KR102095520B1 - Positive Electrode Active Material for Lithium Secondary Battery Comprising Lithium Cobalt Oxide with Core-Shell Structure and Method of Manufacturing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질로서,
상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 각각 서로 독립적으로 3 종류의 도펀트들을 포함하고;
상기 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수와, 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수의 비율이 하기 조건 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질 및 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
0.7 ≤ r(비율) = OC/OS < 0.95 (1)
여기서, 상기 OC는 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수이고, OS는 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수이다.The present invention is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a core-shell structured lithium cobalt doped oxide,
The lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell each independently contain three types of dopants;
It relates to a positive electrode active material and a method for manufacturing the same, characterized in that the ratio of the average oxidation number of the dopants present in the core and the average oxidation number of the dopants present in the shell satisfies the following condition (1).
0.7 ≤ r (ratio) = OC / OS <0.95 (1)
Here, the OC is the average oxidation number of the dopants present in the core, and the OS is the average oxidation number of the dopants present in the shell.
Description
본 발명은 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a core-shell structured lithium cobalt oxide and a method for manufacturing the same.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As the technology development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing, and among such secondary batteries, a lithium secondary battery exhibiting high energy density and operating potential, long cycle life, and low self-discharge rate Has been commercialized and widely used.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.In addition, as interest in environmental problems has increased, research into electric vehicles and hybrid electric vehicles capable of replacing fossil fuel vehicles such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, has been conducted. . As a power source for such electric vehicles and hybrid electric vehicles, nickel-metal hydride secondary batteries are mainly used, but studies using lithium secondary batteries having a high energy density and discharge voltage are actively being conducted, and are in some commercialization stages.
현재 리튬 이차전지의 양극재로는 LiCoO2, 삼성분계(NMC/NCA), LiMnO4, LiFePO4 등이 사용되고 있다. 이중에서 LiCoO2의 경우, 높은 압연밀도 등의 장점 또한 분명히 존재하기 때문에 현재까지도 LiCoO2가 다수 사용되고 있는 편이며, 고용량 이차전지를 개발하기 위해 사용전압을 상승시키기 위한 연구가 진행되고 있는 실정이다. 그러나, LiCoO2는 충방전 전류량이 약 150 mAh/g 정도로 낮으며, 4.3V 이상의 전압에서는 결정구조가 불안정하여 수명 특성이 급격히 저하되는 문제가 있고, 전해액과의 반응에 의한 발화의 위험성을 가지고 있다.At present, LiCoO 2 , Samsung branch (NMC / NCA), LiMnO 4 , and LiFePO 4 are used as cathode materials for lithium secondary batteries. Among them, in the case of LiCoO 2 , the advantages such as high rolling density are clearly present, and thus LiCoO 2 is still used a lot, and research is being conducted to increase the use voltage to develop a high-capacity secondary battery. However, LiCoO 2 has a low charge / discharge current of about 150 mAh / g, and has a problem in that its crystal structure is unstable at a voltage of 4.3 V or higher, resulting in a rapid decrease in life characteristics, and there is a risk of ignition due to reaction with an electrolyte. .
이를 해결하기 위해, 종래에는 상기 LiCoO2에 Al, Ti, Mg, Zr과 같은 금속을 도핑하거나, LiCoO2의 표면에 Al, Ti, Mg, Zr과 같은 금속을 코팅하는 기술이 사용되기도 하나, 그러나, 이러한 선행기술들은 모두 도핑 원소를 50ppm ~ 8000ppm 이내로 도핑하는 방법만을 개시하고 있어, 4.5V 초과의 고전압에서는 여전히 구조적 안정성을 유지하지 못하는 문제가 있었고, 상기 금속으로 이루어진 코팅층의 경우, 충방전시 Li 이온의 이동을 방해하거나, LiCoO2의 용량을 감소시켜, 오히려 이차전지의 성능을 저하시키고, 고온 및 고전압에서의 안정성 및 수명 특성에 여전히 문제가 있었다.To solve this problem, in the prior art, wherein the LiCoO 2 doped with a metal such as Al, Ti, Mg, Zr, or a technique of coating a metal such as Al, Ti, Mg, Zr on the surface of LiCoO 2 also used, but , All of these prior arts only disclose a method of doping the doping element within 50 ppm to 8000 ppm, and there is still a problem that structural stability cannot be maintained at a high voltage of more than 4.5 V. In the case of the coating layer made of the metal, Li during charging and discharging Interfering with the movement of ions or reducing the capacity of LiCoO 2 , rather deteriorating the performance of the secondary battery, there was still a problem in stability and life characteristics at high temperature and high voltage.
따라서, 고온 및 고전압 환경에서도 수명특성이 높고 안정성이 강화된 리튬 코발트 산화물 기반의 양극 활물질 개발의 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need to develop a positive electrode active material based on lithium cobalt oxide with high life characteristics and enhanced stability even in a high temperature and high voltage environment.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems requested from the past.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물에 각각 독립적으로 도핑된 3 종류의 도펀트들의 평균 산화수 비가 하기 청구항 1의 조건 (1)을 만족하는 경우, 4.5V 초과의 작동전압 범위에서도 결정 구조의 구조적 안정성이 향상되어 결정 구조가 유지되는 바, 높은 고전압 특성을 나타냄을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.After extensive research and various experiments, the inventors of the present application have an average oxidation number ratio of three types of dopants independently doped to the lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell, as described later. When the condition (1) of claim 1 is satisfied, the structural stability of the crystal structure is improved even in the operating voltage range of more than 4.5 V, and the crystal structure is maintained. .
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 양극 활물질은, 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질로서,Accordingly, the positive electrode active material for a secondary battery according to the present invention is a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium cobalt doped oxide having a core-shell structure,
상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 각각 서로 독립적으로 3 종류의 도펀트들을 포함하고; The lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell each independently contain three types of dopants;
상기 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수와, 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수의 비율이 하기 조건 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.The ratio of the average oxidation number of the dopants present in the core to the average oxidation number of the dopants present in the shell is characterized by satisfying the following condition (1).
0.7 ≤ r(비율) = OC/OS < 0.95 (1)0.7 ≤ r (ratio) = OC / OS <0.95 (1)
여기서, 상기 OC는 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수이고, OS는 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수이다.Here, the OC is the average oxidation number of the dopants present in the core, and the OS is the average oxidation number of the dopants present in the shell.
