KR101872639B1 - Preparing method of anode active materials for lithium secondary battery using polymer with snowflake shape - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고출력을 요하는 응용분야에 적용 가능한 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery using a polymer having a snow flake shape applicable to applications requiring high output.
리튬 이차전지는 리튬이 방전 과정에서 음극에서 양극으로 이동하고 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하면서, 전지 내에 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치이다.A lithium secondary battery is an energy storage device in which lithium moves from a cathode to an anode during a discharge process and lithium ions move from an anode to a cathode during charging to store electric energy in the battery.
다른 전지와 비교하여 볼 때, 높은 에너지 밀도를 가지고 자가 방전이 일어나는 정도가 작아 여러 사업 전반에 사용되고 있다. Compared to other cells, the degree of self-discharge with a high energy density is small, and it is used in various projects.
리튬 이차전지의 구성요소는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막 등으로 나눌 수 있다. 초기 리튬 이차전지에서는 음극활물질로 리튬 금속이 사용되었지만, 충전과 방전이 반복됨에 따라 안전성 문제가 나타나면서 흑연(graphite) 등 탄소계 물질로 대체되었다. Components of the lithium secondary battery can be divided into an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator. In the early lithium secondary battery, lithium metal was used as an anode active material. However, lithium metal was replaced with a carbon-based material such as graphite due to repeated safety of charging and discharging.
탄소계 음극활물질은 리튬 이온과의 전기 화학적 반응 전위가 리튬 금속과 비슷하고, 계속적인 리튬 이온의 삽입·탈리 과정 동안 결정 구조의 변화가 적어 지속적인 충전 방전이 가능한 장점으로 음극활물질 개발에 널리 사용되고 있다. The carbonaceous anode active material has a similar electrochemical reaction potential with the lithium ion and is widely used for the development of the anode active material since the crystal structure is not changed during the continuous insertion and desorption of lithium ions and the continuous charge discharge can be performed .
음극활물질로 탄소계 물질이 널리 사용되고 있으나 흑연을 사용하는 경우 부식에 의하여 사이클이 급격하게 하락하는 문제점이 있다. Carbon-based materials are widely used as an anode active material. However, when graphite is used, there is a problem that the cycle is rapidly lowered due to corrosion.
따라서, 구조적 안정성과 반응 중 부반응으로 인한 전지의 수명이 단축되는 문제점을 극복할 수 있도록 고출력을 용하는 응용분야에 적용 가능한 리튬티타늄화합물로 이루어진 음극활물질에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.Therefore, in order to overcome the problem that the lifetime of the battery is shortened due to structural stability and side reactions during the reaction, it is urgent to research and develop an anode active material composed of a lithium titanium compound applicable to high power applications.
본 발명의 목적은 높은 안정성과 고출력을 요하는 리튬 이차전지에 적용하기 위해 비표면적이 높으며 전기화학 특성이 우수한 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery using a polymer having a snow flake shape having a high specific surface area and excellent electrochemical characteristics for application to a lithium secondary battery requiring high stability and high output.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자를 용매에 용해시켜 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액에 티타늄염 화합물 및 리튬염 화합물을 혼합한 후 반응시켜 침전물을 형성하는 단계; 상기 침전물을 필터링한 후 건조하여 파우더를 얻는 단계; 및 상기 건조된 파우더를 대기분위기에서 승온시킨 후 열처리하여 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 단계;를 포함하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a mixed solution, comprising: preparing a mixed solution by dissolving a polymer in a solvent; Adding a titanium salt compound and a lithium salt compound to the mixed solution, and then reacting to form a precipitate; Filtering the precipitate and drying to obtain a powder; And a step of heating the dried powder in an atmospheric environment and then subjecting the dried powder to heat treatment to obtain a snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO). The method for manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery using the Sn- .
본 발명에 따른 방법으로 제조된 스노플레이크 형상을 갖는 음극활물질을 전극에 적용할 경우, 높은 비표면적으로 인하여 전극-전해질 계면적의 향상을 유도하고, 계면저항을 감소시킴으로써 높은 전기화학 특성을 나타낼 수 있는 효과가 있다.When the anode active material having a Sno flake shape manufactured by the method of the present invention is applied to an electrode, it is possible to improve the electrode-electrolyte system area due to a high specific surface area and decrease the interfacial resistance, There is an effect.
