KR102067512B1 - Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same - Google Patents

Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102067512B1
KR102067512B1 KR1020180047427A KR20180047427A KR102067512B1 KR 102067512 B1 KR102067512 B1 KR 102067512B1 KR 1020180047427 A KR1020180047427 A KR 1020180047427A KR 20180047427 A KR20180047427 A KR 20180047427A KR 102067512 B1 KR102067512 B1 KR 102067512B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
negative electrode
electrode active
copper
producing
Prior art date
Application number
KR1020180047427A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20180119140A (en
Inventor
박경원
김은수
김민철
이지은
문상현
신연경
Original Assignee
숭실대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교 산학협력단 filed Critical 숭실대학교 산학협력단
Publication of KR20180119140A publication Critical patent/KR20180119140A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102067512B1 publication Critical patent/KR102067512B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1391Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G3/00Compounds of copper
    • C01G3/02Oxides; Hydroxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/043Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435Rolling or calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • Y02E60/122
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/54

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 형상 제어된 음극 활물질 합성을 통한 고출력 리튬이차전지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 음극 활물질의 경우 8면체 형상의 나노 입자를 합성하여 리튬이온전지의 음극 활물질에 적용함으로써 리튬이온전지의 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a high output lithium secondary battery by synthesis of a shape-controlled negative electrode active material, in the case of the negative electrode active material prepared by the manufacturing method according to the present invention by synthesizing the octahedron-shaped nanoparticles to the negative electrode active material of a lithium ion battery The application has an effect of improving the electrical conductivity of the lithium ion battery.

Description

음극 활물질의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same}Method of manufacturing a negative electrode active material and a lithium secondary battery comprising the same {Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same}

본 발명은 음극 활물질의 제조방법 및 이러한 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 특히 형상제어된 구리 나노구조체를 포함하는 음극 활물질과 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a negative electrode active material and a lithium secondary battery including the negative electrode active material, and more particularly, to a negative electrode active material including a shape-controlled copper nanostructure and a lithium secondary battery including the same.

리튬 이차 전지는 이차 전지 시장의 가장 큰 비중을 차지하고 있는 전지로, 높은 작동 전압과 에너지 밀도를 장점으로 하여 휴대용 전자 기기와 전기 자동차, 에너지 저장 장치(energy storage system, ESS)까지 다양한 분야에 사용되고 있다. Lithium secondary battery is the largest part of the secondary battery market. It has high operating voltage and energy density, and is used in various fields such as portable electronic devices, electric vehicles, and energy storage systems (ESS). .

일반적으로 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리(intercalation and disintercalation)가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 음극과 양극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다. In general, a lithium secondary battery is prepared by using a material capable of intercalation and disintercalation of lithium ions as a cathode and an anode, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between a cathode and an anode, and the lithium ion is a cathode and an anode. Electrical energy is generated by oxidation and reduction reaction when inserted and detached at

현재 리튬 이차 전지의 음극을 구성하는 전극 활물질로는 탄소성 물질이 주로 사용되고 있다. 이 중 흑연의 경우, 이론 용량이 약 372 mAh/g 정도이며, 현재 상용화된 흑연의 실제 용량은 약 350 내지 360 mAh/g 정도까지 실현되고 있다. 그러나, 이러한 흑연과 같은 탄소성 물질의 용량으로는 고용량의 음극 활물질을 요구하는 리튬 이차 전지에 부합되지 못하고 있다.Currently, carbonaceous materials are mainly used as an electrode active material constituting the negative electrode of a lithium secondary battery. In the case of graphite, the theoretical capacity is about 372 mAh / g, and the actual capacity of commercially available graphite is realized up to about 350 to 360 mAh / g. However, the capacity of the carbonaceous material such as graphite does not meet the lithium secondary battery that requires a high capacity negative electrode active material.

이러한 요구를 충족하기 위하여 탄소성 물질보다 높은 충방전 용량을 나타내고, 리튬과 전기 화학적으로 합금화 가능한 금속인 Cu, Ni, Ti, Sn 등, 이들의 산화물 또는 이들과의 합금을 음극 활물질로 이용하는 예가 있다. In order to satisfy these demands, there is an example of using an oxide or an alloy thereof with Cu, Ni, Ti, Sn, and the like, which have a higher charge / discharge capacity than carbonaceous materials and which can be electrochemically alloyed with lithium, as an anode active material. .

일예로 음극 활물질로서의 Cu2O은 리튬 이온의 리튬화/탈리튬화 공정에 있어서, 리튬화시에 형성하는 Cu 나노결정들은 LiO2 매트릭스내에 분산되고 탈리튬화시에 산화물 상태로 돌아온다. 이러한 충/방전시에 전극의 부피팽창은 리튬 이차 전지에 있어서 전기화학적 성능을 감소시키는 결과를 초래할 수 있다. For example, Cu 2 O as a negative electrode active material is lithiation / delithiation of lithium ions, and Cu nanocrystals formed during lithiation are dispersed in the LiO 2 matrix and return to an oxide state during delithiation. The volume expansion of the electrode during such charging / discharging may result in decreasing the electrochemical performance in the lithium secondary battery.

이러한 문제점을 해결하기 위한 일환으로, 형상제어된 나노구조체를 제조하는 방법이 알려져 있는데, 그 일예로 하기의 비특허문헌 1에는 구리 전구체로부터 산화구리 나노구조체를 제조하는 데 있어서 계면활성제로서 폴리비닐피롤리돈의 사용여부에 따라서 나노구조체의 형상을 제어할 수 있고, 그 결과에 따라서 전기화학적 특성이 달라짐을 확인하여 게재하였다. In order to solve such a problem, a method of manufacturing a shape-controlled nanostructure is known. For example, Non-Patent Literature 1 below discloses polyvinylpi as a surfactant in producing a copper oxide nanostructure from a copper precursor. The shape of the nanostructures can be controlled according to the use of rolidone, and the electrochemical properties are changed according to the results.

그런데, 이와 같이 형상제어된 나노구조체를 전극 활물질로 사용하는 경우 그 형상에 따라서 전기화학적 특성의 향상을 보이기는 하지만, 지속적으로 고용량을 요구하는 연료전지 산업의 추세에 부응하는 데 있어서는 그 한계가 있었다. By the way, when the shape-controlled nanostructure is used as an electrode active material, the electrochemical properties are improved depending on the shape, but there are limitations in meeting the trend of the fuel cell industry which continuously requires high capacity. .

1. Min-Cheol Kim, Si-Jin Kim, Sang-Beom Han, Da-Hee Kwak, Eui-Tak Hwang, Da-Mi Kim, Cyu-Ho Lee, Hui-Seon Choe and Kyung-Won Park, J. Mater. Chem. A. 2015.3.23003-23010.Min-Cheol Kim, Si-Jin Kim, Sang-Beom Han, Da-Hee Kwak, Eui-Tak Hwang, Da-Mi Kim, Cyu-Ho Lee, Hui-Seon Choe and Kyung-Won Park, J. Mater . Chem. A. 2015.3.23003-23010.

