shell having a radial orientation from the center of the particles to the surface Cathode active material for phosphorus secondary batteries.
A lithium secondary battery positive electrode comprising the positive electrode active material according to claim 12.
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E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |