WO2022085891A1 - 전극 활물질, 그 제조방법, 이를 포함하는 전극 및 이차전지 - Google Patents

전극 활물질, 그 제조방법, 이를 포함하는 전극 및 이차전지 Download PDF

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마상복
가종훈
김태영
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Definitions

  • It relates to an electrode active material, a method for manufacturing the same, and a positive electrode and a secondary battery including the same.
  • lithium ion batteries are being put to practical use not only in the fields of information-related devices and communication devices, but also in the fields of automobiles.
  • safety is especially important because it is related to life.
  • Lithium ion batteries currently on the market are required to increase energy density and power density per mass or volume. To this end, efforts to improve the voltage of the positive electrode active material are continuously being made.
  • the all-solid-state battery does not use a combustible organic solvent, the possibility of a fire or explosion even if a short circuit occurs can be greatly reduced. Therefore, such an all-solid-state battery can significantly increase safety compared to a lithium ion battery using an electrolyte. Since all-solid-state batteries can be charged beyond the voltage limit of liquid electrolytes, the need for high-voltage cathode materials is gradually increasing.
  • One aspect is to provide a novel electrode active material capable of realizing a high voltage.
  • Another aspect is to provide a positive electrode including the above-described electrode active material and a secondary battery including the same.
  • Another aspect is to provide a method of manufacturing the above-described electrode active material.
  • an electrode active material including a compound represented by the following Chemical Formula 1 is provided.
  • M is an element selected from elements of Groups 3 to 11, or a combination thereof, except when M is iron (Fe).
  • a positive electrode including the above-described electrode active material.
  • a secondary battery including the above-described electrode is provided.
  • the secondary battery is a lithium secondary battery or an all-solid-state battery
  • the all-solid-state battery is, for example, a multi-layer-ceramic (MLC) battery.
  • M is an element selected from elements of Groups 3 to 11, or a combination thereof, with the proviso that iron (Fe) is excluded.
  • an electrode active material capable of realizing a high voltage and having excellent stability is provided.
  • a secondary battery having an average discharge voltage of 4.4 V or more and an improved energy density can be manufactured.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a partial area of FIG. 1A .
  • 1C shows X-ray diffraction analysis spectra of the positive active materials of Preparation Examples 5, 6, and 7 of the positive active material.
  • FIG. 1D shows X-ray diffraction analysis spectra of the positive active materials of Preparation Example 6 and Comparative Preparation Example 1.
  • 3A shows the voltage change according to specific capacity in the coin cells manufactured according to Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2.
  • 3B shows specific capacity and average voltage change according to the mixing amount of cobalt and nickel in the positive electrode active material in the coin cells of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2.
  • FIG. 4A shows the voltage change according to the specific capacity in the coin cells of Examples 1-2 and Comparative Example 1
  • FIG. 4B shows the discharge curves normalized to the capacity in the coin cells of Examples 1-2 and Comparative Example 1 will be.
  • Figure 4c shows the voltage change according to the specific capacity in the coin cell of Comparative Example 4.
  • FIG. 5 shows a dQ/dV plot for the coin cells of Examples 1-2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 6 schematically illustrates a structure of a multilayer ceramic type battery according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 schematically shows a structure of a secondary battery according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 8 schematically shows the structure of a secondary battery according to another embodiment.
  • FIG. 9A schematically shows the structure of a secondary battery according to another exemplary embodiment.
  • 9B schematically shows the structure of a secondary battery according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment.
  • 11 is a cross-sectional view of an all-solid-state secondary battery according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of an all-solid-state secondary battery according to another exemplary embodiment.
  • solid secondary battery 10 positive electrode layer
  • An electrode active material including a compound represented by the following Chemical Formula 1 is provided.
  • M is a group 3 to 11 element, or a combination thereof, with the proviso that M is iron (Fe) is excluded.
  • x is a number from 5.8 to 6.2
  • y is a number from 0.3 to 0.9
  • z is from 4.9 to 5.1.
  • M is Co, Mn, V, Ti, Cr, Cu, Sc, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Pd , Pt, Ag, Au, or a combination thereof, for example, M is Co, Mn, V, Ti, Cr, Cu, Sc, or a combination thereof.
  • the electrode active material is, for example, a positive electrode active material or a negative electrode active material.
  • the interfacial resistance between the solid electrolyte and the cathode material can be reduced by using the phosphate-based material as the positive electrode material.
  • the phosphate-based positive electrode material known so far has a very low discharge voltage of 3 V.
  • a ceramic-type negative electrode having a high redox potential is used, and the energy density of the MLC battery is low due to a low voltage, so improvement is required.
  • Li 6 Fe 5 (P 2 O 7 ) 4 or Li 6 Co 5 (P 2 O 7 ) 4 is known.
  • Li 6 Fe 5 (P 2 O 7 ) 4 has a low discharge voltage of 3.5V, so it is difficult to implement a high voltage.
  • Li 6 Co 5 (P 2 O 7 ) 4 has excellent stability, but voltage characteristics do not reach a satisfactory level, so improvement is required.
  • the positive active material according to an embodiment contains nickel having excellent high voltage characteristics and M, which is a phase stabilizing element, so as to have excellent high voltage discharge characteristics and phase stability.
  • the positive electrode containing such a positive electrode active material is capable of high voltage of 4.4V or more, 4.8V or more, for example, 5V or more, so that it is possible to manufacture a secondary battery capable of realizing high energy density with an energy density of 800Wh/kg level.
  • the positive electrode active material is a Li 6 M 5 (P 2 O 7 ) 4 type positive electrode active material, has a triclinic crystal structure, and has a space group (p-1).
  • Li 6 M 5 (P 2 O 7 ) 4 when M is nickel, the phase is very unstable, but even when M contains one or more elements selected from Groups 3 to 11 elements in addition to Ni, the phase is stabilized in the high voltage region. The discharge capacity is excellent.
  • the compound represented by Formula 1 is at least one selected from compounds represented by Formulas 2 to 4 below.
  • the compound represented by Formula 1 is, for example, Li 6 Ni 2 Co 3 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Ni 3 Co 2 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Ni 1 Co 4 (P 2 O 7 ) ) 4 , Li 6 Ni 4 Co 1 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Mn 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Mn 2 Ni 3 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Mn 2 Ni 1 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Mn 2 V 1 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Mn 2 Nb 1 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Mn 2 Ta 1 Ni 2 ( P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Tc 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Re 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Ni 2 Rh 3 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Ni 1 Rh 4 (P 2 O 7 ) 4 , Li 6 Ni
  • a main peak appears in the region where the diffraction angle 2 ⁇ obtained by X-ray diffraction analysis using CuK ⁇ of the compound of Formula 1 is 28.5 ⁇ 2°.
  • the ratio (P2/P1) of the intensity of the main peak (P1) and the intensity of the minor peak (P2) obtained by X-ray diffraction analysis using CuK ⁇ ray for the compound of Formula 1 (P2/P1) was 0.4
  • 0.1 to 0.4, or 0.2 to 0.35 was 0.1 to 0.4, or 0.2 to 0.35.
  • main peak refers to a peak having the maximum intensity
  • volume peak refers to a peak having a second intensity as a peak having a smaller intensity than the main peak
  • the dQ/dV peak voltage showing the maximum discharge curve area under a voltage condition of 3.0V to 5.5V with a current of 0.025C in the dQ/dV differential curve for a battery having a positive electrode containing the compound of Formula 1 was 4.7 V (vs. Li/Li + ) or more.
  • the dQ/dV peak voltage showing the maximum discharge curve area at a voltage of 3.0V to 5.5V with a current of 0.025C is, for example, 4.8 V (vs. Li/Li + ) or higher, 4.8 to 5.2V, or 4.8 to 5.15V.
  • the ratio (A2/A1) of the area A2 of the discharge curve of 4.7V to 5.5V to the area A1 of is 0.4, 0.4 to 1.0, 0.43 to 0.55, or 0.434 to 0.531.
  • the electrode may be, for example, an anode.
  • the compound represented by Formula 1 according to an embodiment can be prepared by a wet or dry method.
  • a method for preparing the compound of Formula 1 according to a dry method will be described.
  • a lithium precursor, a nickel precursor, a phosphorus precursor, and an M precursor are mixed to obtain a precursor mixture.
  • Mixing can be effected, for example, by mechanical milling.
  • a solvent may be, for example, acetone, ethanol, water, ethylene glycol, isopropanol, or a combination thereof.
  • the content of the solvent is in the range of 50 to 1,000 parts by weight, for example 100 to 300 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the precursor compound.
  • mixing of each precursor may be made more uniform.
  • Milling may be performed according to methods known in the art. Milling may use, for example, a ball mill, an air jet mill, a bead mill, a roll mill, a planetary mill, and the like.
  • the lithium precursor may be, for example, at least one selected from lithium oxide, lithium carbonate, lithium chloride, lithium sulfide, lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium phosphate, and lithium hydroxide.
  • the phosphorus precursor may be, for example, (NH 4 ) 2 HP0 4 , (NH 4 )H 2 P0 4 , LiPO 3 , LiH 2 PO 4 , or the like.
  • the M precursor is, for example, an oxide containing element M, carbonate containing element M, chloride containing element M, phosphate containing element M, hydroxide containing element M, nitrate containing element M, hydroxide containing element M, oxalate containing element M or and mixtures thereof, for example, cobalt oxide, cobalt sulfate, cobalt hydroxide, cobalt nitrate, manganese oxide, manganese sulfate, manganese hydroxide, manganese nitrate, manganese oxalate, vanadium oxide, vanadium sulfate, vanadium hydroxide, vanadium nitrate, oxide Titanium, titanium sulfate, titanium hydroxide, titanium nitrate, titanium oxalate, chromium oxide, chromium sulfate, chromium hydroxide, chromium nitrate, chromium oxalate, copper oxide, copper s
  • the nickel precursor may use nickel oxide, nickel chloride, nickel sulfate, nickel nitrate, or a combination thereof.
  • the phosphorus precursor may be, for example, (NH 4 ) 2 HP0 4 , (NH 4 )H 2 P0 4 , LiPO 3 , LiH 2 PO 4 , or a mixture thereof.
  • the compound represented by Chemical Formula 1 may be obtained by heat-treating the resultant through the above-described process.
  • the heat treatment is carried out at 500 °C to 1000 °C, 550 °C to 900 °C, or 600 to 750 °C.
  • the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere.
  • the inert gas atmosphere uses an inert gas such as argon or nitrogen.
  • the reducing gas atmosphere may be formed by mixing the above-described inert gas in an amount of 3% by volume or less, or 0.1 to 3% by volume of hydrogen.
  • the rate of temperature increase during heat treatment is 1°C/min to 10°C/min.
  • a drying process may optionally be performed prior to the heat treatment process. If drying is performed, drying is performed at 30°C to 150°C, 50°C to 130°C, 60°C to 120°C, or 80°C to 100°C. When the drying process is performed in this way, a positive electrode active material having better energy density can be obtained.
  • the compound of Formula 1 may be prepared using a liquid phase method in addition to the solid phase method described above.
  • an electrode including the above-described electrode active material is provided.
  • the electrode may be, for example, a positive electrode including a positive electrode active material or a negative electrode including a negative electrode active material.
  • the electrode active material according to an embodiment may be contained in the negative electrode.
  • a secondary battery including the above-described electrode is provided.
  • the electrode is an anode or a cathode.
  • the secondary battery is a lithium secondary battery or an all-solid-state battery.
  • the all-solid-state battery may be, for example, a multi-layer-ceramic (MLC) battery.
  • MLC multi-layer-ceramic
  • the multilayer ceramic battery is a cell unit in which a positive electrode layer including a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer including a negative electrode active material layer are sequentially disposed in order, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are stacked to face each other.
  • a laminate structure is provided.
  • the multilayer ceramic battery may further include a positive electrode current collector and/or a negative electrode current collector.
  • the multilayer ceramic battery includes a positive electrode current collector, the positive electrode active material layer may be disposed on both surfaces of the positive electrode current collector.
  • the anode active material layer may be disposed on both surfaces of the anode current collector.
  • a multilayer ceramic battery includes a laminate in which a plurality of cell units in which a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode active material layer are sequentially arranged in sequence are stacked such that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer of each cell face each other.
  • the cell unit is laminated by providing a current collector layer on either or both of the uppermost layer and the lowermost layer of the laminate, or by interposing a metal layer in the laminate.
  • the positive electrode active material and the secondary battery according to an embodiment may be used as an application power source for the Internet of Things (IoT), a wearable device power source, and the like.
  • IoT Internet of Things
  • wearable device power source and the like.
  • the positive active material according to an embodiment is applicable to a thin film battery and an MLC battery. It is also applicable to small batteries and large batteries such as electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESSs).
  • EVs electric vehicles
  • ESSs energy storage systems
  • the secondary battery includes: a positive electrode layer including a positive electrode active material layer, a negative electrode current collector layer and a negative electrode layer including a first negative electrode active material layer or a third negative electrode active material layer; and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material including a compound represented by the following Chemical Formula 1 is provided.
  • M is an element selected from elements of Groups 3 to 11, or a combination thereof, except when M is iron (Fe).
  • the first anode active material layer is a carbon-based anode active material; and at least one selected from a metal or metalloid anode active material.
  • the carbon-based negative active material includes at least one selected from amorphous carbon and crystalline carbon, and the metal or metalloid negative active material is gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), bismuth (Bi), tin (Sn), and includes at least one selected from the group consisting of zinc (Zn).
  • a second anode active material layer disposed between at least one of the anode current collector and the first anode active material layer and between the solid electrolyte layer and the first cathode active material layer, wherein the second anode active material layer is lithium or lithium alloy
  • a metal layer comprising
  • the third anode active material layer is a metal layer including lithium or a lithium alloy.
  • the secondary battery according to an exemplary embodiment may be an ultra-small all-solid-state secondary battery.
  • FIG 6 schematically shows the structure of an MLC battery according to an embodiment.
  • an MLC battery may be manufactured by sequentially stacking an oxide electrode and a solid electrolyte, and then simultaneously heat-treating them.
  • the positive electrode active material layer 112 containing the positive electrode active material is disposed on both sides of the positive electrode current collector 111 to form the positive electrode 110 .
  • a negative electrode active material layer 122 is laminated on both surfaces of the negative electrode current collector 121 to form the negative electrode 120 .
  • a solid electrolyte 130 may be disposed between the positive electrode 110 and the negative electrode 120 .
  • the external electrode 140 is formed at both ends of the battery body 150 .
  • the external electrode 140 is connected to the positive electrode 110 and the negative electrode 120, the ends of which are exposed to the outside of the battery body 150, and serves as an external terminal for electrically connecting the positive electrode 110 and the negative electrode 120 to an external device. can do.
  • One of the pair of external electrodes 140 has one end connected to the positive electrode 110 exposed to the outside of the battery body 150 , and the other end is connected to the negative electrode 120 with the other end exposed to the outside of the battery body 150 . ) is connected with
  • At least first and second unit cells each composed of a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer stacked in order, and the first and second unit cells, respectively, in contact with the positive electrode layer or the
  • Each of the first and second unit cells may be a stacked solid battery including an internal current collecting layer disposed to be in contact with an anode layer and interposed between the first and second unit cells.
  • the negative active material of the negative active material layer is an oxide containing a Group 2 to 14 element, and may include, for example, lithium titanium oxide, lithium transition metal oxide, lithium metal phosphate, titanium oxide, vanadium oxide, or a combination thereof.
  • the lithium metal phosphate is Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 or Li x V 2 (PO 4 ) 3 (0 ⁇ x ⁇ 5).
  • Oxide cathodes are, for example, Li 4/3 Ti 5/3 O 4 , LiTiO 2 , LiM1 s M2 t O u (M1, M2 are transition metals, s, t and u are each arbitrary positive numbers), TiO x ( 0 ⁇ x ⁇ 3), V 2 O 5 , Li x V 2 (PO 4 ) 3 (0 ⁇ x ⁇ 5) and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 Containing a lithium compound selected from the group consisting of, For example, Li 4/3 Ti 5/3 O 4 and LiTiO 2 may be mentioned.
