KR20050052268A - Negative active material for lithium secondary battery, method of preparing same, and lithium secondary battery comprising same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기 화학식 1의 산화물과 흑연을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질과 그 제조방법 및 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery including the oxide of the formula (1) and graphite, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the negative electrode active material.
[화학식 1][Formula 1]
LixMyVzO2+d Li x M y V z O 2 + d
상기 식에서, 0.1 ≤ x ≤ 2.5, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0.5 ≤ z ≤ 1.5, 0 ≤ d ≤ 0.5 이며, M은 Al, Cr, Mo, Ti, W, 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이다. 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 우수한 단위 체적당 에너지 밀도를 가지는 금속 산화물과 흑연을 혼합한 것으로서, 금속 산화물의 낮은 용량과 효율을 극복하고, 높은 밀도를 유지하도록 함으로써 고밀도 고용량의 리튬 이차 전지의 제조를 가능하게 하고, 수명특성과 고율 충방전 특성을 우수하게 개선할 수 있다. In the above formula, 0.1 ≦ x ≦ 2.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0.5 ≦ z ≦ 1.5, 0 ≦ d ≦ 0.5, and M is one selected from the group consisting of Al, Cr, Mo, Ti, W, and Zr. It is the above metal. The negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is a mixture of a metal oxide and graphite having an excellent energy density per unit volume, and overcomes the low capacity and efficiency of the metal oxide and maintains a high density of the high density high capacity lithium secondary battery. It is possible to manufacture, and to improve the life characteristics and high rate charge and discharge characteristics excellent.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수명 특성과 고율 충방전 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same. More specifically, a negative electrode active material for a lithium secondary battery excellent in lifespan characteristics and high rate charge-discharge characteristics, a method for producing the same, and the same It relates to a lithium secondary battery.
[종래 기술][Prior art]
최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용하여 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 보임으로써 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.Lithium secondary batteries, which are in the spotlight as power sources of recent portable small electronic devices, exhibit high energy density by showing a discharge voltage that is twice as high as that of a battery using an alkaline aqueous solution using an organic electrolyte solution.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-x CoxO2(0 < X < 1)등과 같이 리튬이 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물을 주로 사용하였다.As a cathode active material of a lithium secondary battery, an oxide composed of lithium and a transition metal having a structure capable of intercalating lithium, such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiNi 1-x Co x O 2 (0 <X <1) Was mainly used.
음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다. 상기 탄소 계열 중 흑연은 리튬 대비 방전 전압이 -0.2 V로 낮아, 이 음극 활물질을 사용한 전지는 3.6V의 높은 방전 전압을 나타내어, 리튬 전지의 에너지 밀도면에서 이점을 제공하며 또한 뛰어난 가역성으로 리튬 이차 전지의 장수명을 보장하여 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 흑연 활물질은 극판 제조시 흑연의 밀도(이론 밀도 2.2 g/cc)가 낮아 극판의 단위 부피당 에너지 밀도 측면에서는 용량이 낮은 문제점이 있고, 높은 방전 전압에서는 사용되는 유기 전해액과의 부반응이 일어나기 쉬워, 전지의 오동작 및 과충전 등에 의해 발화 혹은 폭발의 위험성이 있다. As the negative electrode active material, various types of carbon-based materials including artificial, natural graphite, and hard carbon capable of inserting / desorbing lithium have been applied. The graphite of the carbon series has a low discharge voltage of -0.2 V compared to lithium, and the battery using this negative electrode active material exhibits a high discharge voltage of 3.6 V, providing an advantage in terms of energy density of the lithium battery and excellent reversibility in lithium secondary. It is most widely used to ensure the long life of the battery. However, the graphite active material has a problem of low capacity in terms of energy density per unit volume of the electrode plate due to the low graphite density (theoretical density of 2.2 g / cc) when manufacturing the electrode plate, and easily reacts with the organic electrolyte used at high discharge voltage. There is a risk of fire or explosion due to battery malfunction or overcharging.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 산화물 음극이 최근 개발되고 있다. 후지필름이 연구 개발한 비정질의 주석 산화물은 중량당 800 mAh/g의 고용량을 나타내나, 초기 비가역 용량이 50% 정도 되는 치명적인 문제가 있으며, 방전 전위가 0.5 V 이상이고 비정질상 특유의 전체적으로 부드러운 전압 프로파일(smooth voltage profile)로 전지로 구현되기 어려운 문제가 있다. 또한 충방전에 의해 주석 산화물 중 일부가 산화물에서 주석 금속으로 환원되는 등 부수적인 문제도 심각하게 발생되고 있어 전지에의 사용을 더욱 더 어렵게 하고 있는 실정이다. In order to solve this problem, oxide cathodes have recently been developed. The amorphous tin oxide researched and developed by FUJIFILM exhibits a high capacity of 800 mAh / g per weight, but has a fatal problem with an initial irreversible capacity of about 50%, a discharge voltage of 0.5 V or more, and an amorphous characteristic unique soft voltage profile. (smooth voltage profile) has a problem that is difficult to be implemented as a battery. In addition, incidental problems such as reduction of some tin oxides from oxides to tin metals due to charging and discharging have been seriously occurring, making the use of batteries even more difficult.
이외에 산화물 음극으로 일본 특허 공개 번호 제2002-216753 호(스미토모)에 LiaMgbVOc(0.05 <= a <= 3, 0.12 <= b <= 2, 2 <= 2c-a-2b <= 5) 음극 활물질이 기술되어 있다. 또한, 일본 전지 토론회 2002년 요지집번호 3B05에서는 Li1.1V0.9O 2의 리튬 이차 전지 음극 특성에 대해 발표된 바 있다.In addition, as an oxide cathode, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-216753 (Sumitomo) discloses Li a Mg b VO c (0.05 <= a <= 3, 0.12 <= b <= 2, 2 <= 2c-a-2b <= 5) A negative electrode active material is described. In addition, a Japanese battery debate in 2002 Main Publication No. 3B05 published a lithium secondary battery negative electrode of Li 1.1 V 0.9 O 2 .
그러나 아직 산화물 음극으로는 만족할만한 전지 성능을 나타내지 못하여 그에 관한 연구가 계속 진행중에 있다.However, the oxide negative electrode does not yet exhibit satisfactory battery performance, and research on it is ongoing.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수명특성과 고율 충방전 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery excellent in lifespan characteristics and high rate charge-discharge characteristics and a method of manufacturing the same.
본 발명은 또한 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery containing the negative electrode active material.
본 발명은 하기 화학식 1의 금속 산화물과 흑연이 혼합된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.The present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery in which metal oxide and graphite of Formula 1 are mixed.
[화학식 1][Formula 1]
LixMyVzO2+d Li x M y V z O 2 + d
상기 식에서, 0.1 ≤ x ≤ 2.5, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0.5 ≤ z ≤ 1.5, 0 ≤ d ≤ 0.5이며, M은 Al, Cr, Mo, Ti, W, 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이다.In the above formula, 0.1 ≦ x ≦ 2.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0.5 ≦ z ≦ 1.5, 0 ≦ d ≦ 0.5, and M is one selected from the group consisting of Al, Cr, Mo, Ti, W, and Zr. It is the above metal.
본 발명은 또한, a) 바나듐 원료 물질, 리튬 원료 물질 및 금속 원료 물질을 고상 혼합하고, 상기 혼합물을 환원 분위기 하에서 500 내지 1400℃의 온도에서 열처리하여 상기 화학식 1의 금속 산화물을 제조하는 단계; 및 b) 상기 금속 산화물과 흑연을 혼합하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다. The present invention also comprises the steps of: a) vanadium raw material, a lithium raw material and a metal raw material mixed in a solid phase, and heat treating the mixture at a temperature of 500 to 1400 ℃ in a reducing atmosphere to produce a metal oxide of the formula (1); And b) provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising the step of mixing the metal oxide and graphite.
본 발명은 또한 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극; 상기 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. The present invention also provides a positive electrode comprising a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions; A negative electrode including the negative electrode active material; And it provides a lithium secondary battery comprising an electrolyte.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 음극 활물질은 상기 화학식 1로 표시되는 금속 산화물과 흑연을 혼합하여 제조할 수 있다. The negative electrode active material of the present invention may be prepared by mixing the metal oxide and graphite represented by the formula (1).
본 발명에서 사용하는 상기 금속 산화물은 LiCoO2 구조에서의 Co를 Li과 다른 전이 금속 원소인 V와 또 다른 제2의 금속 원소인 Al, Mo, W, Ti, Cr, Zr로 치환하여 합성하여, 흑연에 유사한 방전 전위와 수명 특성을 나타낸다. 특히, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 음극의 금속 산화물로 사용하였을 경우 1000 mAh/cc 이상의 단위 체적당 용량을 얻을 수 있다. 상기 화학식 1에서 M으로 표시된 치환체로서는 상기 금속원소 중에서도 Mo과 W이 바람직하다.The metal oxide used in the present invention is synthesized by substituting Co in a LiCoO 2 structure with V, which is a transition metal element different from Li, and Al, Mo, W, Ti, Cr, Zr, which is another second metal element, It exhibits similar discharge potential and lifetime characteristics to graphite. Particularly, when the compound represented by Chemical Formula 1 is used as the metal oxide of the negative electrode, a capacity per unit volume of 1000 mAh / cc or more can be obtained. As the substituent represented by M in Formula 1, Mo and W are preferable among the metal elements.
상기 화학식 1에 있어서 x, y, z 및 d가 상술한 범위를 벗어나는 경우에는 리튬 금속 대비 평균 전위가 1.0 V 이상으로서 높은 값을 가지므로, 음극 활물질로 이용하게 될 경우, 전지의 방전 전압이 너무 낮아지는 문제점이 있다. 이를 구체적으로 설명하면, x가 0.1 미만인 화합물을 사용한 것으로 Solid State Ionics, 139, 57~65, 2001 및 Journal of Power Source, 81~82, 651~655, 1999에 Li을 포함하지 않는 금속 바나듐 산화물 음극 활물질이 기재되어 있다. 그러나 상기 논문에 발표된 활물질은 본 발명의 활물질과 결정 구조가 상이하며, 평균 방전 전위 역시 1.0 V 이상으로 음극으로 사용하기에는 문제점이 있다. When x, y, z and d in the above formula 1 is out of the above-described range, since the average potential is 1.0 V or more compared to lithium metal, the discharge voltage of the battery is too high when used as a negative electrode active material. There is a problem of being lowered. Specifically, a metal vanadium oxide cathode which does not contain Li in Solid State Ionics, 139, 57-65, 2001 and Journal of Power Source, 81-82, 651-655, 1999, using a compound with x less than 0.1. Active materials are described. However, the active material disclosed in the paper is different from the crystal structure of the active material of the present invention, the average discharge potential is also 1.0V or more there is a problem to use as a negative electrode.
본 발명에서는 상기 음극 활물질의 전도성을 향상시키기 위하여 흑연을 혼합하였다. 상기 흑연은 상기 음극 활물질 전체에 대하여 1 내지 99 중량%으로 포함되는 것이 바람직하다. In the present invention, graphite is mixed to improve conductivity of the negative electrode active material. The graphite is preferably contained in 1 to 99% by weight based on the entire negative electrode active material.
본 발명의 음극 활물질은 상기 금속 산화물의 (003)면의 X-선 회절 피크의 면적(이하 M(003)이라 한다.)과 상기 흑연의 (002)면의 X-선 회절 피크의 면적(이하 G(002)이라 한다.)의 비인 M(003)/G(002) 값이 0.01 내지 100인 것이 바람직하며, 상기 M(003)/G(002) 값이 1 내지 50인 것이 더욱 바람직하다. 상기 M(003)/G(002) 값이 0.01 미만인 경우에는 부피당 용량이 저하되는 문제점이 있으며, 100을 초과하는 경우에는 수명특성이 저하되는 문제점이 있다. The negative electrode active material of the present invention is the area of the X-ray diffraction peak of the (003) plane of the metal oxide (hereinafter referred to as M (003)) and the area of the X-ray diffraction peak of the (002) plane of the graphite (hereinafter The M (003) / G (002) value, which is the ratio of G (002).), Is preferably 0.01 to 100, and more preferably the M (003) / G (002) value is 1 to 50. If the M (003) / G (002) value is less than 0.01, there is a problem that the capacity per volume is lowered, if it exceeds 100 there is a problem that the life characteristics are lowered.
상기 금속 산화물과 혼합되는 흑연의 예로는 판상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연 등을 사용할 수 있다. Examples of the graphite mixed with the metal oxide may be plate-like, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite.
본 발명의 음극 활물질의 금속 산화물은 단위 체적당 이론 에너지 밀도가 4.2 g/cc이고, 실제 극판 제조시 대략 3.0 g/cc의 극판밀도를 얻을 수 있으며, 단위중량당 용량을 300 mAh/g으로 하면 이론적으로는 단위 체적당 이론 용량은 1200 mAh/cc 이상이고, 실제 900 mAh/cc 이상의 에너지 밀도를 얻을 수 있으므로, 종래 음극 활물질인 흑연만을 사용할 경우, 단위 체적당 이론 에너지 밀도 2.0 g/cc, 실제 에너지 밀도 1.6 g/cc, 360 mAh/g으로 단위 체적당 실제 용량 570 mAg/cc에 비하여 에너지 밀도를 2배 이상 향상시킬 수 있다. When the metal oxide of the negative electrode active material of the present invention has a theoretical energy density of 4.2 g / cc per unit volume, an electrode plate density of about 3.0 g / cc can be obtained in actual electrode plate production, and the capacity per unit weight is 300 mAh / g. Theoretically, the theoretical capacity per unit volume is 1200 mAh / cc or more, and an energy density of 900 mAh / cc or more can be obtained. Therefore, when only graphite, which is a conventional anode active material, is used, the theoretical energy density per unit volume is 2.0 g / cc, actual. With an energy density of 1.6 g / cc and 360 mAh / g, the energy density can be more than doubled compared to the actual capacity of 570 mAg / cc per unit volume.
아울러, 본 발명의 음극 활물질은 유기 전해액과의 안전성도 종래의 탄소계 음극 활물질에 비하여 우수하다.In addition, the negative electrode active material of the present invention is also superior in stability with the organic electrolyte solution compared with the conventional carbon-based negative electrode active material.
상기 화학식 1의 금속 산화물의 제조공정을 설명하면 다음과 같다. 먼저 바나듐 원료 물질, 리튬 원료 물질 및 금속 원료 물질을 고상 혼합한다. 이때, 바나듐 원료 물질, 리튬 원료 물질 및 금속 원료 물질의 혼합 비율은 화학식 1의 원하는 조성이 얻어지는 범위에서 적절하게 조절할 수 있다. 상기 바나듐 원료 물질로는 바나듐 금속, VO, V2O3, V2O4, V2O5 , V4O7, VOSO4ㆍnH2O 또는 NH4VO3 를 사용할 수 있다.The manufacturing process of the metal oxide of Chemical Formula 1 is as follows. First, vanadium raw material, lithium raw material and metal raw material are mixed in solid phase. At this time, the mixing ratio of the vanadium raw material, the lithium raw material and the metal raw material can be appropriately adjusted in a range where a desired composition of the formula (1) is obtained. As the vanadium raw material, vanadium metal, VO, V 2 O 3 , V 2 O 4 , V 2 O 5 , V 4 O 7 , VOSO 4 nH 2 O or NH 4 VO 3 may be used.
상기 리튬 원료 물질로는 리튬 카보네이트, 리튬 하이드록사이드, 리튬 나이트레이트 및 리튬 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 상기 금속 원료 물질은 Al, Cr, Mo, Ti, W 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 산화물 또는 수산화물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이들의 예로는 Al(OH)3, Al2O3, Cr2O3, MoO 3, TiO2, WO3 또는 ZrO2를 들 수 있다.The lithium raw material may be selected from the group consisting of lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate and lithium acetate, and the metal raw material is Al, Cr, Mo, Ti, W and Zr. It may be used selected from the group consisting of oxides or hydroxides containing a metal selected from. Examples thereof include Al (OH) 3 , Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , MoO 3 , TiO 2 , WO 3 or ZrO 2 .
상기 혼합물을 환원 분위기 하에서 500 내지 1400℃, 바람직하게는 900 내지 1200℃의 온도에서 열처리하여 상기 화학식 1의 리튬-바나듐계 산화물을 포함하는 비수계 전해질 이차 전지용 음극 활물질을 제조한다. 상기 열처리 온도가 500 내지 1400℃의 범위를 벗어나는 경우에는 불순물상(예를 들면 Li3VO4 등)이 형성될 수 있으며, 이 불순물 상에 의하여 용량 및 수명 저하가 발생될 수 있어 바람직하지 않다.The mixture is heat-treated at a temperature of 500 to 1400 ° C., preferably 900 to 1200 ° C. under a reducing atmosphere, to prepare a negative active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery including the lithium-vanadium oxide of Chemical Formula 1. When the heat treatment temperature is outside the range of 500 to 1400 ° C., an impurity phase (for example, Li 3 VO 4, etc.) may be formed, and the impurity phase may cause a decrease in capacity and life, which is not preferable.
상기 환원 분위기는 질소 분위기, 아르곤 분위기, N2/H2 혼합 가스 분위기, CO/CO2 혼합 가스 분위기 또는 헬륨 분위기에서 실시한다. 이때 환원 분위기의 산소 분압은 2 × 10-1 atm 미만이 바람직하다. 환원 분위기의 산소 분압이 2 × 10-1 atm 이상일 경우에는 산화 분위기이므로, 금속 산화물이 산화된 상태, 즉 산소가 풍부한 다른 상으로 합성되거나 산소가 2 이상의 다른 불순물상과 혼합물이 존재할 수 있어 바람직하지 않다.The reducing atmosphere is carried out in a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, an N 2 / H 2 mixed gas atmosphere, a CO / CO 2 mixed gas atmosphere, or a helium atmosphere. At this time, the oxygen partial pressure in the reducing atmosphere is preferably less than 2 × 10 −1 atm. When the oxygen partial pressure of the reducing atmosphere is 2 × 10 −1 atm or more, since it is an oxidizing atmosphere, it is not preferable because the metal oxide may be synthesized in an oxidized state, that is, synthesized in another phase rich in oxygen, or a mixture with two or more other impurity phases in which oxygen is present. not.
