KR102069739B1 - Electrode Active Material and Secondary Battery Having the Same - Google Patents

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Abstract

전극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다. 상기 전극 활물질은 결정 구조 내에 (V1-xMx)O6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널을 갖는 바나듐 산수화물이다. 이 때, x는 0 내지 0.1일 수 있고, M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속일 수 있다.It provides an electrode active material and a secondary battery comprising the same. The electrode active material is vanadium oxyhydrate having a tunnel formed by arranging (V 1-x M x ) O 6 octahedrons in a crystal structure in a 2 × 2 manner. In this case, x may be 0 to 0.1, and M may be a metal having an oxidation number of +3 or +4.

Description

전극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode Active Material and Secondary Battery Having the Same}Electrode active material and secondary battery comprising same {Electrode Active Material and Secondary Battery Having the Same}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로 구체적으로는 새로운 구조의 활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery including an active material having a new structure.

이차전지는 방전뿐 아니라 충전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말한다. 이차전지 중 대표적인 리튬 이차전지는 양극활물질에 포함된 리튬이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동한 후 음극활물질의 층상 구조 내로 삽입되며(충전), 이 후 음극활물질의 층상 구조 내로 삽입되었던 리튬 이온이 다시 양극으로 되돌아가는(방전) 원리를 통해 작동한다. 이러한 리튬 이차전지는 현재 상용화되어 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 소형전원으로 사용되고 있으며, 하이브리드 자동차 등의 대형 전원으로도 사용가능할 것으로 예측되고 있어, 그 수요가 증대될 것으로 예상된다.The secondary battery refers to a battery that can be repeatedly used because it can be charged as well as discharged. The representative lithium secondary battery of the secondary battery is lithium ions contained in the positive electrode active material is transferred to the negative electrode through the electrolyte and then inserted into the layered structure of the negative electrode active material (charging), after which the lithium ion inserted into the layered structure of the negative electrode active material is again It works on the principle of returning to the anode (discharge). Such lithium secondary batteries are currently commercialized and used as small power sources for mobile phones, notebook computers, and the like, and are expected to be used as large power sources for hybrid cars, and thus, demand for them is expected to increase.

그러나, 리튬 이차전지에서 양극활물질로 주로 사용되는 복합금속산화물은 리튬 등의 희소금속원소를 포함하고 있어, 수요증대에 부응하지 못할 염려가 있다. 이에 따라, 공급량이 풍부고 값싼 나트륨을 양극활물질로 사용하는 나트륨 이차전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 일 예로서, 대한민국 공개특허 제2012-0133300호는 양극활물질로서 AxMnPO4F(A=Li 또는 Na, 0 < x ≤ 2)을 개시하고 있다.However, a composite metal oxide mainly used as a positive electrode active material in a lithium secondary battery contains rare metal elements such as lithium, and thus may not meet demand growth. Accordingly, research is being conducted on sodium secondary batteries using abundant and cheap sodium as a cathode active material. As an example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2012-0133300 discloses A x MnPO 4 F (A = Li or Na, 0 <x ≦ 2) as a cathode active material.

이러한 양극활물질은 공기중에서 수분과 민감하게 반응함에 따라, 부반응이 일어나는 단점을 가지고 있고 그 결과 전지의 용량감소 및 수명감소 등의 문제점을 일으킬 수 있다. The cathode active material reacts sensitively with moisture in the air, so that side reactions occur, and as a result, problems such as capacity loss and lifespan of the battery may be caused.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공기 중에서 수분과의 반응성이 감소되어 안정성이 개선된 이차전지용 활물질 및 이를 포함하는 이차전지를 제공함에 있다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide an active material for a secondary battery and a secondary battery comprising the same, which improves stability by reducing reactivity with water in the air.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전극 활물질을 제공한다. 상기 전극 활물질은 결정 구조 내에 (V1- xMx)O6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널을 갖는 바나듐 산수화물이다. 상기 x는 0 내지 0.1이고 M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속이다. 일 예로서, M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe 일 수 있다.One aspect of the present invention to achieve the above object provides an electrode active material. The electrode active material is vanadium oxyhydrate having a tunnel formed by arranging (V 1- x M x ) O 6 octahedrons in a crystal structure in a 2 × 2 manner. X is 0 to 0.1 and M is a metal having an oxidation number of +3 or +4. As one example, M may be Al, Si, Cr, or Fe.

상기 터널 내에 산소 이온이 배치될 수 있다. 상기 터널은 리튬 이온, 나트륨 이온, 또는 아연 이온을 수용할 수 있다.Oxygen ions may be disposed in the tunnel. The tunnel may contain lithium ions, sodium ions, or zinc ions.

다른 예에 따른 전극 활물질은 하기 화학식 1로 나타낸 바나듐 산수화물일 수 있다.The electrode active material according to another example may be vanadium oxyhydrate represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

(V1-xMx)O1.52(OH)0.77 (V 1-x M x ) O 1.52 (OH) 0.77

상기 화학식 1에서, x는 0 내지 0.1이고, M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속이다. 일 예로서, M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe 일 수 있다.In Formula 1, x is 0 to 0.1, M is a metal having an oxidation number of +3 or +4. As one example, M may be Al, Si, Cr, or Fe.

상기 바나듐 산수화물은 홀란다이트(hollandite) 결정구조를 가질 수 있다. 나아가, 상기 바나듐 산수화물은 I4/m인 공간군(space group)을 가질 수 있다. The vanadium oxyhydrate may have a hollandite crystal structure. Furthermore, the vanadium oxyhydrate may have a space group of I 4 / m.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 일 측면은 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 상기 전극 활물질을 포함하는 양극, 금속 이온이 탈삽입될 수 있는 음극활물질을 함유하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함할 수 있다. 상기 금속 이온은 리튬 이온, 나트륨 이온, 또는 아연 이온일 수 있다.Another aspect of the present invention to achieve the above object provides a secondary battery. The secondary battery may include a positive electrode including the electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material into which metal ions may be inserted, and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode. The metal ions may be lithium ions, sodium ions, or zinc ions.

본 발명에 따르면, 바나듐 산수화물은 수화물의 형태를 가져 공기중의 수분과의 반응에 의해 부산물을 형성하지 않으므로 이차 전지의 안정성을 개선할 수 있다.According to the present invention, the vanadium oxyhydrate has a form of a hydrate and does not form a by-product by reaction with moisture in the air, thereby improving stability of the secondary battery.

이와 더불어서, 상기 바나듐 산수화물은 결정구조 내에 2 ×2 터널 구조를 가져, 금속 이온을 삽입 또는 탈리가능하여 이차전지의 활물질로 사용할 수 있다. In addition, the vanadium oxyhydrate has a 2 × 2 tunnel structure in the crystal structure, and can be used as an active material of a secondary battery by inserting or detaching metal ions.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 산수화물의 결정구조를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산수화물의 결정구조를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질을 제조하는 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 4는 제조예 1-1에서 얻어진 분말에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 제조예들 1-2 및 1-3에서 얻어진 분말에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 제조예 1-1에서 얻어진 분말을 촬영한 SEM 사진들이다.
도 7 및 도 8은 각각 제조예 1-2 및 제조예 1-3에서 얻어진 분말을 촬영한 SEM 사진들이다.
도 9는 제조예들 1-1, 1-2, 및 1-3에서 얻어진 분말을 촬영한 TEM 사진들을 보여준다.
도 10은 VO1.52(OH)0.77 입자(제조예 1-1)와 Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 입자(제조예 1-2, 1-3)의 이온 확산거리를 나타낸 모식도이다.
도 11은 제조예들 1-1, 1-2, 및 1-3에서 얻어진 분말의 Al 도핑정도에 대한 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 표면적을 보여주는 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프와 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이고, 도 14는 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4를 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프와 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4을 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이고, 도 17은 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4를 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 18a 및 도 18b는 각각 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5를 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프와 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 19는 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5을 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이고, 도 20은 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5를 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 21은 VO1.52(OH)0.77 결정의 bc 면에서의 BVS (bond valence sum)에너지 맵이다. 이는 밀도범함수이론(Density functionaltheory -DFT) 계산을 통해 산출된 결과이다.
도 22a는 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 초기 사이클 과정에서 양극 활물질들의 인시츄 XRD 그래프를 나타내고, 도 22b는 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4를 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 초기 사이클 과정에서 양극 활물질들의 인시츄 XRD 그래프를 나타낸다.
도 22c는 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5를 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 초기 사이클 과정에서 양극 활물질들의 엑스시츄 XRD 그래프를 나타낸다.
1A and 1B are schematic views showing the crystal structure of vanadium oxyhydrate according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a crystal structure of vanadium oxyhydrate according to another embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an active material according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the results of XRD analysis on the powder obtained in Preparation Example 1-1.
5 is a graph showing the results of XRD analysis for the powder obtained in Preparation Examples 1-2 and 1-3.
6 is a SEM photograph of the powder obtained in Preparation Example 1-1.
7 and 8 are SEM pictures of the powder obtained in Preparation Example 1-2 and Preparation Example 1-3, respectively.
9 shows TEM pictures of the powders obtained in Preparation Examples 1-1, 1-2, and 1-3.
10 is a schematic diagram showing ion diffusion distances of VO 1.52 (OH) 0.77 particles (Preparation Example 1-1) and vanadium oxyhydrate particles (Preparation Examples 1-2, 1-3) doped with Al ions.
FIG. 11 is a graph showing the BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area of Al doping degree of powders obtained in Preparation Examples 1-1, 1-2, and 1-3.
12A and 12B are graphs showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a lithium ion half cell obtained through Preparation Example 3 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of Preparation Example 1-1, respectively, and showing cycle characteristics. It is a graph.
13 is of Preparation 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 charge and discharge characteristics of the lithium ion inversion fingers first cycle obtained from the Preparation Example 3 using the positive electrode active material 14 is a graph showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a lithium ion half cell obtained through Preparation Example 3 using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3. The graph shown.
15A and 15B are graphs showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a sodium ion half cell obtained through Preparation Example 4 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of Preparation Example 1-1, respectively, and showing cycle characteristics. It is a graph.
16 is prepared in Example 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05 ) O 1 .52 (OH) 0.77 charge and discharge characteristics of the sodium ion reversal fingers first cycle obtained from the Production Example 4 by using the positive electrode active material 17 is a graph showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a sodium ion half cell obtained through Preparation Example 4 using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3. The graph shown.
18A and 18B are graphs showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a zinc ion half cell obtained through Preparation Example 5 using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1, respectively, and showing cycle characteristics. It is a graph.
19 is prepared in Example 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05 ) O 1 .52 (OH) 0.77 charge and discharge characteristics of the zinc ion inversion fingers first cycle obtained from the Production Example 5 by using the positive electrode active material 20 is a graph showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a zinc ion half cell obtained in Preparation Example 5 using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3. The graph shown.
FIG. 21 is a bond valence sum (BVS) energy map at bc plane of VO 1.52 (OH) 0.77 crystal. FIG. This is the result calculated through density functional theory (DFT) calculation.
FIG. 22A illustrates an in-situ XRD graph of cathode active materials during an initial cycle of a lithium ion half cell obtained through Preparation Example 3 using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1, and FIG. 22B is Preparation Example 1 In situ XRD graphs of the positive electrode active materials in the initial cycle of the sodium ion half cell obtained in Preparation Example 4 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of -1.
FIG. 22C illustrates an X-situ XRD graph of positive electrode active materials during an initial cycle of a zinc ion half cell obtained through Preparation Example 5 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of Preparation Example 1-1.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like numbers refer to like elements throughout the specification.

이차 전지용 활물질Active material for secondary battery

본 발명의 일 실시예에 따른 활물질은 결정 구조 내에 (V1- xMx)O6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널 구조를 갖는 바나듐 산수화물(vanadium oxyhydroxide)일 수 있다. 이 때, x는 0 내지 0.1일 수 있고, M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속 구체적으로, 산화수가 +3 또는 +4인 전이금속(transition metal), 전이후 금속(post-transition metal), 혹은 준금속(metalloid)일 수 있다. 일 예로서, M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe 일 수 있다.The active material according to an embodiment of the present invention may be vanadium oxyhydroxide having a tunnel structure formed by arranging (V 1- x M x ) O 6 octahedrons in a 2 × 2 crystal structure. In this case, x may be 0 to 0.1, and M is a metal having an oxidation number of +3 or +4, specifically, a transition metal having a oxidation number of +3 or +4, a post-transition metal Or metalloid. As one example, M may be Al, Si, Cr, or Fe.

이러한 바나듐 산수화물은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.Such vanadium oxyhydrate can be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(V1-xMx)O1.52(OH)0.77 (V 1-x M x ) O 1.52 (OH) 0.77

상기 화학식 1에서, x는 0 내지 0.1일 수 있고, M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속 구체적으로, 산화수가 +3 또는 +4인 전이금속, 전이후 금속, 혹은 준금속일 수 있다. 일 예로서, M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe 일 수 있다. 이 때, V의 산화수는 +3.2 내지 +4 일 수 있다.In Chemical Formula 1, x may be 0 to 0.1, and M may be a metal having an oxidation number of +3 or +4, specifically, a transition metal, a post-transition metal, or a metalloid having an oxidation number of +3 or +4. As one example, M may be Al, Si, Cr, or Fe. At this time, the oxidation number of V may be +3.2 to +4.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 산수화물의 결정구조를 보여주는 개략도이다. 구체적으로, 상기 화학식 1에서 x는 0인 바나듐 산수화물을 보여주는 개략도이다.1A and 1B are schematic views showing the crystal structure of vanadium oxyhydrate according to an embodiment of the present invention. Specifically, in Formula 1, x is a schematic diagram showing vanadium oxyhydrate which is 0.

도 1a 및 도 1b을 참조하면, 바나듐 산수화물은 결정 구조 내에 VO6 팔면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널 구조를 가질 수 있다. 이러한 바나듐 산수화물은 홀란다이트(hollandite)와 같은 결정구조를 가질 수 있고, 공간군(space group)은 I4/m이다. 1A and 1B, the vanadium oxyhydrate may have a tunnel structure in which VO 6 octahedrons are arranged in a 2 × 2 array in a crystal structure. This vanadium oxyhydrate may have a crystal structure such as hollandite, and the space group is I4 / m.

구체적으로, 한 쌍의 VO6 8면체들이 하나의 변를 공유하면서 더블 체인을 형성하고, 네 개의 더블 체인들(네 쌍의 VO6 8면체들)이 꼭지점들을 공유하면서 약 90도로 회전하면서 배열되면서 2 ×2 터널을 형성할 수 있다. 이 터널 내에는 산소 음이온이 배치될 수 있다. 이러한 터널의 직경은 약 5.477Å일 수 있다. Specifically, a pair of VO 6 octahedrons form a double chain while sharing one side, and four double chains (four pairs of VO 6 octahedrons) are arranged while rotating about 90 degrees while sharing vertices. X2 tunnels can be formed. Oxygen anions may be disposed in this tunnel. The diameter of this tunnel may be about 5.477 kPa.

상기 바나듐 산수화물 결정 구조 내의 터널은 금속 이온 구체적으로 금속 양이온(An+)을 수용하기에 충분한 크기를 가지므로, 이 터널 내로 금속 이온이 삽입되거나 혹은 삽입된 금속 이온은 탈리될 수 있다. 이와 더불어서, 상기 터널 내에 배치된 산소 음이온은 상기 금속 양이온들이 삽입될 때 양이온들 사이의 상호 반발력을 감소시켜줄 수 있어, 전지 동작 과정에서 터널 구조를 더욱 안전하게 유지 시킬 수 있다. 이 때, 상기 금속 양이온은 1가 혹은 2가 양이온, 일 예로서 Li+, Na+, K+, 또는 Zn2 +일 수 있다. 따라서, 상기 바나듐 산수화물 결정은 금속 이차 전지 일 예로서, 금속 이온 이차 전지 구체적으로는 리튬 이차 전지 뿐 아니라 나트륨 이차 전지, 포타슘 이차 전지, 및 아연 이차전지 등 다양한 이차전지에 활물질로 적용할 수 있다. Since the tunnel in the vanadium oxyhydrate crystal structure has a size sufficient to accommodate metal ions, specifically, metal cations (A n + ), the metal ions may be inserted into or inserted into the tunnel. In addition, the oxygen anion disposed in the tunnel can reduce the mutual repulsion force between the cations when the metal cations are inserted, thereby maintaining the tunnel structure more securely during battery operation. In this instance, the metal cation may be a monovalent or divalent Li +, Na +, K + , Zn 2 +, or a cation, and one example. Therefore, the vanadium oxyhydrate crystal is an example of a metal secondary battery, and may be applied as an active material to various secondary batteries such as sodium secondary batteries, potassium secondary batteries, and zinc secondary batteries as well as lithium ion secondary batteries. .

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산수화물의 결정구조를 보여주는 개략도이다. 구체적으로, 상기 화학식 1에서 x는 0보다 큰 바나듐 산수화물을 보여주는 개략도이다.2 is a schematic view showing a crystal structure of vanadium oxyhydrate according to another embodiment of the present invention. Specifically, in Formula 1, x is a schematic diagram showing vanadium oxyhydrate greater than zero.

도 2를 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 구조와 동일하나 일부 V가 M으로 치환된 구조를 나타낸다. 다시 말해서, M으로 도핑된 바나듐 산수화물을 나타낸다. 이 때, M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속일 수 있다. 일 예로서, M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe 일 수 있다.Referring to FIG. 2, the structure is the same as that of FIGS. 1A and 1B, but a part of V is substituted with M. In other words, vanadium oxyhydrate doped with M. In this case, M may be a metal having an oxidation number of +3 or +4. As one example, M may be Al, Si, Cr, or Fe.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질을 제조하는 방법을 나타낸 플로우챠트이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an active material according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 바나듐 옥시 할라이드와 용매를 함유하는 혼합액을 제조할 수 있다(S10). 상기 바나듐 옥시 할라이드는 바나듐이 +5의 산화수를 갖는 물질로서, VOX3(이 때, X는 F, Cl, Br, 또는 I)로 나타낼 수 있다. 상기 용매는 알코올로서 일 예로서, 벤질알코올일 수 있다. 상기 혼합액을 교반할 수 있다. Referring to FIG. 3, a mixed solution containing vanadium oxy halide and a solvent may be prepared (S10). The vanadium oxy halide is a substance in which vanadium has an oxidation number of +5, and may be represented by VOX 3 (where X is F, Cl, Br, or I). The solvent may be, for example, benzyl alcohol as an alcohol. The mixed solution can be stirred.

상기 혼합액을 밀폐된 반응기 내에 넣고 상기 혼합액의 비등점 이상에서 상기 혼합액을 반응시킬 수 있다(S20). 이러한 반응은 용매열합성법으로 불리워질 수 있다. 이러한 반응에서 바나듐 산수화물 결정들이 반응 결과물로서 생성될 수 있다.The mixed solution may be put in a sealed reactor and the mixed solution may be reacted at a boiling point or more of the mixed solution (S20). This reaction may be called solvent thermal synthesis. In this reaction vanadium oxyhydrate crystals can be produced as a result of the reaction.

상기 반응 결과물을 여과, 세척, 및 건조하여 바나듐 산수화물 분말을 얻을 수 있다. 이 때, 세척은 알코올을 사용하여 수행할 수 있고, 건조는 공기 분위기의 오븐 내에서 열처리하여 수행될 수 있다.The reaction product may be filtered, washed, and dried to obtain vanadium oxyhydrate powder. At this time, washing may be performed using alcohol, and drying may be performed by heat treatment in an oven in an air atmosphere.

다른 실시예에서, 상기 혼합액 제조과정에서 도핑용 금속염 즉, 상기 화학식 1에서 M으로 표시된 금속의 염 일 예로서, 알루미늄염을 추가할 수도 있다. In another embodiment, as an example, an aluminum salt may be added to the doping metal salt, that is, a salt of the metal represented by M in Chemical Formula 1 in the process of preparing the mixed solution.

금속 이차 전지Metal secondary battery

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이차 전지는 위에서 설명한 활물질을 양극활물질로서 함유하는 양극, 금속 이온이 탈삽입될 수 있는 음극활물질을 함유하는 음극, 및 이들 사이에 위치하는 전해질을 구비할 수 있다. 이 때, 금속은 리튬, 나트륨, 포타슘, 또는 아연일 수 있다.A metal secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a positive electrode containing the active material described above as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material into which metal ions can be inserted, and an electrolyte positioned therebetween. . In this case, the metal may be lithium, sodium, potassium, or zinc.

<양극><Positive>

상기 양극활물질, 도전재, 및 결합제를 혼합하여 양극재료를 얻을 수 있다. 이 때, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 결합제는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다.The cathode material may be obtained by mixing the cathode active material, the conductive material, and the binder. In this case, the conductive material may be a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, cokes, carbon black, carbon nanotubes, graphene, or the like. The binder may be a thermoplastic resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymer, fluorine resin such as hexafluoropropylene, and / or polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene. It may include.

양극재료를 양극 집전체 상에 도포하여 양극을 형성할 수 있다. 양극 집전체는 Al, Ni, 스테인레스 등의 도전체일 수 있다. 양극재료를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 가압 성형, 또는 유기 용매등을 사용하여 페이스트를 만든 후 이 페이스트를 집전체 상에 도포하고 프레스하여 고착화하는 방법을 사용할 수 있다. 유기 용매는 N,N-디메틸아미노프로필아민, 디에틸트리아민 등의 아민계; 에틸렌옥시드, 테트라히드로푸란 등의 에테르계; 메틸에틸케톤 등의 케톤계; 아세트산메틸 등의 에스테르계; 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 등의 비양성자성 극성 용매 등일 수 있다. 페이스트를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 예를 들면, 그라비아 코팅법, 슬릿다이 코팅법, 나이프 코팅법, 스프레이 코팅법을 사용하여 수행할 수 있다.The positive electrode material may be applied onto the positive electrode current collector to form a positive electrode. The positive electrode current collector may be a conductor such as Al, Ni, stainless or the like. The application of the positive electrode material onto the positive electrode current collector may be made by pressure molding or by forming an paste using an organic solvent or the like, and then applying the paste onto the current collector and pressing to fix the paste. The organic solvent is amine type, such as N, N- dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; Ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; Ketones such as methyl ethyl ketone; Esters such as methyl acetate; Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Application of the paste onto the positive electrode current collector can be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, a spray coating method.

<음극><Cathode>

음극활물질은 금속 이온을 탈삽입하거나 변환(conversion) 반응을 일으킬 수 있는 금속, 금속합금, 금속산화물, 금속불화물, 금속황화물, 및 천연 흑연, 인조흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료 등을 사용하여 형성할 수도 있다. Cathode active materials include metals, metal alloys, metal oxides, metal fluorides, metal sulfides, and natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, carbon nanotubes, and graphene, which can deintercalate metal ions or cause conversion reactions. It can also form using carbon materials, such as a fin.

음극활물질, 도전재, 및 결합제를 혼합하여 음극재료를 얻을 수 있다. 이 때, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 결합제는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다.The negative electrode material can be obtained by mixing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder. In this case, the conductive material may be a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, cokes, carbon black, carbon nanotubes, graphene, or the like. The binder may be a thermoplastic resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymer, fluorine resin such as hexafluoropropylene, and / or polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene. It may include.

음극재료를 양극 집전체 상에 도포하여 양극을 형성할 수 있다. 양극 집전체는 Al, Ni, 스테인레스 등의 도전체일 수 있다. 음극재료를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 가압 성형, 또는 유기 용매등을 사용하여 페이스트를 만든 후 이 페이스트를 집전체 상에 도포하고 프레스하여 고착화하는 방법을 사용할 수 있다. 유기 용매는 N,N-디메틸아미노프로필아민, 디에틸트리아민 등의 아민계; 에틸렌옥시드, 테트라히드로푸란 등의 에테르계; 메틸에틸케톤 등의 케톤계; 아세트산메틸 등의 에스테르계; 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 등의 비양성자성 극성 용매 등일 수 있다. 페이스트를 음극 집전체 상에 도포하는 것은 예를 들면, 그라비아 코팅법, 슬릿다이 코팅법, 나이프 코팅법, 스프레이 코팅법을 사용하여 수행할 수 있다.The negative electrode material may be applied onto the positive electrode current collector to form a positive electrode. The positive electrode current collector may be a conductor such as Al, Ni, stainless or the like. The application of the negative electrode material on the positive electrode current collector may be made by pressure molding or a method of making a paste using an organic solvent or the like, and then applying the paste onto the current collector and pressing to fix the paste. The organic solvent is amine type, such as N, N- dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; Ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; Ketones such as methyl ethyl ketone; Esters such as methyl acetate; Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Application of the paste onto the negative electrode current collector can be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, a spray coating method.

<전해질><Electrolyte>

전해질은 금속염과 이를 용해하는 용매를 함유하는 액체 전해질일 수 있다. 구체적으로, 나트륨 이차 전지의 경우, 나트륨염은 NaClO4, NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, NaAlCl4, 저급 지방족 카르복실산 나트륨염 등일 수 있고, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. 리튬 이차 전지의 경우, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiN(SO2CF3)2, 클로로 보란 리튬염, 저급 지방족 카르복실산 리튬염, 4 페닐 붕산 리튬염 등일 수 있고, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. 아연 이차 전지의 경우, 아연염은 ZnSO4, Zn(NO3)2 , ZnCl2 등일 수 있고, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. The electrolyte may be a liquid electrolyte containing a metal salt and a solvent for dissolving it. Specifically, in the case of sodium secondary batteries, sodium salts are NaClO 4 , NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , NaAlCl 4 , Lower aliphatic carboxylate Salt or the like, or a mixture of two or more thereof. For lithium secondary batteries, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , chloroborane lithium salt, lower aliphatic carboxylic acid lithium salt, tetraphenyl phenyl borate salt, and the like, or a mixture of two or more thereof may be used. In the case of a zinc secondary battery, the zinc salt may be ZnSO 4 , Zn (NO 3 ) 2 , ZnCl 2 , or the like, or a mixture of two or more thereof may be used.

상기 용매는 유기 용매일 수 있다.유기 용매로는, 예를 들면 프로필렌카르보네이트, 에틸렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트, 이소프로필메틸카르보네이트, 비닐렌카르보네이트, 4-트리플루오로메틸-1,3-디옥솔란-2-온, 1,2-디(메톡시카르보닐옥시)에탄 등의 카르보네이트류; 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디메톡시프로판, 펜타플루오로프로필메틸에테르, 2,2,3,3-테트라플루오로프로필디플루오로메틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 포름산메틸, 아세트산메틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 아세토니트릴, 부티로니트릴 등의 니트릴류; N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 3-메틸-2-옥사졸리돈 등의 카르바메이트류; 술포란, 디메틸술폭시드, 1,3-프로판술톤 등의 황 함유 화합물; 또는 상기한 유기 용매에 추가로 불소 치환기를 도입한 것을 사용할 수 있다. The solvent may be an organic solvent. Examples of the organic solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and isopropyl methyl carbonate. Carbonates such as vinylene carbonate, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one and 1,2-di (methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropylmethylether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyldifluoromethylether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydro Ethers such as furan; Esters such as methyl formate, methyl acetate and γ-butyrolactone; Nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; Amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; Carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; Sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide and 1,3-propanesultone; Or what introduce | transduced the fluorine substituent further to the said organic solvent can be used.

그러나, 전해질은 이에 한정되지 않고, 상기 액체 전해질을 고분자 내에 함침시킨 고분자형 고체 전해질 또는 세라믹형 고체 전해질일 수도 있다. 상기 고분자형 고체 전해질에서 고분자는 폴리에틸렌옥시드계의 고분자 화합물, 폴리오르가노실록산쇄 또는 폴리옥시알킬렌쇄 중 적어도 1종 이상을 포함하는 고분자 화합물 등일 수 있다. 상기 세라믹형 고체 전해질은 해당 금속의 황화물, 산화물, 및 인산염화물 등의 무기세라믹을 이용할 수도 있다. 고체 전해질은 후술하는 세퍼레이터의 역할을 하는 경우도 있고, 그 경우에는 세퍼레이터를 필요로 하지 않는 경우도 있다.However, the electrolyte is not limited thereto, and may be a polymer solid electrolyte or a ceramic solid electrolyte in which the liquid electrolyte is impregnated in a polymer. In the polymer type solid electrolyte, the polymer may be a polymer compound including at least one or more of a polyethylene oxide polymer compound, a polyorganosiloxane chain, or a polyoxyalkylene chain. The ceramic solid electrolyte may use inorganic ceramics such as sulfides, oxides, and phosphates of the metal. A solid electrolyte may play the role of the separator mentioned later, and a separator may not be needed in that case.

<세퍼레이터><Separator>

양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 배치될 수 있다. 이러한 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 질소 함유 방향족 중합체 등의 재질로 이루어지는 다공질 필름, 부직포, 직포 등의 형태를 가지는 재료일 수 있다. 세퍼레이터의 두께는, 전지의 부피 에너지 밀도가 높아지고, 내부 저항이 작아진다는 점에서, 기계적 강도가 유지되는 한 얇을수록 바람직하다.The separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode. Such a separator may be a material having a form such as a porous film made of a material such as polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluorine resin, a nitrogen-containing aromatic polymer, a nonwoven fabric, a woven fabric, or the like. The thickness of the separator is preferably as thin as long as the mechanical strength is maintained in that the volume energy density of the battery becomes high and the internal resistance becomes small.

<금속 이차 전지의 제조 방법><Method for Manufacturing Metal Secondary Battery>

양극, 세퍼레이터, 및 음극을 순서대로 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하고, 전극군에 전해액을 함침시킴으로써 나트륨 이차 전지를 제조할 수 있다. 이와는 달리, 양극, 고체 전해질, 및 음극을 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하여 금속 이차 전지를 제조할 수 있다.A positive electrode, a separator, and a negative electrode are laminated in order to form an electrode group, and if necessary, the electrode group can be rolled up and stored in a battery can, and a sodium secondary battery can be produced by impregnating the electrode group with an electrolyte solution. Alternatively, a metal secondary battery may be manufactured by stacking a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode to form an electrode group, and then rolling the electrode group in a battery can if necessary.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental example is only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental example.

[실험예들; Examples][Experimental Examples; Examples]

제조예Production Example 1 : 바나듐 산수화물 제조 1: Preparation of vanadium oxyhydrate

제조예Production Example 1-1 : VO 1-1: VO 1.521.52 (OH)(OH) 0.770.77 제조 Produce

VOCL3 (0.913g) 및 벤질 알코올 (20ml)을 혼합 한 뒤 혼합액의 색깔이 노란색에서 초록색을 거쳐 파란색으로 변할 때까지 교반하였다. 이어서, 교반된 혼합물을 오토클레이브에 넣고, 150℃에서 24시간동안 열처리하였다. 합성이 끝난 뒤 생성된 물질은 에탄올을 사용하여 3번에 걸친 여과 및 세정과정을 거친 후, 80℃의 오븐에서 24시간 동안 공기 건조시켜 분말을 얻었다.VOCL 3 (0.913 g) and benzyl alcohol (20 ml) were mixed and stirred until the color of the mixture changed from yellow to green to blue. The stirred mixture was then placed in an autoclave and heat treated at 150 ° C. for 24 hours. After synthesis, the produced material was filtered and washed three times with ethanol, and then air dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to obtain a powder.

제조예Production Example 1-2 : (V 1-2: (V 0.0. 9595 AlAl 00 .. 0505 )O) O 1One .52.52 (OH)(OH) 0.770.77 제조 Produce

VOCL3 (0.913g) 및 벤질 알코올 (20ml)을 혼합하는 대신, VOCL3 (0.867g), AlCl3 (0.035g), 및 벤질 알코올 (20ml)을 혼합하는 것을 제외하고는 제조예 1-1과 동일한 방법을 사용하여 분말을 얻었다.Instead of mixing the VOCL 3 (0.913g) and benzyl alcohol (20ml), VOCL 3 (0.867g ), AlCl 3 (0.035g), and benzyl as in the Production Example 1-1, except that the mixture of alcohol (20ml) The powder was obtained using the same method.

제조예Production Example 1-3 : (V 1-3: (V 0.0. 9191 AlAl 00 .. 0909 )O) O 1One .52.52 (OH)(OH) 0.770.77 제조 Produce

VOCL3 (0.913g) 및 벤질 알코올 (20ml)을 혼합하는 대신, VOCL3 (0.821g), AlCl3 (0.0705g), 및 벤질 알코올 (20ml)을 혼합하는 것을 제외하고는 제조예 1-1과 동일한 방법을 사용하여 분말을 얻었다.Instead of mixing the VOCL 3 (0.913g) and benzyl alcohol (20ml), VOCL 3 (0.821g ), AlCl 3 (0.0705g), and benzyl as in the Production Example 1-1, except that the mixture of alcohol (20ml) The powder was obtained using the same method.

도 4는 제조예 1-1에서 얻어진 분말에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the results of XRD analysis on the powder obtained in Preparation Example 1-1.

도 4를 참조하면, 메인피크는 2θ가 11.9°, 16.9°, 및 27°의 위치에서 나타나는데, 이는 각각 (3 1 0), (1 1 0), 및 (0 2 0)에 대한 피크이다. 또한, 각 피크의 반치폭은 각각 0.305, 0.254, 및 0.295이다.Referring to FIG. 4, the main peak has 2θ at positions 11.9 °, 16.9 °, and 27 °, which are the peaks for (3 1 0), (1 1 0), and (0 2 0), respectively. In addition, the half width of each peak is 0.305, 0.254, and 0.295, respectively.

이러한 결과로부터 제조예에서 얻어진 분말은 단일상 결정을 갖으면서, I4/m의 공간군을 갖는 홀란다이트(hollandite) 구조의 VO1.52(OH)0. 77 인 것을 알 수 있다.From this powder, the results obtained in Production Example it can be seen that while gateu a single phase crystal of the Hall randayi agent (hollandite) structure with a space group of I4 / m VO 1.52 (OH) 0. 77.

도 5는 제조예들 1-2 및 1-3에서 얻어진 분말에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the results of XRD analysis for the powder obtained in Preparation Examples 1-2 and 1-3.

도 5를 참조하면, 도 4의 XRD 분석결과와 거의 동일한 위치에서 피크들이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 제조예들 1-2 및 1-3에서 얻어진 분말 또한 단일상 결정을 갖으면서, I4/m의 공간군을 갖는 홀란다이트(hollandite) 구조의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0. 77와 (V0. 91Al0 . 09)O1 .52(OH)0. 77 인 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that peaks appear at almost the same position as the XRD analysis result of FIG. 4. The results of the powder while gateu also single-phase crystals obtained in Production Examples 1-3 to 1-2, and from, the hole having a space group of I4 / m randayi agent (hollandite) structure (V 0. 95 Al 0. 05 ) O 1 .52 (OH) 0. 77 and (V 0. 91 Al 0. 09 ) it can be seen that the O 1 .52 (OH) 0. 77 .

다만 피크들이 2θ가 커지는 방향으로 다소 시프트하였는데, 이는 후술하는 SEM 사진들에서도 확인할 수 있는 바와 같이 분말의 입자들이 다소 작아지기 때문인 것으로 판단되었다. However, the peaks shifted slightly in the direction in which 2θ increases, which was determined to be because the particles of the powder become somewhat smaller, as can also be seen in the SEM photographs described later.

하기 표 1은 도 4 및 도 5의 정보로부터 얻어지는 각 구조의 격자 파라미터(lattice parameter)를 나타낸다.Table 1 below shows the lattice parameters of each structure obtained from the information of FIGS. 4 and 5.

격자 파라미터Grid parameters a-축 (Å)a-axis c-축 (Å)c-axis 부피 (Å3)Volume (Å 3 ) VO1.52(OH)0.77 VO 1.52 (OH) 0.77 10.401810.4018 2.99692.9969 323.473323.473 (V0.95Al0.05)O1.52(OH)0.77 (V 0.95 Al 0.05 ) O 1.52 (OH) 0.77 10.335110.3351 2.94722.9472 314.985314.985 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 10.313210.3132 2.92932.9293 311.581311.581

상기 표 1을 참조하면, 알루미늄을 도핑한 경우 또한 알루미늄의 함량이 증가하는 경우 격자 파라미터값들이 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 알루미늄 이온의 반경(Al3 +(0.535Å)) 이 바나듐 이온(V3+(0.64Å), V4+(0.56Å))의 반경보다 작기 때문인 것으로 판단되었다. Referring to Table 1, it can be seen that the lattice parameter values decrease when the aluminum is doped and also when the aluminum content is increased. This means that the radius of the aluminum ions (Al 3 + (0.535 Å)) is the vanadium ion (V 3 + (0.64 Å), V 4 + (0.56 Å)) was determined to be smaller than the radius.

도 4 및 도 5의 XRD 분석결과로부터 예측한 VO1.52(OH)0.77의 결정구조는 도 1a와 같을 수 있고, (V0.95Al0.05)O1.52(OH)0.77 와 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 의 결정구조는 도 2와 같을 수 있다. The crystal structure of VO 1.52 (OH) 0.77 predicted from the XRD analysis results of FIGS. 4 and 5 may be the same as that of FIG. 1A, and (V 0.95 Al 0.05 ) O 1.52 (OH) 0.77 and (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52. The crystal structure of (OH) 0.77 may be the same as that of FIG. 2.

도 1a 및 도 2를 다시 참조하면, VO1.52(OH)0.77, (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 및 (V0. 91Al0 . 09)O1 .52(OH)0. 77는 결정 구조 내에 2 ×2 채널을 구비하는 것을 알 수 있다. 이러한 2 ×2 채널은 1가 혹은 2가 금속 양이온의 삽입 또는 탈리를 가능하게 할 수 있다.When Figures 1a and reference again to Figure 2, VO 1.52 (OH) 0.77, (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 and (V 0. 91 Al 0. 09 ) O 1 .52 (OH) 0. 77 it can be seen that it comprises a 2 × 2 channels in the crystal structure. Such 2 × 2 channels may enable insertion or detachment of monovalent or divalent metal cations.

도 6은 제조예 1-1에서 얻어진 분말을 촬영한 SEM 사진들이다.6 is a SEM photograph of the powder obtained in Preparation Example 1-1.

도 6을 참조하면, VO1.52(OH)0.77 분말은 쌀알의 모양과 비슷한 타원형의 형상을 갖는 입자들을 포함하고, 입자들의 평균 길이는 약 0.35㎛ 정도로 비교적 균질한 입자 형상을 가지는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that VO 1.52 (OH) 0.77 powder includes particles having an elliptical shape similar to that of rice grains, and the average length of the particles has a relatively homogeneous particle shape of about 0.35 μm.

도 7 및 도 8은 각각 제조예 1-2 및 제조예 1-3에서 얻어진 분말을 촬영한 SEM 사진들이고, 도 9는 제조예들 1-1, 1-2, 및 1-3에서 얻어진 분말을 촬영한 TEM 사진들을 보여준다. 구체적으로, 도 7은 (V0.95Al0.05)O1.52(OH)0.77 분말을 도 8은(V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 분말을 보여준다.7 and 8 are SEM pictures of the powder obtained in Preparation Example 1-2 and Preparation Example 1-3, respectively, Figure 9 is a powder obtained in Preparation Examples 1-1, 1-2, and 1-3, respectively Show the TEM pictures taken. Specifically, FIG. 7 shows (V 0.95 Al 0.05 ) O 1.52 (OH) 0.77 powder and FIG. 8 shows (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 powder.

도 7, 도 8, 및 도 9를 참조하면, Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 분말 즉, (V0.95Al0.05)O1.52(OH)0.77 분말 또는 (V0. 91Al0 . 09)O1 .52(OH)0. 77 분말(도 7, 도 8, 도 9)의 경우 VO1 .52(OH)0.77 분말과 마찬가지로 쌀알의 모양과 비슷한 타원형의 형상을 갖는 입자들을 포함한다. 다만, VO1.52(OH)0.77 입자(도 6, 도 9)는 300 내지 500 ㎚의 길이를 갖는 것에 비해, Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 입자 즉, (V0.95Al0.05)O1.52(OH)0.77 입자 또는 (V0. 91Al0 . 09)O1 .52(OH)0.77 입자(도 7, 도 8, 도 9)의 경우 길이가 50 내지 100 ㎚로 크게 작아진 것을 알 수 있다. 또한, VO1.52(OH)0.77 입자(도 6, 도 9)는 50 내지 100 ㎚의 폭을 갖는 것에 비해, Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 입자 즉, (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 입자 또는 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 입자(도 7, 도 8, 도 9)의 경우 폭이 20 내지 25 ㎚로 크게 작아진 것을 알 수 있다. When Fig. 7, see Figure 8, and Figure 9, the Al-ion storage powder doped vanadium arithmetic that is, (V 0.95 Al 0.05) O 1.52 (OH) 0.77 powders or (V 0. 91 Al 0. 09 ) O 1 for .52 (OH) 0. 77 powder (7, 8, 9) comprises a particle having a shape similar to the oval shape of the grain of rice, like VO 1 .52 (OH) 0.77 powder. However, VO 1.52 (OH) 0.77 particles (FIGS. 6 and 9) have vanadium oxyhydrate particles doped with Al ions, that is, (V 0.95 Al 0.05 ) O 1.52 (OH) compared to those having a length of 300 to 500 nm. 0.77 If the length of the particles, or (V 0. 91 Al 0. 09 ) O 1 .52 (OH) 0.77 particles (7, 8, 9), it can be seen that binary significantly reduced to 50 to 100 ㎚. Further, VO 1.52 (OH) 0.77 Particles (6, 9) 50 to 100, compared to a width of ㎚, Al ions are doped vanadium oxide particle dispersion water that is, (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 in the case of particles or (V 0.91 Al 0.09) O 1.52 (OH) 0.77 particles (7, 8, 9), the width can be seen that binary significantly reduced to 20 to 25 ㎚.

도 10은 VO1.52(OH)0.77 입자(제조예 1-1)와 Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 입자(제조예 1-2, 1-3)의 이온 확산거리를 나타낸 모식도이다.10 is a schematic diagram showing ion diffusion distances of VO 1.52 (OH) 0.77 particles (Preparation Example 1-1) and vanadium oxyhydrate particles (Preparation Examples 1-2, 1-3) doped with Al ions.

도 10을 참조하면, Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 입자가 VO1.52(OH)0.77 입자에 비해 짧은 길이를 가짐에 따라, 입자 내 이온 확산거리가 짧아질 수 있다. 활물질 입자 내 이온 확산거리가 짧은 경우, 이를 포함하는 이차전지는 전기화학적 측정 평가에서 매우 좋은 성능을 보여 줄 수 있다.Referring to FIG. 10, since the vanadium oxyhydrate particles doped with Al ions have a shorter length than the VO 1.52 (OH) 0.77 particles, the ion diffusion distance in the particles may be shortened. When the ion diffusion distance in the active material particles is short, the secondary battery including the same may show a very good performance in the electrochemical measurement evaluation.

도 11은 제조예들 1-1, 1-2, 및 1-3에서 얻어진 분말의 Al 도핑정도에 대한 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 표면적을 보여주는 그래프이다. BET 표면적은 제조예들 1-1, 1-2, 및 1-3에서 각각에서 얻어진 분말들을 소분하여 BET용 유리 실린더에 넣고, 수분을 없애기 위하여 200℃ 진공 하에서 선처리(열처리)를 진행한 후, 상온까지 냉각을 시킨 후, BET 표면적을 측정하였다.FIG. 11 is a graph showing a BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area of Al doping degree of powders obtained in Preparation Examples 1-1, 1-2, and 1-3. The BET surface area was subdivided into powders obtained in Production Examples 1-1, 1-2, and 1-3, respectively, into a glass cylinder for BET, and subjected to a pretreatment (heat treatment) under a vacuum at 200 ° C. to remove moisture. After cooling to room temperature, the BET surface area was measured.

도 11을 참조하면, VO1.52(OH)0.77 분말 (제조예 1-1)은 약 34 m2/g 정도의 비표면적을 가지고 있으나, Al이온이 도핑된 바나듐 산수화물 분말 일 예로서, (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 분말 (제조예1-2)은 비표면적이 약 80~90 m2/g 정도로 크게 증가 한 것을 알 수 있다. 이는 도 9의 TEM 이미지를 참고하여 설명한 바와 같이 입자 크기가 감소함에 따라, 분말의 비표면적이 증가된 것으로 이해할 수 있다. 이와 같이 비표면적이 증가된 활물질 분말은 이차전지에서 전해질과 더 많이 접촉할 수 있으므로, 이러한 활물질 분말을 함유하는 이차전지는 전기화학적 성능이 향상될 수 있음을 추측할 수 있다.Referring to FIG. 11, VO 1.52 (OH) 0.77 powder (Preparation Example 1-1) has a specific surface area of about 34 m 2 / g, but Al ions doped vanadium oxyhydrate powder is an example of (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 powder (Production example 1-2) it can be seen that a significant increase in the specific surface area to be about 80 ~ 90 m 2 / g. This may be understood as the specific surface area of the powder is increased as the particle size decreases as described with reference to the TEM image of FIG. 9. As such, the active material powder having the increased specific surface area may be in contact with the electrolyte in the secondary battery more. Therefore, it can be inferred that the secondary battery containing the active material powder may have improved electrochemical performance.

제조예 2: 바나듐 산수화물을 사용한 양극 제조 Preparation Example 2 Preparation of Anode Using Vanadium Oxide

제조예 1에서 제조된 바나듐 산수화물 분말, 도전재(Super-P, Denka black), 및 결합재(Poly vinylidene fluoride)를 유기 용매(NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)) 내에서 혼합한 후, 아연 이온 배터리의 전극의 경우 스테인레스 메쉬 집전체 상에 코팅한 후 프레스 하여 전극을 형성하였고, 리튬과 소듐 이온 배터리의 전극의 경우는 알루미늄 집전체 상에 코팅한 후 프레스하여 양극을 형성하였다.After the vanadium oxyhydrate powder prepared in Preparation Example 1, a conductive material (Super-P, Denka black), and a binder (Poly vinylidene fluoride) were mixed in an organic solvent (NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone)), The electrode of the zinc ion battery was coated on a stainless steel mesh current collector and pressed to form an electrode. The electrode of the lithium and sodium ion battery was coated on an aluminum current collector and pressed to form an anode.

제조예 3: 리튬이온 반전지 제조Preparation Example 3 Preparation of Lithium Ion Half-Cell

상기 제조예 2에서 제조한 양극, 음극인 리튬 금속판, 그리고 전해질 LiPF6와 유기용매 프로필렌 카보네이트(PC, 98vol.%)와 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC, 2vol.%)를 함유하는 비수전해액을 사용하여 리튬이온 반전지를 제조하였다. Using a non-aqueous electrolyte containing a positive electrode, a lithium metal plate as a negative electrode prepared in Preparation Example 2, an electrolyte LiPF 6 and an organic solvent propylene carbonate (PC, 98 vol.%) And fluoroethylene carbonate (FEC, 2 vol.%) A lithium ion half cell was prepared.

제조예 4: 나트륨이온 반전지 제조Preparation Example 4 Preparation of Sodium Ion Half-Cell

상기 제조예 2에서 제조한 양극, 음극인 나트륨 금속판, 그리고 전해질 NaPF6와 유기용매 프로필렌 카보네이트(PC, 98vol.%)와 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC, 2vol.%)를 함유하는 비수전해액을 사용하여 나트륨이온 반전지를 제조하였다. Using a positive electrode prepared in Preparation Example 2, a sodium metal plate as a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing NaPF 6 , an organic solvent propylene carbonate (PC, 98 vol.%) And fluoroethylene carbonate (FEC, 2 vol.%). A sodium ion half cell was prepared.

제조예 5: 아연이온 반전지 제조Preparation Example 5 Preparation of Zinc Ion Half-cell

상기 제조예 2에서 제조한 양극, 음극인 아연 금속판, 그리고 전해질 ZnSO4와 용매인 물을 함유하는 수계전해액을 사용하여 아연이온 반전지를 제조하였다. A zinc ion half-cell was prepared using the positive electrode prepared in Preparation Example 2, a zinc metal plate as a negative electrode, and an aqueous electrolyte solution containing electrolyte ZnSO 4 and water as a solvent.

평가예 1 : 리튬 이온 반전지 특성 평가Evaluation Example 1 Evaluation of Lithium Ion Half-Cell Characteristics

제조예 3에서 얻어진 리튬 이온 반전지를 충전은 3.7V까지 20 mA/g으로 정전류 충전을 행하였고, 방전은 상기 충전 속도와 동일한 속도로 정전류 방전을 1.5V까지 행하였다. 사이클 특성을 평가하는 경우, 충방전은 총 20 사이클 진행하였다. The lithium ion half cell obtained in Production Example 3 was charged with constant current at 20 mA / g up to 3.7 V, and discharge was performed at 1.5 V with constant current discharge at the same rate as the charging speed. When evaluating the cycle characteristics, charge and discharge proceeded for a total of 20 cycles.

도 12a 및 도 12b는 각각 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프와 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.12A and 12B are graphs showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a lithium ion half cell obtained through Preparation Example 3 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of Preparation Example 1-1, respectively, and showing cycle characteristics. It is a graph.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 리튬 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 240mAh/g인 것으로 나타났다. 이로부터, 리튬 이온 전지 시스템에서 VO1 .52(OH)0. 77를 양극 활물질로 이용할 수 있음을 알 수 있다. 다만, 총 20사이클 충방전 진행 후에는 방전용량이 120mAh/g로 낮아졌다. 12A and 12B, a lithium ion half cell prepared using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1 was found to have a discharge capacity of 240 mAh / g in the first cycle. From this, in a lithium ion battery system, it can be seen that access to VO 1 .52 (OH) 0. 77 to the positive electrode active material. However, after a total of 20 cycles of charge and discharge, the discharge capacity was lowered to 120mAh / g.

도 13은 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이고, 도 14는 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.13 is of Preparation 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 charge and discharge characteristics of the lithium ion inversion fingers first cycle obtained from the Preparation Example 3 using the positive electrode active material 14 is a graph showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a lithium ion half cell obtained through Preparation Example 3 using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3. The graph shown.

도 13 및 도 14를 참조하면, 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 리튬 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 약 320 mAh/g이고, 제조예 1-3의 (V0. 91Al0 . 09)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 리튬 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 약 293 mAh/g인 것으로 나타났다. 이로부터, 리튬 이온 전지 시스템에서 알루미늄 도핑된 바나듐 산수화물을 양극 활물질로 이용할 수 있음을 알 수 있으며, 알루미늄이 도핑되지 않은 바나듐 산수화물을 사용한 리튬 이온 반전지(도 12a)에 비해 방전용량이 더 향상되었음을 알 수 있다.13 and 14, of Preparation 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 the discharge capacity in the first cycle in which the lithium ion reversal produced by using the positive electrode active material this is about 320 mAh / g, Production example 1-3 (V 0. 91 Al 0. 09 ) O 1 .52 (OH) 0.77 the discharge capacity in the first cycle in which the lithium ion reversal produced by using the positive electrode active material is It was found to be about 293 mAh / g. From this, it can be seen that the aluminum-doped vanadium oxyhydrate can be used as a positive electrode active material in a lithium ion battery system, and the discharge capacity is higher than that of a lithium ion half cell using vanadium oxyhydrate without aluminum (FIG. 12A). It can be seen that the improvement.

평가예 2 : 나트륨 반전지 사이클 특성 평가Evaluation Example 2: Sodium Half-cell Cycle Characteristics Evaluation

제조예 4에서 얻어진 나트륨 이온 반전지를 충전은 3.7V까지 20 mA/g으로 정전류 충전을 행하였고, 방전은 상기 충전 속도와 동일한 속도로 정전류 방전을 1.5V까지 행하였다. 사이클 특성을 평가하는 경우, 충방전은 총 20 사이클 진행하였다. The sodium ion half cell obtained in Production Example 4 was charged with constant current at 20 mA / g up to 3.7 V, and discharge was performed with constant current discharge up to 1.5 V at the same rate as the charging speed. When evaluating the cycle characteristics, charge and discharge proceeded for a total of 20 cycles.

도 15a 및 도 15b는 각각 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4를 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프와 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.15A and 15B are graphs showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a sodium ion half cell obtained through Preparation Example 4 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of Preparation Example 1-1, respectively, and showing cycle characteristics. It is a graph.

도 15a 및 도 15b를 참조하면, 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 나트륨 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 90mAh/g인 것으로 나타났다. 이로부터, 나트튬 이온 전지 시스템에서 VO1 .52(OH)0. 77를 양극 활물질로 이용할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 충방전 사이클을 반복하더라도 방전용량의 감소는 거의 일어나지 않고, 총 20사이클 충방전 진행 후에도 방전용량이 초기 방전용량과 유사하게 90mAh/g로 나타났다. 이로부터 VO1.52(OH)0. 77를 양극 활물질로 이용한 나트튬 이온 전지 시스템은 용량 유지율이 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 15A and 15B, a sodium ion half cell prepared using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1 was found to have a discharge capacity of 90 mAh / g in the first cycle. In therefrom, sodium lithium ion battery system, it can be seen that access to VO 1 .52 (OH) 0. 77 to the positive electrode active material. In addition, even if the charge and discharge cycles were repeated, the discharge capacity hardly decreased, and even after a total of 20 cycles of charge and discharge progress, the discharge capacity was 90 mAh / g similar to the initial discharge capacity. From this, sodium lithium-ion battery system using a VO 1.52 (OH) 0. 77 to the positive electrode active material can be seen that excellent capacity retention rate.

도 16은 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4을 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이고, 도 17은 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4를 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.16 is prepared in Example 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05 ) O 1 .52 (OH) 0.77 charge and discharge characteristics of the sodium ion reversal fingers first cycle obtained from the Production Example 4 by using the positive electrode active material 17 is a graph showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a sodium ion half cell obtained through Preparation Example 4 using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3. The graph shown.

도 16 및 도 17을 참조하면, 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 나트륨 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 약 119 mAh/g이고, 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 나트륨 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 약 123 mAh/g인 것으로 나타났다. 이로부터, 나트륨 이온 전지 시스템에서 알루미늄 도핑된 바나듐 산수화물을 양극 활물질로 이용할 수 있음을 알 수 있으며, 알루미늄이 도핑되지 않은 바나듐 산수화물을 사용한 나트륨 이온 반전지(도 15a)에 비해 방전용량이 더 향상되었음을 알 수 있다.16 and 17, of Preparation 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05) O 1 .52 (OH) 0.77 the discharge capacity in the first cycle in which the sodium ion reversal produced by using the positive electrode active material This was about 119 mAh / g, and a sodium ion half cell prepared using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3 had a discharge capacity of about 123 mAh / g in the first cycle. Appeared. From this, it can be seen that the aluminum-doped vanadium oxyhydrate can be used as a positive electrode active material in the sodium ion battery system, and the discharge capacity is higher than that of the sodium ion half cell using vanadium oxyhydrate without aluminum (FIG. 15A). It can be seen that the improvement.

평가예 3 : 아연 이온 반전지 특성 평가Evaluation Example 3: Evaluation of Zinc Ion Half-cell

제조예 5에서 얻어진 아연 이온 반전지를 충전은 1.1V까지 20 mA/g으로 정전류 충전을 행하였고, 방전은 상기 충전 속도와 동일한 속도로 정전류 방전을 0.2V까지 행하였다. 사이클 특성을 평가하는 경우, 충방전은 총 20 사이클 진행하였다. The zinc ion half cell obtained in the manufacture example 5 was charged with constant current at 20 mA / g to 1.1V, and discharge was performed with constant current discharge to 0.2V at the same speed as the said charge rate. When evaluating the cycle characteristics, charge and discharge proceeded for a total of 20 cycles.

도 18a 및 도 18b는 각각 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5를 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프와 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.18A and 18B are graphs showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a zinc ion half cell obtained through Preparation Example 5 using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1, respectively, and showing cycle characteristics. It is a graph.

도 18a 및 도 18b를 참조하면, 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 아연 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 140mAh/g인 것으로 나타났다. 이로부터, 아연 이온 전지 시스템에서 VO1 .52(OH)0. 77를 양극 활물질로 이용할 수 있음을 알 수 있다. 다만, 총 20사이클 충방전 진행 후에는 방전용량이 약 60mAh/g 정도로 낮아졌다. Referring to FIGS. 18A and 18B, a zinc ion half cell prepared using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1 was found to have a discharge capacity of 140 mAh / g in the first cycle. From this, the zinc ion cell system it can be seen that access to VO 1 .52 (OH) 0. 77 to the positive electrode active material. However, after a total of 20 cycles of charge and discharge, the discharge capacity was lowered to about 60 mAh / g.

도 19는 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5을 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이고, 도 20은 제조예 1-3의 (V0.91Al0.09)O1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5를 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.19 is prepared in Example 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05 ) O 1 .52 (OH) 0.77 charge and discharge characteristics of the zinc ion inversion fingers first cycle obtained from the Production Example 5 by using the positive electrode active material 20 is a graph showing charge and discharge characteristics of a first cycle of a zinc ion half cell obtained in Preparation Example 5 using (V 0.91 Al 0.09 ) O 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Examples 1-3. The graph shown.

도 19 및 도 20을 참조하면, 제조예 1-2의 (V0. 95Al0 . 05)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 아연 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 약 155 mAh/g이고, 제조예 1-3의 (V0. 91Al0 . 09)O1 .52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조된 아연 이온 반전지는 첫 번째 사이클에서 방전용량이 약 138 mAh/g인 것으로 나타났다. 이로부터, 아연 이온 전지 시스템에서 알루미늄 도핑된 바나듐 산수화물을 양극 활물질로 이용할 수 있음을 알 수 있으며, 알루미늄이 도핑되지 않은 바나듐 산수화물을 사용한 아연 이온 반전지(도 18a)에 비해 방전용량이 유사하거나 혹은 더 향상되었음을 알 수 있다.When Figure 19 and Figure 20, Production Example 1-2 (V 0. 95 Al 0. 05 ) O 1 .52 (OH) 0.77 the discharge capacity in the first cycle in which the zinc ion reversal produced by using the positive electrode active material and about 155 mAh / g, the preparation of example 1-3 (V 0. 91 Al 0. 09 ) O 1 .52 (OH) discharge capacity at the first cycle in which the zinc ions 0.77 reversal produced by using the positive electrode active material It was found to be about 138 mAh / g. From this, it can be seen that the aluminum-doped vanadium oxyhydrate can be used as a positive electrode active material in a zinc ion battery system, and the discharge capacity is similar to that of a zinc ion half cell using vanadium oxyhydrate without aluminum (FIG. 18A). Or more improved.

도 21은 VO1.52(OH)0.77 결정의 bc 면에서의 BVS (bond valence sum)에너지 맵이다. 이는 밀도범함수이론(Density functional theory -DFT) 계산을 통해 산출된 결과이다.FIG. 21 is a bond valence sum (BVS) energy map at bc plane of VO 1.52 (OH) 0.77 crystal. FIG. This is the result calculated through density functional theory (DFT) calculation.

도 21을 참고하면, 전산모사 기반에 의해 VO1.52(OH)0.77 결정 구조 내에 Li+, Na+, Zn2 + 이온들의 삽입경로(diffusion path) 와 삽입위치를 확인할 수 있다. 구체적으로, 이온들은 VO1.52(OH)0.77 결정 구조의 (V1-xMx)O6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널 구조 내에 삽입될 수 있고 확산될 수 있다.Referring to FIG. 21, the diffusion path and insertion position of Li + , Na + , and Zn 2 + ions in the VO 1.52 (OH) 0.77 crystal structure can be confirmed by computer simulation. Specifically, the ions may be inserted and diffused in a tunnel structure formed by arranging (V 1-x M x ) O 6 octahedrons of VO 1.52 (OH) 0.77 crystal structure in 2 × 2 arrangement.

도 22a는 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 3을 통해 얻어진 리튬 이온 반전지의 초기 사이클 과정에서 양극 활물질들의 인시츄 XRD 그래프를 나타내고, 도 22b는 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 4를 통해 얻어진 나트륨 이온 반전지의 초기 사이클 과정에서 양극 활물질들의 인시츄 XRD 그래프를 나타낸다. 상기 인시츄 XRD 측정시, 전압범위 1.5 - 3.7 V, 정전류 10mAh 으로 충전과 방전을 실시하였다. FIG. 22A illustrates an in situ XRD graph of cathode active materials during an initial cycle of a lithium ion half cell obtained through Preparation Example 3 using VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1, and FIG. 22B is Preparation Example 1 An in-situ XRD graph of the positive electrode active materials is shown in the initial cycle of the sodium ion half cell obtained in Preparation Example 4 using VO 1.52 (OH) 0.77 positive electrode active material of −1. In the in situ XRD measurement, charging and discharging were performed at a voltage range of 1.5 to 3.7 V and a constant current of 10 mAh.

또한, 도 22c는 제조예 1-1의 VO1.52(OH)0.77 양극활물질을 사용하여 제조예 5를 통해 얻어진 아연 이온 반전지의 초기 사이클 과정에서 양극 활물질들의 엑스시츄 XRD 그래프를 나타낸다. 이를 위해, 아연 이온 반전지를 2 개 제조하고, 그 중 하나를 0.2V까지 방전하고, 다른 하나는 0.2V까지 방전한 후 1.13V까지 충전하였고, 이 두 개의 반전지들을 분해한 후 증류수를 사용하여 전극을 세척하고 80도 오븐에서 하루정도 건조시킨 후 XRD를 측정하였다.In addition, Figure 22c shows an X-situ XRD graph of the positive electrode active material during the initial cycle of the zinc ion half cell obtained through Preparation Example 5 using the VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material of Preparation Example 1-1. To this end, two zinc ion half cells were prepared, one of which was discharged to 0.2V, the other was discharged to 0.2V, and then charged to 1.13V, and these two half cells were decomposed and then distilled water was used. The electrode was washed and dried in an 80 degree oven for one day before measuring XRD.

도 22a, 22b, 및 22c를 참조하면, XRD 피크가 충방전 과정에서 시프트되기는 하지만 새로운 피크는 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 단, 도 22c의 새로운 피크(new peak)는 전해질에 의한 피크로 추정되었다. 이와 같이, 충방전 과정 즉, VO1.52(OH)0.77 양극활물질 내로 리튬 이온이 삽입 또는 탈리되는 과정에서 VO1.52(OH)0.77 양극활물질의 새로운 XRD 피크를 나타내지 않고 시프트만 발생하는 것은, 리튬 이온의 삽입 또는 탈리에도 VO1.52(OH)0.77 양극활물질의 결정 구조는 영향을 받지 않는 것을 의미한다.Referring to FIGS. 22A, 22B, and 22C, it can be seen that the XRD peak is shifted in the charging / discharging process, but no new peak occurs. However, the new peak of FIG. 22C was estimated as the peak by the electrolyte. In this way, the charge-discharge procedure i.e., VO 1.52 (OH) 0.77 The lithium ions are only occurs inserted or in the process of desorption VO 1.52 (OH) do not represent a new XRD peak of 0.77 positive electrode active material a shift into the positive electrode active material, lithium ions This means that the crystal structure of the VO 1.52 (OH) 0.77 cathode active material is not affected by insertion or desorption.

도 21과 도 22a, 22b, 및 22c를 동시 참조하면, VO1.52(OH)0.77 결정 구조 구체적으로, (V1- xMx)O6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널 구조 내에 이온이 단순히 삽입되었다가 탈리될 수 있으며, 이 이온은 충방전 과정에서 VO1.52(OH)0.77 결정 구조를 변화시키지는 않을 수 있다.Referring to FIGS. 21 and 22A, 22B, and 22C simultaneously, VO 1.52 (OH) 0.77 crystal structure Specifically, ions in a tunnel structure formed by arranging (V 1- x M x ) O 6 octahedra in 2 x 2 arrays This may simply be inserted and released, and this ion may not change the VO 1.52 (OH) 0.77 crystal structure during charge and discharge.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. This is possible.

Claims (11)

결정 구조 내에 (V1-xMx)O6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널을 갖는 바나듐 산수화물이고, 상기 x는 0 초과 0.1 이하이고 M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속인 전극 활물질.A vanadium oxyhydrate having a tunnel formed by arranging (V 1-x M x ) O 6 octahedra in a crystal structure in a 2 × 2 manner, wherein x is greater than 0 and less than or equal to 0.1 and M is +3 or +4 metal Phosphorous electrode active material. 제1항에 있어서,
상기 M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe인 전극 활물질.
The method of claim 1,
M is Al, Si, Cr, or Fe electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 터널 내에 산소 이온이 배치된 전극 활물질.
The method of claim 1,
An electrode active material in which oxygen ions are disposed in the tunnel.
제1항에 있어서,
상기 터널은 리튬 이온, 나트륨 이온, 또는 아연 이온을 수용할 수 있는 전극 활물질.
The method of claim 1,
The tunnel is an electrode active material that can accommodate lithium ions, sodium ions, or zinc ions.
하기 화학식 1로 나타내어지는 바나듐 산수화물을 구비하는 전극 활물질.
[화학식 1]
(V1-xMx)O1.52(OH)0.77
상기 화학식 1에서, x는 0 초과 0.1 이하이고, M은 산화수가 +3 또는 +4인 금속이다.
An electrode active material comprising the vanadium oxyhydrate represented by the following formula (1).
[Formula 1]
(V 1-x M x ) O 1.52 (OH) 0.77
In Formula 1, x is greater than 0 and less than or equal to 0.1, and M is a metal having an oxidation number of +3 or +4.
제5항에 있어서,
상기 M은 Al, Si, Cr, 또는 Fe인 전극 활물질.
The method of claim 5,
M is Al, Si, Cr, or Fe electrode active material.
제5항에 있어서,
상기 바나듐 산수화물은 홀란다이트(hollandite) 결정구조를 갖는 전극 활물질.
The method of claim 5,
The vanadium oxyhydrate is an electrode active material having a hollandite crystal structure.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 바나듐 산수화물은 I4/m인 공간군(space group)을 갖는 전극 활물질.
The method according to claim 1 or 5,
The vanadium oxyhydrate is an electrode active material having a space group (I4 / m).
제1항 또는 제5항의 전극 활물질을 포함하는 양극;
음극활물질을 함유하는 음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함하는 이차전지.
A positive electrode comprising the electrode active material of claim 1 or 5;
A negative electrode containing a negative electrode active material; And
A secondary battery comprising an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
삭제delete 결정 구조 내에 VO6 8면체가 2 ×2 로 배열되어 형성된 터널을 갖는 바나듐 산수화물이고, 상기 터널 내에 산소 이온이 배치되며, 금속 이온이 상기 터널 내에 삽입 및 상기 터널로부터 탈리되는 전극 활물질을 포함하는 양극;
음극활물질을 함유하는 음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함하고,
상기 금속이온은 나트륨 이온 또는 아연 이온인 이차전지.
A vanadium oxyhydrate having a tunnel formed by arranging VO 6 octahedrons in a crystal structure in a 2 × 2 manner, wherein oxygen ions are disposed in the tunnel, and metal ions are inserted into the tunnel and include an electrode active material desorbed from the tunnel anode;
A negative electrode containing a negative electrode active material; And
An electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The metal ion is sodium ion or zinc ion secondary battery.
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