KR101499196B1 - Manufacturing method of active cathode materials using network structured hydrogels and active cathode materials coated with carbon - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질의 제조에 관한 것으로, 구체적으로는 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법, 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명은, 망상 구조를 가지는 수화겔을 제조하는 제1단계; 양극활물질 전구체 수용액을 제조하는 제2단계; 상기 수화겔을 상기 양극활물질 전구체 수용액에서 팽윤시키는 제3단계; 및 상기 양극활물질 전구체 수용액을 흡수한 상기 수화겔을 소성하여 탄소층이 코팅된 양극활물질을 얻는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법을 개시한다.
상기 본 발명의 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법은 망상구조를 가지는 수화겔을 이용하여 양극활물질의 표면에 탄소층을 형성하는 공정과정을 줄이고, 미세 나노구조 및 화학성분 제어가 용이하여 대량생산을 가능하게 하는 효과가 있다.
The present invention relates to a method for producing a cathode active material coated with a carbon layer on a surface thereof, specifically, a method for producing a cathode active material using a hydrogel, a cathode active material coated with a carbon layer on the surface thereof, and a secondary battery comprising the cathode active material.
More particularly, the present invention relates to a method for preparing a hydrogel having a network structure, A second step of preparing an aqueous solution of a precursor of a cathode active material; A third step of swelling the hydrogel in the aqueous solution of the precursor of the cathode active material; And a fourth step of firing the hydrogel having absorbed the aqueous solution of the cathode active material to obtain a cathode active material coated with a carbon layer, and a method of manufacturing the cathode active material using the hydrogel.
The process for preparing a cathode active material using the hydrogel according to the present invention reduces the process of forming a carbon layer on the surface of a cathode active material using a hydrated gel having a network structure and facilitates the control of fine nanostructures and chemical components, .

Description

망상구조를 가지는 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법 및 탄소층이 코팅된 양극활물질{Manufacturing method of active cathode materials using network structured hydrogels and active cathode materials coated with carbon}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for producing a cathode active material using a hydrogel having a network structure and a cathode active material coated with a carbon layer,

본 발명은 수화겔을 이용한 이차 전지용 양극활물질의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 망상구조를 가지는 수화겔을 이용하여 표면에 탄소층이 코팅 된 양극활물질을 제조하는 방법과 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for preparing a cathode active material for a secondary battery using a hydrogel, and more particularly, to a method for producing a cathode active material coated with a carbon layer on a surface thereof using a hydrated gel having a network structure, To a cathode active material and a secondary battery including the same.

이차전지는 화학에너지와 전기에너지간의 상호변환이 가능함에 따라 충전과 방전을 반복할 수 있는 제품으로 환경이슈와 재사용이 가능함에 따라 그 시장은 가전시장을 바탕으로 빠르게 성장세를 보이고 있다.The secondary battery is a product that can be repeatedly charged and discharged as it can convert between chemical energy and electric energy. As the environment issues and reuse are possible, the market is growing rapidly based on the home appliance market.

대표적으로 리튬 이온 배터리는 높은 전기용량과 에너지 밀도의 특징을 가지고 있어 이동통신기기 및 정보통신기기, 휴대용 영상장비의 전원으로 적용될 뿐만 아니라, 그 사용범위가 급격히 확대되어, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기자동차, 그리고 산업용 공구, 로봇 등과 같은 비 IT용 전원으로서도 중요성을 더해가고 있다. 향후, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기자동차와 같은 미래형 자동차의 개발에 따라 장수명과 고안정성 특성을 갖는 고성능의 대용량 에너지 저장장치로서 그 용도가 확대될 것으로 기대되고 있다. Typically, lithium-ion batteries are characterized by high capacitance and energy density. They are used not only as power sources for mobile communication devices, information communication devices, and portable video devices, but also for use in hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles Electric vehicles, and non-IT power sources such as industrial tools and robots. Future automobiles, such as plug-in hybrid vehicles and electric vehicles, are expected to expand their use as high-capacity, high-capacity energy storage devices with long life and high stability characteristics.

여기서, 리튬 이온 배터리의 핵심구성요소는 크게 양극, 음극, 전해질, 격리막(separator)이다. 양극은 방전 시 외부 도선으로부터 전자를 받아 환원반응이 일어나는 전극을 말하며, 음극은 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극을 의미한다. Here, the core components of the lithium ion battery are mainly an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator. The anode refers to an electrode that receives electrons from an external conductor when discharging and causes a reduction reaction, and the cathode refers to an electrode that discharges electrons to a conductor while oxidizing the anode active material.

특히, 양극에 도포되는 층상구조의 물질인 양극활물질은 배터리의 전위차, 용량, 운용속도에 가장 큰 영향력을 가지는 핵심 부분으로 전극의 성능을 좌우하는 물질로, 이러한 양극활물질의 제조공정은 전형적인 세라믹 프로세스를 따라 이루어지게 된다. 즉, 최종적으로 제조하고자 하는 물질의 화학적 성분에 맞추어 각각의 원료물질을 평량하고 균일하게 혼합한 후, 하소(calcination)하여 카보네이트나 하이드록사이드 등을 제거하게 된다. 하소된 물질을 원하는 입자 크기로 분쇄한 후 분급하여 포장함으로써 제품을 완성하게 된다. Particularly, the cathode active material, which is a layered material applied to the anode, is a core part that has the greatest influence on the potential difference, capacity, and operating speed of the battery. The cathode active material is a material that affects the performance of the electrode. As shown in FIG. That is, each of the raw materials is mixed with the raw materials uniformly and uniformly in accordance with the chemical composition of the material to be finally produced, and then the carbonate and the hydroxide are removed by calcination. The calcined material is pulverized to a desired particle size and classified and packed to complete the product.

