KR101693711B1 - Preparation method of lithium titanium oxide particles coated with carbon and nitrogen, electrode active material and lithium secondary batteries - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬티타늄산화물 및 지방족 아민을 혼합하여 80 내지 120 ℃에서 환류시켜 리튬티타늄산화물 표면에 지방족 아민을 코팅시키는 단계; 상기 혼합물을 원심분리하여 고형분을 얻는 단계; 상기 고형분을 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 고형분을 탄화시키는 단계;를 포함하는 리튬티타늄산화물(Li4Ti5O12) 표면에 지방족 아민 유래의 탄소 코팅층 및 질소 도핑층을 함유하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 복합소재에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing lithium titanium oxide, which comprises mixing lithium titanium oxide and an aliphatic amine and refluxing at 80 to 120 캜 to coat an aliphatic amine on the surface of lithium titanium oxide; Centrifuging the mixture to obtain a solid fraction; Drying said solid matter; And carbonizing the dried solid material to prepare a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material containing a carbon coating layer derived from an aliphatic amine and a nitrogen doped layer on the surface of lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) And a composite material produced by the method.

Description

탄소, 질소 코팅된 리튬티타늄산화물 입자의 제조방법, 전극 활물질 및 리튬이차전지{Preparation method of lithium titanium oxide particles coated with carbon and nitrogen, electrode active material and lithium secondary batteries}[0001] The present invention relates to a method for preparing lithium-titanium oxide particles coated with carbon and nitrogen, an electrode active material and a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬이온 이차전지의 음극재료로 사용되는 리튬티타늄산화물 입자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 코팅 및 질소 도핑이 되어 전도성이 향상된 리튬티타늄산화물 입자의 제조방법, 전극활물질 및 이를 이용하여 제조된 리튬이차전이에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lithium titanium oxide particle used as a cathode material of a lithium ion secondary battery, and more particularly, to a lithium titanium oxide particle having improved conductivity by carbon coating and nitrogen doping, an electrode active material, Lithium secondary battery.

현재 리튬 이차전지는 경량, 소형, 고에너지 밀도의 전지를 실현할 수 있어, 휴대용 전자기기, 전기자동차, 에너지 저장장치 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 일반적으로, 리튬이차전지의 중요한 구성 물질 중 하나인 음극활물질은 탄소, 합금계 또는 Li4Ti5O12 등의 리튬 금속 산화물들이 사용되고 있다. 그러나 탄소재료를 이용한 음극재료는 비가역용량이 클 뿐만 아니라, 초기 충·방전 효율이 낮고, 충·방전이 진행됨에 따라 용량이 감소되는 문제점을 가지고 있다. 합금계 음극물질은 높은 용량을 가진 반면, 충·방전에 따라 큰 부피 변화에 의해 활물질이 금이 가고 결국은 부서지게 된다. 이로 인해 비가역 용량은 증가하고, 충·방전 효율이 낮아지고, 또한 충·방전이 진행됨에 따라 큰 용량감소의 문제점을 가지고 있다. Currently, lithium secondary batteries can realize a lightweight, compact, and high energy density battery and are utilized in various fields such as portable electronic devices, electric vehicles, and energy storage devices. Generally, lithium metal oxides such as carbon, alloy-based, or Li 4 Ti 5 O 12 are used as an anode active material, which is one of important constituent materials of lithium secondary batteries. However, the negative electrode material using the carbon material has a problem that the irreversible capacity is large, the initial charge / discharge efficiency is low, and the capacity decreases as the charge / discharge progresses. The alloy cathode material has a high capacity, but the active material is cracked and eventually broken due to a large volume change depending on charge and discharge. As a result, the irreversible capacity increases, the charge / discharge efficiency decreases, and the capacity of the battery decreases as the charge / discharge progresses.

리튬티타늄산화물은 스피넬 구조로서, 용량이 175 mAh/g 정도이고, 전위가 1.5V(Li+/Li)로 탄소에 비해 높다. 이처럼 작동전압이 높은 Li4Ti5O12는 전해질 분해반응에 의한 음극의 표면 피막이 형성되지 않아 초기 충전 및 방전 사이클의 효율이 거의 100%에 가까우며, 리튬의 삽입/탈리시 결정격자의 차이를 수반하지 않는 제로 스트레인(Zero-Strain)물질이다. 탄소재료와 비교해서 높은 구조적 안정성을 가지고 있고, 합금계에 비해 가격이 저렴하고 합성이 쉬운 장점을 가지고 있다.Lithium titanium oxide has a spinel structure with a capacity of about 175 mAh / g and a potential of 1.5 V (Li + / Li) higher than that of carbon. Li 4 Ti 5 O 12 having such a high operating voltage has an almost 100% efficiency of the initial charge and discharge cycles due to the formation of the surface coating of the cathode due to the decomposition reaction of the electrolyte, and the difference in the crystal lattice upon insertion / Zero-strain material. Compared with carbon materials, it has high structural stability, and it has advantages of low cost and easy synthesis compared with alloy system.

위에 언급한 바와 같이 리튬티타늄산화물은 리튬과 티타늄이 16d 위치에서 산소와 함께 팔면체(Octahedral)를 형성하고, 나머지 리튬은 8a 위치에서 사면체(tetrahedral)을 형성하고 있는 스피넬 구조이다. 리튬이 삽입되는 확산 경로는 8a-16c-8a 순으로 이동하게 되는데, 그 이유는 리튬이 삽입되면 8a 위치를 점유하게 된다. 8a와 16c 위치 사이의 거리는 1.81 Å로 매우 가까워 쿨롱 반발력이 작용되게 되는데, 이로 인하여 8a 위치에 있던 리튬은 16c 위치로 서서히 이동하며, 이에 따라 리튬티타늄산화물은 암염구조(rock salt structure)로 변한다. 그 후 리튬이 계속해서 삽입되게 되면 빈 8a 위치에 서서히 리튬이 채워진다. 이러한 이유에 의해 반응 초기와 반응 말기 외에는 Li4Ti5O12, Li7Ti5O12가 공존하게 되는데 반응 전의 Li4Ti5O12는 전기 전도도가 약 10-8 S/cm로 매우 낮고, 반응 후의 Li7Ti5O12는 8a에서 16c 위치로 리튬의 전이가 일어나 전자 전도 경로가 확보되어 전기전도도가 10-2 S/cm 이상으로 증가된다. 이처럼 Li4Ti5O12가 낮은 전기 전도도를 가지는 이유는 Ti4 +가 [Ar]3d0의 전자 배열을 가지고 있기 때문인데, 이는 고출력 특성을 저해하고, 고전류 밀도에서의 충·방전에 악영향을 미치게 된다.As mentioned above, the lithium titanium oxide is a spinel structure in which lithium and titanium form an octahedral with oxygen at the 16d position and the remaining lithium forms a tetrahedral at the 8a position. The diffusion path through which lithium is inserted is moved in the order of 8a-16c-8a, because when lithium is inserted, it occupies the 8a position. The distance between positions 8a and 16c is very close to 1.81 Å, which causes Coulomb repulsion, which causes the lithium at position 8a to slowly move to position 16c, which changes the lithium-titanium oxide into a rock salt structure. Thereafter, when lithium is continuously inserted, lithium is gradually filled in the empty space 8a. Except for the beginning and the end of the reaction the reaction by this reason Li 4 Ti 5 O 12, Li 7 Ti 5 O 12, there is to the co-existence prior to reaction Li 4 Ti 5 O 12 is very low and the electric conductivity of about 10-8 S / cm, After the reaction, Li 7 Ti 5 O 12 transfers lithium from position 8a to position 16c, ensuring the electron conduction path and increasing the electrical conductivity to 10-2 S / cm or more. The reason why Li 4 Ti 5 O 12 has a low electric conductivity is because Ti 4 + has an electronic arrangement of [Ar] 3dO, which hinders high output characteristics and adversely affects charging and discharging at high current density do.

특허문헌 1. 한국등록특허 제1244417호Patent Document 1. Korean Patent No. 1244417 특허문헌 2. 한국등록특허 제1323780호Patent Document 2. Korean Patent No. 1323780 특허문헌 3. 한국등록특허 제1278832호Patent Document 3. Korean Patent No. 1278832

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이차전지 또는 커패시터의 음극물질로 사용할 수 있으며, 전기화학적 성질이 향상된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material, which can be used as a negative electrode material of a secondary battery or a capacitor and has improved electrochemical properties.

가 발명은 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 함유하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 제공한다. The present invention provides a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material containing a carbon coating layer and nitrogen doping on the surface of lithium titanium oxide.

본 발명에 의하면, 상기 리튬티타늄산화물은 Li4Ti5O12일 수 있으며 입자의 크기가 0.01 내지 50 ㎛일 수 있다. According to the present invention, the lithium titanium oxide may be Li 4 Ti 5 O 12 and the particle size may be 0.01 to 50 μm.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑은 분자 내에 질소 및 탄소를 함유하는 1 분자 소스에서 유래된 것일 수 있으며, 바람직하게는 지방족 아민에서 유래된 것일 수 있다. According to the present invention, the carbon coating layer and the nitrogen doping may be derived from a single-molecule source containing nitrogen and carbon in the molecule, and may preferably be derived from an aliphatic amine.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑층은 두께의 합이 1 내지 50 nm일 수 있으며, According to the present invention, the total thickness of the carbon coating layer and the nitrogen doping layer may be 1 to 50 nm,

탄소 코팅층 및 질소 도핑 전체 100 원자량%에 대하여, 탄소가 70 내지 99.5 원자량% 및 질소가 0.5 내지 30원자량%로 함유될 수 있다. The carbon coating layer and the nitrogen doping can be contained in an amount of 70 to 99.5 atomic% of carbon and 0.5 to 30 atomic% of nitrogen, based on the total 100 atomic mass%.

본 발명에 의하면, 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재 전체 기준으로 탄소 코팅층 및 질소 도핑의 합이 1 내지 20 중량%로 함유될 수 있다. According to the present invention, the sum of the carbon coating layer and nitrogen doping may be 1 to 20% by weight based on the entire lithium-titanium oxide-carbon-nitrogen composite material.

본 발명에 따른 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 함유하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재는 하기 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. The lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material containing the carbon coating layer and the nitrogen doping on the surface of the lithium titanium oxide according to the present invention can be produced by a method including the following steps.

(1) 리튬티타늄산화물에 탄소 소스 및 질소 소스를 공급하고, 80 내지 120 ℃에서 환류시켜 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 형성시키는 단계; 및 (1) supplying carbon source and nitrogen source to lithium titanium oxide and refluxing at 80 to 120 캜 to form a carbon coating layer and nitrogen doping on the surface of lithium titanium oxide; And

(2) 탄화시키는 단계.(2) Carburizing step.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 서로 동일할 수 있다. According to the present invention, the carbon source and the nitrogen source may be the same.

상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 동일하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 분자 내에 질소 및 탄소를 함유하는 지방족 아민 또는 방향족 아민일 수 있다. If the carbon source and the nitrogen source are identical to each other, the carbon source and the nitrogen source may be aliphatic amines or aromatic amines containing nitrogen and carbon in the molecule.

상기 지방족 아민은 에틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, The aliphatic amine may be selected from ethylenediamine, hexamethylenediamine, diethylenetriamine, and mixtures of two or more thereof,

상기 방향족 아민은 아닐린, 벤젠디아민 및 이들 혼합물 중에서 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The aromatic amine may be selected from aniline, benzene diamine, and mixtures thereof, but is not limited thereto.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 서로 상이할 수 있다. Further, according to the present invention, the carbon source and the nitrogen source may be different from each other.

상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 상이하면, 상기 탄소 소스는 아가로스, 수크로스, 글루코스, 피치 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 질소 소스는 암모니아일 수 있다. If the carbon source and the nitrogen source are different from each other, the carbon source may be selected from agarose, sucrose, glucose, pitch, and a mixture of two or more thereof, and the nitrogen source may be ammonia.

본 발명에 의하면, 상기 (1) 단계는 리튬티타늄산화물 1 중량부에 대하여 탄소 소스 30 내지 200 중량부 및 질소 소스 10 내지 50 중량부를 공급하여 수행될 수 있으며, According to the present invention, the step (1) may be performed by supplying 30 to 200 parts by weight of a carbon source and 10 to 50 parts by weight of a nitrogen source to 1 part by weight of lithium titanium oxide,

상기 (2) 단계의 탄화는 450 내지 600 ℃에서 3 내지 6시간 동안 수행함으로써 리튬티타늄산화물 표면에 코팅된 탄소 성분이 연소하지 않도록 탄화시킨 것일 수 있다.The carbonization in the step (2) may be carried out at 450 to 600 ° C for 3 to 6 hours to carbonize the carbon component coated on the surface of the lithium titanium oxide so as not to burn.

한편, 본 발명에 따른 리튬티타늄산화물은 하기 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다. On the other hand, the lithium titanium oxide according to the present invention may be one produced by a manufacturing method comprising the following steps.

