KR101847769B1 - 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지 - Google Patents

음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자이며, 공극 부피가 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g인, 리튬 이차전지용 활물질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 활물질은 금속 원소가 도입되어 1차 입자의 입경이 조절되어 2차 입자의 강도가 향상됨으로써, 압연시에도 적절한 공극 부피를 유지할 수 있으며, 본 발명에 따른 상기 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법은 금속 원소가 도입량을 조절하여 1차 입자의 입경을 조절할 수 있고, 이를 통해 2차 입자의 강도 향상 및 이에 의한 압연시의 공극 부피 유지를 도모할 수 있으므로, 리튬 이차전지용 활물질의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, NEGATIVE ELECTRODE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 출력 향상과 고용량을 달성할 수 있는 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등은 동력원으로서 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지 또는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하고 있는데, 리튬 이차전지를 전기 자동차에 사용할 경우에는 높은 에너지 밀도와 단시간에 큰 출력을 발휘할 수 있는 특성과 더불어, 가혹한 조건 하에서 10년 이상 사용될 수 있어야 하므로, 기존의 소형 리튬 이차전지보다 월등히 우수한 안전성 및 장기 수명 특성이 필연적으로 요구된다. 또한, 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 사용되는 이차전지는 차량의 작동 조건에 따라 우수한 레이트(rate) 특성과 파워(power) 특성이 요구된다.
리튬 이차전지의 활물질로서, 최근, Li 흡장 방출 전위가 높은 리튬 티타늄 복합 산화물이 주목받고 있다. 리튬 티타늄 복합 산화물은 리튬 흡장방출 전위에서는 원리적으로 금속 리튬이 석출되지 않아 급속 충전이나 저온 성능이 우수하다는 장점이 있다.
리튬 티타늄 복합 산화물은 양극 활물질로서 종래로부터 사용되어 왔고, 음극 활물질로서도 활용할 수 있어서, 전지의 양극 및 음극 활성물로서 그의 장래가 기대되고 있으며, 특히 충전-방전시의 팽창 및 수축을 무시할 수 있으므로 전지의 대형화시에 주목되는 전극 재료이다. 특히 스피넬(spinel)형 티타늄산 리튬(조성식 Li4 ＋ xTi5O12(0≤x≤3))은 충방전시의 부피 변화가 작고, 가역적으로 우수하기 때문에 주목받고 있다.
상기 리튬 티타늄 복합 산화물은 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자로서, 2차 입자는 공극을 포함하고 있다. 그러나, 상기 리튬 티타늄 복합 산화물을 전극에 도포하여 활물질 층을 만든 뒤, 압연하는 과정에서, 2차 입자가 붕괴되면서 상기 공극이 소멸되어 활물질 층에서의 리튬 확산이 곤란하여 충전 레이트 특성이 저하된다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위한 기술 개발을 위하여 노력한 결과, 상기 리튬 티타늄 복합 산화물에 특정 금속을 도입함으로써, 상기 리튬 티타늄 복합 산화물의 1차 입자의 입경을 조절하고, 이를 통해 2차 입자의 강도를 확보하는 방법을 개발하여, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 금속 원소를 도입하여 1차 입자의 입경을 줄임으로써 2차 입자의 공극 부피를 확보할 수 있으면서도, 2차 입자의 강도를 확보할 수 있어 압연시에도 적절한 공극 부피를 유지할 수 있는 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 해결하고자 하는 과제는 상기 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 및 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 해결하고자 하는 과제는 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자이며, 상기 2차 입자의 공극 부피가 0.001 내지 0.05 cm3/g인, 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공한다.
[화학식 1]
Li(4-x)MxTi5O12
[화학식 2]
Li4Ti(5-x)MxO12
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
0<x≤0.5이고,
M은 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 또는 Ta이다.
또한, 본 발명은 상기 다른 과제를 해결하기 위하여, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여,
1) (i) 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물을 고상 혼합하는 과정; (ii) 상기 과정 (i)의 고상 혼합물을 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 과정; 및 (iii) 상기 과정 (ii)에서 제조된 슬러리를 분무 건조하는 과정을 포함하고, 상기 고상 혼합물 및 슬러리에 대한 별도의 분쇄 과정을 포함하지 않는, 1차 입자 형성 단계; 및
2) 상기 단계 1)에서 형성된 1차 입자를 소성하여 2차 입자를 형성하는 단계를 포함하는, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법으로서,
상기 도핑 금속이 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 2차 입자의 공극 부피가 0.001 내지 0.05 cm3/g인, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질은 금속 원소가 도입되어 1차 입자의 입경을 줄임으로써 2차 입자의 공극 부피를 확보할 수 있으면서도, 2차 입자의 강도를 확보할 수 있어 압연시에도 적절한 공극 부피를 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법은 금속 원소의 도입량을 조절하여 1차 입자의 입경을 조절할 수 있고, 이를 통해 2차 입자의 강도 향상 및 이에 의한 압연시의 공극 부피 유지를 도모할 수 있으므로, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 실시예 4 및 5에서 각각 제조된 리튬 이차전지용 음극에 대한 SEM 사진이다.
도 2는 비교예 3 및 4에서 각각 제조된 리튬 이차전지용 음극에 대한 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 각각의 PSD를 측정한 결과이다.
도 4는 실시예 6 및 7에서 각각 제조된 이차전지에 대해 2회 충전 및 방전을 수행한 후, 이차전지의 임피던스를 전기화학 임피던스 스펙트로스코피(EIS)를 이용하여 진동수(frequency)당 저항 값을 측정한 뒤, 그 성향을 semi-circle로 변환하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 5 및 6에서 각각 제조된 이차전지에 대해 2회 충전 및 방전을 수행한 후, 이차전지의 임피던스를 전기화학 임피던스 스펙트로스코피(EIS)를 이용하여 진동수(frequency)당 저항 값을 측정한 뒤, 그 성향을 semi-circle로 변환하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 6 및 비교예 5에서 각각 제조된 이차전지에 대해 2회의 충전 및 방전을 수행한 후, 만충전 상태로부터 3분간 10 C로 방전하여 이때의 전압 강하량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질은 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자이며, 상기 2차 입자의 공극 부피가 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g인 것이다.
[화학식 1]
Li(4-x)MxTi5O12
[화학식 2]
Li4Ti(5-x)MxO12
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
0<x≤0.5이고,
M은 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 또는 Ta이고, 구체적으로 K, Rb, Mg 또는 Ta일 수 있다.
상기 1차 입자의 평균 입경(D50)은 0.05 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있고, 구체적으로 0.07 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있으며, 더욱 구체적으로 0.1 ㎛ 내지 0.7 ㎛일 수 있다.
상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 0.05 ㎛ 이상일 경우, 상기 1차 입자를 집합시켜 2차 입자를 형성하는 과정에서 상기 2차 입자에 형성되는 공극이 적절한 정도의 크기를 가질 수 있고, 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 2 ㎛ 이하일 경우, 상기 2차 입자에 형성되는 공극이 적절한 정도의 크기를 가지면서도, 상기 2차 입자가 적절한 강도를 갖게 되어, 상기 2차 입자가 압연시에도 입자 형상을 유지하여 적절한 공극 부피를 유지할 수 있다.
상기 1차 입자의 평균 입경(D50) 크기의 조절은, 상기 1차 입자의 제조 과정에서 상기 리튬 티타늄 복합 산화물에 포함되는 도핑 금속, 즉 상기 M으로 나타내는 금속의 함량을 조절하여 달성될 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물에 있어서, M의 함량, 즉 x 값이 0.01 증가할 경우, 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 0.5% 내지 2%, 구체적으로 0.7% 내지 2% 감소하게 되므로, 적절한 1차 입자의 입경 평균 입경(D50)에 맞추어 상기 도핑 금속의 도핑량을 조절함으로써 상기 1차 입자의 평균 입경(D50) 크기를 조절할 수 있다. 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서, 0<x≤0.5이고, 구체적으로 0<x<0.3, 더욱 구체적으로 0.002<x<0.05일 수 있다.
상기 방법에 의해 제조되는 상기 1차 입자는, 적절한 평균 입경을 갖는 입자를 제조하기 위해 통상적으로 사용되는 방법인 분쇄 과정을 거치지 않으므로, 상기 분쇄 과정에서 상기 1차 입자가 손상되어 강도가 떨어지게 되거나, 또는 입도가 불균일 하게 되는 문제를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 활물질에 있어서, 상기 1차 입자는 입자 크기의 조절을 위한 별도의 분쇄 과정을 거치지 않고, 1차 입자에 포함되는 리튬 티타늄 복합 산화물의 도핑 금속의 도핑량에 따라 입자의 크기가 조절되므로, 균일한 입자 크기를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 60% 내지 95%이면서 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 140%일 수 있고, 더욱 구체적으로 상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 65% 내지 95%이면서 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 135%일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 70% 내지 90%이면서 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 110% 내지 130%일 수 있다.
상기 1차 입자의 평균입경(D10)이 평균입경(D50)의 60% 내지 95%이면서 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 140%인 경우, 1차 입자의 크기가 전체적으로 고르게 되어, 이들이 집합하여 2차 입자를 형성할 경우, 1차 입자 간의 접촉이 균일하여 2차 입자의 강도가 증가할 수 있고, 2차 입자가 적절한 정도의 공극 부피를 가질 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 "분쇄"는 입자 또는 입자 형상을 가지는 고형물을 원하는 입자 크기가 되도록 크기를 줄이기 위하여 물리적인 힘을 가하는 과정을 말하며, 예컨대 분쇄, 절단, 파괴, 및 연마 등을 포함하는 개념이다.
