KR20070108664A - Method of manufacturing lithium iron phosphate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) Fe2+ 전구체 화합물의 수용액에 리튬과 인의 전구체 화합물을 혼합하여 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 준비하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 가열, 세척하여 고체 물질을 얻는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계의 고체 물질을 비활성 분위기 또는 비활성과 환원 분위기 하에 열처리하는 단계를 포함하는 LiFePO4의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 LiFePO4 및 이를 양극활물질로 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of (a) mixing a precursor compound of lithium and phosphorus in an aqueous solution of the Fe 2+ precursor compound to prepare an aqueous solution or suspension of the mixture; (b) heating and washing the aqueous solution or suspension of the mixture of step (a) to obtain a solid material; And (c) relates to a method for producing LiFePO 4 comprising the step of heat-treating the solid material of step (b) in an inert atmosphere or inert and reducing atmosphere. The present invention also relates to a LiFePO 4 produced by the above method and a secondary battery including the same as a cathode active material.
Description
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 LiFePO4 분말의 X선 회절 분석(XRD) 패턴도이다.1 is an X-ray diffraction analysis (XRD) pattern diagram of a LiFePO 4 powder prepared according to Example 1. FIG.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 LiFePO4 분말의 SEM 사진이다.2 is a SEM photograph of the LiFePO 4 powder prepared according to Example 1.
도 3은 실시예 2에 따라 제조된 전지의 0.1C에서의 초기 충방전 용량을 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing initial charge and discharge capacity at 0.1C of a battery prepared according to Example 2.
도 4는 비교예 2에 따라 제조된 전지의 0.1C에서의 초기 충방전 용량을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing initial charge and discharge capacity at 0.1C of a battery prepared according to Comparative Example 2.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 전지의 고율 방전 특성(C-rate capability)을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing high-rate discharge characteristics (C-rate capability) of the battery prepared according to Example 2.
도 6은 비교예 2에 따라 제조된 전지의 고율 방전 특성(C-rate capability)을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the high-rate discharge characteristics (C-rate capability) of the battery prepared according to Comparative Example 2.
도 7은 실시예 2에 따라 제조된 전지의 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the cycle characteristics of the battery prepared according to Example 2.
본 발명은 반응물을 최소화하여 부반응의 발생을 억제한 LiFePO4의 제조방법 및 이에 의해 제조된 LiFePO4를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing LiFePO 4 that minimizes the reaction to suppress the occurrence of side reactions, and a secondary battery including the LiFePO 4 produced thereby.
최근 전자 장비의 소형화 및 경량화가 실현되고 휴대용 전자 기기의 사용이 일반화됨에 따라, 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차 전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.Recently, as miniaturization and light weight of electronic equipment have been realized and the use of portable electronic devices has become common, research on lithium secondary batteries having high energy density has been actively conducted. A lithium secondary battery is prepared by using a material capable of inserting and detaching lithium ions as a negative electrode and a positive electrode, and filling an organic or polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode, and lithium ions can be inserted and removed from the positive electrode and the negative electrode. Electrical energy is generated by oxidation and reduction reactions.
현재까지 양극활물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등이 주로 연구되어 왔으며 상용화에도 성공하고 있다. 하지만 현재 가장 널리 사용되고 있는 LiCoO2의 경우 원료 가격이 높으며 환경적인 문제를 발생시키고 있다. 또한 LiCoO2의 대체 재료로서 연구되는 LiNiO2의 경우 그 제조가 어렵고 열적 안정성이 떨어지며, LiMn2O4는 고온에서 전극 퇴화가 빠르게 일어나고 전기 전도도가 낮다는 단점을 가지고 있다.LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc. have been mainly studied as a cathode active material. However, LiCoO 2 , which is currently widely used, has a high raw material price and causes environmental problems. In addition, LiNiO 2 , which is studied as a substitute material for LiCoO 2 , is difficult to manufacture and has low thermal stability, and LiMn 2 O 4 has disadvantages of rapid electrode degradation at high temperature and low electrical conductivity.
새로운 전지 재료인 LiFePO4는 환경친화적이고, 코발트와 같은 희귀 금속을 사용하는 대신 매장량이 가장 풍부한 금속인 철을 함유하고 있어 원료 가격도 매우 저렴하다. 또한, 방전 전압은 3.4V(vs. Li/Li+)이며, 이론 용량이 170mAh/g으로서 전지 용량 또한 우수하다. The new battery material, LiFePO 4, is environmentally friendly and contains iron, which is the most abundant metal, instead of using rare metals such as cobalt. In addition, the discharge voltage is 3.4 V (vs. Li / Li + ), and the theoretical capacity is 170 mAh / g, and the battery capacity is also excellent.
상기 LiFePO4 분말은 종래 고상반응법, 졸겔법 등에 의해 제조된다. US 2002-0004169A1에서는 철 아세테이트, 리튬 카보네이트 및 암모늄 디하이드로겐 포스페이트를 반응물로 사용하여 LiFePO4를 합성하는 방법을 개시하였다. 그러나 상기 제조방법을 이용할 경우, 아세트산 및 암모니아와 같은 유독성 부산물이 발생하여 큰 용량의 기체 수집기가 필요할 뿐만 아니라 전구체 혼합물의 큰 전체 부피 및 철 아세테이트의 높은 단가 등의 문제가 발생하였다.The LiFePO 4 powder is prepared by a conventional solid phase reaction method, sol-gel method and the like. US 2002-0004169A1 discloses a method for synthesizing LiFePO 4 using iron acetate, lithium carbonate and ammonium dihydrogen phosphate as reactants. However, when using the preparation method, toxic by-products such as acetic acid and ammonia are generated, which not only requires a large capacity gas collector but also a problem such as a large total volume of the precursor mixture and a high cost of iron acetate.
WO02/099913A1에서는 환원 분위기하에서 Fe(NO3)3·9H2O와 LiH2PO4의 고상 반응(solid state reaction)을 통한 LiFePO4의 합성 방법을 개시하였다. 그러나 반응물 중 하나인 LiH2PO4는 상업적으로 접근이 용이하지 않아 대량 생산 공정에는 적합하지 않았다. WO02 / 099913A1 discloses a method for the synthesis of LiFePO 4 via solid state reaction of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O and LiH 2 PO 4 in a reducing atmosphere. However, LiH 2 PO 4 , one of the reactants, was not commercially accessible and therefore not suitable for mass production processes.
또한, EP 1391424 A2에서 LiFePO4의 제조방법을 제시하였으나, 이에 의하면 일산화탄소와 암모니아와 같은 유독성 기체가 부산물로 얻어질 뿐만 아니라 750~800℃ 범위의 고온이 요구되었다. 또한 제조된 LiFePO4의 방전 용량이 0.2mA/cm2의 전류 밀도하에서 121mAh/g 정도에 불과하였다.In addition, EP 1391424 A2 proposed a method for producing LiFePO 4 , but according to this, toxic gases such as carbon monoxide and ammonia were obtained as by-products, and high temperatures in the range of 750 to 800 ° C. were required. In addition, the discharge capacity of the manufactured LiFePO 4 was only about 121mAh / g under a current density of 0.2mA / cm 2 .
따라서, LiFePO4의 제조에 있어서 재현성이 좋고, 제조 공정이 단순하며, 비용도 적게 소요되면서 대량 생산에 적합한 새로운 제조방법이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a new manufacturing method suitable for mass production while having good reproducibility, simple manufacturing process, and low cost in producing LiFePO 4 .
본 발명은 반응에 참여하는 반응물의 종류를 줄여 반응을 단순화시켜서 부반응의 발생을 최소화하고, 균일하면서도 우수한 물성을 지닌 LiFePO4의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention aims to provide a method for producing LiFePO 4 with uniform and excellent physical properties by minimizing the occurrence of side reactions by reducing the type of reactants participating in the reaction and simplifying the reaction.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 LiFePO4 및 이를 양극활물질로 사용한 이차전지를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a LiFePO 4 produced by the above method and a secondary battery using the same as a cathode active material.
본 발명은 (a) Fe2+ 전구체 화합물의 수용액에 리튬과 인의 전구체 화합물을 혼합하여 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 준비하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 가열, 세척하여 고체 물질을 얻는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계의 고체 물질을 비활성 분위기, 또는 비활성과 환원 분위기 하에 열처리하는 단계를 포함하는 LiFePO4의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of (a) mixing a precursor compound of lithium and phosphorus in an aqueous solution of the Fe 2+ precursor compound to prepare an aqueous solution or suspension of the mixture; (b) heating and washing the aqueous solution or suspension of the mixture of step (a) to obtain a solid material; And (c) provides a method for producing LiFePO 4 including the step of heat-treating the solid material of step (b) under an inert atmosphere, or an inert and reducing atmosphere.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 LiFePO4 및 이를 양극활물질로 포함하는 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a secondary battery comprising LiFePO 4 and the cathode active material prepared by the above method.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 LiFePO4의 제조를 위해 사용하는 반응물의 종류를 2가지, 즉 Fe2+의 공급원인 Fe2+ 전구체 화합물, 및 Li+와 (PO4)3-의 공급원인 리튬과 인이 동시에 포함된 전구체 화합물 만을 사용함으로써, 반응을 최대한 단순화시켜 부반응의 발생을 억제한 것을 특징으로 한다.The invention causes the supply of the two, i.e., Fe 2+ the type of reactants used for the preparation of the LiFePO 4 precursor compounds Fe 2+, and Li + and (PO 4) 3-, and the lithium supply source comprises at the same time the By using only the prepared precursor compound, the reaction can be simplified as much as possible to suppress the occurrence of side reactions.
또한, 본 발명의 제조방법은 수열(hydrothermal)법을 이용한 것을 특징으로 한다. 따라서, 기존의 고상(solid state) 반응보다 빠른 시간내에 LiFePO4를 제조할 수 있으며, 온도와 반응물의 농도를 조절함으로써 제조되는 LiFePO4의 1차 입자의 크기를 100nm 이하의 수준으로 제어하여 레이트(rate) 특성을 높일 수 있다. In addition, the production method of the present invention is characterized by using a hydrothermal method. Therefore, LiFePO 4 can be prepared in a faster time than the conventional solid state reaction, and the rate of the primary particles of LiFePO 4 produced by controlling the temperature and the concentration of the reactants is controlled to a level of 100 nm or less. rate) characteristic can be improved.
또한, 본 방법에 따라 제조된 LiFePO4는 1차 입자 크기가 약 100nm 정도로서 고상 반응으로 합성된 물질에 비해 1차 입자 크기가 작으며, 합성 온도(상기 (b)단계의 가열 온도)가 물의 임계점보다 높을 경우에 LiFePO4 입자간의 뭉침의 정도(degree of agglomeration)가 낮은 특징을 보인다.In addition, the LiFePO 4 prepared according to the present method has a primary particle size of about 100 nm and a smaller primary particle size than a material synthesized by a solid phase reaction, and the synthesis temperature (heating temperature in step (b)) is a critical point of water. If higher, the degree of agglomeration between LiFePO 4 particles is low.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 (a)단계의 혼합물의 수용액 또는 현탁액, 또는 상기 (b)단계에서 얻어진 고체 물질은 추가적으로 탄소 소스를 혼합하여 사용할 수 있다.In the production method of the present invention, the aqueous solution or suspension of the mixture of step (a), or the solid material obtained in step (b) may be used by additionally mixing a carbon source.
즉, 상기 (a)단계의 혼합물의 수용액 또는 현탁액은 추가적으로 탄소 소스를 혼합하여 준비할 수 있다. 구체적으로, Fe2+ 전구체 화합물의 수용액에 리튬과 인의 전구체 화합물을 혼합하고, 추가적으로 탄소 소스를 혼합하여 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 준비할 수 있다. That is, the aqueous solution or suspension of the mixture of step (a) may be prepared by additionally mixing a carbon source. Specifically, an aqueous solution or suspension of the mixture may be prepared by mixing a precursor compound of lithium and phosphorus in an aqueous solution of the Fe 2+ precursor compound and further mixing a carbon source.
또한, 본 발명의 제조방법에서, (b)단계에서 얻어진 고체 물질은 추가적으로 탄소 소스를 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로, 탄소 소스를 혼합하지 않은 (a)단계의 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 가열하여 (b)단계의 고체 물질인 LiFePO4를 합성한 후에, LiFePO4에 탄소 소스를 혼합하여 (c)단계에서 함께 소성함으로써 탄소 코팅을 할 수도 있다.In addition, in the production method of the present invention, the solid material obtained in step (b) may be used by additionally mixing a carbon source. Specifically, after heating the aqueous solution or suspension of the mixture of step (a) without mixing the carbon source to synthesize LiFePO 4 as a solid material of step (b), the carbon source is mixed with LiFePO 4 in step (c) Carbon coating can also be performed by baking together.
상기 탄소 소스는 C, H, O; 또는 C, H, N; 또는 C, H, O, N 원소로 이루어진 수용성 화합물을 사용할 수 있다. 상기 탄소 소스는 휘발성이 크지 않으며, 탄소 함량이 높으며, 열처리 후 탄소 외의 잔류물이 남지 않는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 탄소 소스로는 수크로오스(sucrose), 또는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 같은 수용성 폴리머, 또는 옥살산(oxalic acid), 레조르시놀(resorcinol), 시트르산(citric acid), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate)와 같은 유기 화합물 등이 있다. 이들 화합물은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. The carbon source is C, H, O; Or C, H, N; Or a water-soluble compound composed of C, H, O, and N elements. The carbon source is preferably not volatile, has a high carbon content, and leaves no residue other than carbon after heat treatment. Specifically, the carbon source may be sucrose, or a water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), or oxalic acid, resorcinol, citric acid. And organic compounds such as cellulose acetate. These compounds can be used individually or in mixture of 2 or more types.
(b)단계에서 얻어진 고체 물질에 추가적으로 탄소 소스를 혼합할 경우, 탄소 소스는 반드시 수용성일 필요는 없으며 사용하는 용매에 따라 다를 수 있다. 즉, 용매로 물을 사용할 경우에는 수용성 탄소 소스를 사용할 수 있고, 유기 용매를 사용할 경우에는 유기 용매에 녹는 탄소 소스를 사용할 수 있다. 후자의 비제한적인 예로는 pitch를 THF에 녹인 용액이 있다.When additionally mixing the carbon source with the solid material obtained in step (b), the carbon source is not necessarily water soluble and may vary depending on the solvent used. That is, when water is used as the solvent, a water-soluble carbon source may be used, and when an organic solvent is used, a carbon source that is soluble in an organic solvent may be used. A non-limiting example of the latter is a solution of pitch dissolved in THF.
본 발명에 따른 LiFePO4의 제조 시, Fe2+ 전구체 화합물의 수용액에 리튬과 인의 전구체 화합물을 혼합하고, 추가적으로 탄소 소스를 혼합하여 혼합물의 수용 액 또는 현탁액을 준비할 경우, 상기 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 가열, 세척하는 (b)단계에 의해 얻어지는 고체 물질은 LiFePO4-탄소 소스의 혼합물이다. 그리고, 상기 (b)단계에 의해 얻어지는 고체 물질을 열처리하는 (c)단계에 의해 탄소 소스가 탄화되어 탄소 코팅된 LiFePO4를 제조할 수 있다.In the preparation of LiFePO 4 according to the present invention, when a precursor compound of lithium and phosphorus is mixed with an aqueous solution of a Fe 2+ precursor compound and additionally a carbon source is mixed to prepare an aqueous solution or suspension of the mixture, the aqueous solution or suspension of the mixture The solid material obtained by step (b) of heating and washing is a mixture of LiFePO 4 -carbon sources. In addition, the carbon source may be carbonized to prepare carbon-coated LiFePO 4 by the step (c) of heat treating the solid material obtained by the step (b).
상기 제조 공정에 의하면 전자전도도가 낮은 LiFePO4의 1차 입자 사이에 탄소가 위치하도록 탄소 코팅할 수 있으며, 코팅된 탄소는 도전제로서 LiFePO4 1차 입자 사이의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.According to the manufacturing process may be carbon coating so that the carbon is located between the primary particles of LiFePO 4 having a low electron conductivity, the coated carbon may improve the electrical conductivity between the LiFePO 4 primary particles as a conductive agent.
본 발명의 LiFePO4 제조방법에 있어서, Fe2+ 전구체 화합물로는 Fe2+를 포함하는 화합물이 바람직하다. Fe3+의 경우 Fe2+로 쉽게 환원되지 않기 때문이다. Fe2+ 전구체 화합물의 예로는 FeSO4, FeCl2, Fe(NO3)2, Fe(OH)2, Fe(OCOCH3)2, 철옥살레이트(FeC2O4 2H2O) 등이 있으며, 이들 화합물은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. In the method for producing LiFePO 4 of the present invention, the Fe 2+ precursor compound is preferably a compound containing Fe 2+ . This is because Fe 3+ is not easily reduced to Fe 2+ . Examples of Fe 2+ precursor compounds include FeSO 4 , FeCl 2 , Fe (NO 3 ) 2 , Fe (OH) 2 , Fe (OCOCH 3 ) 2 , iron oxalate (FeC 2 O 4 2H 2 O), and the like. These compounds can be used individually or in mixture of 2 or more types.
리튬과 인의 전구체 화합물에는 LiH2PO4, Li2HPO4, Li3PO4 등이 있으며, 이들 화합물은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The precursor compounds of lithium and phosphorus include LiH 2 PO 4 , Li 2 HPO 4 , Li 3 PO 4 , and the like, and these compounds may be used alone or in combination of two or more thereof.
본 발명의 (a)단계에서 Fe2+ 전구체 화합물의 수용액에 리튬과 인의 전구체 화합물을 혼합할 때, Fe2+ 전구체 화합물: 리튬과 인의 전구체 화합물의 몰비는 1: 1로 할 수 있다. 상기 몰비를 벗어나 혼합할 경우 반응 부산물이 발생하거나 또는 미반응 물질이 남을 수 있다. When mixing a precursor compound of lithium and phosphorus in an aqueous solution of the Fe 2+ precursor compound in step (a) of the present invention, the molar ratio of the Fe 2+ precursor compound: the precursor compound of lithium and phosphorus may be 1: 1. When mixed outside the molar ratio, reaction by-products may occur or unreacted materials may remain.
또한, 상기 (a)단계의 혼합물의 수용액 또는 현탁액, 또는 상기 (b)단계에서 얻어진 고체 물질에 추가적으로 탄소 소스를 혼합할 경우, 혼합되는 탄소 소스의 양은 구체적인 탄소 소스의 종류에 따라 다르지만, (c)단계에서 열처리하여 제조되는 탄소 코팅된 LiFePO4 중 탄소의 함량은 0.01~20 중량%, 바람직하게는 0.01~10 중량%인 것이 바람직하다. 제조된 LiFePO4 중 탄소 함량이 0.01 중량% 미만이면 충분한 전자 전도도를 얻기 어렵고, 20 중량% 초과이면 활물질의 양이 줄어들어 용량이 작아진다.In addition, when the carbon source is additionally mixed with the aqueous solution or suspension of the mixture of step (a) or the solid material obtained in step (b), the amount of carbon source to be mixed depends on the type of specific carbon source, but (c The content of carbon in the carbon-coated LiFePO 4 prepared by heat treatment in step) is preferably 0.01 to 20% by weight, preferably 0.01 to 10% by weight. If the carbon content of the produced LiFePO 4 is less than 0.01% by weight, it is difficult to obtain sufficient electronic conductivity, and if it is more than 20% by weight, the amount of the active material is reduced to decrease the capacity.
본 발명의 (a)단계에서 준비된 혼합물의 수용액 또는 현탁액을 가열, 세척하여 고체 물질을 얻는 (b)단계에서의 가열은 반응물에 따라 달라질 수 있는데, 일반적으로 100~400℃에서 진행될 수 있다. 세척은 증류수(distilled and de-ionized water)를 사용하여 할 수 있으며, 이렇게 하여 얻어지는 고체 물질은 비결정 상태 또는 결정 상태의 LiFePO4가 된다. 합성 온도가 높아질수록 얻어지는 고체 물질의 결정성은 증가하게 된다.The heating in step (b) of obtaining a solid material by heating and washing the aqueous solution or suspension of the mixture prepared in step (a) of the present invention may vary depending on the reactants, and generally may be performed at 100 to 400 ° C. The washing can be done using distilled and de-ionized water, and the solid material thus obtained becomes amorphous or crystalline LiFePO 4 . As the synthesis temperature increases, the crystallinity of the resulting solid material increases.
또한, 상기 (c)단계의 열처리시 온도 및 시간은 특별한 제한이 없으나, 500~800℃에서 1~40시간의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 500℃보다 낮을 경우 결정성 물질이 형성되기 어려우며, 800℃보다 높을 경우 입자들의 크기가 너무 커지므로 레이트 특성이 떨어진다. 또한, 열처리시의 분위기는 통상적인 비활성(N2, Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn 등), 또는 비활성과 환원성(H2) 분위기가 적절하며, 특히 2% (부피비)의 수소가 혼합된 질소 기체를 사용할 수 있다. 이는 철(Fe2+)의 산화를 방지하기 위해서이다.In addition, the temperature and time during the heat treatment of step (c) is not particularly limited, but is preferably made in the range of 1 to 40 hours at 500 ~ 800 ℃. If the heat treatment temperature is lower than 500 ℃ hard to form a crystalline material, if higher than 800 ℃ because the size of the particles too large rate characteristics are inferior. In addition, the atmosphere at the time of heat treatment is conventional inert (N 2 , Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn, etc.), or inert and reducing (H 2 ) atmosphere is suitable, especially 2% (volume ratio) of hydrogen Mixed nitrogen gas may be used. This is to prevent oxidation of iron (Fe 2+ ).
본 발명은 상기 제시한 방법에 의해 제조된 LiFePO4를 포함한다.The present invention includes LiFePO 4 prepared by the method presented above.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 LiFePO4를 양극활물질로 포함하는 이차전지를 제공한다. 본 발명의 이차전지는 본 발명의 LiFePO4를 양극활물질로 사용하여 제조한 양극을 포함하여 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고 전해액을 투입하여 제조할 수 있다. 이차전지는 리튬이온 이차전지, 리튬폴리머 이차전지 또는 리튬이온폴리머 이차전지 등을 포함한다.The present invention also provides a secondary battery comprising LiFePO 4 prepared by the above method as a cathode active material. The secondary battery of the present invention can be produced by a conventional method known in the art, including a positive electrode prepared by using the LiFePO 4 of the present invention as a positive electrode active material. For example, a porous separator may be inserted between the positive electrode and the negative electrode to add an electrolyte solution. The secondary battery includes a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery.
본 발명의 이차전지에서 전극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 LiFePO4를 양극활물질로 사용하고 바인더와 용매, 필요에 따라 도전제, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다. In the secondary battery of the present invention, the electrode can be prepared by conventional methods known in the art. For example, using LiFePO 4 prepared according to the manufacturing method of the present invention as a positive electrode active material, a binder and a solvent, if necessary, a conductive agent and a dispersant are mixed and stirred to prepare a slurry and then applied to a current collector of a metal material And then compressed and dried to prepare a positive electrode.
전극활물질에 대하여 바인더는 1~10 중량비로, 도전제는 1~30 중량비로 적절히 사용할 수 있다.The binder can be suitably used in an amount of 1 to 10 by weight and the conductive agent in an amount of 1 to 30 by weight based on the electrode active material.
음극활물질로는 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소재, 리튬 금속 또 는 이의 합금이 사용 가능하며, 기타 리튬을 흡장 및 방출할 수 있고, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2, Li4Ti5O12, LiTi2O4 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있다. 특히, 흑연 등의 탄소재가 바람직하다.As the negative electrode active material, a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, a lithium metal or an alloy thereof may be used, and other TiO 2 , SnO 2 , which may occlude and release lithium, and have a potential for lithium less than 2 V. Metal oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4, and the like can be used. In particular, carbon materials, such as graphite, are preferable.
사용 가능한 바인더의 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 등이 있다.Examples of binders that can be used include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and the like.
도전제로는 일반적으로 카본블랙 (carbon black)을 사용할 수 있고, 현재 도전제로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다.Generally, carbon black may be used as the conductive agent, and acetylene black series (such as a Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company) may be used as a commercially available product. Ketjen Black EC series (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company) and Super P (MMM) There is this.
금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 전극활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로, 알루미늄, 구리, 금, 니켈 혹은 알루미늄 합금 혹은 이들의 조합에 의해서 제조되는 메쉬 (mesh), 호일 (foil)등이 있다.The current collector of the metal material is a metal having high conductivity, and any metal can be used as long as the slurry of the electrode active material can be easily adhered and is not reactive in the voltage range of the battery. Representative examples include meshes, foils, and the like, which are manufactured by aluminum, copper, gold, nickel or an aluminum alloy or a combination thereof.
전해액은 비수 용매와 전해질 염을 포함할 수 있다. The electrolyte may include a nonaqueous solvent and an electrolyte salt.
비수 용매는 통상 비수 전해액용 비수 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 또 는 케톤을 사용할 수 있다.The nonaqueous solvent is not particularly limited as long as it is normally used as a nonaqueous solvent for nonaqueous electrolyte, and cyclic carbonate, linear carbonate, lactone, ether, ester, or ketone can be used.
상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 있고, 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 상기 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 상기 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄 등이 있다. 또한 상기 에스테르의 예로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 이들 비수 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like. Examples of the linear carbonate include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) and dipropyl carbonate. (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), and the like. Examples of the lactone include gamma butyrolactone (GBL), and examples of the ether include dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, and the like. There is this. In addition, examples of the ester include methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, methyl pivalate, and the like, and the ketone includes polymethylvinyl ketone. These nonaqueous solvents can be used individually or in mixture of 2 or more types.
전해질 염은 통상 비수 전해액용 전해질 염으로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 전해질 염의 비제한적인 예는 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, ASF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이다. 특히, 리튬 염이 바람직하다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The electrolyte salt is not particularly limited as long as it is usually used as an electrolyte salt for nonaqueous electrolyte. Electrolytic salt, non-limiting example, A + B - A salt of the structure, such as, A + comprises a Li +, Na +, an alkali metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as K + B - is PF 6 - , BF 4 -, Cl -, Br -, I -, ClO 4 -, ASF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2 ) 3 - and a salt containing the same anion ion or a combination thereof. In particular, lithium salts are preferred. These electrolyte salts can be used individually or in mixture of 2 or more types.
본 발명의 이차 전지는 분리막을 포함할 수 있다. 사용 가능한 분리막은 특 별한 제한이 없으나, 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 또는 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 있다.The secondary battery of the present invention may include a separator. The separator that can be used is not particularly limited, but it is preferable to use a porous separator, and non-limiting examples include a polypropylene-based, polyethylene-based, or polyolefin-based porous separator.
본 발명의 이차 전지는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The secondary battery of the present invention is not limited in appearance, but may be cylindrical, square, pouch type, or coin type using a can.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present invention and the present invention is not limited by the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
0.1M의 FeSO4 수용액(150mL)에 Li3PO4(1.74g)를 교반하면서 첨가하여 혼합물의 현탁액을 준비하였다. 그리고, 상기 혼합물의 현탁액을 autoclave 반응기에 넣었다.A suspension of the mixture was prepared by adding Li 3 PO 4 (1.74 g) to 0.1 M aqueous FeSO 4 solution (150 mL) with stirring. The suspension of the mixture was then placed in an autoclave reactor.
Autoclave 반응기를 실링(sealing)하고 Ar 기체를 이용하여 반응기 내부의 산소를 모두 제거하였다. 390℃에서 1시간 동안 반응을 진행시킨 후, autoclave 반응기를 냉각시키고 반응기 내의 생성물을 증류수로 세척, 필터링, 및 건조를 하여 고체 물질을 얻었다.The autoclave reactor was sealed and all the oxygen inside the reactor was removed using Ar gas. After the reaction was conducted at 390 ° C. for 1 hour, the autoclave reactor was cooled and the product in the reactor was washed with distilled water, filtered, and dried to obtain a solid material.
이 고체 물질을 세라믹 도가니에 넣고, LiFePO4의 중량비 기준으로 15%에 해당하는 sucrose를 물에 녹인 수용액과 잘 섞은 후, 진공 oven내에서 건조시켰다. 건조된 물질을 N2 기체 분위기 하에 650℃의 전기 화로에서 2시간 동안 열처리하여 최종적으로 탄소 코팅된 LiFePO4를 제조하였다. 제조된 LiFePO4의 평균 입경은 1차 입자 기준으로 100nm이었고, 제조된 LiFePO4 중 탄소 함량은 4.5 중량%이었다. The solid material was placed in a ceramic crucible, and 15% of sucrose, based on the weight ratio of LiFePO 4 , was mixed well with an aqueous solution dissolved in water, and then dried in a vacuum oven. The dried material was heat treated in an electric furnace at 650 ° C. for 2 hours under an N 2 gas atmosphere to finally prepare a carbon coated LiFePO 4 . The average particle size of the produced LiFePO 4 was 100nm as the primary particle basis, was prepared LiFePO 4 carbon content was 4.5 wt%.
(실시예 2)(Example 2)
실시예 1에서 제조된 LiFePO4를 양극활물질로 사용하였다. 상기 LiFePO4 88 중량부에 도전제로 아세틸렌블랙 6 중량부와 바인더로 PVDF 6 중량부를 혼합하고 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄(Al) 집전체 상에 도포, 건조하여 양극을 제조하였다. LiFePO 4 prepared in Example 1 was used as a cathode active material. After mixing 88 parts by weight of LiFePO 4 with 6 parts by weight of acetylene black as a conductive agent and 6 parts by weight of PVDF with a binder, and added to NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) to prepare a positive electrode slurry, this is an aluminum (Al) current collector It was applied to the layer and dried to prepare a positive electrode.
음극으로 리튬호일을 사용하여 상기 방법으로 제조한 양극과 함께 코인 반전지(halfcell)를 구성하였다.Using a lithium foil as a negative electrode, a coin half cell was constructed together with the positive electrode prepared by the above method.
전해질로는 1M의 LiPF6 / 에틸렌카보네이트(EC): 에틸메틸카보네이트(EMC) (v:v= 1:2)을 사용하였고, 제조된 양극과 음극 사이에 폴리올레핀 계열 분리막을 개재시킨 후 상기 전해액을 주입하여 전지를 제조하였다.1 M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) (v: v = 1: 2) was used as an electrolyte, and the electrolyte was prepared by interposing a polyolefin-based separator between the prepared anode and cathode. The battery was prepared by injection.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
Fe2+ 함유 화합물로 Fe2O3와 리튬염으로 Li2CO3 및 인산염으로 (NH4)2HPO4를 몰(mole) 비로 1: 1: 2로 혼합하고 sucrose용액에 적신 후 진공오븐에서 건조하였다. 건조과정 후, 상기 혼합물을 스테인레스 스틸 볼을 갖는 스테인레스 스틸 용기에 넣고 유량 볼 밀러(planetary ball miller)를 사용하여 균일하게 섞어 혼합물을 준비하였다.Fe 2+ containing compound, Fe 2 O 3 , Li salt, Li 2 CO 3 and Phosphate (NH 4 ) 2 HPO 4 in a molar ratio of 1: 1: 2, soaked in sucrose solution and vacuum oven Dried. After the drying process, the mixture was placed in a stainless steel container having stainless steel balls and uniformly mixed using a planetary ball miller to prepare a mixture.
상기 혼합물을 세라믹 도가니에 넣어 350℃의 전기 화로에서 5시간동안 전처 리하고 다시 750℃에서 8시간 동안 소성하였으며, 이때 소성은 N2 / 2% H2 혼합 기체의 환원 분위기 하에서 수행하였다. 상기의 소성 과정을 통해 탄소 코팅된 LiFePO4를 얻었으며, 이의 탄소 함량은 9 중량%이었다. The mixture was placed in a ceramic crucible and pretreated for 5 hours in an electric furnace at 350 ° C. and then calcined at 750 ° C. for 8 hours, at which time firing was performed under a reducing atmosphere of N 2 /2% H 2 mixed gas. LiFePO 4 coated with carbon was obtained through the firing process, and the carbon content thereof was 9 wt%.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
비교예 1에서 제조된 LiFePO4를 양극활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that LiFePO 4 prepared in Comparative Example 1 was used as the cathode active material.
(실험 1: LiFePO4의 분석)Experiment 1: Analysis of LiFePO 4
실시예 1에서 제조된 LiFePO4를 분석하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다. 시료로는 상기 실시예 1에서 제조된 LiFePO4를 사용하였다.In order to analyze the LiFePO 4 prepared in Example 1 was carried out the following experiment. LiFePO 4 prepared in Example 1 was used as a sample.
X-ray 회절 분석(XRD: X-ray Diffraction)에 의해 확인한 결과, 실시예 1에서 제조된 LiFePO4 분말은 단일상이며, 표준 LiFePO4 화합물의 피크와 모든 범위에서 일치함을 확인할 수 있었다(도 1 참조).As a result of X-ray diffraction analysis (XRD: X-ray Diffraction), the LiFePO 4 powder prepared in Example 1 was found to be a single phase and was consistent with the peaks of the standard LiFePO 4 compound in all ranges (Fig. 1).
Inductively coupled plasma (ICP)를 이용하여 실시예 1에서 제조된 LiFePO4에 대해 원소함량 분석을 실시한 결과, Li: Fe: P= 1: 1.01: 0.99 로서 LiFePO4의 원소함량과 거의 일치함을 확인하였다.As a result of elemental analysis of LiFePO 4 prepared in Example 1 using inductively coupled plasma (ICP), it was confirmed that Li: Fe: P = 1: 1.01: 0.99 is almost consistent with the elemental content of LiFePO 4 . .
Scanning electron microscope (SEM)을 이용하여 입자의 형상을 분석한 결과, 100nm 수준의 1차입자들이 뭉쳐져 있는 2차입자들을 확인하였으며, 합성 온도 가 물의 초임계 온도를 넘을 경우 뭉침의 정도는 매우 약해지는 것을 볼 수 있었다(도 2 참조).As a result of analyzing the shape of the particles by scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the secondary particles are aggregated with the primary particles of 100nm level, and the degree of aggregation becomes very weak when the synthesis temperature exceeds the supercritical temperature of water. Could be (see FIG. 2).
(실험 2: 전지의 초기 용량 평가)(Experiment 2: Evaluation of Initial Capacity of Battery)
실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전지를 사용하여 전지의 초기 용량 평가를 위한 실험을 하였다.Experiments were conducted for the initial capacity evaluation of the batteries using the batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2.
전류 밀도는 0.1C 이었으며, 충방전 영역은 2.7에서 4.2 V(vs. Li/Li+)로 실험을 수행하였다. The current density was 0.1C, and the charge and discharge region was experimented with 2.7 to 4.2 V ( vs. Li / Li + ).
실험 결과, 실시예 2에서 제조된 전지의 초기 충방전 효율은 비교예 2에서 제조된 전지의 초기 충방전 효율과 대등한 효율을 나타냈다(도 3 및 도 4 참조).As a result of the experiment, the initial charge-discharge efficiency of the battery prepared in Example 2 showed an efficiency equivalent to the initial charge-discharge efficiency of the battery prepared in Comparative Example 2 (see FIGS. 3 and 4).
(실험 3: 전지의 C-rate 평가)(Experiment 3: C-rate evaluation of battery)
실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전지를 사용하였으며, 이 전지를 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C의 방전 속도로 사이클링을 하였다. The cells prepared in Example 2 and Comparative Example 2 were used, and the cells were cycled at discharge rates of 0.1C, 0.2C, 0.5C, and 1C.
실험 결과, 실시예 2에서 제조된 전지는 비교예 2에서 제조된 전지와 대등한 방전 속도를 나타냄으로써 고율 방전(C-rate) 특성을 보여주었다(도 5 및 도 6 참조).As a result of the experiment, the battery prepared in Example 2 showed a high rate discharge (C-rate) characteristics by showing a discharge rate comparable to the battery prepared in Comparative Example 2 (see FIGS. 5 and 6).
(실험 4: 사이클 특성 평가)(Experiment 4: Cycle Characteristic Evaluation)
실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전지를 사용하였다. 전류 밀도는 0.5C 이었으며, 충방전 영역은 2.7에서 4.2 V(vs. Li/Li+)로 실험을 수행하였다. The batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2 were used. The current density was 0.5C and the charge / discharge region was experimented with 2.7 to 4.2 V ( vs. Li / Li + ).
실험 결과, 실시예 2에서 제조된 전지는 90회 이상 사이클 진행한 후 전지의 충방전 용량 차이가 거의 없었으며, 가역성이 존재하여 장수명 특성을 가짐을 확인할 수 있었다(도 7 참조).As a result of the experiment, the battery prepared in Example 2 had no difference in charge and discharge capacity of the battery after 90 or more cycles, and it was confirmed that the battery had long life characteristics due to reversibility.
본 발명에 따른 LiFePO4의 제조방법은 수열(hydrothermal)법을 이용하여 기존의 고상 반응보다 신속하게 LiFePO4를 제조할 수 있으며, 1차 입자의 크기를 제어할 수 있어 rate 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 대량 생산이 용이하고 경제적일 뿐만 아니라, LiFePO4를 제조하기 위한 반응물을 최소화하여 부반응의 발생을 최대한 억제할 수 있으며, LiFePO4의 탄소 코팅을 보다 용이하고 효율적으로 수행할 수 있다.LiFePO 4 manufacturing method according to the present invention can be produced LiFePO 4 faster than the conventional solid-state reaction by using a hydrothermal method, it is possible to control the size of the primary particles to improve the rate characteristics . In addition, mass production is easy and economical, as well as minimizing the reactants for producing LiFePO 4 to suppress the occurrence of side reactions as much as possible, it is possible to perform the carbon coating of LiFePO 4 more easily and efficiently.
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