본 발명은 리튬이온전지의 높은 안정성과 고출력을 위해 높은 용량을 가지고 전기 전도도가 향상된 전극 활물질을 제공하고자 한다. The present invention is to provide an electrode active material having high capacity and improved electrical conductivity for high stability and high output of a lithium ion battery.

또한 본 발명은 고출력과 높은 안정성을 충족하는 리튬이온전지를 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a lithium ion battery that satisfies high output and high stability.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 구리 전구체 수용액을 제조하는 제 1 단계; 상기 구리 전구체 수용액에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하고 교반하는 제 2 단계; 제 2 단계의 혼합용액에 NaOH 및 유기산을 첨가하여 반응시키는 제 3 단계; 제 3 단계의 반응용액으로부터 반응결과물을 분리 및 회수하는 제 4 단계; 제 4 단계로부터 회수된 반응결과물을 건조하는 제 5 단계; 및 제 5 단계의 건조결과물을 열처리하는 제 6 단계를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a first step of preparing a copper precursor aqueous solution; A second step of adding and stirring polyvinylpyrrolidone to the copper precursor aqueous solution; A third step of adding and reacting NaOH and an organic acid to the mixed solution of the second step; A fourth step of separating and recovering the reaction product from the reaction solution of the third step; A fifth step of drying the reaction product recovered from the fourth step; And a sixth step of heat-treating the drying result of the fifth step.

바람직한 일 예에 따른 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 폴리비닐피롤리돈은 중량평균분자량이 25,000 내지 30,000인 것을 사용할 수 있다. In the method of manufacturing a negative electrode active material according to a preferred embodiment, the polyvinylpyrrolidone may be used having a weight average molecular weight of 25,000 to 30,000.

바람직한 일 예에 따른 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 폴리비닐피롤리돈은 구리 전구체 중량 100중량부에 대하여 1,700 내지 3,000중량부로 사용할 수 있다. In the method of manufacturing a negative electrode active material according to a preferred embodiment, the polyvinylpyrrolidone may be used in 1,700 to 3,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the copper precursor.

바람직한 일 예에 따른 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 제 6 단계는 200 내지 400℃에서 열처리하는 방법으로 수행될 수 있고, 보다 바람직한 일예에서 상기 제 6 단계는 공기 분위기 하에서 180 내지 220℃로 1차 열처리하고, 질소 분위기 하에서 280 내지 400℃로 2차 열처리하는 방법으로 수행될 수 있다. In the method of manufacturing a negative electrode active material according to a preferred embodiment, the sixth step may be performed by a method of heat treatment at 200 to 400 ℃, in a more preferred embodiment the sixth step to 180 to 220 ℃ 1 in an air atmosphere The secondary heat treatment may be carried out by a second heat treatment at 280 to 400 ℃ under a nitrogen atmosphere.

바람직한 일 예에 따른 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 구리 전구체는 황산구리(CuSO4), 염화제1구리(CuCl), 염화제2구리(CuCl2), 질산구리(Cu(NO3)2), 아세트산구리(CH3COOCu), 탄산구리(CuCO3), 시안화구리(Cu(CN)2), 요오드화구리(CuI) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있다. In a method of manufacturing a negative active material according to a preferred embodiment, the copper precursor is copper sulfate (CuSO 4 ), cuprous chloride (CuCl), cupric chloride (CuCl 2 ), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ) Any one selected from the group consisting of, copper acetate (CH 3 COOCu), copper carbonate (CuCO 3 ), copper cyanide (Cu (CN) 2 ), copper iodide (CuI), and combinations thereof.

바람직한 일예에서, 상기 제1단계 내지 제3단계는 28 내지 32℃에서 수행될 수 있다. In a preferred embodiment, the first to third steps may be performed at 28 to 32 ℃.

바람직한 일 예에 따른 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 제3단계는 제 2 단계의 혼합용액에 NaOH를 첨가하고 0.5 내지 1시간 반응시키고, 여기에 유기산을 첨가하고 3 내지 4시간 동안 반응시키는 방법으로 수행되며, 환원제는 구리 전구체 1몰을 기준으로 하여 2 내지 2.2몰비로 사용되고, 유기산은 구리 전구체 1몰을 기준으로 하여 0.5 내지 0.7몰비로 사용될 수 있다. In the method of preparing a negative electrode active material according to a preferred embodiment, the third step is a method of adding NaOH to the mixed solution of the second step and reacting for 0.5 to 1 hour, and adding an organic acid to it for 3 to 4 hours The reducing agent may be used in 2 to 2.2 molar ratios based on 1 mole of the copper precursor, and the organic acid may be used in 0.5 to 0.7 molar ratios based on 1 mole of the copper precursor.

바람직한 일 예에 따른 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 유기산은 아스코르브산(Ascorbic acid), 에리소르빈산(Erythorbic acid), 글루쿠로노락톤(Glucuronolactone), 트리포민(Triformin, 2,3-diformyloxypropyl formate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. In a method of manufacturing a negative active material according to a preferred embodiment, the organic acid is ascorbic acid (Escorbic acid), erythorbic acid (Erythorbic acid), glucuronolactone (Glucuronolactone), triformin (Triformin, 2,3-diformyloxypropyl formate ) And a combination thereof.

바람직한 일예에서, 상기 제5단계는 48 내지 52℃에서 23 내지 25시간 동안 건조하는 방법으로 수행될 수 있다. In a preferred embodiment, the fifth step may be performed by drying at 48 to 52 ° C. for 23 to 25 hours.

본 발명은 또한 상술한 일예에 의한 제조방법에 의해 제조되며, 팔면체 형상(octahedral)의 Cu2O 나노구조체 및 탄소를 포함하는 음극 활물질을 제공한다. The present invention also provides a negative electrode active material which is prepared by the manufacturing method according to the above-described example and comprises an octahedral Cu 2 O nanostructure and carbon.

여기서, 탄소는 폴리비닐피롤리돈으로부터 유래된 것일 수 있다. Here, the carbon may be derived from polyvinylpyrrolidone.

본 발명은 또한 상술한 일예에 의해 제조된 음극 활물질을 포함하는 전극을 제공한다. The present invention also provides an electrode comprising the negative electrode active material prepared by the above-described example.

본 발명은 또한 이러한 전극을 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium ion battery comprising such an electrode.

본 발명에 따른 음극 활물질의 제조방법은 Cu2O 나노구조체의 형상을 전기화학적으로 우수한 특성을 보이는 팔면체 형상으로 용이하게 제어하면서도, 이러한 형상적 제어에 기여하는 폴리비닐피롤리돈을 카본 공급원으로 이용할 수 있도록 한 방법인 점에서 유용하다. The method for preparing a negative electrode active material according to the present invention makes it possible to easily control the shape of the Cu 2 O nanostructure into an octahedral shape exhibiting excellent electrochemical properties, and to use polyvinylpyrrolidone as a carbon source, which contributes to such shape control. This is useful in that way.

이와 같은 방법으로 제조된 나노구조체는 높은 용량을 가지고 전기전도도가 향상된 전극물질로서 유용하며, 이를 포함하는 리튬이온전지는 높은 안정성과 고출력을 충족할 수 있는 점에서 산업적 이용가치가 높다. Nanostructures prepared in this way are useful as electrode materials having high capacity and improved electrical conductivity, and lithium ion batteries containing them have high industrial value in that they can meet high stability and high output.