상기 2차 입자는 그 공극 부피가 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g일 수 있고, 구체적으로 0.005 cm3/g 내지 0.02 cm3/g일 수 있다.
상기 2차 입자의 비표면적은 1 m2/g 내지 10 m2/g, 구체적으로 3 m2/g 내지 7 m2/g, 더욱 구체적으로 4 m2/g 내지 6 m2/g일 수 있다.
상기 2차 입자의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있고, 구체적으로 1 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있으며, 더욱 구체적으로 2 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있다.
상기 2차 입자의 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상일 경우, 전극의 밀도가 낮아지는 것을 방지하여 적절한 부피당 용량을 가질 수 있고, 또한 평균 입경이 25 ㎛ 이하일 경우, 전극을 형성하기 위한 슬러리를 균일한 두께로 적절히 코팅할 수 있다.
본 발명에 있어서, 평균 입경(D10)은 입경 분포의 10% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있고, 평균 입경(D50)은 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 평균 입경(D90)은 입경 분포의 90% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경은 특별히 제한되지 않지만, 예컨대 레이저 회절법(laser diffraction method) 또는 주사전자현미경(SEM) 사진을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성을 가지는 결과를 얻을 수 있다.
상기 2차 입자는, 상기 2차 입자에 대하여 2,000 kgf/cm2의 압력을 가했을 때, 상기 압력을 가하기 전의 공극 부피 100 부피%를 기준으로, 70 부피% 내지 99 부피%의 공극 부피를 가질 수 있고, 구체적으로 75 부피% 내지 90 부피%의 공극 부피를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질은 일정 압력, 즉 2,000 kgf/cm2의 압력이 가해져도 상기 압력에 의해 상기 2차 입자 입자가 포함하는 공극의 부피가 크게 줄어들지 않는 것일 수 있다. 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질은 1차 입자의 크기가 전체적으로 고르고, 이들이 집합하여 2차 입자를 형성할 경우, 1차 입자 간의 접촉이 균일하여 2차 입자의 강도가 증가할 수 있으므로, 2차 입자에 대하여 2,000 kgf/cm2의 압력을 가했을 때에도 상기 압력을 가하기 전의 공극 부피를 100 부피%로 했을 때, 70 부피% 내지 99 부피%의 공극 부피를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 2차 입자는, 상기 2차 입자를 이용하여 두께 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 층을 형성하고 상기 층에 2,000 kgf/cm2의 압력을 가했을 경우, 상기 층에 포함된 상기 2차 입자가 상기 압력을 가하기 전의 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g의 공극 부피를 기준으로 70 부피% 내지 99 부피%를 유지할 수 있으므로, 리튬 확산 저항이 증가하는 것을 억제할 수 있으며, 우수한 레이트 특성을 발휘할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물에 있어서, 상기 M은 구체적으로 K, Rb, Mg 또는 Ta일 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질은, (1) 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물을 고상 혼합하는 단계; (2) 상기 단계 (1)의 고상 혼합물을 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계; (3) 상기 단계 (2)에서 제조된 슬러리를 분무 건조하여 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자를 제조하는 단계; 및 (4) 상기 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자를 소성하는 단계를 포함하고, 상기 고상 혼합물 및 슬러리에 대한 별도의 분쇄 과정을 포함하지 않는, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이때, 상기 도핑 금속은 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 구체적으로 K, Rb, Mg 또는 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 2차 입자의 공극 부피는 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g이다.
상기 단계 (1)에서는 우선적으로 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물을 고상 혼합하게 된다.
상기 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물은 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 제조하기 위한 양론비에 따라 고상 혼합될 수 있으며, 구체적으로 리튬, 티타늄, 및 도핑금속의 몰비가 3.7~4:4.7~5:0초과~0.5가 될 수 있는 양으로 혼합될 수 있다.
상기 리튬 함유 화합물은 탄산 리튬, 수산화 리튬 및 산화 리튬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 도핑 금속 함유 화합물은 상기 도핑 금속의 탄산염, 수산화염, 및 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일례에 따른 제조방법에 있어서, 상기 (1)의 고상 혼합하는 단계는, 상기 고상 혼합에 앞서, 상기 1차 입자의 목적하는 입경 크기에 따라 상기 도핑 금속 함유 화합물의 함량을 조절하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 도핑 금속 함유 화합물의 함량이 증가할수록 형성되는 상기 1차 입자의 입경이 줄어들게 되므로, 상기 1차 입자의 목적하는 입경 크기를 달성하기 위하여 상기 도핑 금속 함유 화합물의 함량은 적절히 조절될 수 있다.
구체적으로, 상기 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물 중, 상기 도핑 금속 함유 화합물의 몰비가 0.01 증가할 때, 형성되는 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)은 0.5% 내지 2%, 구체적으로 0.7% 내지 2% 감소하게 되므로, 상기 도핑 금속을 포함하지 않는 리튬 티타늄 복합 산화물의 1차 입자를 제조한 후 이의 크기를 기준으로 하여, 목적하는 1차 입자의 크기에 따라 적절히 도핑 금속 함유 화합물의 함량을 조절할 수 있다.
