KR102229451B1 - Method for preparing maghemite - Google Patents

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손권남
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Abstract

본 발명은 마그헤마이트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, NaBH4와 Fe(NO3)3·9H2O를 반응 시간과 반응 온도를 제어하여 결정성 레피도크로사이트(γ-FeOOH)를 제조한 뒤, 비활성기체 조건하에서 열처리하여 높은 순도의 마그헤마이트(γ-Fe2O3)를 제조할 수 있고, 이를 리튬-황 이차전지의 양극에 적용하여 방전 용량을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method for producing maghemite, and more particularly, NaBH 4 and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O by controlling the reaction time and reaction temperature to control the reaction time and crystalline lepidocrocite (γ-FeOOH ), and then heat treatment under inert gas conditions to produce high-purity maghemite (γ-Fe 2 O 3 ), which can be applied to the positive electrode of a lithium-sulfur secondary battery to improve the discharge capacity. .

Description

마그헤마이트의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING MAGHEMITE}Manufacturing method of maghemite {METHOD FOR PREPARING MAGHEMITE}

본 발명은 리튬-황 이차전지의 전극 촉매로 사용 가능한 마그헤마이트 (Maghemite)의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing maghemite that can be used as an electrode catalyst for a lithium-sulfur secondary battery.

최근 전자기기의 소형화 경향이 휴대전화, 노트북(PC), 휴대용 개인 정보 단말기(PDA) 등으로 점점 다양해지면서, 이차전지 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 나아가 전기 자동차(electronic vehicle)나 하이브리드 자동차(hybrid electronic vehicle)가 실용화되면서, 용량과 출력이 높고 안정성이 뛰어난 이차전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Recently, as the trend of miniaturization of electronic devices has gradually diversified to mobile phones, notebook computers (PCs), portable personal information terminals (PDAs), etc., interest in secondary battery technology is increasing. Furthermore, as an electric vehicle or a hybrid electronic vehicle is put into practical use, research on a secondary battery having high capacity and output and excellent stability is being actively conducted.

이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등으로 구성되어 있는데, 여러 소재의 비용 중에 양극의 비용이 차지하는 비율이 가장 높다. 리튬 이차전지의 양극재료는 일반적으로 충방전시 높은 에너지밀도를 가지는 동시에 가역 리튬이온의 층간 삽입, 탈리에 의해 구조가 파괴되지 않아야 하며, 전기전도도가 높고 전해질로 사용되는 유기용매에 대한 화학적 안정성이 높아야 한다. 나아가 제조비용이 낮고, 환경오염 문제가 최소가 되는 물질인 것이 바람직하다.The secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, and the cost of the positive electrode is the highest among the cost of various materials. The cathode material of a lithium secondary battery generally has a high energy density when charging and discharging, and the structure should not be destroyed by intercalation and desorption of reversible lithium ions, and has high electrical conductivity and chemical stability to the organic solvent used as an electrolyte. It should be high. Furthermore, it is preferable that it is a material that has a low manufacturing cost and minimizes environmental pollution problems.

최근 리튬 이온전지에서 높은 에너지 용량을 발현할 수 있는 양극 활물질로서 황(sulfur)이 주목받고 있는데, 황은 약 1675 mAh/g의 높은 이론 용량과 2600W h/Kg의 높은 에너지 밀도를 가지며, 가격이 저렴하고 독성이 없는 성질을 가지고 있기 때문이다.Recently, sulfur is attracting attention as a positive electrode active material capable of expressing high energy capacity in lithium ion batteries. Sulfur has a high theoretical capacity of about 1675 mAh/g and a high energy density of 2600 W h/Kg, and the price is low. It is because it has a non-toxic property.

그러나, 황을 사용한 리튬-황 이차전지는 하기의 특허 등에서 보고된 바 있으나 황은 전기 전도도가 낮고, 충방전 반응 중에 다황화물(polysulfide)를 형성하고 리튬 금속 표면에 보호층을 형성하여 수명 특성이 나빠지고 전기화학적인 활성도가 낮아지는 문제를 일으킬 수 있어 상업화되기 까지 해결하여야 할 문제가 많이 있다.However, lithium-sulfur secondary batteries using sulfur have been reported in the following patents, but sulfur has low electrical conductivity, forms polysulfides during charge/discharge reactions, and forms a protective layer on the surface of lithium metal, resulting in improved lifespan characteristics. There are many problems that must be solved before commercialization because it can cause problems that fall out and decrease electrochemical activity.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 리튬-황 이차전지의 용량과 수명 특성을 개선하기 위한 전극 재료에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 마그헤마이트가 리튬-황 이차전지의 방전용량 및 수명특성 향상에 효과가 있음이 보고된 바 있어, 마그헤마이트를 제조하는 기술에 대한 관심도 더욱 커지고 있으나, 아직까지 리튬-황 이차전지의 전극 재료로 적합한 형태의 마그헤마이트의 제조기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지지 않고 있는 실정이다.In order to solve these problems, research on electrode materials to improve the capacity and life characteristics of lithium-sulfur secondary batteries is being actively conducted, and maghemite is used to improve the discharge capacity and life characteristics of lithium-sulfur secondary batteries. As it has been reported that there is an effect, interest in the technology for manufacturing maghemite is increasing, but studies on the manufacturing technology of maghemite in a form suitable as an electrode material for lithium-sulfur secondary batteries have been actively conducted. The situation is not losing.

대한민국 등록특허 제10-0482279호(2005.03.31), "산화철 나노분말 및 그 제조방법"Korean Patent Registration No. 10-0482279 (2005.03.31), "Iron oxide nanopowder and its manufacturing method"

본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, NaBH4와 Fe(NO3)3·9H2O 를 적정 농도의 수용액 상태로 반응시키되, 반응 시간과 반응 온도를 제어하여 γ-FeOOH을 제조한 뒤, 이를 비활성기체 하에서 열처리 하여 높은 순도의 마그헤마이트(γ-Fe2O3)를 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.As a result of conducting various studies to solve the above problems, the present inventors reacted NaBH 4 and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O in an aqueous solution of an appropriate concentration, but by controlling the reaction time and reaction temperature, γ- After preparing FeOOH, it was confirmed that high purity maghemite (γ-Fe 2 O 3 ) could be prepared by heat-treating it under an inert gas.

따라서, 본 발명의 목적은 간소한 공정을 통해 높은 순도의 마그헤마이트의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing high purity maghemite through a simple process.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

(1) Fe(NO3)3·9H2O 및 하기 화학식 1로 표시되는 표시되는 환원제를 혼합하여 반응시키는 단계;(1) mixing and reacting Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and a reducing agent represented by the following formula (1);

(2) 상기 (1)단계 이후, 비활성기체 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 마그헤마이트의 제조방법을 제공한다.(2) After the step (1), it provides a method for producing maghemite comprising the step of heat-treating in an inert gas atmosphere.

[화학식 1][Formula 1]

M1(BH4)X M 1 (BH 4 ) X

상기 화학식 1에서, M1은 Li, Na, Mg, K 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나이고, X는 1 또는 2이다.In Formula 1, M 1 is any one selected from Li, Na, Mg, K, and Ca, and X is 1 or 2.

이 때, 상기 (2)단계는 비활성기체 대기 하에서 또는 비활성기체가 지속적으로 유입되는 상태일 수 있다.At this time, the step (2) may be a state in which an inert gas is continuously introduced under an inert gas atmosphere.

이 때, 상기 비활성기체는 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.In this case, the inert gas may be selected from the group consisting of nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof.

이 때, 상기 열처리는 250 내지 600℃에서 이루어질 수 있다.In this case, the heat treatment may be performed at 250 to 600°C.

이 때, 상기 열처리는 1 내지 4시간 동안 이루어질 수 있다.At this time, the heat treatment may be performed for 1 to 4 hours.

본 발명에 따르면, NaBH4와 Fe(NO3)3·9H2O 을 반응시키는 단계 및 열처리를 포함하는 간소한 공정에 의해 고순도의 마그헤마이트(γ-Fe2O3)를 제조할 수 있다.According to the present invention, high purity maghemite (γ-Fe 2 O 3 ) can be prepared by a simple process including a step of reacting NaBH 4 and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and heat treatment. .

상기 NaBH4와 Fe(NO3)3·9H2O 의 반응 시 반응 온도와 반응 시간을 조절하는 것만으로도 제조되는 마그헤마이트(γ-Fe2O3)의 형상 및 순도를 조절할 수 있다.When the NaBH 4 and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O are reacted, the shape and purity of the produced maghemite (γ-Fe 2 O 3 ) can be controlled by simply controlling the reaction temperature and the reaction time.

또한, 제조된 마그헤마이트(γ-Fe2O3)를 리튬-황 이차전지 양극재로 적용할 경우 리튬-황 이차전지의 방전 용량을 증가시킬 수 있다.In addition, when the prepared maghemite (γ-Fe 2 O 3 ) is applied as a cathode material for a lithium-sulfur secondary battery, the discharge capacity of the lithium-sulfur secondary battery can be increased.

