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KR101183748B1 - Method for Preparing Single phase lithium metal oxides - Google Patents

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KR101183748B1
KR101183748B1 KR1020050072836A KR20050072836A KR101183748B1 KR 101183748 B1 KR101183748 B1 KR 101183748B1 KR 1020050072836 A KR1020050072836 A KR 1020050072836A KR 20050072836 A KR20050072836 A KR 20050072836A KR 101183748 B1 KR101183748 B1 KR 101183748B1
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metal oxide
metal
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compound
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한영식
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한화케미칼 주식회사
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Abstract

본 발명은 단일상의 리튬금속산화물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, (a) 니켈화합물, 망간화합물, 코발트화합물 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속화합물 수용액에 리튬화합물 및 알칼리화제를 첨가하여 pH 10이상의 조건에서 금속수산화물을 침전시켜 침전물 혼합액을 얻는 단계; (b) 상기 침전물 혼합액에 180 내지 550bar의 압력 하에서 200 내지 700℃의 온도로 가열된 물을 첨가하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a single-phase lithium metal oxide and a method for manufacturing the same, (a) adding a lithium compound and an alkalizing agent to an aqueous solution of at least one metal compound selected from nickel compounds, manganese compounds, and cobalt compounds at a pH of 10 or more. Precipitating the metal hydroxide to obtain a precipitate mixture; (b) reacting the precipitate mixture by adding water heated to a temperature of 200 to 700 ° C. under a pressure of 180 to 550 bar.

금속수산화물, 알칼리화제, 암모니아수, 연속식 혼합기, 단일상, 코발트산리튬, 망간산리튬, 리튬금속산화물, 양극 활물질, 리튬이온 전지 Metal hydroxide, alkalizing agent, ammonia water, continuous mixer, single phase, lithium cobalt acid, lithium manganate, lithium metal oxide, positive electrode active material, lithium ion battery

Description

단일상의 리튬금속산화물의 제조방법 {Method for Preparing Single phase lithium metal oxides}Method for preparing single phase lithium metal oxides

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의해 합성된 LiCoO2의 (a) FESEM 이미지(10,000배 확대), (b) XRD 이미지이다.1 is (a) FESEM image (10,000 times magnification), (b) XRD image of LiCoO 2 synthesized by Example 1 of the present invention.

도 2는 본 발명의 비교예 1에 의해 합성된 코발트산화물의 (a) FESEM 이미지(20,000배 확대), (b) XRD 이미지이다.Figure 2 is a (a) FESEM image (20,000 times magnification), (b) XRD image of the cobalt oxide synthesized by Comparative Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 6에 의해 합성된 LiMn2O4의 (a) FESEM 이미지(10,000배 확대), (b) XRD 이미지이다.3 is (a) FESEM image (10,000 times magnification), (b) XRD image of LiMn 2 O 4 synthesized by Example 6 of the present invention.

도 4는 본 발명의 비교예 6에 의해 합성된 망간산화물의 (a) FESEM 이미지(30,000배 확대), (b) XRD 이미지이다.4 is (a) FESEM image (30,000-fold magnification) and (b) XRD image of manganese oxide synthesized by Comparative Example 6 of the present invention.

본 발명은 단일상의 리튬금속산화물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머전지 등의 양극 활물질로 사용할 수 있는 단일상(single phase)의 리튬금속산화물 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single phase lithium metal oxide and a method of manufacturing the same. More specifically, a single phase lithium metal oxide and a method of manufacturing the same can be used as a cathode active material such as a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery. It is about.

최근 전기전자기기의 이동성, 휴대성이 증가함에 따라 2차전지의 수요가 비약적으로 증가하고 있다. 리튬 2차전지는 1990년대 초에 일본 소니사에 의해 공업적으로 생산되기 시작한 전지로서 종래의 Ni-Cd, Ni-MH 전지 등에 비해 가볍고 고용량인 장점이 있어 휴대전화, 노트북 컴퓨터 시장의 대부분을 차지하고 있으며, 최근에는 전동공구, 전기자전거, 전동 스쿠터, 게임기, 무선청소기, 서비스로봇, 하이브리드 자동차 등 고출력 중대형 전지로 급속히 시장을 넓혀 가고 있다. 리튬이온 이차전지는 양극 활물질로 코발트산리튬(LiCoO2), 음극 활물질로 탄소소재(carbon), 전해질로서 육불화인산리튬(LiPF6) 등을 사용되고 있다. 대용량, 고출력 요구가 증대하고, 사용량이 증가함에 따라 고성능, 저가격의 새로운 소재 및 그 제조방법이 요구된다.Recently, as the mobility and portability of electric and electronic devices increase, the demand for secondary batteries has increased dramatically. Lithium secondary battery, which was produced industrially by Sony Japan in the early 1990s, has a light and high capacity advantage compared to conventional Ni-Cd and Ni-MH batteries, and occupies most of the mobile phone and notebook computer markets. Recently, the market is rapidly expanding to high power medium and large batteries such as electric tools, electric bicycles, electric scooters, game machines, wireless cleaners, service robots, and hybrid cars. Lithium ion secondary batteries use lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, carbon as a negative electrode active material, and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte. As the demand for large capacity and high output increases and the amount of usage increases, new materials having high performance and low cost and a manufacturing method thereof are required.

양극 활물질은 층상구조를 가지는 코발트산리튬(LiCoO2), 니켈산리튬(LiNiO2) 및 스피넬 구조를 가지는 망간산리튬(LiMn2O4)이 알려져 있으나, 실제로 상업적으로 사용되고 있는 것은 코발트산리튬이 대부분이다. 그러나, 코발트산리튬의 주성분 금속인 코발트의 수급이 불안정하고 가격이 올라감에 따라, 코발트를 Ni, Mn등 다른 전이금속으로 일부 치환한 물질 또는 코발트가 거의 포함되지 않은 스피넬 구조의 망간산리튬 등이 상업적으로 사용되기 시작하였다. 고전압에서 구조적으로 보다 안정한 새로운 화합물 또는 기존 양극 활물질에 다른 금속산화물을 도 핑 또는 코팅하여 안정성을 향상시킨 물질 등도 개발되고 있다.Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ) and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure are known as the positive electrode active material. Mostly. However, as the supply and demand of cobalt, a main component metal of lithium cobalt acid, is unstable and the price increases, a material in which cobalt is partially substituted with other transition metals such as Ni and Mn, or spinel-structure lithium manganate containing almost no cobalt It began to be used commercially. New compounds that are more structurally stable at high voltages or materials that improve stability by doping or coating other metal oxides on existing cathode active materials are also being developed.

종래 양극 활물질을 제조하는 방법으로 가장 널리 알려진 방법으로 건식소성법과 습식침전법이 있다. 건식 소성법은 코발트(Co) 등의 전이금속 산화물, 수산화물 및 리튬원인 탄산리튬 또는 수산화리튬을 건조 상태에서 혼합하고 700 내지 1000 의 높은 온도에서 5시간 내지 48 시간 소성시킴으로써 양극 활물질을 제조하는 방법이다. 이 건식소성법은 금속산화물의 제조방법으로 전통적으로 많이 사용해오던 기술이므로 접근이 용이하나, 원료물질을 균질하게 혼합하기 어렵고 단일상 제품을 얻기 어려우며, 2종 이상의 전이금속으로 이루어지는 양극 활물질의 경우에는 원자 레벨로 2종 이상의 원소를 균질하게 배열시키기 곤란하다. 습식침전법은 코발트(Co) 등 전이금속의 염을 물에 용해시키고 수산화나트륨 등의 알칼리를 가해 주로 중화반응을 이용해 전이금속의 수산화물 등의 형태로 침전시키고, 침전물을 여과, 건조한 후 여기에 다시 리튬원인 탄산리튬 또는 수산화리튬을 건조 상태에서 혼합하고 700 내지 1000℃의 높은 온도에서 5시간 내지 48 시간 소성시킴으로써 양극 활물질을 제조하는 방법이다. 습식침전법은 특히 2성분 이상의 전이금속 원소를 공침시켜 균질한 혼합체를 얻기 용이한 것으로 알려져 있으나, 침전반응에 장시간이 필요하고 공정이 복잡하며 폐산 등이 발생하는 등의 문제점이 있다.The most widely known methods for preparing a positive electrode active material include a dry firing method and a wet precipitation method. Dry firing is a method of preparing a positive electrode active material by mixing a transition metal oxide such as cobalt (Co), hydroxide and lithium source lithium carbonate or lithium hydroxide in a dry state and firing at a high temperature of 700 to 1000 for 5 hours to 48 hours. . This dry firing method is a technique that has been used traditionally for the production of metal oxides, so it is easy to access, but it is difficult to homogeneously mix raw materials, it is difficult to obtain a single phase product, and in the case of a positive electrode active material composed of two or more transition metals It is difficult to homogeneously arrange two or more kinds of elements at the atomic level. The wet precipitation method dissolves salts of transition metals such as cobalt (Co) in water, adds alkalis such as sodium hydroxide, and precipitates them in the form of hydroxides of transition metals mainly by neutralization reaction, and precipitates are filtered and dried again. It is a method of manufacturing a positive electrode active material by mixing lithium carbonate or lithium hydroxide as a lithium source in a dry state and firing at a high temperature of 700 to 1000 ° C for 5 to 48 hours. The wet precipitation method is known to be easy to obtain a homogeneous mixture by coprecipitating two or more transition metal elements, but there are problems such as a long time required for the precipitation reaction, a complicated process, and waste acid.

이 밖에도 졸젤법, 수열법, 분무열분해법, 이온교환법 등 여러 가지 방법이 리튬 2차전지용 양극 활물질 제조법으로 제시되어 있다.In addition, various methods such as sol-gel method, hydrothermal method, spray pyrolysis method, and ion exchange method are proposed as a method of preparing a positive electrode active material for lithium secondary batteries.

최근 초임계수를 활용하여 LiCoO2, LiMn2O4입자 등을 제조하는 방법이 발표된 바 있다(K. Kanamura, et al., Key Engineering Materials, 181-162(2000), pp.147-150).Recently, a method of manufacturing LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 particles, etc. using supercritical water has been published (K. Kanamura, et al., Key Engineering Materials, 181-162 (2000), pp.147-150). .

일본 공개 특허 2000-72445A에는 배취 타입 반응기에서, 2001-163700에는 배취 및 연속식 반응기에서 리튬이온과 전이금속 이온을 초임계 또는 아임계 상태에서 반응시켜 양극 활물질용 금속산화물을 제조하는 방법이 소개되고 있다. 배취 타입의 경우 Li/Co비율이 높을수록, 알칼리 몰비가 높을수록, 질산농도가 높을수록, 산화제를 첨가할수록, 불순물인 Co3O4의 함량이 감소되고 단일상의 LiCoO2 함량이 증가한다고 개시하고 있으나, 얻어진 입자는 LiCoO2 결정상의 순도가 최고 97.8%에 불과하여 실제적으로 양극 활물질로 사용되기에 부적합하다. 연속식의 경우, 코발트염 수용액 또는 망간염 수용액과 수산화리튬 수용액을 연속적으로 가압 펌핑하여 초임계수와 과산화수소(H2O2)를 혼합하여 약 400℃, 300bar조건에서 합성한다. 반응시간은 30초 이내로 짧으나, 합성제품이 단일상이 아니고 여러 가지 상의 금속산화물이 혼합되어 있어 순도가 나쁘고 전기화학적 특성이 우수하지 못한 것으로 알려져 있다.Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-72445A discloses a method for producing a metal oxide for a positive electrode active material by reacting lithium ions and transition metal ions in a supercritical or subcritical state in a batch type reactor, and 2001-163700 in a batch and continuous reactor. have. In the case of batch type, it is disclosed that the higher the Li / Co ratio, the higher the alkali molar ratio, the higher the nitric acid concentration, the higher the oxidizing agent, the lower the content of Co 3 O 4 as impurities and the LiCoO 2 content of single phase is increased. However, the obtained particles have a purity of only 97.8% of the LiCoO 2 crystal phase, which is not suitable for practical use as a positive electrode active material. In the case of the continuous type, the cobalt salt solution or the manganese salt solution and the lithium hydroxide solution are continuously pumped under pressure to synthesize supercritical water and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) at about 400 ° C. and 300 bar. Although the reaction time is short within 30 seconds, it is known that the synthetic product is not a single phase and various phases of metal oxides are mixed, resulting in poor purity and poor electrochemical properties.

이상의 종래기술의 검토에서 알 수 있는 바와 같이, 리튬이온 이차전지의 대용량, 고출력 요구가 증대하고, 사용량이 증가함에 따라 고성능, 저가격의 새로운 양극 활물질 및 그 제조방법이 요구되고 있다. 상업적으로 주로 사용되고 있는 것은 대부분의 양극 활물질인 코발트산리튬의 주성분 금속인 코발트의 수급이 불안정하고 가격이 올라감에 따라 코발트를 니켈, 망간 등 다른 전이금속으로 일부 치환 한 물질 또는 코발트가 거의 포함되지 않은 스피넬 구조의 망간산리튬 등이 상업적으로 사용되기 시작하였다. 고전압에서 구조적으로 보다 안정한 새로운 화합물 또는 기존 양극 활물질에 다른 금속산화물을 도핑 또는 코팅하여 안정성을 향상시킨 물질 등도 개발되고 있다. 그러나, 종래의 양극 활물질 제조 방법인 건식소성법은 원료물질을 균질하게 혼합하기 어렵고 단일상 제품을 얻기 어려우며, 또 다른 종래의 제조방법인 습식침전법은 침전반응에 장시간이 필요하고 공정이 복잡하며 폐산 등이 발생하는 등의 문제점이 있다. 종래의 초임계수열법은 고가의 산화제가 필요하며, 제조되는 리튬금속산화물이 단일상이 아니라 여러 가지 상이 혼합되어 있어 실제적으로 사용하기 곤란한 문제점이 있다. 따라서, 코발트산리튬은 물론 코발트를 다른 전이금속으로 치환한 물질 또는 코발트가 전혀 포함되지 않는 양극 활물질을 단일상으로 용이하고 경제적으로 제조할 수 있는 제조공정의 개발이 필요하다.As can be seen from the above review of the prior art, as a demand for a large capacity and a high output of a lithium ion secondary battery increases and the amount of usage increases, a new high-performance, low-cost new cathode active material and a method of manufacturing the same are required. Most commonly used commercially available materials such as cobalt partially substituted with other transition metals such as nickel or manganese, or cobalt, are rarely included as supply and demand of cobalt, a main component metal of lithium cobalt oxide, a cathode active material, is unstable and the price is rising. Spinel structure lithium manganate and the like have begun to be used commercially. New compounds that are more structurally stable at high voltages or materials that improve stability by doping or coating other metal oxides on existing cathode active materials are also being developed. However, the dry firing method, which is a method of preparing a positive electrode active material, is difficult to homogeneously mix raw materials, and it is difficult to obtain a single phase product. Another conventional method, the wet precipitation method, requires a long time for the precipitation reaction, and the process is complicated. There are problems such as generation of waste acid. The conventional supercritical hydrothermal method requires an expensive oxidizer, and there is a problem in that the lithium metal oxide produced is not a single phase but is mixed with various phases, and thus is practically difficult to use. Therefore, it is necessary to develop a manufacturing process capable of easily and economically manufacturing a lithium cobalate as well as a material in which cobalt is substituted with another transition metal or a cathode active material containing no cobalt at all in a single phase.

따라서, 본 발명자들은 이상의 문제점을 해결하고자 예의 연구한 결과, pH 10 이상의 조건에서 금속수산화물을 침전시키고, 이 침전물 혼합액을 아임계 혹은 초임계수를 활용하여 리튬과 반응시켜, 여러 가지 상(phase)이 혼재한 혼합상이 아닌 단일상(single phase)의 리튬금속산화물을 연속식으로 합성함으로써, 우수한 물성을 나타내는 양극 활물질을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 창안하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors have diligently studied to solve the above problems, and as a result, precipitate the metal hydroxide in the condition of pH 10 or more, and react the precipitate mixture with lithium using subcritical or supercritical water, By continuously synthesizing a single phase lithium metal oxide rather than a mixed phase, it has come to create a technology capable of producing a large amount of a positive electrode active material exhibiting excellent physical properties.

본 발명의 목적은 리튬이온 2차전지 또는 리튬이온 폴리머전지 등의 양극화 물질로 사용할 수 있는 단일상(single phase)의 금속산화물 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a single phase metal oxide that can be used as anodization material, such as a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer battery, and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일상 리튬금속산화물의 제조방법은:Method for producing a single-phase lithium metal oxide according to the present invention for achieving the above object:

(a) 니켈화합물, 망간화합물, 코발트화합물 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속화합물 수용액에 리튬화합물 및 알칼리화제를 첨가하여 pH 10이상의 조건에서 금속수산화물을 침전시켜 침전물 혼합액을 얻는 단계; (a) adding a lithium compound and an alkalizing agent to an aqueous solution of at least one metal compound selected from nickel compounds, manganese compounds, and cobalt compounds to precipitate metal hydroxides under a pH of 10 or more to obtain a precipitate mixture solution;

(b) 상기 침전물 혼합액에 180 내지 550bar의 압력 하에서 200 내지 700℃의 온도로 가열된 물을 첨가하여 반응시키는 단계;(b) reacting the precipitate mixture by adding water heated to a temperature of 200 to 700 ° C. under a pressure of 180 to 550 bar;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises a.

바람직하게는, 상기 알칼리화제는 알칼리금속 수산화물, 알칼리토금속 수산화물 및 암모니아화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the alkalizing agent is selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides and ammonia compounds.

바람직하게는, 상기 금속화합물은 금속질산염이며, 알칼리화제는 암모니아수인 것을 특징으로 한다.Preferably, the metal compound is a metal nitrate, the alkalizing agent is characterized in that ammonia water.

바람직하게는, 상기 리튬화합물은 수산화리튬, 질산리튬 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.Preferably, the lithium compound is characterized in that the lithium hydroxide, lithium nitrate or a mixture thereof.

바람직하게는, 상기 단계 (a) 및 단계 (b)는 연속혼합기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (a) and step (b) is characterized in that it is carried out in a continuous mixer.

바람직하게는, 상기 단계 (a)에서 탄소수 1 내지 10의 알코올이 더욱 첨가되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the alcohol of 1 to 10 carbon atoms is further added in step (a).

바람직하게는, 상기 단계 (a), 단계 (b), 또는 그 전 또는 그 후에 도핑제, 코팅제가 더욱 첨가되는 것을 특징으로 한다.Preferably, a dopant or a coating agent is further added before or after step (a), step (b), or after.

바람직하게는, 상기 단계 (b)에서 얻어진 리튬금속산화물의 혼합액을 냉각, 농축 및 건조시키는 단계를 더욱 포함한다.Preferably, further comprising the step of cooling, concentrating and drying the mixture of the lithium metal oxide obtained in step (b).

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단일상 리튬금속산화물은 상기 방법으로 제조되며, 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시된다.In order to achieve the above object, a single phase lithium metal oxide according to the present invention is prepared by the above method, and is represented by the following Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2.

Li1+a[NixMnyCoz]O2 Li 1 + a [Ni x Mn y Co z ] O 2

(상기 화학식 1에서, a, x, y, z의 범위는 각각 -0.1≤a≤+0.1, 0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0 ≤z≤1이다.)(In Formula 1, the ranges of a, x, y, z are -0.1≤a≤ + 0.1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, and 0≤z≤1, respectively.)

LiMn2O4 LiMn 2 O 4

바람직하게는, 상기 단일상 리튬금속산화물의 평균 입도는 0.1 내지 50㎛인 것을 특징으로 한다.Preferably, the average particle size of the single-phase lithium metal oxide is characterized in that 0.1 to 50㎛.

본 발명은 또한 상기 단일상 리튬금속산화물을 리튬이온 전지의 양극 활물질용으로 사용하는 것을 포함한다.The present invention also includes using the single-phase lithium metal oxide for the positive electrode active material of a lithium ion battery.

여기서, 상기 리튬이온 전지는 단일상 리튬금속산화물을 양극 활물질로서 포 함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극 및 음극에 함침된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the lithium ion battery includes a positive electrode including a single phase lithium metal oxide as a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte impregnated in the positive electrode and the negative electrode.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서 사용되는 금속화합물은 니켈화합물, 망간화합물 및 코발트화합물 중에서 하나 이상 선택된다. 상기 니켈화합물, 망간화합물, 코발트 화합물은 수용성이면 바람직하며, 질산염, 황산염, 아세트산염 등 모두 가능하다. 니켈화합물, 망간화합물, 코발트 화합물은 단독 또는 니켈-망간, 니켈-코발트, 니켈-망간-코발트 등 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The metal compound used in the present invention is at least one selected from nickel compounds, manganese compounds and cobalt compounds. The nickel compound, manganese compound, and cobalt compound are preferably water-soluble, and nitrates, sulfates, acetates, and the like can all be used. The nickel compound, manganese compound, and cobalt compound may be used alone or in combination of one or more of nickel-manganese, nickel-cobalt, nickel-manganese-cobalt, and the like.

본 발명에 따르면, 알칼리화제는 반응액을 알칼리성으로 만들어서 니켈, 망간, 코발트 화합물이 수산화물로서 가수분해되어 침전되기 용이한 조건을 제공해 주며, 아울러 최종 생성물인 리튬금속산화물 중의 불순물(예를 들어, 코발트화합물 사용 시 Co3O4, CoO 등)의 함량을 줄여주는 역할을 한다. 알칼리금속 수산화물(NaOH, KOH 등), 알칼리토금속 수산화물(Ca(OH)2, Mg(OH)2 등), 암모니아화합물(암모니아수, 질산암모늄 등) 등이 모두 가능하다. 특히 금속화합물이 질산염인 경우 알칼리화제를 암모니아 화합물로 사용하면, 부산물로서 발생되는 질산이온을 동일 공정 내에서 대부분 분해처리 가능하고, 잔존 이온은 합성 이후 공정에서 수세, 건조 또는 소성에 의해 제거가 용이하기 때문에 가장 적합하다. 더욱이 암모니아 이온은 상기 금속의 이온과 콤플렉스(complex)를 형성하여 가수분해반응을 도와주는 역할을 할 수 있다. 알칼리화제의 양은 혼합 후 pH를 10 이상으로 할 수 있을 만큼 이 적당하다.According to the present invention, the alkalizing agent renders the reaction solution alkaline, providing conditions that allow nickel, manganese, and cobalt compounds to be hydrolyzed and precipitated as hydroxides, and impurity (e.g., cobalt) in the final product lithium metal oxide. When the compound is used to reduce the content of Co 3 O 4 , CoO, etc.). Alkali metal hydroxides (NaOH, KOH, etc.), alkaline earth metal hydroxides (Ca (OH) 2 , Mg (OH) 2, etc.), ammonia compounds (ammonia water, ammonium nitrate, etc.) can all be used. In particular, when the metal compound is a nitrate, when an alkalizing agent is used as an ammonia compound, most of the nitrate ions generated as by-products can be decomposed in the same process, and the remaining ions are easily removed by washing, drying or firing in the post-synthesis process. Because it is most suitable. Furthermore, ammonia ions may form a complex with the ions of the metal to serve to assist the hydrolysis reaction. The amount of alkalizer is suitable such that the pH can be 10 or more after mixing.

본 발명에 따르면, 리튬화합물은 수산화리튬, 질산리튬 등이 모두 가능하다. 특히 수산화리튬은 리튬원 역할 뿐만 아니라 알칼리성을 증대시키는 역할을 하기 때문에 가장 적합하다.According to the present invention, the lithium compound may be both lithium hydroxide, lithium nitrate and the like. In particular, lithium hydroxide is most suitable because it plays a role of increasing alkalinity as well as a lithium source.

물, 알칼리화제 및 리튬화합물을 한꺼번에 혼합하거나, 물과 알칼리화제를 혼합한 후 리튬화합물과 혼합할 수도 있고 알칼리화제와 리튬화합물을 먼저 혼합한 후 물과 혼합할 수도 있다. 혼합시 온도와 압력은 리튬화합물의 침전이 일어나지 않도록 아임계 또는 초임계 조건을 피해야 하며, 혼합된 이후 전이금속 수산화물이 미세 입자로 침전되며, 리튬수산화물은 수용액에 용해되어 있는 상태가 된다.The water, the alkalizing agent and the lithium compound may be mixed all at once, or the water and the alkalizing agent may be mixed and then mixed with the lithium compound, or the alkalizing agent and the lithium compound may be mixed first and then mixed with water. When mixing, the temperature and pressure should be avoided subcritical or supercritical conditions to prevent the precipitation of lithium compounds, and after mixing, the transition metal hydroxide precipitates into fine particles, and the lithium hydroxide is dissolved in an aqueous solution.

상기 혼합시 압력은 특별히 한정하지 않으나 상압인 것이 바람직하다. 상기 혼합시 온도는 침전된 수산화물이 탈수반응이 일어나 산화물이 되기 시작하는 온도 이하여야 한다. 침전된 수산화물이 탈수반응이 일어나 산화물이 되기 시작하는 온도는 금속의 종류에 따라 다르나 대개 200℃ 미만이다.The mixing pressure is not particularly limited but is preferably atmospheric pressure. The mixing temperature should be less than or equal to the temperature at which the precipitated hydroxide dehydrates and begins to become an oxide. The temperature at which the precipitated hydroxide dehydrates and begins to form oxides is usually below 200 ° C, depending on the type of metal.

혼합 후에 초임계수 또는 아임계수와 만나기 전의 수용액의 pH는 10 이상, 바람직하게는 10 내지 13이다. pH가 10 미만인 경우 최종 생성물인 리튬금속산화물 중에 여러 가지 불순물(예: 코발트화합물 사용 시 Co3O4, CoO 등, 망간화합물 사용시 Mn2O3, Mn3O4, λ-MnO 등)이 존재하게 된다. 본 발명에서는 pH의 상한을 제한하지 않으나, pH가 과도하게 높은 경우 배출액의 중화 처리비용이 증가한다.The pH of the aqueous solution after mixing and before encountering supercritical water or subcritical water is 10 or more, preferably 10 to 13. When the pH is less than 10, various impurities (eg, Co 3 O 4 , CoO, etc. when using cobalt compounds, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , λ-MnO, etc.) are present in the final product lithium metal oxide. Done. In the present invention, the upper limit of the pH is not limited, but when the pH is excessively high, the neutralization cost of the discharged liquid is increased.

반응 압력과 온도는 단계 (a)에서 생성된 금속수산화물 침전체를 수용액 상 의 리튬이온과 반응시키거나 수용액상의 리튬이온이 수산화물로 침전되기에 적합한 온도와 압력을 가져야 한다. 따라서, 본 발명에 따라 단계 (b)에서의 반응 온도는 200 내지 700℃의 온도가 적합하다. 온도가 200℃보다 낮으면 단일상의 리튬금속산화물을 얻기에 부적합하며, 온도가 700℃보다 높으면 제조장치의 재질 코스트가 증가한다.The reaction pressure and temperature should have a temperature and pressure suitable to react the metal hydroxide precipitate produced in step (a) with lithium ions in aqueous solution or to precipitate lithium ions in aqueous solution into hydroxide. Therefore, according to the invention, the reaction temperature in step (b) is suitably between 200 and 700 ° C. If the temperature is lower than 200 ° C, it is unsuitable for obtaining a single phase lithium metal oxide, and if the temperature is higher than 700 ° C, the material cost of the manufacturing apparatus increases.

리튬, 나트륨, 칼륨과 같은 알칼리금속 수산화물은 상온 상압에서 물에 대한 용해도가 높지만, 고온 고압상태가 되어 물의 밀도가 낮아지면 용해도가 현저하게 감소한다. 예를 들어, KOH의 경우 상온, 밀도 1.0g/cc조건에서 용해도가 2.6mol(14.58중량%)이지만, 400℃, 0.3g/cc 조건에서 0.1mol(0.561중량%)로 감소한다(W. T. Wofford, P.C. Dell'Orco and E. F. Gloyna, J. Chem. Eng. Data, 1998, 43, 162-170). LiOH의 경우, 용해도를 현저히 감소시키기 위해 180 내지 550bar의 압력 및 200 내지 700℃의 온도를 함께 유지하는 것이 필요하다. 반응온도는 (a)단계에서 얻어진 금속수산화물 침전체와 리튬이온 혹은 LiOH 침전체가 반응이 일어나 단일상의 리튬금속산화물 결정이 되기에 적합한 온도여야 한다.Alkali metal hydroxides such as lithium, sodium, and potassium have high solubility in water at room temperature and normal pressure, but when the density of water decreases due to high temperature and high pressure, solubility decreases significantly. For example, in the case of KOH, the solubility is 2.6 mol (14.58 wt%) at room temperature and density of 1.0 g / cc, but decreases to 0.1 mol (0.561 wt%) at 400 ° C. and 0.3 g / cc (WT Wofford, PC Dell 'Orco and EF Gloyna, J. Chem. Eng. Data, 1998, 43, 162-170). In the case of LiOH, it is necessary to maintain a pressure of 180 to 550 bar and a temperature of 200 to 700 ° C. together to significantly reduce the solubility. The reaction temperature should be a temperature suitable for the reaction of the metal hydroxide precipitate obtained in step (a) with the lithium ion or LiOH precipitate to form a single phase lithium metal oxide crystal.

LiOH의 초임계수에 대한 용해도를 더욱 감소시키기 위해 탄소수 1 ~ 10의 알코올류를 첨가할 수 있으며, 바람직하기로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 등을 첨가하는 것이 좋다.In order to further reduce the solubility of LiOH in the supercritical water, alcohols having 1 to 10 carbon atoms may be added, and preferably methanol, ethanol, propanol, or the like may be added.

여기서, 상기 혼합 및 반응은 튜브 형태 등의 연속식 혼합기에서 수행되는 것이 적합하다. 단계 (a)에서 얻어진, 혼합되어 침전된 수산화물과 리튬수용액을 고온의 물과 순간적으로 혼합함으로써 상온 상태에서 아임계 또는 초임계 온도로 급속히 온도가 상승하게 되며, 저온 단계에서 생성될 수 있는 불순물 상(phase)의 생성 기회를 최소화할 수 있다.Here, the mixing and reaction are suitably carried out in a continuous mixer, such as in the form of a tube. The instantaneous mixing of the mixed precipitated hydroxide and lithium aqueous solution obtained in step (a) with hot water instantaneously raises the temperature to subcritical or supercritical temperature at room temperature and impurity phases that may be produced in the low temperature step. It is possible to minimize the opportunity for the generation of (phase).

따라서, 본 발명에 따라 단계 (b)에서의 반응시간은 0.1초 내지 30분인 것이 좋으며, 바람직하기로는 1초 내지 10분이다. 0.1초 미만이면 생성되는 리튬금속산화물의 반응 및 결정성이 저하되고 결정 크기가 너무 작으며, 30분 이상이면 반응기 길이가 길어져 경제성이 악화된다.Therefore, according to the present invention, the reaction time in step (b) is preferably 0.1 seconds to 30 minutes, preferably 1 second to 10 minutes. If it is less than 0.1 second, the reaction and crystallinity of the produced lithium metal oxide is lowered and the crystal size is too small. If it is 30 minutes or more, the reactor length becomes longer and the economic efficiency is deteriorated.

혼합한 용액의 Li/(Ni+Mn+Co)의 몰비는 합성하고자 하는 물질의 구조식으로부터 알 수 있는 양론비 내지 50이하이어야 한다. 예를 들면, 코발트산리튬(LiCoO2)의 경우 1 이상, 스피넬상 망간산리튬(LiMn2O4)의 경우 0.5이상이어야 한다. 리튬이온과 혼합물은 고온의 물을 만나 리튬금속산화물로 반응이 일어나거나 또는 미세한 리튬수산화물로 침전될 것으로 추정된다. 침전된 리튬수산화물은 전이금속수산화물과 접촉할 기회가 적기 때문에 반응에 참여하지 못하고 상온상압 상태로 배출된다. 리튬수산화물 침전물은 상온상압의 배출액에서 다시 용해되어 수용액 상태가 되어 버려진다. 따라서, 반응에 참여하지 못하고 배출되는 양만큼 리튬을 과잉으로 넣어주어야 한다. 양론비보다 적은 양의 리튬을 가하는 경우, 리튬과 반응하지 못한 산화코발트, 산화니켈, 또는 산화망간 등의 불순물이 생기게 되어 목표물질의 순도가 낮아진다. 그러나, Li/(Ni+Mn+Co)의 몰비가 50 이상으로 과도하게 높은 경우 양론비 이상의 Li이 남게 되어 배출액으로부터 회수 또는 폐기해야 하기 때문에 경제성이 악화된다.The molar ratio of Li / (Ni + Mn + Co) in the mixed solution should be from the stoichiometric ratio less than or equal to 50 as can be seen from the structural formula of the material to be synthesized. For example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) should be at least 1, and spinel lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) should be at least 0.5. It is assumed that the mixture with lithium ions encounters hot water and reacts with lithium metal oxide or precipitates with fine lithium hydroxide. Precipitated lithium hydroxide has little chance of contact with transition metal hydroxide, so it does not participate in the reaction and is discharged at room temperature. The lithium hydroxide precipitate is dissolved again in the discharge liquid at room temperature and atmospheric pressure and discarded as an aqueous solution. Therefore, it is necessary to add lithium in excess of the amount released without participating in the reaction. When lithium is added in less than the stoichiometric ratio, impurities such as cobalt oxide, nickel oxide, or manganese oxide that cannot react with lithium are formed, thereby lowering the purity of the target material. However, when the molar ratio of Li / (Ni + Mn + Co) is excessively high, such as 50 or more, the economical efficiency is deteriorated because Li of more than the stoichiometric ratio remains and must be recovered or discarded from the discharge.

합성단계 (a), (b), 또는 그 전 또는 그 후에 도핑제, 코팅제 기능을 목적으로 적어도 1종 이상의 첨가물을 더욱 가할 수 있다. 도핑제 및 코팅제는 내구성을 향상시키기 위해 양극 활물질 결정의 외부에 금속산화물 초미립자를 코팅하고자 하는 것인데, 알루미나, 지르코니아, 티타니아 등 금속산화물 또는 그 전구체 등을 사용할 수 있다.At least one or more additives may be further added for the purpose of the dopant, coating agent before or after the synthesis step (a), (b), or thereafter. The dopant and the coating agent are intended to coat ultrafine metal oxide particles on the outside of the positive electrode active material crystal in order to improve durability, and metal oxides such as alumina, zirconia, titania, or precursors thereof may be used.

본 발명은 단계 (b)를 통해 얻어진 최종 반응 혼합물을 냉각, 농축 및 건조하는 공정을 더욱 포함한다. 바람직하게는, 냉각은 200℃ 이상의 반응결과물의 온도를 60℃ 이하로 낮추기 위해 통상의 냉각 방법, 예를 들면 열교환기에서 냉각수를 사용하면 된다. 농축은 합성된 리튬금속산화물의 농도를 사용에 적합한 농도로 증가시키기 위해 실시하며, 통상의 필터를 사용한 여과(filtration) 방법 등을 사용하면 된다. 통상의 여과장치에 의해 물은 배출되고 리튬금속산화물 입자는 여과 장치 내에 포집되어 농도가 증가하게 된다. 건조는 리튬금속산화물 농축액의 수분을 제거하기 위해 실시하며, 통상의 건조장치(열풍건조기, 분무건조기, 진공건조기 등)를 사용하면 된다. 수분을 제거하기 위해 150℃ 이하의 온도에서 1차 건조한 다음, 건조 입자 중의 수분의 함유율을 더욱 낮추기 위해 100 내지 600℃ 온도에서 2차 건조할 수도 있다. 결정 크기를 성장시키거나 결정상을 안정화시키기 위해 필요한 경우, 700 내지 1100℃의 온도에서 5 내지 24시간 동안 하소 처리를 할 수도 있다. 하지만, 냉각, 농축 및 건조하는 공정은 이에 한정되는 것이 아니며 당업계의 당업자들에게 알려진 다른 방법에 의해서 수행될 수도 있다.The invention further includes the process of cooling, concentrating and drying the final reaction mixture obtained through step (b). Preferably, the cooling may use cooling water in a conventional cooling method, for example in a heat exchanger, in order to lower the temperature of the reaction product of 200 ° C or more to 60 ° C or less. Concentration is carried out to increase the concentration of the synthesized lithium metal oxide to a concentration suitable for use, and a filtration method using a conventional filter may be used. Water is discharged by a conventional filtering device and lithium metal oxide particles are collected in the filtering device, thereby increasing the concentration. The drying is carried out to remove the moisture of the lithium metal oxide concentrate, and a conventional drying apparatus (hot air dryer, spray dryer, vacuum dryer, etc.) may be used. The first drying may be performed at a temperature of 150 ° C. or lower to remove moisture, and then secondly dried at a temperature of 100 to 600 ° C. to further lower the content of water in the dried particles. If necessary to grow the crystal size or stabilize the crystal phase, it may be subjected to a calcination treatment for 5 to 24 hours at a temperature of 700 to 1100 ℃. However, the process of cooling, concentrating and drying are not limited thereto and may be performed by other methods known to those skilled in the art.

이로부터 생성되는 단일상 리튬금속산화물은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시된다. Single-phase lithium metal oxide produced therefrom is represented by the following formula (1) or (2).

화학식 1Formula 1

Li1+a[NixMnyCoz]O2 Li 1 + a [Ni x Mn y Co z ] O 2

(상기 화학식 1에서, a, x, y, z의 범위는 각각 -0.1≤a≤+0.1, 0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤z≤1이다.)(In Formula 1, the ranges of a, x, y, and z are -0.1≤a≤ + 0.1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, and 0≤z≤1, respectively.)

화학식 2(2)

LiMn2O4 LiMn 2 O 4

상기 화학식 1에서, a가 -0.1보다 작은 경우 결정성이 충분하지 않으며, +0.1보다 큰 경우 과잉의 Li이 존재하여 Li2CO3등의 불순물을 형성하여 리튬이온 이차전지의 성능과 안정성을 저하시킬 수 있다. 상기 화학식 1에서 x=1, y=0, z=0인 경우, x=0, y=1, z=0인 경우, x=0, y=0, z=1 인 경우는 각각 LiNiO2, LiMnO2, LiCoO2가 된다.In Formula 1, when a is less than -0.1, crystallinity is not sufficient, and when more than +0.1, excess Li is present to form impurities such as Li 2 CO 3 , thereby degrading the performance and stability of the lithium ion secondary battery. You can. In Formula 1, when x = 1, y = 0, z = 0, x = 0, y = 1, z = 0, x = 0, y = 0, z = 1, respectively, LiNiO 2 , LiMnO 2 and LiCoO 2 .

한편, 상기 리튬금속산화물은 평균 입도가 약 0.1㎛ 내지 50㎛(중앙값 2㎛ 내지 20㎛), 바람직하게는 0.5 내지 30㎛ 정도의 평균 입도를 가지는 것이 리튬이온 이차전지의 양극 활물질로 사용되기 위해서는 좋다. 평균 입도가 0.1㎛미만인 경우 비표면적이 너무 커서 전극 제조가 용이하지 않고 전해액에 용해되기 쉽다. 하소 후의 입도가 50㎛보다 큰 경우에는 전극 제조 시에 박층의 두께 균질성을 악화시켜 전지 불량을 초래할 염려가 있다. Meanwhile, the lithium metal oxide has an average particle size of about 0.1 μm to 50 μm (median value of 2 μm to 20 μm), preferably about 0.5 to 30 μm, so that the lithium metal oxide may be used as a cathode active material of a lithium ion secondary battery. good. If the average particle size is less than 0.1 µm, the specific surface area is too large to facilitate electrode production and easily to be dissolved in the electrolyte. If the particle size after calcination is larger than 50 µm, there is a concern that the thickness uniformity of the thin layer may be deteriorated at the time of electrode production, resulting in battery failure.

본 발명은 또한 이상의 제조방법을 통해 제조되는 리튬금속산화물을 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 전지 등의 양극 활물질용으로 사용하는 것을 포함한다.The present invention also includes using a lithium metal oxide prepared by the above manufacturing method for a positive electrode active material such as a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer battery.

리튬이온 이차 전지는 양극, 음극, 전해액, 분리막 등으로 구성된다. 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더 등으로 구성된다. 도전재는 구성된 전지에서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 카본블랙, 흑연, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 금속분말, 도전성 금속산화물, 유기도전재 등이다. 바인더는 분해온도가 비교적 높은 폴리머가 좋다. 예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 사불화폴리에틸렌(PTFE) 등이다. 집전체로는 구성된 전지에서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 티탄 등이다. The lithium ion secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, and the like. The positive electrode is composed of a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and the like. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause chemical change in the battery. Examples thereof include carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes, metal powders, conductive metal oxides, and organic conductive materials. The binder is preferably a polymer having a relatively high decomposition temperature. For example, polyethylene (PE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene tetrafluoride (PTFE), and the like. The current collector is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause chemical change in the battery configured. For example, it is aluminum, aluminum alloy, nickel, titanium, etc.

음극은 음극 활물질, 도전재, 바인더, 집전체 등으로 구성된다. 음극 활물질은 리튬이온을 저장, 방출할 수 있는 리튬, 리튬합금, 탄소, 유기화합물, 무기화합물, 폴리머 등을 사용할 수 있다. 도전재는 양극에서와 마찬가지로 구성된 전지에서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 음극 활물질이 탄소인 경우에는 탄소 자체가 전자전도성을 가지므로 별도로 첨가하지 않아도 된다. 바인더는 양극에서와 마찬가지로 분해온도가 비교적 높은 폴리머가 좋다. 예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 사불화폴리에틸렌(PTFE), 스티렌-부타디엔 고무 등이다. 집전체로는 구성된 전지에서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 구리, 구리합금, 니켈, 티탄 등이다.The negative electrode is composed of a negative electrode active material, a conductive material, a binder, a current collector, and the like. As the negative electrode active material, lithium, lithium alloy, carbon, an organic compound, an inorganic compound, a polymer, or the like capable of storing and releasing lithium ions may be used. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electroconductive material which does not cause chemical change in the battery configured as in the positive electrode. When the negative electrode active material is carbon, carbon itself does not need to be added separately because it has electron conductivity. The binder is preferably a polymer having a relatively high decomposition temperature as in the anode. For example, polyethylene (PE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene tetrafluoride (PTFE), styrene-butadiene rubber, and the like. The current collector is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause chemical change in the battery configured. For example, it is copper, a copper alloy, nickel, titanium.

전해질은 용매와 용매에 용해된 리튬염으로 구성된다. 용매는 고리형 카보네이트, 고리형 카르본산에스테르, 비고리형 카보네이트, 지방족 카르본산에스테르 등의 단독 또는 혼합용매가 좋다. 예를 들면, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 등이다. 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiAlCl4 등이다. 특히 바람직한 것은 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트를 포함하는 혼합용매에 LiPF6가 용해되어 있는 전해액이다. 분리막은 이온투과도가 크고, 일정 이상의 기계적 강도를 가지면서 저온에서 용융되는 특성을 지니는 다공성 고분자 막 또는 다층막이 적합하다. 예를 들면, 폴리에틸렌-폴리프로필렌 2층막(PE/PP), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 다공막 등이다.The electrolyte consists of a solvent and a lithium salt dissolved in the solvent. The solvent may be a single or mixed solvent such as cyclic carbonate, cyclic carboxylic acid ester, acyclic carbonate or aliphatic carboxylic acid ester. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and the like. Lithium salts are LiPF 6 , LiBF 4 , LiAlCl 4 and the like. Especially preferred is an electrolyte solution in which LiPF 6 is dissolved in a mixed solvent containing ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate. The separator is preferably a porous polymer membrane or a multilayer membrane having a high ion permeability, having a certain mechanical strength or higher and melting at a low temperature. For example, a polyethylene-polypropylene two-layer film (PE / PP), an ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) porous film, and the like.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보는 바, 본 발명이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Looking at the present invention in more detail through the following examples, the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1 - 5 (LiCoO2의 합성)Examples 1-5 (Synthesis of LiCoO 2 )

질산코발트(Co(NO3)2?H2O) 21.0중량% 수용액을 1/4인치 튜브를 통해 8ml/min.의 속도로 상온에서 250bar로 가압 펌핑하고, 암모니아수와 리튬화합물(표 1) 수용액의 혼합액을 8ml/min의 속도로 상온에서 250bar로 가압 펌핑, 혼합하여 침전이 일어나도록 하였다. 암모니아수와 리튬화합물의 농도는 표 1을 만족시키도록 조절 하였다. 침전액의 pH를 측정하여 표 1에 나타내었다. 이 침전물 혼합액에 약 450℃ 로 가열한 초순수를 1/4인치 튜브를 통해 96ml/min의 속도로 250bar로 가압 펌핑하여 혼합하였다. 최종 혼합물은 400℃로 유지되는 반응기에서 7초 동안 체류한 다음 냉각, 농축하였다. 농축액을 100℃ 오븐에서 약 12시간 건조하였다. 제조된 산화물의 건조 시료에 대해 크기 및 형상(SEM), 결정상(XRD) 등을 분석하였다. 실시예 1에서 합성된 입자는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 약 1-2㎛ 크기의 잘 발달된 결정이었으며, XRD 분석 결과 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 LiCoO2의 특성 피크만 나타나 단일상(single phase)임을 알 수 있었다. 표 1에 실시예 1 내지 5에 의해 합성된 입자의 XRD 분석으로부터 추정되는 상(phase) 및 SEM 분석으로부터 알 수 있는 입자 크기, 형상 등을 표시하였다. 단일상이며, 1-5㎛ 크기의 잘 발달된 각형(대부분 판상의 각형)으로 나타났다.A 21.0 wt% aqueous solution of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 H 2 O) was pumped under pressure at 250 bar at room temperature at a rate of 8 ml / min through a 1 / 4-inch tube, ammonia water and lithium compound (Table 1) aqueous solution. The mixture was pumped under pressure and mixed at 250 bar at room temperature at a rate of 8 ml / min to allow precipitation. The concentration of ammonia water and lithium compound was adjusted to satisfy Table 1. The pH of the precipitate was measured and shown in Table 1. Ultrapure water heated to about 450 ° C. was mixed with the precipitate mixture by pressure pumping at 250 bar at a rate of 96 ml / min through a 1/4 inch tube. The final mixture was held for 7 seconds in a reactor maintained at 400 ° C., then cooled and concentrated. The concentrate was dried in an oven at 100 ° C. for about 12 hours. The size and shape (SEM), crystal phase (XRD) and the like of the dried sample of the prepared oxide were analyzed. The particles synthesized in Example 1 were well-developed crystals having a size of about 1-2 μm as shown in FIG. 1 (a). As a result of XRD analysis, only characteristic peaks of LiCoO 2 appeared as shown in FIG. 1 (b). It was found to be a single phase. Table 1 shows the particle size, shape and the like which can be known from the phase and SEM analysis estimated from the XRD analysis of the particles synthesized by Examples 1 to 5. It was a single phase and appeared as a well-developed rectangle (mostly plate-shaped) of 1-5 탆 in size.

실시예Example 혼합액의 몰비Molar ratio of the mixture 침전액
pH
Sediment
pH
생성된
입자의 상
(phase)
Generated
Particle phase
(phase)
결정크기
(㎛)
Crystal size
(Μm)
결정형상Crystal form
질산코발트
(Co(NO3)2?6H2O)
Cobalt nitrate
(Co (NO 3 ) 2 ˜6H 2 O)
수산화
리튬
(LiOH)
Hydroxide
lithium
(LiOH)
질산
리튬
(LiNO3)
nitric acid
lithium
(LiNO 3 )
암모니아
ammonia
Number
실시예 1Example 1 1One 22 -- 55 11.111.1 LiCoO2 LiCoO 2 1-41-4 각형Square 실시예 2Example 2 1One 33 -- 33 11.311.3 LiCoO2 LiCoO 2 1-51-5 각형Square 실시예 3Example 3 1One 55 -- 1.51.5 11.511.5 LiCoO2 LiCoO 2 1-41-4 각형Square 실시예 4Example 4 1One 1010 -- 1.51.5 12.412.4 LiCoO2 LiCoO 2 1-41-4 각형Square 실시예 5Example 5 1One -- 22 55 10.510.5 LiCoO2 LiCoO 2 1-31-3 각형Square

비교예 1 - 5(LiCoO2의 합성)Comparative Examples 1-5 (Synthesis of LiCoO 2 )

암모니아수와 리튬화합물의 농도를 표 2를 만족시키도록 조절하였다. 나머지는 실시예 1과 동일하다. 비교예 1에 따라 제조된 산화물의 건조 시료에 대해 크기 및 형상(SEM), 결정상(XRD) 등을 분석하였다. 비교예 1에 의해 제조된 건조 입자는 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 <1㎛ 크기의 구형과 각형이 혼재된 미립자가 합성되었으며, XRD 분석 결과 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 Co3O4의 특성 피크가 혼재하여 나타났다. 표 2에 비교예 1 내지 5에서 합성된 입자의 XRD분석으로부터 추정되는 상(phase) 및 SEM 분석으로부터 알 수 있는 결정 크기, 결정 형상 등을 표시하였다. 여러 가지 상이 혼재된 혼합물이며, 입자 형상이 구형과 각형이 혼재된 것으로 나타났다. 따라서, 본 비교예와 같이 침전시 pH가 10 이하인 경우에는 합성되는 리튬금속산화물이 단일상이 아니고 코발트산이 포함된 혼합상임을 알 수 있다.The concentration of ammonia water and lithium compound was adjusted to satisfy Table 2. The rest is the same as in Example 1. The size and shape (SEM), crystal phase (XRD) and the like of the dry sample of the oxide prepared according to Comparative Example 1 were analyzed. As shown in (a) of FIG. 2, the dried particles prepared in Comparative Example 1 synthesized particles having a spherical shape and a square of <1 μm in size, and as a result of XRD analysis, Co 3 O as shown in FIG. 2 (b). The characteristic peak of 4 was mixed. Table 2 shows the crystal size, crystal shape and the like which can be estimated from the phase and SEM analysis estimated from the XRD analysis of the particles synthesized in Comparative Examples 1 to 5. It is a mixture of various phases, and the particle shape is shown to be a mixture of spherical and square. Therefore, when the pH is 10 or less during precipitation as in the present comparative example, it can be seen that the lithium metal oxide synthesized is not a single phase but a mixed phase including cobalt acid.

비교예Comparative example 혼합액의 몰비Molar ratio of the mixture 침전액
pH
Sediment
pH
생성된
입자의 상
(phase)
Generated
Particle phase
(phase)
결정크기
(㎛)
Crystal size
(Μm)
결정형상Crystal form
질산코발트
(Co(NO3)2?6H2O)
Cobalt nitrate
(Co (NO 3 ) 2 ˜6H 2 O)
수산화
리튬
(LiOH)
Hydroxide
lithium
(LiOH)
질산
리튬
(LiNO3)
nitric acid
lithium
(LiNO 3 )
암모니아
ammonia
Number
비교예 1Comparative Example 1 1One 22 -- -- 9.09.0 Co3O4,
LiCoO2
Co 3 O 4 ,
LiCoO 2
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square
비교예 2Comparative Example 2 1One 22 -- 1.51.5 9.59.5 Co3O4,
LiCoO2
Co 3 O 4 ,
LiCoO 2
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square
비교예 3Comparative Example 3 1One 33 -- -- 9.59.5 Co3O4,
LiCoO2
Co 3 O 4 ,
LiCoO 2
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square
비교예 4Comparative Example 4 1One -- 33 1.51.5 8.18.1 Co3O4,
LiCoO2
Co 3 O 4 ,
LiCoO 2
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square
비교예 5Comparative Example 5 1One -- 55 33 9.09.0 Co3O4,
LiCoO2
Co 3 O 4 ,
LiCoO 2
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square

실시예 6 - 8. (LiMn2O4의 합성, 성능 시험)Examples 6-8 (Synthesis of LiMn 2 O 4 , Performance Test)

질산망간 21.0중량% 수용액을 1/4인치 튜브를 통해 8ml/min.의 속도로 상온에서 250bar로 가압 펌핑하고, 암모니아수와 수산화리튬 수용액의 혼합액을 8ml/min의 속도로 상온에서 250bar로 가압 펌핑하여 혼합하였다. 암모니아수와 리튬화합물의 농도는 표 3를 만족시키도록 조절하였다. 침전액의 pH를 측정하여 표 3에 나타내었다. 이 혼합물에 약 450℃로 가열한 초순수를 96ml/min의 속도로 250bar로 가압 펌핑하여 혼합하였다. 최종 혼합물은 400℃로 유지되는 반응기에서 7초 동안 체류한 다음 냉각, 농축, 건조하였다. 제조된 산화물의 건조시료에 대해 크기 및 형상(SEM), 결정성(XRD) 등을 분석하였다. 실시예 6에 따라 제조된 시료는 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 2-5㎛ 정도의 각형으로 나타났으며, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 LiMn2O4의 특성 피크가 명확하게 나타났다. 표 3에 실시예 6 내지 8에 의해 합성된 입자의 XRD 분석으로부터 추정되는 상(phase) 및 SEM 분석으로부터 알 수 있는 입자 크기, 형상 등을 표시하였다. 망간 스피넬 구조(LiMn2O4)의 단일상이며, 1-5㎛ 크기의 잘 발달된 각형(대부분 판상의 각형)으로 나타났다.21.0 wt% aqueous solution of manganese nitrate was pressurized and pumped to 250 bar at room temperature at a rate of 8 ml / min. Through a 1/4 inch tube, and a mixed solution of aqueous ammonia and lithium hydroxide solution was pressurized to 250 bar at room temperature at a rate of 8 ml / min. Mixed. The concentration of ammonia water and lithium compound was adjusted to satisfy Table 3. The pH of the precipitate was measured and shown in Table 3. Ultrapure water heated to about 450 DEG C was mixed with the mixture by pressure pumping at 250 bar at a rate of 96 ml / min. The final mixture was kept for 7 seconds in a reactor maintained at 400 ° C. and then cooled, concentrated and dried. The size and shape (SEM), crystallinity (XRD) and the like of the dried sample of the prepared oxide were analyzed. Example 6 was the sample appeared as a degree 2-5㎛ rectangular as shown in 3 (a) is also produced according to, the characteristics of the LiMn 2 O 4 a peak as shown in Fig. 3 (b) was a clear . Table 3 shows the particle size, shape, and the like, which are estimated from the phase and SEM analysis estimated from the XRD analysis of the particles synthesized by Examples 6 to 8. It is a single phase of manganese spinel structure (LiMn 2 O 4 ) and appears to be a well-developed rectangle (mostly plate-shaped) of 1-5 μm in size.

실시예Example 혼합액의 몰비Molar ratio of the mixture 침전액
pH
Sediment
pH
생성된 입자의 상
(phase)
Phase of particles produced
(phase)
결정
크기
(㎛)
decision
size
(Μm)
결정
형상
decision
shape
질산망간
(Mn(NO3)2)
Manganese Nitrate
(Mn (NO 3 ) 2 )
수산화
리튬
(LiOH)
Hydroxide
lithium
(LiOH)
질산
리튬
(LiNO3)
nitric acid
lithium
(LiNO 3 )
암모니아
ammonia
Number
실시예 6Example 6 1One 0.50.5 -- 55 10.710.7 LiMn2O4 LiMn 2 O 4 1-31-3 각형Square 실시예 7Example 7 1One 1.01.0 -- 55 11.011.0 LiMn2O4 LiMn 2 O 4 1-51-5 각형Square 실시예 8Example 8 1One -- 1.01.0 55 10.310.3 LiMn2O4 LiMn 2 O 4 1-51-5 각형Square

비교예 6 - 8Comparative Example 6-8

암모니아수와 리튬화합물의 농도를 표 2를 만족시키도록 조절하였다. 나머지는 실시예 6과 동일하다. 비교예 6에 의해 합성된 입자는 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 <1㎛ 크기의 구형 혹은 각형이 혼재된 미립자가 합성되었으며, XRD 분석 결과 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 Mn2O3, Mn3O4, LiMn2O4등의 특성 피크가 나타났다. 표 4에 비교예 6 내지 8에 의해 합성된 입자의 XRD분석으로부터 추정되는 생성입자의 상(phase) 및 SEM분석으로부터 알 수 있는 입자의 크기와 형상을 표시하였다. 침전시 pH가 10 이하인 경우에는 합성되는 리튬금속산화물이 망간 스피넬상이 아닌 다른 상 또는 망간산 등이 포함된 것으로 나타났다.The concentration of ammonia water and lithium compound was adjusted to satisfy Table 2. The rest is the same as in Example 6. As shown in FIG. 4 (a), the particles synthesized by Comparative Example 6 were composed of particles having a spherical or square shape having a size of <1 μm, and Mn 2 O 3 as shown in FIG. 4 (b) as a result of XRD analysis. , Characteristic peaks such as Mn 3 O 4 , LiMn 2 O 4, and the like. Table 4 shows the size and shape of the particles as can be seen from the phase and SEM analysis of the resulting particles estimated from the XRD analysis of the particles synthesized by Comparative Examples 6 to 8. When the pH is less than 10 at the time of precipitation, the synthesized lithium metal oxide was found to contain a phase other than manganese spinel phase or manganese acid.

비교예Comparative example 혼합액의 몰비Molar ratio of the mixture 침전액
pH
Sediment
pH
생성된
입자의 상
(phase)
Generated
Particle phase
(phase)
결정
크기
(㎛)
decision
size
(Μm)
결정 형상Crystal shape
질산망간
(Mn(NO3)2)
Manganese Nitrate
(Mn (NO 3 ) 2 )
수산화
리튬
(LiOH)
Hydroxide
lithium
(LiOH)
질산
리튬
(LiNO3)
nitric acid
lithium
(LiNO 3 )
암모니아
ammonia
Number
비교예 6Comparative Example 6 1One 0.50.5 -- -- 8.08.0 Mn2O3,
Mn3O4,
LiMn2O4
Mn 2 O 3 ,
Mn 3 O 4 ,
LiMn 2 O 4
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square
비교예 7Comparative Example 7 1One 1.01.0 -- 1.51.5 9.89.8 LiMn2O4,
Li2MnO3
LiMn 2 O 4 ,
Li 2 MnO 3
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square
비교예 8Comparative Example 8 1One -- 1.01.0 1.51.5 9.59.5 Mn2O3,
LiMn2O4
Mn 2 O 3 ,
LiMn 2 O 4
0.05-10.05-1 구형+각형Sphere + Square

앞의 실시예를 보아 알 수 있듯이 본 기술을 사용함으로써 단일상의 양극 활물질을 연속적으로 생산하는 것이 가능하였다. 기존의 초임계수열합성 방법과는 달리 고가의 산화제를 사용하지 않고, 알칼리화제와 리튬화합물을 먼저 금속염수용액과 혼합하여 pH 10 이상인 조건에서 금속수산화물로 침전시키고, 이를 다시 초임계 또는 아임계수를 가해 리튬이온과 반응시키는 방법을 써서, 여러 가지 상이 혼재된 혼합상이 아니라 단일상의 리튬금속산화물의 합성이 가능하였다. As can be seen from the foregoing example, it was possible to continuously produce a single phase cathode active material by using the present technology. Unlike conventional supercritical thermal synthesis method, without using expensive oxidizing agent, alkalizing agent and lithium compound are first mixed with metal salt solution and precipitated with metal hydroxide under the condition of pH 10 or higher, and then supercritical or subcritical water is added again. By using a method of reacting with lithium ions, it was possible to synthesize a single-phase lithium metal oxide instead of a mixed phase in which various phases were mixed.

Claims (11)

(a) 니켈화합물, 망간화합물, 코발트화합물 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속화합물 수용액에 리튬화합물 및 알칼리화제를 첨가하여 pH 10이상의 조건에서 금속수산화물을 침전시켜 침전물 혼합액을 얻는 단계; 및(a) adding a lithium compound and an alkalizing agent to an aqueous solution of at least one metal compound selected from nickel compounds, manganese compounds, and cobalt compounds to precipitate metal hydroxides under a pH of 10 or more to obtain a precipitate mixture solution; And b) 상기 침전물 혼합액에 180 내지 550bar의 압력 하에서 200 내지 700℃의 온도로 가열된 물을 첨가하여 반응시키는 단계;b) reacting the precipitate mixture by adding water heated to a temperature of 200 to 700 ° C. under a pressure of 180 to 550 bar; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.Method for producing a single-phase lithium metal oxide comprising a. 제1항에 있어서, 상기 알칼리화제는 알칼리금속 수산화물, 알칼리토금속 수산화물 및 암모니아화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the alkalizing agent is selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides and ammonia compounds. 제1항에 있어서, 상기 금속화합물은 금속질산염이며, 상기 알칼리화제는 암모니아수인 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal compound is a metal nitrate, and the alkalizing agent is ammonia water. 제1항에 있어서, 상기 리튬화합물은 수산화리튬, 질산리튬 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the lithium compound is lithium hydroxide, lithium nitrate, or a mixture thereof. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a) 및 단계 (b)는 연속혼합기에서 수행되는 것 을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein step (a) and step (b) are performed in a continuous mixer. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 탄소수 1 내지 10의 알코올이 더욱 첨가되는 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the alcohol having 1 to 10 carbon atoms is further added in the step (a). 제1항에 있어서, 상기 단계 (a) 중, 상기 단계 (b) 중, 상기 단계 b) 이전, 또는 상기 단계 b) 이후에 도핑제 및 코팅제 중 적어도 1 종 이상이 더욱 첨가되는 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein at least one of the dopant and the coating agent is further added during the step (a), during the step (b), before the step b) or after the step b). Method for producing single phase lithium metal oxide. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 단계 (b)를 통해 얻어진 리튬금속산화물의 혼합액을 냉각, 농축 및 건조시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 단일상 리튬금속산화물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the method further comprises the step of cooling, concentrating and drying the mixed liquid of the lithium metal oxide obtained through step (b). 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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