상기 금속 산화물과 흑연을 혼합하여 본 발명의 리튬 이온 전지용 음극 활물질을 제조한다. 이 때, 상기 금속 산화물과 흑연은 중량비로 99:1 내지 1:99인 것이 바람직하고, 90:10 내지 10:90인 것이 더 바람직하다. 상기 혼합중량비는 금속 산화물의 (003)면의 X-선 회절 피크의 면적(M(003))과 상기 흑연의 (002)면의 X-선 회절 피크의 면적(G(002))의 비인 M(003)/G(002) 값이 0.01 내지 100이 되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 M(003)/G(002) 값이 1 내지 50이 되도록 하는 것이 보다 바람직하다.The metal oxide and graphite are mixed to prepare a negative electrode active material for a lithium ion battery of the present invention. In this case, the metal oxide and graphite are preferably in a weight ratio of 99: 1 to 1:99, and more preferably 90:10 to 10:90. The mixed weight ratio M is the ratio of the area of the X-ray diffraction peaks (M (003)) of the (003) plane of the metal oxide and the area of the X-ray diffraction peaks (G (002)) of the (002) plane of the graphite. It is preferable that the value of (003) / G (002) is 0.01 to 100, and more preferably such that the value of M (003) / G (002) is 1 to 50.
상기 금속 산화물과 흑연은 고상 또는 액상으로 혼합할 수 있다. 고상으로 혼합하는 경우에는 주로 기계적인 혼합 방법을 사용할 수 있는데, 기계적 혼합 방법의 일 예로 니딩(kneading)하는 방법 및 혼합시 전단 응력(shear stress)이 걸릴 수 있도록 혼합기(mixer)의 날개 구조를 바꾼 미케니컬 혼합(mechanical mixing) 또는 기계적으로 입자간의 전단력을 가하여 입자 표면간의 융합을 유도하는 미케노케미칼(mechanochemical)법 등을 이용하는 방법을 들 수 있다. 액상으로 혼합하는 경우에는 고상으로 혼합하는 경우와 같이 기계적으로 혼합하거나, 또는 분무 건조(spray drying)하거나, 분무 열분해(spray pyrolysis)하거나, 냉동 건조(freeze drying)하여 실시할 수 있다. 액상 혼합의 경우 첨가되는 용매로는 물, 유기 용매 또는 그의 혼합물을 사용할 수 있으며, 상기 유기 용매로는 에탄올, 이소프로필 알콜, 톨루엔, 벤젠, 헥산, 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. The metal oxide and graphite may be mixed in a solid phase or a liquid phase. In the case of mixing in a solid phase, a mechanical mixing method may be mainly used. As an example of the mechanical mixing method, a kneading method and a blade structure of the mixer are changed to take shear stress during mixing. Mechanical mixing or mechanically applying a shear force between particles to induce fusion between particle surfaces; and a method using a mechanochemical method. In the case of mixing in a liquid phase, as in the case of mixing in a solid phase, mechanical mixing, spray drying, spray pyrolysis, or freeze drying may be performed. In the case of liquid mixing, water, an organic solvent, or a mixture thereof may be used as the solvent, and as the organic solvent, ethanol, isopropyl alcohol, toluene, benzene, hexane, tetrahydrofuran, or the like may be used.
본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 음극 활물질로 제조된 음극을 포함한다. 상기 음극은 본 발명에 따른 음극 활물질과 도전재, 바인더를 혼합하여 제조된 음극 합제를 구리 등의 집전체에 도포하여 음극으로 제조될 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention includes a negative electrode made of the negative electrode active material. The negative electrode may be prepared as a negative electrode by applying a negative electrode mixture prepared by mixing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder according to the present invention to a current collector such as copper.
도 1은 본 발명의 실시 형태인 리튬 이차 전지(1)를 나타낸 것이다. 리튬 이차 전지(1)는 음극(2), 양극(3), 상기 음극(2)과 양극(3) 사이에 배치된 세퍼레이터(4), 상기 음극(2), 양극(3) 및 세퍼레이터(4)에 함침된 전해질, 전지 용기(5), 및 전지 용기(5)를 봉입하는 봉입부재(6)를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 도 1에 도시된 리튬 이차 전지의 형태는 원통형이나 이외에 원통형, 각형, 코인형, 또는 쉬트형 등의 다양한 형상으로 될 수 있다.1 shows a lithium secondary battery 1 which is an embodiment of the present invention. The lithium secondary battery 1 includes a negative electrode 2, a positive electrode 3, a separator 4 disposed between the negative electrode 2 and the positive electrode 3, the negative electrode 2, the positive electrode 3, and the separator 4. ), And the sealing member 6 which encloses the electrolyte, the battery container 5, and the battery container 5 impregnated as the main part is comprised. The shape of the lithium secondary battery illustrated in FIG. 1 may be in a cylindrical shape, but in addition, various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a sheet shape, and the like.
상기 양극은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함한다. 상기 양극 활물질의 대표적인 예로는 하기 화학식 2 내지 13으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The positive electrode includes a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions. Representative examples of the cathode active material may be selected from the group consisting of the following formula (2) to (13).
