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WO2016021791A1 - 리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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WO2016021791A1
WO2016021791A1 PCT/KR2015/000646 KR2015000646W WO2016021791A1 WO 2016021791 A1 WO2016021791 A1 WO 2016021791A1 KR 2015000646 W KR2015000646 W KR 2015000646W WO 2016021791 A1 WO2016021791 A1 WO 2016021791A1
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active material
particles
secondary battery
lithium secondary
lithium ion
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김직수
최문호
윤진경
정재용
전석용
신종승
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Ecopro Co Ltd
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Priority to US14/897,934 priority patent/US10714740B2/en
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, lithium ion diffusion paths in primary particles and secondary particles of a cathode active material having a layered structure.
  • Diffusion path relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same, characterized in that is formed with a direction in a specific direction.
  • Electrochemical devices are the most attention in this regard, and among them, the development of secondary batteries capable of charging and discharging has become a focus of attention.
  • lithium ion batteries developed in the early 1990s have been widely used as power sources for portable devices since they emerged in 1991 as small, lightweight, and large capacity batteries.
  • Lithium secondary batteries are in the spotlight due to the advantages of higher operating voltage and significantly higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous electrolyte solution.
  • power sources for electric vehicles that hybridize internal combustion engines and lithium secondary batteries has been actively conducted in the United States, Japan, and Europe.
  • a lithium ion battery is considered as a large battery for an electric vehicle from an energy density point of view
  • a nickel hydride battery is still used from the viewpoint of safety.
  • the biggest challenge for lithium ion batteries for use in battery vehicles is their high cost and safety.
  • a cathode active material such as LiCoO2 or LiNiO2, which is currently commercially used, suddenly undergoes a structural change when the battery in an overcharged state is heated at 200 to 270 ° C, and the reaction of release of oxygen in the lattice proceeds due to such a structural change.
  • the crystal structure is unstable due to de-lithium during charging, and thus has a very poor thermal characteristic.
  • LiNi 1-x Co x O 2 (x 0.1-0.3) material, in which a part of nickel was substituted with cobalt, showed excellent charge and discharge characteristics and life characteristics, but thermal safety problems could not be solved.
  • the composition and production of Li-Ni-Mn-based composite oxides partially substituted with Mn having excellent thermal stability at Ni sites or Li-Ni-Mn-Co-based composite oxides substituted with Mn and Co are known.
  • Japanese Patent No. 2000-227858 discloses a positive electrode active material having a new concept of dissolving a transition metal to LiNiO 2 or LiMnO 2 to form a solid solution by uniformly dispersing Mn and Ni compounds at an atomic level.
  • a patent for a lithium transition metal oxide having a concentration gradient of a metal composition is proposed in Korean Patent Application No. 10-2005-7007548.
  • this method can synthesize the metal composition of the inner layer and the outer layer differently during synthesis, but the metal composition does not change gradually gradually in the resulting positive electrode active material.
  • a gradual gradient of the metal composition may be achieved through the heat treatment process, interfacial resistance between the inner layer and the outer layer may occur, which may act as a resistance to inhibit the diffusion of lithium in the particles, which may result in deterioration of the lifetime characteristics.
  • the composition of the inner layer is LCO, Co rich NCM or NCM system with a nickel content of 60% or less, the low content of the total nickel is difficult to implement a high capacity.
  • the powder synthesized by the present invention does not use ammonia, which is a chelating agent, the powder has a low tap density and is not suitable for use as a cathode active material for lithium secondary batteries requiring high energy density.
  • the present invention provides a lithium ion battery positive electrode active material having a new structure in which lithium ion diffusion paths in primary particles and secondary particles of a positive electrode active material having a layered structure exhibit a specific orientation.
  • the purpose is to provide.
  • Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery comprising the cathode active material for lithium secondary battery according to the present invention.
  • the present invention consists of spherical secondary particles in which primary particles are agglomerated in order to solve the above problems, a or b in the lithium ion diffusion path (ie, layer structure) in the primary particles It provides a cathode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the axis is formed in the center direction of the secondary particles.
  • FIGS. 6 and 7 show the schematic structures of the primary particles and the secondary particles of the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention.
  • a lithium ion diffusion path in the primary particles of the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention that is, a or b axes in a layered structure is formed side by side.
  • directionality in the direction of the center of the secondary particles is formed side by side.
  • an aspect ratio of the primary particles is 1 or more, and a lithium ion diffusion path in the primary particles is formed in the long axis direction of the particles. That is, in the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, the lithium ion diffusion path is formed in the long axis direction, and when lithium ions are moved into the primary particles of the positive electrode active material during charging and discharging, the primary direction is relatively narrow in the horizontal axis direction. Since the particles move into the particles, the area where the crystal structure collapses as the charge and discharge continues is relatively small, resulting in structural stability.
  • the aspect ratio is 1 or more, and the area occupied by primary particles in which the lithium ion diffusion path in the particles is formed in the long axis direction of the particles is 20% of the total area. It is characterized by the above.
  • the aspect ratio is defined as L / W (L long axis, W short axis) when the particles have a rectangular shape as shown in FIG. 6, and L / W when the horizontal axis length is W1, W2. It is defined as (W1 + W2) / 2.
  • the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention is characterized in that a lithium ion diffusion path occupies an area occupied by primary particles toward the center of the secondary particles of 40% or more of the total particle area.
  • the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention is characterized in that the lithium ion diffusion path in the primary particles is inclined within ⁇ 45 ° from the center direction of the secondary particles. That is, in the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, the lithium ion diffusion path in the primary particles is directed toward the center of the secondary particles but is not mechanically arranged in the direction of the center of the secondary particles. Characterized in the degree of freedom of the arrangement within ⁇ 45 ° from the center direction.
  • the primary particles are formed with directivity in the direction of the center of the whole particle, and a lithium ion diffusion path in the primary particles is formed in the center direction of the whole particle.
  • the lithium ion diffusion path from the surface to the center of is characterized in that it has a tunnel structure of one or two dimensions.
  • Such aspect ratios may have different primary needle, plate, rectangular parallelepiped, inclined rectangular parallelepiped, or circular columnar shapes.
  • Such a lithium ion diffusion path results in a high conductivity of lithium ions, high lithium ion conductivity, and poor crystal structure even after repeated charging and discharging, thereby improving cycle characteristics.
  • the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention has a charge transfer resistance between active material particles and lithium ions or an electrolyte by a lithium ion diffusion path formed in a two-dimensional tunnel structure of a one-dimensional plane or a plane path in a linear path. Low impedance, diffusion, migration, and convection can significantly lower the internal impedance of the cell.
  • the secondary particles are of the secondary particles.
  • a core layer represented by the following Chemical Formula 1 and having a constant transition metal concentration
  • the concentration of the transition metal constant surface layer is represented by the formula (2) below and formed on the outside of the concentration gradient layer, the concentration of the transition metal constant surface layer; characterized in that it comprises a.
  • the surface layer has a thickness of 0.05 to 2.0 ⁇ m.
  • the primary particles of the concentration gradient layer are characterized in that a lithium ion diffusion path is directed toward the center of the secondary particles.
  • the present invention also provides a lithium secondary battery comprising the cathode active material for lithium secondary battery according to the present invention.
  • the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention since the lithium ion diffusion path in the primary particles is formed to be oriented toward the center of the particles, occlusion and release of lithium ions into the primary particles is performed. This facilitates and greatly improves the capacity, output and life characteristics of a battery including the cathode active material for lithium secondary battery according to the present invention.
  • Figure 2 shows the results of measuring the SEM photograph of the fracture surface of the positive electrode active material particles prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention.
  • Figure 5 shows the results of measuring the composition inside the particles of the particles prepared in Example 3 of the present invention using EDX.
  • FIG. 6 shows the layered structure (a) of the cathode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, the shape of a particle cross section, and a schematic diagram of lithium ion diffusion path of primary particles.
  • Figure 7 shows a cross-sectional schematic diagram of the primary particles according to the present invention.
  • a co-precipitation reactor (capacity of more than 80W of rotating motor) having a capacity of 100L. While maintaining the motor was stirred at 300 ⁇ 1000rpm.
  • the first precursor aqueous solution of 2.5M concentration mixed with nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate molar ratio of 80: 20: 0 ratio was 2.2 liters / hour, and the aqueous ammonia aqueous solution of 28% concentration was 0.15 L / hr.
  • a 25% sodium hydroxide aqueous solution was supplied for pH adjustment so that the pH was maintained at 11.3 to 11.4. Impeller speed was adjusted to 300 ⁇ 1000rpm. 38 L of the first precursor aqueous solution, ammonia and sodium hydroxide solution were continuously introduced into the reactor.
  • a nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate molar ratio of 35:20:45 was prepared in an aqueous solution for forming a concentration gradient layer at a concentration of 35:20:45, and the second step was performed in a separate stirrer in addition to the reactor.
  • the nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate molar ratios prepared in the above were fixed at 10 L after the volume of the first precursor aqueous solution having a concentration of 2.5 M mixed at a ratio of 80: 20: 0 was stirred at a rate of 2.2 L / hr, followed by stirring.
  • a second aqueous precursor solution was made and introduced simultaneously into the reactor.
  • Nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate molar ratio in the second precursor aqueous solution was introduced into the reactor while mixing the aqueous solution for forming the concentration gradient layer until the molar ratio of the shell layer was 40:20:40, 28%.
  • Aqueous ammonia solution was added at a rate of 0.08 L / hr, and the sodium hydroxide solution was maintained at a pH of 11.3 to 11.4.
