KR102144326B1 - Active material for secondary battery, Method for preparing the same, and Secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지용 활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery including an active material for a secondary battery.
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 사용 가능할 것으로 예측되고 있어, 그 수요가 증대될 것으로 예상된다.Secondary battery refers to a battery that can be used repeatedly because it can be charged as well as discharge. In a typical lithium secondary battery among secondary batteries, lithium ions contained in the positive electrode active material are transferred to the negative electrode through the electrolyte, and then inserted into the layered structure of the negative electrode active material (charging), and then the lithium ions inserted into the layered structure of the negative electrode active material are again It works through the principle of returning to the anode (discharge). These lithium secondary batteries are currently commercialized and used as small power sources such as mobile phones and notebook computers, and are predicted to be usable as large power sources such as hybrid vehicles, and their demand is expected to increase.
그러나, 리튬 이차전지에서 양극 활물질로서 주로 사용되는 복합금속산화물은 리튬 등의 희소 금속 원소를 포함하고 있어, 자원의 한정적이고 편재된 매장량에 비추어 자원의 공급에 한계에 다다르게 될 염려가 있으며, 폭발적인 수요증대에 부응하지 못할 염려가 있다. However, the composite metal oxide, which is mainly used as a positive electrode active material in lithium secondary batteries, contains rare metal elements such as lithium, and thus there is a fear that the supply of resources will be limited in light of the limited and ubiquitous reserves of resources. There is a fear of not being able to respond to the increase.
이에 따라, 리튬 뿐만 아니라 나트륨을 양극 활물질로 사용하는 나트륨 이차전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 나트륨의 경우 공급량이 풍부하고 낮은 가격대를 형성하고 있기 때문이다. 특히, 기존의 리튬 이차전지 시스템에서 단순히 리튬을 나트륨으로 대체하여 리튬 이차전지와 유사한 성능을 구현하고자 하는 노력이 지속되고 있다. 따라서, 전극에서 나트륨 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalation) 기반의 전극 활물질에 대한 연구가 많이 진행되었다. 그러나, 나트륨 이온은 리튬 이온보다 상대적으로 큰 이온 반경을 가지고 있어, 구조 내로 삽입, 외부로의 탈리 및 구조 내에서의 이온 확산도가 떨어져 충방전 성능이 저하되는 단점을 가지고 있다. 따라서, 낮은 가격의 이점에도 불구하고, 삽입 및 탈리 기반의 나트륨 전극 활물질의 재료들은 높은 용량 및 에너지 밀도 특성을 갖는 이차전지를 제조하는 데 한계가 있었다.Accordingly, studies on sodium secondary batteries using sodium as well as lithium as a positive electrode active material are being conducted. This is because the supply of sodium is abundant and the price is low. In particular, efforts to implement similar performance to lithium secondary batteries by simply replacing lithium with sodium in the existing lithium secondary battery system are continuing. Therefore, many studies have been conducted on electrode active materials based on intercalation and deintercalation of sodium ions in the electrode. However, sodium ions have a relatively larger ionic radius than lithium ions, and thus have a disadvantage in that charging/discharging performance is deteriorated due to poor insertion into the structure, desorption to the outside, and diffusivity of ions within the structure. Therefore, despite the advantage of low price, the materials of the sodium electrode active material based on insertion and removal have limitations in manufacturing a secondary battery having high capacity and energy density characteristics.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 컨버전 반응 기반의 이차전지용 활물질 및 이를 이용하여 전기화학적 특성이 개선된 이차전지를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an active material for a secondary battery based on a conversion reaction and a secondary battery with improved electrochemical properties using the same.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 실시예는 이차전지용 활물질을 제공한다. 상기 이차전지용 활물질은 화학식 1로 나타내어지는 것일 수 있다.In order to achieve the technical problem, an embodiment of the present invention provides an active material for a secondary battery. The active material for a secondary battery may be represented by Chemical Formula 1.
상기 화학식 1로 나타내어지는 이차전지용 활물질은 하기 화학식 2일 수 있다.The active material for a secondary battery represented by Formula 1 may be Formula 2 below.
상기 화학식 1의 M은 리튬(Li) 또는 나트륨(Na)일 수 있다.M in Formula 1 may be lithium (Li) or sodium (Na).
상기 화학식 1의 SxOy는 황 산소산음이온(sulfur oxyanions)으로 -2의 전하를갖는 음이온일 수 있다.S x O y in Formula 1 may be an anion having a charge of -2 as sulfur oxyanions.
상기 황 산소산음이온은 SO3 2-(sulfite), SO4 2-(sulfate), S2O3 2-(thiosulfate), S2O4 2-(dithionite), S2O5 2-(disulfite), S2O6 2-(dithionate), S2O7 2-(disulfate), S2O8 2-(peroxydisulfate) 또는 S4O6 2-(tetrathionate)일 수 있다.The sulfur oxygenate anion is SO 3 2- (sulfite), SO 4 2- (sulfate), S 2 O 3 2- (thiosulfate), S 2 O 4 2- (dithionite), S 2 O 5 2- (disulfite) , S 2 O 6 2- (dithionate), S 2 O 7 2- (disulfate), S 2 O 8 2- (peroxydisulfate) or S 4 O 6 2- (tetrathionate).
상기 이차전지용 활물질의 입자 크기가 나노 크기일 수 있다.The particle size of the active material for a secondary battery may be a nano size.
기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 실시예는 이차전지용 전극의 제조방법을 제공한다. 상기 이차전지용 전극의 제조방법은 황 산소산음이온을 포함하는 이차전지용 활물질과 도전재를 혼합하는 단계, 상기 이차전지용 활물질-도전재 복합체를 밀링 공정으로 분쇄 및 혼합하는 단계, 상기 복합체, 결합제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계 및 상기 슬러리를 집전체에 도포 및 건조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In order to achieve the technical problem, another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing an electrode for a secondary battery. The method of manufacturing an electrode for a secondary battery includes mixing an active material for a secondary battery containing sulfur oxyacid anion and a conductive material, grinding and mixing the active material-conductive material composite for secondary batteries by a milling process, and mixing the composite and a binder. It may include preparing a slurry and applying and drying the slurry to a current collector.
상기 황 산소산음이온을 포함하는 이차전지용 활물질은 하기 화학식 1로 나타내어지는 이차전지용 활물질을 포함할 수 있다.The active material for a secondary battery including the sulfur oxygen anion may include an active material for a secondary battery represented by Formula 1 below.
상기 밀링 공정은 고에너지 볼밀(high energy ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼밀(stirred ball mill) 또는 진동밀(vibrating mill)일 수 있다.The milling process may be a high energy ball mill, a planetary mill, a stirred ball mill, or a vibrating mill.
상기 밀링 공정은 400 내지 800rpm의 속도로 실시하는 것일 수 있다.The milling process may be performed at a speed of 400 to 800 rpm.
상기 밀링 공정은 10시간 내지 24시간 동안 실시하는 것일 수 있다.The milling process may be performed for 10 to 24 hours.
기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 하기 화학식 1로 나타내어지는 이차전지용 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 함유하는 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함할 수 있다.In order to achieve the technical problem, another embodiment of the present invention provides a secondary battery. The secondary battery may include a positive electrode including an active material for a secondary battery represented by Formula 1 below, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 이차전지용 활물질 및 이를 포함하는 이차전지는 컨버젼 반응 기반을 이용하면서도 고용량 및 고에너지 밀도 특성을 가질 수 있다.As described above, the active material for a secondary battery and a secondary battery including the same according to the present invention may have high capacity and high energy density characteristics while using a conversion reaction base.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타낸 개략도이다.
도 2는 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 C-rate에 따른 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 전류 충방전 속도 C/50-rate에서 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 사이클 휫수에 따른 충방전용량 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 이차전지 비교예에 따라 제조된 이차전지의 C-rate에 따른 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 사이클 휫수에 따른 충방전용량을 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing charge and discharge characteristics according to C-rate of a secondary battery manufactured according to a secondary battery manufacturing example.
3 is a graph showing charge/discharge characteristics of a secondary battery manufactured according to a secondary battery manufacturing example at a current charge/discharge rate C/50-rate.
4 is a graph showing charge/discharge capacity and Coulomb efficiency according to the number of cycles of a secondary battery manufactured according to a secondary battery manufacturing example.
5 is a graph showing charge/discharge characteristics according to C-rate of a secondary battery manufactured according to Comparative Example of a secondary battery.
6 is a graph showing charge and discharge capacity according to the number of cycles of a secondary battery manufactured according to the secondary battery manufacturing example.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood as including all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, in order to facilitate an overall understanding, the same reference numerals are used for the same elements in the drawings, and duplicate descriptions for the same elements are omitted.
이차전지용 활물질Active material for secondary battery
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 활물질은 하기 화학식 1로 나타내어진다.The active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention is represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
MaCuSxOyFb M a CuS x O y F b
상기 화학식 1에서, M은 1족 알칼리 금속일 수 있으며, 예를 들어, 리튬(Li) 또는 나트륨(Na)일 수 있다. a 및 b는 각각 독립적으로 0 또는 1일 수 있다. x는 1 내지 5의 정수일 수 있으며, 일 예로서, 1, 2, 3 또는 4일 수 있다. y는 2 내지 9의 정수일 수 있으며, 일 예로서, 2, 3, 4, 5, 6, 7 또는 8일 수 있다. SxOy는 황 산소산음이온(sulfur oxyanions)으로, -2의 전하를 갖는 음이온일 수 있다. 일 예로서, SO3 2-(sulfite), SO4 2-(sulfate), S2O3 2-(thiosulfate), S2O4 2-(dithionite), S2O5 2-(disulfite), S2O6 2-(dithionate), S2O7 2-(disulfate), S2O8 2-(peroxydisulfate), S4O6 2-(tetrathionate)일 수 있다. In Formula 1, M may be a Group 1 alkali metal, for example, lithium (Li) or sodium (Na). a and b may each independently be 0 or 1. x may be an integer of 1 to 5, and as an example, may be 1, 2, 3, or 4. y may be an integer of 2 to 9, and as an example, it may be 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8. S x O y is sulfur oxyanions, and may be an anion having a charge of -2. As an example, SO 3 2- (sulfite), SO 4 2- (sulfate), S 2 O 3 2- (thiosulfate), S 2 O 4 2- (dithionite), S 2 O 5 2- (disulfite), It may be S 2 O 6 2- (dithionate), S 2 O 7 2- (disulfate), S 2 O 8 2- (peroxydisulfate), S 4 O 6 2- (tetrathionate).
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 1로 나타낸 이차전지용 활물질은 전기 음성도가 높은 원소인 F를 포함함에 따라, 유발 효과(inductive effect)를 극대화시킬 수 있다. 따라서, 컨버전 반응 기반의 이차 전지는 낮은 산화-환원 전위를 극복할 수 있어, 상기 알칼리 금속 활물질을 포함하는 이차전지는 높은 작동 전압을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the active material for a secondary battery represented by Formula 1 contains F, which is an element having a high electronegativity, an inductive effect can be maximized. Accordingly, the conversion reaction-based secondary battery can overcome a low oxidation-reduction potential, and thus the secondary battery including the alkali metal active material can have a high operating voltage.
일 예에서, 상기 이차전지용 활물질은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.In one example, the active material for a secondary battery may be represented by Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
MaCuSxOy M a CuS x O y
상기 화학식 2에서, M은 1족 알칼리 금속일 수 있으며, 예를 들어, 리튬(Li) 또는 나트륨(Na)일 수 있다. a는 0 또는 1일 수 있다. x는 1 내지 5의 정수일 수 있으며, 일 예로서, 1, 2, 3 또는 4일 수 있다. y는 2 내지 9의 정수일 수 있으며, 일 예로서, 2, 3, 4, 5, 6, 7 또는 8일 수 있다. SxOy는 황 산소산음이온(sulfur oxyanions)으로, -2의 전하를 갖는 음이온일 수 있다. 일 예로서, SO3 2-(sulfite), SO4 2-(sulfate), S2O3 2-(thiosulfate), S2O4 2-(dithionite), S2O5 2-(disulfite), S2O6 2-(dithionate), S2O7 2-(disulfate), S2O8 2-(peroxydisulfate) 또는 S4O6 2-(tetrathionate)일 수 있다.In
더욱 구체적으로, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 3으로 나타낼 수 있다.More specifically, the positive active material may be represented by
[화학식 3][Chemical Formula 3]
MaCuSO4 M a CuSO 4
상기 화학식 3에서, M은 1족 알칼리 금속일 수 있으며, 예를 들어, 리튬(Li) 또는 나트륨(Na)일 수 있다. a는 0 또는 1일 수 있다.In
위에서 설명한 이차전지용 활물질은 양극 활물질로 이용될 수 있으며, 음극 활물질로 이용될 수도 있다.The active material for a secondary battery described above may be used as a positive active material, or may be used as a negative active material.
아래에서는 상기 양극 활물질을 적용할 수 있는 이차 전지에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a secondary battery to which the positive active material can be applied will be described.
이차전지Secondary battery
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 음극 활물질을 함유하는 음극 활물질층(120), 양극 활물질을 함유하는 양극 활물질층(140) 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터(130)를 포함한다. 음극 활물질층(120)과 세퍼레이터(130) 사이 및 양극 활물질층(140)과 세퍼레이터(130) 사이에는 전해질(160)이 배치 또는 충전될 수 있다. 음극 활물질층(120)은 음극 집전체(110) 상에 배치될 수 있고, 양극 활물질층(140)은 양극 집전체(150) 상에 배치될 수 있다.Referring to FIG. 1, the
<양극><Anode>
양극은 위에서 설명한 이차전지용 활물질, 도전재 및 결합제를 혼합하여 양극 재료를 얻어 제조되는 것일 수 있다.The positive electrode may be prepared by mixing the active material for a secondary battery, a conductive material, and a binder described above to obtain a positive electrode material.
우선. 황 산소산음이온을 포함하는 이차전지용 활물질과 도전재를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 이차전지용 활물질-도전재 복합체를 얻을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 황 산소산음이온을 포함하는 이차전지용 활물질은 하기 화학식 1로 나타내어진다.priority. It may include mixing an active material for a secondary battery including a sulfur oxyacid anion and a conductive material. Accordingly, an active material for a secondary battery-conductive material composite can be obtained. According to an embodiment of the present invention, an active material for a secondary battery containing sulfur oxyacid anion is represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
MaCuSxOyFb M a CuS x O y F b
또한, 일 예에서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 나타낼 수 있다.In addition, in an example, the positive electrode active material may be represented by the following
[화학식 2][Formula 2]
MaCuSxOy M a CuS x O y
[화학식 3][Chemical Formula 3]
MaCuSO4 M a CuSO 4
이 때, 상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3에서 M, a, x, y 및/또는 b는 상기 이차전지용 활물질에서 설명한 바와 같다.At this time, in
도전재는 전극에 도전성을 향상시키기 위하여 이용되는 것으로, 본 발명에 따라 구성되는 이차전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성의 특성을 부여할 수 있는 재료이면 사용가능하다. 바람직하게는 흑연계 물질, 카본계 물질, 금속계 또는 금속 화합물계 물질 및 전도성 고분자 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 흑연계 물질의 일 예로서, 인조 흑연 또는 천연 흑연일 수 있다. 상기 카본계 물질의 일 예로서, Super P carbon black, 케첸 블랙(Ketjen black). 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등 일 수 있다. 상기 금속계 또는 금속 화합물계 물질로는 산화주석, 인산주석, 산화티타늄 또는 페로브스카이트 물질 일 수 있다. 또한, 도전재의 물질은 이에 한정되는 것이 아니다. 이 때, 도전재의 함량은 적절하게 조절하여 사용할 수 있으며, 일 예로서 도전재는 양극 활물질 100 중량부에 대해 10 내지 30 중량부로 함유되는 것일 수 있다.The conductive material is used to improve the conductivity of the electrode, and any material capable of imparting electronic conductivity properties without causing chemical changes in the secondary battery constructed according to the present invention may be used. Preferably, it may include one or a mixture of two or more selected from graphite-based materials, carbon-based materials, metal-based or metal compound-based materials, and conductive polymers. As an example of the graphite-based material, artificial graphite or natural graphite may be used. As an example of the carbon-based material, Super P carbon black, Ketjen black. It may be Denka black, acetylene black, carbon black, or the like. The metal-based or metal-compound-based material may be tin oxide, tin phosphate, titanium oxide, or perovskite material. In addition, the material of the conductive material is not limited thereto. In this case, the content of the conductive material may be appropriately adjusted and used, and as an example, the conductive material may be contained in an amount of 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
상기에서 얻어진 이차전지용 활물질-도전재 복합체를 밀링 공정으로 분쇄 및 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 밀링 공정은 고에너지 볼밀(high energy ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼밀(stirred ball mill) 또는 진동밀(vibrating mill)으로 실시하는 것일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 통상적으로 이용되는 밀링 장치 또는 밀링법을 이용할 수 있다.It may include the step of pulverizing and mixing the obtained active material for secondary battery-conductive material composite through a milling process. The milling process may be performed by a high energy ball mill, a planetary mill, a stirred ball mill, or a vibrating mill, but is not limited thereto and is generally used. A milling device or a milling method can be used.
상기 밀링 공정은 400 내지 800rpm의 속도로 실시할 수 있으며, 10시간 내지 24시간 동안 이루어질 수 있다. 일 예로서, 500 내지 700rpm의 속도에서, 12시간 내지 20시간 동안 이루어지는 것일 수 있다. 상기 혼합 공정 속도 및 시간에 해당하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 평균 입자 크기가 컨버전 반응을 빠르게 수행할 수 있을 정도로 나노 입자화될 수 있다.The milling process may be performed at a speed of 400 to 800 rpm, and may be performed for 10 to 24 hours. As an example, it may be performed for 12 hours to 20 hours at a speed of 500 to 700 rpm. In the case of the mixing process speed and time, the average particle size of the positive electrode active material according to the exemplary embodiment of the present invention may be nanoparticles so that the conversion reaction can be performed quickly.
이차전지용 활물질-도전재 복합체는 밀링 공정을 통해 나노 입자화됨으로써, 양극 활물질-도전재 복합체의 입자 크기가 나노 크기를 가짐에 따라 입자의 표면적이 증대될 수 있다. 따라서, 이에 따른 양극 활물질-도전재 복합체 입자는 이차전지 내에서 빠른 컨버전 반응을 유도하여 이차전지의 전기화학적 성능을 극대화시킬 수 있다.The active material-conductive material composite for a secondary battery is made into nanoparticles through a milling process, so that the surface area of the particles may increase as the particle size of the positive electrode active material-conductive material composite has a nano size. Accordingly, the positive electrode active material-conductive material composite particles accordingly induce a rapid conversion reaction in the secondary battery, thereby maximizing the electrochemical performance of the secondary battery.
결합제는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다. 결합제는 상기 양극활물질 100 중량부에 대해 2 내지 9 중량부로 함유되는 것일 수 있다.The binder is a thermoplastic resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene, vinylidene fluoride copolymer, fluorine resin such as propylene hexafluoride, and/or polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene. Can include. The binder may be contained in an amount of 2 to 9 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
상기에 따라 얻어진 이차전지용 활물질-도전재 복합체와 결합제를 용매에 녹여 슬러리를 제조할 수 있다. 얻어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포하여 양극을 형성할 수 있다. 양극 집전체는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 스테인레스스틸(SUS), 몰리브데늄(Mo) 등의 도전체일 수 있다. 슬러리를 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.A slurry may be prepared by dissolving the obtained active material-conductive material composite and a binder in a solvent. The resulting slurry can be applied on a positive electrode current collector to form a positive electrode. The positive electrode current collector may be a conductor such as aluminum (Al), nickel (Ni), stainless steel (SUS), or molybdenum (Mo). Applying the slurry on the positive electrode current collector may be a method of forming a paste using pressure molding or an organic solvent, and then applying the paste on the current collector and pressing to fix it. Examples of the organic solvent include amines such as N,N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; Ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; Ketone systems such as methyl ethyl ketone; Esters such as methyl acetate; It may be an aprotic polar solvent such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Applying the paste onto the positive electrode current collector may be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, or a spray coating method.
<음극><cathode>
음극 활물질은 컨버전(conversion) 반응을 일으킬 수 있는 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 금속 불화물, 금속 황화물, 및 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료 등을 사용하여 형성할 수도 있다. The negative electrode active material is a metal that can cause a conversion reaction, a metal alloy, a metal oxide, a metal fluoride, a metal sulfide, and a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, carbon nanotubes, graphene, etc. It can also be formed using.
음극 활물질, 도전재 및 결합제를 혼합하여 음극 재료를 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.A negative electrode material can be obtained by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder. In this case, the conductive material may be a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, carbon nanotubes, and graphene. The binder is a thermoplastic resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene, vinylidene fluoride copolymer, fluorine resin such as propylene hexafluoride, and/or polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene. Can include.
음극 재료를 음극 집전체 상에 도포하여 음극을 형성할 수 있다. 음극 집전체는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 스테인레스스틸(SUS), 몰리브데늄(Mo) 등의 도전체일 수 있다. 음극 재료를 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.A negative electrode material can be applied on the negative electrode current collector to form a negative electrode. The negative electrode current collector may be a conductor such as aluminum (Al), nickel (Ni), stainless steel (SUS), and molybdenum (Mo). Applying the negative electrode material on the positive electrode current collector may be performed by pressure molding or a method of making a paste using an organic solvent, etc., and then applying the paste onto the current collector and pressing to fix it. Examples of the organic solvent include amines such as N,N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; Ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; Ketone systems such as methyl ethyl ketone; Esters such as methyl acetate; It may be an aprotic polar solvent such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Applying the paste onto the negative electrode current collector may be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, or a spray coating method.
<전해질><Electrolyte>
전해질은 알칼리 금속염을 함유하는 것일 수 있다. 알칼리 금속염은 MClO4, MPF6, MAsF6, MSbF6, MBF4, MCF3SO3, MN(SO2CF3)2, 저급 지방족 카르복실산알칼리금속염, MAlCl4 등일 수 있고, 여기서 M은 알칼리 금속으로 리튬(Li) 또는 나트륨(Na)일 수 있다. 또한, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. 이들 중에서도 불소를 포함하는 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 전해질을 유기 용매에 용해시켜 비수 전해액으로서 이용할 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 electrolyte may contain an alkali metal salt. The alkali metal salt may be MClO 4 , MPF 6 , MAsF 6 , MSbF 6 , MBF 4 , MCF 3 SO 3 , MN(SO 2 CF 3 ) 2 , lower aliphatic carboxylic acid alkali metal salt, MAlCl 4, etc., where M is an alkali The metal may be lithium (Li) or sodium (Na). Further, a mixture of two or more of these may be used. Among these, it is preferable to use an electrolyte containing fluorine. Further, the electrolyte can be dissolved in an organic solvent and used as a non-aqueous electrolyte. As the organic solvent, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, 4- Carbonates such as 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-propane sultone; Alternatively, a fluorine substituent may be further introduced into the organic solvent described above.
이와는 달리, 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 고체 전해질로는 폴리에틸렌옥시드계의 고분자 화합물, 폴리오르가노실록산쇄 또는 폴리옥시알킬렌쇄 중 적어도 1종 이상을 포함하는 고분자 화합물 등의 유기계 고체 전해질일 수 있다. 또한, 고분자 화합물에 비수 전해액을 담지한, 이른바 겔 타입의 전해질을 이용할 수도 있다. 한편, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염, Na2S-SiS2, Na2S-GeS2, NaTi2(PO4)3, NaFe2(PO4)3, Na2(SO4)3, Fe2(SO4)2(PO4), Fe2(MoO4)3 등의 무기계 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 이들 고체 전해질을 이용하여 이차 전지의 안전성을 보다 높일 수 있는 경우가 있다. 또한, 고체 전해질이 후술하는 세퍼레이터의 역할을 하는 경우도 있고, 그 경우에는 세퍼레이터를 필요로 하지 않는 경우도 있다.Alternatively, a solid electrolyte may be used. The solid electrolyte may be an organic solid electrolyte such as a polyethylene oxide polymer compound, a polymer compound including at least one of a polyorganosiloxane chain, or a polyoxyalkylene chain. In addition, a so-called gel-type electrolyte in which a non-aqueous electrolyte is supported on a polymer compound can also be used. Meanwhile, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 Li nitride, halide, sulfate, Na 2 S-SiS 2 , Na 2 S-GeS 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 , NaFe 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 (SO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 2 (PO 4 ), Fe 2 (MoO 4 ) 3 It is also possible to use an inorganic solid electrolyte. In some cases, the safety of the secondary battery can be further improved by using these solid electrolytes. In addition, the solid electrolyte may serve as a separator to be described later, and in that case, a separator may not be required.
<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. 세퍼레이터의 두께는, 일반적으로 5 내지 200 ㎛ 정도일 수 있고, 더 구체적으로는 5 내지 40 ㎛일 수 있다.A separator may be disposed between the anode and the cathode. Such a separator may be a material having a form such as a porous film, a nonwoven fabric, or a woven fabric made of a material such as a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluorine resin, or a nitrogen-containing aromatic polymer. The thickness of the separator is preferably thinner as long as the mechanical strength is maintained from the viewpoint of increasing the bulk energy density of the battery and decreasing the internal resistance. The thickness of the separator may be generally 5 to 200 μm, and more specifically 5 to 40 μm.
< 이차 전지의 제조 방법><Method of manufacturing secondary battery>
양극, 세퍼레이터, 및 음극을 순서대로 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하고, 전극군에 비수전해액을 함침시킴으로써 나트륨 이차 전지를 제조할 수 있다. 이와는 달리, 양극, 고체 전해질, 및 음극을 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하여 나트륨 이차 전지를 제조할 수 있다.After forming an electrode group by sequentially stacking a positive electrode, a separator, and a negative electrode, if necessary, the electrode group is rolled up and stored in a battery can, and a sodium secondary battery can be manufactured by impregnating the electrode group with a nonaqueous electrolyte. On the contrary, after forming an electrode group by stacking a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, if necessary, the electrode group may be rolled up and stored in a battery can to manufacture a sodium secondary battery.
본 발명에 따른 이차전지의 경우, 충방전시 알칼리 금속 이온이 구조 자체와 반응하는 컨버전 반응(conversion reaction) 기반으로 진행되는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 이차전지용 활물질은 방전시 금속인 Cu0와 알칼리 금속염으로 전환될 수 있으며, 충전시 다시 가역적으로 이차전지용 활물질로 전환되는 것일 수 있다.In the case of the secondary battery according to the present invention, it may be performed based on a conversion reaction in which alkali metal ions react with the structure itself during charging and discharging. The active material for a secondary battery according to the present invention may be converted into a metal Cu 0 and an alkali metal salt upon discharge, and may be reversibly converted into an active material for a secondary battery upon charging.
상기의 일 실시예에 따른 화학식 1의 이차전지용 활물질이 충방전 진행에 따라 하기의 반응식 1과 같이 컨버전 반응을 진행하는 것일 수 있다.According to the charging and discharging of the active material for a secondary battery of Formula 1 according to the above embodiment, a conversion reaction may be performed as shown in Reaction Formula 1 below.
[반응식 1][Scheme 1]
MaCuSxOyFb + zM+ + 2e ↔ Cu + M2SxOy + bMFM a CuS x O y F b + zM + + 2e ↔ Cu + M 2 S x O y + bMF
이 때, 상기 반응식 1에서 M, a, x, y 및 b는 상기 이차전지용 활물질에서 설명한 바와 같으며, z는 화학양론을 맞추기 위한 계수이다.At this time, in Reaction Formula 1, M, a, x, y, and b are the same as described for the active material for a secondary battery, and z is a coefficient for matching the stoichiometry.
상기에서 설명한 바와 같이, 컨버전 반응 기반의 이차전지용 활물질의 경우 삽입 및 탈리 기반의 이차전지용 활물질에 비하여 더 많은 알칼리 금속을 저장할 수 있는 이점이 존재할 수 있다. As described above, in the case of an active material for a secondary battery based on a conversion reaction, there may be an advantage of storing more alkali metals than an active material for a secondary battery based on insertion and removal.
한편, 컨버전 반응 기반의 전극에서는 알칼리 금속과의 화학적 결합으로 인해 구조의 재배열 및 분해가 반복되므로, 보다 용이한 충방전을 위해서는 입자의 표면적을 증대시키는 것이 중요할 수 있다. 이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 활물질은 이차전지용 활물질-도전재 복합체의 밀링 공정을 통하여 나노 입자화 과정을 거쳐, 활물질 입자의 표면적을 증대시킬 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 이차전지는 우수한 특성을 구현할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 이차전지는 높은 작동 전압을 가질 수 있으므로, 삽입 및 탈리 기반의 이차전지에 비하여 고에너지 밀도를 가지는 이차전지를 얻을 수 있다.On the other hand, in the conversion reaction-based electrode, since rearrangement and decomposition of the structure are repeated due to chemical bonding with an alkali metal, it may be important to increase the surface area of the particles for easier charging and discharging. In contrast, the active material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may increase the surface area of the active material particles through a nanoparticle process through the milling process of the secondary battery active material-conductive material composite. Therefore, the secondary battery including the same can implement excellent characteristics. That is, since the secondary battery according to the present invention can have a high operating voltage, it is possible to obtain a secondary battery having a high energy density compared to the insertion and removal-based secondary battery.
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, a preferred experimental example (example) is presented to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.
[실험예들; Examples][Experimental examples; Examples]
양극 제조예Anode Manufacturing Example
CuSO4·5H2O를 500℃로 열처리하여 건조 시켜, 하얀색에 가까운 회색 빛의 CuSO4 파우더를 얻었다. 얻어진 CuSO4 80wt%와 Super P carbon black 20wt%를 고에너지 볼밀 공정으로 분쇄 및 혼합하는 단계를 진행하였다. 볼밀은 500rpm에서 15시간 동안 질화물(nitride) 소재의 볼 및 용기에서 진행되었으며, 30개의 볼이 사용되었다. 이에 따라, N-CuSO4/C 파우더를 얻었다.CuSO 4· 5H 2 O was heat-treated at 500°C and dried to obtain a grayish CuSO 4 powder close to white color. The obtained CuSO 4 80wt% and Super P carbon black 20wt% were pulverized and mixed by a high energy ball mill process. The ball mill was carried out in a nitride ball and container for 15 hours at 500 rpm, and 30 balls were used. Accordingly, N-CuSO 4 /C powder was obtained.
상기 얻어진 파우더 90wt%와 polyvinylidene fluoride 10wt%를 유기 용매인 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP)에 녹여, 슬러리를 제조하였다. 얻어진 슬러리는 Al 호일에 닥터 블레이드를 이용하여 균일한 두께로 도포하고, 100℃의 오븐에서 12시간 동안 건조하여, N-CuSO4/C 양극을 제조하였다.90wt% of the obtained powder and 10wt% of polyvinylidene fluoride were dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), an organic solvent, to prepare a slurry. The resulting slurry was applied to an Al foil with a uniform thickness using a doctor blade, and dried in an oven at 100° C. for 12 hours to prepare an N-CuSO 4 /C positive electrode.
양극 비교예Anode Comparative Example
고에너지 볼밀을 진행하여 나노 입자화 과정을 거치는 것을 제외하고는 양극 활물질 제조예와 동일한 과정을 수행하여 pristine CuSO4 파우더를 얻어, pristine CuSO4 양극을 제조하였다.Except that which passes the high-nano particle formation process proceeds energy ball mill, and performs the same process as manufacturing the positive electrode active material obtained by examples for CuSO 4 pristine powder to prepare a pristine cathode CuSO 4.
이차전지 제조예Secondary battery manufacturing example
상기 양극 제조예에 따른 양극으로 이용하며, 아르곤 환경의 글로브 박스 내에서, 금속 나트륨을 음극으로 사용하였고, 유리 필터를 분리막으로 사용하여, 1M NaPF6 전해질과 유기 용매 EC;DMC:FEC(49:49:2의 vol.%)를 함유하는 전해액을 사용하여 R2032형 cell을 제작하였다.Used as a positive electrode according to the positive electrode preparation example, in a glove box in an argon environment, metal sodium was used as a negative electrode, and a glass filter was used as a separator, 1M NaPF 6 electrolyte and organic solvent EC; DMC:FEC (49: 49:2 vol.%) was used to prepare an R2032 type cell.
이차전지 비교예Comparative Example of Secondary Battery
상기 양극 제조예에 따른 N-CuSO4/C 양극 대신에 상기 양극 비교예에 따른 pristine CuSO4 양극을 사용한 것을 제외하고는 이차전지 제조예와 동일한 방법을 사용하여 이차전지를 제조하였다.A secondary battery was manufactured using the same method as the secondary battery manufacturing example, except that the pristine CuSO 4 positive electrode according to the positive electrode comparative example was used instead of the N-CuSO 4 /C positive electrode according to the positive electrode manufacturing example.
도 2는 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 C-rate에 따른 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 특히, 도 3은 전류 충방전 속도 C/50-rate에서 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 이 때, 30℃ 환경에서, 충전은 4.1V까지 행하였으며, 방전은 1.2V까지 이루어졌다.2 is a graph showing charge and discharge characteristics according to C-rate of a secondary battery manufactured according to a secondary battery manufacturing example. In particular, FIG. 3 is a graph showing charge/discharge characteristics of a secondary battery manufactured according to a secondary battery manufacturing example at a current charge/discharge rate C/50-rate. At this time, in a 30°C environment, charging was performed up to 4.1V, and discharge was performed up to 1.2V.
도 2 및 도 3을 참조하면, C/50-rate에서부터 10C-rate까지의 다양한 전류 충방전 속도에서 충방전을 실시함에 따라. 이차전지 제조예에 따른 이차전지의 평균적인 작동 전압은 3V로 나타났다. 이를 통해, 이차전지 제조예에 따른 이차전지는 우수한 에너지 밀도를 가질 수 있음을 알 수 있다. 특히, C/50-rate의 전류 충전시, 충전 용량이 325mA/g로 높은 용량을 가지며, 이는 이론 용량인 335mAh/g와 비교하여 91%에 도달하는 것임을 알 수 있다. 또한, 10C-rate 전류 충방전의 경우, 충방전 속도가 빠르게 진행됨에도 불구하고, 이차전지의 충방전 용량이 122mA/g로 유지되는 것으로 나타나는 것으로, 높은 전류에서도 우수한 충전속도 특성을 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 이차전지는 99% 이상의 높은 쿨롱 효율을 갖는 것임을 알 수 있다.2 and 3, as charging and discharging are performed at various current charging/discharging rates from C/50-rate to 10C-rate. The average operating voltage of the secondary battery according to the secondary battery manufacturing example was 3V. Through this, it can be seen that the secondary battery according to the secondary battery manufacturing example can have an excellent energy density. In particular, it can be seen that when charging C/50-rate current, the charging capacity has a high capacity of 325mA/g, which reaches 91% compared to the theoretical capacity of 335mAh/g. In addition, in the case of 10C-rate current charging and discharging, it appears that the charging/discharging capacity of the secondary battery is maintained at 122mA/g, despite the rapid charging and discharging speed, and it can be confirmed that the charging rate characteristics are excellent even at high currents. I can. In addition, it can be seen that the secondary battery has a high coulomb efficiency of 99% or more.
도 4는 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 사이클 휫수에 따른 충방전용량 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing charge/discharge capacity and Coulomb efficiency according to the number of cycles of a secondary battery manufactured according to a secondary battery manufacturing example.
자세하게는, 첫번째 사이클은 C/3-rate의 전류 충반전 속도에서 진행하였으며, 그 이후에는 1C-rate에서 사이클을 진행시켜 총 200사이클의 충방전을 실시한 결과를 측정한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 1C-rate에서 200 사이클의 충방전을 실시한 뒤의 용량은 127mAg/g를 나타내었다. 이는, 충방전 사이클 횟수가 200회가 진행된 경우에도, 초기 용량 대비 72%의 용량을 유지한 것으로, 본 발명의 이차전지 제조예에 따른 이차전지는 우수한 용량 유지율을 가지며 안정성이 뛰어난 것임을 알 수 있다. In detail, the first cycle was conducted at a current charge/discharge rate of C/3-rate, and after that, the cycle was conducted at 1 C-rate to measure the result of charging and discharging for a total of 200 cycles. Referring to FIG. 4, the capacity after 200 cycles of charging and discharging at 1 C-rate was 127 mAg/g. This means that even when the number of charge/discharge cycles is 200, the capacity of 72% of the initial capacity is maintained, and it can be seen that the secondary battery according to the secondary battery manufacturing example of the present invention has an excellent capacity retention rate and excellent stability. .
도 5는 이차전지 비교예에 따라 제조된 이차전지의 C-rate에 따른 충방전 특성을 나타낸 그래프이며, 도 6은 이차전지 제조예에 따라 제조된 이차전지의 사이클 휫수에 따른 충방전용량을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing charge/discharge characteristics according to C-rate of a secondary battery manufactured according to a secondary battery comparative example, and FIG. 6 is a graph showing charge and discharge capacity according to the number of cycles of a secondary battery manufactured according to the secondary battery manufacturing example. It is a graph.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전기화학적 특성은 양극 활물질로 사용된 파우더가 밀링 공정을 수행하여 나노 입자화 과정을 거침에 따라, 입자의 표면적이 증대됨에 따라 우수하게 나타나는 결과로 사료된다. 이에 따라, 고용량 및 고에너지 밀도 특성을 갖는 이차전지를 제공할 수 있게 된다.As described above, the electrochemical properties of the secondary battery according to an embodiment of the present invention are excellent as the surface area of the particles increases as the powder used as the positive electrode active material undergoes a nanoparticle formation process by performing a milling process. It is considered to be. Accordingly, it is possible to provide a secondary battery having high capacity and high energy density characteristics.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to the above embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. I will be able to.
100 : 이차 전지
110 : 음극 집전체
120 : 음극 활물질층
130 : 세퍼레이터
140 : 양극 활물질층
150 : 양극 집전체
160 : 전해질100: secondary battery
110: negative electrode current collector
120: negative active material layer
130: separator
140: positive active material layer
150: positive electrode current collector
160: electrolyte
Claims (12)
상기 활물질-도전재 복합체 파우더 및 결합제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
상기 슬러리를 집전체에 도포 및 건조하는 단계를 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법.Pulverizing and mixing the active material for a secondary battery including sulfur oxyacid anion and a conductive material at a speed of 400 to 800 rpm using a high energy ball mill to prepare a nanoparticle-formed active material-conductive material composite powder;
Preparing a slurry by mixing the active material-conductive material composite powder and a binder; And
A method of manufacturing an electrode for a secondary battery comprising the step of applying and drying the slurry on a current collector.
상기 황 산소산음이온을 포함하는 이차전지용 활물질은 하기 화학식 1로 나타내어지는 이차전지용 활물질을 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법:
[화학식 1]
MaCuSxOyFb
상기 화학식 1에서,
M은 1족 알칼리 금속이고,
x는 1 내지 5의 정수이고,
y는 2 내지 9의 정수이고,
a 및 b는 각각 독립적으로 0 또는 1이다.The method according to claim 1,
The method of manufacturing an electrode for a secondary battery including the active material for a secondary battery represented by the following Formula 1 as the active material for a secondary battery containing sulfur oxyacid anion:
[Formula 1]
M a CuS x O y F b
In Formula 1,
M is a Group 1 alkali metal,
x is an integer from 1 to 5,
y is an integer from 2 to 9,
a and b are each independently 0 or 1.
상기 화학식 1로 나타내어지는 이차전지용 활물질은 하기 화학식 2인 이차전지용 전극의 제조방법:
[화학식 2]
MaCuSxOy
상기 화학식 1에서,
a는 0 또는 1이고,
M은 1족 알칼리 금속이고,
x는 1 내지 5의 정수이고,
y는 2 내지 9의 정수이다.The method according to claim 2,
The active material for a secondary battery represented by Formula 1 is a method of manufacturing an electrode for a secondary battery represented by Formula 2:
[Formula 2]
M a CuS x O y
In Formula 1,
a is 0 or 1,
M is a Group 1 alkali metal,
x is an integer from 1 to 5,
y is an integer from 2 to 9.
상기 화학식 1의 M은 리튬(Li) 또는 나트륨(Na)인 이차전지용 전극의 제조방법.The method according to claim 2,
M in Formula 1 is lithium (Li) or sodium (Na), a method of manufacturing an electrode for a secondary battery.
상기 황 산소산음이온은 SO3 2-(sulfite), SO4 2-(sulfate), SO3 2-(sulfite), S2O3 2-(thiosulfate), S2O4 2-(dithionite), S2O5 2-(disulfite), S2O6 2-(dithionate), S2O7 2-(disulfate), S2O8 2-(peroxydisulfate) 또는 S4O6 2-(tetrathionate)인 이차전지용 전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
The sulfur oxygenate anions are SO 3 2- (sulfite), SO 4 2- (sulfate), SO 3 2- (sulfite), S 2 O 3 2- (thiosulfate), S 2 O 4 2- (dithionite), S 2 O 5 2- (disulfite), S 2 O 6 2- (dithionate), S 2 O 7 2- (disulfate), S 2 O 8 2- (peroxydisulfate) or S 4 O 6 2- (tetrathionate) secondary Method of manufacturing an electrode for a battery.
상기 밀링 공정은 10시간 내지 24시간 동안 실시하는 것인 이차전지용 전극의 제조방법.The method according to claim 1,
The milling process is a method of manufacturing an electrode for a secondary battery to be carried out for 10 to 24 hours.
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Journal of Power Sources 196, 2011, 1461-1468 * |
These-College de France, 2016 * |
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