[화학식 2][Formula 2]
LixMn1-yMyA2 Li x Mn 1-y M y A 2
[화학식 3][Formula 3]
LixMn1-yMyO2-zXz Li x Mn 1-y M y O 2-z X z
[화학식 4][Formula 4]
LixMn2O4-zXz Li x Mn 2 O 4-z X z
[화학식 5][Formula 5]
LixCo1-yMyA2 Li x Co 1-y M y A 2
[화학식 6][Formula 6]
LixCo1-yMyO2-zXz Li x Co 1-y M y O 2-z X z
[화학식 7][Formula 7]
LixNi1-yMyA2 Li x Ni 1-y M y A 2
[화학식 8][Formula 8]
LixNi1-yMyO2-zXz Li x Ni 1-y M y O 2-z X z
[화학식 9][Formula 9]
LixNi1-yCoyO2-zXz Li x Ni 1-y Co y O 2-z X z
[화학식 10][Formula 10]
LixNi1-y-zCoyMzAa Li x Ni 1-yz Co y M z A a
[화학식 11][Formula 11]
LixNi1-y-zCoyMzO2-aXa Li x Ni 1-yz Co y M z O 2-a X a
[화학식 12][Formula 12]
LixNi1-y-zMnyMzAa Li x Ni 1-yz Mn y M z A a
[화학식 13] [Formula 13]
LixNi1-y-zMnyMzO2-aXa Li x Ni 1-yz Mn y M z O 2-a X a
(상기 식들에서, 0.90 ≤ x ≤ 1.1, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0 ≤ z ≤ 0.5, 0 ≤ a ≤ 2이고, M는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이며, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, X는 F, S 또는 P이다.)(Wherein 0.90 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 2, M is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V and At least one element selected from the group consisting of rare earth elements, A is an element selected from the group consisting of O, F, S and P, and X is F, S or P.)
본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 양극 활물질로 제조된 양극을 포함한다. 상기 양극은 양극 활물질과 도전재 및 바인더와 혼합하여 제조된 양극 합제를 전류 집전체에 도포하여 양극으로 제조될 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode made of the positive electrode active material. The positive electrode may be prepared as a positive electrode by applying a positive electrode mixture prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material and a binder to a current collector.
상기 도전재로는 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체(일본 특허 공개 소 59-20971 호 등에 명시) 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. As the conductive material, any battery can be used as long as it is an electronic conductive material without causing chemical change, and examples thereof include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, Metal powders, such as aluminum and silver, metal fiber, etc. can be used, and 1 type (s) or 1 or more types can be mixed and used for electrically conductive materials, such as a polyphenylene derivative (as described in Unexamined-Japanese-Patent No. 59-20971, etc.). .
상기 바인더로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the binder, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene or polypropylene may be used. It may be, but is not limited thereto.
세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 다공질 필름을 사용할 수 있다.As the separator, an olefin porous film such as polyethylene or polypropylene can be used.
본 발명의 리튬 이차 전지에서, 상기 전해질은 전해액인 유기 용매와 리튬염을 포함한다. In the lithium secondary battery of the present invention, the electrolyte includes an organic solvent and a lithium salt as an electrolyte.
상기 전해액은 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 전해액으로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤 등의 유기용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트로는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트 등을 사용할 수 있으며, 상기 에스테르로는 γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트 등이 사용될 수 있으며, 상기 에테르로는 디부틸 에테르 등이 사용될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 전해액으로 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다. The electrolyte serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. As the electrolyte solution, an organic solvent such as carbonate, ester, ether or ketone can be used. Dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, methylethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, etc. may be used as the carbonate, and the ester may be γ-butyro. Lactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, n-methyl acetate, n-ethyl acetate, n-propyl acetate, and the like may be used. Dibutyl ether may be used, but is not limited thereto. In addition, the organic solvent may be used alone or as a mixture of one or more, as an electrolyte, the mixing ratio in the case of using one or more mixed can be appropriately adjusted according to the desired battery performance.
이외에도 상기 전해액은 방향족 탄화수소계 유기 용매를 더욱 포함할 수도 있다. 상기 방향족 탄화수소계 유기 용매의 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌 등이 있다. In addition, the electrolyte may further include an aromatic hydrocarbon-based organic solvent. Examples of the aromatic hydrocarbon organic solvent include benzene, fluorobenzene, toluene, fluorotoluene, trifluorotoluene, xylene and the like.
