KR100346137B1 - Secondary battery using amorphous vanadiumoxide doped with copper as a cathode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지에 관한 것으로, 상기 구리는 0.1 ~ 15 wt%의 범위로 첨가되며, 상기 산화바나듐과 구리는 층상 구조로 형성시킬 수도 있다. 또한, 상기 산화바나듐에는 구리이외에 철, 니켈, 코발트, 주석, 안티몬, 비스무트, 마그네슘, 아연, 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 추가적으로 포함시킬 수 있으며, 추가되는 양은 총 0.1 ~ 15 wt%의 범위가 적당하다. 본 발명에 의하면 종래의 산화바나듐 양극에 비하여 수명 특성이 개선되어 500회 이상의 충방전 사이클에서도 안정적인 산화바나듐 양극을 제공할 수 있게 되었다. 따라서, 산화바나듐을 이용한 이차전지의 용량 및 수명을 개선하는 효과가 매우 크며, 종래 기술에서 요구되는 별도의 양극 열처리 공정이 필요하지 않기 때문에 생산 비용을 크게 절감할 수 있게 되었다.The present invention relates to a secondary battery using amorphous vanadium oxide added with copper as a positive electrode, wherein the copper is added in the range of 0.1 to 15 wt%, and the vanadium oxide and copper may be formed in a layered structure. In addition, the vanadium oxide may additionally include one or more materials selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, tin, antimony, bismuth, magnesium, zinc, and chromium in addition to copper, and the amount added is 0.1 to 15 wt% in total. The range of is suitable. According to the present invention, it is possible to provide a stable vanadium oxide anode even in a charge and discharge cycle of 500 times or more as compared to the conventional vanadium oxide anode life. Therefore, the effect of improving the capacity and life of the secondary battery using vanadium oxide is very large, and since the separate anode heat treatment process required in the prior art is not required, the production cost can be greatly reduced.

Description

구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지{SECONDARY BATTERY USING AMORPHOUS VANADIUMOXIDE DOPED WITH COPPER AS A CATHODE}Secondary battery using amorphous vanadium oxide added with copper as a positive electrode {SECONDARY BATTERY USING AMORPHOUS VANADIUMOXIDE DOPED WITH COPPER AS A CATHODE}

본 발명은 구리가 첨가된 비정질(amorphous)의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery using an amorphous vanadium oxide containing copper as a positive electrode.

최근에 휴대용 전자 기기 또는 미세 소자의 전력 공급원으로 이차 전지가 연구되고 있다. 이러한 전지는 전자 기기가 소형화됨에 따라 더욱 소형화되고 그 성능이 개선되어지고 있다. 이차전지는 그 응용 범위가 경량의 이동 통신장비(예; 셀룰러 폰) 또는 휴대용 컴퓨터 뿐 아니라 대부분의 미세 전자 소자(micro-electronic devices)에 이르기까지 확대될 것으로 예측되고 있다.Recently, secondary batteries have been studied as a power supply source for portable electronic devices or micro devices. These batteries have become smaller and improved in performance as electronic devices become smaller. Secondary batteries are expected to extend their application to lightweight mobile communication equipment (eg, cellular phones) or portable computers, as well as most micro-electronic devices.

동일한 전해질을 사용할 경우 이차 전지의 성능은 양극에 의해서 좌우된다. 현재 대부분의 상용 이차 전지의 경우 LiCoO2를 양극로서 사용하고 있는데, 이는 이 물질의 작동 전압이 높으며 또한 용량이 크고 수명특성이 좋기 때문이다. 그러나 Co가 고가일 뿐 아니라 환경적인 측면에서 공해를 유발하기 때문에 LiCoO2의 경우보다 용량은 다소 낮으나 저가이면서 공해 요인이 없는 LiMn2O4를 이용한 이차 전지 개발이 매우 활발히 진행되고 있다. LiCoO2의 경우 층상 구조(layered structure)를 가지며, LiMn2O4의 경우는 스피넬(Spinel) 구조를 갖는다. 이 두 물질은 공통적으로 결정성(crystallinity)이 우수할 때 전지로서 우수한 성능을 가지게 된다. 따라서특히 박막 전지를 제작할 때, 이 두 물질의 결정화를 위해서 박막 제작시에 또는 후 공정으로 반드시 열처리 공정을 수반하여만 한다. 그러므로 이 두 물질을 이용한 전지를 의료용이나 또는 특수한 용도로 만들려고 할 때, 고분자(예를 들어 플라스틱) 재료 위에 구현하는 것은 이러한 고분자 물질이 열처리 온도에서 견디지 못하기 때문에 현재로서는 불가능하다.When the same electrolyte is used, the performance of the secondary battery depends on the positive electrode. Currently, most commercial secondary batteries use LiCoO 2 as a positive electrode because of the high operating voltage, high capacity, and good life characteristics of the material. However, since Co is not only expensive but also causes environmental pollution, secondary batteries using LiMn 2 O 4, which have a lower capacity than that of LiCoO 2 but are inexpensive and have no pollution factor, are being actively developed. LiCoO 2 has a layered structure, and LiMn 2 O 4 has a spinel structure. Both materials have excellent performance as batteries when they have excellent crystallinity. Therefore, especially when manufacturing a thin film battery, for the crystallization of these two materials must be accompanied by a heat treatment step at the time of thin film production or in the post-process. Therefore, when attempting to make batteries using these two materials for medical or special purposes, it is not possible at present to implement them on polymer (eg plastic) materials because these polymers do not withstand the heat treatment temperatures.

이상의 두 물질에 비하여 다소 그 작동 전압이 낮지만 비정질(amorphous) 상태에서 매우 우수한 전극 특성을 갖는 산화바나듐에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 산화바나듐은 위의 두 물질보다 합성이 비교적 용이하며, 특히 상온에서 합성이 가능하기 때문에 매우 주목을 받고 있다. 상온에서 합성된 산화바나듐의 경우 결정성의 산화바나듐보다 오히려 그 성능(예를 들어 수명 또는 효율)이 우수하다. 이러한 이유에서 산화바나듐을 양극로 이용한다면 상온 공정이 가능하기 때문에 플라스틱과 같은 고분자 물질 위에 이차 전지의 제작이 가능하게 된다. 이러한 이유에서 여러 가지의 화학적 방법 및 진공 박막 합성법에 의한 산화바나듐은 앞으로 이차 전지의 양극으로 응용될 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.Although the operating voltage is slightly lower than the above two materials, researches on vanadium oxide having very excellent electrode characteristics in an amorphous state have been actively conducted. Vanadium oxide is relatively easy to synthesize than the above two materials, especially because it can be synthesized at room temperature has attracted much attention. In the case of vanadium oxide synthesized at room temperature, its performance (for example, lifetime or efficiency) is superior to crystalline vanadium oxide. For this reason, if vanadium oxide is used as a positive electrode, a room temperature process is possible, and thus a secondary battery can be manufactured on a polymer material such as plastic. For this reason, vanadium oxide by various chemical methods and vacuum thin film synthesis method is very likely to be applied as a positive electrode of a secondary battery in the future.

전지의 성능에는 총 에너지 저장 용량, 순간 출력 밀도, 자기방전율 등이 있다. 특히 이차 전지의 경우 반복적으로 충방전하여 사용하기 때문에 충방전의 횟수에 따른 용량의 변화가 적어야 하는데, 이를 싸이클 특성이라 한다. LiMn2O4는 아직 싸이클 특성이 개선이 되지 않아서 그 응용성이 낮은 물질의 한 예이다. 산화바나듐의 경우 비정질이 결정질의 경우보다 싸이클 특성이 우수하다. 초정밀 전자공학및 반도체공학의 발달에 힘입어 최근에 개발되고 생산되는 전자 제품(또는 부품)들의 수명이 연장됨에 따라 이를 구동하는 에너지원의 싸이클 성능의 개선이 절실하게 요구되고 있어, 산화바나듐도 사이클 특성의 개선이 더욱 요구되고 있다.The performance of the battery includes total energy storage capacity, instantaneous power density and self discharge rate. In particular, since the secondary battery is repeatedly charged and discharged, the capacity change according to the number of charge and discharge cycles should be small, which is called a cycle characteristic. LiMn 2 O 4 is an example of a low-applicability material because the cycle characteristics have not been improved yet. In the case of vanadium oxide, the cycle characteristics are superior to those in the case where the amorphous phase is crystalline. As the lifespan of recently developed and produced electronic products (or components) is extended due to the development of ultra-precision electronics and semiconductor engineering, the cycle performance of the energy source that drives them is urgently required. Further improvement of the characteristics is required.

따라서, 본 발명은 수명 특성이 개선되고 안정적이며 제조시 별도의 후처리가 필요하지 않는 산화바나듐 양극을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a vanadium oxide anode which has improved life characteristics and is stable and does not require a separate post treatment during manufacture.

도 1은 구리가 도핑된 산화바나듐 박막의 X-ray 회절 특성 그래프이다.1 is an X-ray diffraction graph of a copper-doped vanadium oxide thin film.

도 2은 구리가 도핑된 산화바나듐 박막의 표면 및 단면 사진이다.2 is a surface and cross-sectional photograph of a copper-doped vanadium oxide thin film.

도 3은 구리가 도핑된 산화바나듐 박막의 용량-전위 특성을 비교한 그래프이다.3 is a graph comparing the capacitance-potential characteristics of a copper-doped vanadium oxide thin film.

도 4는 산화바나듐 박막에 대한 구리 도핑 전후의 싸이클 특성을 비교한 그래프이다.4 is a graph comparing cycle characteristics before and after copper doping for vanadium oxide thin films.

본 발명은 구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지를 제공한다. 상기 구리는 0.1 ~ 15 wt%의 범위로 첨가되며, 상기 산화바나듐과 구리는 층상 구조로 형성시킬 수도 있다. 또한, 상기 산화바나듐에는 구리이외에 철, 니켈, 코발트, 주석, 안티몬, 비스무트, 마그네슘, 아연, 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 추가적으로 포함시킬 수 있으며, 추가되는 양은 총 0.1 ~ 15 wt%의 범위가 적당하다.The present invention provides a secondary battery using amorphous vanadium oxide containing copper as a positive electrode. The copper is added in the range of 0.1 to 15 wt%, and the vanadium oxide and copper may be formed in a layered structure. In addition, the vanadium oxide may additionally include one or more materials selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, tin, antimony, bismuth, magnesium, zinc, and chromium in addition to copper, and the amount added is 0.1 to 15 wt% in total. The range of is suitable.

본 발명은 제2종의 원소를 초기 출발 물질인 산화바나듐과 함께 또는 별도로 공급함으로써 임의로 그 함유량을 조절 가능하게 하였으며, 별도의 후처리가 필요하지 않기 때문에 종래 기술에서 요구되는 양극 열처리 공정의 생략을 가능하게 하는 장점이 있다.The present invention allows the second type of element to be optionally controlled by supplying vanadium oxide, which is an initial starting material, or separately, and does not omit the anodization process required in the prior art because no additional post-treatment is required. There is an advantage to this.

본 발명의 양극는 두 가지 형태로 나눌 수 있는데, 하나는 구리, 주석, 철, 안티몬 등을 별도의 스퍼터링 건(gun)으로부터 발생시키고 산화바나듐과 동시에 증착시켜 하나의 비정질 구조로 형성시킨 것이며, 다른 하나는 산화바나듐과 제2종원소를 층상구조로 형성시킨 것이다.The anode of the present invention can be divided into two types, one is copper, tin, iron, antimony, etc. are generated from a separate sputtering gun and simultaneously deposited with vanadium oxide to form one amorphous structure, the other Is a vanadium oxide and a second type of element formed in a layered structure.

본 발명에 의한 양극은 그 안전성이 크게 향상되며, 이를 이용한 이차전지, 특히 리튬이차전지의 수명 특성을 배가시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 벌크 전지 뿐만 아니라 박막 전지의 제작에도 응용될 수 있다.The positive electrode according to the present invention is greatly improved in safety, it can double the life characteristics of the secondary battery, in particular lithium secondary battery using the same. In addition, the present invention can be applied to the production of thin film batteries as well as bulk batteries.

박막의 산화바나듐을 제작하기 위해서는 물리적 증착법(Physical vapor deposition), 화학적 증착법(Chemical vapor deposition), 졸-겔법, 스핀코팅법, 정전분무법(Electrostatic spray deposition) 등을 사용할 수 있다.In order to fabricate vanadium oxide of a thin film, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sol-gel, spin coating, electrostatic spray deposition, and the like may be used.

또한, 벌크 형태의 산화바나듐을 제작할 때는 바나듐과 구리가 혼합 또는 화합된 상태의 출발 물질을 이용하거나 구리를 독립적인 원료로 산화바나듐이 합성되는 과정 중에 포함시킬 수 있다. 출발 원료에 구리를 포함하는 것에는 스퍼터링 타겟이 바나듐-구리 합금인 경우, 열증발법에서 바나듐과 구리를 혼합하여 증발시키는 경우, 화학기상증착법에서 출발원료 물질에 바나듐과 구리가 함께 포함되는 경우 등이 있다.In addition, when manufacturing the bulk vanadium oxide may be included in the process of synthesizing vanadium oxide using a starting material in a state in which vanadium and copper are mixed or combined, or copper as an independent raw material. The inclusion of copper in the starting material includes the case where the sputtering target is a vanadium-copper alloy, the evaporation of vanadium and copper in the thermal evaporation method, the case in which vanadium and copper are included in the starting material in the chemical vapor deposition method, and the like. There is this.

이하에서 도면을 참조하며 실시예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예.Example.

이중 직류 반응성 스퍼터링을 이용하여 산화바나듐 박막을 증착하면서 구리를 도핑하였다. 즉, 2개의 스퍼터링 건을 사용하여 각각의 건에 금속의 바나듐과 구리 4인치 타겟을 장착하였다. 박막의 증착을 위하여 사용된 기판으로는 상온에서 전류 콜렉터로 스테인레스 스틸 박막 또는 백금, 몰리브덴이 증착된 소다 라임 유리 또는 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 초기 진공 반응조의 진공도는 1 ~ 9 × 10-6torr이며, 박막의 제작 중 진공도는 1 ~ 9 × 10-3torr였다. 이때 반응가스로서 산소와 아르곤의 비는 1 : 9 ~ 5 : 5 이었으며, 총 가스 유량은 분당 10 ~ 100 cc(10 ~ 100 sccm)으로 하였다. 균일한 두께의 박막을 얻기 위하여 증착 중 기판은 3 ~ 100 rpm의 속도로 회전시켰으며, 증착 전에 바나듐 및 구리 타겟의 표면상의 오염을 제거하기 위하여 20분 동안 스퍼터링하였다.Copper was doped while depositing a vanadium oxide thin film using double direct current reactive sputtering. In other words, two sputtering guns were used to mount a metal vanadium and a copper 4 inch target to each gun. As a substrate used for deposition of a thin film, a stainless steel thin film or platinum, molybdenum-deposited soda lime glass or silicon wafer was used as a current collector at room temperature. The vacuum degree of the initial vacuum reactor was 1-9 * 10 <-6> torr, and the vacuum degree during manufacture of a thin film was 1-9 * 10 <-3> torr. At this time, the ratio of oxygen and argon as a reaction gas was 1: 9 to 5: 5, and the total gas flow rate was 10 to 100 cc (10 to 100 sccm) per minute. During deposition, the substrate was rotated at a speed of 3-100 rpm to obtain a thin film of uniform thickness, and sputtered for 20 minutes to remove contamination on the surface of the vanadium and copper targets before deposition.

증착된 산화바나듐의 전기 화학적 특성을 측정하기 위하여 카운트 및 참조 전극으로 금속 리튬 박판을 사용하였으며, 다공성 폴리프로필렌에 1M LiPF6를 함침시켜 전해질로 사용하였다. 전지 특성은 정전류 방식으로 하였는데, 이때 전류 밀도는 10 ~ 1000 ㎂/cm2으로 하였다.In order to measure the electrochemical properties of the deposited vanadium oxide, a metal lithium thin plate was used as a count and reference electrode, and porous polypropylene was used as an electrolyte by impregnating 1 M LiPF 6 . The battery characteristics were a constant current method, wherein the current density was 10 to 1000 mA / cm 2 .

도 1에 구리가 도핑된 산화바나듐의 X-ray 회절 피크를 나타내었다. 스테인레스 스틸 피크 이외의 다른 결정성 피크가 관찰되지 않고 있다. 즉, 비정질의 산화바나듐이 증착되었음을 알 수 있다. a는 기판의 피크를 나타낸다.FIG. 1 shows the X-ray diffraction peaks of vanadium oxide doped with copper. No crystalline peak other than the stainless steel peak is observed. That is, it can be seen that amorphous vanadium oxide was deposited. a represents the peak of the substrate.

양극의 구조는 전지의 작동에 많은 영향을 주는데, 도 2a 및 2b에 나타낸 것처럼, 제작된 산화바나듐의 표면 및 내부에 균열, 기공 또는 거대 결함이 관찰되고 있지 않다. 이는 구리를 도핑하더라도 산화바나듐 박막에 구조적으로 나쁜 영향을 주지 않음을 의미한다.The structure of the positive electrode greatly affects the operation of the battery. As shown in Figs. 2A and 2B, no cracks, pores or macroscopic defects are observed on the surface and inside of the manufactured vanadium oxide. This means that doping copper does not adversely affect the vanadium oxide thin film.

도 3에 구리가 도핑된 산화바나듐 박막의 1.5 ~ 3.8 V의 구간에서 용량-포텐셜(Capacity-Potential) 특성 곡선(b)을 나타내었다. 이 곡선은 구리가 첨가되지 않은 비정질의 산화바나듐 곡선(a)이 측정 구간에서 연속적으로 포텐셜의 감소를 보이는 것과는 매우 다르다. 즉, 3.8 ~ 2.7 V 구간에서 첫 번째 플라토우(Plateau)를 가지다가 빠른 포텐셜의 감소를 보이며, 다시 2.1 V에서 두 번째의 플라토우를 갖는다. 이러한 곡선의 양상은 스피넬 구조를 가진 LiMn2O4의 그것과 매우 유사하다. 이러한 플라토우는 안정적인 포텐셜을 공급하는 전지의 제작에 매우 유용하다.3 shows a capacity-potential characteristic curve (b) in a section of 1.5 to 3.8 V of the copper-doped vanadium oxide thin film. This curve is very different from the amorphous vanadium oxide curve (a) without copper added, which shows a continuous decrease in potential in the measurement interval. In other words, the first plateau (platate) in the 3.8 ~ 2.7 V section shows a rapid decrease in potential, and again the second plateau at 2.1 V. This curve pattern is very similar to that of LiMn 2 O 4 with spinel structure. This plato is very useful for the fabrication of batteries that supply a stable potential.

이차 전지에 있어서 가장 중요한 성질의 하나인 싸이클 특성을 도 4에 나타내었다. 일반적으로 싸이클 측정시 정전류 밀도에 의존함으로 9.25, 110.7 ㎂/cm2의 두 가지의 다른 전류 밀도를 사용하여 측정하였다. 도면에서 초기의 급격한 용량의 감소는 전형적인 비정질 산화바나듐의 그것과 동일하다. 그러나 전류 밀도에 무관하게 거의 동일한 싸이클 특성을 보이고 있는데, 이는 전지의 충전시 매우 중요한 결과이다. 즉, 충전 시에 인가 전류를 크게 함으로써 충전 시간을 단축할 수 있다. 특히, 전류밀도에 무관하게 500회의 충방전 동안 거의 일정한 용량 값을 나타내고 있다(b). 비록 구리가 첨가되지 않은 산화바나듐(a)에 비하여 초기에 다소 낮은 값의 용량을 보이고 있지만, 구리의 첨가가 싸이클 특성의 개선에 큰 영향을 줌을 알 수 있다.The cycle characteristic, which is one of the most important properties in the secondary battery, is shown in FIG. 4. In general, the cycle measurements depended on the constant current density and were measured using two different current densities: 9.25 and 110.7 mA / cm 2 . The initial abrupt decrease in capacity in the figure is the same as that of a typical amorphous vanadium oxide. However, they exhibit almost the same cycle characteristics regardless of the current density, which is a very important result when charging the battery. That is, the charging time can be shortened by increasing the applied current during charging. In particular, it shows a nearly constant capacity value during 500 charge / discharge cycles regardless of the current density (b). Although copper initially shows a somewhat lower capacity than vanadium oxide (a) without copper, it can be seen that the addition of copper has a significant effect on the improvement of the cycle characteristics.

본 발명에 의하면 종래의 산화바나듐 양극에 비하여 수명 특성이 개선되어 500회 이상의 충방전 사이클에서도 안정적인 산화바나듐 양극을 제공할 수 있게 되었다. 따라서, 산화바나듐을 이용한 이차전지의 용량 및 수명을 개선하는 효과가 매우 크며, 각종 초소형 전자기기, 통신기기 및 전기자동차의 전원을 국산화할 수 있어 수입 대체 및 수출 증대가 가능하다. 또한, 종래 기술에서 요구되는 별도의 양극 열처리 공정이 필요하지 않기 때문에 생산 비용을 크게 절감할 수 있게 되었다.According to the present invention, it is possible to provide a stable vanadium oxide anode even in a charge and discharge cycle of 500 times or more as compared to the conventional vanadium oxide anode life. Therefore, the effect of improving the capacity and lifespan of the secondary battery using vanadium oxide is very large, and it is possible to localize the power of various small electronic devices, communication devices and electric vehicles, import and export can be increased. In addition, since a separate anodization process required in the prior art is not required, the production cost can be greatly reduced.

Claims (5)

구리가 첨가된 비정질(amorphous)의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지.A secondary battery using amorphous vanadium oxide containing copper as a positive electrode. 제1항에 있어서, 상기 구리의 양은 0.1 ~ 15 wt%인 것을 특징으로 하는 구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지.The secondary battery according to claim 1, wherein the amount of copper is 0.1 to 15 wt%. 제1항에 있어서, 상기 산화바나듐과 구리는 층상 구조로 형성된 구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지.The secondary battery of claim 1, wherein the vanadium oxide and copper use amorphous vanadium oxide containing copper, which is formed in a layered structure, as an anode. 제1항에 있어서, 상기 산화바나듐에 철, 니켈, 코발트, 주석, 안티몬, 비스무트, 마그네슘, 아연, 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 추가적으로 포함하는 구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지.The anode of claim 1, wherein the vanadium oxide is copper-added amorphous vanadium oxide further comprising at least one material selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, tin, antimony, bismuth, magnesium, zinc, and chromium. Secondary battery used as. 제4항에 있어서, 상기 추가되는 물질의 양은 총 0.1 ~ 15 wt%인 것을 특징으로 하는 구리가 첨가된 비정질의 산화바나듐을 양극으로 사용하는 이차전지.The secondary battery according to claim 4, wherein the amount of the added material is 0.1-15 wt% in total. 6.
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