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KR102738147B1 - Positive electrode active material, positive electrode and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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KR102738147B1 KR1020190000621A KR20190000621A KR102738147B1 KR 102738147 B1 KR102738147 B1 KR 102738147B1 KR 1020190000621 A KR1020190000621 A KR 1020190000621A KR 20190000621 A KR20190000621 A KR 20190000621A KR 102738147 B1 KR102738147 B1 KR 102738147B1
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Abstract

본 발명은 전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물을 포함하고, 상기 리튬 복합전이금속 산화물 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되어 있는 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a cathode active material comprising a lithium composite transition metal oxide having a layered structure in which the nickel content among the total transition metals is 80 atm% or more, and a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide, a cathode comprising the same, and a lithium secondary battery.

Description

양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지{POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, POSITIVE ELECTRODE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, POSITIVE ELECTRODE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME

본 발명은 고전압 및/또는 고온 조건에서 연속 충전 특성이 우수한 양극 활물질과, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a cathode active material having excellent continuous charging characteristics under high voltage and/or high temperature conditions, and a cathode and a lithium secondary battery including the same.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among these secondary batteries, lithium secondary batteries, which have high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rate, are commercialized and widely used.

리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 전이금속 복합 산화물이 이용되고 있으며, 이 중에서도 작용전압이 높고 용량 특성이 우수한 LiCoO2 등의 리튬 코발트 복합금속 산화물이 주로 사용되고 있다. 그러나, LiCoO2는 탈리튬에 따른 결정 구조의 불안정화로 열적 특성이 매우 열악하고, 고가이기 때문에 전기 자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용하기에는 한계가 있다. Lithium transition metal composite oxides are used as positive electrode active materials for lithium secondary batteries, and among these, LiCoO 2 has high operating voltage and excellent capacity characteristics. Lithium cobalt composite metal oxides are mainly used. However, LiCoO 2 has very poor thermal properties due to instability of the crystal structure due to delithiation, and is expensive, so it is limited in mass use as a power source in fields such as electric vehicles.

상기 LiCoO2를 대체하기 위한 재료로서, 리튬 망간 복합금속 산화물(LiMnO2 또는 LiMn2O4 등), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4 등) 또는 리튬 니켈 복합금속 산화물(LiNiO2 등) 등이 개발되었다. 이 중에서도 약 200 mAh/g의 높은 가역용량을 가져 대용량의 전지 구현이 용이한 리튬 니켈 복합금속 산화물에 대한 연구 개발이 보다 활발히 연구되고 있다. 그러나, 상기 LiNiO2는 LiCoO2와 비교하여 열안정성이 열위하고, 충전 상태에서 외부로부터의 압력 등에 의해 내부 단락이 생기면 양극 활물질 그 자체가 분해되어 전지의 파열 및 발화를 초래하는 문제가 있었다. 이에 따라 상기 LiNiO2의 우수한 가역용량은 유지하면서도 낮은 열안정성을 개선하기 위한 방법으로서, Ni의 일부를 Mn과 Co으로 치환한 리튬 니켈코발트망간 산화물이 개발되었다. As materials to replace the above LiCoO 2 , lithium manganese composite metal oxides (such as LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate compounds (such as LiFePO 4 ), or lithium nickel composite metal oxides (such as LiNiO 2 ) have been developed. Among these, lithium nickel composite metal oxides, which have a high reversible capacity of about 200 mAh/g and thus make it easy to implement large-capacity batteries, are being researched and developed more actively. However, LiNiO 2 has inferior thermal stability compared to LiCoO 2 , and there is a problem that when an internal short circuit occurs due to external pressure in a charged state, the positive electrode active material itself decomposes, causing rupture and ignition of the battery. Accordingly, as a method to improve the low thermal stability while maintaining the excellent reversible capacity of LiNiO 2 , lithium nickel cobalt manganese oxide has been developed in which some of the Ni is replaced with Mn and Co.

최근 고용량 양극 활물질에 대한 수요가 높아짐에 따라, 리튬 니켈코발트망간 산화물 중 니켈의 함량을 80atm% 이상으로 높인 고-니켈(high-Ni)계 양극 활물질이 개발되고 있다. 그러나, 고-니켈계 양극 활물질의 경우, 높은 에너지 밀도를 구현하는 대신에 고전압 및/또는 고온 영역에서 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다. 예를 들면, 고-니켈계 양극 활물질을 적용한 리튬 이차전지를 고전압 및/또는 고온 조건에서 연속 충전할 경우, 전류가 누설되어 전지 안정성이 크게 저하된다.Recently, as the demand for high-capacity cathode active materials has increased, high-nickel (high-Ni) cathode active materials with a nickel content of 80 atm% or higher in lithium nickel cobalt manganese oxide have been developed. However, high-nickel cathode active materials have a problem in that they have poor stability in high-voltage and/or high-temperature regions instead of realizing high energy density. For example, when a lithium secondary battery using a high-nickel cathode active material is continuously charged under high-voltage and/or high-temperature conditions, current leakage occurs, significantly reducing battery stability.

따라서, 고전압 및/또는 고온 조건에서 안정성이 우수한 고-니켈계 양극 활물질의 개발이 요구되고 있다. Therefore, there is a need for the development of high-nickel cathode active materials with excellent stability under high-voltage and/or high-temperature conditions.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 니켈 함유량이 80atm% 이상인 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물 입자의 표면에 20nm 이상의 두께를 갖는 암염 상(rock-salt phase)이 형성되어, 고전압 및/또는 고온에서 연속 충전 시에도 전류 누설을 최소화할 수 있는 양극 활물질을 제공하고자 한다. The present invention is intended to solve the above problems, and provides a cathode active material capable of minimizing current leakage even during continuous charging at high voltage and/or high temperature, by forming a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more on the surface of a layered lithium composite transition metal oxide particle having a nickel content of 80 atm% or more.

또한, 본 발명은 상기 양극 활물질을 적용한 양극과, 상기 양극을 사용하여 고전압 및/또는 고온에서도 우수한 연속 충전 성능을 갖는 리튬이차전지를 제공하고자 한다. In addition, the present invention aims to provide a positive electrode using the positive electrode active material, and a lithium secondary battery having excellent continuous charging performance even at high voltage and/or high temperature using the positive electrode.

일 측면에서, 본 발명은 전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물을 포함하고, 상기 리튬 복합전이금속 산화물 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되어 있는 양극 활물질을 제공한다. In one aspect, the present invention provides a cathode active material comprising a lithium composite transition metal oxide having a layered structure in which a nickel content of 80 atm% or more among the total transition metals is present, and a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide.

다른 측면에서, 본 발명은 상기와 같은 본 발명의 양극 활물질을 포함하는 양극 및 리튬이차전지를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a positive electrode and a lithium secondary battery including the positive electrode active material of the present invention as described above.

본 발명의 양극 활물질은 리튬 복합전이금속 산화물 입자의 표면에 20nm 이상의 두꺼운 암염 상(rock-salt phase)을 포함하며, 상기 암염 상으로 인해 고전압 및/또는 고온 조건에서 산소 탈리가 최소화되어 종래의 고-니켈 양극 활물질에 비해 우수한 안정성을 나타낸다. The cathode active material of the present invention includes a thick rock-salt phase of 20 nm or more on the surface of lithium composite transition metal oxide particles, and due to the rock-salt phase, oxygen desorption is minimized under high voltage and/or high temperature conditions, thereby exhibiting superior stability compared to conventional high-nickel cathode active materials.

특히, 본 발명의 양극 활물질을 사용한 이차 전지는 고전압 연속 충전에서 전류 누설이 억제되어 우수한 연속 충전 특성을 갖는다. In particular, a secondary battery using the positive electrode active material of the present invention has excellent continuous charging characteristics because current leakage is suppressed during high-voltage continuous charging.

도 1은 실시예 1에 의해 제조된 양극 활물질의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 2는 비교예 1의 의해 제조된 양극 활물질의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1에 의해 제조된 양극 활물질을 적용한 이차 전지의 고전압 연속 충전 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 의해 제조된 양극 활물질을 적용한 이차 전지의 고전압 연속 충전 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 비교예 1에 의해 제조된 양극 활물질을 적용한 이차 전지의 고전압 연속 충전 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 비교예 2에 의해 제조된 양극 활물질을 적용한 이차 전지의 고전압 연속 충전 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
Figure 1 is a transmission electron microscope (TEM) image of a positive electrode active material manufactured according to Example 1.
Figure 2 is a transmission electron microscope (TEM) image of the positive electrode active material manufactured by Comparative Example 1.
Figure 3 is a graph showing the results of a high-voltage continuous charging test of a secondary battery using a positive electrode active material manufactured according to Example 1.
Figure 4 is a graph showing the results of a high-voltage continuous charging test of a secondary battery using a positive electrode active material manufactured by Example 2.
Figure 5 is a graph showing the results of a high-voltage continuous charging test of a secondary battery using a positive electrode active material manufactured by Comparative Example 1.
Figure 6 is a graph showing the results of a high-voltage continuous charging test of a secondary battery using a positive electrode active material manufactured by Comparative Example 2.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as having meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.

본 명세서에서 평균 입경(D50)은, 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있으며, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 평균 입자 직경(D50)은, 대상 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28 kHz의 초음파를 출력 60 W로 조사한 후, 측정 장치에 있어서의 입경에 따른 입자 체적 누적 분포의 50% 기준에서의 평균 입자 직경(D50)을 산출할 수 있다.In this specification, the average particle diameter (D 50 ) can be defined as the particle diameter at 50% of the particle diameter distribution, and can be measured using a laser diffraction method. Specifically, the average particle diameter (D 50 ) can be calculated by dispersing target particles in a dispersion medium, introducing them into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (e.g. Microtrac MT 3000), and irradiating them with ultrasonic waves of about 28 kHz at an output of 60 W, and then calculating the average particle diameter (D 50 ) at 50% of the particle volume cumulative distribution according to the particle diameter in the measuring device.

본 명세서에서 있어서, '1차 입자'는 단일 입자의 1차 구조체를 의미하고, '2차 입자'는 1차 입자 간의 물리적 또는 화학적 결합에 의해 복수개의 1차 입자들끼리 응집된 응집체를 의미한다.In this specification, 'primary particle' means a primary structure of a single particle, and 'secondary particle' means an aggregate formed by a plurality of primary particles cohesively cohesively through physical or chemical bonding between the primary particles.

본 명세서에서 %는 별다른 언급이 없는 한 중량%를 의미한다.In this specification, % means weight % unless otherwise stated.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명자들은 전체 전이금속 중 니켈 함유량이 80atm% 이상인 고-니켈계 양극 활물질의 고전압 및/또는 고온 안정성을 개선하기 위한 연구를 거듭한 결과, 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물의 표면에 일정 두께 이상의 암염 상을 형성함으로써, 고-니켈계 양극 활물질의 고전압 및/또는 고온 안정성을 획기적으로 개선할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다. The present inventors have conducted repeated studies to improve the high-voltage and/or high-temperature stability of a high-nickel cathode active material having a nickel content of 80 atm% or more among the total transition metals, and as a result, have discovered that the high-voltage and/or high-temperature stability of a high-nickel cathode active material can be dramatically improved by forming a rock salt phase of a certain thickness or more on the surface of a lithium composite transition metal oxide having a layered structure, thereby completing the present invention.

구체적으로, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 포함하고, 상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. Specifically, the cathode active material according to the present invention is characterized in that it includes lithium composite transition metal oxide particles having a layered structure in which the nickel content among the total transition metals is 80 atm% or more, and a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide particles.

종래에는 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물 표면에 암염 상이 형성될 경우, 양극 활물질의 성능이 저하시키는 요인으로 작용한다고 여겨져 암염 상 형성을 기피하여 왔다. 그러나, 본 발명자들의 연구 결과, 니켈 함유량이 80atm% 이상인 고-니켈계 양극 활물질에서는 일정 두께 이상의 암염 상이 형성될 경우 고전압 연속 충전 특성이 획기적으로 개선되는 것으로 밝혀졌다. In the past, it was believed that the formation of a salt phase on the surface of a lithium composite transition metal oxide having a layered structure would act as a factor that lowered the performance of the positive electrode active material, and thus the formation of a salt phase was avoided. However, as a result of the research of the present inventors, it was revealed that in a high-nickel positive electrode active material having a nickel content of 80 atm% or higher, the high-voltage continuous charge characteristics are dramatically improved when a salt phase of a certain thickness or more is formed.

<양극 활물질><Bipolar active material>

이하, 본 발명에 따른 양극 활물질을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the positive electrode active material according to the present invention will be described in more detail.

본 발명의 양극 활물질은 전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물 입자 및 상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면의 적어도 일부 영역에 형성되고, 두께가 20nm 이상, 바람직하게는 30nm 내지 500nm인 암염상(rock-salt phase)을 포함한다. The cathode active material of the present invention comprises lithium composite transition metal oxide particles having a layered structure in which the nickel content among the total transition metals is 80 atm% or more, and a rock-salt phase formed on at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide particles and having a thickness of 20 nm or more, preferably 30 nm to 500 nm.

본 발명에서는 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 리튬 복합전이금속 산화물을 사용한다. 이와 같이 니켈 함유량이 높은 리튬 복합전이금속 산화물을 사용하면 높은 용량 특성을 구현할 수 있다. 그러나, 니켈 함유량이 80atm% 이상으로 높은 리튬 복합전이금속 산화물은 구조 안정성이 낮기 때문에 사이클이 반복되거나 고전압 및/또는 고온에 노출되었을 때 전해액과의 부반응에 의해 가스 발생 및 급격한 전지 성능 저하가 발생한다. 또한, 상기와 같은 고-니켈계 리튬 복합전이금속 산화물을 양극 활물질로 적용한 리튬 이차전지의 경우, 고전압 연속 충전 시에 전류 누설이 발생하여 전지 안정성이 크게 저하된다는 문제점이 있다. In the present invention, a lithium composite transition metal oxide having a nickel content of 80 atm% or higher is used. When a lithium composite transition metal oxide having a high nickel content like this is used, high capacity characteristics can be implemented. However, a lithium composite transition metal oxide having a high nickel content of 80 atm% or higher has low structural stability, so that when the cycle is repeated or when exposed to high voltage and/or high temperature, gas generation and rapid battery performance deterioration occur due to a side reaction with the electrolyte. In addition, in the case of a lithium secondary battery using the above-mentioned high-nickel lithium composite transition metal oxide as a cathode active material, there is a problem that current leakage occurs during high-voltage continuous charging, which significantly deteriorates battery stability.

그러나, 본 발명과 같이, 리튬 복합 전이금속 산화물 입자 표면의 적어도 일부에 20nm 이상의 두께를 갖는 암염 상(rock-salt phase)이 형성될 경우, 양극 활물질의 표면 안정성이 개선되고 이로 인해 고전압 및/또는 고온 조건에서 성능 저하 및 전류 누설 발생을 최소화할 수 있다. However, as in the present invention, when a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide particles, the surface stability of the positive electrode active material is improved, thereby minimizing performance degradation and current leakage under high voltage and/or high temperature conditions.

이때, 상기 암염 상은 그 두께가 20nm 이상, 바람직하게는 30nm 내지 500nm일 수 있다. 암염 상의 두께가 20nm 미만인 경우에는 입자 표면 안정성 개선 효과 및 고전압 연속 충전 시 전류 누설 억제 효과가 미미하다. At this time, the rock salt phase may have a thickness of 20 nm or more, preferably 30 nm to 500 nm. When the rock salt phase has a thickness of less than 20 nm, the effect of improving particle surface stability and suppressing current leakage during high-voltage continuous charging are minimal.

한편, 상기 암염 상의 두께는 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)을 이용하여 측정할 수 있다. Meanwhile, the thickness of the above rock salt can be measured using a transmission electron microscope (TEM).

한편, 본 발명에 있어서, 상기 암염 상은 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면의 적어도 일부 영역에서 20nm 이상의 두께를 갖는 부분이 있으면 되고, 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면 전체에서 두께가 20nm 이상일 필요는 없다.Meanwhile, in the present invention, the rock salt phase may have a portion having a thickness of 20 nm or more in at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide particle, and the thickness need not be 20 nm or more over the entire surface of the lithium composite transition metal oxide particle.

바람직하게는 본 발명의 양극 활물질에 있어서, 상기 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되는 면적은 상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자 전체 표면적의 10% 내지 100%, 바람직하게는 10% 내지 75%일 수 있다. 두께가 20nm 이상인 암염상이 형성된 면적이 상기 범위를 만족할 경우, 고온 및/또는 고전압 영역에서 활물질의 구조 퇴화를 억제하는 효과를 얻을 수 있다. Preferably, in the cathode active material of the present invention, the area where the rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed may be 10% to 100%, preferably 10% to 75%, of the total surface area of the lithium composite transition metal oxide particles. When the area where the rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed satisfies the above range, the effect of suppressing structural degradation of the active material in a high temperature and/or high voltage region can be obtained.

한편, 상기 리튬 복합전이금속 산화물은, 예를 들면, 하기 [화학식 1]로 표시되는 것일 수 있다.Meanwhile, the lithium composite transition metal oxide may be, for example, represented by the following [chemical formula 1].

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Lix[NiyCozM1 wM2 v]O2 Li x [Ni y Co z M 1 w M 2 v ]O 2

상기 화학식 1에서, 상기 M1은 Mn 및 Al으로부터 선택되는 1종 이상이며,In the above chemical formula 1, M 1 is at least one selected from Mn and Al,

상기 M2는 Ba, Ca, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, 및 Mo 중에서 선택되는 1종 이상이고, 0.9≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z≤0.15, 0<w<0.2, 0≤v≤0.2이다.The above M 2 is at least one selected from Ba, Ca, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, and Mo, and 0.9≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z≤0.15, 0<w<0.2, 0≤v≤0.2.

이때, 상기 x는, 리튬 복합전이금속 산화물 내에서의 리튬의 원자 분율을 의미하는 것으로, 0.9≤x≤1.5 바람직하게는 0.9≤x≤1.2 더 바람직하게는 0.9≤x≤1.1일 수 있다. At this time, the above x means the atomic fraction of lithium in the lithium composite transition metal oxide, and may be 0.9≤x≤1.5, preferably 0.9≤x≤1.2, and more preferably 0.9≤x≤1.1.

상기 y는, 리튬 복합전이금속 산화물의 전체 전이금속 중 니켈의 원자 분율을 의미하는 것으로, 0.8≤y<1, 바람직하게는 0.8≤y≤0.98, 더 바람직하게는, 0.81≤y≤0.98일 수 있다.The above y refers to the atomic fraction of nickel among the total transition metals of the lithium composite transition metal oxide, and may be 0.8≤y<1, preferably 0.8≤y≤0.98, and more preferably 0.81≤y≤0.98.

상기 z는, 리튬 복합전이금속 산화물의 전체 전이금속 중 코발트의 원자 분율을 의미하는 것으로, 0<z≤0.15, 바람직하게는 0.01≤z≤0.15, 더 바람직하게는, 0.01≤z≤0.1일 수 있다.The above z represents the atomic fraction of cobalt among the total transition metals of the lithium composite transition metal oxide, and may be 0<z≤0.15, preferably 0.01≤z≤0.15, and more preferably 0.01≤z≤0.1.

상기 w는 리튬 복합전이금속 산화물의 전체 전이금속 중 M1 원소의 원자 분율을 의미하는 것으로, 0<w<0.2, 바람직하게는 0.01≤w≤0.15일 수 있다. The above w refers to the atomic fraction of the M 1 element among the total transition metals of the lithium composite transition metal oxide, and may be 0<w<0.2, preferably 0.01≤w≤0.15.

상기 v는 리튬 복합전이금속 산화물의 전체 전이금속 중 M2 원소의 원자 분율을 의미하는 것으로, 0≤v≤0.2, 바람직하게는 0≤v≤0.15일 수 있다. The above v represents the atomic fraction of the M 2 element among the total transition metals of the lithium composite transition metal oxide, and may be 0≤v≤0.2, preferably 0≤v≤0.15.

한편, 상기 리튬 복합전이금속 산화물은, 필요에 따라, Al, Ti, W, B, F, P, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, Bi, Si, 및 S로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 코팅 원소를 포함하는 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기와 같이 코팅층이 포함될 경우, 상기 리튬 복합전이금속 산화물과 전해액과의 접촉이 차단되어 부반응 발생이 억제되므로, 전지에 적용 시 수명 특성을 향상시킬 수 있고, 더불어 양극재의 충진 밀도를 증가시킬 수 있다.Meanwhile, the lithium composite transition metal oxide may further include a coating layer comprising at least one coating element selected from the group consisting of one or more elements selected from the group consisting of Al, Ti, W, B, F, P, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, Bi, Si, and S, if necessary. When the coating layer is included as described above, contact between the lithium composite transition metal oxide and the electrolyte is blocked, thereby suppressing the occurrence of side reactions, and thus improving the life characteristics when applied to a battery, and further increasing the packing density of the cathode material.

상기와 같이, 코팅 원소를 추가로 포함할 경우, 상기 코팅층 내 코팅 원소의 함량은 리튬 복합전이금속 산화물 전체 중량에 대하여, 100 ppm 내지 10,000 ppm, 바람직하게는 200 ppm 내지 5,000 ppm일 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬 복합전이금속 산화물 전체 중량에 대하여, 상기 범위로 코팅 원소를 포함할 경우, 전해액과의 부반응 발생이 더욱 효과적으로 억제되고, 전지에 적용 시 수명 특성이 더욱 향상될 수 있다.As described above, when the coating element is additionally included, the content of the coating element in the coating layer may be 100 ppm to 10,000 ppm, preferably 200 ppm to 5,000 ppm, based on the total weight of the lithium composite transition metal oxide. For example, when the coating element is included in the above range based on the total weight of the lithium composite transition metal oxide, the occurrence of side reactions with the electrolyte is more effectively suppressed, and the life characteristics can be further improved when applied to a battery.

상기 코팅층은 리튬 복합전이금속 산화물의 표면 전체에 형성될 수도 있고, 부분적으로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 상기 리튬 복합전이금속 산화물의 표면에 상기 코팅층이 부분적으로 형성될 경우, 리튬 복합전이금속 산화물의 전체 표면적 중 5% 이상 100% 미만, 바람직하게는 20% 이상 100% 미만의 면적으로 형성될 수 있다. The coating layer may be formed on the entire surface of the lithium composite transition metal oxide, or may be formed partially. Specifically, when the coating layer is formed partially on the surface of the lithium composite transition metal oxide, it may be formed in an area of 5% or more and less than 100%, preferably 20% or more and less than 100% of the entire surface area of the lithium composite transition metal oxide.

상기 리튬 복합전이금속 산화물은 복수개의 1차 입자들이 응집된 2차 입자 형태의 리튬 복합전이금속 산화물 입자일 수 있으며, 이때, 상기 2차 입자의 평균입경(D50)은 10 내지 20㎛, 바람직하게는 10 내지 17㎛, 더 바람직하게는 10 내지 15㎛일 수 있다. The above lithium composite transition metal oxide may be a lithium composite transition metal oxide particle in the form of a secondary particle in which a plurality of primary particles are aggregated, and at this time, the average particle diameter (D 50 ) of the secondary particles may be 10 to 20 μm, preferably 10 to 17 μm, and more preferably 10 to 15 μm.

2차 입자 형태의 리튬 복합전이금속 산화물을 사용할 경우, 상대적으로 낮은 온도에서 소성이 가능하고, 활물질 입자를 구형으로 형성할 수 있다. 또한, 2차 입자의 경우 1차 입자에 비해 더 넓은 반응 면적을 가지기 때문에 계면 저항 특성이 우수하고, 확산 반응 거리가 짧기 때문에 확산 저항 측면에서도 유리하다. 다만, 2차 입자의 평균 입경이 너무 커지면 상기와 같은 효과를 얻을 수 없으므로, 상기와 같이 10 내지 20㎛의 평균 입경을 갖는 2차 입자를 사용하는 것이 바람직하다. When lithium composite transition metal oxides in the form of secondary particles are used, sintering is possible at relatively low temperatures, and active material particles can be formed into spherical shapes. In addition, since secondary particles have a wider reaction area than primary particles, they have excellent interfacial resistance characteristics, and since the diffusion reaction distance is short, they are also advantageous in terms of diffusion resistance. However, if the average particle diameter of the secondary particles becomes too large, the above effect cannot be obtained, so it is preferable to use secondary particles having an average particle diameter of 10 to 20 μm as described above.

<양극 활물질의 제조 방법><Method for manufacturing positive electrode active material>

다음으로 본 발명에 따른 양극 활물질의 제조 방법에 대해 설명한다.Next, a method for manufacturing a positive electrode active material according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 양극 활물질의 제조 방법은 1) 전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 전이금속 전구체 및 리튬 원료물질을 혼합하는 단계, 및 2) 상기 혼합물을 850℃ 내지 1000℃의 온도로 소성하여 입자 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되어 있는 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 형성하는 단계를 포함한다. A method for manufacturing a cathode active material according to the present invention comprises the steps of 1) mixing a transition metal precursor having a nickel content of 80 atm% or more among the total transition metals and a lithium raw material, and 2) calcining the mixture at a temperature of 850° C. to 1000° C. to form lithium composite transition metal oxide particles having a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more formed on at least a portion of the particle surface.

먼저, 전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 전이금속 전구체 및 리튬 원료물질을 혼합한다.First, a transition metal precursor having a nickel content of 80 atm% or more among the total transition metals and a lithium raw material are mixed.

상기 전이금속 전구체는 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 전이금속 수산화물 또는 옥시수산화물일 수 있다. The above transition metal precursor may be a transition metal hydroxide or oxyhydroxide having a nickel content of 80 atm% or more.

상기 전이금속 전구체는 시판되는 양극 활물질 전구체를 구입하여 사용하거나, 당해 기술 분야에 알려진 양극 활물질 전구체의 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. The above transition metal precursor can be purchased and used as a commercially available cathode active material precursor, or can be manufactured according to a method for manufacturing a cathode active material precursor known in the art.

예를 들면, 상기 전이금속 전구체는 니켈 함유 원료물질, 코발트 함유 원료물질 및 M1 함유 원료물질 및/또는 M2 함유 원료물질을 포함하는 전이금속 용액에 암모늄 양이온 함유 착물 형성제와 염기성 화합물을 첨가하여 공침 반응시켜 제조되는 것일 수 있다. For example, the transition metal precursor may be prepared by adding an ammonium cation-containing complex forming agent and a basic compound to a transition metal solution containing a nickel-containing raw material, a cobalt-containing raw material, an M 1 -containing raw material, and/or an M 2- containing raw material, and performing a co-precipitation reaction.

상기 니켈 함유 원료물질은 예를 들면, 니켈 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있으며, 구체적으로는, Ni(OH)2, NiO, NiOOH, NiCO3ㆍ2Ni(OH)2ㆍ4H2O, NiC2O2ㆍ2H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, NiSO4, NiSO4ㆍ6H2O, 지방산 니켈염, 니켈 할로겐화물 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The above nickel-containing raw material may be, for example, a nickel-containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide or oxyhydroxide, and specifically, may be, but is not limited to, Ni(OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 ㆍ2Ni(OH) 2 ㆍ4H 2 O, NiC 2 O 2 ㆍ2H 2 O, Ni(NO 3 ) 2 ㆍ6H 2 O, NiSO 4 , NiSO 4 ㆍ6H 2 O, a fatty acid nickel salt, a nickel halide or a combination thereof.

상기 코발트 함유 원료 물질은 코발트 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물 또는 옥시수산화물 등일 수 있으며, 구체적으로는 Co(OH)2, CoOOH, Co(OCOCH3)2ㆍ4H2O, Co(NO3)2ㆍ6H2O, CoSO4, Co(SO4)2ㆍ7H2O 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The above cobalt-containing raw material may be a cobalt-containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide or oxyhydroxide, and specifically, may be Co(OH) 2 , CoOOH, Co(OCOCH 3 ) 2 ㆍ4H 2 O, Co(NO 3 ) 2 ㆍ6H 2 O, CoSO 4 , Co(SO 4 ) 2 ㆍ7H 2 O or a combination thereof, but is not limited thereto.

상기 M1 함유 원료물질은, M1 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물, 옥시수산화물 또는 이들의 조합일 수 있으며, 구체적으로는 망간 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물, 옥시수산화물 및/또는 알루미늄 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물, 옥시수산화물일 수 있다. 예를 들면, 상기 M1 함유 원료물질은 Mn2O3, MnO2, Mn3O4 등과 같은 망간산화물; MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4, 아세트산 망간, 디카르복실산 망간염, 시트르산 망간, 지방산 망간염과 같은 망간염; 옥시 수산화망간, 염화 망간, Al2O3, Al(OH)3, AlSO4, AlCl3, Al-이소프로폭사이드(Al-isopropoxide), AlNO3, AlF 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The above M 1 containing raw material may be an M 1 containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide, oxyhydroxide or a combination thereof, and specifically may be a manganese containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide, oxyhydroxide and/or an aluminum containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide, oxyhydroxide. For example, the above M 1 containing raw material may be a manganese oxide such as Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 ; a manganese salt such as MnCO 3 , Mn(NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, manganese dicarboxylic acid salt, manganese citrate, and fatty acid manganese salt; It can be, but is not limited to, manganese oxyhydroxide, manganese chloride, Al 2 O 3 , Al(OH) 3 , AlSO 4 , AlCl 3 , Al-isopropoxide, AlNO 3 , AlF or a combination thereof.

상기 M2 함유 원료물질은, M2 함유 아세트산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물, 수산화물, 산화물, 옥시수산화물 또는 이들의 조합일 수 있다.The above M 2 containing raw material may be an M 2 containing acetate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, hydroxide, oxide, oxyhydroxide or a combination thereof.

상기 전이금속 용액은 니켈 함유 원료 물질, 코발트 함유 원료 물질 및 M1 함유 원료 물질을 용매, 구체적으로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합될 수 있는 유기 용매(예를 들면, 알코올 등)의 혼합 용매에 첨가하여 제조되거나, 또는 니켈 함유 원료 물질의 수용액, 코발트 함유 원료 물질의 수용액 및 M1 함유 원료 물질의 수용액을 혼합하여 제조된 것일 수 있다. The above transition metal solution may be prepared by adding a nickel-containing raw material, a cobalt-containing raw material and an M 1- containing raw material to a solvent, specifically, water, or a mixed solvent of an organic solvent (e.g., alcohol, etc.) that can be uniformly mixed with water, or may be prepared by mixing an aqueous solution of a nickel-containing raw material, an aqueous solution of a cobalt-containing raw material and an aqueous solution of a M 1 -containing raw material.

상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제는, 예를 들면 NH4OH, (NH4)2SO4, NH4NO3, NH4Cl, CH3COONH4, NH4CO3 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 암모늄 양이온 함유 착물 형성제는 수용액의 형태로 사용될 수도 있으며, 이때 용매로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합 가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물이 사용될 수 있다. The above ammonium cation-containing complex forming agent may be, for example, NH 4 OH, (NH 4 ) 2 SO 4 , NH 4 NO 3 , NH 4 Cl, CH 3 COONH 4 , NH 4 CO 3 or a combination thereof, but is not limited thereto. Meanwhile, the ammonium cation-containing complex forming agent may be used in the form of an aqueous solution, and at this time, water or a mixture of water and an organic solvent (specifically, alcohol, etc.) that can be uniformly mixed with water may be used as a solvent.

상기 염기성 화합물은 NaOH, KOH 또는 Ca(OH)2 등과 같은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 수산화물, 이들의 수화물 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 염기성 화합물 역시 수용액의 형태로 사용될 수도 있으며, 이때 용매로는 물, 또는 물과 균일하게 혼합가능한 유기용매(구체적으로, 알코올 등)와 물의 혼합물이 사용될 수 있다. The above basic compound may be a hydroxide of an alkali metal or alkaline earth metal, such as NaOH, KOH or Ca(OH) 2 , a hydrate thereof or a combination thereof. The above basic compound may also be used in the form of an aqueous solution, and in this case, water or a mixture of water and an organic solvent (specifically, alcohol, etc.) that can be evenly mixed with water may be used as a solvent.

