KR102246771B1 - Positive electrode material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising positive electrode including nickel-based active material - Google Patents
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Abstract
복수의 일차입자를 포함하는 이차입자이고, 상기 이차입자는 방사형 배열 구조 및 불규칙 다공성 구조(irregular porous structure)를 포함하고, 상기 방사형 배열 구조는 상기 불규칙 다공 구조에 비해 상기 이차 입자의 표면에 가깝게 배치되는 니켈계 활물질을 포함하고, 상기 니켈계 활물질의 표면에는 리튬 불소계 화합물이 존재하는 리튬이차전지용 양극활물질, 그 제조방법 및 이를 포함한 양극을 함유한 리튬이차전지가 개시된다.It is a secondary particle including a plurality of primary particles, the secondary particles include a radial arrangement structure and an irregular porous structure, and the radial arrangement structure is disposed closer to the surface of the secondary particles compared to the irregular porous structure Disclosed are a positive electrode active material for a lithium secondary battery including a nickel-based active material, wherein a lithium fluorine-based compound is present on the surface of the nickel-based active material, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including a positive electrode including the same.
Description
리튬이차전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지에 관한 것이다.It relates to a lithium secondary battery including a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a positive electrode including the same.
휴대용 전자기기, 통신기기 등이 발전함에 따라 고에너지 밀도의 리튬 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높다. With the development of portable electronic devices and communication devices, there is a high need to develop lithium secondary batteries with high energy density.
리튬이차전지의 양극 활물질 중 니켈계 활물질은 고용량 구현이 가능하여 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그런데 니켈계 활물질은 표면에 존재하는 미반응의 잔류리튬으로 인하여 이를 이용한 리튬전지의 신뢰성이 저하될 수 있어 이에 대한 개선이 요구된다.Among the positive electrode active materials of lithium secondary batteries, nickel-based active materials are capable of realizing a high capacity, and thus research on this is actively being conducted. However, the reliability of a lithium battery using the nickel-based active material may be lowered due to unreacted residual lithium present on the surface, and thus improvement is required.
한 측면은 잔류리튬의 함량이 작고 충방전시 크랙 발생을 억제하여, 저항증가를 감소시키는 방향을 통하여 수명이 개선된 리튬이차전지용 양극활물질을 제공하는 것이다. One aspect is to provide a cathode active material for a lithium secondary battery whose lifespan is improved by reducing the increase in resistance by suppressing the occurrence of cracks during charging and discharging with a small content of residual lithium.
다른 측면은 상술한 양극활물질을 포함한 양극을 구비하여 셀 성능이 개선된 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium secondary battery with improved cell performance by including a positive electrode including the positive electrode active material described above.
한 측면에 따라 복수의 일차입자를 포함하는 이차입자이고, It is a secondary particle including a plurality of primary particles according to one aspect,
상기 이차입자는 방사형 배열 구조 및 불규칙 다공성 구조(irregular porous structure)를 포함하고,The secondary particles include a radial array structure and an irregular porous structure,
상기 방사형 배열 구조는 상기 불규칙 다공 구조에 비해 상기 이차 입자의 표면에 가깝게 배치되는 니켈계 활물질을 포함하고, The radial arrangement structure includes a nickel-based active material disposed closer to the surface of the secondary particles compared to the irregular porous structure,
상기 니켈계 활물질의 표면에는 리튬 불소계 화합물이 존재하는 리튬이차전지용 양극활물질이 제공된다.A positive electrode active material for a lithium secondary battery in which a lithium fluorine-based compound is present is provided on the surface of the nickel-based active material.
다른 측면에 따라 두 개 이상의 일차입자의 응집체를 포함하는 이차입자를 함유하며, 상기 이차입자는 상기 일차입자의 (003)면의 장축 또는 단축이 상기 (003)면이 상기 이차입자의 가상의 최외곽선과 만나는 점에서의 접선과 수직방향이 되도록 상기 일차입자가 배향되는 방사형 배열 구조를 포함하고, 상기 이차입자의 50% 이상이 상기 방사형 배열 구조를 가지며, 상기 이차입자의 표면에는 리튬 불소계 화합물이 존재하는 리튬이차전지용 양극활물질이 제공된다.According to another aspect, it contains secondary particles including an agglomerate of two or more primary particles, wherein the secondary particle has a long axis or a short axis of the (003) plane of the primary particle, and the (003) plane is the virtual maximum of the secondary particles. It includes a radial arrangement structure in which the primary particles are oriented so as to be in a direction perpendicular to a tangent line at a point where they meet an outline, and at least 50% of the secondary particles have the radial arrangement structure, and a lithium fluorine-based compound is formed on the surface of the secondary particles. An existing positive electrode active material for a lithium secondary battery is provided.
또 다른 측면에 따라 상술한 양극활물질을 포함하는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질을 함유하는 리튬이차전지가 제공된다.According to another aspect, there is provided a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed therebetween including the above-described positive electrode active material.
본 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질은 잔류리튬의 함량이 감소된다. 이러한 양극활물질을 이용하여 리튬이차전지를 제조하면 고온 저장시 가스 발생량이 감소되어 셀의 두께 증가율이 감소되고 용량, 효율 및 수명 특성이 개선된다.In the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present embodiment, the content of residual lithium is reduced. When a lithium secondary battery is manufactured using such a positive electrode active material, the amount of gas generated during storage at a high temperature is reduced, the rate of increase in the thickness of the cell is reduced, and capacity, efficiency, and life characteristics are improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 활물질의 단면 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질의 플레이트 입자를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질 이차입자에서 방사형의 정의를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극활물질의 구조를 설명하기 위하여 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극활물질에서 일차입자의 배향을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질을 포함한 양극을 구비한 리튬이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 제작예 1 및 비교제작예 1에 따라 제조된 코인셀에서 고온 저장시 전지 두께 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a positive active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing plate particles of a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram for explaining the definition of a radial type in secondary particles of a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view for explaining the structure of a positive electrode active material according to another embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram for explaining the orientation of primary particles in a positive electrode active material according to another embodiment of the present invention.
6 is a perspective view schematically showing the structure of a lithium secondary battery having a positive electrode including a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing changes in battery thickness during high temperature storage in coin cells manufactured according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1. FIG.
첨부된 도면들을 참고하면서 이하에서 예시적인 리튬이차전지용 양극활물질, 그 제조방법, 이를 포함한 리튬이차전지용 양극 및 이를 구비한 리튬이차전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, an exemplary positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, a positive electrode for a lithium secondary battery including the same, and a lithium secondary battery having the same will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질에 대해 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 양극활물질의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 2는 본 실시예에 따른 플레이트 입자의 형상을 갖는 양극을 나타낸 모식도이고, 도 3은 본 실시예에 따른 양극활물질 이차입자에서 방사형의 정의를 설명하기 위한 도면이다.Hereinafter, a cathode active material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. 1 is a schematic diagram schematically showing the structure of a positive electrode active material according to the present embodiment. 2 is a schematic diagram showing a positive electrode having the shape of a plate particle according to the present embodiment, and FIG. 3 is a view for explaining the definition of a radial shape in the secondary particles of the positive electrode active material according to the present embodiment.
본 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 활물질은 도 1에 나타난 바와 같이 방사형 배열 구조(12) 및 불규칙 다공성 구조(irregular porous structure)(11)를 포함하는 니켈계 활물질(10)을 포함한다. 방사형 배열 구조(12)는 불규칙 다공성 구조(11)보다 표면에 가깝게 위치할 수 있다. 또한, 도 1에는 도시되어 있지 않으나 상기 니켈계 활물질(10)의 표면에는 불소가 존재할 수 있다. The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present embodiment includes a nickel-based
본 실시예에 따른 양극활물질은 방사형 배열 구조와 불규칙 다공성 구조를 동시에 갖는 니켈계 활물질(10)을 포함하여 일반적인 양극 활물질과 비교하여 초기효율이 증가하며 용량이 개선된다. 그리고 본 실시예의 양극 활물질을 전지에 이용하면 고온에서 저장하는 경우 발생하는 가스량을 효과적으로 감소시킬 수 있으며 수명특성이 개선된다. The positive electrode active material according to the present embodiment includes a nickel-based
도 1을 참고하면, 본 실시예의 니켈계 활물질(10)은 복수의 일차입자(13)를 포함할 수 있으며, 상기 일차입자(13)는 플레이트 입자를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the nickel-based
도 2를 참고하면, 플레이트 입자는 한쪽 축 방향(예를 들어, 두께 방향)의 길이(t)가 다른 방향(예를 들어, 면 방향)의 장축길이(a)에 비하여 짧을 수 있다. 플레이트 입자는 A와 같이 육각형과 같은 다각형 나노판 형상, B와 같이 나노디스크 형태, C와 같이 직육면체 형상을 가질 수 있다. 플레이트 입자의 두께 t는 면방향의 길이 a, b에 비하여 작다. 플레이트 입자는 플레이트 두께면이 이차입자의 표면으로 배향되어 배열될 수 있다. 이 때 리튬이 출입할 수 있는 결정면이 이차입자 표면부에 노출된다. 플레이트 입자의 평균 길이는 150nm 내지 500nm일 수 있고, 예를 들어 200nm 내지 400nm일 수 있다. 평균 길이는 플레이트 입자의 면 방향에서 장변과 단변의 평균 길이를 의미한다. 장변은 해당 면에서 가장 긴 변의 길이, 단변은 가장 짧은 변의 길이를 의미한다. 플레이트 입자의 평균 두께는 100nm 내지 200nm이다. 그리고 평균 두께와 평균 길이의 비는 1:2 내지 1:10, 예를 들어 1:2 내지 1:5이다. Referring to FIG. 2, a length t of one axial direction (eg, a thickness direction) may be shorter than a long axis length a of the other direction (eg, a surface direction) of the plate particles. The plate particles may have a polygonal nanoplate shape such as a hexagon like A, a nanodisk shape like B, and a rectangular parallelepiped shape like C. The thickness t of the plate particles is smaller than the lengths a and b in the plane direction. The plate particles may be arranged such that the plate thickness surface is oriented toward the surface of the secondary particles. At this time, the crystal plane through which lithium can enter and exit is exposed on the surface of the secondary particles. The average length of the plate particles may be 150 nm to 500 nm, for example, 200 nm to 400 nm. The average length means the average length of the long side and the short side in the plane direction of the plate particle. The long side means the length of the longest side and the short side means the length of the shortest side. The average thickness of the plate particles is 100 nm to 200 nm. And the ratio of the average thickness and the average length is 1:2 to 1:10, for example 1:2 to 1:5.
방사형 배열 구조(12)는 일차입자의 두께 방향이 이차입자의 중심 방향과 수직 또는 수직방향과 ±10°의 방향을 이루도록 정렬되는 것을 의미한다. 일차입자의 적어도 30% 이상, 예를 들어 50% 이상이 두께 방향이 이차입자의 중심으로 향하는 방향과 수직 또는 수직방향±10°의 방향을 이루도록 정렬되어 방사형 배열 구조를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3을 참고하면 플레이트 입자의 두께 방향(t)이 이차입자에서 중심으로 향하는 방향(R)과 수직 또는 수직방향과 ±10°의 방향을 이루도록 정렬되는 것을 의미한다. 이와 같이 방사형 배열 구조를 포함하는 활물질은 리튬 확산이 용이하고 리튬 충방전시의 부피 변화에 따른 스트레스를 억제시켜 크랙 발생을 억제할 수 있다. 그리고 제조시 표면저항층을 줄여주며 리튬 확산 방향을 표면에 많이 노출시켜 리튬 확산에 필요한 활성 표면적을 크게 만들 수 있게 된다.The
불규칙 다공성 구조(11)는 일차입자(13)가 일정한 규칙성 없이 임의대로 배열된 것을 의미한다. 구체적으로, 플레이트 입자가 일정한 규칙성 없이 임의대로 배열되어 불규칙 다공성 구조를 형성할 수 있으며, 보다 구체적으로 일차입자의 적어도 30% 이상이 이차입자의 중심방향 또는 중심과±10°의 방향을 이루도록 배열되지 않고 임의로 배열된 것을 의미한다. 불규칙 다공성 구조(11)는 방사형 배열 구조(12)에 비하여 기공 크기가 클 수 있다. The irregular porous structure 11 means that the primary particles 13 are randomly arranged without a certain regularity. Specifically, plate particles may be randomly arranged without a certain regularity to form an irregular porous structure, and more specifically, at least 30% of the primary particles are arranged in a direction of ±10° to the center or the center of the secondary particles. It does not mean that it is randomly arranged. The irregular porous structure 11 may have a larger pore size than the
방사형 배열 구조(12)는 불규칙 다공성 구조(11)보다 표면에 가깝게 위치할 수 있다. 예를 들어, 방사형 배열 구조(12)는 외부에, 불규칙 다공성 구조(11)는 내부에 위치할 수 있다. 도 1을 참고하면, 외부(a2)는 니켈계 화합물의 중심으로부터 표면까지의 총거리(L) 중, 최표면으로부터 L의 30 내지 50길이%, 예를 들어 40 길이%에 해당하는 지점까지의 영역을 의미할 수 있다. 내부(a1)는 중심으로부터 L의 50 내지 70 길이%, 예를 들어 60 길이%에 해당하는 지점까지의 영역을 의미할 수 있다. The
상기 내부(a1)의 기공 크기는 150nm 내지 1㎛, 예를 들어 150nm 내지 550nm, 예를 들어 200nm 내지 500nm이고, 상기 외부(a2)의 기공 크기는 150nm 미만, 예를 들어 100nm 이하, 예를 들어 20nm 내지 90nm이다. 이와 같이 내부(11)의 기공 크기가 외부(a2)의 경우와 비교하여 커서 같은 크기의 이차입자에서 리튬 확산 거리가 짧아지는 장점이 있고, 기공이 전해액에 노출되지 않으면서 충방전시에 일어나는 부피변화를 완화시켜준다. The pore size of the inner (a 1 ) is 150 nm to 1 μm, for example, 150 nm to 550 nm, for example, 200 nm to 500 nm, and the pore size of the outer (a 2 ) is less than 150 nm, for example, 100 nm or less, eg For example, it is 20nm to 90nm. In this way, the pore size of the inner (11) is large compared to the case of the outer (a 2 ), which has the advantage of shortening the lithium diffusion distance in secondary particles of the same size. It relieves volume change.
용어 "기공 크기"는 기공이 구형 또는 원형인 경우 기공 크기는 기공의 평균직경을 나타낸다. 기공이 타원형 구조인 경우, 기공 크기는 장축길이를 나타낸다. The term "pore size" refers to the average diameter of the pores when the pores are spherical or circular. When the pores have an elliptical structure, the pore size indicates the length of the major axis.
니켈계 활물질(10)의 내부(a1)에는 닫힌 기공이 존재하고 외부(a2)에는 닫힌 기공 및/또는 열린 기공이 존재할 수 있다. 닫힌 기공은 전해질 등이 포함되기 어려운 데 반하여 열린 기공은 기공 내부에 전해질 등을 함유할 수 있다. 본 명세서에서 "닫힌 기공"은 기공의 벽면이 모두 닫힌 구조로 형성되어 다른 기공과 연결되지 않은 독립 기공이고, "열린 기공"은 기공의 벽면 중 적어도 일부가 열린 구조로 형성되어 입자 외부와 연결된 기공으로 연속 기공이라고 할 수 있다. 열린 기공의 크기는 150nm 미만, 예를 들어 10nm 내지 100nm, 예를 들어 25nm 내지 145nm의 크기일 수 있다. Closed pores may exist in the inside (a 1 ) of the nickel-based
상기 이차입자는 2㎛ 내지 20㎛, 예를 들어 3㎛ 내지 14㎛, 예를 들어 8㎛ 내지 10㎛의 크기를 가질 수 있다. 상기 이차입자의 크기는 그 형상이 원형에 가까운 경우 평균직경을 나타낼 수 있다.The secondary particles may have a size of 2 μm to 20 μm, for example 3 μm to 14 μm, for example 8 μm to 10 μm. The size of the secondary particles may represent an average diameter when the shape is close to a circular shape.
본 실시예의 니켈계 활물질(10)은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.The nickel-based
[화학식 1][Formula 1]
Lia(Ni1-x-y-zCoxMnyMz)O2 Li a (Ni 1-xyz Co x Mn y M z ) O 2
상기 화학식 1중, M은 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 원소이고, 0.90≤a≤1.3, x≤(1-x-y-z), y≤(1-x-y-z), z≤(1-x-y-z), 0<x<1, 0≤y<1, 0≤z<1이다. 화학식 1에서 0.95≤a≤1.05, 0<x≤1/3, 예를 들어 0.05≤x≤1/3이고, 0≤y≤0.5, 예를 들어 0.05≤y≤1/3, 0≤z≤0.05, 1/3≤(1-x-y-z)≤0.95일 수 있다. 상기 화학식 1에서 0<z≤0.05인 경우 M은 알루미늄(Al)일 수 있다. In
상기 니켈계 활물질(10)에서 니켈의 함량은 전이금속 (Ni, Co, Mn)의 총함량을 기준으로 하여 0.3몰% 내지 0.99몰%이고, 망간의 함량 및 코발트의 함량에 비하여 높은 함량을 갖는다. 예를 들어, 니켈의 함량은 0.3몰% 내지 0.6몰% 일 수 있다. 상기 니켈계 활물질(10)에서 니켈의 함량은 전이금속 총 1몰을 기준으로 하여 니켈의 함량이 다른 각각의 전이금속에 비하여 크다. 이와 같이 니켈의 함량이 큰 니켈계 활물질(10)을 이용하면 리튬 확산도가 높으며, 전도도가 좋고, 동일전압에서 더 높은 용량을 갖는 리튬이차전지를 제조할 수 있다. 상기 니켈계 활물질(10)은 예를 들어 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 또는 LiNi0.85Co0.1Al0.05O2이다.The content of nickel in the nickel-based
본 실시예의 니켈계 활물질(10)의 기공도(porosity)는 1% 내지 10%, 예를 들어 1.5% 내지 8%일 수 있다. 니켈계 활물질에서 외부의 기공도는 내부의 기공도에 비하여 작을 수 있다. 구체적으로, 내부의 기공도는 2% 내지 20%이고, 외부의 기공도는 0.1% 내지 5%일 수 있다. 본 명세서에서 용어 "기공도"는 전체 총면적 대비 기공이 차지하는 면적을 비율로 나타낸 것이다. The porosity of the nickel-based
상기 불소는 리튬 불소계 화합물의 형태로 니켈계 활물질(10) 표면에 존재할 수 있다. 상기 리튬 불소계 화합물은 상기 니켈계 활물질의 표면에 존재하는 잔류 리튬과 불소화합물이 반응하여 생성된 화합물일 수 있다. 구체적으로, 상기 불소는 리튬 플루오라이드(LiF)의 형태로 상기 니켈계 활물질의 표면에 존재할 수 있다. 상기 리튬 불소계 화합물은 표면 잔류 리튬과 불소 화합물을 반응시켜 생성된 것인 바, 잔류 리튬을 저감시킬 수 있다. 잔류 리튬의 저감으로 전해액과의 부반응 등을 감소시킬 수 있으며 전지의 수명특성을 개선할 수 있다. The fluorine may exist on the surface of the nickel-based
상기 리튬 불소계 화합물은 막(film) 또는 입자 상태로 존재할 수 있다. 본 명세서에서 용어 "막(film)"은 연속적이거나 또는 불연속적인 코팅막을 나타낸다. 상기 '입자'는 구형 뿐 만 아니라 무정형도 포함한다. 상기 리튬 불소계 화합물의 불소는 니켈계 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 1 중량부로 포함될 수 있다. 불소의 함량이 상기 범위일 때 니켈계 활물질의 잔류 리튬의 함량이 감소되어 이를 이용한 리튬이차전지의 신뢰성이 개선된다.The lithium fluorine-based compound may exist in the form of a film or particle. In the present specification, the term "film" refers to a continuous or discontinuous coating film. The'particle' includes not only spherical but also amorphous. Fluorine of the lithium fluorine-based compound may be included in an amount of 0.01 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of a nickel-based active material. When the content of fluorine is within the above range, the content of residual lithium in the nickel-based active material is reduced, thereby improving the reliability of a lithium secondary battery using the same.
이하, 도 4를 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극활물질에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극활물질의 구조를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시예의 양극활물질은 두 개 이상의 일차 입자 구조체를 포함한다는 점과 적어도 2개 이상의 방사형 중심을 포함한다는 점을 제외하고는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질과 실질적으로 동일한 구성을 포함하므로, 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 자세한 설명을 생략하고 상이한 구성요소를 중심으로 설명한다. 본 명세서에서 용어 "방사형 중심"은 다공성 내부 구조와 방사형 배열 구조를 포함한 일차 입자 구조체의 중심을 나타낸다.Hereinafter, a cathode active material according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4. 4 is a schematic diagram for explaining the structure of a positive electrode active material according to another embodiment of the present invention. The positive electrode active material of the present embodiment includes substantially the same configuration as the positive electrode active material according to the exemplary embodiment of the present invention, except that it includes two or more primary particle structures and includes at least two or more radial centers. Therefore, a detailed description of substantially the same components will be omitted, and different components will be described. In the present specification, the term "radial center" refers to the center of a primary particulate structure including a porous internal structure and a radial arrangement structure.
본 실시예의 양극활물질은 두 개 이상의 일차 입자 구조체를 포함하는 적어도 하나의 이차 입자를 포함하며, 상기 이차 입자는 적어도 2개 이상의 방사형 중심을 포함한다. 본 실시예의 니켈계 활물질은 동일한 조성을 갖는 니켈계 활물질과 비교하여 용량 특성을 안정적으로 구현할 수 있고, 적어도 2개 이상의 방사형 중심을 가져 표면에서 중심으로의 리튬 이온의 이동 거리가 줄어 리튬이온의 이용율이 증가될 수 있다.The positive electrode active material of this embodiment includes at least one secondary particle including two or more primary particle structures, and the secondary particles include at least two or more radial centers. The nickel-based active material of the present embodiment can stably implement capacity characteristics compared to the nickel-based active material having the same composition, and has at least two radial centers to reduce the movement distance of lithium ions from the surface to the center, thereby reducing the utilization rate of lithium ions. Can be increased.
도 4를 참고하면, 일차 입자 구조체(41)는 다공성 내부 구조(41a)와 방사형 배열 구조(41b)를 포함하고, 이차 입자(42)는 적어도 2개 이상의 일차입자 구조체(41)를 포함한다. 일차 입자 구조체(41)는 둘 이상의 일차 입자 (41c)가 배열되어 형성된 응집체이다. 일차입자 구조체(41)는 니켈계 활물질로 형성될 수 있다 방사형 배열 구조(41b)는 다공성 내부 구조(41a)보다 일차 입자 구조체(41)의 표면에 가깝게 위치할 수 있다. Referring to FIG. 4, the
다공성 내부 구조(41a)는 불규칙 다공 구조 또는 규칙 다공 구조를 가질 수 있다. 다공성 내부 구조(41a)는 플레이트 입자를 포함할 수 있으며, 불규칙 다공 구조를 갖는 경우 플레이트 입자가 규칙성 없이 배열될 수 있다.The porous
방사형 배열 구조(41b)는 도 4에 나타난 바와 같이 예를 들어 일차 입자(41c)인 플레이트 입자가 방사형 배열로 배치된 구조를 갖는다. '방사형 배열 구조'의 의미는 상술한 바와 같다.The
일차입자 구조체(41)의 사이즈는 2 내지 5㎛, 예를 들어 3 내지 4㎛이고, 니켈계 활물질 이차 입자(42)의 사이즈는 5 내지 25㎛, 예를 들어 5 내지 22㎛, 예를 들어 7 내지 20㎛, 예를 들어 9 내지 15㎛를 갖는다. The size of the
일차입자 구조체(41)에서 다공성 내부 구조(41a)의 기공도는 5 내지 15%, 예를 들어 5 내지 10%이고, 방사형 배열 구조(41b)에서의 기공도는 1 내지 5%, 예를 들어 1 내지 3%이다. 일차입자 구조체(41)의 기공도가 상술한 범위일 때 용량 특성이 우수한 니켈계 활물질을 얻을 수 있다. In the
일구현예에 의하면, 일차 입자 구조체(41)의 방사형 배열 구조(41b)의 기공도(porosity)는 다공성 내부 구조(41a)의 기공도에 비하여 작게 제어될 수 있다. 다공성 내부 구조(41a)에서의 기공 사이즈 및 기공도는 방사형 배열 구조(41b)에서의 기공 사이즈 및 기공도에 비하여 크며 불규칙적일 수 있다. 일차입자 구조체(41)의 다공성 내부 구조(41a) 및 방사형 배열 구조(41b)에서의 기공도가 상술한 범위를 충족할 때 외부의 치밀도가 내부에 비하여 높아져서 전해액과의 부반응을 효과적으로 억제할 수 있다.According to an embodiment, the porosity of the radially arrayed
일차 입자 구조체(41)의 다공성 내부 구조(41a)에는 닫힌 기공이 존재하고 방사형 배열 구조(41b)에는 닫힌 기공 및/또는 열린 기공이 존재할 수 있다. 닫힌 기공은 전해질 등이 포함되기 어려운 데 반하여, 열린 기공은 일차입자 구조체(41)의 기공 내부에 전해질 등을 함유할 수 있다. Closed pores may exist in the porous
이하, 도 5를 참고하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극활물질에 대해 설명한다. 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극활물질에서 일차입자의 배향을 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시예에 따른 양극활물질은 방사형 배열 구조가 다른 것을 제외하고는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질과 실질적으로 동일한 구성요소를 포함한다. 이에, 여기서는 상이한 구성요소인 방사형 배열 구조를 중심으로 설명하고, 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.Hereinafter, a cathode active material according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5. 5 is a schematic diagram for explaining the orientation of primary particles in a positive electrode active material according to another embodiment of the present invention. The positive electrode active material according to the present embodiment includes substantially the same components as the positive electrode active material according to the exemplary embodiment of the present invention, except that the radial arrangement structure is different. Accordingly, a description will be given centering on a radial array structure, which is a different component, and detailed descriptions of substantially the same components will be omitted.
본 실시예에 따른 양극활물질은 두 개 이상의 일차입자의 응집체를 포함하는 이차입자를 함유한다. 이차입자는 도 5에 나타난 바와 같이 일차입자(50)의 (003)면이 상기 이차입자의 최외곽면(S)과 수직방향이 되도록 상기 일차입자(50)가 배향되는 방사형 배열 구조를 포함한다. 상기 최외곽면(S)은 이차입자의 가장 최외곽을 따라 연결한 표면을 의미할 수 있다. 또한, 수직방향이라 함은 (003)면이 이차입자의 최외곽면(S)과 서로 90°± 20°, 예를 들어 90°± 10°의 각을 이루면서 교차하는 것을 의미한다. 이 때, 상기 이차입자의 50% 이상, 예를 들어 60% 또는 70% 이상이 상기 방사형 배열 구조를 가질 수 있다. 상기 이차입자의 표면에는 리튬 불소계 화합물이 존재한다. 이와 같은 일차 입자 배열로 인해 본 실시예에 따른 양극 활물질은 리튬의 이온전도도가 우수하며, 표면 저항이 감소된다.The positive electrode active material according to the present embodiment contains secondary particles including an aggregate of two or more primary particles. The secondary particles include a radial array structure in which the
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극 활물질에 대해 설명한다. 상술한 실시예들에서 일차 입자 사이에 이종 원소 화합물이 배치된다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일한 구성요소를 포함하므로 여기서는 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.Hereinafter, a cathode active material according to another embodiment of the present invention will be described. In the above-described embodiments, a detailed description of substantially the same components will be omitted here, since they include substantially the same components except that the heterogeneous compound is disposed between the primary particles.
본 실시예의 양극 활물질은 두 개 이상의 일차입자의 응집체를 포함하는 이차입자를 포함하며, 상기 일차입자 사이에 이종원소 화합물이 배치될 수 있다. 본 명세서에서 용어 일차입자 사이"는 일차입자의 입계(grain boundary) 및/또는 일차입자의 표면을 포함한다. 본 실시예의 양극활물질은 이종 원소 화합물이 배치되어 수명 특성 등이 향상될 수 있다. The positive electrode active material of the present embodiment includes secondary particles including an aggregate of two or more primary particles, and a heteroelement compound may be disposed between the primary particles. In the present specification, the term "between primary particles" includes grain boundaries of the primary particles and/or the surface of the primary particles. The positive electrode active material of the present exemplary embodiment includes a heterogeneous compound, so that lifespan characteristics and the like may be improved.
이종원소 화합물은 이종원소가 함유된 화합물로서, 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 인(P) 및 보론(B) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 이종원소 화합물은 리튬 (Li)과 이종원소를 동시에 포함할 수 있다. 상기 이종원소의 함량은 니켈계 활물질의 전이금속 1몰을 기준으로 하여 0.0005 내지 0.1몰, 예를 들어 0.0001 내지 0.03몰, 예를 들어 0.001 내지 0.01몰이다. Heteroelement compounds are compounds containing heterogeneous elements, and at least one selected from zirconium (Zr), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium (Mg), tungsten (W), phosphorus (P) and boron (B) It may be a compound containing. The hetero-element compound may contain lithium (Li) and a hetero-element at the same time. The content of the heterogeneous element is 0.0005 to 0.1 mol, for example, 0.0001 to 0.03 mol, for example, 0.001 to 0.01 mol, based on 1 mol of the transition metal of the nickel-based active material.
이하, 본 실시예에 따른 니켈계 활물질의 제조방법을 살펴보기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a nickel-based active material according to the present embodiment will be described.
우선, 리튬 원료 및 금속 하이드록사이드를 일정 몰비로 혼합하고 이를 600 내지 900℃에서 1차 열처리하는 것을 포함하여 니켈계 활물질 이차입자를 제조할 수 있다. First, it is possible to prepare secondary particles of a nickel-based active material by mixing a lithium raw material and a metal hydroxide at a predetermined molar ratio and performing a primary heat treatment at 600 to 900°C.
금속 하이드록사이드는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.The metal hydroxide may be a compound represented by the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
(Ni1-x-y-zCoxMnyMz)(OH)2 (Ni 1-xyz Co x Mn y M z )(OH) 2
상기 화학식 2중, M은 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄 (Zr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 원소이고, x≤(1-x-y-z), y≤(1-x-y-z), z≤(1-x-y-z), 0<x<1, 0≤y<1, 0≤z<1이다. 화학식 2에서, 0<x≤1/3이고, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.05, 1/3≤(1-x-y-z) ≤0.95이다. 상기 화학식 2의 금속 하이드록사이드는 예를 들어 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2, Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2 또는 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2이 있다.In
상기 리튬 원료는 예를 들어 수산화리튬, 플루오르화리튬, 탄산리튬, 또는 그 혼합물을 사용한다. 리튬 전구체와 금속 하이드록사이드의 혼합비는 상기 화학식 2의 금속 하이드록사이드를 제조할 수 있도록 화학양론적으로 조절된다. The lithium raw material is, for example, lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium carbonate, or a mixture thereof. The mixing ratio of the lithium precursor and the metal hydroxide is controlled stoichiometrically so that the metal hydroxide of
상기 혼합은 건식 혼합일 수 있고, 믹서 등을 이용하여 실시할 수 있다. 건식 혼합은 밀링을 이용하여 실시할 수 있다. 이 때 밀링 조건을 살펴 보면, 출발물질로 사용한 금속 하이드록사이드의 미분화 등과 같은 변형이 거의 없도록 실시한다. 이를 위해서는 금속 하이드록사이드와 혼합되는 리튬 전구체의 크기를 미리 제어하는 과정이 필요하다. 리튬 전구체의 크기(평균입경)은 5 내지 20㎛, 예를 들어 약 10㎛ 범위이다. 이러한 크기를 갖는 리튬 전구체를 금속 하이드록사이드와 300rpm 내지 3,000rpm으로 밀링을 실시하면 목적하는 니켈계 활물질을 얻을 수 있다. 용어 "평균입경"은 D50을 의미하며, 평균입경은 예를 들어 입자 크기 분석기(particle size analyzer, USA)를 이용하여 측정할 수 있다. 상술한 밀링 과정에서 믹서 내부 온도가 30℃ 이상으로 올라가는 경우에는 믹서 내부 온도를 상온(25℃) 범위로 유지할 수 있도록 냉각 과정을 거칠 수 있다. 금속 하이드록사이드의 크기는 니켈계 활물질의 크기와 거의 동일한 것을 사용한다. The mixing may be dry mixing, and may be performed using a mixer or the like. Dry mixing can be done using milling. At this time, looking at the milling conditions, it is carried out so that there is little deformation such as micronization of the metal hydroxide used as a starting material. For this, it is necessary to control the size of the lithium precursor mixed with the metal hydroxide in advance. The size (average particle diameter) of the lithium precursor is in the range of 5 to 20 μm, for example about 10 μm. When the lithium precursor having such a size is milled with metal hydroxide at 300 rpm to 3,000 rpm, the desired nickel-based active material can be obtained. The term "average particle diameter" means D50, and the average particle diameter can be measured using, for example, a particle size analyzer (USA). In the above-described milling process, when the internal temperature of the mixer rises to 30°C or higher, a cooling process may be performed to maintain the internal temperature of the mixer in the room temperature (25°C) range. The size of the metal hydroxide is almost the same as the size of the nickel-based active material.
상기 1차 열처리는 산화성 가스 분위기하에서 실시된다. 산화성 가스 분위기는 산소 또는 공기와 같은 산화성 가스를 이용하며, 예를 들어 상기 산화성 가스는 산소의 농도가 20% 이상이고 불활성가스의 농도가 80% 미만이다. 1차 열처리는 리튬 원료 및 금속 전구체의 반응이 진행되면서 결정화 온도 이상의 범위에서 실시하는 것이 적절하다. 여기에서 결정화 온도는 결정화가 충분히 이루어져 활물질이 낼 수 있는 충전용량을 구현할 수 있는 온도를 의미한다. 1차 열처리는 예를 들어 600 내지 900℃, 구체적으로 750 내지 850℃에서 실시된다. 1차 열처리 시간은 열처리 온도 등에 따라 가변적이지만 예를 들어 2 내지 20시간 동안 실시한다. 상술한 조건에서 1차 열처리를 실시하여 본 실시예의 니켈계 활물질 이차입자를 제조할 수 있다. 1차 열처리시 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 화합물이 더 부가될 수 있다. 이러한 금속 화합물은 예를 들어 붕산, 산화마그네슘, 탄산칼슘, 탄산스트론튬, 탄산바륨, 산화티타늄, 산화바나듐, 산화크롬, 산화철, 산화구리, 산화지르코늄 및 산화알루미늄 등이 있다. 금속 화합물이 1차 열처리 과정에서 부가되면 금속 화합물이 니켈계 화합물에 도핑될 수 있다. The primary heat treatment is carried out in an oxidizing gas atmosphere. The oxidizing gas atmosphere uses an oxidizing gas such as oxygen or air, for example, the oxidizing gas has a concentration of oxygen of 20% or more and an inert gas of less than 80%. It is appropriate to perform the first heat treatment in a range of not less than the crystallization temperature while the reaction between the lithium raw material and the metal precursor proceeds. Here, the crystallization temperature refers to a temperature at which crystallization is sufficiently achieved to realize a charging capacity that can be produced by the active material. The primary heat treatment is performed at 600 to 900°C, specifically 750 to 850°C, for example. The first heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature and the like, but is performed for 2 to 20 hours, for example. The nickel-based active material secondary particles of the present embodiment may be manufactured by performing the first heat treatment under the above-described conditions. In the first heat treatment, boron (B), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), copper A metal compound including at least one selected from (Cu), zirconium (Zr), and aluminum (Al) may be further added. Such metal compounds include, for example, boric acid, magnesium oxide, calcium carbonate, strontium carbonate, barium carbonate, titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, iron oxide, copper oxide, zirconium oxide and aluminum oxide. When the metal compound is added during the first heat treatment process, the metal compound may be doped into the nickel-based compound.
이어서, 이와 같이 제조된 니켈계 활물질 이차입자에 플루오라이드 전구체를 부가하여 반응 혼합물을 얻고 이 반응 혼합물을 산화성 가스 분위기에서 300℃ 이상 600℃ 미만, 예를 들어 300 내지 550℃, 예를 들어 350 내지 500℃에서 2차 열처리하는 과정을 거친다. 상기 범위에서 열처리를 실시하는 경우 일차 입자의 크기를 적절히 유지하면서도 표면 불소 화합물의 생성에 유리할 수 있다. 2차 열처리 과정을 통하여 리튬 불소계 화합물이 니켈계 활물질의 표면에 형성된다. 리튬 불소계 화합물의 리튬은 니켈계 활물질의 표면의 잔류리튬에서 기인된 것이다. 2차 열처리 시간은 열처리 온도 등에 따라 가변적이지만 예를 들어 2 내지 20시간 동안 실시한다.Subsequently, a fluoride precursor is added to the nickel-based active material secondary particles thus prepared to obtain a reaction mixture, and the reaction mixture is 300°C or more and less than 600°C, for example, 300 to 550°C, for example, 350 to 300°C in an oxidizing gas atmosphere. It goes through the process of secondary heat treatment at 500℃. In the case of performing the heat treatment within the above range, it may be advantageous to generate a surface fluorine compound while properly maintaining the size of the primary particles. Through the secondary heat treatment process, a lithium fluorine-based compound is formed on the surface of the nickel-based active material. Lithium of the lithium fluorine-based compound originates from residual lithium on the surface of the nickel-based active material. The secondary heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature, but is carried out for, for example, 2 to 20 hours.
플루오라이드 전구체로는 불소 함유 고분자 및 금속 플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 불소 함유 고분자는 예를 들어 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 그리고 금속 플루오라이드는 예를 들어 MgF2, MnF2, LaF', BiF3, PbF2, KF, CaF2, BaF2, SnF2, SrF2, AlF3, ZrF4, GaF3, HfF4, YbF3, ThF3, ZnF2 InF3, UF3, YF3, LaF3, BiF3, PbF2, KF, CaF2, BaF2, SnF2, SrF2. CuF2, CoF2, FeF2, FeF3, NiF2. AlF3, BaF2, CrF2, MgF2, MnF2, MnF3, FeF3, CoF2, NiF2, CuF2, NaF, TiF3, ZnF2 및 YF3 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다. 2차 열처리시 지르코늄 (Zr), 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 마그네슘 (Mg), 텅스텐 (W), 인 (P), 보론 (B) 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 이종원소 화합물이 더 부가될 수 있다. 이러한 이종원소 화합물은 예를 들어 산화티타늄, 산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘, 염화텅스텐, 제1인산암모늄, LiAlO2, Li2TiO3, Li2ZrO3, LiBO3, Li3PO4 등을 들 수 있다. 상술한 이종원소 화합물에서 이종원소의 함량은 니켈계 활물질 이차입자의 전이금속과 이종원소의 총 몰비를 기준으로 하여 각각 0.0005 내지 0.03 몰이 되도록 제어한다. 이러한 이종원소 화합물을 부가하면 니켈계 활물질의 일차입자 사이의 계면 및 일차입자의 표면 중에서 선택된 하나 이상에 존재한다. 2차 열처리시 상술한 이종원소 화합물을 부가하는 경우, 용매 없이 혼합하여 사용할 수도 있으나 경우에 따라서는 용매를 사용할 수 있다. 용매로는 물, 에탄올 등을 사용한다. 상기한 바와 같이 이종원소 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물이 니켈계 활물질 이차입자에 일차입자 단위 계면 코팅되어 크랙 발생시 니켈계 활물질의 표면 노출이 최소화된다. 이종원소 화합물 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함되는 화합물의 존재 및 분포는 전자탐침 미량분석법(Electron Probe Micro-Analysis: EPMA) 및 이차이온질량분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy: Nano-SIMS)을 통하여 확인 가능하다. As the fluoride precursor, at least one selected from the group consisting of a fluorine-containing polymer and a metal fluoride may be used. The fluorine-containing polymer is, for example, at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and polytetrafluoroethylene. And metal fluoride, for example, MgF 2, MnF 2, LaF ' ,
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질의 제조방법에서 사용하는 니켈계 활물질 전구체인 금속 하이드록사이드는 하기와 같은 방법으로 제조될 수 있다. 하기 방법에 따라, 방사형 배열을 가지면서 다공성이고 플레이트 입자 를 갖는 금속 하이드록사이드를 제조할 수 있다. 금속 하이드록사이드를 제조하는 방법은 특별하게 제한되지는 않지만 예를 들어 공침법, 고상법 등을 이용할 수 있다. 이하에서는 금속 하이드록사이드의 예로서 화학식 2의 화합물을 들어 공침법에 따라 제조하는 방법을 설명하기로 한다.Metal hydroxide, which is a precursor of a nickel-based active material used in the method for manufacturing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention described above, may be prepared by the following method. According to the following method, it is possible to prepare a metal hydroxide having a radial arrangement and a porous plate particle. The method of preparing the metal hydroxide is not particularly limited, but, for example, a coprecipitation method, a solid phase method, or the like may be used. Hereinafter, a method of preparing the compound of
본 실시예에 따른 니켈계 활물질 전구체는 금속원료의 농도 및 투입량과, 착화제인 암모니아수의 농도 및 투입량 등의 공정조건을 단계적으로 변화시켜 제조할 수 있다. The nickel-based active material precursor according to the present embodiment may be prepared by stepwise changing process conditions such as the concentration and the amount of the metal raw material and the concentration and the amount of the aqueous ammonia as a complexing agent.
일구현예에 의하면, 제1 단계는 반응기에 착화제, 금속 원료 및 pH조절제를 첨가하여 반응을 실시한다. 반응이 진행됨에 따라 반응기내 반응 혼합물의 pH가 달라지면 필요에 따라 pH조절제를 더 부가하여 반응 혼합물의 pH를 소정 범위로 제어할 수 있다.According to an embodiment, in the first step, the reaction is carried out by adding a complexing agent, a metal raw material, and a pH adjusting agent to the reactor. If the pH of the reaction mixture in the reactor changes as the reaction proceeds, a pH adjusting agent may be added as necessary to control the pH of the reaction mixture in a predetermined range.
이어서, 상기 제1 단계보다 교반동력을 감소시켜 제2 단계 반응을 실시하고, 상기 제2 단계보다 착화제 농도를 증가시켜 제3 단계 반응을 실시한다. Subsequently, the second step reaction is carried out by reducing the stirring power compared to the first step, and the third step reaction is carried out by increasing the concentration of the complexing agent than the second step.
상기 제2단계 및 제3단계의 교반동력은 제1단계의 교반동력와 비교하여 감소된다. 제2단계 및 제3단계의 교반동력은 동일할 수 있다. 각 단계에서 교반동력은 0.1 내지 7 KW/m2 범위이다.The stirring power of the second and third steps is reduced compared to the stirring power of the first step. The stirring power of the second step and the third step may be the same. The stirring power in each step is in the range of 0.1 to 7 KW/m 2.
상기 제1단계, 제2단계 및 제3단계의 반응 혼합물의 pH는 10 내지 12의 범위로 제어한다.The pH of the reaction mixture of the first step, the second step and the third step is controlled in the range of 10 to 12.
상술한 니켈계 활물질 전구체 제조방법에서 착화제의 농도는 제1단계, 제2단계, 제3단계로 갈수록 순차적으로 증가한다. 착화제의 농도는 제1 단계 내지 제3 단계에서 각각 0.1 내지 0.7M 범위일 수 있다. 착화제는 예를 들어 암모니아수를 이용한다.In the above-described method for preparing a nickel-based active material precursor, the concentration of the complexing agent increases sequentially as the first step, the second step, and the third step go on. The concentration of the complexing agent may range from 0.1 to 0.7M in the first to third steps, respectively. As the complexing agent, for example, aqueous ammonia is used.
제1단계에서는 반응 혼합물의 pH를 유지하며 원료를 투입하여 입자의 중심부를 형성한다. 그리고 제2단계에서는 제1단계로부터 얻어진 생성물을 일정시간 반응 후 입자의 성장에 따른 성장속도가 감소하는 것을 방지하기 위해 금속원료 및 착화제의 투입량과 농도를 증가시킨다.In the first step, the pH of the reaction mixture is maintained and raw materials are added to form the core of the particles. In the second step, the amount and concentration of the metal raw material and the complexing agent are increased in order to prevent a decrease in the growth rate due to the growth of particles after reacting the product obtained from the first step for a certain period of time.
이어서 제2단계로 얻어진 반응 생성물의 일정시간 반응 후 입자의 성장에 따른 성장속도가 감소하는 것을 방지하기 위해 금속원료 및 착화제의 투입량과 농도를 높여준다. 상술한 각 단계를 적용하는 시간에 따라 니켈계 활물질 전구체 입자 내부의 기공도가 결정된다.Subsequently, the amount and concentration of the metal raw material and the complexing agent are increased to prevent a decrease in the growth rate due to the growth of the particles after the reaction product obtained in the second step is reacted for a certain period of time. The porosity inside the nickel-based active material precursor particles is determined according to the time for applying each of the above-described steps.
일구현예에 따른 니켈계 활물질 전구체에서 다공성 구조는 금속 원료의 투입량, 착화제의 농도 및 반응 혼합물의 pH에 영향을 받는다.In the nickel-based active material precursor according to an embodiment, the porous structure is affected by the input amount of the metal raw material, the concentration of the complexing agent, and the pH of the reaction mixture.
pH 조절제는, 반응 혼합물의 pH를 제어하여 반응 혼합물로부터 침전물을 형성하는 역할을 하며, 예로는 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 옥살산나트륨(Na2C2O4) 등을 사용한다. pH 조절제는 예를 들어 수산화나트륨(NaOH)을 이용한다.The pH adjuster controls the pH of the reaction mixture to form a precipitate from the reaction mixture, and examples include sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ), and the like. use. As a pH adjuster, sodium hydroxide (NaOH) is used, for example.
착화제는 공침 반응에서 침전물의 형성 반응 속도를 조절해주는 역할을 하며, 암모늄 하이드록사이드(NH4OH)(암모니아수), 시트르산(citric acid) 등이 있다. 착화제의 함량은 통상적인 수준으로 사용된다. 착화제로는 예를 들어 암모니아수를 사용한다.The complexing agent plays a role in controlling the reaction rate of formation of a precipitate in the coprecipitation reaction, and includes ammonium hydroxide (NH 4 OH) (aqueous ammonia) and citric acid. The content of the complexing agent is used at a conventional level. As the complexing agent, for example, aqueous ammonia is used.
착화제의 농도는 0.1 내지 0.7M이고, 예를 들어 약 0.2 내지 0.5M일 수 있다. 그리고 금속 원료의 농도는 0.1 내지 0.5M, 예를 들어 0.3M이다. The concentration of the complexing agent is 0.1 to 0.7M, for example, may be about 0.2 to 0.5M. And the concentration of the metal raw material is 0.1 to 0.5M, for example 0.3M.
제1단계에서 금속 원료의 투입량은 50 내지 100ml/min일 수 있다. 그리고 착화제의 투입량은 8 내지 12ml/min이다. In the first step, the input amount of the metal raw material may be 50 to 100 ml/min. And the input amount of the complexing agent is 8 to 12 ml/min.
이어서, 상기 제1단계 반응 결과물에 금속원료 및 착화제를 부가하고 반응 혼합물의 pH를 제어한 다음, 반응을 실시하는 제2단계를 행한다.Subsequently, a metal raw material and a complexing agent are added to the reaction product of the first step, the pH of the reaction mixture is controlled, and a second step of performing the reaction is performed.
상기 제2 단계에서 착화제의 농도는 예를 들어 0.3 내지 1.0M이고, 제2단계에서 금속 원료의 투입량은 90 내지 120ml/min이고, 착화제의 투입량은 14 내지 18ml/min이다. In the second step, the concentration of the complexing agent is, for example, 0.3 to 1.0 M, the input amount of the metal raw material in the second step is 90 to 120 ml/min, and the input amount of the complexing agent is 14 to 18 ml/min.
상기 제2 단계 반응 결과물에 금속원료 및 착화제를 부가하고 반응 혼합물의 pH를 제어한 다음, 반응을 실시하는 제3단계를 포함하는 니켈계 활물질 전구체를 제조한다. A nickel-based active material precursor is prepared including a third step of adding a metal raw material and a complexing agent to the reaction result of the second step, controlling the pH of the reaction mixture, and then performing the reaction.
상기 제3 단계에서 착화제의 농도는 0.35 내지 1.0M일 수 있다. In the third step, the concentration of the complexing agent may be 0.35 to 1.0M.
제3 단계의 반응 조건은 니켈계 활물질 전구체에서 다공성층의 표면 깊이에 많은 영향을 미친다. The reaction conditions in the third step have a great influence on the surface depth of the porous layer in the nickel-based active material precursor.
제3 단계에서 금속 원료의 투입량은 120 내지 170ml/min이고, 착화제의 투입량은 19 내지 22 ml/min이다. In the third step, the input amount of the metal raw material is 120 to 170 ml/min, and the input amount of the complexing agent is 19 to 22 ml/min.
상기 제조과정에서 금속 원료는 니켈계 활물질 전구체의 조성을 고려하여 이에 대응되는 금속 전구체를 이용한다. 금속 원료는 금속 카보네이트, 금속 설페이트, 금속 나이트레이트, 금속 클로라이드 등을 들 수 있다. In the manufacturing process, the metal precursor is used in consideration of the composition of the nickel-based active material precursor. Metal raw materials include metal carbonates, metal sulfates, metal nitrates, and metal chlorides.
만약 화학식 2로 표시되는 화합물을 제조하고자 하는 경우에는 금속 원료는 망간 전구체, 니켈 전구체 및 코발트 전구체를 이용한다. 망간 전구체, 니켈 전구체 및 코발트 전구체는 예를 들어 황산망간, 황산니켈, 황산코발트, 염화망간, 염화니켈, 염화코발트 등을 들 수 있다.If a compound represented by
이하, 본 실시예에 따른 니켈계 활물질을 포함한 양극, 음극, 리튬염 함유 비수전해질, 및 세퍼레이터를 갖는 리튬이차전지의 제조방법을 기술하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and a separator including a nickel-based active material according to the present embodiment will be described.
양극 및 음극은 집전체상에 양극 활물질층 형성용 조성물 및 음극 활물질층 형성용 조성물을 각각 도포 및 건조하여 제작된다. The positive electrode and the negative electrode are prepared by coating and drying a composition for forming a positive electrode active material layer and a composition for forming a negative electrode active material layer on a current collector, respectively.
상기 양극 활물질 형성용 조성물은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 혼합하여 제조되는데, 상기 양극 활물질로서 본 실시예에 따른 니켈계 활물질을 이용한다. 상기 니켈계 활물질로서 상술한 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 산화물을 사용할 수 있다.The composition for forming a positive electrode active material is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent, and the nickel-based active material according to the present embodiment is used as the positive electrode active material. As the nickel-based active material, a lithium composite oxide represented by
상기 바인더는, 예를 들어 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. The binder is, for example, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, Polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butyrene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
상기 도전제로는 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. Examples of the conductive agent include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based substances such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Carbon fluoride; Metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 용매의 비제한적 예로서, N-메틸피롤리돈 등을 사용한다.As a non-limiting example of the solvent, N-methylpyrrolidone or the like is used.
상기 바인더, 도전제 및 용매의 함량은 통상적인 수준으로 사용된다.The contents of the binder, the conductive agent, and the solvent are used at conventional levels.
상기 양극 집전체는 3 내지 500 ㎛의 두께로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 열처리 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector has a thickness of 3 to 500 μm, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes to the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, heat-treated carbon, Alternatively, a surface-treated aluminum or stainless steel surface with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used. The current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
이와 별도로 음극 활물질, 바인더, 도전제, 용매를 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 준비한다.Separately, a negative active material, a binder, a conductive agent, and a solvent are mixed to prepare a composition for forming a negative active material layer.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이 사용된다. 상기 음극 활물질의 비제한적인 예로서, 흑연, 탄소와 같은 탄소계 재료, 리튬 금속, 그 합금, 실리콘 옥사이드계 물질 등을 사용할 수 있다. 본 발명의 본 실시예에 따르면 실리콘 옥사이드를 사용한다. As the negative active material, a material capable of storing and releasing lithium ions is used. As a non-limiting example of the negative active material, a carbon-based material such as graphite and carbon, lithium metal, an alloy thereof, and a silicon oxide-based material may be used. According to this embodiment of the present invention, silicon oxide is used.
바인더의 비제한적인 예는 양극과 동일한 종류를 사용할 수 있다.As a non-limiting example of the binder, the same type as the positive electrode may be used.
상기 도전제 및 용매는 양극 제조시와 동일한 종류의 물질을 사용할 수 있다.The conductive agent and the solvent may be made of the same type of material as in the manufacture of the positive electrode.
상기 음극 집전체로는, 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 열처리 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 µm. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the battery, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, heat-treated carbon, the surface of copper or stainless steel. For the surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloys, etc. may be used. In addition, like the positive electrode current collector, it is possible to enhance the bonding strength of the negative electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof, and it may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
음극으로서 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 된 음극을 이용하는 것도 가능하다. 리튬 금속 합금은 리튬 금속과 리튬 금속과 합금 가능한 금속/준금속 또는 그 산화물을 포함한다. 리튬 금속과 합금 가능한 금속/준금속 또는 그 산화물로는 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님), MnOx (0 <x≤2) 등일 수 있다. As the negative electrode, it is also possible to use a negative electrode made of lithium metal or a lithium metal alloy. The lithium metal alloy includes a lithium metal and a metal/metalloid or an oxide thereof which can be alloyed with the lithium metal. Metals/metalloids that can be alloyed with lithium metals or oxides thereof include Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y alloys (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 to group 16 element, transition Metal, rare earth element or a combination element thereof, not Si), Sn-Y alloy (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 to 16 element, transition metal, rare earth element, or a combination element thereof, and Sn Is not), MnOx (0 <x≤2), and the like.
상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 금속과 합금가능한 금속/준금속의 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.The element Y is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, It may be Te, Po, or a combination thereof. For example, the oxide of the metal/metalloid alloyable with the lithium metal may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, SnO 2 , SiO x (0<x<2), and the like.
상기 과정에 따라 제작된 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재한다.A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode manufactured according to the above process.
상기 세퍼레이터는 기공 직경이 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛인 것을 사용한다. 구체적인 예로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 올레핀계 폴리머; 또는 유리섬유로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 세퍼레이터를 겸할 수도 있다.The separator has a pore diameter of 0.01 to 10 µm and a thickness of 5 to 300 µm. As specific examples, olefin-based polymers such as polypropylene and polyethylene; Alternatively, a sheet made of glass fiber or a nonwoven fabric is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte solution, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like is used.
상기 비수 전해액으로는, 비제한적인 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부티로 락톤, 1,2-디메톡시에탄, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, N,N-포름아미드, N,N-디메틸포름아미드, 디옥소란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous electrolyte include, but are not limited to, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2- Dimethoxyethane, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, N,N-formamide, N,N-dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate , Methyl acetate, phosphoric acid tryester, trimethoxy methane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether , Methyl pyropionate, ethyl propionate, and other aprotic organic solvents may be used.
상기 유기 고체 전해질로는, 비제한적인 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include, but are not limited to, polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and the like.
상기 무기 고체 전해질로는, 비제한적인 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include, but are not limited to, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI- LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 and the like may be used.
리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 비제한적인 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, (FSO2)2NLi, 리튬클로로보레이트, 저급 지방족 카르복실산 리튬, 테트라페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.Lithium salt is a material that is soluble in the non-aqueous electrolyte, and non-limiting examples include, but are not limited to, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4,
도 6은 본 발명의 본 실시예에 따른 리튬이차전지의 대표적인 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 6 is a schematic cross-sectional view showing a typical structure of a lithium secondary battery according to this embodiment of the present invention.
도 6을 참고하여, 리튬이차전지(61)는 양극(63), 음극(62) 및 세퍼레이터(64)를 포함한다. 상술한 양극(63), 음극(62) 및 세퍼레이터(64)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(65)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(65)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(66)로 밀봉되어 리튬이차전지(61)가 완성된다. 상기 전지 케이스(65)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬이차전지(61)는 대형 박막형 전지일 수 있다. 상기 리튬이차전지는 리튬 이온 전지일 수 있다. 상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬 이온 폴리머 전지가 완성된다. 또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지 팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용 량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트 폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.Referring to FIG. 6, the lithium
또한, 상기 리튬 이차 전지는 고온에서 저장 안정성, 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에 사용될 수 있다.In addition, since the lithium secondary battery has excellent storage stability, life characteristics, and high rate characteristics at high temperatures, it can be used in an electric vehicle (EV). For example, it may be used in a hybrid vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 한정되는 것이 아니다.It will be described in more detail through the following Examples and Comparative Examples. However, the examples are for illustrative purposes and are not limited thereto.
제조예 1: 복합 금속 하이드록사이드의 제조Preparation Example 1: Preparation of composite metal hydroxide
[1 단계] [Stage 1]
먼저, 반응기에 농도가 0.30M인 암모니아수를 넣었다. 교반동력 1.5kW/㎥, 반응온도 50℃에서 금속원료 및 착화제(암모니아수)를 각각 90ml/min 및 10 ml/min의 속도로 투입하면서 반응을 시작하였다. pH를 10 내지 11로 유지하기 위하여 수산화나트륨(NaOH)을 투입하면서 6시간 동안 반응을 실시하였다. 반응 결과 얻어진 입자의 평균 사이즈가 약 5.5 내지 6.5㎛ 범위인 것을 확인하고 2단계를 다음과 같이 실시하였다.First, ammonia water having a concentration of 0.30M was added to the reactor. The reaction was started by adding a metal raw material and a complexing agent (aqueous ammonia) at a rate of 90 ml/min and 10 ml/min, respectively, at a stirring power of 1.5 kW/㎥ and a reaction temperature of 50°C. In order to maintain the pH at 10 to 11, the reaction was carried out for 6 hours while adding sodium hydroxide (NaOH). It was confirmed that the average size of the particles obtained as a result of the reaction was in the range of about 5.5 to 6.5 μm, and the second step was carried out as follows.
[2 단계][Step 2]
반응온도 50℃를 유지하면서 금속원료 및 착화제를 각각 100ml/min및 15 ml/min의 속도로 변경하여 투입하여 착화제의 농도가 0.35M이 유지되도록 하였다. pH를 10 내지 11로 유지하기 위해 NaOH를 투입하면서 6시간 반응하였다. 이 때 교반동력은 1.0kW/㎥ 로 낮추어 반응을 진행하였다. 이러한 반응을 실시하여 얻어진 생성물 입자의 평균 사이즈가 9 내지 10㎛인 것을 확인하고 3단계를 다음과 같이 실시하였다.The metal raw material and the complexing agent were added at a rate of 100 ml/min and 15 ml/min, respectively, while maintaining the reaction temperature of 50° C., so that the concentration of the complexing agent was maintained at 0.35 M. In order to maintain the pH at 10 to 11, NaOH was added and reacted for 6 hours. At this time, the stirring power was lowered to 1.0kW/㎥ and the reaction proceeded. It was confirmed that the average size of the product particles obtained by carrying out this reaction was 9 to 10 µm, and the third step was carried out as follows.
[3단계][Step 3]
반응온도 50℃를 유지하면서 금속원료 및 착화제를 각각 150 ml/min 및 20 ml/min의 속도로 변경하여 투입하여 착화제의 농도가 0.40M이 유지되도록 하였다. pH를 10 내지 11로 유지하기 위해 NaOH를 투입하면서 4시간 동안 반응하였다. 이때 교반동력은 2단계와 동일하게 유지하였다.The metal raw material and the complexing agent were added at a rate of 150 ml/min and 20 ml/min, respectively, while maintaining the reaction temperature of 50°C, so that the concentration of the complexing agent was maintained at 0.40M. In order to maintain the pH at 10 to 11, NaOH was added and reacted for 4 hours. At this time, the stirring power was maintained the same as in
상기 반응의 결과물을 증류수로 세척 후 열풍 오븐에서 24시간 건조하여 방사형 및 다공성인 플레이트 입자인 복합 금속 하이드록사이드(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)을 얻었다. The result of the reaction was washed with distilled water and dried in a hot air oven for 24 hours to obtain a composite metal hydroxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ), which is a radial and porous plate particle.
실시예 1: 니켈계 활물질 이차입자의 제조Example 1: Preparation of nickel-based active material secondary particles
제조예 1에 따라 얻은 복합 금속 하이드록사이드(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2), 및 평균입경이 약 10㎛인 수산화리튬(LiOH·H2O)을 하이 스피드 믹서(high speed mixer)를 이용하여 건식으로 2,000rpm에서 혼합하고 이를 산화 분위기에서 약 850℃에서 8시간 동안 1차 열처리를 실시하여 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 이차입자를 얻었다. The composite metal hydroxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) obtained according to Preparation Example 1, and lithium hydroxide (LiOH H 2 O) having an average particle diameter of about 10 μm were mixed with a high speed mixer. The mixture was dry at 2,000 rpm using and the first heat treatment was performed at about 850° C. for 8 hours in an oxidizing atmosphere to obtain a nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) secondary particles.
상기 니켈계 활물질 이차입자 100 중량부, 폴리비닐리덴플루오라이드 0.2 중량부를 하이 스피드 믹서를 이용하여 건식으로 2,000rpm에서 혼합하여 반응 혼합물을 얻었다. 이 반응 혼합물을 산소 분위기에서 약 350℃에서 6시간 동안 2차 열처리를 실시하여 니켈계 활물질 이차입자를 얻었다. 100 parts by weight of the secondary particles of the nickel-based active material and 0.2 parts by weight of polyvinylidene fluoride were mixed in a dry manner at 2,000 rpm using a high speed mixer to obtain a reaction mixture. The reaction mixture was subjected to secondary heat treatment at about 350° C. for 6 hours in an oxygen atmosphere to obtain nickel-based active material secondary particles.
실시예 2: 니켈계 활물질 이차입자의 제조Example 2: Preparation of nickel-based active material secondary particles
2차 열처리 온도가 450℃로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 니켈계 활물질 이차입자를 얻었다.A nickel-based active material secondary particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was changed to 450°C.
비교예 1: 니켈계 활물질 이차입자의 제조Comparative Example 1: Preparation of nickel-based active material secondary particles
제조예 1에 따라 얻은 복합 금속 하이드록사이드(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2) 및 평균입경이 약 10㎛인 수산화리튬(LiOH·H2O)을 하이 스피드 믹서(high speed mixer)를 이용하여 건식으로 2,000rpm에서 혼합하고 이를 소성로를 산화 분위기에서 약 800℃에서 6시간 동안 1차 열처리를 실시하여 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 이차입자를 얻었다. The composite metal hydroxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) obtained according to Preparation Example 1 and lithium hydroxide (LiOH H 2 O) having an average particle diameter of about 10 μm were mixed with a high speed mixer. Using dry mixing at 2,000 rpm, and performing the primary heat treatment for 6 hours at about 800 ℃ in the firing furnace in an oxidizing atmosphere to obtain a nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) secondary particles.
상기 니켈계 활물질 이차입자를 산소 분위기에서 약 850℃에서 6시간 동안 2차 열처리를 실시하여 니켈계 활물질 이차입자를 얻었다. The nickel-based active material secondary particles were subjected to secondary heat treatment at about 850° C. for 6 hours in an oxygen atmosphere to obtain nickel-based active material secondary particles.
비교예 2: 니켈계 활물질 이차입자의 제조Comparative Example 2: Preparation of secondary particles of nickel-based active material
2차 열처리온도가 890℃로 변화된 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 이차입자를 얻었다. A nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) secondary particles were obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was changed to 890°C.
비교예 3: 니켈계 활물질 이차입자의 제조Comparative Example 3: Preparation of nickel-based active material secondary particles
제조예 1에 따라 얻은 복합 금속 하이드록사이드(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2), 평균입경이 약 10㎛인 수산화리튬(LiOH·H2O)을 하이 스피드 믹서(high speed mixer)를 이용하여 건식으로 2,000rpm에서 혼합하고 이를 소성로를 산화 분위기에서 약 800℃에서 6시간 동안 1차 열처리를 실시하여 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.6Mn0.2O2) 이차입자를 얻었다. The composite metal hydroxide (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) obtained according to Preparation Example 1, and lithium hydroxide (LiOH H 2 O) having an average particle diameter of about 10 μm were used in a high speed mixer. Using a dry mixture at 2,000 rpm, and subjected to the primary heat treatment for 6 hours at about 800 ℃ in an oxidizing atmosphere in the firing furnace to obtain a nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.6 Mn 0.2 O 2 ) secondary particles.
상기 니켈계 활물질 이차입자 100 중량부, 폴리비닐리덴플루오라이드 0.2중량부를 하이 스피드 믹서를 이용하여 건식으로 2,000rpm에서 혼합하여 반응 혼합물을 얻었다. 이 반응 혼합물을 산소 분위기에서 약 850℃에서 6시간 동안 2차 열처리를 실시하여 니켈계 활물질 이차입자를 얻었다. 100 parts by weight of the secondary particles of the nickel-based active material and 0.2 parts by weight of polyvinylidene fluoride were mixed in a dry manner at 2,000 rpm using a high speed mixer to obtain a reaction mixture. The reaction mixture was subjected to secondary heat treatment at about 850° C. for 6 hours in an oxygen atmosphere to obtain nickel-based active material secondary particles.
상기 비교예 3에 따라 얻어진 니켈계 활물질은 2차 열처리온도가 높아 불소 코팅이 잘 이루어지지 않았다. The nickel-based active material obtained according to Comparative Example 3 had a high secondary heat treatment temperature, so that fluorine coating was not well formed.
비교예 4: 니켈계 활물질 이차입자의 제조Comparative Example 4: Preparation of secondary particles of nickel-based active material
1차 열처리 온도가 약 850℃로 변화되고 2차 열처리시 폴리비닐리덴플루오라이드가 사용되지 않고 2차 열처리 온도가 약 350℃로 변화된 것을 제외하고는, 비교예 3과 동일한 방법에 따라 실시하여 니켈계 활물질 이차입자를 얻었다. Nickel was carried out in the same manner as in Comparative Example 3, except that the first heat treatment temperature was changed to about 850°C, polyvinylidene fluoride was not used during the second heat treatment, and the second heat treatment temperature was changed to about 350°C. Secondary particles of the system active material were obtained.
제작예 1: 코인셀의 제조Production Example 1: Preparation of coin cell
양극 활물질로서 실시예 1에 따라 얻은 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 이차입자를 이용하여 리튬이차전지(코인셀)를 다음과 같이 제조하였다.A lithium secondary battery (coin cell) was prepared as follows using the nickel-based active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) secondary particles obtained according to Example 1 as a positive electrode active material.
실시예 1에 따라 얻은 니켈계 활물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) 이차입자 96g, 폴리비닐리덴플로라이드 2g 및 용매인 N-메틸피롤리돈 47g, 도전제인 카본블랙 2g의 혼합물을 믹서기를 이용하여 기포를 제거하여 균일하게 분산된 양극 활물질층 형성용 슬러리를 제조 하였다.Nickel-based active material obtained according to Example 1 (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ) A mixture of 96 g of secondary particles, 2 g of polyvinylidene fluoride, and 47 g of N-methylpyrrolidone as a solvent, and 2 g of carbon black as a conductive agent was removed using a mixer to prepare a uniformly dispersed slurry for forming a positive electrode active material layer. .
상기 과정에 따라 제조된 슬러리를 닥터 블래이드를 사용하여 알루미늄 박상에 코팅하여 얇은 극판 형태로 만든 후, 이를 135℃에서 3시간 이상 건조시킨 후, 압연과 진공 건조 과정을 거쳐 양극을 제작하였다.The slurry prepared according to the above process was coated on an aluminum foil using a doctor blade to form a thin electrode plate, dried at 135° C. for 3 hours or more, and then subjected to rolling and vacuum drying processes to produce a positive electrode.
상기 양극과 리튬 금속 대극 사이에는 다공질 폴리에틸렌(PE) 필름으로 이루어진 세퍼레이터(두께: 약 16㎛)를 개재하고, 전해액을 주입하여 2032 type 코인셀을 제작하였다. A separator (thickness: about 16 μm) made of a porous polyethylene (PE) film was interposed between the positive electrode and the lithium metal counter electrode, and an electrolyte was injected to produce a 2032 type coin cell.
상기 전해액은 에틸렌카보네이트(EC)와 에틸메틸카보네이트(EMC)를 3:5의 부피비로 혼합한 용매에 용해된 1.1M LiPF6가 포함된 용액을 사용하였다.The electrolyte was a solution containing 1.1M LiPF 6 dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 3:5.
제작예 2: 코인셀의 제조Production Example 2: Preparation of coin cell
실시예 1에 따라 얻은 니켈계 활물질 이차입자 대신 실시예 2에 따라 얻은 니켈계 활물질 이차입자를 각각 사용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 코인셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the nickel-based active material secondary particles obtained according to Example 2 were respectively used instead of the nickel-based active material secondary particles obtained according to Example 1.
비교제작예 1 내지 4: 코인셀의 제조Comparative Production Examples 1 to 4: Preparation of coin cell
실시예 1에 따라 얻은 니켈계 활물질 이차입자 대신 비교예 1-4에 따라 얻은 이차입자를 사용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 코인셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the secondary particles obtained according to Comparative Example 1-4 were used instead of the nickel-based active material secondary particles obtained according to Example 1.
평가예 1: 잔류리튬 함량 평가Evaluation Example 1: Evaluation of residual lithium content
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1. 비교예 3 및 비교예 4에서 제조된 양극활물질에 대하여 표면에 존재하는 잔류리튬의 함량을 측정하여 그 결과의 일부를 하기 표 1에 나타내었다.Example 1, Example 2, Comparative Example 1. The content of residual lithium present on the surface of the positive electrode active materials prepared in Comparative Examples 3 and 4 was measured, and some of the results are shown in Table 1 below.
표면 잔류 리튬 함량은 양극활물질 표면에 잔류하는 LiCO3 및 LiOH 중에서 Li 함량을 습식법(또는 적정법)으로 측정으로 평가하였다. The surface residual lithium content was evaluated by measuring the Li content of LiCO 3 and LiOH remaining on the surface of the positive electrode active material by a wet method (or titration method).
구체적인 측정 방법은 예를 들어 일본특허공개 제2016-081903호의 단락 [0054]에 개시된 방법을 참고할 수 있다.For a specific measurement method, for example, reference may be made to the method disclosed in paragraph [0054] of Japanese Patent Laid-Open No. 2016-081903.
상기 표 1에 보여지는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 양극활물질은 비교예 1 및 3에 비하여 잔류 리튬 함량이 감소하였음을 보여주었다.As shown in Table 1, the positive electrode active materials of Examples 1 and 2 showed that the residual lithium content was reduced compared to Comparative Examples 1 and 3.
평가예 2: 충방전 특성(초기 효율)Evaluation Example 2: Charge/discharge characteristics (initial efficiency)
제작예 1, 제작예 2, 비교제작예 2 및 비교제작예 3에 따라 제조된 코인셀에 있어서 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.30V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 정전압 모드에서 4.30V 를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 이어서, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다(1st 사이클, 화성(formation) 사이클).In the coin cells manufactured according to Production Example 1, Production Example 2, Comparative Production Example 2, and Comparative Production Example 3, constant current was charged at 25°C with a current of 0.1C rate until the voltage reached 4.30V (vs. Li). Then, while maintaining 4.30V in the constant voltage mode, cut-off was performed at a current of 0.05C rate. Subsequently, the discharge was performed at a constant current of 0.1 C rate until the voltage reached 3.0 V (vs. Li) during discharge (1 st cycle, formation cycle).
각 코인셀에서 초기 충방전 효율을 조사하였고 그 결과는 하기 표 2와 같다. 초기 충방전 효율(Initial charge efficiency: I.C.E)은 하기 식 1에 따라 측정하였다.Initial charging and discharging efficiency was investigated in each coin cell, and the results are shown in Table 2 below. Initial charge efficiency (I.C.E) was measured according to
[식 1][Equation 1]
초기 충방전 효율[%]=[1st 사이클 방전용량/1st 사이클 충전용량]×100Initial charge/discharge efficiency[%]=[1 st cycle discharge capacity/1 st cycle charge capacity]×100
또한 각 코인셀을 45℃에서 1C rate의 전류로 충전과 방전을 50회 반복하여서 첫번째 방전용량과 50번째 방전용량의 비율을 조사하였고 그 결과는 하기 표 2와 같다. 수명은 하기 식 2에 따라 측정하였다.In addition, each coin cell was charged and discharged 50 times with a current of 1C rate at 45°C to investigate the ratio of the first discharge capacity to the 50th discharge capacity, and the results are shown in Table 2 below. Life was measured according to
[식 2][Equation 2]
45℃ 수명[%]=[50st 사이클 방전용량/1st 사이클 방전용량]×10045℃ Life [%]=[50 st cycle discharge capacity/1 st cycle discharge capacity]×100
표 2를 참고하여, 제작예 1 및 2의 코인셀은 비교제작예 2 및 3의 경우와 비교하여 초기 충방전 효율이 향상되었다. 그리고 제작예 1-2의 코인셀은 비교제작예 2 및 3의 코인셀과 비교하여 45℃수명이 향상되었다.Referring to Table 2, the coin cells of Preparation Examples 1 and 2 had improved initial charging and discharging efficiency compared to the cases of Comparative Preparation Examples 2 and 3. In addition, the coin cell of Production Example 1-2 was improved in lifespan at 45° C. compared to the coin cell of Comparative Production Examples 2 and 3.
평가예 3: 고온 저장시 가스 발생량 감소 평가Evaluation Example 3: Evaluation of reduction in gas generation during high temperature storage
제작예 1 및 비교제작예 1에 따라 제조된 코인셀을 4.4V 과충전 상태에서 60℃, 13일간 저장하면서 두께 변화를 측정하였다. 이러한 시험에서 부풀음 결과를 초기 두께 대비 최대 두께 변화(Δt)로 구하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.The coin cells prepared according to Production Example 1 and Comparative Production Example 1 were stored at 60° C. for 13 days in a 4.4V overcharge state, and the thickness change was measured. In this test, the swelling result was obtained as the maximum thickness change (Δt) compared to the initial thickness, and the result is shown in FIG.
도 7을 참고하여, 제작예 1의 코인셀은 비교제작예 1의 코인셀과 비교하여 고온 저장후 셀 두께 증가율이 감소된다는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 7, it was found that the rate of increase in cell thickness after high temperature storage was reduced in the coin cell of Production Example 1 compared to the coin cell of Comparative Production Example 1.
평가예 4: 전자주사현미경 분석을 이용한 기공도 평가Evaluation Example 4: Evaluation of porosity using scanning electron microscope analysis
실시예 1 및 2에 따라 얻은 니켈계 활물질 이차입자에 대한 전자주사현미경 분석을 실시하였다. 전자주사현미경은 Magellan 400L(FEI company)을 이용하였다. 샘플 단면은 JEOL사의 CP2를 이용하여 6kV, 150uA, 4hr동안 밀링하여 전처리를 실시하였다. 그리고 전자주사현미경 분석은 350V 조건에서 실시하였다.Electron scanning microscopy analysis was performed on the nickel-based active material secondary particles obtained according to Examples 1 and 2. Magellan 400L (FEI company) was used as an electron scanning microscope. The sample cross section was pretreated by milling for 6kV, 150uA, 4hr using JEOL's CP2. And the electron scanning microscope analysis was carried out under the condition of 350V.
상기 기공도 평가 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The porosity evaluation results are shown in Table 3 below.
이상에서는 도면 및 실시예를 참고하여 본 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. In the above, the present embodiment has been described with reference to the drawings and embodiments, but this is only illustrative, and those of ordinary skill in the art can understand that various modifications and other equivalent implementations are possible therefrom. will be. Therefore, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.
61: 리튬 이차 전지 62: 음극
63: 양극 64: 세퍼레이터
65: 전지 케이스 66: 캡 어셈블리61: lithium secondary battery 62: negative electrode
63: anode 64: separator
65: battery case 66: cap assembly
Claims (17)
상기 양극 활물질은, 니켈계 활물질에 플루오라이드 전구체를 부가하여 얻은 반응 혼합물을 열처리하여 얻은 생성물이며,
상기 리튬 불소계 화합물의 불소는 상기 니켈계 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 0.12 내지 1 중량부로 포함되는 리튬이차전지용 양극활물질.It is a secondary particle including a plurality of primary particles, the secondary particles include a radial arrangement structure and an irregular porous structure, and the radial arrangement structure is disposed closer to the surface of the secondary particles compared to the irregular porous structure It contains a nickel-based active material, and a lithium fluorine-based compound is present on the surface of the nickel-based active material, the inner pore size of the secondary particle is 150nm to 1㎛, the outer pore size is less than 150nm is a cathode active material for a lithium secondary battery ,
The positive electrode active material is a product obtained by heat treatment of a reaction mixture obtained by adding a fluoride precursor to a nickel-based active material,
The fluorine of the lithium fluorine-based compound is contained in an amount of 0.12 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the nickel-based active material.
상기 이차입자는 일차입자의 응집체이며, 상기 일차입자 사이에 이종원소 화합물이 포함되며,
상기 이종원소 화합물은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 인(P), 보론(B) 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물; 또는 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 인(P) 및 보론(B) 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물과 리튬을 포함하는 화합물이 존재하는 리튬이차전지용 양극활물질.The method of claim 1,
The secondary particles are aggregates of primary particles, and heteroelement compounds are included between the primary particles,
The hetero-element compound is a compound containing at least one element selected from zirconium (Zr), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium (Mg), tungsten (W), phosphorus (P), and boron (B); Or a compound containing at least one element selected from zirconium (Zr), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium (Mg), tungsten (W), phosphorus (P) and boron (B), and a compound containing lithium A cathode active material for lithium secondary batteries in which this is present.
상기 니켈계 활물질은 플레이트 입자를 포함하며, 상기 플레이트 입자의 장축이 방사형 방향으로 배열된 리튬이차전지용 양극활물질.The method of claim 1,
The nickel-based active material includes plate particles, and a positive electrode active material for a lithium secondary battery in which a long axis of the plate particles is arranged in a radial direction.
상기 니켈계 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 활물질인 리튬이차전지용 양극활물질:
[화학식 1]
Lia(Ni1-x-y-zCoxMnyMz)O2
상기 화학식 1 중, M은 보론(B), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 지르코늄 (Zr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 원소이고,
0.95≤a≤1.3이고, x≤(1-x-y-z), y≤(1-x-y-z), z≤(1-x-y-z), 0<x<1, 0≤y<1, 0≤z<1이다. The method of claim 1,
The nickel-based active material is a cathode active material for a lithium secondary battery, which is an active material represented by the following Formula 1:
[Formula 1]
Li a (Ni 1-xyz Co x Mn y M z ) O 2
In Formula 1, M is boron (B), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe ), copper (Cu), zirconium (Zr), and an element selected from the group consisting of aluminum (Al),
0.95≤a≤1.3, x≤(1-xyz), y≤(1-xyz), z≤(1-xyz), 0<x<1, 0≤y<1, 0≤z<1.
상기 양극 활물질은 니켈계 활물질에 플루오라이드 전구체를 부가하여 얻은 반응 혼합물을 열처리하여 얻은 생성물이며,
상기 리튬 불소계 화합물의 불소는 상기 니켈계 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 0.12 내지 1 중량부로 포함되는 리튬이차전지용 양극활물질.It contains secondary particles including an aggregate of two or more primary particles, wherein the secondary particles are a radial arrangement in which the primary particles are oriented so that the (003) surface of the primary particles is in a direction perpendicular to the outermost surface of the secondary particles Structure, 50% or more of the primary particles are arranged in the radial arrangement structure, a lithium fluorine-based compound is present on the surface of the secondary particle, and the pore size inside the secondary particle is 150 nm to 1 μm, and the external Is a cathode active material for lithium secondary batteries with a pore size of less than 150 nm,
The positive electrode active material is a product obtained by heat treatment of a reaction mixture obtained by adding a fluoride precursor to a nickel-based active material,
The fluorine of the lithium fluorine-based compound is contained in an amount of 0.12 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the nickel-based active material.
상기 금속 플루오라이드는 MgF2, MnF2, LaF', BiF3, PbF2, KF, CaF2, BaF2, SnF2, SrF2, AlF3, ZrF4, GaF3, HfF4, YbF3, ThF3, ZnF2 InF3, UF3, YF3, LaF3, BiF3, PbF2, KF, CaF2, BaF2, SnF2, SrF2. CuF2, CoF2, FeF2, FeF3, NiF2. AlF3, BaF2, CrF2, MgF2, MnF2, MnF3, FeF3, CoF2, NiF2, CuF2, NaF, TiF3, ZnF2 및 YF3 중에서 선택된 하나 이상인 리튬이차전지용 양극 활물질.The method of claim 6, wherein the fluorine-containing polymer is at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and polytetrafluoroethylene,
The metal fluoride is MgF 2, MnF 2, LaF ' , BiF 3, PbF 2, KF, CaF 2, BaF 2, SnF 2, SrF 2, AlF 3, ZrF 4, GaF 3, HfF 4, YbF 3, ThF 3, ZnF 2 InF 3, UF 3, YF 3, LaF 3, BiF 3, PbF 2, KF, CaF 2, BaF 2, SnF 2, SrF 2. CuF 2 , CoF 2 , FeF 2 , FeF 3 , NiF 2 . AlF 3 , BaF 2 , CrF 2 , MgF 2 , MnF 2 , MnF 3 , FeF 3 , CoF 2 , NiF 2 , CuF 2 , NaF, TiF 3 , ZnF 2 and YF 3 A cathode active material for a lithium secondary battery that is at least one selected from.
상기 리튬 불소계 화합물의 불소는 상기 니켈계 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 1 중량부로 포함되며,
상기 양극 활물질은 두 개 이상의 일차 입자 구조체를 포함하는 적어도 하나의 이차 입자를 포함하며, 상기 일차 입자 구조체는 다공성 내부와 방사형 배열 구조를 포함하는 외부를 함유하며, 상기 이차 입자는 적어도 2개 이상의 방사형 중심을 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질.It is a secondary particle including a plurality of primary particles, the secondary particles include a radial arrangement structure and an irregular porous structure, and the radial arrangement structure is disposed closer to the surface of the secondary particles compared to the irregular porous structure A lithium fluorine-based compound is present on the surface of the nickel-based active material, and the secondary particle has a pore size of 150 nm to 1 μm, and an external pore size of less than 150 nm. ,
Fluorine of the lithium fluorine-based compound is contained in an amount of 0.01 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the nickel-based active material,
The positive electrode active material includes at least one secondary particle including two or more primary particle structures, the primary particle structure includes a porous interior and an exterior including a radial array structure, and the secondary particles are at least two or more radial A cathode active material for lithium secondary batteries containing a center.
상기 플루오라이드 전구체가 불소 함유 고분자 및 금속 플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이며,
상기 불소 함유 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
상기 금속 플루오라이드는 MgF2, MnF2, LaF', BiF3, PbF2, KF, CaF2, BaF2, SnF2, SrF2, AlF3, ZrF4, GaF3, HfF4, YbF3, ThF3, ZnF2 InF3, UF3, YF3, LaF3, BiF3, PbF2, KF, CaF2, BaF2, SnF2, SrF2. CuF2, CoF2, FeF2, FeF3, NiF2. AlF3, BaF2, CrF2, MgF2, MnF2, MnF3, FeF3, CoF2, NiF2, CuF2, NaF, TiF3, ZnF2 및 YF3 중에서 선택된 하나 이상인 리튬이차전지용 양극 활물질.The method of claim 12, wherein the positive electrode active material is a product obtained by heat treatment of a reaction mixture obtained by adding a fluoride precursor to a nickel-based active material,
The fluoride precursor is at least one selected from the group consisting of a fluorine-containing polymer and a metal fluoride,
The fluorine-containing polymer is at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and polytetrafluoroethylene,
The metal fluoride is MgF 2, MnF 2, LaF ' , BiF 3, PbF 2, KF, CaF 2, BaF 2, SnF 2, SrF 2, AlF 3, ZrF 4, GaF 3, HfF 4, YbF 3, ThF 3, ZnF 2 InF 3, UF 3, YF 3, LaF 3, BiF 3, PbF 2, KF, CaF 2, BaF 2, SnF 2, SrF 2. CuF 2 , CoF 2 , FeF 2 , FeF 3 , NiF 2 . AlF 3 , BaF 2 , CrF 2 , MgF 2 , MnF 2 , MnF 3 , FeF 3 , CoF 2 , NiF 2 , CuF 2 , NaF, TiF 3 , ZnF 2 and YF 3 A cathode active material for a lithium secondary battery that is at least one selected from.
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