KR101922920B1 - A method for manufacturing an anode active material for lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수열합성 시 일정 조성의 혼합용매를 이용하여 음극활물질의 형태와 구조를 조절함으로써 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for preparing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a process for preparing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which can improve the electrochemical characteristics of a lithium secondary battery by controlling the shape and structure of the negative electrode active material, To a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 리튬이차전지의 적용 분야가 확대되면서 고전력, 대용량, 장수명 리튬이차전지에 대한 수요가 증대하고 있다. 이는 고효율, 저비용, 및 생산성을 만족하는 리튬이차전지 재료에 대한 연구개발로 이어지고 있다.As the application fields of lithium secondary batteries such as portable electronic devices and electric vehicles are expanded, demand for high power, large capacity, and long life lithium secondary batteries is increasing. This leads to research and development of lithium secondary battery materials that satisfy high efficiency, low cost, and productivity.
리튬이차전지용 음극활물질로 사용되는 금속산화물은 이론 용량이 높고 환경친화적인 반면에, 충방전을 반복함에 따라 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.The metal oxide used as an anode active material for a lithium secondary battery has a high theoretical capacity and is environmentally friendly, but has a problem in that the capacity is rapidly reduced as the charge and discharge are repeated.
이러한 금속산화물 중 산화철(FexOy)은 기공도와 비표면적의 측면에서 풍부한 활성부위를 제공하는 장점이 있으며, 그 중 적철석(α-Fe2O3), 자철석(Fe2O4), 마그헤마이트(γ-Fe2O3)가 리튬이차전지용 음극활물질로 연구된 바 있다.Among these metal oxides, iron oxide (Fe x O y ) has an advantage in providing a rich active site in terms of porosity and specific surface area. Of these, iron oxide (Fe 2 O 3 ), magnetite (Fe 2 O 4 ) Hemite (γ-Fe 2 O 3 ) has been studied as an anode active material for lithium secondary batteries.
특히, 적철석(α-Fe2O3)은 전기전도도가 높고 밴드갭이 낮은 등 전기화학적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 친환경성, 경제성의 측면에서도 유리한 장점이 있다.Particularly, hematite (α-Fe 2 O 3 ) is advantageous not only in terms of electrochemical properties such as high electric conductivity and low band gap, but also in environmental friendliness and economy.
종래 물을 매질로 한 수열합성법을 이용하여 철 전구체로부터 적철석을 제조, 합성하는 방법이 제안되었으나, 적철석의 합성에 약 20시간 이상의 장시간이 소요되고, 제조된 적철석의 구조, 형태를 균일하게 제어하기 어려워 선택성, 재현성, 신뢰성이 낮으며, 이를 통해 제조된 적철석을 리튬이차전지용 음극활물질로 적용 시 리튬이차전지의 전기화학적 특성 및 수명 특성을 안정적으로 구현하기 어려운 문제가 있다.Conventionally, a method of preparing and synthesizing hematite from an iron precursor using a hydrothermal synthesis method using water as a medium has been proposed. However, it takes about 20 hours or longer to synthesize hematite and uniform control of the structure and morphology of hematite The selectivity, reproducibility and reliability of the lithium secondary battery are low. Therefore, when the hematite prepared through the above process is applied to the anode active material for a lithium secondary battery, it is difficult to stably realize the electrochemical characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단시간 내에 균일한 구조, 형태를 가지는 적철석을 제조하고, 이를 리튬이차전지용 음극활물질로 적용 시 리튬이차전지의 전기화학적 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a method for preparing a hematite having uniform structure and shape within a short time and applying the same to an anode active material for a lithium secondary battery, And a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery capable of improving lifetime characteristics.
본 발명의 일 측면은, (a) 철 전구체를 물 및 극성 유기용매가 각각 1 : 0.1~1의 중량비로 혼합된 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 전구체 용액을 100~250℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 구형의 적철석 입자를 제조하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공한다.(A) dissolving an iron precursor in a solvent mixed with water and a polar organic solvent in a weight ratio of 1: 0.1 to 1, respectively, to prepare a precursor solution; And (b) heat treating the precursor solution at 100 to 250 ° C for 1 to 10 hours to prepare spherical hematite particles.
일 실시예에 있어서, 상기 철 전구체는 철의 염화물, 질산염, 황산염 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the iron precursor may be selected from the group consisting of chloride, nitrate, sulfate, and mixtures of two or more thereof.
일 실시예에 있어서, 상기 극성 유기용매는 알코올일 수 있다.In one embodiment, the polar organic solvent may be an alcohol.
일 실시예에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the alcohol may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol, and mixtures of two or more thereof.
일 실시예에 있어서, 상기 적철석 입자는 평균 직경이 100~700nm인 메조포러스 입자일 수 있다.In one embodiment, the hematite particles may be mesoporous particles having an average diameter of 100 to 700 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 적철석 입자는 비표면적이 50~500m2/g일 수 있다.In one embodiment, the hematite particles may have a specific surface area of 50 to 500 m 2 / g.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative active material for a lithium secondary battery, which is produced by the above method.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 리튬이차전지용 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the slurry including the negative electrode active material for a lithium secondary battery, a binder, and a conductive material is applied to a current collector.
일 실시예에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, , Ethylene-propylene (EPDM) rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and mixtures of two or more thereof.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로 70~95중량%일 수 있다.In one embodiment, the content of the negative electrode active material for the lithium secondary battery may be 70 to 95% by weight based on the total weight of the slurry.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수열합성 시 일정 조성의 혼합용매를 이용하여 적철석(α-Fe2O3)으로 이루어진 음극활물질의 형태와 구조를 조절함으로써 리튬이차전지의 전기화학적 특성 및 수명 특성을 현저히 향상시킬 수 있다.According to one aspect of the present invention, by controlling the shape and structure of an anode active material composed of hematite (α-Fe 2 O 3 ) using a mixed solvent of a certain composition during hydrothermal synthesis, the electrochemical characteristics and life characteristics Can be remarkably improved.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the effects described above, but include all effects that can be deduced from the description of the invention or the composition of the invention set forth in the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 도식화한 것이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지에서 리튬이온의 거동을 도식화한 것이고;
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 XRD(X-ray diffraction) 분석결과이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 FE-SEM 이미지이고;
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 HR-라만 스펙트럼 및 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy, X선 광전자 분광법) 분석결과이고;
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 HR-TEM(high resolution transmission electron microscope) 이미지이고;
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 질소 흡착/탈착(adsorption/desorption) 등온선이고;
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극의 전압에 대한 미분용량을 나타낸 그래프이고;
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극의 순환 성능 분석결과를 나타낸다.1 is a schematic view illustrating a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and one comparative example;
FIG. 2 is a graphical representation of the behavior of lithium ions in a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention; FIG.
3 is a result of X-ray diffraction (XRD) analysis of an anode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention and one comparative example;
4 is an FE-SEM image of an anode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention and one comparative example;
5 is a graph showing the results of HR-Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and one comparative example;
6 is a HR-TEM (high resolution transmission electron microscope) image of an anode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention and one comparative example;
7 is a nitrogen adsorption / desorption isotherm for an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and one comparative example;
8 is a graph showing a differential capacitance with respect to a voltage of a negative electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and one comparative example;
FIG. 9 and FIG. 10 show results of analysis of circulation performance of a negative electrode for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention and one comparative example.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 측면은, (a) 철 전구체를 물 및 극성 유기용매가 각각 1 : 0.1~1의 중량비로 혼합된 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 전구체 용액을 100~250℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 구형의 적철석 입자를 제조하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공한다.(A) dissolving an iron precursor in a solvent mixed with water and a polar organic solvent in a weight ratio of 1: 0.1 to 1, respectively, to prepare a precursor solution; And (b) heat treating the precursor solution at 100 to 250 ° C for 1 to 10 hours to prepare spherical hematite particles.
종래 물을 매질로 한 수열합성법을 이용하여 철 전구체로부터 적철석을 제조, 합성하는 방법이 제안되었으나, 적철석의 합성에 약 20시간 이상의 장시간이 소요되고, 제조된 적철석의 구조, 형태를 균일하게 제어하기 어려워 선택성, 재현성, 신뢰성이 낮으며, 이를 통해 제조된 적철석을 리튬이차전지용 음극활물질로 적용 시 리튬이차전지의 전기화학적 특성 및 수명 특성을 안정적으로 구현하기 어려운 문제가 있다.Conventionally, a method of preparing and synthesizing hematite from an iron precursor using a hydrothermal synthesis method using water as a medium has been proposed. However, it takes about 20 hours or longer to synthesize hematite and uniform control of the structure and morphology of hematite The selectivity, reproducibility and reliability of the lithium secondary battery are low. Therefore, when the hematite prepared through the above process is applied to the anode active material for a lithium secondary battery, it is difficult to stably realize the electrochemical characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery.
이에 대해, 상기 (a) 단계에서 사용된 용매는 물에 일정 량의 극성 유기용매가 혼합된 것으로서, 상기 극성 유기용매는 반응매질인 물에 첨가되어 용매의 극성을 조절함으로써, 철 이온의 응집 메커니즘과 그에 따라 형성되는 중간체(나노구체, 나노클러스터 등) 및 최종 생성물인 적철석 입자의 형태, 구조를 조절할 수 있다.On the other hand, the solvent used in the step (a) is a mixture of water and a certain amount of a polar organic solvent. The polar organic solvent is added to water as a reaction medium to control the polarity of the solvent, And intermediates (nanospheres, nanoclusters, etc.) formed thereby and the shape and structure of the hematite particles as final products.
상기 용매는 물 및 극성 유기용매가 각각 1 : 0.1~1의 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 상기 물에 대한 극성 유기용매의 중량비가 0.1 미만이면 구형의 메조포러스 적철석 입자를 얻을 수 없고, 1 초과이면 수열합성을 위한 반응매질인 물의 상대적인 함량이 적어져 합성 시 적철석 입자의 선택도가 낮아질 수 있다. The solvent may be a mixture of water and a polar organic solvent in a weight ratio of 1: 0.1 to 1, respectively. If the weight ratio of the polar organic solvent to the water is less than 0.1, spherical mesoporous hematite particles can not be obtained. If the weight ratio is more than 1, the relative content of water as a reaction medium for hydrothermal synthesis is decreased, have.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 도식화한 것이다. 도 1을 참고하면, 수열합성(hydrothermal synthesis)을 이용한 적철석(α-Fe2O3) 입자의 제조 시 사용되는 용매의 조성, 예를 들어, 물에 대한 에탄올의 혼합 여부에 따른 적철석(α-Fe2O3) 입자의 형태는 구형 및 정육면체형으로 구분될 수 있다.1 is a schematic view illustrating a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and one comparative example. 1, the composition of a solvent used in the production of hematite (α-Fe 2 O 3 ) particles by hydrothermal synthesis, for example, a mixture of hematite (α- Fe 2 O 3 ) particles can be classified into spherical and cubic forms.
본 명세서에 사용된 용어, "구형"은 완전한 구형뿐만 아니라, 일 영역이 변형되거나 일 단면이 타원형이나 전체적인 형태가 실질적으로 구형인 경우를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어, "정육면체형"은 완전한 정육면체형뿐만 아니라, 꼭지점 또는 모서리 영역에 일부 곡면을 포함하나 전체적인 형태가 실질적으로 정육면체 또는 직육면체인 경우를 포함하는 경우를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.As used herein, the term "spherical" can be understood not only as a complete sphere but also as a concept involving the case where one region is deformed or one side is oval or the overall shape is substantially spherical. As used herein, the term "cube shape" includes not only a complete cube shape but also a case in which the curved surface includes a part of a curved surface in a vertex or an edge area, but includes a case where the overall shape is substantially a cube or a rectangular parallelepiped. .
먼저, 철 전구체 및 암모니아를 물 및 에탄올이 혼합된 용매에 용해시키면, 철 이온의 표면에 암모니아 및 에탄올이 동시에 결합하고, 수열합성 조건 하에서 입자의 표면 에너지를 감소시키기 위해 이들이 상호 응집되어 적철석 나노클러스터(nanocluster)가 형성된다. 상기 적철석 나노클러스터는 미리 정해진 조건에 따라 수열합성을 거치면서 크기가 증가하여 최종적으로 약 600nm 크기의 구형의 균일한 메조포러스 적철석 입자가 생성된다. 이러한 구형의 적철석 입자가 생성되는 과정은 오스왈드 숙성(Ostwald ripening)에 의해 설명될 수 있다.First, when the iron precursor and ammonia are dissolved in a mixed solvent of water and ethanol, ammonia and ethanol are simultaneously bonded to the surface of the iron ion, and they are mutually agglomerated to reduce the surface energy of the particles under hydrothermal synthesis conditions, (nanoclusters) are formed. The hematite nanocluster increases in size under hydrothermal synthesis according to predetermined conditions, and finally spherical mesoporous hematite particles of about 600 nm in size are produced. The process by which these spherical hematite particles are produced can be explained by Ostwald ripening.
반면, 철 전구체 및 암모니아를 물로 이루어진 단일 용매에 용해시키면, 철 이온의 표면에 암모니아만 결합하고, 수열합성 조건 하에서 적철석 나노결정이 방향성 부착(oriented attachment)에 의해 정육면체형의 적철석 입자를 생성한다.On the other hand, when the iron precursor and the ammonia are dissolved in a single solvent composed of water, only ammonia is bonded to the surface of the iron ion, and the hematite nanocrystals under the hydrothermal synthesis conditions form hexahedral hematite particles by oriented attachment.
상기 철 전구체는 철의 염화물, 질산염, 황산염 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 철의 염화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The iron precursor may be one selected from the group consisting of iron chloride, nitrate, sulfate, and a mixture of two or more thereof, preferably iron chloride, but is not limited thereto.
상기 극성 유기용매는 알코올일 수 있고, 예를 들어, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으며, 바람직하게는, 에탄올일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The polar organic solvent may be an alcohol and may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol and mixtures of two or more thereof, Ethanol, but is not limited thereto.
상기 적철석 입자는 평균 직경이 100~700nm, 비표면적이 50~500m2/g인 메조포러스 입자일 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "메조포러스(mesoporous) 입자"는 평균 직경이 약 2~50nm인 복수의 기공을 포함하는 입자를 의미한다. 상기 적철석 입자의 평균 직경이 100nm 미만이거나 비표면적이 500m2/g 초과이면 전해질과의 반응성이 과도하게 커져 전지의 전기화학적 특성을 제어하기 어렵고, 평균 직경이 700nm 초과이거나 비표면적이 50m2/g 미만이면 리튬이온의 저장, 이동을 위한 충분한 활성부위를 제공하기 어렵다.The hematite particles may be mesoporous particles having an average diameter of 100 to 700 nm and a specific surface area of 50 to 500 m 2 / g. As used herein, the term "mesoporous particle" means a particle comprising a plurality of pores having an average diameter of about 2-50 nm. When the average diameter of the hematite particles is less than 100 nm or the specific surface area is more than 500 m 2 / g, the reactivity with the electrolyte becomes excessively large, so that it is difficult to control the electrochemical characteristics of the battery and the average diameter exceeds 700 nm or the specific surface area is 50 m 2 / g , It is difficult to provide sufficient active sites for storage and transportation of lithium ions.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 방법에 의해 제조된 리튬이차전지용 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the slurry containing the negative electrode active material for a lithium secondary battery, the binder and the conductive material prepared by the above method is applied to a current collector.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 폴리비닐리덴플루오라이드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더의 함량은 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 1~15중량%, 바람직하게는 5~13중량%일 수 있다.The binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ) Rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and a mixture of two or more thereof, preferably polyvinylidene fluoride, but is not limited thereto. The content of the binder may be 1 to 15% by weight, preferably 5 to 13% by weight, based on the total weight of the slurry.
상기 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재가 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼니스블랙, 램프블랙, 서머블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 전도성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 전도성 위스키; 산화 티탄 등의 전도성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 소재일 수 있다. 상기 도전재의 함량은 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 1~30중량%, 바람직하게는, 5~20중량%일 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the conductive material may be graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Polyphenylene derivatives, and the like. The content of the conductive material may be 1 to 30 wt%, preferably 5 to 20 wt%, based on the total weight of the slurry.
상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로 70~95중량%일 수 있다. 상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 70중량% 미만이면 전지의 수명 특성 및 전도성이 저하될 수 있고, 95중량% 초과이면 바인더, 도전재의 함량이 상대적으로 감소하여 접착력이 저하될 수 있다.The content of the negative electrode active material for a lithium secondary battery may be 70 to 95% by weight based on the total weight of the slurry. If the content of the negative electrode active material for a lithium secondary battery is less than 70% by weight, the life characteristics and conductivity of the battery may be deteriorated. If the content is more than 95% by weight, the content of the binder and the conductive material may be decreased.
상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체가 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등일 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 3㎛ 내지 500㎛일 수 있다.The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the current collector may be a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel, aluminum-cadmium alloy, . In addition, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material and can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric. The current collector may have a thickness of 3 탆 to 500 탆.
리튬이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침된 구조로 이루어질 수 있다.The lithium secondary battery may have a structure in which a lithium salt-containing electrolyte is impregnated in an electrode assembly having a separator interposed between an anode and a cathode.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01㎛ 내지 10㎛이고, 두께는 5㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막이 내화학성 및 소수성 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등일 수 있다. 또한, 전해질로 폴리머 등의 고체전해질이 사용되는 경우에는 고체전해질이 분리막 역할을 수행할 수도 있다.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength can be used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 탆 to 10 탆, and the thickness may be 5 탆 to 300 탆. For example, the separator may be an olefinic polymer such as a chemical resistant and hydrophobic polypropylene; A sheet or a nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene, or the like. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may serve as a separator.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어지고, 상기 전해액이 물, 비수계 유기용매, 유기 고체전해질, 무기 고체전해질 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The lithium salt-containing electrolytic solution is composed of an electrolytic solution and a lithium salt, and the electrolytic solution may be water, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like, but is not limited thereto.
상기 비수계 유기용매가 N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 감마-부틸로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산메틸, 초산메틸, 인산트리에스테르, 트리메톡시메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산메틸, 프로피온산에틸 등의 비양자성 유기용매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the non-aqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -butylolactone, 1,2-dimethoxyethane, The organic solvent is selected from the group consisting of franc, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, , Trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate, ethyl propionate But may not be limited to, non-magnetic organic solvents.
상기 유기 고체전해질이 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌옥사이드 유도체, 폴리프로필렌옥사이드 유도체, 인산에스테르폴리머, 폴리에지테이션리신(agitation lysine), 폴리에스테르술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the organic solid electrolyte is selected from the group consisting of a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene, But it is not limited thereto.
상기 무기 고체전해질이 Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li 질화물, 할로겐화물, 황산염 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the inorganic solid electrolyte is selected from the group consisting of Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI -LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 and the like, but the present invention is not limited thereto.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해될 수 있는 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급 지방족카르본산리튬, 4 페닐붕산리튬, 이미드 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The lithium salt is a substance which can be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4 ,
상기 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등을 개선하기 위해 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜디알킬에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올, 삼염화알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 또한, 상기 전해액에 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 첨가될 수 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산가스, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 첨가할 수도 있다.The electrolytic solution may contain at least one selected from the group consisting of pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexametriacetamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinoneimine Dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride and the like may be added. Further, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride can be further added to impart nonflammability to the electrolyte solution, and carbon dioxide gas, FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS (Propene sultone ) May be further added.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
실시예Example
탈이온수 50ml 및 에탄올 25ml로 이루어진 용매에 0.2M 염화철(FeCl3·6H2O) 및 암모니아수를 첨가한 후 30분 간 교반하였다. 제조된 용액을 80ml 테프론 코팅된 스테인레스 스틸 오토클레이브에 투입하고 180℃에서 3시간 동안 열처리한 후 상온으로 냉각한 다음 원심분리기를 이용하여 흑갈색의 침전물을 얻었다. 상기 침전물을 탈이온수 및 에탄올로 3회 세척하고, 침전물만 남을 때까지 100℃에서 10시간 동안 건조시킨 후, 500℃에서 4시간 동안 하소하여 구형의 적철석(α-Fe2O3) 입자(이하, "SFO")를 제조하였다.0.2 M iron chloride (FeCl 3 .6H 2 O) and ammonia water were added to a solvent composed of 50 ml of deionized water and 25 ml of ethanol, followed by stirring for 30 minutes. The prepared solution was put into an 80 ml Teflon-coated stainless steel autoclave and heat-treated at 180 ° C for 3 hours, cooled to room temperature, and then a dark brown precipitate was obtained using a centrifuge. The precipitate was washed three times with deionized water and ethanol, dried at 100 ° C for 10 hours until only the precipitate remained, and then calcined at 500 ° C for 4 hours to obtain spherical hematite (α-Fe 2 O 3 ) particles , "SFO").
비교예Comparative Example
탈이온수 50ml에 0.2M 염화철(FeCl3·6H2O) 및 암모니아수를 첨가한 후 30분 간 교반하였다. 제조된 용액을 80ml 테프론 코팅된 스테인레스 스틸 오토클레이브에 투입하고 180℃에서 3시간 동안 열처리한 후 상온으로 냉각한 다음 원심분리기를 이용하여 흑갈색의 침전물을 얻었다. 상기 침전물을 탈이온수로 3회 세척하고, 침전물만 남을 때까지 100℃에서 10시간 동안 건조시킨 후, 500℃에서 4시간 동안 하소하여 정육면체형의 적철석(α-Fe2O3) 입자(이하, "CFO")를 제조하였다.0.2M iron chloride (FeCl 3 .6H 2 O) and ammonia water were added to 50 ml of deionized water, and the mixture was stirred for 30 minutes. The prepared solution was put into an 80 ml Teflon-coated stainless steel autoclave and heat-treated at 180 ° C for 3 hours, cooled to room temperature, and then a dark brown precipitate was obtained using a centrifuge. The precipitate was washed with deionized water three times, dried at 100 ° C. for 10 hours until only the precipitate remained, and then calcined at 500 ° C. for 4 hours to obtain cubic hematite (α-Fe 2 O 3 ) "CFO").
실험예Experimental Example 1: One: XRDXRD 분석 analysis
도 3은 SFO 및 CFO에 대한 XRD(X-ray diffraction) 분석결과를 나타낸다. 도 3을 참고하면, SFO 및 CFO는 모두 24.29°, 33.28°. 35.74°, 40.97°, 43.69°, 49.55°, 54.23°, 57.71°, 62.54°, 64.08°, 72.03° 및 75.51°에서 피크가 나타나고, 이는 능면체 결정계(rhombohedral crystal system)를 가지는 적철석(JCPDS-13-0534)에서 나타나는 피크에 상응한다. SFO 및 CFO에서 관찰된 피크는 양 물질의 양호한 결정성 및 순도를 나타낸다.Figure 3 shows XRD (X-ray diffraction) analysis results for SFO and CFO. Referring to FIG. 3, both SFO and CFO are 24.29 DEG and 33.28 DEG. Peaks appear at 35.74 °, 40.97 °, 43.69 °, 49.55 °, 54.23 °, 57.71 °, 62.54 °, 64.08 °, 72.03 ° and 75.51 ° and this is due to the formation of hematite with a rhombohedral crystal system (JCPDS-13 -0534). ≪ / RTI > The peaks observed in SFO and CFO indicate good crystallinity and purity of both materials.
실험예Experimental Example 2: FE- 2: FE- SEMSEM 분석 analysis
도 4는 SFO 및 CFO에 대한 FE-SEM 이미지이다. 도 4(a)-(i) 내지 (iv)를 참고하면 CFO는 모서리 또는 꼭지점에 일부 곡면을 가지지만 전체적으로 정육면체형을 가지는 반면에, 도 4(c)-(i) 내지 (iv)를 참고하면 SFO는 모서리 또는 꼭지점이 전혀 나타나지 않는 구형이다. 이를 통해, 수열합성 과정에서 사용된 용매의 조성이 결정 구조의 핵생성(nucleation)과 배향(orientation), 및 그에 따른 입자의 형태를 결정하는 중요한 인자임을 알 수 있다.Figure 4 is an FE-SEM image for SFO and CFO. Referring to Figures 4 (a) - (i) to (iv), the CFO has some curved surfaces at corners or vertices, but has a cube shape as a whole, while Figures 4 (c) - (i) SFO is a spherical shape with no edges or vertices at all. Thus, it can be seen that the composition of the solvent used in the hydrothermal synthesis process is an important factor determining the nucleation and orientation of the crystal structure, and thus the shape of the particles.
실험예Experimental Example 3: 3: 라만스펙트럼Raman Spectrum 분석 analysis
도 5(a)는 SFO 및 CFO에 대한 HR-라만 스펙트럼이다. 도 5(a)를 참고하면, SFO 및 CFO는 모두225cm-1, 245cm-1, 293cm-1, 410cm-1, 395cm-1, 613cm-1 및 1,320cm-1의 파수에서 7개의 피크가 나타나고, 이를 통해 SFO 및 CFO가 다른 임의의 철 산화물, 철 수산화물이 아닌, 적철석(α-Fe2O3)임을 알 수 있다.Figure 5 (a) is the HR-Raman spectrum for SFO and CFO. When reference to Fig. 5 (a), SFO and CFO are all 225cm -1, 245cm -1, 293cm -1 , 410cm -1, 395cm -1, 613cm -1 , and the seven peaks appeared at a wave number of 1,320cm -1 , Indicating that SFO and CFO are hematite (α-Fe 2 O 3 ), not any other iron oxide, iron hydroxide.
실험예Experimental Example 4: 4: XPSXPS 분석 analysis
도 5(b) 내지 5(d)는 SFO에 대한 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy, X선 광전자 분광법) 분석결과를 나타낸다.5 (b) to 5 (d) show X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results for SFO.
도 5(b)는 SFO에 대한 전체 분석결과를 나타내며, 여기서 Fe, O, Si, N에 상응하는 피크가 관찰된다. N 및 Si 피크는 각각 대기 중의 질소 및 기판에서 유래한 것이다.FIG. 5 (b) shows the result of the total analysis for SFO, where a peak corresponding to Fe, O, Si, N is observed. The N and Si peaks are from the atmospheric nitrogen and the substrate, respectively.
도 5(c)는 SFO의 Fe 2p3 /2 및 Fe 2p1 /2 오비탈의 XPS 스펙트럼을 나타낸다. Fe 2p1 /2 오비탈의 피크는 스핀 오비탈(j-i) 커플링에 의해 Fe 2p3 /2에 비해 작고, Fe 2p3/2 및 Fe 2p1 /2 오비탈은 각각 4개 및 2개의 축퇴상태(degeneracy state)를 가진다. 일반적으로 Fe2O3의 Fe 2p3 /2 피크는 710.6eV 내지 711.2eV의 범위에서 관찰되며, 그보다 약 8eV 높은 약 718eV 또는 약 719eV에서의 피크는 α-Fe2O3의 Fe 2p3 /2의 위성 피크(satellite peak)에 해당한다. 상기 위성 피크는 Fe 2p3 /2 및 Fe 2p1 /2 피크와 뚜렷하게 구별되며 전혀 중첩되지 않는다.Figure 5 (c) shows the XPS spectrum of the
도 5(d)의 O 1s 스펙트럼은 2개의 피크로 분리되고(deconvoluted), 528.8eV에서의 피크는 격자 산소의 존재를, 531.5eV에서의 피크는 하이드록사이드 이온의 존재를 나타낸다.The
실험예Experimental Example 5: HR- 5: HR- TEMTEM 이미지 분석 Image analysis
도 6은 SFO 및 CFO에 대한 HR-TEM(high resolution transmission electron microscope) 이미지이다. 도 6(a) 내지 6(d)를 참고하면, CFO는 평균 직경이 약 800nm인 정육면체형이고, CFO의 표면에서 빈 공간(void space)는 관찰되지 않으며, 0.269nm의 평면간 간격을 가지는 격자 줄무늬(lattice fringe)가 관찰된다. 도 6(e) 내지 6(h)를 참고하면, SFO는 평균 직경이 약 5nm인 복수의 나노구체(nanosphere)로 이루어진 구형이고, 0.269nm의 평면간 간격을 가지는 격자 줄무늬(lattice fringe)가 관찰된다. 또한, 도 6(k) 내지 6(p)의 EDX 맵핑결과를 살펴보면, 도 6(k) 내지 6(m)의 SFO 및 도 6(n) 내지 6(p)의 CFO에서 모두 철(red) 및 산소(green) 성분이 관찰된다.Figure 6 is a HR-TEM (high resolution transmission electron microscope) image for SFO and CFO. 6 (a) to 6 (d), CFO is a cube having an average diameter of about 800 nm, void space is not observed on the surface of CFO, and a lattice having an interplanar spacing of 0.269 nm A lattice fringe is observed. Referring to Figures 6 (e) to 6 (h), SFO is a spherical shape consisting of a plurality of nanospheres having an average diameter of about 5 nm, and a lattice fringe having an interplanar spacing of 0.269 nm is observed do. 6 (k) to 6 (p), all of the CFOs of FIGS. 6 (k) to 6 (p) And a green component are observed.
실험예Experimental Example 6: 표면적 및 기공크기 6: Surface area and pore size
도 7(a) 및 7(b)는 각각 SFO 및 CFO에 대한 질소 흡착/탈착(adsorption/desorption) 등온선이다. 도 7(a)를 참고하면, SFO가 메조포러스 입자임을 알 수 있다. 또한, SFO 및 CFO의 비표면적은 각각 100.81m2/g 및 27.368m2/g이고, SFO의 기공크기 분포가 CFO에 비해 낮다. 이와 같이, SFO에 형성된 미세기공은 리튬이온의 저장을 위한 다수의 활성부위를 제공하고, 전해질의 이온이동을 촉진할 수 있다.Figures 7 (a) and 7 (b) are nitrogen adsorption / desorption isotherms for SFO and CFO, respectively. Referring to FIG. 7 (a), it can be seen that SFO is a mesoporous particle. The specific surface areas of SFO and CFO are 100.81 m 2 / g and 27.368 m 2 / g, respectively, and the pore size distribution of SFO is lower than that of CFO. As such, the micropores formed in the SFO provide a number of active sites for the storage of lithium ions and can promote ion transport of the electrolyte.
제조예Manufacturing example
SFO, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, 바인더), 및 Super P(도전재)가 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 N-메틸피롤리돈과 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체(Cu foil)에 도포하고 오븐(120℃), 공기중(100℃, 5시간), 및 진공(120℃, 5시간)에서 순차적으로 건조하여 리튬이차전지용 음극(이하, "SFO 음극")을 제조하였다.A mixed material of SFO, polyvinylidene difluoride (PVDF, binder), and Super P (conductive material) at a weight ratio of 80: 10: 10 was mixed with N-methylpyrrolidone to prepare a slurry, And dried sequentially in an oven (120 ° C), air (100 ° C, 5 hours) and vacuum (120 ° C, 5 hours) to form a lithium secondary battery cathode (hereinafter referred to as "SFO cathode ").
비교제조예Comparative Manufacturing Example
CFO, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, 바인더), 및 Super P(도전재)가 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 N-메틸피롤리돈과 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체(Cu foil)에 도포하고 오븐(120℃), 공기중(100℃, 5시간), 및 진공(120℃, 5시간)에서 순차적으로 건조하여 리튬이차전지용 음극(이하, "CFO 음극")을 제조하였다.A mixed material of CFO, polyvinylidene difluoride (PVDF, binder), and Super P (conductive material) at a weight ratio of 80: 10: 10 was mixed with N-methylpyrrolidone to prepare a slurry, And then dried in an oven (120 ° C), air (100 ° C, 5 hours) and vacuum (120 ° C, 5 hours) in succession to obtain a negative electrode for a lithium secondary battery ").
상기 제조예 및 비교제조예에서 제조된 음극, 리튬 집전체(Li foil)로 이루어진 양극, 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3중층 필름으로 이루어진 다공성 분리막을 사용하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1M의 LiPF6 염이 녹아있는 부피비 1 : 2의 에틸렌카보네이트(EC)와 다이에틸렌카보네이트(DEC) 용액을 전해질로 주입하고, 밀봉하여 리튬이차전지를 조립하였다.The electrode assembly was manufactured using the porous separator made of the negative electrode, the positive electrode made of lithium foil, and the polyethylene / polypropylene / polyethylene triple layer film manufactured in the above Production Examples and Comparative Production Examples. The electrode assembly was inserted into a pouch and lead wires were connected. Then, a 1: 2 volume ratio of ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (DEC) solution containing 1 M of LiPF 6 salt was injected into the electrolyte and sealed, .
실험예Experimental Example
7: 7:
리튬이차전지Lithium secondary
도 8(a) 및 8(b)는 각각 SFO 음극 및 CFO 음극의 전압에 대한 미분용량을 나타낸 그래프이다. 측정은 100mA/g의 전류밀도, 0.01V 내지 3V에서 이루어졌다. 일반적으로, 최초 순환과 후속 순환 사이에는 현저한 차이가 있다. 도 8을 참고하면, 최초 순환 시 SFO 음극 및 CFO 음극 모두 0.75V에서 환원 피크가 나타난다. 이는 전해질의 분해 및 리튬이온이 Fe2O3로 삽입되어 Li2O를 형성하는 가역적인 전환 메커니즘에 기인한 것이다. 최초 순환 후 피크 강도는 감소하며, 이는 전극에서 일부 비가역전인 반응이 일어남을 의미한다. 반면, 약 1.70V에서 관찰되는 산화 피크는 Fe0의 Fe3 +로의 가역적인 산화에 기인한 것이다. 환원 및 산화 과정 간 레독스 피크의 면적은 감소하며, 이는 충방전 간의 용량손실을 의미한다. 후속 순환 시 환원/산화 피크는 각각 0.95 및 2.01V로 이동한다. 또한, SFO 음극 및 CFO 음극에 비해 레독스 피크의 면적이 크고, 이는 비용량 및 전극과 전해질의 반응성이 양호함을 의미한다.8 (a) and 8 (b) are graphs showing the differential capacitance with respect to the voltages of the SFO cathode and the CFO cathode, respectively. The measurement was made at a current density of 100 mA / g, 0.01 V to 3 V. In general, there is a significant difference between the initial cycle and the subsequent cycle. Referring to FIG. 8, a reduction peak appears at 0.75 V for both the SFO cathode and the CFO cathode during the initial circulation. This is due to the decomposition of the electrolyte and the reversible conversion mechanism in which lithium ions are intercalated into Fe 2 O 3 to form Li 2 O. The peak intensity decreases after the first cycle, which means that some irreversible reaction occurs at the electrode. On the other hand, the oxidation peak observed at about 1.70 V is due to the reversible oxidation of Fe 0 to Fe 3 + . The area of the redox peak between the reduction and oxidation process decreases, which means the capacity loss between charge and discharge. The reduction / oxidation peak at the next cycle is shifted to 0.95 and 2.01V, respectively. Also, the redox peak area is larger than that of the SFO negative electrode and the CFO negative electrode, which means that the non-capacity and the reactivity between the electrode and the electrolyte are good.
