KR101741456B1 - Transition metal oxide-sulfur composite materials for cathodes in lithium-sulfur batteries and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬-황 이차전지용 전이금속 산화물-유황 복합소재 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로 유황 나노입자 및 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부에 코팅되어 있는 α-전이금속 산화물 나노와이어를 포함함으로써, 첫 충방전 사이클 후 α-전이금속 산화물 나노와이어에 리튬이 삽입되고 이에 따라 리튬폴리설파이드의 용출을 억제시킴과 동시에 유황의 전도성을 향상시켜 전지의 율 특성을 개선할 수 있다.The present invention relates to a transition metal oxide-sulfur composite cathode active material for a lithium-sulfur secondary battery and a method of manufacturing the same, and includes sulfur nanoparticles and α-transition metal oxide nanowires coated on all or a part of the surface of the sulfur nanoparticles Thus, after the first charge / discharge cycle, lithium is inserted into the? -Transition metal oxide nanowire, thereby inhibiting the elution of lithium polysulfide and enhancing the conductivity of sulfur and improving the rate characteristics of the battery.

Description

리튬-황 이차전지용 전이금속 산화물-유황 복합소재 양극 활물질 및 이의 제조방법{Transition metal oxide-sulfur composite materials for cathodes in lithium-sulfur batteries and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a transition metal oxide-sulfur composite material for a lithium-sulfur secondary battery, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 유황의 전도성을 향상시켜 전지의 율 특성을 개선할 수 있는 리튬-황 이차전지용 전이금속 산화물-유황 복합소재 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transition metal oxide-sulfur composite cathode active material for a lithium-sulfur secondary battery, which can improve the conductivity of sulfur and thereby improve the battery characteristics, and a method for manufacturing the same.

휴대용 전자기기의 급속한 발전에 따라 이차전지의 수요가 증가되고 있다. 특히, 휴대용 전자기기의 가볍고, 얇고, 짧고 작아지는 추세에 부응할 수 있는 고 에너지 밀도의 전지 등장이 지속적으로 요구되고 있으며, 또한, 값싸고 안전하며 환경친화적인 면을 만족시켜야 하는 전지가 요구되고 있다.With the rapid development of portable electronic devices, the demand for secondary batteries is increasing. Particularly, there is a continuing demand for a high energy density battery that can meet the trend of lightweight, thin, short and small size of portable electronic devices, and a battery which is inexpensive, safe and environmentally friendly is required have.

리튬 이온 이차전지는 전기화학 반응을 이용하여 전극 물질의 화학 에너지를The lithium ion secondary battery uses the electrochemical reaction to change the chemical energy of the electrode material

전기 에너지로 직접 변환하는 장치로서, 이전의 Ni-MH 전지보다 고에너지 및 고출력 특성을 가진다. It is a device that converts directly into electric energy and has higher energy and higher output characteristics than the previous Ni-MH battery.

특히, 리튬-황 이차전지의 경우, 양극으로는 유황 전극을 사용하고 음극으로는 리튬 메탈을 사용하는 시스템으로서, 기존 상용화된 전지(LiCoO2) 보다 가격도 저렴할 뿐만 아니라, 용량(1,675 mAh/g)과 에너지 밀도(2,600 Wh/kg)가 높아서 향후 활용도가 크게 증가할 것으로 기대된다.In particular, in the case of a lithium-sulfur secondary battery, a sulfur electrode is used as an anode and a lithium metal is used as a cathode. In addition, the lithium-sulfur secondary battery is less expensive than a conventional commercialized battery (LiCoO 2 ) ) And energy density (2,600 Wh / kg), which is expected to increase significantly in the future.

이러한 리튬-황 전지는 황-황 결합(Sulfur-Sulfur combination)을 가지는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알카리 금속 또는 리튬 이온 등과 같은 금속 이온의 삽입 및 탈삽입이 일어나는 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용하는 이차 전지로서, 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성한다.Such a lithium-sulfur battery uses a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur combination as a cathode active material and a carbon-based material in which insertion and de-insertion of an alkali metal such as lithium or a lithium ion, A secondary battery in which the SS bond is re-formed during the reduction reaction (discharging), the oxidation number of S decreases and the oxidation number of S increases during the oxidation reaction (charging) The reduction reaction is used to store and generate electrical energy.

상기 리튬-황 전지에서 양극은 양극 활물질, 바인더, 도전재 및 유기 용매를 혼합하여 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하고, 이 슬러리 조성물을 전류 집전체에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더는 활물질이나 도전재가 상기 전류 집전체로부터 떨어지지 않도록 하는 역할을 한다. 리튬-황 전지에서 사용되는 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리에틸렌 옥사이드 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 바인더를 사용하여도 리튬-유황 전지에서 양극 활물질이 상기 전류 집전체로부터 떨어지기 쉬운 문제점이 있었다.In the lithium-sulfur battery, the positive electrode is prepared by preparing a positive electrode active material slurry composition by mixing a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and an organic solvent, and coating the slurry composition on a current collector. The binder serves to prevent the active material or the conductive material from separating from the current collector. Examples of the binder used in the lithium-sulfur battery include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyethylene oxide. However, even when such a binder is used, there is a problem that the positive electrode active material in the lithium-sulfur battery tends to be detached from the current collector.

또한, 리튬-황 이차전지는 도 1에 그 현상 및 메커니즘을 제시한 바와 같이, 소위 셔틀(shuttle) 현상으로 인한 문제점을 지니고 있다. 즉, 기존 리튬-황 이차전지에서는 충전 및 방전 시 유황 양극에서 폴리설파이드가 녹아나와 양극과 음극 사이를 이동하는, 소위 셔틀 현상이 발생하는데, 이로 인해 전지 용량 및 사이클 특성에 큰 문제를 보이게 된다.In addition, the lithium-sulfur secondary battery has a problem caused by a so-called shuttle phenomenon as shown in Fig. 1 for its phenomenon and mechanism. That is, in a conventional lithium-sulfur secondary battery, a polysulfide is dissolved in the sulfur anode during charging and discharging, and a so-called shuttle phenomenon occurs between the anode and the cathode, which causes a serious problem in battery capacity and cycle characteristics.

대한민국 등록특허 제0382302호Korean Patent No. 0382302 대한민국 등록특허 제1438065호Korean Patent No. 1438065

본 발명의 목적은 유황의 전도성을 향상시켜 전지의 율 특성을 개선할 수 있는 리튬-황 이차전지용 전이금속 산화물-유황 복합소재 양극 활물질을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a transition metal oxide-sulfur composite cathode active material for a lithium-sulfur secondary battery which can improve the conductivity of sulfur and improve the rate characteristics of the battery.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이온 전지용 작동 전극을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a working electrode for a lithium ion battery including the above cathode active material.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이온전지를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a lithium ion battery including the cathode active material.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 전기 자동차를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide an electric vehicle including the cathode active material.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 양극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing the cathode active material.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양극 활물질은 유황 나노입자 및 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부에 코팅되어 있는 α-전이금속 산화물 나노와이어를 포함할 수 있다.In order to accomplish the above object, the cathode active material of the present invention may include sulfur nanoparticles and alpha-transition metal oxide nanowires coated on all or a part of the surfaces of the sulfur nanoparticles.

상기 α-전이금속 산화물 나노와이어는 첫 번째 사이클 충전 및 방전 시 리튬이 삽입되는 2차원 터널 구조형일 수 있다.The? -Transition Metal Oxide nanowire may be of a two-dimensional tunnel structure type in which lithium is inserted during the first cycle charging and discharging.

상기 α-전이금속 산화물 나노와이어는 200 내지 500 nm의 길이와 20 내지 60 nm의 폭을 가질 수 있다.The? -Transition Metal Oxide nanowire may have a length of 200 to 500 nm and a width of 20 to 60 nm.

상기 α-전이금속 산화물은 MnO2, SnO2 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.The? -Transition metal oxide may be MnO 2 , SnO 2 And TiO < 2 >.

상기 유황 나노입자는 평균 입경이 5 내지 50 nm일 수 있다.The sulfur nanoparticles may have an average particle diameter of 5 to 50 nm.

상기 양극 활물질은 유황 나노입자와 α-전이금속 산화물 나노와이어가 1 : 0.5 내지 1.2의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.The cathode active material may be a mixture of sulfur nano particles and? -Transition metal oxide nanowires in a volume ratio of 1: 0.5 to 1.2.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이온 전지용 작동 전극은 상기 양극 활물질을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a working electrode for a lithium ion battery includes the cathode active material.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이온전지는 상기 양극 활물질을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium ion battery including the cathode active material.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 자동차는 상기 양극 활물질을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electric vehicle including the cathode active material.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양극 활물질을 제조하는 방법은 (A) 산성 수용액에 망간 옥사이드 전구체를 분산시킨 후 100 내지 200 ℃에서 수열반응을 수행하는 단계;According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a cathode active material, comprising the steps of: (A) dispersing a manganese oxide precursor in an acidic aqueous solution and conducting hydrothermal reaction at 100 to 200 ° C;

(B) 상기 수열반응 후 50 내지 130 ℃에서 제1 열처리하여 α-망간 옥사이드 나노와이어를 수득하는 단계; 및(B) subjecting the hydrothermal reaction to a first heat treatment at 50 to 130 캜 to obtain an? -Manganese oxide nanowire; And

(C) 상기 α-망간 옥사이드 나노와이어를 분말화하고 유황 나노입자를 첨가한 다음 130 내지 200 ℃에서 제2 열처리 하여 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부를 α-망간 옥사이드 나노와이어로 코팅하는 단계;를 포함할 수 있다.(C) powdering the α-manganese oxide nanowire and adding sulfur nanoparticles, followed by a second heat treatment at 130 to 200 ° C. to coat all or a part of the surface of the sulfur nanoparticles with α-manganese oxide nanowires ; ≪ / RTI >

상기 (C)단계 이후에, 첫 번째 사이클 충전 및 방전 후 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부에 코팅된 α-망간 옥사이드 나노와이어에는 리튬이 삽입될 수 있다.After step (C), lithium may be inserted into the α-manganese oxide nanowire coated on all or a part of the surface of the sulfur nano-particles after the first cycle charging and discharging.

상기 (C)단계에서 유황 나노입자와 α-망간 옥사이드 나노와이어 분말은 1 : 0.5-1.2의 부피비로 혼합되는 것일 수 있다.In step (C), the sulfur nanoparticles and the α-manganese oxide nanowire powder may be mixed in a volume ratio of 1: 0.5-1.2.