도 1은 제조예에서 제조된 레피도크로사이트에 대한 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 2는 실시예에서 제조된 마그헤마이트에 대한 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 3은 제조예 및 실시예에서 각각 제조된 레피도크로사이트 및 마그헤마이트에 대한 XRD(X-ray Diffraction Spectroscopy) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 4은 제조예 및 실시예에서 각각 제조된 레피도크로사이트 및 마그헤마이트를 적용한 리튬-황 이차전지의 방전용량 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a lepidocrocite prepared in Preparation Example.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of maghemite prepared in Example.
3 is a graph showing the results of X-ray Diffraction Spectroscopy (XRD) analysis of repidocrosite and maghemite prepared in Preparation Examples and Examples, respectively.
4 is a graph showing discharge capacity test results of lithium-sulfur secondary batteries to which repidocrocite and maghemite each prepared in Preparation Examples and Examples are applied.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

본 발명은 마그헤마이트(Maghemite)의 제조방법에 관한 것으로서, 리튬-황 이차전지의 양극재로 적용하여 방전 용량을 향상시킬 수 있는 형태 및 물성을 가지는 마그헤마이트를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing maghemite, and relates to a method for manufacturing maghemite having a form and physical properties capable of improving discharge capacity by applying it as a cathode material of a lithium-sulfur secondary battery. will be.

본 발명에 따른 마그헤마이트의 제조방법은 The method for producing maghemite according to the present invention is

(1) Fe(NO3)3·9H2O 및 하기 화학식 1로 표시되는 표시되는 환원제를 혼합하여 반응시키는 단계;(1) mixing and reacting Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and a reducing agent represented by the following formula (1);

(2) 상기 (1)단계 이후, 비활성기체 분위기에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.(2) After the step (1), it may include a step of heat treatment in an inert gas atmosphere.

[화학식 1][Formula 1]

M1(BH4)X M 1 (BH 4 ) X

상기 화학식 1에서, M1은 Li, Na, Mg, K 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나이고, X는 1 또는 2이다.In Formula 1, M 1 is any one selected from Li, Na, Mg, K, and Ca, and X is 1 or 2.

이하에서 각 단계별로 자세히 설명한다.It will be described in detail for each step below.

레피도크로사이트의Lepidocrocite 제조단계: 단계(1) Manufacturing Step: Step (1)

상기 Fe(NO3)3·9H2O 및 상기 화학식 1로 표시되는 환원제는 모두 수용액 형태일 수 있으며, 상기 화학식 1로 표시되는 환원제 수용액에 상기 Fe(NO3)3·9H2O 수용액을 첨가시켜 혼합하고 반응시키는 것일 수 있다. Both the Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and the reducing agent represented by Formula 1 may be in the form of an aqueous solution, and the Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O aqueous solution is added to the reducing agent aqueous solution represented by Formula 1 By mixing and reacting.

만약, 반대로 혼합과 반응을 진행할 경우 제조되는 레피도크로사이트의 순도가 저하될 수 있다. 즉, 상기 Fe(NO3)3·9H2O 수용액에 상기 화학식 1로 표시되는 환원제 수용액을 첨가시켜 혼합하고 반응시킬 경우 제조되는 레피도크로사이트의 순도가 저하될 수 있다.If, on the contrary, mixing and reaction proceeds, the purity of the prepared repidocrocite may decrease. That is, when the Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O aqueous solution is mixed and reacted by adding the reducing agent aqueous solution represented by Chemical Formula 1, the purity of the prepared repidocrocite may be lowered.

상기 Fe(NO3)3·9H2O 수용액은 0.04 내지 0.08 M, 바람직하게는 0.05 내지 0.06 M 일 수 있으며, 0.04 M 미만이면 레피도크로사이트의 제조 수율이 낮아질 수 있고, 0.08 M 초과이면 이후 제조되는 마그헤마이트의 물성이 리튬-황 이차전지의 양극재로 적용하기에 적합하지 않을 수 있다. The Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O aqueous solution may be 0.04 to 0.08 M, preferably 0.05 to 0.06 M, and if it is less than 0.04 M, the production yield of repidocrocite may be lowered, and if it exceeds 0.08 M, then The physical properties of the produced maghemite may not be suitable for application as a cathode material for a lithium-sulfur secondary battery.

상기 화학식 1로 표시되는 환원제 수용액은 0.2 내지 0.5 M, 바람직하게는 0.3 내지 0.4 M 일 수 있으며, 0.2 M 미만이면 레피도크로사이트가 제조되지 않고, 0.5 M 초과이면 반응이 진행되지 않을 수 있다.The reducing agent aqueous solution represented by Formula 1 may be 0.2 to 0.5 M, preferably 0.3 to 0.4 M, and if it is less than 0.2 M, repidocrocite is not prepared, and if it is more than 0.5 M, the reaction may not proceed.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 의하면, 상기 화학식 1로 표시되는 환원제는 NaBH4 일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the reducing agent represented by Formula 1 may be NaBH 4.

Fe(NO3)3·9H2O 수용액과 NaBH4 수용액을 반응시킬 경우, Fe3 + 양이온이 Fe 금속 형태로 전환된 이후 수용액 상에서 자연스럽게 레피도크로사이트가 합성될 수 있다.When the Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O aqueous solution and the NaBH 4 aqueous solution are reacted, the repidocrocite can be naturally synthesized in the aqueous solution after the Fe 3 + cation is converted to the Fe metal form.