실험예Experimental Example
8: 8:
리튬이차전지Lithium secondary
SFO 음극 및 CFO 음극을 포함하는 각각의 리튬이차전지를 0.01V 내지 3V의 전압 범위에서 100mA/g의 전류밀도로 정전류 충방전 순환을 반복하여 성능 평가를 수행하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.The performance evaluation was performed by repeating the constant current charge-discharge cycle at a current density of 100 mA / g in a voltage range of 0.01 V to 3 V for each lithium secondary battery including the SFO cathode and the CFO cathode, and the result is shown in FIG. .
도 9(a)를 참고하면, SFO 음극의 경우, 제1 순환 정전류 방전용량 및 충전용량은 각각 1,306mAh/g 및 927mAh/g, 쿨롬효율은 75%로 측정되었다. 도 9(c)를 참고하면, CFO 음극의 경우, 제1 순환 정전류 방전용량은 1,163mAh/g, 쿨롬효율은 65%로 측정되었다. 후속 순환 시 쿨롬효율은, SFO 음극의 경우 95%, 97%이고, CFO 음극의 경우 89%, 91%이다. 방전영역의 0.95V, 충전영역의 2.01V에서 나타나는 선형 거동은 Fe2 +의 Fe로의 환원 및 Fe의 철 산화물로의 산화에 기인한 것이다.9 (a), in the case of the SFO cathode, the first circulating constant current discharge capacity and the charge capacity were measured to be 1,306 mAh / g and 927 mAh / g respectively, and the Coulomb efficiency was 75%. Referring to FIG. 9 (c), in the case of the CFO cathode, the first circulating constant current discharge capacity was 1,163 mAh / g, and the Coulomb efficiency was 65%. Coulomb efficiency for subsequent cycles is 95% and 97% for SFO cathodes and 89% and 91% for CFO cathodes. The linear behavior at 0.95 V in the discharge region and 2.01 V in the charging region is due to the reduction of Fe 2 + to Fe and the oxidation of Fe to iron oxide.
또한, 도 9(b) 및 9(d)를 참고하면, SFO 음극은 CFO 음극에 비해 더 높은 가역 용량을 전달한다. 구체적으로, 도 9(b)를 참고하면, SFO 음극은 98%의 쿨롬효율을 유지하면서 100순환 후 968mAh/g의 방전용량을 전달한다. 이는 동일 조건에서 93%의 쿨롬효율로 617mAh/g의 방전용량을 전달하는 CFO 음극에 비해 현저히 향상된 것이다. 100순환 후 SFO 음극 및 CFO 음극의 용량보존율은 각각 91.4% 및 63.0%이다. SFO 음극의 높은 용량보존율은 나노구체로 이루어진 균일하고, 균질하게 분산된 입자에 기인한 것이다. SFO의 경우 나노구체 및 다공성 SFO 사이에 빈 공간(void space)이 존재하고, 이러한 빈 공간이 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface, SEI) 층의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 도 9(b)를 참고하면, 30순환 후 비용량이 다소 증가하는데, 이는 SFO를 이루는 나노구체의 큰 표면적과 풍부한 나노기공에 의해 활물질이 활성화되었기 때문이다.9 (b) and 9 (d), the SFO cathode carries a higher reversible capacity than the CFO cathode. Specifically, referring to FIG. 9 (b), the SFO cathode delivers a discharge capacity of 968 mAh / g after 100 cycles while maintaining a Coulomb efficiency of 98%. This is a significant improvement over CFO cathodes delivering a discharge capacity of 617 mAh / g at a Coulomb efficiency of 93% under the same conditions. After 100 cycles, the capacity retention rates of SFO cathode and CFO cathode were 91.4% and 63.0%, respectively. The high capacity retention of the SFO cathode is due to uniform, homogeneously dispersed particles of nanospheres. In the case of SFO, a void space exists between the nanospheres and the porous SFO, and this void space can inhibit the formation of a solid electrolyte interface (SEI) layer. Also, referring to FIG. 9 (b), the amount of charge after 30 cycles is slightly increased because the active material is activated by the large surface area of the nanospheres and the rich nano pores forming the SFO.
실험예Experimental Example
9: 9:
리튬이차전지Lithium secondary
SFO 음극 및 CFO 음극을 포함하는 각각의 리튬이차전지의 율특성(rate capability)를 100 내지 1,600mA/g의 범위에서 측정한 결과를 도 10(a) 및 10(b) 및 하기 표 1에 나타내었다.The results of measurement of the rate capability of each lithium secondary battery including the SFO cathode and the CFO cathode in the range of 100 to 1,600 mA / g are shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b) .
(mA/g)Current density
(mA / g)
(mAh/g)Manufacturing example
(mAh / g)
(mAh/g)Comparative Manufacturing Example
(mAh / g)
일반적으로 전류밀도가 증가하면 전극물질의 용량은 감소한다. 높은 전류밀도에서 리튬이온은 활물질의 표면에서만 확산되는 반면에, 낮은 전류밀도에서는 리튬이온이 입자의 내부 또는 사이까지 확산되어 비용량이 증가한다. 초기, 즉, 낮은 전류밀도에서 양 음극은 높은 용량을 전달하지만 높은 전류밀도에서는 CFO 음극의 값이 더 낮아진다. 반면, SFO 음극은 양호한 수준의 비용량을 유지하고, 구체적으로, 전류밀도가 100mA/g으로 돌아온 경우 거의 동일한 용량을 전달한다. 또한, 전류밀도가 1,600mA/g으로 증가한 경우에도 SFO 음극의 비용량은 CFO 음극에 비해 현저히 높고, 이는 SFO가 CFO에 비해 구조적으로 안정함을 의미한다.In general, as the current density increases, the capacity of the electrode material decreases. At high current densities, lithium ions diffuse only at the surface of the active material, while at low current densities, lithium ions diffuse into or between the particles, resulting in increased cost. Initially, at low current densities, both cathodes carry high capacities, but at high current densities, the value of the CFO cathode is lower. On the other hand, the SFO cathode maintains a good level of non-capacity and, in particular, delivers approximately the same capacity when the current density returns to 100 mA / g. In addition, even when the current density is increased to 1,600 mA / g, the specific capacity of the SFO cathode is significantly higher than that of the CFO cathode, which means that SFO is structurally stable compared to CFO.
도 10(c) 및 10(d)는 각각 SFO 음극 및 CFO 음극의 순환 전 및 100순환 후 완전 충전 상태에서의 전기화학 임피던스 스펙트럼을 나타낸다. 측정은 100kHz 내지 10mHz의 주파수 범위에서 이루어졌다. 도 10(c) 및 10(d)를 참고하면 스펙트럼은 2개의 영역으로 이루어진다. 높은 주파수에서의 반원은 전하이동저항(charge transfer resistance, Rct)에 해당하고, 낮은 주파수에서의 직선은 전해질에서 전극 표면으로의 Li+ 이온의 고체상태 확산 및 이동에 관련된 것으로, 소위, 와버그 임피던스(Warburg impedance, Rw) 거동이라 한다. 도 6을 다시 참고하면, CFO의 직경은 SFO에 비해 상대적으로 크다. SFO 음극의 Rct 최저값은 전극 및 전해질의 양호한 접촉을 의미한다. 이는 SFO의 율특성이 CFO에 비해 우수한 결과와도 일치하며, 이를 통해 SFO 음극에서의 빠른 반응속도와 쉬운 이온접근성이 이해될 수 있다.10 (c) and 10 (d) show electrochemical impedance spectra before circulation of SFO cathode and CFO cathode and after full circulation after 100 cycles, respectively. Measurements were made in the frequency range of 100 kHz to 10 mHz. Referring to Figures 10 (c) and 10 (d), the spectrum consists of two regions. The semicircle at high frequency corresponds to the charge transfer resistance (R ct ) and the line at low frequency is related to the solid state diffusion and migration of Li + ions from the electrolyte to the electrode surface, Impedance (Warburg impedance, R w ) behavior. Referring again to FIG. 6, the diameter of CFO is relatively large compared to SFO. The R ct minimum value of the SFO cathode means good contact between the electrode and the electrolyte. This is consistent with the excellent results of the SFO rate characteristics compared to the CFO, which allows us to understand the rapid reaction rate and easy ion accessibility at the SFO cathode.
또한, SFO는 나노구체 및 그 사이에 활성부위가 풍부하므로 100순환 후 와버그 임피던스(Rw)가 CFO에 비해 크다. 임피던스 스펙트럼 중 낮은 주파수 영역은 입자 내에서 이온의 제한된 확산에 상응한다. 나노입자의 기하학적 구조와 기공크기 분포는 이러한 제한된 확산 임피던스에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로, SFO의 형태(구형)와 낮은 기공크기 분포는 전기화학적 충방전 과정에서 CFO에 비해 이온의 확산을 용이하게 하며, 이러한 다공성 물질은 전기화학적 에너지의 저장성을 향상시킬 수 있다.In addition, since SFO is abundant in the nanospheres and active sites therebetween, the bug impedance ( Rw ) after 100 cycles is larger than that of CFO. The low frequency region of the impedance spectrum corresponds to the limited diffusion of ions within the particle. The geometric structure and pore size distribution of nanoparticles can affect this limited diffusion impedance. Specifically, the shape of the SFO (spherical shape) and the low pore size distribution facilitates ion diffusion compared to CFO in electrochemical charge and discharge processes, and these porous materials can improve the storage stability of electrochemical energy.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
Claims (10)
(b) 상기 전구체 용액을 100~250℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 기공크기 분포의 최대 피크가 10~100nm 사이에 존재하는 복수의 기공을 포함하고, 비표면적이 50~500m2/g인 구형의 적철석 입자를 제조하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.(a) dissolving an iron precursor in a mixed solvent of water and a polar organic solvent in a weight ratio of 1: 0.1 to 0.3945, respectively, to prepare a precursor solution; And
(b) heat treating the precursor solution at 100 to 250 ° C for 1 to 10 hours to have a plurality of pores having a maximum peak of a pore size distribution between 10 and 100 nm, and having a specific surface area of 50 to 500 m 2 / g And forming a spherical hematite particle. The method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
상기 철 전구체는 철의 염화물, 질산염, 황산염 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the iron precursor is one selected from the group consisting of iron chloride, nitrate, sulfate, and a mixture of two or more thereof.
상기 극성 유기용매는 알코올인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the polar organic solvent is an alcohol.
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.The method of claim 3,
Wherein the alcohol is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol, and mixtures of two or more thereof.
상기 적철석 입자는 평균 직경이 100~700nm인 메조포러스 입자인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the hematite particles are mesoporous particles having an average diameter of 100 to 700 nm.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.9. The method of claim 8,
The binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ) Rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and mixtures of two or more thereof.
상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로 70~95중량%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.9. The method of claim 8,
Wherein the content of the negative electrode active material for a lithium secondary battery is 70 to 95% by weight based on the total weight of the slurry.
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KR1020170104386A KR101922920B1 (en) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | A method for manufacturing an anode active material for lithium secondary battery |
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CN112850794A (en) * | 2021-01-08 | 2021-05-28 | 合肥工业大学 | Zn-doped graded spherical Fe2O3Preparation method of material and energy storage application thereof |
EP4004997A4 (en) * | 2019-07-26 | 2023-10-25 | Form Energy, Inc. | Low cost metal electrodes |
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CHEM. EUR. J. 2011 17 4323 - 4329* |
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