상기 단계 (2)에서는 단계 (1)에서 얻어진 고상 혼합물을 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하게 된다. 상기 용매는, 예컨대 물, 또는 유기용매 등일 수 있으며, 상기 분산 과정에서 필요에 따라 교반 등이 이루어질 수 있다.
상기 단계 (2)에서 얻어진 슬러리는 단계 (3)을 통하여 분무 건조되어 1차 입자가 집합(결합)하여 형성된 2차 입자를 형성한다.
상기 단계 (3)에서 상기 분무는 통상적인 분무 장치를 통해 이루어질 수 있으며, 예컨대 회전식 분무기, 압력 노즐, 공기식 노즐, 소닉 노즐 등을 들 수 있고, 특별히 제한되지 않는다.
상기 분무 건조는 100℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있으며, 상기 분무와 건조는 분무 후 별도로 가열하여 건조하는 과정을 통해 이루어질 수도 있고, 상기 분무가 100℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 이루어짐으로써, 분무와 건조가 함께 이루어지는, 하나의 과정을 통해 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법은, 상기 1차 입자 형성 단계에 있어서, 상기 고상 혼합물 및 슬러리에 대한 별도의 분쇄 과정을 포함하지 않는다.
즉, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법은 1차 입자의 크기를 적절한 범위 내로 포함시키기 위한 분쇄 등의 물리적인 힘을 가하는 과정 없이 상기 도핑 금속 함유 화합물의 함량을 조절하는 과정을 통하여, 상기 1차 입자를 목적하는 입경 크기 범위로 제조할 수 있으며, 분쇄 등의 물리적인 힘을 가하는 과정을 거치지 않으므로, 상기 1차 입자가 손상되어 강도가 떨어지게 되거나, 또는 형성되는 1차 입자의 입도가 균일하지 않게 생성되는 문제를 방지할 수 있다.
상기 과정을 통하여 형성된, 상기 1차 입자는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Li(4-x)MxTi5O12
[화학식 2]
Li4Ti(5-x)MxO12
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
0<x≤0.5이고,
M은 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 또는 Ta이고, 구체적으로 K, Rb, Mg 또는 Ta일 수 있다.
상기 화학식 1에서, x 값이 0.01 증가할 경우, 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 0.5% 내지 2% 감소하게 되고, 구체적으로 0.7% 내지 2% 감소하게 되므로, 적절한 1차 입자의 입경 평균 입경(D50)에 맞추어 상기 도핑 금속의 도핑량을 조절함으로써 상기 1차 입자의 크기를 조절할 수 있다.
이와 같이 제조된, 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)은 0.05 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있고, 구체적으로 0.07 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있으며, 더욱 구체적으로 0.1 ㎛ 내지 0.7 ㎛일 수 있다.
상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 0.05 ㎛ 이상일 경우, 상기 1차 입자가 집합하여 2차 입자를 형성했을 때, 그 과정에서 상기 2차 입자에 형성되는 공극이 적절한 정도의 크기를 가질 수 있고, 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 2 ㎛ 이하일 경우, 상기 2차 입자에 형성되는 공극이 적절한 정도의 크기를 가지면서도, 상기 2차 입자가 적절한 강도를 갖게 되어, 상기 2차 입자가 압연시에도 입자 형상을 유지하여 적절한 공극 부피를 유지할 수 있다.
상기 1차 입자는 분쇄 과정을 거치지 않고, 1차 입자에 포함되는 리튬 티타늄 복합 산화물의 도핑 금속의 도핑량에 따라 입자의 크기가 조절된 것이므로, 균일한 입자 크기를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 60% 내지 95%이고, 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 140%일 수 있고, 더욱 구체적으로 상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 65% 내지 95%이고, 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 135%일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 70% 내지 90%이고, 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 110% 내지 130%일 수 있다.
상기 1차 입자의 평균입경(D10)이 평균입경(D50)의 65% 내지 95%이고, 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 135%인 경우, 1차 입자의 크기가 전체적으로 고르게 되어, 이들이 집합하여 2차 입자를 형성할 경우, 1차 입자 간의 접촉이 균일하여 2차 입자의 강도가 증가할 수 있고, 적절한 정도의 공극 부피를 가질 수 있다.
상기 단계 2)에서는, 상기 단계 1)에서 형성된 1차 입자를 소성하여 2차 입자를 형성하게 된다.
상기 소성은 단계 1)에서 형성된 1차 입자를 700℃ 내지 900℃의 온도, 구체적으로 700℃ 내지 800℃의 온도에서 30분 내지 20 시간, 구체적으로 5 시간 내지 10 시간 동안 가열하여 이루어질 수 있다. 상기 소성은 공기 분위기, 또는 질소 및 아르곤 등의 비활성 가스 분위기에서 이루어질 수 있다.