도 1은 실시예 1(PVP 0.12) 내지 실시예 2(PVP 0.16)로부터 얻어진 각각의 음극 활물질에 대한 XRD 분석결과.
도 2 내지 도 3은 각각 실시예 1(PVP 0.12) 내지 실시예 2(PVP 0.16)로부터 얻어진 음극 활물질에 대한 SEM 분석 결과 이미지.
도 4는 0.2, 0.5, 1.0 mV/s의 주사속도로 측정한 (a) 실시예 1(PVP 0.12), (b) 실시예 2(PVP 0.16) 두 샘플의 순환전압전류법 그래프.
도 5는 실시예 1(PVP 0.12), 실시예 2(PVP 0.16) 두 샘플의 (a) 200 mA/g에서의 cycling performance, (b) 500 mA/g에서의 cycling performance, (c) 200, 500, 1000, 2000, 3000, 200 mA/g에서의 high-rate performance.
1 is an XRD analysis of each negative electrode active material obtained from Example 1 (PVP 0.12) to Example 2 (PVP 0.16).
2 to 3 are SEM analysis results of the negative electrode active material obtained from Example 1 (PVP 0.12) to Example 2 (PVP 0.16), respectively.
4 is a cyclic voltammetry graph of two samples (a) Example 1 (PVP 0.12) and (b) Example 2 (PVP 0.16) measured at a scanning rate of 0.2, 0.5, 1.0 mV / s.
5 shows (a) cycling performance at 200 mA / g, (b) cycling performance at 500 mA / g, (c) 200, of two samples of Example 1 (PVP 0.12), Example 2 (PVP 0.16) High-rate performance at 500, 1000, 2000, 3000 and 200 mA / g.

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

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조방법은, 구리 전구체 수용액을 제조하는 제 1 단계; 상기 구리 전구체 수용액에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하고 교반하는 제 2 단계; 제 2 단계의 혼합용액에 NaOH 및 유기산을 첨가하여 반응시키는 제 3 단계; 제 3 단계의 반응용액으로부터 반응결과물을 분리 및 회수하는 제 4 단계; 제 4 단계로부터 회수된 반응결과물을 건조하는 제 5 단계; 및 제 5 단계의 건조결과물을 열처리하는 제 6 단계를 포함한다. Method for producing a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, the first step of preparing a copper precursor aqueous solution; A second step of adding and stirring polyvinylpyrrolidone to the copper precursor aqueous solution; A third step of adding and reacting NaOH and an organic acid to the mixed solution of the second step; A fourth step of separating and recovering the reaction product from the reaction solution of the third step; A fifth step of drying the reaction product recovered from the fourth step; And a sixth step of heat treating the drying result of the fifth step.

먼저, 본 발명의 Cu2O 나노구조체를 포함하는 음극 활물질을 제조하기 위한 반응은 구리 전구체를 이용한 일련의 환원반응을 통해 진행되는 것으로, 상기 구리 전구체는 수용액 하에서 구리 이온을 형성할 수 있는 화합물이면 적용할 수 있으며, 그 일예로 황산구리(CuSO4), 염화제1구리(CuCl), 염화제2구리(CuCl2), 질산구리(Cu(NO3)2), 아세트산구리(CH3COOCu), 탄산구리(CuCO3), 시안화구리(Cu(CN)2), 요오드화구리(CuI) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 본 발명의 구체적인 일예에서는 이러한 구리 전구체 중 염화제2구리 수화물(CuCl2·2H2O)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.First, a reaction for preparing a negative electrode active material including the Cu 2 O nanostructure of the present invention is carried out through a series of reduction reactions using a copper precursor, and the copper precursor is a compound capable of forming copper ions under an aqueous solution. For example, copper sulfate (CuSO 4 ), cuprous chloride (CuCl), cupric chloride (CuCl 2 ), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ), copper acetate (CH 3 COOCu), It may be any one selected from the group consisting of copper carbonate (CuCO 3 ), copper cyanide (Cu (CN) 2 ), copper iodide (CuI), and combinations thereof. In a specific example of the present invention, it may be preferable to use cupric chloride hydrate (CuCl 2 · 2H 2 O) among these copper precursors.

이와 같은 구리 전구체를 이용하여 구리 전구체 수용액을 제조(제 1 단계)한 다음, 여기에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하여 교반함으로써 혼합용액을 제조한다(제 2 단계).The copper precursor aqueous solution is prepared using the copper precursor (first step), and then polyvinylpyrrolidone is added thereto and stirred to prepare a mixed solution (second step).

제 2 단계에서 폴리비닐피롤리돈의 첨가는 후속되는 환원반응을 통해 구리이온이 환원되어 Cu2O 나노구조체를 형성하는 데 있어서 계면활성제로 기능하여 나노구조체의 입자크기와 형상을 제어하는 역할을 할 수 있다. In the second step, the addition of polyvinylpyrrolidone serves to control the particle size and shape of the nanostructure by functioning as a surfactant in reducing the copper ions through subsequent reduction reaction to form Cu 2 O nanostructures. can do.

상술한 제 1 단계의 교반시간은 특별히 한정되는 것은 아니나, 30분 내지 1시간인 것이 바람직하고, 제 2 단계의 교반시간 또한 30분 내지 1시간인 것이 바람직할 수 있다. Although the stirring time of the first step is not particularly limited, it is preferably 30 minutes to 1 hour, and the stirring time of the second step may also be preferably 30 minutes to 1 hour.

다음으로, 제 3 단계는 구리 전구체 수용액과 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 혼합용액에 NaOH와 유기산을 첨가하고 교반하여 반응시키는 단계이다. Next, the third step is a step of reacting by adding NaOH and an organic acid to the mixed solution containing a copper precursor aqueous solution and polyvinylpyrrolidone and stirred.

구체적으로 제 3 단계는 제 2 단계의 혼합용액에 NaOH를 첨가하고 0.5 내지 1시간 반응시키고, 여기에 유기산을 첨가하고 3 내지 4시간 동안 반응시키는 방법으로 수행된다. Specifically, the third step is performed by adding NaOH to the mixed solution of the second step and reacting for 0.5 to 1 hour, adding an organic acid thereto and reacting for 3 to 4 hours.

여기서 NaOH는 혼합용액 내의 구리 이온과 반응하여 구리 수산화물을 형성한다. NaOH reacts with copper ions in the mixed solution to form a copper hydroxide.

NaOH는 그 반응비를 고려하여 구리 전구체 1몰을 기준으로 하여 2 내지 2.2몰비로 첨가할 수 있다. NaOH may be added in a ratio of 2 to 2.2 moles based on 1 mole of the copper precursor in consideration of the reaction ratio.

한편, 유기산은 상기한 NaOH와의 반응을 통해 얻어진 구리 수산화물과의 반응을 통해 산화구리를 제조하는 역할을 하는 것으로, 구체적인 일예로는 아스코르브산(Ascorbic acid), 에리소르빈산(Erythorbic acid), 글루쿠로노락톤(Glucuronolactone), 트리포민 (Triformin, 2,3-diformyloxypropyl formate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하기로는 아스코르브산일 수 있다. On the other hand, the organic acid serves to produce copper oxide through the reaction with the copper hydroxide obtained through the reaction with NaOH, specific examples are ascorbic acid, erythorbic acid, glucuro Nor may be selected from the group consisting of glucuronolactone, triformin (2,3-diformyloxypropyl formate), and a combination thereof, preferably ascorbic acid.