  • the second precursor aqueous solution, ammonia and sodium hydroxide solution added at this time were 24 L.
  • a third precursor aqueous solution mixed with nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate molar ratio in a ratio of 40:20:40 was introduced until the reactor occupied 8L in volume, and the reaction was terminated. After that, a spherical nickel manganese cobalt composite hydroxide precipitate was obtained from the reactor.
  • the precipitated composite metal hydroxide was filtered, washed with pure water and dried in a 100 ° C. hot air dryer for 12 hours.
  • the inner core layer was (Ni 0.8 Co 0.20 ) (OH) 2 and the outer shell layer was (Ni 0.80 Co 0.20 ) ( OH) 2 to (Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ) (OH) 2 to obtain a precursor powder in the form of a metal composite oxide having a continuous concentration gradient.
  • the internal core layer is Li (Ni 0.80 Co 0.20 ) O 2 and the outer shell layer is continuously gradient from Li (Ni 0.80 Co 0.20 ) O 2 to Li (Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ) O 2 .
  • the positive electrode active material powder having was obtained.
  • the composition of the inner core layer is Li (Ni 0.70 Co 0.30 ) O 2 and the composition of the outer shell layer is Li (Ni 0.70 Co 0.30 ) O 2 to Li (Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ) O 2 . Except for producing a positive electrode in the same manner as in Example 1.
  • the composition of the inner core layer is Li (Ni 0.80 Co 0.20 ) O 2 and the composition of the outer shell layer is Li (Ni 0.80 Co 0.20 ) O 2 to Li (Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 ) O 2 . Except for producing a positive electrode in the same manner as in Example 1.
  • the composition of the inner core layer is Li (Ni 0.90 Co 0.10 ) O 2 and the composition of the outer shell layer is Li (Ni 0.90 Co 0.10 ) O 2 to Li (Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 ) O 2 . Except for producing a positive electrode in the same manner as in Example 1.
  • the composition of the inner core layer is Li (Ni 0.97 Co 0.03 ) O 2
  • the composition of the outer shell layer is Li (Ni 0.97 Co 0.03 ) O 2 to Li (Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 ) O 2 .
  • the cathode active material particles prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention are spherical secondary particles in which primary particles are aggregated.
  • primary particles of the particles prepared in Example 5 of the present invention are formed with directivity in the center direction, and confirm that lithium ion conduction paths in the primary particles are formed parallel to the center direction of the secondary particles. Can be.
  • composition inside the particles of the particles prepared in Example 3 was measured using EDX and the results are shown in FIG. 5.
  • composition and particle size distribution of the lithium metal composite oxides prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were measured in a particle size analyzer, and are shown in Table 1 below.
  • Standard solution prepared using Inductive Plasma Emission Spectroscopy ICP-AES, Perkin-Elmer 7300 using standard solution (Inorganic Venture, 1000 mg / kg) at intrinsic wavelength for each Li / Ni / Co / Mn element (3 types)
  • ICP-AES Inductive Plasma Emission Spectroscopy
  • Standard solution prepared using Inductive Plasma Emission Spectroscopy (ICP-AES, Perkin-Elmer 7300) using standard solution (Inorganic Venture, 1000 mg / kg) at intrinsic wavelength for each Li / Ni / Co / Mn element (3 types)
  • the slurry was prepared by mixing the prepared positive electrode active materials of Example 1 to 6 and Comparative Example 1 with super-P as a conductive agent and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder at a weight ratio of 92: 5: 3.
  • the slurry was uniformly applied to an aluminum foil having a thickness of 15 ⁇ m, and vacuum dried at 135 ° C. to prepare a positive electrode for a lithium secondary battery.
  • the anode and the lithium foil were used as counter electrodes, and a porous polyethylene membrane (Celgard 2300, thickness: 25 ⁇ m) was used as a separator, and ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7.
  • a coin cell was prepared according to a known manufacturing process using a liquid electrolyte in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.15 M in a solvent.
  • the battery including the active material prepared in Examples of the present invention can be seen that the battery properties are significantly improved than the comparative example.
  • the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention is formed to have a directivity such that a lithium ion diffusion path in the primary particles is directed toward the center of the particles, thereby allowing lithium into the primary particles. It can be said that it is very useful in that the capacity

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 중심 방향으로 방향성을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명은 리튬 이차 전지용 양극활물질은 1차 입자 내 및 2차 입자 내에서 특정 방향성을 나타내는 리튬 이온 확산 경로에 의하여 리튬 이온의 전도 속도가 빠르고, 높은 리튬 이온 전도율을 나타낼 뿐만 아니라, 충방전을 반복하여도 결정 구조가 잘 붕괴되지 않게 되어 사이클 특성이 향상된다.

Description

리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 층상구조(Layered structure)를 가지는 양극활물질의 1차 입자 내 및 2차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 특정한 방향으로 방향성을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차 전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이온 전지는 소형, 경량, 대용량 전지로서 1991년에 등장한 이래, 휴대기기의 전원으로서 널리 사용되었다. 리튬 이차 전지는 수계 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 특히 최근에는 내연기관과 리튬 이차 전지를 혼성화(hybrid)한 전기자동차용 동력원에 관한 연구가 미국, 일본 및 유럽 등에서 활발히 진행 중에 있다.
그러나, 에너지 밀도 관점에서 전기자동차용의 대형 전지로 리튬 이온 전지 사용을 고려하고는 있지만, 아직까지는 안전성의 관점에서 니켈 수소 전지가 사용되고 있다. 전지자동차용으로 사용되기 위한 리튬 이온 전지에 있어서 최대의 당면 과제는 높은 가격과 안전성이다. 특히, 현재 상용화되어 사용되고 있는 LiCoO2나 LiNiO2와 같은 양극 활물질은 과충전 상태의 전지를 200 내지 270℃에서 가열하면, 급격한 구조 변화가 발생하게 되며, 그러한 구조변화로 인해 격자 내의 산소가 방출되는 반응이 진행되어 충전시의 탈 리튬에 의하여 결정 구조가 불안정하여 열적 특성이 매우 열악한 단점을 가지고 있다.
이를 개선하기 위해 니켈의 일부를 전이금속 원소의 치환하여 발열 시작 온도를 약간 고온 측으로 이동시키거나 급격한 발열을 방지하는 등이 시도되고 있다. 니켈의 일부를 코발트로 치환한 LiNi1-xCoxO2(x=0.1-0.3) 물질의 경우 우수한 충·방전특성과 수명특성을 보이나, 열적 안전성 문제는 해결하지 못하였다. 또한 Ni자리에 열적 안전성이 뛰어난 Mn을 일부 치환한 Li-Ni-Mn계 복합산화물 또는 Mn 및 Co로 치환한 Li-Ni-Mn-Co계 복합산화물의 조성과 그 제조에 관련된 기술도 많이 알려져 있으며, 최근 일본특허 2000-227858호에서는 LiNiO2나 LiMnO2에 전이금속을 부분 치환하는 개념이 아니라 Mn과 Ni 화합물을 원자레벨에서 균일하게 분산시켜 고용체를 만드는 새로운 개념의 양극 활물질을 개시하였다.
Ni을 Mn 및 Co로 치환한 Li-Ni-Mn-Co계 복합산화물의 조성에 대한 유럽 특허 0918041이나 미국특허 6040090에 따르면, LiNi1-xCoxMnyO2 (0<y≤0.3)는 기존의 Ni과 Co만으로 구성된 재료에 비해 향상된 열적안정성을 가지나, 여전히 Ni 계의 열적 안전성을 해결하지 못하였다.
이러한 단점을 없애기 위해 한국특허 출원번호 제10-2005-7007548호에 금속 조성의 농도 구배를 갖는 리튬 전이 금속 산화물에 대한 특허가 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 합성시 내부 층과 외부 층의 금속 조성을 다르게 합성할 수 있으나, 생성된 양극 활물질에서 금속 조성이 연속적으로 점진적으로 변하지 않는다. 열처리 과정을 통하여 금속 조성의 점진적인 구배가 이루어질 수는 있으나, 내부 층과 외부 층의 계면저항이 발생하여 입자 내 리튬의 확산을 저해하는 저항으로 작용할 수 있으며 이로 인해 수명특성의 저하를 가져올 수 있다. 그리고, 내부 층의 조성이 LCO, Co rich NCM 또는 니켈 함량이 60% 이하인 NCM계이고, 전체 니켈의 함량도 낮아 고용량을 구현하기 어렵다.
또한 이 발명으로 합성된 분말은 킬레이팅제인 암모니아를 사용하지 않기 때문에 분말의 탭 밀도가 낮아 고에너지밀도를 요구하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질로 사용하기에는 부적합하다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 층상구조를 가지는 양극활물질의 1차 입자 내 및 2차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 특정한 방향성을 나타내는 새로운 구조의 리튬 이차 전지용 양극활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 1차 입자가 응집된 구상의 2차 입자로 이루어지고, 상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path) 즉, 층상구조에서의 a 또는 b축이 2차 입자의 중심 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질을 제공한다.
도 6 및 도 7 에 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질의 1차 입자 및 2차 입자의 구조를 모식도로 나타내었다. 도 6 및 도 7 에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질의 1차 입자 내에서의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path) 즉, 층상구조에서의 a 또는 b축이 나란하게 형성되며, 2차 입자의 중심 방향으로 방향성을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 상기 1차 입자의 종횡비가 1 이상이고, 상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 장축 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질에 있어서 리튬 이온 확산 경로가 장축 방향으로 형성되어, 충방전시 양극활물질의 1차 입자 내로 리튬 이온이 이동될 때 상대적으로 면적이 좁은 횡축 방향으로 1차 입자내로 이동하게 되므로, 충방전이 지속됨에 따른 결정 구조가 무너지는 면적이 상대적으로 작아져서 결과적으로 구조 안정성을 나타내게 된다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 상기 종횡비가 1 이상이고, 상기 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 장축 방향으로 형성되는 1차 입자가 차지하는 면적이 전체 면적의 20% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질에 있어서, 종횡비는 도 6 에서 보는 바와 같이 입자가 직사각형 형태일 경우 L/W (L 장축, W 단축)로 정의되고, 횡축 길이가 W1, W2 일 경우 L/(W1+W2)/2 로 정의된다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향을 향하는 1차 입자가 차지하는 면적이 전체 입자 면적의 40% 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향에서 ±45°이내로 경사진 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질에 있어서, 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로가 2차 입자의 중심을 향하지만 2차 입자의 정중심 방향으로 기계적으로 배열되는 것이 아니라, 2차 입자의 중심 방향에서 ±45°이내의 배열의 자유도를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 상기 1차 입자가 입자 전체의 중심 방향으로 방향성을 가지고 형성되고, 상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로가 입자 전체의 중심 방향으로 형성되어, 상기 2차 입자의 표면으로부터 중심까지 리튬 이온 확산 경로가 1차원 또는 2차원의 터널 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 종횡비가 다른 1차 침상, 판상, 직육면체, 기울어진 직육면체 또는 원형기둥 형태를 가질 수 있다.
이와 같은 리튬 이온 확산 경로에 의하여 리튬 이온의 전도 속도가 빠르고, 높은 리튬 이온 전도율을 나타낼 뿐만 아니라, 충방전을 반복하여도 결정 구조가 잘 붕괴되지 않게 되어 사이클 특성이 향상된다.
또한, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 선형 경로로 1차원 또는 면 경로의 2차원의 터널 구조로 형성된 리튬 이온 확산 경로에 의하여 활물질 입자와 리튬 이온 또는 전해질간의 전자 전달 저항(charge transfer resistance), 확산(diffusion), 마이그레이션(migration) 및 컨벡션(convection)이 낮아 전지 내부의 임피던스를 크게 낮출 수 있다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질에 있어서,
상기 2차 입자는
아래 화학식 1로 표시되고 전이 금속의 농도가 일정한 코어층;
상기 코어층 외곽에 형성되고, 하나 이상의 전이 금속의 농도가 연속적으로 변하여 농도구배를 나타내는 농도구배층; 및
아래 화학식 2로 표시되고 상기 농도구배층 외곽에 형성되고, 전이 금속의 농도가 일정한 표면층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
<화학식 1> LixNi1-a-b-cCoaMnbMecO2-yXy
(상기 화학식 1에서 0.9≤ x ≤1.15, 0≤ a ≤0.20, 0≤ b ≤0.20, 0≤ c ≤0.1, 0≤ y ≤0.1, Me는 Al, Mg, B, P, Ti, Si, Zr, Ba 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소, X는 F, BO3, PO4등의 음이온으로 선택되는 적어도 하나 이상의 원소 내지는 분자임)
<화학식 2> LixNi1-a-b-cCoaMnbMecO2-yXy
(상기 화학식 2 에서 0.9≤ x ≤1.15, 0≤ a ≤0.50, 0 ≤ b ≤0.6, 0≤ c ≤0.2, 0≤ y ≤0.1, Me는 Al, Mg, B, P, Ti, Si, Zr, Ba 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소, X는 F, BO3, PO4등의 음이온 으로 선택되는 적어도 하나 이상의 원소 내지는 분자임)
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질에 있어서, 상기 표면층의 두께는 0.05 내지 2.0 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질에 있어서, 상기 농도구배층의 1차 입자는 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향을 향하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 1차 입자 내에서의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 중심 방향을 향하도록 방향성을 가지고 형성되기 때문에 1차 입자 내로의 리튬 이온의 흡장 방출이 용이하게 되어 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질을 포함하는 전지의 용량, 출력 및 수명 특성이 크게 개선된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 입자의 SEM 사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 입자 의 파단면의 SEM 사진을 측정한 결과를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예 3 및 비교예 1의 입자 내 1차입자의 모양 및 구조를 TEM을 이용하여 측정한 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 입자의 입자 내부의 조성을 EDX를 이용하여 측정한 결과를 나타낸다.
도 6는 본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극활물질이 층상구조(a)를 나타내는 것과 입자 단면의 모양 및 1차 입자의 리튬 이온 확산 경로(Lithium diffusion path) 모식도로 나타내었다. 도 7는 본 발명에 따른 1차 입자의 단면 모식도를 나타내었다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
제 1 단계로 내용적 100L의 용량을 가지는 공침 반응기(co-precipitation reactor, 회전모터의 출력 80W이상)에 증류수 20L리와 킬레이팅제로서 암모니아를 1000g 를 넣은 뒤 반응기내의 온도를 40~50℃로 유지하면서 모터를 300~1000rpm으로 교반 하였다.
제 2 단계로 황산니켈, 황산코발트, 및 황산망간 몰 비가 80 : 20 : 0 비율로 혼합된 2.5M 농도의 제1 전구체 수용액을 2.2리터/시간으로, 28% 농도의 암모니아 수용액을 0.15L/hr으로 반응기에 연속적으로 투입하였다. 또한, pH 조정을 위해 25% 농도의 수산화나트륨 수용액을 공급하여 pH가 11.3~11.4로 유지되도록 하였다. 임펠러 속도는 300~1000rpm 으로 조절하였다. 제1 전구체 수용액과 암모니아, 수산화나트륨 용액을 반응기 내로 연속적으로38 L 투입하였다.
제 3 단계로 황산니켈, 황산코발트, 및 황산망간 몰 비가 35: 20 : 45 비율로 혼합된 2.5M 농도의 농도구배층 형성용 수용액을 만들어 상기 반응기(reactor)외에 별도의 교반기에서 상기 제 2 단계에서 제조된 황산니켈, 황산코발트, 및 황산망간 몰 비가 80 : 20 : 0 비율로 혼합된 2.5M 농도의 제1 전구체 수용액의 용량을 10L로 고정시킨 후 2.2 L/hr의 속도로 투입하면서 교반하여 제 2 전구체 수용액을 만들고 동시에 상기 반응기(reactor)로 도입하였다. 상기 제 2 전구체 수용액 중의 황산니켈, 황산코발트, 및 황산망간 몰 비가 쉘층의 농도인 40 : 20 : 40 가 될 때까지 상기 농도구배층 형성용 수용액을 혼합하면서 반응기(reactor)로 도입하였으며, 28% 농도의 암모니아 수용액은 0.08L/hr의 속도로 투입하고, 수산화나트륨 용액은 pH가 11.3~11.4이 되도록 유지하였다. 이 때 투입된 제2 전구체 수용액과 암모니아, 수산화나트륨 용액은 24L이다.
다음으로 제 4 단계로서, 황산니켈, 황산코발트, 및 황산망간 몰 비가 40: 20 : 40 비율로 혼합된 제 3 전구체 수용액을 반응기(reactor)로 8L 부피를 차지할 때까지 투입하였으며, 반응이 종결되고 난 후, 반응기(reactor)로부터 구형의 니켈망간코발트 복합수산화물 침전물을 얻었다.
상기 침전된 복합금속수산화물을 여과하고, 순수로 세척한 후에 100℃ 온풍건조기에서 12시간 건조시켜 내부 코아 층은 (Ni0.8Co0.20)(OH)2로 외부 쉘 층은 (Ni0.80Co0.20)(OH)2에서 (Ni0.4Co0.2Mn0.4)(OH)2 까지 연속적인 농도 구배를 갖는 금속 복합 산화물 형태의 전구체 분말을 얻었다.
상기 전구체인 금속 복합 수산화물과 수산화리튬(LiOH.H2O)을 1 : 1.00~1.10 몰 비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열 한 후 550℃에서 10시간 열처리를 진행한 후 750℃에서 20시간 소성시켜 내부 코아 층은 Li(Ni0.80Co0.20)O2로 외부 쉘 층은 Li(Ni0.80Co0.20)O2 에서 Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2 까지 연속적인 농도 구배를 갖는 양극 활물질 분말을 얻었다.
< 실시예 2>
내부 코아층의 조성을 Li(Ni0.70Co0.30)O2와 외부 쉘 층의 조성을 Li(Ni0.70Co0.30)O2 에서 Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2 까지 연속적인 일정한 농도 구배를 가지는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조 하였다.
< 실시예 3>
내부 코아 층의 조성을 Li(Ni0.80Co0.20)O2와 외부 쉘 층의 조성을 Li(Ni0.80Co0.20)O2 에서 Li(Ni0.35Co0.35Mn0.30)O2 까지 연속적인 일정한 농도 구배를 가지는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조 하였다.
< 실시예 4>
내부 코아 층의 조성을 Li(Ni0.90Co0.10)O2와 외부 쉘 층의 조성을 Li(Ni0.90Co0.10)O2 에서 Li(Ni0.33Co0.33Mn0.33)O2 까지 연속적인 일정한 농도 구배를 가지는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조 하였다.
<실시예 5>
내부 코아 층의 조성을 Li(Ni0.97Co0.03)O2와 외부 쉘 층의 조성을 Li(Ni0.97Co0.03)O2 에서 Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2 까지 연속적인 일정한 농도 구배를 가지는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조 하였다.
