KR20200041978A - 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체, 이의 제조방법, 및 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료 - Google Patents
고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체, 이의 제조방법, 및 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료 Download PDFInfo
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Abstract
개시된 것은 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체이다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의1차 입자는 군집된 “꽃잎(petal)” 구조이고, 상기 “꽃잎(petal)”은 시트 형상을 가진다; 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 2차 입자들은 느슨해진 내부를 가진 구형 구조이다. 또한 개시된 것은 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 제조방법이다. 상기 방법에서, 고-저 pH 상 분리 공정의 장점 및 출력 전력 및 유량 간의 적절한 매치가 조합된 특유의 반응 분위기 설계에 의하여, 1차 입자들은 “꽃잎 유형(petal-type)”이고 형상이 얇은 시트이며, 2차 입자들은 구형인 다공성 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 제조한다. 종래의 전구체와 비교하여, 본 전구체는 특유의 구조의 1차 입자들 및 느슨해진 내부를 가진 2차 입자를 갖고, 이는 다공성이며, 작은 입도(granularity)의 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 형태학 연구 및 제조 공정 최적화에 중요한 지도적 의의를 제공한다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 양극(positive electrode) 재료로 제조된다; 상기 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 양극(positive electrode) 재료는 단결정(single-crystal) 구조를 갖는다.
Description
본 개시는 리튬 이온 배터리 재료의 분야에 속하며, 특히 특별한 형태를 갖는 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체, 이의 제조방법, 및 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료에 관한 것이다.
배터리 산업에 의하여 새로운 녹색 배터리로 여겨지는 리튬 이온 배터리는, 메모리 효과(memory effect)가 없다는 점, 비에너지(specific energy)가 높다는 점, 사이클 수명(cycle life)이 길다는 점 등의 이점으로 인하여 디지털 분야, 전기 자동차 분야, 에너지 저장 분야 등과 같은 다양한 분야에서 널리 사용되어 왔다. 리튬 이온 배터리의 우수한 성능은 진보된 배터리 재료의 제조를 기반으로 한다. 일반적으로 사용되는 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 철 인산염 등과 같은 캐쏘드(cathode) 재료의 성능은 배터리 성능에 큰 영향을 미친다. 3원 재료(ternary material)는 높은 방전 용량, 긴 사이클 수명 등과 같은 특성을 가지므로, 리튬 이온 배터리 캐쏘드 재료에서 상기 3원 재료의 시장 점유율이 점차 증가하고 있다. 최근, 전기 자동차의 개발에 따라 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도에 대한 요구가 증가하고 있다. 전기 자동차의 배터리 수명을 늘리기 위하여, 에너지 밀도가 높은 파워 배터리(power battery)를 개발하는 것이 시급한 과제이다. 높은 전압 플랫폼, 높은 방전 용량 등의 특성을 갖는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 재료는 리튬 이온 배터리 산업 및 과학계에서 광범위한 관심 및 연구를 받고 있다. 상기 3원 재료의 서로 다른 니켈, 코발트, 및 망간 비율에 대응하여, 서로 다른 유형의 배터리 재료가 얻어질 수 있다. 니켈 함량이 높을수록 방전 용량이 높다. 따라서, 방전 용량이 높고 사이클 수명이 긴 3원 재료를 개발하는 것이 리튬 이온 배터리 산업에서 합의된다. 상기 3원 재료의 그램 당 방전 용량은 상기 3원 재료의 니켈 함량의 증가 또는 상기 3원 재료의 충전 전압에 따라 증가될 수 있다. 니켈 함량이 증가함에 따라 상기 3원 재료의 방전 용량은 점차 증가하지만, 상기 3원 재료의 사이클 성능도 점차 저하된다. 따라서, 중간 니켈 함량을 갖는 고전압 3원 재료를 개발하는 것은 상기 3원 재료의 에너지 밀도를 증가시키기 위한 불가피한 선택이다. 시중에서 일반적으로 사용되는 3원 재료는 1차 입자들로부터 응집된 구형 2차 입자들이다. 그러나, 이러한 형태를 갖는 3원 재료의 경우, 상기 2차 입자는 전극 판 압연 공정 중에 부서지기 쉽다. 또한, 상기 2차 입자는 배터리의 충-방전 사이클 과정에서 크랙을 가질 수 있다. 결과적으로, 배터리는 안전 성능이 떨어지고 사이클 수명이 짧은 경향이 있다. 2차 응집이 없는 큰 크기의 1차 입자들로 구성된 단결정(single-crystal) 3원 재료를 사용함으로써 상기 단점을 피할 수 있다. 단일 입자 내에 공간이 없기 때문에, 배터리의 충-방전 과정에서 가스를 생성할 가능성이 낮으므로, 단결정 3원 재료는 높은 안전성을 갖는다.
상기 단결정 3원 재료는 특정한 소결 프로토콜에서 3원 재료 전구체를 리튬 카보네이트와 소결함으로써 제조될 수 있다. 따라서, 고성능 단결정 3원 재료의 개발은 고성능 전구체의 제조에 크게 의존한다. 예를 들어, 공개번호 CN103746111A의 특허출원은 단결정 니켈 코발트 망간 캐쏘드(cathode) 재료의 제조방법에 있어서, 단결정 캐쏘드 재료 전구체의 제조방법을 개시한다. 그러나, 이 방법은 산업적인 생산에는 적합하지 아니하다. 공개번호 CN103840151A의 특허출원은 특별한 단결정 구조를 갖는 3원 재료의 제조방법을 제공하며, 여기서 황산 니켈, 황산 코발트, 및 황산 망간을 포함하는 염 용액이 사용되는 경우, pH 값은 암모니아 용액에 의하여 조정되고, 반응용기(reaction kettle)는 전기로(muffle furnace)에 넣어져 고온으로 가열된다. 이러한 방법은 특유하지만, 이 출원의 제조 기술에는 위험이 있다. 전기로 내에서의 반응용기의 가열은 잠재적인 안전 위험이 크고, 산업적인 생산에는 적합하지 아니하다. 공개번호 CN104979546A의 특허출원은 단결정 전구체의 1차 입자의 조성물 및 입자 크기 및 상기 전구체의 BET 범위를 개시한다. 그러나, 이 특허출원에서, BET는 100 m2/g보다 큰 반면, 리튬 카보네이트의 BET는 약 10 m2/g이다. 이러한 BET의 큰 차이로 인하여, 리튬 카보네이트는 혼합 공정에서 균일하게 혼합되기 어렵고, 혼합물은 푹신한(fluffy) 경향이 있고, 소결을 위하여 적은 혼합물이 적하(load)될 수 있고, 이는 소결 생성물에서 상대적으로 낮은 생산성 및 상대적으로 많은 양의 리튬 잔류물을 초래한다. 또한, 본 출원에서 니켈 원소, 코발트 원소, 및 망간 원소의 원자가 상태(valence state)는 +2이어야 하며, 이는 다양한 원자가 상태를 갖는 망간 원소의 작용을 제한한다. 공개번호 CN104201367A의 특허출원은 소-입자(small-particle) 전구체의 제조방법 및 상기 전구체에 대한 특성 분석을 제공한다. 그러나, 이 특허출원에서는, 반응용기의 고체 함유량을 제어하기 위하여 정밀한 필터 파이프가 사용된다. 일정한 유량 및 일정한 교반력 하에서, 반응계 내의 고체 함유량의 증가는 2차 입자들에서 심각한 응집 현상을 유도할 것이며, 시트 형상의 균일한 1차 입자들을 형성할 수 없도록 1차 입자들의 결정질 형태를 쉽게 손상시킬 것이다. 또한, 본 발명자들은 다수의 실험으로부터, 상기 특허출원에 개시된 방법에 의하여 얻은 전구체는 계 내의 높은 고체 함유량으로 인하여 비교적 조밀한(compact) 내부를 가지며, 1차 입자들은 주로 상기 특허출원의 SEM 사진에 도시된 형태와 같은 판 형상을 갖는다는 결론을 내렸다. 시트 형상의 1차 입자들을 갖는 전구체를 얻는 것은, 교반력 및 유량뿐만 아니라, 반응 분위기의 산소 농도와 밀접한 관련이 있다. 따라서, 단결정 3원 전구체의 특성 및 제조 공정에 대한 연구를 심화시키는 것은 실질적으로 중요한 의미가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 배경에서 설명된 바와 같은 단점 및 결함을 극복하기 위하여 특별한 형태를 갖는 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체, 이의 제조방법, 및 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 개시는 다음과 같은 과제의 해결 수단을 제공한다:
고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체가 제공된다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 1차 입자들은 군집된 “꽃잎들(petals)” 형상으로 배열된다. 상기 “꽃잎(petal)”은 시트 형상을 가진다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 2차 입자는 느슨해진 내부를 가진 구형 구조를 갖는다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 상기 2차 입자는 다공성 내부 구조를 갖는다.
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, 바람직하게는, 상기 시트 형상의 “꽃잎(petal)”은 400 nm 내지 800 nm의 길이 및 50 nm 내지 100 nm의 두께를 갖는다.
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, 바람직하게는, 상기 2차 입자들의 입자 크기들은 다음과 같고: D10 은 1.5 μm 이상이고, D50은 3 μm 내지 4 μm이고, 및 D90은 8 μm 이하임; 상기 2차 입자들은 (D90-D10)/D50＜1의 입자 크기 분포를 갖는다.
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, 바람직하게는, 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 NixCoyMnz(OH)2의 분자식을 가지며, 여기서 x+y+z=1, 0.5≤x≤0.9, 0＜y≤0.2, 및 0＜z≤0.2이다. Ni 및 Co 둘 모두는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서 +2의 원자가 상태(valence state)에 있다. Mn은 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서 +2, +3, 및 +4의 혼합 원자가 상태(mixed valence states)에 있다. Mn 원소의 원자가 상태의 변화는 소결 공정에 변화를 주어서(리튬 첨가), 배터리의 전기화학적 성능에 영향을 줄 수 있다.
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, 바람직하게는, 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 1 내지 1.5 g/cm3의 탭밀도(tap density), 8 내지 20 m2/g의 비표면적(specific surface area), 0.6 내지 1 g/cm3의 용적밀도(apparent density), 및 0.12 % 내지 0.2 %의 황함량(sulfur content)을 가진다.