이러한 유기산은 반응비를 고려하여 구리 전구체 1몰을 기준으로 하여 0.5 내지 0.7몰비로 사용하는 것이 바람직할 수 있다. In consideration of the reaction ratio, the organic acid may be preferably used in a molar ratio of 0.5 to 0.7 based on 1 mole of the copper precursor.

본 발명에 있어서 상술한 제 1 단계 내지 제 3 단계는 공히 수용액 환경에서 이루어지는 것이며, 그 온도 조건은 28 내지 32℃에서 수행되는 것이 본 발명에서 의도하는 팔면체 구조의 Cu2O 나노구조체를 형성할 수 있는 측면에서 유리할 수 있다. In the present invention, the first to third steps described above are all performed in an aqueous solution environment, and the temperature condition is performed at 28 to 32 ° C. to form an octahedral structure of Cu 2 O nanostructures intended in the present invention. It may be advantageous in that respect.

이와 같은 제 3 단계를 거친 반응용액 중에는 팔면체 구조의 Cu2O 나노구조체가 반응결과물로 포함되고, 또한 폴리비닐피롤리돈이 이러한 나노구조체의 표면을 감싸는 형태로 얻어질 수 있다.In the reaction solution that passed through the third step, the octahedral structure Cu 2 O nanostructures are included as a reaction product, and polyvinylpyrrolidone may be obtained in the form of surrounding the surface of the nanostructures.

이에 다음으로는, 제 3 단계의 반응용액에서 반응결과물을 분리 및 회수하는 단계(제 4 단계)를 거치게 되는데, 이때 분리 및 회수의 방법은 용액 내에 존재하는 이러한 반응결과물을 분리하여 회수하는 방법이라면 적용이 가능하고, 바람직하게는 원심분리하고 물을 이용하여 여과하는 방법을 통해 반응결과물을 회수할 수 있다. This is followed by the step of separating and recovering the reaction product from the reaction solution of the third step (fourth step), wherein the method of separation and recovery is a method of separating and recovering the reaction product present in the solution. Application is possible, and the reaction product may be recovered by centrifugation and filtering with water.

다음으로, 이와 같이 회수된 반응결과물을 건조하는 바, 이때의 건조는 분말상의 반응결과물을 얻기 위한 공정으로서, 48 내지 52℃에서 23 내지 25시간 동안 건조하면 충분히 분말상의 반응결과물을 얻을 수 있다. Next, the reaction product thus recovered is dried. At this time, the drying is a process for obtaining a powdery reaction product. When the reaction product is dried at 48 to 52 ° C. for 23 to 25 hours, a sufficiently powdery reaction product can be obtained.

한편, 본 발명의 음극 활물질 제조방법에 있어서 폴리비닐피롤리돈은 Cu2O 나노구조체 제조에 있어서 그 형상제어를 위한 계면활성제로서의 역할을 수행하면서, 또한 이것이 궁극적으로 Cu2O 나노구조체에 잔류하는 carbon source로 작용하도록 하는 것으로, 이러한 두 가지의 기능적 측면에서 좋기로는 그 중량평균분자량이 25,000 내지 30,000인 것일 수 있다. Meanwhile, the polyvinylpyrrolidone in the negative electrode active material manufacturing method of the present invention plays a role as a surfactant for controlling the shape in the production of Cu 2 O nanostructures, which also ultimately remain in the Cu 2 O nanostructures In order to act as a carbon source, in terms of these two functional aspects, the weight average molecular weight may be 25,000 to 30,000.

이러한 폴리비닐피롤리돈은 구리 전구체 중량 100중량부에 대하여 1,700 내지 3,000중량부로 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 폴리비닐피롤리돈의 사용량의 증가에 따라서 Cu2O 나노구조체의 크기가 작아지게 되며 이로써 목적하는 팔면체 구조가 붕괴되어 궁극적으로는 음극 활물질로서의 안정성을 저하시키는 문제가 있을 수 있고, 그 사용량이 너무 적으면 탄소로서 잔류하여 전기전도도를 향상시키는 효과가 미미한 문제가 있을 수 있다. 이러한 점을 고려할 때 폴리비닐피롤리돈의 사용량은 구리 전구체 중량 100중량부에 대하여 1,700 내지 3,000중량부, 더욱 바람직하기로는 1,750 내지 2,400중량부인 것이다.The polyvinylpyrrolidone may be preferably used in an amount of 1,700 to 3,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the copper precursor. As the amount of polyvinylpyrrolidone increases, the size of the Cu 2 O nanostructure becomes smaller. As a result, the desired octahedral structure may be collapsed, and ultimately, there may be a problem of lowering stability as the negative electrode active material. If the amount is too small, there may be a problem that the effect of improving the electrical conductivity by remaining as carbon may be insignificant. In consideration of this point, the amount of polyvinylpyrrolidone used is 1,700 to 3,000 parts by weight, more preferably 1,750 to 2,400 parts by weight based on 100 parts by weight of the copper precursor.

한편, 이러한 폴리비닐피롤리돈을 상술한 두 가지의 기능을 고려하여 적용하기 위해서는 최종적으로 상기 제 5 단계를 거친 건조물에 대해 열처리(제 6 단계)를 수행하게 되는데, 이러한 열처리를 통해 폴리비닐피롤리돈 중의 유기성분은 최대한 제거하고 탄소성분을 주로 잔류시킬 수 있다.On the other hand, in order to apply the polyvinylpyrrolidone in consideration of the two functions described above, the heat treatment (sixth step) is finally performed on the dried material that has passed through the fifth step. The organic component in the ralidone can be removed as much as possible and the carbon component can be mainly retained.

좋기로는 열처리를 통해 폴리비닐피롤리돈을 탄화시켜 오로지 결정성 카본만으로 나노구조체 표면에 잔류시키는 것이 전기전도성의 향상을 극대화시킬 수 있는 측면에서 바람직하기는 하지만, 이러한 열처리로 인해 Cu2O 나노구조체의 형상을 팔면체(octahedral)로 제어하기 위한 본연의 목적을 저해하지 않아야 하기 때문에 좋기로는 제 6 단계는 200 내지 400℃에서 열처리하는 방법으로 수행되는 것이 바람직할 수 있다. Preferably in the polyvinylpyrrolidone by carbonizing the money to be preferred in view to maximize the improvement of the electrical conductivity that remains on the nanostructure surface with only only crystalline carbon, but due to this heat-treated Cu 2 O nano-through heat treatment Preferably, the sixth step may be preferably performed by heat treatment at 200 to 400 ° C., since it should not inhibit the original purpose of controlling the shape of the structure to an octahedral.

