KR102451939B1 - 리튬 이온 이동 속도가 증가된 리튬 복합 산화물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급속 충전용 리튬 복합 산화물에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀도가 높은 내부 표면을 밀도가 낮은 외부가 감싸는 구조로 모세관 현상에 의한 리튬 이온의 전달 효과가 증대되는 효과를 나타내는 급속 충전용 리튬 복합 산화물에 대한 것이다.

Description

리튬 이온 이동 속도가 증가된 리튬 복합 산화물{Lithium metal oxide complex with increased moving speed of Lithium ion}

본 발명은 급속 충전용 리튬 복합 산화물에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀도가 높은 내부 표면을 밀도가 낮은 외부가 감싸는 구조로 모세관 현상에 의한 리튬 이온의 전달 효과가 증대되는 효과를 나타내는 급속 충전용 리튬 복합 산화물에 대한 것이다.

노트북, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전동 카트, 전동 휠체어, 전동 자전거 등의 수요도 늘어남에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 전세계적으로 하이브리드 전기 자동차(HEV)와 전기 자동차(EV)에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이에 따라 HEV나 EV의 핵심적 부품인 차량용 전지에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있으며, 더불어 전지를 빠르게 충전할 수 있는 급속 충전 기술 개발이 시급하다. 특히 추가적인 에너지원이 없는 EV에 있어 급속 충전은 매우 중요한 성능이다.

전지를 충전하는 프로세스는 전지에 전류를 넣어 전하 및 에너지를 축적하는 것을 포함하며, 일반적으로 과도한 충전율(C-rate) 또는 충전전압은 전지의 성능을 영구적으로 저하시키고 궁극적으로 완전한 실패를 유발하거나 부식성이 강한 화학 물질의 누설 또는 폭발 등의 돌발 장애를 유발할 수 있으므로 정밀하게 제어되어야 한다.

리튬 이차전지의 경우, 그 명칭에서 알 수 있듯이 Li을 이용하는 전지로서, 에너지 밀도가 높고 가볍지만, 덴드라이트를 쉽게 형성할 수 있어 위험하다는 단점이 있다. 구체적으로, 충전시 양극에서 나온 Li 이온이 음극으로 들어가는 과정을 통하여 전기의 저장이 일어나게 된다.

이 과정에서 충전 초기 양극에서 나온 Li 이온이 전해액을 통하여 음극으로 들어가며 각 물질들 사이의 계면에서 분극현상이 발생하게 되고, 과전압으로 이어지게 된다. 이때, 흐르는 전류량 대비 이동할 수 있는 이온이 부족하면, 과전압에 의해서 리튬 이온이 석출되게 된다. 상기 리튬 석출은 리튬 이온의 이동뿐만 아니라 전기 저항에 의해서도 발생하게 되며, 이온의 이동의 경우 전극의 투과성(porosity) 등과도 밀접하게 관련된다.

투과성이 높아질수록 Li 이온의 이동도는 커지게 되지만, 전기적 접촉면이 낮아지게 되므로 적절히 조절하는 것이 필요하나 매우 어려운 실정이며, 특히 높은 투과성은 당연히 낮은 에너지 밀도로 이어지는 문제점도 내포하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 입자 내부로 리튬 이온 투과도가 높으면서도 높은 에너지 밀도를 나타내는 새로운 구조의 리튬 복합 산화물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 밀도가 d1 으로 표시되는 내부; 및 밀도가 d2 로 표시되는 외부; 를 포함하고, 상기 d1 ≥ d2 인 것인 리튬 복합 산화물을 제공한다.

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본 발명에 의한 리튬 복합 산화물은 밀도가 높은 내부 표면을 밀도가 낮은 외부가 감싸는 구조로 모세관 현상에 의한 리튬 이온의 2차 입자 내부로의 전달 속도가 증대되는 효과를 나타낸다.

도 1 은 본 발명에 의한 리튬 복합 산화물의 내부 구조를 나타낸다.

본 발명에 의한 리튬 복합 산화물의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 리튬 복합 산화물은 코어를 형성하는 내부의 밀도가 외부의 밀도보다 높아 입자 내부에서 모세관 현상에 의해 리튬 이온을 내부까지 빠르게 이동시킴으로써 급속 충전 효과를 나타낸다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물에 있어서, 상기 내부의 지름은 3 내지 10 um 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물에 있어서, 상기 밀도가 d1 으로 표시되는 내부는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1] Li1+aNi1-x1-y1M1x1M2y1O2
(M1은 Co, Mn 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고,
M2는 Al, Mn, Mg, Si, P 및 Ga로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이며, 0 ≤a ≤ 0.3 이고, 0 ≤ x1 ≤ 0.03, 0 ≤ y1 ≤ 0.03 임)
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물에 있어서, 상기 밀도가 d2 로 표시되는 외부는 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.
[화학식 2] Li1+aNi1-x2-y2M1x2M2y2O2
(상기 화학식 2에서 M1은 Co, Mn 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, M2는 Al, Mn, Mg, Si, P 및 Ga로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이며,
0 ≤ a ≤ 0.3 이고, 0 ≤ x2 ≤ 0.03, 0 ≤y2 ≤ 0.03 임)
본 발명에 의한 리튬 복합 산화물에 있어서, 상기 x1+y1 ≤ x2+y2 인 것을 특징으로 한다. 즉, 내부에서의 Ni 의 몰분율이 외부에서의 Ni 의 몰분율보다 높아 구조적으로 리튬 이온이 내부까지 전달되면서도 높은 용량을 나타내게 된다.
본 발명은 또한,
공침법에 의하여 밀도가 d1 으로 표시되는 내부를 제조하는 단계; 및
공침법에 의하여 밀도가 d2 로 표시되는 외부를 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 내부를 제조하는 단계에서 사용되는 금속염이 상기 외부를 제조하는 단계에서 사용되는 금속염과 상이한 것인 본 발명에 의한 리튬 복합 산화물의 제조 방법을 제공한다.

Claims (6)

1. 밀도가 d1 으로 표시되는 내부; 및
   밀도가 d2 로 표시되는 외부; 를 포함하고,
   상기 d1 ≥ d2 이고,
   상기 밀도가 d1 으로 표시되는 내부는 하기 화학식 1로 표시되고,
   상기 밀도가 d2 로 표시되는 외부는 하기 화학식 2로 표시되고,
   하기 화학식 1 및 화학식 2에서 x1, y1, x2 및 y2 간에는 x1+y1 ≤ x2+y2 의 관계식이 형성되는 리튬 복합 산화물:
   [화학식 1] Li1+aNi1-x1-y1M1x1M2y1O2
   (M1은 Co 및 Mn 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, M2는 Si, P 및 Ga로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이며, 0 ≤ a ≤ 0.3 이고, 0 ≤ x1 ≤ 0.03, 0 ＜ y1 ≤ 0.03 임)
   [화학식 2] Li1+aNi1-x2-y2M1x2M2y2O2
   (상기 화학식 2에서 M1은 Co 및 Mn 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, M2는 Si, P 및 Ga로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이며, 0 ≤ a ≤ 0.3 이고, 0 ≤ x2 ≤ 0.03, 0 ＜ y2 ≤ 0.03 임)
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부의 지름은 3 내지 8 ㎛ 인 것인
   리튬 복합 산화물.
   
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6. 공침법에 의하여 밀도가 d1 으로 표시되는 내부를 제조하는 단계; 및
   공침법에 의하여 밀도가 d2 로 표시되는 외부를 제조하는 단계; 를 포함하고,
   상기 내부를 제조하는 단계에서 사용되는 금속염이 상기 외부를 제조하는 단계에서 사용되는 금속염과 상이한 것인
   제 1 항에 의한 리튬 복합 산화물의 제조 방법.

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