비교예 1
공침 반응기(용량 70리터)에 증류수 60 리터와 킬레이팅제로서 암모니아를 1000 g 를 넣은 뒤 반응기내의 온도를 40~50℃로 유지하면서 모터를 6000 rpm 으로 교반하였다. 또 반응기에 질소가스를 3L/min유량으로 연속적으로 공급해 주었다. 다음에 황산니켈, 황산코발트, 및 황산망간 몰 비가 8 : 1 : 1 비율로 혼합된 1M 농도의 전구체 수용액을 6.5L/hr으로, 28% 농도의 암모니아 수용액을 0.6L/hr으로 반응기에 연속적으로 투입하였다. 또한, pH 조정을 위해 25% 농도의 수산화나트륨 수용액을 1.5~2.0L/hr공급하여 pH가 11~12를 맞추어 반응조 내 액면에 연속 공급하였다. 반응 용액 온도는 50±2℃로 유지하였다 반응기 안이 정상 상태가 된 30시간 후에 오버 플로우 파이프에서 배출된 수산화물 입자를 연속적으로 채취해 물 세척한 후에 100℃ 온풍건조기에서 12시간 건조시켜 (Ni0.8Co0.1Mn0.1)(OH)2 갖는 금속 복합 수산화물 형태의 전구체 분말을 얻었다.
상기 금속 복합 수산화물과 수산화리튬(LiOH.H2O)을 1 : 1.00~1.10 몰 비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열 한 후 550℃에서 10시간 열처리를 진행한 후 750℃에서 20시간 소성시켜 양극 활물질 분말을 얻었다.
<실험예> SEM 사진 측정
실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 입자 및 파단면의 SEM 사진을 측정하고 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도 1에서 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 양극활물질 입자는 1차 입자가 응집된 구형의 2차 입자임을 알수 있다.
입자의 파단면에 대한 SEM 사진인 도 2에서 본 발명의 실시예 1 내지 5에서 제조된 입자의 경우 1차 입자의 종횡비가 1 이상이며, 1차 입자의 장축, 즉, 긴 방향으로 입자의 중심 방향으로의 방향성을 가지고 성장되어, 입자 표면으로부터 입자 중심까지 리튬 전도 경로가 1차원 또는 2차원 터널 구조로 형성되는데 비해, 비교예의 경우 1차 입자의 종횡비가 실시예들 보다 매우 짧으며 불규칙한(random) 형태로 2차 입자 내부에 1차 입자의 방향성이 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.
<실험예> TEM 사진 측정
상기 실시예 5 및 비교예 1의 입자 내 1차입자의 모양 및 구조를 TEM을 이용하여 측정하고 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3에서 본 발명의 실시예 5 에서 제조된 입자의 1차 입자가 중심 방향으로 방향성을 가지고 형성되어 있으며, 1차 입자내의 리튬 이온 전도 경로가 2차 입자의 중심 방향으로 평행하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 비교예 1에서 제조된 입자의 경우 도 4에서 보는 바와 같이 1차 입자내의 리튬 이온 전도 경로가 방향성이 없이 불규칙하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예> EDX 사진 측정
상기 실시예 3 에서 제조된 입자의 입자 내부의 조성을 EDX를 이용하여 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 입자의 경우 중심으로부터 표면까지 니켈, 코발트, 망간이 농도구배를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
<실험예> 입자 특성 측정
상기 실시예 1~5 및 비교예 1에서 제조된 리튬금속복합산화물의 조성 및 입도분포를 입도분석기로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
조성분석을 위해 상기 제조된 리튬금속복합산화물 일정량(약 2g)을 정확히(0.1mg 단위) 칭량 후 Glass Beaker에 옮겨 왕수(HCl : HNO3 = 3:1)를　첨가하여 Hot Plate에서 완전분해 하였다.
유도플라즈마발광분석분광기(ICP-AES, Perkin-Elmer 7300)를 사용 Li/Ni/Co/Mn 원소 별 고유파장에서 표준용액(Inorganic Venture, 1000　 mg/kg)을 이용하여 조제된 표준액(3 종)의 강도(Intensity)를 측정하여 기준 검량선(Calibration Curve)을 작성 한 후, 전처리된 시료용액 및 바탕시료를 기기에 도입, 각각의 강도를 측정하여 실제 강도를 산출하여, 상기 작성된 검량선 대비 각 성분의 농도를 계산하고, 전체의 합이 이론값이 되도록 환산(Normalization)하여 제조된 리튬금속복합산화물의 조성을 분석하였다.
표 1
구분 BET ICP 결과(mole %) 입도 결과(㎛)
m2/g Ni Co Mn D10 D50 D90
실시예 1 0.59 54.7 20.6 24.7 8.5 11.5 15.2
실시예 2 0.58 60.4 25.5 13.9 8.2 10.7 13.7
실시예 3 0.55 65.1 24.4 10.4 7.6 10.2 13.3
실시예 4 0.51 70.2 17.5 12.3 8.5 11.0 14.2
실시예 5 0.49 80.3 8.8 10.9 7.5 11.3 14.7
비교예 0.49 81.1 9.7 9.2 7.1 10.7 14.4
<제조예> 전지 제조
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 제조된 양극 활물질과 도전제로 super-P, 결합제로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 92:5:3의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 15㎛ 두께의 알루미늄박에 균일하게 도포하고,135℃에서 진공 건조하여 리튬 이차 전지용 양극을 제조하였다.
상기 양극과, 리튬 호일을 상대 전극으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막 (셀가르드 엘엘씨 제,Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트와 에틸메틸 카보네이트가 부피비로 3:7로 혼합된 용매에 LiPF6가 1.15 M 농도로 녹아 있는 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 제조공정에 따라 코인 전지를 제조하였다.
<실험예> 전지 특성 측정
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 활물질로 제조된 전지의 초기 용량, 초기 효율, 율특성 및 수명 특성을 측정하고 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
아래 표 3에서 본 발명의 실시예에서 제조된 활물질을 포함하는 전지의 경우 전지 특성이 비교예보다 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
표 2
구분 Li/M 초기용량(mAh/g) 초기효율 율특성 수명성능
ratio 충전량 방전량 Eff.(%) %(2C/0.1C) % @100회
실시예 1 1.06 184.4 169.4 91.9 87.1 97.9
실시예 2 1.06 191.0 178.5 93.5 84.8 98.4
실시예 3 1.06 198.2 186.6 94.1 84.3 96.9
실시예 4 1.05 207.8 190.4 91.6 85.0 99.2
실시예 5 1.04 223.4 197.9 88.6 88.5 92.3
비교예 1 1.04 227.1 203.9 89.8 82.5 81.4
이상과 같이, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질은 1차 입자 내에서의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 중심 방향을 향하도록 방향성을 가지고 형성되기 때문에 1차 입자 내로의 리튬 이온의 흡장 방출이 용이하게 되어 본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 양극활물질을 포함하는 전지의 용량, 출력 및 수명 특성이 크게 개선된다는 점에서 매우 유용하다고 할 수 있다.

Claims (11)

1차 입자가 응집되어 이루어진 2차 입자이고,
상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 입자의 종횡비가 1 이상이고, 상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 장축 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 2 항에 있어서,
상기 종횡비가 1 이상이고, 상기 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 입자의 장축 방향으로 형성되는 1차 입자가 차지하는 면적이 전체 면적의 20% 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향에서 ±45°이내로 경사진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항에 있어서,
리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향을 향하는 1차 입자가 차지하는 면적이 전체 입자 면적의 40% 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 입자가 입자 전체의 중심 방향으로 방향성을 가지고 형성되고, 상기 1차 입자 내의 리튬 이온 확산 경로가 입자 전체의 중심 방향으로 형성되어, 상기 2차 입자의 표면으로부터 중심까지 리튬 이온 확산 경로가 1차원 또는 2차원의 터널 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항에 있어서,
상기 2차 입자는
아래 화학식 1로 표시되고 전이 금속의 농도가 일정한 코어층;
상기 코어층 외곽에 형성되고, 하나 이상의 전이 금속의 농도가 연속적으로 변하여 농도구배를 나타내는 농도구배층; 및
아래 화학식 2로 표시되고 상기 농도구배층 외곽에 형성되고, 전이 금속의 농도가 일정한 표면층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
<화학식 1> LixNi1-a-b-cCoaMnbMecO2-yXy
(상기 화학식 1에서 0.9≤x≤1.15, 0≤a≤0.20, 0≤b≤0.20, 0≤c≤0.1, 0≤y≤0.1, Me는 Al, Mg, B, P, Ti, Si, Zr, Ba 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소, X는 F, BO3, PO4 의 음이온으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소 내지는 분자임)
<화학식 2> LixNi1-a-b-cCoaMnbMecO2-yXy
(상기 화학식 2 에서 0.9≤x≤1.15, 0≤a≤0.50, 0≤b≤0.6, 0≤c≤0.2, 0≤y≤0.1, Me는 Al, Mg, B, P, Ti, Si, Zr, Ba 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소, X는 F, BO3, PO4 의 음이온으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소 내지는 분자임)
제 7 항에 있어서,
상기 표면층의 두께는 0.05 내지 2.0 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 7 항에 있어서,
상기 농도구배층의 1차 입자는 리튬 이온 확산 경로(lithium ion diffusion path)가 2차 입자의 중심 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 입자는 침상, 판상, 직육면체, 기울어진 직육면체 또는 원형기둥 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극활물질.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 리튬 이차 전지용 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.
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