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KR101409837B1 - Poly-dopamine assisted surface coating methode of cathode powder for lithium rechargeable batteries - Google Patents

Poly-dopamine assisted surface coating methode of cathode powder for lithium rechargeable batteries Download PDF

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KR101409837B1
KR101409837B1 KR1020120154712A KR20120154712A KR101409837B1 KR 101409837 B1 KR101409837 B1 KR 101409837B1 KR 1020120154712 A KR1020120154712 A KR 1020120154712A KR 20120154712 A KR20120154712 A KR 20120154712A KR 101409837 B1 KR101409837 B1 KR 101409837B1
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박용준
이혜진
정은혜
김창수
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한국전자통신연구원
경기대학교 산학협력단
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Abstract

리튬 이차전지용 나노입자 또는 불균일한 형태의 양극 활물질 분말을 안정적인 물질로 코팅 처리하여, 전기화학적 특성, 열적 안정성 등을 향상시키는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법이 개시된다. 본 발명은 (a) 완충용액에 도파민을 용해시키는 단계; (b) 상기 도파민이 용해된 완충용액에 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 양극 활물질 표면에 폴리도파민 박막을 형성하는 단계; (c) 금속원소를 함유한 코팅 전구물질이 포함된 코팅용액에 상기 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 폴리도파민 박막을 매개로 상기 코팅 전구물질의 이온기 또는 수화물을 상기 양극 활물질 표면에 부착시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 반응물을 열처리하여 상기 폴리도파민 박막은 제거시키고, 상기 양극 활물질 표면에 상기 금속원소를 함유한 화합물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.Disclosed is a method for surface modification of a cathode active material for a lithium secondary battery, which comprises coating a nano particle for a lithium secondary battery or a cathode active material powder having an irregular shape with a stable material to improve electrochemical characteristics, thermal stability and the like. (A) dissolving dopamine in a buffer solution; (b) adding a positive electrode active material to the buffer solution in which the dopamine is dissolved and reacting to form a poly dopamine thin film on the surface of the positive electrode active material; (c) adding a cathode active material having the polypodamine thin film formed thereon to a coating solution containing a coating precursor material containing a metal element, and reacting the ionic group or hydrate of the coating precursor with the cathode active material To the surface; And (d) heat treating the reactant in the step (c) to remove the polypodamine thin film and form a coating layer containing a compound containing the metal element on the surface of the cathode active material. A method for surface modification of an active material is provided.

Description

폴리도파민을 이용한 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법{POLY-DOPAMINE ASSISTED SURFACE COATING METHODE OF CATHODE POWDER FOR LITHIUM RECHARGEABLE BATTERIES}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for surface modification of a cathode active material for lithium secondary batteries using polydodamine. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 > [0002]

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기화학적 특성, 열적 안정성 등의 향상을 위한 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method for improving a surface of a cathode active material for a lithium secondary battery for improving electrochemical characteristics, thermal stability and the like.

본 발명은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 나노기반 정보·에너지 사업본부-신기술융합형 성장동력사업의 지원을 받아 수행된 연구로부터 도출된 것이다.The present invention is derived from the research carried out with the support of the Nano-based Information & Energy Business Division-New Technology Fusion Growth Power Project, funded by the government (Ministry of Education, Science and Technology)

[과제고유번호: 2012K001263, 연구과제명: 리튬리치계 고용량 양극소재 개발][Assignment number: 2012K001263, Research title: Lithium-rich high-capacity anode material development]

1992년 일본 소니(Sony)사에 의해 상용화된 리튬 이차전지는 이후 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터와 같은 개인용 전자기기의 핵심 부품으로 자리매김하며 급속한 성장을 이루어 왔다. 최근에는 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in hybrid electric vehicle; PHEV), 전기자동차(electric vehicle; EV) 등에 사용되기 위한 자동차용 이차전지, 스마트그리드(smart grid) 실현을 위한 전력저장용 이차전지 등 새롭게 창출되는 수요처에 적합한 이차전지의 상용화를 위해 많은 연구가 진행되고 있다.Lithium rechargeable batteries, commercialized by Sony in 1992, have rapidly grown to become a core component of personal electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook computers. BACKGROUND ART In recent years, automotive rechargeable batteries for use in hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), electric vehicles (EV) a smart grid, and the like, have been researched for commercialization of a secondary battery suitable for a newly created customer.

이차전지의 핵심 물질 중 하나인 양극 물질은 리튬 이차전지의 용량과 사이클 특성과 같은 핵심 성능을 좌우하는 중요한 구성요소이다. 그 동안 양극 물질의 전기화학적 특성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔는데, 표면개질법은 그 효용성을 인정받아 상업화에 적용되고 있는 사례 중 하나이다. The cathode material, which is one of the core materials of the secondary battery, is an important component that determines the core performance such as the capacity and cycle characteristics of the lithium secondary battery. Various researches have been carried out to improve the electrochemical properties of the cathode material. The surface modification method is one of the examples of commercialization since its utility is recognized.

리튬 이차전지의 사이클 특성, 고율 특성, 열적 안정성 등을 열화시키는 중요한 요인은 전극계면과 전해질과의 반응이다. 전해질은 수분과 반응하여 산성 이온을 형성하고 이것이 양극 활물질의 표면과 반응하여 전이금속을 용출시키고 원하지 않는 계면층을 형성하여 전기화학적 특성의 열화를 가져온다. 이를 막기 위해 안정성이 높은 Al2O3, ZrO2, La2O3 등의 산화물, AlPO4, LiCoPO4 등의 인산화물, AlF3, LaF3 등의 불화물과 같은 나노입자를 양극 표면에 코팅 처리하여 표면을 개질함으로써 양극/전해질 간의 직접적인 접촉을 막고 계면에서의 불필요한 반응을 줄이며, 전이금속의 용출을 감소시키는 효과를 나타낼 수 있다. 이를 통해 계면저항 감소, 사이클 특성, 고율 특성 및 열적 안정성의 향상을 가져올 수 있는 것으로 보고되고 있다(H. J. Lee 외, J. Power Sources, vol.195, p6122, 2010; J. Liu 외, J. Electrochem. Soc., vol.156, A66, 2009; S. T. Myung 외, Chem. Mater., vol.17, p3695, 2005; G. T. K. Fey 외, J. Power Sources, vol.146, p65; S. H. Kang 외, Electrochem. Commun. vol.11, p748, 2009; J. Cho 외, Angew. Chem. Int. Ed., vol.42, p1618, 2003; J. M. Zheng 외, Electrochemical. Soc., vol.155, A775; 2008; S. H. Yun 외, J. Power Sources, vol.195, p6108, 2010).An important factor that deteriorates the cycle characteristics, high rate characteristics, and thermal stability of the lithium secondary battery is the reaction between the electrode interface and the electrolyte. The electrolyte reacts with moisture to form acid ions, which react with the surface of the cathode active material to elute the transition metal and form an undesired interface layer, resulting in deterioration of electrochemical characteristics. Such as Al 2 O 3, ZrO 2, La 2 O 3 with high stability in order to prevent this, oxide, AlPO 4, coated nanoparticles, such as a fluoride of phosphate, such as LiCoPO 4, such as AlF 3, LaF 3 in the positive electrode surface Thereby improving the effect of preventing the direct contact between the anode and the electrolyte, reducing the unnecessary reaction at the interface, and reducing the elution of the transition metal. (HJ Lee et al., J. Power Sources, vol.195, p6122, 2010; J. Liu et al., J. Electrochem. , Vol.156, A66, 2009; ST Myung et al., Mater., Vol.17, p3695, 2005; GTK Fey et al., J. Power Sources, vol.146, p65; SH Kang et al., Electrochem. JM Zheng et al., Electrochemical. Soc., Vol.155, A775, 2008, SH, Vol. 42, p. Yun et al., J. Power Sources, vol.195, p6108, 2010).

이러한 코팅을 통한 표면개질법은 효율적인 양극 특성 향상 방법이나, 코팅 조건 등을 세밀히 조절할 필요가 있다. 표면의 코팅이 불균일하게 되거나 너무 두껍게 형성될 경우, 코팅물질 자체가 리튬이온 및 전자 움직임을 방해하는 요소로 작용하므로 두께와 코팅 향상에 대한 정밀한 제어가 필요하다. 지금까지는 주로 코팅물질을 용액에 녹인 상태에서 양극 활물질과의 혼합, 건조 및 열처리 과정을 거쳐 표면 코팅층을 형성해 왔다. 최근에는 액상을 사용하지 않고 기계적인 밀링(milling) 방식과 열처리 과정을 통해 표면 코팅층을 형성하는 방법도 사용되고 있다. 그러나, 종래 개시된 방식들은 수 마이크로미터 이상의 입자 크기를 가진 양극 물질에 적용될 수 있는 방법으로, 양극 분말의 크기가 나노입자로 감소할 경우에는 적용시키기 매우 어렵다.The surface modification method through such a coating needs to control the method of efficiently improving the characteristics of the anode, and the coating conditions. If the coating on the surface is non-uniform or too thick, the coating material itself acts as an element that interferes with lithium ion and electron movement, and precise control over thickness and coating improvement is needed. Until now, the surface coating layer has been formed by mixing the coating material with the cathode active material in the state of dissolving the coating material in the solution, drying and heat-treating. Recently, a method of forming a surface coating layer by a mechanical milling method and a heat treatment process without using a liquid phase has been used. However, the conventional methods can be applied to a cathode material having a particle size of several micrometers or more, and it is very difficult to apply when the size of the cathode powder is reduced to nanoparticles.

지금까지도 나노입자 크기의 양극 물질을 도입하여 고율 특성 등을 향상시키려는 노력은 꾸준히 진행되어 왔다. 나노입자 크기의 양극 물질은 리튬 및 전자가 이동해 갈 거리가 짧고 전해질과의 접촉 면적이 넓기 때문에 빠른 속도로 리튬 이온과 반응할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 넓은 접촉 면적은 그 만큼 넓은 전해질과의 반응 면적을 의미하고 이를 통해 전이금속의 용출과 전해질과의 원치 않는 계면반응이 활성화되어 사이클 특성 등의 열화를 가져오는 것이 문제였다.Up to now, efforts have been made to improve the high-rate characteristics by introducing a nanoparticle-sized cathode material. The nanoparticle size anode material has the advantage that it can react with lithium ion at a high speed because the distance of lithium and electrons to travel is short and the contact area with the electrolyte is wide. However, the wide contact area means the area of reaction with the electrolyte to such an extent that the elution of the transition metal and the unwanted interfacial reaction with the electrolyte are activated, resulting in deterioration of cycle characteristics and the like.

이를 해결하기 위한 방안으로 표면코팅법은 매우 효율적일 수 있다. 그러나, 나노입자의 표면을 균일하게 산화물 등으로 코팅하는 것은 매우 어렵다. 코팅될 산화물 등의 입자 크기와 양극 활물질의 입자 크기가 많이 차이가 나지 않으므로 불균일한 코팅이 되기 쉬우며, 또한 나노르드(nanorod), 나노화이버(nanofiber) 등과 같이 1차원적인 형상을 가진 경우에는 표면 에너지(surface energy)의 불균형으로 인해 균일한 코팅이 매우 어렵다. 따라서, 아직까지 나노입자 양극 물질의 코팅을 통한 표면개질은 거의 시도되지 못하고 있는 실정이다.As a solution to this problem, the surface coating method can be very effective. However, it is very difficult to uniformly coat the surface of the nanoparticles with an oxide or the like. Since the particle size of the oxide to be coated and the particle size of the cathode active material do not differ much, uneven coating tends to occur. In addition, in the case of a one-dimensional shape such as a nanorod or a nanofiber, Uniform coatings are very difficult due to the imbalance of surface energy. Therefore, the surface modification through the coating of the nanoparticle anode material has hardly been attempted yet.

본 발명은 리튬 이차전지용 나노입자 또는 불균일한 형태의 양극 활물질 분말을 안정적인 물질로 코팅 처리하여, 전기화학적 특성, 열적 안정성 등을 향상시키고자 한다.The present invention aims to improve the electrochemical characteristics, thermal stability, and the like by coating a nano particle for a lithium secondary battery or a non-uniform active material powder with a stable material.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, (a) 완충용액에 도파민을 용해시키는 단계; (b) 상기 도파민이 용해된 완충용액에 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 양극 활물질 표면에 폴리도파민 박막을 형성하는 단계; (c) 금속원소를 함유한 코팅 전구물질이 포함된 코팅용액에 상기 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 폴리도파민 박막을 매개로 상기 코팅 전구물질의 이온기 또는 수화물을 상기 양극 활물질 표면에 부착시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 반응물을 열처리하여 상기 폴리도파민 박막은 제거시키고, 상기 양극 활물질 표면에 상기 금속원소를 함유한 화합물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.As a means for solving the above-mentioned technical problems, the present invention provides a method for preparing a compound of formula (I), comprising: (a) dissolving dopamine in a buffer solution; (b) adding a positive electrode active material to the buffer solution in which the dopamine is dissolved and reacting to form a poly dopamine thin film on the surface of the positive electrode active material; (c) adding a cathode active material having the polypodamine thin film formed thereon to a coating solution containing a coating precursor material containing a metal element, and reacting the ionic group or hydrate of the coating precursor with the cathode active material To the surface; And (d) heat treating the reactant in the step (c) to remove the polypodamine thin film and form a coating layer containing a compound containing the metal element on the surface of the cathode active material. A method for surface modification of an active material is provided.

또한, 상기 양극 활물질은 크기(평균 직경 기준)가 50~1000㎚인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.Also, the cathode active material has a size (based on an average diameter) of 50 to 1000 nm. The present invention also provides a method for surface modification of a cathode active material for a lithium secondary battery.

또한, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1 내지 14로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.Also, the cathode active material is any one selected from the group consisting of compounds represented by the following Chemical Formulas 1 to 14:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMn1 - yMyA2 Li x Mn 1 - y M y A 2

[화학식 2](2)

LixMn1 - yMyO2 - zBz Li x Mn 1 - y M y O 2 - z B z

[화학식 3](3)

LixMn2O4 - zBz Li x Mn 2 O 4 - z B z

[화학식 4][Chemical Formula 4]

LixMn2 - yMyA4 Li x Mn 2 - y M y A 4

[화학식 5][Chemical Formula 5]

LixMn1 -y- zNiyMzAa Li x Mn 1- y- z Ni y M z a a

[화학식 6][Chemical Formula 6]

LixMn1 -y- zNiyMzO2 - aBa Li x Mn 1 - y - z Ni y M z O 2 - a B a

[화학식 7](7)

LixCo1 - yMyA2 Li x Co 1 - y M y A 2

[화학식 8][Chemical Formula 8]

LixCoO2 - zBz Li x CoO 2 - z B z

[화학식 9][Chemical Formula 9]

LixNi1 - yMyA2 Li x Ni 1 - y M y A 2

[화학식 10][Chemical formula 10]

LixNi1 - yMyO2 - zBz Li x Ni 1 - y M y O 2 - z B z

[화학식 11](11)

LixNi1 -y- zCoyMzAa Li x Ni 1- y z Co y M z a a

[화학식 12][Chemical Formula 12]

LixNi1 -y- zCoyMzO2 - aBa Li x Ni 1 - y - z Co y M z O 2 - a B a

[화학식 13][Chemical Formula 13]

LixNi1 -y- zMnyMzAa Li x Ni 1- y- z Mn y M z a a

[화학식 14][Chemical Formula 14]

LixNi1 -y- zMnyMzO2 - aBa Li x Ni 1- y- z Mn y M z O 2 - a B a

(상기 화학식에서 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤a≤2이고, M은 Li, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Ni, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, B는 F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn (where 0 & Wherein A is any one selected from the group consisting of O, F, S, and P, and is selected from the group consisting of V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Ni, And B is any one selected from the group consisting of F, S and P.)

또한, 상기 (b) 단계의 반응은 1~100분간 수행되어 상기 폴리도파민 박막이 1~100㎚ 두께로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.Also, the reaction of step (b) is performed for 1 to 100 minutes so that the poly-dopamine thin film is formed to a thickness of 1 to 100 nm. The present invention also provides a method for surface modification of a cathode active material for a lithium secondary battery.

또한, 상기 금속원소는 Li, Na, K, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Ce, Cr, In, La, Nd, V, Y, Ge, Si, Sn, Nb, Ti, Zr, Sb, Ta, Mo, Re 및 W로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 금속원소를 함유한 화합물은 금속산화물, 금속인산화물 및 금속불화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.The metal element may be at least one element selected from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Wherein the metal element is at least one selected from the group consisting of Nd, V, Y, Ge, Si, Sn, Nb, Ti, Zr, Sb, Ta, Wherein the positive electrode active material is any one selected from the group consisting of phosphorus compounds and metal fluorides.

또한, 상기 (c) 단계의 반응은 30~70℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for modifying the surface of a cathode active material for a lithium secondary battery, wherein the reaction of step (c) is performed at 30 to 70 ° C.

또한, 상기 (d) 단계의 열처리는 200~700℃에서 1~10시간 수행되어 상기 코팅층이 1~100㎚ 두께로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 제공한다.Also, the heat treatment in the step (d) may be performed at 200 to 700 ° C for 1 to 10 hours to form the coating layer with a thickness of 1 to 100 nm. The present invention also provides a method for surface modification of a cathode active material for a lithium secondary battery.

본 발명에 따르면, 폴리도파민의 특성을 이용하여 양극 활물질 표면에 폴리도파민 예비 코팅막을 형성하고 이를 이용하여 균일한 무기물의 표면 코팅층을 형성시킬 수 있어 구형을 포함한 다양한 형상의 양극 활물질을 코팅하는데 매우 효과적이다.According to the present invention, it is possible to form a polydodamine preliminary coating layer on the surface of a cathode active material using the properties of polydodamine and form a surface coating layer of a uniform inorganic material by using the preliminary coating layer, thereby being very effective in coating various shapes of cathode active materials including spherical to be.

또한, 불균일한 표면 에너지와 작은 입자 크기로 인해 코팅이 불가능했던 나노입자 크기의 양극 활물질의 표면을 코팅을 통해 개질할 수 있도록 하여 전기화학적 특성의 향상과 높은 열적 안정성이 확보된 양극 활물질을 제공할 수 있다.Also, it is possible to provide a positive electrode active material having improved electrochemical characteristics and high thermal stability by allowing the surface of a positive electrode active material having a nanoparticle size that can not be coated due to uneven surface energy and small particle size to be modified through coating .

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 설명하는 모식도,
도 2는 본 발명의 실시예에서 표면코팅 전의 양극 활물질(a, b) 및 폴리도파민 박막 형성을 이용한 표면코팅 후의 양극 활물질(c, d, e)의 표면 TEM 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리도파민 박막을 이용한 표면코팅 후의 양극 활물질의 TEM-EDS 분석결과를 나타낸 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에서 표면코팅 전의 양극 활물질 및 폴리도파민 박막 형성을 이용한 표면코팅 후의 양극 활물질의 충방전 사이클 특성을 비교한 그래프.
1 is a schematic view for explaining a surface modification method of a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention,
Fig. 2 is a TEM photograph of the surface of the cathode active material (c, d, e) after surface coating using the cathode active material (a, b) and the polydodamine thin film formation before surface coating in the embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a photograph showing TEM-EDS analysis results of a cathode active material after surface coating using a polydopamine thin film according to an embodiment of the present invention,
4 is a graph comparing charge / discharge cycle characteristics of a cathode active material after surface coating using a cathode active material before surface coating and a polydodamine thin film formation in an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Throughout the specification, when an element is referred to as "including " an element, it means that it can include other elements, not excluding other elements, unless specifically stated otherwise.

종래에도 양극 물질을 코팅하는 방법은 알려져 왔으나, 대부분 수 마이크로미터 이상 크기의 분말 표면을 개질하는 방법으로서, 나노입자 크기 또는 구형이 아닌 불균일한 형태의 양극 활물질을 균일하게 코팅하는 효과적인 표면개질 방법은 제시되지 않았다.Conventionally, a method of coating a cathode material has been known. However, an effective surface modification method for uniformly coating a non-uniform cathode active material having a nanoparticle size or a non-spherical shape as a method of modifying a powder surface having a size of several micrometers or more It was not presented.

본 발명에서는 나노입자 크기의 양극 활물질과 코팅물질을 복합화시키는데 있어 기존에 사용되던 방법과는 달리 코팅물질과 나노입자 표면의 균일하고 용이한 접합을 위해 도파민의 자발적인 폴리머화(polymerization) 과정을 이용한 폴리도파민 층을 이용한다.In the present invention, unlike a conventional method of combining a nanoparticle-sized cathode active material and a coating material, in order to uniformly and easily bond the surface of a nanoparticle with a coating material, a poly Dopamine layer is used.

