KR20160112665A - 리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20160112665A
KR20160112665A KR1020150038800A KR20150038800A KR20160112665A KR 20160112665 A KR20160112665 A KR 20160112665A KR 1020150038800 A KR1020150038800 A KR 1020150038800A KR 20150038800 A KR20150038800 A KR 20150038800A KR 20160112665 A KR20160112665 A KR 20160112665A
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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명은 낮은 제조단가와 우수한 출력특성을 동시에 구현할 수 있는 리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 예컨대, 입자 평균 크기가 마이크로급인 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 준비하는 제 1 단계; 및 상기 LTO 입자의 적어도 일부를 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시키기 위하여 열처리하는 제 2 단계;를 포함하는 제조방법을 제공한다.

Description

리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법{Lithium secondary cell, electrode material thereof and method of fabricating the same}
본 발명은 이차전지, 이차전지 전극 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그 중, 리튬이차전지는 우수한 전극 수명과 높은 고속 충방전 효율로 인해 가장 많이 사용되고 있는 전지이다.
한편, 고출력 리튬이차전지용 음극활물질로 사용이 되는 산화물계 음극활물질인 LTO(Li4Ti5O12)는 기존의 음극활물질인 흑연에 비하여 이차전지의 출력특성이 우수하여 고출력용 이차전지에 적용이 되고 있다.
LTO 음극활물질은 자체적으로 전기전도도가 매우 낮기 때문에 100nm 미만의 나노크기의 입자로 제조되고 있다. 그러나, 나노크기의 LTO 입자는 제조단가가 매우 높아서 출력특성이 매우 우수함에도 불구하고 이차전지의 음극활물질로 적용하는 것에 많은 제한이 따르고 있다.
한편, LTO 음극활물질을 구비하는 이차전지의 출력특성을 향상시키기 위하여 LTO 음극활물질 상에 탄소를 코팅하는 방법이 적용될 수 있으나, 역시 제조단가의 증가를 유발하는 문제점을 수반한다.
한국공개특허번호 제10-2014-0096543호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 제조단가와 우수한 출력특성을 동시에 구현할 수 있는 리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법이 제공된다. 상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법은 금속산화물계 전극활물질 입자를 준비하는 제 1 단계; 및 상기 금속산화물계 전극활물질 입자의 적어도 일부를 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시키기 위하여 열처리하는 제 2 단계;를 포함한다.
상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에서, 상기 금속산화물계 전극활물질 입자는 Li4Ti5O12, TiO2, SiOx, SnOx 및 CuOx (상기 x는 임의의 양의 실수)의 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법의 상기 제 1 단계에서 상기 금속산화물계 전극활물질 입자는 입자 평균 크기가 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다.
상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법의 상기 제 2 단계에서 상기 금속산화물계 전극활물질 입자의 적어도 일부는 상기 금속산화물계 전극활물질 입자의 표면부를 포함할 수 있다.
상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에서 상기 열처리하는 제 2 단계는 수소 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에서 상기 열처리하는 제 2 단계는 수소와 아르곤의 혼합가스 분위기 또는 수소와 질소의 혼합가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에서 상기 열처리하는 제 2 단계는 환원제를 이용하여 상기 금속산화물계 전극활물질 입자를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 환원제는 금속계 환원제 및/또는 금속산화물계 환원제를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 지르코늄, 마그네슘, 알루미늄 및 아연 중의 적어도 어느 하나 또는 이의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 리튬이차전지 전극 소재가 제공된다. 상기 리튬이차전지 전극 소재는 상술한 제조방법을 통해 최종적으로 구현된 금속산화물계 전극활물질 입자를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 리튬이차전지가 제공된다. 상기 리튬이차전지는 음극 활물질로서 상술한 제조방법을 통해 최종적으로 구현된 금속산화물계 전극활물질 입자를 포함한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 낮은 제조단가와 우수한 출력특성을 동시에 구현할 수 있는 리튬이차전지, 리튬이차전지 전극 소재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에서 금속산화물계 전극활물질 입자로서 LTO(Li4Ti5O12) 입자의 양상을 순차적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법의 제 1 단계에서 준비된 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법의 제 2 단계에서 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시키기 위하여 열처리된 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이차전지를 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예에서 리튬이차전지의 전기화학적 성능(C-rate)을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명의 기술적 사상 중의 하나는 금속산화물계 전극활물질 입자의 적어도 일부를 산소결핍 구조로 변화시키기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에 관한 것이다. 이러한 금속산화물계 전극활물질 입자는 리튬이차전지의 양극 또는 음극 소재에 적용할 수 있는 지금까지 알려진 임의의 활물질 입자일 수 있으며, 예를 들어, Li4Ti5O12, TiO2, SiOx, SnOx 및 CuOx (상기 x는 임의의 양의 실수)의 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
이하에서는, 이러한 금속산화물계 전극활물질 입자 중의 하나인 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 중심으로 예시적으로 설명하고자 한다. 그러나, 앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상이 LTO(Li4Ti5O12) 입자에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들에서 언급하는 LTO 입자는 티탄산리튬 입자로서, 특히, Li4Ti5O12 으로 표시되는 화학식을 가지는 입자를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법이 제공된다. 상기 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법은 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 준비하는 제 1 단계; 및 상기 LTO 입자의 적어도 일부를 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시키기 위하여 열처리하는 제 2 단계;를 포함한다.
상기 제 1 단계에서 상기 LTO(Li4Ti5O12) 입자는 제조단가가 높은 나노급 입자가 아니라 제조단가가 낮은 마이크로급 입자일 수 있다. 여기에서, 마이크로급 입자는 입자 평균 크기가 0.1㎛ 내지 5㎛인 입자를 포함할 수 있다.
본 실시예들 중의 하나는 제조단가가 낮은 마이크로급 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 활용하여 우수한 출력특성을 가지는 음극활물질을 포함하는 리튬이차전지를 구현할 수 있는 제조방법을 제안한다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법의 제 2 단계에서, 상기 LTO 입자를 열처리하는 단계는 수소 가스 분위기에서 상기 LTO 입자를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 LTO 입자를 열처리하는 단계는 수소/아르곤의 혼합가스 분위기 또는 수소/질소의 혼합가스 분위기에서 상기 LTO 입자를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 LTO 입자를 열처리하는 단계는 환원제를 이용하여 상기 LTO 입자를 열처리하는 단계를 포함할 수 있는데, 상기 환원제는 금속계 환원제 및/또는 금속산화물계 환원제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환원제는 지르코늄, 마그네슘, 알루미늄, 및 아연 중의 적어도 어느 하나 및/또는 이의 산화물을 포함할 수 있다.
이러한 열처리에 의하면, 상기 LTO(Li4Ti5O12) 입자의 적어도 일부가 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화되는데, 특히, LTO 입자의 표면이 산소결핍 구조를 가질 수 있다.
상기 산소결핍 구조는 결정 구조 내에서 정상적인 경우와 달리 산소가 결핍된 양상을 가진다. 따라서, 제 2 단계에서의 상기 열처리는 LTO(Li4Ti5O12) 입자의 산소결핍화 처리 및/또는 표면개질 처리로 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법에서 LTO(Li4Ti5O12) 입자(분말)의 양상을 순차적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법의 제 1 단계에서 준비된 LTO(Li4Ti5O12) 입자(분말)를 촬영한 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법의 제 2 단계에서 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시키기 위하여 열처리된 LTO(Li4Ti5O12) 입자(분말)를 촬영한 사진이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 제 1 단계에서 LTO 입자(22)가 준비된다. LTO 입자(22)의 입자 평균 크기는 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 이러한 입자가 복수개로 제공되는 형상을 도 2의 사진으로 나타내었다.
도 1의 (b)를 참조하면, 제 2 단계에서의 상기 열처리를 수행한 후에 최종적인 LTO 입자(26)가 구현된다. 최종적인 LTO 입자(26)는 표면부(25)가 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화되어 불규칙 구조(disordered structure)를 가진다. 이러한 입자가 복수개로 제공되는 형상을 도 3의 사진으로 나타내었다.
본 발명에서 제안하는 LTO(Li4Ti5O12) 입자에 대한 산소결핍화 기술은 상기 열처리를 통해 금속산화물 표면을 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시켜 금속산화물의 밴드갭 에너지(bandgap energy)를 줄여 전기전도도를 향상시키는 구성을 포함한다.
도 2와 도 3을 비교하면, 산소결핍화 처리(예를 들어, 수소가스 분위기에서 열처리)를 수행한 후 입자의 형상 변화는 없는 것으로 나타난다.
상술한 LTO(Li4Ti5O12) 입자는 리튬이차전지 전극 소재로서, 구체적으로, 음극활물질로 응용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이차전지를 도해하는 도면이다. 다만, 도 4에 도시된 리튬이차전지는 예시적인 구성일 뿐 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 한정되지 않음은 명백하다.
도 4에서 보여지는 바와 같이 리튬전지(10)는 음극(20), 양극(30) 및 세퍼레이터(40)를 포함한다.
음극(20)은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 형성하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하여 제조할 수도 있다. 상기 음극활물질은 상술한 LTO(Li4Ti5O12) 입자를 포함할 수 있다.
양극(30)은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 형성하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하여 제조할 수도 있다.
상술한 양극(30), 음극(20) 및 세퍼레이터(40)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(50)에 수용된다. 이어서, 전지케이스(50)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(60)로 밀봉되어 리튬전지(10)가 완성된다. 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지는 박막형전지일 수 있다. 상기 리튬전지는 리튬이온전지일 수 있다.
상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다. 또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다.
예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다. 특히, 상기 리튬전지는 고율특성 및 수명특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 적합하다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 적합하다.
도 5는 본 발명의 실험예에서 리튬이차전지의 전기화학적 성능(C-rate)을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 LTO(Li4Ti5O12) 입자가 적용된 리튬이차전지의 전기화학적 성능(A)과 도 3에 도시된 LTO(Li4Ti5O12) 입자가 적용된 리튬이차전지의 전기화학적 성능(B)가 도시된다.
이에 따르면, 산소결핍화 처리(예를 들어, 수소가스 분위기에서 열처리)를 수행한 후 LTO(Li4Ti5O12) 입자의 크기 변화는 거의 없으나 전기화학적 성능(C-rate)이 급격하게 향상됨을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 리튬전지 20 : 음극
26 : 최종적인 LTO(Li4Ti5O12) 입자
30 : 양극 40 : 세퍼레이터

Claims (10)

  1. 금속산화물계 전극활물질 입자를 준비하는 제 1 단계; 및
    상기 금속산화물계 전극활물질 입자의 적어도 일부를 산소결핍 구조(oxygen-deficient structure)로 변화시키기 위하여 열처리하는 제 2 단계;
    를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속산화물계 전극활물질 입자는 Li4Ti5O12, TiO2, SiOx, SnOx 및 CuOx (상기 x는 임의의 양의 실수)의 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서 상기 금속산화물계 전극활물질 입자는 입자 평균 크기가 0.1㎛ 내지 5㎛인, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 금속산화물계 전극활물질 입자의 적어도 일부는 상기 금속산화물계 전극활물질 입자의 표면부를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 제 2 단계는 수소 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 제 2 단계는 수소/아르곤의 혼합가스 분위기 또는 수소/질소의 혼합가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 제 2 단계는 환원제를 이용하여 상기 금속산화물계 전극활물질 입자를 열처리하는 단계를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 환원제는 금속계 환원제 및/또는 금속산화물계 환원제를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 상기 제조방법을 통해 최종적으로 구현된 금속산화물계 전극활물질 입자를 포함하는, 리튬이차전지 전극 소재.
  10. 음극 활물질로서 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 상기 제조방법을 통해 최종적으로 구현된 금속산화물계 전극활물질 입자를 포함하는, 리튬이차전지.
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