리튬하이드록사이드, 티타늄옥사이드 및 분산제를 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계;Dispersing lithium hydroxide, titanium oxide and a dispersant in a solvent to prepare a slurry;

상기 슬러리를 200 내지 300℃ 및 2 내지 4 kg/cm2에서 분무 건조하는 단계;Spray-drying the slurry at 200 to 300 ° C and 2 to 4 kg / cm 2 ;

상기 분무건조된 혼합물을 700 내지 1200 ℃에서 하소하는 단계.Calcining the spray-dried mixture at 700 to 1200 占 폚.

본 발명에 의하면, 상기 리튬티타늄산화물은 입자의 크기가 0.01 내지 50 ㎛일 수 있다.According to the present invention, the lithium titanium oxide may have a particle size of 0.01 to 50 탆.

본 발명에 의하면, 상기 리튬티타늄산화물 입자는 리튬하이드록사이드 4 몰에 대하여 티타늄옥사이드 5 몰로 함유될 수 있다.According to the present invention, the lithium titanium oxide particles may be contained in 5 moles of titanium oxide with respect to 4 moles of lithium hydroxide.

본 발명에 의하면 상기 분산제는 에탄올, 고분자형 계면활성제(KD-6), N-메틸피롤리돈 및 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 중에서 선택되는 1종 이상이며, 티타늄옥사이드 100 중량부에 대하여 상기 분산제가 2 내지 10 중량부로 함유되는 것일 수 있다.According to the present invention, the dispersing agent is at least one selected from the group consisting of ethanol, a high-molecular surfactant (KD-6), N-methylpyrrolidone and polyvinylpyrrolidone, The dispersant may be contained in an amount of 2 to 10 parts by weight.

본 발명에 의하면 상기 리튬티타늄산화물은 Li4Ti5O12 일 수 있다.According to the present invention, the lithium titanium oxide may be Li 4 Ti 5 O 12 .

본 발명에 의하면 상기 용매는 물일 수 있다.According to the present invention, the solvent may be water.

또한, 본 발명에 따른 리튬티타늄산화물(Li4Ti5O12) 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 함유하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재는 리튬이온 2차 전지 또는 커패시터용 리튬산화물 전극재료로 이용될 수 있다. Further, the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material containing a carbon coating layer and nitrogen doping on the surface of lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) according to the present invention may be used as a lithium ion secondary electrode material for a lithium ion secondary battery or a capacitor Can be used.

본 발명에 따른 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재는 분무 건조 방식으로 제작한 리튬티타늄산화물에 환류법을 이용하여 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 형성시켜 제조된 것으로, 상기 복합소재를 함유하는 전극은 전극의 전기전도도가 향상되어 높은 전류 밀도에서도 충/방전 사이클 수명특성 및 고율특성이 우수하고, 고에너지를 나타내므로 리튬이차전지 및 커패시터의 음극재료로 유용하게 이용될 수 있다. The lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material according to the present invention is manufactured by forming a carbon coating layer and nitrogen doping on lithium titanium oxide prepared by a spray drying method using a reflux method, Discharge cycle lifetime characteristics and high-rate characteristics even at a high current density, and exhibits high energy, and thus can be effectively used as a negative electrode material for a lithium secondary battery and a capacitor.

도 1는 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 X-선 광전자 분광법(XPS; X-Ray Photoelectron Spectroscopy)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재가 탄화과정에서 구조의 변형이 있는지를 확인하기 위하여 X-선 회절 분석법(X-ray diffraction)으로 촬영한 그래프이다[a) 실시예 1; b) 비교예 1; c) Li4Ti5O12].
도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 1, 2로부터 제조된 리튬 이차전지의 상온에서의 율특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material according to Example 1 of the present invention.
2 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material according to Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a graph of X-ray diffraction of lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material according to Example 1 of the present invention to determine whether there is a structural change during carbonization a) Example 1; b) Comparative Example 1; c) Li 4 Ti 5 O 12 ].
4 is a graph showing the rate characteristics at room temperature of a lithium secondary battery manufactured from Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 이차전지 또는 커패시터의 음극 물질로 사용하기 위한 음극활물질에 관한 것으로 종래의 리튬티타늄산화물(Li4Ti5O12)의 낮은 전기전도도 문제를 해결한 새로운 음극소재에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode active material for use as a negative electrode material of a secondary battery or a capacitor, and relates to a new negative electrode material which solves the problem of low electrical conductivity of a conventional lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ).

본 발명은 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 함유하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 제공한다.The present invention provides a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material containing a carbon coating layer and nitrogen doping on the surface of lithium titanium oxide.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑은 탄소 소스 및 질소 소스를 이용하여 코팅 및 도핑된 것일 수 있는데, According to the present invention, the carbon coating layer and the nitrogen doping may be coated and doped using a carbon source and a nitrogen source,

상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 각각 분자 내에 질소 및 탄소를 모두 함유하는 것으로 서로 동일한 화합물일 수도 있지만, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 상이한 화합물일 수도 있다.The carbon source and the nitrogen source may be the same compound each containing both nitrogen and carbon in the molecule, but the carbon source and the nitrogen source may be different from each other.

구체적으로 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 동일하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 분자 내에 질소 및 탄소를 함유하는 지방족 아민 또는 방향족 아민일 수 있는데, 상기 지방족 아민은 에틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 방향족 아민은 아닐린, 벤젠디아민 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다. Specifically, when the carbon source and the nitrogen source are the same, the carbon source and the nitrogen source may be an aliphatic amine or an aromatic amine containing nitrogen and carbon in the molecule, and the aliphatic amine may be ethylenediamine, hexamethylenediamine, Diethylene triamine, and mixtures of two or more thereof, and the aromatic amine may be selected from aniline, benzene diamine, and mixtures thereof.

한편, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 상이하면, 상기 탄소 소스는 아가로스, 수크로스, 글루코스, 피치 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 질소 소스는 암모니아일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. On the other hand, when the carbon source and the nitrogen source are different from each other, the carbon source may be selected from agarose, sucrose, glucose, pitch, and a mixture of two or more thereof. The nitrogen source may be ammonia, It is not.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑은 바람직하게는 분자 내에 탄소 및 질소를 모두 함유하는 1분자 소스에서 유래된 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 지방족 아민으로부터 유래된 것일 수 있다.According to the present invention, the carbon coating layer and nitrogen doping may be derived from a single-molecule source which preferably contains both carbon and nitrogen in the molecule, and more preferably may be derived from an aliphatic amine.

