KR101948549B1 - Cathode Active Material for Secondary Battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 양극활물질에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 이차전지용 양극활물질은 Na3.12-x2Ac x1M1 a y1M2 b y2(P2O7)2을 만족하는 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유하며, 올리빈 구조의 나트륨 전이금속 인산염이 갖는 강한 P-O 결합에 따른 구조적 안정성의 장점을 가지면서도, 이온 반경이 큰 Na 이온의 원활한 삽입 및 탈리가 수행되어 충방전시의 가역성 및 충방전 속도를 현저하게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a secondary battery, the positive electrode active material, specifically, a secondary battery positive electrode active material according to the invention are sodium transition satisfying Na 3.12-x2 A c x1 M 1 a y1 M 2 b y2 (P 2 O 7) 2 It has the advantage of structural stability due to the strong PO bond of the olivine-structured sodium transition metal phosphate, which contains metal pyrophosphate, and smooth insertion and desorption of Na ion having a large ion radius is performed, There is an advantage that the charging / discharging speed can be remarkably improved.

Description

이차전지용 양극 활물질{Cathode Active Material for Secondary Battery}Technical Field [0001] The present invention relates to a cathode active material for a secondary battery,

본 발명은 이차전지용 양극 활물질에 관한 것으로, 상세하게 구조 내 매우 빠른 이온의 삽입/탈리가 가능한 이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a secondary battery, and more particularly, to a cathode active material for a secondary battery capable of intercalating / deintercalating ions in a structure very rapidly.

리튬 이온 전지의 LiFePO4와 같은 올리빈 구조의 포스페이트(phosphate)계열 소재는 상용화된 양극 소재중의 하나로써 강한 P-O 결합으로 인해서 매우 안정성이 우수한 소재이다. Phosphorous materials based on olivine structure such as LiFePO 4 in lithium ion batteries are one of commercially available cathode materials and are highly stable due to strong PO bonding.

따라서 나트륨 이차 전지에서도 이러한 유사한 구조의 소재를 양극 소재로 이용하고자 하는 노력이 있어왔다. 최근 들어 미국 공개공보 제20110008233호와 같이NaMPO4(M=Fe,Co,Ni,Mn)와 같은 올리빈 포스페이트 소재를 나트륨 이차전지에 활용하고자 하는 기술적 접근이 이뤄지고 있다. 그러나, 나트륨 이온은 리튬 이온 크기 보다 훨씬 큰 이온 크기를 가짐에 따라, 이온의 크기에 의해 Na 이온의 가역적인 삽입/탈리가 원활하지 않아 동적 특성(kinetic 측면)에서 문제가 많기 때문에, 아직 만족스러운 전지 성능을 보이지 않고 있다. 따라서 기존의 NaFePO4계 소재보다 훨씬 더 우수한 동적 특성을 갖는 새로운 소재의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, efforts have been made to use such materials having a similar structure as a cathode material in a sodium secondary battery. Recently, a technical approach has been made to utilize an olivine phosphate material such as NaMPO 4 (M = Fe, Co, Ni, Mn) in sodium secondary batteries as disclosed in U.S. Publication No. 20110008233. However, since the sodium ion has a much larger ion size than the lithium ion size, the Na ion is not smoothly inserted / desorbed due to the size of the ion, which is problematic in terms of dynamic characteristics (kinetic aspects) The battery performance is not shown. Therefore, it is necessary to develop new materials with much better dynamic characteristics than conventional NaFePO 4 materials.

미국 공개공보 제20110008233호U.S. Publication No. 20110008233

본 발명의 목적은 구조적 안정성이 우수하면서도 가역적인 이온의 삽입 및 탈리가 극히 원활히 발생하는 이차전지용 양극 활물질 및 이를 구비한 이차전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a cathode active material for a secondary battery having excellent structural stability and reversible ion insertion and desorption, and a secondary battery having the same.

본 발명은 이차전지용 양극활물질을 제공하며, 본 발명에 따른 이차전지용 양극활물질은 하기 화학식 1을 만족하는 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유한다.The present invention provides a cathode active material for a secondary battery, wherein the cathode active material for a secondary battery according to the present invention contains a sodium transition metal pyrophosphate satisfying the following formula (1).

(화학식 1) (Formula 1)

Na3 .12-x2Ac x1M1 a y1M2 b y2(P2O7)2 Na 3 .12-x 2 A c x 1 M 1 a y1 M 2 b y2 (P 2 O 7 ) 2

화학식 1에서 Ac는 1 또는 2인 c의 원자가를 갖는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(A)를 의미하며, x1는 0≤x1≤0.5인 실수이고, x2는 c와 x1의 곱 (x2 = x1 * c)이며, M1 a는 a의 원자가를 갖는 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(M1)를 의미하고, M2 b는 b의 원자가를 갖는 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소 (M2)를 의미하며, a와 b는 서로 같거나 상이하며, a와 b는 서로 독립적으로 2 내지 4의 정수이며, y1은 0<y1≤2.44인 실수이고, y2는 0≤y2≤2.44인 실수이다.In formula (1), A c represents one or more selected elements (A) selected from alkali metals and alkaline earth metals having a valence of c of 1 or 2, x 1 is a real number satisfying 0? X 1? 0.5, x 2 is c and x 1 of a product (x2 = x1 * c), and, M 1 a is a transition metal and 12 to 14 group having a valence of a mean one or more than one selected element (M 1), and M 2 b is a valence of b mean one or more than one selected element (M 2) in the transition metal and 12 to Group 14 with and, a and b, and the same as or different from each other, and a and b are independently 2 to an integer from 4 to each other, y1 is 0 <y1? 2.44, and y2 is a real number satisfying 0? y2? 2.44.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염은 삼사정계(Triclinic phase)일 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate may be in a triclinic phase.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염은 P-1 공간군(space group)일 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate may be a P-1 space group.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염은 화학식 1에서 (y1 * a) + (y2 * b) = 4.88을 만족할 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate may satisfy (y1 * a) + (y2 * b) = 4.88 in the formula (1).

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염의 M1 및 M2는 서로 독립적으로, Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소일 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, M1 and M2 of the sodium transition metal pyrophosphate are independently selected from Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, May be one or more selected elements.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염의 A는 Li, Mg 및 Ca에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소일 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, A of the sodium transition metal pyrophosphate may be one or more selected from Li, Mg, and Ca.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염은 적어도 철(Fe), 망간(Mn) 또는 철과 망간을 함유할 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate may contain at least iron (Fe), manganese (Mn), or iron and manganese.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 1.7V/4.0V 및 0.05C의 충방전 조건에서 80mAh/g 이상의 용량을 가질 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a capacity of 80 mAh / g or more under charge / discharge conditions of 1.7 V / 4.0 V and 0.05 C.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 나트륨 이차전지용일 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may be for a sodium secondary battery.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 탄소를 더 함유할 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may further contain carbon.

본 발명은 상술한 양극활물질을 포함하는 나트륨 이차전지를 포함한다. The present invention includes a sodium secondary battery including the above-mentioned cathode active material.

본 발명에 따른 이차전지용 양극활물질은 화학식 1에 따른 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유함에 따라, 올리빈 구조의 나트륨 전이금속 인산염이 갖는 강한 P-O 결합에 따른 구조적 안정성의 장점을 가지면서도, 이온 반경이 큰 Na 이온의 원활한 삽입 및 탈리가 수행되어 충방전시의 가역성 및 충방전 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다.Since the cathode active material for a secondary battery according to the present invention contains the sodium transition metal pyrophosphate according to Formula 1, it has an advantage of structural stability due to strong PO bonding of an olivine structure sodium transition metal phosphate, Na ion can be smoothly inserted and desorbed, so that the reversibility at the time of charging / discharging and the charging / discharging rate can be remarkably improved.

도 1은 제조된 나트륨 철 피로인산염을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 2는 제조된 나트륨 철 피로인산염, 철-망간 (Fe1.22Mn1.22)피로산염, 망간 피로산염의 X-선 회절 분석결과를 도시한 도면이며,
도 3은 제조된 나트륨 철 피로인산염을 GSAS프로그램을 사용하여 Rietveld refinement통해 결정구조를 분석한 도면이며,
도 4는 제조된 나트륨 철 피로인산염의 결정 구조를 도시한 모식도이며,
도 5는 제조된 나트륨 철 피로인산염 이차전지의 충방전 특성을 도시한 도면이며,
도 6는 제조된 나트륨 철 피로인산염 이차전지의 충방전 싸이클 횟수에 따른 가역 용량을 도시한 도면이며,
도 7은 제조된 나트륨 철 피로인산염 이차전지의 전류밀도의 증가에 따른 가역 용량의 변화 (속도특성)를 도시한 도면이며,
도 8은 제조된 나트륨 철 피로인산염을 충전상태의 나트륨 철 피로인산염을 GSAS프로그램을 사용하여 Rietveld refinement통해 결정구조를 분석한 도면이다.
1 is a scanning electron microscope (SEM) image of sodium iron pyrophosphate prepared,
FIG. 2 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of sodium iron pyrophosphate, iron-manganese (Fe 1.22 Mn 1.22 ) pyrophosphate, and manganese pyrophosphate produced,
FIG. 3 is a diagram showing the crystal structure of sodium iron pyrophosphate prepared through Rietveld refinement using the GSAS program,
4 is a schematic diagram showing the crystal structure of sodium iron pyrophosphate prepared,
FIG. 5 is a graph showing charge / discharge characteristics of the sodium iron pyrophosphate phosphate secondary battery manufactured,
6 is a graph showing the reversible capacity according to the number of charge / discharge cycles of the sodium iron pyrophosphate phosphate secondary battery manufactured,
FIG. 7 is a graph showing the change (rate characteristic) of the reversible capacity with increasing current density of the sodium iron pyrophosphate phosphate secondary cell produced,
FIG. 8 is a diagram showing the crystal structure of sodium iron pyrophosphate in a state of being filled with sodium iron pyrophosphate prepared through Rietveld refinement using the GSAS program.

이하 본 발명에 따른 양극활물질을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, the cathode active material according to the present invention will be described in detail. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 발명에 따른 이차전지용 양극 활물질은 하기 화학식 1을 만족하는 나트륨 전이금속 피로인산염(Na Transition Metal Pyrophosphate)을 함유한다.The cathode active material for a secondary battery according to the present invention contains a sodium transition metal pyrophosphate satisfying the following formula (1).

(화학식 1) (Formula 1)

Na3.12-x2Ac x1M1 a y1M2 b y2(P2O7)2 Na 3.12-x2 A c x1 M 1 a y1 M 2 b y2 (P 2 O 7) 2

화학식 1에서 Ac는 1 또는 2인 c의 원자가를 갖는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(A)를 의미하며, x1는 0≤x1≤0.5인 실수이고, x2는 c와 x1의 곱 (x2 = x1 * c)이며, M1 a는 a의 원자가를 갖는 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(M1)를 의미하고, M2 b는 b의 원자가를 갖는 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소 (M2)를 의미하며, a와 b는 서로 같거나 상이하며, a와 b는 서로 독립적으로 2 내지 4의 정수이며, y1은 0<y1≤2.44인 실수이고, y2는 0≤y2≤2.44인 실수이다.In formula (1), A c represents one or more selected elements (A) selected from alkali metals and alkaline earth metals having a valence of c of 1 or 2, x 1 is a real number satisfying 0? X 1? 0.5, x 2 is c and x 1 of a product (x2 = x1 * c), and, M 1 a is a transition metal and 12 to 14 group having a valence of a mean one or more than one selected element (M 1), and M 2 b is a valence of b mean one or more than one selected element (M 2) in the transition metal and 12 to Group 14 with and, a and b, and the same as or different from each other, and a and b are independently 2 to an integer from 4 to each other, y1 is 0 <y1? 2.44, and y2 is a real number satisfying 0? y2? 2.44.

이하, 화학식을 상술함에 있어, A, M1또는 M2와 같이 원자가(a, b, c)를 병기하지 않은 경우, 원자가를 제외한 기호(A, M1또는 M2)는 화학식 1에 따른 화합물에 함유되는 원소를 의미하며, Ac,M1 a,M2 b와 같이 원자가를 같이 병기하는 경우, 원자가를 포함한 기호(Ac,M1 a,M2 b)는 화학식 1에 따른 화합물 구조 내에서 각 원소의 해당 원자가의 이온 상태, 즉, +c, +a, +b가의 원소 이온을 지칭할 수 있다. If below, in the following described with the formula, A, is not given the atom (a, b, c), such as M 1 or M 2, symbols (A, M 1 or M 2) other than the atom is a compound according to formula (I) means an element to be contained in and, a c, M 1 a, mark (a c, M 1 a, M 2 b), including, atom if given the atom, such as M 2 b is a compound structure according to formula 1 The ionic state of the corresponding valence of each element, i.e., + c, + a, + b, can be referred to.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 화학식 1에서, M1및 M2는 서로 다른 원자가를 갖는 동일한 원소일 수 있으며, 서로 다른 원자가를 갖는 서로 다른 원소일 수 있다. 또한, M1은 a의 원자가를 갖는, 하나 또는 둘 이상의 원소일 수 있으며, M2는 b의 원자가를 갖는, 하나 또는 둘 이상의 원소일 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, M 1 and M 2 in Formula 1 may be the same element having different valences, or different elements having different valences. Further, M 1 may be one or two or more elements having a valence of a, and M 2 may be one or two or more elements having a valence of b.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 화학식 1에서, A는 나트륨(Na)를 제외한 알칼리 금속 및 알칼리 토금속에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있다. In the positive electrode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, A may be selected from one or more of alkali metals and alkaline earth metals other than sodium (Na).

