KR102219161B1 - Anode actine material conprising polydopamine coating layer for secondary battery and method for preparing the same - Google Patents

Anode actine material conprising polydopamine coating layer for secondary battery and method for preparing the same Download PDF

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김형석
최원창
김형우
김상옥
이용흠
임효준
정경윤
류승호
임희대
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한국과학기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a secondary battery negative electrode active material comprising: a graphene oxide (PGO) including a graphene oxide (GO), and a polydopamine coating layer including a polydopamine layer coated on the surface of the graphene oxide (GO); and TNO (TiNb_2O_7) microparticles attached to the surface of the graphene oxide (PGO) including a polydopamine coating layer. According to the present invention, in a secondary battery negative electrode active material, a tight electron conduction pathway can be formed, as TNO (TiNb_2O_7) particles produced by a solvothermal synthesis process are attached to a polydopamine-coated graphene oxide surface by using hydrophilicity and adhesiveness of polydopamine and the TNO (TiNb_2O_7) particles are precisely and uniformly attached to a graphene oxide surface. Accordingly, a secondary battery to which the secondary battery negative electrode of the present invention is introduced has an effect of improving output characteristics and lifespan characteristics.

Description

폴리도파민 코팅층을 포함하는 이차전지용 음극활물질 및 그의 제조방법{ANODE ACTINE MATERIAL CONPRISING POLYDOPAMINE COATING LAYER FOR SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}Anode active material for secondary battery including polydopamine coating layer and its manufacturing method {ANODE ACTINE MATERIAL CONPRISING POLYDOPAMINE COATING LAYER FOR SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 이차전지용 음극활물질 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리도파민 코팅층으로 표면처리한 그래핀옥사이드를 복합화하여 음극활물질을 제조함으로써 균일하고 긴밀한 전기전도 경로를 제공하고 이를 리튬이온전지에 적용시 높은 출력특성 및 수명특성을 갖도록 하는 이차전지용 음극활물질 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a secondary battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to prepare a negative electrode active material by compounding graphene oxide surface-treated with a polydopamine coating layer to provide a uniform and intimate electrical conduction path. The present invention relates to a negative electrode active material for a secondary battery and a method of manufacturing the same to have high output characteristics and lifetime characteristics when applied to.

리튬이온전지의 에너지 밀도와 안정성을 높이기 위한 다양한 연구들이 끊임없이 이루어져 왔으며, 음극 소재에 대한 연구에서 상용화된 흑연(graphite)의 경우 낮은 용량과 율 특성이 한계점으로 지적받고 있다. 게다가, SEI (solid-electrolyte interphase) 층 형성으로 인한 비가역적 리튬 손실로 인한 수명 특성 저하와, 음극 표면에 대한 전착(electrodeposition)으로 인한 리튬 수지상(dendrites)의 발생과 같은 리튬이온전지의 안전성에 대한 관심이 높아짐에 따라 이 역시 함께 해결할 수 있는 새로운 층간 삽입형 음극 산화물 소재가 연구되고 있다. 최근에 크게 주목받아 왔던 Li4Ti5O12는 높은 수명 특성과 출력 특성, 높은 방전 전압 (1.55 V vs. Li+/Li)으로 SEI 형성으로 인한 표면 열화에 대해 탁월한 해결 방안으로서 거론되던 음극 소재이지만 낮은 이론용량(175 mAh g-1)은 리튬이온전지 음극 소재로 상용화함에 있어 큰 제한요소가 되어 왔다. Various studies to increase the energy density and stability of lithium-ion batteries have been continuously conducted, and in the case of commercialized graphite in research on anode materials, low capacity and rate characteristics are pointed out as limitations. In addition, the safety of lithium-ion batteries such as deterioration of lifespan characteristics due to irreversible loss of lithium due to the formation of a solid-electrolyte interphase (SEI) layer and generation of lithium dendrites due to electrodeposition on the anode surface. As interest increases, new interlayered cathode oxide materials that can be solved together are being studied. Li 4 Ti 5 O 12, which has been attracting much attention recently, is a cathode material that has been discussed as an excellent solution to surface deterioration due to SEI formation due to its high lifespan, output characteristics, and high discharge voltage (1.55 V vs. Li + /Li). However, the low theoretical capacity (175 mAh g -1 ) has been a major limiting factor in commercialization as a negative electrode material for lithium ion batteries.

동일한 층간 삽입형 산화물 소재의 장점과 함께 낮은 이론 용량의 문제를 극복하기 위하여 TiNb2O7(TNO)는 훌륭한 대체 소재로서 고려 되어 왔다. 2011년 Goodenough 교수 연구팀에 의하여 리튬이온전지 음극 소재로 처음 보고된 TNO는 Li4Ti4O12 (175 mAh g-1), TiO2 (335 mAh g-1 다른 산화물 계 음극 소재보다 높은 이론 용량 (388 mAh g-1)과 방전 전압 (1.65 V)을 가지고 있으며, 이는 5개의 전자 전도가 가능한 Ti4 +/Ti3 +와 Nb5 +/Nb4 + Nb4 +/Nb3 +의 redox couple로부터 비롯된다. 그러나 3d0의 전자 구조를 갖는 티타늄 계 산화물의 밴드 갭 (band gap)을 높여 전자의 확산 거동을 나쁘게 하고, Li 이온 전도에 큰 제한을 준다. 이는 TNO 소재의 율 특성과 관련하여 고속 충/방전 시 극심한 용량 저하를 초래한다. TiNb 2 O 7 (TNO) has been considered as an excellent alternative material to overcome the problem of low theoretical capacity as well as the advantages of the same intercalated oxide material. TNO, which was first reported as a lithium-ion battery anode material in 2011 by Professor Goodenough's research team, is Li 4 Ti 4 O 12 (175 mAh g -1 ), TiO 2 (335 mAh g -1 ). It has 388 mAh g -1 ) and discharge voltage (1.65 V), which is from the redox couple of Ti 4 + /Ti 3 + and Nb 5 + /Nb 4 + Nb 4 + /Nb 3 + capable of 5 electron conduction. However , by increasing the band gap of the titanium-based oxide having an electronic structure of 3d 0, the electron diffusion behavior is deteriorated and the Li ion conduction is severely limited, which is a high-speed charge in relation to the rate characteristics of the TNO material. /In case of discharging, it causes severe capacity reduction.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 TNO 소재에 대한 카본 복합화, 나노 구조화, 이종원소 치환과 같은 많은 개선방안들이 고려되어 왔다. 2D의 그래핀 소재는 높은 표면적과 함께 높은 전기 전도도를 가짐으로써 일찍이 이를 음극 활물질과 복합화하여 음극의 낮은 전자/이온 전도도 문제를 개선하고자 하는 시도가 있어왔다. 예를 들어, Ashish 연구팀은 TNO/그래핀 하이브리드 소재를 보고하였고, 이는 16 C-rate에서 80%의 용량 유지율을 보여주었고, 0.1 C에서 ~230 mAh g-1의 방전 용량을 나타내었다. 또한 Li 연구팀은 동결건조법을 이용하여 TNO/그래핀 복합체를 합성하였고, 100 C-rate의 고속 충/방전 평가에서 180 mAh g-1 용량을 보여 주였다.Therefore, in order to solve this problem, many improvement measures such as carbon composite, nano-structuring, and hetero-element substitution for TNO materials have been considered. As 2D graphene materials have high electrical conductivity with high surface area, there have been attempts to improve the problem of low electron/ionic conductivity of the negative electrode by compounding it with the negative active material. For example, Ashish's team reported a TNO/graphene hybrid material, which showed a capacity retention rate of 80% at 16 C-rate and a discharge capacity of ~230 mAh g -1 at 0.1 C. In addition, the Li research team synthesized the TNO/graphene complex using a freeze-drying method, and showed a capacity of 180 mAh g -1 in a high-speed charge/discharge evaluation of 100 C-rate.

그러나 이와 같은 그래핀 소재와의 복합화는 TNO와 그래핀 간의 균일한 분산이 어렵고. TNO 입자와의 접촉에 대한 확실한 구동력이 존재하지 않기 때문에, 효과적인 전도 매트릭스(matrix)를 제공하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) 계면활성제를 도입하여. CTAB 용액으로 TNO 표면에 양전하를 형성시켜 상대적으로 음전하의 그래핀 옥사이드(GO)를 정전기적 인력을 통해 접촉하게 하여 GO로 싸여진 TNO를 합성한 바 있다. However, it is difficult to uniformly disperse TNO and graphene in the complex with graphene material. It is difficult to provide an effective conducting matrix because there is no reliable driving force for contact with the TNO particles. To solve this, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) surfactant was introduced. By forming a positive charge on the surface of TNO with a CTAB solution, a relatively negatively charged graphene oxide (GO) was brought into contact with an electrostatic attraction to synthesize TNO wrapped in GO.

한국등록특허 제 10-1999616 호Korean Patent Registration No. 10-1999616

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폴리도파민이 가지고 있는 친수성 및 접착성을 이용하여 용매열(solvothermal) 합성 공정으로 제조된 TNO(TiNb2O7) 입자들을 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드 표면에 부착시켜 TNO(TiNb2O7) 입자들이 그래핀옥사이드 표면에 치밀하고 균일하게 부착됨으로써 전자 전도 매트릭스를 형성시켜 주어 율특성 및 수명특성을 개선하는 이차전지용 음극활물질을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art, using the hydrophilicity and adhesion of polydopamine, TNO (TiNb 2 O 7 ) particles produced by a solvent heat synthesis process are coated with polydopamine By attaching to the graphene oxide surface, TNO (TiNb 2 O 7 ) particles are densely and uniformly attached to the graphene oxide surface to form an electron conducting matrix to provide an anode active material for secondary batteries that improves rate characteristics and lifetime characteristics. Have.

본 발명의 다른 목적은 이와 같은 음극을 포함하는 이차전지, 특히 리튬이온전지에 도입하고, 이를 다양한 전자, 전기 제품에 포함되는 에너지 저장장치에 응용함으로써 전기화학 커패시터 산업의 세계 경쟁력을 확보하는 데 있다.Another object of the present invention is to secure the world competitiveness of the electrochemical capacitor industry by introducing such a negative electrode into a secondary battery, particularly a lithium ion battery, and applying it to an energy storage device included in various electronic and electrical products. .

본 발명의 일 측면에 따르면,According to an aspect of the present invention,

그래핀옥사이드(GO), 및 상기 그래핀옥사이드(GO)의 표면에 코팅된 폴리도파민층을 포함하는 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO); 및Graphene oxide (PGO) including graphene oxide (GO), and a polydopamine coating layer including a polydopamine layer coated on the surface of the graphene oxide (GO); And

상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)의 표면에 부착된 TNO(TiNb2O7) 마이크로 입자;를 포함하는 이차전지용 음극활물질이 제공된다.A negative electrode active material for a secondary battery comprising; TNO (TiNb 2 O 7 ) microparticles attached to the surface of graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer is provided.

상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)는 시트(sheet) 형일 수 있다.Graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer may be a sheet (sheet) type.

상기 이차전지용 음극활물질은 단사정 결정(monoclinic crystal)을 포함할 수 있다.The negative active material for a secondary battery may include a monoclinic crystal.

상기 이차전지용 음극활물질은 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분석시 C-N 결합에 따른 1220 내지 1230 cm-1 에 위치하는 피크가 검출될 수 있다.In the negative active material for a secondary battery, a peak located at 1220 to 1230 cm -1 according to CN binding may be detected during Fourier transform infrared (FT-IR) analysis.

상기 이차전지용 음극활물질은 X-선 광전자 분광법(XPS) 분석시 400 eV 피크, 286 eV 피크, 532 eV 피크, 및 200 내지 600 eV 피크가 검출될 수 있다.In the negative active material for secondary batteries, 400 eV peak, 286 eV peak, 532 eV peak, and 200 to 600 eV peak may be detected upon X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.

상기 이차전지용 음극활물질은 (-303) 결정면을 포함할 수 있다.The negative active material for secondary batteries may include a (-303) crystal plane.

상기 TNO 마이크로 입자는 나노 크기인 복수의 1차 입자들이 집합하여 형성되는 마이크로 크리의 2차 입자일 수 있다.The TNO microparticles may be microcres secondary particles formed by assembling a plurality of nano-sized primary particles.

상기 TNO 마이크로 입자의 평균입경이 500 내지 600nm 일 수 있다.The average particle diameter of the TNO microparticles may be 500 to 600 nm.

상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)에서 폴리도파민은 8 내지 15wt% 함량일 수 있다.In the graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer, polydopamine may be in an amount of 8 to 15 wt%.

상기 이차전지용 음극활물질은 TNO 마이크로 입자와 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)가 10:2 내지 10:6의 중량비로 포함될 수 있다.The negative electrode active material for a secondary battery may include graphene oxide (PGO) including TNO microparticles and a polydopamine coating layer in a weight ratio of 10:2 to 10:6.

상기 이차전지용 음극활물질은 상기 TNO 마이크로 입자가 상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO) 표면적의 80 내지 90%를 둘러쌀 수 있다.In the negative active material for secondary batteries, the TNO microparticles may surround 80 to 90% of the surface area of the graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer.

본 발명의 다른 측면에 따르면,According to another aspect of the invention,

(a) 용매열(solvothermal) 합성에 따라 TNO(TiNb2O7) 마이크로 입자를 제조하는 단계; (a) preparing TNO (TiNb 2 O 7 ) microparticles according to solvent heat (solvothermal) synthesis;

(b) 초음파 공정에 따라 그래핀옥사이드(GO)의 표면에 폴리도파민을 코팅하여 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 제조하는 단계; 및(b) preparing polydopamine-coated graphene oxide (PGO) by coating polydopamine on the surface of graphene oxide (GO) according to an ultrasonic process; And

(c) 상기 TNO 마이크로 입자를 분산시킨 용매에 상기 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 가하여, 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)의 표면에 TNO 마이크로 입자를 부착시키는 단계;를 포함하는 이차전지용 음극활물질의 제조방법이 제공된다.(c) adding the polydopamine-coated graphene oxide (PGO) to a solvent in which the TNO microparticles are dispersed, and attaching the TNO microparticles to the surface of the polydopamine-coated graphene oxide (PGO); There is provided a method of manufacturing a negative active material for a secondary battery including.

단계 (a)는,Step (a),

(a-1) 용매에 티타늄 알콕사이드, 니오븀 할로게나이드, 및 산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;(a-1) preparing a mixture by mixing titanium alkoxide, niobium halogenide, and acid in a solvent;

(a-2) 상기 혼합물을 가열함으로써 용매열(solvothermal) 합성을 수행하여 TNO 전구체를 제조하는 단계;(a-2) preparing a TNO precursor by performing solvothermal synthesis by heating the mixture;

(a-3) 상기 TNO 전구체를 세척하는 단계; 및(a-3) washing the TNO precursor; And

(a-4) 세척된 TNO 전구체를 건조 및 열처리하여 TNO 마이크로 입자를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.(a-4) drying and heat treating the washed TNO precursor to prepare TNO microparticles; may include.

단계 (a-2)에서 상기 용매열 합성은 180 내지 220℃로 가열함으로써 수행될 수 있다.In step (a-2), the solvothermal synthesis may be performed by heating to 180 to 220°C.

단계 (b)는,Step (b),

(b-1) 완충용액에 그래핀옥사이드(GO)를 투입하고 초음파 처리하여 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액을 제조하는 단계;(b-1) preparing a buffer solution containing graphene oxide by adding graphene oxide (GO) to the buffer solution and performing ultrasonic treatment;

(b-2) 상기 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액에 도파민 하이드로클로라이드를 첨가하고 초음파 처리를 추가로 수행하여 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 제조하는 단계; 및 (b-2) preparing polydopamine-coated graphene oxide (PGO) by adding dopamine hydrochloride to the buffer solution containing graphene oxide and further performing ultrasonic treatment; And

(b-3) 상기 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드를 세척한 후 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.(b-3) washing and drying the graphene oxide coated with the polydopamine; may include.

단계 (c)는,Step (c),

(c-1) 증류수에 단계 (a)에서 합성한 TNO 마이크로 입자를 투입하여 초음파 분산시켜 TNO 분산액을 제조하는 단계;(c-1) adding the TNO microparticles synthesized in step (a) to distilled water and ultrasonically dispersing it to prepare a TNO dispersion;

(c-2) 증류수에 단계 (b)에서 합성한 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 초음파 분산시켜 PGO 분산액을 제조하는 단계;(c-2) preparing a PGO dispersion by ultrasonically dispersing the graphene oxide (PGO) coated with the polydopamine synthesized in step (b) in distilled water;

(c-3) 상기 TNO 분산액에 상기 PGO 분산액을 적가하여 혼합 분산액을 제조하는 단계; 및(c-3) preparing a mixed dispersion by dropwise adding the PGO dispersion to the TNO dispersion; And

(c-4) 상기 혼합 분산액을 20 내지 40분 동안 교반하여 TNO 마이크로 입자들이 PGO 시트에 부착되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.(c-4) stirring the mixed dispersion for 20 to 40 minutes to allow the TNO microparticles to adhere to the PGO sheet; may include.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 이차전지용 음극활물질을 포함하는 이차전지를 제공한다.It provides a secondary battery including the negative electrode active material for the secondary battery.

상기 이차전지는 리튬이온전지 일 수 있다.The secondary battery may be a lithium ion battery.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 이차전지를 포함하는 휴대용 전자기기, 이동 유닛, 전력 기기 및 에너지 저장장치 중에서 선택된 어느 하나의 디바이스가 제공된다.Any one device selected from a portable electronic device including the secondary battery, a mobile unit, a power device, and an energy storage device is provided.

본 발명의 이차전지용 음극활물질은 폴리도파민이 가지고 있는 친수성 및 접착성을 이용하여 용매열(solvothermal) 합성 공정으로 제조된 TNO(TiNb2O7) 입자들을 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드 표면에 부착시켜 TNO(TiNb2O7) 입자들이 그래핀옥사이드 표면에 치밀하고 균일하게 부착됨으로써 긴밀한 전자 전도 경로가 형성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 이차전지용 음극활물질을 도입한 이차전지는 출력특성 및 수명특성이 향상될 수 있는 효과가 있다.The negative electrode active material for secondary batteries of the present invention uses the hydrophilicity and adhesive properties of polydopamine to attach TNO (TiNb 2 O 7 ) particles prepared by a solvent heat synthesis process to the polydopamine-coated graphene oxide surface. As a result, TNO (TiNb 2 O 7 ) particles are densely and uniformly attached to the graphene oxide surface, thereby forming a close electron conduction path. Accordingly, the secondary battery into which the anode active material for a secondary battery of the present invention is introduced has an effect of improving output characteristics and life characteristics.

도 1은 본 발명의 이차전지용 음극활물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 실험예 1의 X-선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 구조 분석 결과이다.
도 3은 실험예 2의 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광 분석 결과이다.
도 4는 실험예 3의 GO에 코팅된 폴리도파민의 정량 분석을 위한 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 5는 실험예 4의 TNO와 PGO의 중량 비율 측정을 위한 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 6은 실험예 5의 폴리도파민 유무에 따른 복합체 형상차이 분석을 위한 FE-SEM 이미지이다.
도 7은 실험예 6의 X-선 광전자 분광법(XPS)에 따른 분석 결과이다.
도 8은 실험예 7의 투과전자현미경(TEM) 분석 결과이다.
도 9는 실험예 8의 충방전 평가 결과이다.
도 10은 실험예 9의 충방전 사이클 평가 결과이다.
도 11은 실험예 10의 율특성 평가 결과이다.
1 is a flowchart sequentially showing a method of manufacturing an anode active material for a secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is an X-ray diffraction (XRD) structure analysis result of Experimental Example 1. FIG.
3 is a result of Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopic analysis of Experimental Example 2.
4 is a thermogravimetric analysis (TGA) result for quantitative analysis of polydopamine coated on GO of Experimental Example 3.
5 is a thermogravimetric analysis (TGA) result for measuring the weight ratio of TNO and PGO of Experimental Example 4.
6 is an FE-SEM image for analyzing a difference in shape of a complex according to the presence or absence of polydopamine in Experimental Example 5.
7 is an analysis result according to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of Experimental Example 6.
8 is a transmission electron microscope (TEM) analysis result of Experimental Example 7.
9 is a result of charging and discharging evaluation in Experimental Example 8.
10 is a result of evaluation of charge and discharge cycles in Experimental Example 9.
11 is a result of evaluation of rate characteristics in Experimental Example 10.

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

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, and in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. .

본원에서 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, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terms used herein 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, elements, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features or It is to be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, actions, elements, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

이하, 본 발명의 이차전지용 음극활물질에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, an anode active material for a secondary battery of the present invention will be described.

본 발명의 이차전지용 음극활물질은 그래핀옥사이드(GO), 및 상기 그래핀옥사이드(GO)의 표면에 코팅된 폴리도파민층을 포함하는 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO); 및 상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)의 표면에 부착된 TNO(TiNb2O7) 마이크로 입자;를 포함한다.The negative electrode active material for a secondary battery of the present invention includes graphene oxide (PGO) including a polydopamine coating layer including graphene oxide (GO), and a polydopamine layer coated on the surface of the graphene oxide (GO); And TNO (TiNb 2 O 7 ) microparticles attached to the surface of graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer.

상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)는 시트(sheet) 형인 것을 특징으로 한다.Graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer is characterized in that the sheet (sheet) type.

상기 이차전지용 음극활물질은 단사정 결정(monoclinic crystal)을 포함하는 것을 특징으로 한다.The negative electrode active material for a secondary battery is characterized in that it contains a monoclinic crystal (monoclinic crystal).

상기 이차전지용 음극활물질은 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분석시 C-N 결합에 따른 1220 내지 1230 cm-1 에 위치하는 피크가 검출된다. In the negative active material for secondary batteries, a peak located at 1220 to 1230 cm -1 according to CN binding is detected during Fourier transform infrared (FT-IR) analysis.

상기 이차전지용 음극활물질은 X-선 광전자 분광법(XPS) 분석시 N 1s의 400 eV 피크, C 1s의 286 eV 피크, O 1s 532 eV 피크, 및 Nb3d, Nb3p, Ti2p, Ti3s, Ti2s, O1s의 200~600 eV 피크가 나타나는 것을 특징으로 한다.The anode active material for secondary batteries is 400 eV peak of N 1s, 286 eV peak of C 1s, O 1s 532 eV peak, and 200 of Nb3d, Nb3p, Ti2p, Ti3s, Ti2s, O1s when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) It is characterized by a ~600 eV peak.

상기 이차전지용 음극활물질은 (-303) 결정면을 포함할 수 있다.The negative active material for secondary batteries may include a (-303) crystal plane.

상기 TNO 마이크로 입자는 나노 크기인 복수의 1차 입자들이 집합하여 형성되는 마이크로 크기의 2차 입자일 수 있다.The TNO microparticles may be micro-sized secondary particles formed by assembling a plurality of nano-sized primary particles.

상기 TNO 마이크로 입자의 평균입경이 500 내지 600nm 인 구형 입자일 수 있다.The TNO microparticles may be spherical particles having an average particle diameter of 500 to 600 nm.

이와 같이 TNO 마이크로 입자 대신에 종래와 같이 TNO 나노입자를 그대로 사용하면 TNO 나노입자간 응집 현상이 일어날 우려가 있어 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드의 표면에 균일하고 치밀한 부착이 이루어지기 어려운 문제가 있다.In this way, if TNO nanoparticles are used instead of TNO microparticles as in the past, there is a concern that aggregation between TNO nanoparticles may occur, making it difficult to achieve uniform and dense adhesion to the surface of graphene oxide coated with polydopamine. .

상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)에서 폴리도파민은 8 내지 15wt% 함량으로 포함될 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 내지 13wt%, 더욱 더 바람직하게는 11 내지 12wt% 함량으로 포함될 수 있다. 상기 폴리도파민이 8wt% 미만으로 포함되면 그래핀옥사이드와 TNO 마이크로 입자간의 충분한 접착력을 부여하기 어렵고, 15wt% 를 초과하면 그래핀옥사이드(GO)의 전기전도도가 저하될 수 있다.In graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer, polydopamine may be included in an amount of 8 to 15 wt%, more preferably 10 to 13 wt%, and even more preferably 11 to 12 wt%. . If the polydopamine is contained in an amount of less than 8wt%, it is difficult to impart sufficient adhesion between graphene oxide and TNO microparticles, and if it exceeds 15wt%, the electrical conductivity of graphene oxide (GO) may decrease.

상기 이차전지용 음극활물질은 상기 TNO 마이크로 입자가 상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO) 표면적의 80 내지 90%를 둘러싸는 것이 바람직하다. 상기 표면적에서 80% 미만으로 둘러싸는 경우 PGO의 표면에 TNO 마이크로 입자의 밀도가 지나치게 낮아져 TNO 입자간의 효과적인 전자 전달이 이루어지기 어렵고, 90% 초과로 둘러싸는 경우 PGO의 표면에 TNO 마이크로 입자의 밀도가 지나치게 높아져 TNO 입자에 효과적인 전자 이동 경로를 제공하지 못한다.In the negative active material for secondary batteries, it is preferable that the TNO microparticles surround 80 to 90% of the surface area of the graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer. If the surface area is surrounded by less than 80%, the density of TNO microparticles on the surface of PGO is too low, making it difficult to achieve effective electron transfer between TNO particles.If the surface area is surrounded by more than 90%, the density of TNO microparticles on the surface of PGO It is too high to provide an effective electron transport path to the TNO particles.

상기 TNO 마이크로 입자와 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)는 10:2 내지 10:6의 중량비인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10:3 내지 10:5, 더욱 더 바람직하게는 10:4 내지 10:4.5의 중량비로 포함될 수 있다. 상기 중량비에서 10:2 보다 TNO 마이크로 입자의 함량이 높은 경우 PGO의 표면에 TNO 마이크로 입자의 밀도가 지나치게 높아져 TNO 입자에 효과적인 전자 이동 경로를 제공하지 못할 수 있고, 10:6 보다 TNO 마이크로 입자의 함량이 낮으면 음극의 리튬이온과 반응하는 활물질의 비율이 낮아져 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. Graphene oxide (PGO) comprising the TNO microparticles and the polydopamine coating layer is preferably in a weight ratio of 10:2 to 10:6, more preferably 10:3 to 10:5, even more preferably 10 It may be included in a weight ratio of :4 to 10:4.5. If the content of TNO microparticles is higher than 10:2 in the weight ratio, the density of TNO microparticles on the surface of PGO may be too high to provide an effective electron transport path to the TNO particles, and the content of TNO microparticles is higher than 10:6. If this is low, the ratio of the active material reacting with the lithium ions of the negative electrode is lowered, and thus energy density may be lowered.

상기 이차전지용 음극활물질은 전체 중량 기준으로 그래핀옥사이드가 25 내지 30wt% 함량으로 포함될 수 있다. 상기 그래핀옥사이드 함량이 25wt% 미만인 경우에는 TNO 마이크로 입자간 효과적인 전자 이동 경로를 제공하기 어렵고, 30wt% 초과하는 경우에는 TNO 마이크로 입자와 폴리도파민과의 함량이 적절치 않아 TNO 마이크로 입자와 부착력이 떨어지거나 TNO 마이크로 입자의 함량이 충분치 않아 음극의 에너지 밀도가 낮아질 수 있다.The negative active material for secondary batteries may contain graphene oxide in an amount of 25 to 30 wt% based on the total weight. If the graphene oxide content is less than 25wt%, it is difficult to provide an effective electron transport path between TNO microparticles, and if it exceeds 30wt%, the TNO microparticles and adhesion to the TNO microparticles are poor because the content of the TNO microparticles and polydopamine is not appropriate. Since the content of the TNO microparticles is insufficient, the energy density of the negative electrode may be lowered.

상기 폴리도파민의 풍부한 작용기들(-OH catechol group)에 의하여 기능화(functionalization)된 표면을 가진 그래핀옥사이드는 무기 표면에 대한 접착 능력이 높으므로 표면에 균일하고 치밀하게 부착된 TNO 마이크로 입자를 가질 수 있다. 이에 반해, 종래에는 그러나 폴리도파민의 코팅없는 그래핀옥사이드의 표면에 TNO 입자들이 부착됨으로 부착력의 저하로 불균일하게 TNO 입자가 분포할 수 밖에 없다.Graphene oxide having a surface functionalized by the abundant functional groups (-OH catechol group) of the polydopamine has high adhesion to the inorganic surface, so it can have TNO microparticles uniformly and densely attached to the surface. have. In contrast, conventionally, however, TNO particles are inevitably distributed due to a decrease in adhesion due to adhesion of TNO particles to the surface of graphene oxide without polydopamine coating.

상기 음극활물질은 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드 표면에 균일하고 치밀하게 TNO 마이크로 입자가 부착되어, TNO 입자에 효과적인 전자 이동 경로를 제공하여 전자 전도 매트릭스를 형성함으로써, 이와 같은 음극활물질을 리튬이차전지에 적용할 경우 지속적인 충방전으로 발생하는 저항요인으로 인한 용량 감소를 전기전도도 향상으로 최소화할 수 있다.
The negative electrode active material uniformly and densely attaches TNO microparticles to the polydopamine-coated graphene oxide surface to provide an effective electron transfer path to the TNO particles to form an electron conducting matrix, thereby forming an electron conducting matrix, so that such a negative electrode active material is used as a lithium secondary battery. When applied to, the reduction in capacity due to resistance factors caused by continuous charging and discharging can be minimized by improving electrical conductivity.

도 1은 본 발명의 이차전지용 음극활물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 이차전지용 음극활물질의 제조방법을 설명하도록 한다.1 is a flowchart sequentially showing a method of manufacturing an anode active material for a secondary battery according to the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing a negative active material for a secondary battery according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.

먼저, first, 용매열Solvent heat (( solvothermalsolvothermal ) 합성에 따라 ) According to the synthesis TNOTNO (( TiNbTiNb 22 OO 77 ) 마이크로 분말을 제조한다(단계 a).) To prepare a micro powder (step a).

구체적으로 본 단계는 아래의 순서에 따라 수행되는 것이 바람직하다.Specifically, this step is preferably performed in the following order.

극성용매에 티타늄 알콕사이드, 니오븀 할로게나이드, 및 산을 혼합하여 혼합물을 제조한다(단계 a).A mixture was prepared by mixing titanium alkoxide, niobium halogenide, and acid in a polar solvent (step a).

상기 용매는 물, 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세톤(aceton), DMAc(N,N-dimethylene acetamide), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(N,N-dimethylformamide) 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.The solvent is water, ethanol, methanol, aceton, DMAc (N,N-dimethylene acetamide), NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone), DMSO (dimethyl sulfoxide), DMF (N ,N-dimethylformamide), etc., but the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 티타늄 알콕사이드는 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide), 티타늄 프로폭사이드(Titanium propoxide), 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 티타늄 n-부톡사이드(titanium n-butoxide), 티타늄 tert-부톡사이드(titanium tert-butoxide) 등인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 티타늄 n-부톡사이드 일 수 있다.The titanium alkoxide is titanium ethoxide, titanium propoxide, titanium isopropoxide, titanium n-butoxide, titanium tert-butoxide. tert-butoxide), and the like, and more preferably titanium n-butoxide.

상기 니오븀 할로게나이드는 니오븀 클로라이드(niobium chloride), 니오븀 브로마이드(niobium bromide), 니오븀 아이오다이드(niobium iodide) 등인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 니오븀 클로라이드 일 수 있다.The niobium halogenide is preferably niobium chloride, niobium bromide, niobium iodide, or the like, and more preferably niobium chloride.

상기 산은 아세트산, 붕산, 인산, 과염소산, 염산, 질산, 황산 등인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 아세트산 일 수 있다.The acid is preferably acetic acid, boric acid, phosphoric acid, perchloric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, and the like, more preferably acetic acid.

이후, 상기 혼합물을 가열함으로써 용매열(solvothermal) 합성을 수행하여 TNO 전구체를 제조한다(단계 a-2).Thereafter, by heating the mixture, solvent heat synthesis is performed to prepare a TNO precursor (step a-2).

상기 용매열 합성은 180 내지 220℃로 가열함으로써 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 190 내지 210℃, 더욱 더 바람직하게는 195 내지 205℃로 가열할 수 있다.The solvothermal synthesis is preferably carried out by heating to 180 to 220 °C, more preferably 190 to 210 °C, even more preferably can be heated to 195 to 205 °C.

상기 가열은 15 내지 30시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 28시간, 더욱 더 바람직하게는 22 내지 26시간 동안 수행될 수 있다. The heating is preferably performed for 15 to 30 hours, more preferably 20 to 28 hours, and even more preferably may be performed for 22 to 26 hours.

다음으로, 상기 TNO 전구체를 세척한다(단계 a-3).Next, the TNO precursor is washed (step a-3).

상기 TNO 전구체의 세척은 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등을 사용할 수 있다.The TNO precursor may be washed with water, methanol, ethanol, propanol, butanol, or the like.

이후, 세척된 TNO 전구체를 건조 및 열처리하여 TNO 마이크로 입자를 제조한다(단계 a-4).Thereafter, the washed TNO precursor is dried and heat-treated to prepare TNO microparticles (step a-4).

상기 건조는 50 내지 70℃에서 10 내지 15시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.The drying is preferably carried out at 50 to 70 ℃ for 10 to 15 hours.

또한, 상기 열처리는 700 내지 1000℃에서 1 내지 8시간 동안 수행하는 것이 바람직하고, 공기 중에서 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the heat treatment is preferably performed at 700 to 1000°C for 1 to 8 hours, and is preferably performed in air.

다음으로, 초음파 공정에 따라 Next, according to the ultrasonic process 그래핀옥사이드의Graphene oxide 표면에 On the surface 폴리도파민을Polydopamine 코팅하여 By coating 폴리도파민이Polydopamine 코팅된 Coated 그래핀옥사이드를Graphene oxide 제조한다(단계 b). To prepare (step b).

본 단계는 구체적으로 아래의 순서에 따라 수행되는 것이 바람직하다.It is preferable that this step is specifically performed in the following order.

먼저, 완충용액에 그래핀옥사이드(GO)를 투입하고 초음파 처리하여 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액을 제조한다(단계 b-1).First, graphene oxide (GO) is added to the buffer solution and subjected to ultrasonic treatment to prepare a buffer solution containing graphene oxide (step b-1).

상기 초음파 처리는 20 내지 40분 동안 수행할 수 있고, 더욱 바람직하게는 25 내지 35분 동안 수행할 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed for 20 to 40 minutes, more preferably 25 to 35 minutes.

상기 그래핀옥사이드는 상기 완충용액에 0.05 내지 0.2%(w/v)로 투입하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.07 내지 0.15%(w/v), 더욱 더 바람직하게는 0.08 내지 0.12%(w/v) 투입할 수 있다.The graphene oxide is preferably added to the buffer solution in an amount of 0.05 to 0.2% (w/v), more preferably 0.07 to 0.15% (w/v), even more preferably 0.08 to 0.12% (w /v) Can be used.

다음으로, 상기 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액에 도파민 하이드로클로라이드를 첨가하고 초음파 처리를 추가로 수행하여 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 제조한다(단계 b-2).Next, dopamine hydrochloride is added to the buffer solution containing graphene oxide, and ultrasonic treatment is further performed to prepare graphene oxide (PGO) coated with polydopamine (step b-2).

상기 초음파 처리는 20 내지 40분 동안 수행할 수 있고, 더욱 바람직하게는 25 내지 35분 동안 수행할 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed for 20 to 40 minutes, more preferably 25 to 35 minutes.

상기 도파민 하이드로클로라이드는 상기 완충용액에 0.01 내지 1%(w/v)로 투입하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.08%(w/v), 더욱 더 바람직하게는 0.05 내지 0.06%(w/v) 투입할 수 있다.The dopamine hydrochloride is preferably added to the buffer solution in an amount of 0.01 to 1% (w/v), more preferably 0.02 to 0.08% (w/v), even more preferably 0.05 to 0.06% (w /v) Can be used.

이후, 상기 After, above TNOTNO 마이크로 입자를 분산시킨 용매에 상기 In a solvent in which microparticles are dispersed, the above 폴리도파민이Polydopamine 코팅된 그래핀옥사이드를 가하여, By adding coated graphene oxide, 폴리도파민이Polydopamine 코팅된 Coated 그래핀옥사이드의Graphene oxide 표면에 On the surface TNOTNO 마이크로 입자를 부착시킨다(단계 c). Attach the microparticles (step c).

본 단계는 구체적으로 아래의 순서에 따라 수행되는 것이 바람직하다.It is preferable that this step is specifically performed in the following order.

먼저, 증류수에 단계 (a)에서 합성한 TNO 마이크로 입자를 투입하여 초음파 분산시켜 TNO 분산액을 제조한다(단계 c-1).First, the TNO microparticles synthesized in step (a) are added to distilled water and ultrasonically dispersed to prepare a TNO dispersion (step c-1).

한편, 증류수에 단계 (b)에서 합성한 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 초음파 분산시켜 PGO 분산액을 제조한다(단계 c-2).Meanwhile, a PGO dispersion is prepared by ultrasonically dispersing graphene oxide (PGO) coated with polydopamine synthesized in step (b) in distilled water (step c-2).

단계 c-1과 단계 c-2는 순차적으로 수행될 필요는 없다.Steps c-1 and c-2 need not be performed sequentially.

다음으로, 상기 TNO 분산액에 상기 PGO 분산액을 적가하여 혼합 분산액을 제조한다(단계 c-3).Next, the PGO dispersion is added dropwise to the TNO dispersion to prepare a mixed dispersion (step c-3).

이때, 상기 TNO 분산액에 상기 PGO 분산액을 초당 한 방울씩 적가하여 혼합 분산액을 제조하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to prepare a mixed dispersion by dropwise adding the PGO dispersion to the TNO dispersion liquid by drop per second.

본 단계에서 사용되는 상기 TNO 마이크로 입자와 PGO는 10:2 내지 10:6의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10:3 내지 10:5, 더욱 더 바람직하게는 10:4 내지 10:4.5의 중량비로 혼합될 수 있다.The TNO microparticles and PGO used in this step are preferably mixed in a weight ratio of 10:2 to 10:6, more preferably 10:3 to 10:5, even more preferably 10:4 to 10 It can be mixed in a weight ratio of :4.5.

최종 제조된 이차전지용 음극활물질은 TNO 마이크로 입자들이 PGO 시트 전체 표면적의 80 내지 90%를 둘러싼 형태가 된다.In the final prepared negative electrode active material for secondary batteries, TNO microparticles surround 80 to 90% of the total surface area of the PGO sheet.

또한, 최종 제조된 이차전지용 음극활물질에서 PGO에 부착된 TNO 마이크로 입자는 평균입경이 500 내지 600nm 이고, 나노 크기인 1차 입자로 구성된 구형의 2차 입자인 것을 특징으로 한다.In addition, the TNO microparticles attached to PGO in the final prepared negative electrode active material for secondary batteries have an average particle diameter of 500 to 600 nm and are characterized in that they are spherical secondary particles composed of nano-sized primary particles.

이와 같이 제조된 이차전지용 음극활물질은 리튬이온전지용 음극활물질인 것을 특징으로 한다.
The negative electrode active material for a secondary battery prepared as described above is characterized in that it is a negative electrode active material for a lithium ion battery.

본 발명은 상기 이차전지용 음극활물질의 제조방법을 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing a secondary battery including the method of manufacturing the negative active material for a secondary battery.

상기 이차전지는 리튬이온전지 일 수 있다.
The secondary battery may be a lithium ion battery.

본 발명은 상기 이차전지를 포함하는 휴대용 전자기기, 이동 유닛, 전력 기기 및 에너지 저장장치 중에서 선택된 어느 하나의 디바이스를 제공한다.
The present invention provides any one device selected from a portable electronic device, a mobile unit, a power device, and an energy storage device including the secondary battery.

특히, 하기 실시예에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 단계 (a)에서, 용매, 티타늄 알콕사이드, 니오븀 할로게나이드 및 산의 종류, 용매열 합성 온도와 시간, TNO 마이크로 입자의 열처리 온도와 시간, 단계 (b)에서, 단계 (b-1)와 (b-2)의 초음파 처리 시간, 그래핀옥사이드의 완충용액에 대한 투입량, 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액에 도파민 하이드로클로라이드 투입량, 단계 (c)에서, 상기 TNO 분산액에 상기 PGO 분산액 적가 속도, TNO 마이크로 입자와 PGO의 사용량의 비율 조건을 변화시키면서 이차전지용 음극활물질을 제조하였다. In particular, although not explicitly described in the following examples, in the method for preparing a negative electrode active material for a secondary battery according to the present invention, in step (a), solvents, titanium alkoxides, niobium halogenides and types of acids, solvent heat synthesis The temperature and time, the heat treatment temperature and time of the TNO microparticles, in step (b), the ultrasonic treatment time in steps (b-1) and (b-2), the amount of graphene oxide added to the buffer solution, and graphene oxide A negative electrode active material for a secondary battery was prepared while changing the dopamine hydrochloride input amount to the containing buffer solution, step (c), the dropwise addition rate of the PGO dispersion to the TNO dispersion, and the ratio of the amount of TNO microparticles and PGO used.

이와 같이 제조된 리튬 이차전지용 음극활물질에 대하여 전기화학적 특성 시험을 수행하여 성능을 확인하였다. 그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래의 조건을 모두 만족하는 경우에만, 리튬 이차전지의 율 특성과 수명 특성이 현저히 높게 측정되었다. 이와 같은 제조조건은 아래와 같다.The performance was confirmed by performing an electrochemical property test on the negative active material for a lithium secondary battery thus prepared. As a result, unlike other conditions and other numerical ranges, only when all of the following conditions were satisfied, the rate characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery were measured to be remarkably high. Such manufacturing conditions are as follows.

단계 (a)에서, 용매는 에탄올 수용액 또는 무수에탄올, 티타늄 부톡사이드, 니오븀 클로라이드 및 아세트산을 사용하고, 용매열 합성은 180 내지 220℃로 15 내지 30시간 수행하며, TNO 마이크로 입자는 건조 후 700 내지 1000℃에서 1 내지 8시간 동안 열처리하고, 단계 (b)에서, 단계 (b-1)와 (b-2)의 초음파 처리는 20 내지 40분, 그래핀옥사이드의 완충용액에 대한 투입량은 0.05 내지 0.2%(w/v), 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액에 도파민 하이드로클로라이드 투입량은 0.01 내지 1%(w/v), 단계 (c)에서, 상기 TNO 분산액에 상기 PGO 분산액 적가 속도는 초당 한 방울씩, TNO 마이크로 입자와 PGO는 10:2 내지 10:6의 중량비로 사용하는 것이다.
In step (a), the solvent is an aqueous ethanol solution or anhydrous ethanol, titanium butoxide, niobium chloride, and acetic acid, and the solvent heat synthesis is performed at 180 to 220°C for 15 to 30 hours, and the TNO microparticles are dried from 700 to Heat treatment at 1000° C. for 1 to 8 hours, in step (b), ultrasonic treatment of steps (b-1) and (b-2) is 20 to 40 minutes, and the amount of graphene oxide added to the buffer solution is 0.05 to 0.2% (w / v), dopamine hydrochloride input to the buffer solution containing graphene oxide is 0.01 to 1% (w / v), in step (c), the dropping rate of the PGO dispersion to the TNO dispersion is one per second Drop by drop, TNO microparticles and PGO are used in a weight ratio of 10:2 to 10:6.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하도록 한다.
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1: One: TNOTNO 입자가 부착된 Particle attached 폴리도파민Polydopamine 코팅 coating 그래핀옥사이드Graphene oxide (TNO@PGO) 합성(TNO@PGO) synthesis

(1) Pristine TNO 합성(1) Pristine TNO synthesis

100 mL의 무수에탄올에 Titanium(?)butoxide (Ti(OBu)4, Sigma-Aldrich, 97%) 0.36 g, Niobium(Ⅴ)chloride (NbCl5, Sigma-Aldrich, 99%) 0.55 g 및 아세트산 1.32㎖를 넣은 후 1시간 동안 섞어준 후 Teflon-lined autoclave에 용액을 옮겨 담아 용매열(solvothermal) 반응(승온 5℃/min, 200℃, 24시간 유지)을 수행한다. 합성이 끝나면 원심분리(4000rpm, 13 min)를 통해 TNO 전구체를 에탄올과 증류수를 사용하여 각각 3번씩 총 6번 세척한다. 얻어진 TNO 전구체 분말을 60℃ 진공 오븐에서 12시간 이상 건조한 후 후처리 (승온 5℃/min, 850℃, 공기 분위기, 4시간 유지)를 진행하여 Pristine TNO를 합성한다.Titanium(?)butoxide (Ti(OBu) 4 , Sigma-Aldrich, 97%) 0.36 g, Niobium(Ⅴ)chloride (NbCl 5 , Sigma-Aldrich, 99%) 0.55 g and acetic acid 1.32 ml in 100 mL of anhydrous ethanol After mixing for 1 hour, the solution was transferred to a Teflon-lined autoclave, and a solvent heat reaction (heating 5°C/min, 200°C, maintained for 24 hours) was carried out. After the synthesis is complete, the TNO precursor is washed 6 times, 3 times each, using ethanol and distilled water through centrifugation (4000rpm, 13 min). After drying the obtained TNO precursor powder in a vacuum oven at 60° C. for 12 hours or more, post-treatment (heating 5° C./min, 850° C., air atmosphere, maintaining for 4 hours) is performed to synthesize pristine TNO.

(2) PGO 합성(2) PGO synthesis

Tris-buffer 용액 (10 mM, pH 8.5) 100㎖에 GO 0.1 g을 넣고 초음파 공정을 30분 수행한 후 Dopamine hydrochloride(2-(3,4-Dihydroxyphenyl)ethylamine hydrochloride)(Sigma-Aldrich) 0.05 g를 넣고 다시 초음파 공정 30분을 진행한다. 이후 진공 필터를 통해 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 회수하는데, 세척 용매로는 에탄올, 증류수를 번갈아 가며 3번씩 세척한 후 60℃의 진공 오븐에서 건조하여 회수한다.Add 0.1 g of GO to 100 ml of Tris-buffer solution (10 mM, pH 8.5) and perform the ultrasonic process for 30 minutes, and then add 0.05 g of Dopamine hydrochloride (2-(3,4-Dihydroxyphenyl)ethylamine hydrochloride)(Sigma-Aldrich). Put in and proceed to the ultrasonic process for 30 minutes again. Thereafter, the polydopamine-coated graphene oxide (PGO) is recovered through a vacuum filter. The washing solvent is washed three times with ethanol and distilled water alternately, and dried in a vacuum oven at 60°C for recovery.

(3) TNO@PGO 합성(3) TNO@PGO synthesis

25㎖의 증류수에 Pristine TNO 0.175 g를 분산시킨 후, 이와 동시에 PGO 0.075 g을 25㎖의 증류수에 넣고 초음파 공정을 30분 수행하여 분산시켜준다. 초음파 공정이 끝나면 뷰렛을 이용하여 PGO를 TNO 분산액에 떨어뜨린다. 이때 PGO가 떨어지는 속도는 1초에 한 방울이 떨어지는 속도로 천천히 떨어뜨린다. 그 이후 30분 동안 분산액을 교반한 후 진공 필터로 회수한 TNO 입자가 균일하게 부착된 PGO 분말(TNO@PGO)을 회수하여 60℃의 진공 오븐에서 건조한다.
After dispersing 0.175 g of Pristine TNO in 25 ml of distilled water, at the same time, 0.075 g of PGO was added to 25 ml of distilled water, followed by ultrasonication for 30 minutes to disperse. At the end of the ultrasonic process, PGO is dropped into the TNO dispersion using a burette. At this time, the rate at which PGO falls is slowly dropped at the rate of one drop per second. Thereafter, after stirring the dispersion for 30 minutes, the PGO powder (TNO@PGO) to which the TNO particles recovered by the vacuum filter are uniformly attached is recovered and dried in a vacuum oven at 60°C.

비교예Comparative example 1: One: PristinePristine TNOTNO 합성 synthesis

실시예 1의 (1) Pristine TNO 합성과 동일한 방법으로 Pristine TNO을 합성하였다.
Pristine TNO was synthesized in the same manner as in Example 1 (1) Pristine TNO synthesis.

비교예Comparative example 2: TNO@GO 합성 2: TNO@GO synthesis

GO에 폴리도파민 코팅을 수행하지 않고 TNO와 복합화한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 TNO@GO를 합성하였다.
TNO@GO was synthesized in the same manner as in Example 1, except that GO was not coated with polydopamine and complexed with TNO.

[[ 실험예Experimental example ]]

실험예Experimental example 1: X-선 1: X-ray 회절diffraction (X- (X- rayray diffractiondiffraction , , XRDXRD ) 구조 분석) Structure analysis

실시예 1의 TNO@PGO과 비교예 1의 Pristine TNO 분말 시료의 결정 구조를 알아보기 위해 10~60 2-theta 각도범위에서 각 시료의 XRD 패턴을 얻었으며 그 결과를 도 2에 나타내었다.In order to examine the crystal structures of the TNO@PGO of Example 1 and the Pristine TNO powder samples of Comparative Example 1, XRD patterns of each sample were obtained in a 2-theta angle range of 10 to 60, and the results are shown in FIG. 2.

이에 따르면, 비교예 1의 pristine TNO와 실시예 1의 TNO@PGO는 모두 동일하게 단사정(monoclinic) 구조의 TNO의 회절 피크들이 높은 강도를 가지고 뚜렷하게 관찰되었다. 따라서 TNO는 PGO와의 복합화 공정 이후에도 높은 결정성 (crystallinity)을 잘 유지하는 것으로 나타났다. 다만 GO에 대한 회절 피크는 TNO상의 높은 결정성으로 인하여 잘 드러나지 않았다.
Accordingly, the pristine TNO of Comparative Example 1 and TNO@PGO of Example 1 were the same, and the diffraction peaks of TNO having a monoclinic structure were clearly observed with high intensity. Therefore, it was shown that TNO well maintains high crystallinity even after the complexing process with PGO. However, the diffraction peak for GO was not clearly revealed due to the high crystallinity of the TNO phase.

실험예Experimental example 2: 푸리에 변환 적외선( 2: Fourier transform infrared ( FTFT -- IRIR ) 분광 분석) Spectroscopic analysis

TNO 분말 입자와 효과적으로 접촉하는 GO 복합체를 합성하기 위하여 본 발명에서는 폴리도파민을 GO 표면 코팅을 위해 적용하였고, 이를 확인하기 위해 FT-IR 분석을 실시하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이에 따르면, GO의 얻어진 스펙트럼에서는 OH deformation vibration에 해당하는 1379 cm-1의 피크, 1625 cm-1에서 C=O stretching vibration에 해당하는 피크, 그리고 1042 cm-1의 C-O (alkoxy) stretching vibration에 대한 피크가 발견되며 이들은 모두 GO에 대한 피크들이다. PGO의 스펙트럼에서는 이외에 다른 피크들도 나타나는데, 예를 들면, 폴리도파민에 의하여 발생하는 환원 반응과 함께 amino group에 의하여 GO의 표면에 작용기가 발생하는 것을 C-N group과 관련된 C-N stretching vibration 피크가 1222 cm- 1으로 확인할 수 있다. 한편, 앞서 언급하였던 C-O 피크는 폴리도파민 코팅 이후 작아지는데, 이는 Shanghai Jiao Tong 대학교의 Hu 연구 그룹의 2014년 연구결과와 같이 폴리도파민 코팅 시에 발생하는 부분적 환원 (partial reduction) 효과에 의해 산소가 포함된 작용기가 일부 제거된 것으로 보이며, ~3350 cm-1에서의 -OH stretching vibration 피크의 크기가 줄어드는 것으로도 설명할 수 있다.
In order to synthesize the GO complex in contact with the TNO powder particles effectively, in the present invention, polydopamine was applied for the GO surface coating, and FT-IR analysis was performed to confirm this, and the results are shown in FIG. 3. According to this, in the obtained spectrum of GO, a peak of 1379 cm -1 corresponding to OH deformation vibration, a peak corresponding to C=O stretching vibration at 1625 cm -1 , and CO (alkoxy) stretching vibration of 1042 cm -1 Peaks are found and these are all peaks for GO. The spectrum of the PGO addition to appear are other peaks, for example, that the functional group occurs on the surface of the GO by the amino group with a reducing reaction caused by the poly dopamine is CN stretching vibration peaks related to the CN group 1222 cm - It can be confirmed as 1. On the other hand, the aforementioned CO peak decreases after polydopamine coating, which contains oxygen due to the partial reduction effect that occurs during polydopamine coating, as a 2014 study by Hu research group at Shanghai Jiao Tong University. It appears that some of the functional groups have been removed, and it can be explained that the size of the -OH stretching vibration peak at ~3350 cm -1 decreases.

실험예Experimental example 3: 3: GOGO 에 코팅된 Coated on 폴리도파민의Polydopamine 정량 분석을 위한 For quantitative analysis 열중량Thermal weight 분석( analysis( ThermogravimetricThermogravimetric analysisanalysis , , TGATGA ))

GO에 코팅된 폴리도파민의 정량분석을 위해 GO와 PGO에 대하여 대기 분위기에서 상온에서 600℃까지의 TGA 곡선을 얻었으며 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이에 따르면, 두 시료 모두 무게 감소가 일어나는 세 구간이 나타나는데, 첫 번째 30~200℃ 구간에서는 GO 표면에 흡착된 물의 증발이 일어나며, 두 번째 200~300℃의 구간에서는 작용기의 열분해가 일어나게 된다. 폴리도파민 코팅에 의해 상대적으로 표면의 작용기가 줄어든 부분 환원된 PGO의 경우 두 번째 구간이 더 작아졌으며, 이후 세 번째 무게 감소가 일어나는 300℃ 이상의 구간에서는 GO의 열분해가 나타나게 되는데 GO, PGO 각각 이 구간에서의 무게 감소량은 56.07%와 67.33%이다. 따라서 최종적으로 남은 무게를 비교하였을 때 두 시료 간 무게 감소의 차인 11.25%가 PGO에 코팅된 폴리도파민의 양이 된다.
For quantitative analysis of polydopamine coated on GO, TGA curves from room temperature to 600°C were obtained for GO and PGO in an atmospheric atmosphere, and the results are shown in FIG. 4. According to this, there are three sections in which weight reduction occurs in both samples. In the first 30~200℃ section, evaporation of water adsorbed on the GO surface occurs, and in the second 200~300℃ section, pyrolysis of functional groups occurs. In the case of partially reduced PGO, which has relatively reduced surface functional groups by polydopamine coating, the second section becomes smaller, and then pyrolysis of GO occurs in the section above 300℃ where the third weight loss occurs. The weight loss at is 56.07% and 67.33%. Therefore, when comparing the final remaining weight, the difference in weight loss between the two samples, 11.25%, is the amount of polydopamine coated on PGO.

실험예Experimental example 4: 4: TNOTNO Wow PGOPGO 의 중량 비율 측정을 위한 For measuring the weight ratio of 열중량Thermal weight 분석( analysis( TGATGA ))

실시예 1의 복합화 공정 이후 TNO와 PGO의 무게 비율을 알아보기 위해 상온에서 800℃ 온도 구간에서의 TGA 곡선을 얻었으며 그 결과를 도 5에 나타내었다. 이에 따르면, pristine TNO의 경우 800℃까지 무게 감소가 거의 없는 것으로 볼 때 앞서 논의한 바와 같이 GO의 열분해가 일어나는 TNO@PGO의 경우 ~400℃까지 무게 감소가 일어나는 양인 전체 시료 무게의 27.0 wt%만큼 PGO를 포함하고 있음을 알 수 있다.
In order to find out the weight ratio of TNO and PGO after the complexing process of Example 1, a TGA curve was obtained in a temperature range of 800°C at room temperature, and the results are shown in FIG. According to this, in the case of pristine TNO, when it is considered that there is almost no weight loss up to 800℃, as discussed above, in the case of TNO@PGO where the pyrolysis of GO occurs, PGO is 27.0 wt% of the total sample weight, which is the amount in which the weight decreases to ~400℃. It can be seen that it contains.

실험예Experimental example 5: 5: 폴리도파민Polydopamine 유무에 따른 복합체 형상차이 분석을 위한 For analysis of the difference in shape of the complex with or without FEFE -- SEMSEM

폴리도파민 코팅이 복합체의 형상에 미치는 효과, 즉 폴리도파민의 존재의 유무에 따른 복합체 형상의 차이를 관찰하기 위해 FE-SEM을 이용하여 각 분말 시료를 관찰하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 여기서, (a)는 비교예 2의 TNO@GO 복합체의 FE-SEM 이미지이고, (b)는 실시예 1의 TNO@PGO 복합체의 이미지이다.In order to observe the effect of the polydopamine coating on the shape of the complex, that is, the difference in the shape of the complex depending on the presence or absence of polydopamine, each powder sample was observed using FE-SEM, and the results are shown in FIG. 6. Here, (a) is an FE-SEM image of the TNO@GO complex of Comparative Example 2, and (b) is an image of the TNO@PGO complex of Example 1.

이에 따르면, (a)에서 비교예 2의 폴리도파민이 코팅되지 않은 GO를 활용한 TNO@GO 복합체의 경우 구형의 TNO 입자가 잘 접착되지 못하고 GO 표면이 많이 관찰되며 TNO 입자들과 GO가 서로 불균일한 분포로 존재하는 것을 볼 수 있다. 이에 반해, (b)에서 실시예 1의 TNO@PGO의 경우 TNO와 PGO가 균일하게 분포되어 있고, 특히 GO 표면을 따라 TNO 입자가 붙어있는 것을 볼 수 있다. 이는 TNO가 PDA의 접착성을 통하여 초음파 공정을 통해 TNO와 PGO사이에 높은 접촉을 갖게 된 것으로, 본 공정에서 폴리도파민이 친수성 및 접착 특성으로 초음파 공정에서 복합체의 균일한 분산 및 접촉을 얻게 하는 것으로 볼 수 있다.
According to this, in (a), in the case of the TNO@GO composite using the polydopamine-coated GO of Comparative Example 2, the spherical TNO particles did not adhere well and the GO surface was observed a lot, and the TNO particles and GO were non-uniform. You can see that it exists in one distribution. On the other hand, in (b) in the case of TNO@PGO of Example 1, it can be seen that TNO and PGO are uniformly distributed, and in particular, TNO particles are attached along the GO surface. This is because TNO has a high contact between TNO and PGO through the ultrasonic process through the adhesiveness of PDA. In this process, polydopamine has hydrophilicity and adhesive properties to obtain uniform dispersion and contact of the composite in the ultrasonic process. can see.

실험예Experimental example 6: X-선 광전자 분광법( 6: X-ray photoelectron spectroscopy ( XPSXPS )에 따른 분석) According to the analysis

시료들의 표면 조성에 대하여 알아보기 위하여 XPS 분석을 실시하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이에 따르면, XPS full scan 스펙트럼은 각 시료 표면에서 나타나는 각 원소에 대한 피크를 뚜렷하게 보여준다. GO의 스펙트럼은 뚜렷한 C1s (286 eV)와 O1s (532 eV) 피크들이 나타나고 PGO의 경우 이에 더하여 N1s (400 eV) 피크가 나타난다. Pristine TNO의 경우 스펙트럼에서 TiNb2O7 조성에 해당하는 Nb3d, Nb3p, Ti2p, Ti3s, Ti2s, O1s 피크가 200~600 eV 사이에서 나타난다. TNO@PGO의 경우 위에 언급하였던 모든 피크들이 잘 나타나며, 특히 PGO에 포함된 N1s 피크도 잘 관찰된다.
To find out the surface composition of the samples, XPS analysis was performed and the results are shown in FIG. 7. According to this, the XPS full scan spectrum clearly shows peaks for each element appearing on the surface of each sample. In the spectrum of GO, distinct C1s (286 eV) and O1s (532 eV) peaks appear, and in the case of PGO, N1s (400 eV) peaks appear. In the case of pristine TNO, peaks of Nb3d, Nb3p, Ti2p, Ti3s, Ti2s, and O1s corresponding to the composition of TiNb 2 O 7 appear between 200 and 600 eV in the spectrum. In the case of TNO@PGO, all the peaks mentioned above appear well, and in particular, the N1s peak contained in PGO is well observed.

실험예Experimental example 7: 투과전자현미경( 7: Transmission electron microscope ( TEMTEM ) 분석) analysis

각 합성 단계에서의 물질의 결정 구조의 변화를 살펴보기 위해 pristine TNO와 TNO@PGO 두 분말 시료에 대하여 TEM 이미지, HR-TEM 이미지, EDS 원소 매핑 (mapping) 이미지를 얻어 도 8에 나타내었다. 이에 따르면, (a)에서의 pristine TNO의 TEM 이미지와 같이 TNO는 구형의 2차 입자로 되어있고, HR-TEM 이미지에서는 (-303) 방향의 결정면이 잘 관찰되며, EDS 원소 매핑 이미지에서는 TNO의 입자 전체에 Nb, Ti, O의 원소가 균일하게 분포하는 것을 관찰할 수 있다. (b)의 TNO@PGO의 TEM 이미지는 TNO 구형 입자와 함께 GO의 시트(sheet) 형태의 형상이 동시에 잘 관찰되며 HR-TEM 이미지에서 TNO의 (-303) 결정면이 잘 관찰된다. EDS 매핑 이미지에서는 구형 입자를 구성하는 Nb, Ti, O의 원소 분포와 함께 GO에 포함된 C 원소가 잘 관찰된다.
In order to examine the change in the crystal structure of the material in each synthesis step, TEM images, HR-TEM images, and EDS element mapping images were obtained for two powder samples of pristine TNO and TNO@PGO, and are shown in FIG. 8. According to this, TNO is made of spherical secondary particles, like the TEM image of pristine TNO in (a), and the crystal plane in the (-303) direction is well observed in the HR-TEM image, and in the EDS element mapping image, the TNO It can be observed that elements of Nb, Ti, and O are uniformly distributed throughout the particles. In the TEM image of TNO@PGO in (b), the shape of the GO sheet form together with the spherical TNO particles is well observed, and the (-303) crystal plane of TNO is well observed in the HR-TEM image. In the EDS mapping image, element C contained in GO is well observed along with the distribution of elements of Nb, Ti, and O constituting the spherical particles.

실험예Experimental example 8: 8: 충방전Charge and discharge 평가 evaluation

각 시료로 제작한 전극의 전기화학적 평가를 위해 리튬 반쪽 전지 (half-cell)를 조립하였고, 0.1 C (1 C = 387.6 mA g-1)의 C-rate로 1.0~3.0 V (vs. Li+/Li)의 전압 범위에서 초기 사이클의 충/방전 곡선을 얻었고 이를 도 9에 나타내었다. For the electrochemical evaluation of the electrodes prepared from each sample, a lithium half-cell was assembled, and a C-rate of 0.1 C (1 C = 387.6 mA g -1 ) was 1.0 to 3.0 V (vs. Li + ). The charge/discharge curve of the initial cycle was obtained in the voltage range of /Li) and is shown in FIG. 9.

이에 따르면, (a)의 pristine TNO는 충/방전 용량이 각각 251.7/269.0 mAh g-1이고 93.57%의 쿨롱 효율 (Coulombic efficiency, CE)를 보여주었다. 1.65 V 영역에서 나타나는 평탄 전위 (voltage plateau)는 TNO의 용량을 발현하는 solid-solution reaction과 관련된 전기화학 반응에 해당한다. (b)의 TNO@PGO의 경우 270.0/286.8 mAh g-1의 충/방전 용량을 각각 나타내었고, 94.14%의 CE를 보여주었다. 이는 pristine TNO보다 더 높은 가역 용량이고 전기 전도성이 높은 GO와의 긴밀하고, 균일한 복합체가 형성됨을 통해 높은 용량을 얻을 수 있는 것으로 보인다. 각 전극의 전기화학 과정에 대한 얻기 위해, dQ/dV plot을 얻었으며, (c)에서의 pristine TNO의 경우 두개의 강한 피크가 보이는데, 1.66 V (충전 과정), 1.68 V (방전 과정)에서 각각 피크가 나타나며, 이는 Nb5 +/Nb4 +의 이온 산화수 변화에 해당한다. 그리고 1.7 V (방전 과정), 2.1 V (충전 과정)에서 나타나는 작은 피크는 Ti4+/Ti3+ redox couples에 해당한다. (d)의 TNO@PGO도 pristine TNO와 동일한 위치에서 각 redox reaction과 관련된 피크가 잘 나타나며, 복합화 공정 후에도 TNO가 가역적으로 리튬과 잘 반응함을 알 수 있다.
According to this, the pristine TNO of (a) had a charge/discharge capacity of 251.7/269.0 mAh g -1 , respectively, and showed a Coulombic efficiency (CE) of 93.57%. The voltage plateau in the 1.65 V region corresponds to the electrochemical reaction associated with the solid-solution reaction expressing the capacity of TNO. In the case of (b), TNO@PGO showed a charge/discharge capacity of 270.0/286.8 mAh g -1 , respectively, and showed 94.14% CE. This is higher reversible capacity than pristine TNO and it seems that a high capacity can be obtained through the formation of a tight and uniform complex with GO having high electrical conductivity. To obtain the electrochemical process of each electrode, a dQ/dV plot was obtained. In the case of pristine TNO in (c), two strong peaks were seen, at 1.66 V (charging process) and 1.68 V (discharging process), respectively. A peak appears, which corresponds to the change in the ionic oxidation number of Nb 5 + /Nb 4 +. And the small peaks appearing at 1.7 V (discharging process) and 2.1 V (charging process) correspond to Ti 4+ /Ti 3+ redox couples. TNO@PGO in (d) also shows peaks related to each redox reaction at the same position as pristine TNO, and it can be seen that TNO reversibly reacts well with lithium even after the complexing process.

실험예Experimental example 9: 9: 충방전Charge and discharge 사이클 평가 Cycle evaluation

1 C-rate에서 TNO@PGO 복합체와 pristine TNO 전극의 300회 충/방전 반복 후의 수명 특성을 도 10에 나타내었다. 이에 따르면, 결과적으로 TNO@PGO가 pristine TNO보다 수명 특성이 뛰어난 것을 볼 수 있는데, 1 C에서의 300 사이클 충/방전 평가 후 300번째 사이클에서 TNO@PGO의 가역 용량은 162.1 mAh g-1이며 이는 108.5 mAh g-1에 불과한 pristine TNO보다 낮은 용량 감소를 보이며, 반복되는 충/방전 후에도 99.8%의 높은 CE를 유지하였다. 이는 TNO 입자와 PGO가 복합체 내에서 균일하고 서로 밀접하게 분포하여 TNO에 효과적으로 전자 이동 경로를 제공하였기 때문에 지속적인 충/방전으로 발생하는 저항요인으로 인한 용량 감소를 전기 전도도의 증가로 잘 막아주었기 때문으로 보인다.
The lifespan characteristics of the TNO@PGO complex and pristine TNO electrodes at 1 C-rate after 300 charge/discharge cycles are shown in FIG. 10. According to this, as a result, it can be seen that TNO@PGO has better life characteristics than pristine TNO. After 300 cycle charge/discharge evaluation at 1 C, TNO@PGO has a reversible capacity of 162.1 mAh g -1 in the 300th cycle. It showed a lower capacity reduction than pristine TNO, which was only 108.5 mAh g -1 , and maintained a high CE of 99.8% even after repeated charging/discharging. This is because TNO particles and PGO are uniformly and closely distributed within the complex to provide an effective electron transport path to TNO, so the decrease in capacity due to resistance factors caused by continuous charging/discharging was well prevented by increasing the electrical conductivity. see.

실험예Experimental example 10: 10: 율특성Rate characteristics 평가 evaluation

각 전극의 출력 특성을 평가하기 위해 각 전류밀도 (1 C, 2 C, 5 C, 10 C, 20 C, 50 C) 에서의 율 특성 평가를 시행하여 그 결과를 도 11에 나타내었다. 이에 따르면, Pristine TNO의 경우, 1 C, 2 C, 5 C, 10 C, 20 C, 50 C에서 각각 212, 189.7, 147.4, 111.4, 59.28, 9.043 mAh g-1의 충전 용량를 나타내며 마지막 1 C 사이클에서 200.6 mAh g-1로 회복되었다. 한편 이와는 대조적으로 TNO@PGO는 246.8, 240.4, 214.1, 183.1, 122.6 44.97 mAh g-1의 pristine TNO 보다 더 높은 충전 용량을 나타내었고, 마지막 1 C 사이클에서 다시 249.2 mAh g-1로 TNO의 전극의 활성 후 높은 용량을 잘 회복되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 TNO@PGO의 뛰어난 율 특성을 확인할 수 있다. 이는 pristine TNO의 낮은 전기전도도를 PGO가 효과적으로 보완하여, 전극에 충/방전 시 전기 저항을 줄여주고 출력 특성을 크게 높여주었음을 의미한다.
In order to evaluate the output characteristics of each electrode, rate characteristics were evaluated at each current density (1 C, 2 C, 5 C, 10 C, 20 C, 50 C), and the results are shown in FIG. 11. According to this, for Pristine TNO, the charging capacity of 212, 189.7, 147.4, 111.4, 59.28, 9.043 mAh g -1 at 1 C, 2 C, 5 C, 10 C, 20 C and 50 C respectively, and the last 1 C cycle Recovered to 200.6 mAh g -1. On the other hand, in contrast, TNO@PGO showed higher charging capacity than pristine TNO of 246.8, 240.4, 214.1, 183.1, 122.6 44.97 mAh g -1 , and 249.2 mAh g -1 again in the last 1 C cycle. It can be seen that the high dose is well recovered after activation. This can confirm the excellent rate characteristics of TNO@PGO. This means that PGO effectively complements the low electrical conductivity of pristine TNO, reducing the electrical resistance when charging/discharging the electrode and greatly enhancing the output characteristics.

본 발명에서는 GO에 폴리도파민 코팅법을 도입하였다. 폴리도파민의 풍부한 작용기들(-OH catechol group)에 의하여 기능화된 표면을 가진 GO는 합성시에 무기 표면에 대한 접착 능력이 높으므로 간단한 초음파 공정으로 균일한 TNO/GO 복합체를 효과적으로 형성시켜 주었다. 얻어진 TNO/PGO 복합체는 기존 GO를 사용했을 때에 GO와 활물질이 각각 불균일한 분포를 보이는 것과는 달리 GO 표면을 따라 마이크로 크기의 TNO 입자들이 치밀하게 부착된 형태의 균일한 복합체의 형태를 보여주었다. 이는 TNO 입자들을 각각 전기적으로 잘 연계시켜 주어 수월한 전자 전도 경로를 제공하는 전자 전도 매트릭스(matrix)를 형성시켜 주어 율 특성 및 장수명 특성을 개선하는 데 지대한 영향을 주었다.
In the present invention, a polydopamine coating method was introduced to GO. GO, which has a surface functionalized by the abundant functional groups of polydopamine (-OH catechol group), has high adhesion to inorganic surfaces during synthesis, so that a uniform TNO/GO complex was effectively formed by a simple ultrasonic process. The obtained TNO/PGO complex showed a homogeneous complex shape in which micro-sized TNO particles were densely attached along the GO surface, unlike the non-uniform distribution of each of the GO and the active material when using conventional GO. This has had a profound effect on improving rate characteristics and long life characteristics by forming an electron conduction matrix that provides an easy electron conduction path by connecting each TNO particle well electrically.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
In the above, embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the art will add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes can be made to the present invention by means of the like, and this will also be said to be included within the scope of the present invention.

Claims (19)

그래핀옥사이드(GO), 및 상기 그래핀옥사이드(GO)의 표면에 코팅된 폴리도파민층을 포함하는 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO); 및
상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)의 표면에 부착된 TNO(TiNb2O7) 마이크로 입자;를 포함하고,
상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)는 시트(sheet) 형인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
Graphene oxide (PGO) including graphene oxide (GO), and a polydopamine coating layer including a polydopamine layer coated on the surface of the graphene oxide (GO); And
Including; TNO (TiNb 2 O 7 ) microparticles attached to the surface of graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer,
Graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer is a negative active material for a secondary battery, characterized in that the sheet (sheet) type.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 이차전지용 음극활물질은 단사정 결정(monoclinic crystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material for a secondary battery, characterized in that it comprises a monoclinic crystal (monoclinic crystal).
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 음극활물질은 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분석시 C-N 결합에 따른 1220 내지 1230 cm-1 에 위치하는 피크가 검출되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The anode active material for a secondary battery, characterized in that the peak located at 1220 to 1230 cm -1 according to CN binding is detected when Fourier transform infrared (FT-IR) analysis.
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 음극활물질은 X-선 광전자 분광법(XPS) 분석시 400 eV 피크, 286 eV 피크, 532 eV 피크, 및 200 내지 600 eV 피크가 검출되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The anode active material for secondary batteries is an anode active material for secondary batteries, characterized in that 400 eV peak, 286 eV peak, 532 eV peak, and 200 to 600 eV peak are detected upon X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 음극활물질은 (-303) 결정면을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material for a secondary battery, characterized in that it comprises a (-303) crystal plane.
제1항에 있어서,
상기 TNO 마이크로 입자는 나노 크기인 복수의 1차 입자들이 집합하여 형성되는 마이크로 크기의 2차 입자인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The TNO microparticles are micro-sized secondary particles formed by assembling a plurality of nano-sized primary particles.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)에서 폴리도파민은 8 내지 15wt% 함량인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
In the graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer, polydopamine is an anode active material for a secondary battery, characterized in that the content of 8 to 15wt%.
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 음극활물질은 TNO 마이크로 입자와 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO)가 10:2 내지 10:6의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material for a secondary battery is a negative active material for a secondary battery, characterized in that the graphene oxide (PGO) including the TNO microparticles and the polydopamine coating layer is included in a weight ratio of 10:2 to 10:6.
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 음극활물질은 상기 TNO 마이크로 입자가 상기 폴리도파민 코팅층을 포함하는 그래핀옥사이드(PGO) 표면적의 80 내지 90%를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative active material for a secondary battery is a negative active material for a secondary battery, characterized in that the TNO microparticles surround 80 to 90% of a surface area of graphene oxide (PGO) including the polydopamine coating layer.
(a) 용매열(solvothermal) 합성에 따라 TNO(TiNb2O7) 마이크로 입자를 제조하는 단계;
(b) 초음파 공정에 따라 그래핀옥사이드(GO)의 표면에 폴리도파민을 코팅하여 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 TNO 마이크로 입자를 분산시킨 용매에 상기 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 가하여, 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)의 표면에 TNO 마이크로 입자를 부착시키는 단계;를 포함하는 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
(a) preparing TNO (TiNb 2 O 7 ) microparticles according to solvent heat (solvothermal) synthesis;
(b) preparing polydopamine-coated graphene oxide (PGO) by coating polydopamine on the surface of graphene oxide (GO) according to an ultrasonic process; And
(c) adding the polydopamine-coated graphene oxide (PGO) to a solvent in which the TNO microparticles are dispersed, and attaching the TNO microparticles to the surface of the polydopamine-coated graphene oxide (PGO); Method for producing a negative active material for secondary battery comprising.
제12항에 있어서,
단계 (a)는,
(a-1) 용매에 티타늄 알콕사이드, 니오븀 할로게나이드, 및 산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(a-2) 상기 혼합물을 가열함으로써 용매열(solvothermal) 합성을 수행하여 TNO 전구체를 제조하는 단계;
(a-3) 상기 TNO 전구체를 세척하는 단계; 및
(a-4) 세척된 TNO 전구체를 건조 및 열처리하여 TNO 마이크로 입자를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 12,
Step (a),
(a-1) preparing a mixture by mixing titanium alkoxide, niobium halogenide, and acid in a solvent;
(a-2) preparing a TNO precursor by performing solvothermal synthesis by heating the mixture;
(a-3) washing the TNO precursor; And
(a-4) drying and heat treatment of the washed TNO precursor to prepare TNO microparticles; a method for producing a negative electrode active material for a secondary battery comprising a.
제13항에 있어서,
단계 (a-2)에서 상기 용매열 합성은 180 내지 220℃로 가열함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 13,
In step (a-2), the solvent heat synthesis is performed by heating at 180 to 220°C.
제12항에 있어서,
단계 (b)는,
(b-1) 완충용액에 그래핀옥사이드(GO)를 투입하고 초음파 처리하여 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액을 제조하는 단계;
(b-2) 상기 그래핀옥사이드를 포함하는 완충용액에 도파민 하이드로클로라이드를 첨가하고 초음파 처리를 추가로 수행하여 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 제조하는 단계; 및
(b-3) 상기 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드를 세척한 후 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 12,
Step (b),
(b-1) preparing a buffer solution containing graphene oxide by adding graphene oxide (GO) to the buffer solution and performing ultrasonic treatment;
(b-2) preparing polydopamine-coated graphene oxide (PGO) by adding dopamine hydrochloride to the buffer solution containing graphene oxide and further performing ultrasonic treatment; And
(b-3) washing and drying the graphene oxide coated with the polydopamine; method for producing a negative active material for a secondary battery comprising:
제12항에 있어서,
단계 (c)는,
(c-1) 증류수에 단계 (a)에서 합성한 TNO 마이크로 입자를 투입하여 초음파 분산시켜 TNO 분산액을 제조하는 단계;
(c-2) 증류수에 단계 (b)에서 합성한 폴리도파민이 코팅된 그래핀옥사이드(PGO)를 초음파 분산시켜 PGO 분산액을 제조하는 단계;
(c-3) 상기 TNO 분산액에 상기 PGO 분산액을 적가하여 혼합 분산액을 제조하는 단계; 및
(c-4) 상기 혼합 분산액을 20 내지 40분 동안 교반하여 TNO 마이크로 입자들이 PGO 시트에 부착되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 12,
Step (c),
(c-1) adding the TNO microparticles synthesized in step (a) to distilled water and ultrasonically dispersing it to prepare a TNO dispersion;
(c-2) preparing a PGO dispersion by ultrasonically dispersing the graphene oxide (PGO) coated with the polydopamine synthesized in step (b) in distilled water;
(c-3) preparing a mixed dispersion by dropwise adding the PGO dispersion to the TNO dispersion; And
(c-4) stirring the mixed dispersion for 20 to 40 minutes so that the TNO microparticles adhere to the PGO sheet; a method for producing a negative electrode active material for a secondary battery comprising:
제1항, 제3항 내지 제7항, 및 제9항 내지 제11항 중에서 선택된 어느 한 항을 포함하는 이차전지용 음극활물질을 포함하는 이차전지.A secondary battery comprising a negative active material for a secondary battery comprising any one selected from claims 1, 3 to 7, and 9 to 11. 제17항에 있어서,
상기 이차전지는 리튬이온전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
The method of claim 17,
The secondary battery, characterized in that the lithium ion battery.
제17항의 이차전지를 포함하는 휴대용 전자기기, 이동 유닛, 전력 기기 및 에너지 저장장치 중에서 선택된 어느 하나의 디바이스.
Any one device selected from a portable electronic device, a mobile unit, a power device, and an energy storage device including the secondary battery of claim 17.
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