도 1은 실시예 1에 따라 합성된 스노플레이크 형상을 갖는 리튬티타늄화합물(이하 'S-LTO')의 SEM 이미지(a,b), 비교예 1에 따라 합성된 나노입자 리튬티타늄화합물(이하 'N-LTO')의 SEM 이미지(d,e), 및 S-LTO 샘플과 N-LTO의 XRD 패턴(c,f)을 나타낸 도면;
도 2는 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO의 BET 분석결과를 나타낸 도면;
도 3은 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 160 mAh/g에서의 충방전 그래프(a), 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플의 160 mAh/g에서의 충방전 그래프(b), 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO의 순환성능(cycling performance)(c), 및 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO의 80 mA/g에서 25600 mA/g의 전류밀도에서의 순환성능(d)을 나타낸 도면; 및
도 4는 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO의 5 사이클에서의 나이퀴스트 선도(Nyquist polt)(a), 및 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO의 250 사이클에서의 나이퀴스트 선도(b)를 나타낸 도면이다.1 is a graph showing SEM images (a and b) of a lithium-titanium compound (hereinafter referred to as 'S-LTO') having a Sno flake shape synthesized according to Example 1 and a lithium-titanium nanoparticle compound synthesized according to Comparative Example 1 (D, e) of the S-LTO sample and the XRD pattern (c, f) of the N-LTO sample;
2 is a graph showing a BET analysis result of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 and the N-LTO synthesized according to Comparative Example 1;
3 is a graph showing a charge / discharge curve (a) at 160 mAh / g of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 and a charge / discharge graph at 160 mAh / g of the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 b), the cycling performance (c) of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 and the N-LTO synthesized according to Comparative Example 1, and the comparison with the S-LTO sample synthesized according to Example 1 A circulation performance (d) at a current density of 25600 mA / g at 80 mA / g of N-LTO synthesized according to Example 1; And
FIG. 4 is a graph showing the Nyquist polt (a) at 5 cycles of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 and the N-LTO synthesized according to Comparative Example 1, S-LTO sample and the Nyquist plot (b) at 250 cycles of N-LTO synthesized according to Comparative Example 1. FIG.
이하, 본 발명인 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery using a polymer having a snow flake shape according to the present invention will be described in detail.
본 발명의 발명자들은 고출력 리튬 이차전지용 리튬티타늄화합물 합성에 대해 연구 개발 하던 중, 계면 활성제 역할을 하는 고분자를 첨가하여 합성함으로써 용매 상에서 마이셀을 형성하여 나노입자 형태의 리튬티타늄화합물에 비해 비표면적이 향상된 리튬티타늄화합물을 합성할 수 있고, 이에 합성된 리튬티타늄화합물은 전극-전해질 계면적의 향상을 유도하고, 계면저항을 감소시킴으로써 높은 전기화학 특성을 나타낼 수 있음을 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have been studying the synthesis of a lithium titanium compound for a high output lithium secondary battery while synthesizing a polymer acting as a surfactant to form a micelle on a solvent to improve the specific surface area as compared with a nanoparticulate lithium titanium compound The lithium titanium compound can be synthesized, and the lithium-titanium compound thus synthesized can induce the improvement of the area of the electrode-electrolyte system and can exhibit high electrochemical characteristics by reducing the interfacial resistance.
본 발명은 고분자를 용매에 용해시켜 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액에 티타늄염 화합물 및 리튬염 화합물을 혼합한 후 반응시켜 침전물을 형성하는 단계; 상기 침전물을 필터링한 후 건조하여 파우더를 얻는 단계; 및 상기 건조된 파우더를 대기분위기에서 승온시킨 후 열처리하여 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 단계;를 포함하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for preparing a mixed solution, comprising: preparing a mixed solution by dissolving a polymer in a solvent; Adding a titanium salt compound and a lithium salt compound to the mixed solution, and then reacting to form a precipitate; Filtering the precipitate and drying to obtain a powder; And a step of heating the dried powder in an atmospheric environment and then subjecting the dried powder to heat treatment to obtain a snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO). The method for manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery using the Sn- .
상기 고분자는 플루로닉 F-68(pluronic F-68) 또는 플루로닉 F-127(pluronic F-127) 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The polymer may be any one of pluronic F-68 or pluronic F-127, but is not limited thereto.
상기 용매는 n-부탄올(n-butanol) 또는 터트-부탄올(tert-butanol) 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent may be any one of n-butanol and tert-butanol, but is not limited thereto.
상기 혼합용액을 준비하는 단계는 고분자를 용매에 첨가하고 40 내지 60℃에서 2 내지 4시간 동안 교반하여 용해시켜 혼합용액을 준비하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The step of preparing the mixed solution may include, but is not limited to, adding the polymer to a solvent and stirring the mixture at 40 to 60 ° C for 2 to 4 hours to prepare a mixed solution.
상기 티타늄염 화합물은 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide) 및 티타늄 부톡사이드(titanium butoxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The titanium salt compound may be any one selected from the group consisting of titanium isopropoxide, titanium ethoxide, and titanium butoxide, but is not limited thereto.