상기 염기성 화합물은 반응 용액의 pH를 조절하기 위해 첨가되는 것으로, 금속 용액의 pH가 10.5 내지 13, 바람직하게는 11 내지 13이 되는 양으로 첨가될 수 있다. The above basic compound is added to adjust the pH of the reaction solution, and can be added in an amount such that the pH of the metal solution becomes 10.5 to 13, preferably 11 to 13.

한편, 상기 공침 반응은 질소 또는 아르곤 등의 비활성 분위기하에서, 40 내지 70℃의 온도에서 수행될 수 있다. 또, 상기 반응시 반응 속도를 증가시키기 위하여 교반 공정이 선택적으로 수행될 수 있으며, 이때 교반 속도는 100rpm 내지 2000rpm일 수 있다.Meanwhile, the coprecipitation reaction can be performed at a temperature of 40 to 70° C. under an inert atmosphere such as nitrogen or argon. In addition, a stirring process can be optionally performed to increase the reaction speed during the reaction, and at this time, the stirring speed can be 100 to 2000 rpm.

상기와 같은 공정에 의해 전이금속 전구체 입자가 생성되고, 반응용액 내에 침전된다. 침전된 전이금속 전구체 입자를 통상의 방법에 따라 분리시키고, 건조시켜 전이금속 전구체를 얻을 수 있다.Transition metal precursor particles are generated by the above process and precipitated in the reaction solution. The precipitated transition metal precursor particles can be separated and dried according to a conventional method to obtain a transition metal precursor.

다음으로, 상기와 같은 방법으로 얻어진 전이금속 전구체를 리튬 원료물질과 혼합한 후 소성한다. 상기 리튬 원료물질은 리튬 함유 탄산염(예를 들어, 탄산리튬 등), 수화물(예를 들어 수산화리튬 수화물(LiOH·H2O) 등), 수산화물(예를 들어 수산화리튬 등), 질산염(예를 들어, 질산리튬(LiNO3) 등), 염화물(예를 들어, 염화리튬(LiCl) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. Next, the transition metal precursor obtained by the above method is mixed with a lithium raw material and then calcined. The lithium raw material may include a lithium-containing carbonate (e.g., lithium carbonate, etc.), a hydrate (e.g., lithium hydroxide hydrate (LiOH H 2 O)), a hydroxide (e.g., lithium hydroxide, etc.), a nitrate (e.g., lithium nitrate (LiNO 3 )), a chloride (e.g., lithium chloride (LiCl)), etc., and one of these may be used alone or a mixture of two or more thereof may be used.

한편, 전이금속 전구체 및 리튬 원료물질의 혼합은 제트 밀링과 같은 고상 혼합으로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the mixing of the transition metal precursor and the lithium source material can be achieved by solid-state mixing such as jet milling.

한편, 전이금속 전구체 및 리튬 원료물질은 리튬 : 전이금속의 몰비가 1 : 1 내지 1.25 : 1, 바람직하게는 1 : 1 내지 1.15 : 1이 되도록 혼합되는 것이 바람직하다. 리튬원료물질의 혼합량이 상기 범위를 초과할 경우, LiOH, Li2CO3 등의 잔류 리튬 부산물이 과다하게 생성되며 활물질의 조성비가 달라지고, 결정성이 떨어져 용량이 제대로 발현되지 못한다.Meanwhile, it is preferable that the transition metal precursor and the lithium raw material be mixed so that the molar ratio of lithium to transition metal is 1:1 to 1.25:1, preferably 1:1 to 1.15:1. If the mixing amount of the lithium raw material exceeds the above range, residual lithium byproducts such as LiOH and Li 2 CO 3 are excessively generated, the composition ratio of the active material changes, and the crystallinity decreases so that the capacity is not properly expressed.

한편, 전이금속 전구체와 리튬 원료물질의 혼합 시에, 필요에 따라, M1 원료물질 및/또는 M2 원료물질이 추가로 혼합될 수 있으며, 이때, M1 및 M2 함유 원료물질의 혼합비는 최종적으로 생성되는 리튬 복합전이금속 산화물 내의 각 원소의 원자 비율을 고려하여 적절하게 조절될 수 있다. Meanwhile, when mixing the transition metal precursor and the lithium raw material, the M 1 raw material and/or the M 2 raw material may be additionally mixed as needed, and at this time, the mixing ratio of the M 1 and M 2 containing raw materials may be appropriately adjusted in consideration of the atomic ratio of each element in the lithium composite transition metal oxide ultimately produced.

예를 들면, 리튬 복합전이금속 산화물이 M1 원소로 Mn과 Al을 동시에 포함하는 경우에는, 전이금속 전구체로 Ni, Co, Mn, 및 Al을 포함하는 전이금속 전구체를 사용할 수도 있으나, 전이금속 전구체로 Ni, Co 및 Mn을 포함하는 전구체를 사용하고, 리튬 원료물질과의 혼합 시에 알루미늄 원료 물질을 추가로 혼합할 수도 있다. 이때, 상기 알루미늄 원료물질로는 Al2O3, Al(OH)3, AlSO4, AlCl3, AlNO3, AlF 또는 이들의 조합 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. For example, when a lithium composite transition metal oxide contains both Mn and Al as the M 1 element, a transition metal precursor containing Ni, Co, Mn, and Al may be used as the transition metal precursor, but a precursor containing Ni, Co, and Mn may be used as the transition metal precursor, and an aluminum raw material may be additionally mixed in when mixing with the lithium raw material. At this time, the aluminum raw material may be Al 2 O 3 , Al(OH) 3 , AlSO 4 , AlCl 3 , AlNO 3 , AlF or a combination thereof, but is not limited thereto.

한편, 상기 소성은 850℃ 내지 1000℃, 바람직하게는 850℃ 내지 900℃의 온도에서 12 내지 24시간 동안 수행될 수 있다. 열처리 온도 및 시간이 상기 범위를 만족하는 경우에, 입자 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상이 형성된 리튬 복합전이금속 산화물을 얻을 수 있다. Meanwhile, the calcination can be performed at a temperature of 850° C. to 1000° C., preferably 850° C. to 900° C., for 12 to 24 hours. When the heat treatment temperature and time satisfy the above ranges, a lithium composite transition metal oxide in which a rock salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the particle surface can be obtained.

<양극 및 이차 전지><Bipolar and secondary batteries>

상기와 같은 본 발명에 따른 양극재는 리튬 이차전지의 양극 제조에 유용하게 사용될 수 있다. The cathode material according to the present invention as described above can be usefully used in the manufacture of a cathode of a lithium secondary battery.

구체적으로는, 본 발명에 따른 양극은 상기한 본 발명에 따른 양극 활물질을 포함한다. 보다 구체적으로는, 상기 양극은 양극집전체 및 상기 양극집전체 위에 형성되는 양극활물질층을 포함하며, 이때, 상기 양극활물질층은 본 발명에 따른 양극 활물질을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 양극 활물질의 구체적인 내용은 상술한 바와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.Specifically, the positive electrode according to the present invention includes the positive electrode active material according to the present invention described above. More specifically, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector, and at this time, the positive electrode active material layer may include the positive electrode active material according to the present invention. Since the specific content of the positive electrode active material according to the present invention is the same as described above, a detailed description is omitted.

상기 양극은 양극 활물질로 본 발명에 따른 양극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 양극은 양극 활물질층을 구성하는 성분들, 즉, 양극 활물질과, 도전재 및/또는 바인더 등을 용매에 용해 또는 분산시켜 양극 합재를 제조하고, 상기 양극 합재를 양극집전체의 적어도 일면에 도포한 후, 건조, 압연시키는 방법으로 제조하거나, 또는 상기 양극 합재를 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.The above positive electrode can be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method, except that the positive electrode active material according to the present invention is used as the positive electrode active material. For example, the positive electrode can be manufactured by a method in which components constituting the positive electrode active material layer, i.e., the positive electrode active material, a conductive material, and/or a binder, are dissolved or dispersed in a solvent to manufacture a positive electrode composite, and the positive electrode composite is applied to at least one surface of a positive electrode current collector, and then dried and rolled, or by casting the positive electrode composite on a separate support, and then peeling the film from the support and laminating the obtained film on a positive electrode current collector.