상기 산성 수용액은 50 내지 90%의 황산 수용액, 염산 수용액 또는 질산 수용액일 수 있다.The acidic aqueous solution may be a 50 to 90% aqueous sulfuric acid solution, an aqueous hydrochloric acid solution, or an aqueous nitric acid solution.

상기 망간 옥사이드 전구체는 과망간산칼륨(KMnO4), 산화망간(MnO), 수산화망간(Mn(OH)2), 황산망간(MnSO4) 및 망간플로라이드(MnF4)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.Wherein the manganese oxide precursor is more than one member selected from the group consisting of potassium permanganate (KMnO 4), manganese oxide (MnO), manganese hydroxide (Mn (OH) 2), manganese sulfate (MnSO 4) and manganese fluoride (MnF 4) .

본 발명의 양극 활물질은 첫 사이클에서 충전 및 방전이 진행될 때, 리튬과 유황 간에 셔틀반응이 일어남과 동시에 α-망간 옥사이드 나노와이어에 리튬이 삽입되어 리튬폴리설파이드 용출을 억제시키고 리튬의 삽입으로 망간의 산화수가 감소하여 유황의 전도성을 높일 뿐만 아니라 전지의 율 특성을 개선한다.When the positive electrode active material of the present invention undergoes a shuttle reaction between lithium and sulfur when charging and discharging proceed in the first cycle, lithium is inserted into the? -Manganese oxide nanowire to inhibit the dissolution of lithium polysulfide, The oxidation number is decreased to improve the conductivity of the sulfur as well as to improve the rate characteristic of the battery.

또한, 본 발명의 양극 활물질은 제2 열처리 시 유황이 재결정을 겪는 과정에서 α-망간 옥사이드 나노와이어가 유황의 뭉침 형상을 완화시켜 재결정이 일어나기 전보다 사이즈가 줄어들고 전체적으로 균일해지며, 이로 인하여 전기 화학적 반응 시 전극 내에서 유황의 부피팽창을 완화시키고 셔틀현상을 억제시키며, 율 특성을 개선시킬 뿐만 아니라 유황의 전도성을 향상시킨다. 뿐만 아니라, 유황의 표면을 α-망간 옥사이드 나노와이어로 코팅함으로써 리튬폴리설파이드 용출을 억제시킨다.Also, in the cathode active material of the present invention, the α-manganese oxide nanowire relaxes the shape of the sulfur clusters in the course of the secondary heat treatment in which sulfur is subjected to recrystallization, so that the size is reduced before the recrystallization occurs and becomes uniform as a whole, It alleviates the volumetric expansion of sulfur in the electrode, suppresses the shuttle phenomenon, improves the rate characteristics and improves the conductivity of sulfur. In addition, the surface of sulfur is coated with? -Manganese oxide nanowires to inhibit the dissolution of lithium polysulfide.

도 1은 리튬-유황 전지의 작동 원리를 보여준다.
도 2는 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어를 포함한 본 발명의 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1의 양극 활물질을 이용하여 율 특성을 측정한 그래프이다.
도 3은 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어를 포함한 본 발명의 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1의 양극 활물질을 이용하여 첫 번째 및 두 번째 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 양극 활물질을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 양극 활물질을 TEM으로 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 α-망간 옥사이드 나노와이어가 유황에 코팅되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어를 포함한 본 발명의 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1 및 비교예 2의 양극 활물질의 성분분석사진(TGA)이다.
Figure 1 shows the operating principle of a lithium-sulfur battery.
FIG. 2 is a graph illustrating the rate characteristics of the positive electrode active material of Example 1 and the positive electrode active material of Comparative Example 1, including the .alpha.-manganese oxide nanowire with lithium inserted therein.
FIG. 3 is a graph illustrating the first and second cycle characteristics of the positive electrode active material of Example 1 and the positive electrode active material of Comparative Example 1 including the lithium-inserted? -Manganese oxide nanowire.
4 is a SEM photograph of a cathode active material prepared according to Example 1 of the present invention.
5 is a TEM photograph of a cathode active material prepared according to Example 1 of the present invention.
6 is a view illustrating a process of coating? -Manganese oxide nanowires on sulfur according to Example 1 of the present invention.
7 is a photograph (TGA) of a component analysis of a cathode active material of Example 1 of the present invention and a cathode active material of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 including an? -Manganese oxide nanowire with lithium inserted therein.

본 발명은 유황의 전도성을 향상시켜 전지의 율 특성을 개선할 수 있는 리튬-황 전지용 전이금속 산화물-유황 복합소재 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material of a transition metal oxide-sulfur composite material for a lithium-sulfur battery and a method of manufacturing the same, which can improve the conductivity of a sulfur battery to improve the rate characteristics of the battery.

특히, 본 발명의 양극 활물질은 첫 번째 충전 및 방전 사이클 후 α-전이금속 산화물 나노와이어에 리튬이 삽입된다. 또한, 양극 활물질 제조 과정 중 열처리(예컨대, 제2 열처리) 시 유황의 재결정을 억제시켜 재결정이 일어나기 전보다 사이즈가 줄어들고 전체적으로 균일한 유황 나노입자를 얻는다.
In particular, the cathode active material of the present invention has lithium inserted into the? -Transition metal oxide nanowire after the first charge and discharge cycle. Further, during the heat treatment (for example, the second heat treatment) during the production of the cathode active material, the recrystallization of sulfur is suppressed, and the size is reduced before the recrystallization occurs to obtain uniformly uniform sulfur nanoparticles.