형성된 상기 2차 입자는 그 공극 부피가 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g일 수 있고, 구체적으로 0.005 cm3/g 내지 0.02 cm3/g일 수 있다.
상기 2차 입자의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있고, 구체적으로 2 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있으며, 더욱 구체적으로 5 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.
상기 2차 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상일 경우, 전극의 밀도가 낮아지는 것을 방지하여 적절한 부피당 용량을 가질 수 있고, 또한 평균 입경이 30 ㎛ 이하일 경우, 전극을 형성하기 위한 슬러리를 균일한 두께로 적절히 코팅할 수 있다.
상기 2차 입자는 상기 2차 입자에 대하여 2,000 kgf/cm2의 압력을 가했을 때, 상기 압력을 가하기 전의 공극 부피 100 부피%를 기준으로, 70 부피% 내지 99 부피%의 공극 부피를 가질 수 있고, 구체적으로 75 부피% 내지 90 부피%의 공극 부피를 가질 수 있다.
또한, 상기 2차 입자는, 상기 2차 입자를 이용하여 두께 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 층을 형성하고 상기 층에 2,000 kgf/cm2의 압력을 가했을 경우, 상기 층에 포함된 상기 2차 입자가 상기 압력을 가하기 전의 0.001 cm3/g 내지 0.05 cm3/g의 공극 부피를 기준으로 70 부피% 내지 99 부피%를 유지할 수 있으므로, 리튬 확산 저항이 증가하는 것을 억제할 수 있으며, 우수한 레이트 특성을 발휘할 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하는 방법은, 상기 1차 입자의 목적하는 입경 크기에 따라 상기 도핑 금속 함유 화합물의 함량을 조절하는 과정 및 상기 고상 혼합물 및 슬러리에 대한 분쇄 과정을 포함하지 않는 것을 제외하고는, 당 분야에 알려져 있는 리튬 티타늄 복합 산화물의 제조 방법을 응용하여 달성될 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질은 리튬 이차전지의 음극의 제조에 음극 활물질로서 사용될 수 있으며, 따라서 본 발명은 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지용 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 리튬 이차전지는 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 것일 수 있다.
상기 양극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 통상의 양극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다.
상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로서, 상기 양극 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 가능하며, 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 양극 활물질은, 예컨대 리튬 코발트 산화물(LiCoO2); 리튬 니켈 산화물(LiNiO2); Li[NiaCobMncM1 d]O2(상기 식에서, M1은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고, 0.3≤a<1.0, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.1, a+b+c+d=1이다); Li(LieM2 f-e-f'M3 f')O2 - gAg(상기 식에서, 0≤e≤0.2, 0.6≤f≤1, 0≤f'≤0.2, 0≤g≤0.2이고, M2는 Mn과, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하며, M3은 Al, Mg 및 B로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이다) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; Li1 + hMn2 - hO4(상기 식에서 0≤h≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - iM4 iO2(상기 식에서, M4 = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, 0.01≤i≤0.3)로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - jM5 jO2 (상기 식에서, M5 = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, 0.01≤j≤0.1) 또는 Li2Mn3M6O8(상기 식에서, M6 = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; LiFe3O4, Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극을 형성하기 위한 용매로는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있으며, 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 바인더, 도전재를 용해 및 분산시킬 수 있는 정도이면 충분하다.
상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산(poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티타늄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티타늄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극 슬러리 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 20 중량%의 양으로 사용될 수 있다.
상기 분산제는 수계 분산제 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다.
상기 음극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조될 수 있으며, 예컨대 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 바인더 및 도전재 등의 첨가제들을 혼합 및 교반하여 음극 활물질 슬러리를 제조한 후, 이를 상기 리튬 이차전지용 집전체에 도포하고 건조한 후 압축하여 제조할 수 있다.
상기 음극이 상기 리튬 이차전지용 활물질이 아닌 다른 음극 활물질을 추가적으로 포함할 경우, 상기 추가적인 음극 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있는데, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 결착시켜 성형체를 유지하기 위하여 사용될 수 있으며, 음극 활물질용 슬러리 제조 시 사용되는 통상적인 바인더라면 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 비수계 바인더인 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있고, 또한 수계 바인더인 아크릴로나이트릴-부타디엔고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 수계 바인더는 비수계 바인더에 비해 경제적, 친환경적이고, 작업자의 건강에도 무해하며, 비수계 바인더에 비하여 결착 효과가 우수하므로, 동일 체적당 활물질의 비율을 높일 수 있어 고용량화가 가능하며, 수계 바인더로는 바람직하게는 스티렌-부타디엔 고무가 사용될 수 있다.