상기 리튬염 화합물은 아세트산 리튬 (lithium acetate), 질산 리튬 (lithium nitrate), 황산 리튬 (lithium sulphate), 및 염화 리튬 (LiCl)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The lithium salt compound may be any one selected from the group consisting of lithium acetate, lithium nitrate, lithium sulphate, and lithium chloride (LiCl), but is not limited thereto.
상기 침전물을 형성하는 단계는 혼합용액에 티타늄염 화합물 및 리튬염 화합물을 5 : (4 ~ 6)의 몰비로 혼합한 후 반응시켜 침전물을 형성하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The step of forming the precipitate may include mixing a titanium salt compound and a lithium salt compound in a molar ratio of 5: (4 to 6) to the mixed solution, and then reacting to form a precipitate, but the present invention is not limited thereto.
상기 침전물을 형성하는 단계는 상기 혼합용액에 티타늄염 화합물 및 리튬염 화합물을 혼합한 후 150 내지 210℃에서 18 내지 30시간 동안 반응시켜 침전물을 형성하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The step of forming the precipitate may include mixing a titanium salt compound and a lithium salt compound into the mixed solution and then reacting the mixture at 150 to 210 ° C for 18 to 30 hours to form a precipitate, but the present invention is not limited thereto.
상기 파우더를 얻는 단계는 상기 침전물을 필터링한 후 40 내지 60℃에서 36 내지 60시간 동안 건조하여 파우더를 얻는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The step of obtaining the powder may include filtering the precipitate and drying the powder at 40 to 60 ° C for 36 to 60 hours to obtain a powder, but the present invention is not limited thereto.
상기 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 단계는 건조된 파우더를 대기분위기에서 3 내지 6 ℃/min의 승온속도로 650 내지 750℃까지 승온시킨 후 8 내지 12시간동안 열처리하여 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. In the step of obtaining the snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO), the dried powder is heated to 650 to 750 ° C at a heating rate of 3 to 6 ° C / min in an atmospheric environment, and then heat-treated for 8 to 12 hours But is not limited to, obtaining a lithium titanium compound (LTO) in the shape of a snowflake.
상기 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)은 200 ~ 300 nm의 평균 직경을 가질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO) may have an average diameter of 200 to 300 nm, but is not limited thereto.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery using a polymer having a snow flake shape according to the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.
<실시예 1> 스노플레이크 형상을 갖는 리튬티타늄화합물(이하 'S-LTO') 합성Example 1 Synthesis of lithium titanium compound (hereinafter referred to as 'S-LTO') having a snow flake shape
스노플레이크 형상을 갖는 리튬티타늄화합물(이하 'S-LTO')은 오토클레이브를 이용한 수열합성 방법으로 합성되었다. A lithium titanium compound (hereinafter referred to as 'S-LTO') having a snow flake shape was synthesized by a hydrothermal synthesis method using an autoclave.
먼저, 플루로닉 F-127(시그마 알드리치, pluronic F-127) 2 g을 72 ㎖의 터트-부탄올(tert-butanol)에 넣고 50℃의 조건에서 3시간 동안 교반(Paste mixer, 동서과학)하여 균일한 혼합액을 준비하였다.First, 2 g of pluronic F-127 (Sigma Aldrich, pluronic F-127) was added to 72 ml of tert-butanol and the mixture was stirred at 50 ° C for 3 hours (Paste mixer, A homogeneous mixed solution was prepared.
그 후 티타늄염(titanium salt)으로써 티타늄 부톡사이드(titanium butoxide, 시그마 알드리치, 97%) 7.729 g과 리튬염(lithium salt)으로써 아세트산 리튬(lithium acetate, 시그마 알드리치, 99.95%) 1.381 g(몰비, Ti : Li = 5 : 4.4)을 혼합액에 첨가하고, 혼합액을 180℃에서 24시간 동안 오토클레이브 반응기를 이용하여 반응시켰다.Thereafter, 7.729 g of titanium butoxide (Sigma Aldrich, 97%) and 1.381 g of lithium acetate (Sigma Aldrich, 99.95%) as a lithium salt were used as a titanium salt (molar ratio: Ti : Li = 5: 4.4) was added to the mixed solution, and the mixed solution was reacted at 180 캜 for 24 hours using an autoclave reactor.
반응을 통해 얻어진 갈색의 침전물들을 필터링으로 걸러낸 후 50℃의 오븐에서 48시간 동안 건조를 진행하여, 건조된 파우더를 얻을 수 있었다.The brown precipitates obtained through the reaction were filtered out and dried in an oven at 50 ° C for 48 hours to obtain a dried powder.
얻어진 갈색의 파우더들은 결정화 과정을 위해 대기 분위기에서 5 ℃/min의 승온속도로 700℃까지 승온시켜준 뒤 10시간 동안 열처리를 통해 200 ~ 300 nm의 평균 직경을 갖는 스노플레이크 형상의 리튬티타늄화합물(S-LTO)을 합성하였다. The obtained brown powders were heated to 700 ° C. at a rate of 5 ° C./min in an air atmosphere for crystallization and then subjected to heat treatment for 10 hours to obtain a Sn-flake-shaped lithium titanium compound having an average diameter of 200 to 300 nm S-LTO) was synthesized.