폴리도파민은 홍합(mussel)이 바위와 같이 이물질이 많고 불규칙한 곳에 쉽게 부착할 수 있는 특성을 연구하는 과정에서 밝혀진 물질이다. 홍합이 어떤 곳(습기가 많거나 불균일한 형상 등에 관계 없이)에도 쉽게 단단히 부착할 수 있는 원인은 홍합에서 나오는 유기물(4-dihydroxy-L-phenylalanine(DOPA), Mytilus edulis foot protein 5(Mefp-5)에 함유된 lysine peptides)로 인한 것으로, 도파민의 폴리머화 과정과 유사한 것으로 알려져 있다(H. Lee 외, Nature, vol.448, p338, 2007; H. Lee 외, Science, vol.318, p426, 2007; S. M. Kang 외, Angew. Chem. Int. Ed., vol.49, p9401, 2010; J. Ryu 외, Adv. Funct. Mater., vol.20, p2132, 2010). 친환경적이고 쉽게 구할 수 있는 유기물인 도파민은 pH 8.5 정도의 완충용액(buffer solution) 하에서 자발적인 폴리머화를 이루고 이 과정을 통해 형성된 폴리도파민은 반응성이 매우 강하여 그 표면에 새로운 결합을 쉽게 만들어 줄 수 있다.Polydodamine is a substance found in the process of studying the property of mussel which can easily attach to irregular places such as rocks. The reason why mussels can be easily and firmly adhered to any place (irrespective of moisture or uneven shape) is that the organic substances (4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA), Mytilus lysine peptides contained in edulis foot protein 5 (Mefp-5), and is known to be similar to the polymerisation process of dopamine (H. Lee et al., Nature, vol.448, p338, 2007; Vol.38, p426, 2007; SM Kang et al., Angew. Chem. Int. Ed., Vol.49, p9401, 2010; J. Ryu et al., Adv. Funct. ). Dopamine, which is an environmentally friendly and easily obtainable organic substance, spontaneously polymerizes under a buffer solution of pH 8.5 and polydopamine formed through this process is very reactive and can easily form a new bond on its surface.

본 발명에서는 이와 같은 폴리도파민의 특성으로부터 나노입자 양극 물질의 표면에 폴리도파민 예비 코팅막을 형성하고 이를 이용하여 균일한 무기물의 표면 코팅층을 형성시킴으로써 우수한 특성의 리튬 이차전지용 양극 활물질을 개발하는데 활용하고자 한다.In the present invention, a polypodamine pre-coating layer is formed on the surface of the nanoparticulate cathode material and a uniform coating layer of an inorganic material is formed by using the pre-coating layer on the surface of the nanoparticle cathode material to develop a cathode active material for a lithium secondary battery .

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 설명하는 모식도이다.1 is a schematic view for explaining a surface modification method of a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법은 (a) 완충용액에 도파민을 용해시키는 단계; (b) 상기 도파민이 용해된 완충용액에 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 양극 활물질 표면에 폴리도파민 박막을 형성하는 단계; (c) 금속원소를 함유한 코팅 전구물질이 포함된 코팅용액에 상기 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 폴리도파민 박막을 매개로 상기 코팅 전구물질의 이온기 또는 수화물을 상기 양극 활물질 표면에 부착시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 반응물을 열처리하여 상기 폴리도파민 박막은 제거시키고, 상기 양극 활물질 표면에 상기 금속원소를 함유한 화합물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.Referring to FIG. 1, the method for surface modification of a cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of: (a) dissolving dopamine in a buffer solution; (b) adding a positive electrode active material to the buffer solution in which the dopamine is dissolved and reacting to form a poly dopamine thin film on the surface of the positive electrode active material; (c) adding a cathode active material having the polypodamine thin film formed thereon to a coating solution containing a coating precursor material containing a metal element, and reacting the ionic group or hydrate of the coating precursor with the cathode active material To the surface; And (d) heat treating the reactant in the step (c) to remove the polypodamine thin film, and forming a coating layer containing a compound containing the metal element on the surface of the cathode active material.

본 발명은 분말 형태의 양극 활물질을 도파민이 용해되어 있는 완충용액에서 반응시켜 양극 활물질의 표면에 폴리도파민의 얇은 막이 형성되도록 하고, 이후 코팅물질의 소스(source)가 될 수 있는 코팅 전구물질이 용액(solution) 또는 콜로이드(colloid) 형태로 형성되어 있는 액체에서 반응시켜 반응성이 높은 폴리도파민과 반응을 유도한 후 열처리를 통해 양극 활물질과 코팅물질과의 복합화를 이루도록 한다. 열처리 과정에서 도파민을 제거되고 미세하게 양극 활물질 표면에 부차되어 있는 코팅물질만이 남게 된다. 이때, 유기물인 도파민은 공기중에서 400℃ 정도의 온도로 열처리하면 모두 제거된다.In the present invention, a cathode active material in the form of powder is reacted in a buffer solution in which dopamine is dissolved to form a thin film of polypodamine on the surface of the cathode active material. Then, a coating precursor material, which can be a source of the coating material, and then reacted with a liquid formed in a solution or colloid form to induce a reaction with polydopamine having high reactivity, followed by heat treatment to form a composite of the cathode active material and the coating material. In the heat treatment process, dopamine is removed and only the coating material that remains on the surface of the cathode active material remains. At this time, the organic dopamine is removed by heat treatment at a temperature of about 400 ° C in the air.

따라서, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법을 이용하게 되면 기존에 코팅하기 어려웠던 나노입자 크기의 양극 산화물 분말도 손쉽게 코팅처리 할 수 있다. 폴리도파민은 도파민이 용해되어 있는 완충용액에서 자발적인 폴리머화 반응을 거쳐 형성되기 때문에 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께로 매우 얇게 양극 활물질 표면에 형성시킬 수 있으며, 이것은 코팅물질의 소스가 되는 금속이온 또는 금속이온 수화물들과 쉽게 반응하는 효율적인 접착제와 같은 역할을 한다. 따라서, 미세한 크기의 양극 활성물질이나 불균일한 표면 에너지로 인해 코팅하기 어려웠던 1차원 구조의 나노로드, 나노화이버 등 나노입자도 효과적으로 코팅할 수 있게 되며, 안정적인 코팅막으로 표면개질된 나노입자 크기의 양극 활물질은 보다 높은 열적 안정성과 향상된 전기화학적 특성을 보일 수 있다.Therefore, by using the surface modification method of the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, anodic oxide powder having a nanoparticle size, which has been difficult to coat, can be easily coated. Polydodamine can be formed on the surface of the cathode active material to a very thin thickness of several nanometers to several tens of nanometers because it is formed by spontaneous polymerization reaction in a buffer solution in which dopamine is dissolved. It acts as an efficient adhesive that reacts easily with metal ion hydrates. Therefore, it is possible to effectively coat nanoparticles such as nanorods and nanofibers having a one-dimensional structure, which were difficult to coat due to a small size of cathode active material or uneven surface energy, and to provide a nanoparticle-sized cathode active material Can exhibit higher thermal stability and improved electrochemical properties.

본 발명에서 상기 (a) 단계는 도파민 용액을 준비하는 단계로, pH 8~9 정도의 완충용액과 메탄올, 에탄올 등의 알코올을 대략 1:0.5~1:1.5의 몰비율로 혼합한 후 도파민을 약 5~15mM의 농도로 첨가하고 완전히 교반시켜 수행될 수 있다.In the step (a) of the present invention, the buffer solution having a pH of about 8 to 9 and the alcohol such as methanol or ethanol are mixed at a molar ratio of about 1: 0.5 to 1: 1.5, At a concentration of about 5 to 15 mM, and thoroughly stirring.

본 발명에서 상기 (b) 단계는 양극 활물질 표면에 폴리도파민 박막을 형성시키는 단계로, 상기 도파민이 용해된 완충용액에 양극 활물질을 반응시킴으로써 수행된다.In the present invention, the step (b) is a step of forming a poly dopamine thin film on the surface of the cathode active material, and is performed by reacting the cathode active material with the buffer solution in which the dopamine is dissolved.

상기 양극 활물질은 현재 리튬 이차전지에 사용될 수 있는 모든 종류의 양극 활물질이 적용될 수 있으며, 크기가 나노입자 수준, 예컨대, 평균 직경 기준으로 50~500㎚의 양극 활물질에 특히 효과적으로 적용될 수 있는 것이나, 크기가 큰 양극 활물질의 경우에는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 더욱 손쉽게 코팅되도록 할 수 있다. 또한, 양극 활물질의 크기와 형상에 관계 없이 표면 코팅층을 손쉽게 형성시킬 수 있는 것이 본 발명의 장점 중 하나이다.The cathode active material can be applied to all kinds of cathode active materials that can be used in lithium secondary batteries at present and can be effectively applied to a cathode active material having a size of nanoparticles of 50 to 500 nm on the basis of an average diameter, Can be more easily coated using the method according to the present invention in the case of a large cathode active material. Also, it is an advantage of the present invention that the surface coating layer can be easily formed regardless of the size and shape of the cathode active material.

상기 양극 활물질로 예를 들면, 하기 화학식 1 내지 14로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The positive electrode active material may be any one selected from the group consisting of compounds represented by the following general formulas (1) to (14).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMn1 - yMyA2 Li x Mn 1 - y M y A 2

[화학식 2](2)

LixMn1 - yMyO2 - zBz Li x Mn 1 - y M y O 2 - z B z

[화학식 3](3)

LixMn2O4 - zBz Li x Mn 2 O 4 - z B z

[화학식 4][Chemical Formula 4]

LixMn2 - yMyA4 Li x Mn 2 - y M y A 4

[화학식 5][Chemical Formula 5]

LixMn1 -y- zNiyMzAa Li x Mn 1- y- z Ni y M z a a

[화학식 6][Chemical Formula 6]

LixMn1 -y- zNiyMzO2 - aBa Li x Mn 1 - y - z Ni y M z O 2 - a B a

[화학식 7](7)

LixCo1 - yMyA2 Li x Co 1 - y M y A 2

[화학식 8][Chemical Formula 8]

LixCoO2 - zBz Li x CoO 2 - z B z

[화학식 9][Chemical Formula 9]

LixNi1 - yMyA2 Li x Ni 1 - y M y A 2

[화학식 10][Chemical formula 10]

LixNi1 - yMyO2 - zBz Li x Ni 1 - y M y O 2 - z B z

[화학식 11](11)

LixNi1 -y- zCoyMzAa Li x Ni 1- y z Co y M z a a

[화학식 12][Chemical Formula 12]

LixNi1 -y- zCoyMzO2 - aBa Li x Ni 1 - y - z Co y M z O 2 - a B a

[화학식 13][Chemical Formula 13]

LixNi1 -y- zMnyMzAa Li x Ni 1- y- z Mn y M z a a

[화학식 14][Chemical Formula 14]

LixNi1 -y- zMnyMzO2 - aBa Li x Ni 1- y- z Mn y M z O 2 - a B a

(상기 화학식에서 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤a≤2이고, M은 Li, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Ni, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, B는 F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn (where 0 & Wherein A is any one selected from the group consisting of O, F, S, and P, and is selected from the group consisting of V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Ni, And B is any one selected from the group consisting of F, S and P.)

상기 양극 활물질은 졸-겔법(sol-gel method)을 응용한 단순 연소법(simple combustion method)을 통해 분말 형태로 제조될 수 있다. 예컨대, 금속수화물 전구체를 기본 물질로 하여 아세트산과 증류수를 이용하여 용액을 형성하고 이를 가열하여 겔(gel) 상태로 만든 후 열처리하여 분말 형태의 양극 활물질을 제조할 수 있다.The cathode active material may be prepared in powder form through a simple combustion method using a sol-gel method. For example, a metal hydrate precursor may be used as a base material to form a solution using acetic acid and distilled water, and the solution may be heated to a gel state and then heat-treated to produce a powdery cathode active material.

상기 도파민이 용해된 용액에서의 양극 활물질의 반응은 상온에서 수 분 내지 수백 분 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 1~100분, 더욱 바람직하게는 5~50분 동안 수행될 수 있다. 반응 시간과 반응 과정에서의 온도에 따라 폴리도파민 예비 코팅층 두께가 결정되는데, 두께가 너무 두꺼우면 열처리 과정에서 충분히 제거되지 않고 폴리도파민층이 남아 있을 수 있으나, 두께가 지나치게 얇으면 충분한 촉매의 부착력을 제공하지 못할 수 있으므로, 양극 활물질의 종류, 크기, 형상에 따라 반응 시간을 조절할 필요가 있다. 반응이 종료되면 양극 활물질의 표면에는 폴리도파민 예비 코팅층이 박막 형태로 형성되고 이는 코팅물질의 소스와의 반응을 촉진시키는 접착제와 같은 역할을 하게 된다. 이러한 폴리도파민 예비 코팅층 두께는 10~1000㎚로 형성시키는 것이 바람직하고, 10~100㎚로 형성시키는 것이 더욱 바람직하다. 상기 양극 활물질을 반응시킨 후 증류수, 에탄올 등을 이용하여 여러 차례 워싱 후 80~100℃ 온도에서 5~50시간 정도 건조시킬 수 있다.The reaction of the cathode active material in the solution in which the dopamine is dissolved can be carried out at room temperature for several minutes to several hundreds of minutes, preferably for 1 to 100 minutes, more preferably for 5 to 50 minutes. The thickness of the pre-coated layer of polypodamine is determined according to the reaction time and the temperature during the reaction. If the thickness is too thick, the polypodamine layer may not be sufficiently removed during the heat treatment, but if the thickness is too thin, It is necessary to control the reaction time depending on the type, size, and shape of the cathode active material. At the end of the reaction, a polydodamine precoat layer is formed on the surface of the cathode active material in the form of a thin film, which acts as an adhesive promoting the reaction of the coating material with the source. The thickness of the pre-coating layer of polypodamine is preferably 10 to 1000 nm, more preferably 10 to 100 nm. After reacting the cathode active material, it may be dried several times using distilled water, ethanol, etc., and then dried at a temperature of 80 to 100 ° C. for 5 to 50 hours.

본 발명에서 상기 (c) 단계는 코팅물질의 소스, 즉, 코팅 전구물질을 폴리도파믹 박막이 형성된 양극 활물질 표면에 부착시키는 단계로, 별도 준비된 금속원소를 함유한 코팅 전구물질이 포함된 코팅용액에 앞서 제조된 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질을 반응시킴으로써 수행된다.In the present invention, the step (c) is a step of adhering a source of a coating material, that is, a coating precursor to a surface of a cathode active material on which a polyphenolic thin film is formed, Is performed by reacting the prepared cathode active material with the prepared polypodamine thin film.

상기 코팅물질로 사용될 수 있는 것은 기존에 코팅물질로 제시되어 있는 Al2O3, ZrO2, La2O3 등의 산화물, AlPO4, LiCoPO4 등의 인산화물, AlF3, LaF3 등의 불화물 등이 모두 가능하다. 이러한 물질들의 용액 상태 또는 용액에 콜로이드 형태로 분산된 상태 등 금속원소를 함유한 코팅 전구물질이 포함된 코팅용액에서 폴리도파민이 예비 코팅되어 있는 양극 활물질과 반응을 하게 된다. 반응이 종료되면 코팅 전구물질의 이온기 또는 수화물들이 폴리도파민 박막층을 매개로 하여 양극 활물질 표면에 부착되어 있는 형태가 된다.The thing which can be used as a coating material oxide, such as Al 2 O 3, ZrO 2, La 2 O 3 is present in the coating material to an existing, AlPO 4, phosphate, such as LiCoPO 4, AlF 3, LaF 3, such as a fluoride of And so on. In a coating solution containing a coating precursor containing a metal element such as a solution state of these materials or a colloidally dispersed state in a solution, polydopamine is reacted with a cathode active material precoated with. When the reaction is completed, the ionic groups or hydrates of the precursor of the coating are attached to the surface of the cathode active material via the poly dopamine thin film layer.

이러한 금속원소로 예를 들면, Li, Na, K, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Ce, Cr, In, La, Nd, V, Y, Ge, Si, Sn, Nb, Ti, Zr, Sb, Ta, Mo, Re, W 등을 들 수 있다.As such a metal element, for example, Li, Na, K, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, La, Nd, V, Y, Ge, Si, Sn, Nb, Ti, Zr, Sb, Ta, Mo, Re and W.

상기 코팅용액은 예컨대, 에탄올에 금속원소를 함유한 코팅 전구물질을 약 0.5~5중량% 농도로 첨가하여 용해시킨 후 희석된 암모니아수를 소량 첨가하여 콜로이드 형태의 코팅용액으로 제조될 수 있다.The coating solution may be prepared, for example, by adding a coating precursor containing a metal element to ethanol at a concentration of about 0.5 to 5 wt% to dissolve the coating precursor, and adding a small amount of diluted ammonia water to form a colloidal coating solution.

상기 코팅용액에서의 양극 활물질과의 반응은 30~70℃, 바람직하게는 40~60℃에서 코팅용액내의 에탄올이 모두 증발할 때까지 수행될 수 있다. 상기 반응 온도가 너무 낮을 경우에는 반응 활성이 낮고 반응 시간이 길어질 수 있고, 과도하게 높을 경우에는 이후의 열처리 공정에서 코팅층의 형성이 불균일해질 수 있다. 상기 반응 종료 후 80~100℃ 온도에서 5~50시간 정도 건조시킬 수 있다.The reaction with the cathode active material in the coating solution may be carried out at 30 to 70 ° C, preferably at 40 to 60 ° C until all of the ethanol in the coating solution has evaporated. If the reaction temperature is too low, the reaction activity may be low and the reaction time may be long. If the reaction temperature is too high, the formation of the coating layer may be uneven in a subsequent heat treatment process. After completion of the reaction, the reaction product can be dried at a temperature of 80 to 100 ° C. for 5 to 50 hours.

본 발명에서 상기 (d) 단계는 상기 폴리도파민 박막을 제거하고 양극 활물질 표면에 원하는 코팅물질, 즉 금속원소를 함유한 화합물을 포함하는 코팅층이 미세하게 형성되도록 하는 단계로, 적절한 온도의 열처리를 통해 수행된다.In the step (d) of the present invention, the polypodamine thin film is removed and a coating layer containing a desired coating material, that is, a compound containing a metal element, is finely formed on the surface of the cathode active material. .

상기 열처리는 제거되는 폴리도파민의 물성과 균일한 코팅층 형성을 고려하여 200~700℃ 온도 및 1~10시간 조건으로 수행되는 것이 바람직하고, 300~500℃ 온도 및 2~5시간 조건으로 수행되는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 형성되는 코팅층 두께는 1~100㎚, 바람직하게는 5~30㎚로서 나노입자 크기의 양극 활물질 분말에 적용하더라도 양극 활물질 표면에 코팅물질을 매우 미세하게 분산시킬 수 있게 된다. 상기 열처리로 형성되는 코팅층을 이루는 금속원소를 함유한 화합물은 전술한 다양한 금속원소를 함유한 금속산화물, 금속인산화물, 금속불화물 등의 형태가 된다.
The heat treatment is preferably performed at a temperature of 200 to 700 ° C. and for 1 to 10 hours in consideration of the physical properties of the polydodamine to be removed and the formation of a uniform coating layer, and the annealing is performed at 300 to 500 ° C. for 2 to 5 hours More preferable. At this time, the thickness of the formed coating layer is 1 to 100 nm, preferably 5 to 30 nm, so that the coating material can be very finely dispersed on the surface of the positive electrode active material even when applied to the nanoparticulate active material powder. The compound containing the metal element constituting the coating layer formed by the heat treatment is in the form of a metal oxide, metal oxide, metal fluoride, or the like containing various metal elements described above.

실시예Example

(1) 나노입자 크기의 양극 활물질 제조(1) Production of nanoparticle-sized cathode active material

졸-겔법(sol-gel method)을 응용한 단순 연소법(simple combustion method)을 통해 나노입자(Li[Ni0 .2Li0 .2Mn0 .6]O2)를 분말 형태로 제조하였다. 기본 물질로는 manganese acetate tetrahydrate(Mn(CH3CO2)2·4H2O), nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate(Ni(NO3)2·6H2O), lithium nitrate(LiNO3) 및 lithium acetate dihydrate(CH3CO2Li·2H2O)를 사용하였다. 조성비에 맞추어 기본 물질들과 아세트산(CH3COOH)과 증류수를 이용하여 용액을 만든 후 80~90℃로 가열하여 겔(gel) 상태로 형성시켰다. 이후 가열판(hot plate)에서 400℃ 정도로 열처리하여 격렬한 연소 반응을 일으키면서 재(ash)와 같은 형태의 분말을 형성하였다. 형성된 재 형태의 분말을 분쇄(grinding)시킨 후 500℃에서 4시간 동안 1차 열처리를 하고, 800℃에서 6시간 동안 열처리시킨 후 상온에서 급속 냉각시켜 100~500㎚ 크기의 양극 활물질을 제조하였다.
Nanoparticles (Li [Ni 0 .2 Li 0 .2 Mn 0 .6 ] O 2 ) were prepared in powder form through a simple combustion method using a sol-gel method. A base material is manganese acetate tetrahydrate (Mn (CH 3 CO 2) 2 · 4H 2 O), nickel (Ⅱ) nitrate hexahydrate (Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O), lithium nitrate (LiNO 3) and a lithium acetate dihydrate (CH 3 CO 2 Li · 2H 2 O) was used. The solution was prepared using basic materials, acetic acid (CH 3 COOH) and distilled water according to the composition ratio, and then heated to 80 to 90 ° C to form a gel state. Then, it was heat treated at about 400 ° C in a hot plate to form a powder of the same shape as ash while causing a vigorous combustion reaction. The reformed powders were grinded and then subjected to a primary heat treatment at 500 ° C for 4 hours, followed by a heat treatment at 800 ° C for 6 hours, followed by rapid cooling at room temperature to produce a cathode active material having a size of 100 to 500 nm.

(2) 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질 제조(2) Preparation of cathode active material having polydopamine thin film

먼저, 완충용액(pH 8.5)과 메탄올을 1:1의 몰비율로 혼합하여 혼합물을 만들고, 10mM의 도파민을 용해시켰다. 이후 제조된 양극 활물질을 도파민이 용해된 완충용액과 메탄올의 혼합물에 첨가하여 반응시킴으로써 양극 활물질 표면에 폴리도파민 박막을 형성시켰다. 이때, 반응은 30분간 수행하였고, 반응 종료 후 여러 차례 워싱 후 90℃에서 24시간 정도 건조시켰다.
First, a mixture was prepared by mixing buffer solution (pH 8.5) and methanol at a molar ratio of 1: 1 to dissolve 10 mM of dopamine. Then, the prepared cathode active material was added to a mixture of a buffer solution in which dopamine was dissolved and methanol and reacted to form a poly dopamine thin film on the surface of the cathode active material. At this time, the reaction was carried out for 30 minutes. After completion of the reaction, the reaction was repeated several times, followed by drying at 90 ° C for about 24 hours.

(3) 금속산화물이 코팅된 양극 활물질 제조(3) Production of cathode active material coated with metal oxide

폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질과 코팅물질을 반응시키기 위해 콜로이드 형태로 코팅물질이 용해된 코팅용액을 준비하였다. 코팅용액은 에탄올(99.9%)에 zirconium(Ⅳ) oxynitrate hydrate(N2O7Zr·xH2O)를 1중량%로 첨가한 후 상온에서 1시간 용해시키고 증류수에 희석시킨 암모니아수(100:1)를 1㎖ 넣어 콜로이드 형태로 준비하였다. 이후, ZrO2가 용해된 코팅용액에 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질을 첨가하고 50℃에서 에탄올 용액이 모두 증발할 때까지 반응시킨 후 90℃에서 24시간 건조시켰다. 마지막으로, 반응물을 400℃에서 3시간 동안 열처리하여 폴리도파민 박막을 제거하고 양극 활물질 표면에 ZrO2가 미세하게 분산되어 코팅층을 형성한 나노입자 크기의 양극 활물질(Li[Ni0 .2Li0 .2Mn0 .6]O2)을 제조하였다.
A coating solution in which a coating material is dissolved in a colloidal form is prepared in order to react the coating material with the cathode active material having the polypodamine thin film formed thereon. The coating solution was prepared by adding 1 wt% of zirconium (IV) oxynitrate hydrate (N 2 O 7 Zr xH 2 O) to ethanol (99.9%), dissolving at room temperature for 1 hour, diluting with distilled water, Was prepared in colloidal form. Then, a cathode active material having a thin film of polypodamine was added to the coating solution in which ZrO 2 was dissolved, and the reaction was continued at 50 ° C. until all of the ethanol solution evaporated, followed by drying at 90 ° C. for 24 hours. Finally, the reaction product was heat-treated at 400 ° C for 3 hours to remove the polypodamine thin film, and ZrO 2 was finely dispersed on the surface of the cathode active material to form a coating layer. The nanoparticle-sized cathode active material Li [Ni 0 .2 Li 0 . 2 Mn 0 .6 ] O 2 ).

도 2는 본 발명의 실시예에서 표면코팅 전의 양극 활물질(a, b) 및 폴리도파민 박막 형성을 이용한 표면코팅 후의 양극 활물질(c, d, e)의 표면 TEM 사진이다. 도 2를 참조하면, 코팅층이 형성되지 않은 양극 활물질은 매끈한 표면을 가지고 있는 반면, ZrO2 코팅층이 형성된 양극 활물질의 경우 표면에 수 나노미터 크기의 미세한 입자들이 균일하게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다.2 is a surface TEM photograph of the cathode active material (c, d, e) after surface coating using the cathode active material (a, b) and the polydodamine thin film formation before surface coating in the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, it can be seen that the cathode active material having no coating layer has a smooth surface, while the cathode active material having a ZrO 2 coating layer is uniformly coated with fine particles having a size of several nanometers.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리도파민 박막을 이용한 표면코팅 후의 양극 활물질의 TEM-EDS 분석결과를 나타낸 사진이다. 여기서, 도 3(a)는 TEM-EDS 분석을 위한 표면 TEM 사진으로, 사각형으로 표시된 부분이 분석된 부분이며, 도 3(b) 내지 도 3(d)는 각각 Ni, Mn 및 Zr 성분에 대한 EDS spots을 나타내고 있다. 분석결과 양극 분말을 이루고 있는 조성인 Ni, Mn과 함께 표면 코팅물을 나타내는 Zr이 매우 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.3 is a photograph showing TEM-EDS analysis results of a cathode active material after surface coating using a polydodamine thin film according to an embodiment of the present invention. 3 (a) is a surface TEM photograph for TEM-EDS analysis, in which a quadrangular part is analyzed, and FIGS. 3 (b) to 3 (d) EDS spots. As a result of the analysis, it can be confirmed that Zr, which is a surface coating material, is dispersed very uniformly together with Ni and Mn which constitute the positive electrode powder.

도 2 및 도 3에서 나타내고 있는 양극 활물질의 분말 크기는 약 100~500㎚로서 매우 미세한 나노입자이며, 구형이 아닌 다양한 형상을 가지고 있음에도 불구하고, 폴리도파민 박막이 가진 높은 반응성으로 인해 코팅물질이 균일하고 미세하게 표면에 코팅된 것을 확인할 수 있다.The size of the powder of the cathode active material shown in FIG. 2 and FIG. 3 is about 100 to 500 nm, which is very fine nanoparticles. Although the nanoparticles have various shapes other than spherical shapes, And it can be confirmed that it is finely coated on the surface.

도 4는 본 발명의 실시예에서 표면코팅 전의 양극 활물질 및 폴리도파민 박막 형성을 이용한 표면코팅 후의 양극 활물질의 충방전 사이클 특성을 비교한 그래프이다. 도 4에서 비교를 위해 마이크로미터 크기 수준의 양극 활물질에 대한 결과를 함께 나타내었으며, 초기 2회는 40㎃/g, 그 이후는 100㎃/g의 전류밀도(current density)로 측정하였고, 4.8~2.0V의 전압 범위에서 측정하였다. 또한, 도 4(a)는 30℃에서 측정한 결과를, 도 4(b)는 45℃에서 측정한 결과를 나타내고 있다.FIG. 4 is a graph comparing charge-discharge cycle characteristics of a cathode active material after surface coating using a cathode active material before surface coating and a polydodamine thin film in an embodiment of the present invention. In FIG. 4, the results for the cathode active material of the micrometer size level are shown for comparison. The current density was measured at the initial two times of 40 mA / g and then 100 mA / g, 2.0V. ≪ / RTI > Fig. 4 (a) shows the measurement result at 30 DEG C, and Fig. 4 (b) shows the measurement result at 45 DEG C.

