KR20230013396A - Positive electrode active material for lithium secondary battery, preparing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 상기 양극 활물질의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the cathode active material.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As technology development and demand for mobile devices increase, demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among these secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rate have been commercialized and widely used.
리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 전이금속 복합 산화물이 이용되고 있으며, 이중에서도 작용전압이 높고 용량 특성이 우수한 LiCoO2 등의 리튬 코발트 복합금속 산화물이 주로 사용되고 있다. 그러나, LiCoO2는 탈리튬에 따른 결정 구조의 불안정화 때문에 열적 특성이 매우 열악하다. 또한, 상기 LiCoO2는 고가이기 때문에 전기 자동차 등과 같은 분야의 동력원으로서 대량 사용하기에는 한계가 있다. A lithium transition metal composite oxide is used as a cathode active material of a lithium secondary battery, and among them, a lithium cobalt composite metal oxide such as LiCoO 2 having a high operating voltage and excellent capacity characteristics is mainly used. However, LiCoO 2 has very poor thermal properties due to destabilization of the crystal structure due to delithiation. In addition, since the LiCoO 2 is expensive, there is a limit to mass use as a power source in fields such as electric vehicles.
상기 LiCoO2를 대체하기 위한 재료로서, 리튬 망간 복합금속 산화물(LiMnO2 또는 LiMn2O4 등), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4 등) 또는 리튬 니켈 복합금속 산화물(LiNiO2 등) 등이 개발되었다. 이 중에서도 약 200 mAh/g의 높은 가역용량을 가져 대용량의 전지 구현이 용이한 리튬 니켈 복합금속 산화물에 대한 연구 개발이 보다 활발히 연구되고 있다. 그러나, 상기 LiNiO2는 LiCoO2와 비교하여 열안정성이 열위하고, 충전 상태에서 외부로부터의 압력 등에 의해 내부 단락이 생기면 양극 활물질 그 자체가 분해되어 전지의 파열 및 발화를 초래하는 문제가 있었다. 이에 따라 상기 LiNiO2의 우수한 가역용량은 유지하면서도 낮은 열안정성을 개선하기 위한 방법으로서, Ni의 일부를 Co, Mn 또는 Al로 치환한 리튬 전이금속 산화물이 개발되었다.As materials to replace the LiCoO 2 , lithium manganese composite metal oxides (LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 , etc.), lithium iron phosphate compounds (LiFePO 4 , etc.) or lithium nickel composite metal oxides (LiNiO 2 , etc.) have been developed. . Among them, research and development on lithium-nickel composite metal oxide, which has a high reversible capacity of about 200 mAh/g and facilitates implementation of a large-capacity battery, is being actively researched. However, LiNiO 2 has inferior thermal stability compared to LiCoO 2 , and when an internal short circuit occurs due to pressure from the outside in a charged state, the cathode active material itself is decomposed, resulting in rupture and ignition of the battery. Accordingly, as a method for improving low thermal stability while maintaining excellent reversible capacity of LiNiO 2 , a lithium transition metal oxide in which Ni is partially substituted with Co, Mn, or Al has been developed.
그러나, 상기 리튬 전이금속 산화물의 경우, 용량 특성을 높이기 위해 니켈의 함량을 높일 경우, 열 안정성이 더욱 저하되고, 리튬 전이금속 산화물 중의 니켈이 Ni2+로 유지되려는 경향으로 인해, 그 표면에 LiOH 또는 Li2CO3 등의 리튬 부산물이 다량 생성된다는 문제점이 있었다. 이와 같이, 양극 활물질로서 표면에 리튬 부산물의 함량이 높은 리튬 전이금속 산화물을 사용할 경우, 리튬 이차전지에 주입된 전해액과 반응하여 가스 발생 및 전지의 스웰링(swelling) 현상을 유발하여 전지 수명, 안정성 및 전지 저항 특성 등을 저하시킬 수 있다. However, in the case of the lithium transition metal oxide, when the nickel content is increased to increase the capacity characteristics, the thermal stability is further deteriorated, and the nickel in the lithium transition metal oxide tends to be maintained as Ni 2+ , so LiOH is formed on the surface thereof. Alternatively, there is a problem in that a large amount of lithium by-products such as Li 2 CO 3 are generated. As such, when a lithium transition metal oxide having a high content of lithium by-products on the surface is used as a cathode active material, it reacts with the electrolyte solution injected into the lithium secondary battery, causing gas generation and swelling of the battery, thereby improving battery life and stability. And battery resistance characteristics, etc. may be deteriorated.
따라서, 고용량 특성을 나타내고, 입자 강도 및 구조적 안정성을 개선함으로써 수명 특성 및 저항 특성이 개선된 이차전지를 제조할 수 있는 양극 활물질의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for the development of a positive electrode active material capable of producing a secondary battery with improved lifespan characteristics and resistance characteristics by exhibiting high-capacity characteristics and improving particle strength and structural stability.
본 발명의 목적은 입자 강도를 개선하여 압연에 의한 입자 깨짐 현상을 보완한 양극 활물질을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a positive electrode active material that compensates for particle breakage caused by rolling by improving particle strength.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 리튬을 제외한 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈을 60몰% 이상 함유하는 리튬 전이금속 산화물; 및 붕소를 포함하는 코팅층;을 포함하고, 상기 리튬 전이금속 산화물은 평균 입경(D50)이 0.3 내지 2 μm인 1차 입자로 이루어진 단입자이고, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 1 내지 10 μm인 양극 활물질을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is a lithium transition metal oxide containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of the transition metal except lithium; and a coating layer containing boron, wherein the lithium transition metal oxide is a single particle composed of primary particles having an average particle diameter (D 50 ) of 0.3 to 2 μm, and the average particle diameter (D 50 ) of the single particle is 1 to 10 μm.
또한, 본 발명은 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈을 60몰% 이상 함유하는 전이금속 수산화물 전구체를 준비하는 단계; 상기 전이금속 수산화물 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 850℃ 이상 온도에서 소성하여, 단입자의 리튬 전이금속 산화물을 제조하는 단계; 및 상기 리튬 전이금속 산화물을 붕산과 혼합하고 350 내지 450℃ 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a transition metal hydroxide precursor containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of the transition metal; preparing a single-particle lithium transition metal oxide by mixing the transition metal hydroxide precursor and a lithium source material and firing at a temperature of 850° C. or higher; and mixing the lithium transition metal oxide with boric acid and heat-treating at a temperature of 350 to 450° C.
본 발명에 따르면 소성 온도 및 열처리 온도를 조절함으로써 높은 강도의 단입자 형태의 양극 활물질을 제조할 수 있다. 상기 양극 활물질은 우수한 안정성을 가지므로 용량 유지율 및 수명 특성 등의 전지 성능을 개선할 수 있다.According to the present invention, a high-strength single-particle positive electrode active material can be manufactured by adjusting the firing temperature and the heat treatment temperature. Since the cathode active material has excellent stability, battery performance such as capacity retention rate and lifespan characteristics may be improved.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the description and claims of the present invention should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meaning, and the inventor appropriately defines the concept of the term in order to explain his/her invention in the best way. Based on the principle that it can be done, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
<양극 활물질><Cathode active material>
본 발명의 양극 활물질은 리튬을 제외한 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈을 60몰% 이상 함유하는 리튬 전이금속 산화물; 및 붕소를 포함하는 코팅층;을 포함하고, 상기 리튬 전이금속 산화물은 평균 입경(D50)이 0.3 내지 2 μm인 1차 입자로 이루어진 단입자이고, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 1 내지 10 μm인 것을 특징으로 한다.The cathode active material of the present invention includes a lithium transition metal oxide containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of the transition metal excluding lithium; and a coating layer containing boron, wherein the lithium transition metal oxide is a single particle composed of primary particles having an average particle diameter (D 50 ) of 0.3 to 2 μm, and the average particle diameter (D 50 ) of the single particle is 1 to 10 μm.
상기 리튬 전이금속 산화물은 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)을 포함하고, 리튬(Li)을 제외한 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈(Ni)의 함량이 60몰% 이상인, 고함량 니켈(High-Ni) NCM계 리튬 전이금속 산화물이다. 상기 니켈의 함량은 리튬(Li)을 제외한 전이금속 전체 몰수에 대하여 70몰% 이상일 수 있고, 또는 80몰% 이상일 수 있다. 상기와 같이 리튬(Li)을 제외한 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈(Ni)의 함량이 60몰% 이상을 만족함으로써 고용량 구현이 가능하면서도, 동시에 우수한 안정성을 확보할 수 있다.The lithium transition metal oxide includes nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), and the content of nickel (Ni) is 60 mol% or more with respect to the total number of moles of the transition metal excluding lithium (Li). Nickel (High-Ni) NCM-based lithium transition metal oxide. The nickel content may be 70 mol% or more, or 80 mol% or more, based on the total number of moles of the transition metal excluding lithium (Li). As described above, since the content of nickel (Ni) satisfies 60 mol% or more with respect to the total number of moles of transition metals excluding lithium (Li), high capacity can be realized and excellent stability can be secured at the same time.
본 발명에서, 상기 리튬 전이금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In the present invention, the lithium transition metal oxide may be represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
Li1+aNixCoyMnzM1 wO2 Li 1+a Ni x Co y Mn z M 1 w O 2
상기 화학식 1에서, In Formula 1,
M1은 Al, Mg, V, Ti 및 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고,M 1 is at least one selected from the group consisting of Al, Mg, V, Ti, and Zr;
0≤a≤0.5, 0.6≤x<1, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0<w≤0.04, x+y+z+w=1임.0≤a≤0.5, 0.6≤x<1, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0<w≤0.04, x+y+z+w=1.
상기 M1은 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물 내의 전이금속 사이트(site)에 치환된 원소이며, Al, Mg, V, Ti 및 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The M 1 is an element substituted at a transition metal site in the lithium transition metal oxide represented by Formula 1, and may include at least one selected from the group consisting of Al, Mg, V, Ti, and Zr. .
상기 1+a는 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물 내의 리튬의 몰비를 나타내는 것으로, 0≤a≤0.5, 바람직하게는 0≤a≤0.20, 또는 0≤a≤0.15일 수 있다. 1+a represents the molar ratio of lithium in the lithium transition metal oxide represented by Formula 1, and may be 0≤a≤0.5, preferably 0≤a≤0.20, or 0≤a≤0.15.
상기 x는 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물에서 리튬을 제외한 금속 성분들 중 니켈의 몰비를 나타내는 것으로, 0.6≤x<1.0, 바람직하게는 0.8≤x<1.0일 수 있다.The x represents the molar ratio of nickel among metal components other than lithium in the lithium transition metal oxide represented by Chemical Formula 1, and may be 0.6≤x<1.0, preferably 0.8≤x<1.0.
상기 y는 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물에서 리튬을 제외한 금속 성분들 중 코발트의 몰비를 나타내는 것으로 0<y≤0.4이고, Co 포함에 따른 용량 특성 개선 효과의 현저함을 고려할 때, 바람직하게는 0<y≤0.2일 수 있다.Wherein y represents the molar ratio of cobalt among metal components other than lithium in the lithium transition metal oxide represented by Formula 1, 0<y≤0.4, and considering the remarkable effect of improving capacity characteristics due to the inclusion of Co, it is preferred Preferably, it may be 0<y≤0.2.
상기 z는 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물에서 리튬을 제외한 금속 성분들 중 망간의 몰비를 나타내는 것으로, 0<z≤0.4, 바람직하게는 0<z≤0.2일 수 있다.The z represents the molar ratio of manganese among metal components other than lithium in the lithium transition metal oxide represented by Chemical Formula 1, and may be 0<z≤0.4, preferably 0<z≤0.2.
상기 w는 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물에서 리튬을 제외한 금속 성분들 중 도핑원소 M의 몰비를 나타내는 것으로, 0<w≤0.04, 바람직하게는 0≤w≤0.02일 수 있다. The w represents the molar ratio of the doping element M among metal components other than lithium in the lithium transition metal oxide represented by Chemical Formula 1, and may be 0<w≤0.04, preferably 0≤w≤0.02.
본 발명에서, 상기 리튬 전이금속 산화물은 평균 입경(D50)이 0.3 내지 2 μm인 1차 입자로 이루어진 단입자이다.In the present invention, the lithium transition metal oxide is a single particle composed of primary particles having an average particle diameter (D 50 ) of 0.3 to 2 μm.
상기 '단입자'는 종래에 일반적으로 사용되었던 수십 내지 수백개의 1차 입자들이 응집하여 형성되는 2차 입자 형태의 양극 활물질 입자와 구별하기 위해 사용되는 용어로, 1개의 1차 입자로 이루어진 단일 입자와 10개 이하의 1차 입자의 응집체 입자를 포함하는 개념이다. 상기 '2차 입자'는 1차 입자에 대한 의도적인 응집 또는 조립 공정 없이도 1차 입자 간의 물리적 또는 화학적 결합에 의해 1차 입자들끼리 응집된 응집체, 즉 2차 구조체를 의미한다.The 'single particle' is a term used to distinguish from positive electrode active material particles in the form of secondary particles formed by aggregation of tens to hundreds of primary particles, which have been generally used in the past, and are single particles composed of one primary particle. and aggregate particles of 10 or less primary particles. The 'secondary particle' refers to an aggregate in which primary particles are aggregated by physical or chemical bonding between the primary particles, that is, a secondary structure, without intentional aggregation or assembly of the primary particles.
