KR101375611B1 - Manufacturing method of lithium titanium oxide anode active material - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 구형 구조의 입자를 가지며, 상기 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내고, 상기 입자의 평균 입경이 0.5∼10㎛이며, 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능한 Li4Ti5O12 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내므로 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능하고, 0.5∼10㎛ 크기를 갖는 균일한 구형 입자를 가짐으로써 종래의 Li4Ti5O12 음극 활물질보다 탭 밀도(겉보기밀도)가 향상되고 음극 제조시에 바인더의 절대 사용량을 감소시킬 수 있으며, 전지에 사용될 경우 다공성 구조로 인하여 전해액과의 반응 활성 사이트를 극대화하여 출력밀도를 개선할 수 있다.The present invention has a spherical structure, a plurality of pores having a diameter of 1 ~ 200nm is distributed on the surface and the bulk of the particles showing a porosity, the average particle diameter of the particles is 0.5 ~ 10㎛, filled or The present invention relates to a method of manufacturing a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material capable of inserting or detaching ions on both the surface and bulk of the particles through the plurality of pores. According to the present invention, since a plurality of pores having a diameter of 1 to 200nm is distributed on the surface and bulk of the particles to show porosity, ions are formed at both the surface and the bulk of the particles through the plurality of pores according to a charging or discharging operation. Can be inserted or detached, and having uniform spherical particles having a size of 0.5 to 10 µm, the tap density (apparent density) is improved compared to the conventional Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material, and the absolute amount of binder used during the production of the negative electrode When it is used in the battery, it is possible to improve the power density by maximizing the reaction active site with the electrolyte due to the porous structure.
Description
본 발명은 리튬티타늄산화물 음극 활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내므로 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능하고, 0.5∼10㎛ 크기를 갖는 균일한 구형 입자를 가짐으로써 종래의 Li4Ti5O12 음극 활물질보다 탭 밀도(겉보기밀도)가 향상되고 음극 제조시에 바인더의 절대 사용량을 감소시킬 수 있으며, 전지에 사용될 경우 다공성 구조로 인하여 전해액과의 반응 활성 사이트를 극대화하여 출력밀도를 개선할 수 있는 Li4Ti5O12 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a lithium titanium oxide anode active material, and more particularly, because a plurality of pores having a diameter of 1 ~ 200nm is distributed on the surface and bulk of the particles and exhibits porosity. It is possible to insert or detach ions on both the surface and the bulk of the particles through a plurality of pores, and to have uniform spherical particles having a size of 0.5 to 10 μm, so that the tap density is higher than that of a conventional Li 4 Ti 5 O 12 anode active material. Apparent density) can be improved and the absolute amount of binder used can be reduced during the production of the negative electrode.When used in batteries, Li 4 Ti 5 O 12 can be used to improve the power density by maximizing the active site of reaction with the electrolyte due to the porous structure. It relates to a method for producing a negative electrode active material.
리튬이차전지에서 흑연을 음극으로 사용 시 충전과 방전의 비가역 반응으로 인한 SEI(Solid Electrolyte Interface)층 형성으로 안정성이 떨어지고, 용량 및 출력저하가 생긴다. When lithium is used as a negative electrode in a lithium secondary battery, stability is reduced due to the formation of a solid electrode interface (SEI) layer due to an irreversible reaction of charging and discharging, and a decrease in capacity and output occurs.
리튬이온전지 또는 하이브리드 슈퍼커패시터에서 흑연을 대체하는 음극 활물질로 Li4Ti5O12를 사용하며, Li4Ti5O12 음극 활물질은 충전과 방전 시 구조적 안정성과 1.5V의 안정한 작동전압을 나타낸다. Li 4 Ti 5 O 12 is used as a negative electrode active material to replace graphite in a lithium ion battery or a hybrid supercapacitor, and the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material exhibits structural stability and stable operating voltage of 1.5V during charging and discharging.
Li4Ti5O12 음극 활물질은 충전과 방전 시 리튬이온의 확산에 의한 상경계 이동에 의하여 용량이 발현된다. 따라서, 리튬이온의 확산 속도를 높이기 위하여 500㎚ 미만의 나노 크기로 높은 비표면적를 갖는 Li4Ti5O12를 활물질로 사용한다. 하지만, 상대적으로 활물질의 부피는 증가하고 이에 따라 사용되어지는 용매 및 바인더의 함량 또한 증가하여 부피적 에너지밀도의 감소를 초래하게 된다. The capacity of Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material is due to phase boundary shift due to diffusion of lithium ions during charging and discharging. Therefore, in order to increase the diffusion rate of lithium ions, Li 4 Ti 5 O 12 having a high specific surface area with a nano size of less than 500 nm is used as an active material. However, the volume of the active material is relatively increased, and thus the content of the solvent and the binder used is also increased, resulting in a decrease in the volumetric energy density.
또한, 기공이 없는 Li4Ti5O12의 경우 전해액과의 반응 활성 사이트의 감소로 인하여 출력밀도 또한 감소하게 된다.
In addition, in the case of Li 4 Ti 5 O 12 without pores, the output density is also reduced due to the reduction of the reaction active site with the electrolyte.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내므로 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능하고, 0.5∼10㎛ 크기를 갖는 균일한 구형 입자를 가짐으로써 종래의 Li4Ti5O12 음극 활물질보다 탭 밀도(겉보기밀도)가 향상되고 음극 제조시에 바인더의 절대 사용량을 감소시킬 수 있으며, 전지에 사용될 경우 다공성 구조로 인하여 전해액과의 반응 활성 사이트를 극대화하여 출력밀도를 개선할 수 있는 Li4Ti5O12 음극 활물질의 제조방법을 제공함에 있다.
The problem to be solved by the present invention is a plurality of pores having a diameter of 1 ~ 200nm is distributed on the surface and the bulk of the particle exhibits porosity, so that the surface and bulk of the particle through the plurality of pores according to the charging or discharging operation Ion insertion or desorption is possible at all, and having uniform spherical particles having a size of 0.5 to 10 μm improves the tap density (apparent density) than the conventional Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material and makes binder It is possible to reduce the absolute amount of, and to provide a method for producing a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material that can improve the output density by maximizing the reaction active site with the electrolyte due to the porous structure when used in the battery.
본 발명은, 구형 구조의 입자를 가지며, 상기 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내고, 상기 입자의 평균 입경이 0.5∼10㎛이며, 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능한 Li4Ti5O12 음극 활물질을 제공한다. The present invention has a spherical structure, a plurality of pores having a diameter of 1 ~ 200nm is distributed on the surface and the bulk of the particles showing a porosity, the average particle diameter of the particles is 0.5 ~ 10㎛, filled or According to a discharge operation, a Li 4 Ti 5 O 12 anode active material capable of inserting or detaching ions on both the surface and the bulk of the particles through the plurality of pores is provided.
상기 구형 구조의 입자는 1∼50%의 기공율을 갖는다.The spherical structure particles have a porosity of 1 to 50%.
상기 구형 구조 입자의 비표면적은 0.1∼200㎡/g 범위일 수 있다.The specific surface area of the spherical structure particles may range from 0.1 to 200 m 2 / g.
또한, 본 발명은, (a) 제1 유기용매에 유기화합물, 물 및 티타늄계 염을 혼합하고 반응시켜 흰색 침전물인 구형의 TiO2 전구체를 얻는 단계와, (b) 내부를 밀폐할 수 있는 반응기에 상기 구형의 TiO2 전구체를 제2 유기용매와 물의 혼합용액과 함께 넣고 상기 반응기를 덮개로 덮어 밀봉하는 단계와, (c) 밀폐된 상기 반응기를 가열하여 제2 유기용매의 끓는점과 같거나 제2 유기용매의 끓는점 보다 높은 목표 반응온도로 상승시키는 단계와, (d) 상기 목표 반응온도에서 상기 반응기의 온도를 유지함에 따라, 상기 구형의 TiO2 전구체에서 유기물 성분이 빠져나오게 되어 구형의 다공성 TiO2 전구체가 형성되는 단계와, (e) 상기 구형의 다공성 TiO2 전구체를 제1 열처리하여 구형의 다공성 TiO2를 형성하는 단계 및 (f) 상기 구형의 다공성 TiO2와 리튬계 염을 혼합하고 제2 열처리하여 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 형성하는 단계를 포함하는 Li4Ti5O12 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, (a) mixing the organic compound, water and titanium salt in the first organic solvent and reacting to obtain a spherical TiO 2 precursor of a white precipitate, and (b) a reactor capable of sealing the interior Putting the spherical TiO 2 precursor together with a mixed solution of a second organic solvent and water to seal the reactor with a lid, and (c) heating the hermetically sealed reactor to be equal to or lower than the boiling point of the second organic solvent. (2) raising the target reaction temperature higher than the boiling point of the organic solvent, and (d) maintaining the temperature of the reactor at the target reaction temperature, thereby releasing organic components from the spherical TiO 2 precursor to form spherical porous TiO. 2 precursor is formed, (e) the first heat treatment of the spherical porous TiO 2 precursor to form a spherical porous TiO 2 and (f) mixing the spherical porous TiO 2 and a lithium salt And a second heat treatment to provide a Li 4 Ti 5 O 12, the manufacturing method of the negative electrode active material including forming a porous anode active material Li 4 Ti 5 O 12 of the rectangle.
상기 (a) 단계에서 상기 반응이 진행됨에 따라 상기 유기화합물의 머리부분은 Ti 성분과 결합되어 조성물을 이루고 반응이 계속되면서 상기 유기화합물의 꼬리부분은 내측에 위치하고 머리부분은 외측에 위치하는 역 마이셀을 형성하며, 구형의 역 마이셀을 씨드(seed)로 점차 성장되면서 구형 입자 구조를 갖게 되고, 비중차에 의해 침전되어 흰색 침전물이 형성된다.As the reaction proceeds in the step (a), the head portion of the organic compound is combined with the Ti component to form a composition, and the reaction continues, while the tail portion of the organic compound is located inside and the head portion is located in the reverse micelle. As a result, the spherical reverse micelle is gradually grown to a seed, and has a spherical particle structure, and precipitates due to specific gravity to form a white precipitate.
상기 유기화합물은 옥틸아민, 데실아민, 도데실아민, 테트라데실아민 및 헥사데실아민 중에서 선택된 1종 이상의 아민계 유기화합물일 수 있다.The organic compound may be at least one amine organic compound selected from octylamine, decylamine, dodecylamine, tetradecylamine, and hexadecylamine.
상기 티타늄계 염은 티타늄 부톡사이드, 티타늄 이소프로폭사이드 및 티타늄 클로라이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.The titanium salt may be at least one material selected from titanium butoxide, titanium isopropoxide and titanium chloride.
상기 유기화합물 및 상기 티타늄계 염은 몰비로 1:1∼1:10의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.The organic compound and the titanium salt are preferably mixed in a molar ratio of 1: 1 to 1:10.
상기 혼합용액은 유기용매와 물이 부피비로 1:0.1∼1:10의 비율로 혼합된 용액인 것이 바람직하다.The mixed solution is preferably a solution in which an organic solvent and water are mixed at a ratio of 1: 0.1 to 1:10 by volume.
상기 리튬계 염은 리튬아세테이트, 리튬하이드록사이드, 리튬나이트레이트 및 리튬카보네이트 중에서 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.The lithium salt may be at least one material selected from lithium acetate, lithium hydroxide, lithium nitrate and lithium carbonate.
상기 제2 유기용매로 무수 에탄올을 사용하고, 상기 목표 반응온도는 78∼200℃로 설정하는 것이 바람직하다.It is preferable that anhydrous ethanol is used as said 2nd organic solvent, and the said target reaction temperature is set to 78-200 degreeC.
상기 유기용매로 에틸렌 글리콜을 사용하고, 상기 목표 반응온도는 198∼300℃로 설정하는 것이 바람직하다.Ethylene glycol is used as the organic solvent, and the target reaction temperature is preferably set to 198 to 300 ° C.
상기 제1 열처리는 400∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하고, 상기 제2 열처리는 600∼1000℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
The first heat treatment is carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 400 ~ 800 ℃, the second heat treatment is preferably carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 600 ~ 1000 ℃.
본 발명에 의하면, 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내므로 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능하다. According to the present invention, since a plurality of pores having a diameter of 1 to 200nm is distributed on the surface and bulk of the particles to show porosity, ions are formed at both the surface and the bulk of the particles through the plurality of pores according to a charging or discharging operation. Can be inserted or detached.
또한, 본 발명에 의하면, 0.5∼10㎛ 크기를 갖는 균일한 구형 입자를 가짐으로써 종래의 Li4Ti5O12 음극 활물질보다 탭 밀도(겉보기밀도)가 향상되고 음극 제조시에 바인더의 절대 사용량을 감소시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, by having uniform spherical particles having a size of 0.5 to 10 μm, the tap density (apparent density) is improved compared to the conventional Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material, and the absolute amount of binder used in the preparation of the negative electrode is reduced. Can be reduced.
또한, 본 발명에 의하면, 전지에 사용될 경우 다공성 구조로 인하여 전해액과의 반응 활성 사이트를 극대화하여 에너지밀도와 출력밀도를 개선할 수 있다.In addition, according to the present invention, when used in a battery can maximize the reaction active site with the electrolyte due to the porous structure can improve the energy density and power density.
또한, Li4Ti5O12 음극 활물질 제조 시에 유기화합물의 함량과 티타늄계 염의 함량을 조절하여 음극 활물질의 입자 크기를 조절할 수 있다. In addition, the particle size of the negative electrode active material may be controlled by controlling the content of the organic compound and the content of the titanium salt in the preparation of the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material.
또한, 간단한 방법으로 Li4Ti5O12 음극 활물질을 제조할 수 있고, 저가의 출발물질을 사용할 수 있으므로 경제적이며, 공정이 간단하여 대량 생산이 가능하다.
In addition, the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material can be produced by a simple method, and since a low-cost starting material can be used, it is economical, and the process is simple and mass production is possible.
도 1은 구형의 TiO2 전구체가 형성되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 2는 구형의 다공성 구조를 갖는 TiO2 전구체를 합성하기 위한 반응장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 실험예에 따라 제조된 구형의 TiO2 전구체를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 4는 실험예에 따라 제조된 구형의 다공성 TiO2 전구체를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 실험예에 따라 제조된 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 실험예에 따라 제조된 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 7은 실험예에 따라 제조된 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 이용하여 제조된 리튬이온전지의 충전과 방전 곡선을 보여주는 그래프이다. 1 is a view illustrating a process of forming a spherical TiO 2 precursor.
FIG. 2 schematically illustrates a reactor for synthesizing a TiO 2 precursor having a spherical porous structure.
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a spherical TiO 2 precursor prepared according to the experimental example.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a spherical porous TiO 2 precursor prepared according to the experimental example.
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 anode active material prepared according to the experimental example.
6 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 anode active material prepared according to the experimental example.
7 is a graph showing charge and discharge curves of a lithium ion battery prepared using a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material prepared according to the experimental example.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
이하에서, 벌크라 함은 입자의 표면에서부터 내부로 향하는 부분으로서 입자를 구성하는 표면 이외의 모든 부분을 의미하는 것으로 사용한다. In the following description, the bulk is used to mean all parts other than the surface constituting the particles as a portion directed from the surface of the particles to the inside.
Li4Ti5O12 음극 활물질은 충전과 방전 시 리튬이온의 확산에 의한 상경계 이동 반응을 하며, 리튬이온의 확산속도가 느리다. 따라서, 종래에는 이온의 이동거리를 짧게 하기 위하여 합성되는 입자의 크기를 500㎚ 미만의 나노 크기로 작게 제조하였다. 그러나, 500㎚ 미만의 나노 크기 입자는 전극제조 공정에서 극판 제조용 슬러리를 만들 경우 많은 양의 용매와 바인더가 필요하기 때문에 생산성이 저하된다. 또한, 500㎚ 미만의 나노 크기 입자는 수분에 민감하기 때문에 공기 중에 노출 시 과도한 수분을 입자의 표면에 흡착하게 되어 전극의 제조 공정성 뿐만 아니라 전지의 특성을 저하시킨다. The Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material undergoes phase boundary reaction by diffusion of lithium ions during charging and discharging, and has a slow diffusion rate of lithium ions. Therefore, in the related art, in order to shorten the moving distance of the ions, the size of the synthesized particles was manufactured to be smaller than the nano size of less than 500 nm. However, nano-sized particles of less than 500 nm have a low productivity because a large amount of solvent and a binder are required to make a slurry for electrode plate production in an electrode manufacturing process. In addition, nano-sized particles of less than 500nm is sensitive to moisture, and when exposed to air, excessive moisture is adsorbed on the surface of the particles, thereby degrading not only the electrode manufacturing process but also the characteristics of the battery.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 0.5∼10㎛ 크기를 갖는 균일한 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 제조함으로써 에너지밀도 및 출력밀도를 향상시키고자 한다. 0.5∼10㎛ 크기의 구형 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질은 리튬이온전지 또는 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극용으로 사용될 수 있다. Li4Ti5O12 음극 활물질은 입자의 모양이 구형 및 다공성으로 형성되고, 입자의 크기는 0.5∼10㎛ 크기를 갖는다. In order to improve this problem, the present invention is to improve the energy density and output density by preparing a uniform spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material having a size of 0.5 ~ 10㎛. The spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material having a size of 0.5 to 10 μm may be used for a negative electrode of a lithium ion battery or a hybrid supercapacitor. The Li 4 Ti 5 O 12 anode active material has a spherical shape and a porous shape, and has a size of 0.5 to 10 μm.
본 발명에서는 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내고 마이크로 크기를 갖는 균일한 구형의 Li4Ti5O12 음극 활물질을 제조함으로써, 종래의 Li4Ti5O12 음극 활물질보다 탭 밀도(겉보기밀도)를 향상시키고, 전극 제조 시 사용되는 용매 및 바인더의 절대 사용량 감소와 다공성 구조로 인하여 전해액과의 반응 활성 사이트를 극대화하여 출력밀도를 개선할 수 있다.
In the present invention, a plurality of pores having a diameter of 1 ~ 200nm is distributed on the surface and bulk of the particles to produce a uniform spherical Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material exhibiting porosity and having a micro size, the conventional Li 4 Ti 5 O 12 Improved tap density (apparent density) than the negative electrode active material, maximizing the active site of the reaction with the electrolyte due to the reduction in the absolute amount of solvent and binder used in the electrode production and the porous structure can improve the output density.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Li4Ti5O12 음극 활물질의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, Li 4 Ti 5 O 12 according to a preferred embodiment of the present invention The manufacturing method of a negative electrode active material is demonstrated.
유기용매에 유기화합물, 물(H2O) 및 티타늄계 염을 혼합하여 반응시킨다. 상기 유기용매는 무수 에탄올, 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 등의 유기용매일 수 있다. 상기 물(H2O)은 반응생성물을 침전시키는 침전제 역할을 한다. 상기 유기화합물은 아민계 유기화합물일 수 있으며, 상기 아민계 유기화합물은 옥틸아민(octylamine), 데실아민(decylamine), 도데실아민(dodecylamine), 테트라데실아민(tetradecylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 티타늄계 염은 티타늄 부톡사이드(titanium botoxide), 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 티타늄 클로라이드(titanium chloride) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 유기화합물 및 상기 티타늄계 염은 몰비로 1:1∼1:10 정도의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 반응은 -20℃∼40℃ 정도의 온도에서 소정 속도(예컨대, 10∼800rpm)로 교반하면서 소정 시간(예컨대, 10분∼48시간) 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 반응에 의해 흰색 침전물인 구형의 TiO2 전구체가 형성되게 된다.An organic solvent, water (H 2 O), and a titanium salt are mixed and reacted with the organic solvent. The organic solvent may be an organic solvent such as anhydrous ethanol or ethylene glycol. The water (H 2 O) serves as a precipitant to precipitate the reaction product. The organic compound may be an amine organic compound, and the amine organic compound may be octylamine, decylamine, dodecylamine, dodecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, and hexadecylamine. Or mixtures thereof. The titanium salt may be titanium butoxide (titanium botoxide), titanium isopropoxide (titanium isopropoxide), titanium chloride (titanium chloride) or a mixture thereof. The organic compound and the titanium salt are preferably mixed in a molar ratio of about 1: 1 to about 1:10. The reaction is preferably performed for a predetermined time (eg, 10 minutes to 48 hours) while stirring at a predetermined rate (eg, 10 to 800 rpm) at a temperature of about -20 ° C to 40 ° C. By the reaction, a spherical TiO 2 precursor, which is a white precipitate, is formed.
도 1은 구형의 TiO2 전구체가 형성되는 과정을 보여주는 도면이다.1 is a view illustrating a process of forming a spherical TiO 2 precursor.
도 1을 참조하면, 유기화합물은 머리부분은 친수성이고 꼬리부분은 소수성을 갖는 상반된 성질을 가지며, 반응이 이루어지면서 머리부분은 Ti 성분(Ti species)과 결합되어 조성물(composites)을 이루고 반응이 계속되게 되면 꼬리부분이 서로 모여서 구형 형태의 역 마이셀(reverse micelle)을 형성한다. 역 마이셀은 양친성(兩親性), 예컨대 친수성기와 소수성기를 동시에 갖는 저분자량 또는 고분자량의 물질들이 이루는 열역학적으로 안정하고 균일한 구형의 구조를 지칭한다. 상기 반응 과정에서 유기화합물은 꼬리부분이 내측에 위치하고 머리부분이 외측에 위치하는 역 마이셀을 형성하며, 머리부분 주변에 Ti 성분이 분포하면서 역 마이셀을 둘러싸는 구조를 이루게 되며, 구형의 역 마이셀을 씨드(seed)로 점차 성장되면서 구형 입자 구조를 갖게 된다. 이러한 구형 구조의 반응생성물은 비중에 의해 가라앉아 흰색 침전물을 형성한다. 이와 같은 원리에 의해 첨가되는 유기화합물의 함량과 티타늄계 염의 함량에 따라 흰색 침전물의 크기가 조절될 수 있게 된다.Referring to FIG. 1, the organic compound has the opposite property of having hydrophobicity in the head and hydrophobicity in the head, and as the reaction occurs, the head is combined with the Ti species to form a composition and the reaction continues. When the tails come together, they form a spherical reverse micelle. Inverted micelles refer to thermodynamically stable and uniform spherical structures of low molecular or high molecular weight materials having both amphiphilic, for example, hydrophilic and hydrophobic groups. In the reaction process, the organic compound forms an inverted micelle in which the tail is located inward and the head is located outward, and the Ti component is distributed around the head to form a structure surrounding the inverted micelle. As the seed grows gradually, it has a spherical particle structure. The reaction product of this spherical structure is settled by specific gravity to form a white precipitate. By this principle, the size of the white precipitate can be adjusted according to the content of the organic compound and the titanium salt.
상기 반응이 이루어지면 흰색 침전물인 구형의 TiO2 전구체가 형성되게 되며, 반응 후 형성된 흰색 침전물을 필터를 이용하여 여과하거나 원심분리기 등을 이용하여 선택적으로 분리해낸다. When the reaction is carried out, a white precipitate, a spherical TiO 2 precursor is formed, and the white precipitate formed after the reaction is filtered using a filter or selectively separated using a centrifuge or the like.
선택적으로 분리한 흰색 침전물인 구형의 TiO2 전구체를 세정한 후 건조한다. 상기 세정은 무수 에탄올, 증류수 등과 같은 물질을 이용할 수 있다. 상기 건조는 열풍 건조, 진공 건조, 분무 건조 등의 일반적인 건조 공정을 통해 이루어질 수 있다. 상기 건조는 40∼90℃ 정도의 온도에서 10분∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. The spherical TiO 2 precursor, which is an optional white precipitate, is washed and dried. The washing may use a material such as anhydrous ethanol, distilled water and the like. The drying may be carried out through a general drying process such as hot air drying, vacuum drying, spray drying. The drying is preferably carried out at a temperature of about 40 ~ 90 ℃ 10 minutes ~ 48 hours.
건조된 결과물인 구형의 TiO2 전구체를 유기용매와 물(증류수)의 혼합용액과 함께 도 2에 도시된 바와 같은 반응장치에 투입하여 반응시킨다. 상기 반응에 의해 구형 구조의 TiO2 전구체에서 유기물 성분이 빠져나오게 되어 구형의 다공성 구조를 갖는 TiO2 전구체가 형성되게 된다. 상기 유기용매는 무수 에탄올, 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 등의 유기용매일 수 있다. 상기 혼합용액은 유기용매와 물이 부피비로 1:0.1∼1:10의 비율로 혼합된 용액인 것이 바람직하다. 도 2는 구형의 다공성 TiO2 전구체를 합성하기 위한 반응장치를 개략적으로 도시한 도면이다. The dried spherical TiO 2 precursor is added to a reaction apparatus as shown in FIG. 2 with a mixed solution of an organic solvent and water (distilled water) to react. Is out by the reaction of organic matter out of the TiO 2 component precursor of the spherical structure is TiO 2 precursor having the porous structure of the sphere is to be formed. The organic solvent may be an organic solvent such as anhydrous ethanol or ethylene glycol. The mixed solution is preferably a solution in which an organic solvent and water are mixed at a ratio of 1: 0.1 to 1:10 by volume. FIG. 2 schematically illustrates a reactor for synthesizing a spherical porous TiO 2 precursor.
도 2를 참조하면, 내부를 완전히 밀폐할 수 있는 반응기(100)에 건조된 결과물인 구형의 TiO2 전구체와 혼합용액을 넣고, 스크류 캡 타입과 같이 반응기(100)를 완전히 밀봉할 수 있는 덮개(110)로 반응기(100)를 덮어 밀봉한다. 반응기(100)는 덮개(110)로 완전히 기밀됨으로써, 반응기(100) 안의 증기압을 높이면서도 증발량을 억제하여 반응을 촉진할 수 있다. Referring to FIG. 2, a spherical TiO 2 precursor and a mixed solution, which are dried products, are mixed in a
가열수단(미도시)을 이용하여 반응기(100)의 온도를 상기 유기용매의 끓는점 이상의 목표하는 반응온도(예컨대, 예컨대, 유기용매로 에탄올을 사용하는 경우에는 78∼200℃, 유기용매로 에틸렌글리콜을 사용하는 경우에는 198∼300℃)로 상승시킨다. 상기 반응온도는 유기용매로 에탄올을 사용하는 경우에는 78∼200℃ 정도인 것이 바람직한데, 반응온도가 78℃ 미만일 경우에는 충분한 반응이 일어나지 않을 수 있고, 200℃를 초과하는 경우에는 높은 증기압에 의해 위험할 수 있으므로 상기 범위의 온도에서 반응시키는 것이 바람직하다. Using a heating means (not shown), the temperature of the
반응기(100) 내의 온도가 목표하는 반응온도에 도달하면 상기 반응온도에서 소정 시간(예컨대, 1∼48시간) 동안 유지하여 구형 구조의 TiO2 전구체에서 유기물 성분이 빠져나오게 되어 구형의 다공성 구조를 갖는 TiO2 전구체가 형성되게 한다. 역 마이셀을 이루고 있던 유기물 성분은 상기 반응 동안에 구형 구조의 TiO2 전구체에서 서서히 빠져나와 혼합용액에 포함된 증류수에 녹게 되며, 유기물 성분이 위치된 자리(site)에는 기공(pore)이 형성되게 된다. 이때, 반응기(100)는 덮개(110)에 의해 밀봉되어 있으므로 반응기(100) 안의 증기압은 높아지지만 용액의 증발량은 억제될 수 있다. 반응기(100)가 덮개(110)에 의해 밀봉되므로 반응기(100) 내의 압력을 증가시킬 수 있으며, 덮개(110)를 사용하지 않았을 때 보다 빠른 시간 내에 반응시킬 수 있고 구형의 다공성 TiO2 전구체를 얻을 수 있는 장점이 있다. 반응이 이루어지는 동안에 교반기(120)를 이용하여 소정 교반속도(예컨대, 10∼500rpm)로 교반하는 것이 균일한 반응과 반응 촉진 측면에서 바람직하다. When the temperature in the
충분한 반응이 이루어진 후, 반응기(100)의 온도를 냉각시키면 구형의 다공성 TiO2 전구체가 얻어지게 된다. 상기 반응기(100)의 냉각은 가열수단의 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. After sufficient reaction, the temperature of the
반응생성물인 구형의 다공성 TiO2 전구체를 무수 에탄올 등과 같은 알코올, 물(H2O) 등으로 적어도 1회 이상 세정한다. 세정 후에는 건조 공정을 수행한다. 상기 건조 공정은 열풍 건조, 진공 건조, 분무 건조 등의 일반적인 건조 공정을 통해 이루어질 수 있다. 상기 건조는 40∼90℃ 정도의 온도에서 10분∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. The spherical porous TiO 2 precursor, which is a reaction product, is washed at least once with an alcohol such as anhydrous ethanol, water (H 2 O), or the like. After washing, a drying process is performed. The drying process may be performed through a general drying process such as hot air drying, vacuum drying, spray drying. The drying is preferably carried out at a temperature of about 40 ~ 90 ℃ 10 minutes ~ 48 hours.
이렇게 얻어진 구형의 다공성 TiO2 전구체를 열처리하여 잔류하는 유기물 성분을 제거한다. 상기 열처리 공정은 다음과 같은 방식으로 이루어질 수 있다. The spherical porous TiO 2 precursor thus obtained is subjected to a heat treatment to remove residual organic components. The heat treatment process may be performed in the following manner.
구형의 다공성 TiO2 전구체를 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고, 목표하는 열처리 온도로 상승시킨다. 이때 퍼니스의 승온 속도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 퍼니스의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 TiO2 전구체에 열적 스트레스(thermal stress)가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 이때 퍼니스 내의 압력은 상압을 유지하는 것이 바람직하다. A spherical porous TiO 2 precursor is charged to a furnace, such as an electric furnace, and raised to the desired heat treatment temperature. In this case it is preferred heating rate of the furnace of about 1~50 ℃ / min, if the heating rate of the furnace is too slow, long that the productivity is poor so fast heating rate of the furnace is by the rapid temperature increase TiO 2 Since thermal stress can be applied to the precursor, it is desirable to raise the temperature of the furnace at a rate of temperature rise within this range. At this time, the pressure in the furnace is preferably maintained at atmospheric pressure.
퍼니스의 온도가 목표하는 열처리 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 1∼48시간)을 유지한다. 상기 열처리는 공기(air) 또는 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도에서 일정 시간을 유지시키게 되면 잔존하는 유기물 성분이 제거되어 구형의 다공성 TiO2를 얻을 수가 있다. When the temperature of the furnace rises to the target heat treatment temperature, a constant time (for example, 1 to 48 hours) is maintained. The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere such as air or oxygen (O 2 ). If a certain time is maintained at the heat treatment temperature, the remaining organic components are removed to obtain spherical porous TiO 2 .
상기 열처리 온도는 400∼800℃ 정도인 것이 바람직한데, 열처리 온도가 너무 낮은 경우에는 유기물 성분이 제거되지 않고 잔류할 수 있고, 열처리 온도가 너무 높은 경우에는 에너지 소비가 많고 비경제적일 수 있으므로 상기 범위의 열처리 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 동안에 유기물 성분은 태워져서 제거되며, 유기물 성분이 위치된 자리(site)에는 기공(pore)이 형성되게 된다. The heat treatment temperature is preferably about 400 ~ 800 ℃, if the heat treatment temperature is too low, the organic component may remain without being removed, if the heat treatment temperature is too high energy consumption and may be uneconomical range within the above range It is preferable to perform heat treatment at the heat treatment temperature of. During the heat treatment, the organic component is burned out, and pores are formed at sites where the organic component is located.
열처리 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 구형의 다공성 TiO2를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. After the heat treatment process, the furnace temperature is lowered to unload spherical porous TiO 2 . The furnace cooling may be effected by shutting down the furnace power source to cool it in a natural state, or optionally by setting a temperature decreasing rate (for example, 10 DEG C / min). It is preferable to keep the pressure inside the furnace constant even while the furnace temperature is being lowered.
이렇게 제조된 구형의 다공성 TiO2와 리튬계 염을 혼합한다. 상기 리튬계 염은 리튬아세테이트(lithium acetate), 리튬하이드록사이드(lithium hydroxide), 리튬나이트레이트(lithium nitrate) 및 리튬카보네이트(lithium carbonate) 중에서 선택된 1종 이상의 물질인 것이 바람직하다. 상기 혼합은 볼 밀링(ball milling) 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 볼 밀링 공정을 예로 들어 설명하면, 구형의 다공성 TiO2와 리튬계 염을 균일하게 분쇄하기 위하여 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하고, 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 구형의 다공성 TiO2와 리튬계 염을 기계적으로 균일하게 혼합한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절한다. 예를 들면, 볼의 크기는 1㎜∼10㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있으며, 볼 밀링은 1∼48 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 균일하게 혼합되게 된다. The spherical porous TiO 2 thus prepared is mixed with a lithium salt. The lithium salt is preferably at least one material selected from lithium acetate, lithium hydroxide, lithium nitrate, and lithium carbonate. The mixing may use various methods such as ball milling and the like. In the example of the ball milling process, the spherical porous TiO 2 and the lithium salt are charged into a ball milling machine in order to uniformly grind, and the spherical porous TiO 2 is rotated at a constant speed using a ball milling machine. And the lithium salt are mechanically mixed uniformly. The ball used for ball milling may be a ball made of ceramics such as alumina or zirconia, and the balls may be all the same size or may be used together with balls having two or more sizes. Adjust the size of the ball, milling time and revolutions per minute of the ball mill. For example, the size of the ball may be set in the range of about 1 mm to 10 mm, the rotation speed of the ball mill may be set in the range of about 50 to 500 rpm, and ball milling is preferably performed for 1 to 48 hours. . Uniform mixing is achieved by ball milling.
혼합된 결과물을 열처리하여 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 형성한다. 상기 열처리 공정은 다음과 같은 방식으로 이루어질 수 있다. The resultant mixture is heat treated to form a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material. The heat treatment process may be performed in the following manner.
혼합된 결과물을 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고, 목표하는 열처리 온도로 상승시킨다. 이때 퍼니스의 승온 속도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 퍼니스의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스(thermal stress)가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 이때 퍼니스 내의 압력은 상압을 유지하는 것이 바람직하다. The mixed result is charged to a furnace, such as an electric furnace, and raised to the desired heat treatment temperature. In this case, it is preferable that the temperature rise rate of the furnace is about 1 to 50 DEG C / min. If the temperature rise rate of the furnace is too slow, it takes a long time to decrease the productivity. If the temperature rise rate of the furnace is too fast, it is preferable to increase the temperature of the furnace at the heating rate within the above range. At this time, it is preferable that the pressure in the furnace is maintained at normal pressure.
퍼니스의 온도가 목표하는 열처리 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 1∼48시간)을 유지한다. 상기 열처리는 공기(air) 또는 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도에서 일정 시간을 유지시키게 되면 구형의 다공성 TiO2와 리튬계 염 사이에 반응이 이루어져 구형의 다공성 Li4Ti5O12를 얻을 수가 있다. When the temperature of the furnace rises to the target heat treatment temperature, a constant time (for example, 1 to 48 hours) is maintained. The heat treatment is preferably performed in an oxidizing atmosphere such as air or oxygen (O 2 ). When a certain time is maintained at the heat treatment temperature, a reaction is performed between the spherical porous TiO 2 and the lithium salt to obtain a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 .
상기 열처리 온도는 600∼1000℃ 정도인 것이 바람직한데, 열처리 온도가 너무 높은 경우에는 리튬(Li)이 휘발될 가능성이 있고, 열처리 온도가 너무 낮은 경우에는 TiO2와 리튬계 염 사이에 반응이 이루어지지 않아 Li4Ti5O12 음극 활물질로 미처 변환되지 않을 수 있으므로 상기 범위의 열처리 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다. Preferably, the heat treatment temperature is about 600 to 1000 ° C. If the heat treatment temperature is too high, lithium (Li) may volatilize, and if the heat treatment temperature is too low, a reaction may occur between TiO 2 and the lithium salt. Since it may not be converted into a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material, it is preferable to heat-treat at a heat-treatment temperature in the above range.
열처리 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. After performing the heat treatment process, the furnace temperature is lowered to unload the spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 anode active material. The furnace cooling may be effected by shutting down the furnace power source to cool it in a natural state, or optionally by setting a temperature decreasing rate (for example, 10 DEG C / min). It is preferable to keep the pressure inside the furnace constant even while the furnace temperature is being lowered.
이렇게 제조된 Li4Ti5O12 음극 활물질은, 구형 구조의 입자를 가지며, 상기 입자의 표면 및 벌크에 1∼200㎚의 직경을 갖는 복수의 기공들이 분포되어 다공성을 나타내고, 상기 입자의 평균 입경이 500㎚∼10㎛ 정도이다. 상기 구형 구조의 입자는 1∼50%의 기공율을 가지며, 상기 구형 구조 입자의 비표면적은 0.1∼200㎡/g 범위 일 수 있다.The prepared Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material has a spherical structure, a plurality of pores having a diameter of 1 ~ 200nm is distributed on the surface and bulk of the particles to show porosity, the average particle diameter of the particles It is about 500 nm-10 micrometers. The spherical structure particles may have a porosity of 1 to 50%, and the specific surface area of the spherical structure particles may range from 0.1 to 200 m 2 / g.
상기와 같은 방법으로 제조된 Li4Ti5O12 음극 활물질은 리튬이온전지의 음극 또는 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극으로 사용될 수 있다. The Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material prepared by the above method may be used as a negative electrode of a lithium ion battery or a negative electrode of a hybrid supercapacitor.
리튬이온전지의 음극 또는 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극은 통상적인 방법에 따라 Li4Ti5O12 음극 활물질을 바인더 및 도전재와 함께 혼합하여 전극을 제조할 수 있다. 상기와 같은 리튬이온전지의 음극 또는 하이브리드 슈퍼커패시터의 음극 제조방법은 일반적으로 알려져 있는 방법을 이용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다. Li4Ti5O12 음극 활물질을 이용하여 제조된 음극은 리튬이온전지 또는 하이브리드 슈퍼커패시터에 사용될 수 있다. The negative electrode of the lithium ion battery or the negative electrode of the hybrid supercapacitor may be prepared by mixing a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material with a binder and a conductive material according to a conventional method. The negative electrode or hybrid supercapacitor manufacturing method of the lithium ion battery as described above can be used a generally known method, it is not particularly limited. The negative electrode manufactured using the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material may be used in a lithium ion battery or a hybrid supercapacitor.
Li4Ti5O12 음극 활물질은 리튬이온전지 또는 하이브리드 슈퍼커패시터에 사용되는 경우에 충전 또는 방전 동작에 따라 상기 복수의 기공들을 통해 상기 입자의 표면 및 벌크 모두에서 이온의 삽입 또는 탈리가 가능하다. Li4Ti5O12 음극 활물질의 표면 뿐만 아니라 벌크(vulk)에 형성된 기공들을 따라 Li4Ti5O12 음극 활물질의 내부 깊숙한 위치에서도 이온의 삽입과 탈리 과정이 일어날 수 있다.When the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material is used in a lithium ion battery or a hybrid supercapacitor, ions may be inserted or detached from both the surface and the bulk of the particles through the plurality of pores according to a charging or discharging operation. In addition to the surface of the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material as well as the pores formed in the bulk (vulk) in the deep position of the inside of the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material can be inserted and desorption process.
이하에서 상기 Li4Ti5O12 음극 활물질을 이용하여 음극을 제조하는 방법을 예를 들어 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a negative electrode using the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material will be described.
Li4Ti5O12 음극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 음극용 조성물을 제조한다. A negative electrode composition is prepared by mixing a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent.
상기 음극용 조성물은 Li4Ti5O12 음극 활물질, 상기 Li4Ti5O12 음극 활물질 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 Li4Ti5O12 음극 활물질 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 Li4Ti5O12 음극 활물질 100중량부에 대하여 용매 1∼300중량부를 포함할 수 있다. 상기 음극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 음극용 조성물을 얻을 수 있다. 행성 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 음극용 조성물의 제조를 가능케 한다.The negative electrode composition is Li 4 Ti 5 O 12 cathode active material, the Li 4 Ti 5 O 12 cathode active material, 100 parts by weight of conductive material, 2 to 20 parts by weight based on the Li 4 Ti 5 O 12 cathode active material, relative to 100 parts by weight The binder may include 2 to 20 parts by weight, and 1 to 300 parts by weight of the solvent based on 100 parts by weight of the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material. Since the composition for the negative electrode is dough, it may be difficult to uniformly mix (completely disperse) the electrode for a predetermined time (for example, 10 minutes to 12 hours) using a mixer such as a planetary mixer. The composition for negative electrodes suitable for manufacture can be obtained. Mixers, such as planetary mixers, enable the production of uniformly mixed negative electrode compositions.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefloride; PVDF), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose; CMC), 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol; PVA), 폴리비닐부티랄(poly vinyl butyral; PVB), 폴리비닐피롤리돈(poly-N-vinylpyrrolidone; PVP), 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber; SBR), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The binder is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidenefloride (PVDF), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (poly vinyl butyral (PVB), poly-N-vinylpyrrolidone (PVP), styrene butadiene rubber (SBR), polyamide-imide, polyimide, and the like. One or more selected species can be mixed and used.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronic conductive material that does not cause chemical change, and examples thereof include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, super-P black, carbon fiber, copper, and nickel. Metal powders such as aluminum, silver, or metal fibers.
상기 용매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.The solvent may be an organic solvent such as ethanol (EtOH), acetone, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene glycol (PG) or water.
Li4Ti5O12 음극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매를 혼합한 음극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 음극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 음극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 음극을 형성한다.A negative electrode composition comprising a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material, a binder, a conductive material, and a solvent is pressed to form an electrode, or the negative electrode composition is coated on a metal foil to form an electrode, or the negative electrode composition It is pushed with a roller to form a sheet (sheet) and attached to a metal foil to form an electrode, the resultant formed in the electrode form is dried at a temperature of 100 ℃ to 350 ℃ to form a cathode.
음극을 형성하는 예를 보다 구체적으로 설명하면, 음극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5~20 ton/㎠로 롤의 온도는 0~150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 음극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 용매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 음극용 조성물을 건조(용매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 음극의 강도를 향상시킨다.Referring to the example of forming the negative electrode in more detail, the composition for the negative electrode can be molded by pressing using a roll press molding machine. The roll press molding machine aims at improving the electrode density through rolling and controlling the thickness of the electrode. The roll press molding machine includes a controller capable of controlling the thickness and the heating temperature of the rolls and rolls at the upper and lower ends, the winding ≪ / RTI > As the electrode in the roll state passes the roll press, the rolling process is carried out and the roll is rolled again to complete the electrode. At this time, it is preferable that the pressurization pressure of a press is 5-20 ton / cm <2>, and the temperature of a roll shall be 0-150 degreeC. The composition for the negative electrode, which has undergone the above press pressing process, is subjected to a drying process. The drying process is carried out at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ℃ is not preferable because the evaporation of the solvent is difficult, and when the high temperature drying over 350 ℃ may occur oxidation of the conductive material is not preferable. Therefore, it is preferable that drying temperature is 100 degreeC or more and does not exceed 350 degreeC. And the drying process is preferably carried out for about 10 minutes to 6 hours at the above temperature. This drying process improves the strength of the negative electrode by binding the powder particles while drying (solvent evaporation) the molded negative electrode composition.
또한, 음극을 형성하는 다른 예를 살펴보면, 상기 음극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil), 구리 호일(Cu foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 음극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일에 붙여서 음극 형상으로 제조할 수도 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 상기와 같은 공정을 거친 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 용매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 음극용 조성물을 건조(용매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 음극의 강도를 향상시킨다.
In addition, looking at another example of forming a cathode, the composition for the cathode is a metal foil such as titanium foil (Ti foil), aluminum foil (Al foil), aluminum etching foil (Al etching foil), copper foil (Cu foil) ( It may be coated on a metal foil, or the composition for the negative electrode is pushed with a roller into a sheet state (rubber type) and attached to a metal foil to prepare a negative electrode shape. The aluminum etching foil means that the aluminum foil is etched in an uneven shape. The cathode is subjected to the drying process as described above. The drying process is carried out at a temperature of 100 ° C to 350 ° C, preferably 150 ° C to 300 ° C. At this time, when the drying temperature is less than 100 ℃ is not preferable because the evaporation of the solvent is difficult, and when the high temperature drying over 350 ℃ may occur oxidation of the conductive material is not preferable. Therefore, it is preferable that drying temperature is 100 degreeC or more and does not exceed 350 degreeC. And the drying process is preferably carried out for about 10 minutes to 6 hours at the above temperature. This drying process improves the strength of the negative electrode by binding the powder particles while drying (solvent evaporation) the negative electrode composition.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be presented, and the present invention is not limited to the following experimental examples.
용매인 무수 에탄올 200㎖에 도데실아민(dodecylamine) 1.15g과 H2O 1.12㎖를 혼합하였다. 이 용액에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 3.55g를 투입한 후, 상온에서 1시간 동안 400rpm의 속도로 교반하면서 반응시켰다. To 200 ml of anhydrous ethanol as a solvent, 1.15 g of dodecylamine and 1.12 ml of H 2 O were mixed. 3.55 g of titanium isopropoxide was added to the solution, followed by reaction at room temperature with stirring at 400 rpm for 1 hour.
반응 후 흰색 침전물을 원심분리기를 이용하여 선택적으로 분리한 후, 무수 에탄올로 3회 세척하고 60℃의 건조기에서 24시간 동안 건조시켜 구형의 TiO2 전구체를 형성하였다. After the reaction, the white precipitate was selectively separated using a centrifuge, washed three times with anhydrous ethanol, and dried for 24 hours in a dryer at 60 ° C. to form a spherical TiO 2 precursor.
도 3은 이렇게 제조된 구형의 TiO2 전구체를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the spherical TiO 2 precursor thus prepared.
도 2를 참조하면, 균일한 크기를 갖는 입자들이 형성된 것을 볼 수 있으며, 입자는 구형을 갖는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that particles having a uniform size are formed and the particles have a spherical shape.
건조된 결과물인 구형의 TiO2 전구체 1g을 무수 에탄올 20㎖와 H2O 20㎖의 혼합 용액에 투입하고, 도 2에 도시된 반응장치에서 160℃의 온도로 12시간 동안 반응시켜 구형의 다공성 TiO2 전구체를 형성하였다. 1 g of the dried spherical TiO 2 precursor was added to a mixed solution of 20 ml of anhydrous ethanol and 20 ml of H 2 O, and reacted for 12 hours at a temperature of 160 ° C. in the reactor shown in FIG. 2 precursors were formed.
구형의 다공성 TiO2 전구체를 무수 에탄올로 3회 세척하고, 60℃의 건조기에서 24시간 동안 건조시켰다. The spherical porous TiO 2 precursor was washed three times with anhydrous ethanol and dried in a drier at 60 ° C. for 24 hours.
도 4는 이렇게 제조된 구형의 다공성 TiO2 전구체를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the spherical porous TiO 2 precursor thus prepared.
도 4를 참조하면, 균일한 크기를 갖는 구형 입자들이 형성된 것을 볼 수 있으며, 입자의 표면에서는 미세 기공들이 형성된 모습이 관찰되었다.Referring to FIG. 4, it can be seen that spherical particles having a uniform size are formed, and micropores are observed on the surface of the particles.
건조된 결과물인 구형의 다공성 TiO2 전구체를 열처리 장치에 장입하고, 2℃/min로 승온하여 500℃에서 3시간 동안 열처리하여 잔존하는 유기물을 제거한 후, 냉각시켰다. The dried spherical porous TiO 2 precursor was charged into a heat treatment apparatus, heated to 2 ° C./min, and heat-treated at 500 ° C. for 3 hours to remove remaining organics, and then cooled.
열처리된 다공성 TiO2 전구체 0.8g과 리튬 아세테이트(lithium acetate) 1.02g을 건식으로 혼합하였다. 0.8 g of the heat treated porous TiO 2 precursor and 1.02 g of lithium acetate were dry mixed.
혼합된 결과물을 열처리 장치에 장입하고, 2℃/min로 승온하여 800℃에서 12시간 동안 열처리한 후 냉각하여 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 제조하였다. The resultant mixture was charged to a heat treatment apparatus, heated to 2 ° C./min, heat treated at 800 ° C. for 12 hours, and cooled to prepare a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material.
도 5는 이렇게 제조된 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material thus prepared.
도 5를 참조하면, 균일한 크기를 갖는 구형 입자들이 형성된 것을 볼 수 있으며, 입자의 표면에서는 미세 기공들이 형성된 모습이 관찰되었다.Referring to FIG. 5, it can be seen that spherical particles having a uniform size are formed, and micropores are observed on the surface of the particles.
도 6은 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다. FIG. 6 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of a spherical porous Li 4 Ti 5 O 12 anode active material.
도 6을 참조하면, 실험예에 따라 제조된 Li4Ti5O12 음극 활물질은 Li4Ti5O12 결정상을 갖는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 6, it was confirmed that the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material prepared according to the experimental example had a Li 4 Ti 5 O 12 crystal phase.
제조된 Li4Ti5O12 음극 활물질, 도전재인 슈퍼-P 카본블랙(super-P carbon black), 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 80:10:10의 중량비로 칭량한 후, 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)과 함께 고속믹서기를 이용하여 슬러리를 제조하였다. After weighing the prepared Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material, super-P carbon black (conductive material), polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride) as a binder in a weight ratio of 80:10:10, A slurry was prepared using a high speed mixer with N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent.
상기 슬러리를 알루미늄 호일(aluminium foil)에 코팅한 후, 120℃에서 1시간 동안 건조시켰다. The slurry was coated on aluminum foil and then dried at 120 ° C. for 1 hour.
건조된 결과물을 직경 12㎜로 펀칭하여 음극으로 사용하고, 리튬 호일을 양극으로 사용하는 리튬이온전지를 제조하였다. The dried resultant was punched out to a diameter of 12 mm to use a negative electrode, and a lithium ion battery using a lithium foil as a positive electrode was prepared.
도 7은 이렇게 제조된 리튬이온전지의 충전과 방전 곡선을 보여주는 그래프이다. Figure 7 is a graph showing the charge and discharge curve of the lithium ion battery thus prepared.
도 7을 참조하면, 1V에서 3V 전압 범위에서의 충전과 방전 곡선으로 전형적인 Li4Ti5O12의 1.5V 구간 평탄전압을 나타낸다.
Referring to FIG. 7, a charge and discharge curve in a voltage range of 1V to 3V shows a 1.5 V section flat voltage of a typical Li 4 Ti 5 O 12 .
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.
100: 반응기
110: 덮개
120: 교반기
130: 혼합용액100: reactor
110: cover
120: stirrer
130: Mixed solution
Claims (13)
(b) 내부를 밀폐할 수 있는 반응기에 상기 구형의 TiO2 전구체를 제2 유기용매와 물의 혼합용액과 함께 넣고 상기 반응기를 덮개로 덮어 밀봉하는 단계;
(c) 밀폐된 상기 반응기를 가열하여 제2 유기용매의 끓는점과 같거나 제2 유기용매의 끓는점 보다 높은 목표 반응온도로 상승시키는 단계;
(d) 상기 목표 반응온도에서 상기 반응기의 온도를 유지함에 따라, 상기 구형의 TiO2 전구체에서 유기물 성분이 빠져나오게 되어 구형의 다공성 TiO2 전구체가 형성되는 단계;
(e) 상기 구형의 다공성 TiO2 전구체를 제1 열처리하여 구형의 다공성 TiO2를 형성하는 단계; 및
(f) 상기 구형의 다공성 TiO2와 리튬계 염을 혼합하고 제2 열처리하여 구형의 다공성 Li4Ti5O12 음극 활물질을 형성하는 단계를 포함하는 Li4Ti5O12 음극 활물질의 제조방법.
(a) mixing and reacting an organic compound, water, and a titanium salt with a first organic solvent to obtain a spherical TiO 2 precursor as a white precipitate;
(b) putting the spherical TiO 2 precursor together with a mixture of a second organic solvent and water in a reactor capable of sealing the inside and sealing the reactor with a cover;
(c) heating the sealed reactor to raise a target reaction temperature equal to or higher than the boiling point of the second organic solvent;
and (d) from the target reaction temperature according to maintain the temperature of the reactor, the organic component is forced out to form a porous TiO 2 TiO 2 precursor in the precursor of the rectangle of the rectangular;
(e) first heat treating the spherical porous TiO 2 precursor to form a spherical porous TiO 2 ; And
(f) Li 4 Ti 5 O The method of 12, a negative electrode active material comprises the step of mixing a porous TiO 2 and a lithium based salt of the rectangle and the second heat treatment to form a porous Li 4 Ti 5 O 12, the negative electrode active material of the rectangle.
According to claim 4, As the reaction proceeds in the step (a) the head portion of the organic compound is combined with the Ti component to form a composition and the reaction is continued while the tail portion of the organic compound is located inside the head portion Li 4 Ti 5 O which forms a reverse micelle located outside, has a spherical particle structure as the spherical reverse micelle gradually grows as a seed, and precipitates by specific gravity to form a white precipitate. 12 Method of manufacturing a negative electrode active material.
The method of claim 4, wherein the organic compound is at least one amine-based organic compound selected from octylamine, decylamine, dodecylamine, tetradecylamine and hexadecylamine of the Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material Manufacturing method.
In the titanium-based salt is the production of titanium butoxide, titanium isopropoxide and titanium Li 4 Ti 5 O 12 cathode active material, characterized in that one or more materials that are selected from chloride to claim 4.
The method of claim 4, wherein the organic compound and the titanium-based salt in the molar ratio 1: 1~1: Li 4 Ti 5 O 12 The method of the negative electrode active material comprising a step of mixing at a rate of 10.
The method of claim 4, wherein the mixed solution is 1 in the volume ratio of organic solvent and water: 0.1~1: Li 4 Ti 5 O 12 The method of the negative electrode active material, characterized in that a solution mixed at a ratio of 10.
The method of claim 4, wherein the lithium-based salt is lithium acetate, lithium hydroxide, lithium nitrate, and Li 4 Ti 5 O 12 The method of the negative electrode active material, characterized in that one or more materials that are selected from lithium carbonate.
In the second use of anhydrous ethanol as the organic solvent, and the target reaction temperature method for manufacturing a negative electrode active material Li 4 Ti 5 O 12, characterized in that set to 78~200 ℃ to claim 4.
The method for producing a Li 4 Ti 5 O 12 negative electrode active material according to claim 4, wherein ethylene glycol is used as the organic solvent and the target reaction temperature is set at 198 to 300 ° C.
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