  • TiO x (0 ⁇ x ⁇ 3) includes, for example, TiO 2 .
  • the negative active material is, for example, vanadium oxide (V 2 O 5 ), Li 4 Ti 5 O 12 , TiO 2 , LiTiO 2 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li3Fe 2 (PO 4 ) 3 , or a combination thereof. .
  • the current collector layer may be made of any metal among Ni, Cu, Ag, Pd, Au, and Pt, or any of Ni, Cu, Ag, Pd, Au and Pt, when functioning as a positive electrode current collector and a negative electrode current collector. It may be made of an alloy including any. In the case of an alloy, it is an alloy of 2 or more types selected from Ni, Cu, Ag, Pd, Au, and Pt, for example, it is an Ag/Pd alloy. In addition, these metals and alloys may be independent and may be a mixture of 2 or more types.
  • the current collector layer as the positive electrode current collector and the current collector layer as the negative electrode current collector may use the same material or may be different.
  • the alloy or mixed powder containing Ag and Pd can continuously and arbitrarily change the melting point from the silver melting point (962°C) to the palladium melting point (1550°C) depending on the mixing ratio, it is difficult to adjust the melting point according to the batch firing temperature. possible, and since the electronic conductivity is also high, there is an advantage that the internal resistance of the battery can be minimized.
  • the metal layer can use the same material as the above-described current collector layer.
  • the metal layer and the current collector layer may use the same material or may be different.
  • the solid electrolyte contains an ion conductive inorganic material, for example, an oxide-based solid electrolyte may be used.
  • the oxide-based solid electrolyte is, for example, Li 1+x+y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3), BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti )O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT)(O ⁇ x ⁇ 1, O ⁇ y ⁇ 1),Pb(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 - PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , Na 2 O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiC, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 ,0 ⁇ x ⁇ 2,0 ⁇ y ⁇ 3), lithium
  • the solid electrolyte is, for example, a lithium compound selected from the group consisting of Li 3.25 Al 0.25 SiO 4 , Li 3 PO 4 , LiP x Si y O z (wherein x, y and z are any positive numbers 1 to ), For example, Li 3.5 P 0.5 Si 0.5 O 4 .
  • FIG. 7 and 8 schematically show a cross-sectional structure of a stacked solid-state battery according to an exemplary embodiment.
  • (unit cell 1 ) (unit cell 2 ) is stacked through the internal current collecting layer 74 .
  • Each of (unit cell 1) (unit cell 2) is composed of a positive electrode layer 71, a solid electrolyte layer 73 and a negative electrode layer 72 stacked in order.
  • the positive electrode layer 71 contains the positive electrode active material according to an exemplary embodiment.
  • the negative electrode layer 72 of the inner current collecting layer 74 is adjacent to one side (upper surface in Fig. 7) of the inner current collecting layer 74 (unit cell 2) and on the other side (lower surface in Fig. 7) of the inner current collecting layer 74 (unit cell 1) ), the (unit cell 1), (unit cell 2), and the internal current collecting layer 74 are stacked so that the negative electrode layer 72 is adjacent to each other.
  • the inner current collecting layer 74 is disposed so as to contact each negative electrode layer 72 of (unit cell 1) (unit cell 2), but each positive electrode layer of (unit cell 1) (unit cell 2). It may be arranged to contact 71 .
  • the inner current collecting layer 74 comprises an electronically conductive material.
  • the inner current collecting layer 74 may further include an ionically conductive material. When the ion conductive material is further included, the voltage stabilization property is excellent.
  • the internal current collecting layer 74 interposed between (unit cell 1) and (unit cell 2) includes an electron conductive material, two adjacent unit cells can be electrically connected in parallel.
  • the positive electrode layer 71 or the negative electrode layer 72 can be ionically conductive.
  • the potentials of the anode layer 71 or the cathode layer 72 adjacent to each other through the internal current collecting layer 74 can be averaged, so that a stable output voltage can be obtained.
  • the unit cells constituting the stacked solid battery 10 can be electrically connected in parallel by eliminating the external current collecting member such as a pull-out tab. Thereby, it is possible to obtain a stacked solid battery 710 having excellent space utilization and cost-effectiveness.
  • the laminate contains a positive electrode layer 81 , a negative electrode layer 82 , a solid electrolyte layer 83 , and an internal current collecting layer 84 . These laminates were laminated and thermocompression-bonded to obtain a laminated solid battery laminate 810 .
  • the positive electrode layer 81 is constituted by one sheet for the positive electrode layer.
  • the negative electrode layer 82 is composed of two negative electrode layer sheets.
  • the positive electrode layer 81 contains the positive electrode active material according to an exemplary embodiment.
  • FIGS. 9A and 9B show a laminate of another embodiment of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment.
  • the positive electrode active material layer of FIGS. 9A and 9B includes a positive electrode active material that is an electrode active material according to an exemplary embodiment.
  • the structure of the most basic cell unit 92 constituting the all-solid-state secondary battery is shown with reference to FIG. 9A .
  • the cell unit 92 has a structure in which the positive electrode active material layer 94, the ion conductive inorganic material layer 96, and the negative electrode active material layer 95 are continuous in this order.
  • 9B shows the structure of the laminate constituting the all-solid-state secondary battery.
  • a positive electrode drawing electrode in contact with the positive electrode active material layer is installed at the lower end, and a negative electrode drawing electrode contacting the negative electrode active material layer is installed at the upper end.
  • the upper end and the lower end indicate a relative positional relationship.
  • the laminate 923 has a structure in which a plurality of cell units 92 are stacked so that each positive electrode active material layer 94 and negative electrode active material layer 95 face each other, and a current collector layer is provided on the uppermost layer and the lowermost layer, respectively. .
  • One of the uppermost and lowermost current collector layers is connected to the positive electrode active material layer to become a positive electrode current collector, and the other is connected to the negative electrode active material layer to become a negative electrode current collector.
  • the lowermost current collector layer 97 comes in contact with the positive electrode active material layer 94 to become a positive electrode current collector, and the uppermost current collector layer 98 comes into contact with the negative electrode active material layer 95 to become a negative electrode current collector.
  • the current collector layer can function as a lead electrode.
  • the current collector layer 97 of the lowermost layer can function as an anode lead-out electrode
  • the current collector layer 8 of the uppermost layer can function as a cathode lead-out electrode.
  • a lead-out electrode may be separately provided on the current collector layer, for example, a positive lead-out electrode in contact with the current collector layer 97 may be provided at the lower end, and a negative lead-out electrode in contact with the current collector layer 98 may be provided at an upper end.
  • the stacked body 923 has a structure in which cell units 92 are stacked with a metal layer 920 interposed therebetween, as shown in FIG. 9B .
  • the metal layer By interposing the metal layer, the movement of ions stays within individual cell units, and it can be expected to function more reliably as a series-type all-solid-state secondary battery.
  • the laminate 923 of Fig. 9B has a current collector layer, the current collector layer is optional as described above.
  • the number of the cell units 92 is two or more, a so-called series-type all-solid-state secondary battery can be formed.
  • the number of cell units can be widely changed based on the required capacity or voltage value of the all-solid-state secondary battery.
  • the secondary battery according to an embodiment may be an all-solid secondary battery.
  • an all-solid-state secondary battery according to an embodiment will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
  • the all-solid-state secondary battery 1 includes an anode layer 20 including a cathode current collector layer 21 and a first anode active material layer 22; a positive electrode layer 10 including a positive electrode current collector layer 11 and a positive electrode active material layer 12; and a solid electrolyte layer 30 disposed between the cathode layer 20 and the anode layer 10 .
  • the positive electrode layer 10 may contain a solid electrolyte.
  • the positive active material layer and/or the negative active material layer of FIGS. 10 to 12 may contain the electrode active material according to an exemplary embodiment.
  • the positive electrode layer may contain, for example, the above-described positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive material.
  • the negative electrode layer 20 includes a negative electrode current collector layer 21 and a first negative electrode active material layer 22 , and the first negative electrode active material layer 22 includes an negative electrode active material.
  • the negative electrode current collector layer 21 may be omitted.
  • the anode active material included in the first anode active material layer 22 has, for example, a particle shape.
  • the average particle diameter of the negative active material having a particle shape is, for example, 4 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or less, or 900 nm or less.
  • the average particle diameter of the negative active material having a particle shape is, for example, 10 nm to 4 ⁇ m, 10 nm to 2 ⁇ m, 10 nm to 1 ⁇ m, or 10 nm to 900 nm.
  • the average particle diameter of the negative electrode active material is, for example, a median diameter (D50) measured using a laser particle size distribution meter.
  • the anode active material included in the first anode active material layer 22 includes, for example, at least one selected from a carbon-based anode active material and a metal or metalloid anode active material.
  • the carbon-based negative active material is particularly amorphous carbon.
  • Amorphous carbon is for example carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), ketjen black (KB), graphene (graphene) ), etc., but are not necessarily limited thereto, and all are possible as long as they are classified as amorphous carbon in the art.
  • Amorphous carbon is carbon that does not have crystallinity or has very low crystallinity, and is distinguished from crystalline carbon or graphite-based carbon.
  • Metal or metalloid anode active materials include gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), bismuth (Bi), tin (Sn), and zinc (Zn). ), but is not necessarily limited thereto, and all are possible as long as it is used as a metal negative active material or a metalloid negative active material that forms an alloy or compound with lithium in the art. For example, since nickel (Ni) does not form an alloy with lithium, it is not a metal negative active material.
  • the first anode active material layer 22 includes a kind of anode active material among these anode active materials, or a mixture of a plurality of different anode active materials.
  • the first anode active material layer 22 may include only amorphous carbon, gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), or bismuth. (Bi), tin (Sn), and includes at least one selected from the group consisting of zinc (Zn).
  • the first anode active material layer 22 includes amorphous carbon, gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), and bismuth (Bi).
  • the mixing ratio of the mixture of amorphous carbon and gold is, as a weight ratio, for example, 10:1 to 1:2, 5:1 to 1:1, or 4:1 to 2:1, but is not necessarily limited to this range, and the required total It is selected according to the characteristics of the solid secondary battery (1). Cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 are further improved by the negative active material having such a composition.
  • the anode active material included in the first anode active material layer 22 includes, for example, a mixture of first particles made of amorphous carbon and second particles made of metal or metalloid.
  • Metals or metalloids are, for example, gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), bismuth (Bi), tin (Sn) ) and zinc (Zn).
  • Metalloids are otherwise semiconductors.
  • the content of the second particles is 8 to 60% by weight, 10 to 50% by weight, 15 to 40% by weight, or 20 to 30% by weight based on the total weight of the mixture. When the second particle has a content in this range, for example, the cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 are further improved.
  • the first anode active material layer 22 includes, for example, a binder.
  • the binder is, for example, styrene-butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene co Polymer, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, etc., but are not necessarily limited thereto, and any one used as a binder in the art may be used.
  • the binder may be composed of a single or a plurality of different binders.
  • the first anode active material layer 22 includes a binder, the first anode active material layer 22 is stabilized on the anode current collector 21 .
  • cracking of the first anode active material layer 22 is suppressed despite a change in volume and/or a relative position change of the first anode active material layer 22 in the charging/discharging process.
  • the first anode active material layer 22 does not include a binder, it is possible for the first anode active material layer 22 to be easily separated from the anode current collector 21 .
  • the portion where the first anode active material layer 22 is separated from the anode current collector 21 is exposed to the anode current collector 21 and comes into contact with the solid electrolyte layer 30 , thereby increasing the possibility of a short circuit.
  • the first anode active material layer 22 is manufactured by, for example, applying a slurry in which a material constituting the first anode active material layer 22 is dispersed on the anode current collector 21 and drying it. By including the binder in the first anode active material layer 22, it is possible to stably disperse the anode active material in the slurry. For example, when the slurry is applied on the negative electrode current collector 21 by a screen printing method, it is possible to suppress clogging of the screen (eg, clogging by an agglomerate of the negative electrode active material).
  • the thickness d22 of the first negative electrode active material layer is, for example, 50% or less, 30% or less, 10% or less, or 5% or less of the positive electrode active material layer thickness d12.
  • the thickness d22 of the first anode active material layer is, for example, 1um to 20um, 2um to 10um, or 3um to 7um. When the thickness d22 of the first anode active material layer is within the above range, the cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 are excellent.
  • the charging capacity of the first negative active material layer 22 is, for example, 50% or less, 40% or less, 30% or less, 20% or less, 10% or less, 5% or less, or less than the charging capacity of the positive electrode active material layer 12 . less than 2%.
  • the charging capacity of the first negative active material layer 22 is, for example, 0.1% to 50%, 0.1% to 40%, 0.1% to 30%, 0.1% to 20%, compared to the charging capacity of the positive electrode active material layer 12, 0.1% to 10%, 0.1% to 5%, or 0.1% to 2%.
  • the cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 are excellent. .
  • the charging capacity of the positive electrode active material layer 12 is obtained by multiplying the charging capacity density (mAh/g) of the positive electrode active material by the mass of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 12 .
  • the negative electrode current collector 21 is made of, for example, a material that does not react with lithium, that is, does not form both an alloy and a compound.
  • the material constituting the negative electrode current collector 21 is, for example, copper (Cu), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), etc., but is not necessarily limited thereto. All are possible as long as it is used as an electrode current collector in the technical field.
  • the negative electrode current collector 21 may be made of one of the above metals, an alloy of two or more metals, or a coating material.
  • the negative electrode current collector 21 is, for example, in the form of a plate or foil.
  • the first anode active material layer 22 may further include additives used in the conventional all-solid-state secondary battery 1 , for example, a filler, a dispersant, an ion conductive agent, and the like.
  • the all-solid-state secondary battery 1 further includes, for example, a thin film 24 including an element capable of forming an alloy with lithium on the negative electrode current collector 21 .
  • the thin film 24 is disposed between the negative electrode current collector 21 and the first negative electrode active material layer 22 .
  • the thin film 24 contains, for example, an element capable of forming an alloy with lithium.
  • Elements capable of forming an alloy with lithium include, for example, gold, silver, zinc, tin, indium, silicon, aluminum, bismuth, etc., but are not necessarily limited thereto and are capable of forming an alloy with lithium in the art. Any element is possible.
  • the thin film 24 is composed of one of these metals or an alloy of several types of metals.
  • the deposition form of the second negative electrode active material layer (not shown) deposited between the thin film 24 and the first negative electrode active material layer 22 is further increased. It is planarized, and the cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 may be further improved.
  • the thickness d24 of the thin film is, for example, 1 nm to 800 nm, 10 nm to 700 nm, 50 nm to 600 nm, or 100 nm to 500 nm. When the thickness of the thin film is within the above range, the energy density and cycle characteristics of the all-solid-state battery are excellent.
  • the thin film 24 may be disposed on the negative electrode current collector 21 by, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, a plating method, etc., but is not necessarily limited to this method. A method capable of forming the thin film 24 in the art If so, everything is possible.
  • the all-solid-state secondary battery 1 further includes a second anode active material layer 23 disposed between the anode current collector 21 and the solid electrolyte layer 30 by charging, for example.
  • the all-solid-state secondary battery 1 further includes a second anode active material layer 23 disposed between the anode current collector 21 and the first anode active material layer 22 by charging, for example.
  • the all-solid-state secondary battery 1 further includes a second anode active material layer 23 disposed between, for example, the solid electrolyte layer 30 and the first anode active material layer 22 by charging. do.
  • the all-solid-state secondary battery 1 further includes, for example, a second anode active material layer 23 disposed inside the first anode active material layer 22 by charging.
  • the second anode active material layer 23 is a metal layer including lithium or a lithium alloy.