이때, 상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.At this time, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive and does not cause a chemical change in the battery, and for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used. In addition, the positive electrode current collector can typically have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛, and fine unevenness can be formed on the surface of the current collector to increase the adhesive strength of the positive electrode active material. For example, it can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a non-woven fabric, etc.

상기 양극 집전체의 적어도 일면에 본 발명에 따른 양극 활물질을 포함하며, 필요에 따라 도전재 및 바인더 중 적어도 1종을 선택적으로 더 포함하는 양극활물질층이 위치한다.A cathode active material layer comprising a cathode active material according to the present invention is positioned on at least one surface of the cathode current collector, and optionally further comprising at least one of a conductive material and a binder, as needed.

상기 양극 활물질은 양극활물질층 총 중량에 대하여 80 내지 99중량%, 보다 구체적으로는 85 내지 98중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기한 함량 범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있다.The above-mentioned positive electrode active material may be included in an amount of 80 to 99 wt%, more specifically 85 to 98 wt%, based on the total weight of the positive electrode active material layer. When included in the above-mentioned amount range, excellent capacity characteristics may be exhibited.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극활물질층 총 중량에 대하여 1중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있다.The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and in the battery to be formed, as long as it does not cause a chemical change and has electronic conductivity, it can be used without special restrictions. Specific examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one of these may be used alone or a mixture of two or more may be used. The conductive material may be included in an amount of 1 wt% to 30 wt% with respect to the total weight of the cathode active material layer.

또, 상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극활물질과 집전체 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있다.In addition, the binder serves to improve the adhesion between the positive electrode active material particles and the adhesive strength between the positive electrode active material and the current collector. Specific examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and one of these may be used alone or a mixture of two or more thereof. The binder may be included in an amount of 1 wt% to 30 wt% with respect to the total weight of the positive electrode active material layer.

한편, 양극 합재 제조에 사용되는 용매는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 예를 들면, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 단독 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율, 점도 등을 고려하여 적절하게 조절될 수 있다.Meanwhile, the solvent used in the manufacture of the positive electrode composite may be a solvent generally used in the relevant technical field, and for example, dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, or water may be used alone or in a mixture thereof. The amount of the solvent used may be appropriately adjusted in consideration of the coating thickness of the slurry, manufacturing yield, viscosity, etc.

다음으로, 본 발명에 따른 이차 전지에 대해 설명한다. Next, a secondary battery according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 이차 전지는 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하며, 이때, 상기 양극은 상술한 본 발명에 따른 양극이다. A secondary battery according to the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode positioned opposite the positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, wherein the positive electrode is the positive electrode according to the present invention described above.

한편, 상기 이차전지는 상기 양극, 음극, 세퍼레이터의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the secondary battery may optionally further include a battery container that accommodates the electrode assembly of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and a sealing member that seals the battery container.

상기 이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 위치하는 음극 활물질층을 포함한다.In the above secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer positioned on at least one surface of the negative electrode current collector.

상기 음극은 당해 기술 분야에 일반적으로 알려져 있는 통상의 음극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 음극은 음극 활물질층을 구성하는 성분들, 즉, 음극 활물질과, 도전재 및/또는 바인더 등을 용매에 용해 또는 분산시켜 음극 합재를 제조하고, 상기 음극 합재를 음극 집전체의 적어도 일면에 도포한 후, 건조, 압연시키는 방법으로 제조하거나, 또는 상기 음극 합재를 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.The above negative electrode can be manufactured according to a conventional negative electrode manufacturing method generally known in the art. For example, the negative electrode can be manufactured by dissolving or dispersing components constituting the negative electrode active material layer, i.e., the negative electrode active material, a conductive material, and/or a binder, etc., in a solvent to manufacture a negative electrode composite, applying the negative electrode composite to at least one surface of a negative electrode current collector, and then drying and rolling it, or by casting the negative electrode composite on a separate support, and then peeling the film from the support and laminating it on a negative electrode current collector.

상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The above negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., an aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. In addition, the negative electrode current collector can typically have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛, and, like the positive electrode current collector, fine unevenness can be formed on the surface of the current collector to strengthen the bonding strength of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a non-woven fabric.

상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOv(0<v<2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.As the negative electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium can be used. Specific examples thereof include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and amorphous carbon; metallic compounds capable of alloying with lithium, such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloy, Sn alloy, and Al alloy; metallic oxides capable of doping and dedoping lithium, such as SiO v (0<v<2), SnO 2 , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; or composites containing the metallic compounds and carbonaceous materials, such as Si-C composites or Sn-C composites, and any one or a mixture of two or more of these can be used. In addition, a metallic lithium thin film can be used as the negative electrode active material. In addition, the carbon material can be both low-crystalline carbon and high-crystalline carbon. Representative examples of low-crystallization carbon include soft carbon and hard carbon, and representative examples of high-crystallization carbon include amorphous, plate-like, flaky, spherical or fibrous natural or artificial graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch-based carbon fiber, mesophase pitches, mesophase pitches, and high-temperature calcined carbon such as petroleum or coal tar pitch derived cokes.

또, 상기 바인더 및 도전재는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.Additionally, the binder and the conductive material may be the same as those described above for the anode.

한편, 상기 이차전지에 있어서, 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.Meanwhile, in the secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move. Any separator commonly used in secondary batteries can be used without special restrictions, and in particular, one having low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent electrolyte moisture retention capacity is preferable. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, or a laminated structure of two or more layers thereof, can be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high-melting-point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. can also be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material to secure heat resistance or mechanical strength can be used, and can optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.

한편, 상기 전해질로는 이차전지 제조 시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 사용될 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. Meanwhile, the electrolyte may include, but is not limited to, an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, a molten inorganic electrolyte, etc. that can be used in the manufacture of a secondary battery.

구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; Ra-CN(Ra는 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. As the organic solvent, any solvent that can act as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move may be used without particular limitation. Specifically, the organic solvent may include ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-caprolactone; ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone solvents such as cyclohexanone; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Examples of solvents that can be used include carbonate solvents such as dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC); alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as Ra-CN (where Ra represents a linear, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may include a double-bonded aromatic ring or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; and sulfolanes. Among these, a carbonate solvent is preferable, and a mixture of a cyclic carbonate (e.g., ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ionic conductivity and high dielectric constant that can improve the charge/discharge performance of the battery and a low-viscosity linear carbonate compound (e.g., ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, or diethyl carbonate, etc.) is more preferable.

상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 리튬염의 양이온으로 Li+를 포함하고, 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, PF4C2O4 -, PF2C4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 들 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCH3CO2, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiAlO4, 및 LiCH3SO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. The lithium salt above can be used without limitation as an electrolyte for a lithium secondary battery, and for example, the cation of the lithium salt includes Li + and the anion includes F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , PF 4 C 2 O 4 - , PF 2 C 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , At least one selected from the group consisting of CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 ( CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - . Specifically, the lithium salt may include a single substance or a mixture of two or more substances selected from the group consisting of LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCH 3 CO 2 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiAlO 4 , and LiCH 3 SO 3 .

상기 리튬염은 통상적으로 사용 가능한 범위 내에서 적절히 변경할 수 있으나, 구체적으로 전해액 내에 0.8 M 내지 3M, 구체적으로 0.1M 내지 2.5M로 포함될 수 있다. The above lithium salt may be appropriately changed within a generally usable range, but may be specifically included in the electrolyte at 0.8 M to 3 M, specifically 0.1 M to 2.5 M.

상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 다양한 첨가제들이 사용될 수 있다. 이러한 첨가제로는 예를 들면, 디플루오로에틸렌 카보네이트 등과 같은 할로알킬렌 카보네이트계 화합물; 또는 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등이 포함될 수 있으며, 상기 첨가제들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다. In addition to the electrolyte components, various additives may be used in the electrolyte for the purpose of improving the life characteristics of the battery, suppressing battery capacity decrease, and improving the discharge capacity of the battery. Examples of such additives include haloalkylene carbonate compounds such as difluoroethylene carbonate; or pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ethers, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, or aluminum trichloride. The additives may be used alone or in combination. At this time, the additives may be included in an amount of 0.1 wt% to 5 wt% with respect to the total weight of the electrolyte.

상기와 같은 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하게 사용될 수 있다. The lithium secondary battery according to the present invention as described above can be usefully used in portable devices such as mobile phones, laptop computers, digital cameras, and electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEVs).

이에 따라, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다. Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.

상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.The above battery module or battery pack can be used as a power source for one or more medium- to large-sized devices, including power tools; electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); or power storage systems.

본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.There is no particular limitation on the external shape of the lithium secondary battery of the present invention, but it may be in the shape of a cylinder, a square, a pouch, or a coin using a can.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only as a battery cell used as a power source for a small device, but can also be preferably used as a unit battery in a medium- to large-sized battery module including a plurality of battery cells.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

실시예Example 1 1

[Ni0 . 85Co0 . 1Mn0 .05]O·OH 및 리튬 원료물질 LiOH을 Li : 전이금속(Ni+Co+Mn)의 몰비가 1.1 : 1이 되도록 혼합한 후, 혼합된 분말을 알루미나 도가니에 넣고, 산소(O2) 분위기에서 870℃로 20시간 동안 소성하여 평균 입경 D50이 10㎛인 2차 입자 형태의 리튬 복합 전이금속 산화물 Li[Ni0.85Co0.1Mn0.05]O2를 형성하였다. [Ni 0 . 85 Co 0 . 1 Mn 0 . 05 ]O OH and lithium raw material LiOH were mixed so that the molar ratio of Li: transition metal (Ni+Co+Mn) was 1.1: 1, and the mixed powder was placed in an alumina crucible and calcined at 870°C for 20 hours in an oxygen (O 2 ) atmosphere to form a lithium composite transition metal oxide Li[Ni 0.85 Co 0.1 Mn 0.05 ]O 2 in the form of secondary particles having an average particle size D 50 of 10 μm.

제조된 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 투과전자현미경으로 측정한 결과, 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면에 암염상이 존재함이 확인되었고, 상기 암염상의 최대 두께는 대략 30nm 정도였다. 또한, 두께 20nm 이상인 암염 상의 형성 면적은 리튬 복합전이금속 산화물 입자의 전체 표면적의 약 50% 정도였다. As a result of measuring the manufactured lithium composite transition metal oxide particles using a transmission electron microscope, it was confirmed that a rock salt phase existed on the surface of the lithium composite transition metal oxide particles, and the maximum thickness of the rock salt phase was approximately 30 nm. In addition, the formation area of the rock salt phase with a thickness of 20 nm or more was approximately 50% of the total surface area of the lithium composite transition metal oxide particles.

실시예Example 2 2

[Ni0 . 9Co0 . 05Mn0 .05]O·OH 및 리튬 원료물질 LiOH을 Li : 전이금속(Ni+Co+Mn)의 몰비가 1.1 : 1이 되도록 혼합한 후, 혼합된 분말을 알루미나 도가니에 넣고, 산소(O2) 분위기에서 880℃로 20시간 동안 소성하여 평균 입경 D50이 14㎛인 2차 입자 형태의 리튬 복합 전이금속 산화물 Li[Ni0.9Co0.05Mn0.05]O2를 형성하였다. [Ni 0 . 9 Co 0 . 05 Mn 0 . 05 ]O OH and lithium raw material LiOH were mixed so that the molar ratio of Li: transition metal (Ni+Co+Mn) was 1.1:1, and the mixed powder was placed in an alumina crucible and calcined at 880℃ for 20 hours in an oxygen (O 2 ) atmosphere to form a lithium composite transition metal oxide Li[Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 ]O 2 in the form of secondary particles with an average particle size D 50 of 14 μm.

제조된 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 투과전자현미경으로 측정한 결과, 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면에 암염상이 존재함이 확인되었고, 상기 암염상의 최대 두께는 대략 50nm 정도였다. 또한, 두께 20nm 이상인 암염 상의 형성 면적은 리튬 복합전이금속 산화물 입자의 전체 표면적의 약 30% 정도였다. As a result of measuring the manufactured lithium composite transition metal oxide particles using a transmission electron microscope, it was confirmed that a rock salt phase existed on the surface of the lithium composite transition metal oxide particles, and the maximum thickness of the rock salt phase was approximately 50 nm. In addition, the formation area of the rock salt phase with a thickness of 20 nm or more was approximately 30% of the total surface area of the lithium composite transition metal oxide particles.

비교예Comparative example 11

[Ni0 . 85Co0 . 1Mn0 .05]O·OH 및 리튬 원료물질 LiOH을 Li : 전이금속(Ni+Co+Mn)의 몰비가 1.1 : 1이 되도록 혼합한 후, 혼합된 분말을 알루미나 도가니에 넣고, 산소(O2) 분위기에서 800℃로 20시간 동안 소성하여 평균 입경 D50이 10㎛인 2차 입자 형태의 리튬 복합 전이금속 산화물 Li[Ni0.85Co0.1Mn0.05]O2를 형성하였다. [Ni 0 . 85 Co 0 . 1 Mn 0 . 05 ]O OH and lithium raw material LiOH were mixed so that the molar ratio of Li: transition metal (Ni+Co+Mn) was 1.1:1, and the mixed powder was placed in an alumina crucible and calcined at 800°C for 20 hours in an oxygen (O 2 ) atmosphere to form a lithium composite transition metal oxide Li[Ni 0.85 Co 0.1 Mn 0.05 ]O 2 in the form of secondary particles having an average particle size D 50 of 10 μm.

제조된 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 투과전자현미경으로 측정한 결과, 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면에 암염상이 존재하지 않는 것으로 확인되었다. As a result of measuring the manufactured lithium composite transition metal oxide particles using a transmission electron microscope, it was confirmed that no rock salt phase existed on the surface of the lithium composite transition metal oxide particles.

비교예Comparative example 2 2

[Ni0 . 9Co0 . 05Mn0 .05]O·OH 및 리튬 원료물질 LiOH을 Li : 전이금속(Ni+Co+Mn)의 몰비가 1.1 : 1이 되도록 혼합한 후, 혼합된 분말을 알루미나 도가니에 넣고, 산소(O2) 분위기에서 800℃로 20시간 동안 소성하여 평균 입경 D50이 14㎛인 2차 입자 형태의 리튬 복합 전이금속 산화물 Li[Ni0.9Co0.05Mn0.05]O2를 형성하였다. [Ni 0 . 9 Co 0 . 05 Mn 0 . 05 ]O OH and lithium raw material LiOH were mixed so that the molar ratio of Li: transition metal (Ni+Co+Mn) was 1.1:1, and the mixed powder was placed in an alumina crucible and calcined at 800°C for 20 hours in an oxygen (O 2 ) atmosphere to form a lithium composite transition metal oxide Li[Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 ]O 2 in the form of secondary particles with an average particle size D 50 of 14 μm.

제조된 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 투과전자현미경으로 측정한 결과, 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면에 암염상이 존재하는 것으로 확인되었으며, 상기 암염 상의 최대 두께가 대략 10nm 정도였다.As a result of measuring the manufactured lithium composite transition metal oxide particles using a transmission electron microscope, it was confirmed that a rock salt phase existed on the surface of the lithium composite transition metal oxide particles, and the maximum thickness of the rock salt phase was approximately 10 nm.

실험예Experimental example 1 1

실시예 1 및 비교예 1의 양극 활물질을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 암염 상 형성 여부를 확인하였다.The positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 were observed using a transmission electron microscope (TEM) to confirm whether a rock salt phase was formed.

도 1에는 실시예 1의 양극 활물질의 TEM 사진이 도시되고 있고, 도 2에는 비교예 1의 양극 활물질의 TEM 사진이 도시되어 있다.FIG. 1 shows a TEM image of the positive electrode active material of Example 1, and FIG. 2 shows a TEM image of the positive electrode active material of Comparative Example 1.

도 1을 통해, 실시예 1의 양극 활물질은 리튬 복합전이금속 산화물의 표면에 약 30nm 두께의 암염 상이 형성되어 있으며, 양극 활물질의 내부는 층상 구조임을 확인할 수 있다. 반면, 도 2에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 양극 활물질은 리튬 복합전이금속 산화물 표면 및 내부가 모두 층상 구조이고, 암염 상이 형성되지 않았음을 확인할 수 있다. Through Fig. 1, it can be confirmed that the positive electrode active material of Example 1 has a rock salt phase with a thickness of about 30 nm formed on the surface of the lithium composite transition metal oxide, and that the interior of the positive electrode active material has a layered structure. On the other hand, as shown in Fig. 2, it can be confirmed that the positive electrode active material of Comparative Example 1 has a layered structure on both the surface and the interior of the lithium composite transition metal oxide, and that no rock salt phase is formed.