일반적으로 양극 활물질로서 4.35V, 4.4V, 4.45V의 전지 구동을 위한 리튬 코발트 산화물을 고전압으로 사용하는 경우, 리튬 코발트 산화물은 Al, Ti, Zr, Mg, P, Ca, F, Co 등의 도핑 또는 코팅으로 고전압 환경에서 구조적인 내구성 및 표면 안정성을 구현하였었다. 구체적으로, 리튬 코발트 산화물은 본질적인 특성으로 LixCoO2에서 x < 50인 상황에서 Co3+ 가 Co4+ 로 산화되면서, 작은 Co4+ 의 이온 반경으로 인해 구조적인 스트레스가 증가하고, 계속하여 충전함으로써 x = 20 부근까지 감소하면 코인 하프셀 전압 기준 4.53V 영역에서 O3 구조에서 H1-3 구조로의 구조변화가 발생한다. 이러한 구조변화는 충, 방전시 비가역적으로 발생되면서 4.55V 이상에서 효율, 방전 율 특성, 및 수명 특성의 열위가 두드러지게 확인된다. 물론, 기존의 4.2V에서 4.45V의 셀 개발에서는 O3 구조서부터 큰 변화 없이 충 방전이 이루어졌으나(물론, mono-clinic 상으로의 변화가 있으나 이는 가역적이며 수명에는 영향이 없다), 4.5V 이상의 전지 구동을 위해서는 상기 H1-3으로의 구조 변화를 막아야 하는 문제가 발생한다.In general, when a lithium cobalt oxide for driving a battery of 4.35V, 4.4V, or 4.45V as a positive electrode active material is used as a high voltage, the lithium cobalt oxide is doped with Al, Ti, Zr, Mg, P, Ca, F, Co, etc. Alternatively, structural durability and surface stability were realized in a high voltage environment by coating. Specifically, lithium cobalt oxide as the essential characteristics from Li x CoO 2 in the x <50 situation Co 3+ increases the structural stress due to the ionic radius of, small Co 4+ 4+ As oxidized to Co, and continue to When charging is reduced to around x = 20, a structure change from the O3 structure to the H1-3 structure occurs in the 4.53V region based on the coin half-cell voltage. This structural change occurs irreversibly during charging and discharging, and the inferiority of efficiency, discharge rate characteristics, and life characteristics at 4.55 V or higher is remarkably confirmed. Of course, in the existing 4.2V to 4.45V cell development, charging and discharging was performed without significant change from the O3 structure (of course, there is a change to the mono-clinic phase, but this is reversible and does not affect the lifespan), but the battery is 4.5V or more In order to drive, there is a problem that a structure change to the H1-3 should be prevented.
이에, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물로서, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물이 각각 3 종류의 도펀트를 가지면서 이들의 평균 산화수를 조절하여 코어와 쉘에 도핑된 도펀트들의 평균 산화수비가 상기 범위를 가지도록 하는 경우에는, 고온, 고전압 하에서 표면 구조 변화를 억제하여 양극 활물질 입자의 구조적 안정성을 향상시킴으로써 수명 특성이 현저히 향상되는 것을 밝혀내었다.Accordingly, the inventors of the present application, after repeated in-depth research, as the core-shell structured lithium cobalt doped oxide, the core lithium cobalt doped oxide and the shell lithium cobalt doped oxide each have three types of dopants. When the average oxidation number of the dopants doped into the core and the shell is adjusted by controlling the average oxidation number, the surface structure change is suppressed under high temperature and high voltage to improve the structural stability of the positive electrode active material particles, thereby significantly improving the life characteristics. Turned out to be.
본 출원의 명세서에서, 구동 전압은 하프 코인 셀 기준으로 작성되었다.In the specification of the present application, the driving voltage is written on a half coin cell basis.
여기서, 상기 r(비율)이 조건(1)의 범위를 벗어나는 경우, 비가역적인 결정구조의 변화가 많이 일어나며, 이에 수명 특성에 있어서도 열위가 나타나는 바, 본원발명이 소망하는 효과를 얻을 수 없다. 더욱 상세하게는, 상기 r(비율)이 0.8 ≤ r < 0.95의 조건을 만족할 수 있다.Here, when the r (ratio) is outside the range of condition (1), a large number of irreversible crystal structure changes occur, and thus, inferiority also appears in the lifespan characteristics, and thus the desired effect of the present invention cannot be obtained. More specifically, the r (ratio) may satisfy the condition of 0.8 ≤ r <0.95.
이러한 조건을 만족하는 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은, 만충전시의 양극 전위가 Li 전위 기준으로 4.5V 초과인 범위에서, 상변화 없이 결정구조가 유지될 수 있다.The core-shell structured lithium cobalt-doped oxide that satisfies these conditions can maintain a crystal structure without phase change in a range in which the anode potential at full charge is greater than 4.5 V based on the Li potential.
먼저, 상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.First, the lithium cobalt doped oxide of the core may have a composition of Formula 1 below.
LiaCo1-x-y-zM1xM2yM3zO2 (1)Li a Co 1-xyz M1 x M2 y M3 z O 2 (1)
상기 식에서,In the above formula,
M1, M2 및 M3은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;M1, M2 and M3 are each independently one element selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V and Mn;
0.95≤a≤1.05;0.95≤a≤1.05;
0<x≤0.04, 0<y≤0.04, 및 0<z≤0.04이다.0 <x≤0.04, 0 <y≤0.04, and 0 <z≤0.04.
유사하게, 상기 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.Similarly, the lithium cobalt doped oxide of the shell may have the composition of Formula 2 below.
LibCo1-s-t-wM1'sM2'tM3'wO2 (1)Li b Co 1-stw M1 ' s M2' t M3 ' w O 2 (1)
상기 식에서,In the above formula,
M1', M2' 및 M3'은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;M1 ', M2' and M3 'are each independently selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V and Mn ;
0.95≤b≤1.05;0.95≤b≤1.05;
0<s≤0.04, 0<t≤0.04, 및 0<w≤0.04이다.0 <s≤0.04, 0 <t≤0.04, and 0 <w≤0.04.
즉, 상기 화학식에서 보는 바와 같이, 코어와 쉘의 조성식은 모두, 3 종류의 도펀트들이 코발트 자리에 도핑된 형태로, 그 도핑원소의 종류 및 도핑량에 있어서도 크게 다르지 않다.That is, as shown in the above formula, the composition formulas of the core and the shell are all three types of dopants doped at the cobalt site, and do not differ significantly in the type and amount of doping elements.
따라서, 상기에서 볼 수 있듯이, 상기 쉘의 개념은 코어와 구분하여 완전히 독립된 다른 상이 아니라, 조성 및/또는 함량이 변하여 표면 도핑된 것과 같은 개념이라고 볼 수 있어, 코어와 쉘을 구분할 수 있는 정도라면 표면 도핑된 구성도 본 발명의 범주에 포함된다.Therefore, as can be seen from the above, the concept of the shell is not a completely independent phase separate from the core, but can be regarded as the same concept as surface doping due to a change in composition and / or content, so long as it can distinguish between the core and the shell. Surface-doped constructions are also within the scope of the present invention.
이때. 코어와 구분되는 조성에 차이가 있는 쉘의 두께는, 50 내지 2000 nm, 상세하게는, 50 내지 200 nm일 수 있다. At this time. The thickness of the shell having a difference in composition different from the core may be 50 to 2000 nm, and specifically, 50 to 200 nm.
상기 범위를 벗어나, 쉘의 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 저항이 큰 쉘의 영향으로 저항이 클 수 있으며, Li 이온 이동통로의 단절로 인해 저항 및 율 특성에서 부정적일 수 있는 문제가 있고, 쉘의 두께가 너무 얇은 경우에는, 쉘에 의한 고전압 안정성을 보장받지 못할 수 있는 바, 바람직하지 않다.Outside the above range, if the thickness of the shell is too thick, the resistance may be large due to the influence of a large shell, and there may be a problem in that the resistance and rate characteristics may be negative due to the disconnection of the Li ion transport passage, If the thickness is too thin, it may not be possible to guarantee high voltage stability by the shell, which is not preferable.
상기 코어와 쉘의 코발트 자리에 치환되는 도펀트들의 종류는 전체가 동일할 수도(M1=M1', M2=M2', M3=M3'), 상이(M1≠M1'≠M2≠M2'≠M3≠M3')할 수도 있으며, 일부가 동일, 예를 들어, M1=M1', M2=M2', M3≠M3'할 수도 있고, 어떠한 조합도 가능하며 상기 예로 한정되는 것은 아니다. 전체 도펀트들의 종류가 동일한 경우, 그 함량은 상기 조건 (1)을 만족하는 범위에서 정해지므로, 일부 또는 전부가 상이하다.The types of dopants substituted in the cobalt sites of the core and the shell may be the same in all (M1 = M1 ', M2 = M2', M3 = M3 '), and different (M1 ≠ M1' ≠ M2 ≠ M2 '≠ M3 ≠) M3 '), and some may be the same, for example, M1 = M1', M2 = M2 ', M3_M3', and any combination is possible and is not limited to the above example. When all kinds of dopants are the same, the content is determined in a range that satisfies the above condition (1), so some or all of them are different.
상기 코어와 쉘의 코발트 자리에 치환되는 도펀트들의 종류가 일부 또는 전부 상이한 경우에도, 각각의 도펀트들이 가지는 산화수가 동일한 원소들이 선택될 수 있으므로, 그 함량은 상기 조건 (1)을 만족하는 범위에서 동일, 또는 상이할 수 있다.Even if the types of dopants substituted in the cobalt sites of the core and the shell are different, some or all of the elements having the same oxidation number of the respective dopants can be selected, so that the content is the same in the range that satisfies the condition (1). , Or may be different.
더욱이, M1, M2, 및 M3와, M1', M2', 및 M3'는 상기 도펀트들 중에서 선택되는 것으로, M1, M2, 및 M3끼리, 또는 M1', M2', 및 M3'끼리 산화수가 같을 수도 다를 수도 있으나, 상세하게는, 코어와 쉘의 코발트 자리에 치환되는 각각의 도펀트들은 서로 다른 산화수를 가질 수 있으며, 상세하게는, M1 및 M1'는 +2가 산화수의 금속이고, M2 및 M2'는 +3가 산화수의 금속이며, 및 M3 및 M3'는 +4가 산화수의 금속일 수 있다.Moreover, M1, M2, and M3, and M1 ', M2', and M3 'are selected from the above dopants, and M1, M2, and M3, or M1', M2 ', and M3' have the same oxidation number. The number may be different, but in detail, each dopant substituted at the cobalt site of the core and the shell may have a different oxidation number, and in detail, M1 and M1 'are +2 metals of oxidation number, and M2 and M2 'Is a metal of +3 valence oxidation water, and M3 and M3' may be a metal of +4 valence oxidation water.
이와 같이, 코어와 쉘에 도핑되는 도펀트들이 +2, +3, +4가 산화수를 모두 가지도록, 함께 도핑되는 다른 원소들과 서로 상이한 산화수를 가지는 경우에 본원발명이 의도한 구조적 안정성에 더욱 유리하다.As described above, when the dopants doped in the core and the shell have different oxidation numbers from other elements doped together, so that +2, +3, and +4 all have oxidation water, it is more advantageous for the structural stability intended by the present invention. Do.
구체적으로, +2가 산화수의 금속은, 도핑된 금속이 Co3+보다 먼저 산화되어, Co4+로의 산화를 방지하여 구조적인 스트레스 발생을 막아 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, +3가 산화수의 금속은 Co4+로 산화된 코발트를 대신하여 구조를 유지시키는 역할과 함께 표면 안정성도 향상시키며, +4가 산화수의 금속은 고온 및 고전압 하에서, 표면 구조 변화를 억제하고, 리튬 이온의 이동을 상대적으로 용이하게 하여 이차전지의 출력 특성 저하를 방지한다. 이와 같은 도펀트들의 조합에 의해 본 발명에 따른 리튬 코발트 도핑 산화물은 4.5V 초과의 작동범위에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있다.Specifically, the metal of +2 is oxidized water, the doped metal is oxidized before Co 3+ , to prevent the oxidation to Co 4+ to prevent the occurrence of structural stress can improve the structural stability, +3 is oxidized water The metal maintains the structure in place of the cobalt oxidized with Co 4+ and also improves the surface stability, and the metal of +4 valent oxidation water suppresses the change in surface structure under high temperature and high voltage, and the movement of lithium ions is relatively It is easy to prevent the degradation of the output characteristics of the secondary battery. By the combination of these dopants, the lithium cobalt doped oxide according to the present invention can maintain structural stability even in an operating range of more than 4.5V.
즉, 상기 각각에 도핑되는 서로 다른 산화수를 가지는 도펀트들은 리튬 코발트 산화물의 코발트 자리를 일부 치환되어 각각의 시기와 상황에 맞게 구조적 안전성을 향상시키는 역할을 수행한다. That is, the dopants having different oxidation numbers doped in each of the above partially replace the cobalt site of the lithium cobalt oxide, thereby serving to improve structural safety according to each time and situation.
이때, +2가 산화수의 금속 M1 및 M1'은 각각 독립적으로 Mg, Ca, Ni 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고; 상기 +3가 산화수의 금속 M2 및 M2'은 각각 독립적으로 Ti, Al, Ta 및 Nb으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이며; 상기 +4가 산화수의 금속 M3 및 M3'은 각각 독립적으로 Ti, Ta, Nb, Mn 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택되며 M2 및 M2'와 다른 원소일 수 있고, 더욱 상세하게는, +2가 산화수의 금속(M1)은 Mg이고, 상기 +3가 산화수의 금속(M2)은 Ti 또는 Al이며, 상기 +4가 산화수의 금속(M3)은 Ti, Nb 또는 Mo일 수 있다.In this case, the metals M1 and M1 'of the +2 valence oxidation water are each independently one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Ni and Ba; The metals M2 and M2 'of the +3 valence oxide are each independently one element selected from the group consisting of Ti, Al, Ta and Nb; The metals M3 and M3 'of the +4 valent oxidation water are each independently selected from the group consisting of Ti, Ta, Nb, Mn and Mo, and may be elements different from M2 and M2', and more specifically, +2 is the oxidation water The metal (M1) of Mg is, the metal of the +3 valence oxidation water (M2) is Ti or Al, and the metal (M3) of the +4 valence oxidation water may be Ti, Nb or Mo.
더욱이, 이러한 도펀트들이 모두 과량으로 포함된다고 해서 구조적 안정성이 계속 증가하는 것은 아니고, 도핑되는 도펀트들의 총 함량이 코어 및 쉘에 각각에서 몰비를 기준으로 12%를 넘지 않으면서, 코어와 쉘의 평균산화수비가 상기 조건(1)을 만족하는 경우에 향상된 구조적 안정성을 발휘할 수 있음은 상기에서 설명한 바와 같다. Moreover, the structural stability does not continue to increase even if all of these dopants are included in an excessive amount, and the average oxidation number of the core and the shell does not exceed 12% based on the molar ratio in the core and the shell, respectively, without the total content of the doped dopants being increased. As described above, it is possible to exert improved structural stability when the ratio satisfies the condition (1).
한편, 상기 각각의 도펀트들은, 한정되지는 아니하나, 입자 내에서 국부적인 구조 변화를 방지하기 위해 리튬 코발트 도핑 산화물의 코어 및 쉘 전체적으로 균일하게 도핑될 수 있다. Meanwhile, the respective dopants may be uniformly doped throughout the core and shell of the lithium cobalt doped oxide to prevent local structural changes in the particles, although not limited.
또한, 상기 리튬 코발트 도핑 산화물의 표면 구조 안정화를 더욱 향상시키기 위해서, 상기 리튬 코발트 도핑 산화물의 표면에는, 50 nm 내지 100 nm 두께의 Al2O3이 코팅되어 있을 수 있다.In addition, in order to further improve the stabilization of the surface structure of the lithium cobalt doped oxide, Al 2 O 3 having a thickness of 50 nm to 100 nm may be coated on the surface of the lithium cobalt doped oxide.
또한, 본 발명은 상기 양극 활물질의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제조 방법은,In addition, the present invention provides a method for preparing a lithium-cobalt-doped oxide having a core-shell structure of the positive electrode active material,
(i) 3 종류의 도펀트들을 포함하는 도핑 코발트 전구체를 공침에 의해 제조하는 과정; 및(i) a process of preparing a doped cobalt precursor containing three types of dopants by coprecipitation; And
(ii) 상기 도핑 코발트 전구체와 리튬 전구체를 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및(ii) a process of mixing the doped cobalt precursor and a lithium precursor and performing primary firing to produce core particles; And
(iii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;(iii) preparing a core-shell structured lithium cobalt-doped oxide by mixing the core particles, cobalt precursor, lithium precursor, and three types of dopant precursors and performing secondary firing to form a shell on the surface of the core particles;
을 포함할 수 있다.It may include.
상기 제조방법에 따르면, 상기 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은 먼저, 코어의 제조를 위해, 도펀트를 포함하는 도핑 코발트 전구체를 공침에 의해 제조하고, 이후에 도핑 코발트 전구체와 리튬 전구체를 소성하는 과정을 거치는 바, 코어 제조시 코발트 전구체 자체에 도핑이 이루어진 후, 리튬 전구체와 반응하여 생성되므로 도펀트가 코발트 내에 고르게 분포한 상태로 리튬 전구체와 반응할 수 있고, 부생성물이 적어 본원발명이 얻고자 하는 도펀트들을 포함하는 리튬 코발트 도핑 산화물의 수득률이 높다.According to the above manufacturing method, the core-shell structured lithium cobalt-doped oxide is first prepared by co-precipitating a doped cobalt precursor containing a dopant, and then firing the doped cobalt precursor and lithium precursor Through the process, since doping is performed on the cobalt precursor itself during core production, it is generated by reacting with the lithium precursor, so that the dopant can react with the lithium precursor evenly distributed in the cobalt, and there are fewer by-products to obtain the present invention The yield of lithium cobalt doped oxide containing dopants is high.
여기서, 상기 과정(i)에서, 도펀트 원소를 포함하는 염들과 코발트염을 물에 용해시킨 후, 용액을 염기성 분위기로 전환하여, 공침에 의해 도핑 코발트 전구체로서 도핑 코발트 산화물을 제조할 수 있다. 이때, 상기 도펀트 원소를 포함하는 염들의 함량과 코발트염의 함량은 최종 생성물인 코어의 조성을 고려하여 혼합비를 결정할 수 있다.Here, in the process (i), after dissolving the salts and cobalt salts containing the dopant element in water, the solution is converted to a basic atmosphere to prepare a doped cobalt oxide as a doped cobalt precursor by coprecipitation. At this time, the content of the salts containing the dopant element and the content of the cobalt salt may be determined by considering the composition of the final product core.
상기 과정(i)의 도핑 코발트 전구체를 제조하기 위한 상기 도펀트 원소를 포함하는 염들과 코발트염들은 공침 과정을 수행할 수 있는 형태라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 탄산염, 황산염, 또는 질산염의 형태일 수 있고, 상세하게는, 황산염일 수 있다.Salts and cobalt salts containing the dopant element for preparing the doped cobalt precursor of step (i) are not limited as long as they are capable of performing a co-precipitation process, for example, in the form of carbonate, sulfate, or nitrate. And, in particular, sulfate.
상기 과정(iii)에서 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체의 함량은, 쉘의 조성을 고려하여 혼합비를 결정할 수 있다. 이때, 상기 조건 (1)을 만족하도록 혼합됨은 물론이다.In the process (iii), the content of the cobalt precursor, lithium precursor, and three types of dopant precursor may be determined by considering the composition of the shell. At this time, it is of course mixed to satisfy the above condition (1).
리튬 코발트 도핑 산화물에 추가적인 금속 코팅을 위해서는 예를 들어, Al2O3 등의 산화물을 건식 또는 습식 혼합하여 가능하고, 당업계에 개시된 방법이라면 한정되지 아니한다. For additional metal coating on the lithium cobalt doped oxide, for example, an oxide such as Al 2 O 3 may be dry or wet mixed, and the method disclosed in the art is not limited.
또한, 본 발명은, 상기 양극 활물질의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 또 하나의 방법을 제공하고, 구체적으로 상기 제조방법은, In addition, the present invention provides another method for producing a lithium-cobalt-doped oxide having a core-shell structure of the positive electrode active material, and specifically, the manufacturing method,
(i) 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체를 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및(i) a process of mixing the cobalt precursor, the lithium precursor, and the three types of dopant precursors and performing primary firing to produce core particles; And
(ii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 상기 과정(i)과는 독립적으로 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;(ii) the core particle, the cobalt precursor, the lithium precursor, and independently of the process (i), three types of dopant precursors are mixed and secondary fired to form a shell on the surface of the core particle to form a shell on the surface of the core particle, lithium Preparing a cobalt doped oxide;
을 포함할 수 있다.It may include.
상기 제조방법에 따르면, 상기 코어부터 쉘까지 코발트 전구체와 리튬 전구체, 및 도펀트 전구체들을 한꺼번에 혼합하여 소성하여 제조하는 바, 보다 간편한 방법으로, 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조할 수 있다.According to the above manufacturing method, a cobalt precursor, a lithium precursor, and a dopant precursor are mixed together and fired from the core to the shell to produce a lithium cobalt doped oxide in a more convenient manner.
이때, 상기 각각의 단계에서, 도펀트 전구체들의 함량과 코발트 전구체의 함량은 최종 생성물을 고려하여 혼합비를 결정할 수 있다. 또한, 과정(i) 및 (ii)에서 상기 도펀트 전구체들의 혼합비는 상기 조건 (1)을 만족하도록 설정될 수 있다.At this time, in each of the above steps, the content of the dopant precursors and the content of the cobalt precursors may determine the mixing ratio in consideration of the final product. In addition, the mixing ratio of the dopant precursors in steps (i) and (ii) may be set to satisfy the condition (1).
한편, 상기 어느 방법에 의해서도 본원발명의 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 것은 가능하며, 여기서, 상기 코발트 전구체는 코발트 산화물, 예를 들어, Co3O4일 수 있고, 상기 도펀트 전구체들은 도펀트용 금속, 금속 산화물 또는 금속염일 수 있으며, 상기 리튬 전구체 역시, 한정되지 아니하나, 상세하게는, LiOH, 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.On the other hand, it is possible to prepare the core-shell structured lithium cobalt-doped oxide of the present invention by any of the above methods, wherein the cobalt precursor may be cobalt oxide, for example, Co 3 O 4 , and the dopant precursor These may be metals, metal oxides or metal salts for dopants, and the lithium precursors are also not limited, but may be one or more selected from the group consisting of LiOH and Li 2 CO 3 .
상기에서 설명한 바와 같이, 3 종류의 도펀트 전구체들의 도펀트들은 서로 다른 종류라면 산화수가 서로 동일할 수도 상이할 수도 있으나, 고전압에서 다양한 방법으로, 보다 향상된 구조적 안정성을 발휘하기 위해서는 상세하게는, 서로 상이한 산화수를 가질 수 있고, 더욱 상세하게는, +2가 산화수의 금속, +3가 산화수의 금속, 및 +4가 산화수의 금속일 수 있다.As described above, the dopants of the three types of dopant precursors may have the same or different oxidation numbers if they are different types, but in various ways at high voltage, in order to exhibit more improved structural stability, in detail, different oxidation numbers It may have, and, more specifically, +2 may be a metal of oxidized water, +3 of a metal of oxidized water, and +4 of a oxidized metal.
한편, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물을 얻기 위한 상기 1차 소성은 850℃ 내지 1100℃의 온도에서 8 시간 내지 12 시간 수행되고, 쉘을 형성하기 위한 상기 2차 소성은 700℃ 내지 1100℃의 온도에서 5 시간 내지 12 시간 수행될 수 있다.Meanwhile, the primary firing for obtaining the lithium cobalt doped oxide of the core is performed for 8 to 12 hours at a temperature of 850 ° C to 1100 ° C, and the secondary firing for forming a shell is at a temperature of 700 ° C to 1100 ° C 5 hours to 12 hours.
상기 1차 소성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 온도에서 수행되거나, 지나치게 짧은 시간 동안 수행될 경우에는 수행될 경우에는, 리튬 소스가 충분히 침투하지 못하여 상기 양극 활물질이 안정적으로 형성되지 못할 수 있고, 이와 반대로, 상기 범위를 벗어나 지나치게 높은 온도, 또는 지나치게 긴 시간 동안 수행될 경우에는, 상기 도핑이 이루어진 리튬 코발트계 산화물의 물리적, 화학적 특성을 변화시켜, 오히려 성능 저하를 유발할 수 있어 바람직하지 않다.When the primary firing is performed at an excessively low temperature outside the above range or when performed for an excessively short period of time, the lithium source may not sufficiently penetrate and the positive electrode active material may not be stably formed. , When it is performed for an excessively high temperature or an excessively long time out of the above range, the physical and chemical properties of the lithium cobalt oxide in which the doping is performed may be changed, which may cause performance degradation.
유사하게, 상기 2차 소성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 온도, 또는 지나치게 짧은 시간 동안 수행될 경우에는, 쉘을 이루는 전구체들이 반응하지 못한 채로 양극 활물질 사이에 잔류하여 전지의 성능 저하를 유발할 수 있고, 이와 반대로, 상기 2차 소성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 높은 온도, 또는 너무 긴 시간 동안 수행될 경우에는, 쉘의 도펀트 성분이 코어부로 도핑이 될 수 있고, 이 경우, 상기 조건 (1)을 만족하도록 제조하는데 어려움이 있는 바, 바람직하지 않다.Similarly, when the secondary firing is performed for an excessively low temperature or an excessively short time outside the above range, precursors constituting the shell may remain between the positive electrode active materials without reacting to cause deterioration of the battery performance, Conversely, when the secondary firing is performed for an excessively high temperature or too long time outside the above range, the dopant component of the shell may be doped into the core portion, in which case the condition (1) is satisfied. It is not desirable because it is difficult to manufacture.
이러한 결과로 얻어지는 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물은, 상기 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수와, 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수의 비율이 상기 조건 (1)을 만족할 수 있고, 본 발명이 의도한 효과를 발휘한다.As a result, in the core-shell structured lithium cobalt-doped oxide, the ratio of the average oxidation number of the dopants present in the core and the average oxidation number of the dopants present in the shell may satisfy the condition (1), and the present invention Exert the intended effect.
본 발명은 또한, 상기 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 슬러리를 집전체에 도포하여 제조되는 것을 특징으로 하는 양극을 제공한다. 필요에 따라서는 상기 슬러리에 충진제를 더 첨가할 수 있다.The present invention also provides a positive electrode characterized in that it is produced by applying a slurry containing the positive electrode active material, a conductive material, and a binder to a current collector. If necessary, a filler may be further added to the slurry.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector is generally manufactured to a thickness of 3 to 500 μm, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium , And may be used one selected from carbon, nickel, titanium or silver surface treatment on the surface of aluminum or stainless steel, specifically aluminum may be used. The current collector may also increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam, and nonwoven fabric are possible.
상기 양극활물질은, 예를 들어, 상기 양극활물질 입자 외에, 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등으로 구성될 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. The positive electrode active material may include, for example, a layered compound such as lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) or a compound substituted with one or more transition metals, in addition to the positive electrode active material particles; Lithium manganese oxides such as the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiV 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; A Ni-site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2-x M x O 2 (where M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 And the like , it is not limited to these.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is usually added in 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode mixture containing the positive electrode active material. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive material and the like to the current collector, and is usually added at 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture containing the positive electrode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, recycled cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component that inhibits the expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical changes in the battery, and includes, for example, an olefinic polymer such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.
본 발명은 또한, 상기 양극과 음극 및 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.The present invention also provides a secondary battery comprising the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte. The secondary battery is not particularly limited in its kind, but as a specific example, it may be a lithium secondary battery such as a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery having advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.Generally, a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing lithium salt.