상기 Fe(NO3)3·9H2O 과 상기 화학식 1로 표시되는 환원제의 혼합은 단시간 내에 이루어질 수 있으며, 10 내지 120초, 바람직하게는 50 내지 80초 내에 이루어질 수 있다. 상기 혼합 시간이 10초 미만이면 혼합이 지나치게 빠르게 이루어져 기체가 한꺼번에 발생하므로 반응이 불균일하게 진행될 수 있고, 120초 초과이면 혼합 속도가 느리므로 혼합 시 초기에 반응하여 생성된 물질과 후기에 반응하여 생성된 물질의 상이 다를 수 있다.Mixing of the Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and the reducing agent represented by Formula 1 may be performed within a short time, and may be performed within 10 to 120 seconds, preferably 50 to 80 seconds. If the mixing time is less than 10 seconds, the mixture is too fast and gas is generated at once, so the reaction may proceed unevenly, and if the mixing time is more than 120 seconds, the mixing speed is slow. The phase of the material may be different.

또한, 상기 반응 온도는 10 내지 60 ℃, 바람직하게는 20 내지 50 ℃, 보다 바람직하게는 20 내지 25 ℃일 수 있으며, 반응 온도가 10 ℃ 미만이면 반응이 진행되지 않을 수 있고, 60 ℃ 초과이면 제조되는 레피도크로사이트의 물성이 변성될 수 있다. 또한, 반응속도 조절을 위해서 20 내지 25 ℃로 유지시키며 반응시키는 것이 바람직할 수 있다.In addition, the reaction temperature may be 10 to 60 ℃, preferably 20 to 50 ℃, more preferably 20 to 25 ℃, the reaction may not proceed if the reaction temperature is less than 10 ℃, if it is more than 60 ℃ Physical properties of the prepared repidocrocite may be modified. In addition, it may be desirable to react while maintaining the reaction rate at 20 to 25° C. for controlling the reaction rate.

또한, 상기 반응 시간은 10 분 내지 20 시간, 바람직하게는, 40 분 내지 2 시간일 수 있으며, 10 분 미만일 경우 레피도크로사이트가 형성되지 않을 수 있고, 20 시간 초과일 경우 이후 제조되는 마그헤마이트의 형상이 리튬-황 이차전지의 양극재로 적합하지 않은 형상일 수 있으며, 특히 40분 내지 2시간 동안 반응시킬 경우 레피도크로사이트의 원하는 물성을 잃어버리지 않고 유지할 수 있다.In addition, the reaction time may be 10 minutes to 20 hours, preferably, 40 minutes to 2 hours, if less than 10 minutes, repidocrocite may not be formed, and if it is more than 20 hours, maghe The shape of the mite may be a shape that is not suitable as a cathode material for a lithium-sulfur secondary battery, and in particular, when reacted for 40 minutes to 2 hours, the desired physical properties of the lepidocrocite can be maintained without losing.

한편, 상기 Fe(NO3)3·9H2O 수용액과 상기 화학식 1로 표시되는 환원제 수용액을 반응시키는 단계 이후에, 여과 및 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. On the other hand, after the step of reacting the Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O aqueous solution and the reducing agent aqueous solution represented by Formula 1, filtering and drying may be further included.

상기 여과시키는 단계는 당업계에서 통상적으로 사용되는 여과 공정에 의해 실시될 수 있으며, 예컨대, 여과지를 이용할 수 있다.The filtering may be performed by a filtration process commonly used in the art, and for example, filter paper may be used.

상기 건조시키는 단계는 70 내지 90 ℃에서 6 내지 12 시간 동안 실시될 수 있다.The drying may be performed at 70 to 90° C. for 6 to 12 hours.

상기 건조 온도가 70 ℃ 미만이거나 건조 시간이 6 시간 미만이면 완전히 건조되지 않아 입자 형태의 레피도크로사이트를 얻을 수 없고, 90 ℃ 초과이거나 12 시간 초과이면 남아 있는 물이 끓게 되어 레피도크로사이트의 물성이 변성될 수 있다. If the drying temperature is less than 70°C or the drying time is less than 6 hours, it is not completely dried to obtain repidocrocite in the form of particles. If the drying temperature is more than 90°C or more than 12 hours, the remaining water boils and the Physical properties can be denatured.

전술한 바와 같은 방법에 의해 제조된 레피도크로사이트는 γ-FeOOH 일 수 있으며, 구체적으로는 결정성 γ-FeOOH 일 수 있다. The repidocrocite prepared by the method as described above may be γ-FeOOH, and specifically, may be crystalline γ-FeOOH.

마그헤마이트의Maghemite 제조단계: 단계(2) Manufacturing Step: Step (2)

상기 단계(1)에서 제조된 레피도크로사이트를 비활성기체 분위기에서 열처리하여 마그헤마이트를 제조할 수 있으며, 다음 반응식 1을 거쳐 생성될 수 있다.Maghemite may be prepared by heat-treating the repidocrocite prepared in step (1) in an inert gas atmosphere, and may be generated through the following Reaction Formula 1.

[반응식 1][Scheme 1]

2FeOOH(s) → Fe2O3(s) + H2O(g)2FeOOH(s) → Fe 2 O 3 (s) + H 2 O(g)

상기 비활성기체 분위기는 (i) 반응기 내부의 기체가 비활성기체로 치환된 비활성기체 대기 하에서, 또는 (ii) 비활성기체가 지속적으로 유입되어 반응기 내부의 기체를 지속적으로 치환하는 상태에서 진행되는 것일 수 있다. 상기 (ii)의 경우에는, 예를 들어 비활성기체의 유량이 1 내지 500 mL/min일 수 있고, 구체적으로 10 내지 200 mL/min, 보다 구체적으로 50 내지 100 mL/min일 수 있다.The inert gas atmosphere may be (i) under an inert gas atmosphere in which the gas inside the reactor is replaced with an inert gas, or (ii) in a state in which the inert gas is continuously introduced to continuously replace the gas inside the reactor. . In the case of (ii), for example, the flow rate of the inert gas may be 1 to 500 mL/min, specifically 10 to 200 mL/min, and more specifically 50 to 100 mL/min.

여기서, 상기 비활성기체는 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.Here, the inert gas may be selected from the group consisting of nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof.

본 발명에 따른 상기 열처리는 250 내지 600℃에서 이루어질 수 있다. 만일 온도가 상기 범위 미만인 경우에는 레피도크로사이트에서 마그헤마이트로 전환되지 않을 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 마그헤마이트의 입자 구조가 붕괴 될 수 있고, 소결 현상으로 인해 원치 않는 크기의 입자로 변할 수 있으며, 레피도크로사이트가 ε-Fe2O3 등으로 전환되어 원하는 마그헤마이트를 제조할 수 없으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.The heat treatment according to the present invention may be performed at 250 to 600°C. If the temperature is less than the above range, the repidocrocite may not be converted to maghemite, and if the temperature exceeds the above range, the particle structure of maghemite may collapse. It may change into particles, and the repidocrocite is converted to ε-Fe 2 O 3 or the like, so that the desired maghemite cannot be produced, so it is appropriately adjusted within the above range.

또한 상기 열처리는 1 내지 4시간 동안, 승온속도를 분당 0.1℃ 내지 분당 10℃ 범위 사이로 하여 이루어질 수 있다. 만일 열처리 시간이 상기 범위 미만인 경우에는 마그헤마이트를 제조하기 위한 온도에 도달하지 못함으로써 마그헤마이트가 제조될 수 없고, 상기 시간을 초과하는 경우에는 열처리 온도가 너무 상승하여 마그헤마이트의 입자 구조가 붕괴 될 수 있고, 소결 현상으로 인해 원치 않는 크기의 입자로 변할 수 있으며, 마그헤마이트가 아닌 ε-Fe2O3 등이 생성될 수 있으므로 상기 범위에서 적절히 조절한다.In addition, the heat treatment may be performed for 1 to 4 hours by setting the temperature rise rate in the range of 0.1° C. per minute to 10° C. per minute. If the heat treatment time is less than the above range, maghemite cannot be produced because the temperature for producing maghemite cannot be reached, and if the heat treatment time exceeds the above time, the heat treatment temperature increases too much and the particle structure of the maghemite May collapse, change into particles of an unwanted size due to the sintering phenomenon, and may generate ε-Fe 2 O 3 and the like, not maghemite, so it is appropriately adjusted within the above range.

본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 제조된 레피도크로사이트가 비활성기체 분위기의 열처리 단계를 거쳐 80% 이상 마그헤마이트로 전환될 수 있으며, 바람직하게는 90% 이상 마그헤마이트로 전환될 수 있다. 도 3을 보면 마그헤마이트의 XRD 분석결과, 레피도크로사이트의 XRD 피크가 검출되지 않아 90% 이상 마그헤마이트로 전환된 것을 확인할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the prepared repidocrocite may be converted to 80% or more maghemite through a heat treatment step in an inert gas atmosphere, and preferably 90% or more may be converted to maghemite. . Referring to FIG. 3, as a result of XRD analysis of maghemite, it can be seen that the XRD peak of lepidocrocite was not detected, and thus 90% or more was converted to maghemite.

상기 제조된 마그헤마이트는 판상형의 마그헤마이트 1차 입자가 뭉쳐서 이루어지는 2차 입자의 형상일 수 있으며, 이때 상기 2차 입자는 구형일 수 있다.The prepared maghemite may have a shape of secondary particles formed by agglomeration of plate-shaped maghemite primary particles, and the secondary particles may have a spherical shape.

상기 제조된 마그헤마이트의 형상은 반응 시간을 제어하여 필요에 따라 조절할 수 있으며, 이들은 모두 리튬-황 이차전지의 양극재로 적용 가능하다.The shape of the prepared maghemite can be adjusted as needed by controlling the reaction time, and all of these can be applied as a cathode material for a lithium-sulfur secondary battery.

상기 제조된 판상형의 1차 입자는 입경이 1 초과 1000 nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 500 nm 일 수 있다. 상기 1차 입자가 뭉쳐서 이루어지는 2차 입지는 그 입경이 1 내지 50 ㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 범위 내에서 2차 입자의 입경이 감소 할수록 리튬-황 이차전지의 양극재로서 적합하고, 2차 입자의 입경이 상기 범위 초과이면 입자 크기가 커 리튬-황 이차전지의 양극재로 적합하지 않다.The prepared plate-shaped primary particles may have a particle diameter of more than 1 and less than or equal to 1000 nm, preferably 50 to 500 nm. The secondary site formed by the agglomeration of the primary particles may have a particle diameter of 1 to 50 µm, and preferably 1 to 20 µm. As the particle diameter of the secondary particles decreases within the above range, it is suitable as a cathode material for a lithium-sulfur secondary battery, and when the particle diameter of the secondary particles exceeds the above range, the particle size is large, making it unsuitable as a cathode material for a lithium-sulfur secondary battery. .

전술한 바와 같은 마그헤마이트의 제조방법에 의해 제조된 마그헤마이트, 예컨대, 결정성 γ-Fe2O3를 리튬-황 이차전지에 적용할 경우, 리튬-황 이차전지의 충방전시 용출되는 폴리설파이드를 흡착할 수 있어 리튬-황 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다.When the maghemite prepared by the method for producing maghemite as described above, for example, crystalline γ-Fe 2 O 3 is applied to a lithium-sulfur secondary battery, it is eluted during charging and discharging of the lithium-sulfur secondary battery. Since polysulfide can be adsorbed, the performance of lithium-sulfur secondary batteries can be improved.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid in the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It is natural that changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

제조예Manufacturing example : : 레피도크로사이트Lepidochrosite 제조 Produce

0.3 M NaBH4 수용액에 0.05 M Fe(NO3)3·9H2O 수용액을 400 rpm 으로 스터링 하면서 50초 동안 혼합하였다. 이때, NaBH4는 TCI社 제품으로서 순도가 > 95%이고, Fe(NO3)3·9H2O 는 Aldrich社 제품으로서 순도가 > 98% 일 수 있다. 0.3 M NaBH 4 A 0.05 M Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O aqueous solution was mixed with the aqueous solution for 50 seconds while stirring at 400 rpm. At this time, NaBH 4 may have a purity of> 95% as a product of TCI, and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O may have a purity of> 98% as a product of Aldrich.

혼합 후, 24 ℃에서 40분 동안 반응시키고 여과지를 이용하여 여과한 후, 80 ℃에서 8 시간 동안 건조시켜 레피도크로사이트를 제조하였다.After mixing, the mixture was reacted at 24° C. for 40 minutes, filtered using a filter paper, and dried at 80° C. for 8 hours to prepare lepidocrocite.

실시예Example : : 마그헤마이트Maghemite 제조 Produce

제조예 1에서 제조한 레피도크로사이트 파우더를 유량 100 mL/min의 질소 기체를 흘려주며 400℃에서 1시간동안 열처리를 하였다. 이때 열처리를 위한 승온속도는 분당 10℃ 로 하였다. 상기 열처리를 통해 마그헤마이트를 제조하였다.The repidocrosite powder prepared in Preparation Example 1 was heat-treated at 400° C. for 1 hour while flowing nitrogen gas having a flow rate of 100 mL/min. At this time, the heating rate for the heat treatment was 10°C per minute. Maghemite was prepared through the heat treatment.

비교예Comparative example : : 마그헤마이트Maghemite 제조 (한국등록특허 10-0482278) Manufacturing (Korean Patent Registration 10-0482278)

질소 가스를 흘려주면서 100℃로 유지한 10 mL의 디옥틸에테르(dioctyl ether, Aldrich, 99%)와 계면활성제로 1.44 mL의 올레인산(oleic acid, Aldridch, 90%, 4.56 mmol)의 혼합 용액에 0.2 mL의 철 펜타카르보닐 (Fe(CO)5, 1.52 mmol, Aldrich 80-90%)을 주입하고 천천히 온도를 올려서 5시간 동안 환류하였다.0.2 mL of iron pentacarbonyl (Fe(CO) 5 , 1.52 mmol, Aldrich 80-90%) was injected and the temperature was slowly raised to reflux for 5 hours.

환류하는 과정에서 오렌지 색의 용액이 무색을 거쳐 흑갈색으로 변하였다. 이 용액을 실온으로 냉각하여 에탄올을 과량 가하여 침전된 분말을 분리하고 건조하여 산화철 나노분말을 제조하였다.In the process of refluxing, the orange-colored solution turned colorless to blackish brown. The solution was cooled to room temperature, an excess of ethanol was added to separate the precipitated powder, and dried to prepare iron oxide nanopowder.

실험예Experimental example 1: One: SEMSEM (scanning electron microscope) 분석(scanning electron microscope) analysis

제조예 및 실시예에서 각각 제조된 레피도크로사이트 및 마그헤마이트에 대하여 SEM 분석(Hitachi社의 S-4800 FE-SEM)을 실시하였다.SEM analysis (S-4800 FE-SEM of Hitachi Corporation) was performed on the repidocrocite and maghemite prepared in Preparation Examples and Examples, respectively.

도 1은 제조예에서 제조된 레피도크로사이트에 대한 SEM 사진이다.1 is a SEM photograph of the repidocrosite prepared in Preparation Example.

도 2는 실시예에서 제조된 마그헤마이트에 대한 SEM 사진이다.2 is a SEM photograph of the maghemite prepared in Example.

도 1을 참조하면, 배율을 50k로 하여 SEM 분석을 실시한 결과, 수백 nm의 판상형 레피도크로사이트가 관찰되었으며, 이를 열처리하여 제조된 마그헤마이트 역시 판상형 구조를 그대로 나타낸 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 1, as a result of performing SEM analysis with a magnification of 50k, a plate-shaped repidocrosite of several hundred nm was observed, and it was confirmed that maghemite prepared by heat treatment also showed a plate-shaped structure as it is.

실험예Experimental example 2: 2: XRDXRD 분석 analysis

제조예 및 실시예에서 각각 제조된 레피도크로사이트 및 마그헤마이트에 대하여 XRD 분석(Bruker社의 D4 Endeavor)을 실시하였다.XRD analysis (Bruker's D4 Endeavor) was performed on the lepidocrocite and maghemite prepared in Preparation Examples and Examples, respectively.

도 3은 제조예 및 실시예에서 각각 제조된 레피도크로사이트 및 마그헤마이트에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the XRD analysis results for repidocrosite and maghemite prepared in Preparation Examples and Examples, respectively.

도 3을 참조하면, 레피도크로사이트의 XRD 피크를 확인할 수 있으며, 이로부터 제조예에서 순수한 상의 결정성 레피도크로사이트가 제조된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, the XRD peak of repidocrosite can be confirmed, from which it can be seen that the pure phase crystalline repidocrosite was prepared in the Preparation Example.

또한 실시예의 XRD 피크를 확인하여 수백 nm의 순수한 판상형 마그헤마이트가 제조된 것을 알 수 있다.In addition, by checking the XRD peak of the example, it can be seen that a pure plate-shaped maghemite of several hundred nm was prepared.

실험예Experimental example 3: 리튬-황 이차전지 방전용량 비교 실험 3: Comparative experiment of discharging capacity of lithium-sulfur secondary battery

양극재 종류에 따른 리튬-황 이차전지의 방전용량을 실험하기 위하여, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 리튬-황 이차전지의 양극 및 음극을 구성한 후 방전용량을 측정하였다.In order to test the discharge capacity of the lithium-sulfur secondary battery according to the type of the positive electrode material, the discharge capacity was measured after configuring the positive electrode and the negative electrode of the lithium-sulfur secondary battery as described in Table 1 below.

비교실험예의 양극은 황-탄소 복합체, 실험예 (1)의 양극은 황-탄소 복합체와 제조예의 레피도크로사이트를 포함하고, 실험예 (2)의 양극은 황-탄소 복합체와 실시예의 마그헤마이트를 포함하도록 하였다. 이때, 측정전류는 0.1C, 전압 범위 1.8 ~ 2.5V로 하였고, 그 결과를 표 1 및 도 4을 통해 나타내었다.The positive electrode of Comparative Experimental Example was a sulfur-carbon composite, the positive electrode of Experimental Example (1) contained a sulfur-carbon composite and lepidocrocite of Preparation Example, and the positive electrode of Experimental Example (2) was a sulfur-carbon composite and Magheh of Example. It was supposed to contain mite. At this time, the measurement current was 0.1C and the voltage range was 1.8 ~ 2.5V, and the results are shown in Table 1 and FIG. 4.

리튬-황 이차전지Lithium-sulfur secondary battery 방전용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh/g)
음극cathode 양극anode 비교실험예Comparative Experimental Example 금속 리튬Metal lithium 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더 (90:5:5, 중량비)Sulfur-carbon composite + conductive material + binder (90:5:5, weight ratio) 1,0881,088 실험예(1)Experimental Example (1) 금속 리튬Metal lithium 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더 + 제조예의 레피도크로사이트 (90:5:5:10, 중량비)Sulfur-carbon composite + conductive material + binder + lepidocrocite of Preparation Example (90:5:5:10, weight ratio) 1,1891,189 실험예(2)Experimental Example (2) 금속 리튬Metal lithium 황-탄소 복합체 + + 도전재 + 바인더 + 실시예의 마그헤마이트 (10 중량부) (90:5:5:10, 중량비)Sulfur-carbon composite + + conductive material + binder + maghemite of Example (10 parts by weight) (90:5:5:10, weight ratio) 1,1871,187

그 결과, 표 1 및 도 4에 나타난 바와 같이, 실험예 (1) 및 (2)는 비교실험예에 비해 100mAh/g 가량 방전용량이 증가한 것을 알 수 있다. As a result, as shown in Tables 1 and 4, it can be seen that the discharge capacity of Experimental Examples (1) and (2) increased by about 100mAh/g compared to Comparative Experimental Example.

이와 같은 결과로부터, 실시예에서 제조된 마그헤마이트가 리튬-황 이차전지의 양극에 첨가되었을 때 방전용량 효과가 우수한 것을 확인할 수 있었다. From these results, it was confirmed that the discharge capacity effect was excellent when the maghemite prepared in Example was added to the positive electrode of a lithium-sulfur secondary battery.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.In the above, although the present invention has been described by a limited embodiment and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following description by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It goes without saying that various modifications and variations are possible within the equivalent range of the claims to be made.

Claims (16)

(1) Fe(NO3)3·9H2O 및 하기 화학식 1로 표시되는 표시되는 환원제를 혼합하여 반응시키는 단계; 및
(2) 상기 (1)단계 이후, 비활성기체 분위기에서 1 내지 4시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 마그헤마이트의 제조방법.
[화학식 1]
M1(BH4)X
(상기 화학식 1에서, M1은 Li, Na, Mg, K 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나이고, X는 1 또는 2이다)
(1) mixing and reacting Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and a reducing agent represented by the following formula (1); And
(2) After the step (1), the step of heat-treating for 1 to 4 hours in an inert gas atmosphere; a method for producing maghemite comprising.
[Formula 1]
M 1 (BH 4 ) X
(In Formula 1, M 1 is any one selected from Li, Na, Mg, K, and Ca, and X is 1 or 2)
제1항에 있어서,
상기 (2)단계는 비활성기체 대기 하에서 또는 비활성기체가 지속적으로 유입되는 상태에서 수행되는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The step (2) is a method for producing maghemite, which is performed in an inert gas atmosphere or in a state in which the inert gas is continuously introduced.
제1항에 있어서,
상기 비활성기체는 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The inert gas is selected from the group consisting of nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 250 내지 600℃에서 이루어지는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The heat treatment is a method of producing maghemite made at 250 to 600°C.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열처리는 승온속도를 분당 0.1℃ 내지 분당 10℃ 범위 사이에서 조절하는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The heat treatment is a method for producing maghemite in which the temperature increase rate is controlled in the range of 0.1°C per minute to 10°C per minute.
제1항에 있어서,
상기 Fe(NO3)3·9H2O는 0.04 내지 0.08 M의 수용액 형태로 혼합되는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O is a method of producing maghemite mixed in the form of an aqueous solution of 0.04 to 0.08 M.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 환원제는 0.2 내지 0.5 M의 수용액 형태로 혼합되는 것인 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing maghemite, wherein the reducing agent represented by Formula 1 is mixed in the form of an aqueous solution of 0.2 to 0.5 M.
제1항에 있어서,
상기 혼합은 10 내지 120 초 동안 실시되는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixing is carried out for 10 to 120 seconds, a method for producing maghemite.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 반응 온도는 20 내지 25 ℃인 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The reaction temperature in step (1) is 20 to 25 ℃ method for producing maghemite.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 반응 시간은 40분 내지 12시간인 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The reaction time of step (1) is 40 minutes to 12 hours, a method for producing maghemite.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계 이후에 여과 및 건조 단계를 더 포함하는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing maghemite further comprising filtration and drying steps after the step (1).
제12항에 있어서,
상기 건조는 70 내지 90 ℃에서 6 내지 12 시간 동안 실시되는 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 12,
The drying is carried out at 70 to 90 °C for 6 to 12 hours, a method for producing maghemite.
제1항에 있어서,
상기 마그헤마이트는 γ-Fe2O3인 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The maghemite is γ-Fe 2 O 3 Method of producing maghemite.
제1항에 있어서,
상기 마그헤마이트는 판상형인 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The maghemite is a method for producing a plate-shaped maghemite.
제1항에 있어서,
상기 마그헤마이트는 입경 50 내지 500 nm 인 마그헤마이트의 제조방법.
The method of claim 1,
The maghemite is a method for producing maghemite having a particle diameter of 50 to 500 nm.
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