탄소 코팅층 및 질소 도핑은 분자 내에 탄소 및 질소를 모두 함유하는 1분자 소스에서 유래된 경우에는 2분자 소스(탄소 소스와 질소 소스가 서로 상이한 경우의 소스)보다 질소의 분산성이 우수하므로 전도성이 향상되어 바람직하다. 특히, 상기 1분자 소스가 지방족 아민인 경우에는 방향족 아민보다 전도성이 우수할 뿐만아니라 전극의 내구성을 향상시킬 수 있다. The carbon coating layer and the nitrogen doping are superior to the two-molecule source (source when the carbon source and the nitrogen source are different from each other) when derived from a single-molecule source containing both carbon and nitrogen in the molecule, . In particular, when the one-molecular source is an aliphatic amine, not only the aromatic amine has better conductivity but also the durability of the electrode can be improved.

본 발명에 의하면 상기 리튬티타늄산화물은 Li4Ti5O12일 수 있으며, 입자의 크기가 0.01 내지 50 ㎛일 수 있다.According to the present invention, the lithium titanium oxide may be Li 4 Ti 5 O 12 , and the particle size may be 0.01 to 50 μm.

또한, 상기 리튬티타늄산화물 표면에 형성된 탄소 코팅층 및 질소 도핑은 두께가 1 내지 50 nm일 수 있는데, 상기 범위 하한치 미만이면 이온 전도도를 높이기 어려우며, 상기 범위 상한치 초과이면 비표면적이 작아져 전해액과의 접촉면적이 작아지고 리튬이온의 이동을 방해할 수 있다.The carbon coating layer and nitrogen doping formed on the surface of the lithium titanium oxide may have a thickness of 1 to 50 nm. If the thickness is less than the lower limit, it is difficult to increase the ion conductivity. If the upper limit of the range is exceeded, the specific surface area becomes small, The area is reduced and the movement of lithium ions can be prevented.

상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑 전체 100 원자량%에 대하여 탄소가 70 내지 99.5 원자량% 및 질소가 0.5 내지 30 원자량%로 함유될 수 있다.The carbon coating layer and the nitrogen doping may contain carbon in an amount of 70 to 99.5 atomic% and nitrogen in an amount of 0.5 to 30 atomic% based on 100 atomic% of the total.

상기 탄소의 코팅은 리튬티타늄산화물을 함유한 전극의 전류용량과 충방전 사이클의 안정성을 향상시키므로 바람직하다. The coating of carbon is preferable because it improves the current capacity of the electrode containing lithium-titanium oxide and the stability of the charge-discharge cycle.

한편, 리튬티타늄산화물 Li4Ti5O12는 Ti4 +가 [Ar]3d0의 전자배열을 가지고 있기 때문에 낮은 전기전도도를 나타낸다. 본 발명에 따른 질소 도핑은 상기 Ti4 +를 Ti3+로 바꾸어 [Ar]3d1의 전자배열을 가지도록 하며, 하나의 자유전자를 가지도록 한다. 질소 도핑에 의해 하나의 자유전자가 생성된 Li4Ti5O12는 높은 전도성을 나타내므로 바람직하다. 상기 질소의 함량이 상기범위를 벗어나면, 질소 도핑에 의한 리튬티타늄산화물의 전도성 향상을 기대하기 어렵다.On the other hand, the lithium titanium oxide Li 4 Ti 5 O 12 denotes a low electrical conductivity because the Ti 4 + have the electron configuration of the [Ar] 3d 0. The nitrogen doping in accordance with the invention is to have an electron configuration of the [Ar] 3d 1 replacing the Ti 4 + to Ti 3+, and to have a free electron. Li 4 Ti 5 O 12 in which one free electron is generated by nitrogen doping is preferable because it exhibits high conductivity. If the content of nitrogen is out of the above range, it is difficult to expect improvement of conductivity of lithium titanium oxide by nitrogen doping.

또한, 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재 전체 기준으로 탄소 코팅층 및 질소 도핑의 합이 1 내지 20 중량%로 함유될 수 있고, In addition, the total amount of the carbon coating layer and the nitrogen doping may be 1 to 20 wt% based on the total amount of the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material,

상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑층 전체 100 원자량%에 대해서는 탄소가 70 내지 99.5 원자량% 및 질소가 0.5 내지 30 원자량%로 함유될 수 있다.The carbon coating layer and the nitrogen doping layer may contain 70 to 99.5 atom% of carbon and 0.5 to 30 atom% of nitrogen relative to 100 atom% of the total amount of the carbon coating layer and the nitrogen doping layer.

본 발명에 의하면, 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재 전체 기준으로 상기 탄소 코팅층 및 질소 도핑의 합이 상기 범위 미만으로 함유되는 경우에는 전극의 전류용량 향상과 충방전 사이클의 안정성을 기대하기 어려우며, 상기 범위를 초과하여 함유되는 경우에는 이온이 이동할 수 있는 경로(path)가 소실되어 전기 전도도와 전류용량이 저하되며, 충방전 사이클 수명이 짧아져 효율성이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다. 탄소 코팅층 및 질소 도핑의 합이 상기 범위로 함유되는 경우 전자와 이온이 같이 이동할 수 있어, 전기전도도가 크게 향상되고 전류용량이 증가되며, 반복되는 충방전에도 특성이 유지될 수 있으므로 바람직하다.According to the present invention, when the sum of the carbon coating layer and the nitrogen doping is less than the above range based on the entire lithium-titanium oxide-carbon-nitrogen composite material, it is difficult to expect the improvement of the current capacity of the electrode and the stability of the charge- If it is contained in an amount exceeding the above range, the path through which the ions can move is lost, and the electric conductivity and the current capacity are lowered, and the life of the charge and discharge cycle is shortened and the efficiency is lowered. When the sum of the carbon coating layer and the nitrogen doping is within the above range, electrons and ions can move together, which is preferable because the electrical conductivity is greatly improved, the current capacity is increased, and the characteristics can be maintained even in repeated charge and discharge.

다음으로, 상기 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재는 하기 단계를 포함하여 수행함으로써 제조될 수 있다. Next, the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material can be produced by carrying out the following steps.

(1) 리튬티타늄산화물에 탄소 소스 및 질소 소스를 공급하고, 80 내지 120 ℃에서 환류시켜 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 형성시키는 단계; 및(1) supplying carbon source and nitrogen source to lithium titanium oxide and refluxing at 80 to 120 캜 to form a carbon coating layer and nitrogen doping on the surface of lithium titanium oxide; And

(2) 탄화시키는 단계.(2) Carburizing step.

본 발명에 의하면, 상기 (2) 단계의 탄화를 위하여 (1) 단계의 반응혼합물을 원심분리하여 고형분을 얻은 뒤, 상기 얻어진 고형분을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. According to the present invention, for the carbonization in the step (2), the reaction mixture of the step (1) may be centrifuged to obtain a solid component, and then the obtained solid component may be dried.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 서로 동일하거나 상이한 것으로, According to the present invention, the carbon source and the nitrogen source are the same or different from each other,

상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 동일하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스는 분자 내에 질소 및 탄소를 함유하는 지방족 아민 또는 방향족 아민일 수 있는데, 구체적으로, 상기 지방족 아민은 에틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 방향족 아민은 아닐린, 벤젠디아민 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.When the carbon source and the nitrogen source are the same, the carbon source and the nitrogen source may be an aliphatic amine or an aromatic amine containing nitrogen and carbon in the molecule. Specifically, the aliphatic amine may be ethylenediamine, hexamethylenediamine , Diethylenetriamine, and mixtures of two or more thereof, and the aromatic amine may be selected from aniline, benzene diamine, and mixtures thereof.

상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 상이하면, 상기 탄소 소스는 아가로스, 수크로스, 글루코스, 피치 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 질소 소스는 암모니아일 수 있다. If the carbon source and the nitrogen source are different from each other, the carbon source may be selected from agarose, sucrose, glucose, pitch, and a mixture of two or more thereof, and the nitrogen source may be ammonia.

본 발명에 의하면, 상기 탄소 소스 및 상기 질소 소스가 서로 동일한 것이 탄소 소스 및 질소 소스가 서로 상이한 경우보다 공정이 단순하고, 수율이 우수하다. 또한 탄소 코팅층에 질소가 편중되지 않고 잘 분산될 수 있으므로 최종 생성되는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 전도성이 우수하여 바람직하다. 특히, 지방족 아민인 것이 전극의 내구성이 향상되고, 전도성이 좀더 우수한 특성을 나타내므로 더욱 바람직하다. According to the present invention, the carbon source and the nitrogen source are identical to each other, and the process is simpler than the case where the carbon source and the nitrogen source are different from each other, and the yield is excellent. In addition, since nitrogen is not biased to the carbon coating layer and can be dispersed well, the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material finally produced is excellent in conductivity. Particularly, an aliphatic amine is more preferable because the durability of the electrode is improved and the conductivity is more excellent.

본 발명에 의하면, 리튬티타늄산화물 1 중량부에 대하여 탄소 소스 30 내지 200 중량부 및 질소 소스 10 내지 50 중량부를 공급될 수 있으며, According to the present invention, 30 to 200 parts by weight of a carbon source and 10 to 50 parts by weight of a nitrogen source may be supplied to 1 part by weight of lithium titanium oxide,

또는 지방족 아민 또는 방향족 아민이 리튬티타늄산화물 1 중량부에 대하여 지방족 아민 40 내지 200 중량부로 혼합될 수 있는데, 상기 범위 미만이면, 리튬티타늄산화물 표면에 형성되는 지방족 아민 또는 방향족 아민 코팅층이 너무 얇아 이온전도도를 높이기 어려우며, 상기 범위를 초과하면 코팅층이 너무 두꺼워져 탄소 코팅 및 질소 도핑층의 두께가 두꺼워지며, 리튬이온의 이동을 방해할 수 있어 전도성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.Or an aliphatic amine or an aromatic amine may be mixed with 40 to 200 parts by weight of an aliphatic amine per 1 part by weight of the lithium titanium oxide. If the amount is less than the above range, the aliphatic amine or aromatic amine coating layer formed on the lithium titanium oxide surface is too thin, If it exceeds the above range, the coating layer becomes too thick, the thickness of the carbon coating and the nitrogen doping layer becomes thick, the movement of lithium ions may be disturbed, and the conductivity may be deteriorated.

본 발명에 의하면 상기 환류는 12 내지 24시간 동안 공기분위기 하에서 수행될 수 있는데, 상기와 같은 방법으로 환류하면 지방족 아민 또는 방향족 아민이 농축되어 리튬티타늄산화물의 표면에 용이하게 부착될 수 있다.According to the present invention, the reflux can be performed in an air atmosphere for 12 to 24 hours. When refluxing in the same manner as described above, the aliphatic amine or the aromatic amine is concentrated and can be easily attached to the surface of the lithium titanium oxide.

반면, 탄소 소스 및 질소 소스가 서로 상이한 경우에는 외부 공기를 차단하는 것이 질소 소스가 공기 중으로 손실되지 않으므로 바람직하다. On the other hand, when the carbon source and the nitrogen source are different from each other, it is preferable to block the outside air because the nitrogen source is not lost to the air.

본 발명에 의하면 상기 원심분리는 4000 내지 6000 rpm에서 5 내지 30분간 수행하는 것일 수 있다. 이렇게 해서 얻어진 고형분은 60 내지 80 ℃의 공기 분위기에서 12 내지 24 시간 동안 건조시키고, 건조가 완료된 후, 450 내지 600 ℃에서 3 내지 6시간 동안 탄소 성분이 연소하지 않도록 주의하면서 하소하여 탄화시킨다.According to the present invention, the centrifugation may be performed at 4000 to 6000 rpm for 5 to 30 minutes. The solid content thus obtained is dried in an air atmosphere at 60 to 80 占 폚 for 12 to 24 hours and then calcined by calcination taking care not to burn carbon components at 450 to 600 占 폚 for 3 to 6 hours after drying is completed.

본 발명에 따른 상기 '환류'는 종래의 고상법 또는 졸-겔 합성법과는 달리, 낮은 온도에서도 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅과 질소 도핑을 한번에 형성시킬 수 있으므로, 공정이 간단하고, 경제적이다.Unlike the conventional solid phase method or sol-gel synthesis method, the 'reflux' according to the present invention can form carbon coating and nitrogen doping on the surface of lithium titanium oxide at low temperatures at one time, so that the process is simple and economical.

다음으로 상기 리튬티타늄산화물은 하기 단계를 포함하여 수행함으로써 제조될 수 있다.Next, the lithium titanium oxide can be produced by carrying out the following steps.

리튬하이드록사이드, 티타늄옥사이드 및 분산제를 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계;Dispersing lithium hydroxide, titanium oxide and a dispersant in a solvent to prepare a slurry;

상기 슬러리를 200 내지 300℃ 및 2 내지 4 kg/cm2에서 분무 건조하는 단계;Spray-drying the slurry at 200 to 300 ° C and 2 to 4 kg / cm 2 ;

상기 분무건조된 혼합물을 700 내지 1200 ℃에서 하소하는 단계.Calcining the spray-dried mixture at 700 to 1200 占 폚.

본 발명에 의하면 상기 리튬티타늄산화물은 리튬하이드록사이드(LiOH) 4 몰에 대하여 티타늄옥사이드(TiO2) 5 몰로 함유될 수 있고, 상기 분산제는 에탄올, 고분자형 계면활성제(KD-6), N-메틸피롤리돈 및 폴리비닐피롤리돈 중에서 선택되는 1종 이상이며, 티타늄옥사이드 100 중량부에 대하여 분산제 2 내지 10 중량부로 함유될 수 있으며, 상기 용매는 물일 수 있다.According to the present invention, the lithium titanium oxide may be contained in an amount of 5 moles of titanium oxide (TiO 2 ) relative to 4 moles of lithium hydroxide (LiOH), and the dispersant may be ethanol, a polymer type surfactant (KD-6) Methylpyrrolidone, and polyvinylpyrrolidone, and may be contained in an amount of 2 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the titanium oxide, and the solvent may be water.

상기 분산은 통상의 리튬티타늄산화물을 제조하는 과정에서 사용되는 분산 방법이면 제한은 없으며 예를 들어 볼 분쇄기(ball mill)을 이용하여 150 내지 500 rpm으로 3 내지 12 시간 동안 분쇄함으로써 이루어질 수 있다.The dispersion is not particularly limited as long as it is a dispersion method used in the process of producing lithium titanium oxide. For example, the dispersion may be performed by ball milling at 150 to 500 rpm for 3 to 12 hours.

다음으로 상기 제조된 슬러리는 200 내지 300℃ 및 2 내지 4 kg/cm2 에서 분무 건조 방식을 이용하여 건조시킬 수 있다. 상기 건조된 분말은 공기 분위기 하의 700 내지 1200 ℃에서 6 내지 12 시간 동안 탄화시켜 제조될 수 있다.
Next, the slurry can be dried at 200 to 300 ° C and 2 to 4 kg / cm 2 using a spray drying method. The dried powder can be produced by carbonization at 700 to 1200 ° C under an air atmosphere for 6 to 12 hours.

이하 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예 1. 리튬티타늄산화물의 제조Production Example 1. Preparation of Lithium Titanium Oxide

리튬하이드록사이드(Lithium Hydroxide; LiOH)와 티타늄옥사이드(Titanium Oxide; TiO2)를 4:5 몰 비율로 혼합하고, 분산제(TiO2 양의 5% 중량비)를 함께 증류수에 분산시킨 혼합물을 300 rpm의 볼 분쇄기(Ball mill)를 이용하여 12시간 동안 섞어 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리는 250℃, 3 kg·cm-2에서 분무 건조 방식을 이용하여 건조시킨 후, 공기 분위기 하 900℃에서 12 시간 동안 탄화시켜 리튬티타늄산화물을 제조하였다.
A mixture of lithium hydroxide (LiOH) and titanium oxide (TiO 2 ) in a 4: 5 molar ratio and dispersing agent (5% by weight of the amount of TiO 2 ) (Ball mill) for 12 hours to prepare a slurry. The prepared slurry was dried at 250 ° C. at 3 kg · cm -2 using a spray drying method and then carbonized at 900 ° C. for 12 hours in an air atmosphere to prepare lithium titanium oxide.

실시예 1. 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조Example 1. Preparation of Lithium Titanium Oxide-Carbon-Nitride Composite Material

상기 제조예 1에서 제조된 리튬티타늄산화물 1 중량부에 대하여 지방족 아민 100 중량부를 혼합하여 100 ℃에서 12시간 동안 공기분위기 하에서 환류하며 반응혼합물을 농축시켜 리튬티타늄산화물 표면에 지방족 아민을 코팅하였다. 반응 혼합물을 원심분리하여 지방족 아민이 코팅된 리튬티타늄산화물을 분리하였다. 분리된 물질은 공기분위기 하의 70 ℃에서 12 시간 동안 건조하였고, 건조가 완료된 후, 탄소재가 연소하지 않도록 주의하면서 450 내지 800 ℃에서 3 내지 12 시간 동안 탄화시킴으로써 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 제조하였다. 1 part by weight of the lithium titanium oxide prepared in Preparation Example 1 was mixed with 100 parts by weight of aliphatic amine and refluxed at 100 ° C for 12 hours in an air atmosphere. The reaction mixture was concentrated to coat an aliphatic amine on the surface of the lithium titanium oxide. The reaction mixture was centrifuged to separate an aliphatic amine-coated lithium titanium oxide. The separated material was dried at 70 DEG C for 12 hours in an air atmosphere and carbonized at 450 to 800 DEG C for 3 to 12 hours after the completion of drying, taking care not to burn the carbon material, thereby obtaining a lithium titanium oxide- .

제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재에서 탄소의 함량은 5.9 wt% 이며, 질소는 1.7 wt%로 측정되었다.
In the lithium titanium oxide - carbon - nitrogen composite material, the carbon content was 5.9 wt% and the nitrogen content was 1.7 wt%.

실시예 2. 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 이용한 리튬 전지의 제조Example 2. Preparation of Lithium Battery Using Lithium Titanium Oxide-Carbon-Nitride Composite Material

실시예 1에서 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재와 도전제(Acetylene Black), 결합재(Polyvinylidene Fluoride; PVDF)를 80:10:10의 중량비로 혼합한 후, N-메틸피폴리돈(N-methylpyrrolidone; NMP)를 분산제로 첨가하고, 교반기를 사용하여 균일하게 교반하여 슬러리를 제조하였다.The lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material, the conductive agent (Acetylene Black) and the binder (Polyvinylidene Fluoride) (PVDF) were mixed at a weight ratio of 80:10:10 prepared in Example 1, N-methylpyrrolidone (NMP) as a dispersant, and the mixture was uniformly stirred using a stirrer to prepare a slurry.

상기 슬러리를 구리 포일에 도포한 후, 60 ℃에서 12시간 동안 건조시킨 후, 압연기(Rolling press)를 사용하여 압착하여 전극을 제조하였다. 상기 압착된 전극을 12 Ø로 펀칭한 후, 미세 저울을 사용하여 질량을 측정하고, 도전제, 결합제 및 포일을 제외한 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 질량만을 구하였다. 상기 압착한 전극을 80 ℃의 진공오븐에서 12 시간동안 건조하여 복합전극을 제조하였다. 상기 제조된 전극을 이용하여 단추형 전지(coin cell)을 조립하였고, 상대전극으로 리튬금속을 사용하여 리튬 전지를 제조하였다.
The slurry was applied to a copper foil, dried at 60 DEG C for 12 hours, and compressed using a rolling press to produce an electrode. The squeezed electrode was punched to 12 Ø, and mass was measured using a microbalance, and only the mass of the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite excluding conductive agent, binder and foil was determined. The compressed electrode was dried in a vacuum oven at 80 캜 for 12 hours to prepare a composite electrode. A button cell (coin cell) was fabricated using the electrode thus prepared, and a lithium battery was manufactured using lithium metal as a counter electrode.

비교예 1. Comparative Example 1

실시예 1에서 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재 대신에 제조예 1에서 제조한 리튬티타늄산화물을 이용하여 실시예 2의 방법으로 리튬 전지를 제조하였다.
A lithium battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the lithium titanium oxide prepared in Preparation Example 1 was used instead of the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material prepared in Example 1.

비교예 2.Comparative Example 2

실시예 1에서 최종적으로 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재 대신에 상기 실시예 1의 (가) 단계에서 제조한 리튬티타늄산화물에 피치를 사용하여 탄소가 코팅된 리튬티타늄산화물을 제조한 뒤, 이를 이용하여 실시예 2의 방법으로 리튬 전지를 제조하였다. 탄소의 함량은 5.9 wt%였다.
Instead of the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material finally produced in Example 1, carbon-coated lithium titanium oxide was prepared using the pitch in the lithium titanium oxide prepared in the step (a) of Example 1 , And a lithium battery was produced by the method of Example 2 using the same. The content of carbon was 5.9 wt%.

시험예 1. Test Example 1

본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM)으로 촬영하였으며 이를 하기 도 1에 나타내었다.The lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material prepared according to Example 1 of the present invention was photographed with a transmission electron microscope (TEM), which is shown in FIG.

도 1을 참고로 하면, 리튬티타늄산화물(Li4Ti5O12) 음극 활물질에 약 2 nm의 두께로 탄소가 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 1, it can be confirmed that carbon is uniformly coated on the lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) anode active material to a thickness of about 2 nm.

시험예 2. Test Example 2

본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 X-선 광전자분광법(XPS; X-Ray Photoelectron Spectroscopy)장치로 측정하여 질소 도핑을 확인하였으며, 이를 하기 도 2에 나타내었다. Nitrogen doping was confirmed by measuring the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material prepared according to Example 1 of the present invention using an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) apparatus. .

도 2를 참고로 하면, 상단 그래프인 실시예 1의 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재에서는 질소가 검출되었으나, 하단 그래프인 비교예 1의 리튬티타늄산화물에서는 질소가 검출되지 않는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 2, it can be seen that nitrogen was detected in the lithium-titanium oxide-carbon-nitrogen composite material of Example 1 which is the upper graph, but nitrogen was not detected in the lithium-titanium oxide of Comparative Example 1 in the lower graph.

시험예 3. Test Example 3.

실시예 1에 따라 환류법으로 제조된 탄소 코팅 및 질소 도핑된 리튬티타늄산화물이 비교예의 리튬티타늄산화물과 비교하여 높은 열처리를 통해 물질의 구조가 변형되었는지 확인하기 위하여 X-선 회절분석으로 분석하였으며, 이를 도 3에 나타내었다.The carbon coating and nitrogen-doped lithium titanium oxide prepared by the reflux method according to Example 1 were analyzed by X-ray diffractometry to confirm that the structure of the material was deformed through a high heat treatment as compared with the lithium titanium oxide of the comparative example, This is shown in FIG.

도 3을 참고로 하면, 실시예 1에 따른 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재에서 물질의 구조가 변형되지 않았음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the structure of the material of the lithium-titanium oxide-carbon-nitrogen composite material according to Example 1 was not deformed.

탄소 코팅 및 질소 도핑된 리튬티타늄산화물은 코팅되지 않은 리튬티탄산화물의 결정구조를 높은 환류 온도에도 불구하고 유지되고 있으며, 탄소나 질소가 리튬티타늄산화물과 화학결합하여 다른 결정구조를 형성하지 않고 있음을 확인할 수 있다. 이로써, 코팅되지 않은 리튬티타늄산화물과 같이 리튬이온이 결정구조 내 탈삽일 가능한 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
The carbon coating and the nitrogen-doped lithium titanium oxide show that the crystal structure of the uncoated lithium titanium oxide is maintained despite the high reflux temperature and that carbon or nitrogen does not form another crystal structure by chemical bonding with lithium titanium oxide Can be confirmed. As a result, it can be confirmed that the lithium ion can form a structure that can be de-intercalated in the crystal structure like the lithium-titanium oxide not coated.

시험예 4. Test Example 4.

전압에 따른 전극의 특성을 평가하기 위하여 충/방전 사이클 수에 따른 방전용량을 측정하였다. 실시예 2 및 비교예 1, 2에서 제조한 전극을 반쪽 전지(half cell)의 작업 전극(working electrode)으로 하고, 상대 전극(counter electrode)으로는 리튬 금속을 사용하였으며, 분리막(separator)으로는 전해질이 습윤(wetting)된 폴리프로필렌(polypropylene, PP)을 사용하였다. 전해질로는 1.2 M LiPF6 염이 용해되어 있는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC)가 1:1의 부피비로 구성되어 있는 혼합액을 사용하였다. 제작된 반쪽 전지는 Coin 2032 type으로 제작하였다. 전지조립의 모든 공정은 상대습도와 산소가 항상 0.1 ppm 미만으로 유지되는 Glove box에서 진행하였다.
In order to evaluate the characteristics of the electrode according to the voltage, the discharge capacity according to the number of charging / discharging cycles was measured. The electrode prepared in Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 was used as a working electrode of a half cell and a lithium metal was used as a counter electrode and as a separator, Polypropylene (PP), in which the electrolyte was wetted, was used. As the electrolyte, a mixed solution in which 1.2 M LiPF 6 salt was dissolved in ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1: 1 was used. The fabricated half cell was fabricated with Coin 2032 type. All processes in the cell assembly proceeded in a glove box where relative humidity and oxygen were always kept below 0.1 ppm.

실시예 2에 따른 탄소 코팅 및 질소 도핑된 리튬티타늄산화물을 이용한 전극은 향상된 전기전도도로 인해 1C 인가 전류조건에서 약 180 mAh/g의 높은 방전용량을 나타내었으며, 100회 이상의 충/방전에도 상기 방전용량이 95% 이상 유지되었다. 반면, 비교예 1의 전극은 1C 인가 전류조건에서 약 153 mAh/g의 방전용량을 나타내었으며, 비교예 2의 전극은 약 167 mAh/g의 방전용량을 나타내었고, 100회 이상의 충/방전시 방전용량이 90% 미만으로 유지되었다.
The electrode using the carbon coating and the nitrogen-doped lithium titanium oxide according to Example 2 exhibited a discharge capacity as high as about 180 mAh / g under the condition of 1 C current due to the improved electric conductivity, Capacity was maintained above 95%. On the other hand, the electrode of Comparative Example 1 exhibited a discharge capacity of about 153 mAh / g at a current of 1 C, the discharge capacity of the electrode of Comparative Example 2 was about 167 mAh / g, The discharge capacity was maintained at less than 90%.

시험예 5. Test Example 5

시험예 4와 동일한 방법으로 반쪽 전지를 제조하였다. cut-off voltage를 1.0 V 내지 3.0 V로 하여 율 특성을 측정하였다. 충/방전 전류는 같은 전류의 세기를 사용하였으며, 각 과정을 0.2 C(35 mAh/g), 0.5 C(87.5 mAh/g), 1 C(175 mAh/g), 3 C(525 mAh/g), 5 C(875 mAh/g), 10 C(1750 mAh/g) 및 20 C(3500 mAh/g)로 진행하여 각각 5 cycle씩 진행하였을 때, 방전용량을 확인하였으며, 다시 0.2 C(35 mAh/g)로 진행하여 회복력을 확인하였다. A half cell was prepared in the same manner as in Test Example 4. The cut-off voltage was set to 1.0 V to 3.0 V, and the rate characteristics were measured. The charging and discharging currents were measured using the same current intensity and were measured at 0.2 C (35 mAh / g), 0.5 C (87.5 mAh / g), 1 C ), 5 C (875 mAh / g), 10 C (1750 mAh / g) and 20 C (3500 mAh / g) mAh / g).

도 4를 참고로 하면, 실시예 1의 전극은 1 C 이하에서는 180 mAh/g의 우수한 방전용량을 나타내었으며, 10 C에서도 약 150 mAh/g의 방전용량을 나타내었다. 반면, 비교예 1의 전극은 1 C에서 약 150 mAh/g의 방전용량을 나타내었으며, 20 C에서는 80 mAh/g로 크게 저하되는 것을 확인하였다. 한편 비교예 2의 전극은 1 C에서 약 167 mAh/g, 5 C에서 약 155mAh/g 및 20 C에서 약 120 mAh/g의 방전용량을 나타내어 본 발명에 따른 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재가 탄소 코팅 및 질소 도핑에 의해 전도성 등 전기화학적 특성이 향상되었음을 확인하였다. Referring to FIG. 4, the electrode of Example 1 showed an excellent discharge capacity of 180 mAh / g at 1 C or lower, and a discharge capacity of about 150 mAh / g even at 10 C. On the other hand, the discharge capacity of the electrode of Comparative Example 1 was about 150 mAh / g at 1 C, and it was greatly reduced to 80 mAh / g at 20 C. On the other hand, the electrode of Comparative Example 2 exhibited a discharge capacity of about 167 mAh / g at 1 C, about 155 mAh / g at 5 C, and about 120 mAh / g at 20 C and the lithium-titanium oxide- Showed improved electrochemical properties such as conductivity by carbon coating and nitrogen doping.

Claims (19)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (1) 리튬티타늄산화물;과 에틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택되는 지방족 아민;을 혼합하고 80 내지 120 ℃에서 환류시켜 리튬티타늄산화물 표면에 탄소 코팅층 및 질소 도핑을 형성시키는 단계; 및
(2) 탄화시키는 단계;를 포함하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
(1) A method for producing a lithium battery, comprising the steps of: (1) mixing a lithium titanium oxide and an aliphatic amine selected from ethylenediamine, hexamethylenediamine, diethylenetriamine, and a mixture of two or more thereof and refluxing at 80 to 120 ° C to form a carbon coating layer and a nitrogen Forming doping; And
And (2) carbonizing the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제6항에 있어서,
상기 리튬티타늄산화물 1 중량부에 대하여 상기 지방족 아민 100 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the lithium titanium oxide is mixed with 100 parts by weight of the aliphatic amine per 1 part by weight of the lithium titanium oxide.
제6항에 있어서,
상기 (2) 단계의 탄화는 450 내지 600 ℃에서 3 내지 6시간 동안 수행함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the carbonization in the step (2) is performed at 450 to 600 ° C for 3 to 6 hours.
제6항에 있어서,
상기 리튬티타늄산화물은 리튬하이드록사이드, 티타늄옥사이드 및 분산제를 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 200 내지 300℃ 및 2 내지 4 kg/cm2에서 분무 건조하는 단계; 및 상기 분무건조된 혼합물을 700 내지 1200 ℃에서 하소하는 단계;를 포함하여 제조된 것을 특징으로 하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the lithium titanium oxide is prepared by dispersing lithium hydroxide, titanium oxide and a dispersant in a solvent to prepare a slurry; Spray-drying the slurry at 200 to 300 ° C and 2 to 4 kg / cm 2 ; And calcining the spray-dried mixture at 700 to 1200 ° C. [Claim 6] The method according to claim 1, wherein the lithium-titanium oxide-carbon-nitrogen composite material is calcined at 700 to 1200 ° C.
제13항에 있어서,
리튬티타늄산화물은 리튬하이드록사이드 4 몰에 대하여 티타늄옥사이드 5 몰로 함유되는 것을 특징으로 하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the lithium titanium oxide is contained in 5 moles of titanium oxide per 4 moles of lithium hydroxide.
제13항에 있어서,
상기 분산제는 에탄올, 고분자형 계면활성제(KD-6), N-메틸피롤리돈 및 폴리비닐피롤리돈 중에서 선택되는 1종 이상이며, 티타늄옥사이드 100 중량부에 대하여 분산제 2 내지 10 중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The dispersant may be at least one selected from the group consisting of ethanol, a high-molecular surfactant (KD-6), N-methylpyrrolidone and polyvinylpyrrolidone, and the dispersant is contained in an amount of 2 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the titanium oxide. Wherein the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material is a lithium titanium oxide-carbon composite material.
제6항에 있어서,
상기 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재 전체 기준으로 탄소 코팅층 및 질소 도핑이 1 내지 20 중량%이며,
탄소 코팅층 및 질소 도핑 전체 100 원자량%에 대하여, 탄소가 70 내지 99.5 원자량% 및 질소가 0.5 내지 30 원자량%로 함유된 것을 특징으로 하는 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the carbon coating layer and nitrogen doping are 1 to 20 wt% based on the total amount of the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material,
Carbon composite material according to claim 1, wherein carbon is contained in an amount of 70 to 99.5 atomic% and nitrogen is contained in an amount of 0.5 to 30 atomic% with respect to 100 atomic% of the total amount of the carbon coating layer and nitrogen doping.
삭제delete 제6항 및 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 포함하는 리튬이온 2차 전지. A lithium ion secondary battery comprising the lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material produced by the manufacturing method according to any one of claims 6 and 11 to 16. 제6항 및 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 리튬티타늄산화물-탄소-질소 복합소재를 포함하는 커패시터.

16. A capacitor comprising a lithium titanium oxide-carbon-nitrogen composite material produced by the process according to any one of claims 6 to 11.

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