이하에서는, 상기 리튬 이차전지의 기타 성분에 대해 설명한다.Hereinafter, other components of the lithium secondary battery will be described.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.The negative electrode is manufactured by applying and drying a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and if necessary, components as described above may be optionally further included.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 micrometers. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or the surface of stainless steel Carbon, nickel, titanium, silver, or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like may be used. In addition, like the positive electrode current collector, it is also possible to form a fine unevenness on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.The negative active material includes, for example, carbon such as non-graphitized carbon and graphite-based carbon; Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Al, B, P, Si, group 1, group 2, group 3 elements of the periodic table, halogen; metal composite oxides such as 0 <x≤1;1≤y≤3;1≤z≤8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni based materials and the like can be used.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 micrometers, and the thickness is generally 5 to 30 micrometers. Examples of the separator include olefin-based polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; Sheets or non-woven fabrics made of glass fiber or polyethylene are used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The electrolyte solution may be a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, and the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt, and the non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte. It is not limited to.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma. -Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxorun, formamide, dimethylformamide, dioxorun, acetonitrile , Nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxy methane, dioxoren derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, Aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyropionate, and ethyl propionate can be used.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and ions. A polymerization agent containing a sex dissociating group and the like can be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 nitrides such as SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , halides, sulfates, and the like can be used.
상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is soluble in the nonaqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lower aliphatic lithium carboxylate, lithium 4-phenyl borate, imide, and the like.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.In addition, the non-aqueous electrolyte solution has the purpose of improving charge / discharge properties, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme (glyme), hexaphosphate triamide, Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N, N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. have. In some cases, in order to impart non-flammability, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, or carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) Carbonate), PRS (Propene sultone), etc. may be further included.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.In one specific example, lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , and LiN (SO 2 CF 3 ) 2 are formed of a cyclic carbonate of EC or PC as a highly dielectric solvent and DEC, DMC or EMC of a low viscosity solvent. A lithium salt-containing non-aqueous electrolyte may be prepared by adding it to a mixed solvent of linear carbonate.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물에 각각 독립적으로 3 종류의 도펀트들이 도핑되고, 도핑된 도펀트들의 평균 산화수 비가 하기 청구항 1의 조건 (1)을 만족함으로써, 4.5V 초과의 작동전압 범위에서도 결정 구조의 구조적 안정성이 향상되어 결정 구조가 유지되는 바, 높은 고전압 특성 나타내고, 고온에서도 구조적 안정성을 유지하여 수명 특성이 향상되는 효과가 있다.As described above, in the positive electrode active material according to the present invention, the lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell are each independently doped with three types of dopants, and the average oxidation number ratio of the doped dopants is as follows: By satisfying the condition (1), the structural stability of the crystal structure is improved even in the operating voltage range of more than 4.5V, and the crystal structure is maintained. have.
도 1는 실험예 1에 따른 25℃에서 상한 전압을 4.55V로 충전한 때의 용량 유지율을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the capacity retention rate when the upper limit voltage is charged to 4.55V at 25 ° C according to Experimental Example 1.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.In the following, description will be made with reference to examples of the present invention, but this is for easier understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
<제조예 1><Production Example 1>
MgO 0.94 g, Al2O3 0.535 g, TiO2 1.73 g, Co3O4 200 g, 및 Li2CO3 81.9 g을 건식 혼합한 후, 노에서 1,050℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.94Mg0.04Al0.01Ti0.01O2을 제조하였다. MgO 0.94 g, Al 2 O 3 0.535 g, TiO 2 1.73 g, Co 3 O 4 200 g, and Li 2 CO 3 81.9 g were dry mixed and calcined in a furnace at 1,050 ° C. for 10 hours for Mg, Al, Ti-doped lithium cobalt-doped oxide Li 1.02 Co 0.94 Mg 0.04 Al 0.01 Ti 0.01 O 2 was prepared.
<제조예 2><Production Example 2>
MgO 0.141 g, Al2O3 2.14 g, TiO2 1.73 g, Co3O4 200 g, 및 Li2CO3 81.9 g을 건식 혼합한 후, 노에서 1,050℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.944Mg0.006Al0.04Ti0.01O2을 제조하였다.MgO 0.141 g, Al 2 O 3 2.14 g, TiO 2 1.73 g, Co 3 O 4 200 g, and Li 2 CO 3 81.9 g were dry mixed and calcined in a furnace at 1,050 ° C. for 10 hours for Mg, Al, Ti-doped lithium cobalt-doped oxide Li 1.02 Co 0.944 Mg 0.006 Al 0.04 Ti 0.01 O 2 was prepared.
<제조예 3><Production Example 3>
Co3(SO4)4, 황산마그네슘(MgSO4), 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 황산티타늄(Ti(SO4)2)이 Co : Mg : Al : Ti = 0.94 : 0.04 : 0.01 : 0.01로 혼합된 혼합 수용액에 분산시키고, 수산화 나트륨을 사용하여 공침하여 (Co0.94Mg0.04Al0.01Ti0.01)(OH)2의 전구체 입자를 얻었다.Co 3 (SO 4 ) 4 , magnesium sulfate (MgSO 4 ), aluminum sulfate (Al 2 (SO 4 ) 3 ), titanium sulfate (Ti (SO 4 ) 2 ) Co: Mg: Al: Ti = 0.94: 0.04: Dispersed in a mixed aqueous solution of 0.01: 0.01, and coprecipitated with sodium hydroxide to obtain precursor particles of (Co 0.94 Mg 0.04 Al 0.01 Ti 0.01 ) (OH) 2 .
상기 전구체 100g에 입자 내 총 원소들의 몰비가 Li:M(Co, Mg, Al, Ti)=1.02:1의 몰비가 되도록 LiOH.H2O 41g를 첨가하여 지르코니아 볼과 함께 볼밀을 이용해 혼합한 후, 혼합물을 공기 분위기하에서 1010℃에서 12시간 고온에서 1차 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.94Mg0.04Al0.01Ti0.01O2을 제조하였다.After adding 41 g of LiOH.H 2 O so that the molar ratio of total elements in the particles to the precursor 100 g is a molar ratio of Li: M (Co, Mg, Al, Ti) = 1.02: 1, and then mixing with a zirconia ball using a ball mill , The mixture was first calcined at 1010 ° C. for 12 hours at a high temperature in an air atmosphere to prepare lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.94 Mg 0.04 Al 0.01 Ti 0.01 O 2 doped with Mg, Al, and Ti.
<제조예 4><Production Example 4>
MgO 0.705 g, Al2O3 0.214 g, TiO2 0.346 g Co3O4 200 g, 및 Li2CO3 81.9 g을 건식 혼합한 후, 노에서 1,050℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.964Mg0.03Al0.004Ti0.002O2을 제조하였다.MgO 0.705 g, Al 2 O 3 0.214 g, TiO 2 0.346 g Co 3 O 4 200 g, and Li 2 CO 3 81.9 g were dry mixed and calcined in a furnace at 1,050 ° C. for 10 hours for Mg, Al, Ti. The doped lithium cobalt doped oxide Li 1.02 Co 0.964 Mg 0.03 Al 0.004 Ti 0.002 O 2 was prepared.