<비교예 1> 나노입자 형상의 리튬티타늄화합물(이하 'N-LTO') 합성Comparative Example 1 Synthesis of nanoparticulate lithium titanium compound (hereinafter referred to as 'N-LTO')
플루로닉 F-127을 사용하지 않은 것을 제외 하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 나노입자 형상의 리튬티타늄화합물(N-LTO)을 합성하였다.A lithium titanium compound (N-LTO) in nanoparticle form was synthesized under the same conditions as in Example 1, except that Pluronic F-127 was not used.
<실험예 1> 주사전자현미경 분석<Experimental Example 1> Scanning electron microscopic analysis
플루로닉 F-127의 변수로 합성된 샘플의 형태를 알아보기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope; 이하 'SEM')을 이용하여 주사전자현미경 분석(scanning electron microscope analysis; 이하 'SEM'분석)을 수행하였고, SEM 이미지를 도 1에 나타내었다.(SEM) analysis was performed using a scanning electron microscope (SEM) to examine the morphology of the sample synthesized with the variables of Pluronic F-127. And an SEM image is shown in Fig.
구체적으로, 플루로닉 F-127을 계면 활성제(surfactant)로 사용하여 합성된 S-LTO 샘플의 저배율에서 관찰한 이미지를 확인한 결과(도 1(a) 참조), 전체적으로는 200 ~ 300 nm의 직경을 갖는 원형모양의 입자가 형성된 것을 확인 할 수 있었다.Specifically, as a result of observing images observed at a low magnification of the S-LTO sample synthesized using Pluronic F-127 as a surfactant (see FIG. 1 (a)), a diameter of 200 to 300 nm It was confirmed that the particles having a circular shape having
또한, 본 발명인 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO를 고배율로 관찰한 이미지를 확인한 결과(도 1(b) 참조), 원형모양의 입자는 스노플레이크(snowflake)와 같은 모양을 형성하고 있는 것을 확인 할 수 있었다. Further, the S-LTO synthesized according to Example 1 of the present invention was observed at a high magnification (see Fig. 1 (b)), and the spherical particles formed a shape similar to snowflake I could confirm.
상기 결과는 S-LTO 합성 중에 계면 활성제로 사용한 플루로닉 F-127가 용매인 터트-부탄올 내에서 형성된 마이셀(micelle)의 영향으로 생각할 수 있다.The above results can be considered as the influence of micelles formed in solvent-derived butanol in the presence of pluronic F-127 as a surfactant during the synthesis of S-LTO.
반면에, 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플의 SEM 이미지(도 1(d) 및 도 1(e) 참조)를 관찰한 결과, 100 ~ 200 nm의 크기의 랜덤(random)한 형상의 나노입자들이 응집(aggregation)되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 이는 플루로닉 F-127을 사용하지 않음으로 인하여 기인한 것임을 알 수 있다.On the other hand, SEM images (see FIGS. 1D and 1E) of the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 were observed. As a result, It can be seen that the nanoparticles are aggregated and this is due to the fact that the use of pluronic F-127 is not used.
<실험예 2> X-선회절 분석Experimental Example 2 X-ray diffraction analysis
S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 결정성을 알아보기 위하여 X선 회절분석(X-ray Diffraction; 이하 'XRD', Rigaku X-ray diffractometer)을 이용하여 XRD 패턴을 분석하였고, 분석 결과를 도 1(c) 및 도 1(f)에 나타내었다.XRD patterns were analyzed using X-ray diffraction (XRD) and Rigaku X-ray diffractometer in order to examine the crystallinity of S-LTO and N-LTO samples. 1 (c) and 1 (f).
구체적으로, 700℃로 열처리하는 공정을 통하여 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플 모두 높은 결정성을 확인할 수 있었으며, 면심입방구조(face centered cubic spinel)를 가진 Li4Ti5O12(JCPDS No. 49-.0207)와 일치하는 것으로 확인되었다. In particular, both the S-LTO sample and the N-LTO sample can be confirmed to have high crystallinity through the heat treatment at 700 ° C. and Li 4 Ti 5 O 12 (JCPDS No. 2 ) with a face centered cubic spinel. 49-.0207).
특히, 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플의 피크은 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 피크에 비해 상대적인 강도(intensity)가 높게 관찰되었는데, 이것은 SEM 이미지(도 1(d) 및 도 1(e) 참조)에서 관찰되었던 나노입자들이 응집된 것에 기인한다고 고려할 수 있다. In particular, the peak of the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 was observed to have a higher intensity relative to the peak of the S-LTO sample synthesized according to Example 1, which is a SEM image (Fig. 1 (d) and (See Fig. 1 (e)) can be considered to be due to aggregation of the nanoparticles.
<실험예 3> 비표면적 분석<Experimental Example 3> Specific surface area analysis
S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 정량적인 비표면적 분석을 위해 브루나우어-에메트-텔러 분석(Brunauer-Emmett-Teller 분석; 이하 'BET 분석', Micromeritics ASAP 2020)을 수행하였다. A Brunauer-Emmett-Teller analysis (hereafter, "BET analysis", Micromeritics ASAP 2020) was performed for the quantitative specific surface area analysis of S-LTO and N-LTO samples.
구체적으로, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플은 102.59 m2/g의 값을 나타내었고, 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플은 10.17 m2/g의 값을 나타내었는 바, S-LTO 샘플의 비표면적이 약 10배 가량 높게 측정 되었다(도 2 참조). Specifically, the S-LTO sample synthesized according to Example 1 showed a value of 102.59 m 2 / g, and the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 had a value of 10.17 m 2 / g, The specific surface area of the S-LTO sample was measured to be about 10 times higher (see Fig. 2).
결과적으로, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플은 결정성을 가진 샘플로 확인 되었다.As a result, the S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1 were confirmed to be samples having crystallinity.
특히, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플은 의도한 대로 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플보다 약 10배 높은 비표면적을 가진 스노플레이크 형상의 샘플로 확인되었다. In particular, the S-LTO sample synthesized according to Example 1 was identified as a Sno flake-like sample having a specific surface area about 10 times higher than that of the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 as intended.
상기 결과는 앞선 실험예 1(SEM 분석)과 실험예 2(XRD 분석)을 통해 확인된 바와 같이, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 구조와 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플의 구조의 구조적 차이에 기인하여 비표면적에 차이가 있음을 예상할 수 있고, BET 분석은 상기 구조 분석을 뒷받침 한다고 볼 수 있다.The results are shown in Table 1. The results are shown in Table 1. The results are shown in Table 1 and Table 2, respectively. As a result, the structure of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 and the N-LTO It can be expected that there is a difference in specific surface area due to the structural difference of the structure of the sample, and the BET analysis can be considered to support the above structural analysis.
<실험예 4> 전기화학적 분석<Experimental Example 4> Electrochemical analysis
1. 전기화학적 분석 방법1. Electrochemical analysis method
실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 전기화학적 분석을 위해, 슬러리는 활물질로써 각각 합성된 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플 10 중량%, 도전재로써 10 중량%의 케첸 블랙(Ketjen black), 바인더로써 10 중량%의 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; 이하 'PVDF')을 교반하여 제조하였다. 그리고 점도 조절을 위해 N-메틸피롤리돈(N-methyl-pyrrolidone; 이하 'NMP')을 첨가하였다. For electrochemical analysis of the S-LTO and N-LTO samples synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1, the slurry was analyzed by S-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1, respectively, 10 wt% of N-LTO sample, 10 wt% of Ketjen black as a conductive material, and 10 wt% of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder. N-methyl-pyrrolidone (hereinafter referred to as 'NMP') was added to adjust the viscosity.
교반된 슬러리는 셀조립을 위해 집전체인 구리 호일(Cu foil) 상에 2 밀(mil)로 캐스팅(casting) 하였으며, 수분 제거를 위해 110℃ 오븐에 12시간 동안 건조시켜 주었다. The agitated slurry was cast to 2 mils on a current collector Cu foil for cell assembly and dried in a 110 ° C oven for 12 hours to remove moisture.
그 후 집전체와 활물질의 접착력을 높여주기 위하여 제조된 전극 두께의 80 %로 롤 프레싱(roll pressing)을 진행하였고, 2032 규격의 코인 셀(coin cell)을 위해 1.32 cm2의 크기로 절단하고 70℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조를 통해 수분 제거 과정을 진행하였다. Thereafter, roll pressing was performed at 80% of the prepared electrode thickness in order to increase the adhesion between the current collector and the active material, and cut to a size of 1.32 cm 2 for a 2032 coin cell. Deg.] C for 12 hours in a vacuum oven.
코인 셀 조립은 아르곤(Ar)이 충전된 그로브 박스(<5 ppm, H2O 및 O2)에서 리튬금속(FMC Corporation, lithium metal)을 상대전극으로 하여 조립하였다. The coin cell assembly was assembled with lithium metal (FMC Corporation, lithium metal) as a counter electrode in argon (Ar) filled grove boxes (<5 ppm, H 2 O and O 2 ).
이때 양극과 음극을 분리하기 위해 폴리에틸렌(polyethylene) 소재의 다공성 분리막(Wellcos)를 사용하였으며, 전해질로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate; EC)와 디메틸 카본네이트(di-methyl carbonate; DMC)를 1 : 1의 부피비로 혼합된 용매에 1.1 M 불화인산리튬(LiPF6)(TechonoSemichem)을 녹인 전해질을 사용하였다.A porous polyethylene separator (Wellcos) was used to separate the positive and negative electrodes, and ethylene carbonate (EC) and di-methyl carbonate (DMC) were mixed at a ratio of 1: 1 (LiPF 6 ) (TechonoSemichem) was dissolved in a mixed solvent at a volume ratio of 1: 1.
조립된 셀은 멀티체널 배터리 테스터(WBCS300L, Wonatech Co., multichannel battery tester)를 이용하여 충방전 테스트를 진행하였으며, 테스트 조건은 1.0 ~ 3.0 V (vs. Li/Li+)의 범위에서 충전과 방전 사이의 30분의 휴식시간을 가지고 25℃에서 진행되었다. The assembled cells were charged and discharged using a multichannel battery tester (WBCS300L, Wonatech Co., multichannel battery tester). The test conditions were between 1.0 to 3.0 V (vs. Li / Li +) Lt; RTI ID = 0.0 > 25 C. < / RTI >
실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 충방전 평가 방법으로는 비교적 낮은 전류값인 160 mA/g의 전류밀도로 250 사이클동안 진행하여 기본적인 샘플의 안정성을 확인하였으며, 추가적으로 높은 전류값인 12800 mA/g의 전류밀도로 1000 사이클을 진행하여 높은 전류밀도에 따른 사이클 특성을 평가하였다.The S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to charge / discharge evaluation at a current density of 160 mA / g, which is a comparatively low current value, for 250 cycles, The cycle characteristics were evaluated according to the high current density by performing 1000 cycles at a current density of 12800 mA / g, which is an additional high current value.
고율특성(High-rate performance)을 평가하기 위해 다양한 전류밀도(80 ~ 25600 mA/g)에서 각 10 사이클씩 충방전을 진행하여 고율특성을 측정하였다.In order to evaluate the high-rate performance, high-rate characteristics were measured by charging / discharging at various current densities (80 to 25600 mA / g) for 10 cycles each.
2. 분석 결과2. Analysis results
도 3(a) 및 도 3(b)는 1 ~ 3 V의 전압에서 160 mA/g의 전류밀도로 250 사이클 동안 진행된 합성된 샘플의 충방전 그래프의 다양한 사이클을 나타낸 도면이다.Figures 3 (a) and 3 (b) show various cycles of the charge / discharge graph of the synthesized sample, which was carried out for 250 cycles at a current density of 160 mA / g at a voltage of 1 to 3 V.
구체적으로, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플 모두 방전 그래프의 약 1.55 V 부근에서 LTO와 리튬이온(Li ion)의 삽입 과정을 나타내는 평탄곡선을 나타내고 있으며, 충전 그래프에서도 LTO와 리튬이온의 이론적인 탈리 전압인 약 1.6 V 부근에서 평탄곡선을 관찰할 수 있다.Specifically, both the S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1 exhibit a flat curve indicating the insertion process of LTO and lithium ion at about 1.55 V in the discharge graph , And the flatness curve can be observed in the charging graph in the vicinity of about 1.6 V, which is the theoretical desorption voltage of LTO and lithium ion.
도 3(c)는 충전/방전 과정을 250 cycle동안 진행되면서 관찰된 각 사이클의 용량을 나타낸 도면이다. FIG. 3 (c) shows the capacity of each cycle observed during 250 cycles of the charge / discharge cycle.
구체적으로, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 방전용량 유지율(discharge capacity retention)은 각각 94.9%(S-LTO)와 93.6%(N-LTO)로 나타냈고, 이 값은 큰 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이는 LTO 물질의 고유의 높은 안정성에 기인한 것임을 알 수 있다.Specifically, the discharge capacity retention of the S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1 was 94.9% (S-LTO) and 93.6% (N-LTO) And it can be seen that this value does not make a large difference, which is due to the intrinsic high stability of the LTO material.
하지만, 평균 용량을 비교하였을 때, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플은 160.25 mAh/g의 평균 용량값을 나타내었고, 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플은 147.73 mAh/g의 평균 용량값을 나타내었는 바, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플이 비교적 높은 용량을 나타내었음을 확인하였다.However, when comparing the average capacities, the S-LTO sample synthesized according to Example 1 showed an average capacity of 160.25 mAh / g, and the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 had a capacity of 147.73 mAh / g And the S-LTO sample synthesized according to Example 1 exhibited a relatively high capacity.
추가적으로, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 높은 비표면적이 가져오는 이점을 확인하기 위해 충방전의 전류밀도가 점차 증가함에 따라 용량의 변화를 관찰 하는 율속특성에 대한 결과를 도 3(d)에 나타내었다. In addition, in order to confirm the advantages of the high specific surface area of the S-LTO sample synthesized according to Example 1, the results of the rate-dependence characteristic of observing the change in capacitance as the current density of charge and discharge gradually increases is shown in Fig. 3 d).
구체적으로, 0.46 C-rate(80 mA/g)에서 524 C-rate(25600 mA/g)까지 점차 전류밀도를 증가시키면서 각 10 사이클씩 충방전을 진행한 결과, 비교적 높은 C-rate인 143 C-rate(12800 mA/g)부터 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 용량 차이가 발생하는 것을 확인하였다.Specifically, as the charge and discharge cycles were progressed for 10 cycles with increasing current density from 0.46 C-rate (80 mA / g) to 524 C-rate (25600 mA / g), the relatively high C- -rate (12800 mA / g), the capacity difference between the S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1 occurred.
이때 가장 높은 C-rate인 524 C-rate(25600 mA/g)의 전류 밀도에서 평균 용량을 계산해보면 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플은 93.33 mA/g, 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플은 48.84 mA/g으로 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 평균 용량이 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플보다 52% 향상된 결과를 나타냈다.The S-LTO sample synthesized according to Example 1 was found to have a density of 93.33 mA / g, which was synthesized according to Comparative Example 1, and the average capacity was calculated at a current density of 524 C-rate (25600 mA / The N-LTO sample had an average capacity of 48.84 mA / g and the average capacity of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 was 52% higher than that of the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1.
일반적으로 높은 비표면적을 가진 샘플은 전해질-계면 반응의 향상유도 할 수 있고, 계면저항 또한 감소되는 효과를 가져올 수 있다. In general, a sample having a high specific surface area can induce an improvement in the electrolyte-interface reaction, and the interface resistance can also be reduced.
또한, 비교적 입자 크기가 큰 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플은 높은 전류밀도에서 빠른 속도로 충방전을 진행하였을 때, 짧은 시간 내에 입자 전체로 리튬 이온의 완전히 삽입-탈리가 진행되기 어려우며, 전자 또한 입자의 중심부에서 최외곽까지 이동하는 거리가 길어지기 때문에 충방전 반응 과정 중에 어려움을 겪는다. In addition, when the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 having a relatively large particle size was charged and discharged at a high current density at a high current density, it was difficult to completely insert and desorb lithium ions into the entire particle within a short time , And electrons also have difficulty in charge / discharge reaction because the distance from the center to the outermost part of the particle becomes longer.
반면에, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 경우 스노플레이크 형상을 이루고 있는 약 10 nm 정도의 얇은 입자 모양으로 인해 리튬 이온의 삽입-탈리 거리가 상대적으로 짧아지기 때문에 높은 전류밀도에서도 활물질 전체에 리튬 이온이 비교적 쉽게 확산될 수 있다. On the other hand, in the case of the S-LTO sample synthesized according to Example 1, since the insertion-desorption distance of the lithium ion is relatively short due to the thin particle shape of about 10 nm which is in the shape of snow flake, The lithium ion can be diffused relatively easily throughout.
이러한 결과는 앞선 충방전 결과에서 설명한 바와 같이, 리튬티타늄화합물의 구조적 특징에 따른 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 낮은 계면저항과 관계가 있으며, 정량적인 계면저항을 분석하기 위해 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 임피던스를 측정하였다.These results are related to the low interfacial resistance of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 according to the structural characteristics of the lithium titanium compound as described in the previous charge and discharge results, and in order to analyze the quantitative interfacial resistance, 1 and Comparative Example 1, and the S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Comparative Example 1 were measured.
도 4는 임피던스 분석을 통해 얻어진 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이며, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플과 N-LTO 샘플의 160 mA/g의 전류밀도로 5 사이클, 및 250 사이클에서 측정하여 나타낸 도면이다.4 is a Nyquist plot obtained through impedance analysis. The S-LTO sample and the N-LTO sample synthesized according to Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to 5 cycles at a current density of 160 mA / g, And 250 cycles.
구체적으로, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플은 5 사이클, 및 250 사이클에서 각각 19.69 ohm, 및 13.84 ohm으로 나타났으며, 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 샘플은 각각 32.22 ohm, 및 23.72 ohm으로 나타났다.Specifically, the S-LTO sample synthesized according to Example 1 showed 19.69 ohms and 13.84 ohms at 5 cycles and 250 cycles, respectively, and the N-LTO samples synthesized according to Comparative Example 1 were 32.22 ohms, And 23.72 ohm.
모든 사이클에서, 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 계면저항(Rct)이 비교예 1에 따라 합성된 N-LTO 보다 낮게 측정되었다. In all cycles, the interfacial resistance (Rct) of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 was measured lower than that of N-LTO synthesized according to Comparative Example 1.
상기 결과는 앞선 충방전 결과의 원인인 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 구조적 특징으로 계면저항이 낮아짐을 의미하는 것이며, 결론적으로 실시예 1에 따라 합성된 S-LTO 샘플의 스노플레이크 형상은 높은 비표면적으로 인한 전극-전해질 계면적의 향상을 유도하고, 그것은 계면저항을 감소시켜 높은 전기화학특성을 나타낸다고 할 수 있다.The above results indicate that the interfacial resistance is lowered due to the structural characteristic of the S-LTO sample synthesized according to Example 1 which is the cause of the preceding charge / discharge result. Consequently, the S-LTO sample SnO flakes The shape leads to the improvement of the area of the electrode-electrolyte system due to the high specific surface area, and it can be said that it exhibits high electrochemical characteristics by reducing the interface resistance.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
Claims (11)
상기 혼합용액에 티타늄염 화합물 및 리튬염 화합물을 5 : (4 ~ 6)의 몰비로 혼합한 후 150 내지 210℃에서 18 내지 30시간 동안 반응시켜 침전물을 형성하는 단계;
상기 침전물을 필터링한 후 건조하여 파우더를 얻는 단계; 및
상기 건조된 파우더를 대기분위기에서 승온시킨 후 열처리하여 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 단계;
를 포함하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.Preparing a mixed solution by dissolving the polymer in a solvent;
Mixing the titanium salt compound and the lithium salt compound in the mixed solution at a molar ratio of 5: (4 to 6) and reacting at 150 to 210 ° C for 18 to 30 hours to form a precipitate;
Filtering the precipitate and drying to obtain a powder; And
Heating the dried powder in an atmospheric environment and then performing heat treatment to obtain a snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO);
Wherein the negative active material for a lithium secondary battery is formed by using a polymer having a snow flake shape.
상기 고분자는,
플루로닉 F-68(pluronic F-68) 또는 플루로닉 F-127(pluronic F-127) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The polymer may be,
A method for preparing an anode active material for a lithium secondary battery, comprising using a polymer having a snow flake shape, wherein the polymer is any one of pluronic F-68 and pluronic F-127.
상기 용매는,
n-부탄올(n-butanol) 또는 터트-부탄올(tert-butanol) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The solvent may be,
wherein the anode active material is any one selected from the group consisting of n-butanol and tert-butanol.
상기 혼합용액을 준비하는 단계는,
고분자를 용매에 첨가하고 40 내지 60℃에서 2 내지 4시간 동안 교반하여 용해시켜 혼합용액을 준비하는 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The step of preparing the mixed solution includes:
A method for preparing a negative active material for a lithium secondary battery, the method comprising: adding a polymer to a solvent and dissolving the mixture at 40 to 60 ° C for 2 to 4 hours to prepare a mixed solution.
상기 티타늄염 화합물은,
티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide) 및 티타늄 부톡사이드(titanium butoxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The titanium salt compound,
The anode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the anode is made of a material selected from the group consisting of titanium isopropoxide, titanium ethoxide and titanium butoxide. A method for manufacturing an active material.
상기 리튬염 화합물은,
아세트산 리튬 (lithium acetate), 질산 리튬 (lithium nitrate), 황산 리튬 (lithium sulphate), 및 염화 리튬 (LiCl)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The lithium salt compound,
The lithium secondary battery according to any one of the preceding claims, wherein the lithium secondary battery is any one selected from the group consisting of lithium acetate, lithium nitrate, lithium sulphate, and lithium chloride (LiCl) A method for manufacturing a negative electrode active material for a battery.
상기 파우더를 얻는 단계는,
상기 침전물을 필터링한 후 40 내지 60℃에서 36 내지 60시간 동안 건조하여 파우더를 얻는 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The step of obtaining the powder may include:
Wherein the precipitate is filtered and dried at 40 to 60 ° C for 36 to 60 hours to obtain a powder. The method for producing a negative active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
상기 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 단계는,
건조된 파우더를 대기분위기에서 3 내지 6 ℃/min의 승온속도로 650 내지 750℃까지 승온시킨 후 8 내지 12시간동안 열처리하여 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)을 얻는 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The step of obtaining the snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO)
The dried powder is heated in an atmospheric environment at a temperature rising rate of 3 to 6 ° C / min to 650 to 750 ° C and then heat-treated for 8 to 12 hours to obtain a snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO) A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery using a polymer having a snow flake shape.
상기 스노플레이크(snowflake) 형상의 리튬티타늄화합물(LTO)은,
200 ~ 300 nm의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 스노플레이크 형상을 갖는 고분자를 이용한 리튬 이차전지용 음극활물질 제조방법.The method according to claim 1,
The snowflake-shaped lithium titanium compound (LTO)
Wherein the anode active material has an average diameter of 200 to 300 nm.
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GRNT | Written decision to grant |