KR101088268B1 - Lithium titanate with nanotube - Google Patents

Lithium titanate with nanotube Download PDF

Info

Publication number
KR101088268B1
KR101088268B1 KR1020090007394A KR20090007394A KR101088268B1 KR 101088268 B1 KR101088268 B1 KR 101088268B1 KR 1020090007394 A KR1020090007394 A KR 1020090007394A KR 20090007394 A KR20090007394 A KR 20090007394A KR 101088268 B1 KR101088268 B1 KR 101088268B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
powder
titanium dioxide
tio
titanium oxide
Prior art date
Application number
KR1020090007394A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20100088277A (en
Inventor
김동현
이기수
김선재
장점석
이진우
권민석
아흐메드 우마르
이경섭
선양국
신동욱
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020090007394A priority Critical patent/KR101088268B1/en
Priority to PCT/KR2010/000561 priority patent/WO2010087649A2/en
Publication of KR20100088277A publication Critical patent/KR20100088277A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101088268B1 publication Critical patent/KR101088268B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00Compounds of titanium
    • C01G23/003Titanates
    • C01G23/005Alkali titanates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00Compounds of titanium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/01Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/10Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C01P2004/13Nanotubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

본 발명은 나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물을 제공하며, 또한, 준안정상태의 TiO2 분말을 마련하는 제 1 단계와, LiOH 수용액에서 상기 TiO2 분말을 반응시켜 이온 교환법에 의해 상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트를 형성하는 제 2단계와, 상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트가 나노튜브구조로 전환되도록 상기 티타네이트를 열처리하는 제 3 단계: 및, 상기 결과물을 건조시키는 제 4 단계를 포함하는 나노구조 형태의 리튬 티탄 산화물 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a lithium-titanium oxide nano-tube form, and also, by the reaction of the TiO 2 powder in a first step of providing a TiO 2 powder having a metastable state, LiOH aqueous solution containing the Li component by ion exchange A second step of forming a layered titanate, and a third step of heat-treating the titanate to convert the layered titanate containing the Li component into a nanotube structure: and an agent for drying the resultant It provides a method for producing lithium titanium oxide in the form of nanostructures comprising four steps.

나노 구조 Nano structure

Description

나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물{LITHIUM TITANATE WITH NANOTUBE} Lithium titanium oxide in the form of nanotubes {LITHIUM TITANATE WITH NANOTUBE}

본 발명은 나노 구조 형태를 가지는 리튬 티탄 산화물에 관한 것이다. The present invention relates to lithium titanium oxide having a nano structured form.

최근, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 휴대용 기기의 발전에 따라 Ni-수소(Ni-MH) 이차 전지나 리튬 이차 전지 등의 소형 이차 전지에 대한 수요가 높아지고 있다. 특히, 리튬과 비수용매 전해액을 사용하는 리튬은 소형, 경량 및 고에너지 밀도의 전지를 실현할 수 있는 가능성이 높아 활발하게 개발되고 있다. 일반적으로 리튬 이차 전지의 양극(cathode)재료로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등의 전이금속산화물이 사용되며, 음극(anode) 재료로는 리튬(Lithium)금속 또는 탄소(Carbon)등이 사용되고, 두 전극사이에 전해질로서 리튬이온이 함유되어있는 유기용매를 사용하여 리튬 이차 전지가 구성된다. 그러나, 금속리튬을 음극으로 이용한 리튬 이차 전지는 충방전을 반복하는 경우에 수지상(dendrite)의 결정이 발생하기 쉽고, 이로 인한 단락 쇼트의 위험성이 크므로, 음극에 탄화 또는 흑연화된 탄소재료를 이용하고 리튬이온을 함유하는 비수용매를 전해질로 하는 리튬 이차 전지가 실용화되고 있다. 그러나, 탄소계 음극재료는 비가역용량이 크므로 초기 충방 전효율이 낮고, 용량이 감소 되는 문제점이 있다.Recently, with the development of portable devices such as mobile phones, notebook computers, camcorders, and the like, demand for small secondary batteries such as Ni-MH (Ni-MH) secondary batteries and lithium secondary batteries is increasing. In particular, lithium using lithium and a nonaqueous solvent electrolyte has been actively developed due to the high possibility of realizing a battery of small size, light weight and high energy density. In general, a transition metal oxide such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 is used as a cathode material of a lithium secondary battery, and lithium metal or carbon is used as an anode material. This is used, and a lithium secondary battery is comprised using the organic solvent which contains lithium ion as electrolyte between two electrodes. However, a lithium secondary battery using a metal lithium as a negative electrode tends to generate a dendrite crystal when charging and discharging is repeated, resulting in a high risk of short circuit. Lithium secondary batteries that use a nonaqueous solvent containing lithium ions as an electrolyte have been put to practical use. However, since the carbon-based negative electrode material has a large irreversible capacity, the initial charging and discharging efficiency is low, and the capacity is reduced.

한편, 리튬 티탄 산화물(Lithium titanate)을 음극재료로서 사용하려는 시도도 있다. 리튬 티탄 산화물은 리튬 금속 기준으로 1.5V의 전압을 가지고, 수명이 길다. 또한 시계용 리튬이온전지 중의 활성물질로서 성공적으로 사용되어온 재료이고, 충전-방전시의 팽창 및 수축을 무시할 수 있으므로, 전지의 대형화시에 주목되는 전극 재료이다. 이 재료는 양극재료로서 종래부터 사용되어 왔고, 음극재료로서도 활용될 수 있다. On the other hand, there is also an attempt to use lithium titanate as a negative electrode material. Lithium titanium oxide has a voltage of 1.5V on the basis of lithium metal and has a long lifespan. In addition, it is a material that has been successfully used as an active material in a lithium ion battery for watches, and can be disregarded in expansion and contraction during charge-discharge, and thus, it is an electrode material that is noticed when the battery is enlarged. This material has been used conventionally as an anode material and can be utilized as a cathode material.