그러나 안정적인 대용량 리튬 이온 배터리 시스템을 개발하기 위해서는 상기 양극활물질을 이루는 화합물을 조절하여 양극활물질의 높은 출력을 유지할 수 있어야 하는 바, 이를 위해 나노 크기의 입자 합성 및 탄소 코팅 방식 등의 여러 가지 방법을 모색하고 있는 실정이다. 관련한 종래기술로서, 대한민국 공개특허번호 제10-2012-0058311호(2012.06.07. 공개)에서는 표면에 탄소층을 형성하여 전기전도도가 향상된 "리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬이차전지"를 개시하고 있으나, 상기 종래기술은 탄소 화합물과 용매 및 양극활물질의 혼합, 교반 및 분쇄한 다음 건조 및 열처리 공정을 하여 제조공정이 복잡한 문제하고, 경제성이 떨어지며, 대량 생산의 한계가 있어 산업화하기에 적합하지 않는 문제점이 있다.However, in order to develop a stable large-capacity lithium ion battery system, it is necessary to control the compound forming the cathode active material to maintain a high output of the cathode active material. For this purpose, various methods such as nano- . As a related art, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0058311 (published on Jun. 07, 2012) discloses a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery in which a carbon layer is formed on the surface to improve electric conductivity, However, the above-mentioned prior art is complicated in manufacturing process by mixing, stirring and pulverizing a carbon compound, a solvent and a cathode active material, followed by drying and heat-treating processes, resulting in poor economical efficiency, There is a problem that it is not suitable for the following.

이에, 본 발명자들은 이러한 점에 착안하여 종래의 탄소 코팅층을 가지는 양극활물질의 복잡한 제조공정을 줄이고, 미세 나노구조 안정화 및 화학 성분의 제어가 용이한 양극활물질을 개발하고자 노력한 결과, 수화겔을 이용하여 양극활물질을 제조함으로써, 공정과정을 줄이며 우수한 전기전도도의 특성을 나타내는 본 발명의 제조공정을 완성하게 되었다.
Accordingly, the inventors of the present invention have made efforts to develop a cathode active material having a complicated manufacturing process of a cathode active material having a carbon coating layer, and capable of stabilizing a fine nanostructure and controlling a chemical composition. As a result, By manufacturing the active material, the manufacturing process of the present invention, which exhibits excellent electrical conductivity characteristics, has been completed.

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 망상구조를 가지는 수화겔을 이용하여, 양극활물질의 표면에 탄소층을 형성하는 공정과정을 줄이고, 미세 나노구조 및 화학성분 제어가 용이하도록 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a method for manufacturing a cathode active material, which comprises using a hydrogel having a network structure to reduce the process of forming a carbon layer on the surface of a cathode active material, It is an object of the present invention to provide a method for producing a positive electrode active material.

또한, 본 발명은 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다. It is another object of the present invention to provide a cathode active material having a surface coated with a carbon layer.

마지막으로, 본 발명은 상기 양극활물질을 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
Finally, the present invention provides a secondary battery including the cathode active material.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 양태로서, In order to solve the above problems, the present invention provides, as one aspect,

망상 구조를 가지는 수화겔을 제조하는 제1단계; 양극활물질 전구체 수용액을 제조하는 제2단계; 상기 수화겔을 상기 양극활물질 전구체 수용액에서 팽윤시키는 제3단계; 및 상기 양극활물질 전구체 수용액을 흡수한 상기 수화겔을 소성하여 탄소층이 코팅된 양극활물질을 얻는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법을 제공한다.A first step of preparing a hydrogel having a network structure; A second step of preparing an aqueous solution of a precursor of a cathode active material; A third step of swelling the hydrogel in the aqueous solution of the precursor of the cathode active material; And a fourth step of firing the hydrogel having absorbed the aqueous solution of the cathode active material to obtain a cathode active material coated with a carbon layer. The method of manufacturing a cathode active material using the hydrogel according to claim 1,

또한 바람직하게는, 상기 수화겔은 수소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 것을 특징으로 한다.Also preferably, the hydrogel is composed of hydrogen, carbon, nitrogen and oxygen.

또한 바람직하게는, 상기 수화겔은 아미드계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아크릴레이트계 단량체 및 에스테르계 단량체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 공중합하여 가교시킨 것을 특징으로 한다.Preferably, the hydrogel is crosslinked by copolymerizing one or more selected from among an amide-based monomer, an acrylamide-based monomer, an acrylate-based monomer and an ester-based monomer.

또한 바람직하게는, 상기 수화겔은 가교도가 0.01% 내지 10% 인 것을 특징으로 한다. Also preferably, the hydrogel has a degree of crosslinking of 0.01% to 10%.

또한 바람직하게는, 상기 양극활물질 전구체는 Li, Zn, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, V, Ti 및 Cr의 금속염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다. Preferably, the cathode active material precursor is one or a mixture of two or more selected from the group consisting of Li, Zn, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, V, Ti and Cr metal salts.