<실시예 1><Example 1>
상기 제조예 1에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물 200 g과, MgO 0.035 g, Al2O3 0.535 g, TiO2 0.43 g, Co3O4 50 g, 및 Li2CO3 20.475 g을 건식 혼합한 후, 노에서 950℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.944Mg0.006Al0.04Ti0.01O2이 Li1.02Co0.94Mg0.04Al0.01Ti0.01O2의 코어에 형성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하였다.200 g of lithium cobalt doped oxide prepared in Preparation Example 1, MgO 0.035 g, Al 2 O 3 0.535 g, TiO 2 0.43 g, Co 3 O 4 50 g, and Li 2 CO 3 20.475 g after dry mixing Lithium cobalt doped oxide doped with Mg, Al, Ti by firing at 950 ° C for 10 hours in a furnace, Li 1.02 Co 0.944 Mg 0.006 Al 0.04 Ti 0.01 O2 is formed on the core of Li 1.02 Co 0.94 Mg 0.04 Al 0.01 Ti 0.01 O2 A cathode active material having a core-shell structure was prepared.
<실시예 2><Example 2>
상기 실시예 1에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물에 평균 입경이 50 nm인 Al2O3을 양극 활물질 전체 질량을 기준으로 0.05 중량% 추가 혼합한 후 570℃에서 6 시간 동안 2차 소성하여, 알루미늄 500 ppm의 코팅층을 형성하였다. 이때, 알루미늄 코팅층은 평균적으로 대략 50 nm 의 두께로 형성되었다.Al 2 O 3 having an average particle diameter of 50 nm was added to the lithium cobalt-doped oxide prepared in Example 1 by 0.05% by weight based on the total mass of the positive electrode active material, followed by secondary calcination at 570 ° C for 6 hours to produce 500 aluminum. A coating layer of ppm was formed. At this time, the aluminum coating layer was formed to an average thickness of approximately 50 nm.
<비교예 1><Comparative Example 1>
상기 제조예 2에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물 200 g과, MgO 0.076 g, Al2O3 0.267 g, TiO2 0.43 g, Co3O4 50 g, 및 Li2CO3 20.475 g을 건식 혼합한 후, 노에서 950℃에서 10시간 동안 소성하여 Mg, Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.957Mg0.013Al0.02Ti0.01O2이 Li1.02Co0.944Mg0.006Al0.04Ti0.01O2의 코어에 형성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하였다.200 g of lithium cobalt-doped oxide prepared in Preparation Example 2, MgO 0.076 g, Al 2 O 3 0.267 g, TiO 2 0.43 g, Co 3 O 4 50 g, and Li 2 CO 3 20.475 g after dry mixing Lithium cobalt doped oxide doped with Mg, Al, Ti by firing for 10 hours at 950 ° C in a furnace, Li 1.02 Co 0.957 Mg 0.013 Al 0.02 Ti 0.01 O2 is in the core of Li 1.02 Co 0.944 Mg 0.006 Al 0.04 Ti 0.01 O 2 A positive electrode active material having a formed core-shell structure was prepared.
<비교예 2><Comparative Example 2>
상기 제조예 4에서 제조된 리튬 코발트 도핑 산화물 200 g과, MgO 0.07 g, Al2O3 0.53 g, TiO2 1.73 g, Co3O4 50 g, 및 Li2CO3 20.475 g을 건식 혼합한 후, 노에서 950℃에서 10시간 동안 소성하여 Al, Ti가 도핑된 리튬 코발트 도핑 산화물 Li1.02Co0.908Mg0.012Al0.04Ti0.04O2이 Li1.02Co0.964Mg0.03Al0.004Ti0.002O2의 코어에 형성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하였다.After 200 g of lithium cobalt doped oxide prepared in Preparation Example 4, MgO 0.07 g, Al 2 O 3 0.53 g, TiO 2 1.73 g, Co 3 O 4 50 g, and Li 2 CO 3 20.475 g after dry mixing The core formed on the core of Li 1.02 Co 0.908 Mg 0.012 Al 0.04 Ti 0.04 O2 is Li 1.02 Co 0.964 Mg 0.03 Al 0.004 Ti 0.002 O 2 by calcining at 950 ° C. for 10 hours in a furnace, and doped with Al and Ti. -A cathode active material having a shell structure was prepared.
하기 표 1은 상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2의 도핑 원소의 평균 산화수(소수점 첫째짜리까지) 과 그 비를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the average oxidation number (up to the first decimal point) and the ratio of the doping elements of Example 1 and Comparative Examples 1 to 2.
<실험예 1><Experimental Example 1>
상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 산화물 입자들을 양극 활물질로서 사용하고, 바인더로서 PVdF 및 도전재로서 천연 흑연을 사용하였다. 양극활물질: 바인더: 도전재를 중량비로 96 : 2 : 2가 되도록 NMP에 잘 섞어 준 후 20 ㎛ 두께의 Al 호일에 도포한 후 130℃에서 건조하여 양극을 제조하였다. 음극으로는 리튬 호일을 사용하고, EC : DMC : DEC = 1 : 2 : 1 인 용매에 1M의 LiPF6가 들어있는 전해액을 사용하여 하프 코인 셀들을 제조하였다.The oxide particles prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 were used as a positive electrode active material, and PVdF as a binder and natural graphite as a conductive material were used. Cathode active material: Binder: Conductive material was mixed well in NMP such that the weight ratio was 96: 2: 2, and then applied to a 20 μm thick Al foil, followed by drying at 130 ° C. to prepare a positive electrode. Lithium foil was used as the negative electrode, and half coin cells were prepared using an electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a solvent of EC: DMC: DEC = 1: 2: 1.
상기 제조된 하프 코인 셀들을, 25℃에서 0.5C으로 상한 전압을 각각 4.55V로 하여 충전하고 다시 1.0C으로 하한 전압 3V까지 방전하는 것을 1회 사이클로 하여, 50회 사이클의 용량 유지율을 측정하였고, 그 결과를 하기 도 1에 나타내었다.The half-coin cells prepared above were charged at 25 ° C at 0.5C with an upper limit voltage of 4.55V, and then discharged to a lower limit voltage of 3C at 1.0C with one cycle, and the capacity retention rate of 50 cycles was measured. The results are shown in Figure 1 below.