상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCF 3SO3, LiN(CF3SO2)3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO 4, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2 )(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 지지(supporting) 전해염으로 하나 이상 사용할 수 있다. 이들은 상기 유기 용매에 용해되며, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진한다. 상기 전해액에서 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0 M 정도가 바람직하다. 이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl and LiI selected from the group consisting of You can use more than one. They dissolve in the organic solvent and act as a source of lithium ions in the cell to enable operation of the basic lithium secondary battery and to promote the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. The concentration of lithium salt in the electrolyte is preferably about 0.1 to 2.0 M. Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention are described. Such following examples are only one preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예1) Example 1
Li2CO3, V2O3, 및 MoO3를 고상혼합하여 Li:V:Mo의 비가 1.08:0.9:0.02가 되게 하고, 질소분위기, 1,000℃로 10시간 열처리한 후 상온까지 냉각하여 금속 산화물을 제조하였다.Mix solid phase of Li 2 CO 3 , V 2 O 3 , and MoO 3 to make the ratio of Li: V: Mo to 1.08: 0.9: 0.02, heat-treat at nitrogen atmosphere for 10 hours, and then cool to room temperature Was prepared.
천연 흑연 150g을 미세하게 분쇄한 후, 상기 제조된 금속 산화물 150g과 함께 플래너트리 믹서(planetary mixer)에 넣고 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다. 150g of natural graphite was finely ground and then mixed with 150g of the prepared metal oxide in a planetary mixer to prepare a negative electrode active material.
(실시예 2) (Example 2)
Li2CO3, V2O3, 및 WO3를 고상혼합하여 Li:V:W의 비가 1.12:0.85:0.05가 되게 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 CO 3 , V 2 O 3 , and WO 3 were mixed in solid phase so that the ratio of Li: V: W was 1.12: 0.85: 0.05.
(실시예 3)(Example 3)
Li2CO3, V2O3, 및, MoO3를 고상혼합하여 Li:V:Mo의 비가 1.08:0.9:0.02가 되게 하고, 질소분위기, 1,000℃로 10시간 열처리한 후 상온까지 냉각하여 금속 산화물을 제조하였다.Li 2 CO 3 , V 2 O 3 , and MoO 3 are mixed in a solid phase so that the ratio of Li: V: Mo is 1.08: 0.9: 0.02, and heat-treated at 1,000 ° C. for 10 hours in a nitrogen atmosphere, followed by cooling to room temperature. Oxides were prepared.
천연 흑연 210g을 미세하게 분쇄한 후, 상기 제조된 금속 산화물 90g과 함께 플래너트리 믹서(planetary mixer)에 넣고 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다. After finely pulverizing 210g of natural graphite, and then mixed with 90g of the metal oxide prepared in a planetary mixer (planetary mixer) to prepare a negative electrode active material.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
천연 흑연 100g을 미세하게 분쇄한 후, SnO 100g과 함께 플래너트리 믹서(planetary mixer)에 넣고 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다. 100 g of natural graphite was finely ground and then mixed with 100 g of SnO in a planetary mixer to prepare a negative electrode active material.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
Li2CO3, V2O3, 및 MoO3를 고상혼합하여 Li:V:Mo의 비가 3:0.85:0.05가 되게 하고, 질소분위기, 1,000℃로 10시간 열처리한 후 상온까지 냉각하여 금속 산화물을 제조하였다.Li 2 CO 3 , V 2 O 3 , and MoO 3 are mixed in a solid phase so that the ratio of Li: V: Mo is 3: 0.85: 0.05, heat-treated at 1,000 ° C. for 10 hours, and then cooled to room temperature to obtain metal oxides. Was prepared.
천연 흑연 100g을 미세하게 분쇄한 후, 상기 제조된 금속 산화물 100g과 함께 플래너트리 믹서(planetary mixer)에 넣고 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다100 g of natural graphite was finely ground and then mixed with 100 g of the prepared metal oxide in a planetary mixer to prepare a negative electrode active material.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
Li2CO3, V2O3, 및 MoO3를 고상혼합하여 Li:V:Mo의 비가 2:0.9:0.01가 되게 하고, 질소분위기, 1,000℃로 10시간 열처리 한 후 상온까지 냉각하여 물질을 금속 산화물을 제조하였고, 이를 그대로 음극활물질로 사용하였다.The solid phase of Li 2 CO 3 , V 2 O 3 , and MoO 3 is mixed so that the ratio of Li: V: Mo is 2: 0.9: 0.01, heat-treated at 1,000 ° C. for 10 hours, and then cooled to room temperature. A metal oxide was prepared and used as it is as a negative electrode active material.
본 발명의 실시예 1, 3 및 비교예 1, 3에 의해 제조된 음극활물질의 X선 회절 패턴을 각각 도 2 내지 도 5에 나타내었다. X-ray diffraction patterns of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 and 3 and Comparative Examples 1 and 3 of the present invention are shown in FIGS. 2 to 5, respectively.