또한 바람직하게는, 상기 소성은 150~400℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 한다. Preferably, the firing is performed at a temperature of 150 to 400 ° C.

또한 바람직하게는, 상기 탄소층의 두께가 2 내지 30 nm 인 것을 특징으로 한다.
Also preferably, the carbon layer has a thickness of 2 to 30 nm.

상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다른 양태로서, According to another aspect of the present invention,

양극활물질 표면에 탄소층이 코팅되고, 상기 탄소층은, 아미드계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아크릴레이트계 단량체 및 에스테르계 단량체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 공중합하여 형성된 수화겔의 가열분해물인 것을 특징으로 하는, 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질에 관한 것이다. 바람직하게는 상기 방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.
A carbon layer is coated on the surface of the positive electrode active material, and the carbon layer is formed by copolymerizing a mixture of one or more kinds selected from an amide monomer, an acrylamide monomer, an acrylate monomer and an ester monomer, Wherein the carbon layer is coated on the surface of the positive electrode active material. Preferably, it is produced by the above method.

상기 또다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 또다른 양태로서, 상기 양극활물질을 포함하는 이차전지를 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a secondary battery including the positive electrode active material.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법은, 망상구조를 가지는 수화겔을 이용함으로써 양극활물질 전구체로부터 한 번의 소성과정으로 양극활물질을 합성하면서도 양극활물질의 표면에 화학적으로 탄소층을 형성시킬 수 있어 제조공정을 줄이고 대량생산이 용이한 효과가 있다.As described above, the method of producing a cathode active material using a hydrogel according to the present invention is a method of synthesizing a cathode active material by a firing process from a cathode active material precursor by using a hydrated gel having a network structure, So that the manufacturing process can be reduced and mass production can be facilitated.

또한 수화겔을 이용하여 상기 양극활물질의 표면에 탄소층을 코팅할 수 있으므로, 미세 나노구조 및 화학성분 제어가 용이하여 전기 전도도와 전지 운용시 구조의 안정화를 높여 개선된 전기화학적 특성을 가진 이차전지를 제공할 수 있게 된다.
In addition, since the carbon layer can be coated on the surface of the cathode active material by using a hydrogel, it is possible to control the micro-nano structure and the chemical composition easily, thereby improving the electrical conductivity and the structure stability during battery operation, .

도 1은 본 발명에 따른 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조공정을 나타낸 것이다.
도 2는 표면에 탄소층이 코팅되는 양극활물질의 형성을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 수화겔의 구조식을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 수화겔을 이용한 양극활물질의 X-선 회절(XRD)분석 결과를 나타내는 패턴 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 수화겔을 이용한 양극활물질의 초기 용량 방전 곡선을 나타낸 것이다.
1 shows a process for producing a cathode active material using a hydrogel according to the present invention.
2 is a schematic representation of the formation of a cathode active material coated with a carbon layer on its surface.
FIG. 3 shows a structural formula of the hydrogel prepared in an embodiment of the present invention.
4 is a pattern graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of a cathode active material using the hydrogel prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing an initial capacity discharge curve of a cathode active material using a hydrogel manufactured according to an embodiment of the present invention.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조공정을, 도 2는 양극활물질에 탄소층이 코팅되는 모식도를 나타낸 것으로, FIG. 1 is a view showing a process for producing a cathode active material using a hydrogel according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing a carbon layer coated on a cathode active material,

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명은 망상 구조를 가지는 수화겔을 제조하는 제1단계; 양극활물질 전구체 수용액을 제조하는 제2단계; 상기 수화겔을 상기 양극활물질 전구체 수용액에서 팽윤시키는 제3단계; 및 상기 양극활물질 전구체 수용액을 흡수한 상기 수화겔을 소성하여 탄소층이 코팅된 양극활물질을 얻는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법에 관한 것이다.1 and 2, the present invention provides a method for preparing a hydrogel having a network structure, A second step of preparing an aqueous solution of a precursor of a cathode active material; A third step of swelling the hydrogel in the aqueous solution of the precursor of the cathode active material; And a fourth step of firing the hydrogel having absorbed the aqueous solution of the positive electrode active material to obtain a cathode active material coated with a carbon layer, and a method for producing the positive electrode active material using the hydrogel.

보다 구체적으로, 본 발명에 있어서 상기 제1단계는 망상구조를 가지는 수화겔을 제조하는 단계로, 친수성 단량체를 가교하여 수화겔을 제조하는 단계이다.More specifically, in the present invention, the first step is a step of producing a hydrogel having a network structure, wherein the hydrophilic monomer is crosslinked to prepare a hydrogel.

이 때, 상기 수화겔은 친수성 고분자가 물리적 결합 혹은 공유결합 등의 화학적 결합에 의해 가교되어 3차원 망상구조를 가짐으로써, 수용액을 흡수하여 팽윤하는 특성을 가진 물질로, 아미드계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아크릴레이트계 단량체 및 에스테르계 단량체 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 공중합하여 가교시킨 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 곁가지에 음이온기를 가져 팽윤시 적당히 부피가 증가 될 수 있는 아크릴레이트 계열의 단량체를 공중합하는 것이 바람직하다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 아크릴아미드계 단량체 및 아크릴레이트계 단량체를 사용하여 공중합함으로써 망상구조의 수화겔을 제조하였다(도 3 참고). At this time, the hydrogel is a material having a property that the hydrophilic polymer is crosslinked by chemical bonding such as physical bonding or covalent bonding to have a three-dimensional network structure, thereby absorbing and swelling the aqueous solution. The amide monomer, the acrylamide monomer , An acrylate monomer and an ester monomer, and more preferably an acrylate-based monomer having an anionic group on its side chain and capable of increasing its volume when swelled It is preferable to copolymerize the monomers. In a specific embodiment of the present invention, a hydrogel of a network structure was prepared by copolymerization using an acrylamide-based monomer and an acrylate-based monomer (see FIG. 3).

또한 상기 수화겔은 가교도가 0.01% 내지 10% 인 것이 바람직하다. 여기서 가교도란 단량체의 몰수로 가교물질의 몰수를 나눈 퍼센트 비를 의미하는데, 수화겔이 수용액을 흡수했을 때 증가하는 부피와 직접적으로 관련된다. 본 발명에 있어서 상기 수화겔의 가교도가 0.01% 미만인 경우에는 효과적으로 3차원 망상구조를 형성할 수가 없어 바람직하지 못하고, 10%를 초과할 경우 상기 양극활물질 전구체의 흡수율이 저하되므로 바람직하지 않다. 본 발명에 있어서 상기 수소겔의 가교도는 상기의 범위가 적당하고, 더욱 바람직하게는 0.01% 내지 5%가 적당하다. The hydrogel preferably has a degree of crosslinking of 0.01% to 10%. Here, the degree of crosslinking refers to the ratio of the number of moles of monomer to the number of moles of crosslinking agent, which is directly related to the volume of increase when the hydrogel absorbs the aqueous solution. In the present invention, when the degree of crosslinking of the hydrogels is less than 0.01%, it is not possible to effectively form a three-dimensional network structure. When the degree of crosslinking is more than 10%, the water absorption rate of the cathode active material precursor is lowered. In the present invention, the above range of the degree of crosslinking of the hydrogen gel is suitable, more preferably 0.01% to 5%.

또한 본 발명에 있어서 상기 제2단계는 소성가공이 가능한 상기 양극활물질 전구체 수용액을 제조하는 단계로, 상기 양극활물질 전구체는 수용성인 경우 큰 제한이 없으나, 상기 수화겔이 분해되는 온도 범위에서 상기 양극활물질 전구체의 반응이 일어나는 것이 바람직하다. 따라서 상기 양극활물질 전구체는 Li, Zn, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, V, Ti 및 Cr의 금속염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하며, 상기 수화겔을 화학적으로 분해시키지 않고, 상분리를 일으키지 않는 산화바나듐 및 불화철 등이 더욱 바람직하다.In the present invention, the second step is a step of preparing the aqueous solution of the positive electrode active material precursor capable of being calcined and processed, and the positive electrode active material precursor is not limited if it is water-soluble. However, Lt; / RTI > Therefore, the cathode active material precursor is preferably a mixture of at least one selected from the group consisting of metal salts of Li, Zn, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, V, Ti and Cr, Vanadium oxide and iron fluoride which do not cause phase separation are more preferable.

또한 본 발명에 있어서 상기 제3단계는 상기 양극활물질 전구체 수용액에 상기 수화겔을 팽윤시키는 단계이다. 즉, 상기 제3단계는 상기 수화겔을 양극활물질 합성의 거푸집으로 사용하는 단계로, 상기 수화겔 및 상기 양극화 물질 전구체의 혼합이 액상에서 이루어지게 됨에 따라, 입자 크기, 형상 및 조성제어가 용이한 특징을 가지는 양극활물질을 합성하게 된다. 이 때, 상기 수화겔은 양극활물질 합성의 거푸집으로 사용할 수 있도록 상기 양극활물질 전구체 수용액을 잘 흡수함과 동시에 용해 또는 분해되지 않고, 소성 후 잔류물을 최소화할 수 있도록 분자 내에 다른 헤테로 원자를 포함하지 않고, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 아미드계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아크릴레이트계 단량체 및 에스테르계 단량체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 공중합하여 가교시킨 것이 바람직하다.
In the present invention, the third step is a step of swelling the hydrogel in the aqueous solution of the precursor of the cathode active material. That is, the third step is a step of using the hydrogel as a mold for synthesizing a cathode active material. As the mixing of the hydrogel and the precursor of the polarizing material is performed in a liquid phase, it is easy to control the particle size, shape and composition The resulting positive electrode active material is synthesized. At this time, the hydrogels absorb the aqueous solution of the precursor of the cathode well so as not to dissolve or decompose, so as to be used as a mold for synthesis of the cathode active material, and do not contain other heteroatoms in the molecule , Carbon, nitrogen and oxygen, and more preferably one obtained by copolymerizing and crosslinking one kind or a mixture of two or more kinds selected from an amide type monomer, an acrylamide type monomer, an acrylate type monomer and an ester type monomer Do.