상기 '1차 입자'는 주사전자현미경(SEM)을 통해 양극 활물질의 단면을 관찰하였을 때 1개의 덩어리로 구별되는 최소 입자 단위를 의미하는 것으로, 하나의 결정립으로 이루어질 수도 있고, 복수개의 결정립으로 이루어질 수도 있다. 본 발명에서, 상기 1차 입자의 평균 입경은, 양극 활물질 입자의 단면 SEM 데이터에서 구별되는 각각의 입자 크기를 측정한 후 이들의 산술 평균값을 구하는 방법으로 측정될 수 있다. The 'primary particle' refers to a minimum particle unit that is distinguished as one lump when a cross section of the cathode active material is observed through a scanning electron microscope (SEM), and may be composed of a single crystal grain or a plurality of crystal grains. may be In the present invention, the average particle diameter of the primary particles may be measured by measuring the size of each of the particles distinguished from cross-sectional SEM data of the positive electrode active material particles and then obtaining an arithmetic mean value thereof.
상기 '평균 입경(D50)'은 체적 누적 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 평균 입경(D50)은, 대상 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28 kHz의 초음파를 출력 60W로 조사한 후, 측정 장치에 있어서의 입경에 따른 입자 체적 누적 분포의 50% 기준에서의 평균 입경(D50)을 산출할 수 있다.The 'average particle diameter (D 50 )' may be defined as a particle diameter at 50% of the volume cumulative particle diameter distribution, and may be measured using a laser diffraction method. Specifically, the average particle diameter (D 50 ) is obtained by dispersing the target particle in a dispersion medium, introducing it into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (for example, Microtrac MT 3000), irradiating ultrasonic waves of about 28 kHz with an output of 60 W, and then , the average particle diameter (D 50 ) on the basis of 50% of the particle volume cumulative distribution according to the particle diameter in the measuring device can be calculated.
본 발명에서, 상기 단입자를 이루는 1차 입자의 평균 입경(D50)은 0.3 내지 2 μm이고, 바람직하게는, 0.4 내지 1.5 μm, 또는 0.5 내지 1.2 μm일 수 있다. In the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the primary particles constituting the single particles may be 0.3 to 2 μm, preferably 0.4 to 1.5 μm, or 0.5 to 1.2 μm.
본 발명의 양극 활물질에 포함된 리튬 전이금속 산화물은 상기 범위의 평균 입경(D50)을 갖는 1차 입자로 이루어짐으로써, 입자 강도가 커져 압연시 입자 깨짐을 억제할 수 있고, 압연 밀도를 향상시킬 수 있으며, 비표면적이 감소되고, 리튬 부산물이 감소되어 전해액과의 부반응에 의한 가스 발생량을 감소시킬 수 있다.The lithium transition metal oxide included in the cathode active material of the present invention is composed of primary particles having an average particle diameter (D 50 ) in the above range, so that particle strength increases to suppress particle breakage during rolling and improve rolling density. In addition, the specific surface area is reduced, and lithium by-products are reduced, thereby reducing the amount of gas generated by side reactions with the electrolyte.
본 발명에서, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 1 내지 10 μm이다. 바람직하게는 2 내지 7 μm, 또는 4 내지 6 μm일 수 있다. 본 발명의 양극 활물질은 단입자의 형태를 가짐으로써 평균 입경(D50)이 1 내지 10 μm인 소입경으로 형성되더라도 그 입자 강도가 우수할 수 있다. In the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the single particles is 1 to 10 μm. It may preferably be 2 to 7 μm, or 4 to 6 μm. Since the positive active material of the present invention has a single particle form, even if it is formed to have a small particle diameter with an average particle diameter (D 50 ) of 1 to 10 μm, the particle strength may be excellent.
본 발명에서, 상기 단입자는 1 내지 30개의 1차 입자로 이루어진 것일 수 있고, 구체적으로 3 내지 20개의 1차 입자로 이루어진 것일 수 있다.In the present invention, the single particle may be composed of 1 to 30 primary particles, specifically, may be composed of 3 to 20 primary particles.
1차 입자의 개수가 상기 범위를 만족할 때, 전극 압연 시 붙어있는 단일 입자가 떨어지면서 압연 밀도를 높이는 동시에 입자에 가해지는 압력을 분산시켜 입자 깨짐을 방지하는 효과가 있다.When the number of primary particles satisfies the above range, there is an effect of preventing particle breakage by dispersing the pressure applied to the particles while increasing the rolling density as single particles attached during electrode rolling fall off.
본 발명의 양극 활물질은 붕소를 포함하는 코팅층을 포함한다.The cathode active material of the present invention includes a coating layer containing boron.
상기 붕소(B)는 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.04 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 붕소 함량이 상기 범위를 만족할 때, 초기 방전 용량 및 효율 특성 개선 효과가 더욱 우수할 수 있다.The boron (B) may be included in an amount of 0.01 to 2% by weight, preferably 0.04 to 1% by weight, based on the total weight of the positive electrode active material. When the boron content satisfies the above range, the effect of improving initial discharge capacity and efficiency characteristics may be more excellent.
상기 붕소를 포함하는 코팅층에 의해 양극 활물질과 리튬 이차전지에 포함되는 전해액과의 접촉을 차단하여 부반응 발생을 억제함으로써 수명 특성을 더욱 향상시킬 수 있고, 더불어 양극 활물질의 충진 밀도를 증가시킬 수 있다. The coating layer containing boron blocks contact between the positive electrode active material and the electrolyte included in the lithium secondary battery to suppress side reactions, thereby further improving lifespan characteristics and increasing the filling density of the positive electrode active material.
상기 붕소를 포함하는 코팅층은 리튬 전이금속 산화물의 표면 전체에 형성될 수 있고, 부분적으로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 상기 붕소를 포함하는 코팅층이 리튬 전이금속 산화물의 표면에 부분적으로 형성될 경우, 리튬 전이금속 산화물 전체 면적 중 20% 이상 내지 100% 미만으로 형성될 수 있다. 상기 코팅층의 면적이 20% 미만일 경우, 상기 코팅층의 형성에 따른 수명 특성 향상 및 충진 밀도 향상 효과가 미미할 수 있다. The boron-containing coating layer may be formed on the entire surface of the lithium transition metal oxide or may be partially formed. Specifically, when the boron-containing coating layer is partially formed on the surface of the lithium transition metal oxide, it may be formed on 20% or more to less than 100% of the total area of the lithium transition metal oxide. When the area of the coating layer is less than 20%, the effect of improving the lifespan characteristics and the packing density according to the formation of the coating layer may be insignificant.
본 발명에서, 상기 양극 활물질은 압연 밀도가 탭 밀도의 120% 이상이 되는 최소 압력이 1200 kgf/cm2 이상일 수 있다.In the present invention, the positive active material may have a minimum pressure of 1200 kgf/cm 2 or more at which the rolling density is 120% or more of the tap density.
