KR102007565B1 - MANUFACTURING METHOD OF Li-Ni-Mn-O COMPOUNDS AS CATHOD MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERIES - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 복수의 금속 전구체를 혼합하여 합성하는 단계, 및 (b) 합성된 복합체를 ?칭(quenching) 공정으로 냉각하는 단계를 포함하되, 복합체는 스피넬 구조인 리튬 니켈 망간 산화물 및 층상 구조인 리튬 망간 산화물을 포함하는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery. According to one embodiment of the invention, (a) mixing and synthesizing a plurality of metal precursors, and (b) cooling the synthesized composite by a quenching (quenching) process, wherein the composite is a spinel structure Provided is a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, including a lithium nickel manganese oxide and a lithium manganese oxide having a layered structure.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 복합체를 이루고 있는 구성 성분들의 전기화학적 활성도를 획기적으로 증가시켜 양극 활물질의 에너지 용량을 향상시키는 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, and more particularly, the present invention is to increase the energy capacity of the positive electrode active material by dramatically increasing the electrochemical activity of the components constituting the composite A method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a battery.
최근 리튬 이온 전지 시장에서는 전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업의 발전과 함께 친환경차 및 에너지 저장 시스템이 급속히 발전함으로써, 안전성이 높으면서도 용량이 크고 저가인 이차전지의 개발이 매우 중요해지고 있다. 따라서 전지의 성능을 좌우하고 전체적인 비용을 결정하는 양극소재 물질을 개발하는 일이 점점 중요해 지고 있다.In recent years, with the development of the electric, electronic, communication and computer industries, the development of eco-friendly vehicles and energy storage systems has rapidly progressed, and development of secondary batteries having high safety, high capacity, and low cost has become very important. Therefore, it is increasingly important to develop positive electrode materials that determine battery performance and determine overall cost.
지금까지 대부분 이차 전지 시장에서는 LiCoO2(리튬 코발트 산화물, LCO) 계열의 양극 활물질을 사용하고 있다. 하지만 이 물질은 고가이며 독성을 가진 코발트를 함유하고 있고, 구조적으로 층상 구조를 가지고 있어서 고용량 하에서 구조가 붕괴되어 안전성의 측면에 문제가 있기 때문에 전기자동차용으로 적합하지 못하다는 단점이 있다. 따라서 이 물질을 대체할 새로운 물질의 양극 물질 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.Until now, most secondary battery markets use LiCoO 2 (lithium cobalt oxide, LCO) based cathode active materials. However, this material contains expensive and toxic cobalt, and has a structurally layered structure, which is not suitable for electric vehicles because the structure collapses under high capacity and thus there is a problem in terms of safety. Therefore, much effort is being focused on the development of the anode material of a new material to replace this material.
그러므로 LCO 계열의 양극 활물질을 대체할 수 있는 물질로써 코발트에 비해 비교적 가격이 저렴하고 안정성이 우수한 망간과 니켈로 구성된 산화물에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다.Therefore, much research is being conducted on oxides composed of manganese and nickel, which are relatively inexpensive and have superior stability as cobalt as a material to replace the LCO-based cathode active material. In particular, much research is being conducted on spinel-structured lithium manganese composite oxides.
그러나 이러한 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물은 고온에서 보존시 전해액에 전이 금속인 Mn 이온이 용해되어 수명이 하락하는 등의 전지 특성이 퇴화되는 단점이 있기 때문에 이를 방지하기 위한 개선책이 필요하다. 뿐만 아니라, 스피넬 구조를 가지고 있어 층상 구조의 물질보다 수용할 수 있는 리튬의 양이 적기 때문에 기존의 리튬 코발트 복합산화물에 비하여 단위 중량당 용량이 작은 단점을 가지고 있다. 그러므로 스피넬 구조로부터 기인한 용량 증가의 한계가 있기 때문에 이를 개선하는 전극의 설계가 병행이 되어야 전기 자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용이 가능해질 수 있다.However, the lithium manganese oxide of the spinel structure has a disadvantage in that battery characteristics such as dissolution of Mn ions, which are transition metals, are degraded in the electrolyte when stored at a high temperature, thereby deteriorating battery characteristics. In addition, since the spinel structure has a smaller amount of lithium than the layered material, the capacity per unit weight is smaller than that of the conventional lithium cobalt composite oxide. Therefore, since there is a limit of capacity increase due to the spinel structure, the design of an electrode for improving the same must be parallel to enable mass use as a power source in fields such as electric vehicles.
이러한 스피넬 구조를 갖는 리튬 망간 산화물의 저용량 문제를 보완하고 망간계 활물질의 우수한 열적 안전성을 확보하기 위한 층상 구조의 리튬 함유 망간/니켈 산화물이 제안되었다. 특히, 층상의 Li2MnO3은 고전압에서 과충전 시 매우 큰 용량을 나타내지만 초기 비가역 용량이 크다는 단점을 가진다. 초기 충전 시, Li2MnO3를 활성화 시키기 위해 양극전위 기준으로 4.5V 이상의 고전압 상태에서 리튬을 제가함으로써 전기화학적으로 활성도가 없는 Li2MnO3를 활성화(activate) 시킬 수 있다. 그러나 이 경우, Li2MnO3의 큰 비가역 용량에 따른 초기 사이클에서 음극에서의 리튬 석출을 막기 위해서는 음극의 용량을 과다 설계해야 하므로 실제 가역 용량이 작아지는 문제점이 있을 수 있으며, 층상구조 물질의 경우, 안전성에서도 일부 문제가 보고되고 있다.A layered lithium-containing manganese / nickel oxide has been proposed to supplement the low capacity problem of lithium manganese oxide having such a spinel structure and to secure excellent thermal safety of the manganese-based active material. In particular, the layered Li 2 MnO 3 shows a very large capacity when overcharged at a high voltage, but has a disadvantage that the initial irreversible capacity is large. When the initial charge, activate the Li 2 MnO 3 as a positive electrode potential of lithium by i reference in order to enable at least 4.5V high voltage so that it contains no electrochemically activity Li 2 MnO 3 can be (activate). However, in this case, in order to prevent lithium precipitation from the negative electrode in the initial cycle according to the large irreversible capacity of Li 2 MnO 3, the capacity of the negative electrode must be overdesigned, so that the actual reversible capacity may be reduced. In addition, some problems have been reported in safety.
이와 같이, 종래 알려진 리튬 이차 전지의 양극 활물질 재료들의 단독 사용에는 단점 및 한계가 있어 이들 재료간 혼합된 복합체의 사용이 증가되고 있으며, 특히 리튬 이차 전지가 중대형 장비의 전원으로 사용하기 위해서는 고용량을 가지면서 전체적으로 고른 전압 분포를 나타냄으로써 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬 이차 전지에 대한 필요성이 높아지고 있다.As described above, there are disadvantages and limitations in the use of the positive electrode active materials of the conventional lithium secondary battery alone, and thus the use of the composites mixed between these materials is increasing. In particular, the lithium secondary battery has a high capacity to be used as a power source for medium and large equipment. In addition, the need for a lithium secondary battery having a high energy density by increasing the overall voltage distribution is increasing.
본 발명은 전술한 일반적인 고상법으로 합성된, 또는 다른 공정에 의해서 합성된, 스피넬(spinel)-층상(layered) 구조의 양극재 혼합체에 새로운 추가적인 공정을 통해서 혼합체를 이루는 구성 성분들의 조성 변화와 구조 변화를 통해서 전기화학적 활성도(activity)를 증가시켜 고용량/고출력 특성을 내는 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Li-Ni-Mn-O)을 합성하는 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention is a composition change and structure of the components constituting the mixture through a new additional process to the spinel-layered cathode material mixture synthesized by the general solid-phase method described above, or by another process The present invention provides a method for manufacturing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery that synthesizes lithium nickel manganese composite oxide (Li-Ni-Mn-O) having high capacity and high output characteristics by increasing electrochemical activity through change. .
본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 복수의 금속 전구체를 혼합하여 합성하는 단계, 및 (b) 합성된 복합체를 ?칭(quenching) 공정으로 냉각하는 단계를 포함하되, 복합체는 스피넬 구조인 리튬 니켈 망간 산화물 및 층상 구조인 리튬 망간 산화물을 포함하는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법을 제공한다.According to one embodiment of the invention, (a) mixing and synthesizing a plurality of metal precursors, and (b) cooling the synthesized composite by a quenching (quenching) process, wherein the composite is a spinel structure Provided is a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, including a lithium nickel manganese oxide and a lithium manganese oxide having a layered structure.
또한, 복합체는, 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시될 수 있다.In addition, the complex may be represented by the following formula (1) or (2).
[화학식 1][Formula 1]
Li1+xNi0.5-yMn1.5O4-z (이때, 0<x<0.9이고, 0<y<0.4, 0<z<3이다.)Li 1 + x Ni 0.5-y Mn 1.5 O 4-z (where 0 <x <0.9 and 0 <y <0.4, 0 <z <3)
[화학식 2][Formula 2]
(1-x)LiNi0.5Mn1.5O4 + xLi2MnO3 (이때, 0<x<1 이다.)(1-x) LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + xLi 2 MnO 3 , where 0 <x <1.
또한, 상기 (a) 단계는, (a-1) 리튬, 니켈, 망간, 전이금속 중 1종 이상의 금속 전구체를 혼합하는 단계, (a-2) 혼합된 금속 전구체들을 1차 합성하는 단계, (a-3) 1차 합성된 복합체를 분쇄하여 입도가 제어된 분말을 형성하는 단계, (a-4) 상기 분말을 공기 분위기에서 2차 합성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (a), (a-1) mixing at least one metal precursor of lithium, nickel, manganese, transition metal, (a-2) primary synthesis of the mixed metal precursors, ( a-3) pulverizing the first synthesized composite to form a powder having a controlled particle size, and (a-4) secondly synthesizing the powder in an air atmosphere.
또한, 상기 (a-2) 단계에서는, 고상법, 공침법, 이온교환 합성법, 솔-젤(sol-gel)법 중 적어도 하나의 방법으로 상기 전구체 혼합물을 소성할 수 있다.In addition, in the step (a-2), the precursor mixture may be calcined by at least one of a solid phase method, a coprecipitation method, an ion exchange synthesis method, and a sol-gel method.
또한, 상기 (a-3) 단계에서는, 하이 에너지 볼 밀, 고압 수분 밀, 공기 제트 밀, 및 롤러 밀 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 1차 합성된 복합체를 분쇄할 수 있다.In addition, in the step (a-3), the first synthesized composite may be ground using at least one method of a high energy ball mill, a high pressure water mill, an air jet mill, and a roller mill.
또한, 상기 (a) 단계 이전에, 원료의 혼합 공정, 건조 공정 및 펠렛화 공정을 포함하는 전처리 공정을 통해 스피넬 구조 금속 및 층상 구조 금속 각각의 전구체를 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, before step (a), the method may further include preparing a precursor of each of the spinel structure metal and the layered structure metal through a pretreatment process including a raw material mixing process, a drying process, and a pelletization process.
또한, 상기 원료의 혼합 공정은 볼밀을 이용하여 용매, 스피넬 구조 금속 전구체 및 층상 구조 금속 전구체의 균일 혼합을 수행하는 공정이고, 상기 건조 공정은 혼합된 전구체를 가열하여 용매를 제거하는 공정이고, 상기 펠렛화 공정은 혼합된 전구체를 미리 설정된 형태의 펠렛으로 형성하는 공정일 수 있다.In addition, the mixing step of the raw material is a step of performing a homogeneous mixing of the solvent, the spinel structure metal precursor and the layered metal precursor using a ball mill, the drying step is a step of removing the solvent by heating the mixed precursor, The pelletization process may be a process of forming the mixed precursor into pellets of a predetermined form.
또한, 상기 ?칭 공정을 통해 냉각된 상기 복합체는 층상 구조 금속 산화물의 중량퍼센트(wt%) 비율이 자연 냉각 공정 또는 이론적인 계산에 맞춰 설정된 층상 구조 금속 산화물의 중량퍼센트(wt%) 비율보다 높을 수 있다.In addition, the composite cooled through the quenching process may have a weight percent (wt%) ratio of the layered metal oxide higher than the weight percent (wt%) ratio of the layered metal oxide set in accordance with the natural cooling process or the theoretical calculation. Can be.
또한, 상기 ?칭 공정은 퍼니스 내에서 상기 복합체를 가열한 후 퍼니스 밖으로 상기 복합체를 꺼내 대기중에서 냉각시키는 것이고, 상기 자연 냉각 공정은 퍼니스 내에서 상기 복합체를 가열한 후 퍼니스 내에서 상기 복합체를 냉각시킬 수 있다.In addition, the quenching process is to heat the complex in the furnace and then to take the complex out of the furnace and to cool it in the atmosphere. The natural cooling process is to heat the complex in the furnace and to cool the complex in the furnace. Can be.
본 발명에 의하면, 새로운 공정과정을 통해서 형성되고 활성화된 리튬-니켈-망간 복합 산화물 (스피넬(spinel)-층상(layered)구조를 가진) 복합체(composite) 물질의 에너지 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있고 동시에 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서 개발된 공정은 고용량 이차 전지의 양극재를 형성하기 위한 핵심적인 공정을 제공할 수 있어 다양한 양극 활물질의 에너지 용량과 출력 성능을 향상시킬 수 있을 것이다.According to the present invention, the energy capacity of a lithium-nickel-manganese composite oxide (with a spinel-layered structure) composite material formed and activated through a new process can be dramatically improved. At the same time, output performance can be improved. Therefore, the process developed in the present invention can provide a key process for forming a cathode material of a high capacity secondary battery, thereby improving energy capacity and output performance of various cathode active materials.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극재의 XRD 패턴을 나타내는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따라 수득한 분말의 XRD 패턴을 나타내는 것이다. .
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 를 일반적인 자연 냉각으로 합성한 것과, 본 발명에 따라 ?칭 냉각으로 합성한 것의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 를 일반적인 자연 냉각으로 합성한 것과, 본 발명에 따라 ?칭 냉각으로 합성한 것의 충방전 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 스피넬 구조의 산화물의 XRD 패턴을 나타내는 것이다.
도 7 및 도 8은 자연 냉각에서 스피넬 구조의 산화물의 EDS 맵핑을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10은 ?칭 공정에서 스피넬 구조의 산화물의 EDS 맵핑을 나타낸 것이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the XRD pattern of the positive electrode material for a lithium secondary battery prepared by one embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the XRD pattern of the powder obtained according to Example 3 of the present invention. .
Figure 4 shows the XRD pattern of the synthesis of 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 prepared in Example 1 of the present invention by general natural cooling, and synthesized by quench cooling according to the present invention will be.
5 shows charge and discharge characteristics of 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 prepared according to Example 1 of the present invention by general natural cooling, and the synthesis by quench cooling according to the present invention. The evaluation results are shown.
6 shows the XRD pattern of the spinel structure oxide.
7 and 8 show the EDS mapping of the spinel structure's oxide in natural cooling.
9 and 10 show the EDS mapping of the spinel structure oxide in the quenching process.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the preferred embodiments of the present invention. However, the following examples are merely examples to help the understanding of the present invention, whereby the scope of the present invention is not reduced or limited.
본 발명은 작동 전압이 높고 출력 특성이 우수한 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물과 고전압에서 과충전시 큰 용량을 발현할 수 있는 층상 구조의 리튬 니켈 망간 화합물을 혼합한 혼합 양극 활물질을 합성 하는 방법과 이렇게 합성된 복합체의 전기 화학적 활성도를 획기적으로 증가시키기 위한 새로운 공정에 대한 것이다. 이러한 새로운 공정법을 통해서 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물을 이용해서 중요한 전기화학적인 특성인 충방전 속도를 향상시킬 수 있으며 층상 구조를 가진 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)을 이용해서 향상된 용량을 확보할 수 있어 전체적으로 양극 물질의 에너지 용량을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있다.The present invention provides a method for synthesizing a mixed cathode active material comprising a spinel structure lithium nickel manganese oxide having a high operating voltage and excellent output characteristics and a lithium nickel manganese compound having a layered structure capable of expressing a large capacity when overcharged at a high voltage. It is about a new process to dramatically increase the electrochemical activity of a composite. Through this new process method, spinel structure lithium nickel manganese oxide can be used to improve the charge / discharge rate, which is an important electrochemical property, and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) with layered structure can be used to secure the capacity. This could lead to new ways to dramatically improve the energy capacity of the anode material as a whole.
본 출원에서는 리튬-니켈-망간의 조성을 조정하여 이미 알려진 스피넬(spinel)-층상(layered) 구조를 가지지만 조성이나 구조가 같지 않은 혼합체를 합성하는 방법을 제시하고 있으며, 전기화학적인 활성도를 증가시키기 위해서 추가적인 이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.The present application proposes a method for synthesizing a mixture having a known spinel-layered structure but not the same composition or structure by adjusting the composition of lithium-nickel-manganese, and increasing electrochemical activity. In the following, the present invention will be described in more detail based on the preferred embodiments of the present invention. However, the following examples are merely examples to help the understanding of the present invention, whereby the scope of the present invention is not reduced or limited.
본 발명은 작동 전압이 높고 출력 특성이 우수한 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물과 고전압에서 과충전시 큰 용량을 발현할 수 있는 층상 구조의 리튬 니켈 망간 화합물을 혼합한 혼합 양극 활물질을 합성 하는 방법과 이렇게 합성된 복합체의 전기 화학적 활성도를 획기적으로 증가시키기 위한 새로운 공정에 대한 것이다. 이러한 새로운 공정법을 통해서 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물을 이용해서 중요한 전기화학적인 특성인 충방전 속도를 향상시킬 수 있으며 층상 구조를 가진 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)을 이용해서 향상된 용량을 확보할 수 있어 전체적으로 양극 물질의 에너지 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있다.The present invention provides a method for synthesizing a mixed cathode active material comprising a spinel structure lithium nickel manganese oxide having a high operating voltage and excellent output characteristics and a lithium nickel manganese compound having a layered structure capable of expressing a large capacity when overcharged at a high voltage. It is about a new process to dramatically increase the electrochemical activity of a composite. Through this new process method, spinel structure lithium nickel manganese oxide can be used to improve the charge / discharge rate, which is an important electrochemical property, and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) with layered structure can be used to secure the capacity. This could lead to new ways to dramatically improve the energy capacity of the anode material as a whole.
본 출원에서는 리튬-니켈-망간의 조성을 조정하여 이미 알려진 스피넬(spinel)-층상(layered) 구조를 가지지만 조성이나 구조가 같지 않은 혼합체를 합성하는 방법을 제시하고 있으며, 전기화학적인 활성도를 증가시키기 위해서 추가적인 열처리 방법을 제시하고 있다. 이러한 추가적인 열처리를 통해서 리튬, 니켈 그리고 망간과 같은 원소들이 구성 성분들 사이에서 상호 확산(inter-diffusion)이 이루어 지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 추가적인 열처리 공정을 통해서 각 구성 성분들의 구조 등에 변화가 일어남과 동시에 전기화학적인 활성도(activity)도 증가하게 되는데, 스피넬(spinel)- 층상(layered) 구조의 양극재 혼합체가 새로운 추가적인 공정 과정을 거치지 않은 일반적인 혼합체보다 고용량, 고출력(high power)성능을 가지는 이차전지용 양극 활물질을 합성할 수 있다.The present application proposes a method for synthesizing a mixture having a known spinel-layered structure but not the same composition or structure by adjusting the composition of lithium-nickel-manganese, and increasing electrochemical activity. For this purpose, an additional heat treatment method is proposed. Through this additional heat treatment, it can be seen that elements such as lithium, nickel and manganese are inter-diffusion between components. This additional heat treatment process results in a change in the structure of each component and an increase in electrochemical activity. A spinel-layered cathode mixture is not subjected to a new additional process. It is possible to synthesize a cathode active material for a secondary battery having a higher capacity and a higher power performance than a typical mixture.
또한, 상기의 스피넬-층상 구조의 복합물을 합성하기 위하여 본 발명에서는 고상법을 사용하였으나 공침법(co-precipitation method), 이온교환법(ion exchange reaction under hydrothermal condition), 초음파 분무 열분해법(ultrasonic spray pyrolysis) 등으로 합성된 복합체도 본 특허에서 개발된 공정을 적용할 경우 전기화학적 성능이 향상될 수 있다. 본 발명에서는 복합체를 만드는 방법에 관계없이 개발된 후처리 공정을 적용함으로써 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, in the present invention, in order to synthesize the composite of the spinel-layered structure, the solid phase method was used, but the co-precipitation method, the ion exchange reaction under hydrothermal condition, the ultrasonic spray pyrolysis method The composite synthesized in) may also improve the electrochemical performance when the process developed in the patent is applied. In the present invention, the overall performance can be improved by applying the developed post-treatment process regardless of the method of making the composite.
따라서 본 발명에서는 종래의 스피넬(spinel)-층상(layered) 구조의 양극재 혼합체가 새로운 추가적인 공정과정을 통해서 종래기술에 비해 출력특성이 향상된 스피넬-층상 구조의 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Li-Ni-Mn-O)의 제조방법을 제시하고 있다.Accordingly, in the present invention, a spinel-layered lithium nickel manganese composite oxide (Li-Ni-) in which a conventional spinel-layered cathode material mixture is improved in output characteristics compared to the prior art through a new additional process. The preparation method of Mn-O) is shown.
구체적으로, 본 발명에서는, 알려져 있는 스피넬(spinel) 구조의 리튬 니켈 망간 복합 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)의 망간, 리튬, 니켈의 조성을 화학 양론비에 맞게 조절하여 고상법으로 합성하여 스피넬(spinel) 구조인 LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4와 층상(layered) 구조인 Li2MnO3와의 복합체(composite)를 포함하는 것 형태이거나, 스피넬(spinel) 구조인 LiMn2O4은 포함하지 않고 스피넬(spinel) 구조인 LiNi0.5Mn1.5O4와 층상(layered) 구조인 Li2MnO3을 포함하는 조성이거나, 이 두 가지의 상(phase)을 따로 합성한 뒤에 조성에 맞추어 기계적으로 혼합한 복합체(composite)을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극재를 얻고 합성된 본 복합체를 추가적인 새로운 공정을 통해서 구성하는 상(phase)의 전기화학적 활성도(activity)와 출력(power)특성을 향상시키는 방법을 제시한다. Specifically, in the present invention, by adjusting the composition of the manganese, lithium, nickel of the known lithium nickel manganese composite oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) of the spinel structure (Spinel) by synthesizing in a solid-phase method to spinel ( spinel) LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 It is in the form of a composite containing a layered structure of Li 2 MnO 3 or spinel (Spinnel structure) LiMn 2 O 4 is included Without a spinel structure of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 and a layered structure of Li 2 MnO 3 or the two phases are synthesized separately and mechanically mixed according to the composition A method for obtaining a cathode material for a lithium secondary battery characterized by a composite and improving the electrochemical activity and power characteristics of a phase constituting the synthesized composite through an additional new process is described. present.
일반적으로 스피넬 구조 산화물은 3차원 결정구조의 특성상 빠른 리튬 이온의 확산이 가능하여 층상 구조 구조의 양극물질에 비하여 우수한 출력 특성을 나타낸다. 하지만 단독으로 사용할 경우 스피넬의 구조 특성상 용량적인 한계점이 존재하고 최종적으로 에너지 밀도를 높이기 위해서는 부족한 점이 존재한다. 또한 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4) 은 4.7V, 2.7V으로 크게 구분되는 2개의 작동 전압을 갖고 있어, 단독으로 사용할 경우 상기 두 영역의 작동 전압 사이의 영역에서 산화화원 반응 (redox)전압이 존재하지 않기 때문에, 급격한 전압강하가 이루어진다. In general, the spinel structure oxide is capable of fast diffusion of lithium ions due to the characteristics of the three-dimensional crystal structure shows excellent output characteristics compared to the cathode material of the layer structure structure. However, when used alone, there are capacitive limitations due to the structural characteristics of the spinel, and there is a shortfall in order to finally increase the energy density. In addition, the spinel structure lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) has two operating voltages, which are largely divided into 4.7 V and 2.7 V. When used alone, the oxidation source reaction occurs in the region between the operating voltages of the two regions. Since there is no redox voltage, a sudden voltage drop occurs.
이에, 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)의 용량적인 한계점을 개선함과 동시에 급격한 전압 강하가 없이 4V와 3V사이에서 레독스(redox)전압을 가지고 있는 층상(layered)구조의 물질과 복합체(composite)을 이루는 양극 활물질에 대한 개발을 통해서 양극 물질의 에너지 용량을 대폭적으로 향상시키는 연구를 진행하고 있다.This improves the capacitive limit of spinel structure lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and has a layered structure with redox voltage between 4V and 3V without sudden voltage drop. Through the development of a cathode active material constituting a composite (material) and a composite (material), the research to significantly improve the energy capacity of the cathode material.
본 발명에서는 이미 알려진 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물 (LiNi0.5Mn1.5O4)에서 망간, 리튬, 니켈의 조성을 조성을 화학 양론비에 맞게 조절하여 스피넬 구조 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 스피넬 구조 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4) 그리고 층상 구조 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)등으로 구성된 복합체(composite)을 이루는 물질이거나, 스피넬 구조 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)을 포함하지 않는 스피넬(spinel) 구조 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)과 층상(layered) 구조 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)으로 총 2가지 상(phase)의 복합체(composite)를 이루는 물질이 고용량, 고출력 특성을 달성할 수 있는 단순하고 대량 생산 가능한 방법을 제시할 수 있다.In the present invention, spinel structure lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), spinel structure lithium by adjusting the composition of manganese, lithium, nickel in the known spinel structure lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) according to the stoichiometric ratio It is a composite material composed of nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and layered lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ), or it does not contain spinel structure lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ). Spinel-structured nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and layered structured lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) make up a total of two phase composite materials, A simple and mass-producible way to achieve high power characteristics can be proposed.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극재는 고상 반응을 통하여 스피넬(spinel)-층상(layered)구조의 복합체(composite)을 합성한 뒤, 새로운 추가 공정을 통해서 일반적으로 ?칭(quenching)시에 스피넬(spinel)상에서 나타나는 암염상(rock-salt phase)을 형성하지 않고, 층상(layered)구조를 가진 상의 양이 증가하며 동시에 전기화학적 활성도(activity)도 증가되며 출력 특성이 향상된 스피넬(spinel)-층상(layered) 복합체(composite)을 얻을 수 있다. The cathode material for a lithium secondary battery according to the present invention synthesizes a spinel-layered composite through a solid phase reaction, and then spinels during quenching through a new additional process. Without forming a rock-salt phase, the spinel-layered layer increases the amount of the layered layer and increases the electrochemical activity and improves the output characteristics. ) Composite can be obtained.
이때 상기의 새로운 추가적인 공정의 효과가 나타나기 위해서는 스피넬(spinel)-층상(layered)구조의 복합체(composite)가 스피넬(spinel)상인 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)과 층상(layered)구조를 가진 상인 경우에는 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)을 포함하여야 하는데, 하기 [화학식 1]으로 표현되는 조성에서 리튬과 니켈의 양을 조절하여 스피넬(spinel)상과 층상(layered)상의 양을 조절할 수 있다. In this case, the spinel-layered composite of the spinel-layered lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and the layered structure are required for the effect of the new additional process. Lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) should be included in the case of phase with the amount of spinel and layered by adjusting the amount of lithium and nickel in the composition represented by the following [Formula 1]. I can regulate it.
[화학식 1][Formula 1]
Li1+xNi0.5-yMn1.5O4-z (이때, 0<x<0.9이고, 0<y<0.4, z>0이다.)Li 1 + x Ni 0.5-y Mn 1.5 O 4-z (where 0 <x <0.9 and 0 <y <0.4, z> 0)
위와 같이 알려진 스피넬(spinel)상인 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)에서 리튬과 니켈 양을 조절하는 경우에는 스피넬(spinel)상인 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)을 포함하고 있는데, 본 발명에서 제시하는 공정과정은 스피넬(spinel) 구조인 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)과 층상(layered) 구조인 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)을 포함하는 조성이면 이 공정과정을 통해서 얻는 전기화학적 활성도의 변화 등의 효과를 얻을 수 있다. 그러므로 [화학식 2]와 같이 스피넬(spinel) 구조인 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)과 층상(layered) 구조인 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)을 포함하는 조성으로 표현할 수 있다. When controlling the amount of lithium and nickel in the spinel phase lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ), the spinel phase contains lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ). The process proposed in the present invention is a composition containing a spinel structure of lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and a layered structure of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ). The effects such as changes in electrochemical activity obtained through this can be obtained. Therefore, as shown in [Formula 2], a spinel structure may be represented by a composition including lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and a layered structure lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ).
[화학식 2][Formula 2]
(1-x)LiNi0.5Mn1.5O4 + xLi2MnO3 (이때, 0<x<1 이다.)(1-x) LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + xLi 2 MnO 3 , where 0 <x <1.
뿐만 아니라, 스피넬(spinel) 구조인 리튬 니켈 망간 산화물(LiNi0.5Mn1.5O4)과 층상(layered) 구조인 경우에는 리튬 망간 산화물(Li2MnO3)을 따로 합성한 뒤 기계적인 혼합을 거친 뒤 새로운 추가적인 공정을 거쳐도 비슷한 효과가 나타난다.In addition, the spinel structure of lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and the layered structure of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) separately synthesized after mechanical mixing Similar effects are achieved with new additional processes.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법은 리튬 전구체, 망간 전구체, 전이금속 전구체를 혼합하는 단계(S100), 혼합물을 가열로에 집어넣고 공기 분위기에서 1차 합성하는 단계(S200), 1차 합성으로 형성된 물질을 자연적으로 냉각한 뒤 하이 에너지 볼 밀(high energy ball mill)을 통해서 분쇄를 하는 단계(S300), 분쇄된 물질을 가열로에 집어넣고 공기 분위기에서 2차 합성하는 단계(S400) 및 2차 합성된 복합체를 ?칭(quenching) 공정을 통해서 급속 냉각하는 단계(S500)를 포함하고, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 리튬 이차전지용 양극재를 제조할 수 있다.Referring to FIG. 1, in the method of manufacturing a lithium nickel manganese composite oxide for a rechargeable lithium battery according to an embodiment of the present invention, a step of mixing a lithium precursor, a manganese precursor, and a transition metal precursor (S100), and inserting the mixture into a heating furnace The first step of synthesizing in an air atmosphere (S200), the step of naturally cooling the material formed by the first synthesis and then grinding through a high energy ball mill (high energy ball mill) (S300), the pulverized material in the heating furnace And a step (S500) of secondary synthesis in an air atmosphere (S400) and a rapid cooling of the secondary synthesized composite through a quenching process (S500), represented by the formula (1) or (2) The cathode material for secondary batteries can be manufactured.
단계 S100 이전에, 원료의 혼합 공정, 건조 공정 및 펠렛화 공정을 포함하는 전처리 공정을 통해 각 금속 전구체들을 준비할 수 있다.Before step S100, each metal precursor may be prepared through a pretreatment process including a mixing process of a raw material, a drying process, and a pelletization process.
구체적으로, 원료의 혼합 공정은 아세톤 용매에 각각의 금속 전구체를 투입한 후 볼밀을 이용하여 혼합할 수 있다. 여기서, 볼밀은 약 6 ~ 24시간 동안 수행할 수 있다.Specifically, the mixing step of the raw material may be mixed by using a ball mill after each metal precursor is added to the acetone solvent. Here, the ball mill may be performed for about 6 to 24 hours.
만약, 볼밀을 6시간 미만으로 수행할 경우, 투입된 전구체의 용해, 분쇄 또는 혼합에 충분하지 않고, 볼밀을 24시간 초과하여 수행할 경우 혼합 효과가 포화됨에 비해 공정시간의 연장으로 경제적으로 불리할 수 있다.If the ball mill is performed for less than 6 hours, it is not sufficient to dissolve, pulverize or mix the injected precursor, and if the ball mill is performed for more than 24 hours, the mixing effect may be saturated, which may be economically disadvantageous due to the extension of the process time. have.
본 발명에서는 용매로 아세톤이나 물과 같은 용매를 사용하고 있으나, 전구체를 적절하게 혼합하고 후속 공정에 영향을 미치지 않는 물질이라면 제한없이 사용할 수 있다. 또한, 준비된 전구체가 볼 밀링을 수행하지 않아도 균일한 혼합물을 제조할 수 있다면 단순한 스터링(stirring) 과정을 통해서도 전구체를 준비할 수 있다.In the present invention, a solvent such as acetone or water is used as the solvent, but any material may be used without limitation as long as the material is properly mixed with the precursor and does not affect subsequent processes. In addition, if the prepared precursor can produce a uniform mixture without performing ball milling, the precursor may be prepared through a simple stirring process.
전처리 공정의 건조 공정에서는 혼합 공정을 통해 혼합된 전구체를 소정 온도로 가열하여 용매를 제거할 수 있다. 이러한 건조 공정에서는 핫 플레이트와 같은 장비를 이용하여 용매를 포함하는 혼합물을 약 100℃ 미만으로 가열한다. 이때, 약 100℃를 초과하여 가열하면, 전구체가 반응하여 다른 상이 형성될 수 있다.In the drying step of the pretreatment step, the mixed precursor may be heated to a predetermined temperature to remove the solvent. In this drying process, the mixture containing the solvent is heated to less than about 100 ° C. using equipment such as a hot plate. At this time, when heated above about 100 ℃, the precursor may react to form another phase.
또한, 전처리 공정의 펠렛화 공정은 후속 공정에서 분해되는 기체 성분이 쉽게 배출될 수 있도록 하여 합성이 용이해지도록 하기 위한 것으로, 펠렛화 장치를 이용하여 평균직경 1cm의 펠렛을 만들 수 있다. 다만, 펠렛화 공정에서 펠렛의 직경은 특별히 한정하지 않는다.In addition, the pelletization process of the pretreatment process is to facilitate the synthesis of the gas component that is decomposed in the subsequent process to facilitate the synthesis, it is possible to make a pellet having an average diameter of 1cm using a pelletizing device. However, the diameter of the pellet in the pelletization step is not particularly limited.
단계 S100에서는, 각 금속 전구체의 비율을 망간의 양은 변화시키지 않고, 리튬의 양을 늘리고, 그에 따라 화학양론 비에 맞게 전이금속의 양을 줄인 전구체를 상온에서 아세톤 용매를 이용하여 균일하게 섞어주는 과정을 수행할 수 있다. 여기서, 리튬 전구체는 Li2CO3, LiNO3 등을 포함할 수 있다. 이러한 각 금속 전구체는 화학식 1 또는 화학식 2의 조성물에 금속 성분을 제공할 수 있다. 또한, 망간 전구체와 니켈 전구체는 가열을 통해 물질의 합성이 가능한 물질을 포함할 수 있다.In step S100, the proportion of each metal precursor is increased without increasing the amount of manganese, and the amount of lithium is increased, and thus the precursor is mixed uniformly using acetone solvent at room temperature according to the stoichiometric ratio. Can be performed. Here, the lithium precursor may include Li 2 CO 3 , LiNO 3 , and the like. Each such metal precursor may provide a metal component to the composition of Formula 1 or
또한, 화학식 1의 화합물의 리튬 전구체에 대한 니켈 전구체의 첨가 비율이 증가할수록 스피넬(spinel) 상이 증가하고, 화학식 2의 화합물의 조성에서 x값이 감소할수록 스피넬(spinel) 상이 증가할 수 있다.In addition, as the addition ratio of the nickel precursor to the lithium precursor of the compound of Formula 1 increases, the spinel phase increases, and as the x value decreases in the composition of the compound of
단계 S200에서는 고상 반응의 가열조건으로 약 800℃ ~ 약 900℃에서 1차 합성 공정을 통하여 금속 전구체인 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산질화물 등에 붙어있는 탄산염, 질산염 등을 제거하여 혼합물에서 금속 성분만을 얻어 상을 형성할 수 있다.In step S200, only the metal component is removed from the mixture by removing carbonates and nitrates attached to metal oxides, metal nitrides and metal oxynitrides, which are metal precursors, through the first synthesis process at about 800 ° C to about 900 ° C as heating conditions for the solid phase reaction. To form an image.
단계 S300에서는, 하이 에너지 볼 밀(high energy ball mill)을 통해서 기계적인 분쇄를 수행할 수 있다. 단계 S300에서의 기계적인 분쇄는 층상 구조의 물질인 Li2MnO3가 초기 고전압 충전 과정부터 전기화학적으로 활성화(activated)되는 과정까지 거치는 반응이 더 잘 이루어질 수 있도록 만들 수 있다. 즉, 기계적인 분쇄는 활성화(activated) 반응을 더 증가시킬 수 있다.In step S300, mechanical grinding may be performed through a high energy ball mill. Mechanical pulverization in step S300 may make the reaction that goes from the initial high voltage charge process to the electrochemically activated (Li 2 MnO 3) material of the layer structure can be made better. In other words, mechanical grinding can further increase the activated reaction.
여기서, 혼합물의 분쇄는 약 2 ~ 3시간 동안 이루어질 수 있지만 분말의 입도를 줄일 수 있는 화학적이나 물리적인 다른 공정, 예컨대 고압 수분 밀(high-pressure water milling), 공기 제트 밀(air-jet mill), 롤러 밀(roller mill) 등을 통해서도 이루어질 수 있다.Here, the grinding of the mixture can take place for about 2 to 3 hours, but other chemical or physical processes that can reduce the particle size of the powder, such as high-pressure water milling, air-jet mills. It may also be made through a roller mill, or the like.
단계 S400에서는 열처리 과정을 통해서 복합체(composite)의 구성 성분간의 상호 작용을 도모하는 효과를 얻기 위해서 스피넬(spinel) 상의 Ni 용해도(solubility)가 떨어지는 온도인 약 700℃ 이상에서 어닐링(annealing)을 수행할 수 있다. 이때, 소성(annealing)하는 시간이 너무 길어질 경우 입자의 사이즈가 커져서 층상(layered) 구조의 물질인 Li2MnO3의 초기 활성화(activated) 과정이 잘 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 어닐링은 약 1 ~ 10시간 동안 수행하는 것이 적당하다.In step S400, annealing may be performed at a temperature of about 700 ° C. or more, which is a temperature at which Ni solubility on the spinel falls, in order to obtain an effect of promoting interaction between components of the composite through a heat treatment process. Can be. In this case, when the annealing time is too long, the size of the particles may increase, so that initial activation of Li 2 MnO 3 , which is a layered structure, may not occur. Therefore, annealing is suitably carried out for about 1 to 10 hours.
단계 S500에서는 어닐링 후 급속도로 냉각시키는 ?칭(quenching)을 수행할 수 있다.In step S500, quenching may be performed to rapidly cool after annealing.
여기서, ?칭(quenching)은 약 700℃ 이상에서 스피넬상 구조의 물질과 층상 구조의 물질 사이에서 스피넬의 Ni 용해도와 층상의 전기화학적 활성도(electrochemical activity) 간의 상호 작용이 이루어진 후 그 상태에서 유지되도록 냉각 속도를 빠르게 만들어야 한다.Here, quenching is such that the interaction between the spinel-like Ni solubility and the layered electrochemical activity between the spinel-like material and the layered material is maintained at about 700 ° C. or higher. The cooling rate must be made fast.
만약, 천천히 냉각을 하게 되면 스피넬의 Ni 용해도가 다시 바뀌기 때문에 동시에 층상 구조 물질의 전기화학적 활성도도 바뀌게 되면서 출력 특성이 향상되지 않는 일반적인 스피넬 구조-층상 구조의 복합체가 만들어진다.If cooling slowly, the Ni solubility of the spinel is changed again, and at the same time, the electrochemical activity of the layered material is also changed, thereby creating a general spinel structure-layered structure in which the output characteristics are not improved.
이에 따라, ?칭 공정은 어닐링하여 높은 온도에서의 혼합물의 구조나 조성을 유지시키는 과정이므로 상을 유지시키는 것이 가능한 급랭 방법도 사용될 수 있으며, 이러한 합성법의 차이에 의해서 제한되지 않는다.Accordingly, the quenching process is a process of annealing to maintain the structure or composition of the mixture at a high temperature, so a quenching method capable of retaining the phase may also be used, and is not limited by the difference in the synthesis method.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법은 층상 구조의 Li2MnO3와 스피넬 구조의 LiNi0.5Mn1.5O4를 따로 얻기 위해 리튬 전구체, 망간 전구체, 전이금속 전구체를 혼합하는 단계(S100), 상기 혼합물을 가열로에 집어넣고 공기 분위기에서 1차 합성하는 단계(S200), 1차 합성을 거쳐 얻어진 물질을 자연적으로 냉각한 뒤 얻은 층상 구조인 Li2MnO3와 스피넬 구조인 LiNi0.5Mn1.5O4를 혼합하고 하이 에너지 볼 밀을 통해 분쇄하는 단계(S300), 분쇄된 물질을 가열로에 집어넣고 공기 분위기에서 2차 합성하는 단계(S400), 및 ?칭을 통하여 2차 합성된 물질을 급속 냉각하는 단계(S500)를 포함하며, 상기 화학식 1과 화학식 2로 표현되는 리튬 이차전지용 양극재를 제조할 수 있다.On the other hand, the method for manufacturing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention in order to obtain Li 2 MnO 3 of the layer structure and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 of the spinel structure separately, lithium precursor, manganese precursor, transition Mixing the metal precursor (S100), putting the mixture into a heating furnace and first synthesizing in an air atmosphere (S200), and a layer structure obtained by naturally cooling the material obtained through the first synthesis, Li 2 MnO. 3 and a spinel structure of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 mixed and pulverized through a high energy ball mill (S300), the pulverized material is put into a heating furnace and secondary synthesis in an air atmosphere (S400), and? It includes a step (S500) for rapidly cooling the secondary synthesized material through the description, it can be prepared a cathode material for a lithium secondary battery represented by the formula (1) and (2).
여기서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법과 동일한 방법에 대한 중복 설명을 생략한다.Here, duplicate description of the same method as the manufacturing method of the lithium nickel manganese composite oxide for lithium secondary batteries according to an embodiment of the present invention will be omitted.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 층상(layered)구조인 Li2MnO3와 스피넬(spinel)구조인 LiNi0.5Mn1.5O4이 복합체(composite)로 존재하는 경우에 새로운 추가적인 공정인 하이 에너지 볼 밀(high energy ball mill) 이후 열처리를 약 700℃ 이상에서 수행한 뒤 ?칭(quenching)을 통해서 출력 특성이 향상된 스피넬(spinel)-층상(layered)의 복합체(composite)를 제조한다.According to another embodiment of the present invention, a high energy ball mill, which is a new additional process when a layered structure of Li 2 MnO 3 and a spinel structure of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is present as a composite After a high energy ball mill, heat treatment is performed at about 700 ° C. or more, and a spinel-layered composite having improved output characteristics through quenching is manufactured.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 하이 에너지 볼 밀(high energy ball mill)을 통해서 층상(layered) 구조의 물질의 초기 충전 활성화(activated) 과정이 잘 일어나도록 하고, 이후 700℃ 이상에서 열처리를 거치고 ?칭(quenching)을 통해서 급속도로 냉각하게 되는데, 이러한 공정에서 일반적으로 스피넬(spinel)구조의 물질이 Ni 용해도가 떨어지면서 생기는 암염상(rock-salt phase)이 형성되지 않고 동시에 층상(layered) 구조의 물질의 양과 전기화학적 활성도(electrochemical activity)가 증가하게 되며 출력 특성이 향상된 스피넬(spinel)-층상(layered) 복합체(composite)를 제조할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the initial charge activated process of the layered material is well performed through a high energy ball mill, and then heat treated at 700 ° C. or higher. Quenching is a rapid cooling process. In this process, the spinel structure generally does not form a rock-salt phase due to poor Ni solubility, and at the same time a layered structure. It is possible to prepare a spinel-layered composite having an increased output characteristic and an increase in the amount of material and electrochemical activity.
상기 실시예들에 의해 제조된 양극재는 리튬 이차 전지용 양극 및 이 양극을 포함하는 리튬 이차전지에 사용될 수 있다.The cathode material manufactured by the above embodiments may be used in a cathode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the cathode.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명의 제한되어서는 안 된다.The following presents specific embodiments of the present invention. However, the embodiments described below are merely for illustrating or explaining the present invention in detail, and thus the present invention should not be limited thereto.
[실시예 1] Example 1
본 발명의 실시예 1에서는 화학식 2에서 x를 0.52으로 선택하여 도 1에 도시된 방법으로 (1-x)LiNi0.5Mn1.5O4 + x Li2MnO3 를 합성하였다.In Example 1 of the present invention (x) in the formula (2) was selected as 0.52 (1-x) LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + x Li 2 MnO 3 by the method shown in FIG.
먼저 고상반응을 위한 전구체로는, Li2CO3(준세이, 순도 99%이상), NiCO3, (알파 에이사, 순도 99%이상), MnO2(알파 에이사, 순도 99.9%이상)를 다음과 같이 준비하였다.First, precursors for the solid phase reaction include Li 2 CO 3 (Semisei, purity over 99%), NiCO 3 , (alpha Aisa, purity above 99%), MnO 2 (alpha Aisa, purity above 99.9%) It was prepared as follows.
0.75 Li2CO3 + 0.24 NiCO3 + 1.26 MnO2 0.75 Li 2 CO 3 + 0.24 NiCO 3 + 1.26 MnO 2
구체적으로, 준비한 각 물질의 중량은, Li2CO3 2.26g, NiCO3 1g, MnO2 3.84g 이고, Specifically, the weight of each prepared material is 2.26 g of Li 2 CO 3 , 1 g of NiCO 3 , 3.84 g of MnO 2 ,
LiNi0.5Mn1.5O4의 wt%는 52%, Li2MnO3의 wt%는 48%의 비율을 맞추어서 프리커서를 혼합 하였다. The wt% of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was 52%, and the wt% of Li 2 MnO 3 was mixed at a ratio of 48%.
이와 같이 준비한 전구체를 아세톤 용매에 투입한 후, 약 12시간 동안 볼 밀링을 수행하여 전구체 중 응집된 분말은 해쇄하면서 균일하게 혼합된 혼합물을 제조하였다. 볼 밀링에는 직경 3.5mm 및 10mm의 지르코니아 볼을 사용하였다.The precursor thus prepared was added to an acetone solvent and ball milling was performed for about 12 hours to prepare a mixture in which the aggregated powder in the precursor was disintegrated and uniformly mixed. Zirconia balls 3.5 mm in diameter and 10 mm were used for ball milling.
볼 밀링을 통해 분말을 혼합한 후에는, 핫 플레이트를 사용하여 상기 혼합물을 대기중 100℃ 이하 온도로 건조하였고, 건조된 혼합물을 디스크형 몰드를 사용하여 펠렛(pellet)으로 만든다.After mixing the powder via ball milling, the mixture was dried to a temperature below 100 ° C. in air using a hot plate, and the dried mixture was pelleted using a disc mold.
이와 같이 제조한 펠렛을 알루미나 도가니에 장입하고 공기(Air) 분위기에서 900℃에서 하소(calcination) 공정을 한뒤, 약 2시간 20분 동안 하이 에너지 볼 밀(high energy ball mill)을 통해서 분쇄를 하는데 이 때 볼밀링에는 직경 1mm의 지르코니아 볼을 사용하였다.The pellets thus prepared are charged into an alumina crucible, calcined at 900 ° C. in an air atmosphere, and then ground through a high energy ball mill for about 2 hours and 20 minutes. In the ball milling, a zirconia ball having a diameter of 1 mm was used.
볼 밀링을 통해 분말을 분쇄한 후에는, 핫 플레이트를 사용하여 상기 혼합물을 대기중 100℃ 이하 온도로 건조하였고, 건조된 혼합물을 디스크형 몰드를 사용하여 펠렛(pellet)으로 만든다.After grinding the powder through ball milling, the mixture was dried to a temperature below 100 ° C. in the air using a hot plate, and the dried mixture was pelleted using a disc mold.
이후 800℃ 에서 약 5시간 동안 소성(re-annealing)을 하였다. 이때 가열속도는 4℃/분이고 가열 직후 퍼니스에서 꺼내 대기중에서 급속도로 냉각하는 ?칭(quenching)과정을 거친다.After that, re-annealing was performed at 800 ° C. for about 5 hours. At this time, the heating rate is 4 ℃ / minute and immediately after the heating is quenched (quenching) process to remove rapidly from the furnace in the atmosphere.
이상과 같은 방법을 통해 수득한 분말을 XRD를 이용하여 분석하였으며, 도 2는 그 결과를 나타낸 것이다.The powder obtained through the above method was analyzed using XRD, and FIG. 2 shows the result.
도 2에서 확인되는 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따라 수득한 분말은 층상(layered)- 스피넬(spinel) 복합체(composite)인 0.52 Li2MnO3 0.48 LiNi0.5Mn1.5O4 XRD 패턴을 나타내었다. 이때, 두 상(phase)의 대부분 픽(peak)들이 겹쳐지는 것을 확인할 수 있으며, 약간의 오차는 존재할 수 있다.As confirmed in FIG. 2, the powder obtained according to Example 1 of the present invention showed a 0.52 Li 2 MnO 3 0.48 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 XRD pattern, which was a layered-spinel composite. . In this case, it can be seen that most peaks of the two phases overlap, and there may be some errors.
[실시예 2] Example 2
본 발명의 실시예 2에서는 화학식 1에서 x를 0.2, y를 0.1로 선택하여 도 1에 도시된 방법으로 Li1+xNi0.5-yMn1.5O4 를 합성하였다.In Example 2 of the present invention, Li 1 + x Ni 0.5-y Mn 1.5 O 4 was synthesized by the method shown in FIG. 1 by selecting x as 0.2 and y as 0.1 in Chemical Formula 1.
먼저 고상반응을 위한 전구체로는, Li2CO3 (준세이, 순도 99%이상), NiCO3, (알파 에이사, 순도 99%이상), MnO2 (알파 에이사, 순도 99.9%이상)를 다음과 같이 준비하였다.First, precursors for the solid phase reaction include Li 2 CO 3 (Semisei, purity over 99%), NiCO 3 , (alpha Aisa, purity above 99%), MnO 2 (alpha Aisa, purity above 99.9%) It was prepared as follows.
0.6 Li2CO3 + 0.4 NiCO3 + 1.5 MnO2 0.6 Li 2 CO 3 + 0.4 NiCO 3 + 1.5 MnO 2
구체적으로, 준비한 각 물질의 중량은, Li2CO3 0.93g, NiCO3 1g, MnO2 2.76g 이고, 즉 일반적인 LiNi0.5Mn1.5O4에서 Mn의 양은 바꾸지 않고, Li의 양을 20% 더 늘리고, Ni의 양은 20% 더 줄여서 화학양론 비에 맞게 Li1.1Ni0.45Mn1.5O4로 혼합하였다. 이후의 합성 공정은 실시예 1과 동일하게 수행하여 Li1.5Ni0.25Mn1.5O4를 합성하였다. 즉, 늘리는 리튬의 양과 줄이는 니켈의 양을 실시예 1에 비해 5배 늘린 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 합성을 수행하였다. Specifically, the weight of each prepared material is 0.93 g of Li 2 CO 3 , 1 g of NiCO 3 , 2.76 g of MnO 2 , that is, in general LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , the amount of Mn is not changed, and the amount of Li is further increased by 20%. The amount of Ni was further reduced by 20% and mixed with Li 1.1 Ni 0.45 Mn 1.5 O 4 according to the stoichiometric ratio. Subsequent synthesis processes were carried out in the same manner as in Example 1 to synthesize Li 1.5 Ni 0.25 Mn 1.5 O 4 . That is, the synthesis was carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium increased and the amount of nickel reduced was increased five times compared to Example 1.
[실시예 3] Example 3
본 발명의 실시예 3에서는 [화학식 2]에서 x를 0.5, y를 0.25으로 선택하여 도 1에 도시된 방법으로 Li1+xNi0.5-yMn1.5O4 를 합성하였다.In Example 3 of the present invention, Li 1 + x Ni 0.5-y Mn 1.5 O 4 was synthesized by the method shown in FIG. 1 by selecting x as 0.5 and y as 0.25 in [Formula 2].
먼저 고상반응을 위한 전구체로는, Li2CO3(준세이, 순도 99%이상), NiCO3, (알파 에이사, 순도 99%이상), MnO2(알파 에이사, 순도 99.9%이상)를 다음과 같이 준비하였다.First, precursors for the solid phase reaction include Li 2 CO 3 (Semisei, purity over 99%), NiCO 3 , (alpha Aisa, purity above 99%), MnO 2 (alpha Aisa, purity above 99.9%) It was prepared as follows.
0.75 Li2CO3 + 0.25 NiCO3 + 1.5 MnO2 0.75 Li 2 CO 3 + 0.25 NiCO 3 + 1.5 MnO 2
구체적으로, 준비한 각 물질의 중량은, Li2CO3 1.87g, NiCO3 1g, MnO2 4.42g 이고, 즉 일반적인 LiNi0.5Mn1.5O4에서 Mn의 양은 바꾸지 않고, Li의 양을 50% 더 늘리고, Ni의 양은 50% 더 줄여서 화학양론 비에 맞게 Li1.5Ni0.25Mn1.5O4로 혼합하였다. 이후의 합성 공정은 실시예 1과 동일하게 수행하여 Li1.5Ni0.25Mn1.5O4를 합성하였다. 즉, 늘리는 리튬의 양과 줄이는 니켈의 양을 실시예 1에 비해 5배 늘린 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 합성을 수행하였다.Specifically, the weight of each prepared material is 1.87 g of Li 2 CO 3 , 1 g of NiCO 3 , 4.42 g of MnO 2 , that is, in general LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , without changing the amount of Mn, increasing the amount of Li by 50% The amount of Ni was further reduced by 50% and mixed with Li 1.5 Ni 0.25 Mn 1.5 O 4 according to the stoichiometric ratio. Subsequent synthesis processes were carried out in the same manner as in Example 1 to synthesize Li 1.5 Ni 0.25 Mn 1.5 O 4 . That is, the synthesis was carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium increased and the amount of nickel reduced was increased five times compared to Example 1.
본 발명의 실시예 3에 따라 수득한 분말은 층상(layered)- 스피넬(spinel) 복합체(composite)인 0.32 Li2MnO3 0.68 LiNi0.5Mn1.5O4 이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 3에 따라 수득한 분말의 XRD 패턴을 나타낸다. 이때, 두 상(phase)의 대부분 픽(peak)들이 겹쳐지는 것을 확인할 수 있으며, 약간의 오차는 존재할 수 있다.The powder obtained according to Example 3 of the present invention is 0.32 Li 2 MnO 3 0.68 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , which is a layered-spinel composite, and FIG. XRD pattern of the powder obtained according to the present. In this case, it can be seen that most peaks of the two phases overlap, and there may be some errors.
[XRD 패턴 비교][XRD Pattern Comparison]
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 를 일반적인 자연 냉각으로 합성한 것과, 본 발명에 따라 ?칭 냉각으로 합성한 것의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.Figure 4 shows the XRD pattern of the synthesis of 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 prepared in Example 1 of the present invention by general natural cooling, and synthesized by quench cooling according to the present invention will be.
도 4에 도시된 바와 같이 일반적 자연 냉각으로 합성한 것(파란색 실선(200))에 비하여 새롭게 제시하는 ?칭 냉각으로 합성한 것(빨간색 실선(300))은 같은 스피넬-층상 복합체의 조성임에도 불구하고 스피넬과 층상 구조의 피크의 인텐시티의 차이가 확연히 다른데, 이는 같은 조성이지만 물질을 구성하고 있는 층상구조의 물질과 스피넬 구조의 물질의 중량%가 다르다는 것을 의미할 수 있다.As shown in FIG. 4, the synthetically synthesized by quenching cooling (red solid line 300), compared to the one synthesized by general natural cooling (blue solid line 200), is a composition of the same spinel-layered composite. The difference in the intensity of the peaks of the spinel and the layered structure is significantly different, which may mean that the weight ratio of the layered material and the material of the spinel structure constituting the material is different.
[충방전 특성 평가 결과][Charge / Discharge Characteristics Evaluation Results]
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 를 일반적인 자연 냉각으로 합성한 것과, 본 발명에 따라 ?칭 냉각으로 합성한 것의 충방전 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 모두 첫번째 사이클에서 C/20 rate에서 동일하게 진행 하였다.5 shows charge and discharge characteristics of 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 prepared according to Example 1 of the present invention by general natural cooling, and the synthesis by quench cooling according to the present invention. The evaluation results are shown. All proceeded identically at the C / 20 rate in the first cycle.
전기화학적 거동을 평가하기 위해 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 물질을 가지고 전극을 만들어 전기화학 테스트를 실시하였다. 전극은 활물질로 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 80중량%, 탄소 분말로 super P 7.5중량%, CNF(carbon nano fiber) 7.5중량%, 그리고 바인더로 PVDF 5 중량%를 막자 사발에 넣고 20 ~ 30분 동안 잘 혼합하고, 약 2시간 정도 교반한 뒤 Al 호일에 잘 도포하여 진공챔버(vacuum chamber)에서 12시간 동안 건조를 시킨다. 이후 8mm 펀치로 찍어내어 1~3mg의 양극을 만들었으며, 이 과정은 글로브 박스 (아르곤 분위기)에서 실시하였다. 이와 같이 제조한 양극을 사용하여 셀 조립을 하였는데, 셀 조립 시 세퍼레이터는 Celgard 2400를 약 13mm로 잘라 사용하였으며, 전해질은 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트가 1:1 중량으로 혼합된 용액으로 1M LiPF6를 사용하였고, 음극은 리튬메탈을 사용하였다. 이와 같이 제조한 셀의 전기화학적 거동은 상온에서 측정되었다. 측정장비는 maccor series 4000을 이용하였고, 측정 시에는 2V부터 5V까지 충전부터 시작하였으며 전류는 처음 사이클 에서는 충전과 방전을 둘다 C/12 rate, 25mA/g 크기로 하였고, 이후에는 충전과 방전을 둘다 1C rate, 300mA/g 크기를 가하여 측정하였다.In order to evaluate the electrochemical behavior, the electrode was made with a 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 material prepared according to Example 1 of the present invention and subjected to an electrochemical test. Electrode is made of 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 as active material, 7.5 wt% super P with carbon powder, 7.5 wt% carbon nanofiber (CNF), and 5 wt% PVDF with binder. The mixture was mixed well for 20 to 30 minutes, stirred for about 2 hours, and applied well to Al foil, followed by drying for 12 hours in a vacuum chamber. It was then stamped with an 8mm punch to make 1 to 3 mg of anode, which was done in a glove box (argon atmosphere). The cell was assembled using the positive electrode prepared as described above. When the cell was assembled, the separator was used to cut Celgard 2400 into about 13 mm, and the electrolyte used was 1M LiPF 6 as a solution containing 1: 1 weight of ethylene carbonate / dimethyl carbonate. As the negative electrode, lithium metal was used. The electrochemical behavior of the cells thus prepared was measured at room temperature. The instrument used the maccor series 4000, and the measurement began with charging from 2V to 5V, and the current was charged and discharged at the C / 12 rate and 25mA / g in the first cycle, and then charged and discharged. 1C rate, 300mA / g size was added to measure.
일반적으로, 스피넬-층상 복합체에서, 특히 스피넬 물질과 관련하여 스피넬 물질의 경우에 온도가 약 700℃ 이상이 됨에 따라서 엘리먼트(element), 특히 Ni의 경우에 용해도(solubility)가 굉장히 감소된다. 그렇기 때문에 보통은 이러한 스피넬-층상 복합체를 약 700℃ 이상에서 합성을 하게 되면 원하지 않는 암염상(rock-salt phase)(엘리먼트의 용해도가 감소함에 의해서 형성되는 새로운 상)이 많이 형성된다. 이때 이러한 암염상(rock-salt phase)은 전기화학적으로 활성도가 없기 때문에 리튬 이차 전지의 용량 감소에 영향을 줄 수 있다. 그러나 이러한 스피넬-층상 복합체에서 본 발명의 일 실시예에 따라 ?칭 공정을 진행을 하게 될 경우 스피넬 물질에서 낮아진 용해도에 의해서 빠져나온 엘리먼트가 암염상을 형성하지 않고 층상 구조에 쉽게 결합될 수 있다.In general, the solubility in spinel-layered composites, particularly in the case of spinel materials, in the case of spinel materials, is greatly reduced as the temperature is about 700 ° C. or more, in the case of Ni, in particular in the case of Ni. As a result, the synthesis of these spinel-layered complexes at or above about 700 ° C. usually produces many unwanted rock-salt phases (new phases formed by decreasing solubility of the element). In this case, the rock-salt phase may affect the capacity reduction of the lithium secondary battery because it is electrochemically inactive. However, if the spinel-layered composite is subjected to a quenching process according to an embodiment of the present invention, the element escaped by the lower solubility in the spinel material may be easily bonded to the layered structure without forming a dark salt phase.
또한, 층상 구조에 엘리먼트가 결합될 때 층상 구조 물질의 전기화학적 활성도를 많이 증가될 수 있다. 이는, XRD 해석(refinement)을 진행하였을 때 격자 정수(lattice parameter)가 매우 증가되고 새로운 형태의 층상이 만들어 지는 것으로 입증할 수 있다.In addition, the electrochemical activity of the layered material can be greatly increased when the element is bonded to the layered structure. This can be proved that when the XRD refinement is performed, the lattice parameter is greatly increased and a new type of layer is formed.
또한, 층상 물질의 전기화학적 성질의 증가와 관련해서는 스피넬 물질의 엘리먼트가 층상 구조에 결합되면서 리튬 이온의 확산 채널(diffusion channel)의 크기에 크게 영향을 주기 때문이다. 이는, 격자 정수의 변화를 통해서도 알 수 있다.In addition, the increase in the electrochemical properties of the layered material is due to the fact that the elements of the spinel material are bonded to the layered structure, which greatly affects the size of the diffusion channel of lithium ions. This can also be seen through the change of lattice constant.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ?칭 공정으로 스피넬에서 합성 과정 동안 생길 수 있는 불필요한 상을 없앨 수 있고 동시에 층상 구조의 물질에 스피넬의 엘리먼트가 결합됨으로 인해서 층상 물질의 전기화학적 활성도를 증가시킬 수 있다.That is, the quenching process according to one embodiment of the present invention can eliminate unnecessary phases that may occur during the synthesis process in the spinel and at the same time increase the electrochemical activity of the layered material by combining the spinel element with the layered material. Can be.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 0.52 LiNi0.5Mn1.5O4 + 0.48 Li2MnO3 를 일반적인 자연 냉각으로 합성한 것(파란색 실선(400))과, 본 발명에 따라 ?칭 냉각으로 합성한 것(빨간색 실선(500))의 충방전 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.5 is synthesized by general natural cooling of 0.52 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + 0.48 Li 2 MnO 3 prepared according to Example 1 of the present invention (blue solid line 400), and quench cooling according to the present invention It shows the result of evaluating the charge-discharge characteristics of the synthesized (solid red line 500).
도 5를 참조하면, 도 4에서와 같이 합성법에 따라서 두 구조의 물질의 중량%가 다르고, 이는 새롭게 제시하는 공정에서 활성화도가 증가된 층상 구조의 물질이 많이 생겼음을 의미할 수 있다. 특히 방전 그래프를 기준으로 약 4.0V ~ 약 2.8V 부근에서의 층상구조의 물질이 반응하는 레독스 포텐셜(redox potential)에서의 용량의 차이가 확연히 드러남을 볼 수 있다.Referring to FIG. 5, the weight% of the materials of the two structures are different according to the synthesis method as shown in FIG. 4, which may mean that many materials of the layered structure having increased activation degree are generated in the newly presented process. In particular, it can be seen that the difference in capacity in the redox potential at which the layered material reacts from about 4.0 V to about 2.8 V based on the discharge graph is apparent.
한편, XRD 해석(refinement)을 통해 비교해 본 결과, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ?칭(quenching) 공정이 적용된 샘플은 층상 구조 금속 산화물의 중량퍼센트(wt%) 비율이 자연 냉각(natural cooling) 공정 또는 이론적인 계산에 맞춰 설정된 층상 구조 금속 산화물의 중량퍼센트(wt%) 비율보다 높게 구성될 수 있다.Meanwhile, as a result of comparison through XRD refinement, in the sample to which the quenching process according to an embodiment of the present invention is applied, the percentage by weight (wt%) of the layered metal oxide is natural cooling. It may be configured to be higher than the weight percent (wt%) ratio of the layered metal oxide set in accordance with the process or theoretical calculation.
이때, ?칭 공정은 퍼니스 내에서 복합체를 가열한 후 퍼니스 밖으로 복합체를 꺼내 대기중에서 냉각시키는 것이고, 자연 냉각 공정은 퍼니스 내에서 복합체를 가열한 후 퍼니스 내에서 복합체를 냉각시키는 것이다.At this time, the quenching process is to heat the composite in the furnace and then take the composite out of the furnace and cool it in the air. The natural cooling process is to heat the composite in the furnace and then to cool the composite in the furnace.
예를 들면, ?칭(quenching) 공정이 적용된 샘플은 층상 구조 물질과 스피넬 구조 물질의 중량퍼센트(wt%)의 비율이 약 55:45를 가지는 반면에, 자연 냉각 공정이 적용된 샘플은 층상 구조 물질과 스피넬 물질의 중량퍼센트(wt%)의 비율이 약 40:60으로 계산된 중량퍼센트(wt%)인 40:60와 비슷한 것을 확인할 수 있다.For example, a sample subjected to a quenching process has a weight percent (wt%) ratio of the layered structure and the spinel structured material to about 55:45, while a sample to which the natural cooling process is applied has a layered structure. It can be seen that the ratio of the weight percent (wt%) and the spinel material is similar to 40:60, the weight percent (wt%) calculated as about 40:60.
여기서, ?칭 공정이 적용된 샘플에서 층상 구조 물질의 중량퍼센트(wt%)의 비율이 층상/스피넬의 계산된 조성과 비슷하거나 더 낮은 값을 가지게 되는 경우에는 층상 구조가 스피넬의 Ni의 용해도(solubility)에서 기인하여 중량퍼센트(wt%)가 증가되지 못하는 형태가 되고, 이 경우에는 Ni이 포함되지 못한 층상 구조의 형태이기 때문에 전기화학적 활성도가 낮아져 저장 용량이 감소되고, 전압의 형태도 달라지므로 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있을 수 있다.Here, when the proportion of the weight percent (wt%) of the layered material in the sample subjected to the quenching process has a value that is equal to or lower than the calculated composition of the layered / spinel, the layered structure is the solubility of Ni in the spinel. Due to the weight percent (wt%) is not increased, in this case, because it is a layered structure that does not contain Ni, the electrochemical activity is lowered, the storage capacity is reduced, and the form of the voltage is different energy There may be a problem that the density is low.
이러한 중량퍼센트(wt%)의 비율 차이는 구조가 안정화되고 온도의 차이가 발생함에 따라서 형성되는 것인데, 특히 ?칭의 경우에는 높은 온도의 상태의 구조이고 자연 냉각의 경우에는 낮은 온도의 상태의 구조를 형성하기 때문이다. 이러한 온도의 차이는 특히 스피넬 구조의 물질의 Ni 용해도(solubility limit)와 관련이 있고 높은 온도에서는 특히 Ni의 용해도가 떨어져 일반적으로는 암염상이 잘 형성되는데, 층상 구조가 같이 존재하는 경우에는 높은 온도에서 낮은 용해도에 의한 Ni이 층상구조에 포함되면서 중량 비율이 변화되는 것을 알 수 있다.This percentage difference in weight percent (wt%) is formed as the structure stabilizes and the temperature difference occurs. In particular, in the case of quenching, the structure is in a high temperature state and in the case of natural cooling, Because it forms. This difference in temperature is particularly related to the solubility limit of the spinel-structured material, and at high temperatures, especially at low temperatures, the solubility of Ni is generally well formed. It can be seen that the weight ratio is changed while Ni is included in the layered structure due to low solubility.
즉, ?칭 공정을 통해서 스피넬 구조의 Ni을 포함하게 되면 층상 구조가 높은 중량퍼센트(wt%)를 가지고, 이는 일반적으로 전기화학적 활성도가 좋은 것으로 알려져 있으며, 동시에 낮은 용해도의 Ni이 암염상을 형성하지 않기 때문이다. 이러한 두가지 이유로 인해서 높은 전기화학적 활성도를 가질 수 있다.In other words, if the spinel structure contains Ni through a quenching process, the layered structure has a high weight percent (wt%), which is generally known to have good electrochemical activity, and at the same time, low solubility Ni forms a rock salt phase. Because it does not. For these two reasons it can have a high electrochemical activity.
여기서는 도 6 내지 도 10을 더 참조하여 설명한다.This will be described further with reference to FIGS. 6 to 10.
도 6은 스피넬 구조의 산화물의 XRD 패턴을 나타내는 것으로, 약 800℃를 유지하는 동안에 NiO가 사라지고, 동시에 Li2MnO3의 패턴 피크 세기 비율(intensity ratio)이 증가되는 것을 알 수 있다. 이는, 높은 온도에서 LNMO 상의 Ni의 용해도가 감소가 되어 NiO를 형성하게 되는데 온도가 유지되면서 NiO는 없어지고 Li2MnO3에 Ni이 포함되는 것을 예측할 수 있다. 동시에 실온으로 온도가 내려가면서 다시 Ni의 용해도가 증가되고, LNMO 상의 패턴 피크 세기(intensity)가 커지고, Li2MnO3의 패턴 피크 세기(intensity)가 감소되는 것을 알 수 있다. 또한, Ni이 포함된 Li2MnO3의 상이 온도가 떨어짐에 따라서 사라지는 것을 알 수 있다.6 shows the XRD pattern of the spinel structure oxide, and it can be seen that NiO disappears while maintaining about 800 ° C., and at the same time, the pattern peak intensity ratio of Li 2 MnO 3 is increased. This results in a decrease in the solubility of Ni on the LNMO at high temperature to form NiO, but it can be predicted that NiO disappears and Ni is included in Li 2 MnO 3 while the temperature is maintained. At the same time, as the temperature is lowered to room temperature, the solubility of Ni increases again, the pattern peak intensity of the LNMO phase increases, and the pattern peak intensity of Li 2 MnO 3 decreases. In addition, it can be seen that the phase of Li 2 MnO 3 containing Ni disappears as the temperature drops.
도 7 및 도 8은 자연 냉각에서 스피넬 구조의 산화물의 EDS 맵핑을 나타낸 것이다. 도 9 및 도 10은 ?칭 공정에서 스피넬 구조의 산화물의 EDS 맵핑을 나타낸 것이다.7 and 8 show the EDS mapping of the spinel structure's oxide in natural cooling. 9 and 10 show the EDS mapping of the spinel structure oxide in the quenching process.
도 7 내지 도 10을 참조하면, EDS 맵핑을 통해서 Ni/Mn의 비율을 비교해 보았을 때 자연 냉각의 경우에는 Ni/Mn의 비율이 비교적 ?칭 공정에 비해서 균일하지 않은 것을 확인할 수 있다. 즉, ?칭 공정에 따른 샘플의 경우에는 Ni이 고온에서 Mn만 존재하는 Li2MnO3에 포함되면서 균일해지는 것을 확인할 수 있다.7 to 10, when comparing the ratio of Ni / Mn through the EDS mapping it can be seen that the ratio of Ni / Mn in the case of natural cooling is relatively non-uniform compared to the quenching process. That is, in the case of the sample according to the quenching process, it can be seen that Ni is uniformized while being included in Li 2 MnO 3 having only Mn at a high temperature.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention has been described by way of example and is not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
Claims (9)
(b) 상기 복합체를 분쇄하여 입자 크기를 줄이는 단계 및
(c) 상기 복합체를 700 ~ 900℃의 온도로 가열한 후, ?칭(quenching) 공정으로 냉각하는 단계를 포함하고,
상기 (c) 단계가 수행된 복합체는, 상기 스피넬 구조인 리튬 니켈 망간 산화물에 포함된 니켈 성분의 적어도 일부가 상기 층상 구조인 리튬 망간 산화물에 결합된 상태인, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
(a) preparing a composite of a lithium nickel manganese oxide having a spinel structure and a lithium manganese oxide having a layered structure,
(b) milling the composite to reduce particle size and
(c) heating the composite to a temperature of 700 to 900 ° C., followed by cooling by a quenching process,
The composite in which step (c) is performed is a lithium nickel manganese composite oxide for lithium secondary batteries in which at least a part of the nickel component included in the lithium nickel manganese oxide having the spinel structure is bonded to the lithium manganese oxide having the layered structure. Manufacturing method.
상기 복합체는, 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 표시되는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
[화학식 1]
Li1+xNi0.5-yMn1.5O4-z (이때, 0<x<0.9이고, 0<y<0.4, 0<z<3이다.)
[화학식 2]
(1-x)LiNi0.5Mn1.5O4 + xLi2MnO3 (이때, 0<x<1 이다.)
The method of claim 1,
The composite is a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, represented by the following [Formula 1] or [Formula 2].
[Formula 1]
Li 1 + x Ni 0.5-y Mn 1.5 O 4-z (where 0 <x <0.9 and 0 <y <0.4, 0 <z <3)
[Formula 2]
(1-x) LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + xLi 2 MnO 3 , where 0 <x <1.
상기 (a) 단계는,
(a-1) 리튬, 니켈, 망간, 전이금속 중 1종 이상의 금속 전구체를 혼합하는 단계 및
(a-2) 혼합된 금속 전구체들을 1차 합성하는 단계를 포함하는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 1,
In step (a),
(a-1) mixing at least one metal precursor among lithium, nickel, manganese and transition metals, and
(a-2) A method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, comprising the step of primary synthesis of the mixed metal precursors.
상기 (a-2) 단계에서는, 고상법, 공침법, 이온교환 합성법, 솔-젤(sol-gel)법 중 적어도 하나의 방법으로 상기 전구체 혼합물을 합성하는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 3,
In the step (a-2), a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, which synthesizes the precursor mixture by at least one of a solid phase method, a coprecipitation method, an ion exchange synthesis method, and a sol-gel method. Manufacturing method.
상기 (b) 단계에서는, 하이 에너지 볼 밀, 고압 수분 밀, 공기 제트 밀, 및 롤러 밀 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 1차 합성된 복합체를 분쇄하는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 3,
In the step (b), to prepare a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, grinding the primary synthesized composite using at least one method of a high energy ball mill, high pressure water mill, air jet mill, and roller mill Way.
상기 (a) 단계 이전에, 원료의 혼합 공정, 건조 공정 및 펠렛화 공정을 포함하는 전처리 공정을 통해 스피넬 구조 금속 및 층상 구조 금속 각각의 전구체를 준비하는 단계를 더 포함하는, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 1,
Before the step (a), further comprising preparing a precursor of each of the spinel structure metal and the layered structure metal through a pretreatment process including a raw material mixing process, drying process and pelletization process, lithium nickel for lithium secondary battery Method for producing manganese composite oxide.
상기 원료의 혼합 공정은 볼밀을 이용하여 용매, 스피넬 구조 금속 전구체 및 층상 구조 금속 전구체의 균일 혼합을 수행하는 공정이고,
상기 건조 공정은 혼합된 전구체를 가열하여 용매를 제거하는 공정이고,
상기 펠렛화 공정은 혼합된 전구체를 미리 설정된 형태의 펠렛으로 형성하는 공정인, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 6,
The mixing step of the raw material is a step of performing a uniform mixing of the solvent, the spinel structure metal precursor and the layered metal precursor using a ball mill,
The drying step is a step of removing the solvent by heating the mixed precursor,
The pelletizing process is a process for forming a mixed precursor into a pellet of a predetermined form, a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery.
상기 ?칭 공정을 통해 냉각된 상기 복합체는 층상 구조 금속 산화물의 중량퍼센트(wt%) 비율이 자연 냉각 공정 또는 이론적인 계산에 맞춰 설정된 층상 구조 금속 산화물의 중량퍼센트(wt%) 비율보다 높은, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 1,
The composite cooled through the quenching process is characterized in that the weight percent (wt%) ratio of the layered metal oxide is higher than the weight percent (wt%) ratio of the layered metal oxide set in accordance with the natural cooling process or theoretical calculation. Method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a secondary battery.
상기 ?칭 공정은 퍼니스 내에서 상기 복합체를 가열한 후 퍼니스 밖으로 상기 복합체를 꺼내 대기중에서 냉각시키는 것이고,
상기 자연 냉각 공정은 퍼니스 내에서 상기 복합체를 가열한 후 퍼니스 내에서 상기 복합체를 냉각시키는 것인, 리튬 이차 전지용 리튬 니켈 망간 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 8,
The quenching process is to heat the composite in the furnace and then to take the composite out of the furnace and cool it in the air.
The natural cooling process is a method for producing a lithium nickel manganese composite oxide for a lithium secondary battery, which is to cool the composite in the furnace after heating the composite in the furnace.
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