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

본 발명의 양극 활물질은 유황 나노입자 및 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부에 코팅되어 있는 α-전이금속 산화물 나노와이어를 포함한다.The positive electrode active material of the present invention includes sulfur nanoparticles and? -Transition metal oxide nanowires coated on all or part of the surface of the sulfur nanoparticles.

상기 유황 나노입자는 양극 활물질 제조 시 제2 열처리 과정에서 원래 사용된 유황 나노입자에 비하여 사이즈가 20 내지 30%정도 줄어든 것으로서, 평균 입경이 5 내지 50 nm, 바람직하게는 10 내지 30 nm이다. 유황 나노입자의 평균 입경이 상기 하한치 미만이거나 또는 상기 상한치 초과인 경우에는 충전 및 방전 시 유황의 부피 팽창을 저감시킬 수 없으며, 셔틀현상을 억제시킬 수 없을 뿐만 아니라, 전도성이 향상되지 않는다. The sulfur nanoparticles have an average particle size of 5 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, which is reduced in size by about 20 to 30% as compared with the sulfur nanoparticles originally used in the second heat treatment during the production of the cathode active material. When the average particle diameter of the sulfur nano-particles is less than the lower limit value or exceeds the upper limit value, the volumetric expansion of sulfur at the time of charging and discharging can not be reduced, the shuttle phenomenon can not be suppressed and the conductivity is not improved.

상기 α-전이금속 산화물 나노와이어는 2차원 터널 구조형으로서, 첫 번째 사이클 충전 및 방전 시 리튬이 삽입되어 하기 [화학식 1]과 같은 리튬이 삽입된 α-전이금속 산화물 나노와이어를 형성한다.The? -Transition Metal Oxide nanowire is a two-dimensional tunnel structure type. During the first cycle charging and discharging, lithium is inserted to form? -Transition metal oxide nanowires with lithium inserted therein.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMO2 Li x MO 2

상기 x는 0.5 ≤ x ≤ 0.9의 실수이며; M은 전이금속으로서 Mn, Sn 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 1종이다.X is a real number of 0.5? X? 0.9; M is at least one element selected from the group consisting of Mn, Sn And Ti.

또한, 상기 α-전이금속 산화물 나노와이어의 길이는 200 내지 500 nm, 바람직하게는 250 내지 350 nm이고; 폭은 20 내지 60 nm, 바람직하게는 25 내지 50 nm이다. 나노와이어의 길이와 폭에 대한 수치 범위의 하한치 미만이거나 또는 상한치 초과인 경우에는 리튬이 삽입되지 않아 리튬폴리설파이드의 용출이 억제되지 않고 전지의 율 특성이 저하될 수 있다.Also, the length of the? -Transition metal oxide nanowire is 200 to 500 nm, preferably 250 to 350 nm; The width is 20 to 60 nm, preferably 25 to 50 nm. If the value is less than the lower limit of the numerical range of the length and width of the nanowire or exceeds the upper limit value, lithium is not inserted and the elution of the lithium polysulfide is not inhibited, and the rate characteristic of the battery may be deteriorated.

상기 양극 활물질은 유황 나노입자와 α-전이금속 산화물 나노와이어가 1 : 0.5 내지 1.2의 부피비, 바람직하게는 1 : 0.7 내지 1.0의 부피비로 혼합된다. In the cathode active material, the sulfur nanoparticles and the? -Transition metal oxide nanowires are mixed at a volume ratio of 1: 0.5 to 1.2, preferably 1: 0.7 to 1.0.

본 발명의 양극 활물질은 리튬 이온 전지용 작동 전극, 리튬 이온 전지 또는 전기 자동차 등에 포함될 수 있다.
The cathode active material of the present invention may be included in a working electrode for a lithium ion battery, a lithium ion battery or an electric vehicle.

또한, 본 발명은 리튬-황 이차전지용 양극 활물질을 제조하는 방법이 제공될 수 있다.In addition, the present invention can provide a method for producing a cathode active material for a lithium-sulfur secondary battery.

본 발명의 양극 활물질의 제조방법은 (A) 산성 수용액에 망간 옥사이드 전구체를 분산시킨 후 100 내지 200 ℃로 수열반응을 수행하는 단계;The method for producing a cathode active material according to the present invention comprises the steps of: (A) dispersing a manganese oxide precursor in an acidic aqueous solution and subjecting the mixture to hydrothermal reaction at 100 to 200 ° C;

(B) 상기 수열반응 후 50 내지 130 ℃에서 제1 열처리하여 α-망간 옥사이드 나노와이어를 수득하는 단계; 및(B) subjecting the hydrothermal reaction to a first heat treatment at 50 to 130 캜 to obtain an? -Manganese oxide nanowire; And

(C) 상기 α-망간 옥사이드 나노와이어를 분말화하고 유황 나노입자를 첨가한 다음 130 내지 200 ℃에서 제2 열처리하여 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부를 α-망간 옥사이드 나노와이어로 코팅하는 단계;를 포함할 수 있다.(C) powdering the α-manganese oxide nanowire and adding sulfur nanoparticles, followed by a second heat treatment at 130 to 200 ° C. to coat all or a part of the surface of the sulfur nanoparticles with α-manganese oxide nanowires ; ≪ / RTI >

먼저, 상기 (A)단계에서는 산성 수용액에 망간 옥사이드 전구체를 분산시킨 후 수열반응을 수행한다. 만약, 수열반응을 생략하는 경우에는 2차원 터널 구조형의 나노와이어를 얻기 어려울 수 있다.First, in the step (A), a manganese oxide precursor is dispersed in an acidic aqueous solution and a hydrothermal reaction is performed. If the hydrothermal reaction is omitted, it may be difficult to obtain a nanowire of a two-dimensional tunnel structure type.

상기 수열반응의 온도는 100 내지 200 ℃, 바람직하게는 130 내지 160 ℃이다. 수열반응의 온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 망간 옥사이드 전구체가 용해되지 않아 이후 α-망간 옥사이드 나노와이어의 수율이 낮아지고 부산물이 다량 생성될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 2차원 터널 구조형의 나노와이어가 형성되지 않을 수 있다.The temperature of the hydrothermal reaction is 100 to 200 占 폚, preferably 130 to 160 占 폚. When the temperature of the hydrothermal reaction is lower than the lower limit, the manganese oxide precursor is not dissolved and the yield of the? -Manganese oxide nanowire is lowered and a large amount of by-products can be produced. If the temperature exceeds the upper limit, May not be formed.

또한, 상기 수열반응을 수행하는 시간은 20 내지 30시간, 바람직하게는 22 내지 26시간이다. 수열반응 시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 나노와이어가 형성되지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 부산물이 다량 생성될 수 있다.Further, the time for performing the hydrothermal reaction is 20 to 30 hours, preferably 22 to 26 hours. When the hydrothermal reaction time is less than the lower limit value, nanowires may not be formed, and when the hydrothermal reaction time is higher than the upper limit value, a large amount of by-products may be produced.

상기 망간 옥사이드 전구체는 과망간산칼륨(KMnO4), 산화망간(MnO), 수산화망간(Mn(OH)2), 황산망간(MnSO4) 및 망간플로라이드(MnF4)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 이때 망간 옥사이드 전구체를 2종 사용하는 경우에는 1 : 1의 중량비로 혼합되는 것이 2차원 터널형 나노와이어를 형성하는 면에서 바람직하여, 망간 옥사이드 전구체를 1종 단독 또는 2종 시용 시 1:1의 중량비가 아닌 다른 중량비로 혼합되는 경우에 비하여 리튬이 빠르고 쉽게 삽입된다.Wherein the manganese oxide precursor is potassium permanganate (KMnO 4), manganese oxide (MnO), manganese hydroxide (Mn (OH) 2), manganese sulfate (MnSO 4) and manganese fluoride least one member selected from (MnF 4) the group consisting of . In this case, when two kinds of manganese oxide precursors are used, they are mixed at a weight ratio of 1: 1 in view of forming a two-dimensional tunnel type nanowire. When the manganese oxide precursor is used alone or in combination, Lithium is inserted quickly and easily compared to mixing at a different weight ratio than the weight ratio.

상기 산성 수용액은 망간 옥사이드 전구체를 고르게 분산시킬 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지 않지만; 바람직하게는 50 내지 90%의 황산 수용액, 50 내지 90%의 염산 수용액 또는 50 내지 90%의 질산 수용액을 들 수 있으며; 더욱 바람직하게는 50 내지 90%의 황산 수용액을 들 수 있다.The acidic aqueous solution is not particularly limited as long as it is a substance capable of evenly dispersing the manganese oxide precursor; Preferably 50 to 90% aqueous sulfuric acid solution, 50 to 90% aqueous hydrochloric acid solution or 50 to 90% aqueous nitric acid solution; And more preferably 50 to 90% aqueous solution of sulfuric acid.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 수열반응 후 제1 열처리하여 α-망간 옥사이드 나노와이어를 수득한다.Next, in the step (B), the hydrothermal reaction is followed by a first heat treatment to obtain an α-manganese oxide nanowire.

상기 제1 열처리는 수열반응이 수행된 반응물을 건조하여 α-망간 옥사이드 나노와이어를 수득하는 것으로서; 50 내지 130 ℃, 바람직하게는 70 내지 90 ℃에서 10 내지 20시간, 바람직하게는 12 내지 15시간 동안 수행된다.The first heat treatment is a step of drying the hydrolyzed reactant to obtain an? -Manganese oxide nanowire; At 50 to 130 캜, preferably at 70 to 90 캜 for 10 to 20 hours, preferably 12 to 15 hours.

제1 열처리 온도 및 시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 터널구조를 가진 나노와이어가 형성되지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 유황 나노입자 표면에 나노옥사이드가 코팅되지 못할 수 있다. When the first annealing temperature and time are less than the lower limit value, nanowires having a tunnel structure may not be formed. If the temperature is above the upper limit, nano-oxide may not be coated on the surface of the sulfur nanoparticles.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 α-망간 옥사이드 나노와이어를 분말화하고 유황 나노입자를 첨가한 다음 제2 열처리 한다. Next, in step (C), the α-manganese oxide nanowire is pulverized and sulfur nanoparticles are added, followed by a second heat treatment.