양극 활물질의 입자 강도가 약할 경우 약한 압력에 의해서도 압연 전 밀도(탭 밀도)에 비해 압연 밀도가 급격히 증가하게 되며, 이 경우 압연으로 인해 입자 깨짐이 발생할 수 있다 또한, 코팅이 처리되지 않은 리튬 전이금속 산화물의 표면이 외부로 드러나게 되면 전해액과의 부반응이 발생하고, 입자 간 물리적 접촉으로 리튬 이차전지의 성능도 열악해지는 문제가 발생할 수 있다.If the particle strength of the positive electrode active material is weak, the rolling density rapidly increases compared to the density before rolling (tap density) even by weak pressure, and in this case, particle breakage may occur due to rolling. In addition, uncoated lithium transition metal When the surface of the oxide is exposed to the outside, a side reaction with the electrolyte may occur, and the performance of the lithium secondary battery may deteriorate due to physical contact between particles.
본 발명의 양극 활물질은 상기와 같이 압연 밀도가 탭 밀도의 120% 이상이 되는 최소 압력이 1200 kgf/cm2의 높은 값이며, 이는 압력에 대한 저항성이 강하고 입자 강도가 우수하여 압연 시 입자 깨짐이 억제될 수 있다는 것을 의미한다.As described above, the cathode active material of the present invention has a high minimum pressure of 1200 kgf/cm 2 at which the rolling density is 120% or more of the tap density, which has strong resistance to pressure and excellent particle strength, so that the particle is not broken during rolling. This means that it can be suppressed.
본 발명에서, 상기 양극 활물질은 탭 밀도가 1.8 내지 2.8 g/cc일 수 있고, 바람직하게는 2.0 내지 2.5 g/cc일 수 있다. 상기 범위 내의 탭 밀도를 나타낼 경우, 입자의 에너지 밀도를 저하하지 않으면서도 공동 생성에 따른 전해액과 양극 활물질 입자 간의 반응을 촉진할 수 있다.In the present invention, the positive electrode active material may have a tap density of 1.8 to 2.8 g/cc, preferably 2.0 to 2.5 g/cc. When the tap density is within the above range, the reaction between the electrolyte and the positive electrode active material particles due to the formation of cavities may be promoted without lowering the energy density of the particles.
상기 탭 밀도는 양극 활물질 5 g을 원기둥형 몰드에 투입하고 분체 저항 측정기를 이용하여 측정한 것일 수 있다.The tap density may be measured by putting 5 g of the cathode active material into a cylindrical mold and using a powder resistance meter.
<양극 활물질의 제조방법><Method of manufacturing cathode active material>
본 발명의 양극 활물질의 제조방법은 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈을 60몰% 이상 함유하는 전이금속 수산화물 전구체를 준비하는 단계; 상기 전이금속 수산화물 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 850℃ 이상 온도에서 소성하여, 단입자의 리튬 전이금속 산화물을 제조하는 단계; 및 상기 리튬 전이금속 산화물을 붕산과 혼합하고 350 내지 450℃ 온도에서 열처리하는 단계;를 포함한다.The manufacturing method of the cathode active material of the present invention includes preparing a transition metal hydroxide precursor containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of the transition metal; preparing a single-particle lithium transition metal oxide by mixing the transition metal hydroxide precursor and a lithium source material and firing at a temperature of 850° C. or higher; and mixing the lithium transition metal oxide with boric acid and heat-treating at a temperature of 350 to 450°C.
먼저, 전이금속 전체 몰수에 대하여 니켈을 60몰% 이상 함유하는 전이금속 수산화물 전구체를 준비한다.First, a transition metal hydroxide precursor containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of the transition metal is prepared.
상기 전이금속 수산화물 전구체는 시판되는 양극 활물질 전구체를 구입하여 사용하거나, 당해 기술 분야에 잘 알려진 양극 활물질 전구체의 제조방법에 따라 제조될 수 있다.The transition metal hydroxide precursor may be purchased and used as a commercially available cathode active material precursor, or prepared according to a method for preparing a cathode active material precursor well known in the art.
예를 들면, 상기 전구체는 니켈 함유 원료물질, 코발트 함유 원료물질 및 망간 함유 원료물질을 포함하는 전이금속 용액에 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 공침 반응시켜 제조되는 것일 수 있다.For example, the precursor may be prepared by adding an ammonium cation-containing complex forming agent and a basic compound to a transition metal solution containing a nickel-containing raw material, a cobalt-containing raw material, and a manganese-containing raw material, followed by a coprecipitation reaction.
이어서, 상기 전이금속 수산화물 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 850℃ 이상 온도에서 소성하여, 단입자의 리튬 전이금속 산화물을 제조한다. 즉, 850℃ 이상 온도에서 소성을 수행함으로써 상기 양극 활물질이 단입자 형태로 제조되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 소성 온도는 850℃ 이상이고, 바람직하게는 850 내지 870℃, 또는 850 내지 860℃일 수 있다.Subsequently, the transition metal hydroxide precursor and the lithium raw material are mixed and calcined at a temperature of 850° C. or higher to prepare single-particle lithium transition metal oxide. That is, the cathode active material may be prepared in the form of a single particle by performing firing at a temperature of 850° C. or higher. Specifically, the firing temperature may be 850 °C or higher, preferably 850 to 870 °C, or 850 to 860 °C.
상기와 같이 높은 온도로 소성함으로써, 2차 입자 내에 개별적으로 존재하던 1차 입자들이 서로 합쳐지면서 높은 결정성을 가진 거대 1차 입자로 성장하게 되고, 높은 구조적 안정성으로 인하여 우수한 입자 강도를 나타내는 양극 활물질이 제조될 수 있다. 또한, 이로부터 제조된 양극 활물질은 압축에 의한 입자 깨짐이 억제되고 형상이 유지되어, 입자 깨짐에 의한 전극 내 미립자 증가 현상이 감소하고 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다.By firing at a high temperature as described above, the primary particles that were individually present in the secondary particles are combined with each other to grow into large primary particles with high crystallinity, and the positive electrode active material exhibits excellent particle strength due to high structural stability. this can be manufactured. In addition, the cathode active material prepared therefrom suppresses particle breakage due to compression and maintains its shape, thereby reducing the increase in fine particles in the electrode due to particle breakage and improving the lifespan characteristics of the battery.
상기 리튬 원료물질은 리튬 함유 탄산염(예를 들어, 탄산리튬 등), 수화물(예를 들어 수산화리튬 I수화물(LiOH·H2O) 등), 수산화물(예를 들어 수산화리튬 등), 질산염(예를 들어, 질산리튬(LiNO3) 등), 염화물(예를 들어, 염화리튬(LiCl) 등) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The lithium raw material is a lithium-containing carbonate (eg, lithium carbonate, etc.), a hydrate (eg, lithium hydroxide I hydrate (LiOH H 2 O), etc.), a hydroxide (eg, lithium hydroxide, etc.), a nitrate (eg, lithium hydroxide, etc.) For example, it may be lithium nitrate (LiNO 3 ), etc.), chloride (eg, lithium chloride (LiCl), etc.), but is not limited thereto.
본 발명에서, 상기 소성은 산소 또는 공기(air) 분위기 하에서 수행될 수 있고, 5 내지 13시간 동안 수행될 수 있다. 상기 분위기 하에서 소성될 경우, 국부적인 산소 분압이 높아져 양극 활물질의 결정성이 향상되고, 표면 상의 제어가 용이할 수 있다.In the present invention, the firing may be performed under an oxygen or air atmosphere, and may be performed for 5 to 13 hours. When calcined in the above atmosphere, the local oxygen partial pressure is increased to improve the crystallinity of the positive electrode active material, and control on the surface may be facilitated.
이어서, 상기 리튬 전이금속 산화물을 붕산과 혼합하고 350 내지 450℃ 온도에서 열처리한다. 상기 단계에서는 붕산을 코팅 원료물질로 하여, 리튬 전이금속 산화물의 표면에 위치하는 붕소를 포함하는 코팅층을 제조할 수 있다.Subsequently, the lithium transition metal oxide is mixed with boric acid and heat-treated at a temperature of 350 to 450°C. In the above step, a coating layer containing boron located on the surface of the lithium transition metal oxide may be prepared by using boric acid as a coating raw material.
코팅층을 형성하기 위한 상기 열처리는, 350 내지 450℃ 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로, 370 내지 430℃, 370 내지 400℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는 1 내지 6시간 동안 수행될 수 있다.The heat treatment for forming the coating layer may be performed at a temperature of 350 to 450°C, specifically, at 370 to 430°C and 370 to 400°C. The heat treatment may be performed for 1 to 6 hours.
상기와 같이 높은 온도로 열처리함으로써, 비결정질 구조가 결정화되어 붕소를 포함하는 코팅층이 더 높은 결정성을 갖게 되고, 이에 따라, 본 발명의 양극 활물질은 높은 구조적 안정성으로 인하여 우수한 입자 강도를 나타낸다.By heat treatment at a high temperature as described above, the amorphous structure is crystallized so that the boron-containing coating layer has higher crystallinity, and thus, the cathode active material of the present invention exhibits excellent particle strength due to high structural stability.
또한, 상기 열처리는 대기(air)분위기에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment may be performed in an air atmosphere.
본 발명의 제조방법은, 리튬 전이금속 산화물의 표면에 존재하는 리튬 부산물을 제거하기 위해, 상기 리튬 전이금속 산화물을 수세하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method of the present invention may further include washing the lithium transition metal oxide with water to remove lithium by-products present on the surface of the lithium transition metal oxide.
양극 활물질에 리튬 부산물이 다량 존재할 경우, 리튬 부산물과 전해액이 반응하여 가스 발생 및 스웰링 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 고온 안정성이 현저하게 저하되게 된다. 따라서, 고농도 니켈을 포함하는 리튬 전이금속 산화물로부터 리튬 부산물을 제거하기 위한 수세 공정을 더 수행할 수 있다.When a large amount of lithium by-product is present in the cathode active material, the lithium by-product reacts with the electrolyte to generate gas and swelling, which significantly deteriorates high-temperature stability. Accordingly, a water washing process for removing lithium by-products from the lithium transition metal oxide containing high-concentration nickel may be further performed.
상기 수세 단계는, 예를 들면, 초순수에 리튬 전이금속 산화물을 투입하고, 교반시키는 방법으로 수행될 수 있다. 이때, 상기 수세 온도는 20℃ 이하, 바람직하게는 10 내지 20℃일 수 있으며, 수세 시간은 10분 내지 1시간 정도일 수 있다. 수세 온도 및 수세 시간이 상기 범위를 만족할 때, 리튬 부산물이 효과적으로 제거될 수 있다.The water washing step may be performed, for example, by adding lithium transition metal oxide to ultrapure water and stirring it. At this time, the washing temperature may be 20 ° C or less, preferably 10 to 20 ° C, and the washing time may be about 10 minutes to 1 hour. When the washing temperature and washing time satisfy the above ranges, lithium by-products can be effectively removed.
<양극><Anode>
또한, 본 발명은 상술한 방법에 의해 제조된 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다. In addition, the present invention provides a cathode for a lithium secondary battery comprising the cathode active material prepared by the above-described method.
구체적으로, 상기 양극은 양극 집전체, 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 위치하며, 상기한 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층을 포함한다.Specifically, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer disposed on at least one surface of the positive electrode current collector and including the positive electrode active material.
상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500 μm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The positive current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon, nickel, titanium on the surface of aluminum or stainless steel. , those surface-treated with silver, etc. may be used. In addition, the cathode current collector may have a thickness of typically 3 to 500 μm, and fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to increase adhesion of the cathode active material. For example, it may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질과 함께, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다. The positive electrode active material layer may include a conductive material and a binder together with the positive electrode active material.
이때 상기 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 80 내지 99중량%, 보다 구체적으로는 85 내지 98중량%의 ?t량으로 포함될 수 있다. 상기한 함량범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있다.In this case, the positive electrode active material may be included in an amount of 80 to 99% by weight, more specifically, 85 to 98% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. When included in the above content range, excellent capacity characteristics can be exhibited.
이때, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.At this time, the conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery configured, any material that does not cause chemical change and has electronic conductivity can be used without particular limitation. Specific examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one of them alone or a mixture of two or more may be used. The conductive material may be included in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.The binder serves to improve adhesion between particles of the positive electrode active material and adhesion between the positive electrode active material and the current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose (CMC) ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and the like, and one type alone or a mixture of two or more types thereof may be used. The binder may be included in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.
상기 양극은 상기한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기한 양극 활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극 합재를 양극집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 양극 활물질, 바인더, 도전재의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 같다.The positive electrode may be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method except for using the positive electrode active material. Specifically, it may be prepared by coating a cathode mixture prepared by dissolving or dispersing the above-described cathode active material and optionally, a binder and a conductive material in a solvent on a cathode current collector, followed by drying and rolling. In this case, the types and contents of the positive electrode active material, the binder, and the conductive material are as described above.
상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.The solvent may be a solvent commonly used in the art, and dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, or water and the like, and one type alone or a mixture of two or more types of these may be used. The amount of the solvent used is enough to dissolve or disperse the positive electrode active material, conductive material, and binder in consideration of the coating thickness and manufacturing yield of the slurry, and to have a viscosity capable of exhibiting excellent thickness uniformity during subsequent coating for manufacturing the positive electrode. Do.
또한, 다른 방법으로, 상기 양극은 상기 양극 합재를 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.Alternatively, the positive electrode may be manufactured by casting the positive electrode mixture on a separate support and then laminating a film obtained by peeling from the support on a positive electrode current collector.
<리튬 이차전지><Lithium secondary battery>
또한, 본 발명은 상기 양극을 포함하는 전기화학소자를 제조할 수 있다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지, 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지일 수 있다.In addition, the present invention can manufacture an electrochemical device including the anode. The electrochemical device may be specifically a battery, a capacitor, and the like, and more specifically, may be a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지는 구체적으로, 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함하고, 상기 양극은 앞서 설명한 바와 동일하므로, 구체적인 설명을 생략하고, 이하 나머지 구성에 대해서만 구체적으로 설명한다. The lithium secondary battery specifically includes a positive electrode, a negative electrode positioned opposite to the positive electrode, and a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is the same as described above, so a detailed description is omitted, Hereinafter, only the remaining configurations will be described in detail.
또한, 상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극, 분리막의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.In addition, the lithium secondary battery may optionally further include a battery container accommodating the electrode assembly of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and a sealing member sealing the battery container.
상기 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극 활물질층을 포함한다.In the lithium secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer positioned on the negative electrode current collector.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The anode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. For example, it is formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper or stainless steel. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like may be used. In addition, the negative electrode current collector may have a thickness of typically 3 μm to 500 μm, and like the positive electrode current collector, fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to enhance bonding strength of the negative electrode active material. For example, it may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질과 함께 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함한다.The anode active material layer optionally includes a binder and a conductive material together with the anode active material.
상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0<β<2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체와 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.A compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used as the anode active material. Specific examples include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and amorphous carbon; metallic compounds capable of being alloyed with lithium, such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloys, Sn alloys, or Al alloys; metal oxides capable of doping and undoping lithium, such as SiO β (0<β<2), SnO 2 , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; or a composite including the metallic compound and the carbonaceous material, such as a Si—C composite or a Sn—C composite, and any one or a mixture of two or more of these may be used. In addition, a metal lithium thin film may be used as the anode active material. Also, as the carbon material, both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used. Soft carbon and hard carbon are typical examples of low crystalline carbon, and high crystalline carbon includes amorphous, platy, scaly, spherical or fibrous natural graphite, artificial graphite, or kish graphite. graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch High-temperature calcined carbon such as derived cokes is representative.
상기 음극활물질은 음극 활물질층의 총 중량에 대하여 80 중량%내지 99중량%로 포함될 수 있다.The negative active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of the negative active material layer.
상기 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질층의 총 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 10 중량부로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding between the conductive material, the active material, and the current collector, and is typically added in an amount of 0.1 part by weight to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the negative electrode active material layer. Examples of such binders are polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetra fluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, fluororubber, various copolymers thereof, and the like.
상기 도전재는 음극활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 활물질층의 총 중량에 대하여 10 중량% 이하, 바람직하게는 5 중량% 이하로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is a component for further improving the conductivity of the negative electrode active material, and may be added in an amount of 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, based on the total weight of the negative electrode active material layer. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; fluorinated carbon; metal powders such as aluminum and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
예를 들면, 상기 음극 활물질층은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극 합재를 도포하고 건조함으로써 제조되거나, 또는 상기 음극 합재를 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.For example, the negative electrode active material layer is prepared by coating a negative electrode composite prepared by dissolving or dispersing a negative electrode active material, and optionally a binder and a conductive material in a solvent on a negative electrode current collector and drying the negative electrode composite, or by drying the negative electrode composite. It can be produced by casting on a support and then laminating a film obtained by peeling from the support on a negative electrode current collector.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.On the other hand, in the lithium secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ion movement. Anything that is normally used as a separator in a lithium secondary battery can be used without particular limitation, especially for the movement of ions in the electrolyte. It is preferable to have low resistance to the electrolyte and excellent ability to absorb the electrolyte. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these A laminated structure of two or more layers of may be used. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high-melting glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, and the like may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be selectively used in a single-layer or multi-layer structure.
또한, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. In addition, the electrolyte used in the present invention includes organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel-type polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes that can be used in the manufacture of lithium secondary batteries, and are limited to these. it is not going to be
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. The organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, the organic solvent includes ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-caprolactone; ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone solvents such as cyclohexanone; aromatic hydrocarbon-based solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, PC) and other carbonate-based solvents; alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a straight-chain, branched or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may contain a double-bonded aromatic ring or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Alternatively, sulfolane or the like may be used. Among them, carbonate-based solvents are preferred, and cyclic carbonates (eg, ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ion conductivity and high dielectric constant capable of increasing the charge and discharge performance of batteries, and low-viscosity linear carbonate-based compounds ( For example, a mixture of ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate) is more preferable. In this case, when the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of about 1:1 to about 1:9, the performance of the electrolyte may be excellent.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt may be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 . LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 may be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so excellent electrolyte performance can be exhibited, and lithium ions can move effectively.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.In addition to the above electrolyte components, the electrolyte may include, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and triglycerides for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity decrease, and improving battery discharge capacity. Ethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol or aluminum trichloride may be further included. In this case, the additive may be included in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the electrolyte.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 수명 특성을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.As described above, since the lithium secondary battery including the cathode active material according to the present invention stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics, and lifespan characteristics, portable devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and hybrid electric vehicles ( It is useful for electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEVs).
이에 따라, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다. Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.The battery module or battery pack may include a power tool; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Alternatively, it may be used as a power source for one or more medium or large-sized devices among power storage systems.
본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The appearance of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a prismatic shape, a pouch shape, or a coin shape.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only as a battery cell used as a power source for a small device, but also can be preferably used as a unit cell in a medium-large battery module including a plurality of battery cells.
실시예Example
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples. However, the following examples are for exemplifying the present invention, and the scope of the present invention is not limited only thereto.
실시예 1Example 1
양극 활물질 전구체 Ni0.85Co0.05Mn0.10(OH)2에 리튬 소스 LiOH를 넣어 혼합하고, 열처리를 위해 혼합된 분말을 알루미나 도가니에 투입하였다. 이후 850 내지 860℃, 산소 분위기 하에서 13시간 소성하여 리튬 전이금속 산화물을 제조하였다. Lithium source LiOH was added to and mixed with the cathode active material precursor Ni 0.85 Co 0.05 Mn 0.10 (OH) 2 , and the mixed powder was put into an alumina crucible for heat treatment. Thereafter, a lithium transition metal oxide was prepared by firing at 850 to 860° C. for 13 hours under an oxygen atmosphere.
이후 분쇄 및 수세, 건조 공정을 거친 분말을 코팅 물질 H3BO3와 혼합하여 370 내지 400℃ 산소 분위기 하에서 열처리하여 단입자 형태를 가지는 양극 활물질을 제조하였다.Thereafter, the powder subjected to grinding, washing with water, and drying was mixed with the coating material H 3 BO 3 and heat-treated at 370 to 400° C. under an oxygen atmosphere to prepare a cathode active material having a single particle form.
비교예 1Comparative Example 1
800 내지 810℃에서 소성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.A positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was calcined at 800 to 810 °C.
비교예 2Comparative Example 2
290 내지 320℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.A positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed at 290 to 320 °C.
비교예 3Comparative Example 3
800 내지 810℃에서 소성하고 290 내지 320℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.A positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except for firing at 800 to 810 ° C and heat treatment at 290 to 320 ° C.
비교예 4Comparative Example 4
코팅 물질 H3BO3와 혼합하여 코팅층을 형성하는 단계를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the step of forming a coating layer by mixing with the coating material H 3 BO 3 was not performed.
실험예 1: 압연 밀도가 탭 밀도의 120% 이상이 되는 최소 압력 측정Experimental Example 1: Minimum pressure measurement at which the rolling density is 120% or more of the tap density
압연 밀도는 분체 저항 측정기(HPRM-A2)를 이용하여 측정하였다. 구체적으로, 양극 활물질 5 g을 원기둥형 몰드에 투입한 후, 0 kgf/cm2, 400 kgf/cm2, 800 kgf/cm2, 1200 kgf/cm2, 1600 kgf/cm2, 2000 kgf/cm2으로 양극 활물질이 들어있는 몰드를 가압한 후 몰드의 높이를 측정하여 압연 밀도를 구하였다.The rolling density was measured using a powder resistance meter (HPRM-A2). Specifically, after putting 5 g of the cathode active material into a cylindrical mold, 0 kgf/cm 2 , 400 kgf/cm 2 , 800 kgf/cm 2 , 1200 kgf/cm 2 , 1600 kgf/cm 2 , 2000 kgf/cm After pressurizing the mold containing the cathode active material with 2 , the height of the mold was measured to obtain the rolling density.
압력을 가하지 않은 탭 밀도 값을 100%로 하고, 각각 탭 밀도 대비 압연 밀도 값을 계산하여 함께 기재하였다.The tap density value to which no pressure was applied was taken as 100%, and the tap density versus the rolled density value was calculated and described together.
상기 표 1에서와 같이, 실시예 1은 1600 kgf/cm2의 압력을 가했을 때 압연 밀도가 탭 밀도의 120%가 되었고, 비교예 1 내지 4의 경우, 각각 800 kgf/cm2, 800 kgf/cm2, 800 kgf/cm2, 400 kgf/cm2의 압력을 가하였을 때 압연 밀도가 탭 밀도의 120%가 되는 것을 확인하였다. As shown in Table 1, Example 1 had a rolling density of 120% of the tap density when a pressure of 1600 kgf/cm 2 was applied, and Comparative Examples 1 to 4 had 800 kgf/cm 2 and 800 kgf/cm 2 respectively. When a pressure of cm 2, 800 kgf/cm 2, 400 kgf/cm 2 was applied, it was confirmed that the rolling density was 120% of the tap density.
이러한 결과는, 실시예에서 제조한 양극 활물질은 비교예의 양극 활물질 대비 입자 강도가 단단하여 압력에 대한 저항성이 크고 입자 깨짐 현상이 억제되었음을 의미한다.These results mean that the positive electrode active material prepared in Examples had higher particle strength than the positive electrode active material of Comparative Example, so that resistance to pressure was high and particle breakage was suppressed.
실험예 2: 입자 깨짐 평가Experimental Example 2: Evaluation of particle breakage
실시예 및 비교예에서 각각 제조한 양극 활물질, 카본블랙 도전재 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 바인더를 96.5:1.5:2의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용매 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 100℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.Cathode active material, carbon black conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) binder prepared in Examples and Comparative Examples were mixed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solvent at a weight ratio of 96.5: 1.5: 2 to obtain a cathode slurry. was manufactured. The positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and then rolled to prepare a positive electrode.
제조한 양극을 소성로에서 500℃에서 10시간 동안 소성한 후, 남은 양극 활물질만을 취하여 입도 분석기(Particle Size Distribution, PSD)로 평균 입경(D50)을 측정하였다. 그 중, 평균 입경이 1 μm 이하인 양극 활물질의 비율(%)을 계산하여 표 2에 나타내었다.After the prepared positive electrode was fired at 500° C. for 10 hours in a firing furnace, only the remaining positive electrode active material was taken and the average particle diameter (D 50 ) was measured using a particle size distribution (PSD). Among them, the ratio (%) of the positive electrode active material having an average particle diameter of 1 μm or less was calculated and shown in Table 2.
상기 표 2를 참조하면, 비교예 1 내지 4 대비 실시예 1에서는 압연 후 평균 입경이 1 μm 이하인 양극 활물질의 비율(%)이 훨씬 낮게 나타났다. 이는 실시예 1의 양극 활물질에서 압연 시 입자 깨짐 현상이 현저히 억제되었음을 의미한다.Referring to Table 2, in Example 1 compared to Comparative Examples 1 to 4, the ratio (%) of the positive electrode active material having an average particle diameter of 1 μm or less after rolling was much lower. This means that in the cathode active material of Example 1, particle breakage during rolling was significantly suppressed.
실험예 3: 고온 수명 특성Experimental Example 3: High Temperature Life Characteristics
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 양극 활물질을 이용하여 리튬 이차전지를 제조하고 각각에 대하여 용량 특성을 평가하였다.Lithium secondary batteries were prepared using the cathode active materials prepared in Examples and Comparative Examples, and capacity characteristics were evaluated for each.
구체적으로, 실시예 및 비교예에서 각각 제조한 양극 활물질, 카본블랙 도전재 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 바인더를 96.5:1.5:2의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용매 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 100℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.Specifically, the cathode active material, the carbon black conductive material, and the polyvinylidene fluoride (PVdF) binder prepared in Examples and Comparative Examples were mixed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solvent at a weight ratio of 96.5:1.5:2. Thus, a positive electrode slurry was prepared. The positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and then rolled to prepare a positive electrode.
한편, 음극으로서 리튬 메탈을 사용하였다.Meanwhile, lithium metal was used as the negative electrode.
상기에서 제조한 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조한 다음, 이를 전지 케이스 내부에 위치시킨 후, 상기 케이스 내부로 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로서 에틸렌카보네이트:에틸메틸카보네이트:디에틸카보네이트(EC:EMC:DEC)를 3:4:3의 부피비로 혼합한 유기 용매에 1.0 M의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시킨 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.An electrode assembly was prepared by interposing a porous polyethylene separator between the positive electrode and the negative electrode prepared above, and then placed inside a battery case, and then an electrolyte was injected into the case to prepare a lithium secondary battery. At this time, 1.0 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in an organic solvent in which ethylene carbonate: ethylmethyl carbonate: diethyl carbonate (EC: EMC: DEC) as an electrolyte was mixed in a volume ratio of 3: 4: 3 A lithium secondary battery was prepared by injecting an electrolyte solution.
구체적으로, 각 전지 셀을 제작한 후에 전지 셀을 SOC 100 상태로 완충하였다. 이후 60℃ 오븐에서 전지 셀을 방치한 후 100일이 지난 다음에, 방치전의 초기 저항과 6주째 저항을 비교하여 전지 셀의 고온 저장시의 용량 유지율(%)을 산출함으로써 고온 수명 특성을 평가하였다.Specifically, after manufacturing each battery cell, the battery cell was buffered to a SOC 100 state. Thereafter, after 100 days after leaving the battery cell in an oven at 60 ° C., the initial resistance before leaving and the resistance at 6 weeks were compared to calculate the capacity retention rate (%) of the battery cell during high-temperature storage, thereby evaluating high-temperature life characteristics.
상기 표 3와 같이, 실시예 1에서 제조한 양극 활물질을 사용할 경우, 비교예 대비 고온에서의 수명 특성이 개선된 리튬 이차전지를 제조할 수 있었다. 이는 실시예 1과 같이 높은 온도에서 소성 및 열처리하여 제조된 양극 활물질은 입자 강도가 높아 입자 깨짐이 감소하고 전해액과의 부반응이 억제되었기 때문이다.As shown in Table 3, when the cathode active material prepared in Example 1 was used, a lithium secondary battery with improved lifespan characteristics at high temperature compared to the comparative example could be manufactured. This is because the cathode active material prepared by firing and heat treatment at a high temperature as in Example 1 has high particle strength, so particle breakage is reduced and side reactions with the electrolyte are suppressed.
실험예 4: 사이클 특성 평가Experimental Example 4: Evaluation of cycle characteristics
상기에서 제조한 리튬 이차전지 각각에 대하여 상온에서 0.2 C 정전류로 4.25 V까지 0.05 C cut off로 충전하였다. 이후, 0.2 C 정전류로 2.5 V가 될 때까지 방전하였다. 상기 충전 및 방전 거동을 1사이클로 하고, 2회째부터는 0.5 C 정전류로 4.25 V까지 0.05 C cut off로 충전 및 0.5 C 정전류로 2.5 V까지 방전하는 것을 1 사이클로 하였다. Each of the lithium secondary batteries prepared above was charged at room temperature with a 0.2 C constant current up to 4.25 V at 0.05 C cut off. Then, it was discharged until it became 2.5 V with 0.2 C constant current. The above charging and discharging behavior was set as one cycle, and from the second time, charging with a 0.5 C constant current to 4.25 V with a 0.05 C cut off and discharging to 2.5 V with a 0.5 C constant current was set as one cycle.
이러한 사이클을 30회 반복 실시한 후, 상기 이차전지의 사이클에 따른 용량 유지율을 측정하였고, 이를 하기 표 4에 나타내었다.After repeating this cycle 30 times, the capacity retention rate according to the cycle of the secondary battery was measured, which is shown in Table 4 below.
상기 표 4과 같이, 실시예 1에서 제조된 양극 활물질을 사용할 경우, 비교예 대비 높은 용량 유지율을을 보이는 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.As shown in Table 4, when the cathode active material prepared in Example 1 is used, a lithium secondary battery showing a higher capacity retention rate than the comparative example can be manufactured.
Claims (10)
상기 리튬 전이금속 산화물은 평균 입경(D50)이 0.3 내지 2 μm인 1차 입자로 이루어진 단입자이고,
상기 단입자의 평균 입경(D50)은 1 내지 10 μm인 양극 활물질.
a lithium transition metal oxide containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of transition metals excluding lithium; And a coating layer containing boron;
The lithium transition metal oxide is a single particle composed of primary particles having an average particle diameter (D 50 ) of 0.3 to 2 μm,
The average particle diameter (D 50 ) of the single particles is 1 to 10 μm of the positive electrode active material.
상기 단입자 1개는 1 내지 30개의 1차 입자로 이루어진 양극 활물질.
The method of claim 1,
A cathode active material in which one single particle is composed of 1 to 30 primary particles.
상기 붕소를 포함하는 코팅층은 리튬 전이금속 산화물의 표면 전체에 형성된 양극 활물질.
The method of claim 1,
The coating layer containing boron is a positive electrode active material formed on the entire surface of the lithium transition metal oxide.
상기 리튬 전이금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것인 양극 활물질:
[화학식 1]
Li1+aNixCoyMnzM1 wO2
상기 화학식 1에서,
M1은 Al, Mg, V, Ti 및 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고,
0≤a≤0.5, 0.6≤x<1, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0<w≤0.04, x+y+z+w=1임.
The method of claim 1,
The lithium transition metal oxide is a positive electrode active material represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
Li 1+a Ni x Co y Mn z M 1 w O 2
In Formula 1,
M 1 is at least one selected from the group consisting of Al, Mg, V, Ti, and Zr;
0≤a≤0.5, 0.6≤x<1, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0<w≤0.04, x+y+z+w=1.
상기 양극 활물질의 압연 밀도가 탭 밀도의 120% 이상이 되는 최소 압력은 1200 kgf/cm2 이상인 양극 활물질.
The method of claim 1,
A minimum pressure at which a rolling density of the cathode active material is 120% or more of a tap density is 1200 kgf/cm 2 or more.
상기 양극 활물질의 탭 밀도는 1.8 내지 2.8 g/cc인 양극 활물질.
The method of claim 1,
The positive electrode active material has a tap density of 1.8 to 2.8 g / cc.
상기 전이금속 수산화물 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 850℃ 이상 온도에서 소성하여, 단입자의 리튬 전이금속 산화물을 제조하는 단계; 및
상기 리튬 전이금속 산화물을 붕산과 혼합하고 350 내지 450℃ 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는 양극 활물질의 제조방법.
Preparing a transition metal hydroxide precursor containing 60 mol% or more of nickel based on the total number of moles of the transition metal;
preparing a single-particle lithium transition metal oxide by mixing the transition metal hydroxide precursor and a lithium source material and firing at a temperature of 850° C. or higher; and
Method for producing a cathode active material comprising a; mixing the lithium transition metal oxide with boric acid and heat-treating at a temperature of 350 to 450 ° C.
상기 소성은 산소 또는 공기 분위기 하에서 수행되는 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 7,
The firing is a method for producing a positive electrode active material performed in an oxygen or air atmosphere.
A cathode for a lithium secondary battery comprising the cathode active material of any one of claims 1 to 6.
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KR20140093529A (en) | 2013-01-18 | 2014-07-28 | 삼성에스디아이 주식회사 | composit cathode active material, cathode and lithium battery containing the material, and preparation method thereof |
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KR20140093529A (en) | 2013-01-18 | 2014-07-28 | 삼성에스디아이 주식회사 | composit cathode active material, cathode and lithium battery containing the material, and preparation method thereof |
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