KR101233700B1 - Method for Manufacturing Lithium Titanate Heterogeneous Nano Structures and Anode Active Materials Comprising the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 티타네이트 나노선과 리튬 전구체를 용매에 첨가하여 분산시키는 1 단계; 분산된 용액을 수열합성 반응시키는 2 단계; 반응이 끝난 용액을 원심분리 후 세척하여 석출물을 수득하는 3 단계; 및 석출물을 동결 건조 및 하소하는 4 단계; 를 포함하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 방법으로 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 포함하는 음극 활물질은 전기화학적인 측면에선 리튬과의 삽입/탈리 반응을 갖는 리튬티타네이트의 특성으로 리튬과의 반응 시 큰 부피 변화 없이 고출력/장수명의 특성을 지닌다. 이외에도 기존 0차원 나노입자 또는 1차원 나노선으로만 구성된 나노구조체에 비해 넓은 비표면적을 갖는 특징을 지니며, 이로 인해 음극 활물질로써 리튬과의 반응을 통해 향상된 전기화학적 특성을 구현할 수 있는 장점을 갖는다.
The present invention is a step of dispersing by adding a titanate nanowire and a lithium precursor to the solvent; Performing a hydrothermal reaction on the dispersed solution; Centrifuging and washing the finished solution to obtain a precipitate; And 4 steps of freeze drying and calcination of the precipitate; It relates to a method for producing a lithium titanate hetero nanostructure comprising a.
The negative electrode active material including the lithium titanate hetero nanostructures prepared by the above method is characterized by lithium titanate having an insertion / desorption reaction with lithium in terms of electrochemical properties. Has characteristics. In addition, it has a wider specific surface area than the conventional nanostructure consisting of only 0-dimensional nanoparticles or 1-dimensional nanowires, and thus has the advantage of implementing improved electrochemical properties through reaction with lithium as a negative electrode active material. .

Description

리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법 및 이를 포함하는 음극 활물질 {Method for Manufacturing Lithium Titanate Heterogeneous Nano Structures and Anode Active Materials Comprising the Same}Method for manufacturing lithium titanate heterostructures and a negative electrode active material comprising the same {Method for Manufacturing Lithium Titanate Heterogeneous Nano Structures and Anode Active Materials Comprising the Same}

본 발명은 0차원-1차원 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법 및 이를 포함하는 음극 활물질에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a 0-dimensional 1-dimensional lithium titanate hetero nanostructures and a negative electrode active material comprising the same.

리튬이온 이차전지의 고성능화는 핵심 요소인 전극 활물질의 개발 및 물성 향상과 밀접한 연관을 갖고 있으며, 특히 리튬이온 이차전지 전극 활물질의 경우 단순한 물질 및 공정 기술 개발을 지양하는 혁신적인 아이디어와 첨단 나노기술의 적절한 융합이 필요하다. 최근 이차전지 전극 활물질의 개발은 성능을 극대화시키기 위한 복합 나노구조 전극을 구현하려는 연구들이 선진국을 중심으로 시도되고 있다. 코발트 산화물계 층상구조, 스피넬구조, 올리빈구조로 대표되는 양극 소재에 있어서는 전기 전도성 또는 안전성을 높이기 위해 복합 치환, 나노 카본 코팅 등의 연구가 발표되고 있으며, 음극 소재도 기존 탄소계 물질을 대체할만한 고성능 복합 나노구조 전극에 대한 연구가 시도되고 있다.High performance of lithium-ion secondary batteries is closely related to the development and improvement of physical properties of electrode active materials, which are key factors.In particular, in the case of lithium-ion secondary battery electrode active materials, innovative ideas and advanced nanotechnology are appropriate to avoid development of simple materials and process technologies. Fusion is necessary. Recently, the development of a secondary battery electrode active material has been attempted to implement a composite nanostructure electrode to maximize the performance of the developed countries. In the positive electrode material represented by the cobalt oxide layered structure, spinel structure, and olivine structure, researches such as composite substitution and nano carbon coating have been published to increase electrical conductivity or safety, and the negative electrode material can replace the existing carbon material. Research on high performance composite nanostructure electrodes has been attempted.

특히, 음극 활물질의 경우 지금까지도 탄소계 물질의 리튬이온의 삽입/탈리 반응을 기반으로 한 음극 활물질이 리튬 이차전지 기술의 음극 소재 분야 있어 핵심을 이루며 아직까지 상용화되고 있는 제품에는 이의 활용이 이루어지고 있으나, 상기 탄소계 음극 활물질의 경우 기본적으로 적은 이론 용량(372 mAh/g)과 함께 상용화된 용량은 이보다도 작은 것으로 알려져 있다. 더욱이, 충ㆍ방전 과정에서 음극 활물질과 전해질 용액 사이에서 발생하는 부반응으로 인해 리튬 이차전지의 비가역성이 증가한다는 단점으로 인하여, 휴대용 전자 기기나 전기 자동차 등에서 기본적으로 요구되는 대용량화를 충족시키기에는 한계가 있다. 따라서 근래 들어 탄소계 재료를 대체할 음극 활물질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 많은 연구 사례들이 보고되고 있다. 대표적으로 리튬과 합금을 형성하는 Si, Ge, Sn 등을 이용한 반응(alloying reaction)이나 기존의 삽입/탈리 과정이 아닌 금속/금속 산화물 사이의 전환 반응(conversion reaction)을 통해 용량을 발현하는 CuO, CoO, Fe2O3, NiO, MnO2 등과 같은 전이 금속 산화물에 대한 연구들이 주목받고 있다 [W. J. Weydanz et al., J. Power Sources 237 (1999) 81; P. Poizot et al., Nature 407 (2000) 496].In particular, in the case of the negative electrode active material, the negative electrode active material based on the insertion / desorption reaction of lithium ions of carbon-based materials is still the core in the negative electrode material field of lithium secondary battery technology, and its use is made in products that are still commercialized. However, in the case of the carbon-based negative active material, it is known that the capacity commercialized with a small theoretical capacity (372 mAh / g) is basically smaller than this. Furthermore, due to the disadvantage that the irreversibility of the lithium secondary battery increases due to side reactions generated between the negative electrode active material and the electrolyte solution during the charging and discharging process, there is a limit to meeting the large capacity required in portable electronic devices or electric vehicles. . Therefore, in recent years, the research on the negative electrode active material to replace the carbon-based material is actively in progress, many research cases have been reported. Representatively CuO, which expresses its capacity through a reaction (alloying reaction) using Si, Ge, Sn, etc., which forms an alloy with lithium, or a conversion reaction between metal / metal oxides, rather than an existing insertion / desorption process, Attention has been paid to transition metal oxides such as CoO, Fe 2 O 3 , NiO, MnO 2, etc. [WJ Weydanz et al., J. Power Sources 237 (1999) 81; P. Poizot et al., Nature 407 (2000) 496].

하지만, 이러한 리튬과의 반응을 통해 용량을 구현하는 음극 활물질의 경우 종래 삽입/탈리의 반응을 갖는 활물질들보다 높은 이론 용량과 함께 고용량의 전기 화학적 특성을 구현할 수는 있으나, 충ㆍ방전 시 이루어지는 가역반응 동안 수백 퍼센트의 부피 변화와 함께 입자간의 응집(aggregation) 현상으로 용량이 사이클 횟수에 따라 급격하게 감소하며, 고출력을 구현하는데 있어서 한계가 있다는 결함을 안고 있다 [R. Yang et al., Electrochem. Solid-State Lett. 7 (2004) A496-A499].However, in the case of a negative electrode active material that realizes a capacity through the reaction with lithium, it is possible to realize a high capacity electrochemical characteristic with a higher theoretical capacity than active materials having a reaction of conventional insertion / desorption, but is reversible at charging and discharging. Aggregation between particles, with hundreds of percent volume change during the reaction, causes the capacity to drastically decrease with the number of cycles, with the limitation of achieving high power [R. Yang et al., Electrochem. Solid-State Lett. 7 (2004) A496-A499].