[충방전 시험용 테스트셀 제조][Manufacture of test cell for charge / discharge test]
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 음극 활물질과 폴리불화비닐리덴을 각각 90:10의 비율로 N-메틸피롤리돈에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 비교예 3의 음극 활물질은 도전제(super-P)와 폴리불화비닐리덴을 각각 80:10:10의 비율로 N-메틸피롤리돈에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리박(Cu-foil) 위에 코팅하여 얇은 극판의 형태로 만든 후 (40 내지 50 ㎛, 기제두께 포함), 135℃에서 3시간 이상 건조시킨 후, 압연(pressing)하여 음극 극판을 제조하였으며, 상기 실시예 1, 3 및 비교예 3에 의해 제조된 음극 활물질을 포함하는 음극 극판의 X선 회절 패턴을 도 6에 나타내었다. A negative electrode slurry was prepared by mixing negative electrode active materials and polyvinylidene fluoride of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 in N-methylpyrrolidone at a ratio of 90:10, respectively. In the negative electrode active material of Comparative Example 3, a negative electrode slurry was prepared by mixing a conductive agent (super-P) and polyvinylidene fluoride in N-methylpyrrolidone at a ratio of 80:10:10, respectively. The negative electrode slurry was coated on a copper foil (Cu-foil) to form a thin electrode plate (40 to 50 μm, including base thickness), dried at 135 ° C. for at least 3 hours, and then pressed to roll the negative electrode plate. The X-ray diffraction patterns of the negative electrode plates including the negative electrode active materials prepared in Examples 1, 3 and Comparative Example 3 are shown in FIG. 6.
상기 음극을 작용극으로 하고 금속 리튬박을 대극으로 하여, 작용극과 대극 사이에 다공질 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 세퍼레이터를 삽입하고, 전해액으로서 프로필렌 카보네이트(PC), 디에틸 카보네이트(DEC)와 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합 용매(PC : DEC : EC = 1 : 1 : 1)에 LiPF6가 1(몰/L)의 농도가 되도록 용해시킨 것을 사용하여 2016 코인타입(coin type)의 반쪽셀(half cell)을 구성하였다. With the cathode as the working electrode and the metal lithium foil as the counter electrode, a separator made of a porous polypropylene film is inserted between the working electrode and the counter electrode, and propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC) and ethylene carbonate ( A half-cell of coin type 2016 using dissolving LiPF6 to a concentration of 1 (mol / L) in a mixed solvent (PC: DEC: EC = 1: 1: 1) of EC). It was configured.
상기 전지의 전기적 특성 평가는 0.01 내지 2.0 V 사이에서 0.2C ↔ 0.2C (1회 충방전), 0.01 내지 1.0 V 사이에서 0.2C ↔ 0.2C (1회 충방전), 0.01 내지 1.0 V 사이에서 1C ↔ 1C (50회 충방전)의 조건으로 실시하였으며, 측정 결과를 하기 표 1에 기재하였다.The electrical characteristics of the battery were evaluated between 0.2C ↔ 0.2C (single charge and discharge) between 0.01 and 2.0 V, 0.2C ↔ 0.2C (single charge and discharge) between 0.01 and 1.0 V, and 1C between 0.01 and 1.0 V. ↔ 1C (50 times charge and discharge) was carried out under the conditions, the measurement results are shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3에 의해 제조된 반쪽셀의 충방전 특성을 도시한 그래프이다. 7 is a graph showing the charge and discharge characteristics of the half cell prepared by Example 1 and Comparative Example 3 of the present invention.
본 발명의 기술 범위는 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다. The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
이상 상세하게 설명한 것과 같이 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 우수한 단위 체적당 에너지 밀도를 가지는 금속 산화물과 흑연을 혼합한 것으로서, 금속 산화물의 낮은 용량과 효율을 극복하고, 높은 밀도를 유지하도록 함으로써 고밀도 고용량의 리튬 이차 전지의 제조를 가능하게 하고, 수명특성과 고율 충방전 특성을 우수하게 개선할 수 있다. As described in detail above, the anode active material for a lithium secondary battery of the present invention is a mixture of a metal oxide and graphite having an excellent energy density per unit volume, and overcomes the low capacity and efficiency of the metal oxide and maintains high density. It is possible to manufacture a high capacity lithium secondary battery, and to improve the lifespan characteristics and high rate charge / discharge characteristics excellently.
도 1은 리튬 이차 전지의 일 예를 도시한 사시도이다.1 is a perspective view illustrating an example of a lithium secondary battery.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of Example 1 of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예 3의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of Example 3 of the present invention.
도 4는 비교예 1의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of Comparative Example 1. FIG.
도 5는 비교예 3의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of Comparative Example 3.
도 6은 본 발명의 실시예 1, 3 및 비교예 3의 음극 활물질의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing X-ray diffraction patterns of the negative electrode active materials of Examples 1, 3 and Comparative Example 3 of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing charge and discharge characteristics of Example 1 and Comparative Example 3 of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 리튬 이차 전지 2: 음극1: lithium secondary battery 2: negative electrode
3: 양극 4: 세퍼레이터3: anode 4: separator
5: 전지 용기 6: 봉입부재5: battery container 6: sealing member
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