KR102142491B1 - Manufacturing method of anode materials for lithium secondary battery and lithium secondary battery by using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 전기전도성, 율특 성 및 수명특성을 갖는 음극 활물질의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 스피넬계 망간-페라이트(MnFe2O4)와 같은 금속 산화물을 도파민으로 코팅하여 분산성과 부착성을 향상시킨 탄소계 소재의 표면에 균일하게 성장시킬 수 있다.
즉, 이렇게 제조된 음극 활물질은 높은 전기 전도성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 음극 반응 시 리튬이 많은 활성 사이트(active site)에서 충/방전 반응을 일으킬 수 있도록 1차원 동축 나노케이블 구조로서 높은 표면적을 얻을 수 있으므로, 리튬 이차전지의 율특성과 수명특성을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
The present invention relates to a method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same, and more particularly, to provide a method of manufacturing a negative active material having high electrical conductivity, rate characteristics, and life characteristics, and a lithium secondary battery using the same. Is to do.
According to various embodiments of the present invention, a metal oxide such as spinel-based manganese-ferrite (MnFe 2 O 4 ) may be coated with dopamine to uniformly grow on the surface of a carbon-based material having improved dispersibility and adhesion.
That is, the prepared negative electrode active material can not only obtain high electrical conductivity, but also obtain a high surface area as a one-dimensional coaxial nanocable structure so that charging/discharging reactions can occur at an active site with a lot of lithium during the negative reaction. Therefore, it exhibits a remarkable effect in improving the rate characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery.

Figure 112018093579220-pat00001
Figure 112018093579220-pat00001

Description

리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지{Manufacturing method of anode materials for lithium secondary battery and lithium secondary battery by using the same}Manufacturing method of anode materials for lithium secondary battery and lithium secondary battery by using the same}

본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 전기전도성, 율특 성 및 수명특성을 갖는 음극 활물질의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지를 제공하고자 하는 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same, and more particularly, to provide a method of manufacturing a negative active material having high electrical conductivity, rate characteristics, and life characteristics, and a lithium secondary battery using the same. Is to do.

모바일 폰(Mobile phone), 랩탑(Laptop)과 같은 소형 전자기기부터 하아브리드 전기자동차(Hybrid electrical vehicle, HEVs) 및 전기자동차(EVs)에 이르기까지 기기의 성능이 진보될수록 에너지 저장장치에 대한 관련 기술도 많은 발전이 있어 왔다. From small electronic devices such as mobile phones and laptops to hybrid electrical vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs), the technology related to energy storage devices as the performance of devices improves. There have been many developments.

최근에는 고에너지밀도의 리튬 이온전지를 구현하기 위한 전극 소재 기술에 대한 관심이 폭발적으로 증가해왔으며, 특히 고용량 음극 소재를 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 여전히 1991년 소니(Sony) 사에서 개발된 흑연을 대체할 만한 소재가 없으며, 흑연은 372 mAh/g의 낮은 이론 용량으로 인하여 고에너지밀도의 리튬 이온전지를 구현하는데 걸림돌이 되고 있다. 또한, 흑연에 대한 대체재로서 거론되어왔던 Si, Sn, Sb와 같은 합금계 음극 활물질은 높은 이론적 용량을 갖지만 Li+ 충/방전 과정에서의 심각한 부피팽창과 불균일한 SEI(solid electrolyte interphase) 층의 형성으로 인한 사이클 안정성이 매우 열악한 것으로 보고되고 있다. 흑연의 또 다른 대안으로서 NiO, Fe2O3, Fe3O4, TiO2, Co3O4, V2O5 등과 같은 전이금속 산화물(transition metal oxides, TMOs)은 리튬과의 직접 합금반응을 통하여 리튬을 저장하는 합금계 음극소재와는 달리 환원된 금속상이 박혀있는 Li2O 매트릭스를 형성하는 전환 반응(conversion reaction)을 통해 높은 이론용량(≥500 mAh/g)을 나타내게 되었으며, 뛰어난 전기화학적 특성을 보인다. 그러나 이러한 단일분계 금속 산화물은 이러한 전환 반응 과정 중에 부피 변화를 보이며, 이는 낮은 수명특성과 율특성을 초래한다는 문제가 있다.In recent years, interest in electrode material technology for realizing high energy density lithium ion batteries has exploded, and in particular, many studies have been conducted for high-capacity anode materials. However, there is still no material that can replace graphite developed by Sony in 1991, and graphite is an obstacle to realizing a high energy density lithium ion battery due to its low theoretical capacity of 372 mAh/g. In addition, alloy-based anode active materials such as Si, Sn, and Sb, which have been discussed as substitutes for graphite, have a high theoretical capacity, but severe volume expansion and non-uniform solid electrolyte interphase (SEI) layer formation during Li + charge/discharge process. It has been reported that the cycle stability due to is very poor. As another alternative to graphite, transition metal oxides (TMOs) such as NiO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , TiO 2 , Co 3 O 4 , V 2 O 5 etc. are directly alloyed with lithium. Unlike alloy-based anode materials that store lithium through the conversion reaction, a high theoretical capacity (≥500 mAh/g) was exhibited through a conversion reaction that forms a Li 2 O matrix embedded with a reduced metal phase. Show characteristics. However, this monobranous metal oxide exhibits a volume change during the conversion reaction process, which has a problem in that it leads to low life characteristics and rate characteristics.

따라서, 최근에는 두 금속 산화물의 조합인 금속 페라이트(metal ferrites)가 리튬 이온전지의 음극소재로 주목받기 시작하였다. 이러한 금속 페라이트는 이종의 금속원소가 도입되면서 전자구조의 변경을 통해 향상된 전기전도도를 비롯해 상대적으로 종래에 비해 높은 전기화학적 특성과 화하적 안정성을 나타낼 수 있다. 그럼에도 불구하고 금속 페라이트는 자체의 낮은 전기전도도의 물성으로 인하여 낮은 율특성을 보이며, 전환 반응으로 충/방전이 일어나는 동안 입자의 부피변화 및 높은 표면에너지를 갖는 나노입자 간 응집발생으로 인하여 리튬의 전도가 방해를 받으므로 수명특성이 떨어지는 문제가 있다. Therefore, in recent years, metal ferrites, which are a combination of two metal oxides, have begun to attract attention as anode materials for lithium ion batteries. Such metal ferrite may exhibit improved electrical conductivity through a change in electronic structure as different types of metal elements are introduced, as well as relatively high electrochemical properties and chemical stability compared to the prior art. Nevertheless, metal ferrite exhibits low rate characteristics due to its low electrical conductivity properties, and lithium conduction due to the volume change of particles and aggregation between nanoparticles having high surface energy during charging/discharging due to the conversion reaction. There is a problem that the life characteristics are deteriorated because of the interference.

이를 해결하기 위하여, 입자의 나노입자화를 통한 리튬이온의 양성 호핑(polaron hopping) 거리 단축 및 충/방전 시 넓은 표면적을 이용해 리튬과의 반응 구역을 증가시켜 율특성을 향상시키는 연구가 진행되어 왔으나, 나노 입자화와 같은 단편적인 해결방법은 소성 과정을 거치는 도중 높은 표면에너지로 인해 나노입자 간 응집되는 문제를 여전히 해결하지 못하는 문제점을 갖는다. In order to solve this problem, research has been conducted to improve the rate characteristics by increasing the reaction zone with lithium using a large surface area during charging/discharging and shortening the polaron hopping distance of lithium ions through nanoparticleization of particles. , Fragmentary solutions such as nanoparticles still have a problem in that they do not solve the problem of aggregation between nanoparticles due to high surface energy during the firing process.

일반적으로 나노입자의 응집을 막고자 수크로스 또는 글루코스 또는 고분자 전구체가 녹아있는 용액으로부터 탄소 층을 각각의 나노입자 표면에 둘러싸는 방식으로 탄소 코팅법이 많이 시도되었으나, 불행히도 탄소 코팅법은 환원 분위기의 추가 열처리로 인하여 금속산화물의 결정구조를 붕괴시키거나 추가적으로 환원되는 금속 상과 같은 불순물을 생성하므로 적용하기가 어렵다. 게다가 이렇게 형성된 코팅 층은 대부분 비정질 탄소로 형성되어 전기 전도도도 상대적으로 낮은 편이다. In general, in order to prevent the aggregation of nanoparticles, many attempts have been made to coat carbon by surrounding the surface of each nanoparticle from a solution containing sucrose or glucose or a polymer precursor, but unfortunately, the carbon coating method is used in a reducing atmosphere. Due to the additional heat treatment, it is difficult to apply because the crystal structure of the metal oxide is collapsed or impurities such as the metal phase that are additionally reduced are generated. In addition, the coating layer thus formed is mostly made of amorphous carbon, so the electrical conductivity is relatively low.

예를 들어, Kollu et al.은 초음파와 수열합성법을 활용하여 금속 산화물 나노입자가 rGO 표면에 분산된 복합체를 합성하였으며, 이는 리튬 이온전지 음극 물질로서 전환 반응(conversion reaction) 중 금속 산화물의 부피변화를 완화시켰고, 향상된 전기 전도성을 보였다. 또 다른 탄소계 소재인 탄소 나노튜브는 1차원 구조로서 뛰어난 전기전도성으로 인해 다양한 분야에서 소재의 물성을 향상시키는데 적용되어왔다. 그러나, 금속 산화물 나노입자의 전기 전도성을 갖는 탄소계 소재와의 복합화 공정에 대해 첨가되는 특별한 계면활성제(surfactant)가 없었고, 나노입자들이 탄소계 소재의 표면에 부착되게 하는 구동력에 대한 명확한 규명이 없었다.For example, Kollu et al. synthesized a composite in which metal oxide nanoparticles were dispersed on the rGO surface using ultrasonic and hydrothermal synthesis, which is a lithium ion battery negative electrode material, which is the volume change of metal oxide during the conversion reaction. And showed improved electrical conductivity. Carbon nanotubes, another carbon-based material, have been applied to improve the physical properties of materials in various fields due to their excellent electrical conductivity as a one-dimensional structure. However, there was no specific surfactant added to the complexing process with the carbon-based material having electrical conductivity of the metal oxide nanoparticles, and there was no clear identification of the driving force that causes the nanoparticles to adhere to the surface of the carbon-based material. .

또한, 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 탄소계 소재는 강한 튜브(inner-tube) 반데르발스(Van der Waals) 상호작용으로 인해 서로 얽히게되는 경향이 있으며, 수용액에 대해 소수성을 띠고 있어 잘 분산되지 않는다. 그러므로 탄소계 소재가 분산된 분산액 내에서 금속 산화물 나노입자가 탄소계 소재의 표면에 균일하게 성장하는 1차원 동축 나노케이블을 형성하기 어려운 문제점을 갖고 있다. 종래에는 이러한 탄소계 소재인 탄소 나노튜브의 낮은 분산도와 관련된 문제를 해결하기 위해 많은 경우 질산 수용액을 활용해왔다. 예를 들어, Zhang et al.은 질산처리를 통하여 제조된 산화된 탄소 나노튜브를 통해 탄소 나노튜브 표면에 균일하게 MnO2 나노시트가 형성된 1차원 형태의 MnO2/CNT 나노복합체를 합성하였다. 그러나 이와 같은 산처리는 표면에 카복실 그룹(carboxylic group)을 형성하며 이는 오히려 산화물 입자와의 부착을 일부 방해하며, 탄소 나노튜브 표면 탄소구조에 결함을 만들어내므로 탄소 나노튜브의 물성을 저하시키는데, 특히 전기 전도성과 열 안정성을 떨어뜨린다.In addition, carbon-based materials such as carbon nanotubes (CNTs) tend to become entangled due to strong inner-tube Van der Waals interactions, and are hydrophobic to aqueous solutions, so they are not well dispersed. Does not. Therefore, it is difficult to form a one-dimensional coaxial nanocable in which metal oxide nanoparticles grow uniformly on the surface of the carbon-based material in the dispersion in which the carbon-based material is dispersed. Conventionally, in many cases, an aqueous nitric acid solution has been used to solve the problem related to the low dispersion degree of carbon nanotubes, which are carbon-based materials. For example, Zhang et al. synthesized a one-dimensional MnO 2 /CNT nanocomposite in which MnO 2 nanosheets were uniformly formed on the surface of carbon nanotubes through oxidized carbon nanotubes prepared through nitric acid treatment. However, such acid treatment forms a carboxylic group on the surface, which rather interferes with the adhesion of oxide particles, and creates defects in the carbon structure on the surface of the carbon nanotubes, thereby lowering the physical properties of the carbon nanotubes. In particular, it reduces electrical conductivity and thermal stability.

따라서, 본 발명에서는 도파민이 가지고 있는 친수성 및 접착성을 이용하여 공침 반응으로 제작된 금속 산화물 나노입자들을 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재의 표면에 균일하게 성장시켜 저온에서의 단일 비커(one-beaker) 공정으로 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공하고자 하는 것이다.
Therefore, in the present invention, metal oxide nanoparticles produced by a coprecipitation reaction using the hydrophilicity and adhesion of dopamine are uniformly grown on the surface of the dopamine-coated carbon-based material to be a single beaker at low temperature. ) Process to provide a negative active material for lithium secondary batteries.

Nanoscale Res Lett. 2012; 7(1): 33 Nanoscale Res Lett. 2012; 7(1): 33

본 발명의 목적은 도파민이 가지고 있는 친수성 및 접착성을 이용하여 공침 반응으로 제작된 금속 산화물 나노입자들을 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재의 표면에 균일하게 성장시켜 저온에서의 단일 비커(one-beaker) 공정으로 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to uniformly grow metal oxide nanoparticles produced by a coprecipitation reaction on the surface of a carbon-based material coated with dopamine by using the hydrophilicity and adhesion properties of dopamine to produce a single beaker at low temperature. ) Process to provide a negative active material for lithium secondary batteries.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative active material.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 금속 산화물 코어; 및 상기 코어를 둘러싼 도파민이 코팅된 탄소계 소재 쉘;을 포함하는 음극 활물질의 제조방법에 있어서,According to an exemplary aspect of the present invention, a metal oxide core; And a carbon-based material shell coated with dopamine surrounding the core, wherein the method comprises:

(A) 도파민이 코팅된 탄소계 소재를 제조하는 단계; 및(A) preparing a carbon-based material coated with dopamine; And

(B) 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재와 금속 산화물 전구체를 혼합하여 반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.(B) mixing and reacting the dopamine-coated carbon-based material with a metal oxide precursor; it relates to a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery comprising a.

상기 (A) 단계는 (A1) 탄소계 소재를 도파민 전구체 용액에 투입하고 분산시키는 단계; 및The (A) step includes the steps of (A1) injecting and dispersing a carbon-based material into a dopamine precursor solution; And

(A2) 상기 분산된 분산액의 pH를 7.5 내지 9.5로 조절한 후 1 내지 20 시간 동안 교반하여 산화 및 자가 중합 반응으로 수행되는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.(A2) adjusting the pH of the dispersed dispersion to 7.5 to 9.5 and then stirring for 1 to 20 hours to perform oxidation and self-polymerization reaction; it is preferable to include.

상기 (A1) 단계는 탄소계 소재와 도파민 전구체를 1 : 0.01 내지 0.5의 중량 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.In the step (A1), it is preferable to mix the carbon-based material and the dopamine precursor in a weight ratio of 1:0.01 to 0.5.

상기 (B) 단계는 (B1) 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재와 금속 산화물 전구체를 혼합하는 단계;The step (B) includes (B1) mixing the dopamine-coated carbon-based material and a metal oxide precursor;

(B2) 상기 혼합된 혼합물을 60 내지 80 ℃의 온도로 승온시켜 pH를 9 내지 11로 조절하는 단계; 및(B2) adjusting the pH to 9 to 11 by raising the temperature of the mixed mixture to a temperature of 60 to 80 ℃; And

(B3) 상기 pH가 조절된 혼합물을 80 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 반응시키는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.(B3) reacting the pH-adjusted mixture at a temperature of 80 to 100° C. for 1 to 5 hours; it is preferable to include.

상기 탄소계 소재는 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 그래핀, 산화그래핀 및 환원된 산화 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.The carbon-based material is preferably any one or more selected from multi-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and reduced graphene oxide.

상기 금속 산화물은 MFe2O4이고,The metal oxide is MFe 2 O 4 ,

상기 M은 망간, 코발트, 니켈, 아연, 구리, 마그네슘 및 칼슘 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. The M is preferably any one selected from manganese, cobalt, nickel, zinc, copper, magnesium and calcium.

상기 금속 산화물의 나노입자 크기는 직경이 10 내지 20 nm이며,The nanoparticle size of the metal oxide is 10 to 20 nm in diameter,

상기 금속 산화물은 음극 활물질의 총 중량에 대하여 85 내지 90 wt%로 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include the metal oxide in an amount of 85 to 90 wt% based on the total weight of the negative active material.

상기 금속 산화물 전구체는 Mn(NO3)2·4H2O, Fe(NO3)3·9H2O, MnSO4·H2O, FeSO4·7H2O, Mn(CH3CO2)2·4H2O 및 Fe(CH3CO2)2 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The metal oxide precursor is Mn(NO 3 ) 2 ·4H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, MnSO 4 ·H 2 O, FeSO 4 ·7H 2 O, Mn(CH 3 CO 2 ) 2 · 4H 2 O and Fe (CH 3 CO 2 ) 2 It is preferably any one or more selected from.

상기 도파민 전구체는 Dopamine hydrochloride, Dopamine-1,1,2,2-d4 hydrochloride, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.The dopamine precursor is preferably Dopamine hydrochloride, Dopamine-1,1,2,2-d4 hydrochloride, or a mixture thereof.

상기 도파민은 탄소계 소재의 표면에 1 내지 5 nm의 두께로 탄소계 소재에 코팅되는 것이 바람직하다.The dopamine is preferably coated on the carbon-based material with a thickness of 1 to 5 nm on the surface of the carbon-based material.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 제조방법을 통해 제조된 리튬 이차전지용 음극 활물질에 관한 것이다.According to another exemplary aspect of the present invention, it relates to a negative active material for a lithium secondary battery manufactured through the above manufacturing method.

본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 제조방법을 통해 제조된 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
According to another exemplary aspect of the present invention, it relates to a lithium secondary battery including a negative active material manufactured through the manufacturing method.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, 스피넬계 망간-페라이트(MnFe2O4)와 같은 금속 산화물을 도파민으로 코팅하여 분산성과 부착성을 향상시킨 탄소계 소재의 표면에 균일하게 성장시킬 수 있다. According to various embodiments of the present invention, a metal oxide such as spinel-based manganese-ferrite (MnFe 2 O 4 ) may be coated with dopamine to uniformly grow on the surface of a carbon-based material having improved dispersibility and adhesion.

즉, 이렇게 제조된 음극 활물질은 높은 전기 전도성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 음극 반응 시 리튬이 많은 활성 사이트(active site)에서 충/방전 반응을 일으킬 수 있도록 1차원 동축 나노케이블 구조로서 높은 표면적을 얻을 수 있으므로, 리튬 이차전지의 율특성과 수명특성을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
That is, the prepared negative electrode active material can not only obtain high electrical conductivity, but also obtain a high surface area as a one-dimensional coaxial nanocable structure so that charging/discharging reactions can occur at an active site with a lot of lithium during the negative reaction. Therefore, it exhibits a remarkable effect in improving the rate characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery.

도 1은 실시예 2의 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT 동축 나노케이블 구조체의 합성 공정을 도시화한 것이다.
도 2는 실시예 1에서 코팅된 폴리도파민(PDA) 코팅 층의 유무를 확인하기 위한 푸리에 변환 적외선 그래프이다.
도 3은 실시예 1, 2 및 비교예 1에 대한 PDA 코팅량 계산 및 복합체 계산을 위한 열무게 측정 분석법(Thermogravimetric analysis, TGA)으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 2, 비교예 1, 2을 통해서 제조된 최종 산물의 결정상 비교 분석을 위해서 X선 회절 분석법으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 2, 비교예 1, 2의 합성 후 입자 형상 관찰을 위한 전계 방사형-주사 전자현미경(Field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM)으로 분석한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 실시예 2를 나타낸다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 2에 대한 미세구조 관찰을 분석한 결과를 나타낸 것으로, (a), (b) 및 (c)는 실시예 2의 투과 전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 분석 이미지, (d)는 실시예 2의 SAED(selected aperture electron diffraction) 패턴 이미지, (e)는 실시예 2의 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 맵핑 조성분포 이미지, (f), (g) 및 (h)는 비교예 2의 고해상도 투과 전자 현미경(High-resolution transmission electron microscope, HR-TEM) 분석 이미지를 나타낸다.
도 7은 실시예 2, 비교예 1, 2에 대한 순환 전압전류법(Cyclic voltammogram, CV)으로 평가한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 실시예 2를 나타낸다.
도 8은 실시예 2, 비교예 1, 2의 초기 충/방전 사이클을 평가한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 실시예 2를 나타낸다.
도 9는 실시예 2, 비교예 1, 2의 율 특성 및 장 수명 사이클 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram showing the synthesis process of the MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT coaxial nanocable structure of Example 2.
2 is a Fourier transform infrared graph for confirming the presence or absence of a polydopamine (PDA) coating layer coated in Example 1. FIG.
FIG. 3 is a graph showing the results of analysis by thermogravimetric analysis (TGA) for calculating a PDA coating amount and calculating a composite for Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG.
4 is a graph showing the results of analysis by X-ray diffraction analysis for comparative analysis of the crystal phase of the final products prepared in Example 2 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
5 is an image showing the results of analysis with a field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) for observing particle shape after synthesis of Example 2 and Comparative Examples 1 and 2, (a) Shows Comparative Example 1, (b) shows Comparative Example 2, and (c) shows Example 2.
6 shows the results of analyzing the microstructure observation for Example 2 and Comparative Example 2, (a), (b) and (c) are transmission electron microscopy (TEM) analysis of Example 2 Image, (d) is a SAED (selected aperture electron diffraction) pattern image of Example 2, (e) is an EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) mapping composition distribution image of Example 2, (f), (g) and (h) shows a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) analysis image of Comparative Example 2.
7 is a graph showing the results of evaluation by the cyclic voltammogram (CV) for Example 2 and Comparative Examples 1 and 2, (a) is Comparative Example 1, (b) is Comparative Example 2, ( c) shows Example 2.
8 is a graph showing the results of evaluating the initial charge/discharge cycles of Example 2 and Comparative Examples 1 and 2, (a) is Comparative Example 1, (b) is Comparative Example 2, (c) is Example 2 Represents.
9 is a graph showing the results of evaluation of the rate characteristics and long life cycle characteristics of Example 2 and Comparative Examples 1 and 2.

종래의 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법은 탄소계 소재의 표면에 결함(defect)을 발생시킬 수 있는 질산 처리를 통해 탄소계 소재의 분산성을 높이고 있으나, 본 발명은 도파민을 활용함으로써 탄소계 소재의 표면에 손상을 일으키지 않으면서 수용액 내 분산성을 높이고 금속 산화물 나노분말과의 접착성도 함께 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.Conventional methods of manufacturing a negative active material for lithium secondary batteries increase the dispersibility of carbon-based materials through nitric acid treatment that can cause defects on the surface of the carbon-based materials, but the present invention uses dopamine to increase the dispersibility of carbon-based materials. It is intended to provide a method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery capable of improving dispersibility in an aqueous solution and also improving adhesion to metal oxide nanopowder without causing damage to the surface of.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 산화물 코어; 및 상기 코어를 둘러싼 도파민이 코팅된 탄소계 소재 쉘;을 포함하는 음극 활물질의 제조방법에 있어서,According to an aspect of the present invention, a metal oxide core; And a carbon-based material shell coated with dopamine surrounding the core, wherein the method comprises:

(A) 도파민이 코팅된 탄소계 소재를 제조하는 단계; 및(A) preparing a carbon-based material coated with dopamine; And

(B) 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재와 금속 산화물 전구체를 혼합하여 반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.(B) mixing and reacting the dopamine-coated carbon-based material with a metal oxide precursor; it provides a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery comprising a.

상기 (A) 단계는 도파민이 코팅된 탄소계 소재를 제조하는 단계로, (A1) 탄소계 소재를 도파민 전구체 용액에 투입하고 분산시키는 단계; 및 (A2) 상기 분산된 분산액의 pH를 7.5 내지 9.5로 조절한 후 1 내지 20 시간 동안 교반하여 산화 및 자가 중합 반응으로 수행되는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The step (A) is a step of preparing a dopamine-coated carbon-based material, comprising: (A1) injecting and dispersing the carbon-based material into a dopamine precursor solution; And (A2) adjusting the pH of the dispersed dispersion to 7.5 to 9.5 and then stirring for 1 to 20 hours to perform oxidation and self-polymerization reactions.

보다 상세하게는, 상기 (A1) 단계는 탄소계 소재를 도파민 전구체 용액에 투입하고 초음파 등을 사용하여 1 내지 100 분 동안 분산시키는 것이 바람직하다. 상기 탄소계 소재와 도파민 전구체를 1 : 0.01 내지 0.5의 중량 비율로 혼합하는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 미반응물이 다량으로 존재할 수 있어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 내지 0.3의 중량비율이다.More specifically, in the step (A1), it is preferable that the carbon-based material is added to the dopamine precursor solution and dispersed for 1 to 100 minutes using ultrasonic waves or the like. It is preferable to mix the carbon-based material and the dopamine precursor in a weight ratio of 1:0.01 to 0.5, but if it is outside the above range, a large amount of unreacted material may be present, which is not preferable. More preferably, it is a weight ratio of 1:0.1 to 0.3.

상기 탄소계 소재는 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 그래핀, 산화그래핀 및 환원된 산화 그래핀 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 다중벽 탄소 나노튜브이다.The carbon-based material is preferably any one or more selected from multi-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and reduced graphene oxide. More preferably, it is a multi-walled carbon nanotube.

상기 탄소 나노튜브(Carbon nanotube)는 1차원 구조로서 뛰어난 전기전도성을 나타내어 리튬 이차전지의 음극 소재에 전기화학적 특성을 향상시키는데 효과적이다. 종래에는 탄소 나노튜브의 1차원 관상 구조와 높은 영률(Young's modulus)를 이용하여 중심부의 탄소 나노튜브를 나노입자로 둘러싸는 방식의 1차원 동축 나노케이블의 합성이 몇몇 보고된 바 있었으나, 탄소 나노튜브와 금속 산화물 나노입자의 이 복합화 공정에 대해 첨가되는 특별한 계면활성제(surfactant)가 없었고, 나노입자들이 탄소 나노튜브 표면에 부착되게 하는 구동력에 대한 명확한 규명이 없어 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 후술하는 도파민을 코팅시키는 기술을 도입하였다.The carbon nanotubes exhibit excellent electrical conductivity as a one-dimensional structure, and are effective in improving the electrochemical properties of a negative electrode material of a lithium secondary battery. Conventionally, the synthesis of a one-dimensional coaxial nanocable in a method of enclosing a central carbon nanotube with nanoparticles using a one-dimensional tubular structure and a high Young's modulus of carbon nanotubes has been reported, but carbon nanotubes There was no special surfactant added for this complexing process of and metal oxide nanoparticles, and there is no clear identification of the driving force that causes the nanoparticles to adhere to the surface of the carbon nanotubes. A technique for coating dopamine was introduced.

상기 도파민은 홍합의 강한 표면 접착 능력을 갖는 소재로서, 환경적 안정성, 생물적합성, 특히 물에서의 높은 분산력의 특성을 활용할 수 있어 리튬 이차전지에 효과적으로 적용될 수 있다.The dopamine is a material having a strong surface adhesion ability of mussels, and can be effectively applied to lithium secondary batteries because it can utilize characteristics of environmental stability, biocompatibility, and particularly high dispersibility in water.

상기 도파민 전구체는 Dopamine hydrochloride, Dopamine-1,1,2,2-d4 hydrochloride, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.The dopamine precursor is preferably Dopamine hydrochloride, Dopamine-1,1,2,2-d4 hydrochloride, or a mixture thereof.

상기 (A2) 단계는 상기 분산된 분산액을 버퍼 용액 등을 사용하여 pH를 7.5 내지 9.5로 조절하는 것이 바람직하다. 그리고 난 후, 1 내지 20시간 동안 교반하여 산화 및 자가 중합 반응을 통해 도파민이 코팅된 탄소계 소재를 제조할 있다. 반응이 완료된 반응물을 필요에 따라 세척 및 건조시켜 최종 산물을 수득할 수 있다.In the step (A2), it is preferable to adjust the pH of the dispersed dispersion to 7.5 to 9.5 using a buffer solution or the like. Then, the mixture is stirred for 1 to 20 hours to prepare a dopamine-coated carbon-based material through oxidation and self polymerization. The reaction product after the reaction is completed may be washed and dried as necessary to obtain a final product.

상기 (B) 단계는 상기 (A) 단계를 통해 도파민이 코팅된 탄소계 소재와 금속 산화물 전구체를 혼합하여 반응시키는 단계이다.The step (B) is a step of reacting by mixing a carbon-based material coated with dopamine and a metal oxide precursor through the step (A).

상기 (B) 단계는 (B1) 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재와 금속 산화물 전구체를 혼합하는 단계; (B2) 상기 혼합된 혼합물을 60 내지 80 ℃의 온도로 승온시켜 pH를 조절하는 단계; 및 (B3) 상기 pH가 조절된 혼합물을 80 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 반응시키는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The step (B) includes (B1) mixing the dopamine-coated carbon-based material and a metal oxide precursor; (B2) adjusting the pH by raising the temperature of the mixed mixture to a temperature of 60 to 80 ℃; And (B3) reacting the pH-adjusted mixture at a temperature of 80 to 100° C. for 1 to 5 hours. It is preferable to include.

보다 상세하게는 상기 도파민이 코팅된 탄소계 소재와 금속 산화물 전구체를 혼합한 후, 상기 혼합물의 pH를 10 내지 12로 조절하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 pH를 조절하면서 금속 수산화물에 해당하는 침전물이 형성되는데, 이후 교반을 지속하면서 80 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 산화 반응을 통해 금속 산화물이 얻어진다. 종래에는 180 ℃ 이상의 고온에서 수열합성을 진행하여 고온을 유지하기 위한 전기로와 12시간 이상의 합성 시간이 소요되는 문제점이 있었으나, 본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 종래보다 낮은 온도 및 짧은 시간 범위 내에서 산화 반응을 통해 금속 산화물을 제조하는 특징으로 한다. 만일 상기 반응 온도 미만이거나 상기 반응 시간이 1시간 미만인 경우에는 다량의 미반응된 생성물이 발생하게 되므로 바람직하지 않다.In more detail, after mixing the dopamine-coated carbon-based material and the metal oxide precursor, it is preferable to adjust the pH of the mixture to 10 to 12. At this time, a precipitate corresponding to the metal hydroxide is formed while the pH is adjusted. After that, the metal oxide is obtained through an oxidation reaction at a temperature of 80 to 100° C. for 1 to 5 hours while stirring is continued. Conventionally, there has been a problem that it takes more than 12 hours of synthesis time and an electric furnace to maintain the high temperature by performing hydrothermal synthesis at a high temperature of 180° C. It is characterized in that the metal oxide is produced through an oxidation reaction. If the reaction temperature is less than or the reaction time is less than 1 hour, a large amount of unreacted product is generated, which is not preferable.

상기 금속 산화물은 MFe2O4이고, 상기 M은 망간, 코발트, 니켈, 아연, 구리, 마그네슘 및 칼슘 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.The metal oxide is MFe 2 O 4 , and M is preferably any one selected from manganese, cobalt, nickel, zinc, copper, magnesium and calcium.

더욱 바람직하게는 상기 금속 수산화물 전구체는 Mn(NO3)3·4H2O, Fe(NO3)3·9H2O, MnSO4·H2O, FeSO4·7H2O, Mn(CH3CO2)2·4H2O 및 Fe(CH3CO2)2 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이다.More preferably, the metal hydroxide precursor is Mn(NO 3 ) 3 ·4H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, MnSO 4 ·H 2 O, FeSO 4 ·7H 2 O, Mn(CH 3 CO 2 ) 2 · 4H 2 O and Fe(CH 3 CO 2 ) 2 It is any one or more selected from.

도 1은 상술한 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 일구현예에 따른 합성 공정을 도시화한 것으로 도 1을 토대로 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 먼저, 단계 1(step 1)은 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)의 분산제로서 도파민(PDA) 표면처리의 효과를 보여준다. 일반적으로 MWCNT를 물에 넣으면 강한 튜브(inner-tube) 반데르발스 결합(Van der Waals interaction)으로 인해 초음파 분산 후에도 잘 분산되지 않고, 비커 바닥에 가라앉게 된다. 이와는 반대로 도파민이 코팅된 MWCNT는 도파민 전구체(Dopamine hydrochloride) 용액에서 10시간 교반 후에 형성된 코팅층(coating layer)으로 인해 수용액에서 안정한 분산 상태를 잘 유지한다. 이 교반 과정에서 도파민 모노머(dopamine monomer)는 산화되면서 동시에 자가 중합 된다. 이는 도파민 고리와 MWCNT의 외벽의 π clouds 사이에서 오는 강한 π-π 적층 결합(stacking interaction)에 의해 MWCNT에 코팅된다. 결과적으로 자가 중합반응에 의해 도파민이 코팅된 MWCNT는 도파민에 포함된 -OH, NH2에 해당하는 많은 친수성 작용기를 통해 수용액에서 높은 분산도를 갖는다. 단계 2(Step 2)는 Mn2 +, Fe2 + 이온들이 용해된 수용액에 균일하게 분산된 도파민이 코팅된 MWCNT(PDA-coated MWCNT)를 보여준다. 60 ℃에서의 지속적인 교반 중에 전이금속 이온들은 MWCNT의 도파민 코팅 층에 포함된 -OH 카테콜 그룹(catechol group)에 의해 끌어당겨진다, 단계 3(Step 3)에서 보이듯이, 일단 pH 11에서 공침반응이 시작되면, MWCNT 표면에 집중된 전이금속 이온들에 의해 MnFe2(OH)6 침전물들이 MWCNT 표면에 우선적으로 형성되도록 한다. 강한 결합제로서 도파민은 지속적인 교반 과정에서도 침전된 수산화물과 MWCNT의 접착이 잘 유지되도록 한다. 98 ℃에서의 추가적인 반응은 공기분위기하에서 전이금속 수산화물을 산화물 결정상으로 바꾸어준다. 다시 말해서, PDA-coated MWCNT위에 공침된 MnFe2(OH)6는 완전히 결정화되어 MnFe2O4 나노입자가 되고, 최종적으로 MWCNT 중심축과 MnFe2O4 외피의 형태로 조립되는 나노케이블 나노구조의 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT가 된다. 1 is a diagram illustrating a synthesis process according to an embodiment of the method for manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery, and will be described in more detail based on FIG. 1. First, step 1 shows the effect of surface treatment with dopamine (PDA) as a dispersant for multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). In general, when MWCNT is put in water, it does not disperse well even after ultrasonic dispersion due to the strong inner-tube Van der Waals interaction, and sinks to the bottom of the beaker. On the contrary, the dopamine-coated MWCNT maintains a stable dispersion state in an aqueous solution due to a coating layer formed after 10 hours stirring in a dopamine precursor (Dopamine hydrochloride) solution. During this stirring process, the dopamine monomer is oxidized and self-polymerized at the same time. It is coated on MWCNTs by a strong π-π stacking interaction between the dopamine rings and the π clouds on the outer wall of the MWCNT. As a result, MWCNT coated with dopamine by self-polymerization has high dispersibility in aqueous solution through many hydrophilic functional groups corresponding to -OH and NH 2 contained in dopamine. Step 2 shows a dopamine-coated MWCNT (PDA-coated MWCNT) uniformly dispersed in an aqueous solution in which Mn 2 + and Fe 2 + ions are dissolved. During continuous stirring at 60 °C, the transition metal ions are attracted by the -OH catechol group contained in the dopamine coating layer of MWCNT. As shown in Step 3, the co-precipitation reaction once at pH 11 When this starts, MnFe 2 (OH) 6 precipitates are preferentially formed on the MWCNT surface by transition metal ions concentrated on the MWCNT surface. As a strong binder, dopamine maintains the adhesion of the precipitated hydroxide and MWCNT well even during continuous stirring. The additional reaction at 98° C. converts the transition metal hydroxide into an oxide crystal phase in an air atmosphere. In other words, MnFe 2 (OH) 6 coprecipitated on PDA-coated MWCNT is completely crystallized to become MnFe 2 O 4 nanoparticles, and finally, the nanocable nanostructure assembled in the form of the MWCNT central axis and the MnFe 2 O 4 shell. It becomes MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT.

상기 제조방법에 있어서, (ⅰ) (A1) 탄소계 소재와 도파민 전구체를 1 : 0.1 내지 0.3의 중량비율로 혼합하고, (ⅱ) (B2) 혼합물을 70 내지 80 ℃의 온도로 승온시켜 NaOH 수용액으로 pH를 10 내지 12로 조절하며, (ⅲ) (B3) pH가 조절된 혼합물을 90 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 반응시키고, (ⅳ) 상기 금속 산화물 전구체는 Mn(NO3)3·4H2O 및 Fe(NO3)3·9H2O이고, 상기 탄소계 소재는 다중벽 탄소 나노튜브인 것이 가장 바람직한데, 상기 (ⅰ) 내지 (ⅳ) 조건을 모두 충족시키는 경우에는 리튬 이차전지의 가역 용량에 있어서 350 싸이클을 이후에도 초기용량 대비 50% 이상의 용량을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소계 소재의 표면에서의 금속 산화물 나노입자의 응집 현상이 전혀 발생하지 않으므로 균일한 동축 나노케이블을 형성할 수 있다. 그러나, 만일 상기 (ⅰ) 내지 (ⅳ) 조건을 하나라도 충족시키지 못하는 경우에는 가역 용량이 급격히 떨어져 내구성이 저하될 뿐만 아니라 상기 금속 산화물 나노입자의 응집 현상이 발생하는 것을 확인하였다.
In the above manufacturing method, (i) (A1) a carbon-based material and a dopamine precursor are mixed in a weight ratio of 1: 0.1 to 0.3, and (ii) (B2) the mixture is heated to a temperature of 70 to 80° C. The pH is adjusted to 10 to 12, and (iii) (B3) the pH-adjusted mixture is reacted at a temperature of 90 to 100° C. for 1 to 3 hours, and (iv) the metal oxide precursor is Mn(NO 3 ) 3 ·4H 2 O and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, and the carbon-based material is most preferably a multi-walled carbon nanotube. If all of the above conditions (i) to (iv) are satisfied, lithium In terms of the reversible capacity of the secondary battery, it is possible to secure more than 50% of the initial capacity after 350 cycles, as well as a uniform coaxial nanocable because the aggregation of metal oxide nanoparticles on the surface of carbon-based materials does not occur at all. Can be formed. However, if any of the above conditions (i) to (iv) were not satisfied, it was confirmed that the reversible capacity was rapidly reduced, the durability was deteriorated, and the aggregation of the metal oxide nanoparticles occurred.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 상술한 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 통해 제조된 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공한다.In addition, according to another aspect of the present invention, there is provided a negative active material for a lithium secondary battery manufactured through the method for preparing a negative active material for a lithium secondary battery described above.

상기 음극 활물질은 금속 산화물 코어; 및 상기 코어를 둘러싼 도파민이 코팅된 탄소계 소재 쉘;을 포함하는 구조를 갖는다.The negative active material may include a metal oxide core; And a carbon-based material shell coated with dopamine surrounding the core.

상기 금속 산화물의 나노입자 크기는 직경이 10 내지 20 nm인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 리튬 이차전지의 성능이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.The nanoparticle size of the metal oxide is preferably 10 to 20 nm in diameter. If it is outside the above range, the performance of the lithium secondary battery may be degraded, which is not preferable.

또한, 상기 금속 산화물은 음극 활물질의 총 중량에 대하여 85 내지 90 wt%를 나타내어 금속 산화물 나노입자가 탄소계 소재의 표면을 90 내지 100%까지 덮어 리튬 이차전지의 율특성을 현저히 향상시키는 것을 확인하였다.In addition, it was confirmed that the metal oxide represented 85 to 90 wt% based on the total weight of the negative electrode active material, so that the metal oxide nanoparticles covered the surface of the carbon-based material up to 90 to 100% and significantly improved the rate characteristics of the lithium secondary battery. .

상기 도파민은 1 내지 5 nm의 두께로 탄소계 소재에 코팅되며, 음극 활물질의 총 중량에 대하여 1 내지 2 wt%로 코팅되는 것이 바람직한데, 적은 양의 도파민이 코팅되어도 700 mAh/g 이상의 초기 충방전 용량을 나타내는 것을 확인하였다.
The dopamine is coated on a carbon-based material with a thickness of 1 to 5 nm, and is preferably coated with 1 to 2 wt% based on the total weight of the negative active material. Even if a small amount of dopamine is coated, an initial charge of 700 mAh/g or more It was confirmed that the discharge capacity was shown.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and the like, but the scope and content of the present invention may be reduced or limited by the following examples. In addition, if it is based on the disclosure of the present invention including the following examples, it is obvious that a person skilled in the art can easily implement the present invention, in which experimental results are not specifically presented, and patents to which such modifications and corrections are attached Naturally, it is within the scope of the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예에 따른 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below are only representative of the experimental results of the above Examples and Comparative Examples, and each effect according to various embodiments of the present invention not explicitly presented below will be specifically described in the corresponding section. .

실시예Example 1: One: MWCNTMWCNT 에 대한 for 폴리도파민Polydopamine (PDA) 코팅 방법(PDA) coating method

0.2 g의 Multi-walled carbon nanotuve(MWCNT)를 0.04 g의 Dopamine hydrochloride와 함께 40 mL의 증류수에 초음파법을 통해 약 30분 동안 분산시켜준다. 이후 지속적으로 교반하여 주면서 10 mM의 Tris-buffer solution 10 mL를 첨가하여 pH를 8.5로 조절하여 준다. 마지막으로 약 10시간 동안 교반하면서 회수한 후에 증류수와 에틸알코올을 사용하여 원심분리기를 이용하여 세척하고, 80 ℃의 오븐에서 12시간 동안 건조시킨 뒤 회수한다.
0.2 g of Multi-walled carbon nanotuve (MWCNT) was dispersed in 40 mL of distilled water with 0.04 g of Dopamine hydrochloride through ultrasonication for about 30 minutes. Then, while continuously stirring, add 10 mL of 10 mM Tris-buffer solution to adjust the pH to 8.5. Finally, the mixture is recovered while stirring for about 10 hours, washed with a centrifuge using distilled water and ethyl alcohol, dried in an oven at 80° C. for 12 hours, and recovered.

실시예Example 2 : MnFe 2: MnFe 22 OO 44 @PDA-coated @PDA-coated MWCNTMWCNT 동축Coaxial 나노케이블 구조체 합성 Synthesis of nanocable structures

화학양론적인 양에 해당하는 Mn(NO3)2·4H2O와 Fe(NO3)3·9H2O를 200 mL의 증류수에 용해시킨 뒤 교반하는 과정에서 전체 복합체 무게의 10 wt%에 해당하는 PDA가 코팅된 MWCNT를 첨가한 후, 초음파를 이용하여 10분 동안 분산시킨다. 이를 70 ℃까지 승온시킨 후 2 M에 해당하는 NaOH 수용액을 pH가 11이 될 때까지 약 50 mL를 첨가한다. 이때 MnFe2(OH)6에 해당하는 침전물이 형성되며 이후 교반을 지속하는 가운데 98 ℃까지 승온한다. 98 ℃에서 2시간 동안 유지시킨 뒤 20 mL의 NaOH 수용액을 추가하여 반응을 완료시킨다. 얻어진 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT를 원심분리기에서 증류수와 에틸알코올을 사용하여 세척한 후 80 ℃의 오븐에서 12시간 동안 건조시킨 뒤 회수하여 PDA가 코팅된 MnFe2O4를 얻었다.
Mn(NO 3 ) 2 ·4H 2 O and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O corresponding to the stoichiometric amount are dissolved in 200 mL of distilled water, and then in the process of stirring, it corresponds to 10 wt% of the total weight of the complex. After adding the PDA-coated MWCNT, it is dispersed for 10 minutes using ultrasonic waves. After raising the temperature to 70° C., about 50 mL of NaOH aqueous solution corresponding to 2 M is added until the pH becomes 11. At this time, a precipitate corresponding to MnFe 2 (OH) 6 is formed and the temperature is raised to 98° C. while stirring is continued. After holding at 98° C. for 2 hours, 20 mL of NaOH aqueous solution was added to complete the reaction. The obtained MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT was washed in a centrifuge with distilled water and ethyl alcohol, dried in an oven at 80° C. for 12 hours, and recovered to obtain PDA-coated MnFe 2 O 4 .

비교예Comparative example 1 : One : 스피넬Spinel 상의 단결정 구조를 이루는 Forming a single crystal structure MnFeMnFe 22 OO 44 음극 산화물 합성 Cathode oxide synthesis

화학양론적인 양에 해당하는 Mn(NO3)2·4H2O와 Fe(NO3)3·9H2O를 200 mL의 증류수에 용해시킨 뒤 교반하는 과정에서 70 ℃까지 승온시킨 후 2 M에 해당하는 NaOH 수용액을 pH가 11이 될 때까지 약 50 mL를 첨가한다. 이때 MnFe2(OH)6에 해당하는 침전물이 형성되며 이후 교반을 지속하는 가운데 98 ℃까지 승온시킨다. 98 ℃에서 2시간 동안 유지시킨 뒤 20 mL의 NaOH 수용액을 추가하여 반응을 완료시킨다. 얻어진 MnFe2O4 나노분말을 원심분리기에서 증류수와 에틸알코올을 사용하여 세척한 후 80 ℃의 오븐에서 12시간 동안 건조시킨 뒤 회수하여 음극 활물질을 제조하였다.
After dissolving Mn(NO 3 ) 2 ·4H 2 O and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O corresponding to stoichiometric amounts in 200 mL of distilled water, the temperature was raised to 70 °C in the process of stirring and then added to 2 M. About 50 mL of the corresponding aqueous NaOH solution is added until the pH reaches 11. At this time, a precipitate corresponding to MnFe 2 (OH) 6 is formed and the temperature is raised to 98° C. while stirring is continued. After holding at 98° C. for 2 hours, 20 mL of NaOH aqueous solution was added to complete the reaction. The obtained MnFe 2 O 4 nanopowder was washed with distilled water and ethyl alcohol in a centrifuge, dried in an oven at 80° C. for 12 hours, and recovered to prepare a negative active material.

비교예Comparative example 2 : MnFe 2: MnFe 22 OO 44 @MWCNT 복합체 합성Synthesis of @MWCNT complex

화학양론적인 양에 해당하는 Mn(NO3)2·4H2O와 Fe(NO3)3·9H2O를 200 mL의 증류수에 용해시킨 뒤 교반하는 과정에서 전체 복합체 무게의 10 wt.%에 해당하는 MWCNT를 첨가한 후 초음파를 이용하여 10분 동안 분산시킨다. 이를 70 ℃까지 승온시킨 후 2 M에 해당하는 NaOH 수용액을 pH가 11이 될 때까지 약 50 mL를 첨가한다. 이때 MnFe2(OH)6에 해당하는 침전물이 형성되며 이후 교반을 지속하는 가운데 98 ℃까지 승온한다. 98 ℃에서 2시간 동안 유지시킨 뒤 20 mL의 NaOH 수용액을 추가하여 반응을 완료시킨다. 얻어진 MnFe2O4@MWCNT를 원심분리기에서 증류수와 에틸알코올을 사용하여 세척한 후 80 ℃의 오븐에서 12시간 동안 건조시킨 뒤 회수한다.
Mn(NO 3 ) 2 ·4H 2 O and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O corresponding to the stoichiometric amount are dissolved in 200 mL of distilled water, and in the process of stirring, to 10 wt.% of the total weight of the complex. After the corresponding MWCNT is added, it is dispersed for 10 minutes using ultrasonic waves. After raising the temperature to 70° C., about 50 mL of NaOH aqueous solution corresponding to 2 M is added until the pH becomes 11. At this time, a precipitate corresponding to MnFe 2 (OH) 6 is formed and the temperature is raised to 98° C. while stirring is continued. After holding at 98° C. for 2 hours, 20 mL of NaOH aqueous solution was added to complete the reaction. The obtained MnFe 2 O 4 @MWCNT was washed with distilled water and ethyl alcohol in a centrifuge, dried in an oven at 80° C. for 12 hours, and recovered.

실험예 1: 푸리에 변환 적외선 분광(Fourier transform infrared spectra, FT-IR) 분석Experimental Example 1: Fourier transform infrared spectra (FT-IR) analysis

도 2에서는 Pristine MWCNT, PDA-coated MWCNT의 FT-IR 스펙트라를 보여준다. Pristine MWCNT의 스펙트럼은 모든 파장 범위에서 어떤 뚜렷한 흡수 피크(absorption peak)도 관찰되지 않는다. 한편, PDA-coated MWCNT의 스펙트럼은 3370 cm-1에서 발견되는 강한 흡수 피크가 존재하며 이는 PDA의 방향족 고리에 있는 -OH 카테콜 그룹(catechol group)의 신축 진동(stretching vibration)에 해당하며, -NH 아민 그룹(amine group)의 신축 진동(stretching vibration)도 이 넓은 피크(broad peak)에 겹쳐서 나타난다. 게다가 1600 cm-1의 피크는 방향족 고리의 C=C 공명 진동(vibration)에 해당한다. 추가적으로, 1511 cm-1의 피크는 PDA의 아민 그룹(amine group)의 -NH 전단 진동(shearing vibration)이다. 일반적으로 PDA에 포함된 -OH 카테콜 그룹(catechol group)은 무기 표면에 대한 접착을 높이는데 결정적인 역할을 하며, 이는 결론적으로 MWCNT와 금속 산화물 나노입자와의 접착 능력를 증가시키는 중요한 역할을 하였다.
2 shows the FT-IR spectra of Pristine MWCNT and PDA-coated MWCNT. The spectrum of pristine MWCNTs does not observe any apparent absorption peaks in all wavelength ranges. Meanwhile, the spectrum of PDA-coated MWCNT has a strong absorption peak found at 3370 cm -1 , which corresponds to the stretching vibration of the -OH catechol group in the aromatic ring of PDA,- The stretching vibration of the NH amine group is also superimposed on this broad peak. Furthermore, the peak at 1600 cm -1 corresponds to the C=C resonance vibration of the aromatic ring. Additionally, the peak at 1511 cm -1 is the -NH shearing vibration of the amine group of PDA. In general, the -OH catechol group included in PDA plays a decisive role in enhancing the adhesion to the inorganic surface, which in turn played an important role in increasing the adhesion ability between MWCNTs and metal oxide nanoparticles.

실험예 2: 열무게 측정 분석(thermogravimetric analysis, TGA)Experimental Example 2: Thermogravimetric analysis (TGA)

도 3에서는 MWCNT에 코팅된 PDA의 함량을 알아보기 위해 pristine MWCNT와 PDA-coated MWCNT 그리고 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT에 대하여 TGA 분석을 실시하였다. TGA 곡선에서 나타난 것과 같이 모든 샘플들이 약 200 ℃ 이하에서 물분자의 증발이 일어나고(~3.99%), pristine MWCNT는 520 ℃ 근처까지 뚜렷한 감소 없이 일정한 무게를 보인다. 이와는 반대로, PDA-coated MWCNT와 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 약 330 ℃부터 무게가 감소하고, 삽입된 그림과 같이 PDA-coated MWCNT는 점차 무게가 감소하며 MWCNT가 분해되기 직전 약 520~550 ℃ 부근에서 전체 무게의 88.2%가 남는 것을 볼 수 있다. 이런 이유로 우리는 PDA는 MWCNT에 약 7.79%가 코팅된 것으로 볼 수 있다. MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 경우에는 TGA 곡선(curve)은 또한 550 ℃ 이후에 전체 무게의 88.3%까지 감소하였다. 따라서, MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 산화물(oxide)과 MWCNT의 무게 비율이 약 9:1로 존재한다고 볼 수 있다. 최종적으로 우리는 PDA를 단지 MnFe2O4 나노입자의 접착제와 분산제로서만 적용하였기 때문에 MWCNT에 코팅된 PDA의 양이 전기화학적 성능에 영향을 미칠 만큼 과다하지 않도록 이를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다. 본 발명의 합성공정에서 코팅된 PDA의 양은 위의 TGA 결과를 바탕으로 다시 계산하면 전체 나노케이블 구조체의 0.78 wt%가 된다. 따라서 1 wt%도 되지 않는 매우 적은 양의 PDA가 MWCNT에 코팅되어 합성에 도움을 주었음을 알 수 있다.
In FIG. 3, TGA analysis was performed on pristine MWCNT, PDA-coated MWCNT, and MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT to determine the content of PDA coated on MWCNT. As shown in the TGA curve, evaporation of water molecules occurs below about 200 °C in all samples (~3.99%), and pristine MWCNTs show a constant weight up to around 520 °C without significant decrease. On the contrary, PDA-coated MWCNT and MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT decrease in weight from about 330 ℃, and PDA-coated MWCNT gradually decreases in weight as shown in the inserted figure, and about 520~ just before MWCNT is decomposed. It can be seen that 88.2% of the total weight remains around 550 ℃. For this reason, we can see that PDA is about 7.79% coated on MWCNT. In the case of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT, the TGA curve also decreased to 88.3% of the total weight after 550°C. Therefore, it can be seen that the weight ratio of the oxide of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT and MWCNT is about 9:1. Finally, since we applied PDA only as an adhesive and dispersant for MnFe 2 O 4 nanoparticles, it is important to precisely control this so that the amount of PDA coated on MWCNT is not excessive enough to affect the electrochemical performance. When the amount of PDA coated in the synthesis process of the present invention is calculated again based on the above TGA result, it becomes 0.78 wt% of the total nanocable structure. Therefore, it can be seen that a very small amount of PDA, which is less than 1 wt%, was coated on MWCNT to help the synthesis.

실험예 3: X선 회절 분석Experimental Example 3: X-ray diffraction analysis

도 3에서는 합성된 샘플들의 결정화 정도를 확인하기 위해 미리 준비된 샘플들에 대하여 X선 회절패턴들을 각각 얻었으며, MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 2θ = 20~30˚ 낮은 각도(low angle) 영역에서 먼저 MWCNT에 해당하는 넓은형태의 피크가 나타나며, pristine MnFe2O4와 같이 2θ = 29.8˚, 35.2˚, 36.8˚, 42.7˚, 53.0˚, 56.6˚, 61.9˚에서 불순물 피크 없이 뚜렷하게 (200), (311), (222), (400), (422), (511), (440) 피크가 나타난다. 모든 피크들은 JCPDS card #73-1964의 Fd3m 공간군과 일치함을 확인할 수 있고, MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 MnFe2O4 스피넬 상이 98 ℃의 저온에서 단시간에 완벽하게 성장하였음을 증명한다.
In FIG. 3, X-ray diffraction patterns were obtained for each of the samples prepared in advance to check the degree of crystallization of the synthesized samples, and for MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT, 2θ = 20~30˚ low angle. In the region, a broad peak corresponding to MWCNT appears first, and as in pristine MnFe 2 O 4 , 2θ = 29.8˚, 35.2˚, 36.8˚, 42.7˚, 53.0˚, 56.6˚, and 61.9˚ clearly without impurity peaks (200 ), (311), (222), (400), (422), (511), (440) peaks appear. All peaks can be seen that the space group Fd3m consistent with the JCPDS card # 73-1964 and, MnFe 2 O 4 @ PDA- coated MWCNT of MnFe 2 O 4 spinel phase hayeoteum prove at a low temperature of 98 ℃ growth completely in a short time do.

실험예 4: 전계 방사형-주사 전자현미경 (field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM) 분석Experimental Example 4: Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis

도 5에서는 FE-SEM으로 준비된 각 샘플들에 대한 형상을 관찰하였다. (a)의 FE-SEM 이미지는 98 ℃의 공침법으로 합성된 pristine MnFe2O4 나노입자들이 ≤20 nm의 크기로 합성되었음을 보여준다. 그러나, 이렇게 작은크기의 나노입자들은 높은 표면에너지의 구동력으로 촉발되는 입자간 응집이 발생할 가능성이 높다. 이런 이유로 (b)에서와 같이 PDA 코팅이 없는 MWCNT이 포함된 질산염 용액(nitrate solution)에서 침전 반응을 시키면, 만들어진 복합체가 큰 불균일을 보이며, 엉긴 MWCNT와 MnFe2O4 나노입자들이 응집된 형태가 각각 관찰된다. 이것은 합성 과정에서 용액이 지속적으로 교반되면서 pristine MWCNT의 반데르발스 결합(Van der Waals interaction)과 MnFe2O4 나노입자의 높은 표면 에너지가 균일한 동축 나노케이블의 형상을 갖는 나노구조체 형성에 악영향을 미치는 것으로 볼 수 있다. 이와는 대조적으로 (c)와 같이 MnFe2O4의 침전반응이 균일한 PDA-coated MWCNT 분산액에서 이루어지면, 나노입자들은 MWCNT를 따라 균일하게 잘 배열되며, 큰 응집이 명백하게 사라지는 것을 볼 수 있다. 결과적으로 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 동축 나노케이블 구조가 훌륭하게 만들어진다. 이것은 MWCNT의 높은 분산도를 위한 분산제로서의 역할을 잘 입증해준다.
In Figure 5, the shape of each sample prepared with FE-SEM was observed. The FE-SEM image in (a) shows that pristine MnFe 2 O 4 nanoparticles synthesized by co-precipitation at 98 °C were synthesized with a size of ≤20 nm. However, such small-sized nanoparticles have a high probability of interparticle aggregation triggered by a driving force of high surface energy. For this reason, as in (b), when the precipitation reaction is performed in a nitrate solution containing MWCNT without PDA coating, the resulting complex shows a large non-uniformity, and the lumped MWCNT and MnFe 2 O 4 nanoparticles are aggregated. Each is observed. As the solution is continuously stirred during the synthesis process, the Van der Waals interaction of pristine MWCNT and the high surface energy of MnFe 2 O 4 nanoparticles adversely affect the formation of nanostructures having a uniform coaxial nanocable shape. It can be seen as crazy. In contrast, when the precipitation reaction of MnFe 2 O 4 is carried out in a uniform PDA-coated MWCNT dispersion as shown in (c), the nanoparticles are uniformly arranged well along the MWCNT, and large aggregation can be seen to disappear. As a result, the coaxial nanocable structure of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT is excellent. This well demonstrates the role of MWCNT as a dispersant for high dispersibility.

실험예 5: 투과 전자 현미경 분석(transmission electron microscopy, TEM)Experimental Example 5: Transmission electron microscopy (TEM)

도 6에서는 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT 동축 나노케이블의 미세구조를 확인하고자 (a)-(c)에서와 같이 TEM 분석을 실시하였다. (a)에서는 큰 MnFe2O4 나노입자 간 응집 또는 엉긴 MWCNT 없이 정립된 1차원 동축 나노케이블 나노구조의 형상이 잘 구분되는 것을 볼 수 있다. (b)에서는, 고분해능-TEM 사진을 통해 나노입자들이 MWCNT 중심에 균일하게 붙어있는 것을 명백하게 관찰할 수 있다. (c)는 더욱 확대된 고분해능-TEM 사진을 보여주는데, PDA의 도움으로 MnFe2O4 나노입자들이 빽빽하게 MWCNT의 다중벽을 둘러싸고 있는 것을 보여주고 있다. 게다가, (d)에서 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 SAED(selected aperture electron diffraction) 패턴은 나노결정상의 MnFe2O4의 다양한 결정방향으로부터 고리형 패턴으로 나타나며 각각 (400), (440), (444) 면으로 뚜렷하게 관찰된다. 이는 MWCNT 표면위의 작은 나노입자들이 저온 공정에서 완벽하게 결정화되었음을 증명하고 있다. (e)는 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 EDS 맵핑(mapping)을 통한 조성분포를 보여주는데, MWCNT 중심에 해당하는 C 신호들을 중심으로 MnFe2O4에 해당하는 Mn, Fe, O 원소 신호들이 균일하게 PDA-coated MWCNT 표면을 둘러싸고 있는 것을 볼 수 있다. 이에 반해 (f)-(h)의 PDA 표면처리를 하지 않은 MWCNT의 MnFe2O4@MWCNT의 경우 우리는 도 5의 FE-SEM 사진에서 확인한 바와 같이 커다란 MnFe2O4의 응집체와 MWCNT의 드러난 표면을 찾을 수 있었고, (f)-(g)의 HR-TEM image도 역시 MnFe2O4@MWCNT의 불균질(inhomogeneity)을 증명해준다. 게다가 (h)는 (f)의 점선의 붉은 원으로 표시된 부분의 MnFe2O4@MWCNT의 EDS 맵핑(mapping)을 보여주는데, 둘러싼 MnFe2O4 나노입자가 없는 MWCNT 표면이 보여지고, 이는 MWCNT 중심과 금속 산화물 나노입자간 약한 접착을 입증한다. 이런 이유로 PDA 코팅 층 없이는, MWCNT는 반데르발스 결합(Van der Waals interaction)과 소수성의 표면으로 인해 불균일한 분산액을 만들고, MnFe2O4와 MWCNT 간의 접착과 관련하여 이에 대한 구동력이 부족하게 된다. 결과적으로 MnFe2O4 나노입자들은 MWCNT의 표면에 끌려지는 대신 서로 응집되면서 균일한 동축 나노케이블이 잘 만들어지지 않는다.
In FIG. 6, TEM analysis was performed as in (a)-(c) to confirm the microstructure of the MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT coaxial nanocable. In (a), it can be seen that the shape of the erected one-dimensional coaxial nanocable nanostructure without aggregation or lumped MWCNT between large MnFe 2 O 4 nanoparticles is well distinguished. In (b), it can be clearly observed that the nanoparticles are uniformly attached to the center of the MWCNT through a high-resolution-TEM image. (c) shows a more magnified high-resolution-TEM image, showing that with the help of PDA, MnFe 2 O 4 nanoparticles are densely surrounding the multiple walls of MWCNT. In addition, the SAED (selected aperture electron diffraction) pattern of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT in (d) appears as a cyclic pattern from various crystal directions of MnFe 2 O 4 on the nanocrystalline phase, respectively (400) and (440). , Clearly observed with the (444) plane. This proves that the small nanoparticles on the surface of MWCNT were completely crystallized in a low temperature process. (e) shows the composition distribution through EDS mapping of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT. Mn, Fe, O element signals corresponding to MnFe 2 O 4 around C signals corresponding to the MWCNT center It can be seen that they uniformly surround the PDA-coated MWCNT surface. On the other hand, in the case of MnFe 2 O 4 @MWCNT of MWCNT without PDA surface treatment of (f)-(h), we showed a large aggregate of MnFe 2 O 4 and MWCNT as shown in the FE-SEM picture of FIG. The surface was found, and the HR-TEM image of (f)-(g) also proves the inhomogeneity of MnFe 2 O 4 @MWCNT. In addition, (h) shows the EDS mapping of MnFe 2 O 4 @MWCNT in the area indicated by the red circle of the dotted line in (f), showing the MWCNT surface without surrounding MnFe 2 O 4 nanoparticles, which is the center of the MWCNT The weak adhesion between the and metal oxide nanoparticles is demonstrated. For this reason, without a PDA coating layer, MWCNTs create a non-uniform dispersion due to Van der Waals interaction and hydrophobic surface, and lack of driving force for this in relation to the adhesion between MnFe 2 O 4 and MWCNT. As a result, the MnFe 2 O 4 nanoparticles are not attracted to the surface of the MWCNT, but aggregated to each other, making it difficult to form a uniform coaxial nanocable.

실험예 6: 순환 전압 전류법(Cyclic voltammogram, CV) 평가Experimental Example 6: Cyclic voltammogram (CV) evaluation

도 7에서는 합성된 각 샘플들의 형상에 따른 전기화학적 성능을 평가하기 위해 구리 극판위에 준비된 작동 전극와 함께 리튬 포일을 상대전극으로 하여 반쪽전지를 구성하였다. 그리고 (a)-(c)와 같이 각 샘플들에 대하여 0.2 mVs-1의 주사 속도로 0 ~ 3.0 V의 전압 범위에서 CV 측정을 실시하였다. 모든 샘플의 CV 곡선은 비슷한 전압 영역에서 MnFe2O4의 리튬 충/방전 과정에서 나타나는 한 쌍의 산화 피크/환원 피크(oxidation peak/reduction peaks)를 보인다. (a)의 pristine MnFe2O4의 첫 번째 방전 과정의 환원 반응(reduction reaction)과 관련된 0.55 V의 캐소드 피크(cathodic peak)는 MnFe2O4의 전환 반응(conversion reaction) MnFe2O4 + 8Li+ +8e- → Mn + 2Fe + 4Li2O에 따라 Fe3+와 Mn2+의 환원 반응(reduction reaction)이 일어난다. 앞의 반응 식에 따르면, 방전 시 Li 이온은 Li2O의 형태로 저장되고, Fe와 Mn의 금속 상(metallic phase)이 나타나게 된다. 상대적으로 이 피크(peak)가 크게 나타나는 이유는 MnFe2O4의 두 개의 방전 반응들에 관한 겹침 피크이기 때문인데, 각각 0.7 V와 0.5 V에서 Fe2O3와 MnO가 Fe와 Mn으로 환원되는 두 반응이 함께 나타나는 것이다. 이후 가역적인 방전 과정에서는 0.75 V에서 해당 피크가 나타나며, 큰 비가역 반응 이후에 만들어진 상 간의 가역적인 방전 반응을 일으키게 된다. 리튬 충전과정에서의 1.70 V의 애노드 피크(anodic peak)는 Mn + Li2O → MnO + 2Li+ + 2e-와 3Fe + 4Li2O → Fe3O4 + 8Li+ + 8e-의 반응에 해당하며, 분극 효과에 의하여 이후 사이클에서는 1.80 V로 피크 이동이 발생하는데, Mn + 3Fe + 5Li2O → MnO + Fe3O4 + 10Li의 가역적인 충전 과정에 대한 피크가 나타난다. (a)의 pristine MnFe2O4의 경우 초기 사이클에서는 각 전압에서 전기화학 반응을 잘 일으키나, 이후 사이클에서 애노드, 캐소드 피크 전류(anodic, cathodic peak current) 모두가 지속적으로 감소하며, 전체적으로 피크의 적분영역이 크게 줄어들면서 용량이 현저하게 감소하는 경향을 보인다. 이러한 피크 강도의 감소는 MnFe2O4의 본질적으로 낮은 전기전도도에서 기인한 것으로 보인다. 대조적으로, (b)의 MnFe2O4@MWCNT의 경우에는 10 cycles 동안 상대적으로 더 안정적인 CV 곡선을 보여주는데, 이는 MnFe2O4의 전기전도도가 음극에 대한 전자 전도경로를 제공함으로써 전기 전도도가 향상된다는 것을 말해준다. 흥미롭게도, (c)의 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 cycling에서의 전기화학 반응의 가역성은 MnFe2O4@MWCNT와 안정적인 CV 곡선과 함께 비슷한 양상을 보이나, 모든 충/방전 과정에서 MnFe2O4@MWCNT보다 매우 높은 피크(peak) 전류를 지속적으로 나타내며, 피크(peak) 적분면적을 비교하였을 때 더 높은 가역용량을 나타내었다. 일반적으로 CV 측정에서 이러한 더 큰 피크 면적은 더 높은 반응크기 관련되어 있으며, MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 10 cycles동안 큰 피크 넓이(peak area)와 함께 특별히 분극에 의한 큰 피크 이동 또는 피크 강도의 감소가 나타나지 않는 것으로 안정적인 사이클을 보여준다.
In FIG. 7, in order to evaluate the electrochemical performance according to the shape of each of the synthesized samples, a half-cell was constructed using lithium foil as a counter electrode together with a working electrode prepared on a copper electrode plate. And, as shown in (a)-(c), CV measurements were performed for each sample in a voltage range of 0 to 3.0 V at a scanning speed of 0.2 mVs -1 . The CV curves of all samples show a pair of oxidation peaks/reduction peaks during lithium charging/discharging of MnFe 2 O 4 in a similar voltage range. (a) the pristine MnFe Reduction 0.55 V cathode peak (cathodic peak) of a related (reduction reaction), the first discharge process 2 O 4 is a conversion of MnFe 2 O 4 (conversion reaction) MnFe 2 O 4 + 8Li + + 8e - → reduction reaction (reduction reaction) of the Fe 3+ and Mn 2+ according to the Mn + 2Fe + 4Li 2 O this takes place. According to the above reaction equation, during discharge, Li ions are stored in the form of Li 2 O, and a metallic phase of Fe and Mn appears. The reason why this peak appears relatively large is because it is an overlapping peak for the two discharge reactions of MnFe 2 O 4 , where Fe 2 O 3 and MnO are reduced to Fe and Mn at 0.7 V and 0.5 V, respectively. The two reactions come together. Subsequently, in the reversible discharge process, a corresponding peak appears at 0.75 V, and a reversible discharge reaction between phases formed after a large irreversible reaction occurs. Of 1.70 V on a lithium charging process, the anode peak (anodic peak) is Mn + Li 2 O → MnO + 2Li + + 2e - and the reaction of-the 3Fe + 4Li 2 O → Fe 3 O 4 + 8Li + + 8e , A peak shift occurs to 1.80 V in the subsequent cycle due to the polarization effect, and a peak for the reversible charging process of Mn + 3Fe + 5Li 2 O → MnO + Fe 3 O 4 + 10Li appears. In the case of pristine MnFe 2 O 4 in (a), an electrochemical reaction occurs well at each voltage in the initial cycle, but in subsequent cycles, both the anode and cathode peak currents (anodic, cathodic peak current) continuously decrease, and the integral of the peak as a whole. As the area is greatly reduced, the capacity tends to decrease significantly. This decrease in peak intensity appears to be due to the inherently low electrical conductivity of MnFe 2 O 4 . In contrast, the MnFe 2 O 4 @MWCNT in (b) shows a relatively more stable CV curve for 10 cycles, which is because the electrical conductivity of MnFe 2 O 4 provides an electron conduction path to the cathode, thereby improving the electrical conductivity. Tells you that you can. Interestingly, the reversibility of the electrochemical reaction in (c) MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT is similar to that of MnFe 2 O 4 @MWCNT and stable CV curves, but in all charging/discharging processes, MnFe 2 O 4 @MWCNT showed a much higher peak current continuously, and showed a higher reversible capacity when comparing the peak integral area. In general, in CV measurements, this larger peak area is related to a higher response size, and MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNTs have a large peak area for 10 cycles, especially a large peak shift or peak due to polarization. It shows a stable cycle with no decrease in strength.

실험예 7: 초기 충/방전 사이클 평가Experimental Example 7: Initial charge/discharge cycle evaluation

도 8에서는 각 전압에서의 가역 용량에 대하여 초기 충/방전 사이클링 평가를 실시하였다. (a)-(c)는 각 샘플들의 초기 방전곡선을 나타내며, 처음 3 사이클까지는 0.1 C rate의 형성 주기(formation cycle)이고, 4번째 사이클은 1 C rate에서의 사이클 결과를 나타낸다. (a)의 1st 사이클에서 pristine MnFe2O4의 경우 984/1405 mAhg-1의 충전/방전 용량을 보여준다. 첫 사이클에서 상대적으로 낮은 쿨롱효율을 보이는데 이는 도 7에서 첫 사이클의 CV 개형에서 확인한 바와 같이 MnFe2O4와 같은 전환 반응(conversion reaction)으로 구동되는 음극소재에서 흔히 나타나는 현상으로 SEI 층이 형성되는 과정이 포함되어 있고, 금속 상이 만들어진 이후 충전 과정에서 이들이 완전히 산화되지 않고, 일부 금속 상이 비가역적으로 남아있기 때문이다. 1 C에서의 4th 사이클에서 MnFe2O4는 본질적으로 낮은 전기전도성으로 인한 222/235 mAhg-1을 나타내며 이는 세 번째 사이클에서 보여주었던 1005/1049 mAhg-1 보다 현저하게 낮은 용량을 보여준다. (b)의 MnFe2O4@MWCNT 경우 778/1356 mAhg-1의 pristine MnFe2O4보다 낮은 초기 용량을 보여주지만 이후 1C에서의 사이클에서는 훨씬 더 높은 624/639 mAhg-1의 가역용량을 나타낸다. 무엇보다도 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 경우 MnFe2O4@MWCNT보다 모든 거듭되는 사이클에서 월등히 높은 989/1479, 968/1050 and 769/774 mAhg-1 용량값을 보여준다. 위에서 논의한 바와 같이 PDA-coated MWCNT는 전자 전도경로를 MnFe2O4 나노입자에 제공할 뿐만 아니라 높은 표면적을 갖는 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 1차원 동축 나노케이블 구조를 효과적으로 만들어준다. 얻어진 높은 표면적은 활성 사이트(active site)를 증가시켜주면서, 동일한 활물질의 양에 가역적으로 수용할 수 있는 Li의 양을 높여주어 MnFe2O4 음극의 이론용량을 최대로 끌어내게 된다.
In FIG. 8, initial charge/discharge cycling evaluation was performed for the reversible capacity at each voltage. (a)-(c) show the initial discharge curve of each sample, the formation cycle of 0.1 C rate up to the first 3 cycles, and the 4th cycle shows the cycle result at 1 C rate. In the case of pristine MnFe 2 O 4 in the 1st cycle of (a), the charge/discharge capacity of 984/1405 mAhg -1 is shown. It shows a relatively low Coulomb efficiency in the first cycle, which is a phenomenon commonly seen in cathode materials driven by a conversion reaction such as MnFe 2 O 4 as confirmed in the CV reformation of the first cycle in FIG. 7 and the SEI layer is formed. This is because a process is involved, and after the metal phase is made, they are not completely oxidized during the charging process, and some metal phases remain irreversible. In the 4th cycle at 1 C, MnFe 2 O 4 essentially shows 222/235 mAhg -1 due to its low electrical conductivity, which shows a significantly lower capacity than the 1005/1049 mAhg -1 shown in the third cycle. The MnFe 2 O 4 @MWCNT of (b) shows a lower initial capacity than the pristine MnFe 2 O 4 of 778/1356 mAhg -1 , but the reversible capacity of 624/639 mAhg -1 is much higher in the subsequent cycle at 1C. . Above all, MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT shows significantly higher capacity values of 989/1479, 968/1050 and 769/774 mAhg -1 in all cycles than MnFe 2 O 4 @MWCNT. As discussed above, PDA-coated MWCNTs not only provide electron conduction paths to MnFe 2 O 4 nanoparticles, but also effectively create a one-dimensional coaxial nanocable structure of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNTs having a high surface area. The obtained high surface area increases the active site, and increases the amount of Li that can be reversibly accommodated in the same amount of active material, thereby maximizing the theoretical capacity of the MnFe 2 O 4 negative electrode.

실험예 8: 율 특성 평가 및 장 수명 사이클 평가 도 9Experimental Example 8: Rate characteristic evaluation and long life cycle evaluation FIG. 9

도 9는 (a)에서 0.1 ~10 C에서 각 10 사이클씩 구동한 각 샘플에 대한 율 특성 평가 결과를 보여주며, 0.1 C에서 충전/방전 용량은 pristine MnFe2O4의 경우 가장 낮은 충/방전 속도인 0.1 C에서 몇 사이클 이후에 심각한 용량 감소가 발생하며, 1C 이후로 전지 구동에서 Li 저장에 기여를 거의 하지 못하는 ~100 mAhg-1를 보여준다. MnFe2O4@MWCNT의 경우, 이보다는 더 나은 율 특성을 보여주며 모든 C-rate에서 향상된 사이클링(cycling) 성능을 보여주는데, 이는 MWCNT에 의한 전기전도도 증가에서 유래된 것이다. 이는 5 C에서 229/232 mAhg-1 그리고 10 C에서 125/129 mAhg-1를 보여주고, 마지막 으로 용량이 회복되는 0.1 C 사이클에서 pristine MnFe2O4의 경우 심각한 전극 열화에 의해 282/295 mAhg-1만 회복되지만, MnFe2O4@MWCNT는 1008/1052 mAhg-1로 다시 회복되는 것을 볼 수 있다. 특히 MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 모든 C-rate에서 가장 높은 용량(capacity)을 나타내며 1C, 2C, 5C에서 779/787, 628/631, 367/371 mA h g-1의 가장 높게 향상된 율 특성을 나타내며, 심지어 10 C에서도 145.2/149.9 mAhg-1를 보이고, 0.1 C 사이클에서 1208/1237 mAhg-1로 회복된다. 따라서, MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 더 뛰어난 고속 충/방전 능력 보여주며 1차원 동축 나노 구조체로서 거듭되는 전환 반응(conversion reaction)에서 전극 열화를 효과적으로 경감시킨다. MnFe2O4@PDA-coated MWCNT는 또한 (b)와 같이 뛰어난 장 수명 성능을 보여주며, pristine MnFe2O4는 100 번째 사이클에서 심각한 용량 저하(capacity fading)를 보여주고, MnFe2O4@MWCNT의 경우에는 350번 째 cycle 이후 800 mAhg-1이하의 가역용량을 보여주는 반면, 1C(=917 mAg-1)에서 350 cycle 동안 1000 mAhg-1 이상의 가역용량이 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다. 흥미롭게도, MnFe2O4@PDA-coated MWCNT의 가역 용량은 350번째 사이클까지 1185/1192 mAhg-1까지 점차 증가하였다(초기용량 대비 53%). 게다가 이러한 현상은 (a)의 율 특성 평가 시 마지막 0.1 C에서의 리커버리 사이클(recovery cycling)에서도 발견된다. 이 현상은 이전 산화물계 음극 소재에 관한 보고들을 통해서 이미 확인된 바 있는데, 다음과 같은 원인들이 있다. 1) 매우 작은 20 nm 이하의 MnFe2O4 나노입자들은 초기 전환 반응(conversion reaction)에 해당하는 활성(activation) 과정 중에 재배열되면서 Li의 활성 사이트(active site)를 지속적으로 늘려주게 된다. 2) 전환 반응 시에 MnFe2O4 표면에서는 전해질 분해반응으로 고분자/겔 형태의 층이 형성되기 쉬운데, 이는 오히려 이온 전도에 영향 없이 활물질간의 그리고 MWCNT와의 기계적 접착을 증가시킨다. 마지막으로 3) 생성된 SEI 층(layer)의 구조에서 기인한 "슈도 용량(pseudo-capacitance)" 현상에 의해 추가적인 리튬 저장 사이트(site)가 발생하는 것이다.9 shows the rate characteristics evaluation results for each sample driven by 10 cycles each at 0.1 ~ 10 C in (a), the charge/discharge capacity at 0.1 C is the lowest charge/discharge in case of pristine MnFe 2 O 4 At a speed of 0.1 C, a significant decrease in capacity occurs after a few cycles, and shows ~100 mAhg -1 which hardly contributes to Li storage in battery operation after 1 C. In the case of MnFe 2 O 4 @MWCNT, it shows better rate characteristics and improved cycling performance at all C-rates, which is derived from the increase in electrical conductivity by MWCNT. This is the case in the 0.1 C cycle shown in the 125/129 229/232 mAhg -1 mAhg -1 and at 10 C 5 C, Finally, the recovery capacity of the pristine MnFe 2 O 4 282/295 by severe electrode degradation mAhg It can be seen that only -1 is recovered, but MnFe 2 O 4 @MWCNT recovers back to 1008/1052 mAhg -1 . In particular, MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT shows the highest capacity at all C-rates, and the highest improvement of 779/787, 628/631, 367/371 mA h g-1 at 1C, 2C, and 5C. It represents the rate characteristic, even in the 10 C shows a 145.2 / 149.9 mAhg -1, is recovered by 1208/1237 mAhg -1 at 0.1 C cycle. Therefore, MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT shows superior high-speed charge/discharge capability and effectively reduces electrode deterioration in repeated conversion reactions as a one-dimensional coaxial nanostructure. MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT also shows excellent long life performance as shown in (b), pristine MnFe 2 O 4 shows severe capacity fading at the 100th cycle, and MnFe 2 O 4 @ for MWCNT may notice that, while showing a reversible capacity of more than 350 after the second cycle time 800 mAhg -1, 1C (= 917 mAg -1) maintained well over 1000 mAhg -1 reversible capacity during the 350 cycle at. Interestingly, the reversible capacity of MnFe 2 O 4 @PDA-coated MWCNT gradually increased to 1185/1192 mAhg -1 by the 350th cycle (53% compared to the initial capacity). In addition, this phenomenon is also found in the recovery cycling at the last 0.1 C when evaluating the rate characteristics in (a). This phenomenon has already been confirmed through previous reports on oxide-based anode materials, and the causes are as follows. 1) Very small MnFe 2 O 4 nanoparticles of less than 20 nm are rearranged during the activation process corresponding to the initial conversion reaction, thereby continuously increasing the active site of Li. 2) During the conversion reaction, a polymer/gel-like layer is easily formed on the surface of MnFe 2 O 4 due to the electrolytic decomposition reaction, which rather increases the mechanical adhesion between active materials and MWCNT without affecting ion conduction. Finally, 3) an additional lithium storage site is generated due to a "pseudo-capacitance" phenomenon resulting from the structure of the generated SEI layer.

Claims (12)

폴리도파민이 코팅된 다중벽 탄소 나노튜브 중심축; 및 상기 중심축의 외피 형태로 조립되는 금속 산화물;을 포함하는 동축 나노케이블 구조의 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 있어서,
(A) 폴리도파민이 코팅된 다중벽 탄소 나노튜브를 제조하는 단계; 및
(B) 상기 폴리도파민이 코팅된 다중벽 탄소 나노튜브와 금속 산화물 전구체를 혼합하여 반응시킴으로써 상기 다중벽 탄소 나노튜브의 외피에 금속 산화물이 조립되는 단계;를 포함하고,
상기 (A) 단계는
(A1) 다중벽 탄소 나노튜브를 도파민 전구체 용액에 투입하고 분산시켜 분산액을 제조하는 단계; 및
(A2) 상기 분산액의 pH를 7.5 내지 9.5로 조절한 후 1 내지 20 시간 동안 교반하여 산화 및 자가 중합 반응에 따라 상기 다중벽 탄소 나노튜브에 폴리도파민이 코팅되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
Poly-dopamine-coated multi-walled carbon nanotube central axis; In the method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a coaxial nanocable structure comprising; and a metal oxide assembled in the form of an outer shell of the central axis,
(A) preparing a multi-walled carbon nanotube coated with polydopamine; And
(B) mixing and reacting the multi-walled carbon nanotubes coated with the polydopamine and a metal oxide precursor, thereby assembling a metal oxide on the shell of the multi-walled carbon nanotubes; including,
Step (A)
(A1) adding and dispersing multi-walled carbon nanotubes into a dopamine precursor solution to prepare a dispersion; And
(A2) adjusting the pH of the dispersion to 7.5 to 9.5 and then stirring for 1 to 20 hours to coat polydopamine on the multi-walled carbon nanotubes according to oxidation and self-polymerization reactions; characterized in that it comprises: Method for producing a negative active material for a lithium secondary battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (A1) 단계는 다중벽 탄소 나노튜브와 도파민 전구체를 1 : 0.01 내지 0.5의 중량 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The step (A1) is a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that mixing the multi-walled carbon nanotubes and the dopamine precursor in a weight ratio of 1: 0.01 to 0.5.
제1항에 있어서,
상기 (B) 단계는
(B1) 상기 폴리도파민이 코팅된 다중벽 탄소 나노튜브와 금속 산화물 전구체를 혼합하는 단계;
(B2) 상기 혼합된 혼합물을 60 내지 80 ℃의 온도로 승온시켜 pH를 9 내지 11로 조절하는 단계; 및
(B3) 상기 pH가 조절된 혼합물을 80 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
Step (B)
(B1) mixing the multi-walled carbon nanotubes coated with the polydopamine and a metal oxide precursor;
(B2) adjusting the pH to 9 to 11 by raising the temperature of the mixed mixture to a temperature of 60 to 80 ℃; And
(B3) reacting the pH-adjusted mixture at a temperature of 80 to 100° C. for 1 to 5 hours; a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery comprising:
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물은 MFe2O4이고,
상기 M은 망간, 코발트, 니켈, 아연, 구리, 마그네슘 및 칼슘 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal oxide is MFe 2 O 4 ,
The M is manganese, cobalt, nickel, zinc, copper, magnesium and calcium, characterized in that any one selected from the method for producing a negative active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물의 나노입자 크기는 직경이 10 내지 20 nm이며,
상기 금속 산화물은 음극 활물질의 총 중량에 대하여 85 내지 90 wt%로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The nanoparticle size of the metal oxide is 10 to 20 nm in diameter,
The method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery, wherein the metal oxide is included in an amount of 85 to 90 wt% based on the total weight of the negative active material.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체는 Mn(NO3)2·4H2O, Fe(NO3)3·9H2O, MnSO4·H2O, FeSO4·7H2O, Mn(CH3CO2)2·4H2O 및 Fe(CH3CO2)2 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal oxide precursor is Mn(NO 3 ) 2 ·4H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, MnSO 4 ·H 2 O, FeSO 4 ·7H 2 O, Mn(CH 3 CO 2 ) 2 · 4H 2 O and Fe (CH 3 CO 2 ) 2 Method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that at least one selected from.
제1항에 있어서,
상기 도파민 전구체는 Dopamine hydrochloride, Dopamine-1,1,2,2-d4 hydrochloride, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The dopamine precursor is a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that Dopamine hydrochloride, Dopamine-1,1,2,2-d4 hydrochloride, or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 폴리도파민은 다중벽 탄소 나노튜브의 표면에 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The polydopamine is a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that the coating to a thickness of 1 to 5 nm on the surface of the multi-walled carbon nanotube.
제1항, 제3항, 제4항, 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법을 통해 제조된 리튬 이차전지용 음극 활물질.
A negative active material for a lithium secondary battery prepared through the manufacturing method of any one of claims 1, 3, 4, and 6 to 10.
제1항, 제3항, 제4항, 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법을 통해 제조된 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지.
A lithium secondary battery comprising a negative active material prepared through the manufacturing method of any one of claims 1, 3, 4, and 6 to 10.
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KR101876801B1 (en) * 2018-02-06 2018-07-11 한밭대학교 산학협력단 Powder comprising surface coating layer, Electrode using the same and Manufacturing method thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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