상기 제2 열처리를 통하여, 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부가 α-망간 옥사이드 나노와이어로 코팅된다. 또한, 유황 나노입자는 재결정을 겪는 과정에서 α-망간 옥사이드 나노와이어가 유황의 뭉침 형상을 완화시키고, 더 나아가 재결정이 일어나기 전보다 사이즈를 줄이고 전체적으로 균일해지도록 한다. 이로 인하여 전기 화학적 반응 시 전극 내에서 유황의 부피팽창을 완화시키고 율 특성을 개선할 뿐만 아니라 유황의 전도성을 향상시킨다.Through the second heat treatment, all or a part of the surface of the sulfur nano-particles is coated with the? -Manganese oxide nanowires. In addition, the sulfur nanoparticles relax the shape of the sulfur clusters of the α-manganese oxide nanowires during the course of undergoing recrystallization, and further reduce the size and uniformity of the whole before the recrystallization occurs. As a result, in the electrochemical reaction, the volumetric expansion of sulfur in the electrode is alleviated, the rate characteristic is improved, and the conductivity of sulfur is improved.

상기 제2 열처리는 130 내지 200 ℃, 바람직하게는 150 내지 180 ℃에서 10 내지 20시간, 바람직하게는 12 내지 15시간 동안 수행된다.The second heat treatment is performed at 130 to 200 ° C, preferably 150 to 180 ° C for 10 to 20 hours, preferably 12 to 15 hours.

제2 열처리 온도 및 시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 유황 나노입자의 입경이 줄어들지 않고 균일해지지 않을 뿐만 아니라 나노와이어가 유황 나노입자를 코팅하지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 유황 나노입자 표면에 나노와이어가 코팅되지 않을 수 있다. When the second heat treatment temperature and time are less than the lower limit value, the particle size of the sulfur nanoparticles is not reduced and becomes uneven, and the nanowire may not coat the sulfur nanoparticles. If the temperature exceeds the upper limit, The wire may not be coated.

상기 유황 나노입자와 α-망간 옥사이드 나노와이어 분말은 1 : 0.5-1.2의 부피비로 혼합된다.
The sulfur nanoparticles and the? -Manganese oxide nanowire powder are mixed in a volume ratio of 1: 0.5-1.2.

본 발명의 양극 활물질은 첫 번째 사이클에서 충전 및 방전이 진행될 때, 리튬과 유황 간에 셔틀반응이 일어남과 동시에 α-망간 옥사이드 나노와이어에 리튬이 삽입된다. 또한, 상기 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어는 구조 내에서 망간이 Mn4+에서 Mn(4-x)+로 바뀌어 망간의 체외각 전자수가 증가하게 되므로 종래 MnO2보다 전도성이 향상된다.
When the positive electrode active material of the present invention is charged and discharged in the first cycle, a shuttle reaction occurs between lithium and sulfur, and at the same time, lithium is inserted into the a-manganese oxide nanowire. In addition, α- manganese oxide nanowires with the lithium is inserted, so that this manganese Mn (4-x) + e each increase the number of in vitro transformed into manganese in Mn4 + in the structure, an improvement in conductivity than conventional MnO 2.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예 1.Example 1.

황산 수용액에 과망간산칼륨(KMnO4)과 황산망간(MnSO4)을 1 : 1의 중량비로 혼합하여 넣어주고 1시간 동안 분산시킨 다음 150 ℃에서 24시간 동안 수열합성을 수행한 후 원심 분리기를 사용하여 생성물을 회수하고 순차적으로 물과 에탄올을 사용하여 각각 세척하였다. 오븐에서 80 ℃로 12 시간 건조시킨 후 가늘게 분쇄한 다음 분쇄된 α-망간 옥사이드 나노와이어 분말과 유황 나노입자를 1 : 1의 중량비로 혼합하여 핸드 밀로 혼합하고 155 ℃에서 12시간 동안 열처리를 수행하여 양극 활물질을 제조하였다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) and manganese sulfate (MnSO 4 ) were mixed in an aqueous sulfuric acid solution at a weight ratio of 1: 1, dispersed for 1 hour, hydrothermally synthesized at 150 ° C for 24 hours, The product was recovered and washed sequentially with water and ethanol, respectively. Dried in an oven at 80 DEG C for 12 hours, finely pulverized, and then pulverized .alpha.-manganese oxide nanowire powder and sulfur nanoparticles were mixed at a weight ratio of 1: 1, mixed by hand mill, and heat-treated at 155 DEG C for 12 hours Thereby preparing a cathode active material.

이렇게 만들어진 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 중량비가 6 : 2 : 2의 비율이 되도록 넣고 슬러리를 만들어 알루미늄 호일에 100 ㎛ 높이로 박막을 제조하였다. 이를 이용하여 셀을 조립하였다.
The cathode active material, the conductive material and the binder thus prepared were put in a weight ratio of 6: 2: 2, and a slurry was prepared, and a thin film was formed on an aluminum foil at a height of 100 탆. The cell was assembled using this.

비교예 1.Comparative Example 1

유황만을 사용하였다. 유황, 도전재 및 바인더를 중량비가 6 : 2 : 2의 비율이 되도록 넣고 슬러리를 만들어 알루미늄 호일에 100 ㎛ 높이로 박막을 제조하였다.
Only sulfur was used. The slurry was prepared by mixing sulfur, a conductive material and a binder at a weight ratio of 6: 2: 2, and a thin film was formed on an aluminum foil at a height of 100 μm.

비교예 2.Comparative Example 2

α-망간 옥사이드 나노와이어만을 사용하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 α-망간 옥사이드 나노와이어 분말, 도전재 및 바인더를 중량비가 6 : 2 : 2의 비율이 되도록 넣고 슬러리를 만들어 알루미늄 호일에 100 ㎛ 높이로 박막을 제조하였다.
only? -manganese oxide nanowires were used. The α-manganese oxide nanowire powder, the conductive material, and the binder prepared in the same manner as in Example 1 were mixed in a weight ratio of 6: 2: 2 to prepare a slurry, and a thin film was formed on the aluminum foil at a height of 100 μm.

<시험예><Test Example>

실시예 1은 양극 활물질로 제조된 박막을 충전 및 방전시켜 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어로 제조한 후 시험예를 수행하였다. 즉, 유황 나노입자를 코팅한 α-망간 옥사이드 나노와이어는 리튬이 삽입된 것이다.In Example 1, a thin film made of a cathode active material was charged and discharged to prepare a lithium-doped a-manganese oxide nanowire, and then a test example was performed. That is, the alpha-manganese oxide nanowire coated with sulfur nanoparticles is lithium-doped.

시험예 1. 율 특성 측정Test example 1. Rate characteristic measurement

도 2는 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어를 포함한 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1의 양극 활물질을 이용하여 율 특성을 측정한 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the rate characteristics of the positive electrode active material of Example 1 and the positive electrode active material of Comparative Example 1, which include? -Manganese oxide nanowires into which lithium is inserted.

도 2에 도시된 바와 같이, 실시예 1은 비교예 1에 비하여 전 구간(24 사이클)에 걸쳐 율 특성이 월등히 향상된 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 2, it was confirmed that Example 1 significantly improved the rate characteristics over the entire period (24 cycles) as compared with Comparative Example 1. [

시험예 2. 1, 2 사이클 특성 측정Test Example 2. Measurement of 1 and 2 cycle characteristics

도 3은 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어를 포함한 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1의 양극 활물질을 이용하여 첫 번째 및 두 번째 사이클 특성을 측정한 그래프이다.FIG. 3 is a graph illustrating the first and second cycle characteristics of the positive electrode active material of Example 1 and the positive electrode active material of Comparative Example 1, which include? -Manganese oxide nanowires doped with lithium. FIG.

도 3에 도시된 바와 같이, 첫 번째 및 두 번째 사이클 모두 실시예 1이 비교예 1에 비하여 비용량(specific capacity)이 우수한 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 3, it was confirmed that Example 1 was superior in specific capacity to Comparative Example 1 in both the first and second cycles.

시험예 3. 양극 활물질의 표면 촬영 Test Example 3. Surface Capture of Cathode Active Material

도 4는 실시예 1의 양극 활물질을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 5는 실시예 1의 양극 활물질을 TEM으로 촬영한 사진이다.FIG. 4 is a photograph of the cathode active material of Example 1 taken by SEM, and FIG. 5 is a photograph of the cathode active material of Example 1 taken by TEM.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 양극 활물질의 표면은 유황 나노입자의 표면이 리튬이 삽입된 α-망간 옥사이드 나노와이어로 코팅된 것임을 확인하였다.As shown in FIGS. 4 and 5, it was confirmed that the surface of the cathode active material of Example 1 was coated with a-manganese oxide nanowire in which the surface of the sulfur nanoparticles was inserted with lithium.

특히 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유황 나노입자는 열처리에 의하여 크기가 줄어들며 크기가 균일해지는데, 이는 도 5에서도 확인되었다.
In particular, as shown in FIG. 6, the size of the sulfur nanoparticles is reduced by heat treatment, and the size is uniformized, which is also confirmed in FIG.

시험예Test Example 4.  4. TGATGA 측정  Measure

도 7은 α-망간 옥사이드 나노와이어를 포함한 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1 및 비교예 2의 양극 활물질의 성분분석사진(TGA)이다.7 is a photograph (TGA) of a component analysis of the cathode active material of Example 1 containing? -Manganese oxide nanowires and the cathode active material of Comparative Examples 1 and 2.

α-망간 옥사이드 나노와이어와 양극 활물질인 유황의 비율을 알아보기 위해 TGA 분석을 실시하였다. TGA analysis was conducted to investigate the ratio of α-manganese oxide nanowire to sulfur as a cathode active material.

도 7에 도시된 바와 같이, 비교예 1과 비교예 2는 각각 α-망간 옥사이드 나노와이어와 유황에 대한 TGA 분석 결과이고 α-망간 옥사이드 나노와이어는 온도가 올라가도 질량의 손실률에 대한 변화가 없는 반면에, 유황은 200 ℃ 이상에서 질량의 손실률이 최종 0 %로의 변화를 보인다. As shown in FIG. 7, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, TGA analysis results for α-manganese oxide nanowires and sulfur, respectively, and α-manganese oxide nanowires showed no change in mass loss rate , The sulfur shows a change in the mass loss rate to 200% or more at the final 0%.

실시예 1은 α-망간 옥사이드 나노와이어가 코팅된 유황의 TGA 분석 결과를 나타내고, 200 ℃ 이후, 실시예 1에서 최종적으로 α-망간 옥사이드 나노와이어만의 질량 손실률인 40 %를 나타내고 유황과 α-망간 옥사이드 나노와이어 간의 비율이 6:4 로 혼합이 된 것을 알 수 있다.
Example 1 shows TGA analysis of sulfur coated α-manganese oxide nanowires. After 200 ° C., the mass loss rate of only α-manganese oxide nanowires in Example 1 was finally shown to be 40%, and sulfur and α- Manganese oxide nanowires were mixed at a ratio of 6: 4.

Claims (14)

유황 나노입자 및 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부에 코팅되어 있는 α-전이금속 산화물 나노와이어를 포함하며,
상기 α-전이금속 산화물 나노와이어는 길이가 200 내지 500 nm이고 폭이 20 내지 60 nm인 나노와이어로서, 첫 번째 사이클 충전 및 방전 시 리튬이 삽입되는 2차원 터널 구조형인 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극 활물질.
Transition metal oxide nanowires coated on all or a part of the surface of the sulfur nano-particles,
Transition metal oxide nanowire is a nanowire having a length of 200 to 500 nm and a width of 20 to 60 nm and is a two-dimensional tunnel structure type in which lithium is inserted during the first cycle charging and discharging. Cathode active material for secondary battery.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 α-전이금속 산화물은 MnO2, SnO2 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The method of claim 1, wherein the? -Transition metal oxide is selected from the group consisting of MnO 2 , SnO 2 And TiO &lt; 2 &gt;. 제1항에 있어서, 상기 유황 나노입자는 평균 입경이 5 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The positive electrode active material according to claim 1, wherein the sulfur nanoparticles have an average particle diameter of 5 to 50 nm. 제1항에 있어서, 상기 양극 활물질은 유황 나노입자와 α-전이금속 산화물 나노와이어가 1 : 0.5 내지 1.2의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material is a mixture of sulfur nano particles and? -Transition metal oxide nanowires in a volume ratio of 1: 0.5 to 1.2. 제1항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이온 전지용 작동 전극.7. A working electrode for a lithium ion battery comprising the cathode active material according to any one of claims 1 to 6. 제1항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이온전지.A lithium ion battery comprising the cathode active material according to any one of claims 1 to 6. 제1항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 전기 자동차.An electric vehicle comprising the cathode active material according to any one of claims 1 to 6. (A) 산성 수용액에 망간 옥사이드 전구체를 분산시킨 후 100 내지 200 ℃에서 수열반응을 수행하는 단계;
(B) 상기 수열반응 후 50 내지 130 ℃에서 제1 열처리하여, 길이가 200 내지 500 nm이고 폭이 20 내지 60 nm인 나노와이어로서 첫 번째 사이클 충전 및 방전 시 리튬이 삽입되는 2차원 터널 구조형인 α-망간 옥사이드 나노와이어를 수득하는 단계; 및
(C) 상기 α-망간 옥사이드 나노와이어를 분말화하고 유황 나노입자를 첨가한 다음 130 내지 200 ℃에서 제2 열처리하여 상기 유황 나노입자 표면의 전체 또는 일부를 α-망간 옥사이드 나노와이어로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
(A) dispersing a manganese oxide precursor in an acidic aqueous solution and conducting a hydrothermal reaction at 100 to 200 ° C;
(B) a nanotubes having a length of 200 to 500 nm and a width of 20 to 60 nm, subjected to a first heat treatment at 50 to 130 ° C after the hydrothermal reaction, to form a two-dimensional tunnel structure type a-manganese oxide nanowire; And
(C) powdering the α-manganese oxide nanowire and adding sulfur nanoparticles, followed by a second heat treatment at 130 to 200 ° C. to coat all or a part of the surface of the sulfur nanoparticles with α-manganese oxide nanowires The method of manufacturing a cathode active material for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 1,
삭제delete 제10항에 있어서, 상기 (C)단계에서 유황 나노입자와 α-망간 옥사이드 나노와이어 분말은 1 : 0.5-1.2의 부피비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in step (C), the sulfur nanoparticles and the alpha-manganese oxide nanowire powder are mixed at a volume ratio of 1: 0.5-1.2. 제10항에 있어서, 상기 산성 수용액은 50 내지 90%의 황산 수용액, 염산 수용액 또는 질산 수용액인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein the acidic aqueous solution is an aqueous sulfuric acid solution, an aqueous hydrochloric acid solution, or an aqueous nitric acid solution in an amount of 50 to 90%. 제10항에 있어서, 상기 망간 옥사이드 전구체는 과망간산칼륨(KMnO4), 산화망간(MnO), 수산화망간(Mn(OH)2), 황산망간(MnSO4) 및 망간플로라이드(MnF4)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein the manganese oxide precursor consisting of potassium permanganate (KMnO 4), manganese oxide (MnO), manganese hydroxide (Mn (OH) 2), manganese sulfate (MnSO 4) and manganese fluoride (MnF 4) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1, &lt; / RTI &gt;
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