  • the metal layer includes lithium or a lithium alloy. Accordingly, since the second anode active material layer 23 is a metal layer including lithium, it functions as, for example, a lithium reservoir.
  • the lithium alloy is, for example, a Li-Al alloy, a Li-Sn alloy, a Li-In alloy, a Li-Ag alloy, a Li-Au alloy, a Li-Zn alloy, a Li-Ge alloy, a Li-Si alloy, etc. It is not limited to, and all are possible as long as it is used as a lithium alloy in the art.
  • the second anode active material layer 23 may be made of one of these alloys, lithium, or several kinds of alloys.
  • the thickness (d23) of the second anode active material layer is not particularly limited, but is, for example, 1um to 1000um, 1um to 500um, 1um to 200um, 1um to 150um, 1um to 100um, or 1um to 50um.
  • the second anode active material layer 23 may be, for example, a metal foil having a thickness within this range.
  • the second anode active material layer 23 is, for example, disposed between the anode current collector 21 and the first anode active material layer 22 before assembling the all-solid-state secondary battery 1 or before After assembling the solid secondary battery 1 , it is deposited between the negative electrode current collector 21 and the first negative electrode active material layer 22 by charging.
  • the second anode active material layer 23 is lithium Since it is a metal layer containing The cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 including the second anode active material layer 23 are further improved.
  • a lithium foil is disposed between the negative electrode current collector 21 and the first negative electrode active material layer 22 before assembly of the all-solid-state secondary battery 1 .
  • the second anode active material layer 23 is disposed by charging after assembling the all-solid-state secondary battery 1, since the second anode active material layer 23 is not included when the all-solid-state secondary battery 1 is assembled
  • the energy density of the solid secondary battery 1 is increased.
  • the charging capacity of the first anode active material layer 22 is exceeded. That is, the first anode active material layer 22 is overcharged.
  • lithium is occluded in the first anode active material layer 22 . That is, the anode active material included in the first anode active material layer 22 forms an alloy or compound with lithium ions that have migrated from the cathode layer 10 .
  • lithium is disposed on the rear surface of the first anode active material layer 22 , that is, between the anode current collector 21 and the first anode active material layer 22 . This is deposited, and a metal layer corresponding to the second negative electrode active material layer 23 is formed by the deposited lithium.
  • the second anode active material layer 23 is a metal layer mainly composed of lithium (ie, metallic lithium). Such a result is obtained, for example, when the negative electrode active material included in the first negative electrode active material layer 22 is composed of a material that forms an alloy or compound with lithium.
  • the first anode active material layer 22 and the second anode active material layer 23 that is, the metal layer is ionized and moves in the direction of the cathode layer 10 . Therefore, it is possible to use lithium as an anode active material in the all-solid-state secondary battery 1 .
  • the first anode active material layer 22 covers the second anode active material layer 23 , it serves as a protective layer for the second anode active material layer 23 , that is, the metal layer, and at the same time as the lithium dendrite. It plays a role in inhibiting precipitation growth.
  • the short circuit and capacity reduction of the all-solid-state secondary battery 1 are suppressed, and as a result, the cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 are improved.
  • the anode current collector 21 and the first anode active material layer 22 and the area between them are For example, it is a Li-free region that does not contain a lithium (Li) metal or a lithium (Li) alloy in an initial state or a post-discharge state of the all-solid-state secondary battery.
  • a second anode active material layer 23 is disposed on a cathode current collector 21 , and a solid electrolyte layer 30 is disposed on the second anode active material layer 23 . It has a structure in which it is directly placed.
  • the second anode active material layer 23 is, for example, a lithium metal layer or a lithium alloy layer.
  • the solid electrolyte layer 30 may contain an oxide-based solid electrolyte.
  • the oxide-based solid electrolyte is, for example, Li 1+x+y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3), BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT)(O ⁇ x ⁇ 1, O ⁇ y ⁇ 1), PB(Mg 3 Nb 2/ 3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , Na 2 O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , Li 3 PO 4 , Li x Ti y (PO 4 ) 3 (0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3), Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 (0 ⁇ x
  • LLZO Li 7 La 3 Zr 2 O 12
  • M Li 3+x La 3 Zr 2-a M a O 12
  • x is an integer of 1 to 10
  • Garnet-type solid electrolyte selected from among 0.05 ⁇ a ⁇ 0.7.
  • the solid electrolyte layer includes an LLZO solid electrolyte.
  • the solid electrolyte layer is, for example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO), Li 6.4 La 3 Zr 1.7 W 0.3 O 12, Li 6.5 La 3 Zr 1.5 Ta 0.3 O 12, Li 7 La 3 Zr 1.7 W 0.3 O 12 , Li 4.9 La 2.5 Ca 0.5 Zr 1.7 Nb 0.3 O 12 , Li 4.9 Ga 2.1 La 3 Zr 1.7 W 0.3 O 12 , Li 6.4 La 3 Zr 1.7 W 0.3 O 12 , Li 7 La 3 Zr 1.5 W 0.5 O 12 , Li 7 La 2.75 Ca 0.25 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12 , Li 7 La 3 Zr 1.5 Nb 0.5 O 12 , Li 7 La 3 Zr 1.5 Ta 0.5 O 12 , Li 6.272 La 3 Zr 1.7 W 0.3 O 12 , Li 5.39 Ga 1.61 La 3 Zr 1.7 W 0.3 O 12 , Li 6.5 La 3 Zr 1.5 Ta 0.3 O 12 , or a combination.
  • LLZO Li 7 La 3 Zr
  • the positive electrode layer 10 includes a positive electrode current collector 11 and a positive electrode active material layer 12 .
  • the positive electrode current collector 11 is, for example, indium (In), copper (Cu), magnesium (Mg), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc ( Zn), aluminum (Al), germanium (Ge), lithium (Li), or a plate or foil made of an alloy thereof is used.
  • the positive electrode current collector 11 can be omitted.
  • the positive electrode active material layer 12 contains a positive electrode active material and a solid electrolyte.
  • the solid electrolyte included in the positive electrode layer 10 is similar to or different from the solid electrolyte included in the solid electrolyte layer 30 .
  • the solid electrolyte may contain an oxide-based solid electrolyte.
  • the positive electrode layer contains a positive electrode active material, which is an electrode active material according to an embodiment.
  • the shape of the positive electrode active material is, for example, a particle shape such as a true sphere or an elliptical sphere.
  • the particle diameter of the positive electrode active material is not particularly limited, and is within a range applicable to the positive electrode active material of a conventional all-solid-state secondary battery.
  • the content of the positive electrode active material of the positive electrode layer 10 is also not particularly limited, and is within a range applicable to the positive electrode layer of a conventional all-solid-state secondary battery.
  • the positive electrode layer 10 may further include additives such as, for example, a conductive agent, a binder, a filler, a dispersant, and an ion conductive auxiliary agent in addition to the above-described positive electrode active material and solid electrolyte.
  • additives such as, for example, a conductive agent, a binder, a filler, a dispersant, and an ion conductive auxiliary agent in addition to the above-described positive electrode active material and solid electrolyte.
  • conductive agents are, for example, graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, metal powder, and the like.
  • the binder is, for example, styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, or the like.
  • SBR styrene butadiene rubber
  • the solid electrolyte layer 30 is laminated on the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 is laminated thereon.
  • the solid electrolyte layer 30 may be prepared in the form of a sheet in which the composition for forming the solid electrolyte layer is coated and dried on a separate substrate and separated from the substrate or in which the substrate is included.
  • a polyethylene terephthalate film, a polyethylene nonwoven fabric, etc. may be used as a base material.
  • the solid electrolyte layer 30 may be formed by coating and drying or transferring the composition for forming the first solid electrolyte layer on the positive electrode layer 10 .
  • the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are packaged with a packaging material, and then pressurized to manufacture an all-solid-state battery. Pressing may be performed using roll press, hot press, warm isostatic press, or the like.
  • Mass production is possible by using roll pressurization or hot pressurization during pressurization, and a close interface may be formed in the process of compressing the electrode layer and the solid electrolyte layer.
  • a slurry is prepared by adding an anode active material, a conductive material, a binder, a solid electrolyte, and the like, which are materials constituting the first anode active material layer 22 , to a polar solvent or a non-polar solvent.
  • the prepared slurry is applied on the negative electrode current collector 21 and dried to prepare a first laminate.
  • the dried first laminate is pressed to prepare the negative electrode layer 20 . Pressing, for example, roll press (roll press), flat press (flat press), etc., but is not necessarily limited to these methods, any press used in the art is possible.
  • the pressing step can be omitted.
  • the negative electrode layer contains a negative electrode current collector and a first negative electrode active material layer containing a negative electrode active material disposed on the negative electrode collector, wherein the negative electrode active material is at least one selected from a carbon-based negative electrode active material and a metal or metalloid negative electrode active material Including, the carbon-based negative active material includes at least one selected from amorphous carbon (amorphous carbon) and crystalline carbon (crystalline carbon). And the metal or metalloid anode active material is gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), bismuth (Bi), tin (Sn) and zinc (Zn) is at least one selected from the group consisting of.
  • a second anode active material layer disposed between at least one of the anode current collector and the first anode active material layer and between the solid electrolyte layer and the first anode active material layer, wherein the second anode active material layer is lithium or lithium alloy
  • a metal layer comprising
  • a slurry is prepared by adding a cathode active material, a conductive material, a binder, a solid electrolyte, and the like, which are materials constituting the cathode active material layer 12 , to a non-polar solvent.
  • the positive electrode active material the positive electrode active material according to an embodiment may be used.
  • the prepared slurry is applied on the positive electrode current collector 11 and dried.
  • a positive electrode layer 10 is manufactured by pressing the obtained laminate.
  • the pressurization is, for example, roll press, flat press, pressurization using hydrostatic pressure, etc., but is not necessarily limited to these methods, and any pressurization used in the art is possible. You may abbreviate
  • the positive electrode layer 10 is manufactured by compacting the mixture of materials constituting the positive electrode active material layer 12 into a pellet form or stretching (molding) it into a sheet form.
  • the positive electrode current collector 11 may be omitted.
  • the solid electrolyte layer 30 is made of, for example, a solid electrolyte formed of an oxide-based solid electrolyte material.
  • the positive electrode layer 10 , the negative electrode layer 20 , and the solid electrolyte layer 30 produced by the above-described method are laminated so that the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 have the solid electrolyte layer 30 therebetween. And by pressurizing, the all-solid-state secondary battery (1) is manufactured.
  • a second laminate is prepared by disposing the solid electrolyte layer 30 on the positive electrode layer 10 .
  • the all-solid-state secondary battery 10 is manufactured by disposing the anode layer 20 on the second laminate so that the solid electrolyte layer 30 and the first anode active material layer are in contact.
  • the configuration and manufacturing method of the all-solid-state secondary battery described above is an example of the embodiment, and structural members and manufacturing procedures may be appropriately changed.
  • the all-solid-state secondary battery according to an embodiment may be mounted on a small ITS or a large electric vehicle according to the capacity and size of the battery.
  • Li 2 CO 3 , CoO, NiO, (NH 4 ) 2 HPO 4 was mixed to obtain a precursor mixture, and ethanol was mixed thereto and milled in a ball mill for 10 hours.
  • the content of Li 2 CO 3 , CoO, NiO, (NH 4 ) 2 HPO 4 was stoichiometrically controlled to obtain a cathode active material having the composition shown in Table 1 below, and ethanol was added to Li 2 CO 3 , CoO, NiO and ( NH 4 ) 2 HPO 4 was used in an amount of 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content.
  • the milled resultant was dried at 90 °C for 12 hours, and the dried product was heat-treated in an air atmosphere at 750 °C for 12 hours to obtain a cathode active material Li 6 Co 4 Ni 1 (P 2 O 7 ) 4 .
  • the content of Li 2 CO 3 , CoO, NiO, (NH 4 ) 2 HPO 4 is stoichiometrically controlled to obtain the target product having the composition shown in Table 1 below, and the same as in Preparation Example 1 to obtain a positive electrode active material having the composition shown in Table 1 below.
  • a cathode active material having a composition shown in Table 1 was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that MnO 2 was used instead of CoO when the precursor mixture was prepared.
  • a cathode active material having a composition shown in Table 1 was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that MnO 2 was used instead of CoO when the precursor mixture was prepared and the heat treatment temperature was changed to 700°C.
  • a cathode active material having the composition shown in Table 1 below was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that MnO and V 2 O 3 were used instead of CoO when the precursor mixture was prepared and the heat treatment temperature was changed to 600°C.
  • a positive electrode active material having a composition shown in Table 1 was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that NiO was not used in preparing the precursor mixture.
  • a positive electrode active material having a composition shown in Table 1 was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that CoO was not used in preparing the precursor mixture.
  • Li 2 CO 3 , FeC 2 O 4 . 2H 2 O, NiC 2 O 4 ⁇ 2H 2 O and (NH 4 ) 2 HPO 4 were placed in a planetary ball mill vessel. Thereafter, the planetary ball mill container was placed in the ball mill apparatus, and the ball mill apparatus was driven to mix the raw materials. Li 2 CO 3 , FeC 2 O 4 . 2H 2 O,, NiC 2 O 4 . The contents of 2H 2 O, and (NH 4 ) 2 HPO 4 were stoichiometrically adjusted to obtain the target products of Table 1, respectively.
  • Li 6 Ni 5 (P 2 O 7 ) 4 obtained according to Comparative Preparation Example 2 has a high discharge voltage, but it is difficult to maintain a stable phase.
  • Li 6 Fe 2.5 Ni 2.5 (P 2 O 7 ) 4 obtained according to Comparative Preparation Example 3 did not develop a high voltage discharge of 5V or more as shown in FIG. 4c below.
  • Preparation 8 Li 6 Ti 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4
  • Preparation 9 Li 6 Cr 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4
  • Preparation 10 Li 6 Cu 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4
  • Preparation 11 Li 6 Sc 3 Ni 2 (P 2 O 7 ) 4
  • a positive electrode was manufactured according to the following procedure.
  • the cathode active material of Preparation Example 1 a conductive agent (Super-P; Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methylpyrrolidone were mixed to obtain a composition for forming a cathode active material layer.
  • a conductive agent Super-P; Timcal Ltd.
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • N-methylpyrrolidone N-methylpyrrolidone
  • the composition for forming the cathode active material layer was coated on an aluminum foil (thickness: about 15 ⁇ m) and dried at 25° C., and then the dried product was dried at about 120° C. under vacuum and rolled to a thickness of about 5 [.5] ⁇ m.
  • a phosphorous anode was fabricated.
  • a 2032-type coin cell was manufactured using the positive electrode and the lithium metal counter electrode as the counter electrode.
  • a separator (thickness: about 16 ⁇ m) made of a porous polyethylene (PE) film was interposed between the positive electrode and the lithium metal counter electrode, and electrolyte was injected to prepare a lithium secondary battery in the form of a 2032 type coin cell.
  • electrolyte a solution containing 1.1M LiPF 6 dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 3:5 was used.
  • a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the positive active materials of Preparation Examples 2 to 11 were respectively used in the preparation of the positive electrode active material of Preparation Example 1 during the preparation of the positive electrode.
  • a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the positive active materials of Comparative Preparation Examples 1 to 5 were respectively used in the preparation of the positive electrode active material of Preparation Example 1 during the preparation of the positive electrode.
  • X-ray diffraction analysis was performed on the positive active materials of Preparation Examples 1-4 and Comparative Preparation Examples 1-5. X-ray diffraction analysis was performed using X'pert pro (PANalytical) using Cu K ⁇ radiation (1.54056 ⁇ ).
  • FIG. 1A The results of X-ray diffraction analysis of the positive active materials of Preparation Examples 1-4 and Comparative Preparation 1-2 are shown in FIG. 1A, and an enlarged partial region of FIG. 1A is shown in FIG. 1B.
  • 1A and 1B show for reference Li 5.88 Co 5.06 (P 2 O 7 ) 4 .
  • the cathode active material of Preparation Example 1-4 introduces cobalt with high phase stability to maintain a stable crystalline phase.
  • the positive electrode active material of Comparative Preparation Example 1 has excellent phase stability
  • the positive active material of Comparative Preparation Example 2 is changed to another material of Li 2 Ni 3 (P 2 O 7 ) 2 and LiNiPO 4 in a temperature range of 500 to 900 ° C. It was very unstable.
  • the intensity ratio of the main peak and the minor peak obtained by X-ray diffraction analysis for the positive active material of Preparation Example 1-2 and the positive active material of Comparative Preparation Example 1 was measured according to Equation 1 below.
  • the main peak is a peak representing the maximum absorption intensity, and appears in the region where the diffraction angle 2 ⁇ is 28.5°
  • the bulky peak is a peak with a smaller absorption intensity than the main peak, and it appears in the region where the diffraction angle 2 ⁇ is 14.3°.
  • Peak Intensity Ratio Bulk Intensity (P2)/Main Peak Intensity (P1)
  • the positive active materials of Preparation Examples 5 to 7 had high phase stability by replacing some sites of nickel with other transition metals such as manganese or vanadium.
  • FIG. 1D X-ray diffraction spectra of the positive active materials of Preparation Example 6 and Comparative Preparation Example 1 are shown in FIG. 1D .
  • FIG. 1d for reference, Li 5.88 Co 5.06 (P 2 O 7 ) 4 is also shown.
  • the positive active material of Preparation Example 6 had high phase stability by replacing some sites of nickel with manganese and vanadium.
  • the positive active materials of Comparative Preparation Examples 3 to 5 had excellent phase stability. However, as can be seen from the graph of voltage change according to specific capacity, which will be described later, the high voltage characteristic showed poor results.
  • the voltage according to the mixing amount of cobalt and nickel was calculated. Voltage calculation was performed using quantum calculation. Quantum calculation was calculated by Density functional theory (DFT).
  • DFT Density functional theory
  • the voltage calculation result is as shown in FIG. 2 .
  • nickel of the positive electrode active material was replaced with cobalt having high phase stability to maintain a stable crystal structure, and a high average voltage of 4.8 V or more was expressed.
  • Charging and discharging was paused at 25 degrees for 5 hours, and then, constant current charging was performed with a current of 0.1C until 5.5V was reached.
  • the charged cells were subjected to constant current discharge with a current of 0.025C until the voltage reached 4.0V.
  • FIGS. 3A and 3B show the voltage change according to specific capacity in the coin cells manufactured according to Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2.
  • Figure 3b shows the specific capacity and average voltage change according to the mixing amount of cobalt and nickel in the positive electrode active material in the coin cells of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2.
  • the coin cells of Examples 1 to 5 exhibited superior average voltage, specific capacity, and charge/discharge characteristics compared to the coin cells of Comparative Examples 1-2.
  • Charging and discharging was paused at 25° C. for 5 hours, and then, constant current charging was performed with a current of 0.1C until 5.5V was reached.
  • Charged cells were subjected to constant current discharge with a current of 0.025C until the voltage reached 3.0V, 3.5V, or 4.0V, respectively.
  • FIG. 4A shows the voltage change according to specific capacity in the coin cells of Examples 1-2 and Comparative Example 1
  • FIG. 4B shows the discharge curves normalized to the capacity in the coin cells of Examples 1-2 and Comparative Example 1 will be.
  • Figure 4c shows the voltage change according to the specific capacity in the coin cell of Comparative Example 4.
  • the discharge peak is a peak appearing at 3.0V to 5.5V.
  • the area ratio of the discharge curve was calculated by Equation 1 below.
  • Area ratio of discharge curve (area of discharge curve of 4.7V to 5.5V (A2)/area of discharge curve of 3.5V to 5.5V (A1)
  • the coin cell of Comparative Example 1 has a positive electrode containing Li 6 Co 5 (P 2 O 7 ) 4 as a positive electrode active material, and in this case, the main plateau of the discharge is . Appears at about 4.67V.
  • the coin cells of Examples 1 and 2 have a high voltage plateau and that the amount of discharge is increased in the high voltage region compared to the coin cells of Comparative Example 1.
  • the coin cell of Example 2 having a positive electrode containing a positive electrode active material having a higher nickel substitution amount formed a high voltage plateau compared to the coin cell of Example 1, resulting in a discharge plateau of 5.15V. appear.

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Abstract

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전극 활물질, 이를 포함하는 전극 및 이를 포함하는 이차전지가 개시된다. <화학식 1> Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4 화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6, M은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, M이 철(Fe)인 경우는 제외된다.

Description

전극 활물질, 그 제조방법, 이를 포함하는 전극 및 이차전지
전극 활물질, 그 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 이차전지에 관한 것이다.
최근 산업상의 요구에 의하여 에너지 밀도와 안전성이 높은 전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 리튬 이온 전지는 정보 관련 기기, 통신 기기 분야뿐만 아니라 자동차 분야에서도 실용화되고 있다. 자동차 분야에 있어서는 생명과 관계되기 때문에 특히 안전이 중요시된다.
현재 시판되고 있는 리튬 이온 전지는 질량 또는 부피당 에너지 밀도 및 출력밀도를 증가시키는 것이 요구된다. 이를 위해서는 양극 활물질의 전압을 향상시키려는 노력이 지속적으로 진행되고 있다.
리튬 이온 전지는 가연성 유기 용매를 포함 전해액이 이용되고 있기 때문에, 단락이 발생한 경우 과열 및 화재 가능성이 있다. 이에 대해 전해액 대신에 고체전해질을 이용한 전고체 전지가 제안되고 있다.
전고체 전지는 가연성 유기 용매를 사용하지 않음으로써, 단락이 발생해도 화재나 폭발이 발생할 가능성을 크게 줄일 수 있다. 따라서 이러한 전고체 전지는 전해액을 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 크게 안전성을 높일 수 있다. 전고체 전지는 액체 전해질의 전압 한계를 넘어 충전이 가능하므로 고전압 양극 소재의 필요성이 점차 높아지고 있다.
고전압 양극 소재를 이용하여 전지를 구현하기 위해 고체 전해질과 양극 소재의 계면 저항을 줄이는 것이 필요하다. 포스페이트계 고체 전해질을 이용하는 경우 양극 소재로 포스페이트계를 이용하여 고체 전해질과 양극 소재의 계면저항을 줄이는 가능하다. 그러나 지금까지 알려진 포스페이트계 양극 소재는 3 V로서 매우 낮다.
특히 MLC용 전지에 적용가능한 음극 소재의 선택 제한으로 인하여 레독스 전위가 높은 세라믹형 음극이 현재 사용된다. 따라서 풀 셀의 전압이 낮아져 에너지밀도가 매우 낮아진다.
한 측면은 고전압 구현이 가능한 신규한 전극 활물질을 제공하는 것이다.
다른 측면은 상술한 전극 활물질을 포함하는 양극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
또 다른 측면은 상술한 전극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.
일측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전극 활물질이 제공된다.
<화학식 1>
Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
M 은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, M이 철(Fe)인 경우는 제외된다.
다른 측면에 따라 상술한 전극 활물질을 포함하는 양극이 제공된다.
또 다른 측면에 따라 상술한 전극을 포함하는 이차전지가 제공된다.
상기 이차전지는 리튬이차전지 또는 전고체 전지이고, 전고체 전지는 예를 들어 적층 세라믹(Multi-layer-ceramic: MLC) 전지이다.
또 다른 측면에 따라 니켈 전구체, 리튬 전구체, 인 전구체 및 M 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 단계;
상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전극 활물질의 제조방법이 제공된다.
<화학식 1>
Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
M은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, 철(Fe)은 제외된다.
한 측면에 따라, 고전압 구현이 가능하고 안정성이 우수한 전극 활물질이 제공된다. 이 전극 활물질을 함유한 양극을 채용하면, 평균방전전압이 4.4V 이상이고 에너지밀도가 개선된 이차전지를 제조할 수 있다.
도 1a는 제조예 1 내지 4, 비교제조예 1 및 2의 양극 활물질의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 1b는 도 1a의 일부 영역을 확대하여 나타난 것이다.
도 1c는 제조예 5, 6, 7의 양극 활물질의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1d는 제조예 6 및 비교제조예 1의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1e는 비교제조예 3 내지 5의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 양극 활물질에서 코발트와 니켈의 혼합량에 따른 전압 변화 계산값을 나타낸 것이다.
도 3a는 실시예 1-4 및 비교예 1-2에 따라 제조된 코인셀에 있어서, 비용량에 따른 전압 변화를 나타낸 것이다.
도 3b는 실시예 1-4 및 비교예 1-2의 코인셀에서 양극 활물질에서 코발트와 니켈의 혼합량에 따른 비용량 및 평균전압 변화를 나타낸 것이다.
도 4a는 실시예 1-2 및 비교예 1의 코인셀에서 비용량에 따른 전압 변화를 나타냈고, 도 4b는 실시예 1-2 및 비교예 1의 코인셀에서 용량으로 정규화된 방전 곡선을 나타낸 것이다.
도 4c는 비교예 4의 코인셀에서 비용량에 따른 전압 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1-2 및 비교예 1의 코인셀에 대한 dQ/dV 플롯을 나타낸 것이다.
도 6은 일구현예에 따른 적층 세라믹형 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 다른 일구현예에 따른 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 또 다른 일구현예에 따른 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9a는 또 다른 일구현예에 따른 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9b는 또 다른 일구현예에 따른 이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10은 일구현예에 따른 전고체이차전지의 단면도이다.
도 11은 다른 일구현예에 따른 전고체이차전지의 단면도이다.
도 12는 또 다른 일구현예에 따른 전고체이차전지의 단면도이다.
[부호의 설명]
1: 고체 이차 전지 10: 양극층
11: 양극집전체 12: 양극 활물질층
20: 음극층 21: 음극집전체
22: 음극 활물질층 30: 고체 전해질층
이하, 일구현예에 따른 전극 활물질, 이를 포함하는 전극 및 이차전지에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전극 활물질이 제공된다.
<화학식 1>
Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6, M 은 3족 내지 11족 원소, 또는 그 조합이며, 단, M이 철(Fe)은 제외된다.
화학식 1에서, 5.5≤x≤6.5, 0.2≤y<1, 4.8≤z≤5.2이다.
x는 5.8 내지 6.2의 수이며, y는 0.3 내지 0.9의 수이고, z은 4.9 내지 5.1이다.
화학식 1에서 M은 Co, Mn, V, Ti, Cr, Cu, Sc, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, 또는 그 조합이며, 예를 들어 M은 Co, Mn, V, Ti, Cr, Cu, Sc 또는 그 조합이다.
상기 전극 활물질은 예를 들어 양극 활물질 또는 음극 활물질이다.
고전압이 구현 가능한 양극 소재를 이용하여 전지를 구현하기 위해 고체 전해질과 양극 소재의 계면 저항을 줄이는 것이 필요하다. 포스페이트계 고체 전해질을 이용하는 경우, 양극 소재로 포스페이트계를 이용하여 고체 전해질과 양극 소재의 계면저항을 줄일 수 있다. 그러나 지금까지 알려진 포스페이트계 양극 소재는 방전전압이 3 V로서 매우 낮다.
적층 세라믹(Multi-layer-ceramic: MLC) 전지의 음극으로는 레독스 전위가 높은 세라믹형 음극이 사용되는데, 이러한 MLC 전지의 전압이 낮아 에너지밀도가 낮아 이에 대한 개선이 필요하다.
양극 소재로서 Li6Fe5(P2O7)4 또는 Li6Co5(P2O7)4이 알려져 있다. 그 중에서도 Li6Fe5(P2O7)4는 방전전압이 3.5V로 낮은 편이라서 고전압 구현이 어렵다. 그리고 Li6Co5(P2O7)4는 안정성이 우수하지만, 전압 특성이 만족할만한 수준에 이르지 못하여 개선이 요구된다.
일구현예에 따른 양극 활물질은 화학식 1로 표시된 바와 같이 고전압 특성이 우수한 니켈과 상 안정화 원소인 M을 필수적으로 함유하여 고전압 방전 특성 및 상 안정성이 우수하다. 이러한 양극 활물질을 함유한 양극은 4.4V 이상, 4.8V 이상, 예를 들어 5V 이상의 고전압화가 가능하여 에너지밀도가 800Wh/kg 수준으로 고에너지밀도를 구현할 수 있는 이차전지를 제조할 수 있다.
일구현예에 따른 양극 활물질은 Li6M5(P2O7)4형 양극 활물질로서 삼사정계 결정구조(triclinic crystal structure)를 갖고 공간군이 (p-1)이다. Li6M5(P2O7)4에서 M이 니켈인 경우에는 상이 매우 불안정한 물질이지만, M이 Ni 이외에 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유하는 경우에도 상이 안정화되면서 고전압 영역에서 방전량이 우수하다.
화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 화합물 중에서 선택된 하나 이상이다.
<화학식 2>
Lix(Ni1-yCoy)z(P2O7)4
화학식 2 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
<화학식 3>
Lix(Ni1-yMny)z(P2O7)4
화학식 3 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
<화학식 4>
Lix(Ni1-y-aMnyAa)z(P2O7)4
화학식 4 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6, 0<a≤0.2이고, A는 V, Nb, Ta 또는 그 조합이다.
화학식 2 내지 4에서, 5.5≤x≤6.5, 0.2≤y<1, 4.8≤z≤5.2이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 예를 들어 Li6Ni2Co3(P2O7)4, Li6Ni3Co2(P2O7)4, Li6Ni1Co4(P2O7)4, Li6Ni4Co1(P2O7)4, Li6Mn3Ni2(P2O7)4, Li6Mn2Ni3(P2O7)4, Li6Mn2Ni1(P2O7)4, Li6Mn2V1Ni2(P2O7)4, Li6Mn2Nb1Ni2(P2O7)4, Li6Mn2Ta1Ni2(P2O7)4, Li6Tc3Ni2(P2O7)4, Li6Re3Ni2(P2O7)4, Li6Ni2Rh3(P2O7)4, Li6Ni1Rh4(P2O7)4, Li6Ni2Ir3(P2O7)4, Li6Ni1Ir4(P2O7)4, Li6Ni2V3(P2O7)4, Li6Ni1V4(P2O7)4, Li6Ni2Nb3(P2O7)4, Li6Ni1Nb4(P2O7)4, Li6Ni2Ta3(P2O7)4, Li6Ni1Ta4(P2O7)4, Li6Co2V1Ni2(P2O7)4, Li6Co2V2Ni1(P2O7)4, Li6Ti3Ni2(P2O7), Li6Cr3Ni2(P2O7)4, Li6Cu3Ni2(P2O7)4, Li6Sc3Ni2(P2O7)4, 또는 그 조합이다.
화학식 1의 화합물의 CuKα선을 이용한 X선 회절 분석으로 구해지는 회절각 2θ가 28.5±2°인 영역에 주피크(main)가 나타난다. 그리고 화학식 1의 화합물에 대한 CuKα선을 이용한 X선 회절 분석으로 구해지는 주피크(main peak)의 세기(P1)와 부피크(minor peak)의 세기(P2)의 비(P2/P1)가 0.4 이하, 0.1 내지 0.4, 또는 0.2 내지 0.35이다.
본 명세서에서 "주피크"는 최대세기를 갖는 피크를 나타내고 "부피크"는 주피크보다 세기가 작은 피크로서 두번째 세기를 갖는 피크를 나타낸다.
화학식 1의 화합물을 함유한 양극을 구비한 전지에 대한 dQ/dV 충방전 미분 곡선에서 0.025C의 전류로 3.0V 내지 5.5V의 전압 조건에서 최대 방전 곡선 면적을 보이는 dQ/dV peak 전압이 4.7 V (vs. Li/Li+) 이상이다. dQ/dV 충방전 미분 곡선에서 0.025C의 전류로 3.0V 내지 5.5V의 전압에서 나타나는 최대 방전 곡선 면적을 보이는 dQ/dV peak 전압은 예를 들어 4.8 V (vs. Li/Li+) 이상, 4.8 내지 5.2V, 또는 4.8 내지 5.15V이다.
일구현예에 따른 화학식 1의 화합물을 함유한 전극을 구비한 전지에 대한 dQ/dv 충방전 미분 곡선에서 0.025C의 전류로 3.0V 내지 5.5V의 전압의 조건에서 3.5V 내지 5.5V의 방전 곡선의 면적(A1)에 대한 4.7V 내지 5.5V의 방전곡선의 면적(A2)의 비(A2/A1)는 0.4, 0.4 내지 1.0, 0.43 내지 0.55, 또는 0.434 내지 0.531이다. 상기 전극은 예를 들어 양극일 수 있다.
일구현예에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 습식 또는 건식 방법에 따라 제조가능하다. 이하, 건식 방법에 따라 화학식 1의 화합물을 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 리튬 전구체, 니켈 전구체, 인 전구체 및 M 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는다.
혼합은 예를 들어 기계적인 밀링을 통하여 실시할 수 있다. 기계적 밀링시에는 필요에 따라 용매를 부가하는 것이 가능하다. 용매는 예를 들어 아세톤, 에탄올, 물, 에틸렌글리콜, 이소프로판올, 또는 그 조합을 들 수 있다. 용매의 함량은 전구체 화합물의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 1,000 중량부, 예를 들어 100 내지 300 중량부 범위이다. 용매를 부가하는 경우 각 전구체의 혼합이 더 균일하게 이루어질 수 있다.
기계적 밀링은 당해기술분야에 알려진 방법에 따라 실시할 수 있다. 밀링은 예를 들어 볼밀, 에어제트밀, 비드밀, 롤밀, 플래너터리밀 등을 이용할 수 있다.
상기 리튬 전구체는 예를 들어 산화리튬, 탄산리튬, 염화리튬, 황화리튬, 질산리튬(LiNO3), 인산리튬, 수산화리튬 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 인 전구체는 예를 들어 (NH4)2HP04, (NH4)H2P04, LiPO3, LiH2PO4 등이 있다.
상기 M 전구체는 예를 들어 M 원소 함유 산화물, M 원소 함유 카보네이트, M 원소 함유 클로라이드, M 원소 함유 포스페이트, M 원소 함유 하이드록사이드, M 원소 함유 질산염, M 원소 함유 수산화물, M 원소 함유 옥살산염 또는 그 혼합물을 들 수 있고, 예를 들어 산화코발트, 황산코발트, 수산화코발트, 질산코발트, 산화망간, 황산망간, 수산화망간, 질산망간, 옥살산망간, 산화바나듐, 황산바나듐, 수산화바나듐, 질산바나듐, 산화티탄, 황산티탄, 수산화티탄, 질산티탄, 옥살산티탄, 산화크롬, 황산크롬, 수산화크롬, 질산크롬, 옥살산크롬, 산화구리, 황산구리, 수산화구리, 질산구리, 옥살산구리, 옥살산코발트(cobalt oxalate), 옥살산철(iron oxalate) 또는 그 혼합물을 들 수 있다.
니켈 전구체는 산화니켈, 염화니켈, 황산니켈, 질산니켈, 또는 그 조합을 이용할 수 있다. 그리고 인 전구체는 예를 들어 (NH4)2HP04, (NH4)H2P04, LiPO3, LiH2PO4 또는 그 혼합물을 들 수 있다.
상술한 혼합을 실시한 후에는 상술한 과정을 거친 결과물을 열처리하여 화학식 1로 표시되는 화합물을 얻을 수 있다. 열처리는 500℃ 내지 1000℃, 550℃ 내지 900℃, 또는 600 내지 750℃에서 실시한다. 열처리는 불활성 가스 분위기, 환원성 가스 분위기하에서 실시한다. 불활성 가스 분위기는 아르곤, 질소와 같은 불활성 가스를 이용한다, 환원성 가스 분위기는 상술한 불활성 가스에 수소가 3부피% 이하, 또는 0.1 내지 3 부피%로 혼합하여 형성될 수 있다. 열처리시 승온속도는 1℃/min 내지 10℃/min이다.
열처리하는 과정 이전에 건조과정을 선택적으로 실시할 수 있다. 만약 건조를 실시하는 경우에는 건조는 30℃ 내지 150℃, 50℃ 내지 130℃, 60℃ 내지 120℃ 또는 80℃ 내지 100℃에서 실시한다. 이와 같이 건조과정을 실시하면 에너지밀도가 더 우수한 양극 활물질을 얻을 수 있다.
화학식 1의 화합물은 상술한 고상법 이외에 액상법을 이용하여 제조할 수 있다.
다른 측면에 따라 상술한 전극 활물질을 포함하는 전극이 제공된다. 상기 전극은 예를 들어 양극 활물질을 포함하는 양극 또는 음극 활물질을 포함하는 음극일 수 있다.
일구현예에 따른 전극 활물질은 음극에 함유될 수 있다.
또 다른 측면에 따라 상술한 전극을 포함하는 이차전지가 제공된다. 여기에서 전극은 양극 또는 음극이다.
이차전지는 리튬이차전지 또는 전고체 전지이다.
상기 전고체 전지는 예를 들어 적층 세라믹(Multi-layer-ceramic: MLC) 전지를 들 수 있다.
상기 적층 세라믹 전지는 양극 활물질층을 포함하는 양극층, 고체 전해질층, 및 음극 활물질층을 포함하는 음극층이 순서대로 연속하여 배치된 셀 단위가 양극 활물질층과 음극 활물질층이 대향하도록 복수개 적층된 적층체 구조를 구비한다. 다른 일구현예에 의하면, 상기 적층 세라믹 전지는 양극 집전체 및/또는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다. 적층 세라믹 전지가 양극 집전체를 포함하는 경우 양극 활물질층은 양극 집전체의 양면에 배치될 수 있다. 그리고 적층 세라믹 전지가 음극 집전체를 포함하는 경우, 음극 활물질층은 음극 집전체의 양면에 배치될 수 있다.
적층 세라믹 전지는 양극 활물질층, 고체 전해질층 및 음극 활물질층이 순서대로 연속하여 배치된 셀 단위가, 셀 단위끼리의 양극 활물질층과 음극 활물질층이 대향하도록 하여 복수개 적층하는 적층체를 구비한다.
일구현예에 의하면, 상기 적층체의 최상층 및 최하층 중 어느 하나 또는 양쪽에 집전체층을 구비하거나 또는 상기 적층체에 금속층을 개재시켜 셀 단위가 적층된다.
일구현예에 따른 양극 활물질 및 이차전지는 사물 인터넷(internal of Things, IoT)향 애플리케이션(application) 전원, 웨어러블 소자(wearable device) 전원 등에 이용될 수 있다.
일구현예에 따른 양극 활물질은 박막 전지 및 MLC 전지에 적용가능하다. 그리고 소형 전지와, 전기 자동차(electric vehicle: EV) 및 에너지 저장 시스템(energy storage system: ESS) 등의 대형전지에도 적용가능하다.
상기 이차전지는 양극활물질층을 포함하는 양극층, 음극집전체층 및 제1 음극활물질층 또는 제3음극활물질층을 포함하는 음극층; 및 양극층과 음극층 사이에 배치된 고체전해질층을 포함하는 전고체 이차전지이며, 상기 양극 활물질층이 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 양극 활물질을 함유하는 이차전지가 제공된다.
<화학식 1>
Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
M 은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, M이 철(Fe)인 경우는 제외된다.
상기 제1음극 활물질층이 탄소계 음극활물질; 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
탄소계 음극활물질은 비정질 탄소(amorphous carbon) 및 결정질 탄소(crystalline carbon) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 상기 금속 또는 준금속 음극활물질이 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함한다.
상기 음극집전체와 상기 제1 음극 활물질층 사이 및 고체전해질층과 제1음극 활물질층 사이 중 하나 이상에 배치된 제2 음극활물질층을 더 포함하고, 상기 제2 음극활물질층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층이다.
일구현예에 따른 전고체 이차전지에서 제3음극 활물질층이 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층이다.
일구현예에 따른 이차전지는 초소형 전고체 이차전지일 수 있다.
도 6은 일구현예에 따른 MLC 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, MLC 전지는 산화물 전극 및 고체 전해질을 순차적으로 적층한 후 이를 동시 열처리하여 제조할 수 있다.
이를 참조하면, 양극 집전체(111)의 양면에 일구현예에 따른 양극 활물질을 함유하는 양극 활물질층(112)이 배치되어 양극(110)이 형성된다. 음극 집전체(121)의 양면에 음극 활물질층(122)이 적층되어 음극(120)이 형성된다. 그리고 양극(110)과 음극(120) 사이에는 도 6에 나타난 바와 같이 고체 전해질(130)이 배치될 수 있다. 그리고 외부전극(140)은 전지 본체(150)의 양단부에 형성된다. 외부전극(140)은 전지 본체(150)의 외부로 끝단이 노출된 양극(110) 및 음극(120)과 접속되어 양극(110)과 음극(120)과 외부소자를 전기적으로 연결하는 외부단자 역할을 할 수 있다. 한 쌍의 외부전극(140) 중 어느 하나는 일단이 전지 본체(150)의 외부로 노출된 양극(110)과 접속되고, 다른 하나는 타단이 전지 본체(150)의 외부로 노출된 음극(120)과 접속된다.
일구현예에 따른 이차전지는 각각이 순서대로 쌓인 양극층, 고체 전해질층 및 음극층으로 구성되는 적어도 제1 및 제2 단전지와 상기 제 1과 제2 단전지 각각 양극층에 접촉하여 또는 상기 제1 및 제2 단전지 각각 음극층에 접촉하여 상기 제1 및 제2 단전지 사이에 개재하도록 배치된 내부 집전층를 구비하는 적층형 고체 전지일 수 있다.
음극 활물질층의 음극 활물질은 2족 내지 14족 원소 함유 산화물이며, 예를 들어 리튬티타늄산화물, 리튬전이금속산화물, 리튬금속포스페이트, 티타늄 산화물, 바나듐 산화물 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
리튬금속포스페이트는 Li3Fe2(PO4)3 또는 LixV2(PO4)3(0<x≤5)이다.
산화물 음극은 예를 들어 Li4/3Ti5/3O4, LiTiO2, LiM1sM2tOu(M1, M2는 전이 금속이고, s, t 및 u는 각각 임의의 양수), TiOx(0<x≤3), V2O5, LixV2(PO4)3(0<x≤5) 및 Li3Fe2(PO4)3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 리튬 화합물을 포함하고, 예를 들어 Li4/3Ti5/3O4, LiTiO2을 들 수 있다. TiOx(0<x≤3)는 예를 들어 TiO2을 들 수 있다.
음극 활물질은 예를 들어 바나듐 산화물(V2O5), Li4Ti5O12, TiO2, LiTiO2, Li3V2(PO4)3, Li3Fe2(PO4)3, 또는 그 조합이다.
집전체층은 정극 집전체 및 음극 집전체로서 기능하는 경우는 모두 Ni, Cu, Ag, Pd, Au 및 Pt 중 임의의 금속으로 이루어질 수 있고, 또는 Ni, Cu, Ag, Pd, Au 및 Pt 중 임의의 것을 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 합금의 경우, Ni, Cu, Ag, Pd, Au 및 Pt로부터 선택되는 2종 이상의 합금이고, 예를 들면 Ag/Pd 합금이다. 또한, 이들 금속 및 합금은 단독일 수도 있고, 2종 이상의 혼합물일 수도 있다. 정극 집전체로서의 집전체층과 음극 집전체로서의 집전체층은 동일한 재료를 이용할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 특히, Ag, Pd를 포함하는 합금 또는 혼합 분말은, 혼합 비율에 의해서 은 융점(962 ℃)으로부터 팔라듐 융점(1550 ℃)까지 연속적이고 임의로 융점을 변화시킬 수 있기 때문에 일괄 소성 온도로 맞춘 융점 조정이 가능하고, 전자 도전성도 높기 때문에 전지 내부 저항을 최소한으로 억제할 수 있다는 이점이 있다.
금속층은 상기한 집전체층과 마찬가지의 재료를 사용할 수 있다. 금속층과 집전체층은 동일한 재료를 이용할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
고체 전해질은 이온 전도성 무기물질을 함유하며, 예를 들어 산화물계 고체 전해질을 이용할 수 있다.
산화물계 고체 전해질은 예를 들어 Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (0<x<2, 0≤y<3), BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)(O≤x<1, O≤y<1),Pb(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, SiC, 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3,0<x<2,0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(O≤x≤1, O≤y≤1), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마늄티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드계열 글래스(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz, 0<x<3,0<y<2, 0<z<4), P2S5 계열 글래스(LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7), Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2계 세라믹스, 가넷(Garnet)계 세라믹스 Li3+xLa3M2O12(M = Te, Nb, 또는 Zr)(x는 1 내지 10의 정수이다)중에서 선택된 하나 이상 또는 이들의 조합물이다.
고체 전해질은 예를 들어 Li3.25Al0.25SiO4, Li3PO4, LiPxSiyOz(식 중 x, y 및 z는 임의의 양수로서 1 내지 )로 이루어지는 군으로부터 선택되는 리튬 화합물이며, 예를 들어 Li3.5P0.5Si0.5O4이다.
도 7 및 도 8은 일구현예에 따른 적층형 고체 전지의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 적층형 고체 전지 (710)에서는 (단전지 1)(단전지 2)가 내부 집전층 (74)를 통해 쌓이고 있다. (단전지 1)(단전지 2)의 각각은 순서대로 쌓인 양극층 (71), 고체 전해질층 (73) 및 음극층 (72)로 구성된다. 양극층(71)은 일구현예에 따른 양극 활물질을 함유한다.
내부 집전층 (74)의 한편 측면(도 7에서는 상면)에(단전지 2)의 음극층 (72)가 인접하고 내부 집전층 (74)의 타방 측면(도 7에서는 하면)에(단전지 1)의 음극층 (72)가 인접하도록, (단전지 1)와(단전지 2)와 내부 집전층 74가 적층되어 있다. 도 7에서는 내부 집전층 (74)는 (단전지 1)(단전지 2)의 각각의 음극층 (72)에 접촉하도록 배치되어 있지만, (단전지 1)(단전지 2)의 각각의 양극층 (71)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 내부 집전층 (74)는 전자 전도성 재료를 포함한다. 내부 집전층 (74)는 이온 전도성 재료를 더 포함할 수 있다. 이온 전도성 재료를 더 포함하면 전압 안정화 특성이 우수하다.
이상과 같이 구성된 일구현예에 따른 적층형 고체 전지 (710)에서는 내부 집전층 4의 양측과 같은 극이 배치되므로, 내부 집전층 (74)를 개재해 복수의 단전지를 병렬로 접속한 모노폴라형 적층형 고체 전지 (710)을 얻을 수 있다. 이것에 의해 고용량형 적층형 고체 전지 (710)을 얻을 수 있다.
또한 상기 적층형 고체 전지 (710)에서는 (단전지 1)와(단전지 2)의 사이에 개재하는 내부 집전층 (74)가 전자 전도성 재료를 포함하므로, 인접한 두 개의 단전지를 전기적으로 병렬로 접속할 수 있음과 동시에, 인접한 두 개의 단전지에 있어서 양극층 (71) 또는 음극층 (72)를 이온 전도적으로 도통시킬 수 있다. 이것에 의해 내부 집전층 74를 통해 인접하는 양극층 (71) 또는 음극층 (72)의 전위를 평균화할 수 있으므로, 안정된 출력 전압을 얻을 수 있다.
또한 인출 탭 등의 외부 집전 부재를 없애고 적층형 고체 전지 10을 구성하는 단전지를 전기적으로 병렬로 접속할 수 있다. 이것에 의해 공간 이용률과 비용성이 우수한 적층형 고체 전지 (710)을 얻을 수 있다.