그러나, 이러한 리튬 티탄 산화물(Lithium titanate)을 포함하는 음극이 비교적 우수한 레이트특성(rate performance)을 가짐에도 불구하고, 고출력이 요구되는 용도에 있어서는 현재보다 더욱 우수한 레이트특성이 요구되므로, 이를 향상시킬 필요가 있다. 레이트특성 (rate performance)이란, 고전류를 고속으로 방전할 수 있는 능력을 나타내는 지표로서, C-rate는 전지의 용량을 1시간만에 모두 방출할 때 흐르는 전류로 정의되며, Rated capacity란, C/5(5시간동안 방전하여야 자기용량을 다 소진할 때의 전류속도)로 방전했을 때의 용량을 100%로 할 때에, C-rate로 방전했을 때의 방전된 용량을 %로 나타낸 것이다. 일반적으로 높은 C-rate로 방전하는 경우에 100%의 용량을 방전하지 못하는 것이 보통이며, rated capacity가 높을수록 레이트 특성이 좋다고 할 수 있다. 이는 전지의 충방전 속도에 중요한 영향을 끼치며, 전동공구(Power tool), 하이브리드 전기자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)등 큰 파워를 요하는 분야에의 적용을 위한 중요한 성능으로 평가받고 있다.However, despite the fact that such a negative electrode containing lithium titanate has a relatively good rate performance, there is a need to improve the rate characteristic, which is superior to the present in applications requiring high power. There is. Rate performance is an indicator of the ability to discharge high current at high speed, and C-rate is defined as the current flowing when the battery capacity is discharged in one hour, and Rated capacity is C / rate. The discharge capacity when discharged by C-rate is expressed in% when the discharge capacity at 5% (current rate when exhausting the self-capacitance after discharge for 5 hours) is 100%. In general, in case of discharging with high C-rate, 100% of capacity cannot be discharged, and the higher the rated capacity, the better the rate characteristic. This has an important effect on the charging and discharging speed of the battery, and is evaluated as an important performance for applications in applications requiring large power, such as a power tool and a hybrid electric vehicle.

본 발명에서는 리튬 티탄 산화물을 나노구조 형태로 제조하여 이를 이차전지의 전극 물질로 사용하는 경우, 전지의 레이트 특성이 향상되어 고출력의 이차전지를 제조할 수 있다는 것을 밝혀 내었다.In the present invention, when the lithium titanium oxide is prepared in the form of nanostructures and used as an electrode material of the secondary battery, it was found that the rate characteristics of the battery can be improved to produce a high output secondary battery.

이에 본 발명은 나노구조 형태의 리튬 티탄 산화물 및 그 제조방법, 그리고 이를 포함하는 전극과 상기 전극을 구비한 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium titanium oxide having a nanostructured form and a method of manufacturing the same, and an electrode including the same and a secondary battery having the electrode.

본 발명은 나노구조(nano-structure) 형태를 가지는 리튬 티탄 산화물을 제공한다.The present invention provides a lithium titanium oxide having a nano-structure form.

또한, 본 발명은In addition,

준안정상태의 TiO2 분말을 마련하는 제 1 단계와, A first step of preparing a metastable TiO 2 powder,

LiOH 수용액에서 상기 TiO2 분말을 반응시켜 이온 교환법에 의해 상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트를 형성하는 제 2단계와, Reacting the TiO 2 powder in a LiOH aqueous solution to form a layered titanate containing the Li component by ion exchange;

상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트가 나노튜브구조로 전환되도록 상기 티타네이트를 열처리하는 제 3 단계: 및, A third step of heat treating the titanate to convert the layered titanate containing the Li component into a nanotube structure; and

상기 결과물을 건조시키는 제 4 단계를 포함하는 나노구조 형태의 리튬 티탄 산화물 제조 방법을 제공한다.It provides a method for producing lithium titanium oxide in the form of nanostructures comprising a fourth step of drying the resultant.

그리고, 본 발명은 상기 나노구조 형태의 리튬 티탄 산화물을 전극활물질로 포함하는 전극 및 상기 전극을 포함하는 이차 전지를 제공한다.The present invention also provides an electrode including the lithium titanium oxide of the nanostructure form as an electrode active material and a secondary battery comprising the electrode.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 이차전지의 전극, 특히 음극 활물질로 사용되는 리튬 티탄 산화물을 나노구조로 제조하여 전극의 비표면적을 높임으로써, 리튬이온의 확산을 빠르게 하여 전지의 레이트특성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, a lithium titanium oxide used as an electrode of a secondary battery, in particular, a negative electrode active material may be manufactured in a nanostructure to increase a specific surface area of an electrode, thereby speeding up diffusion of lithium ions and improving a rate characteristic of the battery.

활물질이 나노구조 형태인 경우, 고체 내부에서 리튬의 확산 거리가 짧아지기 때문에 리튬의 확산을 원활하게 해 주고 저항을 줄일 수 있으므로 결과적으로 전지의 레이트 특성을 증가시키게 된다.When the active material is in the nanostructured form, the diffusion distance of lithium is shortened in the solid, thereby facilitating the diffusion of lithium and reducing the resistance, thereby increasing the rate characteristic of the battery.

또한, 본 발명은 리튬 티탄 산화물을 음극 활물질로 사용함으로써, 카본계 재료(예를 들어, 카본나노튜브)를 음극 활물질로 사용하는 경우에 생길 수 있는, 비가역용량이 크고, 용량이 감소하는 등의 탄소재료 고유의 문제점을 해결할 수도 있다.In addition, the present invention uses a lithium titanium oxide as a negative electrode active material, such that a large irreversible capacity that can occur when using a carbon-based material (for example, carbon nanotube) as a negative electrode active material is large, such as a decrease in capacity. Problems inherent in carbon materials can also be solved.

나노재료는 입자가 아주 극히 미세해짐에 따라 일반 분말재료에서는 발현되지 않는 특이한 기계적, 물리적 특성이 나타난다. 즉, 고체 결정질의 경우 화학·물리적 특성은 그 결정만이 갖는 고유한 성질을 가지고 있다. 예를 들면 녹는점, 끓는점, 경도, 강도 및 광학적 특성은 그 물질만이 갖는 고유한 특성인데 결정의 물리·화학적 성질은 결정질의 형태나 크기에 무관하게 그 결정질의 성분과 결정구 조에 의해 좌우된다. 하지만, 물질의 크기가 나노 단위로 되면 결정의 크기는 물질의 성질에 대한 변수로 작용된다. 이러한 나노재료은 입자의 크기가 작아질수록 체적특성(bulk property)은 감소하고 표면특성(surface property)이 급격히 증가하기 때문에 재료의 기본 특성인 강도, 자기적, 전기적 특성 및 흡수성, 촉매능, 흡착능 등이 혁신적으로 증가하는 특성이 있어, 재료, 기계, 전기, 전자분야는 물론 촉매, 의학 및 생명공학 등의 각종 산업분야에 걸쳐서 나노재료의 응용이 기대된다.Nanomaterials exhibit unusual mechanical and physical properties that are not expressed in ordinary powder materials as the particles become extremely fine. That is, in the case of solid crystalline, the chemical and physical properties have inherent properties only of the crystal. For example, melting point, boiling point, hardness, strength, and optical properties are inherent in the material, and the physical and chemical properties of the crystal are dependent on the crystalline component and crystal structure regardless of the crystalline form or size. . However, when the size of the material is nanoscale, the crystal size acts as a variable for the material's properties. As the nanoparticles are smaller in size, bulk properties decrease and surface properties rapidly increase, so the basic properties of materials, such as strength, magnetic and electrical properties, water absorption, catalytic performance, adsorption capacity, etc. This innovatively increasing nature is expected to lead to the application of nanomaterials in a variety of industries, including materials, machinery, electrical and electronics, as well as catalysts, medicine and biotechnology.

그 중에서도 나노튜브는 나노재료가 가지는 표면특성 뿐만 아니라 튜브형태를 가진다는 형태적 특성으로 인하여, 기계적 강도, 물질 저장성 등과 같은 유리한 특성을 가지고 있기 때문에, 여러 기술분야에서 널리 연구가 되고 있다.Among them, nanotubes have been widely studied in various technical fields because they have advantageous properties such as mechanical strength and material storage property due to the morphological properties of the nanomaterials as well as the surface properties of the nanomaterials.

특히, 티타네이트 나노 튜브는, 티타네이트 나노재료가 가지는 광전지, 광촉매, 반도체, 촉매 지지체 및 가스 감지, 수소저장 특성으로 인하여 최근에 큰 관심의 대상이 되고 있다.In particular, titanate nanotubes have been of great interest in recent years due to photovoltaic cells, photocatalysts, semiconductors, catalyst supports and gas sensing, and hydrogen storage characteristics of titanate nanomaterials.

본 발명의 일실시 형태로 나노구조의 리튬 티탄 산화물은 나노구조 형태의 티탄 함유 결정질 산화물의 결정격자 내로 리튬이 삽입된 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the lithium titanium oxide of the nanostructure may be lithium inserted into the crystal lattice of the titanium-containing crystalline oxide of the nanostructure.

본 발명에서 리튬 티탄 산화물은 조성식 LixTiyO4 (0.5≤x≤3, 1≤y≤2.5)로 표시될 수 있다. 그 비제한적인 예로는 스피넬 구조를 갖는 Li4/3Ti5/3O4, LiTi2O4, Li4/5Ti11/5O4 또는 람스델라이트 (ramsdellite) 구조를 갖는 Li8 /7Ti12 /7O4등이 있으며, 바람직하게는 Li4 /3Ti5 /3O4 의 조성을 갖는 리튬 티탄 산화물이 될 수 있다.Lithium titanium oxide in the present invention is a composition formula Li x Ti y O 4 (0.5 ≦ x ≦ 3, 1 ≦ y ≦ 2.5). As a non-limiting example is Li 4 / 3Ti 5 / 3O 4 , LiTi 2 O 4, Li 4/5 Li 8/7 Ti1 2 having a Ti 11/5 O 4 or person seudel light (ramsdellite) structure having a spinel structure / 7 O 4, etc., and preferably may be a lithium-titanium oxide having Li 4/3 Ti 5/3 O 4 composition.

리튬 티탄 산화물 결정 내의 리튬과 티탄의 이온반경은 서로 매우 근접하므로, 합성방법 상의 약간의 차이에 의해 리튬과 티탄이 상호치환을 일으켜 X선 회절 분석한 경우 피크의 위치 및 세기에 차이를 일으키나, 상기와 같이 화학양론적으로 다른 조성을 갖더라도 실질적으로 서로 동일한 결정형성과 전형적인 피크위치를 가지는 경우가 많다. 다만, 제조상의 용이성 및 화학적 안정성, 그리고, 충방전 용량의 측면에서 볼 때, Li4 /3Ti5 /3O4의 조성이 전극활물질로서 가장 유리하다.Since the ion radii of lithium and titanium in the lithium titanium oxide crystals are very close to each other, a slight difference in the synthesis method causes mutual substitution of lithium and titanium, resulting in a difference in peak position and intensity when X-ray diffraction analysis is performed. Even though they have stoichiometrically different compositions, they often have substantially the same crystal formation and typical peak positions. However, the ease of manufacturing and chemical stability, and it is the most advantageous in terms of charge-discharge capacity, the composition of the Li 4/3 Ti 5/3 O 4 as an electrode active material.

본 발명에 의한 리튬 티탄 산화물의 나노튜브는 직경이 10 nm ~ 1,000 nm의 범위이고,장경비(aspect ratio, 장축의 길이/단축의 길이)가 3 ~ 1,000의 범위인 것이 바람직하다.The nanotube of the lithium titanium oxide according to the present invention preferably has a diameter in the range of 10 nm to 1,000 nm, and an aspect ratio (length of the major axis / length of the major axis) is in the range of 3 to 1,000.

본 발명의 나노 튜브 구조를 갖는 리튬 티탄 산화물은 Lithium titanium oxide having a nanotube structure of the present invention

준안정상태의 이산화티탄(TiO2)분말을 마련하는 제 1 단계와, A first step of preparing a metastable titanium dioxide (TiO 2 ) powder,

LiOH 수용액에서 상기 TiO2 분말을 반응시켜 이온 교환법에 의해 상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트를 형성하는 제 2단계와, Reacting the TiO 2 powder in a LiOH aqueous solution to form a layered titanate containing the Li component by ion exchange;

상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트가 나노튜브구조로 전환되도록 상기 티타네이트를 열처리하는 제 3 단계: 및, A third step of heat treating the titanate to convert the layered titanate containing the Li component into a nanotube structure; and

상기 결과물을 건조시키는 제 4 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. It may be prepared by a method comprising a fourth step of drying the resultant.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 티타네이트 나노튜브의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다. 도1을 참조하면, 본 발명의 제조방법은, 준안정상태의 이산화티탄(TiO2) 분말을 마련하는 단계(S11)로 시작된다.1 is a process flow chart for explaining a method for producing a titanate nanotubes according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the manufacturing method of the present invention begins with preparing a titanium dioxide (TiO 2 ) powder in a metastable state (S11).

상기 준안정상태의 이산화티탄( TiO2) 분말을 마련하는 단계(S11)는, Preparing the titanium dioxide (TiO 2 ) powder of the metastable state (S11),

i)사염화티탄산(TiCl4)을 이용하여 티타닐클로라이드(TiOCl2) 수용액을 마련하는 단계와, i) preparing a titanyl chloride (TiOCl 2 ) aqueous solution using titanic tetrachloride (TiCl 4 ),

ii)상기 티타닐클로라이드 수용액을 약 80 ∼ 약 120℃의 온도범위에서 유지하여 준안정상태의 이산화티타늄분말(TiO2)을 형성하는 단계와, ii) maintaining the titanyl chloride aqueous solution at a temperature range of about 80 to about 120 ° C. to form a metastable titanium dioxide powder (TiO 2 );

iii)상기 티타닐클로라이드 수용액을 여과시켜 상기 준안정상태의 이산화티타늄분말을 추출하는 단계와, iii) filtering the titanyl chloride aqueous solution to extract the metastable titanium dioxide powder,

iv)상기 추출된 이산화티타늄분말을 건조시켜 상기 준안정상태의 이산화티타늄분말을 수거하는 단계로 구현될 수 있다. iv) may be implemented by drying the extracted titanium dioxide powder to collect the titanium dioxide powder in the metastable state.