비록 질소 분위기 하의 낮은 온도 조건에서의 1차 열처리가 실험적으로 간단하지만 이를 통해서는 팔면체(octahedral) 나노구조체 형상을 유지할 수 없는바, 바람직하기로는 우선 공기 분위기 하에서 180 내지 220℃로 1차 열처리하고, 질소 분위기 하에서 280 내지 400℃로 2차 열처리하는 방법으로 수행되는 것이 바람직할 수 있다. Although the first heat treatment at low temperature conditions under nitrogen atmosphere is experimentally simple, it is not possible to maintain the octahedral nanostructure shape through this, preferably first heat treatment at 180 to 220 ° C. under an air atmosphere, It may be preferably carried out by a second heat treatment at 280 to 400 ℃ under a nitrogen atmosphere.

이와 같은 일련의 제조방법을 거치게 되면, 팔면체 형상(octahedral)의 Cu2O 나노구조체 및 탄소를 포함하는 음극 활물질을 얻을 수 있는데, 여기서의 탄소는 폴리비닐피롤리돈으로부터 유래된 것이다. Through such a series of manufacturing methods, an octahedral Cu 2 O nanostructure and a negative electrode active material including carbon are obtained, wherein the carbon is derived from polyvinylpyrrolidone.

본 발명의 기재에 있어서 '탄소'는 실질적으로 결정성 탄소 형태로 해석되는 정도로 분자쇄 내에 탄소 이외의 다른 원소를 포함하지 않거나, 극미량의 탄소 외 원소를 포함하는 것까지를 포괄하는 것으로 정의될 수 있다. In the description of the present invention, 'carbon' may be defined to include not only elements other than carbon in the molecular chain or even include trace amounts of non-carbon elements to the extent that they are substantially interpreted as crystalline carbon forms. have.

본 발명의 제조방법에 따르면, 이와 같이 정의된 '탄소'는 팔면체 형상의 Cu2O 나노구조체의 표면에 개질된 형태로 존재할 수 있고, 단순히 분산된 형태로 존재할 수 있다. According to the manufacturing method of the present invention, the carbon defined as above may exist in a modified form on the surface of the octahedral Cu 2 O nanostructure, or may simply exist in a dispersed form.

얻어진 음극 활물질은 그 입자크기(평균입경)가 225 내지 260nm인 나노구조체이다. The obtained negative electrode active material is a nanostructure whose particle size (average particle diameter) is 225 to 260 nm.

이와 같이 얻어진 음극 활물질은 그 제조방법에 있어서 폴리비닐피롤리돈의 첨가량의 제어만으로도 음극 활물질의 전기전도도의 향상에 영향을 미침을 확인할 수 있는바, 이는 폴리비닐피롤리돈 유래의 탄소가 Cu2O 나노구조체 상에 존재하여 carbon source로 작용함으로써 전기전도도를 향상시킨 것으로 유추할 수 있다. The cathode active material thus obtained, a bar which can determine the affect the improvement of the electrical conductivity of the cathode active material only control of the amount of polyvinylpyrrolidone in the method of manufacturing the same, which is the polyvinylpyrrolidone-derived carbon Cu 2 It can be inferred to improve the electrical conductivity by acting as a carbon source on the O nanostructure.

본 발명에 따라 얻어진 이러한 음극 활물질은 통상의 방법에 따라 전극으로 제조될 수 있으며, 그 일예로 케첸블랙과 같은 도전재 및 바인더로서 전도성 고분자를 혼합하여 전극으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Such a negative electrode active material obtained according to the present invention may be prepared as an electrode according to a conventional method, for example, a conductive material such as Ketjenblack and a conductive polymer may be mixed as a binder to be prepared as an electrode, but is not limited thereto. .

이와 같은 전극은 특히 리튬이온전지의 음극으로 유용하며, 이러한 음극을 포함하는 리튬이온전지는 높은 안정성과 고출력을 만족시킬 수 있다. Such an electrode is particularly useful as a negative electrode of a lithium ion battery, and a lithium ion battery including such a negative electrode can satisfy high stability and high output.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> <Example 1>

H2O 400 ㎖에 CuCl2H2O를 0.01 M이 되도록 0.6820 g을 넣고 30℃에서 30분 동안 교반하였다. Put 0.6820 g so that the 0.01 M CuCl 2 · 2H 2 O was stirred at 30 ℃ for 30 minutes in H 2 O 400 ㎖.

그 후, 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, Mw=29,000; 이하 'PVP') 12 g을 첨가하여 30℃에서 30분 동안 교반하고, 여기에 2M의 NaOH 40 ㎖를 첨가한 후 30℃에서 30분 동안 교반하였다. Then, 12 g of polyvinylpyrrolidone (Mw = 29,000; 'PVP') was added thereto, stirred at 30 ° C. for 30 minutes, and 40 ml of 2M NaOH was added thereto, followed by 30 minutes at 30 ° C. Was stirred.

그리고 0.6 M의 아스코르브산(ascorbic acid) 40 ㎖를 첨가한 후 30℃에서 3시간 동안 교반하였다. And 40 ml of ascorbic acid (0.6 M) was added, followed by stirring at 30 ° C. for 3 hours.

그 다음으로 8000 rpm에서 15분 동안 원심분리(centrifugation)를 진행하고 H2O로 여과(filtering)하였다. Then, centrifugation was performed at 8000 rpm for 15 minutes and filtered with H 2 O.

오븐(온도 50℃)에서 24시간 동안 건조를 진행한 후, 공기 중에서 200℃로 2시간 동안 열처리하고, 다음으로 질소 분위기 하에서 300℃로 3시간 동안 열처리하여 음극 활물질을 합성하였다.After drying for 24 hours in an oven (temperature 50 ℃), heat treatment for 2 hours at 200 ℃ in air, and then heat treatment for 3 hours at 300 ℃ under a nitrogen atmosphere to synthesize a negative electrode active material.

<실시예 2> <Example 2>

H2O 400 ㎖에 CuCl2·2H2O를 0.01 M이 되도록 0.6820 g을 넣고 30℃에서 30분 동안 교반하였다. Put 0.6820 g so that the 0.01 M CuCl 2 · 2H 2 O was stirred at 30 ℃ for 30 minutes in H 2 O 400 ㎖.

그 후, 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, Mw=29,000; 이하 'PVP') 16 g을 첨가하여 30℃에서 30분 동안 교반하고, 여기에 2M의 NaOH 40 ㎖를 첨가한 후 30℃에서 30분 동안 교반하였다. Then, 16 g of polyvinylpyrrolidone (Mw = 29,000; hereinafter 'PVP') was added thereto, stirred at 30 ° C. for 30 minutes, and 40 ml of 2M NaOH was added thereto, followed by 30 minutes at 30 ° C. Was stirred.

그리고 0.6 M의 아스코르브산(ascorbic acid) 40 ㎖를 첨가한 후 30℃에서 3시간 동안 교반하였다. And 40 ml of ascorbic acid (0.6 M) was added, followed by stirring at 30 ° C. for 3 hours.

그 다음으로 8000 rpm에서 15분 동안 원심분리(centrifugation)를 진행하고 H2O로 여과(filtering)하였다. Then, centrifugation was performed at 8000 rpm for 15 minutes and filtered with H 2 O.