도 8을 참조하여, 적층체는 양극층(81), 음극층(82), 고체 전해질층(83) 및 내부 집전층(84)를 함유한다. 이러한 적층체를 적층하고 열압착하여 적층형 고체 전지 적층체 (810)을 얻었다. 단, 양극층 (81)은 한 장의 양극층용 시트로 구성하고. 음극층 (82)은 2매의 음극층용 시트로 구성된다. 양극층(81)은 일구현예에 따른 양극 활물질을 함유한다.
도 9a 및 도 9b은 일구현예에 따른 전고체이차전지의 다른 실시양태의 적층체를 도시한 것이다. 도 9a 및 도 9b의 양극 활물질층은 일구현예에 따른 전극 활물질인 양극 활물질을 포함한다.
도 9a를 참조하여 전고체 이차 전지를 구성하는 가장 기본적인 셀 단위 (92)의 구조를 나타낸다. 셀 단위 (92)는 양극 활물질층 (94), 이온 전도성 무기 물질층 (96) 및 음극 활물질층 (95)가 이 순서대로 연속한 구조를 갖는다.
도 9b에 전고체 이차 전지를 구성하는 적층체의 구조를 나타낸다.
전 고체 이차 전지는 하단에 양극 활물질층과 접하는 양극 인출 전극이 설치되고, 상단에 음극 활물질층과 접하는 음극 인출 전극이 설치되어 있다. 본 명세서에 있어서, 상단 및 하단은 상대적인 위치 관계를 나타내는 것이다.
적층체 (923)은 셀 단위 (92)가 복수개, 각각의 양극 활물질층 (94)와 음극 활물질층 (95)가 대향하도록 적층되고, 또한 최상층 및 최하층에 각각 집전체층을 구비한 구조를 갖는다. 최상층 및 최하층의 집전체층 중 어느 하나는 정극 활성 물질층과 접속하여 양극 집전체가 되고, 다른 하나는 음극 활성 물질층과 접속하여 음극 집전체가 된다. 최하층의 집전체층 (97)은 양극 활물질층 (94)와 접하여 양극 집전체가 되고, 최상층의 집전체층 (98)은 음극 활물질층 (95)와 접하여 음극 집전체가 된다.
이 양태에 있어서는, 집전체층이 인출 전극으로서 기능할 수 있다. 도 9b에서는, 최하층의 집전체층 (97)이 양극 인출 전극, 최상층의 집전체층 (8)이 음극 인출 전극으로서 기능할 수 있다. 또는, 집전체층 상에 별도로 인출 전극을 설치할 수도 있고, 예를 들면 하단에 집전체층 (97)과 접하는 정극 인출 전극, 상단에 집전체층 (98)과 접하는 음극 인출 전극을 설치할 수도 있다.
적층체 (923)은 도 9b에 나타난 바와 같이 셀 단위 (92)가 금속층 (920)을 개재시켜 적층된 구조를 갖는다. 금속층을 개재시킴으로써, 이온의 이동이 개별적인 셀 단위 내에 머무르게 되어, 직렬형의 전 고체 이차 전지로서 한층 확실하게 기능하는 것을 기대할 수 있다. 도 9b의 적층체 (923)은 집전체층을 구비하고 있지만, 집전체층은 상기한 바와 같이 임의이다.
전고체 이차전지의 적층체에 있어서, 셀 단위 (92)의 수는 2개 이상이면, 이른바 직렬형의 전 고체 이차 전지를 형성할 수 있다. 셀 단위수는 요구되는 전 고체 이차 전지의 용량이나 전압값에 기초하여 폭넓게 변화시킬 수 있다.
일구현예에 따른 이차전지는 전고체 이차전지일 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 일구현예에 따른 전고체 이차전지를 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 전고체이차전지(1)는 음극집전체층(21) 및 제1 음극활물질층(22)을 포함하는 음극층(20); 양극집전체층(11) 및 양극활물질층(12)을 포함하는 양극층(10); 및 음극층(20)과 양극층(10) 사이에 배치된 고체전해질층(30)을 함유한다. 양극층(10)은 고체 전해질을 함유할 수 있다. 도 10 내지 도 12의 양극 활물질층 및/또는 음극 활물질층은 일구현예에 따른 전극 활물질을 함유할 수 있다.
양극층은 예를 들어 상술한 양극 활물질, 고체 전해질 및 도전재를 함유할 수 있다.
(음극층)
도 10 내지 도 12를 참조하면, 음극층(20)은 음극집전체층(21) 및 제1 음극활물질층(22)을 포함하며, 제1 음극활물질층(22)이 음극활물질을 포함한다. 음극집전체층(21)은 생략될 수 있다.
제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 음극활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하이다. 입자 형태를 가지는 음극활물질의 평균 입경은 예를 들어, 10nm 내지 4um, 10nm 내지 2um, 10nm 내지 1um, 또는 10nm 내지 900nm 이다. 음극활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다. 음극활물질의 평균 입경은, 예를 들어, 레이저식 입도 분포계를 사용하여 측정한 메디안(median) 직경(D50)이다.
제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 탄소계 음극활물질 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
탄소계 음극활물질은 특히 비정질 탄소(amorphous carbon)이다. 비정질 탄소는 예를 들어 카본 블랙(carbon black)(CB), 아세틸렌 블랙(acetylene black)(AB), 퍼니스 블랙(furnace black)(FB), 켓젠 블랙(ketjen black)(KB), 그래핀(graphene) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 비정질 탄소로 분류되는 것이라면 모두 가능하다. 비정질 탄소는 결정성을 가지지 않거나 결정성이 매우 낮은 탄소로서 결정성 탄소 또는 흑연계 탄소와 구분된다.
금속 또는 준금속 음극활물질은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 금속 음극활물질 또는 준금속 음극활물질로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 니켈(Ni)은 리튬과 합금을 형성하지 않으므로 금속 음극활물질이 아니다.
제1 음극활물질층(22)은 이러한 음극활물질 중에서 일종의 음극활물질을 포함하거나, 복수의 서로 다른 음극활물질의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 제1 음극활물질층(22)은 비정질 탄소만을 포함하거나, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함한다. 이와 다르게는, 제1 음극활물질층(22)은 비정질 탄소와 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상과의 혼합물을 포함한다. 비정질 탄소와 금 등의 혼합물의 혼합비는 중량비로서 예를 들어 10:1 내지 1:2, 5:1 내지 1:1, 또는 4:1 내지 2:1 이나 반드시 이러한 범위로 한정되지 않으며 요구되는 전고체이차전지(1)의 특성에 따라 선택된다. 음극활물질이 이러한 조성을 가짐에 의하여 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다.
제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 비정질 탄소로 이루어진 제1 입자 및 금속 또는 준금속으로 이루어진 제2 입자의 혼합물을 포함한다. 금속 또는 준금속은 예를 들어 예를 들어, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 등을 포함한다. 준금속은 다르게는 반도체이다. 제2 입자의 함량은 혼합물의 총 중량을 기준으로 8 내지 60 중량%, 10 내지 50중량%, 15 내지 40 중량%, 또는 20 내지 30 중량%이다. 제2 입자가 이러한 범위의 함량을 가짐에 의하여 예를 들어 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다.
제1 음극활물질층(22)은 예를 들어 바인더를 포함한다. 바인더는 예를 들어 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에틸렌(polyethylene), 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 바인더는 단독 또는 복수의 서로 다른 바인더로 구성될 수 있다.
제1 음극활물질층(22)이 바인더를 포함함에 의하여 제1 음극활물질층(22)이 음극집전체(21) 상에 안정화된다. 또한, 충방전 과정에서 제1 음극활물질층(22)의 부피 변화 및/또는 상대적인 위치 변경에도 불구하고 제1 음극활물질층(22)의 균열이 억제된다. 예를 들어, 제1 음극활물질층(22)이 바인더를 포함하지 않는 경우, 제1 음극활물질층(22)이 음극집전체(21)로부터 쉽게 분리되는 것이 가능하다. 음극집전체(21)로부터 제1 음극활물질층(22)이 이탈한 부분은 음극집전체(21)이 노출되어 고체전해질층(30)과 접촉함에 의하여, 단락이 발생할 가능성이 증가한다. 제1 음극활물질층(22)은 예를 들어 제1 음극활물질층(22)을 구성하는 재료가 분산된 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하고, 건조하여 제작된다. 바인더를 제1 음극활물질층(22)에 포함시킴에 의하여 슬러리 중에 음극활물질의 안정적인 분산이 가능하다. 예를 들어, 스크린 인쇄법으로 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하는 경우, 스크린의 막힘(예를 들어, 음극 활물질의 응집체에 의한 막힘)을 억제하는 것이 가능하다.
제1 음극활물질층의 두께(d22)는 예를 들어 양극활물질층 두께(d12)의 50% 이하, 30% 이하, 10% 이하, 또는 5% 이하이다. 제1 음극활물질층의 두께(d22)는 예를 들어 1um 내지 20um, 2um 내지 10um, 또는 3um 내지 7um이다. 제1 음극활물질층의 두께(d22)가 상기 범위일 때, 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 우수하다.
제1 음극활물질층(22)의 충전 용량은 예를 들어 양극활물질층(12)의 충전용량에 비하여 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 2% 이하이다. 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량은 예를 들어 양극활물질층(12)의 충전용량에 비하여 0.1% 내지 50%, 0.1% 내지 40%, 0.1% 내지 30%, 0.1% 내지 20%, 0.1% 내지 10%, 0.1% 내지 5%, 또는 0.1% 내지 2% 이다.제1 음극활물질층(22)의 충전 용량이 상기 범위일 때, 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 우수하다. 양극활물질층(12)의 충전 용량은 양극활물질의 충전 용량 밀도(mAh/g)에 양극활물질층(12) 중 양극활물질의 질량을 곱하여 얻어진다. 음극집전체(21)은 예를 들어 리튬과 반응하지 않는, 즉, 합금 및 화합물을 모두 형성하지 않는 재료로 구성된다. 음극집전체(21)를 구성하는 재료는 예를 들어 구리(Cu), 스테인리스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 전극집전체로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 음극집전체(21)는 상술한 금속 중 1 종으로 구성되거나, 2 종 이상의 금속의 합금 또는 피복 재료로 구성될 수 있다. 음극집전체(21)는, 예를 들면, 판상 또는 박상(foil) 형태이다.
제1 음극활물질층(22)은 종래의 전고체이차전지(1)에 사용되는 첨가제 예를 들어 필러, 분산제, 이온도전제 등을 더 포함하는 것이 가능하다.
도 11을 참조하면, 전고체이차전지(1)는 예를 들어 음극집전체(21) 상에 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함하는 박막(24)을 더 포함한다. 박막(24)은 음극집전체(21)와 상기 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치된다. 박막(24)은 예를 들어 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함한다. 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소는, 예를 들어, 금, 은, 아연, 주석, 인듐, 규소, 알루미늄, 비스무스 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소라면 모두 가능하다. 박막(24)은 이들 금속 중 하나로 구성되거나, 여러 종류의 금속의 합금으로 구성된다. 박막(24)이 음극집전체(21) 상애 배치됨에 의하여, 예를 들어 박막(24)과 제1 음극활물질층(22) 사이에 석출되는 제2 음극활물질층(미도시)의 석출 형태가 더 평탄화되며, 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상될 수 있다.
박막의 두께(d24)는 예를 들어 1nm 내지 800nm, 10nm 내지 700nm, 50nm 내지 600nm, 또는 100nm 내지 500nm이다. 박막의 두께가 상기 범위일 때, 전고체 전지의 에너지 밀도 및 사이클 특성이 우수하다. 박막(24)은 예를 들어 진공 증착법, 스퍼터링 법, 도금법 등에 의해 음극 집전체(21) 상에 배치될 수 있으나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 박막(24)을 형성할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다.
도 12를 참조하면, 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 음극집전체(21)와 고체전해질층(30) 사이에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다. 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다. 도면에 도시되지 않으나, 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 고체전해질층(30)과 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다. 도면에 도시되지 않으나, 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 제1 음극활물질층(22) 내부에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다.
제2 음극활물질층(23)은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층이다. 금속층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함한다. 따라서, 제2 음극활물질층(23)은 리튬을 포함하는 금속층이므로 예를 들어 리튬 저장고(reservoir)로서 작용한다. 리튬 합금은, 예를 들어, Li-Al 합금, Li-Sn 합금, Li-In 합금, Li-Ag 합금, Li-Au 합금, Li-Zn 합금, Li-Ge 합금, Li-Si 합금 등이나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 합금으로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 제2 음극활물질층(23)은 이러한 합금 중 하나 또는 리튬으로 이루어질 수 있거나, 여러 종류의 합금으로 이루어진다.
제2 음극활물질층의 두께(d23)는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 1um 내지 1000um, 1um 내지 500um, 1um 내지 200um, 1um 내지 150um, 1um 내지 100um, 또는 1um 내지 50um이다. 제2 음극활물질층의 두께(d23)가 상기 범위일 때 전고체이차전지의 사이클 특성이 우수하다. 제2 음극활물질층(23)은, 예를 들어, 이러한 범위의 두께를 갖는 금속 호일일 수 있다.
전고체이차전지(1)에서 제2 음극활물질층(23)은 예를 들어 전고체이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치되거나 전고체이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 석출된다.
전고체이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 제2 음극활물질층(23)이 배치되는 경우, 제2 음극활물질층(23)이 리튬을 포함하는 금속층이므로 리튬 저장고(reservoir)로서 작용한다. 제2 음극활물질층(23)을 포함하는 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다. 예를 들어, 전고체이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 리튬 호일이 배치된다.
전고체이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 제2 음극활물질층(23)이 배치되는 경우, 전고체이차전지(1)의 조립 시에 제2 음극활물질층(23)을 포함하지 않으므로 전고체이차전지(1)의 에너지 밀도가 증가한다. 예를 들어, 전고체이차전지(1)의 충전시, 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량을 초과하여 충전한다. 즉, 제1 음극활물질층(22)을 과충전한다. 충전 초기에는 제1 음극활물질층(22)에 리튬을 흡장된다. 즉, 제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 양극층(10)에서 이동해온 리튬 이온과 합금 또는 화합물을 형성한다. 제1 음극활물질층(22)의 용량을 초과하여 충전을 하면, 예를 들어 제1 음극활물질층(22)의 후면, 즉 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 리튬이 석출되고, 석출된 리튬에 의해 제2 음극활물질층(23)에 해당하는 금속층이 형성된다. 제2 음극활물질층(23)은 주로 리튬(즉, 금속 리튬)으로 구성되는 금속층이다. 이러한 결과는 예를 들어 제1 음극활물질층(22)에 포함되는 음극활물질이 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 물질로 구성됨에 의하여 얻어진다. 방전시에는 제1 음극활물질층(22) 및 제2 음극활물질층(23), 즉 금속층의 리튬이 이온화되어 양극층(10) 방향으로 이동한다. 따라서, 전고체이차전지(1)에서 리튬을 음극활물질로 사용하는 것이 가능하다. 또한, 제1 음극활물질층(22)은 제2 음극활물질층(23)을 피복하기 때문에, 제2 음극활물질층(23), 즉 금속층의 보호층 역할을 하는 동시에, 리튬 덴드라이트(dendrite)의 석출 성장을 억제하는 역할을 수행한다. 따라서, 전고체이차전지(1)의 단락 및 용량 저하를 억제하고, 결과적으로 전고체이차전지(1)의 사이클 특성을 향상시킨다. 또한, 전고체이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 제2 음극활물질층(23)이 배치되는 경우, 음극집전체(21)와 상기 제1 음극활물질층(22) 및 이들 사이의 영역은 예를 들어 전고체이차전지의 초기 상태 또는 방전후 상태에서 리튬(Li) 금속 또는 리튬(Li) 합금을 포함하지 않는 Li-프리(free) 영역이다.
도 12를 참조하면, 전고체이차전지(1)는 양극집전체(21) 상에 제2 음극활물질층(23)이 배치되고, 제2 음극활물질층(23) 상에 고체전해질층(30)이 직접 배치되는 구조를 가진다. 제2 음극활물질층(23)은 예를 들어 리튬 금속층 또는 리튬 합금층이다.
(고체전해질층)
도 10 내지 12를 참조하면, 고체전해질층(30)은 산화물계 고체 전해질을 함유할 수 있다.
산화물계 고체 전해질은 산화물계 고체 전해질은 예를 들어 Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (0<x<2, 0≤y<3), BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-y TiyO3(PLZT)(O≤x<1, O≤y<1), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, Li3PO4, LixTiy(PO4)3(0<x<2, 0<y<3), LixAlyTiz(PO4)3 (0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(0≤x≤1 0≤y≤1), LixLayTiO3 (0<x<2, 0<y<3), Li2O, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2, Li3+xLa3M2O12(M = Te, Nb, 또는 Zr, x는 1 내지 10의 정수)중에서 선택된 하나 이상이다.
산화물계 고체 전해질은 예를 들어 Li7La3Zr2O12(LLZO) 및 Li3+xLa3Zr2-aMaO12(M doped LLZO, M=Ga, W, Nb, Ta, 또는 Al, x는 1 내지 10의 정수, 0.05≤a≤0.7) 중에서 선택된 가넷계(Garnet-type) 고체전해질이다.
일구현예 의하면 고체 전해질층은 LLZO 고체 전해질을 포함한다.
고체 전해질층은 예를 들어 Li7La3Zr2O12(LLZO), Li6.4La3Zr1.7W0.3O12, Li6.5La3Zr1.5Ta0.3O12, Li7La3Zr1.7W0.3O12, Li4.9La2.5Ca0.5Zr1.7Nb0.3O12, Li4.9Ga2.1La3Zr1.7W0.3O12, Li6.4La3Zr1.7W0.3O12, Li7La3Zr1.5W0.5O12, Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12, Li7La3Zr1.5Nb0.5O12, Li7La3Zr1.5Ta0.5O12, Li6.272La3Zr1.7W0.3O12, Li5.39Ga1.61La3Zr1.7W0.3O12, Li6.5La3Zr1.5Ta0.3O12, 또는 조합물을 함유할 수 있다.
(양극층)
양극층(10)은 양극집전체(11) 및 양극활물질층(12)을 포함한다.
양극집전체(11)는 예를 들어 인듐(In), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 리튬(Li) 또는 이들의 합금으로 이루어진 판상체(plate) 또는 호일(foil) 등을 사용한다. 양극 집전체(11)는 생략 가능하다.
양극활물질층(12)은 양극 활물질 및 고체 전해질을 함유한다. 양극층(10)에 포함된 고체전해질은 고체전해질층(30)에 포함되는 고체 전해질과 유사하거나 다르다. 고체전해질 대한 자세한 내용은 고체전해질층(30) 부분을 참조한다. 일구현예에 의하면 상기 고체 전해질은 산화물계 고체 전해질을 함유할 수 있다.
양극층은 일구현예에 따른 전극 활물질인 양극 활물질을 함유한다.
양극활물질의 형상은, 예를 들어, 진구, 타원 구형 등의 입자 형상이다. 양극활물질의 입경은 특별히 제한되지 않으며, 종래의 전고체이차전지의 양극활물질에 적용 가능한 범위이다. 양극층(10)의 양극활물질의 함량도 특별히 제한되지 않고, 종래의 전고체이차전지의 양극층에 적용 가능한 범위이다.
양극층(10)은 상술한 양극활물질 및 고체전해질 외에 예를 들어 도전제, 바인더, 필러(filler), 분산제, 이온 전도성 보조제 등의 첨가제를 더 포함하는 것이 가능하다. 이러한 도전제는 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 켓젠(Ketjen) 블랙, 탄소 섬유, 금속 분말 등이다. 바인더는 예를 들어 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene) 등이다. 양극층(10)에 배합 가능한 코팅제, 분산제, 이온 전도성 보조제 등으로는 일반적으로 고체 이차 전지의 전극에 사용되는 공지의 재료를 사용한다.
전고체이차전지 제조 방법은 양극층(10) 상부에 고체전해질층(30)을적층하고 그 상부에 음극층(20)을 적층하여 제조한다.
다른 일구현예에 의하면, 고체전해질층(30)은 별도의 기재에 고체 전해질층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하고 기재로부터 분리하거나 또는 기재가 포함된 형태로 시트 형태로 제조할 수 있다. 기재는 비제한적인 예로서 폴리에틸렌테레프탈레이트막, 폴리에틸렌 부직포 등을 이용할 수 있다.
또 다른 일구현예에 의하면, 고체전해질층(30)은 양극층(10) 상부에 제1고체 전해질층 형성용 조성물을 코팅 및 건조하거나 또는 전사하여 형성할 수 있다.
이어서 상기 양극층, 고체 전해질층 및 음극층을 포장재로 포장한 후, 가압하여 전고체 전지를 제조할 수 있다. 가압은 롤 가압, 핫 가압, 등수압 가압(warm isostactic press) 등을 이용하여 실시할 수 있다.
가압시 롤 가압 또는 핫 가압을 이용하면 대량 생산이 가능하며, 전극층과 고체 전해질층의 압축 과정에서 긴밀한 계면이 형성될 수 있다.
(음극층의 제조)
제1 음극활물질층(22)을 구성하는 재료인 음극 활물질, 도전재, 바인더, 고체전해질 등을 극성 용매 또는 비극성 용매에 첨가하여 슬러리를 준비한다. 준비된 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하고 건조하여 제1 적층체를 준비한다. 이어서, 건조된 제1 적층체를 가압하여, 음극층(20)을 준비한다. 가압은 예를 들어 롤 가압(roll press), 평판 가압(flat press) 등이나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용하는 가압이라면 모두 가능하다. 가압 단계를 생략 가능하다.
상기 음극층은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질을 함유하는 제1음극 활물질층을 함유하며, 상기 음극활물질이 탄소계 음극활물질 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 상기 탄소계 음극활물질은 비정질 탄소(amorphous carbon) 및 결정질 탄소(crystalline carbon) 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 그리고 상기 금속 또는 준금속 음극활물질은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이다.
상기 음극집전체와 상기 제1 음극 활물질층 사이 및 고체전해질층과 제1 음극활물질층 사이 중 하나 이상에 배치된 제2 음극활물질층을 더 포함하고, 상기 제2 음극활물질층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층이다.
(양극층의 제조)
양극활물질층(12)을 구성하는 재료인 양극 활물질, 도전재, 바인더, 고체전해질 등을 비극성 용매에 첨가하여 슬러리(slurry)를 제조한다. 양극 활물질로는 일구현예에 따른 양극 활물질을 이용할 수 있다. 제조된 슬러리를 양극집전체(11) 상에 도포하고 건조한다. 얻어진 적층체를 가압하여 양극층(10)을 제조한다. 가압은 예를 들어 롤 가압(roll press), 평판 가압(flat press), 정수압을 이용한 가압 등이나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용하는 가압이라면 모두 가능하다. 가압 공정은 생략해도 좋다. 다르게는, 양극활물질층(12)을 구성하는 재료의 혼합물을 펠렛(pellet) 형태로 압밀화 성형하거나 시트 형태로 늘리는(성형) 것으로 양극층(10)을 제작한다. 이러한 방법으로 양극층(10)을 제작하는 경우, 양극 집전체(11)는 생략할 수 있다.
(고체전해질층의 제조)
고체전해질층(30)은 예를 들어 산화물계 고체 전해질 재료로 형성된 고체 전해질에 의해 제조한다.
(전고체이차전지의 제조)
상술한 방법으로 제작한 양극층(10), 음극층(20) 및 고체 전해질층(30)을, 양극층(10)과 음극층(20)이 고체 전해질층(30)을 사이에 가지도록 적층하고 가압함에 의하여, 전고체이차전지(1)를 제작한다.
예를 들어, 양극층(10) 상에 고체전해질층(30)을 배치하여 제2 적층체를 준비한다. 이어서, 고체전해질층(30)과 제1 음극활물질층이 접촉하도록 제2 적층체 상에 음극층(20)을 배치하여 전고체이차전지(10)를 제조한다.
이상에서 설명한 전고체이차전지의 구성 및 제작 방법은 실시 형태의 일례로서, 구성 부재 및 제작 절차 등을 적절히 변경할 수 있다.
일구현예에 따른 전고체 이차전지는 전지의 용량 및 크기에 따라 소형 ITS 또는 대형 전기자동차에 탑재될 수 있다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 참조하여 구체적으로 설명하되, 하기 예로 한정되는 것은 아니다.
(양극 활물질의 제조)
제조예 1
Li2CO3, CoO, NiO, (NH4)2HPO4을 혼합하여 전구체 혼합물을 얻고 여기에 및 에탄올을 혼합하여 볼밀에서 10시간 동안 밀링을 실시하였다. Li2CO3, CoO, NiO, (NH4)2HPO4의 함량은 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻을 수 있도록 화학양론적으로 제어되었고, 에탄올은 Li2CO3, CoO, NiO 및 (NH4)2HPO4의 총함량 100 중량부를 기준으로 하여 100 중량부로 사용하였다.
밀링된 결과물을 90°C에서 12시간 동안 건조하였고, 건조된 생성물을 공기 분위기, 750℃에서 12시간 동안 열처리하여 양극 활물질 Li6Co4Ni1(P2O7)4을 얻었다.
제조예 2-4
전구체 혼합물 제조시 Li2CO3, CoO, NiO, (NH4)2HPO4의 함량은 하기 표 1의 조성을 갖는 목적물을 얻을 수 있도록 화학양론적으로 제어한 것을 제어하고는, 제조예 1과 동일하게 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
제조예 5
전구체 혼합물 제조시 CoO 대신 MnO2를 사용한 것을 제외하고는, 제조 예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
제조예 6
전구체 혼합물 제조시 CoO 대신 MnO2를 사용하고 열처리온도가 700℃로 변화된 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
제조예 7
전구체 혼합물 제조시 CoO 대신 MnO와 V2O3를 사용하고 열처리온도가 600℃로 변화된 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
비교제조예 1
전구체 혼합물 제조시 NiO을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
비교제조예 2
전구체 혼합물 제조시 CoO을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
비교제조예 3
Li2CO3, FeC2O4 .2H2O, NiC2O4·2H2O 및 (NH4)2HPO4를 유성 볼밀 용기에 넣었다. 그 후 유성 볼밀 용기를 볼 밀 장치에 배치하고, 볼 밀 장치를 구동시켜 원재료를 혼합했다. Li2CO3, FeC2O4 .2H2O,, NiC2O4 .2H2O,및 (NH4)2HPO4의 함량은 각각 하기 표 1의 목적물을 얻을 수 있도록 화학양론적으로 조절되었다.
상기 과정에 따라 얻어진 혼합물을 아르곤 분위기하 800℃에서 6시간 소성함으로써, 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
비교제조예 4-5
Li2CO3, FeC2O4 .2H2O, NiC2O4 .2H2O 및 (NH4)2HPO4의 함량이 각각 하기 표 1의 목적물을 얻을 수 있도록 화학양론적으로 조절된 것을 제외하고는, 비교제조예 3과 동일하게 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 양극 활물질을 각각 얻었다.
구분 조성 열처리온도(℃)
제조예 1 Li6Co4Ni1(P2O7)4 750
제조예 2 Li6Co3Ni2(P2O7)4 750
제조예 3 Li6Co2Ni3(P2O7)4 750
제조예 4 Li6Co1Ni4(P2O7)4 750
제조예 5 Li6Mn2Ni3(P2O7)4 750
제조예 6 Li6Mn3Ni2(P2O7)4 700
제조예 7 Li6Mn2V1Ni2(P2O7)4 600
비교제조예 1 Li6Co5(P2O7)4 750
비교제조예 2 Li6Ni5(P2O7)4 750
비교제조예 3 Li6Fe2.5Ni2.5(P2O7)4(Li4.5Fe1.875Ni1.875(P2O7)3) 800
비교제조예 4 Li6Fe4.0Ni1.0(P2O7)4 800
비교제조예 5 Li6Fe4.5Ni0.5(P2O7)4 800
상기 비교제조예 2에 따라 얻은 Li6Ni5(P2O7)4는 방전 전압이 높지만 안정적인 상 유지가 어렵다. 그리고 비교제조예 3에 따라 얻은 Li6Fe2.5Ni2.5(P2O7)4은 하기 도 4c에 나타난 바와 같이 5V 이상의 고전압 방전이 발현되지 않았다.
제조예 8-11
전구체 혼합물 제조시 CoO 대신 티탄 산화물(TiO2), Cr2O3, CuO 및 Sc2O3을 각각 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 하기 표 2의 조성을 갖는 양극 활물질을 얻었다.
구분 조성
제조예 8 Li6Ti3Ni2(P2O7)4
제조예 9 Li6Cr3Ni2(P2O7)4
제조예 10 Li6Cu3Ni2(P2O7)4
제조예 11 Li6Sc3Ni2(P2O7)4
(리튬이차전지의 제조)
실시예 1
먼저 양극을 하기 과정에 따라 제작하였다.
제조예 1의 양극 활물질, 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 얻었다. 양극 활물질층 형성용 조성물에서 Li6Co4Ni1(P2O7)4, 도전제 및 PVDF의 혼합 중량비는 50:30:20이었고 N-메틸피롤리돈의 함량은 양극 활물질 1 g일 때 약 20 g을 사용하였다.
상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 120℃에서 건조시켜 압연하여 두께가 약 5[.5]㎛인 양극을 제작하였다.
상기 양극과 상대극으로서 리튬 금속 대극을 사용하여 2032 타입의 코인셀(coin cell)을 제조하였다. 상기 양극과 리튬 금속 대극 사이에는 다공질 폴리에틸렌(PE) 필름으로 이루어진 세퍼레이터(두께: 약 16㎛)를 개재하고, 전해액을 주입하여 2032 타입 코인셀 형태의 리튬이차전지를 제작하였다. 상기 전해액으로서 에틸렌카보네이트(EC)와 에틸메틸카보네이트(EMC)를 3:5의 부피비로 혼합한 용매에 용해된 1.1M LiPF6가 포함된 용액을 사용하였다.
실시예 2-11
양극 제조시 제조예 1의 양극 활물질 제조시 제조예 2 내지 11의 양극 활물질을 각각 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다.
비교예 1-5
양극 제조시 제조예 1의 양극 활물질 제조시 비교제조예 1 내지 5의 양극 활물질을 각각 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬이차전지를 제조하였다.
평가예 1: X선 회절 분석
제조예 1-4 및 비교제조예 1-5의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석을 실시하였다. X선 회절 분석은 Cu Kαradiation(1.54056Å)을 이용한 X'pert pro (PANalytical)를 이용하여 실시하였다.
제조예 1-4 및 비교제조예 1-2의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 결과는 도 1a에 나타나 있고, 도 1a의 일부 영역을 확대하여 도 1b에 나타내었다. 도 1a 및 도 1b에는 참조용으로서 Li5.88Co5.06(P2O7)4에 대한 것을 나타냈다.
이를 참조하면, 제조예 1-4의 양극 활물질은 상안정성이 높은 코발트를 도입하여 안정적인 결정상이 유지 가능함을 알 수 있었다.
비교제조예 1의 양극 활물질은 상 안정성이 우수하지만, 비교제조예 2의 양극 활물질은 500~900℃ 온도 영역에서 Li2Ni3(P2O7)2 및 LiNiPO4의 다른 물질로 변화되어 상이 매우 불안정하였다.
또한 제조예 1-2의 양극 활물질 및 비교제조예 1의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석에 의하여 구해지는 주피크(main peak)와 부피크(minor peak)의 세기비를 하기 식 1에 따라 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 여기에서 주피크는 최대흡수세기를 나타내는 피크이며, 회절각 2θ가 28.5°인 영역에서 나타나고 부피크는 주피크에 비하여 흡수세기가 작은 피크로서 회절각 2θ가 14.3°인 영역에서 나타난다.
[식 1]
피크 세기비(P2/P1)=부피크의 세기(P2)/주피크의 세기(P1)
구분 세기비(P2/P1)
제조예 1 0.32
제조예 2 0.23
비교제조예 1 0.43
표 3으로부터 제조예 1 및 2의 양극 활물질은 비교제조예 1의 양극 활물질과 비교하여 결정성 등의 물성이 구별된다는 것을 알 수 있었다.(2) 제조예 5, 6 및 7제조예 5, 6, 7의 양극 활물질에 대한 x선 회절 분석 스펙트럼은 도 1c에 나타나 있다. 도 1c에는 참조용으로서 Li5.88Co5.06(P2O7)4에 대한 것을 함께 나타냈다.
이를 참조하여, 제조예 5 내지 7의 양극 활물질은 니켈의 일부 자리를 망간 또는 바나듐과 같은 다른 전이금속으로 치환하여 상 안정성이 높다는 것을 알 수 있었다.
(3) 제조예 6 및 비교제조예 1
제조예 6 및 비교제조예 1의 양극 활물질에 대한 x선 회절 분석 스펙트럼은 도 1d에 나타나 있다. 도 1d에는 참조용으로서 Li5.88Co5.06(P2O7)4에 대한 것을 함께 나타냈다.
이를 참조하여, 제조예 6의 양극 활물질은 니켈의 일부 자리를 망간 및 바나듐으로 치환하여 상 안정성이 높은 것을 알 수 있었다.
(4) 비교제조예 3-5
비교제조예 3 내지 5의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 결과를 도 1e에 나타냈다.
이를 참조하여, 비교제조예 3 내지 5의 양극 활물질은 상 안정성은 우수하였다. 그러나 후술하는 비용량에 따른 전압 변화 그래프에서 알 수 있듯이 고전압 특성은 불량한 결과를 나타냈다.
평가예 2: 전압 계산
양극 활물질 Li6Co5-xNix(P2O7)4에서 코발트와 니켈의 혼합량에 따른 전압을 계산하였다. 전압 계산은 양자계산을 이용하여 실시하였다. 양자계산은 범밀도함수이론(Density　functional theory: DFT)에 의해 계산되었다.
전압 계산 결과는 도 2에 나타난 바와 같다
도 2를 참조하여, 고전압 특성을 갖는 양극활물질을 이용하기 위하여 양극 활물질의 니켈을 상안정성이 높은 코발트로 치환하여 결정구조를 안정적으로 유지하면서 4.8V 이상의 높은 평균전압을 발현하였다.
평가예 3: 충방전 특성
(1)실시예 1-4 및 비교예 1-2
실시예 1-4 및 비교예 1-2에 따라 제조된 코인셀의 충방전 특성을 다음의 충방전 시험에 의해 평가하였다.
충방전은 5시간 동안 25도에서 휴지한 다음, 0.1C의 전류로 5.5V에 도달할 때까지 정전류 충전을 실시하였다. 충전이 완료된 셀은 0.025C의 전류로 전압이 4.0V에 이를 때까지 정전류 방전을 수행하였다.
이러한 충방전 사이클을 총 10회 반복적으로 실시하였다. 그 결과의 일부를 도 3a, 도 3b에 나타내었다. 도 3a는 실시예 1-4 및 비교예 1-2에 따라 제조된 코인셀에 있어서, 비용량에 따른 전압 변화를 나타낸 것이다. 그리고 도 3b는 실시예 1-4 및 비교예 1-2의 코인셀에서 양극 활물질에서 코발트와 니켈의 혼합량에 따른 비용량 및 평균전압 변화를 나타낸 것이다.
도 3a, 도 3b를 참조하여, 실시예 1 내지 5의 코인셀은 비교예 1-2의 코인셀과 비교하여 우수한 평균전압 및 비용량, 충방전 특성을 나타냈다.
또한 실시예 5-11의 코인셀의 평균전압 및 비용량 특성을 상기 실시예 1의 코인셀의 평가 방법과 동일하게 실시하여 평가하였다.
평가 결과, 실시예 5-11의 코인셀의 평균전압 및 비용량 특성은 실시예 1의 코인셀과 비교하여 동등한 수준으로 우수한 결과를 나타냈다.
(2)실시예 1-2 및 비교예 3-5
실시예 1-2 및 비교예 3-5에 따라 제조된 코인셀의 충방전 특성을 다음의 충방전 시험에 의해 평가하였다.
충방전은 5시간 동안 25℃에서 휴지한 다음, 0.1C의 전류로 5.5V에 도달할 때까지 정전류 충전을 실시하였다. 충전이 완료된 셀은 0.025C의 전류로 전압이 3.0V, 3.5V 또는 4.0V에 각각 이를 때까지 정전류 방전을 수행하였다.
1차 충방전 특성의 평가 결과의 일부를 도 4a, 도 4b 및 하기 표 4에 나타내었다.
도 4a는 실시예 1-2 및 비교예 1의 코인셀에서 비용량에 따른 전압 변화를 나타냈고, 도 4b는 실시예 1-2 및 비교예 1의 코인셀에서 용량으로 정규화된 방전 곡선을 나타낸 것이다. 그리고 도 4c는 비교예 4의 코인셀에서 비용량에 따른 전압 변화를 나타낸 것이다.
구분 충방전시 방전전압(V)
평균
방전
전압(V)		 3.0 3.5 4.0
실시예 1 4.11 4.48 4.71
실시예 2 4.27 4.60 4.81
비교예 1 4.19 4.44 4.65
표 4를 참조하여, 실시예 1 및 2의 코인셀의 평균방전전압은 비교예 1의 경우에 비하여 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 실시예 1 및 2의 코인셀은 비교예 1의 코인셀과 비교하여 더 우수한 평균전압 및 비용량, 충방전 특성을 나타냈다. 도 4c를 참조하여, 비교예 4의 코인셀은 5V 이상 고전압 방전이 발현되지 않았다. 또한 비교예 4 및 비교예 5의 코인셀은 비교예 3의 코인셀과 유사한 고전압 방전 특성을 나타냈다.
평가예 4: dQ/dV 분석
실시예 1 및 비교실시예 1-2에 따라 제작된 코인셀에 있어서, 충방전 특성 등을 충방전기 (제조사: TOYO, 모델: TOYO-3100)로 평가하였다.
충방전 특성 평가 과정을 보다 상세하게 기술하면 다음과 같다.
충방전은 5시간 동안 25도에서 휴지한 다음, 0.1C의 전류로 5.5V에 도달할 때까지 정전류 충전을 실시하였다. 충전이 완료된 셀은 0.025C의 전류로 전압이 4.0V에 이를 때까지 정전류 방전을 수행하였다. 이러한 충방전 사이클을 반복적으로 실시하여 총10회 충방전 사이클을 실시하였다.
첫번째 사이클 3.0V 내지 5.55V의 전압 범위에서 나타나는 dQ/dV 충방전 미분 곡선 분포에 대하여 구해지는 방전 주피크가 나타나는 위치 및 방전 곡선의 면적비를 조사하여 하기 표 5 및 도 5에 나타내었다. 도 5는 실시예 1-2 및 비교예 1의 코인셀에서 첫번째 사이클 dQ/dV 방전 미분 곡선을 나타낸 것이다.
방전 피크는 3.0V 내지 5.5V에서 나타나는 피크이다. 그리고 방전 곡선의 면적비는 하기 식 1로 계산하였다.
[식 2]
방전 곡선의 면적비=(4.7V 내지 5.5V의 방전곡선의 면적(A2)/3.5V 내지 5.5V의 방전 곡선의 면적(A1)
구분 방전 주피크가 나타나는 전압(V) A2/A1
실시예 1 4.67 0.434
실시예 2 4.85 0.531
비교예 1 5.15 0.324
도 5 및 표 5를 참조하여, 비교예 1의 코인셀은 양극 활물질로서 Li6Co5(P2O7)4를 함유한 양극을 구비하며, 이 경우는 방전 주요 플래토(main plateau)가. 약 4.67V에서 나타났다. 이에 비하여 실시예 1 및 2의 코인셀은 비교예 1의 코인셀과 비교하여 고전압 플래토(plateau)가 형성되어 고전압 영역에서 방전량이 증가됨을 알 수 있었다. 특히 니켈의 치환량이 더 높은 양극 활물질을 함유한 양극을 구비한 실시예 2의 코인셀은 실시예 1의 코인셀에 비하여 고전압 플래토(plateau)가 형성되어 5.15V의 방전 플래토(plateau)가 나타났다.
또한 표 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2의 코인셀에서는 A2/A1가 각각 0.434 및 0.531로서 비교예 1의 코인셀과 비교하여 고전압 방전곡선의 면적이 더 증가하여 고전압 영역의 방전량이 더 우수하다는 것을 알 수 있었다.
이상을 통해 일구현예에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (27)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전극 활물질:
    <화학식 1>
    Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
    화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6이며,
    M 은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, M이 철(Fe)인 경우는 제외된다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 M은 Co, Mn, V, Ti, Cr, Cu, Sc, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, 또는 그 조합인 전극 활물질.
  3. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 M은 Co, Mn, V, Ti, Cr, Cu, Sc 또는 그 조합인 전극 활물질.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 x는 5.5 내지 6.5이며, y는 0.3 내지 0.9의 수이고, z은 4.8 내지 5.2인 전극 활물질.
  5. 제4항에 있어서, 상기 화학식 1에서 x는 5.8 내지 6.2이며, z은 4.9 내지 5.1인 전극 활물질.
  6. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2 내지 4으로 표시되는 화합물 중에서 선택된 하나인 전극 활물질:
    <화학식 2>
    Lix(Ni1-yCoy)z(P2O7)4
    화학식 2 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6이며,
    <화학식 3>
    Lix(Ni1-yMny)z(P2O7)4
    화학식 3 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6이며,
    <화학식 4>
    Lix(Ni1-y-aMnyAa)z(P2O7)4
    화학식 4 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6, 0<a≤0.2이고, A는 V, Nb, Ta 또는 그 조합이다.
  7. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 Li6Ni2Co3(P2O7)4, Li6Ni3Co2(P2O7)4, Li6Ni1Co4(P2O7)4, Li6Ni4Co1(P2O7)4, Li6Mn3Ni2(P2O7)4, Li6Mn2Ni3(P2O7)4, Li6Mn2Ni1(P2O7)4, Li6Mn2V1Ni2(P2O7)4, Li6Mn2Nb1Ni2(P2O7)4, Li6Mn2Ta1Ni2(P2O7)4, Li6Tc3Ni2(P2O7)4, Li6Re3Ni2(P2O7)4, Li6Ni2Rh3(P2O7)4, Li6Ni1Rh4(P2O7)4, Li6Ni2Ir3(P2O7)4, Li6Ni1Ir4(P2O7)4, Li6Ni2V3(P2O7)4, Li6Ni1V4(P2O7)4, Li6Ni2Nb3(P2O7)4, Li6Ni1Nb4(P2O7)4, Li6Ni2Ta3(P2O7)4, Li6Ni1Ta4(P2O7)4,Li6Co2V1Ni2(P2O7)4, Li6Co2V2Ni1(P2O7)4), Li6Ti3Ni2(P2O7), Li6Cr3Ni2(P2O7)4, Li6Cu3Ni2(P2O7)4, 또는 Li6Sc3Ni2(P2O7)4인 전극 활물질.
  8. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물에 대한 CuKα선을 이용한 X선 회절 분석으로 구해지는 회절각 2θ가 28.5±2°인 영역에 주피크(main)가 나타나는 전극 활물질.
  9. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물에 대한 CuKα선을 이용한 X선 회절 분석으로 구해지는 주피크(main peak)의 세기(P1)와 부피크(minor peak)의 세기(P2)의 비(P2/P1)가 0.4 이하인 전극 활물질.
  10. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 삼사정계 결정구조(triclinic crystal structure)를 갖고 공간군이 (p-1)인 전극 활물질.
  11. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물을 함유한 전극을 구비한 전지에 대한 dQ/dV 충방전 미분 곡선에서 0.025C의 전류로 3.0V 내지 5.5V의 전압의 조건에서 최대 방전 곡선 면적을 보이는 dQ/dV peak 전압이 4.7 V vs. Li/Li+ 이상인 전극 활물질.
  12. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물을 함유한 전극을 구비한 전지에 대한 dQ/dV 충방전 미분 곡선에서 0.025C의 전류로 3.0V 내지 5.5V의 전압의 조건에서 3.5V 내지 5.5V의 방전 곡선의 면적(A1)에 대한 4.7V 내지 5.5V의 방전곡선의 면적(A2)의 비(A2/A1)는 0.4 이상인 전극 활물질.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 전극 활물질을 포함하는 전극.
  14. 제13항의 전극을 포함하는 이차전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 이차전지에서 전극은 양극이며, 상기 양극에 함유된 전극 활물질의 전압은 리튬 대비 4.8V 이상인 이차전지.
  16. 제14항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이차전지, 또는 전고체 전지인 이차전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전고체 전지는 적층 세라믹(Multi-layer-ceramic: MLC) 전지 또는 박막 전지인 이차전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적층 세라믹 전지는,
    양극 활물질층을 포함하는 양극층, 고체 전해질층, 및 음극 활물질층을 포함하는 음극층이 순서대로 연속하여 배치된 셀 단위가 양극 활물질층과 음극 활물질층이 대향하도록 복수개 적층되는 적층체 구조를 구비하는 이차전지.
  19. 제17항에 있어서, 상기 적층 세라믹 전지는,
    양극층, 고체 전해질층 및 음극층이 순서대로 연속하여 배치된 셀 단위가, 셀 단위끼리의 양극 활물질층과 음극 활물질층이 서로 대향하도록 하여 복수개 적층하는 적층체를 구비하는 이차전지.
  20. 제14항에 있어서, 상기 이차전지는 양극활물질층을 포함하는 양극층, 제1 음극활물질층 또는 제3음극활물질층을 포함하는 음극층; 및 양극층과 음극층 사이에 배치된 고체전해질층을 포함하는 전고체 이차전지이며,
    상기 양극 활물질층이 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 양극 활물질을 함유하는 이차전지:
    <화학식 1>
    Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
    화학식 1 중, 화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
    M은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, M이 철(Fe)인 경우는 제외된다.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1음극 활물질층이 탄소계 음극활물질; 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 이차전지.
  22. 제21항에 있어서, 상기 탄소계 음극활물질은 비정질 탄소(amorphous carbon) 및 결정질 탄소(crystalline carbon) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하며,
    상기 금속 또는 준금속 음극활물질이 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 이차전지.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 이차전지는 음극 집전체를 더 포함하며,
    상기 음극집전체와 상기 제1 음극 활물질층 사이 및 고체전해질층과 제1음극 활물질층 사이 중 하나 이상에 배치된 제2 음극활물질층을 더 포함하고,
    상기 제2 음극활물질층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층인, 이차전지.
  24. 제20항에 있어서, 상기 제3음극 활물질층이 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층인 이차전지.
  25. 니켈 전구체, 리튬 전구체, 인 전구체 및 M 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 단계; 및
    상기 전구체 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전극 활물질의 제조방법.
    <화학식 1>
    Lix(Ni1-yMy)z(P2O7)4
    화학식 1 중, 5≤x≤7, 0.2≤y<1, 4≤z≤6,
    M은 3족 내지 11족 원소 중에서 선택된 원소, 또는 그 조합이며, 단, 철(Fe)은 제외된다.
  26. 제25항에 있어서, 상기 열처리가 500℃ 내지 1000℃에서 실시되는 전극 활물질의 제조방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 혼합이 기계적 밀링으로 실시되는 전극 활물질의 제조방법.
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