KR20260044559A - Positive electrode active material, and positive electrode and litium secondary battery comprising the same - Google Patents

Positive electrode active material, and positive electrode and litium secondary battery comprising the same

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KR20260044559A
KR20260044559A KR1020240130831A KR20240130831A KR20260044559A KR 20260044559 A KR20260044559 A KR 20260044559A KR 1020240130831 A KR1020240130831 A KR 1020240130831A KR 20240130831 A KR20240130831 A KR 20240130831A KR 20260044559 A KR20260044559 A KR 20260044559A
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Abstract

본 발명은 리튬 인산철망간계 화합물 및 상기 리튬 인산철망간계 화합물 상에 형성된 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 리튬 인산철망간계 화합물은 리튬을 제외한 금속의 총 몰수 대비 망간을 50 몰% 초과, 70 몰% 미만으로 포함하며, 상기 코팅층은 코발트를 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만으로 포함하는 것인 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것으로, 상기 범위를 만족할 때 용량 특성 및 율 특성이 개선될 수 있다.The present invention relates to a positive electrode active material comprising a lithium iron-manganese phosphate compound and a coating layer formed on the lithium iron-manganese phosphate compound comprising carbon and cobalt, wherein the lithium iron-manganese phosphate compound comprises manganese in an amount greater than 50 mol% and less than 70 mol% relative to the total molar amount of metals excluding lithium, and the coating layer comprises cobalt in an amount greater than 0.5 weight% and less than 1.5 weight%, and a positive electrode comprising the same, and a lithium secondary battery, wherein capacity characteristics and rate characteristics can be improved when the above ranges are satisfied.

Description

양극 활물질, 및 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지{POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, AND POSITIVE ELECTRODE AND LITIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Positive electric active material, and positive electric and lithium secondary battery comprising the same

본 발명은 양극 활물질, 및 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material, and a positive electrode and a lithium secondary battery comprising the same.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.With the increasing technological development and demand for mobile devices, the demand for rechargeable batteries as an energy source is rapidly rising. Among these rechargeable batteries, lithium-ion batteries, which possess high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rates, have been commercialized and are widely used.

리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질이라는 4대 구성 요소로 이루어져 있다. 이중에서 상기 양극에 포함되는 양극 활물질은 전지의 용량, 출력, 수명을 결정하는데 큰 역할을 하는 물질이다. 현재 사용되는 양극 활물질로는 니켈, 코발트, 망간 및/또는 알루미늄을 함유하는 NCM계 양극 활물질, LFP(리튬인산철)계 양극 활물질 등이 있다. 한편, 리튬 이차전지가 높은 에너지 밀도, 출력, 수명을 갖기 위해서는 양극 활물질의 성능 향상이 필수적이며, 이로 인해 최근 고성능 양극 활물질을 개발하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.Lithium secondary batteries consist of four major components: a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte. Among these, the positive electrode active material, which is included in the positive electrode, plays a significant role in determining the battery's capacity, output, and lifespan. Currently used positive electrode active materials include NCM-based positive electrode active materials containing nickel, cobalt, manganese, and/or aluminum, and LFP (lithium iron phosphate)-based positive electrode active materials. Meanwhile, improving the performance of the positive electrode active material is essential for lithium secondary batteries to have high energy density, output, and lifespan; consequently, much research is currently being conducted to develop high-performance positive electrode active materials.

올리빈 구조의 양극 활물질인 LFP계 양극 활물질은 높은 구조적 안정성을 가져 열안정성 및 수명이 우수할 뿐만 아니라, 낮은 비용으로 가격 경쟁력이 있다. 그러나, LFP계 양극 활물질은 낮은 전자 전도도 및 이온 전도도로 인해 출력 특성이 좋지 않고, 낮은 압연 밀도와 용량으로 인해 에너지 밀도가 낮은 문제가 있다. 낮은 전자 전도도 문제를 해결하기 위해, 양극 활물질 전구체와 탄소원을 혼합하고 소성하는 방법으로 탄소 코팅을 도입하는 연구가 진행되었다. 또한 낮은 에너지 밀도 문제를 해결하기 위해 Mn을 도입하는 연구가 진행되었다. 한편, 자동차용 배터리에의 적용을 위해서는 고속 충전 조건에서 높은 용량 및 출력을 필요로 하여, 이러한 성능을 갖는 LMFP계 양극 활물질에 대한 개발이 필요한 실정이다.LFP-based cathode active materials, which are olivine-structured cathode active materials, possess high structural stability, excellent thermal stability and lifespan, as well as price competitiveness due to their low cost. However, LFP-based cathode active materials have poor output characteristics due to low electronic and ionic conductivity, and suffer from low energy density due to low rolling density and capacity. To address the issue of low electronic conductivity, research has been conducted on introducing carbon coatings by mixing a cathode active material precursor with a carbon source and calcining it. Additionally, research has been conducted on introducing Mn to solve the problem of low energy density. Meanwhile, for application in automotive batteries, high capacity and output are required under fast charging conditions, making it necessary to develop LFP-based cathode active materials that possess these performance capabilities.

KRKR 10-2012-005667510-2012-0056675 AA

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 리튬 인산철망간계 화합물에 포함된 망간 및 코팅층에 포함된 코발트 함량이 특정 범위를 만족하여, 용량 특성 및 율 특성이 개선된 양극 활물질을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a positive electrode active material with improved capacity and rate characteristics by satisfying a specific range for the manganese content in the lithium iron-manganese phosphate compound and the cobalt content in the coating layer.

본 발명은 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention provides a positive electrode active material, a positive electrode including the same, and a lithium secondary battery.

(1) 본 발명은 리튬 인산철망간계 화합물 및 상기 리튬 인산철망간계 화합물 상에 형성된 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 리튬 인산철망간계 화합물은 리튬을 제외한 금속의 총 몰수 대비 망간을 50 몰% 초과, 70 몰% 미만으로 포함하며, 상기 코팅층은 코발트를 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만으로 포함하는 것인 양극 활물질을 제공한다.(1) The present invention provides a positive electrode active material comprising a lithium iron-manganese phosphate compound and a coating layer formed on the lithium iron-manganese phosphate compound comprising carbon and cobalt, wherein the lithium iron-manganese phosphate compound comprises manganese in an amount greater than 50 mol% and less than 70 mol% relative to the total molar amount of metals excluding lithium, and the coating layer comprises cobalt in an amount greater than 0.5 weight% and less than 1.5 weight%.

(2) 본 발명은 위 (1)에 있어서, 상기 코팅층은 탄소를 0.5 중량% 이상, 3 중량% 이하로 포함하는 것인 양극 활물질을 제공한다.(2) The present invention provides a positive electrode active material according to (1) above, wherein the coating layer contains 0.5% by weight or more and 3% by weight or less of carbon.

(3) 본 발명은 위 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 리튬 인산철망간계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 것인 양극 활물질을 제공한다.(3) The present invention provides a positive electrode active material in which, in (1) or (2) above, the lithium iron manganese phosphate compound has a composition represented by the following chemical formula 1.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiaMnxFe1-xPO4 Li a Mn x Fe 1-x PO 4

상기 화학식 1에서,In the above chemical formula 1,

0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7이다.0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7.

(4) 본 발명은 위 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 코팅층은 탄소를 포함하는 코팅층 상에 코발트를 포함하는 코팅부가 코팅층 형태, 불연속적으로 형성된 아일랜드 형태 또는 이들의 조합으로 존재하는 것인 양극 활물질을 제공한다.(4) The present invention provides an anode active material in any one of (1) to (3) above, wherein the coating layer is a coating portion containing cobalt on a coating layer containing carbon, in the form of a coating layer, in the form of discontinuously formed islands, or a combination thereof.

(5) 본 발명은 위 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 양극 활물질은 평균 입경(D50)이 0.2㎛ 내지 1.0㎛인 양극 활물질을 제공한다.(5) The present invention provides a positive active material having an average particle size (D 50 ) of 0.2㎛ to 1.0㎛ in any one of (1) to (4) above.

(6) 본 발명은 위 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공한다.(6) The present invention provides a positive electrode comprising any one of the positive electrode active materials (1) to (5) above.

(7) 본 발명은 위 (6)의 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.(7) The present invention provides a lithium secondary battery comprising the positive electrode of (6) above.

본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 인산철망간계 화합물 및 상기 리튬 인산철망간계 화합물 상에 형성된 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 리튬 인산철망간계 화합물은 리튬을 제외한 금속의 총 몰수 대비 망간을 50 몰% 초과, 70 몰% 미만으로 포함하며, 상기 코팅층은 코발트를 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만으로 포함하여, 이를 포함하는 전지의 용량 특성 및 율 특성이 향상되어, 더 높은 충전 속도에서도 더 높은 용량을 발현하여 출력이 개선될 수 있다.The positive electrode active material according to the present invention comprises a lithium iron-manganese phosphate-based compound and a coating layer formed on the lithium iron-manganese phosphate-based compound comprising carbon and cobalt, wherein the lithium iron-manganese phosphate-based compound comprises manganese in an amount greater than 50 mol% and less than 70 mol% relative to the total molar amount of metals excluding lithium, and the coating layer comprises cobalt in an amount greater than 0.5 wt% and less than 1.5 wt%, thereby improving the capacity characteristics and rate characteristics of a battery comprising the same, so that higher capacity can be exhibited even at higher charging speeds and the output can be improved.

도 1은 실시예 1의 양극 활물질의 SEM-EDS 이미지이다.Figure 1 is an SEM-EDS image of the positive electrode active material of Example 1.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the invention.

이 때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.In this case, terms or words used in this specification and claims shall not be interpreted as being limited to their ordinary or dictionary meanings, but shall be interpreted in a meaning and concept consistent with the technical spirit of the invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the terms to best describe his invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms used in this specification are used merely to describe exemplary embodiments and are not intended to limit the invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.

본 명세서에서 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, terms such as “comprising,” “comprising,” or “having” are intended to specify the existence of the implemented features, numbers, steps, components, or combinations thereof, and should be understood as not excluding in advance the existence or addition of one or more other features, numbers, steps, components, or combinations thereof.

본 명세서에서 'Dn'은 입경에 따른 체적 누적 분포의 n% 지점에서의 입경을 의미한다. 즉, D50은 입경에 따른 체적 누적 분포의 50% 지점에서의 입경이며, D90은 입경에 따른 체적 누적 분포의 90% 지점에서의 입경을, D10은 입경에 따른 체적 누적 분포의 10% 지점에서의 입경이다. 상기 Dn은 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 측정 대상 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어, Malvern Panalytic社, Mastersizer 3000)에 도입하여 입자들이 레이저 빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다. 측정 장치에 있어서의 입경에 따른 체적 누적 분포의 10%, 50% 및 90%가 되는 지점에서의 입자 직경을 산출함으로써, D10, D50 및 D90을 측정할 수 있다.In this specification, 'D n ' refers to the particle size at the n% point of the volume cumulative distribution according to particle size. That is, D 50 is the particle size at the 50% point of the volume cumulative distribution according to particle size, D 90 is the particle size at the 90% point of the volume cumulative distribution according to particle size, and D 10 is the particle size at the 10% point of the volume cumulative distribution according to particle size. The above D n can be measured using the laser diffraction method. Specifically, after dispersing the powder to be measured in a dispersion medium, it is introduced into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (e.g., Malvern Panalytic, Mastersizer 3000) and the difference in diffraction patterns according to particle size is measured as the particles pass through the laser beam to calculate the particle size distribution. D10 , D50 , and D90 can be measured by calculating the particle diameter at the points where the volume cumulative distribution according to particle size in the measuring device is 10%, 50%, and 90%.

양극 활물질positive electrode active material

본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 인산철망간계 화합물 및 상기 리튬 인산철망간계 화합물 상에 형성된 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 리튬 인산철망간계 화합물은 리튬을 제외한 금속의 총 몰수 대비 망간을 50 몰% 초과, 70 몰% 미만으로 포함하며, 상기 코팅층은 코발트를 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만으로 포함하는 것을 특징으로 한다.The positive electrode active material according to the present invention comprises a lithium iron-manganese phosphate-based compound and a coating layer formed on the lithium iron-manganese phosphate-based compound comprising carbon and cobalt, wherein the lithium iron-manganese phosphate-based compound comprises manganese in an amount greater than 50 mol% and less than 70 mol% relative to the total molar amount of metals excluding lithium, and the coating layer comprises cobalt in an amount greater than 0.5 weight% and less than 1.5 weight%.

본 발명에 따른 양극 활물질은 상기 리튬 인산철망간계 화합물의 망간 함량이 50 몰% 초과, 70 몰% 미만인 것 및 상기 코팅층의 코발트 함량이 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만인 것을 만족하여, 상기 양극 활물질을 포함하는 전지는 높은 용량, 향상된 율 특성을 나타내어 고속 충전 조건에서도 높은 용량을 발현할 수 있어 개선된 출력 특성을 보일 수 있다. 화합물의 망간 함량이 상기 범위보다 적거나 많은 경우 또는 코팅층의 코발트 함량이 상기 범위보다 적거나 많은 경우, 용량이나 율 특성이 저하될 수 있어, 목표하는 출력 개선 효과를 얻지 못할 수 있다.The positive electrode active material according to the present invention satisfies the condition that the manganese content of the lithium iron-manganese-based compound is greater than 50 mol% and less than 70 mol%, and the cobalt content of the coating layer is greater than 0.5 wt% and less than 1.5 wt%, so that a battery containing the positive electrode active material exhibits high capacity and improved rate characteristics, and can exhibit high capacity even under fast charging conditions, thereby showing improved output characteristics. If the manganese content of the compound is less or greater than the above range, or if the cobalt content of the coating layer is less or greater than the above range, the capacity or rate characteristics may be degraded, and the target output improvement effect may not be obtained.

구체적으로, 상기 리튬 인산철망간계 화합물에 포함된 망간 함량은 리튬을 제외한 금속의 총 몰수 대비 50 몰% 초과, 51 몰% 이상, 52 몰% 이상, 53 몰% 이상, 54 몰% 이상, 55 몰% 이상, 56 몰% 이상, 57 몰% 이상, 58 몰% 이상, 59 몰% 이상일 수 있고, 70 몰% 미만, 69 몰% 이하, 68 몰% 이하, 67 몰% 이하, 66 몰% 이하, 65 몰% 이하, 64 몰% 이하, 63 몰% 이하, 62 몰% 이하, 61 몰% 이하일 수 있다. 그리고, 상기 코팅층에 포함된 코발트 함량은 0.5 중량% 초과, 0.55 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.65 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.75 중량% 이상일 수 있고, 0.15 중량% 미만, 0.14 중량% 이하, 0.13 중량% 이하, 0.12 중량% 이하, 0.11 중량% 이하일 수 있다.Specifically, the manganese content included in the lithium iron-manganese-based compound may be greater than 50 mol%, 51 mol% or more, 52 mol% or more, 53 mol% or more, 54 mol% or more, 55 mol% or more, 56 mol% or more, 57 mol% or more, 58 mol% or more, 59 mol% or more relative to the total molar amount of metals excluding lithium, and may be less than 70 mol%, 69 mol% or less, 68 mol% or less, 67 mol% or less, 66 mol% or less, 65 mol% or less, 64 mol% or less, 63 mol% or less, 62 mol% or less, 61 mol% or less. In addition, the cobalt content included in the coating layer may be greater than 0.5 wt%, 0.55 wt% or more, 0.6 wt% or more, 0.65 wt% or more, 0.7 wt% or more, 0.75 wt% or more, and less than 0.15 wt%, 0.14 wt% or less, 0.13 wt% or less, 0.12 wt% or less, 0.11 wt% or less.

본 발명에 따르면, 상기 코팅층은 탄소를 0.5 중량% 이상, 3 중량% 이하로 포함하는 것일 수 있다. 탄소가 상기 함량 범위로 포함되는 경우, 표면에 존재하는 탄소 층으로 인해 양극 활물지리 적절한 전자 전도성을 가지면서, 리튬 이온의 출입에 방해되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 함량은 0.5 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 0.9 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.2 중량% 이상, 1.4 중량% 이상, 1.6 중량% 이상, 1.8 중량% 이상일 수 있고, 3 중량% 이하, 2.9 중량% 이하, 2.8 중량% 이하, 2.7 중량% 이하, 2.6 중량% 이하, 2.5 중량% 이하, 2.4 중량% 이하, 2.3 중량% 이하, 2.2 중량% 이하, 2.1 중량% 이하일 수 있다.According to the present invention, the coating layer may contain carbon in an amount of 0.5 wt% or more and 3 wt% or less. When carbon is included within the above content range, the positive electrode active material may have appropriate electronic conductivity due to the carbon layer present on the surface, and the entry and exit of lithium ions may not be hindered. Specifically, the carbon content may be 0.5 wt% or more, 0.6 wt% or more, 0.7 wt% or more, 0.8 wt% or more, 0.9 wt% or more, 1 wt% or more, 1.2 wt% or more, 1.4 wt% or more, 1.6 wt% or more, 1.8 wt% or more, and may be 3 wt% or less, 2.9 wt% or less, 2.8 wt% or less, 2.7 wt% or less, 2.6 wt% or less, 2.5 wt% or less, 2.4 wt% or less, 2.3 wt% or less, 2.2 wt% or less, and 2.1 wt% or less.

본 발명에 따르면, 상기 리튬 인산철망간계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 것일 수 있다.According to the present invention, the lithium iron manganese phosphate-based compound may have a composition represented by the following chemical formula 1.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiaMnxFe1-xPO4 Li a Mn x Fe 1-x PO 4

상기 화학식 1에서,In the above chemical formula 1,

0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7이다.0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7.

상기 x는 0.5 초과, 0.52 이상, 0.54 이상, 0.56 이상, 0.58 이상일 수 있고, 0.7 미만, 0.68 이하, 0.66 이하, 0.64 이하, 0.62 이하일 수 있다.The above x may be greater than 0.5, 0.52 or more, 0.54 or more, 0.56 or more, or 0.58 or more, and may be less than 0.7, 0.68 or less, 0.66 or less, 0.64 or less, or 0.62 or less.

본 발명에 따르면, 상기 코팅층은 탄소를 포함하는 코팅층 상에 코발트를 포함하는 코팅부가 코팅층 형태, 불연속적으로 형성된 아일랜드 형태 또는 이들이 조합으로 존재하는 것일 수 있다.According to the present invention, the coating layer may have a coating portion containing cobalt on a coating layer containing carbon, in the form of a coating layer, in the form of discontinuously formed islands, or in a combination thereof.

상기 탄소를 포함하는 코팅층은 리튬 인산철망간계 화합물의 표면에 균일하게 코팅된 것일 수 있다. 즉, 상기 코팅층은 얇은 막 형태일 수 있다. 상기 코팅층은 양극 활물질을 포함하는 전지의 충방전 시, 이온 전도도 및 전자 전도도를 개선시킬 수 있다. 상기 탄소를 포함하는 코팅층은 탄소 이외에 미량으로 질소, 산소, 수소 등의 불순물을 포함할 수 있다.The carbon-containing coating layer may be uniformly coated on the surface of a lithium iron-manganese phosphate-based compound. That is, the coating layer may be in the form of a thin film. The coating layer can improve ion conductivity and electron conductivity during charging and discharging of a battery containing a positive electrode active material. The carbon-containing coating layer may contain trace amounts of impurities such as nitrogen, oxygen, and hydrogen in addition to carbon.

상기 코발트를 포함하는 코팅부는 상기 탄소를 포함하는 코팅층 상에 각각 코팅층 형태, 불연속적으로 형성된 아일랜드 형태 또는 이들의 조합으로 존재할 수 있다.The above-mentioned coating portion containing cobalt may exist on the above-mentioned coating layer containing carbon in the form of a coating layer, in the form of discontinuously formed islands, or a combination thereof.

본 발명에 있어서, 코팅부가 코팅층 형태로 존재한다는 것은, 리튬 인산철망간계 화합물 입자의 표면 또는 탄소를 포함하는 코팅층의 표면 일부 또는 전부에 얇은 층 형상으로 존재한다는 것을 의미한다. 이 때, 코팅층 형태의 형성 면적은 화합물 입자의 표면 또는 코팅층의 표면의 전체 표면적으로 기준으로 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상, 4% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상일 수 있고, 100% 이하, 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하, 60% 이하, 50% 이하일 수 있다. 그리고, 코팅부가 불연속적으로 형성된 아일랜드 형태로 존재한다는 것은, 코팅부가 리튬 인산철망간계 화합물 입자의 표면 또는 탄소를 포함하는 코팅층의 표면을 전체적으로 덮고 있지 않으며, 작은 입자 형상으로 분산되어 존재한다는 것을 의미한다.In the present invention, the fact that the coating portion exists in the form of a coating layer means that it exists in the form of a thin layer on part or all of the surface of the lithium iron-manganese phosphate-based compound particles or the surface of the carbon-containing coating layer. At this time, the area formed in the form of a coating layer may be 1% or more, 2% or more, 3% or more, 4% or more, 5% or more, 10% or more, 20% or more, or 30% or more based on the total surface area of the surface of the compound particles or the surface of the coating layer, and may be 100% or less, 90% or less, 80% or less, 70% or less, 60% or less, or 50% or less. Furthermore, the fact that the coating portion exists in the form of discontinuously formed islands means that the coating portion does not cover the entire surface of the lithium iron-manganese phosphate-based compound particles or the surface of the carbon-containing coating layer, but exists dispersed in the form of small particles.

본 발명에 따르면, 상기 양극 활물질은 평균 입경(D50)이 0.2㎛ 내지 1.0㎛일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질의 평균 입경(D50)은 0.2 ㎛ 이상, 0.25 ㎛ 이상, 0.3 ㎛ 이상 일 수 있고, 0.4 ㎛ 이하, 0.50 ㎛ 이하, 0.6 ㎛ 이하, 0.7 ㎛ 이하, 0.8 ㎛ 이하, 0.9 ㎛ 이하, 1.0 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 양극 활물질의 평균 입경이 상기 범위를 만족하는 경우, 망간 용출 및 용량 특성을 보다 개선할 수 있다.According to the present invention, the average particle size (D 50 ) of the positive active material may be 0.2 μm to 1.0 μm. Specifically, the average particle size (D 50 ) of the positive active material may be 0.2 μm or more, 0.25 μm or more, 0.3 μm or more, and 0.4 μm or less, 0.50 μm or less, 0.6 μm or less, 0.7 μm or less, 0.8 μm or less, 0.9 μm or less, or 1.0 μm or less. When the average particle size of the positive active material satisfies the above range, manganese leaching and capacity characteristics can be further improved.

양극 활물질 제조 방법Method for manufacturing positive electrode active material

본 발명은 상기 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing the above-mentioned positive active material.

상기 양극 활물질의 제조 방법은 (i) 리튬 원료 물질, 인산 원료 물질, 철 원료 물질 및 망간 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; (ii) 상기 혼합물을 소성하여 소성품을 제조하는 단계; (iii) 상기 소성품을 코발트 원료 물질과 혼합한 후 소성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.The method for manufacturing the above-mentioned positive electrode active material may include: (i) a step of preparing a mixture by mixing a lithium raw material, a phosphate raw material, an iron raw material, and a manganese raw material; (ii) a step of preparing a calcined product by calcining the mixture; and (iii) a step of mixing the calcined product with a cobalt raw material and then calcining it.

이하, 상기 양극 활물질의 제조 방법을 보다 상세히 설명한다.The method for manufacturing the above-mentioned positive active material is described in more detail below.

(i) 단계(i) Step

상기 제조 방법은 (i) 리튬 원료 물질, 인산 원료 물질, 철 원료 물질 및 망간 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The above manufacturing method may include the step of (i) mixing a lithium raw material, a phosphate raw material, an iron raw material, and a manganese raw material to prepare a mixture.

상기 리튬 원료 물질은 리튬 함유 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 수산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있다. 구체적으로 상기 리튬 원료 물질은 Li2CO3, LiNO3, LiNO2, LiOH, LiOHㆍH2O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH3COOLi, Li2O, Li2SO4, CH3COOLi, Li3C6H5O7 등일 수 있다.The above lithium raw material may be a lithium-containing sulfate, nitrate, acetate, carbonate, oxalate, citrate, halide, hydroxide, or oxyhydroxide. Specifically, the above lithium raw material may be Li₂CO₃ , LiNO₃ , LiNO₂ , LiOH, LiOH· H₂O , LiH, LiF, LiCl , LiBr , LiI , CH₃COOLi, Li₂O , Li₂SO₄ , CH₃COOLi, Li₃C₆H₅O₇ , etc.

상기 인산 원료 물질은 FePO4, H3PO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, P2O5 등일 수 있다. The above phosphoric acid raw materials may be FePO4 , H3PO4 , NH4H2PO4 , ( NH4 ) 2HPO4 , P2O5 , etc.

상기 철 원료 물질은 철 함유 인산염, 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 수산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있다. 구체적으로 상기 철 원료 물질은 FePO4, FeSO4, FeC2O4·2H2O, FeCl2 등일 수 있다.The above iron raw material may be an iron-containing phosphate, sulfate, nitrate, acetate, carbonate, oxalate, citrate, halide, hydroxide , or oxyhydroxide. Specifically, the above iron raw material may be FePO₄ , FeSO₄ , FeC₂O₄ · 2H₂O , FeCl₂ , etc.

상기 인산 원료 물질과 철 원료 물질은 동일한 것일 수 있다. 예를 들어, 인산철(FePO4)일 수 있다.The above phosphoric acid raw material and iron raw material may be the same. For example, it may be iron phosphate ( FePO4 ).

상기 망간 함유 원료 물질은 망간 함유 인산염, 인산철, 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 수산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있다. 구체적으로 상기 망간 함유 원료 물질은 MnSO4, MnCO3, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, Mn(NO3)2, 아세트산망간, 디카르복시산망간, 시트르산망간, 지방산 망간의 망간염, 옥시수산화물, 및 염화망간의 할로겐화물 등일 수 있다.The above manganese-containing raw material may be a manganese-containing phosphate, iron phosphate, sulfate, nitrate, acetate, carbonate, oxalate, citrate, halide, hydroxide , or oxyhydroxide. Specifically, the above manganese-containing raw material may be MnSO₄ , MnCO₃ , Mn₂O₃ , MnO₂ , Mn₃O₄ , Mn( NO₃ ) , manganese acetate, manganese dicarboxylate, manganese citrate, manganese fatty acid salts, oxyhydroxides, and manganese chloride halides.

상기 망간 함유 원료 물질, 인산 원료 물질과 철 원료 물질은 동일한 것일 수 있다. 예를 들어, MnαFe(1-α)PO4(이때, 0<α<1.0)일 수 있다.The above manganese-containing raw material, phosphoric acid raw material, and iron raw material may be the same. For example, it may be Mn α Fe (1-α) PO 4 (wherein 0 < α < 1.0).

상기 (i) 단계의 혼합물 제조 시, 도핑 원소 원료 물질을 더 혼합할 수 있다. 이 때, 도핑 원소는 V, Mg, Ti, Co, Ni, Nb, Al, Cu, Ga, Zr, Ce, In, Zn, Na, Si, Ca, B 및 Y 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 도핑 원소 원료 물질은 도핑 원소를 함유하는 인산염, 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 산화물, 수산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있다.When preparing the mixture of step (i) above, additional doping element raw materials may be mixed. At this time, the doping element may be one or more selected from V, Mg, Ti, Co, Ni, Nb, Al, Cu, Ga, Zr, Ce, In, Zn, Na, Si, Ca, B, and Y. The doping element raw materials may be phosphates, sulfates, nitrates, acetates, carbonates, oxalates, citrates, halides, oxides, hydroxides, or oxyhydroxides containing the doping element.

상기 (i) 단계의 혼합물 제조 시, 탄소 코팅 원료 물질을 더 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다. 상기 코팅 원료 물질은 소성에 의하여 탄소 코팅층을 제공할 수 있다. 이에 따라, 리튬 인산철망간계 양극 활물질의 전기 전도도가 개선될 수 있다.When preparing the mixture in step (i) above, the mixture may be prepared by further mixing carbon coating raw materials. The coating raw materials may provide a carbon coating layer through calcination. Accordingly, the electrical conductivity of the lithium iron manganese phosphate-based cathode active material may be improved.

상기 탄소 코팅 원료 물질은 수크로오스, 글루코오스, 락토오스, 녹말, 올리고당, 폴리올리고당, 프럭토오스, 셀룰로오스, 비닐계 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀계 수지, 피치계 수지, 타르계 수지, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 알코올, 시트르산, 시트르산 암모늄 등일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 코팅 원료 물질은 수크로오스일 수 있다.The above carbon coating raw material may be sucrose, glucose, lactose, starch, oligosaccharide, polyoligosaccharide, fructose, cellulose, vinyl resin, cellulose-based resin, phenolic resin, pitch-based resin, tar-based resin, polyethylene glycol, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, citric acid, ammonium citrate, etc. Specifically, the above carbon coating raw material may be sucrose.

상기 탄소 코팅 원료 물질은 상기 리튬 원료 물질, 인산 원료 물질, 철 원료 물질 및 망간 원료 물질 총 중량 대비 1% 내지 10%로 투입되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로는 1% 내지 8%, 2% 내지 7%, 3% 내지 6%로 투입되는 것일 수 있다.The carbon coating raw material may be added in an amount of 1% to 10% relative to the total weight of the lithium raw material, phosphoric acid raw material, iron raw material, and manganese raw material. More specifically, it may be added in an amount of 1% to 8%, 2% to 7%, or 3% to 6%.

상기 (i) 단계에서 리튬 원료 물질, 인산 원료 물질, 철 원료 물질, 망간 원료 물질, 이외의 도핑 원소 원료 물질들은 결과적으로 제조되는 양극 활물질에 포함되는 리튬 인산철망간계 화합물이 하기 식 1로 표시되는 조성을 갖게 하는 양으로 혼합될 수 있다.In step (i) above, the lithium raw material, the phosphate raw material, the iron raw material, the manganese raw material, and other doping element raw materials may be mixed in an amount such that the lithium iron-manganese phosphate compound included in the resulting cathode active material has a composition represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiaMnxFe1-xPO4 Li a Mn x Fe 1-x PO 4

상기 화학식 1에서,In the above chemical formula 1,

0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7이고, x는 전술한 범위 내일 수 있다.0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7, and x may be within the aforementioned range.

상기 원료 물질들의 혼합은 습식 혼합 또는 건식 혼합일 수 있다.The mixing of the above raw materials may be wet mixing or dry mixing.

상기 혼합이 습식 혼합인 경우, 용매로 물이 사용될 수 있고, 물 중에서 원료 물질들을 단순 혼합한 후, 혼합 용액을 비즈밀로 습식 분쇄하여 혼합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 습식 혼합을 한 경우에는 최종적으로 분무 건조를 통해여 건조가 완료된 분말(혼합물)을 얻을 수 있다.In the case where the above mixture is a wet mixture, water may be used as a solvent, and the raw materials may be simply mixed in water, and then the mixture solution may be wet-ground with a bead mill to be mixed, but is not limited thereto. Meanwhile, in the case of wet mixing, a dried powder (mixture) can be obtained by finally spray drying.

(ii) 단계(ii) Step

상기 제조 방법은 (ii) 상기 혼합물을 소성하여 소성품을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The above manufacturing method may include (ii) a step of manufacturing a sintered product by sintering the above mixture.

상기 소성은 질소 분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 소성 온도는 500℃ 이상, 1000℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있고, 구체적으로는 500℃ 이상, 550℃ 이상, 600℃ 이상, 650℃ 이상일 수 있고, 750℃ 이하, 800℃ 이하, 850℃ 이하, 900℃ 이하, 950℃ 이하, 1000℃ 이하일 수 있다. 소성 시간은 5시간 이상, 20시간 이하일 수 있고, 구체적으로는 5시간 이상, 6시간 이상, 7시간 이상, 8시간 이상, 9시간 이상일 수 있고, 12시간 이하, 14시간 이하, 16시간 이하, 18시간 이하, 20시간 이하일 수 있다.The above-mentioned firing may be performed in a nitrogen atmosphere. The firing temperature may be performed at 500°C or higher and 1000°C or lower, and specifically, it may be 500°C or higher, 550°C or higher, 600°C or higher, 650°C or higher, and 750°C or lower, 800°C or lower, 850°C or lower, 900°C or lower, 950°C or lower, and 1000°C or lower. The firing time may be 5 hours or more and 20 hours or less, and specifically, it may be 5 hours or more, 6 hours or more, 7 hours or more, 8 hours or more, 9 hours or more, and 12 hours or less, 14 hours or less, 16 hours or less, 18 hours or less, and 20 hours or less.

상기 양극 활물질 제조 방법에 따라 제조된 양극 활물질은 전술한 화학식 1로 표시되는 조성을 가지는 것일 수 있다.The positive active material manufactured according to the above method for manufacturing a positive active material may have a composition represented by the aforementioned chemical formula 1.

(iii) 단계(iii) Step

상기 제조 방법은 (iii) 상기 소성품을 코발트 원료 물질과 혼합한 후 소성하는 단계를 포함할 수 있다.The above manufacturing method may include (iii) a step of mixing the above-mentioned product with a cobalt raw material and then firing it.

상기 코발트 원료 물질은 코발트 함유 황산염, 질산염, 아세트산염, 탄산염, 옥살산염, 시트르산염, 할라이드, 수산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있다. 구체적으로 상기 코발트 원료 물질은 Co2O3, CoO, Co3O4, CoCO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The above cobalt raw material may be a cobalt-containing sulfate, nitrate, acetate, carbonate, oxalate, citrate, halide , hydroxide, or oxyhydroxide. Specifically, the above cobalt raw material may be one or more selected from the group consisting of Co₂O₃ , CoO, Co₃O₄ , and CoCO₃ .

상기 코발트 원료 물질은 최종적으로 제조된 양극 활물질에서 코팅층에 포함된 코발트 함량이 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만을 만족할 수 있는 양으로 투입할 수 있다. 구체적으로는, 상기 리튬 원료 물질, 인산 원료 물질, 철 원료 물질 및 망간 원료 물질 총 중량 대비 0.5% 내지 5%로 투입되는 것일 수 있고, 바람직하게는 1% 내지 4%로 투입되는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2% 내지 4%로 투입되는 것일 수 있다.The above cobalt raw material can be introduced in an amount such that the cobalt content in the coating layer of the finally manufactured cathode active material is greater than 0.5 weight% and less than 1.5 weight%. Specifically, it may be introduced in an amount of 0.5% to 5% relative to the total weight of the lithium raw material, phosphoric acid raw material, iron raw material, and manganese raw material, preferably in an amount of 1% to 4%, and more preferably in an amount of 2% to 4%.

상기 소성은 질소 분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 소성 온도는 400℃ 이상, 800℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있고, 구체적으로는 400℃ 이상, 450℃ 이상, 500℃ 이상, 550℃ 이상일 수 있고, 650℃ 이하, 700℃ 이하, 750℃ 이하, 800℃ 이하일 수 있다. 소성 시간은 1시간 이상, 5시간 이하일 수 있고, 구체적으로는 1시간 이상, 1.5시간 이상, 2시간 이상, 2.5시간 이상일 수 있고, 3.5시간 이하, 4시간 이하, 4.5시간 이하, 5시간 이하일 수 있다.The above-mentioned firing may be performed in a nitrogen atmosphere. The firing temperature may be performed at 400°C or higher and 800°C or lower, and specifically, it may be 400°C or higher, 450°C or higher, 500°C or higher, 550°C or higher, and 650°C or lower, 700°C or lower, 750°C or lower, and 800°C or lower. The firing time may be 1 hour or higher and 5 hours or lower, and specifically, it may be 1 hour or higher, 1.5 hours or higher, 2 hours or higher, 2.5 hours or higher, and 3.5 hours or lower, 4 hours or lower, 4.5 hours or lower, and 5 hours or lower.

상기 양극 활물질 제조 방법에 따라 제조된 양극 활물질은 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.The positive active material manufactured according to the above method for manufacturing a positive active material may include a coating layer containing carbon and cobalt.

양극anode

본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공한다.The present invention provides a positive electrode comprising the above positive electrode active material.

상기 양극은 양극 집전체, 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 것일 수 있고, 상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.The above positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector, and the positive electrode active material layer may include the positive electrode active material.

상기 양극 집전체는 전도성이 높은 금속을 포함할 수 있으며, 양극 활물질층이 용이하게 접착하되, 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 양극 집전체는 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The above positive current collector may include a highly conductive metal, and is not particularly limited as long as it facilitates the adhesion of the positive active material layer and is non-reactive within the voltage range of the battery. The above positive current collector may be, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. Additionally, the above positive current collector may typically have a thickness of 3 μm to 500 μm, and may form fine irregularities on the surface of the current collector to increase the adhesion of the positive active material. It may be used in various forms, such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.

상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질과 함께, 필요에 따라 선택적으로 도전재, 및 바인더를 포함할 수 있다. 이때 상기 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 80 중량% 내지 99 중량%, 보다 구체적으로는 85 중량% 내지 98.5중량%의 ?t량으로 포함될 수 있으며, 이 범위 내에서 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있다.The positive active material layer may include, together with the positive active material, a conductive material and a binder as needed. In this case, the positive active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight, more specifically 85% to 98.5% by weight, based on the total weight of the positive active material layer, and may exhibit excellent capacity characteristics within this range.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 탄소나노튜브 등의 도전성 튜브; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 15 중량%로 포함될 수 있다.The above conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery being constructed, it may be used without special limitations as long as it possesses electronic conductivity without causing chemical changes. Specific examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and carbon fibers; metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive tubes such as carbon nanotubes; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and one of these alone or a mixture of two or more may be used. The above conductive material may be included in an amount of 0.1% to 15% by weight relative to the total weight of the positive electrode active material layer.

상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethymethaxrylate), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리아크릴산(poly acrylic acid), 및 이들의 수소를 Li, Na, 또는 Ca로 치환된 고분자, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 15 중량%로 포함될 수 있다.The above binder serves to improve the adhesion between positive active material particles and the adhesion between the positive active material and the current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, polyacrylic acid, and polymers in which hydrogens thereof are substituted with Li, Na, or Ca, or various copolymers thereof, and one of these alone or a mixture of two or more may be used. The above binder may be included in an amount of 0.1% to 15% by weight relative to the total weight of the positive active material layer.

상기 양극은 상기한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 양극은, 상기한 양극 활물질 및 필요에 따라 선택적으로 바인더, 도전재, 및 분산제를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물(양극 슬러리)을 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조하거나, 상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조할 수 있다.The above-described anode may be manufactured according to a conventional anode manufacturing method, except for using the above-described anode active material. Specifically, the above-described anode may be manufactured by applying a composition for forming an anode active material layer (anode slurry), prepared by dissolving or dispersing the above-described anode active material and, optionally, a binder, a conductive material, and a dispersant in a solvent, onto an anode current collector, followed by drying and rolling, or by casting the composition for forming an anode active material layer onto a separate support and then laminating the film obtained by peeling off from the support onto an anode current collector.

상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 도전재, 바인더, 및 분산제를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극 제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.The above solvent may be a solvent generally used in the relevant technical field, and may include dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), acetone, or water, and one of these alone or a mixture of two or more may be used. The amount of the above solvent used is sufficient if it is sufficient to dissolve or disperse the anode active material, conductive material, binder, and dispersant, taking into account the coating thickness of the slurry and the manufacturing yield, and to have a viscosity that can exhibit excellent thickness uniformity when coated for anode manufacturing thereafter.

리튬 이차전지lithium secondary battery

본 발명은 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention provides a lithium secondary battery comprising the above positive electrode.

상기 리튬 이차전지는 상기 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극, 분리막의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.The above lithium secondary battery may comprise the positive electrode; the negative electrode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte. Additionally, the lithium secondary battery may optionally further comprise a battery container housing an electrode assembly of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and a sealing member sealing the battery container.

상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다.The above cathode may include a cathode current collector and a cathode active material layer located on the cathode current collector.

상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The above-mentioned negative current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., and aluminum-cadmium alloy may be used. In addition, the above-mentioned negative current collector may typically have a thickness of 3 μm to 500 μm, and, similar to the positive current collector, fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to strengthen the bonding strength of the negative active material. For example, it may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam, nonwoven fabric, etc.

상기 음극 활물질층은 음극 활물질과 함께 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 것일 수 있다.The above-mentioned cathode active material layer may optionally include a binder and a conductive material together with the cathode active material.

상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0<β<2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또한, 탄소재료는 저결정성 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시 흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbonfiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다. 상기 음극 활물질은 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.As the above-mentioned negative electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Specific examples include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and amorphous carbon; metallic compounds capable of alloying with lithium, such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloys, Sn alloys, or Al alloys; metal oxides capable of doping and dedoping lithium, such as SiO₂β (0<β<2), SnO₂ , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; or composites comprising the above-mentioned metallic compounds and carbonaceous materials, such as Si-C composites or Sn-C composites, and any one or more of these may be used. Additionally, a metallic lithium thin film may be used as the above-mentioned negative electrode active material. Furthermore, both low-crystallinity carbon and high-crystallinity carbon may be used as the carbon material. Representative examples of low-crystallinity carbon include soft carbon and hard carbon, while representative examples of high-crystallinity carbon include amorphous, plate-like, flake-like, spherical, or fibrous natural or artificial graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch-based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches, and high-temperature calcined carbon such as petroleum or coal tar pitch-derived cokes. The above-mentioned cathode active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of the cathode active material layer.

상기 음극 활물질층의 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 10 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder of the above-mentioned negative electrode active material layer is a component that assists in the bonding between the conductive material, the active material, and the current collector, and is typically added in an amount of 0.1% to 10% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, fluororubber, and various copolymers thereof.

상기 음극 활물질층의 도전재는 음극활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하, 바람직하게는 5 중량% 이하로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material of the above-mentioned negative electrode active material layer is a component for further improving the conductivity of the negative electrode active material, and may be added in an amount of 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, based on the total weight of the negative electrode active material layer. Such conductive material is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery, and for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black; conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber; fluorinated carbon; metal powder such as aluminum or nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극 활물질층 형성용 조성물(음극 슬러리)을 도포하고 건조함으로써 제조되거나, 또는 상기 음극 활물질층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.The above cathode may be manufactured by applying a composition for forming a cathode active material layer (cathode slurry), prepared by dissolving or dispersing a cathode active material and optionally a binder and a conductive material in a solvent, onto a cathode current collector and drying it, or by casting the composition for forming a cathode active material layer onto a separate support and then laminating the film obtained by peeling off from the support onto a cathode current collector.

상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또한 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또한, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.The above separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a pathway for the movement of lithium ions. It can be used without special limitations as long as it is typically used as a separator in a lithium secondary battery, and it is particularly desirable that it has low resistance to the movement of electrolyte ions and excellent electrolyte wettability. Specifically, a porous polymer film, such as a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer like ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or a laminated structure of two or more layers thereof may be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, such as a nonwoven fabric made of high-melting-point glass fiber or polyethylene terephthalate fiber, may be used. Furthermore, a coated separator containing ceramic components or polymer materials may be used to ensure heat resistance or mechanical strength, and it may optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.

상기 전해질로는 리튬 이차 전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. 구체적인 예로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.Examples of the above electrolytes include organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel-type polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, molten inorganic electrolytes, etc., which can be used in the manufacture of lithium secondary batteries, but are not limited to these. As a specific example, the above electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다.The above organic solvent may be used without special restrictions as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, the above organic solvent may include ester-based solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-caprolactone; ether-based solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone-based solvents such as cyclohexanone; and aromatic hydrocarbon-based solvents such as benzene and fluorobenzene. Carbonate-based solvents such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC); alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (where R is a straight-chain, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may include a double bond, a directional ring, or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; or sulfolanes may be used. Among these, a carbonate-based solvent is preferred, and a mixture of a cyclic carbonate (e.g., ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ionic conductivity and high dielectric constant that can improve the charge/discharge performance of the battery, and a low-viscosity linear carbonate-based compound (e.g., ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate, etc.) is more preferred.

상기 리튬염은 리튬 이차 전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있고, 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 M 내지 2.0 M 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 above lithium salt can be used without special restrictions as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in lithium secondary batteries. Specifically, the anion of the lithium salt may be at least one selected from the group consisting of F- , Cl- , Br- , I- , NO3- , N( CN ) 2- , BF4- , CF3CF2SO3- , ( CF3SO2 ) 2N- , ( FSO2 ) 2N- , CF3CF2 ( CF3 ) 2CO- , ( CF3SO2 ) 2CH- , ( SF5 ) 3C- , ( CF3SO2 ) 3C- , CF3 ( CF2 ) 7SO3- , CF3CO2- , CH3CO2- , SCN- , and ( CF3CF2SO2 ) 2N- , and the lithium salt may be LiPF6 , LiClO4 , LiAsF Li6 , LiBF4 , LiSbF6 , LiAlO4, LiAlCl4 , LiCF3SO3 , LiC4F9SO3, LiN (C2F5SO3)2 , LiN ( C2F5SO2 ) 2 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiCl, LiI, or LiB( C2O4 ) 2 may be used. It is preferable to use the lithium salt within the range of 0.1 M to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt falls within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity , so it can exhibit excellent electrolyte performance and allow lithium ions to move effectively.

상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.In addition to the above electrolyte components, the above electrolyte may further include one or more additives for the purpose of improving the lifespan characteristics of the battery, suppressing the decrease in battery capacity, and improving the discharge capacity of the battery, such as, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, triamide hexaphosphate, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, or aluminum trichloride. In this case, the additive may be included in an amount of 0.1% to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.

본 발명에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 용량 특성 및 율 특성을 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기자동차(Electric Vehicle, EV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.Since the lithium secondary battery containing the positive electrode active material according to the present invention exhibits excellent capacity and rate characteristics, it is useful in portable devices such as mobile phones, laptop computers, and digital cameras, as well as in electric vehicle fields such as hybrid electric vehicles (HEV) and electric vehicles (EV).

본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but can be a cylindrical shape using a can, a prismatic shape, a pouch shape, or a coin shape.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지 셀들을 포함하는 중대형 전지 모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only as a battery cell used as a power source for a small device, but can also preferably be used as a unit cell in a medium-to-large battery module comprising a plurality of battery cells.

이에 따라, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩이 제공된다.Accordingly, a battery module including the above-mentioned lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.

상기 전지 모듈 또는 전지 팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.The above battery module or battery pack can be used as a power source for one or more medium-to-large devices, including a power tool; an electric vehicle, including an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); or a power storage system.

실시예Examples

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention will be explained in more detail below through examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention and do not limit the scope of the present invention.

실시예 1Example 1

Li2CO3, MnCO3 및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.6:0.4가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.6:0.4, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with a coating layer containing carbon and cobalt.

상기 탄소 포함 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 와 Co2O3을 LiMn0.6Fe0.4PO4 총 중량 대비 3중량%가 되도록 혼합한 후, 질소 분위기 하에서 600℃에서 3시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 (평균 입경(D50): 0.35㎛)을 제조하였다.LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with the above-mentioned carbon-containing coating layer and Co 2 O 3 were mixed to be 3% by weight relative to the total weight of LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 , and then heat-treated at 600°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.35 μm) with a coating layer containing carbon and cobalt.

실시예 2 Example 2

Li2CO3, MnCO3 및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.6:0.4가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.6:0.4, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with a coating layer containing carbon and cobalt.

상기 탄소 포함 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 와 Co2O3을 LiMn0.6Fe0.4PO4 총 중량 대비 3.5중량%가 되도록 혼합한 후, 질소 분위기 하에서 600℃에서 3시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 (평균 입경(D50): 0.35㎛)을 제조하였다.LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with the above-mentioned carbon-containing coating layer and Co 2 O 3 were mixed to a ratio of 3.5 wt% relative to the total weight of LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 , and then heat-treated at 600°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.35 μm) with a coating layer containing carbon and cobalt.

비교예 1Comparative Example 1

Li2CO3, MnCO3및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.6:0.4가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.6:0.4, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 (평균 입경(D50): 0.3㎛)을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.3㎛) with a coating layer containing carbon and cobalt formed.

비교예 2Comparative Example 2

Li2CO3, MnCO3 및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.6:0.4가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.6:0.4, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with a coating layer containing carbon and cobalt.

상기 탄소 포함 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 와 Co2O3 을 LiMn0.6Fe0.4PO4 총 중량 대비 1.5중량%가 되도록 혼합한 후, 질소 분위기 하에서 600℃에서 3시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 (평균 입경(D50): 0.35㎛)을 제조하였다.LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with the above-mentioned carbon-containing coating layer and Co 2 O 3 were mixed to a ratio of 1.5 wt% relative to the total weight of LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 , and then heat-treated at 600°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.35 μm) with a coating layer containing carbon and cobalt.

비교예 3Comparative Example 3

Li2CO3, MnCO3 및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.6:0.4가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.6:0.4, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with a coating layer containing carbon and cobalt.

상기 탄소 포함 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 와 Co2O3 을 LiMn0.6Fe0.4PO4 총 중량 대비 4.5중량%가 되도록 혼합한 후, 질소 분위기 하에서 600℃에서 3시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.6Fe0.4PO4 (평균 입경(D50): 0.35㎛)을 제조하였다.LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 with the above-mentioned carbon-containing coating layer and Co 2 O 3 were mixed to a ratio of 4.5 wt% relative to the total weight of LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 , and then heat-treated at 600°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.35 μm) with a coating layer containing carbon and cobalt.

비교예 4Comparative Example 4

Li2CO3, MnCO3 및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.7:0.3가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.7:0.3, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.7Fe0.3PO4을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 with a carbon-containing coating layer formed.

상기 탄소 포함 코팅층이 형성된 LiMn0.7Fe0.3PO4 와 Co2O3 을 LiMn0.7Fe0.3PO4 총 중량 대비 3중량%가 되도록 혼합한 후, 질소 분위기 하에서 600℃에서 3시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.7Fe0.3PO4 (평균 입경(D50): 0.35㎛)을 제조하였다.LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 with the carbon-containing coating layer formed above and Co 2 O 3 were mixed to be 3% by weight relative to the total weight of LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 , and then heat-treated at 600°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.35 μm) with a coating layer containing carbon and cobalt.

비교예 5Comparative Example 5

Li2CO3, MnCO3 및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.7:0.3가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.7:0.3, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.7Fe0.3PO4 (평균 입경(D50): 0.3㎛)을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.3㎛) with a carbon-containing coating layer formed.

비교예 6Comparative Example 6

Li2CO3, MnCO3및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.5:0.5가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.5:0.5, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.5Fe0.5PO4을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 with a coating layer containing carbon and cobalt.

상기 탄소 포함 코팅층이 형성된 LiMn0.5Fe0.5PO4 와 Co2O3 을 LiMn0.5Fe0.5PO4 총 중량 대비 3중량%가 되도록 혼합한 후, 질소 분위기 하에서 600℃에서 3시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.5Fe0.5PO4 (평균 입경(D50): 0.35㎛)을 제조하였다.LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 with the above-mentioned carbon-containing coating layer and Co 2 O 3 were mixed to be 3% by weight relative to the total weight of LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 , and then heat-treated at 600°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.35 μm) with a coating layer containing carbon and cobalt.

비교예 7Comparative Example 7

Li2CO3, MnCO3및 FePO4를 Li:Mn:Fe의 몰비가 1.02:0.5:0.5가 되도록 혼합한 후, 수크로오스를 상기 Li 물질, Mn 물질과 FePO4의 총 중량 대비 각각 5중량%가 되도록 추가로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 비즈밀로 습식 분쇄하여 슬러리를 얻었다. 이 때, 상기 슬러리에 존재하는 원료 물질들(Li 물질, Mn 물질, FePO4, 수크로오스) 전체의 평균 입경(D50)은 300 nm이었다. Li₂CO₃ , MnCO₃ , and FePO₄ were mixed such that the molar ratio of Li:Mn:Fe was 1.02:0.5:0.5, and then sucrose was additionally mixed to be 5% by weight relative to the total weight of the Li material, Mn material, and FePO₄ to prepare a mixture. The mixture was wet-milled using a bead mill to obtain a slurry. At this time, the average particle size ( D₀ ) of all raw materials (Li material, Mn material, FePO₄ , sucrose) present in the slurry was 300 nm.

상기 슬러리를 분무 건조(입구 온도: 170 ℃, 출구 온도: 95 ℃)를 통해 건조한 후, 건조가 완료된 분말을 질소 분위기 하, 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층이 형성된 LiMn0.5Fe0.5PO4 (평균 입경(D50): 0.3㎛)을 제조하였다.After drying the above slurry by spray drying (inlet temperature: 170 ℃, outlet temperature: 95 ℃), the dried powder was heat-treated at 700 ℃ for 10 hours under a nitrogen atmosphere to produce LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 (average particle size (D 50 ): 0.3㎛) with a coating layer containing carbon and cobalt formed.

실험예Experimental Example

실험예 1: 양극 활물질에 존재하는 탄소(C) 및 코발트(Co) 함량 확인Experimental Example 1: Confirmation of Carbon (C) and Cobalt (Co) Content in Anode Active Material

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 7의 양극 활물질에 형성된 코팅층에 존재하는 탄소 함량을 탄소유황분석기(LECO社, CS844)를 이용해 측정하고, 코발트 함량을 ThermoScientific社 ICAP PRO ICP-OES를 이용해 측정해, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The carbon content present in the coating layer formed on the cathode active materials of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 7 was measured using a carbon-sulfur analyzer (LECO, CS844), and the cobalt content was measured using a ThermoScientific ICAP PRO ICP-OES, and the results are shown in Table 1 below.

구분division 탄소 함량(중량%)Carbon content (weight%) 코발트 함량(중량%)Cobalt content (weight%) 실시예 1Example 1 22 11 실시예 2Example 2 22 1.21.2 비교예 1Comparative Example 1 22 00 비교예 2Comparative Example 2 22 0.50.5 비교예 3Comparative Example 3 22 1.51.5 비교예 4Comparative Example 4 22 11 비교예 5Comparative Example 5 22 00 비교예 6Comparative Example 6 22 11 비교예 7Comparative Example 7 22 00

실험예 2: 양극 활물질 코팅층 형태 확인Experimental Example 2: Confirmation of the morphology of the positive electrode active material coating layer

실시예 1의 양극 활물질에 대해 주사 전자 현미경을 이용하여 SEM-EDS 이미지를 수득하고, 이를 도 1에 나타내었다.SEM-EDS images were obtained for the positive electrode active material of Example 1 using a scanning electron microscope and are shown in Figure 1.

도 1을 통해 실시예 1의 양극 활물질 상에 Co를 포함하는 코팅부가 아일랜드(island) 형태로 분포해 있는 것을 확인할 수 있다.Through Figure 1, it can be seen that a coating portion containing Co is distributed in the form of islands on the positive active material of Example 1.

실험예 3: 전지 성능 평가Experimental Example 3: Battery Performance Evaluation

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 7 각각의 양극 활물질, 도전재로 카본블랙 및 바인더로 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 90:5:5의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용매 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 130℃에서 건조한 후, 압연하여 양극을 제조하였다.For each of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 7, a positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were mixed in a weight ratio of 90:5:5 in an N-methylpyrrolidone (NMP) solvent to prepare a positive electrode slurry. The prepared positive electrode slurry was applied to one side of an aluminum current collector, dried at 130°C, and then rolled to produce a positive electrode.

음극으로 리튬 금속 전극(두께: 300㎛)을 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌 분리막(두께: 20㎛)을 개재하여 전극 조립체를 제조하였다. 이를 전지 케이스 내부에 위치시키고 에틸렌카보네이트(EC):디메틸카보네이트(DMC):디에틸카보네이트(DEC)를 1:2:1의 부피비로 혼합한 유기 용매에 1.0M의 LiPF6를 용해시킨 전해액을 주액하여 코인 하프-셀을 제조하였다.An electrode assembly was manufactured by using a lithium metal electrode (thickness: 300 μm) as the negative electrode and interposing a porous polyethylene separator (thickness: 20 μm) between the positive electrode and the negative electrode. This was placed inside a battery case, and a coin half-cell was manufactured by injecting an electrolyte solution in which 1.0 M LiPF6 was dissolved in an organic solvent mixed with ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC):diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1:2:1.