본 개시의 상기 전구체의 상기 1차 입자는 군집된 “꽃잎들(petals)” 형상으로 배열된다. 상기 “꽃잎(petal)”은 시트 형상을 가진다. 상기 “꽃잎”은 400 내지 800 nm의 길이 및 50 내지 100 nm의 두께를 갖는다. 상기 1차 입자들의 길이 및 두께는 BET 값과 특정한 대응관계를 갖는다. 상기 1차 입자의 차원(길이 및 두께), 입자 크기, 및 BET의 특유한 설계를 종합적으로 고려함으로써, 본 개시의 전구체는 리튬 카보네이트와 균일하게 혼합되기 쉬워지며, 이는 소결 공정에서 리튬염의 침윤을 용이하게 한다.
단일한 일반적인 발명의 개념으로서, 본 개시에서 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 제조방법이 추가로 제공된다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
(1) NixCoyMnz(OH)2의 화학양론비에 따라 가용성 혼합 염수액(salt water solution)을 제조하는 단계로서, 상기 염수액 중 금속 이온의 총 농도는 1 내지 2 mol/L인 단계. 여기서 상기 가용성 혼합 염수액은 황산 니켈, 황산 코발트, 및 황산 망간을 혼합하여 제조된다;
(2) 반응용기(reaction kettle)에 반응 염기 용액(reaction base solution)으로서 암모니아 용액을 2 내지 6 g/L의 농도로 첨가하고, 및 상기 반응 염기 용액의 pH 값을 12 내지 13(및 더 바람직하게는, 상기 반응 염기 용액에서 암모니아 농도는 2 내지 4 g/L이고, 상기 상기 반응 염기 용액의 pH 값은 12.5 내지 12.6이다.)으로 조정하는 단계;
(3) 상기 반응용기의 교반기를 시동시키는 동안 상기 반응용기에 고순도 질소 가스를 도입하고, 반응을 위하여 상기 반응용기에 상기 단계 (1)에서 제조된 가용성 혼합 염수액, 강알칼리 용액, 및 암모니아 용액을 동시에 공급하고, 및 전체 반응 공정에 걸쳐 반응계의 pH 값을 12 및 13의 사이로 유지시키는 단계;
(4) 상기 강알칼리 용액의 공급 및 상기 고순도 질소 가스의 도입을 종료하고, 반응계의 pH 값을 11 내지 12(더 바람직하게는, 상기 pH 값은 11.8 내지 11.9의 범위로 제어된다.)로 감소시키기 위하여 상기 가용성 혼합 염수액 및 상기 암모니아 용액의 공급을 계속하여 반응을 유지시키는 단계; 및
(5) 반응 후 상기 반응용기로부터 넘친 적격 물질(qualified material)을 숙성, 가압 여과, 세정, 건조, 및 체질하고(반응은 목표 입자 직경 3 μm 내지 4 μm의 D50이 달성되면 끝난다.), 그로써 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 얻는 단계.
본 개시에서, 반응 초기 단계에서 반응 분위기를 설계하고 보호기체(protective gas)를 충전함으로써, 초기에 비교적 양호한 나노 시트가 형성될 수 있다. 또한, 시트들의 응집 형태를 제어하기 위하여, 육각형 나노 시트들의 응집 정도는 서로 다른 침전 공정에 의하여 제어된다.
상기 방법에서, 바람직하게는, 상기 단계 (3)에서, 상기 암모니아 용액은 10 내지 13 mol/L의 농도를 가지고; 및 상기 강알칼리 용액은 6 내지 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액이다.
상기 방법에서, 바람직하게는, 상기 단계 (3)에서, 상기 고순도 질소 가스는 99.999 % 순도의 질소 가스이고; 상기 교반기의 교반 진동수(frequency)는 40 내지 50 Hz이고; 상기 가용성 혼합 염수액의 공급 유량은 2 내지 4 L/h이고; 상기 암모니아 용액의 공급 유량은 0.4 내지 0.8 L/h이고; 반응계에서 암모니아 농도는 전체 반응 공정에 걸쳐 4 내지 6 g/L로 유지되며; 반응 온도는 30 ℃ 내지 40 ℃이고, 더 바람직하게는 35 ℃ 내지 40 ℃이다. 상기 단계 (3)에서 상기 강알칼리 용액의 공급 및 상기 고순도 질소 가스의 도입은 2 내지 3 시간 동안 연속적으로 공급한 후 종료된다.
상기 반응은 상기 단계 (4)에서 적어도 20 시간 동안 연속적으로 수행된다.
상기 방법에서, 바람직하게는, 반응 후 얻어진 무적격 물질(unqualified material, D50 < 목표 직경의 슬러리)은 다음 생산을 위한 종자 결정들(seed crystals)로서 반응용기에 순환적으로 펌핑된다.
상기 방법에서, 바람직하게는, 상기 단계 (5)에서, 상기 세정 공정은 먼저 6 내지 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액에 상기 물질을 첨가하여 세정하는 단계, 상기 세정 온도를 60 ℃ 내지 70 ℃로 유지하는 단계; 및 이어서 사용된 물의 pH 값이 10 미만이 될 때까지 상기 물질을 순수(pure water)에 첨가하여 세정하는 단계(바람직하게는 pH＜9.5)를 포함한다. 상기 건조는 상기 물질의 수분 함량이 1 % 이하가 될 때까지 상기 물질을 110 ℃에서 건조하는 단계를 포함한다. 상기 체질은 325 메쉬(mesh) 체를 사용하여 상기 물질을 체질하는 단계를 포함한다.