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, M1또는 M2는 적어도 전이금속을 함유할 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, M 1 or M 2 may contain at least a transition metal.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 화학식 1에 따른 나트륨 전이금속 피로인산염은 (y1 * a) + (y2 * b) = 4.88을 만족할 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate represented by Chemical Formula 1 may satisfy (y1 * a) + (y2 * b) = 4.88.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 전이금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Th, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Au군을 포함할 수 있으며, 12 내지 14족은 Zn, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn 및 Pb군을 포함할 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the transition metal is at least one selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt and Au, and Group 12 to 14 may include Zn, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn and Pb .

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 알칼리 금속은 Li, K, Rb 및 Cs군을 포함할 수 있으며, 알칼리 토금속은 Be, Mg, Ca, Sr 및 Ba군을 포함할 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the alkali metal may include Li, K, Rb and Cs groups, and the alkaline earth metal may include Be, Mg, Ca, Sr and Ba .

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 화학식 1의 나트륨 전이금속 피로인산염(Na Transition Metal Pyrophosphate)은 양극 활물질의 방전상태 조성일 수 있다. 이때, 방전상태는 양극활물질을 함유하는 양극이 구비된 나트륨 이차전지를 1.7(방전)~4.0V(충전) vs. Na/Na+ 전압 범위에서 0.05C로 충방전을 수행할 때 1.7V로 방전이 완료된 상태를 의미할 수 있으며, 첫번째 충방전 싸이클(충전-방전의 순)의 방전상태를 포함할 수 있다. 상세하게, 충방전 싸이클이 수행되는 나트륨 이차전지는 본 발명에 따른 양극활물질:도전재:바인더를 7:1.5:1.5의 중량비로 혼합하고 N-메틸 피롤리돈(NMP) 용액을 투입하여 제조된 양극활물질 슬러리를 알루미늄 포일 위에 도포하고, 120℃ 진공오븐에서 10시간 동안 건조하여 제조된 양극 및 나트륨 메탈을 반대전극으로, 0.8M NaClO4/(ethylenecarbonate+diethylenecarbonate,1:1vol.ratio)을 전해질로 사용한 전지를 포함할 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate represented by Chemical Formula 1 may be a discharge state composition of the cathode active material. At this time, the discharging state is a state in which the sodium secondary battery provided with the anode containing the cathode active material is discharged from 1.7 (discharge) to 4.0 V (charge) vs. When the charge / discharge is performed at 0.05 C in the Na / Na + voltage range, it means that the discharge is completed to 1.7 V and may include the discharge state of the first charge / discharge cycle (charge-discharge sequence). In detail, the sodium secondary battery in which the charge / discharge cycle is performed is obtained by mixing the cathode active material according to the present invention: conductive material: binder in a weight ratio of 7: 1.5: 1.5 and adding N-methylpyrrolidone (NMP) A positive electrode active material slurry was coated on an aluminum foil and dried in a vacuum oven at 120 캜 for 10 hours to prepare a positive electrode and a sodium metal as an opposite electrode, and 0.8 M NaClO 4 / ( ethylenecarbonate + diethylenecarbonate, 1: 1 vol.ratio) And may include a used battery.

나트륨 이차전지용 양극 활물질에 NaFePO4와 같은 나트륨 전이금속 인산염(phosphate)을 사용하고자 하는 시도가 있어왔으나, 나트륨 전이금속 인산염은 올리빈 구조를 가짐에 따라, Na 이온과 같이 이온 반경이 매우 큰 경우, 이온의 가역적인 삽입 및 탈리가 원활하지 않는 구조적 한계를 가진다. 이에 따라, 올리빈 구조의 나트륨 전이금속 인산염을 이차전지의 양극 활물질로 사용하는 경우, 반응의 가역성뿐만 아니라, 충방전 속도가 매우 떨어지는 문제점이 있다.Attempts have been made to use a sodium transition metal phosphate such as NaFePO 4 in a cathode active material for a sodium secondary battery. However, since the sodium transition metal phosphate has an olivine structure, when an ionic radius such as Na ion is very large, It has a structural limitation that reversible insertion and desorption of ions are not smooth. Accordingly, when the sodium transition metal phosphate of the olivine structure is used as the cathode active material of the secondary battery, not only the reversibility of the reaction but also the charge / discharge rate is very low.

본 발명에 따른 나트륨 이차전지용 양극 활물질은 화학식 1의 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유함에 따라 강한 P-O 결합에 따른 이온의 삽입 및 탈리시에도 견고한 구조적 안정성을 가지면서도, Na 이온과 같이 이온 반경이 큰 이온의 원활한 삽입 및 탈리가 수행되어 충방전시의 가역성 및 충방전 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다. Since the cathode active material for a sodium secondary battery according to the present invention contains a sodium transition metal pyrophosphate represented by Chemical Formula 1, it has a strong structural stability even in the insertion and desorption of ions due to a strong PO bond, and also has an ionic radius The reversibility and charging / discharging speed at the time of charging / discharging can be remarkably improved.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염은 삼사정계(Triclinic phase)일 수 있으며, P-1 공간군의 결정 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조에 의해 나트륨 전이금속 피로인산염은 [100] 및 [010] 방향으로 나트륨 이온(Na+)의 원활한 이동이 이루어지는 터널 구조를 가질 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate may be a triclinic phase and may have a crystal structure of P-1 space group. By this structure, the sodium transition metal pyrophosphate can have a tunnel structure in which sodium ions (Na + ) move smoothly in the [100] and [010] directions.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 나트륨 전이금속 피로인산염에 함유되는 A는 Li, Mg 및 Ca에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소일 수 있다. Li, Mg 및 Ca는 Na와 유사한 이온 반경을 가져, 나트륨 전이금속 피로인산염의 결정 구조에서 나트륨(나트륨 이온)의 자리(site)에 치환될 수 있으며, 치환형 고용체(substitutional solid solution)을 이룰 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, A contained in the sodium transition metal pyrophosphate may be one or more selected from Li, Mg, and Ca. Li, Mg and Ca have ionic radii similar to that of Na and can be substituted at the site of sodium (sodium ion) in the crystal structure of the sodium transition metal pyrophosphate to form a substitutional solid solution have.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 화학식 1에 따른 나트륨 전이금속 피로인산염에 함유되는 M1및 M2는 서로 독립적으로, Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb에서 적어도 하나 이상 선택된 것일 수 있다. 바람직하게, 화학식 1에 따른 나트륨 전이금속 피로인산염에 함유되는 전이금속인 M1 및 M2는 서로 상이한 원소일 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, M 1 and M 2 contained in the sodium transition metal pyrophosphate according to Formula 1 are independently selected from Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti , Al, Cr, Mo, and Nb. Preferably, the transition metals M1 and M2 contained in the sodium transition metal pyrophosphate according to formula (I) may be different from each other.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 화학식 1에 따른 나트륨 전이금속 피로인산염에 함유되는 M1및 M2는 서로 독립적으로, Co, Ni, Fe 및 Mn에서 적어도 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게, M1과 M2는 서로 상이한 원소일 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, M 1 and M 2 contained in the sodium transition metal pyrophosphate according to formula (1) are independently from each other at least one or more than two of Co, Ni, Fe and Mn And M 1 and M 2 may be different from each other.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 하기 화학식 1-1을 만족하는 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유할 수 있다.Specifically, the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may contain a sodium transition metal pyrophosphate satisfying the following formula 1-1.