여기서, 상기 티타닐클로라이드 수용액을 마련하는 단계는, 사염화티탄산을 얼음 또는 얼음물로 제1 농도의 안정화된 티타닐클로라이드 수용액을 마련하는 단계와, 상기 제1 농도의 티타닐클로라이드 수용액에 물을 첨가하여 상기 제1 농도보다 낮은 제2 농도로 희석시키는 단계를 포함할 수 있으며, 바람직하게, 상기 제1 농도는 약 1.5M 이상이며, 상기 제2 농도는 약 0.2∼1.2M일 수 있다.The preparing of the titanyl chloride aqueous solution may include preparing a stabilized titanyl chloride aqueous solution of titanic tetrachloride with ice or ice water and adding water to the titanyl chloride aqueous solution of the first concentration. And diluting to a second concentration lower than the first concentration. Preferably, the first concentration is about 1.5M or more, and the second concentration may be about 0.2 to 1.2M.

본 발명에서는 나노 튜브 구조를 갖는 리튬 티탄 산화물을 제조하기 위한 제2단계(도 1에서 S12)에서 강알카리 화합물인 LiOH와 상기 준안정상태의 이산화티타늄 분말과 반응시키며, 이때 상기 LiOH 수용액은 바람직하게는 약 1 ∼ 약 30 M 의 농도를 가진다. In the present invention, in the second step (S12 in FIG. 1) for producing a lithium titanium oxide having a nanotube structure reacts with a strong alkali compound LiOH and the metastable titanium dioxide powder, wherein the LiOH aqueous solution is preferably Has a concentration of about 1 to about 30 M.

상기 공정(S12)에서는, LiOH 화합물의 수용액에서 상기 TiO2 분말을 반응시킨다. 이러한 반응과정에서, 이산화티타늄 중 일부를 Li 로 치환하여, 상기 LiOH 화합물의 Li 성분을 함유한 층상 구조(layered structure)의 티타네이트가 형성될 수 있다. 즉, 본 공정에서는, 예를 들어, TiO2 분말은 LiOH 수용액에서 반응하여 Ti-O 결합이 부분적으로 붕괴되면서 Ti-OLi인 층상구조로의 전환이 발생되는 것으로 이해할 수 있다.In the step (S12), it is allowed to react with the TiO 2 powder in an aqueous solution of LiOH compound. In this reaction, a part of the titanium dioxide may be substituted with Li to form a titanate having a layered structure containing the Li component of the LiOH compound. That is, in the present step, for example, the TiO 2 powder reacts in an aqueous LiOH solution, and it can be understood that the Ti-O bond is partially collapsed so that the conversion to the layer structure of Ti-OLi occurs.

본 발명에서 나노 구조의 리튬 티탄 산화물을 제조하기 위해 사용 가능한 화합물은, LiOH 이다. 바람직하게, 상기 LiOH 화합물 수용액은 약 5 ∼ 약 30 M인 NaOH 수용액일 수 있다. 상기 상기 LiOH 화합물 수용액의 농도가 5M 미만이면 나노튜브의 형성량이 극히 적어 불리하며, 반대로 30M을 초과하면 상온에서 알칼리 이온 과포화가 일어나 균일 혼합된 수용액으로 변환되기 어려워 불리하다. In the present invention, a compound which can be used to prepare a lithium titanium oxide having a nano structure is LiOH. Preferably, the aqueous LiOH compound solution may be an aqueous NaOH solution of about 5 to about 30 M. When the concentration of the aqueous LiOH compound is less than 5M, the amount of nanotubes formed is extremely low. On the contrary, when the concentration of the LiOH aqueous solution is greater than 30M, alkali ion supersaturation occurs at room temperature, which is difficult to convert into a homogeneously mixed aqueous solution.

본 발명의 나노 튜브 구조를 갖는 리튬 티탄 산화물을 제조하기 위한 제3단계(도 1의 S13)에서는 층상구조에서 나노튜브구조로 전환되도록 상기 티타네이트를 열처리한다.In the third step (S13 of FIG. 1) for preparing a lithium titanium oxide having a nanotube structure of the present invention, the titanate is heat-treated so as to be converted from a layered structure to a nanotube structure.

상기 열처리 단계는, 약 100 ∼ 약 240℃ 온도에서 약 10 ∼ 약 60시간 동안 실행되는 것이 바람직하다. 이러한 열처리과정에서, 명확히 규명되지 않았으나, 열처리에서 제공되는 구동력에 의해 층상구조의 티타네이트는 롤업(roll-up)되어 튜브구조를 형성하는 것으로 이해할 수 있다.The heat treatment step is preferably performed for about 10 to about 60 hours at a temperature of about 100 to about 240 ℃. In this heat treatment process, although not clearly identified, it may be understood that the layered titanate is rolled up to form a tube structure by the driving force provided in the heat treatment.

상기 열처리는 상기 이산화티타늄 입자가 용해된 강알칼리 용액을 증발이 억제된 반응용기내의 고온에서 충분한 시간동안 가열하면 나노튜브가 형성되는데, 이를 수열합성법이라 한다. 본 발명의 나노튜브를 형성하기 위해서는 상기 LiOH 수용액의 가열온도는 100~240℃인 것이 바람직하다. 만일 상기 가열온도가 100℃ 미만일 경우에는 충분한 합성반응을 기대하기 어려우므로 나노튜브의 수율이 현저히 감소하게 되며, 반대로 240℃를 초과할 경우에는 나노튜브 대신 rod, wire 등의 형성이 쉽게 되므로 가급적이면 상기 온도 범위내에서 사용하는 것이 좋다.In the heat treatment, nanotubes are formed when a strong alkali solution in which the titanium dioxide particles are dissolved is heated at a high temperature in a reaction vessel in which evaporation is suppressed for a sufficient time, which is called hydrothermal synthesis. In order to form the nanotubes of the present invention, the heating temperature of the LiOH aqueous solution is preferably 100 to 240 ° C. If the heating temperature is less than 100 ℃ it is difficult to expect a sufficient synthesis reaction, so the yield of the nanotubes is significantly reduced, on the contrary, if it exceeds 240 ℃ it is easy to form rods, wires, etc. instead of nanotubes if possible It is good to use within the said temperature range.

또한, 충분한 반응을 유도하기 위해서는 상기 가열시간은 10시간 이상인 것이 바람직하다. 가열시간이 길어질수록 반응이 충분히 일어나기 때문에 가열시간의 상한은 특별히 제한할 필요가 없으나 60시간 정도를 초과하면 더이상 효과가 증가하지 않을 뿐만 아니라, 제조비용이 증가하기 때문에 60시간 이내에서 가열을 실시 하는 것이 바람직하다. 상기 수열합성과정은 오토클레이브 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. In addition, in order to induce a sufficient reaction, the heating time is preferably 10 hours or more. The longer the heating time is, the more the reaction takes place, so the upper limit of the heating time does not need to be particularly limited. However, if the heating time exceeds 60 hours, the effect does not increase any more. It is preferable. The hydrothermal synthesis process is preferably carried out in an autoclave.

최종적으로, 단계(S14)에서, 상기 세척된 결과물을 건조시킴으로써 원하는 티타네이트 나노튜브가 얻어질 수 있다. 본 건조공정에서는 40∼60℃ 온도에서 6시간 내지 12시간 동안 건조시킴으로써 원하는 나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물을 적절히 얻을 수 있다.Finally, in step S14, the desired titanate nanotubes can be obtained by drying the washed result. In this drying step, the lithium titanium oxide in the form of a desired nanotube can be appropriately obtained by drying for 6 to 12 hours at a temperature of 40 to 60 ° C.

도 2는 본 발명에 바람직하게 채용될 수 있는 상기 1단계에서의 준안정상태의 이산화티탄 분말의 제조공정을 설명하기 위한 공정흐름도이다.Figure 2 is a process flow diagram for explaining the manufacturing process of the titanium dioxide powder in the metastable state in the first step that can be preferably employed in the present invention.

우선, 본 이산화티타늄 분말의 공정은, 본 출원인이 출원하여 등록된 등록특허 10-0814951 에 따르며, 사염화티탄산(TiCl4)로 티타닐클로라이드(TiOCl2) 수용액을 마련하여 희석화하는 제1 단계(S21)로 시작된다.First, the process of the titanium dioxide powder, according to the registered patent application No. 10-0814951 filed by the applicant, the first step of preparing and diluting the aqueous solution of titanyl chloride (TiOCl 2 ) with titanic tetrachloride (TiCl 4 ) (S21) Begins with).

본 단계에서는, 사염화티탄산의 불안정성을 제어하면서 원하는 농도의 티타닐클로라이드 수용액을 얻기 위하여, 당 기술분야에 공지된 방법을 사용할 수 있다. 즉, 매우 불안정한 특성을 갖는 사염화티탄산을 얼음물 또는 얼음을 이용하여 안정화된 제1 농도의 티타닐클로라이드 수용액으로 형성한 후에, 원하는 제 2 농도로 희석화하는 과정이 사용될 수 있다. 이 경우에, 1차적으로 안정화된 수용액을 얻기 위한 제1농도는 적어도 약 1.5M이상이 바람직하며, 후속공정에서 요구되는 최종 제2 농도는 약 0.1M~1.0M 범위가 바람직하다.In this step, a method known in the art may be used to obtain an aqueous solution of titanyl chloride at a desired concentration while controlling the instability of the titanic tetrachloride. That is, a process of diluting titanium tetrachloride having very unstable characteristics to an aqueous solution of titanyl chloride having a first concentration stabilized using ice water or ice, and then diluting to a desired second concentration may be used. In this case, the first concentration for obtaining the first stabilized aqueous solution is preferably at least about 1.5 M or more, and the final second concentration required in the subsequent step is preferably in the range of about 0.1 M to 1.0 M.

이어, 제2 단계(S22)에서는, 상기 티타닐클로라이드(TiOCl2) 수용액을 60∼100℃의 온도에서 유지하여 준안정상태의 타타늄수산화물(TiO(OH)2)을 형성한다.Subsequently, in the second step S22, the titanyl chloride (TiOCl 2 ) aqueous solution is maintained at a temperature of 60 to 100 ° C. to form a metastable titanium hydroxide (TiO (OH) 2 ).

이러한 온도조건은 중간상인 티타늄수산화물의 준안정상태로 있는 시간이 지나치게 짧아지는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 적어도 60℃ 이상이어야 하며, 100℃ 이상에서는 상변태가 이루어질 수도 있다. 따라서, 준안정상태의 티타늄수산화물을 얻기 위한 온도로는 약 60 ∼ 약 100℃가 바람직하다.This temperature condition is to prevent the time that the metastable titanium hydroxide is in a metastable state becomes too short. That is, it should be at least 60 ° C or higher, and phase transformation may be performed at 100 ° C or higher. Accordingly, the temperature for obtaining the metastable titanium hydroxide is preferably about 60 to about 100 ° C.

다음으로, 제3 단계(S23)에서는, 준안정상태의 티타늄수산화물을 추출한다. 여기서 얻어진 수산화물을 가능한 짧은 시간에 여과지에 통과시켜, 여과시킨 분말을 오븐에서 약 3시간 내지 6시간 정도 약 60 ∼ 약 80℃의 온도에서 건조하는 과정을 수행한다.Next, in the third step S23, the titanium hydroxide in a metastable state is extracted. The hydroxide obtained here is passed through a filter paper in the shortest possible time, and the filtered powder is dried in an oven at a temperature of about 60 to about 80 ° C. for about 3 to 6 hours.

본 발명에서 레이트 특성 향상 효과를 더 크게 하기 위해서 전극의 전자전도도를 높이는 방법을 함께 사용할 수 있으며, 이는 리튬 티탄 산화물의 표면을 탄소로 피복하거나 복합체를 형성함으로써 달성될 수도 있다.In the present invention, in order to further increase the rate characteristic improvement effect, a method of increasing the electron conductivity of the electrode may be used together, which may be achieved by coating the surface of the lithium titanium oxide with carbon or forming a composite.

나노구조의 리튬 티탄 산화물과 탄소의 복합체를 제조하는 방법은 무기산화 물 입자표면에 탄소 피복하는 방법으로 당업자에게 알려진 것을 이용할 수 있으며, 본 발명에서 바람직하게는 표면이 피복되지 않은 나노구조의 리튬 티탄 산화물을 카본블랙 등 탄소와 혼합하여 ball-milling시킴으로써 복합체를 형성하거나, 또는 탄소를 포함한 유기물질을 이용하여 나노구조의 리튬 티탄 산화물의 입자에 탄소를 코팅할 수도 있다. 이 방법에 의해 리튬 티탄 산화물의 전자전도도를 높임으로써 높은 레이트 특성을 얻는 효과를 기대할 수 있다.The method for producing a composite of carbon nanoparticle lithium titanium oxide and carbon may be a method known to those skilled in the art as a method of carbon coating the surface of the inorganic oxide particles, preferably in the present invention nanostructure lithium titanium surface is not coated The oxide may be mixed with carbon such as carbon black to form a composite by ball-milling, or carbon may be coated on particles of nanostructured lithium titanium oxide using an organic material including carbon. By this method, the effect of obtaining a high rate characteristic can be anticipated by increasing the electron conductivity of lithium titanium oxide.

본 발명에 의한 나노구조를 갖는 리튬 티탄 산화물을 전극활물질로 하는 이차 전지의 전극은 당업자에게 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다. 즉, 상기 전극은 본 발명에 따라 나노구조의 리튬 티탄 산화물을 활물질로 사용하는 이외에도 전기 전도성을 주기 위한 도전제와 재료와 집전체 사이에서 접착을 가능하게 해주는 결합제를 추가 사용할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 제조된 전극 활물질에 대하여 도전제를 1 내지 30 wt% 중량비로, 결합제를 1 내지 10 %의 중량비로 혼합하여 분산제에 첨가 및 교반하여 페이스트를 제조한 후, 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 라미네이트 형상의 전극을 제조한다.An electrode of a secondary battery using lithium titanium oxide having a nanostructure according to the present invention as an electrode active material may be manufactured by a method known to those skilled in the art. That is, according to the present invention, in addition to using lithium titanium oxide having a nanostructure as an active material, a conductive agent for providing electrical conductivity and a binder that enables adhesion between the material and the current collector may be further used. The paste was prepared by adding and stirring a conductive agent in a weight ratio of 1 to 30 wt% and a binder in a weight ratio of 1 to 10% with respect to the electrode active material prepared by the above method, and then adding the mixture to a dispersant and collecting the metal material. It is applied to the whole, compressed and dried to prepare a laminate electrode.

도전제는 일반적으로 카본블랙 (carbon black)을 전체 중량대비 1 내지 30 중량%로 첨가한다. 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.The conductive agent generally adds carbon black at 1 to 30% by weight based on the total weight. Products currently available as conducting agents include acetylene black series (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company), Ketjen Black EC series (Armak Company ), Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Company) and Super P (manufactured by MMM).

상기 결합제의 대표적인 예로는 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVdF) 또는 그 공중합체, 셀룰로오즈(cellulose)등이 있으며, 분산제의 대표적인 예로는 아이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등이 있다.Representative examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF) or copolymers thereof, cellulose, and the like, and representative examples of the dispersant are isopropyl alcohol and N-methylpyrrolidone. (NMP), acetone and the like.

상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 재료의 페이스트가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로, 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등의 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 paste of the material is easily adhered and is not reactive in the voltage range of the battery. Representative examples include meshes, foils, and the like, such as aluminum or stainless steel.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 전극을 포함하는 2차 전지를 제공한다. 본 발명의 2차 전지는 당 기술 분야에 알려져 있는 방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 양극과 음극 사이에 분리막을 넣고 비수 전해액을 투입하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 전극, 분리막 및 비수 전해액과 필요한 경우 기타 의 첨가제는 당 기술 분야에 알려져 있는 것을 사용할 수 있다.The present invention also provides a secondary battery comprising the electrode of the present invention. The secondary battery of the present invention can be produced using a method known in the art, and is not particularly limited. For example, the separator may be placed between the positive electrode and the negative electrode to add a nonaqueous electrolyte. In addition, the electrode, the separator and the non-aqueous electrolyte and, if necessary, other additives, may be those known in the art.

또한, 본 발명의 전지 제조시에는 분리막으로서 다공성 분리막을 사용할 수 있으며, 예컨대 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.In addition, a porous separator may be used as a separator in manufacturing a battery of the present invention, and for example, a polypropylene-based, polyethylene-based, or polyolefin-based porous separator may be used, but is not limited thereto.

본 발명에서 사용할 수 있는 2차 전지의 비수전해액은 환형 카보네이트와 선형 카보네이트를 포함할 수 있다.The nonaqueous electrolyte of the secondary battery that can be used in the present invention may include a cyclic carbonate and a linear carbonate.

상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트 (EC), 프로필렌 카보네이 트 (PC), 감마부티로락톤(GBL) 등이 있다. 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트 (DEC), 디메틸 카보네이트 (DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 메틸 프로필 카보네이트 (MPC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 있다. 또한, 본 발명의 2 차 전지의 비수전해액은 상기 카보네이트 화합물과 함께 리튬염을 포함한다. 리튬염의 구체적인 예로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, 및 LiN(CF3SO2)2 등이 있다.Examples of the cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), gamma butyrolactone (GBL), and the like. Examples of the linear carbonates include one or more selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC) and methyl propyl carbonate (MPC). In addition, the nonaqueous electrolyte of the secondary battery of the present invention contains a lithium salt together with the carbonate compound. Specific examples of lithium salts include LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .

본 발명의 출발물질인 TiO2 분말은 수열합성법에 의한 본 발명은 이차전지의 전극, 특히 음극 활물질로 사용되는 리튬 티탄 산화물을 나노구조로 제조하여 전극의 비표면적을 높임으로써, 리튬이온의 확산을 빠르게 하여 전지의 레이트특성을 향상시킬 수 있다.TiO 2 powder is a starting material of the present invention by the hydrothermal synthesis method of the present invention, lithium titanium oxide used as a secondary battery, in particular, a lithium active material used as a negative electrode active material to increase the specific surface area of the electrode, thereby increasing the diffusion of lithium ions It is possible to improve the rate characteristic of the battery by speeding it up.

활물질이 나노구조 형태인 경우, 고체 내부에서 리튬의 확산 거리가 짧아지기 때문에 리튬의 확산을 원활하게 해 주고 저항을 줄일 수 있으므로 결과적으로 전지의 레이트 특성을 증가시키게 된다.When the active material is in the nanostructured form, the diffusion distance of lithium is shortened in the solid, thereby facilitating the diffusion of lithium and reducing the resistance, thereby increasing the rate characteristic of the battery.

또한, 본 발명은 리튬 티탄 산화물을 음극 활물질로 사용함으로써, 카본계 재료(예를 들어, 카본나노튜브)를 음극 활물질로 사용하는 경우에 생길 수 있는, 비가역용량이 크고, 용량이 감소하는 등의 탄소재료 고유의 문제점을 해결할 수도 있다.In addition, the present invention uses a lithium titanium oxide as a negative electrode active material, such that a large irreversible capacity that can occur when using a carbon-based material (for example, carbon nanotube) as a negative electrode active material is large, such as a decrease in capacity. Problems inherent in carbon materials can also be solved.

이하, 본 발명을 구체적인 일 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to a specific embodiment.

<실시예 1> 준안정 상태의 이산화티타늄분말 제조 Example 1 Preparation of Titanium Dioxide Powder in Metastable State

본 실시예에서는 저온균일침전법에 따라 사염화티탄산(TiCl4:알드리치사(Aldrich)의 상품명 3N)을 얼음물로 혼합하여 1.5M의 티타닐클로라이드 수용액을 마련하였다. 이어 상기 티타닐클로라이드 수용액에 증류수를 혼합하여 0.67M로 희석화하였다.In this embodiment, titanic tetrachloride (TiCl 4 : Aldrich trade name 3N) was mixed with ice water according to the low temperature homogeneous precipitation to prepare a 1.5M aqueous titanyl chloride solution. Then, distilled water was mixed with the aqueous titanyl chloride solution and diluted to 0.67M.

이를 약 100℃의 온도로 2시간동안 유지하면서 티티늄수산화물의 침전물을 형성하였다. 상기 침전물을 수거하기 위하여 여과지를 이용하여 필터링한 후에, 오븐에서 60℃에서 6시간 동안 건조시켰다. 이 과정을 통해, 준안정 상태의 티타늄수산화물을 얻을 수 있었다.It was maintained at a temperature of about 100 ° C. for 2 hours to form a precipitate of titanium hydroxide. The precipitate was filtered using filter paper to collect and then dried in an oven at 60 ° C. for 6 hours. Through this process, it was possible to obtain a metastable titanium hydroxide.

<실시예 2> 나노 튜브 구조의 리튬 산화물 제조 Example 2 Preparation of Lithium Oxide with Nanotube Structure

상기 실시예 1에서 얻어진 분말을 10M의 LiOH에 첨가하여 Ti-O-Li 간의 결합 으로 바꿔 층상구조로 전환하고, 이어 오토클레이브에서 100℃, 10시간을 유지하여 나노튜브구조를 형성하였다. 수거된 분말을 60℃에서 12시간 동안 건조시켜 분말내의 수분을 제거하였다.The powder obtained in Example 1 was added to 10M LiOH to change the bond between Ti-O-Li to convert into a layered structure, and then maintained at 100 ° C. for 10 hours in an autoclave to form a nanotube structure. The collected powder was dried at 60 ° C. for 12 hours to remove moisture in the powder.

이러한 공정후 얻어진 분말을 (HRTEM, XRD)을 통해 분석하고, 특히 XRD를 통해 Li4Ti5O12 의 결정구조를 증명하였다. The powder obtained after this process was analyzed through (HRTEM, XRD), and in particular, the crystal structure of Li 4 Ti 5 O 12 was proved through XRD.

도 3은 상기 실시예 1, 2를 통해 제조된 Li4Ti5O12의 X ray 회절 시험 결과이다. 종래 구형 분말체와는 달리, 나노튜브형 Li4Ti5O12은 매우 안정적인 구조를 유지하고 있으며, 종래 일반적으로 알려진 바와 달리, 10도에서 나노튜브의 결정방위를 가지고 있음을 확인할 수 있다.3 is an X ray diffraction test result of Li 4 Ti 5 O 12 prepared through Examples 1 and 2. Unlike the conventional spherical powder, the nanotube type Li 4 Ti 5 O 12 maintains a very stable structure, and unlike the conventionally known, it can be seen that the crystal orientation of the nanotube at 10 degrees.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 Li4Ti5O12의 고배율 투과전자현미경 촬영 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 Ni doped TNT 층간거리가 0.74 nm 로 길이 수~수백 나노미터, 외측거리 10 nm 이하, 내측거리 5 nm 이하의 튜브형 구조임을 알 수 있다. Figure 4 is a high magnification transmission electron microscope photograph of the Li 4 Ti 5 O 12 prepared by the present invention. Ni as shown in the picture doped It can be seen that the TNT has a tubular structure with an interlayer distance of 0.74 nm and a length of several hundred nanometers, an outer distance of 10 nm or less, and an inner distance of 5 nm or less.

<< 실시예Example 3> 리튬 이온 전지  3> lithium ion battery 반전지Half-cell 제조  Produce

상기 실시예 1, 2 에서 제조된 나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물을 전극 활물질로 사용하였다. 상기 물질 90 중량부에 도전제로 아세틸렌블랙 2 중량부와 바인더로 PVDF 8 중량부를 혼합하고 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 전극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄(Al) 집전체 상에 도포, 건조하여 전극을 제조하였다. 대전극으로 리튬 호일을 사용하여 상기 방법으로 제조한 전극과 함께 코인 반전지(half cell)를 구성하였다. 제조된 전극들 사이에 폴리올레핀 계열 분리막을 개재시킨 후 상기 전해액을 주입하여 이차전지를 제조하였다.The lithium titanium oxide in the form of nanotubes prepared in Examples 1 and 2 was used as an electrode active material. 2 parts by weight of acetylene black as a conductive agent and 8 parts by weight of PVDF with a binder were added to 90 parts by weight of the material, and added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare an electrode slurry, which was then coated on an aluminum (Al) current collector. It applied to and dried, and manufactured the electrode. Using a lithium foil as the counter electrode, a coin half cell was constructed together with the electrode prepared by the above method. A secondary battery was prepared by interposing a polyolefin-based separator between the prepared electrodes and injecting the electrolyte solution.

실시예 3 에서 제조된 전지의 분말 수명 특성 평가결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보는 바와같이 25 cylcle이상에서도 약 250mAh/g의 높은 용량을 안정적으로 공급하고 있음을 확인할 수 있으며, 종래재와 비교할 때 매우 증가된 수명을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.Powder life characteristics evaluation results of the battery prepared in Example 3 is shown in FIG. As shown in Figure 5 it can be seen that even at 25 cylcle or more it is stably supplying a high capacity of about 250mAh / g, it can be seen that shows a very increased life compared to the conventional.

코인셀의 레이트 특성을 도 5에 나타내었으며, 도 6은 상기 코인셀의 수명특성을 나타내었다.The rate characteristics of the coin cell are shown in FIG. 5, and FIG. 6 shows the life characteristics of the coin cell.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 티타네이트 나노튜브의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다. 1 is a process flow chart for explaining a method for producing a titanate nanotubes according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 바람직하게 채용될 수 있는 상기 1단계에서의 준안정상태의 이산화티탄 분말의 제조공정을 설명하기 위한 공정흐름도이다.Figure 2 is a process flow diagram for explaining the manufacturing process of the titanium dioxide powder in the metastable state in the first step that can be preferably employed in the present invention.

도 3은 실시예 1, 2를 통해 제조된 Li4Ti5O12의 X ray 회절 시험 결과이다. 3 is an X-ray diffraction test result of Li 4 Ti 5 O 12 prepared through Examples 1 and 2. FIG.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 Li4Ti5O12의 고배율 투과전자현미경 촬영 결과이다.Figure 4 is a high magnification transmission electron microscope photograph of the Li 4 Ti 5 O 12 prepared by the present invention.

도 5는 실시예 3에서 제조된 전지의 수명 특성을 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing the life characteristics of the battery prepared in Example 3.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 준안정상태의 이산화티탄(TiO2) 분말을 마련하는 제 1 단계와, A first step of preparing a metastable titanium dioxide (TiO 2 ) powder, LiOH 수용액과 상기 TiO2 분말을 반응시켜 이온 교환법에 의해 상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트를 형성하는 제 2단계와, A second step of reacting the LiOH aqueous solution with the TiO 2 powder to form a layered titanate containing the Li component by ion exchange; 상기 Li 성분을 함유한 층상 구조의 티타네이트가 나노튜브구조로 전환되도록 상기 티타네이트를 열처리하는 제 3 단계: 및, A third step of heat treating the titanate to convert the layered titanate containing the Li component into a nanotube structure; and 상기 열처리되어 나노튜브구조로 전환된 티타네이트를 건조시키는 제 4 단계를 포함하고,And a fourth step of drying the heat-treated titanate converted into nanotube structure. 상기 준안정상태의 이산화티타늄(TiO2) 분말은, The metastable titanium dioxide (TiO 2 ) powder, i) 사염화티탄산(TiCl4)을 이용하여 티타닐클로라이드(TiOCl2) 수용액을 마련하는 단계, i) preparing a titanyl chloride (TiOCl 2 ) aqueous solution using titanic tetrachloride (TiCl 4 ), ii) 상기 티타닐클로라이드 수용액을 80 ∼ 120℃의 온도범위에서 유지하여 준안정상태의 이산화티타늄분말(TiO2)을 형성하는 단계, ii) maintaining the titanyl chloride aqueous solution in a temperature range of 80 ~ 120 ℃ to form a titanium dioxide powder (TiO 2 ) of the metastable state, iii) 상기 티타닐클로라이드 수용액을 여과시켜 상기 준안정상태의 이산화티타늄분말을 추출하는 단계, 및 iii) filtering the titanyl chloride aqueous solution to extract the metastable titanium dioxide powder, and iv) 상기 추출된 이산화티타늄분말을 건조시켜 상기 준안정상태의 이산화티타늄분말을 수거하는 단계로 제조되는 것인 나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물을 제조하는 방법. iv) drying the extracted titanium dioxide powder and collecting the titanium dioxide powder in a metastable state. 삭제delete 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 LiOH 수용액의 농도는 1 내지 30M 인 것인 나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물을 제조하는 방법. The concentration of the aqueous LiOH solution is 1 to 30M to prepare a lithium titanium oxide in the form of nanotubes. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 열처리 단계는, 100 ∼ 240℃ 온도에서 10 ∼ 60시간 동안 실행되는 것인 나노 튜브 형태의 리튬 티탄 산화물을 제조하는 방법. The heat treatment step is a method of producing a lithium titanium oxide in the form of nanotubes which is performed for 10 to 60 hours at a temperature of 100 ~ 240 ℃.
KR1020090007394A 2009-01-30 2009-01-30 Lithium titanate with nanotube KR101088268B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090007394A KR101088268B1 (en) 2009-01-30 2009-01-30 Lithium titanate with nanotube
PCT/KR2010/000561 WO2010087649A2 (en) 2009-01-30 2010-01-29 Lithium titanate with a nanotube structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090007394A KR101088268B1 (en) 2009-01-30 2009-01-30 Lithium titanate with nanotube

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100088277A KR20100088277A (en) 2010-08-09
KR101088268B1 true KR101088268B1 (en) 2011-11-30

Family

ID=42396206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090007394A KR101088268B1 (en) 2009-01-30 2009-01-30 Lithium titanate with nanotube

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101088268B1 (en)
WO (1) WO2010087649A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101483205B1 (en) * 2012-04-18 2015-01-16 주식회사 엘지화학 Electrode Assembly Having Improved Electrolyte Wetting Property and Safety Property and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
WO2019050094A1 (en) * 2017-09-05 2019-03-14 주식회사 아이에프엠 Lithium titanate oxide for lithium secondary battery anode active material and manufacturing method therefor

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101307970B1 (en) * 2011-02-11 2013-10-15 주식회사 예일전자 Synthesis method of BaTiO3 nanotube powder

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10319464A1 (en) * 2003-04-29 2004-11-18 Basf Ag Process for the production of nanocrystalline lithium titanate spinels
KR20080096023A (en) * 2007-04-26 2008-10-30 삼성전자주식회사 Method of preparing lithium titanate nanoparticles under sonochemical condition
KR101364398B1 (en) * 2007-05-17 2014-02-18 주식회사 엘지화학 Lithium titanate with nanostructure

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101483205B1 (en) * 2012-04-18 2015-01-16 주식회사 엘지화학 Electrode Assembly Having Improved Electrolyte Wetting Property and Safety Property and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
WO2019050094A1 (en) * 2017-09-05 2019-03-14 주식회사 아이에프엠 Lithium titanate oxide for lithium secondary battery anode active material and manufacturing method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100088277A (en) 2010-08-09
WO2010087649A3 (en) 2010-11-04
WO2010087649A2 (en) 2010-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liang et al. Nasicon-type surface functional modification in core–shell LiNi0. 5Mn0. 3Co0. 2O2@ NaTi2 (PO4) 3 cathode enhances its high-voltage cycling stability and rate capacity toward Li-Ion batteries
KR101718059B1 (en) Composite, manufacturing method the composite, negative electrode active material including the composite, anode including the anode active material, and lithium secondary battery including the anode
JP5808073B2 (en) Positive electrode active material and positive electrode and lithium battery employing the same
KR101785268B1 (en) Negative active material and lithium battery including the material, and method for manufacturing the material
KR101161767B1 (en) New titanium oxide, process for producing the titanium oxide, and lithium rechargeable battery using the titanium oxide as active material
JP5580284B2 (en) Cathode active material for non-aqueous secondary battery and non-aqueous lithium secondary battery
US9515318B2 (en) Mesoporous metal oxide microsphere electrode compositions and their methods of making
JP2010055855A (en) Electrode material electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery using same
KR101364398B1 (en) Lithium titanate with nanostructure
JP6391578B2 (en) Layered and spinel type lithium titanate and its preparation process
JP2010123401A (en) Electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery, electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery using it
Li et al. Sol-hydrothermal synthesis of Li4Ti5O12/rutile-TiO2 composite as high rate anode material for lithium ion batteries
KR101213477B1 (en) Negative active material containing super-conductive nanoparticle coated with high capacity negative material and lithium battery comprising same
JP2004087492A (en) Anode active substance for nonaqueous electrolytic solution rechargeable battery and its manufacturing method
Hwang et al. Suppressed microcracking and F penetration of Ni-rich layered cathode via the combined effects of titanium dioxide doping and coating
Sanad et al. Chemical activation of nanocrystalline LiNbO3 anode for improved storage capacity in lithium-ion batteries
US9450235B2 (en) Anode active material for sodium ion battery and sodium ion battery
KR101088268B1 (en) Lithium titanate with nanotube
EP4280303A1 (en) Cathode for lithium secondary battery, lithium secondary battery and method of preparing cathode active material for lithium secondary battery
WO2015138019A1 (en) Negative electrode active material for energy storage devices and method for making the same
JP6636254B2 (en) Titanium-based structure for power storage device, method for manufacturing the same, and electrode active material, electrode active material layer, electrode, and power storage device using the titanium-based structure
KR101713259B1 (en) -TiO LITHIUM TITANIUM OXIDE-TiO COMPLEX FOR SECONDARY BATTERY PREPARING METHOD OF THE SAME AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME
Johnson et al. Synthesis, characterisation and electrochemical evaluation of lithium titanate anode for lithium ion cells
KR102075929B1 (en) TiO2 based oxide composite for lithium secondary battery and manufacturing method the same
JP6370531B2 (en) Rod-like titanium-based structure for power storage device, method for producing the same, and electrode active material, electrode active material layer, electrode, and power storage device using the titanium-based structure

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140923

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151012

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee