KR20100030612A

KR20100030612A - 리튬 이차전지용 양극 활물질

Info

Publication number: KR20100030612A
Application number: KR1020090085612A
Authority: KR
Inventors: 장성균; 박홍규; 신호석; 홍승태; 최영선
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2010-03-18
Also published as: WO2010030131A3; US20100148115A1; CN102150305B; US20110195303A1; CN102150305A; US20120064395A1; WO2010030131A2; US7935444B2; US8481213B2; CA2736915A1; EP2330664A2; CA2736915C; KR101059757B1; EP2330664B1; EP2330664A4

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질로서, 층상 결정구조의 리튬 전이금속 산화물이고, 상기 전이금속은 Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속을 포함하며 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 크고, 하기 식 1 및 2의 조건을 만족하는 양극 활물질을 제공한다.

1.1 < m(Ni)/m(Mn) < 1.5 (1)

0.4 < m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺) < 1 (2)

(상기 식에서, m(Ni)/m(Mn)는 망간 대비 니켈의 몰비이고, m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺)는 Mn⁴⁺ 대비 Ni²⁺의 몰비이다)

본 발명에 따른 양극 활물질은 종래와는 달리 층상구조를 형성하는 전이금속 산화물층 내의 전이금속의 산화수 상태를 조절함으로써 보다 균일하고 안정적인 층상구조를 형성한다. 이에 따라, 전지 용량을 포함한 전반적인 전기화학적 특성이 향상되고, 특히 고율 충방전 특성이 우수하다는 장점이 있다.

Description

리튬 이차전지용 양극 활물질 {Cathode Active Material for Lithium Secondary Battery}

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 층상 결정구조의 리튬 전이금속 산화물이고, 상기 전이금속은 Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속을 포함하며 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 크고, 니켈 대비 망간의 몰비(m(Ni)/m(Mn)) 및 Mn⁴⁺ 대비 Ni²⁺의 몰비(m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺))가 특정한 조건을 만족하는 양극 활물질에 관한 것이다. 이러한 양극 활물질은 전이금속의 산화수 상태를 조절하여 결정구조가 균일하고 안정적인 층상 구조를 가짐으로써, 전반적인 전기화학적 특성 향상은 물론 고율 충방전 조건에서 우수한 레이트 특성을 발휘할 수 있다.

모바일 기기에 대한 기술과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전 위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화 되어 널리 사용되고 있다.

또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈수소 금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.

리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO₂)이 주로 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO₂, 스피넬 결정구조의 LiMn₂O₄ 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO₂)의 사용도 고려되고 있다.

상기 양극 활물질들 중 LiCoO₂은 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 구조적 안정성이 떨어지고, 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다.

LiMnO₂, LiMn₂O₄ 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다.

또한, LiNiO₂계 양극 활물질은 비교적 값이 싸고 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, 충방전 사이클에 동반하는 체적 변화에 따라 결정구조의 급격 한 상전이가 나타나고, 공기와 습기에 노출되었을 때 안전성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 이후 설명하는 바와 같이, 각각의 구성 원소가 소정의 조성과 산화수를 가지는 리튬 전이금속 복합산화물을 포함하는 저가격 고성능의 양극 활물질을 제공한다.

이와 관련하여, 미국 등록특허 제6,964,828호는 Li(M1_(1-x)-Mn_x)O₂의 화학식에 M1은 Cr이 아닌 금속이고, M1이 Ni, Co일 경우 조성 내의 모든 Ni이 +2가의 산화수를, 조성내의 모든 Co가 +3가의 산화수를, 조성 내의 모든 Mn이 +4가의 산화수를 가지는 리튬 전이금속 산화물을 제시하고 있다.

또한, 한국 특허출원공개 제2005-047291호는 Ni과 Mn이 동량이며 Ni과 Mn의 산화수가 +2가와 +4가를 가지는 리튬 전이금속 산화물을 제시하고 있다.

또 다른 예로, 한국 등록특허 제0543720호는 실질적으로 Ni과 Mn의 양이 동량이고, 산화수의 측정 방법의 하나로 구별할 때 Ni=2.0~2.5, Mn=3.5~4.0의 산화수 값을 가지는 리튬 전이금속 산화물을 제시하고 있으며, 상기 특허는 실질적으로 Ni은 +2가, Mn은 +4가를 가져야 함을 명시하고 있고, 실시예와 비교예를 통해 Ni과 Mn의 산화수가 각각 +2가와 +4가로 이루어지지 않을 경우 성능이 퇴화됨을 설명하고 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제2001-00083610호는 화학식 Li((Li(Ni_1/2Mn_1/2)_(1-x))O₂, Li((Li_x(Ni_yMn_yCo_P)_(1-x))O₂로 표현되며 Ni과 Mn이 동량인 리튬 전이금속 산화물 을 제시하고 있다. 상기 출원에 따르면, 실질적으로 Ni과 Mn이 동량일 때, Ni²⁺와 Mn⁴⁺를 형성하여 구조적 안정성을 이루어 층상 구조를 잘 만들 수 있다는데 근거하고 있다.

따라서, 상기 선행기술들에 의하면 전이금속의 평균 산화수는 +3가를 이루어야 함을 교시하고 있다. 이에 대한 또 다른 예로서, 미국 등록특허 제7,314,682호는 Li_(2+2x)/(2+x)M'_{2x(2+x)/(2+x)}M_(2-2x)/(2+x)O_2-δ로 표시되는 화합물을 청구하면서, M'는 Li을 제외하고 평균 산화수가 +3가인 원소이고, M은 평균 산화수가 +3가인 전이금속 원소임을 명기하고 있다.

지금까지 살펴본 선행기술들에서 공통적으로 확인할 수 있는 바와 같이, 종래에는 (i) 리튬 전이금속 산화물에서 전이금속의 평균 산화수가 +3가이어야 안정적인 층상 구조를 이룰 수 있다는 것을 전제로, (ii) 적어도, +4가의 Mn에 대응하여 동량의 Ni의 산화수가 +2가이어야 전기화학적 특성이 우수해질 수 있다고 인식하고 있다.

그러나, 본 출원의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 단순히 평균 산화수 상태를 +3가로 만들기 위해 Mn⁴⁺, Ni²⁺ 상태를 취하는 것만으로는 Ni²⁺등이 가역적 Li 사이트(site)로 이동하여 전기화학적 성능이 퇴화되는 문제를 해결하지 못한다는 점을 확인하였다.

또한, 미국 등록특허 제6,660,432호에서는 잘 발달된 결정구조를 만들기 위 해 전체 전이금속 양에서 Co의 양이 10% 이상인 것을 제시하고 있으나, 바람직한 물질로는 전이금속의 양 중 Co의 양이 16%이어야 함을 설명하고 있고, 바람직하게는 Ni과 Mn이 동량이어야 함을 제시하고 있다. 그러나, Co의 양이 많을 경우, 제조 비용이 상승함은 물론, 충전 상태에서 전이금속의 양 중 Co⁴⁺가 매우 불안정하여 안정성이 낮아지는 단점이 있다.

미국 등록특허 제7,078,128호 및 제7,135,252호에서는 Mn 양이 Ni 양 보다 많은 경우의 물질들을 제시하고 있으나, 본 발명자들의 실험 결과에 의하면, 다량의 Mn은 Li 충전 시 Mn⁴⁺의 산화수 변화가 불가능하여 용량 감소를 가져오는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 한계를 해결하여 구조적으로, 전기화학적으로 보다 우수한 양극 활물질을 얻는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 층상 결정구조를 가지는 리튬 전이금속 산화물 기반의 양극 활물질에서, 전이금속의 평균 산화수를 +3가 보다 크게 하고, 니켈의 함량이 망간의 함량보다 높으며, Ni²⁺의 함량이 Mn⁴⁺의 함량보다 작은 경우, 결정구조의 완벽성이 향상되어 고율 충방전 특성이 현저히 향상되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질은, 층상 결정구조의 리튬 전이금속 산화물이고, 상기 전이금속은 Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속을 포함하며 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 +3가 이상이고, 하기 식 1 및 2의 조건을 만족한다.

1.1 < m(Ni)/m(Mn) < 1.5 (1)

0.4 < m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺) < 1 (2)

상기 식에서, m(Ni)/m(Mn)는 망간 대비 니켈의 몰비이고, m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺)는 Mn⁴⁺ 대비 Ni²⁺의 몰비이다.

상기 층상 결정구조의 바람직한 예로는 α-NaFeO₂ 층상 결정구조를 들 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이, 종래에는 Ni²⁺과 Mn⁴⁺를 동량으로 포함함으로써 전이금속 이온의 산화수를 평균 +3가 상태로 만들어야 층상 구조가 잘 이루어질 수 있는 것으로 알려져 있었다. 그러나, Ni²⁺의 경우 Li⁺와 거의 유사한 크기를 가짐으 로써 리튬층으로 이동하여 암염 구조를 형성할 확률이 높으며, 이에 따라 전기화학적 성능이 퇴화된다는 문제가 있었다.

이에, 본 출원의 발명자들은 안정적인 층상 결정구조를 가지면서도 용량 및 레이트 특성이 우수한 양극 활물질을 제조하기 위해 심도있는 연구를 수행한 결과, 안정적인 층상 결정구조는 Ni²⁺ 및 Mn⁴⁺에 기인된다기 보다, 리튬의 이온 크기와 전이금속 이온의 크기의 차이에 더욱 의존적임을 발견하였다.

구체적으로, 층상 결정구조를 가지는 리튬 복합 전이금속 산화물의 경우, 리튬을 함유하고 있는 Li-산화물층('리튬층')과 전이금속을 함유하고 있는 전이금속-산화물층('MO층')으로 구별될 수 있으며, 각각의 층을 차지하는 이온의 크기 차이, 즉, 리튬 이온과 전이금속 이온의 크기 차이가 클수록 두 층이 적정하게 분리되어 잘 발달될 수 있다는 것을 확인하였다.

이와 관련하여, 이온의 크기 차이를 크게 하기 위해 MO층에 이온 반경이 작은 금속 원소를 사용하는 방안을 고려할 수 있으나, 이 경우 층상 구조는 잘 만들 수 있지만 전자를 이동시킬 수 있는 금속 이온의 수가 작아지기 때문에 상대적으로 용량이 감소된다는 한계가 있었다.

이에, 본 출원의 발명자들은 용량의 퇴화 없이 우수한 층상 결정구조를 달성하기 위해 노력한 결과, 상기 이온의 크기 차이는 산소 이온과 결합하는 거리 또는 결합력 등으로 나타낼 수 있으며, 양이온의 특성을 갖는 금속의 경우 산화수가 높아질수록 작은 이온 반경을 갖는 바, 전이금속의 산화수를 높임으로써 MO층과 리튬 층의 차이를 크게 할 수 있을 것으로 판단하였고, 많은 실험들을 통해 이를 확인하였다.

이와 같이, 전이금속의 평균 산화수를 +3가 보다 높임으로써 리튬 이온과 전이금속 이온의 크기 차이에 의해 잘 발달된 층상 결정구조를 형성하는 개념은, 층상 결정구조의 안정화를 위해 전이금속의 산화수를 +3가로 맞추는 것이 필요한 것으로 인식해 오던 당업계의 통념을 뒤엎는 것이다.

한편, 종래와 같이 Ni과 Mn의 함량을 실질적으로 동량으로 맞추는 경우, Mn⁴⁺ 이온이 Ni²⁺이온의 형성을 유도하고 이에 따라 Mn이 다량 포함된 화합물에서 다량의 Ni²⁺가 리튬층에 위치하게 되어 바람직하지 못하다.

이에, 본원의 발명자들은 전이금속의 산화수를 높이는 방법으로서, 리튬층으로 쉽게 유입될 수 있는 Ni²⁺의 양을 줄여 전체적인 산화수, 즉, 평균 산화를 +3가 이상으로 만들어주는 것이 가장 효과적일 것으로 판단하였다. 또한, Ni²⁺에 비해 크기가 작은 Ni³⁺의 양이 높아짐에 따라, 이온의 크기 차이가 더욱 커질 수 있다고 판단하였다.

따라서, 본 발명에 따른 양극 활물질은 망간에 비해 니켈을 상대적으로 다량 포함하고(식(1) 참조), Mn⁴⁺에 비해 Ni²⁺를 상대적으로 소량 포함(식(2) 참조)하는 것으로 구성되어 있다.

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 니켈-망간-코발트 산화물로서 (i) 리튬을 제외한 전체 전이금속인 니켈-망간-코발트의 평균 산화수가 +3가 보다 크고, (ii) 망간에 비해 니켈이 상대적으로 다량 포함되며, (iii) Mn⁴⁺에 비해 Ni²⁺가 상대적으로 소량 포함되는 점에 특징이 있다.

이러한 리튬 니켈-망간-코발트 산화물은 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 크게 유지됨으로써, 양극 활물질의 안정적인 결정구조에 기반하여, 리튬층에 존재하는 전이금속의 양을 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 리튬 이온의 이동도 및 레이트 특성을 향상시킬 수 있음은 물론, 용량의 향상도 가져올 수 있다는 장점이 있다.

상기 특징(i)과 관련하여, 본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬을 제외한 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 크므로, 평균 산화수가 +3가인 경우에 비해 전이금속 이온의 전반적인 크기가 작아지게 되고, 이에 따라 리튬 이온과의 크기 차이가 커지게 되어 층간 분리가 잘 이루어지므로, 안정적인 층상 결정구조를 형성할 수 있다.

다만, 전이금속의 평균 산화수가 지나치게 커지게 되면 리튬 이온을 이동시킬 수 있는 전하의 양이 줄어들게 되어 용량이 감소되는 문제가 있으므로, 전이금속의 평균 산화수는 3.0 초과 내지 3.5 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게 는 3.01 내지 3.3이며, 특히 바람직하게는 3.1 내지 3.3이다.

이 경우, 망간 및 망간의 함량에 대응하는 함량의 니켈의 전체 평균 산화수가 3.0 초과 내지 3.5 이하일 수 있고, 바람직하게는 3.1 내지 3.3일 수 있다.

본 발명에서 상기 '리튬을 제외한 전이금속의 평균 산화수'는, 예를 들어, 리튬 이온의 일부가 전이금속의 사이트에 포함되어 있는 경우라도 리튬 이온의 평균 산화수를 고려하지 않는다는 것을 의미한다.

상기와 같은 전이금속의 평균 산화수의 조절은, 예를 들어, 리튬 전이금속 산화물을 제조하는 과정에서 전이금속 전구체의 전이금속의 비율 및 리튬 전구체의 반응량을 조절함으로써 달성될 수 있다.

상기 특징(ii)와 관련하여, 본 발명에 따른 양극 활물질은 하기 식(1)에서와 같이, 망간 대비 니켈의 몰비가 1.1 보다 크고 1.5 보다 작은 것으로 이루어져 있다.

1.1 < m(Ni)/m(Mn) < 1.5 (1)

이와 같이, 니켈이 망간에 비해 상대적으로 다량 포함되는 경우에는, 적어도 니켈 중 망간의 함량을 초과하는 함량만큼 Ni³⁺이 되고, 상대적으로 이온의 크기가 작아지게 된다. 따라서, 리튬 이온의 크기와 전이금속 이온의 평균 크기 차이가 커지게 되고, Ni²⁺가 리튬층으로 삽입되는 것을 최소화할 수 있어서 층상 결정구조의 안정성을 높일 수 있다.

다만, m(Ni)/m(Mn)가 1.5보다 커지게 되면, Mn 함량 감소로 인해 상대적으로 안전성이 나빠지고 활물질의 제조비용이 상승하게 되므로, 바람직하지 않다. 더욱 바람직한 예에서, 상기 m(Ni)/m(Mn)는 1.2 ~ 1.4일 수 있다.

이와 반대로, 니켈의 함량보다 망간의 함량이 많을 경우에도 전이금속의 평균 산화수가 +3가 이상이면 층상 결정구조가 형성되기는 하지만, 상대적으로 충방전에 기여하지 않는 +4가 이온의 증가로 용량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은 니켈을 망간에 비해 과량 포함하므로, 상기 니켈은 망간 함량 대비 초과량의 니켈(a)과, 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)로 구별될 수 있다.

상기 니켈은 +2가보다 큰 평균 산화수를 가진다.

상기 망간 함량 대비 초과량의 니켈(a)은 바람직하게는 Ni³⁺이고, 상기 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)는 Ni²⁺와 Ni³⁺를 모두 포함한다.