(화학식 1-1) (1-1)

Na3.12M3 II 2.44-y5M4 b y4(P2O7)2 Na 3.12 M 3 II 2.44- y 5 M 4 b y 4 (P 2 O 7 ) 2

화학식 1-1에서, M3 II는 2의 원자가를 갖는 Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(M3)이며, M4 b는 b의 원자가를 갖는 Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(M4)이며, b는 3 또는 4의 정수이며, y5 = y4 * b이며, y5은 0≤y5≤2.44인 실수이다. In formula (1-1), M 3 II is one or more elements (M 3 ) selected from Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo and Nb having a valence of 2 and M 4 b is at least one element (M 4 ) selected from Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo and Nb having a valence of b; b is an integer of 3 or 4 y5 = y4 * b, and y5 is a real number satisfying 0? y5?

Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb는 서로 유사한 이온 반경을 가짐에 따라, 나트륨 전이금속 피로인산염의 결정 구조에서 전이금속(일 예로, Fe)의 자리(site)에 치환될 수 있으며, 치환형 고용체(substitutional solid solution)을 이룰 수 있다.As the Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo and Nb have similar ionic radii, the position of the transition metal (e.g., Fe) in the crystal structure of the sodium transition metal pyrophosphate may be substituted in the site, and a substitutional solid solution may be formed.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 하기 화학식 1-2을 만족하는 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유할 수 있다.Specifically, the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may contain a sodium transition metal pyrophosphate satisfying the following formula 1-2.

(화학식 1-2) (1-2)

Na3.12M5 II 2.44(P2O7)2 Na 3.12 M 5 II 2.44 (P 2 O 7 ) 2

화학식 1-2에서, M5 II는 2의 원자가를 갖는 Co, Mn, Ni 및 Fe에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(M5)이다.In formula 1-2, M 5 II is one or more selected elements (M 5 ) from Co, Mn, Ni and Fe having a valence of 2.

Co, Mn, Ni 및 Fe는 모두 전기 화학적으로 산화 환원 반응 가능함에 따라 충전 및 방전 반응에 관여할 수 있으며, 서로 유사한 이온 반경을 가짐에 따라, 나트륨 전이금속 피로인산염의 결정 구조에서 전이금속(일 예로, Fe)의 자리(site)에 치환될 수 있으며, 치환형 고용체(substitutional solid solution)을 이룰 수 있다. Co, Mn, Ni and Fe can be involved in charging and discharging reactions as they can be electrochemically redox reactions. As they have similar ionic radii, the transition metals in the crystal structure of sodium transition metal pyrophosphate For example, it may be substituted at the site of Fe), and a substitutional solid solution may be formed.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 입자상의 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유할 수 있다. 상세하게, 이차전지용 양극활물질은 500nm 내지 10μm의 평균 1차 입자 크기를 갖는 입자상의 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유할 수 있다. 상세하게, 이차전지용 양극활물질은 1차 입자들로 이루어지며 10μm 내지 500μm 평균크기를 갖는 2차 입자인 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유할 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may contain particulate sodium transition metal pyrophosphate. Specifically, the cathode active material for a secondary battery may contain a sodium transition metal pyrophosphate in particulate form having an average primary particle size of 500 nm to 10 mu m. Specifically, the cathode active material for a secondary battery may contain sodium transition metal pyrophosphate, which is composed of primary particles and is secondary particles having an average size of 10 μm to 500 μm.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 탄소를 더 함유할 수 있다. 양극활물질에 함유되는 탄소는 통상의 이차전지 양극 활물질에 사용되는 탄소이면 족하며, 일 예로, 아세틸렌 블랙, 흑연, 소프트카본 또는 하드카본을 들 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may further contain carbon. The carbon contained in the cathode active material may be any carbon used in a conventional secondary battery cathode active material, and examples thereof include acetylene black, graphite, soft carbon, and hard carbon.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 양극활물질에 함유되는 나트륨 전이금속 피로인산염은 입자상이며, 입자 표면에 탄소가 코팅된 코팅층이 형성될 수 있다.In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium transition metal pyrophosphate contained in the cathode active material is in the form of a particle, and a coating layer coated with carbon may be formed on the particle surface.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질에 있어, 양극활물질은 나트륨 전이금속 피로인산염 100 중량부를 기준으로 1 내지 43 중량부의 탄소를 더 함유할 수 있다. 이때, 양극활물질에 함유되는 탄소는 나트륨 전이금속 피로인산염과 균질하게 혼합된 상태일 수 있으며, 나트륨 전이금속 피로인산염 입자의 표면에 코팅된 코팅층으로 존재할 수 있다. In the cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the cathode active material may further contain 1 to 43 parts by weight of carbon based on 100 parts by weight of the sodium transition metal pyrophosphate. At this time, the carbon contained in the cathode active material may be homogeneously mixed with the sodium transition metal pyrophosphate, and may exist as a coating layer coated on the surface of the sodium transition metal pyrophosphate particles.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 1.7/4.0V 및 0.05 내지 0.2C(전류밀도)의 충방전 조건에서 80mAh/g 이상의 용량을 가질 수 있다.The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a capacity of 80 mAh / g or more under charge / discharge conditions of 1.7 / 4.0 V and 0.05 to 0.2 C (current density).

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 양극활물질은 나트륨 이차전지용 양극활물질일 수 있다. 이때, 나트륨 이차전지는 용융 Na를 음극으로 갖는 나트륨 이차전지 또는 전고체형 Na 이차전지일 수 있다. The cathode active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may be a cathode active material for a sodium secondary battery. At this time, the sodium secondary battery may be a sodium secondary battery having molten Na as a cathode or a full-scale Na secondary battery.