상기 바인더는 음극 활물질용 슬러리 전체 중량 중에 10 중량% 이하로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 0.1 중량% 미만이면 바인더 사용에 따른 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 10 중량%를 초과하면 바인더 함량 증가에 따른 활물질의 상대적인 함량 감소로 인해 체적당 용량이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 도전재의 예로서는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티타늄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티타늄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등을 들 수 있다. 상기 도전재는 음극 활물질용 슬러리 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 9 중량%의 양으로 사용될 수 있다.
상기 음극에 사용되는 음극 집전체는 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상기 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
또한, 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예컨대 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예컨대 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 전해질로서 포함될 수 있는 리튬염은 리튬 이차전지용 전해질에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, 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 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 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.
본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 실험예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1 : 리튬 티타늄 복합 산화물의 제조
출발 물질로서 수산화리튬 4.1 몰, 아나타제형 산화티타늄 4.9 몰, 및 탄산 칼륨 0.1 몰을 고상 혼합하고, 물에 교반하며 용해하여 슬러리를 제조하였다.
열풍 온도를 200℃, 배기 열풍 온도를 190℃로 분무 건조하고, 800℃의 산소 분위기 하에서 10시간 동안 열처리함으로써, 1차 입자의 평균 입경(D50)이 약 650 nm이고, 2차 입자의 평균 입경(D50)이 6 ㎛인, K가 도핑된 리튬 티타늄 복합 산화물을 제조하였다. 상기 리튬 티타늄 복합 산화물의 공극량은 0.018 cm3/g이었으며, BET(Brunauer-Emmett-Teller; BET)법으로 측정한 비표면적은 5.2 m2/g이었다. 상기 비표면적은 기공분포 측정기(Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini)를 사용하여 질소 가스 흡착 유통법에 의해 BET 6점법으로 측정하였다.
실시예 2 : 리튬 티타늄 복합 산화물의 제조
탄산칼륨을 0.05 몰의 양으로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 K가 도핑된 리튬 티타늄 복합 산화물을 제조하였다. 1차 입자의 평균 입경(D50)은 약 800 nm이고, 2차 입자의 평균 입경(D50)은 6 ㎛이며, BET법으로 측정한 비표면적은 4.5 m2/g이었다.
실시예 3 : 리튬 티타늄 복합 산화물의 제조
탄산칼륨을 0.2 몰의 양으로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 K가 도핑된 리튬 티타늄 복합 산화물을 제조하였다. 1차 입자의 평균 입경(D50)은 약 400 nm이고, 2차 입자의 평균 입경(D50)은 6 ㎛이며, BET법으로 측정한 비표면적은 5.8 m2/g이었다.
비교예 1 : 리튬 티타늄 복합 산화물의 제조
출발 물질로서 수산화리튬 4.1 몰 및 아나타제형 산화티타늄 4.9 몰을 고상 혼합하고, 물에 교반하며 용해하여 슬러리를 제조한 다음, 지르코니아 비드를 사용하여 3,000 rpm으로 습식 분쇄하여 포함된 1차 입자의 크기가 300 내지 700 nm가 되도록 하였다.
상기 슬러리를 열풍 온도를 200℃, 배기 열풍 온도를 190℃로 분무건조하고, 800℃ 산소 분위기 하에서 10시간 동안 열처리함으로써, 2차 입자의 평균 입경(D50)이 6 ㎛인 리튬 티타늄 복합 산화물을 제조하였다. 상기 리튬 티타늄 복합 산화물의 공극량은 0.006 cm3/g였다.
비교예 2 : 리튬 티타늄 복합 산화물의 제조
출발 물질로서 수산화리튬 4.1 몰 및 아나타제형 산화티타늄 4.9 몰을 고상 혼합하고, 물에 교반하며 용해하여 슬러리를 제조하였다.
열풍 온도를 200℃, 배기 열풍 온도를 190℃로 분무건조하고, 800℃ 산소 분위기 하에서 10시간 동안 열처리하고, 지르코니아 비드를 사용하여 3000 rpm으로 습식 분쇄하여, 2차 입자의 평균 입경(D50)이 6 ㎛인 K가 도핑된 리튬 티타늄 복합 산화물을 제조하였다.
실시예 4 : 음극의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 92 중량%, 도전재로서 카본 블랙(carbon black) 4 중량%, 및 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 4 중량%를 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 제조된 상기 음극 혼합물 슬러리를 두께 20 ㎛ 정도의 음극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 건조한 다음 롤 프레스(roll press)를 실시하여 대략 33%의 공극률을 갖는 활물질 층이 형성된 음극을 제조하였다.
실시예 5 : 음극의 제조
대략 48%의 공극률을 갖는 활물질 층이 형성되도록 롤 프레스를 실시한 것을 제외하고는, 실시예 4와 마찬가지의 방법으로 음극을 제조하였다.
비교예 3 : 음극의 제조
음극의 제조시 실시예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물을 대신하여 상기 비교예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4와 마찬가지의 방법으로 음극을 제조하였다.