오븐(온도 50℃)에서 24시간 동안 건조를 진행한 후, 공기 중에서 200℃로 2시간 동안 열처리하고, 다음으로 질소 분위기 하에서 300℃로 3시간 동안 열처리하여 음극 활물질을 합성하였다.After drying for 24 hours in an oven (temperature 50 ℃), heat treatment at 200 ℃ in air for 2 hours, and then heat treatment at 300 ℃ under nitrogen atmosphere for 3 hours to synthesize a negative electrode active material.

<실험예 1>Experimental Example 1

상기 실시예 1 내지 실시예 2로부터 얻어진 각각의 음극 활물질에 대하여 구조적 특성을 X-선 회절분석법(XRD)을 이용하여 분석한 결과를 도 1로 나타내었다. For each negative electrode active material obtained in Examples 1 to 2, the structural characteristics were analyzed by X-ray diffraction analysis (XRD).

도 1로 나타낸 것과 같이, 실시예 1 내지 2로부터 얻어진 음극 활물질(PVP 0.12, PVP 0.16) 샘플의 peak이 모두 Cu2O(JCPDS 77-0199)의 reference peak과 일치함을 확인하였다. 이를 통해 실시예 1 내지 2로부터 Cu2O가 합성되었고 (111)면이 (200)면에 비해 우세함을 확인하였다. As shown in FIG. 1, it was confirmed that the peaks of the samples of the negative electrode active materials (PVP 0.12 and PVP 0.16) obtained in Examples 1 and 2 were identical to the reference peaks of Cu 2 O (JCPDS 77-0199). Through this, Cu 2 O was synthesized from Examples 1 and 2, and it was confirmed that the (111) plane was superior to the (200) plane.

또한, 주사현미경(SEM)을 이용하여 분석한 결과를 각각 도 2(실시예 1, 이하, PVP 0.12로 명명) 및 도 3(실시예 2, 이하, PVP 0.16으로 명명)으로 나타내었다. 이를 통해 두 샘플 모두 팔면체 형상을 갖는 나노구조체로 얻어졌음을 확인할 수 있으며, 각 샘플의 입자의 크기(평균입경)는 각각 약 252 내지 230 nm로 측정되었다.In addition, the results of analysis using a scanning microscope (SEM) are shown in Fig. 2 (Example 1, hereinafter referred to as PVP 0.12) and Fig. 3 (Example 2, hereinafter referred to as PVP 0.16). Through this, it can be seen that both samples were obtained as nanostructures having an octahedral shape, and the particle size (average particle diameter) of each sample was measured at about 252 to 230 nm.

<실험예 2> 전기화학특성 분석Experimental Example 2 Electrochemical Characteristic Analysis

1. 전기화학적 분석 방법1. Electrochemical Analysis Method

상기 실시예 1 내지 실시예 2로부터 얻어진 각각의 음극 활물질의 전기화학분석을 위한 슬러리는 전체 슬러리 조성 100중량%에 대하여, 활물질로서 합성된 실시예 1 내지 2의 결과물 10 중량%, 도전재로써 케첸 블랙(Ketjen black) 10 중량% 및 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; 이하 'PVDF') 10중량%를 교반하여 제조하고, 여기에 점도 조절을 위해 잔량의 N-메틸피롤리돈(N-methyl-pyrrolidone; 이하 'NMP')을 첨가하여 제조하였다. Slurry for the electrochemical analysis of each negative electrode active material obtained from Examples 1 to 2 is 10 wt% of the resultant of Examples 1 to 2 synthesized as the active material, Ketjen as the conductive material based on 100% by weight of the total slurry composition Prepared by stirring 10% by weight of black (Ketjen black) and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as 'PVDF') as a binder, the remaining amount of N-methylpyrrolidone (N -methyl-pyrrolidone (hereinafter referred to as 'NMP') was prepared.

교반된 슬러리는 셀 조립을 위해 집전체인 구리 호일(Cu foil) 상에 2 밀(mil)로 캐스팅(casting) 하였으며, 수분 제거를 위해 110℃ 오븐에 24시간 동안 건조하였다.The stirred slurry was cast to 2 mil on a copper foil (Cu foil), which is a current collector for cell assembly, and dried in a 110 ° C. oven for 24 hours to remove moisture.

그 후 집전체와 활물질의 접착력을 높여주기 위하여 제조된 전극 두께의 80 %로 롤 프레싱(roll pressing)을 진행하였고, 2032 규격의 코인 셀(coin cell)을 위해 1.32 cm2의 크기로 절단하고 70℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조를 통해 수분 제거 과정을 진행하였다.Thereafter, roll pressing was performed to increase the adhesion between the current collector and the active material, and roll pressing was performed at 80% of the electrode thickness, and cut into a size of 1.32 cm 2 for a 2032 coin cell. The water removal process was performed by drying for 12 hours in a vacuum oven at ℃.

코인 셀 조립은 아르곤(Ar)이 충전된 글로브 박스(< 5 ppm, H2O 및 O2)에서 리튬금속(FMC Corporation, lithium metal)을 상대전극으로 하여 조립하였다. Coin cell assembly was assembled using lithium metal (FMC Corporation, lithium metal) as a counter electrode in a glove box (<5 ppm, H 2 O and O 2 ) filled with argon (Ar).

이때 양극과 음극을 분리하기 위해 폴리에틸렌(polyethylene) 소재의 다공성 분리막(Wellcos)를 사용하였으며, 전해질로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)와 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate)를 1 : 1의 부피비로 혼합한 용매에 1.1 M 불화인산리튬(LiPF6)(TechonoSemichem)을 녹인 전해질을 사용하였다.At this time, a porous membrane made of polyethylene was used to separate the positive electrode and the negative electrode, and as the electrolyte, ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed in a volume ratio of 1: 1. An electrolyte in which 1.1 M lithium phosphate (LiPF 6 ) (TechonoSemichem) was dissolved was used.

조립된 셀은 멀티체널 배터리 테스터(WBCS300L, Wonatech Co., multichannel battery tester)를 이용하여 충방전 테스트를 진행하였으며, 테스트 조건은 0 내지 3.0 V (vs. Li/Li+)의 범위에서 충전과 방전 사이의 30분의 휴식시간을 가지고 25 ℃에서 진행되었다. The assembled cell was subjected to a charge / discharge test using a multi-channel battery tester (WBCS300L, Wonatech Co., multichannel battery tester), and the test condition was between charge and discharge in the range of 0 to 3.0 V (vs. Li / Li +). The process was carried out at 25 ℃ with a break of 30 minutes.

샘플의 순환전압전류법으로는 0.2, 0.5, 1.0 mV/s의 전압속도로 진행하였고, 충방전 평가 방법으로는 200, 500 mA/g의 전류밀도로 200 사이클 동안 진행하여 기본적인 샘플의 안정성을 확인하였다. High-rate performance를 평가하기 위해 다양한 전류밀도(200 내지 3000 mA/g)에서 각 10 사이클씩 충방전을 진행하여 high-rate performance을 측정하였다.The cyclic voltammetry of the samples was carried out at voltage rates of 0.2, 0.5, and 1.0 mV / s, and the charge and discharge evaluation method was performed for 200 cycles at current densities of 200 and 500 mA / g to confirm basic sample stability. It was. In order to evaluate high-rate performance, charging and discharging were performed for 10 cycles at various current densities (200 to 3000 mA / g) to measure high-rate performance.

2. 분석 결과2. Analysis Results

도 4는 0.2, 0.5, 1.0 mV/s의 주사속도로 측정한 (a) PVP 0.12, (b) PVP 0.16 두 샘플의 순환전압전류법 그래프로, 이를 통해 두 샘플 모두 모든 주사속도에서 Cu2O의 reaction peak을 확인하였고, 그 peak는 충전과 방전 시 각각 약 2.6 V, 1.5 V, 0.7 V이다. 이 때, 0.5 mV/s와 1.0 mV/s의 주사속도 조건에서 Cu2O가 리튬이온과 반응하는 약 0.7 V에서의 주사속도에 따른 voltage shift를 측정하면 370, 80 mV이다. voltage shift가 작을수록 리튬이온의 확산이 우수하다는 것을 의미하는 바, 이러한 결과로부터 PVP 0.16 샘플이 높은 주사속도에도 리튬이온이 빠르게 확산되어 반응한 것을 확인하였다. 이는 PVP의 carbon을 통해 전도도가 향상되어 확산이 우수한 것으로 추론할 수 있다. 4 is 0.2, 0.5, the (a) measured with a scanning rate of 1.0 mV / s PVP 0.12, ( b) PVP 0.16 to cyclic voltammetry graph of two samples, both through which the sample Cu 2 in all the scanning speed O The reaction peaks of were confirmed, and the peaks were about 2.6 V, 1.5 V, and 0.7 V, respectively. At this time, when the voltage shift according to the scanning speed at about 0.7V when Cu 2 O reacts with lithium ions under the scanning speed conditions of 0.5 mV / s and 1.0 mV / s, it is 370, 80 mV. The smaller the voltage shift, the better the diffusion of lithium ions. From these results, it was confirmed that the PVP 0.16 sample rapidly reacted with lithium ions even at a high scanning speed. It can be inferred that the diffusion is excellent due to improved conductivity through carbon of PVP.

도 5은 PVP 0.12, PVP 0.16 두 샘플의 (a) 200 mA/g에서의 cycling performance, (b) 500 mA/g에서의 cycling performance, (c) 200, 500, 1000, 2000, 3000, 200 mA/g에서의 high-rate performance로, 도 5(a)로부터 확인할 수 있듯이 200 mA/g에서의 cycling performance는 200 cycle 후 retention 값이 각각 56%, 143%이다. 도 5(b)부터 확인할 수 있듯이 500 mA/g에서의 cycling performance는 200 cycle 후 retention 값이 각각 49%, 89%로 측정되었다. 200, 500 mA/g의 두 전류밀도 조건에서 모두 PVP 0.16 샘플의 안정성이 더 우수함을 확인할 수 있었다. 5 shows (a) cycling performance at 200 mA / g, (b) cycling performance at 500 mA / g, (c) 200, 500, 1000, 2000, 3000, 200 mA of two samples of PVP 0.12, PVP 0.16 With high-rate performance at / g, as can be seen from FIG. 5 (a), the cycling performance at 200 mA / g has retention values of 56% and 143% after 200 cycles, respectively. As can be seen from FIG. 5 (b), the cycling performance at 500 mA / g was measured to have 49% and 89% retention values after 200 cycles, respectively. In both current density conditions of 200 and 500 mA / g, it was confirmed that the stability of the PVP 0.16 sample was better.

따라서 이러한 결과들을 종합할 때, PVP의 함량에 따라 안정성의 차이가 있는 것을 확인하였고, 두 샘플을 비교하였을 때, PVP 함량이 더 높은 PVP 0.16 샘플의 장기안정성이 더 우수함을 확인하였다. Therefore, when combining these results, it was confirmed that there is a difference in stability according to the content of PVP, and when comparing the two samples, it was confirmed that the long-term stability of the PVP 0.16 sample with a higher PVP content is better.

한편, 도 5(c)는 PVP 0.12, PVP 0.16 두 샘플의 200, 500, 1000, 2000, 3000, 200 mA/g에서의 high-rate performance 결과로, 200, 500 mA/g 전류밀도에서는 두 샘플의 성능이 유사하지만 전류밀도가 높아질수록 1000, 2000, 3000 mA/g의 전류밀도에서는 PVP 0.12 샘플의 용량이 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. PVP 0.16 샘플의 high-rate performance가 더 우수함을 확인하였고 이는 상대적으로 더 높은 함량의 PVP에 의해 더 높은 함량으로 carbon이 존재하여 전도도가 우수하여 높은 전류밀도에서도 용량 감소가 크지 않은 것으로 보여진다. On the other hand, Figure 5 (c) is a result of high-rate performance at 200, 500, 1000, 2000, 3000, 200 mA / g of two samples of PVP 0.12, PVP 0.16, two samples at 200, 500 mA / g current density Although the performance is similar, the higher the current density, the higher the current density of 1000, 2000, 3000 mA / g of the PVP 0.12 sample capacity was found to drop rapidly. It was confirmed that the high-rate performance of the PVP 0.16 sample was better, which means that the higher the PVP content, the higher the carbon content, and the higher the conductivity.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this, The person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.

Claims (15)

구리 전구체 수용액을 제조하는 제 1 단계;
상기 구리 전구체 수용액에 폴리비닐피롤리돈을 첨가하고 교반하는 제 2 단계;
제 2 단계의 혼합용액에 NaOH 및 유기산을 첨가하여 반응시키는 제 3 단계;
제 3 단계의 반응용액으로부터 반응결과물을 분리 및 회수하는 제 4 단계;
제 4 단계로부터 회수된 반응결과물을 건조하는 제 5 단계; 및
제 5 단계의 건조결과물을 열처리하는 제 6 단계를 포함하며,
상기 폴리비닐피롤리돈은 중량평균분자량이 25,000 내지 30,000이고, 구리 전구체 중량 100중량부에 대하여 2,350중량부로 사용하는 것을 특징으로 하며,
상기 제 6 단계는 공기 분위기 하에서 180 내지 220℃로 1차 열처리하고, 질소 분위기 하에서 280 내지 400℃로 2차 열처리하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는,
음극 활물질의 제조방법.
A first step of preparing an aqueous copper precursor solution;
A second step of adding and stirring polyvinylpyrrolidone to the copper precursor aqueous solution;
A third step of adding and reacting NaOH and an organic acid to the mixed solution of the second step;
A fourth step of separating and recovering the reaction product from the reaction solution of the third step;
A fifth step of drying the reaction product recovered from the fourth step; And
A sixth step of heat-treating the drying result of the fifth step,
The polyvinylpyrrolidone has a weight average molecular weight of 25,000 to 30,000, characterized in that 2,350 parts by weight based on 100 parts by weight of the copper precursor,
The sixth step is carried out by a first heat treatment at 180 to 220 ℃ under an air atmosphere, and a second heat treatment at 280 to 400 ℃ under a nitrogen atmosphere,
Method for producing a negative electrode active material.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 구리 전구체는 황산구리(CuSO4), 염화제1구리(CuCl), 염화제2구리(CuCl2), 질산구리(Cu(NO3)2), 아세트산구리(CH3COOCu), 탄산구리(CuCO3), 시안화구리(Cu(CN)2), 요오드화구리(CuI) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
The copper precursor is copper sulfate (CuSO 4 ), cuprous chloride (CuCl), cupric chloride (CuCl 2 ), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ), copper acetate (CH 3 COOCu), copper carbonate (CuCO 3 ), copper cyanide (Cu (CN) 2 ), copper iodide (CuI) and any one selected from the group consisting of a combination thereof,
Method for producing a negative electrode active material.
청구항 1에 있어서,
상기 제1단계 내지 제3단계는 28 내지 32℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first to third steps are characterized in that carried out at 28 to 32 ℃,
Method for producing a negative electrode active material.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계는 제 2 단계의 혼합용액에 NaOH를 첨가하고 0.5 내지 1시간 반응시키고, 여기에 유기산을 첨가하고 3 내지 4시간 동안 반응시키는 방법으로 수행되며,
NaOH는 구리 전구체 1몰을 기준으로 하여 2 내지 2.2몰비로 사용되고, 유기산은 구리 전구체 1몰을 기준으로 하여 0.5 내지 0.7몰비로 사용되는 것을 특징으로 하는,
음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
The third step is performed by adding NaOH to the mixed solution of the second step and reacting for 0.5 to 1 hour, adding an organic acid thereto and reacting for 3 to 4 hours,
NaOH is used in 2 to 2.2 molar ratio based on 1 mole of copper precursor, organic acid is characterized in that it is used in 0.5 to 0.7 molar ratio based on 1 mole of copper precursor,
Method for producing a negative electrode active material.
청구항 1 또는 청구항 8에 있어서,
상기 유기산은 아스코르브산 (Ascorbic acid), 에리소르빈산(Erythorbic acid), 글루쿠로노락톤(Glucuronolactone), 트리포민 (Triformin, 2,3-diformyloxypropyl formate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 1 or 8,
The organic acid is any one selected from the group consisting of ascorbic acid (Esthorbic acid), erythorbic acid (Erythorbic acid), glucuronolactone (Glucuronolactone), triformin (Triformin, 2,3-diformyloxypropyl formate) and combinations thereof Characterized in that,
Method for producing a negative electrode active material.
청구항 1에 있어서,
상기 제5단계는 48 내지 52℃에서 23 내지 25시간 동안 건조하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는,
음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
The fifth step is characterized in that carried out by a method for drying for 23 to 25 hours at 48 to 52 ℃,
Method for producing a negative electrode active material.
청구항 1의 제조방법에 의해 제조되며,
팔면체 형상(octahedral)의 Cu2O 나노구조체 및 탄소를 포함하는,
음극 활물질.
It is prepared by the manufacturing method of claim 1,
Including octahedral Cu 2 O nanostructures and carbon,
Negative electrode active material.
제 11 항에 있어서, 탄소는 폴리비닐피롤리돈으로부터 유래된 것임을 특징으로 하는,
음극 활물질.
12. The method of claim 11 wherein the carbon is derived from polyvinylpyrrolidone,
Negative electrode active material.
청구항 1의 제조방법에 의해 제조된 음극 활물질을 포함하는 전극. An electrode comprising a negative electrode active material prepared by the manufacturing method of claim 1. 청구항 11의 음극 활물질을 포함하는 전극. An electrode comprising the negative electrode active material of claim 11. 청구항 13 또는 청구항 14의 전극을 포함하는 리튬 이온 전지. A lithium ion battery comprising the electrode of claim 13 or 14.
KR1020180047427A 2017-04-24 2018-04-24 Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same KR102067512B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20170052349 2017-04-24
KR1020170052349 2017-04-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180119140A KR20180119140A (en) 2018-11-01
KR102067512B1 true KR102067512B1 (en) 2020-01-17

Family

ID=64398539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180047427A KR102067512B1 (en) 2017-04-24 2018-04-24 Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102067512B1 (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101610772B1 (en) * 2012-04-20 2016-04-11 한국에너지기술연구원 Anode active materials and manufacturing method thereof, and anode and lithium battery using the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180119140A (en) 2018-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11708625B2 (en) Method of synthesizing a material exhibiting desired microstructure characteristics based on chemical dealloying one or more group i or group ii elements from an alloy and method of synthesizing nanocomposites
US10128489B2 (en) Surface modifications for electrode compositions and their methods of making
US9620783B2 (en) Mesoporous metal oxide microsphere electrode compositions and their methods of making
US10020493B2 (en) Coating compositions for electrode compositions and their methods of making
Kim et al. Cubic and octahedral Cu 2 O nanostructures as anodes for lithium-ion batteries
KR101562686B1 (en) Oxycobalt hydroxide particulate powder and manufacturing method therefor, as well as lithium cobaltate particulate powder, manufacturing method therefor, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
Hao et al. Electrospun single crystalline fork-like K2V8O21 as high-performance cathode materials for lithium-ion batteries
JP5534363B2 (en) Composite nanoporous electrode material, production method thereof, and lithium ion secondary battery
Zhou et al. Cu 3 Si@ Si core–shell nanoparticles synthesized using a solid-state reaction and their performance as anode materials for lithium ion batteries
KR101361754B1 (en) ZnO-MnO COMPOSITE ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND SYNTHESIS METHOD THEREOF
Chen et al. MOF-derived cobalt Disulfide/Nitrogen-doped carbon composite polyhedrons linked with Multi-walled carbon nanotubes as sulfur hosts for Lithium-Sulfur batteries
KR101746188B1 (en) Electrode mixture additives for secondary battery, method for manufacturing the same, elelctrode including the same for secondary battery, and secondary battery
Ye et al. Facile fabrication of hierarchical manganese-cobalt mixed oxide microspheres as high-performance anode material for lithium storage
JP6176510B2 (en) Silicon material and negative electrode of secondary battery
JP2008285372A (en) METHOD FOR MANUFACTURING SINGLE CRYSTAL LiMn2O4 NANOWIRE AND HIGH-RATE LITHIUM ION BATTERY USING THE SINGLE CRYSTAL LiMn2O4 NANOWIRE
KR101392388B1 (en) Carbon nanofibers composite and method for preparing the same and anode active materials for lithium secondary batteries comprising the same
CN109643793B (en) Negative active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
CN114229884A (en) Metal sulfide sodium ion battery cathode material and preparation method thereof
KR101347126B1 (en) Production process for composite oxide, positive-electrode active material for lithium-ion secondary battery, lithium-ion secondary battery and vehicle
KR102067512B1 (en) Synthesis of Anode Active Material and Lithium Rechargeable Battery Using the same
JP7466677B2 (en) Anode active material, its manufacturing method, and lithium secondary battery including said anode active material
Chen et al. Synthesis and characterization of ɛ-VOPO4 nanosheets for secondary lithium-ion battery cathode
EP3978429A1 (en) Aqueous sodium ion secondary battery
JP6176511B2 (en) Silicon material and negative electrode of secondary battery
Niragatti et al. Influence of separator and bimetallic doping on Zn2+ ion storage properties of Prussian blue analogues for aqueous zinc-ion batteries

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant