KR102424399B1 - Positive active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same and rechargeable lithium battery incluidng the same - Google Patents
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Abstract
서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 입자와 소입경 입자를 포함하는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함하고, 상기 대입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고, 상기 소입경 입자는 리튬 할라이드를 포함하며, 상기 대입경 입자는 10 내지 20 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지고, 상기 소입경 입자는 1 내지 8 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지는 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.a lithium nickel-based composite oxide including large particle diameter particles and small particle diameter particles having different average particle diameters, wherein the large particle diameter particles include secondary particles including a plurality of primary particles, and the small particle diameter particles include A cathode active material for a lithium secondary battery comprising lithium halide, wherein the large particle diameter particles have an average particle diameter (D50) of 10 to 20 μm, and the small particle diameter particles have an average particle diameter (D50) of 1 to 8 μm, a method for manufacturing the same And it relates to a lithium secondary battery including the same.
Description
리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.A cathode active material for a lithium secondary battery, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same.
휴대용 전자기기, 통신기기 등이 발전함에 따라 고에너지 밀도의 리튬 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높다.With the development of portable electronic devices and communication devices, there is a high need for the development of a lithium secondary battery having a high energy density.
이러한 종류의 리튬 이차 전지는 전극 집전체 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 활물질층이 형성된 양극과 음극을 포함한다. 양극 활물질로는 리튬 이온의 층간 삽입이 가능한 재료가 대부분이며, 리튬 코발트 산화물(LixCoO2), 리튬 니켈 산화물(LixNiO2), 리튬 니켈 코발트 산화물(Lix(NiCo)O2), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(Lix(NiCoMn)O2), 스피넬형 리튬망간 산화물(LixMn2O4), 이산화망간(MnO2) 등과 같은 산화물 또는 리튬 철 인산염(LixFePO4), 리튬 망간 인산염(LixMnPO4) 등과 같은 올리빈(olivine)형이나 NASICON형 인산염(phosphates), 규산염(silicates), 고분자 재료 등을 사용할 수 있다.This type of lithium secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode in which an electrode active material layer including an electrode active material is formed on an electrode current collector. As a cathode active material, most materials capable of intercalation of lithium ions are lithium cobalt oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel oxide (Li x NiO 2 ), lithium nickel cobalt oxide (Li x (NiCo)O 2 ), Oxides such as lithium nickel cobalt manganese oxide (Li x (NiCoMn)O 2 ), spinel lithium manganese oxide (Li x Mn 2 O 4 ), manganese dioxide (MnO 2 ), or lithium iron phosphate (Li x FePO 4 ), lithium manganese Phosphates (Li x MnPO 4 ), such as olivine (olivine) type or NASICON type phosphates (phosphates), silicates (silicates), a polymer material and the like can be used.
음극 활물질로는 리튬 금속이나 그 합금 또는 리튬이온이 층간 삽입(intercalation)될 수 있는 화합물이 사용될 수 있는데, 고분자 재료나 탄소 재료가 사용될 수 있으며, 인조 또는 천연흑연(graphite) 등의 흑연계, 난흑연화성 탄소(non-graphitizable carbon), 또는 이흑연화성 탄소(graphitizable carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nanofiber, CNF), 탄소나노월(carbon nanowall, CNW) 등과 같은 탄소계 물질 등이 사용될 수 있다.As an anode active material, lithium metal or an alloy thereof or a compound capable of intercalation of lithium ions may be used. A polymer material or a carbon material may be used. Non-graphitizable carbon, or graphitizable carbon, carbon nanotube (CNT), carbon nanofiber (CNF), carbon nanowall (CNW), etc. The same carbon-based material may be used.
한편, 다공성 구조를 가지는 양극 활물질은 BET 비표면적이 크기 때문에 양극 활물질 표면의 잔류 리튬 수치가 매우 높다. 따라서, 가스 발생과 같은 부반응이 발생하고 궁극적으로 전지의 안정성이 저해된다.On the other hand, since the positive electrode active material having a porous structure has a large BET specific surface area, the residual lithium level on the surface of the positive electrode active material is very high. Accordingly, side reactions such as gas generation occur and ultimately the stability of the battery is impaired.
종래의 기술은 잔류 리튬을 저감하기 위하여 양극 활물질 제조 후에 세정 공정을 실시하고 있으나, 세정 공정의 비용이 추가되고, 세정으로 인한 양극 활물질의 표면 손상이 발생하는 등, 전지의 성능이 저하되는 문제가 발생하고 있다. 또한 잔류 리튬을 저감하기 위해 양극 활물질의 코팅 공정을 추가로 수행하고 있으나, 전지의 율 특성, 용량 특성 등이 저하되는 문제가 발생하고 있다.In the prior art, in order to reduce residual lithium, a cleaning process is performed after the production of the positive electrode active material, but the cost of the cleaning process is added, and there is a problem that the performance of the battery is reduced, such as damage to the surface of the positive electrode active material due to cleaning. is occurring In addition, a coating process of the positive electrode active material is additionally performed to reduce residual lithium, but there is a problem in that rate characteristics and capacity characteristics of the battery are deteriorated.
일 구현예는 활물질 표면의 잔류 리튬과 가스발생이 저감되고, 합제 밀도가 향상된 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다.One embodiment provides a cathode active material for a lithium secondary battery in which residual lithium and gas generation on the surface of an active material are reduced, and a mixture density is improved.
다른 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다. Another embodiment provides a method of manufacturing the positive active material for a lithium secondary battery.
또 다른 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment provides a lithium secondary battery including the positive active material for a lithium secondary battery.
일 구현예는 서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 입자와 소입경 입자를 포함하는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함하고, 상기 대입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고, 상기 소입경 입자는 리튬 할라이드를 포함하며, 상기 대입경 입자는 10 내지 20 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지고, 상기 소입경 입자는 1 내지 8 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다.One embodiment includes a lithium nickel-based composite oxide including large particle diameter particles and small particle diameter particles having different average particle diameters, wherein the large particle diameter particles include secondary particles including a plurality of primary particles, the The small particle diameter particles include lithium halide, the large particle diameter particles have an average particle diameter (D50) of 10 to 20 μm, and the small particle diameter particles have an average particle diameter (D50) of 1 to 8 μm, a positive electrode for a lithium secondary battery It provides an active material.
상기 소입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함할 수 있다.The small particle size particles may include secondary particles including a plurality of primary particles.
상기 소입경 입자는 단일 입자(single crystal particle)를 포함할 수 있다.The small particle size particle may include a single crystal particle.
상기 대입경 2차 입자는 100 nm 내지 200 nm의 평균 두께를 가지는 1차 입자를 포함할 수 있고, 상기 소입경 2차 입자에 포함되는 1차 입자의 평균 두께는 200 nm 내지 500 nm일 수 있다.The large particle diameter secondary particles may include primary particles having an average thickness of 100 nm to 200 nm, and the average thickness of the primary particles included in the small particle diameter secondary particles may be 200 nm to 500 nm .
상기 대입경 입자는, 상기 대입경 입자와 상기 소입경 입자의 총 중량에 대하여 50 중량% 내지 90중량%로 포함될 수 있다.The large particle diameter particles may be included in an amount of 50 wt% to 90 wt% based on the total weight of the large particle diameter particles and the small particle diameter particles.
상기 리튬 할라이드는 상기 소입경 입자의 표면에 코팅될 수 있다.The lithium halide may be coated on the surface of the small particle size particle.
상기 리튬 할라이드는 상기 소입경 입자의 표면에 필름 형태로 코팅될 수 있다.The lithium halide may be coated in the form of a film on the surface of the small particle size particles.
상기 리튬 할라이드는 LiF를 포함할 수 있다.The lithium halide may include LiF.
상기 리튬 할라이드는 소입경 입자 100 몰에 대하여, 0.1 몰 내지 1.0 몰로 포함될 수 있다.The lithium halide may be included in an amount of 0.1 to 1.0 moles based on 100 moles of the small particle size particles.
상기 대입경 입자와 소입경 입자는 복수의 플레이트 형상의 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함하고, 상기 1차 입자의 (003)면이 2차 입자의 표면에 대하여 수직방향으로 배향된 1차 입자를 포함하는 일정 배열 구조를 가질 수 있다.The large particle diameter particles and the small particle diameter particles include secondary particles in which a plurality of plate-shaped primary particles are aggregated, and the (003) plane of the primary particles is oriented in the vertical direction with respect to the surface of the secondary particles. It may have a predetermined arrangement structure including tea particles.
상기 양극 활물질은 X선 회절 스펙트럼 분석에서 (003)면 피크의 반가폭이 0.15° 내지 0.17°일 수 있다.The positive active material may have a half width of 0.15° to 0.17° of a (003) plane peak in X-ray diffraction spectrum analysis.
상기 대입경 입자 및 소입경 입자는 일 중심을 가지는 방사형 배열 구조 또는 복수의 중심을 가지는 다중심 방사형 배열 구조를 가질 수 있다.The large particle diameter particles and the small particle diameter particles may have a radial arrangement structure having one center or a multi-center radial arrangement structure having a plurality of centers.
상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The lithium nickel-based composite oxide may be a compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
LiaNixCoyM1-x-yO2 Li a Ni x Co y M 1-xy O 2
(상기 화학식 1에서, 0.9 ≤ a ≤ 1.05, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤0.3, M은 Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, Zn, Ga, In, Sn, La 및 Ce에서 선택되는 적어도 하나의 금속 원소이다.)(In Formula 1, 0.9 ≤ a ≤ 1.05, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤ 0.3, M is Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, at least one metal element selected from Zn, Ga, In, Sn, La and Ce.)
상기 양극 활물질은 표면에 1,400 ppm 이하의 잔류 리튬을 포함할 수 있다.The positive active material may include residual lithium of 1,400 ppm or less on the surface.
상기 양극 활물질은 3.1 내지 3.4 g/cm3의 합제 밀도를 가질 수 있다.다른 일 구현예는 대입경 금속 수산화물 전구체 및 소입경 금속 수산화물 전구체를 제조하고; 대입경 금속 수산화물 전구체와 리튬 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 열처리하여 대입경 입자를 제조하고; 소입경 금속 수산화물 전구체, 리튬 원료 물질 및 리튬 할라이드(LiX)의 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 열처리하여 리튬 할라이드를 포함하는 소입경 입자를 제조하고; 상기 대입경 입자와 소입경 입자를 혼합하여 양극 활물질을 제조하는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.The positive active material may have a mixture density of 3.1 to 3.4 g/cm 3 . Another exemplary embodiment may include preparing a metal hydroxide precursor having a large particle diameter and a metal hydroxide precursor having a small particle diameter; preparing a mixture by mixing a large particle size metal hydroxide precursor and a lithium raw material, and heat-treating the mixture to prepare large particle size particles; preparing a mixture by mixing a small particle diameter metal hydroxide precursor, a lithium raw material, and a raw material of lithium halide (LiX), and heat-treating the mixture to prepare small particle diameter particles including lithium halide; It provides a method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery by mixing the large particle diameter particles and the small particle diameter particles to prepare a positive electrode active material.
또 다른 일 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment may include a positive electrode including the positive active material; a negative electrode comprising an anode active material; And it provides a lithium secondary battery comprising an electrolyte.
서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 입자와 소입경 입자를 포함하여 합제 밀도가 개선된 양극 활물질을 제공할 수 있다.It is possible to provide a positive electrode active material having an improved mixture density by including large particle diameter particles and small particle diameter particles having different average particle diameters.
양극 활물질에 리튬 할라이드를 포함하여 양극 활물질 표면의 잔류 리튬을 저감하고, 가스발생을 억제하여, 수명 특성이 개선된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.It is possible to provide a lithium secondary battery with improved lifespan characteristics by including lithium halide in the positive electrode active material to reduce residual lithium on the surface of the positive electrode active material and suppress gas generation.
도 1은 대입경 2차 입자와 소입경 2차 입자가 혼합된 양극 활물질을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 대입경 2차 입자와 소입경 단일 입자가 혼합된 양극 활물질을 개략적으로 보인 도면이다.
도 3은 대입경 2차 입자를 구성하는 배향된 1차 입자들을 개략적으로 보인 도면이다.
도 4는 판상형 1차 입자의 형상을 나타낸 모식도이다.
도 5는 리튬 이차 전지의 대표적인 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6는 실시예 2-1 내지 실시예 2-3, 실시예 3 및 비교예 2에 따라 제조된 코인 셀의 고온 가스발생량을 나타낸 그래프이다.1 is a view schematically showing a positive electrode active material in which large particle diameter secondary particles and small particle diameter secondary particles are mixed.
2 is a view schematically showing a positive electrode active material in which large particle diameter secondary particles and small particle diameter single particles are mixed.
3 is a view schematically showing oriented primary particles constituting large particle diameter secondary particles.
4 is a schematic view showing the shape of the plate-shaped primary particles.
5 is a perspective view schematically illustrating a typical structure of a lithium secondary battery.
6 is a graph showing the amount of high-temperature gas generated by the coin cells prepared according to Examples 2-1 to 2-3, Example 3, and Comparative Example 2. Referring to FIG.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이로 인해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is provided as an example, and thus the present invention is not limited, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.
본 명세서에서 "대입경 2차 입자"와 "소입경 2차 입자"는 각각 "대입경 리튬 니켈계 복합 산화물 2차 입자"와 "소입경 리튬 니켈계 복합 산화물 2차 입자"를 의미한다.As used herein, "large particle diameter secondary particles" and "small particle diameter secondary particles" mean "large particle diameter lithium nickel-based composite oxide secondary particles" and "small particle diameter lithium nickel-based composite oxide secondary particles", respectively.
또한 본 명세서에서 "2차 입자"는 "대입경 리튬 니켈계 복합 산화물 2차 입자" 또는 "소입경 리튬 니켈계 복합 산화물 2차 입자"를 의미하고, "1차 입자"는 "대입경 리튬 니켈계 복합 산화물 1차 입자" 또는 "소입경 리튬 니켈계 복합 산화물 1차 입자"를 의미한다.In addition, in this specification, "secondary particle" means "large particle diameter lithium nickel-based composite oxide secondary particle" or "small particle diameter lithium nickel-based composite oxide secondary particle", and "primary particle" means "large particle diameter lithium nickel It means "primary particle-based composite oxide particles" or "small-diameter lithium nickel-based composite oxide primary particles".
상기 2차 입자는, 예를 들어, 복수의 1차 입자가 물리적 및/또는 화학적으로 응집하여 구성된 상대적으로 큰 크기의 입자 형태일 수 있으며, 상기 1차 입자와 2차 입자가 혼재한 형태뿐만 아니라, 2차 입자만으로 이루어진 경우도 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 D50은 측정한 입자를 입경이 작은 것부터 큰 것 순으로 나열할 때 입자의 전체 개수 중 50%의 순위에 해당하는 입자의 입경을 의미한다.The secondary particles, for example, may be in the form of relatively large-sized particles composed of a plurality of primary particles physically and/or chemically aggregated, as well as a form in which the primary particles and secondary particles are mixed. , it may include a case made of only secondary particles. In addition, in the present specification, D50 refers to the particle diameter of particles corresponding to 50% of the total number of particles when the measured particles are arranged in order from smallest to largest.
본 명세서에서 입경 및 두께는 주사전자현미경 또는 전계방사형 주사전자현미경 등 전자 현미경을 이용하여 측정한 것일 수 있고, 또는 입도 분포 분석 기기를 이용하여 측정한 것일 수 있다. In the present specification, the particle size and thickness may be measured using an electron microscope such as a scanning electron microscope or a field emission scanning electron microscope, or may be measured using a particle size distribution analyzer.
이하에서 도 1 내지 도 4를 참고하여 일 구현예에 따른 양극 활물질에 대하여 설명한다.Hereinafter, a cathode active material according to an exemplary embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4 .
도 1은 대입경 2차 입자와 소입경 2차 입자가 혼합된 양극 활물질을 개략적으로 보인 도면이고, 도 2는 대입경 2차 입자와 소입경 단일 입자가 혼합된 양극 활물질을 개략적으로 보인 도면이며, 도 3은 대입경 2차 입자를 구성하는 배향된 1차 입자들을 개략적으로 보인 도면이다. 도 4는 대입경 2차 입자를 구성하는 1차 입자와 소입경 2차 입자를 구성하는 1차 입자가 판상형일 경우의 형상을 나타낸 모식도이다.1 is a diagram schematically showing a positive electrode active material in which large secondary particles and small secondary particles are mixed, and FIG. 2 is a diagram schematically showing a positive active material in which large secondary particles and small particle diameter single particles are mixed. , FIG. 3 is a view schematically showing oriented primary particles constituting secondary particles of large particle diameter. 4 is a schematic diagram showing the shape when the primary particles constituting the large particle size secondary particles and the primary particles constituting the small particle size secondary particles are plate-shaped.
구체적으로, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 양극 활물질은, 서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 입자와 소입경 입자를 포함하는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함한다.Specifically, the positive active material for a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment includes a lithium nickel-based composite oxide including large particle diameter particles and small particle diameter particles having different average particle diameters.
상기 대입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차입자를 포함할 수 있으며, 상기 소입경 입자는, 단일 입자(single crystal particle)(10a), 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자(10), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The large particle diameter particles may include secondary particles including a plurality of primary particles, and the small particle diameter particles include a single crystal particle (10a), a secondary particle including a plurality of primary particles ( 10), or a combination thereof.
여기서, 단일 입자(single crystal particle)란, 모폴로지(morphology) 상으로 입자들이 상호 응집되지 않은 독립된 상(phase)으로 존재하는 단일체(monolith)의 구조를 의미하며, 입자 내에 입자 경계(grain boundary)를 가지지 않고 단독으로 존재하며 하나의 입자로 이루어진, 예를 들어, 단결정(single crystal) 입자일 수 있다.Here, the single crystal particle refers to the structure of a monolith in which particles exist as independent phases in which the particles are not mutually aggregated in the morphology phase, and a grain boundary is formed within the particle. It does not have and exists alone and is composed of one particle, for example, may be a single crystal particle.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 양극 활물질(1)은 서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 2차 입자(20)와 소입경 2차 입자(10)를 포함하는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 양극 활물질(1a)은 서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 2차 입자(20)와 소입경 단일 입자(10a)를 포함하는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함할 수 있다. 서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 2차 입자와, 소입경 2차 입자 또는 소입경 단일 입자를 포함하는 경우에는 양극 활물질의 합제 밀도를 개선할 수 있다. 상기 대입경 입자 및 소입경 입자는 복수의 플레이트 형상의 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함하고, 상기 1차 입자의 (003)면이 2차 입자의 표면에 대하여 수직방향으로 배향된 1차 입자를 포함하는 일정 배열 구조를 가질 수 있다. Referring to FIG. 1 , the positive electrode active material 1 according to an embodiment includes a lithium nickel-based composite oxide including large particle diameter
상기 1차 입자의 배열 구조를 도 3을 참고하여 설명한다. 이하에서는 도 3을 참고하여 대입경 2차 입자(20)에 대해서 설명하나, 소입경 2차 입자(10) 또한 동일하게 적용할 수 있음은 자명하다. 구체적으로, 1차 입자(21)의 (003)면이 2차 입자(20)의 표면에 대하여 수직방향이 되도록 배향될 수 있다. 상기 표면은 2차 입자(20)의 최외곽 면을 의미한다. 상기 (003)면이란 밀러 지수 (003)에 해당하는 격자 면를 의미한다. 또한 수직 방향이라 함은 (003)면의 장축(a축) 또는 단축(b축)과 2차 입자의 표면이 만나는 점이 70 내지 110°, 예컨대 80 내지 100°의 각을 이루면서 서로 교차하는 것을 의미한다. 상기 1차 입자(21)의 (003)면이 2차 입자(20)의 표면에 대하여 수직방향이 되도록 배향되는 경우, 2차 입자(20)의 표면 쪽에 상대적으로 많은 입계(grain boundary) 사이의 리튬 확산 통로를 제공할 수 있으며, 리튬 전달이 가능한 결정면이 많이 노출되어 리튬 확산도가 향상될 수 있다. 따라서, 높은 초기효율 및 용량의 확보가 가능하다. 또한 충방전시 2차 입자(20)의 부피 변화에 따른 스트레스를 억제시켜 크랙 발생을 억제할 수 있으며, 전지의 수명 특성을 개선할 수 있다.The arrangement structure of the primary particles will be described with reference to FIG. 3 . Hereinafter, the large particle diameter
일 구현예에 따른 양극 활물질은, X선 회절 스펙트럼 분석에서 (003)면 피크의 반가폭이 0.15° 내지 0.17°일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 반가폭 (Full Width at Half-Maximum; FWHM)은 상기 양극 활물질의 X선 회절 스펙트럼 분석(XRD)에서 얻은 (003) 면의 최대 피크 세기의 1/2 위치에서의 피크 폭을 수치화한 것을 의미한다. (003) 면의 반가폭이 상기 범위인 경우, 양극 활물질에 포함된 소입경 입자의 크기가 증가하고, 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 높은 초기 효율 및 용량 특성이 향상되며, 리튬 이차 전지의 충방전시 상기 대입경 입자와 소입경 입자의 부피 변화에 따른 변형을 억제시켜 전지의 크랙(crack) 발생을 억제할 수 있다.In the positive active material according to the exemplary embodiment, the half width of the (003) plane peak in the X-ray diffraction spectrum analysis may be 0.15° to 0.17°. In the present invention, the Full Width at Half-Maximum (FWHM) is the peak width at the 1/2 position of the maximum peak intensity of the (003) plane obtained by X-ray diffraction spectrum analysis (XRD) of the positive active material. means to quantify (003) When the half width of the plane is within the above range, the size of the small particle diameter particles included in the positive active material increases, the high initial efficiency and capacity characteristics of the lithium secondary battery including the positive active material are improved, and the lithium secondary battery During the charging and discharging of the battery, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the battery by suppressing the deformation caused by the volume change of the large particle diameter particles and the small particle diameter particles.
상기 대입경 2차 입자(20) 및/또는 소입경 2차 입자(10)는 일 중심을 가지는 방사형 배열 구조, 또는 복수의 중심을 가지는 다중심 방사형 배열 구조를 가질 수 있다. 상기와 같이 배향된 1차 입자(21)는 서로 응집하여 2차 입자(20)를 형성한다. 예컨대, 복수의 1차 입자(21)들은 서로 응집하여 방사형 배열구조를 가지는 대입경 2차 입자(20)를 제공할 수 있다. 상기 복수의 1차 입자(21)는 1차 입자(21)의 c축(두께) 방향을 따라 면(面)접촉을 이루도록 일 중심을 향하여 배열되어 방사형 배열 구조를 가지는 2차 입자(20)를 제공할 수 있다. 다른 구현예에서 상기 대입경 2차 입자(20)는 복수의 중심을 가지는 다중심 방사형 배열 구조를 가질 수 있다. 상기와 같이 대입경 2차 입자(20)가 일중심 또는 다중심 방사형 배열 구조를 가지는 경우, 대입경 2차 입자(20)의 중심부까지 리튬의 탈/삽입이 용이해진다. The large particle diameter
상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다:The lithium nickel-based composite oxide may be a compound represented by the following Chemical Formula 1:
[화학식 1][Formula 1]
LiaNixCoyM1-x-yO2 Li a Ni x Co y M 1-xy O 2
상기 화학식 1에서, 0.9 ≤ a ≤ 1.05, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤0.3이고, M은 Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, Zn, Ga, In, Sn, La 및 Ce에서 선택되는 적어도 하나의 금속 원소이다. In Formula 1, 0.9 ≤ a ≤ 1.05, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤ 0.3, M is Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, at least one metal element selected from Zn, Ga, In, Sn, La, and Ce.
상기 화학식 1에서, 0.98 ≤ a ≤ 1.02, 0.5 ≤ x ≤ 0.8, 0.1 ≤ y ≤0.3 또는 0.98 ≤ a ≤ 1.02, 0.6 ≤ x ≤ 0.8, 0.1 ≤ y ≤0.3일 수 있고, M은 Mn 또는 Al일 수 있다.In Formula 1, 0.98 ≤ a ≤ 1.02, 0.5 ≤ x ≤ 0.8, 0.1 ≤ y ≤ 0.3 or 0.98 ≤ a ≤ 1.02, 0.6 ≤ x ≤ 0.8, 0.1 ≤ y ≤ 0.3 may be, M is Mn or Al can
예컨대, 상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, 및 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. For example, the lithium nickel-based composite oxide may be at least one selected from LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , and LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 .
상기 소입경 입자(10, 10a)는 리튬 할라이드(13)를 포함한다. 상기 소입경 입자(10, 10a)에 리튬 할라이드(13)를 포함하는 경우에는, 양극 활물질 표면에 발생하는 잔류 리튬을 저감시키고 부반응으로 인한 가스발생을 억제할 수 있다. 따라서, 전지 작동중 양극 활물질과 전해액의 부반응을 방지하여 전지의 수명특성을 개선할 수 있다.The small
구체적으로 상기 양극 활물질(1, 1a)은, 소입경 입자 (즉, 소입경 단일 입자(10a), 소입경 2차 입자(10) 및/또는 상기 소입경 2차 입자를 구성하는 1차 입자(11))에만 리튬 할라이드(13)를 포함할 수 있으며, 이러한 경우에는 상기 대입경 2차 입자(20)에 리튬 할라이드를 포함하는 경우, 또는 상기 대입경 2차 입자(20)와 상기 소입경 입자에 리튬 할라이드를 동시에 포함하는 경우에 비해서, 상술한 효과가 더욱 현저하게 나타날 수 있다. 소입경 입자(10, 10a)는 대입경 2차 입자(20)에 비하여 단위 중량당 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적이 더 크고 잔류 리튬 및 가스발생량이 더 많다. 즉, 소입경 입자(10, 10a)에만 리튬 할라이드를 포함하는 경우에는 상대적으로 적은 양의 리튬 할라이드로 잔류 리튬 발생 및 가스 발생을 효율적으로 억제할 수 있다. Specifically, the positive electrode active material (1, 1a) is a small particle diameter particles (that is, small particle diameter single particles (10a), small particle diameter
한편, 리튬 할라이드(13)는 소입경 입자(즉, 소입경 단일 입자(10a), 소입경 2차입자 및 소입경 2차 입자(10)를 구성하는 1차 입자(11) 중 적어도 하나)의 표면에 코팅될 수 있다. 예컨대, 소입경 단일 입자(10a)의 표면에 코팅될 수 있고, 또는 소입경 2차 입자(10)의 표면과 소입경 2차 입자(10)를 구성하는 1차 입자(11)의 표면에 모두 코팅되거나, 소입경 1차 입자(11)의 표면에만 코팅될 수 있다. 이에, 리튬 할라이드(13)는 소입경 입자의 평균 입경(D50)을 증가시켜서 소입경 입자의 BET 비표면적을 감소시킬 수 있다. 따라서, 양극 활물질 표면의 잔류 리튬 발생 및 가스 발생을 효율적으로 억제할 수 있다.On the other hand, the
리튬 할라이드(13)는 소입경 단일 입자(10a), 소입경 2차 입자(10) 및 소입경 2차 입자(10)를 구성하는 1차 입자(11) 중 적어도 하나의 표면에 필름 형태로 코팅될 수 있다. 일 구현예에 따른 양극 활물질 제조 방법에 의하면, 리튬 할라이드(13)를 입자 표면에 필름 형태로 균일하게 코팅할 수 있다. 리튬 할라이드(13)는 양극 활물질의 고온 소성과정에서 융제로 작용하여 1차 입자(11)의 성장을 촉진할 수 있으므로, 입자 표면의 BET 비표면적을 더욱 효과적으로 개선할 수 있다.The
리튬 할라이드(13)는 LiF, LiCl, LiBr 및 LiI 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 일 구현예에서 LiF가 바람직하게 사용될 수 있다.The
리튬 할라이드(13)는 상기 소입경 입자 100 몰에 대하여, 0.1 내지 1.0 몰로 포함될 수 있고, 예컨대, 0.2 내지 0.8 몰, 또는 0.25 내지 0.75 몰로 포함될 수 있다. 만일 리튬 할라이드(13)의 함량이 상기 범위를 초과할 경우, 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 수명 열화가 가속될 수 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.The
상기 대입경 입자는 10 ㎛ 내지 20㎛의 평균 입경(D50)을 가질 수 있고, 예를 들어 10 ㎛ 이상, 11 ㎛ 이상, 12 ㎛ 이상, 13 ㎛ 이상, 또는 14 ㎛ 이상 및 20 ㎛ 이하, 19 ㎛ 이하, 18 ㎛ 이하, 17 ㎛ 이하, 16 ㎛ 이하, 15 ㎛ 이하의 평균 입경(D50)을 가질 수 있다. 상기 소입경 입자는 1 내지 8㎛의 평균 입경(D50)을 가질 수 있고, 예를 들어 1 ㎛ 이상, 2 ㎛ 이상, 3 ㎛ 이상, 4 ㎛ 이상 및 8 ㎛ 이하, 7 ㎛ 이하, 6 ㎛ 이하, 5 ㎛ 이하의 평균 입경(D50)을 가질 수 있다. 상기 대입경 입자 및 소입경 입자의 평균 입경이 각각 상기 범위에 해당하는 경우, 양극 활물질의 합제 밀도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 전지의 용량 특성을 개선할 수 있다.The large particle diameter particles may have an average particle diameter (D50) of 10 μm to 20 μm, for example, 10 μm or more, 11 μm or more, 12 μm or more, 13 μm or more, or 14 μm or more and 20 μm or less, 19 It may have an average particle diameter (D50) of less than or equal to 18 µm, less than or equal to 17 µm, less than or equal to 16 µm, or less than or equal to 15 µm. The small particle diameter particles may have an average particle diameter (D50) of 1 to 8 μm, for example, 1 μm or more, 2 μm or more, 3 μm or more, 4 μm or more and 8 μm or less, 7 μm or less, 6 μm or less. , may have an average particle diameter (D50) of 5 μm or less. When the average particle diameter of the large particle diameter particle and the small particle diameter particle respectively falls within the above range, the mixture density of the positive electrode active material may be increased. Accordingly, the capacity characteristics of the battery can be improved.
상기 대입경 입자 (D50)와 소입경 입자 (D50)의 평균 입경 차이(D50-D50)는 9 내지 12 ㎛일 수 있고, 예컨대, 9 내지 10㎛일 수 있다. 이에, 양극 활물질의 합제 밀도를 증가시키고, 전지의 용량 특성을 개선할 수 있다.The average particle diameter difference (D50-D50) between the large particle diameter particles (D50) and the small particle diameter particles (D50) may be 9 to 12 μm, for example, 9 to 10 μm. Accordingly, the density of the mixture of the positive electrode active material may be increased, and the capacity characteristics of the battery may be improved.
상기 대입경 2차 입자(20)를 구성하는 1차 입자(21)의 평균 입경(D50)은 예를 들어 약 200 nm 내지 약 900 nm일 수 있고, 예를 들어 200 nm 내지 800 nm, 또는 200 nm 내지 700 nm, 또는 300 nm 내지 600 nm, 또는 300 nm 내지 500 nm일 수 있다. 또한 소입경 2차 입자(10)를 구성하는 1차 입자(11)의 평균 입경 (D50)은 약 100 nm 내지 약 900 nm일 수 있고, 예를 들어 100 nm 내지 800 nm, 또는 100 nm 내지 700 nm, 또는 100 nm 내지 600 nm, 또는 100 nm 내지 500 nm일 수 있다. 이 경우 전지의 높은 초기효율 및 용량 확보가 가능하고, 충방전시 2차 입자의 부피 변화에 따른 스트레스를 억제시켜 크랙 발생을 억제할 수 있다.The average particle diameter (D50) of the
대입경 2차 입자(20)를 구성하는 1차 입자(21)와 상기 소입경 2차 입자를 구성하는 1차 입자(11)는 판상형일 수 있다. 도 4는 일 구현예에 따른 1차 입자의 형상을 나타낸 모식도이다. 도 4을 참고하면, 일 구현예에 따른 1차 입자는 (A) 육각형 등의 다각형 나노판 형상, (B) 나노 디스크 형상, (C) 직육면체 형상 등, 기본적으로 판상형 구조를 가지면서도 다양한 세부 형상을 가질 수 있다. 도 4에서 a는 장축의 길이이고 b는 단축의 길이이며, t는 두께를 나타낸다. 1차 입자의 두께 t는 면방향의 길이 a 및 b에 비하여 작게 형성되어 있을 수 있다. 면방향의 길이 a는 b에 비하여 길거나 또는 동일할 수 있다. The
한편, 1차 입자의 두께와 장축의 길이 및 단축의 길이는 예를 들어 주사전자현미경, 전계방사형 주사전자현미경 등의 전자 현미경을 이용하여 측정한 것일 수 있다.Meanwhile, the thickness of the primary particles and the length of the major axis and the length of the minor axis may be measured using, for example, an electron microscope such as a scanning electron microscope or a field emission scanning electron microscope.
대입경 2차 입자(20)를 구성하는 1차 입자(21)는 100 nm 내지 200 nm의 평균 두께를 가질 수 있고, 예컨대, 100 nm 내지 150 nm, 또는 100 nm 이상, 110 nm 이상, 120 nm 이상, 130 nm 이상 및 200 nm 이하, 190 nm 이하, 180 nm 이하, 170 nm 이하, 160 nm 이하, 150 nm 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 대입경 1차 입자(21)의 평균 입경이 상기 범위에 해당하는 경우에는 높은 초기효율 및 용량 확보가 가능하고, 충방전시 2차 입자의 부피 변화에 따른 스트레스를 억제시켜 크랙 발생을 억제할 수 있다. 이에, 수명 특성을 개선할 수 있다.The
대입경 2차 입자(20)를 구성하는 1차 입자(21)의 평균 장축의 길이는 약 200 nm 내지 약 900 nm일 수 있고, 예를 들어 200 nm 내지 800 nm, 또는 200 nm 내지 700 nm, 또는 300 nm 내지 600 nm, 또는 300 nm 내지 500 nm일 수 있다. 이 경우 전지의 높은 초기효율 및 용량 확보가 가능하고, 충방전시 2차 입자의 부피 변화에 따른 스트레스를 억제시켜 크랙 발생을 억제할 수 있다.The average long axis length of the
상기 소입경 2차 입자(10)에 응집된 1차 입자(11)는 200 nm 내지 500 nm의 평균 두께를 가질 수 있고, 예컨대, 200 nm 이상, 210 nm 이상, 220 nm 이상, 230 nm 이상 및 500 nm 이하, 490 nm 이하, 480 nm 이하, 470 nm 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 소입경 2차 입자(10)를 구성하는 1차 입자(11)의 평균 두께가 상기 범위에 해당하는 경우에는 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 높은 초기 효율 및 용량 특성이 향상되며, 리튬 이차 전지의 충방전시 상기 2차 입자의 부피 변화에 따른 변형을 억제시켜 전지의 크랙(crack) 발생을 억제할 수 있다.The primary particles 11 aggregated in the small particle diameter
또한 소입경 2차 입자(10)를 구성하는 1차 입자(11)의 평균 장축의 길이는 약 100 nm 내지 약 900 nm일 수 있고, 예를 들어 100 nm 내지 800 nm, 또는 100 nm 내지 700 nm, 또는 100 nm 내지 600 nm, 또는 100 nm 내지 약 500 nm일 수 있다. 이 경우 전지의 높은 초기효율 및 용량 확보가 가능하고, 충방전시 2차 입자의 부피 변화에 따른 스트레스를 억제시켜 크랙 발생을 억제할 수 있다.In addition, the average long axis length of the primary particles 11 constituting the small particle diameter
대입경 2차 입자(20)는 0.100 m2/g 내지 0.600 m2/g의 BET 비표면적을 가질 수 있고, 예컨대, 0.100 m2/g 이상, 0.200 m2/g 이상, 0.300 m2/g 이상 및 0.600 m2/g 이하, 0.500 m2/g 이하, 0.400 m2/g 이하의 BET 비표면적을 가질 수 있다. 대입경 2차 입자(20)가 상기 범위의 BET 비표면적을 가지는 경우에는 높은 초기효율 및 용량 확보가 가능하고, 전지 충방전시 2차 입자의 부피 변화에 따른 스트레스로부터 기인하는 크랙 발생을 억제할 수 있다. 이에, 전지의 수명 특성을 개선할 수 있다.The large particle size
상기 소입경 2차 입자(10)는 0.300 m2/g 내지 1.000 m2/g의 BET 비표면적을 가질 수 있고, 예컨대, 0.300 m2/g 이상, 0.400 m2/g 이상, 0.500 m2/g 이상 및 1.000 m2/g 이하, 0.900 m2/g 이하, 0.800 m2/g 이하, 0.700 m2/g 이하의 BET 비표면적을 가질 수 있다. 상기 소입경 2차 입자(10)의 BET 비표면적이 상기 범위에 해당하는 경우에는 표면에 잔존하는 리튬 화합물의 수치를 낮출 수 있으며, 전지 구동시 양극활물질 표면에서 일어나는 부반응 면적을 감소시켜 가스발생을 저감시킬 수 있다. The small particle size
상기 대입경 입자는, 상기 대입경 입자와 소입경 입자의 총 중량에 대하여 50 내지 90중량%로 포함될 수 있고, 예컨대, 50 중량% 이상, 55 중량% 이상, 60 중량% 이상 또는 65 중량% 이상 및 90 중량% 이하, 85 중량% 이하, 80 중량% 이하 또는 75 중량% 이하일 수 있다. The large particle size particles may be included in an amount of 50 to 90% by weight based on the total weight of the large particle size particles and the small particle size particles, for example, 50% by weight or more, 55% by weight or more, 60% by weight or more, or 65% by weight or more. and 90 wt% or less, 85 wt% or less, 80 wt% or less, or 75 wt% or less.
양극 활물질(1, 1a)은 표면에 1,400 ppm 이하의 잔류 리튬을 포함할 수 있고, 예컨대, 1,350 ppm 이하, 1,300 ppm 이하, 1,290 ppm 이하, 1,280 ppm 이하, 1,270 ppm 이하, 1,260 ppm 이하, 1,250 ppm 이하, 1,230 ppm 이하 1,200 ppm 이하 또는 1,150 ppm 이하의 잔류 리튬을 포함할 수 있다. The positive active materials 1 and 1a may contain residual lithium of 1,400 ppm or less on the surface, for example, 1,350 ppm or less, 1,300 ppm or less, 1,290 ppm or less, 1,280 ppm or less, 1,270 ppm or less, 1,260 ppm or less, 1,250 ppm or less Below, 1,230 ppm or less, 1,200 ppm or less, or 1,150 ppm or less of residual lithium may be included.
양극 활물질(1, 1a)은 3.1 내지 3.4g/cm3 또는, 3.2 g/cm3 내지 3.3 g/cm3의 합제 밀도를 가질 수 있다. 양극 활물질(1, 1a)은 서로 다른 평균 입경을 가지는 대입경 입자와 소입경 입자를 포함함에 따라 양극 활물질의 합제 밀도를 개선할 수 있다.The positive active materials 1 and 1a may have a mixture density of 3.1 to 3.4 g/cm 3 or 3.2 g/cm 3 to 3.3 g/cm 3 . As the positive electrode active materials 1 and 1a include large particle diameter particles and small particle diameter particles having different average particle diameters, the mixing density of the positive electrode active material may be improved.
이하 일 구현예에 따른 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.Hereinafter, a method of manufacturing a positive electrode active material according to an embodiment is provided.
상기 양극 활물질의 제조방법은 대입경 금속 수산화물 전구체 및 소입경 금속 수산화물 전구체를 제조하고, 대입경 금속 수산화물 전구체와 리튬 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 열처리하여 대입경 입자를 제조하고; 소입경 금속 수산화물 전구체, 리튬 원료 물질 및 리튬 할라이드(LiX)의 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 열처리하여 리튬 할라이드를 포함하는 소입경 입자를 제조하고; 상기 대입경 입자와 소입경 입자를 혼합하여 양극 활물질을 제조하는 것을 포함한다. The method for producing the positive electrode active material is to prepare a large particle diameter metal hydroxide precursor and a small particle diameter metal hydroxide precursor, mix a large particle diameter metal hydroxide precursor and a lithium raw material to prepare a mixture, and heat the mixture to prepare large particle diameter particles, ; preparing a mixture by mixing a small particle diameter metal hydroxide precursor, a lithium raw material, and a raw material of lithium halide (LiX), and heat-treating the mixture to prepare small particle diameter particles including lithium halide; and mixing the large particle diameter particles and the small particle diameter particles to prepare a positive electrode active material.
일 구현예에서, 상기 대입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자일 수 있으며, 또한, 상기 소입경 입자는 단일 입자(single crystal particle), 또는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In one embodiment, the large particle size particle may be a secondary particle including a plurality of primary particles, and the small particle size particle may be a single crystal particle, or a second particle including a plurality of primary particles. tea particles, or a combination thereof.
상기 금속 수산화물 전구체의 제조방법은 코어, 중간층 및 쉘의 구조 형성 단계에 따라 제1단계, 제2단계 및 제3단계 공정으로 제조될 수 있다. 제1단계, 제2단계 및 제3단계에서는 금속 원료의 농도 및 투입량과, 착화제인 암모니아수의 농도 및 투입량 그리고 pH조절제 투입량 등의 공정조건을 달리할 수 있다.The method for preparing the metal hydroxide precursor may be prepared in a first step, a second step, and a third step process according to the steps of forming the structure of the core, the intermediate layer, and the shell. In the first step, the second step, and the third step, process conditions such as the concentration and input amount of the metal raw material, the concentration and input amount of ammonia water as a complexing agent, and the input amount of the pH adjuster may be different.
한편, 본 명세서에서 "코어"는 2차 입자(10, 20)의 중심으로부터 표면까지의 총거리 중, 중심으로부터 65 내지 85 길이%의 영역을 말한다. 예를 들어, 리튬 니켈계 복합 산화물에서 최외곽에서 2㎛ 이내의 영역을 제외한 나머지 영역일 수 있다. 또한 "쉘(외부)"은 리튬 니켈계 복합 산화물의 중심으로부터 표면까지의 총거리 중, 최표면으로부터 5 내지 15 길이%의 영역 또는 리튬 니켈계 복합 산화물의 최외곽에서 2㎛ 이내의 영역을 말한다. "중간층"은 코어 및 쉘을 제외한 나머지 영역을 나타낸다. 본 명세서에서 1차 입자(11, 21)의 배향은 2차 입자(10, 20)의 쉘에서 주로 이루어질 수 있다.Meanwhile, in the present specification, "core" refers to an area of 65 to 85 length % from the center of the total distance from the center to the surface of the
(제1단계) 금속 수산화물 전구체의 코어를 형성하는 단계: (First step) forming a core of the metal hydroxide precursor:
반응기에 착화제 및 pH 조절제를 부가한 뒤, 금속 원료를 첨가하여 반응을 실시한다. 반응기의 교반동력은 0.1 내지 6 kW/m2 범위, 예컨대 1 내지 3 kW/m2로 조절될 수 있고, 1 내지 30 시간, 또는 5 내지 30 시간, 또는 10 내지 30 시간 동안 반응을 실시할 수 있다.After adding a complexing agent and a pH adjusting agent to the reactor, a metal raw material is added to carry out the reaction. The stirring power of the reactor may be adjusted in the range of 0.1 to 6 kW/m 2 , such as 1 to 3 kW/m 2 , and the reaction may be carried out for 1 to 30 hours, or 5 to 30 hours, or 10 to 30 hours. have.
상기 착화제는 공침 반응에서 침전물의 형성 반응 속도를 조절해주는 역할을 하는 것으로, 예컨대, 암모니아수, 시트르산(citric acid) 등이 있으며, 일 구현예서는 암모니아수가 바람직하게 사용될 수 있다. 착화제의 함량은 통상적인 수준으로 사용된다. 예컨대, 착화제의 농도는 0.1M 내지 0.7M일 수 있고, 예를 들어 약 0.2M 내지 0.5M일 수 있다.The complexing agent serves to control the reaction rate of the formation of a precipitate in the co-precipitation reaction, for example, ammonia water, citric acid, etc., and in one embodiment, ammonia water may be preferably used. The content of the complexing agent is used at a conventional level. For example, the concentration of the complexing agent may be 0.1M to 0.7M, for example about 0.2M to 0.5M.
상기 pH 조절제는 반응 혼합물의 pH를 제어하여 반응 혼합물로부터 침전물을 형성하는 역할을 하며, 예컨대 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 옥살산나트륨(Na2C2O4) 등이 있으며, 바람직하게는 수산화나트륨(NaOH)을 이용할 수 있다. 반응이 진행됨에 따라 반응기내 반응 혼합물의 pH가 달라지면 필요에 따라 pH 조절제를 더 부가하여 제어할 수 있으며, 반응 혼합물의 pH는 10 내지 12의 범위로 제어한다.The pH adjuster serves to control the pH of the reaction mixture to form a precipitate from the reaction mixture, for example, sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ), etc. , Preferably sodium hydroxide (NaOH) may be used. If the pH of the reaction mixture in the reactor changes as the reaction proceeds, a pH adjusting agent may be further added to control the reaction mixture, if necessary, and the pH of the reaction mixture is controlled in the range of 10 to 12.
금속 원료는 니켈 화합물, 망간 화합물 및 코발트 화합물 등을 순수 중에 혼합하고 이를 교반하여 얻는다. 금속 원료의 농도는 0.1M 내지 0.5M, 예를 들어 0.3M일 수 있고, 금속 원료의 투입량은 50 ml/min 내지 100 ml/min일 수 있다.A metal raw material is obtained by mixing a nickel compound, a manganese compound, a cobalt compound, etc. in pure water and stirring it. The concentration of the metal raw material may be 0.1M to 0.5M, for example, 0.3M, and the input amount of the metal raw material may be 50 ml/min to 100 ml/min.
상기 니켈 화합물의 예로는, Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O, NiC2O4·2H2O, Ni(NO3)2·6H2O, NiSO4, NiSO4·6H2O, 지방산 니켈염, 니켈 할로겐화물이 있다. 이들 중, 소성 공정시 NOX 및 SOX 등의 유해물질을 발생시키지 않은 관점에서, Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O, 및 NiC2O4·2H2O와 같이, 소성 처리시 질소원자나 황 원자를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 니켈 화합물은 1 종 단독으로 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the nickel compound include Ni(OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 ·2Ni(OH) 2 ·4H 2 O, NiC 2 O 4 ·2H 2 O, Ni(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, NiSO 4 , NiSO 4 .6H 2 O, fatty acid nickel salt, nickel halide. Among them, from the viewpoint of not generating harmful substances such as NO X and SO X during the firing process, Ni(OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 ·2Ni(OH) 2 ·4H 2 O, and NiC 2 O 4 - Like 2H 2 O, it is preferable not to contain a nitrogen atom or a sulfur atom during the calcination treatment. These nickel compounds can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
망간 화합물의 예로는 Mn2O3, MnO2, 및 Mn3O4 등의 망간산화물, MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4, 아세트산 망간, 디카르복실산 망간염, 시트르산 망간 및 지방산 망간염과 같은 망간염, 옥시 수산화물, 그리고 염화 망간과 같은 할로겐화물이 있다. 이 중, MnO2, Mn2O3 및 Mn3O4이 바람직한데, 이는 소성처리 시에 NOx 및 SOx 및 CO2와 같은 가스를 발생하지 않고, 공업원료로서 저렴하게 입수할 수 있기 때문이다. 이러한 망간 화합물은 1 종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the manganese compound include manganese oxides such as Mn 2 O 3 , MnO 2 , and Mn 3 O 4 , MnCO 3 , Mn(NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, manganese dicarboxylic acid salt, manganese citrate, and fatty acid. There are manganese salts such as manganese salts, oxyhydroxides, and halides such as manganese chloride. Among them, MnO 2 , Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 are preferable, because gases such as NO x and SO x and CO 2 are not generated during calcination and can be obtained inexpensively as industrial raw materials. to be. These manganese compounds may be used alone or in combination of two or more.
코발트 화합물의 예로는 Co(OH)2, CoOOH, CoO, Co2O3, Co3O4, Co(OCOCH3)2·4H2O, CoCl2, Co(NO3)2·6H2O, 및 Co(SO4)2·7H2O을 들 수 있다. 이들 중, 소성 처리 시에 NOx 및 SOx 등의 유해물질을 발생시키지 않는 점에서 Co(OH)2, CoOOH, CoO, Co2O3 및 Co3O4가 바람직하다. Co(OH)2 및 CoOOH는 공업적으로 저렴하고, 반응성이 높다는 관점에서 더 바람직하다. 이러한 코발트 화합물은 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of cobalt compounds include Co(OH) 2 , CoOOH, CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , Co(OCOCH 3 ) 2 .4H 2 O, CoCl 2 , Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O, and Co(SO 4 ) 2 ·7H 2 O. Among them, Co(OH) 2 , CoOOH, CoO, Co 2 O 3 and Co 3 O 4 are preferable from the viewpoint of not generating harmful substances such as NO x and SO x during the calcination treatment. Co(OH) 2 and CoOOH are industrially inexpensive and more preferable from the viewpoint of high reactivity. These cobalt compounds may be used alone or in combination of two or more.
(제2단계) 금속 수산화물 전구체의 중간층을 형성하는 단계:(Second step) forming an intermediate layer of the metal hydroxide precursor:
상기 제1단계 반응 결과물에 금속 원료 및 착화제를 부가하고 반응 혼합물의 pH를 제어한 다음, 반응을 실시한다.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 then the reaction is performed.
제2단계의 교반동력은 제1단계에서의 교반동력과 비교하여 감소될 수 있으며, 제3단계의 교반동력과 동일할 수 있다. 제2단계의 교반동력은 0.1 내지 6 kW/m2 범위이고, 예컨대, 1 내지 3 kW/m2일 수 있다. 제2단계는 1 내지 30 시간, 또는 5 내지 30 시간, 또는 10 내지 30 시간 동안 반응을 실시할 수 있다.The stirring power of the second step may be reduced compared to the stirring power of the first step, and may be the same as the stirring power of the third step. The stirring power of the second step is in the range of 0.1 to 6 kW/m 2 , and may be, for example, 1 to 3 kW/m 2 . In the second step, the reaction may be carried out for 1 to 30 hours, or 5 to 30 hours, or 10 to 30 hours.
제2단계의 구체적인 조건으로, 착화제의 농도는 예를 들어, 0.3 M 내지 1.0 M, 착화제의 투입량은 8 ml/min 내지 20 ml/min, 또는 8 ml/min 내지 12 ml/min, 금속 원료의 투입량은 90 ml/min 내지 120 ml/min일 수 있다. 제2단계에서는 제1단계로부터 얻어진 생성물을 일정시간 반응 후 입자의 성장에 따른 성장속도가 감소하는 것을 방지하기 위해 금속 원료 및 착화제의 투입량과 농도를 증가시킨다. As specific conditions of the second step, the concentration of the complexing agent is, for example, 0.3 M to 1.0 M, the input amount of the complexing agent is 8 ml/min to 20 ml/min, or 8 ml/min to 12 ml/min, metal The input amount of the raw material may be 90 ml/min to 120 ml/min. In the second step, the input amount and concentration of the metal raw material and the complexing agent are increased in order to prevent a decrease in the growth rate according to the growth of the particles after the reaction of the product obtained in the first step for a predetermined time.
(제3단계) 금속 수산화물 전구체의 쉘을 형성하는 단계를 포함하여 최종적으로 금속 수산화물 전구체를 제조하는 단계: (Third step) finally preparing a metal hydroxide precursor, including forming a shell of the metal hydroxide precursor:
상기 제2단계 반응 결과물에 금속 원료 및 착화제를 부가하고 반응 혼합물의 pH를 제어한 다음, 반응을 실시하여 금속 수산화물 전구체의 쉘을 형성하고, 얻어진 전구체를 탈이온수(DI water)에 수차례 세정과 감압필터링을 진행한 다음, 최종적으로 80도 이상 고온에서의 건조하는 것을 통해 최종적으로 금속 수산화물 전구체를 제조한다.A metal raw material and a complexing agent are added to the result of the second step reaction, the pH of the reaction mixture is controlled, and then a reaction is performed to form a shell of a metal hydroxide precursor, and the obtained precursor is washed several times in deionized water (DI water). and reduced pressure filtering, and finally, through drying at a high temperature of 80 degrees or more, a metal hydroxide precursor is finally prepared.
상기 금속 수산화물 전구체는 (001)결정면의 노출이 최소화되면서 (001)결정면간에 형성되는 기공이 적절하게 유지되어 구조적 안정성이 우수하도록 제조된다.The metal hydroxide precursor is manufactured to have excellent structural stability by properly maintaining pores formed between (001) crystal planes while minimizing exposure of (001) crystal planes.
제3단계의 교반동력은 제1단계에서의 교반동력과 비교하여 감소될 수 있으며, 제2단계의 교반동력과 동일할 수 있다. 제3단계의 교반동력은 0.1 내지 6 kW/m2 범위이고, 예컨대, 1 내지 3 kW/m2일 수 있다. 제3단계는 1시간 내지 30 시간, 또는 3 시간 내지 30 시간, 또는 10 내지 30 시간 동안 반응을 실시할 수 있다.The stirring power of the third step may be reduced compared to the stirring power of the first step, and may be the same as the stirring power of the second step. The stirring power of the third step is in the range of 0.1 to 6 kW/m 2 , and may be, for example, 1 to 3 kW/m 2 . In the third step, the reaction may be carried out for 1 hour to 30 hours, or 3 hours to 30 hours, or 10 to 30 hours.
제2단계에서 얻어진 반응 생성물의 일정시간 반응 후 입자의 성장에 따른 성장속도가 감소하는 것을 방지하기 위해 금속원료 및 착화제의 투입량과 농도를 높여준다. After the reaction product obtained in the second step is reacted for a certain period of time, the input amount and concentration of the metal raw material and the complexing agent are increased in order to prevent a decrease in the growth rate according to the growth of the particles.
제3단계의 구체적인 공정조건으로, 착화제의 농도는 0.35 M 내지 1.0 M, 착화제의 투입량은 12 ml/min 내지 18 ml/min, 또는 12 ml/min 내지 25 ml/min, 금속 원료의 투입량은 120 ml/min 내지 150 ml/min일 수 있다. 이러한, 3단계의 반응 조건은 금속 수산화물 전구체에서 다공성층의 표면 깊이에 많은 영향을 미친다. As the specific process conditions of the third step, the concentration of the complexing agent is 0.35 M to 1.0 M, the input amount of the complexing agent is 12 ml/min to 18 ml/min, or 12 ml/min to 25 ml/min, the input amount of the metal raw material may be 120 ml/min to 150 ml/min. These three-step reaction conditions greatly affect the surface depth of the porous layer in the metal hydroxide precursor.
이어서, 상기 대입경 금속 수산화물 전구체와 리튬 원료 물질을 혼합하고, 열처리하여 상기 대입경 입자를 제조한다. Then, the large particle diameter metal hydroxide precursor and the lithium raw material are mixed and heat-treated to prepare the large particle diameter particles.
분무 건조에 의해 얻어진 대입경 금속 수산화물 전구체 분말을 Li2CO3, LiNO3, LiNO2, LiOH, LiOH·H2O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH3OOLi, Li2O, Li2SO4, 디카르복실산 리튬염, 시트르산 리튬, 지방산 리튬염, 알킬리튬과 같은 리튬 원료 물질과 충분하게 혼합한다. 이 때, Li: (Ni + Co + Mn)의 몰비는 1:1을 초과할 수 있다. 구체적으로 1.01:1 내지 1.06:1, 보다 더 구체적으로 1.02:1 내지 1.05:1 일 수 있다. The large particle diameter metal hydroxide precursor powder obtained by spray drying was mixed with Li 2 CO 3 , LiNO 3 , LiNO 2 , LiOH, LiOH·H 2 O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH 3 OOLi, Li 2 O, Li 2 SO 4 , dicarboxylic acid lithium salt, lithium citrate, fatty acid lithium salt, lithium raw material such as alkyl lithium is mixed sufficiently. In this case, the molar ratio of Li: (Ni + Co + Mn) may exceed 1:1. Specifically, it may be 1.01:1 to 1.06:1, and more specifically 1.02:1 to 1.05:1.
상기 대입경 입자를 수득하는 단계에서, 상기 대입경 금속 수산화물 전구체에 리튬 원료 물질과 함께 도핑 물질을 추가로 더 포함할 수도 있다. 상기 도핑 물질로는 Ba, Mg, Al, Fe, Ti, W, B, Zr 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물이 사용될 수 있으며, 구체적으로 Al, Zr 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물이 사용될 수 있다.In the step of obtaining the large-diameter particles, a doping material may be further included in the large-diameter metal hydroxide precursor together with the lithium raw material. As the doping material, a compound containing Ba, Mg, Al, Fe, Ti, W, B, Zr, or a combination thereof may be used, and specifically, a compound containing Al, Zr or a combination thereof may be used. .
이렇게 얻어진 분말 혼합물은 1차 소성 처리(열처리)된다. 이 1차 소성 조건은 조성 및 사용되는 리튬 원료 물질에 따라 결정된다. 1차 소성 처리 시의 소성 온도는 통상 800℃이상이며, 또한 통상 1000℃이하, 바람직하게는 950℃이하, 더욱 바람직하게는 900℃이하이다. 상기 1차 소성 처리 시 상기 온도 조건을 일정 시간 유지한 후, 일정한 속도로 온도를 10℃ 내지 40℃까지 감온함으로써, 상기 1차 소성 처리 공정을 완료할 수 있다.The powder mixture thus obtained is subjected to a primary calcination treatment (heat treatment). This primary firing condition is determined according to the composition and the lithium raw material used. The firing temperature in the primary firing treatment is usually 800°C or higher, and is usually 1000°C or lower, preferably 950°C or lower, and more preferably 900°C or lower. After maintaining the temperature condition for a predetermined time during the primary firing treatment, the temperature may be decreased to 10° C. to 40° C. at a constant rate, thereby completing the first firing treatment process.
이어서, 소입경 금속 수산화물 전구체, 리튬 원료 물질 및 리튬 할라이드(LiX)의 원료 물질을 혼합하고, 열처리하여 상기 리튬 할라이드를 포함하는 소입경 입자를 제조한다.Then, the small particle size metal hydroxide precursor, the lithium raw material, and the raw material of lithium halide (LiX) are mixed and heat-treated to prepare small particle size particles including the lithium halide.
분무 건조에 의해 얻어진 소입경 금속 수산화물 전구체 분말을 리튬 원료 물질과 혼합하고, 여기에 리튬 할라이드의 원료 물질을 충분히 혼합한다. The small particle diameter metal hydroxide precursor powder obtained by spray drying is mixed with a lithium raw material, and the raw material of lithium halide is sufficiently mixed therein.
상기 소입경 입자를 수득하는 단계에서, 상기 소입경 금속 수산화물 전구체에 리튬 원료 물질 및 리튬 할라이드의 원료 물질과 함께 도핑 물질을 추가로 더 포함할 수도 있다. 상기 도핑 물질로는 Ba, Mg, Al, Fe, Ti, W, B, Zr 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물이 사용될 수 있으며, 구체적으로 Al, Zr 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물이 사용될 수 있다.In the step of obtaining the small particle size particles, a doping material may be further included in the small particle size metal hydroxide precursor together with the lithium raw material and the lithium halide raw material. As the doping material, a compound containing Ba, Mg, Al, Fe, Ti, W, B, Zr, or a combination thereof may be used, and specifically, a compound containing Al, Zr or a combination thereof may be used. .
리튬 원료 물질의 종류와 혼합에 관한 사항은 상기 대입경 입자 제조에서 서술한 바와 같다.The types and mixing of lithium raw materials are the same as those described in the above-mentioned large particle size particle production.
리튬 할라이드의 원료 물질로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVdF-co-HFP) 및 또는 이들의 조합을 포함하는 불소계 고분자 화합물; 또는 불화 수소, 불화 산소, 불화 수소산, 염화수소, 염산, 산화염소, 불화 산화염소, 산화 브롬, 플루오로황산, 브롬, 요오드화 수소, 산화 요오드, 과요오드산 등이 사용될 수 있으며, 예컨대, NH4F, NH4Cl, NH4Br, NH4I, LiF, LiCl, LiBr, LiI, MnF2, MnCl2, MnBr2, MnI2 또는 이들의 조합을 포함하는 화합물이 사용될 수 있고, 구체적으로, PVdF 또는 LiF를 이용할 수 있다. Examples of raw materials for lithium halide include fluorine-based polymer compounds including polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-co-HFP), and a combination thereof; Or hydrogen fluoride, oxygen fluoride, hydrofluoric acid, hydrogen chloride, hydrochloric acid, chlorine oxide, chlorine fluoride oxide, bromine oxide, fluorosulfuric acid, bromine, hydrogen iodide, iodine oxide, periodic acid, etc. may be used, for example, NH 4 F , NH 4 Cl, NH 4 Br, NH 4 I, LiF, LiCl, LiBr, LiI, MnF 2 , MnCl 2 , MnBr 2 , MnI 2 or a combination thereof can be used, specifically, PVdF or LiF may be used.
상기 리튬 할라이드(LiX)의 원료 물질은 소입경 금속 수산화물 전구체에 대하여 0.1 내지 1 몰%로 혼합될 수 있고, 예컨대, 0.2 내지 0.8 몰%로 혼합될 수 있다.The raw material of the lithium halide (LiX) may be mixed in an amount of 0.1 to 1 mol%, for example, 0.2 to 0.8 mol%, based on the small particle diameter metal hydroxide precursor.
한편, 리튬 할라이드의 원료 물질의 일 예로서 리튬 플루오라이드(LiF)는 녹는점이 835℃ 이상으로 매우 높기 때문에, 일반적으로 고 니켈계 양극 활물질을 제조하는 열처리 온도 범위(800 내지 900℃)에서는 잘 녹지 않고 고상으로 존재하여 양극 활물질 표면에 균일한 코팅을 형성하기 어렵다. 그러나, 상기 LiF를 상기 리튬 원료 물질과 혼합하는 경우, LiF가 단일상으로 존재하는 경우에 비해 LiF의 녹는점이 크게 감소하여, 고니켈계 양극 활물질 제조시의 온도 범위에서 용융 상태로 존재할 수 있으므로, 양극 활물질 표면에 필름 형태로 균일하게 코팅할 수 있는 장점이 있다. On the other hand, since lithium fluoride (LiF) as an example of a raw material for lithium halide has a very high melting point of 835° C. or more, it is generally not soluble in a heat treatment temperature range (800 to 900° C.) for manufacturing a high nickel-based positive electrode active material. It is difficult to form a uniform coating on the surface of the positive electrode active material because it exists in a solid state without However, when the LiF is mixed with the lithium raw material, the melting point of LiF is greatly reduced compared to the case where LiF is present as a single phase, so that it may exist in a molten state in the temperature range at the time of manufacturing the high nickel-based positive electrode active material, It has the advantage of being able to uniformly coat the surface of the positive electrode active material in the form of a film.
또한, 상기의 과정을 통해 소입경 입자가 생성되는 경우, 리튬 원료 물질이 상기 전구체와 반응하여 리튬 니켈계 복합 산화물을 제조하는 과정에서 리튬 할라이드의 원료 물질도 상기 리튬 니켈계 복합 산화물 2차 입자의 내부로 침투되어, 상기 2차 입자의 표면뿐만 아니라 이를 구성하는 1차 입자의 표면에도 필름 형태로 균일하게 코팅할 수 있는 장점이 있다. In addition, when the small particle size particles are generated through the above process, the raw material of the lithium halide is also of the lithium nickel-based composite oxide secondary particles in the process of preparing the lithium nickel-based composite oxide by reacting the lithium raw material with the precursor. Penetrating into the interior, there is an advantage that can be uniformly coated in the form of a film not only on the surface of the secondary particles, but also on the surface of the primary particles constituting the same.
이렇게 얻어진 분말 혼합물은 2차 소성 처리(열처리) 된다. 이 2차 소성 조건은 상기 대입경 입자 제조의 1차 소성 조건에서 서술한 바와 같다.The powder mixture thus obtained is subjected to secondary firing treatment (heat treatment). The secondary firing conditions are the same as those described in the first firing conditions for the production of large particle diameter particles.
이어서, 상기 대입경 입자와 소입경 입자를 혼합하여 일 구현예에 따른 양극 활물질을 제조할 수 있다.Then, the positive electrode active material according to the embodiment may be prepared by mixing the large particle diameter particles and the small particle diameter particles.
다른 일 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment may include a positive electrode including the positive active material; a negative electrode comprising an anode active material; and an electrolyte; provides a lithium secondary battery comprising.
상기 양극은 전류 집전체 및 상기 전류 집전체 상에 형성되고, 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층을 포함한다.The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector and including a positive electrode active material.
상기 양극 활물질층에서, 상기 양극 활물질의 함량은 양극 활물질층 전체 중량에 대하여 90 중량% 내지 98 중량%일 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질층은 바인더 및 도전재를 더욱 포함할 수 있다. 상기 바인더 및 상기 도전재의 함량은 양극 활물질층 전체 중량에 대하여 각각 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. In the cathode active material layer, the content of the cathode active material may be 90 wt% to 98 wt% based on the total weight of the cathode active material layer. In addition, the positive active material layer may further include a binder and a conductive material. The content of the binder and the conductive material may be 1 wt% to 5 wt%, respectively, based on the total weight of the positive electrode active material layer.
상기 양극 활물질은 상술한 바와 같다. The positive active material is the same as described above.
상기 바인더로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌 부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride. , polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, etc. may be used, but is not limited thereto.
상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.Examples of the conductive material include carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber; metal-based substances such as metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal fibers; conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Alternatively, a conductive material including a mixture thereof may be used.
상기 전류 집전체로는 알루미늄 박(foil), 니켈 박 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.As the current collector, an aluminum foil, a nickel foil, or a combination thereof may be used, but is not limited thereto.
상기 음극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체 위에 형성된 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층을 포함한다.The negative electrode includes a current collector and an anode active material layer including a negative active material formed on the current collector.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함한다.The negative active material includes a material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.The material capable of reversibly intercalating/deintercalating the lithium ions is a carbon material, and any carbon-based negative active material generally used in lithium ion secondary batteries may be used, and a representative example thereof is crystalline carbon. , amorphous carbon or these may be used together. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate-shaped, flake-shaped, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon or hard carbon ( hard carbon), mesophase pitch carbide, and calcined coke.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.The lithium metal alloy includes lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn from the group consisting of Alloys of selected metals may be used.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-R 합금(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Q 및 R로는 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, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. Examples of the material capable of doping and dedoping lithium include Si, SiO x (0 < x < 2), Si-Q alloy (wherein Q is an alkali metal, alkaline earth metal,
상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 또는 리튬 티타늄 산화물 등을 들 수 있다.Examples of the transition metal oxide include vanadium oxide, lithium vanadium oxide or lithium titanium oxide.
상기 음극 활물질층에서 음극 활물질의 함량은 음극 활물질층 전체 중량에 대하여 95 중량% 내지 99 중량%일 수 있다.The content of the anode active material in the anode active material layer may be 95 wt% to 99 wt% based on the total weight of the anode active material layer.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 음극 활물질층은 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다. 상기 음극 활물질층에서 바인더의 함량은 음극 활물질층 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. 또한 도전재를 더욱 포함하는 경우에는 음극 활물질을 90 중량% 내지 98 중량%, 바인더를 1 중량% 내지 5 중량%, 도전재를 1 중량% 내지 5 중량% 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the negative active material layer includes a binder, and may optionally further include a conductive material. The content of the binder in the anode active material layer may be 1 wt% to 5 wt% based on the total weight of the anode active material layer. In addition, when the conductive material is further included, 90 wt% to 98 wt% of the negative active material, 1 wt% to 5 wt% of the binder, and 1 wt% to 5 wt% of the conductive material may be used.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The binder serves to well adhere the negative active material particles to each other and also to adhere the negative active material well to the current collector. As the binder, a water-insoluble binder, a water-soluble binder, or a combination thereof may be used.
상기 비수용성 바인더로는 스티렌-부타디엔 러버, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 들 수 있다.Examples of the water-insoluble binder include styrene-butadiene rubber, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene propylene copolymer, polyacrylonitrile, polystyrene, polyurethane, polytetrafluoroethylene, poly vinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyamideimide, polyimide, or combinations thereof.
상기 수용성 바인더로는 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피크로로히드린, 폴리포스파젠, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 폴리비닐알콜 또는 이들의 조합일 수 있다.Examples of the water-soluble binder include acrylated styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluororubber, ethylene oxide-containing polymer, polyvinylpyrrolidone, polyepicro Rohydrin, polyphosphazene, ethylene propylene diene copolymer, polyvinylpyridine, chlorosulfonated polyethylene, latex, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, polyvinyl alcohol, or a combination thereof.
상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로즈 계열 화합물을 증점제로 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로즈 계열 화합물로는 카르복시메틸 셀룰로즈, 하이드록시프로필메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제 사용 함량은 음극 활물질 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 3 중량부일 수 있다. When a water-soluble binder is used as the negative electrode binder, a cellulose-based compound capable of imparting viscosity may be further included as a thickener. As the cellulose-based compound, one or more of carboxymethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, methyl cellulose, or alkali metal salts thereof may be mixed and used. As the alkali metal, Na, K or Li may be used. The amount of the thickener used may be 0.1 parts by weight to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative active material.
상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.Examples of the conductive material include carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber; metal-based substances such as metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal fibers; conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Alternatively, a conductive material including a mixture thereof may be used.
상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The current collector may be selected from the group consisting of copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with conductive metal, and combinations thereof.
상기 전해질은 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함한다.The electrolyte includes a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.
상기 비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
상기 비수성 유기용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 데카놀라이드(decanolide), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란, 시클로헥사논, 에틸알코올, 이소프로필 알코올, R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류, 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. Examples of the non-aqueous organic solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methylpropionate, ethylpropionate, decanolide, mevalo mevalonolactone, caprolactone, dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, cyclohexanone, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, R Nitriles such as -CN (R is a linear, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may contain a double bond aromatic ring or ether bond); amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane and sulfolanes may be used.
상기 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.The organic solvent may be used alone or in a mixture of one or more, and when one or more of the organic solvents are mixed and used, the mixing ratio can be appropriately adjusted according to the desired battery performance, which can be widely understood by those in the art. have.
또한 상기 유기용매는 방향족 탄화수소계 유기용매를 추가로 포함할 수도 있다. 상기 방향족 탄화수소계 유기용매의 구체적인 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 2,3-디플루오로톨루엔, 2,4-디플루오로톨루엔, 2,5-디플루오로톨루엔, 2,3,4-트리플루오로톨루엔, 2,3,5-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 2,3-디클로로톨루엔, 2,4-디클로로톨루엔, 2,5-디클로로톨루엔, 2,3,4-트리클로로톨루엔, 2,3,5-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 2,3-디아이오도톨루엔, 2,4-디아이오도톨루엔, 2,5-디아이오도톨루엔, 2,3,4-트리아이오도톨루엔, 2,3,5-트리아이오도톨루엔, 자일렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.In addition, the organic solvent may further include an aromatic hydrocarbon-based organic solvent. Specific examples of the aromatic hydrocarbon-based organic solvent include benzene, fluorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 1,4-difluorobenzene, 1,2,3-tri Fluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 1,2,3-trichlorobenzene, 1 ,2,4-trichlorobenzene, iodobenzene, 1,2-diiodobenzene, 1,3-diiodobenzene, 1,4-diiodobenzene, 1,2,3-triiodobenzene, 1, 2,4-triiodobenzene, toluene, fluorotoluene, 2,3-difluorotoluene, 2,4-difluorotoluene, 2,5-difluorotoluene, 2,3,4-trifluoro Rottoluene, 2,3,5-trifluorotoluene, chlorotoluene, 2,3-dichlorotoluene, 2,4-dichlorotoluene, 2,5-dichlorotoluene, 2,3,4-trichlorotoluene, 2, 3,5-trichlorotoluene, iodotoluene, 2,3-diiodotoluene, 2,4-diiodotoluene, 2,5-diiodotoluene, 2,3,4-triiodotoluene, 2,3 ,5-triiodotoluene, xylene, and combinations thereof.
상기 전해질은 비닐렌 카보네이트 또는 에틸렌 카보네이트계 화합물을 수명 향상 첨가제로 더욱 포함할 수도 있다.The electrolyte may further include vinylene carbonate or an ethylene carbonate-based compound as a lifespan improving additive.
상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 이러한 수명 향상 첨가제를 더욱 사용하는 경우 그 사용량은 적절하게 조절할 수 있다.Representative examples of the ethylene carbonate-based compound include difluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, dichloroethylene carbonate, bromoethylene carbonate, dibromoethylene carbonate, nitroethylene carbonate, cyanoethylene carbonate or fluoroethylene carbonate. can When such a life-enhancing additive is further used, its amount can be appropriately adjusted.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 이러한 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수이며, 예를 들면 1 내지 20의 정수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bis(oxalato) borate: LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 리튬염의 농도는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt is dissolved in an organic solvent, serves as a source of lithium ions in the battery, enables the basic operation of a lithium secondary battery, and serves to promote movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. Representative examples of such lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN(SO 3 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 ), where x and y are natural numbers, for example It is an integer from 1 to 20), LiCl, LiI and LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate: LiBOB) one or more selected from the group consisting of supporting (supporting) It is included as an electrolyte salt.It is recommended that the concentration of the lithium salt be used within the range of 0.1 M to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is included in the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so that excellent electrolyte performance can be exhibited; Lithium ions can move effectively.
리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.A separator may exist between the positive electrode and the negative electrode depending on the type of the lithium secondary battery. As such a separator, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or a multilayer film of two or more layers thereof may be used. A polyethylene/polypropylene two-layer separator, a polyethylene/polypropylene/polyethylene three-layer separator, and polypropylene/polyethylene/poly It goes without saying that a mixed multilayer film such as a propylene three-layer separator or the like can be used.
도 4는 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 대표적인 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.4 is a perspective view schematically illustrating a typical structure of a lithium secondary battery according to an embodiment.
도 4를 참고하면, 리튬 이차 전지(100)는 일구현예에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극(60), 음극(50) 및 세퍼레이터(70)를 포함한다. 상술한 양극(60), 음극(50) 및 세퍼레이터(70)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(80)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(80)에 유기 전해액이 주입되고 밀봉되어 리튬 이차 전지(100)가 완성된다. 상기 전지 케이스(80)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. Referring to FIG. 4 , the lithium
상기 리튬 이차 전지(100)는 리튬 이온 전지일 수 있다. The lithium
상기 양극(60) 및 음극(50) 사이에 세퍼레이터(70)가 배치되어 권취되거나 적층되어 전극 조립체가 형성될 수 있다. 상기 전극 조립체가 전지 케이스(80)에 수용되어, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 밀봉되면 리튬 이차 전지(100)가 완성된다.A
또한, 상기 리튬 이차 전지가 회로로 구성되어 전지 팩을 형성하고, 필요에 따라 단일 또는 복수 개로 구성된 팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예컨대, 노트북, 스마트 폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차 전지는 고온에서 저장 안정성, 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예컨대, 플러그인 하이브리드 차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에 사용될 수 있다.In addition, the lithium secondary battery is configured as a circuit to form a battery pack, and if necessary, a single or a plurality of packs may be used in any device requiring high capacity and high output. For example, it can be used in a laptop, a smart phone, an electric vehicle, and the like. In addition, since the lithium secondary battery has excellent storage stability, lifespan characteristics, and high rate characteristics at high temperatures, it can be used in electric vehicles (EVs). For example, it may be used in a hybrid vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described. The following examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example
합성예 1: 대입경 금속 수산화물 전구체(NiSynthesis Example 1: Large particle diameter metal hydroxide precursor (Ni 0.60.6 CoCo 0.20.2 MnMn 0.20.2 (OH)(OH) 22 )의 합성) synthesis
하기 제조과정에서 금속 수산화물 전구체를 형성하는 금속 원료로는 황산니켈, 황산코발트 및 황산망간을 이용하였다. 반응은 2개 단계로 나누어 순차적으로 진행하였다.Nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate were used as metal raw materials for forming the metal hydroxide precursor in the following manufacturing process. The reaction was carried out sequentially by dividing it into two steps.
[제1 단계][Step 1]
먼저, 반응기에 농도가 0.30M인 암모니아수(NH3)를 넣었다. 반응온도 50에서 교반동력 1.5kW/㎥, 금속원료 및 착화제(암모니아수)를 각각 9:1의 농도 비로 넣으면서 반응을 진행했다. 동시에 반응기 내 착화제의 농도가 0.30M이 되도록 유지하였다. 반응 중 NaOH를 투입하여 pH를 10 내지 11로 유지하였다. 반응 결과 얻어진 코어 입자의 평균 사이즈가 약 5.5㎛ 내지 6.5㎛ 범위인 것을 확인하고 제2 단계를 다음과 같이 실시하였다.First, ammonia water (NH 3 ) having a concentration of 0.30M was put into the reactor.
[제2 단계][Step 2]
교반동력을 1.0kW/㎥ 으로 낮추고, 금속원료 및 착화제를 각각 7:1의 농도비로 변경하였으며, 반응기 내 착화제의 농도를 0.35M로 변경한 것 외에는 제1 단계와 동일하게 반응을 진행하였다. 이러한 반응을 실시하여 얻어진 코어 및 중간층을 함유한 생성물 입자의 평균 사이즈가 12㎛ 내지 13㎛인 것을 확인하고 반응을 종료하였다.The reaction was carried out in the same manner as in the first step except that the stirring power was lowered to 1.0 kW/㎥, the metal raw material and the complexing agent were each changed to a concentration ratio of 7:1, and the concentration of the complexing agent in the reactor was changed to 0.35M. . It was confirmed that the average size of the product particles containing the core and the intermediate layer obtained by carrying out this reaction was 12 mu m to 13 mu m, and the reaction was terminated.
상기 결과물을 세척한 후, 세척된 결과물을 약 150에서 24시간 동안 열풍 건조하여 대입경 금속 수산화물 전구체(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)를 얻었다.After washing the resultant, the washed product is about 150 A large particle diameter metal hydroxide precursor (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) was obtained by hot air drying for 24 hours.
합성예 2: 소입경 금속 수산화물 전구체(NiSynthesis Example 2: Small particle size metal hydroxide precursor (Ni 0.60.6 CoCo 0.20.2 MnMn 0.20.2 (OH)(OH) 22 )의 합성) synthesis
하기 제조과정에서 금속 수산화물 전구체를 형성하는 금속 원료로는 황산니켈, 황산코발트 및 황산망간을 이용하였다.Nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate were used as metal raw materials for forming the metal hydroxide precursor in the following manufacturing process.
반응기에 농도가 0.30M인 암모니아수(NH3)를 넣었다. 반응온도 40℃에서 교반동력 2.0kW/㎥, 금속원료 및 착화제를 5:1의 농도 비로 투입하면서 반응을 진행했다. 반응기 내 착화제의 농도가 0.30M이 되도록 유지하였다. 반응 중 NaOH를 투입하여 pH를 12 내지 13으로 유지하였다. 반응 결과 얻어진 코어 입자의 평균 사이즈가 약 2.5㎛ 내지 3.0㎛ 범위인 것을 확인하고 반응을 종료 하였다. Ammonia water (NH 3 ) having a concentration of 0.30M was added to the reactor. At a reaction temperature of 40° C., the reaction was carried out while adding a stirring power of 2.0 kW/m 3 , a metal raw material and a complexing agent in a concentration ratio of 5:1. The concentration of the complexing agent in the reactor was maintained at 0.30M. During the reaction, NaOH was added to maintain the pH at 12-13. As a result of the reaction, it was confirmed that the average size of the obtained core particles was in the range of about 2.5 μm to 3.0 μm, and the reaction was terminated.
상기 결과물을 세척한 후, 세척된 결과물을 약 150℃에서 24시간 동안 열풍 건조하여 소입경 금속 수산화물 전구체(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)를 얻었다.After washing the resultant, the washed resultant was dried with hot air at about 150° C. for 24 hours to obtain a metal hydroxide precursor having a small particle size (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ).
실시예 1-1Example 1-1
(1) 양극 활물질의 제조(1) Preparation of positive electrode active material
(i) 대입경 2차 입자의 제조 (i) Preparation of secondary particles of large particle size
합성예 1에서 제조된 대입경 금속 수산화물 전구체 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 및 LiOH를 1 : 1 몰비로 혼합한 후, 열처리하여 리튬 니켈계 복합 산화물 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2를 포함하는 대입경 2차 입자를 얻었다. 상기 열처리 공정은 산소분위기에서 2.0℃/min의 속도로 25℃에서 830℃까지 승온한 후 830℃에서 6시간 유지하고, 830℃에서 25℃까지 2.0℃/min의 속도로 냉각시키는 과정으로 수행되었다.The large particle diameter metal hydroxide precursor Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 and LiOH prepared in Synthesis Example 1 were mixed in a molar ratio of 1:1, and then heat-treated to include LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 to obtain secondary particles having a large particle size. The heat treatment process was performed by raising the temperature from 25°C to 830°C at a rate of 2.0°C/min in an oxygen atmosphere, maintaining it at 830°C for 6 hours, and cooling it from 830°C to 25°C at a rate of 2.0°C/min. .
(ii) 소입경 2차 입자의 제조 (ii) Preparation of small particle diameter secondary particles
합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.0025 몰비로 혼합한 후, 열처리하여 리튬 니켈계 복합 산화물 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2와 LiF를 포함하는 소입경 2차 입자를 얻었다. 상기 열처리 공정은 산소분위기에서 2.0℃/min의 속도로 25℃에서 830℃까지 승온한 후 830℃에서 6시간 유지하고, 830℃에서 25℃까지 2.0℃/min의 속도로 냉각시키는 과정으로 수행되었다.The small particle diameter metal hydroxide precursor Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 , LiOH and LiF prepared in Synthesis Example 2 were mixed in a molar ratio of 1: 1: 0.0025, and then heat-treated to heat-treat a lithium nickel-based composite oxide LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 Small particle diameter secondary particles containing O 2 and LiF were obtained. The heat treatment process was performed by raising the temperature from 25°C to 830°C at a rate of 2.0°C/min in an oxygen atmosphere, maintaining it at 830°C for 6 hours, and cooling it from 830°C to 25°C at a rate of 2.0°C/min. .
(iii) 양극 활물질의 제조(iii) Preparation of positive electrode active material
제조된 대입경 2차 입자(D50: 11.7 μm)와 소입경 2차 입자(D50: 2.8 μm)를 7:3 중량비로 혼합하여 양극 활물질을 제조하였다. 대입경 2차 입자와 소입경 2차 입자의 평균 입경(D50)은 PSD(Particle size distribution) 측정기기를 이용하여 측정하였다. The prepared large particle diameter secondary particles (D50: 11.7 μm) and small particle diameter secondary particles (D50: 2.8 μm) were mixed in a 7:3 weight ratio to prepare a positive electrode active material. The average particle diameter (D50) of the secondary particles with large and small diameters was measured using a particle size distribution (PSD) measuring device .
(2) 코인 셀의 제조(2) Preparation of coin cells
제조된 양극 활물질, 카본블랙 탄소도전제(제품명: Denka Black, Denka Korea 社 제조) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 92:4:4의 중량비로 혼합한 혼합물을 N-메틸피롤리돈(NMP)과 함께 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 15㎛ 두께의 알루미늄 집전체 위에 상기 슬러리를 바코팅(bar coating)하고 상온에서 건조한 후 진공, 120℃의 조건에서 다시 한번 건조하고, 압연 및 펀칭하여 45㎛ 두께의 양극판을 제조하였다.A mixture of the prepared cathode active material, carbon black carbon conductive agent (product name: Denka Black, manufactured by Denka Korea) and polyvinylidene fluoride (PVdF) in a weight ratio of 92:4:4 was mixed with N-methylpyrrolidone ( NMP) to prepare a slurry. The slurry was bar coated on an aluminum current collector having a thickness of 15 μm, dried at room temperature, dried once again under vacuum and 120° C., and rolled and punched to prepare a 45 μm thick positive plate.
상기에서 제조된 양극판을 사용하여, 리튬 금속을 상대 전극으로 하고, PTFE 세퍼레이터(separator)와 1.3M LiPF6가 EC(에틸렌 카보네이트), DEC(디에틸 카보네이트) 및 EMC(에틸메틸카보네이트)의 혼합용매(3:4:3 부피비)에 녹아있는 용액을 전해질로 사용하여 코인 셀을 제조하였다.Using the positive electrode prepared above, lithium metal as a counter electrode, PTFE separator and 1.3M LiPF 6 mixed solvent of EC (ethylene carbonate), DEC (diethyl carbonate) and EMC (ethylmethyl carbonate) A coin cell was prepared using a solution dissolved in (3:4:3 volume ratio) as an electrolyte.
실시예 1-2Example 1-2
합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.005 몰비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 실시하여 양극 활물질을 제조하고, 코인 셀을 제조하였다.The small particle diameter metal hydroxide precursor Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 , LiOH and LiF prepared in Synthesis Example 2 were mixed in a molar ratio of 1:1: 0.005 in the same manner as in Example 1-1. An active material was prepared, and a coin cell was prepared.
실시예 1-3Examples 1-3
합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.0075 몰비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 실시하여 양극 활물질을 제조하고, 코인 셀을 제조하였다.The small particle diameter metal hydroxide precursor Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 , LiOH and LiF prepared in Synthesis Example 2 were mixed in a molar ratio of 1:1: 0.0075 in the same manner as in Example 1-1. An active material was prepared, and a coin cell was prepared.
실시예 2-1 Example 2-1
실시예 1-1의 (i) 대입경 2차 입자의 제조 공정의 열처리 온도와 (ii) 소입경 2차 입자의 제조 공정의 열처리 온도를 850℃로 변경한 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일하게 실시하여 양극 활물질 및 코인 셀을 제조하였다.Example 1-1, except that the heat treatment temperature of (i) the manufacturing process of large particle diameter secondary particles and (ii) the heat treatment temperature of the small particle diameter secondary particle manufacturing process of Example 1-1 was changed to 850 ° C. In the same manner, a positive active material and a coin cell were manufactured.
실시예 2-2 Example 2-2
실시예 1-1의 (i) 대입경 2차 입자의 제조 공정의 열처리 온도와 (ii) 소입경 2차 입자의 제조 공정의 열처리 온도를 850℃로 변경하고, 합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.005 몰비로 혼합한 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일하게 실시하여 양극 활물질 및 코인 셀을 제조하였다.The small particle diameter prepared in Synthesis Example 2 by changing the heat treatment temperature of the manufacturing process of (i) large particle diameter secondary particles and (ii) the small particle diameter secondary particle manufacturing process of Example 1-1 to 850 ° C. A cathode active material and a coin cell were prepared in the same manner as in Example 1-1, except that the metal hydroxide precursor Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 , LiOH and LiF were mixed in a molar ratio of 1:1:0.005.
실시예 2-3 Example 2-3
실시예 1-1의 (i) 대입경 2차 입자의 제조 공정의 열처리 온도와 (ii) 소입경 2차 입자의 제조 공정의 열처리 온도를 850℃로 변경하고, 합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2, LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.0075 몰비로 혼합한 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일하게 실시하여 양극 활물질 및 코인 셀을 제조하였다.The small particle diameter prepared in Synthesis Example 2 by changing the heat treatment temperature of the manufacturing process of (i) large particle diameter secondary particles and (ii) the small particle diameter secondary particle manufacturing process of Example 1-1 to 850 ° C. A cathode active material and a coin cell were prepared in the same manner as in Example 1-1, except that the metal hydroxide precursor Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 , LiOH and LiF were mixed in a molar ratio of 1: 1: 0.0075.
실시예 3 Example 3
소입경 단일 입자 활물질 (제조사: Xiamen Tungsten Cathode社)에다 LiF를 1 : 0.0025 몰비로 혼합한 후, 열처리하여 리튬 니켈계 복합 산화물 LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2와 LiF를 포함하는 소입경 단일 입자를 얻었다. 상기 열처리 공정은 산소분위기에서 2.0℃/min의 속도로 25℃에서 850℃까지 승온한 후 850℃에서 6시간 유지하고, 850℃에서 25℃까지 2.0℃/min의 속도로 냉각시키는 과정으로 수행되었다.Small particle size single particle active material (manufacturer: Xiamen Tungsten Cathode) was mixed with LiF in a molar ratio of 1: 0.0025, and then heat treated to obtain small particle size single particles containing lithium nickel-based composite oxide LiNi 0.83 Co 0.11 Mn 0.06 O 2 and LiF. got it The heat treatment process was performed by raising the temperature from 25°C to 850°C at a rate of 2.0°C/min in an oxygen atmosphere, maintaining it at 850°C for 6 hours, and cooling it from 850°C to 25°C at a rate of 2.0°C/min. .
실시예 1-1의 (i) 에 따라 제조된 대입경 2차 입자(D50 11.7 μm)와 소입경 단일 입자(D50 2.8 μm)를 7:3 중량비로 혼합하여 양극 활물질을 제조하였다. 대입경 2차 입자와 소입경 단일 입자의 평균 입경(D50)은 PSD(Particle size distribution) 측정기기를 이용하여 측정하였다. A positive active material was prepared by mixing the secondary particles with a large particle diameter (D50 11.7 μm) prepared according to (i) of Example 1-1 and single particles with a small particle diameter (D50 2.8 μm) in a 7:3 weight ratio. The average particle diameter (D50) of secondary particles of large particle size and single particles of small particle size was measured using a particle size distribution (PSD) measuring device .
상기 양극 활물질을 이용하여 실시예 1-1과 동일한 방법으로 코인 셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1 using the positive active material.
비교예 1Comparative Example 1
합성예 1에서 제조된 대입경 금속 수산화물 전구체와 합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체를 7:3 중량비로 혼합하고, 여기에 LiOH를, Li:Metal(전이금속 원소 몰수) 1 : 1 몰비로 혼합한 후 열처리하여 양극 활물질을 제조하였다. 상기 열처리는 산소분위기에서 2.0℃/min의 속도로 25℃에서 830℃까지 승온한 후 830℃에서 6시간 유지하고, 830℃에서 25℃까지 2.0℃/min의 속도로 냉각시키는 과정으로 수행되었다.The large particle diameter metal hydroxide precursor prepared in Synthesis Example 1 and the small particle diameter metal hydroxide precursor prepared in Synthesis Example 2 were mixed in a 7:3 weight ratio, and LiOH, Li:Metal (transition metal element moles) 1:1 molar ratio After mixing, heat treatment was performed to prepare a positive electrode active material. The heat treatment was performed by raising the temperature from 25°C to 830°C at a rate of 2.0°C/min in an oxygen atmosphere, maintaining it at 830°C for 6 hours, and cooling it from 830°C to 25°C at a rate of 2.0°C/min.
상기 제조된 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고 실시예 1-1의 (2)와 동일하게 실시하여 코인 셀을 제조하였다. A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1 (2) except that the prepared positive active material was used.
비교예 2Comparative Example 2
열처리를 850℃에서 실시한 것을 제외하고 비교예 1과 동일하게 실시하여 양극 활물질 및 코인 셀을 제조하였다.A positive electrode active material and a coin cell were prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the heat treatment was performed at 850°C.
비교예 3Comparative Example 3
비교예 2에서 제조된 양극 활물질에 PVDF를 1:0.0075 몰비로 혼합하고 열처리하여 최종 양극 활물질을 제조하였다. 상기 열처리는 산소 분위기에서 2.0 ℃/min의 속도로 25 ℃에서 400 ℃까지 승온한 후 400 ℃에서 6 시간 유지하고, 400 ℃에서 25 ℃까지 2 ℃/min의 속도로 냉각시키는 과정으로 수행되었다.PVDF was mixed with the positive active material prepared in Comparative Example 2 in a molar ratio of 1:0.0075 and heat-treated to prepare a final positive active material. The heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at a rate of 2.0 °C/min from 25 °C to 400 °C, maintained at 400 °C for 6 hours, and cooled from 400 °C to 25 °C at a rate of 2 °C/min.
상기 제조된 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고 실시예 1-1의 (2)와 동일하게 실시하여 코인 셀을 제조하였다. A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1 (2) except that the prepared positive active material was used.
비교예 4Comparative Example 4
합성예 1에서 제조된 대입경 금속 수산화물 전구체와 합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체를 7:3 중량비로 혼합한 혼합 전구체, LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.0075 몰비로 혼합한 후, 열처리하여 소입경 2차 입자, 대입경 2차 입자 및 LiF를 포함하는 양극 활물질을 얻었다. 상기 열처리는 산소분위기에서 2.0℃/min의 속도로 25℃에서 850℃까지 승온한 후 850℃에서 6시간 유지하고, 850℃에서 25℃까지 2.0℃/min의 속도로 냉각시키는 과정으로 수행되었다. A mixed precursor obtained by mixing the large particle size metal hydroxide precursor prepared in Synthesis Example 1 and the small particle size metal hydroxide precursor prepared in Synthesis Example 2 in a 7:3 weight ratio, LiOH and LiF, was mixed in a molar ratio of 1:1:0.0075, followed by heat treatment Thus, a positive electrode active material including small particle diameter secondary particles, large particle diameter secondary particles and LiF was obtained. The heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at a rate of 2.0°C/min from 25°C to 850°C, maintained at 850°C for 6 hours, and cooled from 850°C to 25°C at a rate of 2.0°C/min.
상기 제조된 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고 실시예 1-1의 (2)와 동일하게 실시하여 코인 셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1 (2) except that the prepared positive active material was used.
비교예 5 Comparative Example 5
합성예 1에서 제조된 대입경 금속 수산화물 전구체와 합성예 2에서 제조된 소입경 금속 수산화물 전구체를 7:3 중량비로 혼합한 혼합 전구체와 LiOH 및 LiF를 1 : 1 : 0.0025 몰비로 혼합하고는 비교예 4와 동일하게 실시하여 양극 활물질을 얻었다.A mixed precursor prepared by mixing the large particle diameter metal hydroxide precursor prepared in Synthesis Example 1 and the small particle diameter metal hydroxide precursor prepared in Synthesis Example 2 in a 7:3 weight ratio, and LiOH and LiF in a 1: 1: 0.0025 molar ratio was mixed in Comparative Example It carried out similarly to 4, and obtained the positive electrode active material.
상기 제조된 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고 실시예 1-1의 (2)와 동일하게 실시하여 코인 셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1 (2) except that the prepared positive active material was used.
평가 1Rating 1
실시예 1-1 내지 1-3, 실시예 2-1 내지 2-3, 실시예 3 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 양극 활물질의 소성온도와 LiF의 함량을 Cu Kα선을 이용하여 X-선 회절 분석(Scan rate: 0.96 degree/min, Scan step: 0.01 degree 2θ, Scan range: 10 내지 90 degree)을 실시하였다. (003)면 XRD 피크의 반가폭과 c축 격자상수 측정결과는 표 1에 기재한다. Examples 1-1 to 1-3, Examples 2-1 to 2-3, Examples 3 and Comparative Examples 1 to 5, the sintering temperature and LiF content of the cathode active material prepared in X- using Cu Kα ray Line diffraction analysis (Scan rate: 0.96 degree/min, Scan step: 0.01 degree 2θ, Scan range: 10 to 90 degree) was performed. Table 1 shows the measurement results of the half-width of the (003) plane XRD peak and the c-axis lattice constant.
(소입경 이차 입자 100몰 대비)LiF content (mol)
(Compared to 100 moles of small particle diameter secondary particles)
표 1을 참고하면, 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에 따른 양극 활물질의 (003)면 XRD 피크의 반가폭이 비교예 1에 따른 양극 활물질에 비하여 감소하였으며, 이러한 결과로부터 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에 따른 양극 활물질의 소입경 2차 입자에 포함된 1차 입자의 크기가 증가한 것을 알 수 있다.Referring to Table 1, the full width at half maximum of the (003) plane XRD peak of the positive active materials according to Examples 1-1 to 1-3 was decreased compared to that of the positive active material according to Comparative Example 1, and from these results, It can be seen that the size of the primary particles included in the secondary particles of the small particle diameter of the positive electrode active material according to Examples 1-1 to 1-3 increased.
구체적으로 실시예 1-1 내지 실시예 1-3에 따른 양극 활물질의 (003)면 XRD 피크의 반가폭을 통해, LiF의 함량이 증가할수록 소입경 2차 입자에 포함된 1차 입자의 크기가 증가한 것을 알 수 있으며, 실시예 1-1 및 실시예 2-1에 따른 양극 활물질의 (003)면 XRD 피크의 반가폭을 통해, 소성온도가 상승하는 경우에도 소입경 2차 입자에 포함된 1차 입자의 크기가 증가한 것을 알 수 있다. Specifically, through the half-width of the (003) plane XRD peak of the positive electrode active material according to Examples 1-1 to 1-3, as the content of LiF increases, the size of the primary particles included in the secondary particles with small particle diameter increases. It can be seen that the increase was found, and through the half-width of the (003) plane XRD peak of the positive electrode active material according to Examples 1-1 and 2-1, even when the sintering temperature was increased, 1 contained in the secondary particles of small particle diameter It can be seen that the size of the tea particles increased.
또한, 실시예 1-1 내지 실시예 1-3, 그리고 실시예 2-1 내지 실시예 2-3 및실시예 3에 따른 c축 격자상수의 변화가 거의 없는 것으로 보아, LiF의 함량이 증가하거나 소성온도가 상승하는 경우에도 c축 방향의 팽창으로 인한 구조변화가 억제되어, 상기 실시예에 따른 양극 활물질을 포함하는 전지의 수명 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이에 비하여 비교예 4에 따른 양극 활물질의 경우, (003)면 XRD 피크의 반가폭이 실시예의 양극 활물질에 비해 크게 감소하였으며, 이로부터 비교예 4에 따른 양극 활물질의 대입경 2차 입자와 소입경 2차 입자 모두 크기가 증가하고 F가 과량으로 포함됨으로써 전지의 수명 특성이 감소함을 예측할 수 있다.In addition, since there is almost no change in the c-axis lattice constant according to Examples 1-1 to 1-3, and Examples 2-1 to 2-3 and Example 3, the content of LiF is increased or It can be seen that the structural change due to the expansion in the c-axis direction is suppressed even when the firing temperature is increased, and the lifespan characteristics of the battery including the positive active material according to the embodiment are improved. In contrast, in the case of the positive active material according to Comparative Example 4, the half-maximum width of the (003) plane XRD peak was significantly reduced compared to the positive active material of Example, and from this, the secondary particles and small diameters of the positive active material according to Comparative Example 4 It can be predicted that the size of all secondary particles increases and F is included in excess, so that the lifespan characteristics of the battery decrease.
평가 2evaluation 2
실시예 1-1 내지 1-3, 실시예 2-1 내지 2-3, 실시예 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 양극 활물질 표면에 존재하는 미반응 잔류 리튬은 HCl 적정법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. Residual unreacted lithium present on the surface of the positive active material prepared in Examples 1-1 to 1-3, Examples 2-1 to 2-3, Example 3 and Comparative Examples 1 and 2 was measured by HCl titration, and the The results are shown in Table 2 below.
미반응 잔류 리튬의 측정방법은 다음과 같다. 양극 활물질 10 g을 증류수 100 ml에 넣고 30분간 300 rpm의 속도로 교반한 후, 용액부분을 채취하여 HCl을 투입하면서 pH 변화를 측정한다. 미반응 잔류 리튬은 Li2CO3, LiOH 형태로 존재하기 때문에, HCl 투입시 H+와 CO3 2- 및 OH- 이온이 반응하여 적정이 이루어지며, 투입된 HCl용액의 양을 계산하여 미반응 잔류 리튬 함량을 계산할 수 있다.The method for measuring unreacted residual lithium is as follows. 10 g of the positive electrode active material was put into 100 ml of distilled water, stirred at a speed of 300 rpm for 30 minutes, and the solution portion was collected and pH change was measured while adding HCl. Since unreacted residual lithium exists in the form of Li 2 CO 3 , LiOH, when HCl is added, H + and CO 3 2- and OH - ions react to make titration. The lithium content can be calculated.
(Li2CO3 & LiOH중 Li 함량/ ppm) Residual lithium content
(Li content in Li 2 CO 3 & LiOH/ppm)
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1-1 내지 1-3, 실시예 2-1 내지 2-3 및 실시예 3의 경우, 리튬 할라이드를 포함하지 않는 비교예 1 및 2에 비해 양극 활물질의 잔류 리튬이 저감된 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, in Examples 1-1 to 1-3, Examples 2-1 to 2-3, and Example 3, the residual positive electrode active material compared to Comparative Examples 1 and 2 not containing lithium halide It can be confirmed that lithium is reduced.
평가 3evaluation 3
상기 실시예 2-1 내지 2-3, 실시예 3 및 비교예 2에 따른 코인 셀에 대하여 상온(25 ℃)에서, 1st 사이클에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.3V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 정전압 모드에서 4.3V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 상기 충전된 전지를 해체한 후 4.3V 완충시킨 양극 극판 5개를 파우치에 전해액과 같이 넣은 후 80℃ 오븐에 보관하면서 발생한 파우치의 부피변화로 인한 질량변화를 아르키메데스 법으로 환산하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. For the coin cells according to Examples 2-1 to 2-3, Example 3 and Comparative Example 2, at room temperature (25° C.), the voltage was 4.3V (vs. Li) at a current of 0.1C rate in the 1st cycle. It was charged with constant current until this, and then cut-off was performed at a current of 0.05C rate while maintaining 4.3V in constant voltage mode. After disassembling the charged battery, 5 positive electrode plates buffered at 4.3V were put in the pouch together with the electrolyte and stored in an oven at 80° C. The mass change due to the change in the volume of the pouch was converted by the Archimedes method. The results are shown in FIG. 5 .
도 5를 참조하면, 실시예 2-1 내지 2-3 및 실시예 3의 경우, 소입경에 리튬 할라이드를 포함하지 않는 비교예 2에 비해 부반응으로 인한 가스 발생량이 현저히 감소하였다.Referring to FIG. 5 , in Examples 2-1 to 2-3 and Example 3, the amount of gas generated due to the side reaction was significantly reduced compared to Comparative Example 2 in which the lithium halide was not included in the small particle size.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 첨부된 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the appended claims are also presented. It belongs to the scope of the right of the invention.
1: 양극 활물질 1a: 양극 활물질
10: 소입경 2차 입자 10a: 소입경 단일 입자
11: 소입경 1차 입자
13: 리튬 할라이드 20: 대입경 2차 입자
21: 대입경 1차 입자 100: 리튬 이차 전지
50: 음극 60: 양극
70: 세퍼레이터 80: 전지 케이스
90: 캡 어셈블리1: positive active material 1a: positive active material
10: small particle size
11: Small particle size primary particles
13: lithium halide 20: large particle size secondary particles
21: large particle size primary particles 100: lithium secondary battery
50: negative electrode 60: positive electrode
70: separator 80: battery case
90: cap assembly
Claims (20)
상기 대입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고,
상기 소입경 입자에만 리튬 할라이드가 포함되고,
상기 대입경 입자는 10 내지 20 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지고, 상기 소입경 입자는 1 내지 8 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지는,
리튬 이차 전지용 양극 활물질.A lithium nickel-based composite oxide comprising large particle diameter particles and small particle diameter particles having different average particle diameters,
The large particle size particles include secondary particles including a plurality of primary particles,
Lithium halide is included only in the small particle size particles,
The large particle diameter particles have an average particle diameter (D50) of 10 to 20 μm, and the small particle diameter particles have an average particle diameter (D50) of 1 to 8 μm,
A cathode active material for a lithium secondary battery.
상기 소입경 입자는 복수의 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The small particle size particle is a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising secondary particles including a plurality of primary particles.
상기 소입경 입자는 단일 입자(single crystal particle)를 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The small particle size particle comprises a single particle (single crystal particle), a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 대입경 2차 입자는 100 nm 내지 200 nm의 평균 두께를 가지는 1차 입자를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The large particle diameter secondary particle is a cathode active material for a lithium secondary battery comprising primary particles having an average thickness of 100 nm to 200 nm.
상기 소입경 2차 입자는 200 내지 500 nm 평균 두께를 가지는 1차 입자를 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.3. The method of claim 2,
The small particle diameter secondary particles comprising primary particles having an average thickness of 200 to 500 nm, a cathode active material for a lithium secondary battery.
상기 대입경 입자는, 상기 대입경 입자와 상기 소입경 입자의 총 중량에 대하여 50 중량% 내지 90중량%로 포함되는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The large particle size particles, 50 to 90% by weight based on the total weight of the large particle size particles and the small particle size particles, a positive active material for a lithium secondary battery.
상기 리튬 할라이드는 상기 소입경 입자의 표면에 코팅되어 있는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The lithium halide is coated on the surface of the small particle size particles, a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 리튬 할라이드는 상기 소입경 입자의 표면에 필름 형태로 코팅되어 있는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.8. The method of claim 7,
The lithium halide is coated in the form of a film on the surface of the small particle size particles, a cathode active material for a lithium secondary battery.
상기 리튬 할라이드는 LiF를 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The lithium halide includes LiF, a positive active material for a lithium secondary battery.
상기 리튬 할라이드는 소입경 입자 100 몰에 대하여, 0.1 몰 내지 1.0 몰로 포함되는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The lithium halide is contained in an amount of 0.1 mol to 1.0 mol based on 100 mol of the small particle size particles, a positive active material for a lithium secondary battery.
상기 대입경 입자는 복수의 플레이트 형상의 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함하고, 상기 1차 입자의 (003)면이 2차 입자의 표면에 대하여 수직방향으로 배향된 1차 입자를 포함하는 일정 배열 구조를 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The large particle diameter particles include secondary particles in which a plurality of plate-shaped primary particles are aggregated, and the (003) plane of the primary particles includes primary particles oriented in a vertical direction with respect to the surface of the secondary particles. A positive active material for a lithium secondary battery having a certain arrangement structure.
상기 소입경 입자는 복수의 플레이트 형상의 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함하고, 상기 1차 입자의 (003)면이 2차 입자의 표면에 대하여 수직방향으로 배향된 1차 입자를 포함하는 일정 배열 구조를 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.3. The method of claim 2,
The small particle size particles include secondary particles in which a plurality of plate-shaped primary particles are aggregated, and the (003) plane of the primary particles is oriented in a vertical direction with respect to the surface of the secondary particles. A positive active material for a lithium secondary battery having a certain arrangement structure.
상기 양극 활물질은 X선 회절 스펙트럼 분석에서 (003)면 피크의 반가폭이 0.15° 내지 0.17°인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The positive active material is a positive active material for a lithium secondary battery having a half width of 0.15° to 0.17° of the (003) plane peak in the X-ray diffraction spectrum analysis.
상기 대입경 입자는 일 중심을 가지는 방사형 배열 구조 또는 복수의 중심을 가지는 다중심 방사형 배열 구조를 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.12. The method of claim 11,
The large particle diameter particles have a radial array structure having one center or a multi-center radial arrangement structure having a plurality of centers, a cathode active material for a lithium secondary battery.
상기 소입경 입자는 일 중심을 가지는 방사형 배열 구조 또는 복수의 중심을 가지는 다중심 방사형 배열 구조를 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.13. The method of claim 12,
The small particle size particles have a radially arranged structure having one center or a multi-center radially arranged structure having a plurality of centers, a cathode active material for a lithium secondary battery.
상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인, 리튬 이차 전지용 양극 활물질:
[화학식 1]
LiaNixCoyM1-x-yO2
(상기 화학식 1에서, 0.9 ≤ a ≤ 1.05, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤0.3, M은 Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, Zn, Ga, In, Sn, La 및 Ce에서 선택되는 적어도 하나의 금속 원소이다.)According to claim 1,
The lithium nickel-based composite oxide is a compound represented by the following formula (1), a cathode active material for a lithium secondary battery:
[Formula 1]
Li a Ni x Co y M 1-xy O 2
(In Formula 1, 0.9 ≤ a ≤ 1.05, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤ 0.3, M is Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, at least one metal element selected from Zn, Ga, In, Sn, La and Ce.)
상기 양극 활물질은 표면에 1,400 ppm 이하의 잔류 리튬을 포함하는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The positive active material is a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a residual lithium of 1,400 ppm or less on the surface.
상기 양극 활물질은 3.1 내지 3.4 g/cm3의 합제 밀도를 가지는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질.According to claim 1,
The positive active material has a mixture density of 3.1 to 3.4 g/cm 3 , a positive active material for a lithium secondary battery.
대입경 금속 수산화물 전구체와 리튬 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 열처리하여 대입경 입자를 제조하고,
소입경 금속 수산화물 전구체, 리튬 원료 물질 및 리튬 할라이드(LiX)의 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 열처리하여 리튬 할라이드를 포함하는 소입경 입자를 제조하고,
상기 대입경 입자와 소입경 입자를 혼합하여 양극 활물질을 제조하는,
리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.To prepare a metal hydroxide precursor with a large particle diameter and a metal hydroxide precursor with a small particle diameter,
A mixture is prepared by mixing a large particle diameter metal hydroxide precursor and a lithium raw material, and the mixture is heat treated to prepare particles with a large particle diameter,
preparing a mixture by mixing a small particle size metal hydroxide precursor, a lithium raw material, and a raw material of lithium halide (LiX), and heat-treating the mixture to prepare small particle size particles containing lithium halide,
Mixing the large particle diameter particles and the small particle diameter particles to prepare a positive electrode active material,
A method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery.
음극 활물질을 포함하는 음극; 및
전해질을 포함하는 리튬 이차 전지.A positive electrode comprising the positive active material of claim 1;
a negative electrode comprising an anode active material; and
A lithium secondary battery comprising an electrolyte.
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