따라서 상기 탄소계 활물질을 대체하기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있는바, 리튬티타네이트를 제조하는 방법 및 이들의 전극 재료로써 이용한 사례들에 관하여 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 또한 최근에 리튬티타네이트를 이용한 음극 활물질의 사용에 관한 보고들 역시 꾸준히 발표되고 있다 [S. Scharner et al., J. Electrochem. Soc. 146 (1999), 857; 일본 공개 특허 제2001-243950호; 일본 공개특허 제2001-240498호; 대한민국 공개 특허 10-2008-0023831; 대한민국 등록 특허 10-0726027; 대한민국 공개 특허 10-2004-0053104; 대한민국 공개 특허 10-2008-0096023].Therefore, many studies have been made to replace the carbon-based active material, and many studies have been conducted on methods of preparing lithium titanate and examples of using them as electrode materials, and also recently using lithium titanate. Reports on the use of negative electrode active materials have also been published [S. Scharner et al., J. Electrochem. Soc. 146 (1999), 857; Japanese Patent Laid-Open No. 2001-243950; Japanese Patent Laid-Open No. 2001-240498; Republic of Korea Patent Application Publication No. 10-2008-0023831; Republic of Korea Patent Registration 10-0726027; Republic of Korea Patent Application Publication No. 10-2004-0053104; Republic of Korea Patent Publication 10-2008-0096023].

이러한 리튬티타네이트의 경우 기존 탄소계 활물질처럼 충ㆍ방전 시 리튬과의 삽입/탈리 반응을 통해 용량을 구현할 수 있으며, 그로 인해 반응 시 부피 변화가 거의 없을 뿐 아니라, 리튬의 출입에 따라 구조 변화도 일으키지 않는 물질로써 높은 사이클 안정성을 갖는다는 장점을 보인다. 그러나 이 역시 활물질의 낮은 전기 전도도로 인한 용량 및 출력의 전기 화학적 특성에서 그 한계가 있어 해결할 필요가 있다.In the case of lithium titanate, the capacity can be realized through insertion / desorption reaction with lithium during charging and discharging like conventional carbon-based active materials. As a result, the lithium titanate has almost no change in volume and also changes in structure as lithium enters and exits. As a material that does not occur, it shows the advantage of having high cycle stability. However, this also has a limitation in the electrochemical characteristics of the capacity and output due to the low electrical conductivity of the active material, and needs to be solved.

최근에 이러한 리튬티타네이트를 다양한 나노구조의 형상으로 제조하여 리튬이온 이차전지의 음극 활물질로 활용하려는 연구 사례들이 진행되고 있다 [Y. Li et al., Mater. Lett. 63 (2009), 304; Y.F. Tang et al., Electrochem. Comm. 10 (2008), 1513; J. Huang et al., Elecrochem. Solid-state Lett. 11 (2008), A116].Recently, research examples of preparing lithium titanate in various nanostructures and using it as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery have been developed [Y. Li et al., Mater. Lett. 63 (2009), 304; Y.F. Tang et al., Electrochem. Comm. 10 (2008), 1513; J. Huang et al., Elecrochem. Solid-state Lett. 11 (2008), A116.

특히, 이러한 나노구조를 갖는 리튬티타네이트의 경우 벌크(bulk) 상태에서는 볼 수 없었던 특징들이 나타나는가 하면, 나노입자(0차원)뿐 아니라 나노선, 나노튜브, 나노로드와 같은 1차원의 나노구조처럼, 다양한 나노구조의 형상에 따라 그 특성이 다르게 나타날 수 있다. 또한, 나노구조가 갖는 가장 큰 특징 중의 하나인 넓은 비표면적으로 인하여, 리튬과 반응할 수 있는 반응 사이트가 많아지고, 리튬이온의 확산 이동 거리가 짧아질 수 있는 장점 등을 바탕으로 향상된 음극 활물질로써의 특성을 보인다. 이와 같이 벌크 상태에서보다 우수한 특성을 바탕으로 다양한 분야에서 응용이 가능하기 때문에 리튬티타네이트의 나노구조 합성을 위한 많은 연구들이 활발히 진행되어 왔다.In particular, lithium titanate having such nanostructures exhibits characteristics that were not seen in the bulk state, as well as nanoparticles (0 dimensions) as well as one-dimensional nanostructures such as nanowires, nanotubes, and nanorods. However, the characteristics may vary depending on the shape of various nanostructures. In addition, due to the large specific surface area, which is one of the greatest features of the nanostructure, the reaction site capable of reacting with lithium is increased, and the diffusion active distance of lithium ions is shortened. Looks at its characteristics. As described above, many researches for synthesizing nanostructures of lithium titanate have been actively conducted because they can be applied in various fields based on superior properties in bulk.

상술한 바와 같이, 상기 언급된 리튬티타네이트를 제조하는 종래 제조방법은 크게 액상 반응법과 고상 반응법의 두 가지로 나누어진다.As described above, the conventional manufacturing method for producing the above-mentioned lithium titanate is largely divided into two phases, a liquid phase reaction method and a solid phase reaction method.

공지된 제조방법 중, 대표적인 액상 반응법은 졸겔법(sol-gel method) [Y. H. Rho et al., J. Electrochem. Soc. 150 (2003), 107]으로, 티탄과 리튬 전구체를 함유하는 혼합 용액을 제조하고, 킬레이트제를 통해 혼합 용액의 겔을 형성한 후 제조된 겔을 열처리하고 분쇄하는 일련의 과정을 통해 제조된다 [WO 제2003/012901호, 미국특허 제2004/0217335호]. 하지만, 이 경우 결정성이 비교적 높은 리튬티타네이트를 제조할 수 있는 반면에 공정이 복잡하고 폐수 처리 등이 어려워 환경 문제를 초래하는 단점이 있다.Among known production methods, representative liquid phase reaction methods are sol-gel method [Y. H. Rho et al., J. Electrochem. Soc. 150 (2003), 107], a mixed solution containing titanium and a lithium precursor is prepared, and a gel of the mixed solution is formed through a chelating agent, followed by a series of processes of heat treating and pulverizing the prepared gel [ WO 2003/012901, US Patent 2004/0217335]. However, in this case, while lithium titanate having a relatively high crystallinity can be produced, the process is complicated, and wastewater treatment is difficult, resulting in environmental problems.

또한, 대표적인 고상 반응법인 볼밀법(ball-milling method) [A. Guerfi et al., J. Power Sources 126 (2004), 163; K. Zaghib et al., J. of Power souce 81-82 (1999), 300]의 경우 단순히 티탄과 리튬의 전구체를 혼합하고 볼밀링에 의한 혼합 반응 후 열처리와 분쇄 과정을 걸쳐 리튬티타네이트를 제조하는 것으로 액상 반응에 비해 상대적으로 제조 공정의 간소화는 이룰 수 있으나, 원하는 조성의 리튬티타네이트 결정 구조를 갖는 상 이외의 부산물이 생성되고, 리튬이 휘발되어 티탄과 리튬의 조성비를 제어하기가 어려워, 단일상의 리튬티타네이트를 효율적으로 생산하기가 어렵다.In addition, the ball-milling method (A. Guerfi et al., J. Power Sources 126 (2004), 163; In the case of K. Zaghib et al., J. of Power souce 81-82 (1999), 300, lithium titanate was prepared by simply mixing a precursor of titanium and lithium, followed by heat treatment and grinding after mixing by ball milling. Compared to the liquid phase reaction, the manufacturing process can be simplified, but by-products other than the phase having a lithium titanate crystal structure of a desired composition are produced, and lithium is volatilized, making it difficult to control the composition ratio of titanium and lithium, It is difficult to produce single phase lithium titanate efficiently.

더불어, 이러한 방법들은 리튬, 티탄 및 산소의 원소 조성을 조절하기 어려울 뿐 아니라, 제조된 리튬티타네이트 나노구조체의 형상 조절 및 균일한 사이즈의 리튬티타네이트를 제조하는 것이 어렵고, 또한 다양한 형상의 리튬티타네이트 나노구조체를 얻는 것이 힘들며, 800 ℃ 이상의 온도에서 상당히 오랜 시간 동안 열처리하여야 하는 단점이 있다.In addition, these methods are not only difficult to control the elemental composition of lithium, titanium and oxygen, it is difficult to control the shape of the prepared lithium titanate nanostructures and to produce lithium titanate of uniform size, and also various types of lithium titanate It is difficult to obtain nanostructures, and there is a disadvantage in that heat treatment is performed for a long time at a temperature of 800 ° C. or higher.

따라서, 상기의 제조방법을 통한 리튬티타네이트를 제조할 경우를 살펴본 바, 합성 과정의 간소화 및 저온 합성과 더불어 넓은 비표면적을 갖는 균일한 형상의 나노구조의 리튬티타네이트를 합성할 수 있는 방법이 요구된다.
Therefore, the case of preparing lithium titanate through the above-described manufacturing method shows that the method of synthesizing lithium titanate having a uniform nanostructure having a large specific surface area with a simplified synthesis process and low temperature synthesis is provided. Required.

본 발명은 종래의 나노구조체에 비해 향상된 전기화학적 특징을 갖는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a lithium titanate heterostructure having improved electrochemical characteristics compared to conventional nanostructures.

본 발명은 0차원-1차원 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서 1차원이란 나노선, 나노튜브, 나노로드 등의 형태를 모두 포함하는 개념이며, 0차원이란, 점 형태의 나노입자 등을 포함하는 개념이다.The present invention relates to a method for producing a 0-dimensional 1-dimensional lithium titanate heterostructure. In the present invention, one-dimensional is a concept including all forms of nanowires, nanotubes, nanorods, and the like, and zero-dimensional is a concept including nanoparticles in the form of dots.

구체적으로 상기 리튬티타네이트 이종 나노구조체는 다음과 같은 방법에 의해 제조된다.Specifically, the lithium titanate heterostructures are prepared by the following method.

티타네이트 나노선과 리튬 전구체를 용매에 첨가하여 분산시키는 1 단계;Adding a titanate nanowire and a lithium precursor to a solvent to disperse it;

분산된 용액을 수열합성 반응시키는 2 단계;Performing a hydrothermal reaction on the dispersed solution;

반응이 끝난 용액을 원심분리 후 세척하여 석출물을 수득하는 3 단계; 및Centrifuging and washing the finished solution to obtain a precipitate; And

석출물을 동결 건조 및 하소하는 4 단계;4 steps of freeze drying and calcination of the precipitate;

를 포함하여 제조될 수 있다.. ≪ / RTI >

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 포함하는 이차전지용 음극 활물질과, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극을 채용한 이차전지에 관한 것이다.
The present invention also relates to a secondary battery employing a negative electrode active material for a secondary battery comprising a lithium titanate heterogeneous nanostructure produced by the above method, and a negative electrode containing the negative electrode active material.

본 발명에 따른 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법은 손쉽게 얻을 수 있고, 반응기의 용량 증대에 따라 획득되는 수율의 증대가 가능함으로써 대량 생산이 용이할 뿐만 아니라, 복잡한 중간 과정 없이 저온에서 간단하게 한 번의 수열합성 반응의 진행으로 이루어지는 것으로 인해 그 과정이 단순하기 때문에 경제적이고 시간 절약 효과의 강점을 갖는다. 무엇보다도, 반응의 변수 조절이 용이하기 때문에, 수열합성의 반응 온도 및 시간의 조절, 다양한 혼합 용매의 사용 조절을 통해 독특한 형상의 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 얻을 수 있다는 것에 가장 큰 장점이 있다.The method for producing a lithium titanate heterostructure according to the present invention can be easily obtained, and the yield can be increased by increasing the capacity of the reactor, thereby facilitating mass production and simplifying at low temperature without complicated intermediate processes. It is economical and time-saving because the process is simple due to the progress of the hydrothermal reaction. Above all, since it is easy to control the parameters of the reaction, the greatest advantage is that it is possible to obtain a unique shape of lithium titanate heterostructures by controlling the reaction temperature and time of hydrothermal synthesis, the use of various mixed solvents.

또한, 상기 방법으로 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 포함하는 음극 활물질은 전기화학적인 측면에선 리튬과의 삽입/탈리 반응을 갖는 리튬티타네이트의 특성으로 리튬과의 반응 시 큰 부피 변화 없이 고출력/장수명의 특성을 지닌다. 이외에도 기존 0차원 나노입자 또는 1차원 나노선으로만 구성된 나노구조체에 비해 넓은 비표면적을 갖는 특징을 지니며, 이로 인해 음극 활물질로써 리튬과의 반응을 통해 향상된 전기화학적 특성을 구현할 수 있는 장점을 갖는다.In addition, the negative electrode active material including the lithium titanate heterostructures prepared by the above method has the characteristics of lithium titanate having an insertion / desorption reaction with lithium in terms of electrochemical properties, and thus high power / It has the characteristics of long life. In addition, it has a wider specific surface area than the conventional nanostructure consisting of only 0-dimensional nanoparticles or 1-dimensional nanowires, and thus has the advantage of implementing improved electrochemical properties through reaction with lithium as a negative electrode active material. .

따라서 본 발명에서 제시한 간단한 수열합성 반응을 통한 다양한 형상의 리튬티타네이트 이종 나노구조체는 단순한 합성 과정과 경제적이고 대량 생산이 가능하다는 장점을 바탕으로 리튬 이차전지, 전기 이중층 슈퍼 커패시터, 유사 슈퍼 커패시터 등 산업 전반에 걸쳐 다양한 응용이 가능하다.
Therefore, the lithium titanate heterostructures of various shapes through the simple hydrothermal synthesis reaction presented in the present invention are based on the advantages of simple synthesis process and economical and mass production, such as lithium secondary battery, electric double layer super capacitor, pseudo super capacitor, etc. Various applications are possible across the industry.

도 1은 티타네이트 나노선의 전계방출 주사 전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM) 이미지이다.
도 2는 실시예 1 ~ 3[(a)~(c)]에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 전계방출 주사 전자현미경 이미지이다.
도 3은 실시예 1 ~ 11에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 X선 회절 패턴 분석결과이다.
도 4는 실시예 12 ~ 15[(a) ~ (d)] 및 실시예 3(e)에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 전계방출 주사 전자현미경이다.
도 5는 실시예 14(a), 15(b), 3(c)에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 투과 전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 이미지이다.
도 6은 실시예 3 및 실시예 16 ~ 25에서 제조한 나노구조체들의 X선 회절 패턴 분석 결과이다.
도 7은 실시예 16(a), 실시예 17(b), 실시예 18(c), 실시예 3(d), 실시예 23(e)에서 제조한 나노구조체의 전계방출 주사 전자현미경 이미지이다.
도 8은 실시예 17(a), 실시예 3(b), 실시예 23(c)에서 제조한 리튬티타네이트 및 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 투과 전자현미경 이미지이다.
도 9는 실시예 3에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체에서 1차원 나노선 및 이의 표면위로 부착된 0차원 나노입자의 고해상도 투과 전자현미경 이미지이다.
도 10은 실시예 26에서 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체/카본나노튜브의 전계방출 주사 전자현미경 이미지이다.
도 11은 실시예 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26[(a)~(g)]에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체 음극 활물질의 전압 변화에 따른 전류 변화 곡선이다.
도 12는 실시예 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26에서 제조한 나노구조체들의 사이클 테스트 결과이다.
도 13은 실시예 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26에서 제조한 나노구조체들의 사이클 테스트 결과이다.
1 is a field emission scanning electron microscope (FESEM) image of a titanate nanowire.
2 is a field emission scanning electron microscope image of the lithium titanate heterostructures prepared in Examples 1 to 3 [(a) to (c)].
3 is an X-ray diffraction pattern analysis of the lithium titanate heterostructures prepared in Examples 1-11.
4 is a field emission scanning electron microscope of lithium titanate heterostructures prepared in Examples 12 to 15 [(a) to (d)] and Example 3 (e).
5 is a Transmission Electron Microscopy (TEM) image of the lithium titanate heterostructures prepared in Examples 14 (a), 15 (b), and 3 (c).
6 is an X-ray diffraction pattern analysis result of the nanostructures prepared in Example 3 and Examples 16 to 25.
7 is a field emission scanning electron microscope image of the nanostructures prepared in Example 16 (a), Example 17 (b), Example 18 (c), Example 3 (d), and Example 23 (e). .
8 is a transmission electron microscope image of the lithium titanate and lithium titanate heterostructures prepared in Example 17 (a), Example 3 (b), and Example 23 (c).
9 is a high-resolution transmission electron microscope image of the one-dimensional nanowires and the 0-dimensional nanoparticles attached to the surface of the lithium titanate heterostructures prepared in Example 3.
10 is a field emission scanning electron microscope image of the lithium titanate heterostructure / carbon nanotube prepared in Example 26.
FIG. 11 is a current change curve of voltages of lithium titanate hetero-nanostructure negative active materials prepared in Examples 2, 3, 5, 21, 23, 24, and 26 [(a) to (g)].
12 is a cycle test result of the nanostructures prepared in Examples 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26.
13 is a cycle test result of the nanostructures prepared in Examples 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 티타네이트 나노선과 리튬 전구체를 용매에 첨가하여 분산시키는 1 단계;The present invention is a step of dispersing by adding a titanate nanowire and a lithium precursor to the solvent;

분산된 용액을 수열합성 반응시키는 2 단계;Performing a hydrothermal reaction on the dispersed solution;

반응이 끝난 용액을 원심분리 후 세척하여 석출물을 수득하는 3 단계; 및Centrifuging and washing the finished solution to obtain a precipitate; And

석출물을 동결 건조 및 하소하는 4 단계;4 steps of freeze drying and calcination of the precipitate;

를 포함하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing a lithium titanate hetero nanostructure comprising a.

상기 수열합성 반응을 이용한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법은 그 과정이 단순하며, 상대적으로 저온에서 수열합성이 가능하고, 반응기의 용량 증대에 따른 대량 생산이 가능하다는 이점이 있다. 또한, 혼합 용매의 비율 조절을 통한 유전율의 손쉬운 조절과 더불어 수열합성 반응의 온도 및 시간을 조절함으로써 리튬티타네이트의 형상을 변조할 수 있는 강점이 있다.The method for producing a lithium titanate heterostructure using the hydrothermal synthesis reaction is simple, the hydrothermal synthesis is possible at a relatively low temperature, there is an advantage that can be mass-produced by increasing the capacity of the reactor. In addition, there is an advantage in that the shape of the lithium titanate can be modulated by controlling the temperature and time of the hydrothermal synthesis reaction together with easy control of the dielectric constant through controlling the ratio of the mixed solvent.

상기 1 단계에서의 티타네이트 나노선은 아나타제상의 티타늄산화물 분말을 수산화나트륨(NaOH) 용액에 분산시켜 수열합성 반응 진행한 후, 세척 및 건조를 통해 획득된 티타네이트나트륨(Na2Ti3O7) 나노선을 염산 용액에 분산시켜 획득되는 티타네이트 침전물을 세척하고 건조하여 제조할 수 있다.The titanate nanowires in step 1 were dispersed in sodium hydroxide (NaOH) solution of titanium oxide powder in anatase, followed by a hydrothermal synthesis reaction, and sodium titanate (Na 2 Ti 3 O 7 ) obtained through washing and drying. The titanate precipitate obtained by dispersing the nanowires in a hydrochloric acid solution can be prepared by washing and drying.

상기 티타네이트 나노선의 수열합성 반응은 150 ~ 200 ℃에서 1 ~ 48 시간 동안의 반응 시간을 유지하는 것이 바람직한데, 이는 반응 온도가 낮거나 혹은 반응 시간이 충분치 않으면 마지막에 형성되는 티타네이트의 형상이 1차원의 나노선의 형상을 나타내지 않기 때문이다. 반응 후, 원심분리를 통해 석출물을 획득하고, 에탄올 및 탈 이온수를 이용한 세척과 30 ~ 100 ℃에서 진공 건조를 수행한다.In the hydrothermal reaction of the titanate nanowires, it is preferable to maintain the reaction time for 1 to 48 hours at 150 to 200 ° C. If the reaction temperature is low or the reaction time is not sufficient, the shape of the last titanate formed is This is because the shape of the one-dimensional nanowire is not shown. After the reaction, precipitates are obtained by centrifugation, washing with ethanol and deionized water and vacuum drying at 30 to 100 ° C.

상기 티타네이트 나노선을 염산 용액에 분산시키는 동안 티타네이트나트륨에서 소듐 이온(Na+)과 용액 상의 수소 이온(H+)과의 양이온 교환 반응이 이루어지며, 이는 소듐 양이온보다 수소 양이온의 하전력이 더 큰 것에 기인한다.While dispersing the titanate nanowires in a hydrochloric acid solution, a cation exchange reaction between sodium ions (Na + ) and hydrogen ions (H + ) in solution occurs in sodium titanate, which results in a lower power of hydrogen cations than sodium cations. It is due to the greater.

상기 용매는 탈 이온수, C1 ~ C6의 알코올 또는 이들의 혼합액이 될 수 있다. 상기 용액의 종류 및 혼합 비율의 다양한 선택에 의해 다양한 형상의 리튬티타네이트 나노구조체를 제조할 수 있다. 이 같은 이유는 각 용매가 갖는 유전상수의 차이에 의한 것으로, 낮은 유전상수를 갖는 용매의 경우 더 높은 포화 상태로 도달하는 것이 용이하기 때문에 이로 인한 용액 내 합성 물질의 핵 생성 속도는 증가하는 한편, 생성되는 핵의 사이즈는 감소하게 된다. 가장 바람직한 용액은 탈 이온수와 에탄올 혼합액으로써, 에탄올 60 ~ 80 부피%와 탈 이온수 20 ~ 40 부피%가 혼합된 것이 가장 바람직하다.The solvent may be deionized water, C 1 to C 6 alcohol or a mixture thereof. Various types of lithium titanate nanostructures may be manufactured by various types of solution types and mixing ratios. This is due to the difference in the dielectric constant of each solvent. For solvents with low dielectric constants, it is easier to reach higher saturation, thereby increasing the rate of nucleation of the synthetic material in solution. The size of the nucleus produced is reduced. The most preferable solution is a mixture of deionized water and ethanol, and most preferably 60 to 80% by volume of ethanol and 20 to 40% by volume of deionized water.

상기 용매에 탄소나노튜브가 더 첨가됨으로써 최종적으로 리튬티타네이트/탄소나노튜브 복합체를 제조할 수도 있다. 상기 탄소나노튜브는 용매 대비 1 ~ 50 중량%가 첨가될 수 있으며, 제조된 리튬티타네이트/탄소나노튜브 복합체는 전기화학적 특성이 우수하다.Carbon nanotubes may be further added to the solvent to finally prepare a lithium titanate / carbon nanotube composite. The carbon nanotubes may be added 1 to 50% by weight relative to the solvent, the prepared lithium titanate / carbon nanotube composite is excellent in electrochemical properties.

상기 리튬 전구체로는 염화리튬 수화물(LiCl·xH2O), 황화리튬 수화물(Li2SO4·xH2O), 리튬아세테이트 수화물(Ch3COOLi·xH2O), 질산리튬(LiNO3), 리튬 카보네이트(Li2CO3) 또는 수산화리튬 수화물(LiOH·xH20)이 있을 수 있으나, 바람직하게는 수산화리튬 일수화물(LiOH·H2O)이 될 수 있다.The lithium precursor may be lithium chloride hydrate (LiCl.xH 2 O), lithium sulfide hydrate (Li 2 SO 4 .xH 2 O), lithium acetate hydrate (Ch 3 COOLi.xH 2 O), lithium nitrate (LiNO 3 ), There may be lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) or lithium hydroxide hydrate (LiOH.xH 2 O), but preferably lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O).

상기 리튬 전구체는 리튬 전구체 내의 리튬(Li)과 티타네이트 나노선 내의 티탄(Ti)이 1: 0.5 ~ 5의 몰비율이 되도록 양을 조절하여 투입되는 것이 바람직하다.The lithium precursor is preferably added to adjust the amount so that the lithium (Li) in the lithium precursor and titanium (Ti) in the titanate nanowire is 1: molar ratio of 0.5 to 5.

상기 2 단계에서 상기 수열합성은 90 ~ 250 ℃의 온도에서 1분 ~ 48 시간 동안 반응시키는 것이 바람직하다. 상기 조건을 만족할 시 더욱 우수한 전기화학적 특성의 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조가 가능하다.The hydrothermal synthesis in the second step is preferably reacted for 1 minute to 48 hours at a temperature of 90 ~ 250 ℃. When satisfying the above conditions, it is possible to produce a lithium titanate heterostructure having more excellent electrochemical properties.

상기 3 단계는 구체적으로 반응이 이루어진 용액의 원심분리를 통해 상등액과 침전물을 분리한 뒤, 상등액을 제거하고 획득된 아랫부분의 침전물은 에탄올과 탈 이온수를 사용하여 세척 과정을 수행하는 것이다. 이때, 석출된 침전물은 수열합성 반응으로 리튬티타네이트의 결정 구조 상으로 형성되어 있는 상태이다. 이 후, 48 시간의 동결 건조 과정을 수행하게 된다.The third step is specifically to separate the supernatant and the precipitate by centrifugation of the reaction solution, the supernatant is removed and the precipitate obtained by performing the washing process using ethanol and deionized water. At this time, the precipitate is formed in the crystal structure of lithium titanate by hydrothermal synthesis reaction. This is followed by a 48 hour freeze drying process.

상기 4 단계에서 하소 공정은 300 ~ 1000 ℃의 공기 분위기에서 0.5 ~ 4 시간에 걸쳐 높은 결정성을 갖는 최종 단일상의 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 획득할 수 있다. 또한, 상기 진행된 하소 공정은 공기 분위기 하에서, 분당 1 ~ 10 ℃의 승온 속도로 300 ~ 1000 ℃에 도달한 후 0.5 ~ 4 시간 동안 유지하는 바, 이때의 기체 분위기, 온도, 시간의 조건을 만족시키지 못하면 결정성이 낮은 나노구조체 분말을 얻거나 혹은 원하는 단일상의 결정 구조를 갖는 리튬티타네이트 분말을 얻을 수 없으므로 상기 조건을 따르는 것이 바람직하다.
In the step 4, the calcination process may obtain a final single-phase lithium titanate heterostructure having high crystallinity over 0.5 to 4 hours in an air atmosphere of 300 to 1000 ° C. In addition, the advanced calcination process is maintained at 0.5 to 4 hours after reaching 300 to 1000 ℃ at an elevated temperature rate of 1 to 10 ℃ per minute under an air atmosphere, at this time does not satisfy the conditions of gas atmosphere, temperature, time If not, it is preferable to obtain the nanostructured powder having low crystallinity or to obtain a lithium titanate powder having the desired single phase crystal structure.

한편, 상기 방식으로 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 전기 화학 소자, 더욱 상세하게는 리튬이온 이차전지, 전기 이중층 슈퍼 커패시터 등에 사용할 수 있다.Meanwhile, the lithium titanate heterostructures prepared in the above manner may be used for electrochemical devices, more specifically, lithium ion secondary batteries, electric double layer supercapacitors, and the like.

본 발명은 상기 방식으로 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 포함하는 음극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material comprising a lithium titanate hetero nanostructure prepared in the above manner.

또한 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention also relates to a lithium secondary battery including the negative electrode active material.

상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지의 제조 방법은 일반적인 리튬이차전지의 제조 방식에 의한 것이 될 수 있으며, 본 발명에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.A method of manufacturing a lithium secondary battery including the negative electrode active material may be by a general method of manufacturing a lithium secondary battery, and a detailed description thereof will be omitted in the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하나, 하기한 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해하여만 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the following examples are merely to illustrate the present invention, but it should be understood that the present invention is not limited thereto.

제조예Manufacturing example :  : 티타네이트Titanate 나노선의Nano-ray 제조 Produce

티타네이트 나노선은 아나타제상의 티타늄산화물 분말(시그마-알드리치) 1 g을 10 M의 수산화나트륨(NaOH) 용액 200 ml에 분산시키고, 이를 180 ℃에서 24 시간 동안의 수열합성 반응 진행시킨 후, 세척 및 건조를 통해 획득된 티타네이트나트륨(Na2Ti3O7) 나노선을 0.1 M의 염산 용액에 분산시켜 24 시간 동안 상온에서 대기함으로써 획득되는 티타네이트 침전물을 세척하고 건조하여 제조하였다.The titanate nanowires were dispersed in 200 ml of 10 M sodium hydroxide (NaOH) solution in anatase titanium oxide powder (Sigma-Aldrich), which was subjected to hydrothermal synthesis at 180 ° C. for 24 hours, followed by washing and Sodium titanate (Na 2 Ti 3 O 7 ) obtained through drying was prepared by washing and drying the titanate precipitate obtained by dispersing in 0.1 M hydrochloric acid solution and waiting at room temperature for 24 hours.

상기 제조된 티타네이트 나노선의 형상은 전계방출 주사 전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM) 사진을 통해 확인하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 상기 제조된 티타네이트 나노구조체는 1차원의 나노선 형상을 갖고 있으며, 부드러운 표면 상태를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
The shape of the prepared titanate nanowires was confirmed through a field emission scanning electron microscope (FESEM) photograph and the results are shown in FIG. 1. The prepared titanate nanostructures have a one-dimensional nanowire shape and can be seen to exhibit a smooth surface state.

실시예Example 1 ~ 11 : 리튬 티타늄 조성비율 1 to 11: Lithium titanium composition ratio

상기 제조예에서 제조된 티타네이트 나노선과 수산화리튬 일수화물 분말을 최종 제조되는 리튬티타네이트를 고려하여 하기 표 1에 기재된 바와 같이 리튬과 티타늄의 조성비율이 되도록 감안하여 무게를 칭량 후, 각각 에탄올과 탈 이온수의 부피 비율이 하기 표 1의 비율로 혼합되어 있는 용매 상에 분산시키고, 상온에서 1 ~ 2 시간 충분한 교반을 진행하였다. 이 후, 180 ℃의 온도에서 24 시간 동안 수열합성 반응을 진행시킨 후, 원심분리 및 에탄올과 탈 이온수를 이용한 세척 과정을 진행하였다. 마지막으로 48 시간의 동결 건조를 수행하였다. 이 후, 획득된 합성물은 공기 분위기 하에서 각각 500 ℃ 또는 800 ℃ 온도로 2 시간 동안 하소 공정을 거친 후에 최종 나노분말을 수득하였다. 하기 표 1에 각 실시예에 따른 구체적인 조건을 표시하였다.In consideration of the titanate nanowires and the lithium hydroxide monohydrate powder prepared in the preparation example to be the final production of lithium titanate, as shown in Table 1, the weight ratio of the lithium and titanium in consideration of the weight ratio, ethanol and The volume ratio of deionized water was disperse | distributed on the solvent mixed with the ratio of the following Table 1, and sufficient stirring was performed for 1-2 hours at normal temperature. Thereafter, the hydrothermal reaction was performed for 24 hours at a temperature of 180 ° C., followed by centrifugation and washing with ethanol and deionized water. Finally 48 hours of freeze drying were performed. Thereafter, the obtained composite was subjected to a calcination process at 500 ° C. or 800 ° C. for 2 hours under an air atmosphere, respectively, to obtain final nanopowders. Table 1 shows the specific conditions according to each example.

용매menstruum 수열합성Hydrothermal synthesis 조성비율Composition ratio 하소calcination 에탄올
(부피%)
ethanol
(volume%)
증류수
(부피%)
Distilled water
(volume%)
온도
(℃)
Temperature
(℃)
시간
(h)
time
(h)
(Li : Ti)(Li: Ti) 온도(℃)Temperature (℃) 시간
(h)
time
(h)
실시예 1Example 1 6060 4040 180180 2424 1 : 0.81: 0.8 500500 22 실시예 2Example 2 1 : 1.01: 1.0 실시예 3Example 3 1 : 1.051: 1.05 실시예 4Example 4 1 : 1.11: 1.1 실시예 5Example 5 1 : 1.21: 1.2 실시예 6Example 6 1 : 0.81: 0.8 800800 실시예 7Example 7 1 : 1.01: 1.0 실시예 8Example 8 1 : 1.11: 1.1 실시예 9Example 9 1 : 1.21: 1.2 실시예 10Example 10 1 : 1.61: 1.6 실시예 11Example 11 1 : 2.41: 2.4

상기 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 나노구조체들의 형상을 전계방출 주사 전자현미경을 통해 확인하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 (a)는 실시예 1, (b)는 실시예 2, (c)는 실시예 3을 나타낸다. 도 2에 나타나는 것처럼, 리튬과 티타늄의 조성비율에 따라 각기 다른 형상의 리튬티타네이트 나노구조체가 제조됨을 확인할 수 있었다.The shape of the nanostructures prepared according to Examples 1 to 3 was confirmed through a field emission scanning electron microscope and the results are shown in FIG. 2. In FIG. 2, (a) shows Example 1, (b) shows Example 2, and (c) shows Example 3. FIG. As shown in Figure 2, it was confirmed that the lithium titanate nanostructures of different shapes according to the composition ratio of lithium and titanium.

상기 실시예 1 ~ 11에서 제조된 나노구조체들의 XRD 회절 패턴을 분석하여 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보이는 것처럼 상기 실시예 1 ~ 11에 따라 제조된 나노구조체들의 결정 구조는 상기 조건에 따라 단일상의 리튬티타네이트(Li4Ti5O12)를 나타내는 것부터, 티타늄 옥사이드(TiO2, anatase, rutile 상) 및 또 다른 리튬티타네이트(LiTiO2) 결정 구조의 이차상이 함께 포함된 형태가 나타남을 확인할 수 있었다.
The results of XRD diffraction patterns of the nanostructures prepared in Examples 1 to 11 are shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, the crystal structures of the nanostructures prepared according to Examples 1 to 11 represent single phase lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) according to the above conditions, and titanium oxide (TiO 2 , anatase, rutile phase) and another form of the lithium titanate (LiTiO 2 ) crystal structure with the secondary phase included together.

실시예Example 12 ~ 15 : 수열합성 온도 및 시간 12 to 15: hydrothermal synthesis temperature and time

상기 제조예에서 제조된 티타네이트 나노선과 수산화리튬 일수화물 분말을 최종 제조되는 리튬티타네이트를 고려하여 리튬과 티탄의 비율이 1 : 1.05의 조성비율이 되도록 감안하여 무게를 칭량 후, 각각 에탄올과 탈 이온수의 부피 비율이 60 : 40 의 비율로 혼합되어 있는 용매 상에 분산시키고, 상온에서 1 ~ 2 시간 충분한 교반을 진행하였다. 이 후, 하기 표 2에 기재된 온도와 시간에 따라 수열합성 반응을 진행시킨 후, 원심분리 및 에탄올과 탈 이온수를 이용한 세척 과정을 진행하였다. 마지막으로 48 시간의 동결 건조를 수행하였다. 이 후, 획득된 합성물은 공기 분위기 하에서 각각 500 ℃ 온도로 2 시간 동안 하소 공정을 거친 후에 최종 나노분말을 수득하였다. 하기 표 2에 각 실시예에 따른 구체적인 조건을 표시하였다.After weighing the titanate nanowires and the lithium hydroxide monohydrate powder prepared in the preparation example in consideration of the lithium titanate to be finally prepared, the ratio of lithium and titanium to be the composition ratio of 1: 1.05 The volume ratio of the ionized water was dispersed on the solvent mixed in the ratio of 60:40, and sufficient stirring was performed for 1 to 2 hours at normal temperature. Thereafter, the hydrothermal synthesis reaction was performed according to the temperature and time shown in Table 2 below, followed by centrifugation and washing with ethanol and deionized water. Finally 48 hours of freeze drying were performed. Thereafter, the obtained composites were subjected to a calcination process at 500 ° C. for 2 hours under an air atmosphere to obtain final nanopowders. Table 2 shows the specific conditions according to each example.

용매menstruum 수열합성Hydrothermal synthesis 조성비율Composition ratio 하소calcination 에탄올
(부피%)
ethanol
(volume%)
증류수
(부피%)
Distilled water
(volume%)
온도
(℃)
Temperature
(℃)
시간
(h)
time
(h)
(Li : Ti)(Li: Ti) 온도(℃)Temperature (℃) 시간
(h)
time
(h)
실시예 3Example 3 6060 4040 180180 2424 1 : 1.051: 1.05 500500 22 실시예 12Example 12 9090 88 실시예 13Example 13 180180 1 min1 min 실시예 14Example 14 1One 실시예 15Example 15 66

상기 실시예 12 ~ 15[(a) ~ (d)] 및 실시예 3(e)에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 형상을 전계방출 주사 전자현미경을 통해 확인하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타나는 것처럼, 수열합성의 온도와 시간에 따라 각기 다른 형상의 리튬티타네이트 나노구조체가 제조됨을 확인할 수 있었다.The shapes of the lithium titanate heterostructures prepared in Examples 12 to 15 [(a) to (d)] and Example 3 (e) were confirmed through a field emission scanning electron microscope, and the results are shown in FIG. 4. It was. As shown in FIG. 4, it was confirmed that lithium titanate nanostructures having different shapes were manufactured according to the temperature and time of hydrothermal synthesis.

또한 도 5에서 상기 실시예 14(a), 15(b), 3(c)에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 투과 전자현미경 이미지를 나타내었다. 도 5에서도 나타나듯이, 나노입자의 크기, 분포가 다양하게 제조됨을 확인할 수 있었다.
In addition, Figure 5 shows a transmission electron microscope image of the lithium titanate heterostructures prepared in Example 14 (a), 15 (b), 3 (c). As shown in Figure 5, it can be seen that the nanoparticles are produced in various sizes, distribution.

실시예Example 16 ~ 25 : 용매 혼합비율 및 하소 온도 16-25: solvent mixing ratio and calcination temperature

상기 제조예에서 제조된 티타네이트 나노선과 수산화리튬 일수화물 분말을 최종 제조되는 리튬티타네이트를 고려하여 리튬과 티탄의 비율이 1 : 1.05의 조성비율이 되도록 감안하여 무게를 칭량 후, 각각 에탄올과 탈 이온수의 부피 비율이 하기 표 3의 비율로 혼합되어 있는 용매 상에 분산시키고, 상온에서 1 ~ 2 시간 충분한 교반을 진행하였다. 이 후, 180 ℃ 온도와 24 시간에 따라 수열합성 반응을 진행시킨 후, 원심분리 및 에탄올과 탈 이온수를 이용한 세척 과정을 진행하였다. 마지막으로 48 시간의 동결 건조를 수행하였다. 이 후, 획득된 합성물은 공기 분위기 하에서 하기 표 3에 기재된 온도로 2 시간 동안 하소 공정을 거친 후에 최종 나노분말을 수득하였다. 하기 표 3에 각 실시예에 따른 구체적인 조건을 표시하였다.After weighing the titanate nanowires and the lithium hydroxide monohydrate powder prepared in the preparation example in consideration of the lithium titanate to be finally prepared, the ratio of lithium and titanium to be the composition ratio of 1: 1.05 The volume ratio of the ionized water was dispersed on the solvent mixed in the ratio shown in Table 3 below, and sufficient stirring was performed at room temperature for 1 to 2 hours. Thereafter, the hydrothermal synthesis reaction was performed at 180 ° C. for 24 hours, followed by centrifugation and washing with ethanol and deionized water. Finally 48 hours of freeze drying were performed. Thereafter, the obtained composite was subjected to a calcination process for 2 hours at the temperature shown in Table 3 under an air atmosphere to obtain a final nanopowder. Table 3 shows the specific conditions according to each example.

용매menstruum 수열합성Hydrothermal synthesis 조성비율Composition ratio 하소calcination 에탄올
(부피%)
ethanol
(volume%)
증류수
(부피%)
Distilled water
(volume%)
온도
(℃)
Temperature
(℃)
시간
(h)
time
(h)
(Li : Ti)(Li: Ti) 온도(℃)Temperature (℃) 시간
(h)
time
(h)
실시예 3Example 3 6060 4040 180180 2424 1 : 1.051: 1.05 500500 22 실시예 16Example 16 00 100100 500500 실시예 17Example 17 2020 8080 500500 실시예 18Example 18 4040 6060 500500 실시예 19Example 19 800800 실시예 20Example 20 6060 4040 300300 실시예 21Example 21 700700 실시예 22Example 22 800800 실시예 23Example 23 8080 2020 500500 실시예 24Example 24 700700 실시예 25Example 25 800800

상기 표 3에 따른 실시예를 통해 최종 수득된 나노구조체들의 XRD 회절 패턴 분석 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 확인되듯이, 혼합 용매의 비율 변화에 따라 용매의 유전율을 변화시킴으로써 리튬티타네이트의 제조가 가능하며, 일부 실시예들에 따라선 리튬티타네이트 외의 이차상이 발생하는 경우 역시 확인 되었다.XRD diffraction pattern analysis of the nanostructures finally obtained through the Example according to Table 3 is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the lithium titanate may be manufactured by changing the dielectric constant of the solvent according to the change of the proportion of the mixed solvent, and according to some embodiments, a second phase other than the lithium titanate occurs.

상기 실시예 16(a), 실시예 17(b), 실시예 18(c), 실시예 3(d), 실시예 23(e)에 따라 제조된 나노구조체의 전계방출 주사 전자현미경 이미지를 도 7에서 나타내었다. 또한, 실시예 17(a), 실시예 3(b), 실시예 23(c)에서 제조한 리튬티타네이트 및 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 투과 전자현미경 이미지를 도 8에서 나타내었다. 도 7과 도 8에도 나타나듯이, 혼합 용매의 비율 변화에 따른 유전율의 변화로 다양한 형상을 갖는 리튬티타네이트의 제조가 가능하다는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 각각의 용매가 갖는 다른 유전상수에 따른 혼합 용매의 유전율 차이 (ε탈 이온수 = 80, ε에탄올 = 25)에 의해 기인한다.Field emission scanning electron microscope images of the nanostructures prepared according to Example 16 (a), Example 17 (b), Example 18 (c), Example 3 (d), and Example 23 (e) are shown. Shown in 7. In addition, transmission electron microscope images of the lithium titanate and lithium titanate heterostructures prepared in Example 17 (a), Example 3 (b), and Example 23 (c) are shown in FIG. 8. As shown in FIG. 7 and FIG. 8, it can be confirmed that lithium titanate having various shapes can be manufactured by changing the dielectric constant according to the ratio of the mixed solvent. This is due to the difference in dielectric constant of the solvent (ε deionized water = 80, ε ethanol = 25).

또한 상기 실시예 3에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체에서 1차원 나노선 및 이의 표면위로 부착된 0차원 나노입자를 고해상도 투과 전자현미경을 이용하여 더욱 세밀하게 관찰하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서도 확인되듯이, 이종나노구조의 1차원 나노선 및 이의 표면 위로 부착된 0차원의 나노입자 부분 모두에서 알려진 리튬티타네이트의 면간 거리를 나타내는 값과 동일한 것을 확인할 수 있으며, 이것은 단일상을 갖는 리튬티타네이트 이종 나노구조체가 제조되었음을 의미한다.
In addition, in the lithium titanate heterostructures prepared in Example 3, the one-dimensional nanowires and the 0-dimensional nanoparticles attached to the surface thereof were more closely observed using a high-resolution transmission electron microscope, and the results are shown in FIG. 9. . As can be seen from FIG. 9, it can be seen that the values of the interplanar distances of the lithium titanate are known to be the same in both the one-dimensional nanowires of the heterogeneous nanostructure and the portion of the 0-dimensional nanoparticles attached to the surface thereof. Lithium titanate hetero nanostructures having been prepared.

실시예Example 26 26

용매로 에탄올 60 부피%와 증류수 40 부피%를 혼합한 혼합 용매에 탄소나노튜브(CM-100, 한화나노텍) 혼합 용매 대비 20 중량% 첨가하여 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 21과 동일하게 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 21, except that 20 wt% of the carbon nanotube (CM-100, Hanwha Nanotech) mixed solvent was added to the mixed solvent in which 60% by volume of ethanol and 40% by volume of distilled water were mixed.

용매menstruum 수열합성Hydrothermal synthesis 조성비율Composition ratio 하소calcination 에탄올
(부피%)
ethanol
(volume%)
증류수
(부피%)
Distilled water
(volume%)
CNT 첨가량(중량%)CNT addition amount (% by weight) 온도
(℃)
Temperature
(℃)
시간
(h)
time
(h)
(Li : Ti)(Li: Ti) 온도(℃)Temperature (℃) 시간
(h)
time
(h)
실시예 21Example 21 6060 4040 -- 180180 2424 1 : 1.051: 1.05 700700 22 실시예 26Example 26 6060 4040 2020 180180 2424 1 : 1.051: 1.05 700700 22

상기 실시예 26에서 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체/카본나노튜브의 전계방출 주사 전자현미경 이미지를 도 10에 나타내었다. 도 10에도 나타나듯이, 본 발명의 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 제조하기 위해 사용된 수열합성 반응에서 카본나노튜브를 같이 첨가하고 반응시킴으로써, 리튬티타네이트 이종 나노구조체와 카본나노튜브가 복합체의 형태를 이루는 모습을 확인할 수 있다.
The field emission scanning electron microscope image of the lithium titanate heterostructures / carbon nanotubes prepared in Example 26 is shown in FIG. 10. As shown in Figure 10, by adding and reacting together carbon nanotubes in the hydrothermal synthesis reaction used to prepare the lithium titanate heterostructures of the present invention, the lithium titanate heterostructures and carbon nanotubes form a complex You can see how it is achieved.

실험예Experimental Example

상기 실시예 1 ~ 26을 통해 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체 음극 활물질을 이차 전지용 음극 활물질로서의 비교, 평가하기 위하여 전극을 제조한 후 반쪽 전지의 용량을 측정하였다.
In order to compare and evaluate the lithium titanate hetero nanostructure negative electrode active material prepared in Examples 1 to 26 as a negative electrode active material for secondary batteries, the capacity of the half battery was measured.

실험예Experimental Example 1 : 전극 제조 1: electrode manufacturing

상기 실시예 1 ~ 26을 통해 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체 음극 활물질 1 ㎎을, 도전제인 흑연(MMM Cabon)과 결합제인 Kynar 2801(PVdF- HFP)과 질량비가 60 : 20 : 20이 되도록 칭량한 후, 불활성의 유기 용매인 N-메틸-피톨리돈(NMP)에 용해시켜 슬러리 형태로 제조하였다. 이 후, 상기 슬러리를 집전체인 구리 호일에 도포시켜 100 ℃의 진공 오븐에서 4 시간 건조하여 유기 용매를 휘발시킨 후, 프레싱(pressing)하여 직경이 1 ㎝인 원 형태로 펀칭하였다.
1 mg of the lithium titanate hetero-nanostructure negative electrode active material prepared in Examples 1 to 26 was weighed such that the mass ratio was 60: 20: 20 with graphite (MMM Cabon) as a conductive agent and Kynar 2801 (PVdF-HFP) as a binder. Then, it was dissolved in N-methyl-pitolidon (NMP), an inert organic solvent, to prepare a slurry. Thereafter, the slurry was applied to a copper foil as a current collector, dried in a vacuum oven at 100 ° C. for 4 hours to volatilize an organic solvent, and then pressed into a circular shape having a diameter of 1 cm.

실험예Experimental Example 2 : 전기화학적 특성 평가용 반쪽 전지 제작 및 측정 2: Fabrication and measurement of half cell for evaluation of electrochemical properties

상기 실시예 1 ~ 26을 통해 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체 음극 활물질의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여, 음극으로 리튬 금속, 양극으로 실험예 1에서 제조된 전극으로 하여, 둘 사이에 전해질과 분리막(Celgard 2400)을 넣고 스와즐락(Swagelok) 타입(type)의 반쪽 전지를 구성하였다. 사용된 전해질은 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate, EC)와 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate, DMC)의 부피비가 1 : 1로 섞여 있는 용액에 LiPF6이 용해된 물질을 사용하였다. 상기 제시된 반쪽 전지 제조의 모든 과정은 비활성 기체인 아르곤으로 채워져 있는 글러브 박스(Glove box) 안에서 수행하였다.In order to find out the electrochemical characteristics of the lithium titanate hetero-nanostructure negative active material prepared in Examples 1 to 26, a lithium metal as a negative electrode and an electrode prepared in Experimental Example 1 as a positive electrode, an electrolyte and a separator between the two (Celgard 2400) was added and a half cell of Swagelok type was constructed. The electrolyte used was a material in which LiPF 6 was dissolved in a solution in which a volume ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) was 1: 1. All procedures of the half cell preparation presented above were carried out in a glove box filled with argon, an inert gas.

상기 제조된 스와즐락 타입의 반쪽 전지는 충ㆍ방전 사이클러(WBCS 3000, WonA Tech., Korea)를 이용하여 1.0 ~ 2.5 V 전압 사이에서 0.1 mV/sec로 전압을 바꿔가며 정전압 방식(Potentialstatic mode)의 측정 및 전류 밀도를 바꿔가며 정전류 방식(Galvanostatic mode)으로 실행되었고, 측정 결과 얻은 시간 또는 용량에 따른 전압 변화 그래프를 분석하여 전기화학적 특성을 평가하였다. 이때의 전류 밀도는 리튬티타네이트의 이론 용량으로부터 역 환산된 것으로 1C 전류 밀도에서 500 번의 사이클 충ㆍ방전 테스트를 수행하였다. 또한, 1C, 5C, 10C, 20C의 각각의 전류 밀도가 다른 범위에서 10 번씩의 충ㆍ방전 사이클을 진행시면서, 전류 밀도에 따른 활물질의 출력 특성 평가를 수행하였다.The manufactured half-slave type half-cell has a constant-static mode while varying the voltage at 0.1 mV / sec between 1.0 and 2.5 V using a charge / discharge cycler (WBCS 3000, WonA Tech., Korea). The galvanostatic mode was used to measure the current density and current density. At this time, the current density was converted from the theoretical capacity of lithium titanate, and 500 cycle charge / discharge tests were performed at 1C current density. In addition, while performing the charge and discharge cycles of 10 times in each of the current density of 1C, 5C, 10C, 20C different range, the evaluation of the output characteristics of the active material according to the current density.

도 11에서는 실시예 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26[(a)~(g)]에서 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체 음극 활물질의 전압 변화에 따른 전류 변화 곡선을 나타내었다.11 shows the current change curves according to the voltage change of the lithium titanate hetero-nanostructure negative electrode active material prepared in Examples 2, 3, 5, 21, 23, 24, and 26 [(a) to (g)].

또한 도 12와 도 13에서는 상기 실시예 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26에 따라 제조된 나노구조체들의 정전류 방식의 측정에 따른 사이클 테스트 결과를 나타내었다.In addition, FIG. 12 and FIG. 13 show cycle test results according to the measurement of the constant current method of the nanostructures prepared according to Examples 2, 3, 5, 21, 23, 24, and 26.