도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 실시예의 양극 활물질을 사용한 전지의 용량 유지율은 90% 이상의 용량 유지율을 나타냄에 비해, 비교예들의 양극 활물질을 사용한 전지의 용량 유지율은 약 85% 이하로 수명 특성이 좋지 않아, 본원발명의 조건을 만족하는 실시예들이 고전압 고온 수명 특성이 더 높음을 알 수 있고, 이는 사이클이 진행될수록 그 차이가 더욱 가속화됨을 예상할 수 있다.1, the capacity retention rate of the battery using the positive electrode active material of the embodiment according to the present invention represents a capacity retention rate of 90% or more, whereas the capacity retention rate of the battery using the positive electrode active material of Comparative Examples is about 85% or less This is not good, it can be seen that the embodiments satisfying the conditions of the present invention have higher high-voltage high-temperature life characteristics, which can be expected to accelerate the difference as the cycle progresses.
이상 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Although described above with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above.
Claims (19)
상기 코어의 리튬 코발트 도핑 산화물과 쉘의 리튬 코발트 도핑 산화물은 각각 서로 독립적으로 3 종류의 도펀트들을 포함하고;
상기 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수와, 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수의 비율이 하기 조건 (1)을 만족하며,
상기 3종류의 도펀트들은 +2가 산화수의 금속, +3가 산화수의 금속 및 +4가 산화수의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
0.7 ≤ r(비율) = OC/OS < 0.95 (1)
여기서, 상기 OC는 코어에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수이고, OS는 쉘에 존재하는 도펀트들의 평균 산화수이다.A cathode active material for a lithium secondary battery comprising a core-shell structured lithium cobalt doped oxide,
The lithium cobalt doped oxide of the core and the lithium cobalt doped oxide of the shell each independently contain three types of dopants;
The ratio of the average oxidation number of the dopants present in the core and the average oxidation number of the dopants present in the shell satisfies the following condition (1),
The three types of dopants include a positive electrode active material comprising a metal of +2 valence oxidation water, a metal of +3 valence oxidation water and a metal of +4 valence oxidation water:
0.7 ≤ r (ratio) = OC / OS <0.95 (1)
Here, the OC is the average oxidation number of the dopants present in the core, and the OS is the average oxidation number of the dopants present in the shell.
LiaCo1-x-y-zM1xM2yM3zO2 (1)
상기 식에서,
M1, M2 및 M3은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고, 상기 M1은 +2가 산화수의 금속이고, M2는 +3가 산화수의 금속이며, M3은 +4가 산화수의 금속이고;
0.95≤a≤1.05;
0<x≤0.04, 0<y≤0.04, 및 0<z≤0.04이다.According to claim 1, The lithium cobalt doped oxide of the core is a positive electrode active material, characterized in that it has a composition of formula (1):
Li a Co 1-xyz M1 x M2 y M3 z O 2 (1)
In the above formula,
M1, M2 and M3 are each independently an element selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V and Mn, and the M1 Silver +2 is a metal of oxidized water, M2 is +3 a metal of oxidized water, M3 is +4 a oxidized metal;
0.95≤a≤1.05;
0 <x≤0.04, 0 <y≤0.04, and 0 <z≤0.04.
LibCo1-s-t-wM1'sM2'tM3'wO2 (1)
상기 식에서,
M1', M2' 및 M3'은 서로 독립적으로 Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V 및 Mn로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고, 상기 M1'은 +2가 산화수의 금속이고, M2'는 +3가 산화수의 금속이며, M3'는 +4가 산화수의 금속이고;
0.95≤b≤1.05;
0<s≤0.04, 0<t≤0.04, 및 0<w≤0.04이다.The cathode active material of claim 1, wherein the lithium cobalt doped oxide of the shell has a composition of Formula 2 below:
Li b Co 1-stw M1 ' s M2' t M3 ' w O 2 (1)
In the above formula,
M1 ', M2' and M3 'are each independently selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, Zr, Ba, Ca, Ta, Nb, Mo, Ni, Zn, Si, V and Mn , M1 'is +2 is a metal of oxidized water, M2' is +3 is a metal of oxidized water, M3 'is +4 is a metal of oxidized water;
0.95≤b≤1.05;
0 <s≤0.04, 0 <t≤0.04, and 0 <w≤0.04.
상기 M1 및 M1'은 각각 독립적으로 Mg, Ca, Ni 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이고;
상기 M2 및 M2'은 각각 독립적으로 Ti, Al, Ta 및 Nb으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소이며;
상기 M3 및 M3'은 각각 독립적으로 Ti, Ta, Nb, Mn 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택되며 M2 및 M2'와 다른 원소인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The method of claim 4 or 5,
M1 and M1 'are each independently an element selected from the group consisting of Mg, Ca, Ni and Ba;
M2 and M2 'are each independently an element selected from the group consisting of Ti, Al, Ta and Nb;
The M3 and M3 'are each independently selected from the group consisting of Ti, Ta, Nb, Mn, and Mo, and are positive electrode active materials characterized in that they are different elements from M2 and M2'.
(i) 3 종류의 도펀트들을 포함하는 도핑 코발트 전구체를 공침에 의해 제조하는 과정; 및
(ii) 상기 도핑 코발트 전구체와 리튬 전구체를 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및
(iii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;
을 포함하되,
상기 3종류의 도펀트들은 +2가 산화수의 금속, +3가 산화수의 금속 및 +4가 산화수의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.A method for manufacturing a lithium-cobalt-doped oxide having a core-shell structure of the positive electrode active material for a secondary battery according to claim 1,
(i) a process of preparing a doped cobalt precursor containing three types of dopants by coprecipitation; And
(ii) a process of mixing the doped cobalt precursor and a lithium precursor and performing primary firing to produce core particles; And
(iii) a process of preparing a lithium-cobalt-doped oxide having a core-shell structure by mixing the core particles, a cobalt precursor, a lithium precursor, and three types of dopant precursors and performing secondary firing to form a shell on the surface of the core particles;
Including,
The three types of dopants are +2 oxidized water metal, +3 oxidized water metal and +4 oxidized water metal.
(i) 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 3 종류의 도펀트 전구체를 혼합하고, 1차 소성하여 코어 입자를 제조하는 과정; 및
(ii) 상기 코어 입자, 코발트 전구체, 리튬 전구체, 및 상기 과정(i)과는 독립적으로 3 종류의 도펀트 전구체들을 혼합하고, 2차 소성하여 코어 입자 표면에 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 구조의 리튬 코발트 도핑 산화물을 제조하는 과정;
을 포함하되,
상기 3종류의 도펀트들은 +2가 산화수의 금속, +3가 산화수의 금속 및 +4가 산화수의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.A method for manufacturing a lithium-cobalt-doped oxide having a core-shell structure of the positive electrode active material for a secondary battery according to claim 1,
(i) a process of mixing the cobalt precursor, the lithium precursor, and the three types of dopant precursors and performing primary firing to produce core particles; And
(ii) the core particle, the cobalt precursor, the lithium precursor, and independently of the process (i), three types of dopant precursors are mixed and secondary fired to form a shell on the surface of the core particle to form a shell on the surface of the core particle, lithium Preparing a cobalt doped oxide;
Including,
The three types of dopants are +2 valence oxidation metal, +3 valence oxidation metal and +4 valence oxidation metal.
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