도 4를 참조하면, 마이크로미터 수준으로 입자 크기가 상대적으로 큰 양극 분말에 비해 크기가 작은 양극 분말이 높은 방전용량을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 입자 크기가 감소함에 따라 전자 및 이온이 이동할 거리가 감소하고 전해질과의 접촉면적이 증가하여 리튬 이온의 삽입/탈리가 용이해지기 때문인 것으로 해석될수 있다. 그러나, 입자가 작은 양극 분말은 넓은 전해질과의 접촉면적으로 인해 원하지 않은 부반응(전이금속의 용출과 계면에서 원하지 않은 계면층의 형성)으로 인해 사이클이 진행됨에 따라 방전용량이 상대적으로 많이 감소하는 것을 알 수 있다. 반면, ZrO2 코팅층이 형성된 양극 분말은 나노입자 효과로 인한 용량 증가와 더불어 매우 안정적인 사이클 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 ZrO2 코팅층이 반응성이 강한 전해질로부터 나노입자 크기의 양극 활물질의 표면을 효과적으로 보호하고 있다고 해석할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that a positive electrode powder having a smaller particle size than a positive electrode powder having a relatively large particle size at a micrometer level exhibits a high discharge capacity. This can be interpreted as a decrease in the distance that electrons and ions move as the particle size decreases and the contact area with the electrolyte increases, facilitating insertion / removal of lithium ions. However, the small particle size of the anode powder causes a relatively large reduction in the discharge capacity as the cycle progresses due to undesired side reactions (elution of the transition metal and formation of undesired interface layers at the interface) due to the area of contact with the wide electrolyte Able to know. On the other hand, it can be seen that the positive electrode powder formed with the ZrO 2 coating layer exhibits a very stable cycle characteristic in addition to the capacity increase due to the nanoparticle effect. From this, it can be interpreted that the ZrO 2 coating layer effectively protects the surface of the nanoparticle-sized cathode active material from the electrolyte having high reactivity.

한편, 온도가 높아질 경우에는 전해질과의 부반응이 활발해지기 때문에 용량이 상온에서보다 빠른 속도로 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, 입자 크기가 작고 코팅되지 않은 양극 분말의 경우 40 사이클 정도에서 셀의 기능을 잃는 것을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예에 따라 표면이 코팅된 양극 분말의 경우에는 코팅층의 표면 보호 효과로 인해 상대적으로 매우 안정된 사이클 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
On the other hand, when the temperature is increased, the side reaction with the electrolyte becomes more active, so that the capacity decreases at a higher rate than at room temperature. Particularly, in the case of the positive electrode powder having a small particle size and no coating, it is confirmed that the cell loses its function at about 40 cycles. On the other hand, according to the embodiment of the present invention, it can be seen that the positive electrode powder coated with the surface exhibits a relatively stable cycle characteristic due to the surface protective effect of the coating layer.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. The preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Accordingly, the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the foregoing detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning, range, and equivalence of the claims are included in the scope of the present invention Should be interpreted.

Claims (7)

(a) 완충용액에 도파민을 용해시키는 단계;
(b) 상기 도파민이 용해된 완충용액에 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 양극 활물질 표면에 폴리도파민 박막을 형성하는 단계;
(c) 금속원소를 함유한 코팅 전구물질이 포함된 코팅용액에 상기 폴리도파민 박막이 형성된 양극 활물질을 첨가 및 반응시켜 상기 폴리도파민 박막을 매개로 상기 코팅 전구물질의 이온기 또는 수화물을 상기 양극 활물질 표면에 부착시키는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계의 반응물을 열처리하여 상기 폴리도파민 박막은 제거시키고, 상기 양극 활물질 표면에 상기 금속원소를 함유한 화합물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
(a) dissolving dopamine in a buffer solution;
(b) adding a positive electrode active material to the buffer solution in which the dopamine is dissolved and reacting to form a poly dopamine thin film on the surface of the positive electrode active material;
(c) adding a cathode active material having the polypodamine thin film formed thereon to a coating solution containing a coating precursor material containing a metal element, and reacting the ionic group or hydrate of the coating precursor with the cathode active material To the surface; And
(d) heat treating the reactant in the step (c) to remove the polypodamine thin film, and forming a coating layer containing a compound containing the metal element on the surface of the cathode active material;
Wherein the surface of the positive electrode active material for lithium secondary battery is a surface of the positive electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 크기(평균 직경 기준)가 50~1000㎚인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode active material has a size (based on an average diameter) of 50 to 1000 nm.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 하기 화학식 1 내지 14로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
[화학식 1]
LixMn1 - yMyA2
[화학식 2]
LixMn1 - yMyO2 - zBz
[화학식 3]
LixMn2O4 - zBz
[화학식 4]
LixMn2 - yMyA4
[화학식 5]
LixMn1 -y- zNiyMzAa
[화학식 6]
LixMn1 -y- zNiyMzO2 - aBa
[화학식 7]
LixCo1 - yMyA2
[화학식 8]
LixCoO2 - zBz
[화학식 9]
LixNi1 - yMyA2
[화학식 10]
LixNi1 - yMyO2 - zBz
[화학식 11]
LixNi1 -y- zCoyMzAa
[화학식 12]
LixNi1 -y- zCoyMzO2 - aBa
[화학식 13]
LixNi1 -y- zMnyMzAa
[화학식 14]
LixNi1 -y- zMnyMzO2 - aBa
(상기 화학식에서 0.9≤x≤1.1, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.5, 0≤a≤2이고, M은 Li, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Ni, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, B는 F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)
The method according to claim 1,
Wherein the cathode active material is any one selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (1) to (14).
[Chemical Formula 1]
Li x Mn 1 - y M y A 2
(2)
Li x Mn 1 - y M y O 2 - z B z
(3)
Li x Mn 2 O 4 - z B z
[Chemical Formula 4]
Li x Mn 2 - y M y A 4
[Chemical Formula 5]
Li x Mn 1- y- z Ni y M z a a
[Chemical Formula 6]
Li x Mn 1 - y - z Ni y M z O 2 - a B a
(7)
Li x Co 1 - y M y A 2
[Chemical Formula 8]
Li x CoO 2 - z B z
[Chemical Formula 9]
Li x Ni 1 - y M y A 2
[Chemical formula 10]
Li x Ni 1 - y M y O 2 - z B z
(11)
Li x Ni 1- y z Co y M z a a
[Chemical Formula 12]
Li x Ni 1 - y - z Co y M z O 2 - a B a
[Chemical Formula 13]
Li x Ni 1- y- z Mn y M z a a
[Chemical Formula 14]
Li x Ni 1- y- z Mn y M z O 2 - a B a
Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn (where 0 & Wherein A is any one selected from the group consisting of O, F, S, and P, and is selected from the group consisting of V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Ni, And B is any one selected from the group consisting of F, S and P.)
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계의 반응은 1~100분간 수행되어 상기 폴리도파민 박막이 1~100㎚ 두께로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction of step (b) is performed for 1 to 100 minutes so that the polypodamine thin film is formed to a thickness of 1 to 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 금속원소는 Li, Na, K, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Ce, Cr, In, La, Nd, V, Y, Ge, Si, Sn, Nb, Ti, Zr, Sb, Ta, Mo, Re 및 W로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 금속원소를 함유한 화합물은 금속산화물, 금속인산화물 및 금속불화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal element is selected from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Ce, Cr, In, La, Wherein the compound containing at least one element selected from the group consisting of V, Y, Ge, Si, Sn, Nb, Ti, Zr, Sb, Ta, Mo, Re and W is a metal oxide, And a metal fluoride. The method for surface modification of a cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계의 반응은 30~70℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction of step (c) is carried out at 30 to 70 ° C.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계의 열처리는 200~700℃에서 1~10시간 수행되어 상기 코팅층이 1~100㎚ 두께로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 표면개질 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (d) is performed at 200 to 700 ° C for 1 to 10 hours so that the coating layer is formed to a thickness of 1 to 100 nm.
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