Ni²⁺ 및 Ni³⁺을 포함하는 상기 니켈(b) 중 Ni³⁺의 비율은 11 ~ 60%인 것이 바람직하다. 즉, 상기 비율이 11%보다 작으면 소망하는 전기화학적 특성이 얻어지기 어렵고, 60%보다 크면 산화수 변화량이 너무 작아 용량 감소가 심해지고 리튬 분산물이 많아지므로, 바람직하지 않다. 이 경우에 있어서, 망간 및 니켈의 평균 산화수는 대략 3.05 ~ 3.35이다.

상기 특징(iii)와 관련하여, 본 발명의 양극 활물질은 하기 식(2)에서와 같이, Mn⁴⁺ 대비 Ni²⁺의 몰비가 0.4 보다 크고 1 보다 작은 것으로 이루어져 있다. 즉, Ni²⁺와 Mn⁴⁺가 동량으로 포함되어 있는 것이 아니라, Mn⁴⁺에 비해 Ni²⁺가 상대적으로 소량 포함되어 있다.

0.4 < m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺) < 1 (2)

상기 m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺)가 1 이상이면 전이금속의 평균 산화수의 증가가 없어 이온 크기 차이를 유도할 수 없고, 0.4 이하이면 전이금속의 산화수가 너무 높아져 이동시킬 수 있는 전하의 양이 줄어들어 용량이 감소하게 된다. 상기 m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺)는 0.4 보다 크고 0.9 이하일 경우에 특히 높은 전기화학적 특성을 얻을 수 있다.

상기 양극 활물질에서 전이금속 중 코발트(Co)의 함량은 바람직하게는 전체 전이금속 함량의 10 mol% 미만일 수 있다. 코발트의 함량이 높을수록 비용 상승이 초래되고, 충전 상태에서 Co⁴⁺는 불안정하여 안정성이 낮아지는 단점이 있으므로 바람직하지 않기 때문이다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은 니켈이 망간보다 다량 포함되어 있고, 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 큼으로써, 리튬 이온과 전이금속 이온의 크기 차이가 커져 층간 분리가 촉진되는 바, Ni²⁺가 리튬층으로 삽입되는 것을 최소화할 수 있다. 이에, 상기 양극 활물질에서 리튬 사이트에 삽입된 니켈의 함량은 Li 전체 사이트에서 Ni(Ni²⁺)이 점유하고 있는 사이트의 비율로서 5 mol% 미만일 수 있다.

본 발명의 리튬 전이금속 산화물에서 전이금속인 니켈, 망간 및 코발트는 층상 결정구조를 유지할 수 있는 범위 내에서, 다른 금속원소(들)로 일부 치환될 수 있으며, 바람직하게는 5% 이내의 소량의 금속원소, 양이온 원소 등으로 치환될 수 있다. 이 경우에도 본 발명에 따른 특징을 만족하는 한 본 발명의 범주에 속하는 점은 자명하다.

본 발명은 또한 상기 양극 활물질을 포함하는 것으로 구성된 양극 전극과, 이러한 양극 전극을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다. 이하에서는 상기 양극 전극을 '양극'으로 약칭하기로 한다.

상기 리튬 이차전지는 일반적으로 양극, 음극, 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호 일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 40 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.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 40 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 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

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.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_yFe₂O₃(0≤y≤1), Li_yWO₂(0≤y≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (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, Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 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.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

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, 테트라히드록시 프랑(franc), 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.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

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.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 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 있다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 특히 대용량을 필요로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.24가 되도록 하고 전체 전이금속 염 중에 코발트 염의 몰 비율이 8 mol%가 되도록 하여, 전이금속 염 전체를 증류수에 녹였다. 전이금속이 녹아있는 수용액의 염기도를 높여가며 전이금속 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 감압 필터를 이용하여 용매를 제거하고 110℃ 오븐에서 18 시간 동안 건조하여 여분의 용매를 제거하였다. Ni²⁺/Mn⁴⁺ mol 비율이 0.76이 되도록 Li 염을 혼합한 후, 전기로에 넣고 시간당 300℃의 승온속도로 950℃까지 올려준 후, 950℃에서 10 시간 동안 소성하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 2]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.64가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 3]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.52가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 4]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.41이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 5]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.88이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 1]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 2]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 0.29가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 6]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.24가 되도록 하고 전체 전이금속 염 중에 코발트 염의 몰 비율이 8 mol%가 되도록 하여, 전이금속 염 전체를 증류수에 녹였다. 전이금속이 녹아있는 수용액의 염기도를 높여가며 전이금속 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 감압 필터를 이용하여 용매를 제거하고 110℃ 오븐에서 18 시간 동안 건조하여 여분의 용매를 제거하였다. Ni²⁺/Mn⁴⁺ 몰 비율이 0.76이 되도록 Li 염을 혼합한 후, 전기로에 넣고 시간당 300℃의 승온속도로 950℃까지 올려준 후, 960℃에서 10 시간 동안 소성하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 7]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.64가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 8]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.52가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 9]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.41이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 10]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.88이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 3]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 4]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 0.29가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 6과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 11]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.24가 되도록 하고 전체 전이금속 염 중에 코발트 염의 몰 비율이 8 mol%가 되도록 하여, 전이금속 염 전체를 증류수 에 녹였다. 전이금속이 녹아있는 수용액의 염기도를 높여가며 전이금속 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 감압 필터를 이용하여 용매를 제거하고 110℃ 오븐에서 18 시간 동안 건조하여 여분의 용매를 제거하였다. Ni²⁺/Mn⁴⁺ mol 비율이 0.76이 되도록 Li 염을 혼합한 후, 전기로에 넣고 시간당 300℃의 승온속도로 950℃까지 올려준 후, 970℃에서 10 시간 동안 소성하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 12]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.64가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 11과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 13]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.52가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 11과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 14]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.41이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 11과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 15]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.88이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 11과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 5]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 11과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 6]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 0.29가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 11과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 16]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.24가 되도록 하고 전체 전이금속 염 중에 코발트 염의 몰 비율이 8 mol%가 되도록 하여, 전이금속 염 전체를 증류수에 녹였다. 전이금속이 녹아있는 수용액의 염기도를 높여가며 전이금속 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 감압 필터를 이용하여 용매를 제거하고 110℃ 오븐에서 18 시간 동안 건조하여 여분의 용매를 제거하였다. Ni²⁺/Mn⁴⁺ mol 비율이 0.76이 되 도록 Li 염을 혼합한 후, 전기로에 넣고 시간당 300℃의 승온속도로 950℃까지 올려준 후, 980℃에서 10 시간 동안 소성하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 17]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.64가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 16과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 18]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.52가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 16과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 19]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.41이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 16과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 20]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.88이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 16과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 7]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 16과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 8]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 0.29가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 16과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 21]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.24가 되도록 하고 전체 전이금속 염 중에 코발트 염의 몰 비율이 8 mol%가 되도록 하여, 전이금속 염 전체를 증류수에 녹였다. 전이금속이 녹아있는 수용액의 염기도를 높여가며 전이금속 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 감압 필터를 이용하여 용매를 제거하고 110℃ 오븐에서 18 시간 동안 건조하여 여분의 용매를 제거하였다. Ni²⁺/Mn⁴⁺ mol 비율이 0.76이 되도록 Li 염을 혼합한 후, 전기로에 넣고 시간당 300℃의 승온속도로 950℃까지 올려준 후, 990℃에서 10 시간 동안 소성하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 22]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.64가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 21과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 23]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.52가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 21과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 24]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.41이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 21과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 25]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.88이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 21과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 9]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 21과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 10]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 0.29가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 21과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 26]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.24가 되도록 하고 전체 전이금속 염 중에 코발트 염의 몰 비율이 8 mol%가 되도록 하여, 전이금속 염 전체를 증류수에 녹였다. 전이금속이 녹아있는 수용액의 염기도를 높여가며 전이금속 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 감압 필터를 이용하여 용매를 제거하고 110℃ 오븐에서 18 시간 동안 건조하여 여분의 용매를 제거하였다. Ni²⁺/Mn⁴⁺ mol 비율이 0.76이 되도록 Li 염을 혼합한 후, 전기로에 넣고 시간당 300℃의 승온속도로 1000℃까지 올려준 후, 950℃에서 10 시간 동안 소성하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 27]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.64가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 26과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 28]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.52가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 26과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 29]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.41이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 26과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 30]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 0.88이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 26과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 31]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.13가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[실시예 32]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1.43이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 11]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 26과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 12]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 비율이 0.29가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 26과 동일한 방법을 통하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 13]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 1이 되도록 하는 것과, Co를 사용하지 않고 소성온도를 1000℃로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 14]

Ni²⁺/Mn⁴⁺의 몰 비율이 1이 되도록 한 것을 제외하고, 비교예 13과 동일한 방법을 사용하여 리튬 전이금속 복합 산화물을 얻었다.

[비교예 15]

니켈 염과 망간 염의 몰 비율이 0.96이 되도록 한 것을 제외하고, 비교예 13 과 동일한 방법을 사용하여 리튬 복합 전이금속 산화물을 얻었다.

[비교예 16]

니켈 염과 망간 염의 몰 비율이 0.90이 되도록 한 것을 제외하고, 비교예 13과 동일한 방법을 사용하여 리튬 복합 전이금속 산화물을 얻었다.

[비교예 17]

니켈 염과 망간 염을 몰 비율(Ni/Mn)이 0.82가 되도록 한 것을 제외하고, 비교예 13과 동일한 방법을 사용하여 리튬 복합 전이금속 산화물을 얻었다.

[실험예 1]

실시예 1~30과 비교예 1~17에서 각각 제조된 양극 활물질을 활물질 : 도전제 : 바인더의 비율(wt%)이 95 : 2.5 : 2.5 가 되도록 NMP에 잘 섞어 준 후 20 ㎛ Al foil에 도포한 후 130℃에서 건조하여 양극 전극을 얻었다. 얻어진 양극은 공극률이 약 25%가 되도록 roll press 해 준 후 1.487 cm²의 coin 형태로 타발하였다. 타발된 양극전극의 대극으로는 Li-metal을 사용하였으며, EC : DMC : DEC = 1 : 2 : 1 인 용매에 1M의 LiPF₆가 들어있는 전해액을 사용하여 coin 형태의 전지를 얻었다.

얻어진 전지는 0.1C 충전 0.1C 방전을 통하여 첫 번째 cycle 방전용량과 효 율을 얻었으며, 0.1C 대비 1C, 2C 방전용량 비율을 %로 구하여 rate capability를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 양극 활물질에 기반한 모든 리튬 이차전지들은 첫 번째 cycle 방전용량이 148 mAh/g을 넘어서면서도 첫 번째 cycle 효율이 적어도 82% 이상이었다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 양극 활물질에 기반한 모든 리튬 이차전지들은 0.1C 방전용량 대비 2C 방전용량의 비율이 적어도 72% 이상이었다.

[실험예 2]

실시예 1~30과 비교예 1~12에서 각각 제조된 양극 활물질을 XRD 측정한 후 Retveld-refinement를 통하여 구조를 분석하였고, Li site에 들어가 있는 Ni(Ni²⁺) 의 비율과, 망간의 함량에 대응하는 니켈(b) 중 Ni³⁺의 비율을 구하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

<표 2>

상기 표 2에서 Li 사이트에 삽입된 Ni(Ni²⁺)의 비율(%)은 Li 전체 사이트에서 Ni(Ni²⁺)이 점유하고 있는 사이트의 비율, 즉, 점유율을 의미한다.

또한, m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺)의 측정치가 계산치보다 감소한 원인은 반응 중에 일부 Li의 증발(evaporation)과 측정기기의 측정 오차에 기인한 것으로 생각된다.

한편, 상기 표 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 양극 활물질은 온도에 따라 비표면적이 줄어드는 효과로 약간의 용량 감소를 보이는 것을 볼 수 있으나, 온도 변화에 관계 없이 전이금속의 평균 산화수를 3+가 보다 높여줌으로써, 또한 망간과 동량인 Ni의 산화수를 높여줌으로써, 보다 안정한 층상 결정구조를 형성한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 레이트 특성, 1회 충방전 효율 등 전기 화학적 특성이 온도 등의 조건에 관계없이 확실한 원리에 의해 일관적으로 증가하는 것을 볼 수 있었다.

이는 본 발명에서 전이금속층의 산화수를 높여줌으로써 리튬 이온과 전이금속 이온의 크기 차이를 크게 하여 구조적 안정성을 도모하고, 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있음을 확실하게 보여주는 것이다. 또한, 종래 Mn과 동량으로 Ni을 첨가하고, Ni이 모두 Ni²⁺로서 전이금속의 산화수가 +3가인 경우(비교예 1, 3, 5, 7, 8, 11 참조)에 비해, 본 발명에서와 같이 전이금속의 산화수가 +3가 보다 크게 조절하는 것이 층상 결정구조의 안정화에 훨씬 더 효과적이라는 점을 알 수 있다.

특히, 본 발명에서는 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)에서 Ni³⁺의 비율이 50%가 넘는 범위에서도 비교예들에 비해 우수한 전기화학적 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다.

한편, 비교예 13~17에서와 같이, 전체 조성에서 Mn과 Ni의 양을 동량으로 하는 경우나 오히려 Mn의 양을 많게 한 경우도 전이금속의 산화수를 높여주어 구조를 안정화 시키고, 망간과 동량인 Ni의 산화수를 높여주는 본 발명의 이론적 과학적 원리에 벗어나는 것은 아니지만, 용량 감소가 나타나는 것을 볼 수 있었다.

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.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 종래의 활물질 들과 비교하여, 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 크고 Mn과 대응하는 Ni 중 Ni³⁺를 상대적으로 다량 포함함으로써, 균일하고 안정적인 층상구조를 형성하고, 전지 용량을 포함한 전반적인 전기화학적 특성이 우수하며 특히 고율 충방전 특성이 매우 우수하다.

Claims

리튬 이차전지용 양극 활물질로서, 층상 결정구조의 리튬 전이금속 산화물이고, 상기 전이금속은 Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속을 포함하며 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 +3가 보다 크고, 하기 식 1 및 2의 조건을 만족하는 양극 활물질:

1.1 < m(Ni)/m(Mn) < 1.5 (1)

0.4 < m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺) < 1 (2)

상기 식에서, m(Ni)/m(Mn)는 망간 대비 니켈의 몰비이고, m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺)는 Mn⁴⁺ 대비 Ni²⁺의 몰비이다.
제 1 항에 있어서, 상기 층상 결정구조는 α-NaFeO₂ 층상 결정구조인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 m(Ni)/m(Mn)은 1.2 ≤ m(Ni)/m(Mn) ≤ 1.4인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 3.0 초과 내지 3.5 이하인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 4 항에 있어서, 상기 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 3.01 내지 3.3인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 4 항에 있어서, 상기 리튬을 제외한 전체 전이금속의 평균 산화수가 3.1 내지 3.3인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 니켈은 망간 함량 대비 초과량의 니켈(a)과, 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 니켈은 +2가 보다 큰 평균 산화수를 가지는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 7 항에 있어서, 상기 망간 함량 대비 초과량의 니켈(a)은 Ni³⁺인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 7 항에 있어서, 망간 및 상기 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)의 전 체 평균 산화수가 3.0 초과 내지 3.5 이하인 것을 특징으로 하는 양극 활물질
제 10 항에 있어서, 망간 및 상기 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)의 전체 평균 산화수가 3.1 내지 3.3 이하인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 7 항에 있어서, 상기 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b)은 Ni²⁺ 및 Ni³⁺로 이루어진 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 7 항에 있어서, 상기 망간 함량에 대응하는 함량의 니켈(b) 중 Ni³⁺의 비율이 11 ~ 60%인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 Mn⁴⁺ 대비 Ni²⁺의 몰비는 0.4 < m(Ni²⁺)/m(Mn⁴⁺) ≤ 0.9 인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 망간 및 니켈의 평균 산화수는 3.05 내지 3.35인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항에 있어서, 상기 Co의 함량이 전체 전이금속 함량의 10 mol% 미만인 것을 특징으로 하는 양극 활물질
제 1 항에 있어서, Li 전체 사이트에서 Ni(Ni²⁺)이 점유하고 있는 사이트의 비율은 5 mol% 미만인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 양극 활물질을 포함하는 것으로 구성된 양극 전극.
제 18 항에 따른 양극 전극을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지.
제 19 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 첫 번째 사이클 방전용량이 148 mAh/g 이상이면서 첫 번째 사이클 효율이 82% 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 19 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 0.1C 방전용량 대비 2C 방전용량의 비율이 72% 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 19 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하 는 리튬 이차전지.