본 발명은 상술한 이차전지용 양극활물질을 포함하는 나트륨 이차전지용 양극을 포함한다. The present invention includes a cathode for a sodium secondary battery including the above-described cathode active material for a secondary battery.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극은 상술한 양극 활물질 및 집전체를 포함할 수 있으며, 집전체의 적어도 일 면에 양극 활물질이 도포 또는 코팅된 양극 활물질층이 형성될 수 있다. 상세하게, 양극 활물질층을 형성하기 위해, 집전체에 양극활물질 슬러리가 도포 또는 코팅될 수 있으며, 양극활물질 슬러리는 상술한 양극 활물질과 함께 이차전지 활물질 제조에 통상적으로 사용되는 분산매, 바인더 및 도전제를 함유할 수 있다.The positive electrode according to an embodiment of the present invention may include the positive electrode active material and the current collector described above, and the positive electrode active material layer coated or coated with the positive electrode active material may be formed on at least one surface of the current collector. In detail, in order to form the positive electrode active material layer, the positive electrode active material slurry may be applied or coated on the current collector, and the positive electrode active material slurry may be used in combination with the above-described positive electrode active material in combination with a dispersion medium, &Lt; / RTI &gt;

본 발명은 상술한 양극이 구비된 나트륨 이차전지를 포함한다.The present invention includes a sodium secondary battery having the above-described anode.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지는 나트륨을 함유하는 음극, 상술한 양극 활물질이 구비된 양극 및 양극과 음극 사이에 구비되며 나트륨 이온에 대해 이온 전도도를 갖는 전해질을 포함할 수 있다.The sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a negative electrode containing sodium, a positive electrode having the positive electrode active material, and an electrolyte having an ionic conductivity with respect to sodium ion between the positive electrode and the negative electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지는 나트륨을 함유하는 음극, 상술한 양극 활물질을 함유하는 양극 및 전해질이 모두 고체인 전고체형 나트륨 이차전지를 포함하며, 액상의 전해질이 구비되는 나트륨 이차전지를 포함하며, 고체형 전해질(일 예로, NASICON)과 함께 양극 전해액이 구비되는 나트륨 이차전지를 포함하며, 필요시 분리막이 더 구비될 수 있다. 전해액(또는 액상전해질)이 구비되는 경우, 고체전해질에서 전도된 나트륨 이온이 활물질에 효과적으로 전달될 수 있도록, 양극 및/또는 음극은 전해액 내에 위치할 수 있다.The sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a cathode containing sodium, a cathode containing the cathode active material, and a high-sodium sodium secondary battery in which both electrolytes are solid, and a sodium secondary battery And a sodium secondary battery having a positive electrode electrolyte together with a solid electrolyte (for example, NASICON), and may further include a separator if necessary. When the electrolyte (or liquid electrolyte) is provided, the anode and / or the cathode may be positioned in the electrolyte so that the sodium ions conducted in the solid electrolyte can be effectively transferred to the active material.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지에 있어, 음극은 나트륨을 함유하는 음극 활물질을 포함하며, 전해질은 나트륨염을 함유하는 유기 용매를 포함할 수 있다. 실질적인 일 예로, 음극은 나트륨 금속일 수 있으며, 전해질에 함유되는 나트륨염은 NaAsF6,NaPF6,NaClO4,NaB(C6H5),NaAlCl4,NaBr,NaBF4또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 유기용매는 에틸렌 카르보네이트 (ethylene carbonate), 디메틸 카르보네이트 (dimethyl carbonate), 메틸에틸 카르보네이트 (methylethyl carbonate), 프로필렌 카르보네이트 (propylene carbonate) 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있으나, 본 발명이 음극의 종류, 전해질의 종류 또는 전지의 구조에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.In a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the anode includes an anode active material containing sodium, and the electrolyte may include an organic solvent containing a sodium salt. Substantial For example, the cathode may be a sodium metal, and sodium salt contained in the electrolyte is NaAsF 6, NaPF 6, NaClO 4 , NaB (C 6 H 5), NaAlCl 4, NaBr, NaBF 4 , or to mixtures thereof And the organic solvent may contain ethylene carbonate, dimethyl carbonate, methylethyl carbonate, propylene carbonate, or a mixture thereof. However, it goes without saying that the present invention can not be limited by the kind of the negative electrode, the kind of the electrolyte, or the structure of the battery.

이하, 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 대해 상술한다.Hereinafter, a method for producing a sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a secondary battery will be described in detail.

본 발명에 따른 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법은 a) 나트륨 전구체, 금속 전구체 및 인산전구체를 혼합하여 전구체 원료를 제조하는 단계; b) 전구체 원료를 불활성 기체 분위기에서 열처리하는 단계;를 포함하여 수행된다.A method for preparing a sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a secondary battery according to the present invention comprises the steps of: a) preparing a precursor raw material by mixing a sodium precursor, a metal precursor and a phosphoric acid precursor; b) heat treating the precursor material in an inert gas atmosphere.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, b) 단계는 b1) 전구체 원료를 200 내지 400℃의 불활성 기체 분위기에서 열처리하여 제1전구체 원료를 제조하는 단계; 및 b2) 제1전구체 원료를 분쇄하는 단계; b3) 분쇄된 제1전구체 원료를 500 내지 700℃의 불활성 기체 분위기에서 열처리하여 나트륨 전이금속 피로인산염을 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다. 이때, b3) 단계에서 수득된 산물을 양극활물질에 적합한 크기를 갖도록 물리적으로 파쇄하는 분쇄 단계(b4)가 더 수행될 수 있음은 물론이다. In the method for preparing a sodium transition metal phosphate for a cathode active material of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, step b) comprises: b1) heat treating the precursor material in an inert gas atmosphere at 200 to 400 ° C to prepare a first precursor material ; And b2) grinding the first precursor material; b3) heat treating the pulverized first precursor material in an inert gas atmosphere at 500 to 700 캜 to prepare a sodium transition metal pyrophosphate; . &Lt; / RTI &gt; At this time, it is needless to say that the crushing step (b4) in which the product obtained in the step b3) is physically crushed so as to have a suitable size for the cathode active material may be further performed.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, 나트륨 전구체는 탄산나트륨(Na2CO3),나트륨 아세테이트(NaOCH2CH3), 나트륨 카보네이트(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH) 및 이들의 수화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있다. 금속 전구체는 금속의 옥살산염, 아세테이트, 카보네이트 및 이들의 수화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있다. 인산 전구체는 (NH4)2HPO4,NH4H2PO4,및 H3PO4에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있다.In a method of preparing a sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the sodium precursor is sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium acetate (NaOCH 2 CH 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) (NaOH), and hydrates thereof. The metal precursor may comprise one or more selected materials from oxalates, acetates, carbonates and hydrates of the metals. Acid precursor is (NH 4) 2 HPO 4, may be in the NH 4 H 2 PO 4, and H 3 PO 4 containing one or two or more selected materials.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, 금속 전구체의 금속은 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소일 수 있으며, 상세하게, 전이금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Th, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Au군을 포함할 수 있으며, 12 내지 14족은 Zn, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn 및 Pb군을 포함할 수 있다. 바람직하게, 금속 전구체의 금속은 Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb에서 적어도 하나 이상 선택된 원소일 수 있다. 보다 상세하게, 금속 전구체의 금속은 Co, Ni, Fe 및 Mn에서 적어도 하나 이상 선택된 것일 수 있다. In the method for preparing a sodium transition metal pyrophosphate for a sodium secondary battery positive electrode active material according to an embodiment of the present invention, the metal of the metal precursor may be an element selected from transition metals and one or more elements selected from Groups 12 to 14, The transition metal is at least one selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Th, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Pt and Au, and groups 12 to 14 may include Zn, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn and Pb groups. Preferably, the metal of the metal precursor may be an element selected from at least one of Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo and Nb. More specifically, the metal of the metal precursor may be at least one selected from Co, Ni, Fe and Mn.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, 전구체 원료의 제조시, Na : 금속 : 인산이 3 내지 3.3 : 2.2 내지 2.5 : 1의 몰비가 되도록 각 전구체 물질이 혼합될 수 있다.In the method for producing a sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the molar ratio of Na: metal: phosphoric acid is 3 to 3.3: 2.2 to 2.5: 1 Precursor materials can be mixed.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, 전구체 원료의 제조시, 전구체들의 혼합은 밀링에 의해 수행될 수 있으며, 이러한 밀링은 볼밀, 로드밀 또는 어트리션밀과 같이 파우더들의 균질한 혼합 및 분쇄에 사용되는 통상적으로 방법을 이용하여 수행될 수 있다.In the preparation of the sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the precursors may be mixed by the milling during the production of the precursor raw material, Can be carried out using conventional methods used for homogenous mixing and pulverization of powders such as attrition mills.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, 제조된 원료는 아르곤, 헬륨, 네온, 질소 또는 이들의 혼합기체를 포함하는 불활성 기체 분위기에서 열처리 된다.In the method for producing a sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the produced raw material is heat-treated in an inert gas atmosphere containing argon, helium, neon, nitrogen or a mixed gas thereof.

상세하게, 제조된 원료는 불활성 기체 분위기에서 200 내지 400℃의 온도로 저온 열처리 된 후, 저온 열처리에 의해 수득된 생성물을 분쇄하여 다시 불활성 기체 분위기에서 500 내지 700℃의 온도로 고온 열처리 될 수 있다.In detail, the raw material is subjected to a low-temperature heat treatment at a temperature of 200 to 400 ° C in an inert gas atmosphere, followed by pulverizing a product obtained by a low-temperature heat treatment, and then subjected to a high-temperature heat treatment at 500 to 700 ° C in an inert gas atmosphere .

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 양극활물질용 나트륨 전이금속 피로인산염의 제조방법에 있어, 전구체 원료에 대해 저온 및 고온의 2단 열처리를 수행하고, 저온 열처리에 의해 수득된 생성물을 볼밀, 로드밀 또는 어트리션밀을 포함하는 밀링을 통해 다시 분쇄 및 혼합한 후 고온 열처리를 수행함으로써, 조성적 균일성이 우수하고, 마이크로 미터 오더의 1차 입자 크기를 갖는 나트륨 전이금속 피로인산염을 제조할 수 있다.In the method for producing a sodium transition metal pyrophosphate for a cathode active material of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, a precursor material is subjected to a two-stage heat treatment at a low temperature and a high temperature, and a product obtained by a low- By subjecting to milling and mixing again through milling, including milling or agitation, and then subjecting to a high temperature heat treatment, it is possible to produce a sodium transition metal pyrophosphate having excellent compositional uniformity and having a primary particle size in micrometer order have.

이하 실 제조예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 명확하게 이해하기 위하여 제시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 목적으로 제시하는 것은 아니며, 본 발명은 후술하는 특허 청구범위의 기술적 사상의 범위 내에서 정해질 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to practical examples. It should be understood that the present invention is not limited by the scope of the present invention, And the scope of the claims of the present invention.

(제조예1)(Production Example 1)

나트륨 철 피로인산염의 제조Preparation of sodium iron pyrophosphate

1.06g Na2CO3, 1.8g FeC2O4·2H2O 및 2.64g (NH4)2HPO4을 혼합하여 볼 밀링한 후, 이를 300℃에서 6시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 열처리(1차)하였다. 1차 열처리된 원료에 대해 볼 밀링을 수행하여 다시 섞은 후 600℃에서 6시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 다시 열처리(2차)하여, 나트륨 철 피로인산염을 제조하였다.1.06 g of Na 2 CO 3 , 1.8 g of FeC 2 O 4 .2H 2 O and 2.64 g (NH 4 ) 2 HPO 4 were mixed and ball milled and then heat-treated at 300 ° C. for 6 hours in an argon gas atmosphere ). The primary heat-treated raw materials were ball milled, mixed again, and then heat-treated (secondary) in an argon gas atmosphere at 600 ° C for 6 hours to prepare sodium iron pyrophosphate.

(제조예2) (Production Example 2)

나트륨 망간 철 피로인산염의 제조Preparation of sodium manganese iron pyrophosphate

1.06g Na2CO3, 0.9g FeC2O4·2H2O, 0.9g MnC2O4·2H2O 및 2.64g (NH4)2HPO4을 혼합하여 볼 밀링한 후, 이를 300℃에서 6시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 열처리(1차)하였다. 1차 열처리된 원료에 대해 볼 밀링을 수행하여 다시 섞은 후 600℃에서 6시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 다시 열처리(2차)하여, 나트륨 망간 철 피로인산염을 제조하였다.1.06 g Na 2 CO 3 , 0.9 g FeC 2 O 4 .2H 2 O, 0.9 g MnC 2 O 4 .2H 2 O and 2.64 g (NH 4 ) 2 HPO 4 were mixed and ball milled, Followed by heat treatment (primary) in an argon gas atmosphere for 6 hours. The first heat treated raw materials were ball milled, mixed again, and then heat-treated (secondary) in an argon gas atmosphere at 600 ° C for 6 hours to prepare sodium manganese iron pyrophosphate.

(제조예3)(Production Example 3)

나트륨 망간 피로인산염의 제조Preparation of sodium manganese pyrophosphate

1.06g Na2CO3, 1.8g MnC2O4·2H2O 및 2.64g (NH4)2HPO4을 혼합하여 볼 밀링한 후, 이를 300℃에서 6시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 열처리(1차)하였다. 1차 열처리된 원료에 대해 볼 밀링을 수행하여 다시 섞은 후 600℃에서 6시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 다시 열처리(2차)하여, 나트륨 망간 피로인산염을 제조하였다.1.06 g of Na 2 CO 3 , 1.8 g of MnC 2 O 4 .2H 2 O and 2.64 g (NH 4 ) 2 HPO 4 were mixed and ball milled and then heat-treated at 300 ° C. for 6 hours in an argon gas atmosphere ). The first heat treated raw materials were ball milled, mixed again, and then heat-treated (secondary) in an argon gas atmosphere at 600 ° C for 6 hours to prepare sodium manganese pyrophosphate.

(제조예4)(Production Example 4)

나트륨 이차전지의 제조Preparation of sodium secondary battery

제조예 1, 제조예 2 또는 제조예 3에서 제조한 나트륨 전이금속 피로인산염:도전재(카본 블랙(super P)):바인더(PVdF; Polyvinylidene fluoride)를 7:1.5:1.5의 중량비로 혼합하고, N-메틸 피롤리돈(NMP) 용액을 이용하여 슬러리를 제조한 후, 제조한 슬러리를 알루미늄 포일 위에 도포하고, 120℃ 진공오븐에서 10시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다. 글로브 박스 안에서 제조된 양극과 함께 나트륨 메탈을 반대전극으로, 0.8M NaClO4을 함유하는 에틸렌카보네이트/디에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate/diethylenecarbonate)(1/1 부피비)을 전해질로 사용하여 전지를 제조하였다.A binder (PVdF; polyvinylidene fluoride) was prepared by mixing the sodium transition metal pyrophosphate: conductive material (carbon black (super P)) and the binder (PVdF: polyvinylidene fluoride) prepared in Production Example 1, Production Example 2 or Production Example 3 at a weight ratio of 7: After the slurry was prepared by using N-methylpyrrolidone (NMP) solution, the prepared slurry was coated on an aluminum foil and dried in a 120 ° C vacuum oven for 10 hours to prepare a positive electrode. Of sodium metal with an anode prepared in the glove box to the opposite electrodes, by using an ethylene carbonate / diethylene carbonate (ethylenecarbonate / diethylenecarbonate) (1/1 volume ratio) containing 0.8M NaClO 4 as an electrolyte was prepared in the cell.

제조된 나트륨 이차전지에 대해, 1.7(방전)-4.0(충전)V vs. Na/Na+ 전압범위에서 0.05 및 0.2C로 충방전을 실시하였다. 충방전 싸이클은 충전-방전 순으로 수행되었다.1.7 (discharge) -4.0 (charge) V vs. &lt; RTI ID = 0.0 &gt; And charged and discharged at 0.05 and 0.2 C in the Na / Na + voltage range. The charge-discharge cycle was performed in the order of charge-discharge.

도 1은 제조예 1에서 제조된 나트륨 철 피로인산염을 관찰한 주사전자현미경 사진으로 도 1(a)는 고배율 주사전자현미경 사진이며, 도 1(b)는 저배율 주사전자현미경 사진이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 수 μm의 크기를 갖는 일차 입자들이 뭉쳐 형성된 2차 입자상으로 나트륨 철 피로인산염이 제조됨을 확인하였다.FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of sodium iron pyrophosphate prepared in Preparation Example 1. FIG. 1 (a) is a high magnification scanning electron micrograph and FIG. 1 (b) is a low magnification scanning electron micrograph. As can be seen in FIG. 1, it was confirmed that sodium iron pyrophosphate was produced as a secondary particle on which primary particles having a size of several micrometers were formed.

도 2는 제조예 1 내지 제조예 3에서 제조된 나트륨 전이금속 피로인산염의 X-선 회절 분석결과를 도시한 도면으로, 도 2에서 알 수 있듯이, 삼사정계의 제조예 1에서 Na3.12Fe2.44(P2O7)2,제조예 2에서 Na3.12(Fe1.22Mn1.22)(P2O7)2및 제조예 3에서 Na3.12Mn2.44(P2O7)2가 제조됨을 확인하였다. 도 3은 x선 회결 결과에 의한 구조 및 측정 조성에 기반한 구조 시뮬레이션(GSAS rietveld refinement) 결과로, 제조된 나트륨 전이금속 피로인산염이 P-1 공간군을 가짐을 알 수 있었으며, 도 4과 같이, [100] 및 [010] 방향으로 거대한 채널이 형성되어 이온 반경이 큰 나트륨 이온의 탈 삽입 통로를 제공함을 알 수 있다. Figure 2 Na 3.12 Fe 2.44 in Preparation Example 1 of Production Example 1 to the sodium transfer in a view showing an X- ray diffraction analysis of the metallic pyrophosphate, as can be seen in Figure 2, the triclinic crystal system prepared in Example 3 ( P 2 O 7 ) 2 in Production Example 2, Na 3.12 (Fe 1.22 Mn 1.22 ) (P 2 O 7 ) 2 in Production Example 2 and Na 3.12 Mn 2.44 (P 2 O 7 ) 2 in Production Example 3 were produced. FIG. 3 shows that the sodium transition metal pyrophosphate prepared has a P-1 space group as a result of a structural simulation (GSAS rietveld refinement) based on the structure and measured composition by x-ray crystallization, It can be seen that a huge channel is formed in the [100] and [010] directions to provide a sink insertion path of sodium ions having a large ion radius.

도 5는 제조예 1에서 제조된 나트륨 철 피로인산염을 양극활물질로 함유하는 제조예 4의 나트륨 이차전지의 충방전 특성을 평가한 결과로, 1.7(방전)-4.0(충전)V vs. Na/Na+ 전압범위에서 0.05C로 충방전을 수행한 결과이다. 도 5의 결과에서 알 수 있듯이, 첫번째 충방전시, 제조 직후 나트륨 철 피로인산염에 함유된 나트륨 이온의 탈착이 이루어진 후, 방전시 나트륨 이온이 삽입이 되는 가역적인 나트륨 이온의 탈/삽입 반응이 이루어지며, 약 85 mAh/g 이상의 가역 용량을 가짐을 알 수 있다.FIG. 5 shows the results of evaluating the charge / discharge characteristics of the sodium secondary battery of Production Example 4 containing sodium iron pyrophosphate prepared in Production Example 1 as a cathode active material, showing 1.7 (discharge) -4.0 (charge) V vs. It is the result of charging / discharging at 0.05C in Na / Na + voltage range. As can be seen from the results of FIG. 5, after the sodium ion contained in the sodium iron pyrophosphate was removed immediately after the first charge / discharge, reversible sodium ion removal / insertion reaction was performed in which the sodium ion was inserted at the discharge And has a reversible capacity of about 85 mAh / g or more.

도 6는 제조예 1에서 제조된 나트륨 철 피로인산염을 양극활물질로 함유하는 제조예 4의 나트륨 이차전지의 충방전 싸이클 횟수에 따른 가역 용량을 정리 도시한 도면으로, 1.7(방전)-4.0(충전)V vs. Na/Na+ 전압범위에서 0.05C(도 6의 C/20) 및 0.2C(도 6의 C/5)로 충방전을 수행한 결과이다. 도 6에서 알 수 있듯이, 나트륨 이온의 가역적인 삽입 및 탈착이 원활히 수행됨을 알 수 있으며, 60회 싸이클까지도 안정적인 충방전 특성을 가짐을 알 수 있으며, 충방전 싸이클에서는 나트륨 철 피로인산염 구조에 2개의 Na+가 가역적으로 삽입/탈리됨을 알 수 있다.FIG. 6 is a diagram showing the reversible capacity according to the number of charge / discharge cycles of the sodium secondary battery of Production Example 4 containing sodium iron pyrophosphate prepared in Production Example 1 as a cathode active material, and shows 1.7 (discharge) -4.0 ) V vs. (C / 20 in Fig. 6) and 0.2C (C / 5 in Fig. 6) in the Na / Na + voltage range. As can be seen from FIG. 6, it can be seen that reversible insertion and desorption of sodium ions are performed smoothly, and that it has a stable charge / discharge characteristic even up to 60 cycles. In the charge / discharge cycle, the sodium iron pyrophosphate structure has two It can be seen that Na + reversibly intercalates / deintercalates.

도 7은 제조예 1에서 제조된 나트륨 철 피로인산염을 양극활물질로 함유하는 제조예 4의 나트륨 이차전지의 1C(도 7의 1C) 내지 0.05C(도 7의 C/20)의 전류 밀도에 따른 가역 용량의 변화를 도시한 도면이다. 도 7에서 알 수 있듯이 0.1C(도 6의 C/10)의 전류 밀도에서도 80mAhg-1이상의 가역 용량을 가짐을 알 수 있으며, 1C(도 6의 1C)의 전류 밀도에서도 65mAhg- 1이상의 가역 용량이 유지됨을 알 수 있다.7 is a graph showing the relationship between the current density of 1C (1C in Fig. 7) to 0.05C (C / 20 in Fig. 7) of the sodium secondary battery of Production Example 4 containing sodium iron pyrophosphate prepared in Production Example 1 as a cathode active material And shows the change of reversible capacity. As it can be seen in FIG. 7 0.1C (Fig. C / 10 6) in the current density may be seen having a reversible capacity 80mAhg -1 or more, at a current density of 1C 65mAhg (1C of FIG. 6) at least one reversible capacity Is maintained.

도 8은 구조적 변화 여부를 확인하기 위해, 충전상태의 나트륨 철 피로인산염을 GSAS프로그램을 사용하여 Rietveld refinement통해 결정구조를 분석한 도면으로, 도 9의 충전 상태에서의 양극 활물질에 대한 Rietveld refinement 결정구조 분석 결과에서 알 수 있듯이, 나트륨 이온의 삽입 또는 탈리시에도 삼사정계 구조가 유지됨을 확인하였다.FIG. 8 is a graph showing the crystal structure of the sodium iron pyrophosphate in a charged state through the Rietveld refinement using the GSAS program in order to confirm the structural change. FIG. 8 shows the Rietveld refinement crystal structure As a result of the analysis, it was confirmed that the triplet structure was maintained even when sodium ion was inserted or removed.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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 embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (11)

하기 화학식 1을 만족하는 나트륨 전이금속 피로인산염을 함유하는 이차전지용 양극활물질.
(화학식 1)
Na3 .12-x2Ac x1M1 a y1M2 b y2(P2O7)2
(화학식 1에서 Ac는 1 또는 2인 c의 원자가를 갖는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(A)를 의미하며, x1는 0≤x1≤0.5인 실수이고, x2는 c와 x1의 곱 (x2 = x1 * c)이며, M1 a는 a의 원자가를 갖는 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소(M1)를 의미하고, M2 b는 b의 원자가를 갖는 전이금속 및 12 내지 14족에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소 (M2)를 의미하며, a와 b는 서로 같거나 상이하며, a와 b는 서로 독립적으로 2 내지 4의 정수이며, y1은 0<y1≤2.44인 실수이고, y2는 0≤y2≤2.44인 실수이다.)
A positive electrode active material for a secondary battery comprising a sodium transition metal pyrophosphate satisfying the following formula (1).
(Formula 1)
Na 3 .12-x 2 A c x 1 M 1 a y1 M 2 b y2 (P 2 O 7 ) 2
(A and c stands for one or two or more selected element (A) from an alkali metal and an alkaline earth metal having a valence of 1 or 2. c in formula 1, x1 is a real 0≤x1≤0.5, x2 is c and the product of x1 (x2 = x1 * c), and, M 1 a is a transition metal and 12 to 14 group having a valence of a mean one or more than one selected element (M 1), and M 2 b is the valence of b This means the transition metal and 12 to 14 in the group of one or two or more selected element (M 2) and having, a and b are the same or different from each other, a and b are independently 2 to an integer from 4 to each other, y1 is 0 < y1? 2.44, and y2 is a real number satisfying 0? Y2?
제 1항에 있어서,
상기 나트륨 전이금속 피로인산염은 삼사정계(Triclinic phase)인 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the sodium transition metal pyrophosphate is a triclinic phase.
제 1항에 있어서,
상기 나트륨 전이금속 피로인산염은 P-1 공간군(space group)인 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the sodium transition metal pyrophosphate is a P-1 space group.
제 1항에 있어서,
상기 나트륨 전이금속 피로인산염은 화학식 1에서, (y1 * a) + (y2 * b) = 4.88을 만족하는 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
The sodium transition metal pyrophosphate satisfies (y1 * a) + (y2 * b) = 4.88 in the formula (1).
제 1항에 있어서,
상기 M1 및 M2는 서로 독립적으로, Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo 및 Nb에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소인 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein M 1 and M 2 are independently selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Mn, V, Cu, Ti, Al, Cr, Mo and Nb.
제 5항에 있어서,
상기 A는 Li, Na, Mg 및 Ca에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소인 이차전지용 양극활물질.
6. The method of claim 5,
Wherein A is one or more selected from Li, Na, Mg and Ca.
제 1항에 있어서,
상기 나트륨 전이금속 피로인산염은 적어도 철(Fe), 망간(Mn) 또는 철과 망간을 함유하는 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
The sodium transition metal pyrophosphate includes at least iron (Fe), manganese (Mn), or iron and manganese.
제 1항에 있어서,
상기 양극활물질은 1.7V/4.0V 및 0.05C의 충방전 조건에서 80mAh/g 이상의 용량을 갖는 이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode active material has a capacity of 80 mAh / g or more under charge / discharge conditions of 1.7 V / 4.0 V and 0.05 C.
제 1항 내지 제 8항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 양극활물질은 나트륨 이차전지용인 이차전지용 양극활물질.
9. The compound according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the positive electrode active material is a sodium secondary battery.
제 1항 내지 제 8항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 양극활물질은 탄소를 더 함유하는 이차전지용 양극활물질.
9. The compound according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the positive electrode active material further contains carbon.
제 1항 내지 제 8항에서 선택된 어느 한 항에 따른 양극활물질을 포함하는 나트륨 이차전지.A sodium secondary battery comprising a cathode active material according to any one of claims 1 to 8.
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