비교예 4 : 음극의 제조
대략 48%의 공극률을 갖는 활물질 층이 형성되도록 롤 프레스를 실시한 것을 제외하고는, 비교예 3과 마찬가지의 방법으로 음극을 제조하였다.
실시예 6 : 리튬 이차전지의 제조
<양극의 제조>
양극 활물질로서 LiMn2O4 및 Li(Ni0.33Co0.33Mn0.33)O2의 혼합물 96 중량%, 도전제로 카본 블랙(carbon black) 2 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 2 중량%를 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 20 ㎛ 정도의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.
<리튬 이차전지의 제조>
이와 같이 제조된 양극과 상기 실시예 4에서 제조된 음극을 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 (PP/PE/PP) 3층으로 이루어진 분리막과 함께 통상적인 방법으로 이차 전지를 제작 후, 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해질을 주입하여 리튬 이차전지의 제조를 완성하였다.
실시예 7: 리튬 이차전지의 제조
리튬 이차전지의 제조에서 실시예 4에서 제조된 음극을 대신하여 상기 실시예 5에서 제조된 음극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 5 : 리튬 이차전지의 제조
리튬 이차전지의 제조에서 실시예 4에서 제조된 음극을 대신하여 상기 비교예 3에서 제조된 음극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 6 : 리튬 이차전지의 제조
리튬 이차전지의 제조에서 실시예 4에서 제조된 음극을 대신하여 상기 비교예 4에서 제조된 음극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
실험예 1 : SEM
상기 실시예 4 및 5, 및 비교예 3 및 4에서 각각 제조된 음극을 SEM을 이용하여 촬영하여 각각 도 1(실시예 4 및 5) 및 2(비교예 3 및 4)에 나타내었다.
구체적으로, 상기 음극에 대해 8회의 롤 프레스(roll press)를 실시하여 활물질 층이 대략 33% 공극률을 갖도록 하고, 1회의 롤 프레스를 실시하여 활물질 층이 대략 48% 공극률을 갖도록 해서 음극의 제조를 완성하고, 이를 SEM을 이용하여 촬영하여 각각 도 1 및 2에 나타내었다(도 1 및 2에서 33% 및 48%는 음극의 공극률을 나타낸다).
도 1 및 2를 참조하면, 실시에 4에서 제조된 음극은 비교예 3에서 제조된 음극에 비해, 음극 활물질층에 포함되어 있는 리튬 티타늄 복합 산화물 입자가 압연 이후에도 상대적으로 그 형상을 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 33% 공극률을 갖는 음극에서 더욱 두드러지며, 도 2에 나타낸 비교예 3에서 제조된 음극은 음극 활물질층이 집전체와 접하는 부분(도면에서 음극 활물질 층의 하단 부)의 음극 활물질이 분쇄되어 그 형상이 유지되지 못하고 있는 반면, 도 1에 나타낸 실시예 4에서 제조된 음극은 음극 활물질층이 집전체와 접하는 부분의 음극 활물질이 비교예 3에 비해 현저히 그 형상을 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2 : PSD(Particle Size Distribution) 측정
CILAS 사의 'CILAS920, France'와 MALVERN 사의 'Mastersizer2000, USA'를 이용하여 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 각각의 PSD를 측정하여 하기 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 실시예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 입자는 비교예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 입자에 비해 1 ㎛ 이하의 입경을 가지는 입자의 양이 현저히 적고, 입자의 입경 분포가 좁다는 점을 확인할 수 있다. 이러한 차이점은, 비교예 1은 1차 입자의 입경을 조절하기 위한 별도의 분쇄 과정을 포함하므로, 이 과정에서 상기 1차 입자가 손상되어 강도가 떨어지게 되거나, 또는 입도가 불균일 하게 되는 문제가 발생하는 데에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, 비교예 1은 1차 입자의 입경 분포가 고르지 못하므로, 이를 이용하여 2차 입자를 형성하는 경우에도 2차 입자의 입경 분포가 넓어지게 되고, 작은 입경을 가지는 미분량이 증가하게 된 것으로 판단된다.
실험예 3 : EIS에 의한 임피던스 측정>
2회의 충전 및 방전을 수행한 이차전지의 임피던스를 전기화학 임피던스 스펙트로스코피(EIS)를 이용하여 진동수(frequency)당 저항 값을 측정한 뒤, 그 성향을 semi-circle로 변환하여 각각 도 4(실시예 6 및 7) 및 도 5(비교예 5 및 6)에 나타내었다.
도 4 및 5를 참조하면, 실시예 1의 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는 음극의 경우, 비교예 1의 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는 음극에 비해 음극 계면의 저항 값이 상대적으로 작음을 확인할 수 있으며, 이는 음극 활물질 층을 압연하여 활물질 층의 공극률을 감소시킨 경우에도, 실시예 1의 리튬 티타늄 복합 산화물은 입자의 형상을 유지하고, 또한 입자 자체의 공극을 유지함으로써 리튬의 확산 저항의 증가를 억제하기 때문인 것으로 판단된다.
실험예 4: <DC-IR 시험>
실시예 6 및 비교예 5에서 얻은 이차전지를 2회의 충전 및 방전을 수행한 후, 만충전 상태로부터 3분간 10 C로 방전하여 이때의 전압 강하량을 측정하였다. 30초까지의 측정 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실시예 6의 이차전지에 비해 비교예 5의 이차전지는 전압 강하량이 컸으며, 이는 비교예 5의 이차전지가 포함하는 비교예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 입자를 포함하는 음극(비교예 3)의 경우, 상기 비교예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 입자에 포함된 미분량이 많아 이들이 전극의 전체적인 저항을 높이기 때문인 것으로 판단된다. 반면, 실시예 6의 이차전지는 실시예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 입자를 포함하는 음극(실시예 4)을 포함하고 있고, 상기 실시예 1에서 제조된 리튬 티타늄 복합 산화물 입자는 고른 입자 분포를 가지므로 전극 저항의 증가가 상대적으로 크지 않은 것으로 판단된다.
이와 같이, 본 발명의 일례에 따른 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법은 금속 원소의 도입량을 조절하여 1차 입자의 입경을 조절할 수 있다. 이에 따라, 제조된 리튬 이차전지용 활물질은 적절한 공극 부피를 가지고 있으면서도, 우수한 입자 강도를 나타내어 적절한 공극 부피를 유지할 수 있으며, 균일한 입경 분포를 가져 우수한 전기 화학적 성능을 나타낼 수 있다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자이며,
    상기 1차 입자의 평균입경(D10)은 평균입경(D50)의 60% 내지 95%이고, 평균입경(D90)은 평균입경(D50)의 105% 내지 140%이고,
    상기 2차 입자의 공극 부피가 0.001 내지 0.05 cm3/g인, 리튬 이차전지용 활물질:
    [화학식 1]
    Li(4-x)MxTi5O12
    [화학식 2]
    Li4Ti(5-x)MxO12
    상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
    0<x≤0.5이고,
    M은 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 또는 Ta이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 0.05 내지 2 ㎛인, 리튬 이차전지용 활물질.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 입자의 평균 입경(D50)이 1 ㎛ 내지 30 ㎛인, 리튬 이차전지용 활물질.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 입자는 상기 2차 입자에 대하여 2,000 kgf/cm2의 압력을 가했을 때, 상기 압력을 가하기 전의 공극 부피 100 부피%를 기준으로, 70 내지 99 부피%의 공극 부피를 가지는, 리튬 이차전지용 활물질.
  6. 제 1 항에 있어서,
    M은 K, Rb, Mg 또는 Ta인, 리튬 이차전지용 활물질.
  7. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차전지용 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 전극.
  8. 제 7 항에 따른 리튬 이차전지용 전극을 포함하는 리튬 이차전지.
  9. (1) 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물을 고상 혼합하는 단계;
    (2) 상기 단계 (1)의 고상 혼합물을 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계;
    (3) 상기 단계 (2)에서 제조된 슬러리를 분무 건조하여 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자를 제조하는 단계; 및
    (4) 상기 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자를 소성하는 단계를 포함하고,
    상기 고상 혼합물 및 슬러리에 대한 별도의 분쇄 과정을 포함하지 않는, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법으로서,
    상기 단계 (1)의 고상 혼합하는 단계는, 상기 고상 혼합에 앞서 상기 1차 입자의 목적하는 입경 크기에 따라 상기 도핑 금속 함유 화합물의 함량을 조절하는 과정을 추가로 포함하고,
    상기 리튬 함유 화합물, 티타늄 산화물 및 도핑 금속 함유 화합물 중, 상기 도핑 금속 함유 화합물의 몰비가 0.01 증가할 때, 형성되는 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)은 0.5% 내지 2% 감소하며,
    상기 도핑 금속이 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 2차 입자의 공극 부피가 0.001 내지 0.05 cm3/g인, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 리튬 함유 화합물은 탄산 리튬, 수산화 리튬 및 산화 리튬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 도핑 금속 함유 화합물은 상기 도핑 금속의 탄산염, 수산화염, 및 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 1차 입자가 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 리튬 티타늄 복합 산화물을 포함하는, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법:
    [화학식 1]
    Li(4-x)MxTi5O12
    [화학식 2]
    Li4Ti(5-x)MxO12
    상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
    0<x≤0.5이고,
    M은 Na, K, Rb, Zr, W, Mg, Mo 또는 Ta이다.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 x 값이 0.01 증가할 경우, 상기 1차 입자의 평균 입경(D50)이 0.5% 내지 2% 감소하는, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 1차 입자의 평균입경(D10)이 평균입경(D50)의 60% 내지 95%이고, 평균입경(D90)이 평균입경(D50)의 105% 내지 140%인, 리튬 이차전지용 활물질의 제조방법.
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