JP2021501982A - リチウム二次電池用正極材、これを含む正極及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用正極材、これを含む正極及びリチウム二次電池 Download PDF

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Abstract

本発明は、化学式1で表される第1正極活物質及び化学式2で表される第2正極活物質を含む正極材であり、前記正極材は、大粒径粒子及び小粒径粒子を含むバイモーダル粒度分布を有し、前記大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が3μm以上である正極材と、これを含む正極及びリチウム二次電池に関する。

Description

本発明は、リチウム二次電池用正極材と、これを含む正極及びリチウム二次電池に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。このような二次電池のうち高いエネルギー密度と電圧を有し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池が常用化されて広く使用されている。
リチウム二次電池の正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物が用いられており、この中でも作用電圧が高く、容量特性に優れたLiCoO等のリチウムコバルト複合金属酸化物が主に用いられている。しかし、LiCoOは、脱リチウムによる結晶構造の不安定化により熱的特性が非常に劣悪であり、かつ、高価であるため、電気自動車などのような分野の動力源として大量使用するには限界がある。
前記LiCoOを代替するための材料として、リチウムマンガン複合金属酸化物(LiMnOまたはLiMnなど)、リチウムリン酸徹化合物(LiFePOなど)またはリチウムニッケル複合金属酸化物(LiNiOなど)などが開発された。この中でも、約200mAh/gの高い可逆容量を有して大容量の電池の具現が容易なリチウムニッケル複合金属酸化物に対する研究開発が活発に進められている。しかし、前記LiNiOは、LiCoOに比べて熱安定性が劣っており、充電状態で外部からの圧力などによって内部短絡が生じると、正極活物質そのものが分解され、電池の破裂及び発火をもたらす問題があった。これによって、前記LiNiOの優れた可逆容量は維持しながらも、低い熱安定性を改善するための方法として、Niの一部をMnとCoで置換したリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物が開発された。
しかし、前記リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物の場合、粒子の圧延密度が低く、特に容量特性を高めるためにNiの含量を高める場合、粒子の圧延密度はさらに低くなるので、エネルギー密度が落ちる。圧延密度を高めるために電極を強く圧延する場合、集電体の破断及び正極材の割れ(crack)現象が発生するという問題点があった。
また、Ni含量の高いリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物の場合、高温での構造安定性が落ちるので、高温寿命などの電気化学性能が低下するという問題点がある。
したがって、エネルギー密度及び容量特性に優れながらも、高温寿命特性に優れる正極材の開発が要求されている。
本発明の第1技術的課題は、高温寿命特性に優れた高容量正極材を提供することである。
本発明の第2技術的課題は、前記のような正極材を含む正極及びリチウム二次電池を提供することである。
一側面において、本発明は、下記化学式1で表される第1正極活物質及び下記化学式2で表される第2正極活物質を含む正極材であり、前記正極材は大粒径粒子及び小粒径粒子を含むバイモーダル粒度分布を有し、前記大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が3μm以上である正極材を提供する。
[化学式1]
Li[NiCo ]O
前記化学式1において、前記MはMn、Al、ZrまたはMgであり、前記MはW、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、In、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であり、0.9≦a≦1.2、0.8≦b<1、0.01≦c<0.2、0.01≦d<0.2、0≦e≦0.02である。
[化学式2]
Li[NiCoMn ]O
前記化学式2において、MはAl、Mg、ZrまたはTiであり、前記MはW、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、In、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であり、前記0.9≦x≦1.2、0.8≦y<1、0.01≦z<0.2、0.01≦w<0.2、0.01≦v<0.2、0≦u≦0.02である。
ここで、前記大粒径粒子は、平均粒径(D50)が10μmから20μmであってよく、前記小粒径粒子は、平均粒径(D50)が1μmから7μmであってよい。
他の側面において、本発明は、正極集電体、前記正極集電体上に形成される正極活物質層を含み、前記正極活物質層が前記本発明に係る正極材を含むものである正極を提供する。
また他の側面において、本発明は、前記本発明に係る正極;負極;前記正極及び負極の間に介在される分離膜;及び電解質を含むリチウム二次電池を提供する。
本発明に係る正極材は、ニッケル含量が80%以上のリチウム複合遷移金属酸化物を用いることで、容量特性に優れ、バイモーダル粒度分布を有するので、圧延密度及びエネルギー密度が高い。
また、本発明に係る正極材は、組成が異なる2種のリチウム複合遷移金属酸化物を混合使用することで、単一組成のリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物を用いる場合に比べて優れた高温寿命特性を有する。
実施例1、2及び比較例1によって製造されたリチウム二次電池の高温サイクル特性を示すグラフである。
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的かつ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に適合する意味と概念に解釈されなければならない。
本明細書で平均粒径(D50)は、粒径分布の50%基準での粒径と定義することができ、レーザ回折法(laser diffraction method)を用いて測定することができる。具体的に、前記平均粒径(D50)は、対象粒子を分散媒中に分散させた後、市販されるレーザ回折粒度測定装置(例えば、Microtrac MT 3000)に導入して約28kHzの超音波を出力60Wで照射した後、測定装置における粒径による体積累積分布の50%での平均粒径(D50)を算出することができる。
また、本明細書における%は、別段の言及がない限り、重量%を意味する。
本発明者等は、容量特性、エネルギー密度及び高温寿命特性が全て優れた正極材を開発するために研究を重ねた結果、特定の組成を有する2種の正極活物質を含み、平均粒径の差が3μm以上の大粒径粒子と小粒径粒子を含むバイモーダル粒度分布を有する正極材を用いる場合、前記のような目的を達成することができることが分かり、本発明を完成した。
正極材
先ず、本発明に係る正極材に対して説明する。
本発明に係る正極材は、組成が異なる第1正極活物質及び第2正極活物質を含み、大粒径粒子及び小粒径粒子を含むバイモーダル(Bimodal)粒度分布を有する。このとき、前記大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が3μm以上、好ましくは3μmから15μm、さらに好ましくは3μmから10μmであってよい。
前記第1正極活物質は、ニッケル含量が80モル%以上のリチウム複合遷移金属酸化物であり、具体的には、下記化学式1で表されるリチウム複合遷移金属酸化物である。
[化学式1]
Li[NiCo ]O
前記化学式1において、前記MはMn、Al、ZrまたはMgであり、前記Mは遷移金属(Ni、Co及び/又はM)サイトに置換されたドーピング元素であって、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、In、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であってよい。
前記aは、リチウムのモル比を意味するものであって、0.9≦a≦1.2、好ましくは1.1≦a≦1.2であってよい。
前記bは、全遷移金属のうちニッケルのモル比を意味するものであって、0.8≦b<1、好ましくは0.8≦b≦0.98であってよい。
前記cは、全遷移金属のうちコバルトのモル比を意味するものであって、0.01≦c<0.2、好ましくは0.01≦c≦0.15であってよい。
前記dは、全遷移金属のうちMのモル比を意味するものであって、0.01≦d<0.2、好ましくは0.01≦d≦0.15であってよい。
前記eは、全遷移金属のうちドーピング元素Mのモル比を意味するものであって、0≦e≦0.02、好ましくは0≦e≦0.01であってよい。
具体的には、前記第1正極活物質は、Li[NiCoMn]O、Li[NiCoAl]O、Li[NiCoZr]O、Li[NiCoMg]O、Li[NiCoMnAl]O、Li[NiCoMnZr]O、Li[NiCoMnMg]O、Li[NiCoAlZr]O、またはLi[NiCoAlMg]O(ここで、a、b、c、d及びeは化学式1で定義されたものと同一である)などであってよいが、これに限定されるものではない。
前記第2正極活物質は、ニッケル含量が80モル%以上のリチウム複合遷移金属酸化物であり、具体的には、下記化学式2で表されるリチウム複合遷移金属酸化物である。
[化学式2]
Li[NiCoMn ]O
前記化学式2において、MはAl、Mg、ZrまたはTiであり、前記Mは遷移金属(Ni、Co、Mn及び/又はM)サイトに置換されたドーピング元素であり、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、In、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であってよい。
前記xは、リチウムのモル比を意味するものであって、0.9≦x≦1.2、好ましくは1.1≦x≦1.2であってよい。
前記yは、ニッケルのモル比を意味するものであって、0.8≦y<1、好ましくは0.8≦y≦0.98であってよい。
前記zは、コバルトのモル比を意味するものであって、0.01≦z<0.2、好ましくは0.01≦z≦0.15であってよい。
前記wは、マンガンのモル比を意味するものであって、0.01≦w<0.2、好ましくは0.01≦w≦0.1であってよい。
前記vは、Mのモル比を意味するものであって、0.01≦v<0.2、好ましくは0.01≦v≦0.1であってよい。
前記uは、全遷移金属のうちドーピング元素Mのモル比を意味するものであって、0≦u≦0.02、好ましくは0≦u≦0.01であってよい。
具体的には、前記第2正極活物質は、Li[NiCoMnAl]O、Li[NiCoMnMg]O、Li[NiCoMnZr]O、Li[NiCoMnTi]O、Li[NiCoMnAlMg]O、Li[NiCoMnAlZr]O、またはLi[NiCoMnAlTi]O(ここで、x、y、z、w、vは、化学式2で定義されたものと同一である)などであってよいが、これに限定されるものではない。
一方、前記第1正極活物質及び/又は第2正極活物質は、必要に応じて、その表面にコーティング層をさらに含んでよい。このとき、前記コーティング層は、Al、Ti、W、B、F、P、Mg、Ni、Co、Fe、Cr、V、Cu、Ca、Zn、Zr、Nb、Mo、Sr、Sb、Bi、Si、及びSからなる群から選択された1種以上の元素からなる群から選択される少なくとも一つのコーティング元素を含んでよい。前記のようなコーティング層が形成される場合、正極活物質と電解液の接触が遮断されて副反応の発生が抑制されるので、電池への適用時に寿命特性を向上させることができ、さらに正極活物質の充填密度を増加させることができる。
前記のように、コーティング元素を更に含む場合、前記コーティング層内のコーティング元素の含量は、正極活物質の全重量に対して、100ppmから10,000ppm、好ましくは200ppmから5,000ppmであってよい。
前記コーティング層は、正極活物質の表面全体に形成されてもよく、部分的に形成されてもよい。具体的に、前記正極活物質の表面に前記コーティング層が部分的に形成される場合、前記正極活物質の全表面積のうち5%以上100%未満、好ましくは20%以上100%未満の面積で形成されてよい。
一方、前記第1正極活物質及び第2正極活物質は、活物質粒子内で遷移金属元素等の含量が位置に関係なく一定であってよく、粒子内部の位置に応じて一つ以上の金属元素の含量が変化されるものであってよい。例えば、前記正極活物質は、Ni、Mn、Co、M及びMのうち少なくとも一つの成分が漸進的に変化する濃度勾配を有してよく、前記「漸進的に変化する濃度勾配」は、前記成分等の濃度が粒子全体または特定の領域で連続して段階的に変化する濃度分布で存在することを意味する。
前記第1正極活物質及び第2正極活物質は、全て80モル%以上のニッケルを含むため、優れた容量特性を具現することができる。また、本発明者等の研究によれば、前記のように化学式1の正極活物質と化学式2の正極活物質を混合して用いる場合、高温での寿命特性が向上されとの効果が発生するものと表れた。
一方、本発明の正極材は、前記第1正極活物質と第2正極活物質を10:90から90:10の重量比、好ましくは20:80から80:20、さらに好ましくは30:70から70:30の重量比で含んでよい。第1正極活物質と第2正極活物質の混合比が前記範囲を満たすとき、高い電極密度を得ることができる。
一方、本発明の正極材は、平均粒径(D50)が異なる大粒径粒子及び小粒径粒子を含むバイモーダル粒度分布を有する。このようにバイモーダル粒度分布を有する場合、圧延時に大粒径粒子等間の空いた空間が小粒径粒子等で満たされながら、高い圧延密度及びエネルギー密度を具現できるようになる。
このとき、前記大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差は、3μm以上、好ましくは3μmから15μm、さらに好ましくは3μmから10μmであってよい。大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が前記範囲を満たす場合、大粒径粒子等の間に小粒径粒子等がよく充填され、圧延密度及びエネルギー密度の向上効果が優れるためである。
具体的には、前記大粒径粒子は、平均粒径(D50)が10μmから20μm、好ましくは11から18μm、さらに好ましくは12から18μmであってよい。また、前記小粒径粒子は、平均粒径(D50)が1μmから7μm、好ましくは2μmから7μm、さらに好ましくは3μmから6μmであってよい。
一方、前記小粒径粒子及び大粒径粒子を構成する活物質の種類は、特に制限されず、前記第1正極活物質及び/又は第2正極活物質であってよい。
一具現例によれば、本発明の正極材は、第1正極活物質が大粒径粒子を構成し、第2正極活物質が小粒径粒子を構成するものであってよい。
他の具現例によれば、本発明の正極材は、第1正極活物質が小粒径粒子を構成し、第2正極活物質が大粒径粒子を構成するものであってよい。
また、他の具現例によれば、本発明の正極材は、前記第1正極活物質及び第2正極活物質のうち少なくとも一つが、前記大粒径粒子及び前記小粒径粒子を全て含むバイモーダル粒径分布を有するものであってよい。
正極
次いで、本発明に係る正極に対して説明する。
本発明に係る正極は、正極集電体、前記正極集電体上に形成される正極活物質層を含み、このとき、前記正極活物質層は、前記本発明に係る正極材を含み、必要に応じて導電材及び/又はバインダを含む。
このとき、前記正極材は、前述したように、正極活物質層の総重量に対して80から99重量%、より具体的には85から98.5重量%の含量で含まれてよい。正極材が前記範囲で含まれるとき、優れた容量特性を示すことができる。
前記正極集電体は、電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用されてよい。また、前記正極集電体は、通常3から500μmの厚さを有してよく、前記集電体の表面上に微細な凹凸を形成して正極材の接着力を高めることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用されてよい。
前記導電材は、電極に導電性を付与するために用いられるものであって、構成される電池において、化学変化を引き起こすことなく電子伝導性を有するものであれば、特別な制限なく使用可能である。具体的な例としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、炭素繊維などの炭素系物質;銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;またはポリフェニレン誘導体などの伝導性高分子などを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が使用されてよい。前記導電材は、正極活物質層の総重量に対して0.1から15重量%で含まれてよい。
前記バインダは、正極活物質の粒子等間の付着及び正極活物質と集電体との接着力を向上させる役割をする。前記バインダの具体的な例としては、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVDF‐co‐HFP)、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン‐プロピレン‐ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、またはこれらの多様な共重合体などを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が使用されてよい。前記バインダは、正極活物質層の総重量に対して0.1から15重量%で含まれてよい。
本発明の正極は、正極活物質として本発明に係る正極材を用いるという点を除き、通常の正極の製造方法によって製造されてよい。具体的に、正極材、バインダ及び/又は導電材を溶媒中に溶解または分散させて製造した正極合材を正極集電体上に塗布した後、乾燥及び圧延することで製造してよい。
前記溶媒は、当該技術分野で一般的に使用される溶媒であってよく、ジメチルスルホキシド(dimethyl sulfoxide,DMSO)、イソプロピルアルコール(isopropyl alcohol)、N‐メチルピロリドン(NMP)、アセトン(acetone)または水などを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が使用されてよい。前記溶媒の使用量は、正極合材の塗布厚さ、製造歩留まり、作業性などを考慮して正極合材が適切な粘度を有するように調節され得る程度であればよく、特に限定されない。
また、他の方法として、前記正極は、前記正極合材を別の支持体上にキャスティングした後、この支持体から剥離して得たフィルムを正極集電体上にラミネーションすることで製造されてもよい。
リチウム二次電池
次いで、本発明に係るリチウム二次電池に対して説明する。
本発明のリチウム二次電池は、正極、負極、前記正極及び負極の間に介在される分離膜及び電解質を含み、このとき、前記正極は、前述した本発明に係る正極と同一である。よって、以下では、正極に対する具体的な説明は省略し、残りの構成に対してのみ説明する。
前記負極は、負極集電体及び前記負極集電体上に位置する負極活物質層を含む。
前記負極集電体は、電池に化学的変化を誘発することなく高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム‐カドミウム合金などが使用されてよい。また、前記負極集電体は、通常3μmから500μmの厚さを有してよく、正極集電体と同様に、前記集電体の表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用されてよい。
前記負極活物質層は、負極活物質とともに選択的にバインダ及び導電材を含む。
前記負極活物質としては、当該技術分野で用いられる多様な負極活物質が用いられてよく、特に制限されない。負極活物質の具体的な例としては、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素などの炭素質材料;Si、Al、Sn、Pb、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Si合金、Sn合金またはAl合金などのリチウムと合金化が可能な金属質化合物;SiOβ(0<β<2)、SnO、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物のようにリチウムをドープ及び脱ドープすることができる金属酸化物;またはSi‐C複合体またはSn‐C複合体のように前記金属質化合物と炭素質材料を含む複合物などを挙げることができ、これらのうちいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用されてよい。また、前記負極活物質として金属リチウム薄膜が使用されてもよい。また、炭素材料は、低結晶性炭素及び高結晶性炭素などが全て使用されてよい。低結晶性炭素としては、軟化炭素(soft carbon)及び硬化炭素(hard carbon)が代表的であり、高結晶性炭素としては、無定形、板状、麟片状、球状または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛、キッシュ黒鉛(Kish graphite)、熱分解炭素(pyrolytic carbon)、メソ相ピッチ系炭素繊維(mesophase pitch based carbon fiber)、メソ炭素微小球体(meso‐carbon microbeads)、メソ相ピッチ(Mesophase pitches)及び石油と石炭系コークス(petroleum or coal tar pitch derived cokes)などの高温焼成炭素が代表的である。
一方、前記負極活物質は、負極活物質層の全重量を基準に80重量%から99重量%で含まれてよい。
前記バインダは、導電材、活物質及び集電体間の結合に助力する成分であって、通常、負極活物質層の全重量を基準に0.1重量%から10重量%で添加される。このようなバインダの例としては、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン‐プロピレン‐ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレン‐ブタジエンゴム、ニトリル‐ブタジエンゴム、フッ素ゴム、これらの多様な共重合体などを挙げることができる。
前記導電材は、負極活物質の導電性をさらに向上させるための成分であって、負極活物質層の全重量を基準に10重量%以下、好ましくは5重量%以下で添加されてよい。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが使用されてよい。
前記負極活物質層は、負極集電体上に負極活物質、及び選択的にバインダ及び導電材を溶媒中に溶解または分散させて製造した負極合材を塗布し乾燥することで製造されるか、または前記負極合材を別の支持体上にキャスティングした後、この支持体から剥離して得たフィルムを負極集電体上にラミネーションすることで製造されてよい。
一方、前記リチウム二次電池において、前記分離膜は、負極と正極を分離してリチウムイオンの移動通路を提供するものであって、通常、リチウム二次電池で分離膜として用いられるものであれば特別な制限なく使用可能であり、特に電解質のイオン移動に対して低抵抗でありながら電解液含湿能力に優れたものが好ましい。具体的には、多孔性高分子フィルム、例えばエチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体及びエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルム、またはこれらの2層以上の積層構造体が使用されてよい。また、通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布が使用されてもよい。また、耐熱性または機械的強度の確保のために、セラミック成分または高分子物質が含まれたコーティングされた分離膜が使用されてよく、選択的に単層または多層構造で使用されてよい。
また、本発明で用いられる電解質としては、リチウム二次電池に使用可能な有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体高分子電解質、ゲル型高分子電解質、固体無機電解質、溶融型無機電解質などが使用されてよく、特に限定されない。
具体的に、前記電解質は、有機溶媒及びリチウム塩を含んでよい。
前記有機溶媒としては、電池の電気化学的反応に関与するイオン等が移動することができる媒質の役割が可能なものであれば、特別な制限なく使用されてよい。具体的に前記有機溶媒としては、メチルアセテート(methyl acetate)、エチルアセテート(ethyl acetate)、γ‐ブチロラクトン(γ‐butyrolactone)、ε‐カプロラクトン(ε‐caprolactone)などのエステル系溶媒;ジブチルエーテル(dibutyl ether)またはテトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)などのエーテル系溶媒;シクロヘキサノン(cyclohexanone)などのケトン系溶媒;ベンゼン(benzene)、フルオロベンゼン(fluorobenzene)などの芳香族炭化水素系溶媒;ジメチルカーボネート(dimethylcarbonate,DMC)、ジエチルカーボネート(diethylcarbonate,DEC)、メチルエチルカーボネート(methylethylcarbonate,MEC)、エチルメチルカーボネート(ethylmethylcarbonate,EMC)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate,EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate,PC)などのカーボネート系溶媒;エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒;Ra‐CN(Raは、炭素数2から20の直鎖状、分枝状または環状構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含んでよい)などのニトリル類;ジメチルホルムアミドなどのアミド類;1,3‐ジオキソランなどのジオキソラン類;またはスルホラン(sulfolane)類などが使用されてよい。この中でも、カーボネート系溶媒が好ましく、電池の充放電性能を高めることができる高いイオン伝導度及び高誘電率を有する環状カーボネート(例えば、エチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートなど)と、低粘度の線形カーボネート系化合物(例えば、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートまたはジエチルカーボネートなど)の混合物がより好ましい。この場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートは、約1:1から9の体積比で混合して使用するのが電解液の性能に優れて表れ得る。
前記リチウム塩は、リチウム二次電池用電解液に通常用いられるものなどが制限なく用いられてよく、例えば、前記リチウム塩の陽イオンとしてLiを含み、陰イオンとしてはF、Cl、Br、I、NO 、N(CN) 、BF 、ClO 、AlO 、AlCl 、PF 、SbF 、AsF 、BF 、BC 、PF 、PF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF、(CF、CFSO 、CSO 、CFCFSO 、(CFSO、(FSO、CFCF(CFCO、(CFSOCH、(SF、(CFSO、CF(CFSO 、CFCO 、CHCO 、SCN及び(CFCFSOからなる群から選択された少なくともいずれか一つを挙げることができる。具体的に、前記リチウム塩は、LiCl、LiBr、LiI、LiClO、LiBF、LiB10Cl10、LiPF、LiCFSO、LiCHCO、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、LiAlO、及びLiCHSOからなる群から選択された単一物または2種以上の混合物を含んでよく、これらの他にもリチウム二次電池の電解液に通常用いられるLiBETI(lithium bisperfluoroethanesulfonimide,LiN(SO)、LiFSI(lithium fluorosulfonyl imide,LiN(SOF))、及びLiTFSI(lithium(bis)trifluoromethanesulfonimide,LiN(SOCF)で表すリチウムイミド塩のような電解質塩を制限なく用いてよい。具体的に電解質塩は、LiPF、LiBF、LiCHCO、LiCFCO、LiCHSO、LiFSI、LiTFSI及びLiN(CSOからなる群から選択された単一物または2種以上の混合物を含んでよい。
前記リチウム塩は、通常使用可能な範囲内で適宜変更してよいが、具体的に電解液内に0.8Mから3M、具体的に0.1Mから2.5Mで含まれてよい。
前記電解質には、前記電解質の構成成分等の他にも電池の寿命特性の向上、電池容量の減少の抑制、電池の放電容量の向上などを目的として多様な添加剤が用いられてよい。このような添加剤としては、例えば、ジフルオロエチレンカーボネートなどのようなハロアルキレンカーボネート系化合物;またはピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n‐グライム(glyme)、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N‐置換オキサゾリジノン、N,N‐置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、2‐メトキシエタノールまたは三塩化アルミニウムなどが含まれてよく、前記添加剤は、単独または混合して用いられてよい。このとき、前記添加剤は、電解質の総重量に対して0.1から5重量%で含まれてよい。
前記のような本発明に係るリチウム二次電池は、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの携帯用機器、及びハイブリッド電気自動車(hybrid electric vehicle,HEV)などの電気自動車分野などに有用に用いられ得る。
これによって、本発明の他の一具現例によれば、前記リチウム二次電池を単位セルとして含む電池モジュール、及びこれを含む電池パックが提供される。
前記電池モジュールまたは電池パックは、パワーツール(Power Tool);電気自動車(Electric Vehicle,EV)、ハイブリッド電気自動車、及びプラグインハイブリッド電気自動車(Plug‐in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)を含む電気車;または電力貯蔵用システムのうちいずれか一つ以上の中大型デバイス電源として用いられてよい。
本発明のリチウム二次電池の外形は、特別な制限がないが、缶を使用した円筒型、角型、パウチ(pouch)型またはコイン(coin)型などになり得る。
本発明に係るリチウム二次電池は、小型デバイスの電源として用いられる電池セルに使用され得るだけでなく、多数の電池セルを含む中大型電池モジュールに単位電池としても好ましく使用され得る。
以下、本発明を具体的に説明するために実施形態を挙げて詳しく説明する。しかし、本発明に係る実施形態は、いくつか異なる形態に変形されてよく、本発明の範囲が下記で詳述する実施形態に限定されるものに解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
[実施例]
実施例1
平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を30:70の重重比で混合して正極材Aを形成した。
前記で製造した正極材A、カーボンブラック導電材、及びPVdFバインダを96:2:2の重重比で混合し、これをNMP溶媒中で混合して正極合材を製造した。前記正極合材を厚さが12μmであるアルミニウムホイルに塗布した後、乾燥し、ロールプレスを行って正極を製造した。
一方、負極活物質として黒鉛、カーボン導電材(SuperC65)、PVdFバインダを95.6:0.75:3.65の重重比で混合し、これを溶媒であるNMPに添加して負極合材を製造した。前記負極合材を厚さが20μmである銅ホイル上に塗布し、乾燥した後、ロールプレスを行って負極を製造した。
前記で製造した正極と負極をポリオレフィン分離膜とともに積層して電極組立体を製造した後、これを電池ケースに入れてエチレンカーボネート:プロピルプロピオネート:ジエチルカーボネートを3:1:6で混合した混合溶媒100重量部に対して1MのLiPFと、0.5重量部のビニレンカーボネート(VC)及び1.0重量部の1‐3,プロパンスルトン(PS)を溶解させた電解液を注入して、リチウム二次電池を製造した。
実施例2
平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を70:30の重重比で混合して正極材Bを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Bを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
実施例3
平均粒径(D50)が10μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を70:30の重重比で混合して正極材Cを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Cを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
実施例4
平均粒径(D50)が13μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を70:30の重重比で混合して正極材Dを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Dを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
実施例5
平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.85Co0.1Mn0.05と平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.05Mg0.01を70:30の重重比で混合して正極材Eを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Eを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例1
平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1を70:30の重重比で混合して正極材Fを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Fを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例2
平均粒径(D50)が6μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が8μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を70:30の重重比で混合して正極材Gを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Gを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例3
平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を70:30の重重比で混合して正極材Hを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Hを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例4
平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を30:70の重重比で混合して正極材Iを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Iを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例5
平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.6Co0.2Mn0.2と平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.83Co0.11Mn0.04Al0.02を30:70の重重比で混合して正極材Jを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Jを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例6
平均粒径(D50)が5μmであるLiNi0.8Co0.1Mn0.1と平均粒径(D50)が15μmであるLiNi0.6Co0.2Mn0.2を30:70の重重比で混合して正極材Kを形成した。
正極材Aの代わりに、前記のように製造された正極材Kを用いた点を除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池を製造した。
実験例1
前記実施例1〜5及び比較例1〜6によって製造されたリチウム二次電池を45℃で0.3C/0.3C条件で2.5V〜4.2Vの範囲で充放電しながら、100サイクル及び200サイクルでの容量維持率(%)及び抵抗増加率(%)を測定した。測定結果を表1に示した。また、図1には、実施例1、2及び比較例1によって製造されたリチウム二次電池のサイクル特性を表すグラフを示した。
前記表1及び図1に示すように、本発明の組成を満たす2種の正極活物質を含み、大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が3μm以上であるバイモーダル分布を有する正極材を用いた実施例1〜5の二次電池等が、比較例1〜6の二次電池等に比べて、高温サイクル特性がさらに優れて示されており、特にサイクル回数が多くなるほど、容量特性及び抵抗増加率の差がさらに大きくなることが分かる。

Claims (12)

  1. 下記化学式1で表される第1正極活物質及び下記化学式2で表される第2正極活物質を含む正極材であり、
    前記正極材は、大粒径粒子及び小粒径粒子を含むバイモーダル粒度分布を有し、
    前記大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が3μm以上であり、
    [化学式1]
    Li[NiCo ]O
    前記化学式1において、前記MはMn、Al、ZrまたはMgであり、前記MはW、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、In、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であり、0.9≦a≦1.2、0.8≦b<1、0.01≦c<0.2、0.01≦d<0.2、0≦e≦0.02であり、
    [化学式2]
    Li[NiCoMn ]O
    前記化学式2において、MはAl、Mg、ZrまたはTiであり、前記MはW、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、In、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であり、0.9≦x≦1.2、0.8≦y<1、0.01≦z<0.2、0.01≦w<0.2、0.01≦v<0.2、0≦u≦0.02である、正極材。
  2. 前記大粒径粒子の平均粒径(D50)が10μmから20μmである、請求項1に記載の正極材。
  3. 前記小粒径粒子の平均粒径(D50)が1μmから7μm以下である、請求項1に記載の正極材。
  4. 前記第1正極活物質が前記小粒径粒子であり、前記第2正極活物質が前記大粒径粒子である、請求項1から3のいずれか一項に記載の正極材。
  5. 前記第1正極活物質が前記大粒径粒子であり、前記第2正極活物質が前記小粒径粒子である、請求項1から3のいずれか一項に記載の正極材。
  6. 前記第1正極活物質及び第2正極活物質のうち少なくとも一つが、前記大粒径粒子及び前記小粒径粒子を含むバイモーダル粒径分布を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の正極材。
  7. 前記第1正極活物質と第2正極活物質が10:90から90:10の重量比で含まれる、請求項1から6のいずれか一項に記載の正極材。
  8. 前記第1正極活物質及び第2正極活物質のうち少なくとも一つが、Al、Ti、W、B、F、P、Mg、Ni、Co、Fe、Cr、V、Cu、Ca、Zn、Zr、Nb、Mo、Sr、Sb、Bi、Si、及びSからなる群から選択される少なくとも一つのコーティング元素を含むコーティング層を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の正極材。
  9. 前記化学式1において、MがMnであり、
    前記化学式2において、MがAlである、請求項1から8のいずれか一項に記載の正極材。
  10. 前記大粒径粒子と小粒径粒子の平均粒径(D50)の差が3μmから15μmである、請求項1から9のいずれか一項に記載の正極材。
  11. 正極集電体と、前記正極集電体上に形成される正極活物質層とを含む正極であって、
    前記正極活物質層は、請求項1から10のいずれか一項に記載の正極材を含む、正極。
  12. 請求項11に記載の正極、
    負極、
    前記正極と負極の間に介在される分離膜、及び
    電解質を含むリチウム二次電池。
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