단일한 일반적인 발명의 개념으로서, 본 개시에서 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드(cathode) 재료가 추가로 제공된다. 상기 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료는 상술한 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체 또는 상술한 방법으로 제조된 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 700 ℃ 내지 930℃의 온도, 산소 분위기에서 리튬염과 소결함으로써 얻어지며, 여기서 상기 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료는 단결정(single-crystal) 구조를 갖는다.
본 개시는 선행기술에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다:
(1) 본 개시의 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, 상기 1차 입자들은 “꽃잎들(petals)”이고, 시트 형상을 가진다. 상기 1차 입자들의 배향 정렬은 상기 2차 입자가 구형 및 다공성일 수 있게 한다. 특정한 조건 하에서 상기 전구체를 상기 특별한 구조와 소결함으로써, 보다 균일한 1차 입자들을 갖는 단결정(single-crystal) 3원 재료가 얻어진다. 이러한 재료는 더 높은 사이클 및 속도 성능을 갖는다.
(2) 본 개시의 방법은 큰 BET, 느슨해진 내부, 및 시트 형상의 1차 입자들을 갖는 전구체를 달성하는 반응 분위기의 특유한 설계와 결합된 망간 원소의 반응 활성을 채택한다. 출력 전력을 반응 유량과 적절하게 매칭함으로써, 상기 2차 입자들은 우수한 분산 성능을 가지며, 상기 2차 입자들 사이에서 응집 현상이 발생하지 않는다.
(3) 본 개시의 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 특별한 구조 및 형상을 갖는 1차 입자들, 및 2차 입자들 또는 이의 응집체를 가지므로, 더 낮은 소결 온도를 요구하는 소결 공정은 종래 소결 공정보다 더 유리하다.
(4) 본 개시의 방법에서, 출력 전력 및 유량 간의 적절한 매칭뿐만 아니라 고-저 pH 상 분리의 장점과 조합된 반응 분위기의 특유의 설계를 통하여, “꽃잎 형상(petal-like)” 및 시트 형상의 1차 입자들, 및 구형 및 다공성의 2차 입자들을 갖는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체가 제조된다. 종래의 전구체와 비교하여, 본 전구체의 상기 1차 입자는 특유의 구조를 갖고, 본 전구체의 상기 2차 입자는 느슨하고 다공성인 내부를 갖고, 이는 작은 입자 크기의 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 형태학 연구 및 제조 공정 최적화에 중요한 지도적 의의를 제공한다.
도 1은 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 입자 크기 분포도.
도 2는 50000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
3은 30000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 4는 5000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 5는 본 개시의 실시예 1에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타내는 이미지.
도 6은 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 입자 크기 분포도.
도 7은 50000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 8은 20000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 9는 5000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 10은 본 개시의 비교예 1에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타내는 이미지.
도 11은 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 입자 크기 분포도.
도 12는 50000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 13은 20000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 14는 5000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 15는 본 개시의 실시예 2에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타내는 이미지.
도 2는 50000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
3은 30000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 4는 5000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 5는 본 개시의 실시예 1에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타내는 이미지.
도 6은 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 입자 크기 분포도.
도 7은 50000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 8은 20000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 9는 5000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 비교예 1에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 10은 본 개시의 비교예 1에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타내는 이미지.
도 11은 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 입자 크기 분포도.
도 12는 50000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 13은 20000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 14는 5000배 전자현미경으로 관측된 본 개시의 실시예 2에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 입자들의 이미지.
도 15는 본 개시의 실시예 2에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타내는 이미지.
본 개시를 더 잘 이해하기 위하여 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 보다 포괄적이고 상세한 설명이 아래에서 이루어질 것이다. 그러나, 본 개시의 보호범위는 아래의 특정한 실시예로 제한되지 아니한다.
달리 명확하게 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 용어는 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 본원에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 개시의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
달리 명확하게 명시되지 않는 한, 본원에서 사용된 다양한 원료, 시약, 기구, 및 장치는 모두 시판되거나 기존의 방법에 의하여 제조될 수 있다.
[실시예 1]
본 개시에서Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 분자식을 갖는 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체가 제공된다. 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, Ni 및 Co 둘 모두는 +2의 원자가 상태(valence state)에 있고, Mn은 +2, +3, 및 +4의 혼합 원자가 상태(mixed valence states)에 있다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 1차 입자들은 군집된 “꽃잎들(petals)” 형상으로 배열된다. 상기 “꽃잎(petal)”은 시트 형상을 가진다. 상기 1차 입자 시트(즉, 시트 형상의 꽃잎)는 약 500 nm의 길이 및 약 80 nm의 두께를 갖는다(도 2 참조). 2차 입자는 느슨해진 내부를 가진 구형 구조를 갖는다(도 2 내지 4 참조). 미세한 내부 구조로부터 상기 1차 입자는 꽃잎 모양(petaloid) 형상을 가지며; 및 상기 2차 입자의 내부는 느슨하고 다공성인 구조이다. 상기 2차 입자들의 입자 크기들은 다음과 같다: D10=2.537 μm, D50=3.640 μm, 및 D90=5.221 μm(도 1 참조). 상기 2차 입자들의 입자 크기 분포는 (D90-D10)/D50＜1을 만족시킨다. 상기 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 1.18 g/cm3의 탭밀도(tap density), 9.37 m2/g의 비표면적(specific surface area), 0.79 g/cm3의 용적밀도(apparent density), 및 0.18 %의 황함량(sulfur content)을 가진다.
본 실시예에서 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 제조방법은 다음 단계를 포함한다:
(1) 화학식 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 몰비(molar ratio)에 따라 황산 니켈, 황산 코발트, 및 황산 망간으로부터 가용성 금속 혼합 염수액(salt water solution)을 제조하는 단계로서, 상기 염수액 중 금속 이온의 총 농도는 1.5 mol/L인 단계;
및 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액 및 10 mol/L 농도의 암모니아 용액을 제조하는 단계;
(2) 50 L 반응용기(reaction kettle)에 반응 염기 용액(reaction base solution)으로서 10 mol/L 농도의 암모니아 용액을 첨가하고, 상기 반응용기 염기 용액에서 암모니아 농도를 3.5 g/L가 되도록 제어하고, 이어서 연동 펌프(peristaltic pump)에 의하여 상기 반응용기에 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액을 펌핑하여 상기 반응용기 염기 용액의 pH 값을 12.6으로 조정하는 단계; 및 상기 반응용기 염기 용액에 의하여 상기 반응용기의 교반기의 교반 패들(stirring paddle)을 침지시키는 단계;
(3) 상기 단계 (2) 이후에 상기 반응용기의 교반기를 시동시키는 동안 반응용기에 99.999 % 농도의 고순도 질소 가스를 도입하는 단계로서, 상기 교반기의 교반 회전 속도(revolution speed)는 50 Hz로 설정되는 단계;
(4) 상기 반응용기에 상기 단계 (1)에서 제조된 가용성 금속 혼합 염수액, 수산화나트륨 용액, 및 암모니아 용액을 연동 펌프(peristaltic pumps)에 의하여 병류(parallel flows)로 공급하고, 교반 및 반응하는 단계로서, 교반 하의 반응에 걸쳐, 반응용기 내의 온도는 40 ℃로 제어되고, 상기 가용성 금속 혼합 염수액의 공급 유량은 1.8 L/h로 제어되고, 및 상기 암모니아 용액의 공급 유량은 0.5 L/h로 제어되며, 상기 수산화나트륨 용액의 공급 유량을 제어함으로써 반응에 걸쳐 반응계의 pH 값은 12.6이 되도록 제어되는 단계;
(5) 3 시간 동안 연속적으로 공급하고, 이어서 반응계의 pH 값을 11.9로 감소시키기 위하여 질소 가스의 주입부를 닫는 동안 알칼리 펌프의 유량을 0으로 감소시키고, 상기 가용성 금속 혼합 염수액 및 상기 암모니아 용액의 공급을 계속하여 반응을 유지시키는 단계(반응 시간은 20 시간이다.); 암모니아 펌프를 통해 반응계의 암모니아 함량을 4.5 g/L로 증가시키는 단계; 반응에서 생성된 미세 입자들이 점진적으로 성장하고, 반응 동안의 연속적인 공급으로 상기 미세 입자들의 구형도(sphericity)가 점진적으로 개선되는 동안, 반응 공정에서 슬러리 내의 입자들의 크기들을 레이저 입자 크기 분석기(laser particle size analyzer)에 의하여 2시간마다 1회 측정하는 단계; 반응용기 내의 상기 2차 입자들 또는 응집체의 입자 크기들이 목표 입자 크기(D50=3 내지 4 μm)에 도달하는 것이 검출될 때 적격 물질을 수집하는 단계; 상기 넘친 적격 물질을 숙성 용기로 유입시키고, 무적격 물질(unqualified material)은 다음 생산(다음 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 생산)에서 사용되도록 종자 결정들(seed crystals)로서 보존하는 단계;
(6) 2.5 시간 동안 숙성시킨 후 상청액(upper clear liquid)을 제거하는 단계; 숙성이 종료된 후 가압 하에서 판-프레임 프레스기(plate-frame press machine)를 사용하여 여과하고, 6 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액을 첨가하여 상기 물질을 알칼리성으로 세정하고, 상기 세정액의 온도를 60 ℃ 내지 70 ℃로 제어하는 단계;
(7) 알칼리성 세정 후, 사용된 물의 pH 값이 9.5 미만이 될 때까지 상기 물질을 순수(pure water)로 세정하고, 이어서 상기 세정된 물질을 110 ℃에서 건조시키고, 325 메쉬(mesh) 체를 사용하여 상기 건조된 물질을 체질하여, 그로써 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 얻는 단계;
(8) 고속 혼합기에서 리튬 카보네이트를 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체와 1.05:1의 몰비(molar ratio)로 균일하게 혼합하고, 상기 혼합물을 930 ℃의 온도, 산소 분위기에서 12 시간 동안 소결시켜, 그로써 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 얻는 단계.
도 5는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타낸다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료는 단결정(single-crystal) 구조를 갖는다. 배터리는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 사용하여 제조된다. 상기 배터리의 전기화학적 성능을 표 1에 나타낸다.
[비교예 1]
본 비교예에서 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 다음 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조되었다:
(1) 화학식 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 몰비(molar ratio)에 따라 가용성 금속 혼합 염수액(salt water solution)을 제조하는 단계로서, 상기 염수액 중 금속 이온의 총 농도는 1.5 mol/L인 단계; 및 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액 및 10 mol/L 농도의 암모니아 용액을 제조하는 단계;
(2) 50 L 반응용기(reaction kettle)에 반응 염기 용액(reaction base solution)으로서 암모니아 용액을 첨가하고, 상기 반응용기 염기 용액에서 암모니아 농도를 3.5 g/L가 되도록 제어하고, 이어서 연동 펌프(peristaltic pump)에 의하여 상기 반응용기에 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액을 펌핑하여 상기 반응용기 염기 용액의 pH 값을 12.6으로 조정하는 단계; 및 상기 반응용기 염기 용액에 의하여 상기 반응용기의 교반기의 교반 패들(stirring paddle)을 침지시키는 단계;
(3) 상기 단계 (2) 이후에 상기 반응용기의 교반기를 시동시키는 동안 반응용기에 99.999 % 농도의 고순도 질소 가스를 도입하는 단계로서, 상기 교반기의 교반 회전 속도(revolution speed)는 50 Hz로 설정되는 단계;
(4) 상기 반응용기에 상기 단계 (1)에서 제조된 가용성 금속 혼합 염수액, 수산화나트륨 용액, 및 암모니아 용액을 연동 펌프(peristaltic pumps)에 의하여 병류(parallel flows)로 공급하고, 교반 및 반응하는 단계로서, 교반 하의 반응에 걸쳐, 반응용기 내의 온도는 40 ℃로 제어되고, 상기 가용성 금속 혼합 염수액의 공급 유량은 1.8 L/h로 제어되고, 및 상기 암모니아 용액의 공급 유량은 0.3 L/h로 제어되며; 상기 수산화나트륨 용액의 공급 유량을 제어함으로써 반응에 걸쳐 반응계의 pH 값은 11.9가 되도록 제어되는 단계;
(5) 반응에서 생성된 미세 입자들이 점진적으로 성장하고, 반응 동안의 연속적인 공급으로 상기 미세 입자들의 구형도(sphericity)가 점진적으로 개선되는 동안, 반응 공정에서 슬러리 내의 입자들의 크기들을 레이저 입자 크기 분석기(laser particle size analyzer)에 의하여 2시간마다 1회 측정하는 단계; 반응용기 내의 상기 2차 입자들 또는 응집체의 입자 크기들이 목표 입자 크기(D50=3 내지 4 μm)에 도달하는 것이 검출될 때 적격 물질을 수집하는 단계; 상기 넘친 적격 물질을 숙성 용기로 유입시키고, 무적격 물질(unqualified material)은 다음 생산에서 사용되도록 종자 결정들(seed crystals)로서 보존하는 단계;
(6) 2.5 시간 동안 숙성시킨 후 상청액(upper clear liquid)을 제거하는 단계; 숙성이 종료된 후 가압 하에서 판-프레임 프레스기(plate-frame press machine)를 사용하여 여과하고, 6 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액을 첨가하여 상기 물질을 알칼리성으로 세정하고, 상기 세정액의 온도를 60 ℃ 내지 70 ℃로 제어하는 단계;
(7) 알칼리성 세정 후, 사용된 물의 pH 값이 9.5 미만이 될 때까지 상기 물질을 순수(pure water)로 세정하고, 이어서 상기 세정된 물질을 110 ℃에서 건조시키고, 325 메쉬(mesh) 체를 사용하여 상기 건조된 물질을 체질하여, 그로써 본 비교예의 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2를 얻는 단계;
(8) 고속 혼합기에서 리튬 카보네이트를 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체와 1.05:1의 몰비(molar ratio)로 균일하게 혼합하고, 상기 혼합물을 950 ℃의 온도, 산소 분위기에서 12 시간 동안 소결시켜, 그로써 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 얻는 단계.
도 6은 본 비교예에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 입자 크기 분포도를 나타낸다. 1차 입자들은 600 nm의 평균 입자 크기 및 200 nm의 두께를 갖는다. D10=2.111 μm, D50=3.442 μm, 및 D90=5.610 μm. 탭밀도(tap density)는 1.56 g/cm3이다. 용적밀도(apparent density)는 1.2 g/cm3이다. 황함량(sulfur content)은 0.16 %이다. 비표면적(specific surface area)은 5.6 m2/g이다. 도 7 내지 9는 본 비교예에서 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 전자현미경 사진이다. 도 7 내지 9에 나타낸 바와 같이, 전구체의 1차 입자들은 판 형상을 가지며, 혹(bump)을 가지는 전구체의 2차 입자들은 심각하게 응집된다.
도 10은 본 비교예에서 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타낸다. 배터리는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 사용하여 제조된다. 상기 배터리의 전기화학적 성능을 표 1에 나타낸다.
[실시예 2]
본 개시에서Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 분자식을 갖는 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체가 제공된다. 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서, Ni 및 Co 둘 모두는 +2의 원자가 상태(valence state)에 있고, Mn은 +2, +3, 및 +4의 혼합 원자가 상태(mixed valence states)에 있다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 1차 입자들은 군집된 “꽃잎들(petals)” 형상으로 배열된다. 상기 “꽃잎(petal)”은 시트 형상을 가진다. 1차 입자 시트는 400 nm의 길이 및 100 nm의 두께를 갖는다(도 12 참조). 2차 입자는 느슨해진 내부를 가진 구형 구조를 갖는다. 미세한 내부 구조로부터 상기 1차 입자는 꽃잎 모양(petaloid) 형상을 가지며; 및 상기 2차 입자의 내부는 느슨하고 다공성인 구조를 갖는다(도 12 내지 14 참조). 상기 2차 입자들의 입자 크기들은 다음과 같다: D10=2.180 μm, D50=3.472 μm, 및 D90=5.848 μm (도 11 참조). 상기 2차 입자들의 입자 크기 분포는 (D90-D10)/D50＜1을 만족시킨다. 상기 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 1.15 g/cm3의 탭밀도(tap density), 12.69 m2/g의 비표면적(specific surface area), 0.9 g/cm3의 용적밀도(apparent density), 및 0.17 %의 황함량(sulfur content)을 가진다.
본 실시예에서 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 제조방법은 다음 단계를 포함한다:
(1) 화학식 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2의 몰비(molar ratio)에 따라 황산 니켈, 황산 코발트, 및 황산 망간으로부터 가용성 금속 혼합 염수액(salt water solution)을 제조하는 단계로서, 상기 염수액 중 금속 이온의 총 농도는 1.8 mol/L인 단계;
및 6 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액 및 10 mol/L 농도의 암모니아 용액을 제조하는 단계;
(2) 50 L 반응용기(reaction kettle)에 반응 염기 용액(reaction base solution)으로서 10 mol/L 농도의 암모니아 용액을 첨가하고, 상기 반응용기 염기 용액에서 암모니아 농도를 3 g/L가 되도록 제어하고, 이어서 연동 펌프(peristaltic pump)에 의하여 상기 반응용기에 6 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액을 펌핑하여 상기 반응용기 염기 용액의 pH 값을 12.5로 조정하는 단계; 및 상기 반응용기 염기 용액에 의하여 상기 반응용기의 교반기의 교반 패들(stirring paddle)을 침지시키는 단계;
(3) 상기 단계 (2) 이후에 상기 반응용기의 교반기를 시동시키는 동안 반응용기에 99.999 % 농도의 고순도 질소 가스를 도입하는 단계로서, 상기 교반기의 교반 회전 속도(revolution speed)는 50 Hz로 설정되는 단계;
(4) 상기 반응용기에 상기 단계 (1)에서 제조된 가용성 금속 혼합 염수액, 수산화나트륨 용액, 및 암모니아 용액을 연동 펌프(peristaltic pumps)에 의하여 병류(parallel flows)로 공급하고, 교반 및 반응하는 단계로서, 교반 하의 반응에 걸쳐, 반응용기 내의 온도는 40 ℃로 제어되고, 상기 가용성 금속 혼합 염수액의 공급 유량은 2 L/h로 제어되고, 및 상기 암모니아 용액의 공급 유량은 0.6 L/h로 제어되며; 반응에 걸쳐 반응계의 pH 값은 12.5가 되도록 제어되는 단계;
(5) 3 시간 동안 연속적으로 공급하고, 이어서 반응계의 pH 값을 11.8로 감소시키기 위하여 질소 가스의 주입부를 닫는 동안 알칼리 펌프의 유량을 0으로 감소시키고, 암모니아 펌프를 통해 반응계의 암모니아 함량을 4 g/L로 증가시키는 단계; 반응에서 생성된 미세 입자들이 점진적으로 성장하고, 반응 동안의 연속적인 공급으로 상기 미세 입자들의 구형도(sphericity)가 점진적으로 개선되는 동안, 반응 공정에서 슬러리 내의 입자들의 크기들을 레이저 입자 크기 분석기(laser particle size analyzer)에 의하여 2시간마다 1회 측정하는 단계; 반응용기 내의 상기 2차 입자들 또는 응집체의 입자 크기들이 목표 입자 크기(D50=3 내지 4 μm)에 도달하는 것이 검출될 때 적격 물질을 수집하는 단계(16 내지 18 시간 동안 반응); 넘친 적격 물질을 숙성 용기로 유입시키고, 무적격 물질(unqualified material)은 다음 생산에서 사용되도록 종자 결정들(seed crystals)로서 보존하는 단계;
(6) 2.5 시간 동안 숙성시킨 후 상청액(upper clear liquid)을 제거하는 단계; 숙성이 종료된 후 가압 하에서 판-프레임 프레스기(plate-frame press machine)를 사용하여 여과하고, 6 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액을 첨가하여 상기 물질을 알칼리성으로 세정하고, 상기 세정액의 온도를 60 ℃ 내지 70 ℃로 제어하는 단계;
(7) 알칼리성 세정 후, 사용된 물의 pH 값이 9.5 미만이 될 때까지 상기 물질을 순수(pure water)로 세정하고, 이어서 상기 세정된 물질을 110 ℃에서 건조시키고, 325 메쉬(mesh) 체를 사용하여 상기 건조된 물질을 체질하여, 그로써 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 얻는 단계;
(8) 고속 혼합기에서 리튬 카보네이트를 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체와 1.05:1의 몰비(molar ratio)로 균일하게 혼합하고, 상기 혼합물을 930 ℃의 온도, 산소 분위기에서 12 시간 동안 소결시켜, 그로써 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 얻는 단계.
도 15는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료의 형태를 나타낸다. 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료는 단결정(single-crystal) 구조를 갖는다. 배터리는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드 재료를 사용하여 제조된다. 상기 배터리의 전기화학적 성능을 표 1에 나타낸다.
| 구분 |
초기 방전 용량 mAh/g
(상온, 0.2 C에서 방전; 전압 범위: 3~4.35 V) |
속도 특성
(2C/0.2C)% |
50 사이클 후 용량 유지 %
(1 C에서 충전 및 방전) |
| 실시예 1 | 182 | 94 | 95 |
| 실시예 2 | 180 | 93.8 | 94 |
| 비교예 1 | 175 | 92 | 91 |
실시예 및 비교예의 리튬 니켈 코발트 망간 산화물로부터 제조된 배터리의 전기화학적 성능
Claims (10)
- 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체로서,
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 1차 입자들은 군집된 “꽃잎들(petals)” 형상으로 배열되고,
상기 “꽃잎(petal)”은 시트 형상을 가지며,
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 2차 입자는 느슨해진 내부를 가진 구형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체. - 제1항에 있어서,
상기 시트 형상의 “꽃잎”은 400 nm 내지 800 nm의 길이 및 50 nm 내지 100 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체. - 제1항에 있어서,
상기 2차 입자들의 입자 크기들은 다음과 같고: D10 은 1.5 μm 이상이고, D50은 3 μm 내지 4 μm이고, 및 D90은 8 μm 이하임;
상기 2차 입자들은 (D90-D10)/D50＜1의 입자 크기 분포를 갖는 것을 특징으로 하는, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 NixCoyMnz(OH)2의 분자식을 가지며,
여기서 x+y+z=1, 0.5≤x≤0.9, 0＜y≤0.2, 및 0＜z≤0.2이고, Ni 및 Co 둘 모두는 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서 +2의 원자가 상태(valence state)에 있고, Mn은 상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체에서 +2, +3, 및 +4의 혼합 원자가 상태(mixed valence states)에 있는 것을 특징으로 하는, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체는 1 내지 1.5 g/cm3의 탭밀도(tap density), 8 내지 20 m2/g의 비표면적(specific surface area), 0.6 내지 1 g/cm3의 용적밀도(apparent density), 및 0.12 % 내지 0.2 %의 황함량(sulfur content)을 가지는 것을 특징으로 하는, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체. - (1) NixCoyMnz(OH)2의 화학양론비에 따라 가용성 혼합 염수액(salt water solution)을 제조하는 단계로서, 상기 염수액 중 금속 이온의 총 농도는 1 내지 2 mol/L인 단계;
(2) 반응용기(reaction kettle)에 반응 염기 용액(reaction base solution)으로서 암모니아 용액을 첨가하고, 상기 반응 염기 용액에서 암모니아 농도를 2 내지 6 g/L가 되도록 제어하고, 및 상기 반응 염기 용액의 pH 값을 12 내지 13으로 조정하는 단계;
(3) 상기 반응용기의 교반기를 시동시키는 동안 상기 반응용기에 고순도 질소 가스를 도입하고, 반응을 위하여 상기 반응용기에 상기 단계 (1)에서 제조된 가용성 혼합 염수액, 강알칼리 용액, 및 암모니아 용액을 동시에 공급하고, 및 전체 반응 공정에 걸쳐 반응계의 pH 값을 12 및 13의 사이로 유지시키는 단계;
(4) 상기 강알칼리 용액의 공급 및 상기 고순도 질소 가스의 도입을 종료하고, 반응계의 pH 값을 11 내지 12로 감소시키기 위하여 상기 가용성 혼합 염수액 및 상기 암모니아 용액의 공급을 계속하여 반응을 유지시키는 단계; 및
(5) 반응 후 상기 반응용기로부터 넘친 적격 물질(qualified material)을 숙성, 가압 여과, 세정, 건조, 및 체질하고, 그로써 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 단계 (3)에서 상기 암모니아 용액은 10 내지 13 mol/L의 농도를 가지고,
상기 강알칼리 용액은 6 내지 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액인 것을 특징으로 하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 단계 (3)에서 상기 고순도 질소 가스는 99.999 % 순도의 질소 가스이고;
상기 교반기의 교반 진동수(frequency)는 40 내지 50 Hz이고;
상기 가용성 혼합 염수액의 공급 유량은 1.5 내지 4 L/h이고;
상기 암모니아 용액의 공급 유량은 0.4 내지 0.8 L/h이고, 반응계에서 암모니아 농도는 전체 반응 공정에 걸쳐 4 내지 6 g/L로 유지되며;
반응 온도는 30 ℃ 내지 40 ℃이고;
상기 단계 (3)에서 상기 강알칼리 용액의 공급 및 상기 고순도 질소 가스의 도입은 2 내지 3 시간 동안 연속적으로 공급한 후 종료되고; 및
상기 반응은 상기 단계 (4)에서 적어도 20 시간 동안 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 단계 (5)에서,
상기 세정 공정은 먼저 6 내지 8 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액에 상기 물질을 첨가하여 세정하는 단계, 상기 세정 온도를 60 ℃ 내지 70 ℃로 유지하는 단계, 및 이어서 사용된 물의 pH 값이 10 미만이 될 때까지 상기 물질을 순수(pure water)에 첨가하여 세정하는 단계를 포함하고,
상기 건조는 상기 물질의 수분 함량이 1 % 이하가 될 때까지 상기 물질을 110 ℃에서 건조하는 단계를 포함하며,
상기 체질은 325 메쉬(mesh) 체를 사용하여 상기 물질을 체질하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법. - 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드(cathode) 재료로서,
상기 재료는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체 또는 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전구체를 700 ℃ 내지 930℃의 온도, 산소 분위기에서 리튬염과 소결시켜 얻어지며,
상기 재료는 단결정(single-crystal) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 고전압 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 캐쏘드(cathode) 재료.
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