KR102220358B1 - 인(p)계 복합체의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 또는 나트륨 이온 이차전지 - Google Patents

인(p)계 복합체의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 또는 나트륨 이온 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, (a) 오산화인(P2O5) 분말 및 순금속(M) 분말을 혼합하는 단계: 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 인/금속산화물 복합체(P/MxOy)를 제조하는 단계;를 포함하는 인계 복합체의 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 복합체 제조방법에 의하면, 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고 간단한 고체 합성법인 볼밀링을 이용하여 간단하고 효율적으로 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 제조할 수 있고, 또한, 상기 방법에 의해 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 이차전지의 전극 활물질로 사용할 경우, 기존의 리튬 및 나트륨 이온 이차전지용 리튬 합금계 전극물질의 단점인 부피팽창에 의한 수명 저하 특성 등의 문제점을 해결할 수 있고 높은 용량을 유지하면서 초기 효율이 우수해 고용량 및 우수한 싸이클 수명을 가지는 리튬 및 나트륨 이온 이차전지 시스템을 구현할 수 있다.

Description

인(P)계 복합체의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 또는 나트륨 이온 이차전지{METHOD FOR MANUFACTURING PHOSPHORUS BASED COMPOSITE AND Li-ION OR Na-ION SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 제조하는 방법 및 상기 복합체를 함유하는 리튬 또는 나트륨 이온 이차전지용 음극물질, 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
최근 노트북, 휴대폰과 같은 휴대용 전자기기의 보편화 및 전기자동차, 스마트 그리드 등의 고용량 에너지 저장장치의 필요성에 따라 에너지 소자영역에서 고에너지 밀도를 갖는 리튬 및 나트륨 이온 이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지는 안정성, 가격, 수명 등에서 장점이 있는 그라파이트와 같은 탄소계 소재를 음극 활물질로 사용되고 있으나, 결정성이 잘 발달하여도 이론적으로 6개의 탄소 원자당 최대 1개의리튬 이온만을 저장(LiC6)할 수 있기 때문에 약 372 mAh/g이라는 제한된 용량의 한계가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 대안으로 현재 규소(Si), 주석(Sn) 인(P), 등과 같은 합금계 음극 활물질에 대한 연구가 요구된다. 합금계 음극 활물질은 리튬이온과 합금/비합금화 반응으로 많은 양의 리튬과 반응하여 탄소계 음극 물질의 제한된 용량보다 더 높은 무게당/부피당 충전 및 방전 용량을 구현할 수 있으며, 높은 충전 방전 전류에도 사용 가능하다는 장점을 가진다.
그러나 합금계 음극 활물질은 리튬 이온의 충전 및 방전시에 상변화로 인한 금속 전극의 부피팽창으로 인한 활물질의 파괴를 일으켜서 비가역 용량이 증가하며, 싸이클 특성을 저하시키는 큰 문제점을 일으킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 나노 크기의 분말을 제조, 표면에 탄소 및 무기질을 코팅, 및 결정성장방향을 조절하는 등 부피팽창 문제를 해결하려는 노력으로, 일부에 한해서 상업적으로 사용하려는 추세이나 아직까지는 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 제2006-0074819호(공개일: 2006.08.08.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 이차전지 특히 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 음극 재료로 이용되어 기존의 음극 재료와 달리 입자 조대화에 의한 부피 변화의 문제점이 없으며, 특히 싸이클 수명을 매우 향상시킬 수 있는, 인(P)계 복합체(P/MxOy), 그 제조 방법, 상기 복합체를 포함하는 이차전지 및 그 이용 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오산화인(P2O5)과 순금속(M=Ti, Al, Mg 등) 분말을 간단한 기계적 환원 반응에 의해 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 제조하는 새로운 방법을 제시하며, 이는 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고도 간단하고 효율적으로 나노 복합체를 제조하고, 이를 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 음극 물질로 이용 가능하게 할 수 있는, 복합체, 그 제조 방법, 상기 복합체를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, (a) 오산화인(P2O5) 분말 및 순금속(M) 분말을 혼합하는 단계: 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 인/금속산화물 복합체(P/MxOy)를 제조하는 단계;를 포함하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 인/금속산화물 복합체에 포함되는 인(P)은 적린, 흑린 및 백린으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 순금속은 오산화인(P2O5)과의 반응에서 음(-)의 표준 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)변화를 가지는 금속 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 순금속은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 망간(Mn), 붕소(B), 지르코늄(Zr) 및 칼슘(Ca)으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 순금속은 Ti이고, 상기 금속산화물은 TiO2인 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 순금속은 Al이고, 상기 금속산화물은 Al2O3인 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 순금속은 Mg이고, 상기 금속산화물은 MgO인 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 고에너지 스펙스 밀(high-energy spex mill), 진동 밀(vibrotary-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill)로 기계적 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 평균 직경 1 nm 이상 500 μm 미만인 입자크기를 가진 분말 형태의 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 복합체 입자 내 평균 직경 100 nm 이하의 인(P)계 복합체(P/MxOy) 결정립을 포함하는 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법을 제공한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 복합체를 포함하는 이차전지용 음극 활물질과 이를 포함하는 리튬 이온 이차전지 또는 나트륨 이온 이차전지를 제공한다.
본 발명의 따른 복합체 제조방법에 의하면, 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고도 간단하고 효율적으로 복합체를 제조할 수 있다. 상기 복합체는 이차전지 특히 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 음극 활물질로 이용되어 기존의 이차전지 음극 재료와 달리 높은 용량을 유지하면서 초기 효율이 우수하고, 입자 조대화에 의한 부피 변화의 문제점이 없다. 또한, 상기 복합체를 이용하는 이차전지, 특히, 리튬 및 나트륨 이온 이차전지는 싸이클 수명을 매우 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인/금속산화물 복합체(P/MxOy) 제조방법의 각 단계를 순서대로 기재한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인(P)과 금속산화물을 함유한 복합체를 음극 활물질로 포함하는 리튬 이차전지의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인(P)과 금속산화물을 함유한 복합체를 음극 활물질로 포함하는 리튬 이차전지 음극의 개략도이다.
도 4는 원소(P, Ti, Al, Mg을 포함)와 산소와의 산화물에 대한 표준 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)변화와 섭씨온도와의 관계를 나타낸 엘링감 도표이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(TiO2) 복합체의 X-선 회절분석 특성결과 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(Al2O3) 복합체의 X-선 회절분석 특성결과 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(MgO) 복합체의 X-선 회절분석 특성결과 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(TiO2) 복합체의 고분해능-투과전자현미경(HR-TEM) 분석결과이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(Al2O3) 복합체의 고분해능-투과전자현미경(HR-TEM) 분석결과이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(MgO) 복합체의 고분해능-투과전자현미경(HR-TEM) 분석결과이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(TiO2) 복합체의 전기화학적 충방전 실험 결과 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(Al2O3) 복합체의 전기화학적 충방전 실험 결과 그래프이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 인(P)과 금속산화물(MgO) 복합체의 전기화학적 충방전 실험 결과 그래프이다.
도 8은 인(P)-금속산화물(TiO2) 복합체 및 상용화 중인 흑연 음극의 싸이클 수명 실험 결과 그래프이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 인(P)계 복합체(P/MxOy)의 제조방법은, 도 1에 도시한 바와 같이, (a) 오산화인(P2O5) 분말 및 순금속(M) 분말을 혼합하는 단계: 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 인/금속산화물 복합체(P/MxOy)를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 단계 (a)에서는 복합체 제조를 위한 출발 원료 물질인 오산화인(P2O5) 분말과 순금속 분말을 혼합하는 단계로서, 오산화인(P2O5) 분말과 순금속 분말을 균일하게 혼합할 수 있는 방법이기만 하다면, 본 단계를 수행하기 위한 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않는다.
한편, 상기 순금속 분말은, 후술할 단계 (b)에서 기계적 에너지를 가해 오산화인(P2O5)를 환원시킬 수 있도록, 온도의 함수로서 산화물 형성의 표준 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)변화를 나타내는 엘링감 도표(Ellingham diagram) 상 오산화인(P2O5) 보다 음(-)의 표준 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)변화를 가지는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이러한 순금속으로는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 망간(Mn), 붕소(B), 지르코늄(Zr) 및 칼슘(Ca)으로부터 1종 이상을 선택할 수 있다.
다음으로, 상기 단계 (b)는 전 단계에서 얻어진 분말을 기계적 에너지를 인가해 기계적 환원 반응을 유도하여 인(P)과 상기 순금속의 산화물(TiO2, Al2O3, MgO 등)을 포함하는 나노 복합체를 제조하는 단계이다.
즉 본 단계 (b)에서는 오산화인(P2O5) 분말 과 순금속(M=Ti, Al, Mg 등) 분말을 포함하는 혼합 분말에, 볼밀링을 통해 기계적 에너지를 인가해 기계적 환원 반응을 일으켜 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 얻게 되며, 순금속으로서 Ti, Al 또는 Mg가 사용될 경우 각각 아래의 반응식으로 표현할 수 있다.
<반응식>
(1) 2P2O5 + 5Ti = 4P + 5TiO2
(2) 3P2O5 + 10Al = 6P + 5Al2O3
(3) P2O5 + 5Mg = 2P + 5MgO
상기 반응식을 참조하면, 볼밀링을 이용한 기계적 환원 반응에 의하여, 인(P)과 금속산화물(TiO2, Al2O3, MgO)을 함유한 나노 복합체를 제조할 수 있다. 특히, 화학 반응을 유도하기 위해 간단한 공정의 볼밀링 법을 사용함으로써, 기존의 화학적 합성 방법을 수행하지 않고도 간단하고 효율적으로 복합체를 제조할 수 있다.
상기 인(P)계 복합체(P/MxOy)는, 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 음극 활물질로서 이용되는 경우 충전 및 방전이 진행되는 동안 응집현상이 발생하지 않고, 종래의 리튬 합금계 전극물질의 단점인 부피팽창에 의한 수명 저하 특성의 문제점을 해소시킬 수 있다. 이러한 복합체의 특성은 특히 복합체에 포함되는 인(P)계 복합체(P/MxOy)가 나노 크기의 결정립 또는 비정질 입자일 경우 특히 우수하다.
본 단계 (b)에 있어서, 출발 원료물질인 오산화인(P2O5) 분말 및 순금속(M=Ti, Al, Mg 등) 분말의 혼합 분말에 기계적 에너지를 가하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 오산화인(P2O5)의 기계적 환원 반응을 유도할 수 있는 고에너지 볼밀링(ball milling)을 이용하는 것이 바람직하다.
참고로, 고에너지 볼밀링은 고회전력을 통한 높은 에너지를 반응물질에 가함으로써, 분말을 미립화시키는 것은 물론 분말 입자 간의 극대화된 확산력을 통해 상기 반응식 (1) 내지 (3) 등과 같은 환원 반응을 유도할 수 있다.
상기 고에너지 볼밀링은 고에너지 스펙스 밀(high-energy spex mill), 진동 밀(vibrotary-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill) 등 고에너지 볼밀링을 위하여 사용되는 공지의 모든 볼밀링 장치에 의해 수행될 수 있다. 참고로, 통상적인 고에너지 볼밀링 과정에서는 볼밀링 동안에 온도가 200℃로 상승할 수 있으며, 압력도 6 GPa의 오더로 될 수 있다.
상기와 같이 고에너지 볼 밀링을 이용한 기계적 환원 반응을 사용하면, 기존의 화학적 합성 방법을 수행하지 않고도 간단하고 효율적으로 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 나노 크기로 제조할 수 있다.
한편, 고에너지 볼 밀링을 이용한 고상 합성법을 통해 본 발명에 따른 복합체를 제조하는 보다 구체적인 방법은 아래와 같다.
먼저, 균일하게 혼합된 전 오산화인(P2O5) 분말과 순금속(M=Ti, Al, Mg 등) 분말을 원통형 바이얼에 볼과 함께 장입하여 고에너지 볼밀링기에 장착시킨 후 분당 700회의 회전속도로 기계적 합성을 수행하여 인(P)계 복합체(P/MxOy) 를 제조한다. 상기 볼 밀링은 12시간 동안 수행될 수 있다. 여기서, 볼과 혼합물의 무게비는 예컨대, 10:1~30:1로 유지하도록 하며, 수분의 영향을 최대한 억제하기 위해서 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스(glove box) 내에서 기계적 합성을 준비한다.
상술한 제조방법에 의해 제조된 인(P)계 복합체(P/MxOy), 특히, 나노 크기의 인(P)계 복합체(P/MxOy) 는 향상된 고율 특성 및 충전, 방전 특성을 가지므로 이차전지, 특히 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 전극 활물질 재료로 사용하는 것에 적합하다. 특히, 리튬 이온 이차전지에서 반복적 충전 및 방전의 효율이 개선될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 복합체는 기존의 상용화된 이차전지 시스템의 이론 용량에 비해서 높은 무게당 및 부피당 용량을 가지며, 상기 복합체를 포함하는 이차전지의 싸이클 수명도 매우 우수하다.
또한, 상기 복합체 내에 포함되는 인(P)계 복합체(P/MxOy)는 평균 직경 100nm인 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명은 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 포함하는 이차전지용 전극 활물질을 포함하는 이차전지를 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 전극 활물질로 포함하는 리튬 이차전지의 개략도이다.
상기 리튬 이차전지(1)는 양극(12), 음극(11) 및 상기 양극(12)과 상기 음극(11) 사이에 배치된 세퍼레이터(13)를 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차전지(1)는 전해질(미도시), 전지 용기(14), 및 상기 전지 용기(14)를 봉입하는 봉입부재(15)를 더 포함할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지(1)는 상기 양극(12), 상기 음극(11) 및 상기 세퍼레이터(13)를 차례로 적층한 후, 권취된 상태로 상기 전지용기(14)에 수납하여 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 포함하는 리튬 이차전지 음극의 개략도이다.
상기 음극(11)은 집전체(111) 및 상기 집전체(111) 상에 형성된 활물질층(112)을 포함할 수 있다. 상기 활물질층(112)은 본 발명에 따른 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 함유한 복합체를 포함한다. 상기 음극(11)은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)등 의 비수용성 바인더 또는 폴리에틸렌이민, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아크릴릭애씨드(PAA), 카복시메틸셀룰로스(CMC), 스티렌-부타디엔 레버(SBR) 등의 수용성 바인더를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예> 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 함유한 복합체 및 이를 포함하는 이차전지의 제조
(1) 인(P)계 복합체(P/M x O y )를 함유한 복합체의 제조
도 4는 원소(P, Ti, Al, Mg을 포함)와 산소(O2)와의 산화물에 대한 표준자유에너지변화와 섭씨온도와의 관계를 나타낸 엘링감 도표이며, 다양한 산화물중 오산화인(P2O5)보다 음의 표준 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)변화를 갖는 원소가 포함된 전극은 본 발명의 실시예가 될 수 있다.
우선, 시중에서 쉽게 구입 가능한 오산화인(P2O5), 금속(M=Ti, Al, Mg) 분말을 상기 반응식 (1) 내지 (3) 각각에 따른 몰비로 섞은 후, 지름 5.5 cm, 높이 9 cm의 SKD11 재질의 원통형 바이얼에 3/8인치 크기의 볼과 함께 장입하여 볼밀기(vibrating mill, spex 8000)에 장착시킨 후 분당 700회의 회전속도로 기계적 합성을 수행하였다.
이때, 볼과 분말과의 무게 비는 20:1로 유지하였으며 수분의 영향을 최대한 억제하기 위해서 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스 내에서 기계적 합성을 준비하였다. 상기 기계적 합성을 12시간 수행하여 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 형성하였다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 인(P)계 복합체(P/MxOy)의 X-선 회절분석 특성 결과 그래프이다. 합성된 인(P)과 금속산화물(TiO2, Al2O3, MgO) 복합체는 수십 나노에서 수 나노의 형태로 손쉽게 합성 할 수 있다. 인(P)(이론용량: 2596 mAh/g)을 리튬 이온 이차전지의 전극재료로 사용하였을 경우, 현재 상용화 되고 있는 탄소계 음극(흑연, 이론용량: 372 mAh/g) 물질보다 높은 용량을 구현할 수 있다. 하지만 반복적 충전 및 방전 과정에서 발생하는 인(P)의 부피팽창으로 인하여 수명특성이 좋지 않으며 이러한 문제를 해결하기 위하여 부피팽창을 제어할 수 있는 금속산화물(TiO2, Al2O3, MgO)과 복합체를 이루는 방법을 통해 효과적으로 위의 문제를 해결할 수 있다. 본 연구의 일 실시예에서 사용하는 물질은 인(P)과 금속산화물(TiO2, Al2O3, MgO) 복합체를 위하여, 오산화인(P2O5), 순금속(M=Ti, Al, Mg) 분말을 반응식의 몰비로 함께 혼합하여 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 제조하여 사용한다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 상기 형성된 복합체의 고분해능 투과전자현미경 (HR-TEM)이다. 도 6a를 참고하면 금속산화물(TiO2) 상이 나노 사이즈의 결정립으로 잘 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 도 6b를 참고하면 금속산화물(Al2O3) 상이 나노 사이즈의 결정립으로 잘 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 도 6c를 참고하면 금속산화물(MgO) 상이 나노 사이즈의 결정립으로 잘 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 이때 나노 크기의 금속 산화물(MxOy)의 역할은 인(P)의 리튬 및 나트륨 이온 충방전시 일어나는 부피팽창을 억제하는 매트릭스 역할, 전도성 향상을 한다.
(2) 인(P)계 복합체(P/M x O y ) 및 이를 포함하는 이차전지의 초기 효율 특성, 싸이클 특성 및 고율 특성의 평가
도 7a, 도 7b, 및 도 7c는 인(P)계 복합체(P/MxOy)의 전기화학적 충방전 실험 결과 그래프이다. 도 7a는 본 발명의 1실시예인 인(P) 및 금속산화물(TiO2)을 함유한 복합체이며, 도 7b는 본 발명의 1실시예인 인(P) 및 금속산화물(Al2O3)을 함유한 복합체이며, 도 7c는 본 발명의 1실시예인 인(P) 및 금속산화물(MgO)을 함유한 복합체이다. 상기 그래프는 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 이용한 경우에 있어서의 제 1, 2, 5, 10, 15 싸이클에 대한 충전 및 방전 거동을 각각 보여주는 그래프이다. 인(P) 및 금속산화물(TiO2)를 이용한 경우에 있어서 제 1 싸이클의 충전 및 방전 용량이 823 mAh/g와 565 mAh/g을 나타내며, 초기 싸이클의 효율은 약 69%정도를 나타내었고, 인(P) 및 금속산화물(Al2O3)를 이용한 경우에 있어서 제 1 싸이클의 충전 및 방전 용량은 735 mAh/g와 595 mAh/g을 나타내며, 효율은 약 81%정도를 나타내었고, 인(P) 및 금속산화물(MgO)를 이용한 경우에 있어서 제 1 싸이클의 충전 및 방전 용량이 682 mAh/g와 484 mAh/g을 나타내며, 초기 싸이클의 효율은 약 71%정도를 나타내었다. 이 용량은 기존의 탄소계 음극(372 mAh/g)에 비해 상당히 높은 값을 보였다.
도 8은 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 음극 활물질로 사용한 경우 싸이클 특성 데이터를 보여주는 그래프로서 본 발명의 제 1 실시예인 인(P) 및 금속산화물(TiO2)을 음극 활물질 재료로 사용한 이차전지의 경우, 0V 내지 2.5V 반응 전위에서 수 싸이클에 대해서도 용량변화 없이 우수한 수명특성을 보인다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 이차전지 특히 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 음극 물질로 사용하며, 이 경우 이차전지 특히 리튬 및 나트륨 이온 이차전지의 충전 및 방전 시 음극에서 발생하는 음극물질의 부피 변화로 인한 물질의 인(P)계 복합체(P/MxOy) 제조로 인하여 최소화할 수 있다.
이에 따라 이차전지 특히 리튬 및 나트륨 이온 이차전지 음극에서 가장 중요시되는 기계적 안정성을 확보할 수 있고, 용량과 싸이클 수명도 향상할 수 있다. 나아가, 상기 인(P)계 복합체(P/MxOy)가 사용되는 이차전지, 특히 리튬 이온 이차전지는 높은 용량 및 우수한 싸이클 특성을 나타낸다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 리튬 이차전지 11: 음극
12: 양극 13: 세퍼레이터
14: 전지 용기 15: 봉입부재
111: 집전체 112: 활물질층

Claims (13)

  1. (a) 오산화인(P2O5) 분말 및 순금속(M) 분말을 혼합하는 단계: 및
    (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 인/금속산화물 복합체(P/MxOy)를 제조하는 단계;를 포함하되,
    상기 순금속은 Al이고, 상기 금속산화물은 Al2O3인 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인/금속산화물 복합체에 포함되는 인(P)은 적린, 흑린 및 백린으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 있어서,
    상기 단계 (b)에서 고에너지 스펙스 밀(high-energy spex mill), 진동 밀(vibrotary-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill)로 기계적 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 평균 직경 1 nm 이상 500 μm 미만인 입자크기를 가진 분말 형태의 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 복합체 입자 내 평균 직경 100 nm 이하의 인(P)계 복합체(P/MxOy) 결정립을 포함하는 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 인계 복합체의 제조방법.
  11. 제1항, 제2항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 인(P)계 복합체(P/MxOy)를 포함하는 이차전지용 음극 활물질.
  12. 제11항의 음극 활물질을 포함하는 리튬 이온 이차전지.
  13. 제11항의 음극 활물질을 포함하는 나트륨 이온 이차전지.
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