또한 본 발명에 있어서 상기 제4단계는 상기 제3단계에서 형성된 상기 양극활물질 전구체 수용액을 흡수한 3차원 구조의 팽윤된 수화겔을 소성하여 양극활물질을 얻는 단계로, 상기 소성에 의하여 상기 수화겔의 망상 구조 내에 흡수된 양극활물질 전구체가 반응하여 양극활물질이 얻어지고, 이 과정에서 수화겔이 열분해되어 양극활물질 표면에 탄소로 코팅되어 탄소층이 형성된다. 즉, 한번의 소성에 의하여 양극활물질이 합성됨과 동시에 양극활물질의 표면에 탄소층이 구비됨으로써 네트워크를 형성하므로 전기전도도를 현저하게 개선할 수 있는 양극활물질을 얻을 수 있게 된다. In the fourth step of the present invention, the swollen hydrogel having the three-dimensional structure absorbing the aqueous solution of the precursor of the cathode active material formed in the third step is fired to obtain a cathode active material, The cathode active material precursor absorbed therein is reacted to obtain a cathode active material. In this process, the hydrogel is pyrolyzed and coated with carbon on the surface of the cathode active material to form a carbon layer. That is, the cathode active material is synthesized by a single firing, and a carbon layer is formed on the surface of the cathode active material, thereby forming a network, so that a cathode active material capable of remarkably improving the electric conductivity can be obtained.

이 때, 상기 소성은 상기 망상 구조의 수화겔의 열분해가 잘 이루어질 수 있도록 불활성 기체 분위기 조건 하에 150 내지 400℃의 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 소성이 150℃ 미만에서 이루어질 경우, 수화겔이 열분해 되지 않아 바람직하지 않으며, 상기 소성이 400℃ 초과하는 범위에서 이루어질 경우, 탄소도 함께 분해되어 양극활물질의 표면에 탄소층을 형성할 수 없어 바람직하지 못하다. 여기서 상기 불활성 기체로는 질소 또는 아르곤을 사용할 수 있다. At this time, it is preferable that the firing is performed in a temperature range of 150 to 400 ° C under an inert gas atmosphere so that the hydrolysis of the hydrogel of the network can be performed well. When the firing is performed at a temperature lower than 150 ° C., the hydrogel is not thermally decomposed. If the firing is performed at a temperature higher than 400 ° C., the carbon is also decomposed to form a carbon layer on the surface of the cathode active material Can not do it. As the inert gas, nitrogen or argon may be used.

또한 상기 양극활물질의 표면에 형성된 탄소층은 두께가 2 내지 30 nm 인 것이 바람직하다. 상기 탄소층의 두께가 2nm 미만일 경우, 만족할 만한 전기전도도 향상의 효과를 볼 수 없고, 30nm를 초과하는 경우, 상기 탄소층이 균일하게 형성되지 않고 전극밀도가 감소하게 되기 때문이다.The carbon layer formed on the surface of the cathode active material preferably has a thickness of 2 to 30 nm. When the thickness of the carbon layer is less than 2 nm, satisfactory electrical conductivity improvement is not obtained. When the thickness exceeds 30 nm, the carbon layer is not uniformly formed and the electrode density is decreased.

또한, 상기 양극활물질의 표면에 형성된 탄소의 함유율은 구체적으로, 0.1 중량% 이상, 30 중량% 이하, 바람직하게는 0.5 중량% 이상, 20 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 1 중량% 이상, 15 중량% 이하, 가장 바람직하게는 1 중량% 이상, 10 중량% 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 도전성 탄소의 함유율이 0.1 중량%를 하회하는 이차전지용 양극 활물질 재료를 사용하면, 충분한 도전성을 얻기가 어려워지는 경우가 있고, 양극의 내부저항이 향상되어, 높은 전지성능을 얻기 어려운 경우가 있으며, 도전성 탄소의 함유율이 30 중량%를 상회하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 재료를 사용하면, 충분한 도전성은 얻어지지만 양극 중의 전이금속 복합 산화물의 함유량이 적어지기 때문에, 전지의 체적당 방전용량이 적어지는 경우가 있어, 실용성이 높은 전지로서는 사용하기 어려운 경우가 있기 때문이다.
Specifically, the content of carbon formed on the surface of the positive electrode active material is 0.1 wt% or more and 30 wt% or less, preferably 0.5 wt% or more and 20 wt% or less, more preferably 1 wt% or more and 15 wt% % Or less, and most preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less. When the cathode active material for a secondary battery is used in which the content of the conductive carbon is less than 0.1 wt%, it may be difficult to obtain sufficient conductivity, the internal resistance of the anode may be improved, When the positive electrode active material for a lithium secondary battery having a carbon content of more than 30% by weight is used, sufficient conductivity is obtained, but the content of the transition metal complex oxide in the positive electrode is decreased, , It is difficult to use the battery as a highly practical battery.

상술한 바와 같이 본 발명의 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법은 상기 수화겔과 상기 양극활물질 전구체 수용액을 혼합 및 소성하여 표면에 탄소층이 형성된 양극활물질을 제조함으로써, 화학성분 조절 및 미세구조에서의 탄소층 형성이 용이하고, 기존의 탄소층 형성 제조공정에 비해 공정과정이 현저히 줄어 대량생산이 용이한 특징을 가지고 있다.
As described above, the method for producing a cathode active material using the hydrogel according to the present invention is characterized in that the hydrogel and the aqueous solution of the precursor of the cathode active material are mixed and fired to prepare a cathode active material having a carbon layer on its surface, Layer formation is easy and the process is significantly reduced compared to the conventional carbon layer formation process, which makes mass production easy.