<코인 하프셀 제조><Coin Half-Cell Manufacturing>

상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 양극 활물질, 카본블랙 도전재 및 PVdF 바인더를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 96.5 : 1.5 : 2.0의 중량 비율로 혼합하여 양극 합재를 제조하고, 이를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 130℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다. The positive electrode active material, carbon black conductive material, and PVdF binder manufactured by the above examples and comparative examples were mixed in a weight ratio of 96.5:1.5:2.0 in an N-methylpyrrolidone solvent to manufacture a positive electrode composite, which was then applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 130°C, and rolled to manufacture a positive electrode.

음극은 리튬 메탈을 사용하였다.Lithium metal was used as the cathode.

상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 세퍼레이터를 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 케이스 내부로 전해액을 주입하여 코인 하프셀(coin halfcell)를 제조하였다. An electrode assembly was manufactured by interposing a porous polyethylene separator between the positive and negative electrodes manufactured as described above, and after positioning the electrode assembly inside a case, an electrolyte was injected into the case to manufacture a coin halfcell.

이때 전해액은 에틸렌카보네이트/에틸메틸카보네이트/디에틸카보네이트/(EC/EMC/DEC의 혼합 부피비=3/4/3)로 이루어진 유기 용매에 1.0M 농도의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시켜 제조하였다.At this time, the electrolyte was prepared by dissolving 1.0 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in an organic solvent consisting of ethylene carbonate/ethyl methyl carbonate/diethyl carbonate/(mixed volume ratio of EC/EMC/DEC = 3/4/3).

실험예Experimental example 2 - 연속 충전 평가2 - Continuous charging evaluation

실시예 1~2, 비교예 1~2의 양극 활물질을 사용하여 상기 방법으로 제조한 코인 하프셀에 대해 연속 충전 시험을 수행하였다. 구체적으로는 각각의 코인 하프셀 3개를 50℃에서 0.2C/0.2C 충방전 후 CC-CV 모드로 4.7V가 될 때까지 0.2C로 충전하고 120시간으로 종료 설정을 한 후, 120시간 동안의 전류 및 전압 변화를 측정하였다.A continuous charging test was performed on coin half-cells manufactured by the above method using the positive electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. Specifically, three coin half-cells each were charged at 0.2 C/0.2 C at 50° C., then charged at 0.2 C in CC-CV mode until the voltage reached 4.7 V, and the termination time was set to 120 hours. Then, the current and voltage changes for 120 hours were measured.

측정 결과는 도 3 ~ 6에 나타내었다. 도 3에는 실시예 1의 양극 활물질을 사용한 코인 하프셀의 연속 충전 시험 결과를 나타내었으며, 도 4에는 실시예 2의 양극 활물질을 사용한 코인 하프셀의 연속 충전 시험 결과를 나타내었다. 또한, 도 5 및 6에는 각각 비교예 1의 양극 활물질과 비교예 2의 양극 활물질을 사용한 코인 하프셀의 연속 충전 시험 결과를 나타내었다. The measurement results are shown in Figs. 3 to 6. Fig. 3 shows the results of a continuous charging test of a coin half-cell using the positive electrode active material of Example 1, and Fig. 4 shows the results of a continuous charging test of a coin half-cell using the positive electrode active material of Example 2. In addition, Figs. 5 and 6 show the results of a continuous charging test of a coin half-cell using the positive electrode active material of Comparative Example 1 and the positive electrode active material of Comparative Example 2, respectively.

도 3 ~ 6에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 2의 양극 활물질을 적용한 코인 하프셀의 경우, 고온/고전압 연속 충전 시에도 전류 및 전압이 안정적으로 유지된 데 반해, 비교예 1 및 2의 양극 활물질의 적용한 코인 하프셀은 전류 누설이 발생하였음을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 3 to 6, in the case of the coin half-cells to which the positive active materials of Examples 1 and 2 were applied, the current and voltage were stably maintained even during continuous charging at high temperatures and high voltages, whereas in the case of the coin half-cells to which the positive active materials of Comparative Examples 1 and 2 were applied, it was confirmed that current leakage occurred.

Claims (11)

전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 층상 구조의 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 포함하고,
상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되어 있고,
상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자는 하기 [화학식 1]로 표시되는 것인, 양극 활물질:
[화학식 1]
Lix[NiyCozM1 wM2 v]O2
상기 화학식 1에서,
상기 M1은 Mn 및 Al으로부터 선택되는 1종 이상이며,
상기 M2는 Ba, Ca, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, 및 Mo 중에서 선택되는 1종 이상이고,
0.9≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z≤0.15, 0<w<0.2, 0≤v≤0.2임.
Contains layered lithium composite transition metal oxide particles having a nickel content of 80 atm% or more among the total transition metals,
A rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the surface of the lithium composite transition metal oxide particle,
The above lithium composite transition metal oxide particles are cathode active materials represented by the following [chemical formula 1]:
[Chemical Formula 1]
Li x [Ni y Co z M 1 w M 2 v ]O 2
In the above chemical formula 1,
The above M 1 is at least one selected from Mn and Al,
The above M 2 is at least one selected from Ba, Ca, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, and Mo,
0.9≤x≤1.5, 0.8≤y<1, 0<z≤0.15, 0<w<0.2, 0≤v≤0.2.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서, 0.85≤y<1인 양극 활물질.
In the first paragraph,
In the above chemical formula 1, a positive electrode active material where 0.85≤y<1.
제1항에 있어서,
상기 암염상(rock-salt phase)의 두께가 30nm 내지 500nm인 양극 활물질.
In the first paragraph,
A cathode active material having a rock-salt phase having a thickness of 30 nm to 500 nm.
제1항에 있어서,
상기 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성된 면적이 상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자 전체 표면적의 10% 내지 100%인 양극 활물질.
In the first paragraph,
A cathode active material in which an area of a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed is 10% to 100% of the total surface area of the lithium composite transition metal oxide particles.
제1항에 있어서,
상기 리튬 복합전이금속 산화물 입자는 복수개의 1차 입자들이 응집된 2차 입자 형상인 양극 활물질.
In the first paragraph,
The above lithium composite transition metal oxide particles are cathode active materials in the form of secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated.
제6항에 있어서,
상기 2차 입자의 평균 입경 D50이 10 내지 20㎛인 양극 활물질.
In Article 6,
A cathode active material having an average particle diameter D 50 of the above secondary particles of 10 to 20 μm.
전체 전이금속 중 니켈의 함유량이 80atm% 이상인 전이금속 전구체 및 리튬 원료물질을 혼합하는 단계; 및
상기 혼합물을 850℃ 내지 1000℃의 온도로 소성하여, 입자 표면의 적어도 일부 영역에 두께가 20nm 이상인 암염상(rock-salt phase)이 형성되어 있는 리튬 복합전이금속 산화물 입자를 형성하는 단계를 포함하는, 청구항 1에 따른 양극 활물질의 제조 방법.
A step of mixing a transition metal precursor and a lithium raw material having a nickel content of 80 atm% or more among the total transition metals; and
A method for producing a cathode active material according to claim 1, comprising the step of calcining the mixture at a temperature of 850° C. to 1000° C. to form lithium composite transition metal oxide particles in which a rock-salt phase having a thickness of 20 nm or more is formed on at least a portion of the particle surface.
제8항에 있어서,
상기 전이금속 전구체 및 리튬 원료물질은 리튬 : 전이금속의 몰비가 1 : 1 내지 1.25 : 1이 되도록 혼합되는 것인 양극 활물질의 제조방법.
In Article 8,
A method for producing a cathode active material, wherein the above transition metal precursor and lithium raw material are mixed so that the molar ratio of lithium:transition metal is 1:1 to 1.25:1.
청구항 1의 양극 활물질을 포함하는 양극.
A positive electrode comprising the positive active material of claim 1.
청구항 10의 양극을 포함하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising the positive electrode of claim 10.
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