하기 표 5와 표 6은 상기 실시예 2, 3, 5, 21, 23, 24, 26에 따라 제조한 리튬티타네이트 이종 나노구조체 음극 활물질의 이차전지 특성 평가에서 1C의 전류 밀도로 500 번의 충ㆍ방전 사이클 테스트를 수행했을 때의 방전 용량과 전류 밀도를 1C, 5C, 10C, 20C로 변화시키면서 10 번의 충ㆍ방전 사이클 테스트를 수행했을 때의 방전 용량을 나타낸 것이다.Table 5 and Table 6 show 500 times of charging and charging at a current density of 1C in the secondary battery characteristics evaluation of the lithium titanate heterostructured nanostructure negative electrode active material prepared according to Examples 2, 3, 5, 21, 23, 24, and 26. The discharge capacity when 10 charge and discharge cycle tests were performed while changing the discharge capacity and current density when performing a discharge cycle test to 1C, 5C, 10C, and 20C is shown.

방전용량(mAh/g)Discharge Capacity (mAh / g) 전류밀도 : 1CCurrent density: 1C 사이클cycle 10 10 5050 100100 200200 300300 400400 500500 실시예 2Example 2 153153 135135 125125 116116 -- -- -- 실시예 3Example 3 143143 125125 116116 109109 105105 102102 9999 실시예 5Example 5 130130 119119 115115 108108 -- -- -- 실시예 21Example 21 148148 142142 134134 132132 130130 127127 125125 실시예 23Example 23 151151 137137 130130 122122 119119 117117 116116 실시예 24Example 24 144144 138138 133133 129129 127127 124124 120120 실시예 26Example 26 142142 -- -- -- -- -- --

방전용량(mAh/g)Discharge Capacity (mAh / g) 10 사이클10 cycles 1 C1 C 5 C5 C 10 C10 C 20 C20 C 실시예 2Example 2 153153 125125 116116 9898 실시예 3Example 3 145145 126126 119119 108108 실시예 5Example 5 122122 107107 101101 8989 실시예 21Example 21 151151 139139 132132 115115 실시예 23Example 23 144144 127127 114114 9292 실시예 24Example 24 142142 129129 123123 109109 실시예 26Example 26 157157 144144 127127 8181

상기 표 5와 표 6은 본 발명의 실시예 21의 합성 방법을 통해 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 음극 활물질이 다른 실시예의 합성 방법을 통해 제조된 나노분말들에 비해 전기화학적 특성이 보다 우수한 용량 특성 및 장수명의 특성을 보여주며, 또한 전류 밀도를 변화시키면서 측정된 용량 특성에서도 고출력의 특성 구현이 가능함을 보여준다. 특히, 실시예 21에 따라 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 경우 70 m2/g의 높은 비표면적의 특성을 나타냈다. 이로부터 본 발명의 방법으로부터 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 음극 활물질은 높은 비표면적으로 인한 리튬과의 반응할 수 있는 사이트가 많아 높은 용량 특성뿐 아니라, 리튬과의 삽입/탈리 반응으로 리튬과의 반응 시에 부피 변화가 거의 없기 때문에 장수명의 특성 및 고출력의 특성을 보이며, 높은 전류 밀도에서도 높은 용량을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다. Table 5 and Table 6 are more excellent electrochemical properties than the nano-powders of the lithium titanate heterostructures prepared by the synthesis method of Example 21 of the present invention compared to the nano-powders prepared by the synthesis method of another embodiment It shows the characteristics of capacitance and long life, and also shows that it is possible to realize high output characteristics in the measured capacitance characteristics while changing the current density. In particular, the lithium titanate heterostructures prepared according to Example 21 exhibited a high specific surface area of 70 m 2 / g. From this, the negative electrode active material of the lithium titanate heterogeneous nanostructure prepared from the method of the present invention has many sites capable of reacting with lithium due to its high specific surface area, and thus has a high capacity characteristic, as well as lithium insertion / desorption reaction with lithium. Since there is almost no volume change during the reaction, it shows the characteristics of long life and high power, and it can be seen that high capacity can be maintained even at high current density.

Claims (13)

티타네이트 나노선과 리튬 전구체를 용매에 첨가하여 분산시키는 1 단계;
분산된 용액을 수열합성 반응시키는 2 단계;
반응이 끝난 용액을 원심분리 후 세척하여 석출물을 수득하는 3 단계; 및
석출물을 동결 건조 및 하소하는 4 단계;
를 포함하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
Adding a titanate nanowire and a lithium precursor to a solvent to disperse it;
Performing a hydrothermal reaction on the dispersed solution;
Centrifuging and washing the finished solution to obtain a precipitate; And
4 steps of freeze drying and calcination of the precipitate;
Method for producing a lithium titanate heterostructures comprising a.
제 1항에 있어서, 상기 티타네이트 나노선은 아나타제상의 티타늄산화물 분말을 수산화나트륨(NaOH) 용액에 분산시켜 수열합성 반응 진행한 후, 세척 및 건조를 통해 획득된 티타네이트나트륨(Na2Ti3O7) 나노선을 염산 용액에 분산시켜 획득한 것임을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
According to claim 1, wherein the titanate nanowires disperse anatase titanium oxide powder in a sodium hydroxide (NaOH) solution to undergo a hydrothermal synthesis reaction, sodium titanate obtained by washing and drying (Na 2 Ti 3 O 7 ) A method for producing a lithium titanate heterogeneous nanostructure, characterized in that obtained by dispersing the nanowires in a hydrochloric acid solution.
제 2항에 있어서, 상기 티타네이트 나노선의 수열합성 반응은 150 ~ 200 ℃에서 1 ~ 48 시간 동안 이루어지는 것임을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 2, wherein the hydrothermal synthesis of the titanate nanowires is performed at 150 to 200 ° C. for 1 to 48 hours.
제 1항에 있어서, 상기 용매는 탈 이온수, C1 ~ C6의 알코올 또는 이들의 혼합액인 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the solvent is deionized water, C 1 to C 6 alcohol, or a mixture thereof.
제 4항에 있어서, 상기 용매는 탈 이온수와 에탄올의 혼합액인 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 4, wherein the solvent is a mixed solution of deionized water and ethanol.
제 5항에 있어서, 상기 용매는 에탄올 60 ~ 80 부피%와 탈 이온수 20 ~ 40 부피 %가 혼합된 혼합액인 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 5, wherein the solvent is a mixed solution of 60 to 80% by volume of ethanol and 20 to 40% by volume of deionized water.
제 1항에 있어서, 상기 용매에 탄소나노튜브가 용매 대비 1 ~ 50 중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes are added in an amount of about 1 wt% to about 50 wt% with respect to the solvent.
제 1항에 있어서, 리튬 전구체는 염화리튬 수화물(LiCl·xH2O), 황화리튬 수화물(Li2SO4·xH2O), 리튬아세테이트 수화물(Ch3COOLi·xH2O), 질산리튬(LiNO3), 리튬 카보네이트(Li2CO3) 또는 수산화리튬 수화물(LiOH·xH20)인 것임을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the lithium precursor, lithium chloride hydrate (LiCl · xH 2 O), sulfide, lithium monohydrate (Li 2 SO 4 · xH 2 O), lithium acetate monohydrate (Ch 3 COOLi · xH 2 O ), lithium nitrate ( LiNO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) or lithium hydroxide hydrate (LiOH.xH 2 0) The method for producing a lithium titanate hetero-nanostructures characterized in that.
제 1항에 있어서, 상기 리튬 전구체는 리튬 전구체 내의 리튬(Li)과 티타네이트 나노선 내의 티탄(Ti)이 1: 0.5 ~ 5의 몰비율이 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The lithium titanate heterostructure of claim 1, wherein the lithium precursor is added so that the lithium (Li) in the lithium precursor and the titanium (Ti) in the titanate nanowire are in a molar ratio of 1: 0.5 to 5. Manufacturing method.
제 1항에 있어서, 상기 수열합성은 90 ~ 250 ℃의 온도에서 1분 ~ 48 시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the hydrothermal synthesis is performed for 1 minute to 48 hours at a temperature of 90 ~ 250 ℃.
제 1항에 있어서, 상기 하소는 300 ~ 1000 ℃의 공기 분위기에서 0.5 ~ 4 시간에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬티타네이트 이종 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the calcination is performed over an air atmosphere of 300 to 1000 ° C over 0.5 to 4 hours.
제 1항 내지 11항 중에서 선택된 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 리튬티타네이트 이종 나노구조체를 포함하는 음극 활물질.
An anode active material comprising a lithium titanate hetero nanostructure prepared by the method of any one of claims 1 to 11.
제 12항의 음극 활물질을 포함하는 리튬이온 이차전지.A lithium ion secondary battery comprising the negative electrode active material of claim 12.
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