또한 본 발명은 다른 양태로서, 상기 방법으로 제조된, 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질에 관한 것으로, 양극활물질의 표면에 탄소층이 구비됨으로써 전기전도도가 개선된 양극활물질에 관한 것이다.
In another aspect, the present invention relates to a cathode active material coated with a carbon layer on a surface thereof, which is prepared by the above method, and a carbonaceous layer provided on the surface of the cathode active material, thereby improving the electric conductivity.

또한, 본 발명은 또다른 양태로서, 상기 양극활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 양극활물질의 전기전도도가 개선됨에 따라 전지 운용시 구조의 안정화를 높임으로써 향상된 전기화학적 특성을 갖는 이차전지에 관한 것이다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a secondary battery including the positive electrode active material, wherein the positive electrode active material has improved electroconductivity, thereby improving the stability of the structure during battery operation, will be.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하기로 하나, 이러한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but these examples should not be construed as limiting the scope of the present invention.

<산화바나듐 전구체 수용액 제조>&Lt; Preparation of vanadium oxide precursor aqueous solution >

상온에서 옥살릭산 3.78g을 2차 증류수 10mL에 교반하였다. 상기 옥살릭산이 모두 녹은 후 80℃로 가열하여 암모늄메타바나데이트를 2.46g을 넣고 교반하여 산화바나듐 전구체 수용액을 얻었다.
3.78 g of oxalic acid was stirred in 10 mL of distilled water at room temperature. After all the oxalic acid was dissolved, 2.46 g of ammonium metavanadate was added by heating at 80 DEG C, and the mixture was stirred to obtain a vanadium oxide precursor aqueous solution.

<실시예 1> 수화겔을 이용한 양극활물질 제조 1Example 1 Production of a cathode active material using a hydrogel 1

1-1. 망상구조를 가지는 폴리이소프로필아크릴아미드-co-폴리아크릴레이트 합성1-1. Synthesis of polyisopropylacrylamide-co-polyacrylate having a network structure

상온에서 이소프로필아크릴아미드 410mg, 메틸렌비스아크릴아미드 3.5mg, 및 소디움아크릴레이트 86mg을 2차 증류수 4500uL에 넣고 녹인 후, 감압기를 이용하여 진공상태로 만든 후 질소를 가했다. 질소 분위기 하에서 테트라메틸에틸렌디아민 5.8mg 및 암모늄포스페이트 2.5mg을 첨가한 후 한 시간 동안 겔화시켜 가교된 망상 구조의 수화겔을 얻었다. 도 3에 얻어진 수화겔의 구조식을 나타내었다.
After dissolving 410 mg of isopropyl acrylamide, 3.5 mg of methylene bisacrylamide and 86 mg of sodium acrylate in 4500 uL of distilled water, the mixture was vacuumed using a pressure reducer and then nitrogen was added thereto. 5.8 mg of tetramethylethylenediamine and 2.5 mg of ammonium phosphate were added in a nitrogen atmosphere, and the mixture was gelled for one hour to obtain a crosslinked network-shaped hydrated gel. The structural formula of the hydrogel obtained in FIG. 3 is shown.

1-2. 양극활물질 제조1-2. Cathode active material manufacturing

먼저 1-1에서 제조한 상기 수화겔을 2차 증류수에 24시간 담그고 여러 번 2차 증류수를 갈아주어 미반응한 단량체를 제거하였다. 상기 수화겔을 산화바나듐 전구체 수용액에서 24시간동안 팽윤시켰다. 상기 산화바나듐 전구체 수용액에서 팽윤된 수화겔을 80℃의 오븐에서 12시간동안 열처리 한 후, 머플 가마에서 300℃로 6시간동안 가열하여 소성 후 최종물질인 짙은 검은색의 고체 0.392g의 양극활물질을 얻었다.
First, the hydrogel prepared in 1-1 was immersed in secondary distilled water for 24 hours, and secondary distilled water was changed several times to remove unreacted monomers. The hydrogel was swelled in an aqueous vanadium oxide precursor solution for 24 hours. The hydrogel swollen in the vanadium oxide precursor aqueous solution was heat-treated in an oven at 80 ° C for 12 hours and then heated in a muffle furnace at 300 ° C for 6 hours to be fired to obtain 0.392 g of a cathode active material as a dark black solid .

<실시예 2> 수화겔을 이용한 양극활물질 제조 2&Lt; Example 2 > Preparation of a cathode active material using a hydrogel 2

2-1. 망상구조를 가지는 폴리아크릴아미드-co-폴리아크릴레이트 합성2-1. Synthesis of polyacrylamide-co-polyacrylate having network structure

상온에서 아크릴아미드 317mg, 메틸렌비스아크릴아미드 5.1mg, 및 소디움아크릴레이트 124mg을 2차 증류수 4500uL에 넣고 녹인 후, 감압기를 이용하여 진공상태로 만든 후 질소를 가했다. 질소 분위기 하에서 테트라메틸에틸렌디아민 5.8mg 및 암모늄포스페이트 2.5mg을 첨가한 후 한 시간 동안 겔화시켜 가교된 망상 구조의 수화겔을 얻었다. 도 3에 얻어진 수화겔의 구조식을 나타내었다.
317 mg of acrylamide, 5.1 mg of methylenebisacrylamide, and 124 mg of sodium acrylate were dissolved in 4500 uL of distilled water, and the solution was vacuumed using a pressure reducer and then nitrogen was added thereto. 5.8 mg of tetramethylethylenediamine and 2.5 mg of ammonium phosphate were added in a nitrogen atmosphere, and the mixture was gelled for one hour to obtain a crosslinked network-shaped hydrated gel. The structural formula of the hydrogel obtained in FIG. 3 is shown.

2-2. 양극활물질 제조2-2. Cathode active material manufacturing

먼저 2-1에서 제조한 상기 수화겔을 2차 증류수에 24시간 담그고 여러 번 2차 증류수를 갈아주어 미반응한 단량체를 제거하였다. 상기 수화겔을 산화바나듐 전구체 수용액에서 24시간동안 팽윤시켰다. 상기 산화바나듐 전구체 수용액에서 팽윤된 수화겔을 80℃의 오븐에서 12시간동안 열처리 한 후, 머플 가마에서 300℃로 6시간동안 가열하여 소성 후 최종물질인 짙은 검은색의 고체 0.669g의 양극활물질을 얻었다.
First, the hydrogel prepared in 2-1 was immersed in secondary distilled water for 24 hours, and secondary distilled water was changed several times to remove unreacted monomers. The hydrogel was swelled in an aqueous vanadium oxide precursor solution for 24 hours. The hydrogel swollen in the vanadium oxide precursor aqueous solution was heat-treated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and then heated in a muffle furnace at 300 ° C. for 6 hours to be fired to obtain 0.669 g of a cathode active material as a dark black solid .

<실시예 3> 수화겔을 이용한 양극활물질 제조 3&Lt; Example 3 > Preparation of a cathode active material using a hydrogel 3

3-1. 망상구조를 가지는 폴리하이드록시에틸메타아크릴레이트-co-폴리아크릴레이트 합성3-1. Synthesis of polyhydroxyethylmethacrylate-co-polyacrylate having a network structure

상온에서 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트 420mg, 메틸렌비스아크릴아미드 3.1mg, 및 소디움아크릴아미드 76mg을 2차 증류수 4500uL에 넣고 녹인 후, 감압기를 이용하여 진공상태로 만든 후 질소를 가했다. 질소 분위기 하에서 테트라메틸에틸렌디아민 5.8mg 및 암모늄포스페이트 2.5mg을 첨가한 후 한 시간 동안 겔화시켜 가교된 망상 구조의 수화겔을 얻었다. 도 3에 얻어진 수화겔의 구조식을 나타내었다.
At room temperature, 420 mg of 2-hydroxyethyl methacrylate, 3.1 mg of methylene bisacrylamide, and 76 mg of sodium acrylamide were dissolved in 4500 uL of distilled water, vacuumed using a pressure reducer, and then nitrogen was added. 5.8 mg of tetramethylethylenediamine and 2.5 mg of ammonium phosphate were added in a nitrogen atmosphere, and the mixture was gelled for one hour to obtain a crosslinked network-shaped hydrated gel. The structural formula of the hydrogel obtained in FIG. 3 is shown.

3-2. 양극활물질 제조3-2. Cathode active material manufacturing

먼저 3-1에서 제조한 상기 수화겔을 2차 증류수에 24시간 담그고 여러 번 2차 증류수를 갈아주어 미반응한 단량체를 제거하였다. 상기 수화겔을 산화바나듐 전구체 수용액에서 24시간동안 팽윤시켰다. 상기 산화바나듐 전구체 수용액에서 팽윤된 수화겔을 80℃의 오븐에서 12시간동안 열처리 한 후, 머플 가마에서 300℃로 6시간동안 가열하여 소성 후 최종물질인 짙은 검은색의 고체 0.328g의 양극활물질을 얻었다.
First, the hydrogel prepared in 3-1 was immersed in the secondary distilled water for 24 hours, and the secondary distilled water was changed several times to remove the unreacted monomer. The hydrogel was swelled in an aqueous vanadium oxide precursor solution for 24 hours. The hydrogel swollen in the vanadium oxide precursor aqueous solution was heat-treated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and then heated in a muffle furnace at 300 ° C. for 6 hours to be fired to obtain 0.328 g of a cathode active material as a dark black solid .

<비교예> 산화바나듐 양극활물질 제조<Comparative Example> Production of vanadium oxide cathode active material

앞서 제조된 산화바나듐 전구체 수용액에 수화겔을 이용하지 않고, 바로 80℃의 오븐에서 12시간동안 열처리 한 후, 머플 가마에서 300℃로 6시간동안 가열하여 소성 후 최종물질인 산화바나듐 양극활물질을 제조하였다.
The vanadium oxide precursor aqueous solution prepared above was heat treated in an oven at 80 ° C for 12 hours without using a hydrogel, and then heated in a muffle furnace at 300 ° C for 6 hours to obtain a final vanadium oxide cathode active material .

본 발명의 실시예 1을 통해 생성된 상기 수화겔을 이용한 양극활물질과, 비교예에서 생성된 상기 산화바나듐 양극활물질을 X-선 회절(XRD)분석 하였고, 그 결과 그래프를 도 4에 나타내었다. X-ray diffraction (XRD) analysis of the cathode active material using the hydrogel produced in Example 1 of the present invention and the vanadium oxide cathode active material produced in Comparative Example was performed and the graph is shown in FIG.

도 4에서 보는 바와 같이, 상기 수화겔을 이용한 양극활물질이 전구체에서 바로 소성한 상기 산화바나듐 양극활물질과 같은 결정구조를 가지고 있음을 확인 할 수 있다. 따라서 본 발명의 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법은 양극활물질의 결정 구조를 변형시키지 않으며, 간소화 된 제조공정으로 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질을 합성시킬 수 있음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 4, it can be confirmed that the cathode active material using the hydrogel has the same crystal structure as the vanadium oxide cathode active material immediately fired in the precursor. Therefore, it can be confirmed that the method of preparing the cathode active material using the hydrogel of the present invention does not modify the crystal structure of the cathode active material, and can synthesize the cathode active material coated with the carbon layer on the surface by the simplified manufacturing process.

본 발명의 실시예 1을 통해 생성된 상기 수화겔을 이용한 양극활물질의 전기화학적 성능을 검사하기 위해 충전/방전 시험을 실시하였으며, 그 결과 그래프를 도 5에 나타내었다. A charge / discharge test was conducted to examine the electrochemical performance of the positive electrode active material using the hydrogel produced through Example 1 of the present invention, and the graph is shown in FIG.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 수화겔을 이용한 양극활물질은 기존에 알려진 바와 같이 리튬이 이동하는 구간을 의미하는 평탄 구간을 보이며 방전하는 경향이 관찰되었고, 초기 방전 용량이 331 mAh/g 까지 증가하는 현상이 관찰되어 본 발명에 따른 수화겔을 이용한 양극활물질의 그 충/방전 용량이 현저히 개선된 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 5, the positive electrode active material using the hydrogel according to the present invention exhibited a flat interval indicating a period in which lithium moved, and the discharge tended to be discharged. The initial discharge capacity increased to 331 mAh / g And the charge / discharge capacity of the positive electrode active material using the hydrogel according to the present invention was remarkably improved.

따라서 본 발명의 수화겔을 이용한 양극활물질의 초기용량은 기존에 알려진 나노 구조화 혹은 나노 선 형태로 합성된 양극활물질의 초기 방전 용량과 비교 가능한 수치일 뿐만 아니라, 제조공정이 현저히 줄어들어 그 작업성이 현저히 향상된 양극활물질임을 확인할 수 있었다. Therefore, the initial capacity of the cathode active material using the hydrogel according to the present invention is not only a numerical value comparable to the initial discharge capacity of the cathode active material synthesized in the conventional nanostructured or nanosized form, but also remarkably reduced the manufacturing process It can be confirmed that it is a cathode active material.

Claims (10)

망상 구조를 가지는 수화겔을 제조하는 제1단계;
양극활물질 전구체 수용액을 제조하는 제2단계;
상기 수화겔을 상기 양극활물질 전구체 수용액에서 팽윤시키는 제3단계; 및
상기 양극활물질 전구체 수용액을 흡수한 상기 수화겔을 소성하여 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질을 얻는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
A first step of preparing a hydrogel having a network structure;
A second step of preparing an aqueous solution of a precursor of a cathode active material;
A third step of swelling the hydrogel in the aqueous solution of the precursor of the cathode active material; And
And a fourth step of firing the hydrogel having absorbed the aqueous solution of the cathode active material to obtain a cathode active material coated with a carbon layer on the surface thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 수화겔은 수소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogel is composed of hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen.
제 1 항에 있어서,
상기 수화겔은 아미드계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아크릴레이트계 단량체 및 에스테르계 단량체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 공중합하여 가교시킨 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogel is crosslinked by copolymerizing one or more selected from among an amide-based monomer, an acrylamide-based monomer, an acrylate-based monomer and an ester-based monomer.
제 1 항에 있어서,
상기 수화겔은 가교도가 0.01% 내지 10% 인 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogel has a degree of crosslinking of 0.01% to 10%.
제 1 항에 있어서,
상기 양극활물질 전구체는 Li, Zn, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, V, Ti, Cr 및 이들의 금속염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode active material precursor is one or a mixture of two or more selected from the group consisting of Li, Zn, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, V, Ti, Cr and metal salts thereof. A method for producing a cathode active material.
제 1 항에 있어서,
상기 소성은 150~400℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the firing is performed at a temperature of 150 to 400 ° C.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소층의 두께가 2 내지 30 nm 인 것을 특징으로 하는, 수화겔을 이용한 양극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon layer has a thickness of 2 to 30 nm.
양극활물질 표면에 탄소층이 코팅되고,
상기 탄소층은, 아미드계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아크릴레이트계 단량체 및 에스테르계 단량체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 공중합하여 형성된 수화겔의 가열분해물인 것을 특징으로 하며,
상기 양극활물질은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는, 표면에 탄소층이 코팅된 양극활물질.
A carbon layer is coated on the surface of the positive electrode active material,
Wherein the carbon layer is a heated hydrolyzate of a hydrogel formed by copolymerizing one or more selected from among an amide-based monomer, an acrylamide-based monomer, an acrylate-based monomer and an ester-based monomer,
The cathode active material according to any one of claims 1 to 7, wherein the cathode active material is coated with a carbon layer on the surface.
삭제delete 제 8 항에 따른 양극활물질을 포함하는 이차전지. A secondary battery comprising the cathode active material according to claim 8.
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