(1) 용량 평가(1) Capacity evaluation

상기와 같이 제조된 각각의 코인 하프-셀을 이용하여, 25℃에서 CC(0.1C)-CV(cut-off current: 0.05C) 모드로 4.25V까지 충전한 후, 0.1C로 2.5V까지 방전하여, 충전 용량 및 방전 용량을 측정하여, 하기 표 2에 나타내었다.Each coin half-cell manufactured as described above was charged to 4.25V in CC (0.1C)-CV (cut-off current: 0.05C) mode at 25℃, and then discharged to 2.5V at 0.1C to measure the charging capacity and discharging capacity, which are shown in Table 2 below.

구분division 충전용량
(mAh/g)
Charging capacity
(mAh/g)
방전용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh/g)
실시예 1Example 1 153.1153.1 151.3151.3 실시예 2Example 2 152.9152.9 150.9150.9 비교예 1Comparative Example 1 152.4152.4 150.4150.4 비교예 2Comparative Example 2 152.8152.8 150.7150.7 비교예 3Comparative Example 3 152.5152.5 150.2150.2 비교예 4Comparative Example 4 150.2150.2 148.3148.3 비교예 5Comparative Example 5 150.5150.5 148.9148.9 비교예 6Comparative Example 6 153.0153.0 151.7151.7 비교예 7Comparative Example 7 153.5153.5 152.3152.3

(2) 율 특성 평가(2) Evaluation of rate characteristics

상기와 같이 제조된 각각의 코인 하프-셀을 이용하여, 25℃에서 0.5 C 정전류로 4.25 V까지 CC/CV 모드로 충전을 실시(종료 전류 0.05 C)한 후, 0.2 C 정전류로 2.5 V가 될 때까지 CC 모드로 방전을 실시하면서 방전 용량을 측정하였다.Using each coin half-cell manufactured as described above, charging was performed in CC/CV mode at 25°C with a constant current of 0.5 C to 4.25 V (ending current 0.05 C), and then the discharge capacity was measured while discharging in CC mode with a constant current of 0.2 C until it reached 2.5 V.

또한, 25℃에서 0.5 C 정전류로 4.25 V까지 CC/CV 모드로 충전을 실시(종료 전류 0.05 C)한 후, 1.0 C 정전류로 2.5 V가 될 때까지 CC 모드로 방전을 실시하면서 방전 용량을 측정하고, 25℃에서 0.5 C 정전류로 4.25 V까지 CC/CV 모드로 충전을 실시(종료 전류 0.05 C)한 후, 4.0 C 정전류로 2.5 V가 될 때까지 CC 모드로 방전을 실시하면서 방전 용량을 측정하여, 0.5 C 충전 이후 0.2 C의 방전 시의 방전 용량에 대한 백분율을 하기 표 3에 나타내었다.In addition, the discharge capacity was measured while charging in CC/CV mode with a constant current of 0.5 C at 25°C to 4.25 V (ending current 0.05 C), and then discharging in CC mode with a constant current of 1.0 C until it reached 2.5 V. Then, the discharge capacity was measured while charging in CC/CV mode with a constant current of 0.5 C at 25°C to 4.25 V (ending current 0.05 C), and then discharging in CC mode with a constant current of 4.0 C until it reached 2.5 V. The percentage of the discharge capacity at 0.2 C discharge after 0.5 C charging is shown in Table 3 below.

구분division 0.2C 방전 용량에 대한 1C 방전 용량의 백분율(%)Percentage (%) of 1C discharge capacity to 0.2C discharge capacity 0.2C 방전 용량에 대한 4C 방전 용량의 백분율(%)Percentage (%) of 4C discharge capacity to 0.2C discharge capacity 실시예 1Example 1 92.492.4 87.587.5 실시예 2Example 2 92.292.2 85.385.3 비교예 1Comparative Example 1 91.391.3 83.483.4 비교예 2Comparative Example 2 91.491.4 83.783.7 비교예 3Comparative Example 3 91.591.5 83.283.2 비교예 4Comparative Example 4 90.390.3 81.281.2 비교예 5Comparative Example 5 90.290.2 82.182.1 비교예 6Comparative Example 6 91.591.5 84.284.2 비교예 7Comparative Example 7 91.791.7 84.884.8

상기 표 2 및 3을 참조하면, 실시예 1 및 2의 양극 활물질을 포함하는 전지의 경우, 리튬 인산철망간계 화합물 조성이 동일하지만 코팅층의 코발트 함량이 적거나 많은 비교예 1 내지 3의 양극 활물질을 포함하는 전지 및 망간 함량이 많은 조성을 갖는 비교예 4 및 5의 양극 활물질을 포함하는 전지 대비 충전 및 방전 용량이 높고, 율 특성이 우수하여 출력이 개선된 것을 확인할 수 있고, 실시예 1 및 2 대비 망간 함량이 적은 조성을 갖는 비교예 6 및 7의 양극 활물질을 포함하는 전지 대비 충전 및 방전 용량은 유사 범위이나, 율 특성이 보다 우수하여 출력이 개선된 것을 확인할 수 있다.Referring to Tables 2 and 3 above, it can be seen that in the case of the battery containing the positive electrode active material of Examples 1 and 2, the charge and discharge capacity is higher and the output is improved due to superior rate characteristics compared to the battery containing the positive electrode active material of Comparative Examples 1 to 3, which has the same lithium iron-manganese phosphate compound composition but has a low or high cobalt content in the coating layer, and the battery containing the positive electrode active material of Comparative Examples 4 and 5, which has a composition with a high manganese content. It can also be seen that compared to the battery containing the positive electrode active material of Comparative Examples 6 and 7, which has a composition with a low manganese content compared to Examples 1 and 2, the charge and discharge capacity is in a similar range, but the output is improved due to superior rate characteristics.

Claims (7)

리튬 인산철망간계 화합물 및 상기 리튬 인산철망간계 화합물 상에 형성된 탄소 및 코발트를 포함하는 코팅층을 포함하고,
상기 리튬 인산철망간계 화합물은 리튬을 제외한 금속의 총 몰수 대비 망간을 50 몰% 초과, 70 몰% 미만으로 포함하며,
상기 코팅층은 코발트를 0.5 중량% 초과, 1.5 중량% 미만으로 포함하는 것인 양극 활물질.
It comprises a lithium iron-manganese phosphate-based compound and a coating layer comprising carbon and cobalt formed on the lithium iron-manganese phosphate-based compound, and
The above lithium iron-manganese phosphate-based compound contains manganese in an amount greater than 50 mol% and less than 70 mol% relative to the total molar amount of metals excluding lithium, and
The above coating layer is a positive active material containing more than 0.5 weight% and less than 1.5 weight% of cobalt.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅층은 탄소를 0.5 중량% 이상, 3 중량% 이하로 포함하는 것인 양극 활물질.
In claim 1,
The above coating layer is a positive active material containing 0.5 weight% or more and 3 weight% or less of carbon.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬 인산철망간계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 것인 양극 활물질:
[화학식 1]
LiaMnxFe1-xPO4
상기 화학식 1에서,
0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7이다.
In claim 1,
The above lithium iron-manganese phosphate-based compound is a positive electrode active material having a composition represented by the following chemical formula 1:
[Chemical Formula 1]
Li a Mn x Fe 1-x PO 4
In the above chemical formula 1,
0.8≤a≤1.2, 0.5<x<0.7.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅층은 탄소를 포함하는 코팅층 상에 코발트를 포함하는 코팅부가 코팅층 형태, 불연속적으로 형성된 아일랜드 형태 또는 이들의 조합으로 존재하는 것인 양극 활물질.
In claim 1,
The above coating layer is a positive active material in which a coating portion containing cobalt exists on a coating layer containing carbon in the form of a coating layer, in the form of discontinuously formed islands, or a combination thereof.
청구항 1에 있어서,
상기 양극 활물질은 평균 입경(D50)이 0.2㎛ 내지 1.0㎛인 양극 활물질.
In claim 1,
The above positive active material is a positive active material having an average particle size (D 50 ) of 0.2㎛ to 1.0㎛.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항의 양극 활물질을 포함하는 양극.
A positive electrode comprising the positive electrode active material of any one of claims 1 to 5.
청구항 6의 양극을 포함하는 리튬 이차전지.
A lithium secondary battery comprising the positive electrode of claim 6.
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