KR102229460B1 - Method for manufacturing iron phosphide - Google Patents

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Abstract

리튬 이차전지의 수명특성 빛 방전용량을 향상시키기 위하여, 리튬 이차전지의 양극 첨가제로 적용 가능한 인화철(FeP)의 제조방법이 개시된다. 상기 인화철의 제조방법은, (1) 철 수화물을 열처리하여, 하기 화학식 1로 표시되는 철 산화물을 수득하는 단계; 및 (2) 상기 수득한 철 산화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 열처리하는 단계;를 포함한다.
[화학식 1]
FexO3 (단, 1.7 ≤ x <2)
Life Characteristics of a Lithium Secondary Battery In order to improve light discharge capacity, a method of manufacturing iron phosphide (FeP) applicable as a positive electrode additive of a lithium secondary battery is disclosed. The manufacturing method of iron phosphide includes the steps of: (1) heat-treating the iron hydrate to obtain an iron oxide represented by the following formula (1); And (2) heat-treating by mixing the obtained iron oxide and NaH 2 PO 2 ·H 2 O.
[Formula 1]
Fe x O 3 (however, 1.7 ≤ x <2)

Description

인화철(FeP)의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING IRON PHOSPHIDE}Manufacturing method of iron phosphide (FeP) {METHOD FOR MANUFACTURING IRON PHOSPHIDE}

본 발명은 리튬 이차전지의 양극 첨가제로 적용 가능한 인화철(FeP)의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing iron phosphide (FeP) applicable as a positive electrode additive for a lithium secondary battery.

이차전지는 1회 방전만 가능한 일차전지와 달리 지속적인 충전 및 방전이 가능한 전기저장기구로서 1990년대 이후 휴대용 전자기기의 중요 전자부품으로 자리를 잡았다. 특히, 리튬 이온 이차전지는 1992년 일본 소니(Sony)사에 의해 상용화된 이후, 스마트폰, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자기기의 핵심부품으로 정보화 시대를 이끌어 왔다. A secondary battery is an electrical storage device capable of continuous charging and discharging unlike a primary battery that can only be discharged once, and has established itself as an important electronic component of portable electronic devices since the 1990s. In particular, lithium-ion secondary batteries were commercialized by Sony in Japan in 1992, and have led the information age as a core component of portable electronic devices such as smartphones, digital cameras, and notebook computers.

근래에 리튬 이온 이차전지는 그 활용 영역을 더욱 넓혀가면서 청소기, 전동공구의 전원과 전기자전거, 전기스쿠터와 같은 분야에 사용될 중형전지에서, 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in hybrid electric vehicle; PHEV), 각종 로봇 및 대형 전력저장장치(Electric Storage System; ESS)와 같은 분야에 사용되는 대용량 전지에 이르기까지 빠른 속도로 수요를 늘려가고 있다.In recent years, lithium-ion secondary batteries have expanded their application areas, and are used in medium-sized batteries to be used in fields such as vacuum cleaners, power tools, electric bicycles, electric scooters, electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles. vehicle; HEV), Plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), various robots and large-capacity batteries used in fields such as Electric Storage System (ESS) at high speed. Demand is increasing.

그러나, 현재까지 나와 있는 이차전지 중 가장 우수한 특성을 가진 리튬 이차전지도 전기자동차, PHEV와 같은 수송기구에 활발히 사용되기에는 몇 가지 문제점이 있으며, 그 중 가장 큰 문제점은 용량의 한계이다.However, the lithium secondary battery, which has the most excellent characteristics of the secondary batteries available to date, has several problems in being actively used in transportation devices such as electric vehicles and PHEVs, and the biggest problem among them is the limitation of capacity.

리튬 이차전지는 기본적으로 양극, 전해질, 음극 등과 같은 소재들로 구성되며, 그 중에서 양극 및 음극 소재가 전지의 용량(capacity)을 결정하기 때문에 리튬 이온 이차전지는 양극과 음극의 물질적인 한계로 인해 용량의 제약을 받는다. 특히, 전기자동차, PHEV와 같은 용도에 사용될 이차전지는 한 번 충전 후 최대한 오래 사용할 수 있어야 하므로, 이차전지의 방전용량이 매우 중요시 된다. 전기자동차의 판매에 가장 큰 제약점으로 지적되는 것은 1회 충전 후 주행할 수 있는 거리가 일반 가솔린엔진의 자동차보다 매우 짧다는 점이다.Lithium secondary batteries are basically composed of materials such as positive electrodes, electrolytes, and negative electrodes, and among them, positive and negative materials determine the capacity of the battery, so lithium-ion secondary batteries are due to the material limitations of the positive and negative electrodes. Limited by capacity. In particular, since a secondary battery to be used in applications such as electric vehicles and PHEVs must be able to be used for as long as possible after being charged once, the discharge capacity of the secondary battery is very important. The biggest limitation to the sales of electric vehicles is that the distance that can be driven after a single charge is much shorter than that of ordinary gasoline-engine cars.

이와 같은 리튬 이차전지의 용량 한계는 많은 노력에도 불구하고 리튬 이차전지의 구조 및 재료적인 제약으로 인해 완전한 해결이 어렵다. 따라서, 리튬 이차전지의 용량 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 기존의 이차전지 개념을 뛰어 넘는 신개념의 이차전지 개발이 요구된다.The capacity limitation of such a lithium secondary battery is difficult to completely solve due to the structural and material limitations of the lithium secondary battery despite a lot of efforts. Therefore, in order to fundamentally solve the capacity problem of a lithium secondary battery, it is required to develop a new concept of a secondary battery that goes beyond the existing secondary battery concept.

리튬-황 이차전지는 기존의 리튬 이온 이차전지의 기본원리인 리튬 이온의 층상구조의 금속산화물 및 흑연으로의 삽입/탈리(intercalation) 반응에 의해 결정되는 용량 한계를 뛰어넘고 전이금속 대체 및 비용 절감 등을 가져올 수 있는 새로운 고용량, 저가 전지 시스템이다.The lithium-sulfur secondary battery exceeds the capacity limit determined by the intercalation/intercalation reaction of the layered metal oxide and graphite of lithium ions, which is the basic principle of the existing lithium ion secondary battery, and replaces transition metals and reduces costs. It is a new high-capacity, low-cost battery system that can bring back.

리튬-황 이차전지는 양극에서 리튬 이온과 황의 변환(conversion) 반응(S8 + 16Li+ + 16e- → 8Li2S)으로부터 나오는 이론 용량이 1,675 mAh/g에 이르고 음극은 리튬 금속(이론용량: 3,860 mAh/g)을 사용하여 전지 시스템의 초고용량화가 가능하다. 또한 방전전압은 약 2.2 V이므로 이론적으로 양극, 음극 활물질의 양을 기준으로 2,600 Wh/kg의 에너지 밀도를 나타낸다. 이는 층상구조의 금속 산화물 및 흑연을 사용하는 상용 리튬 이차전지(LiCoO2/graphite)의 에너지 이론적 에너지 밀도인 400 Wh/kg보다도 6배 내지 7배 가량이 높은 수치이다. A lithium-sulfur secondary battery is a lithium ion and the sulfur conversion (conversion) reaction at the anode - the theoretical capacity resulting from (S 8 + 16Li + + 16e → 8Li 2 S) reached 1,675 mAh / g anode is lithium metal (theoretical capacity: 3,860 mAh/g) can be used to increase the capacity of the battery system. In addition, since the discharge voltage is about 2.2 V, it theoretically shows an energy density of 2,600 Wh/kg based on the amount of positive and negative active materials. This is a value 6 to 7 times higher than the energy theoretical energy density of 400 Wh/kg of a commercial lithium secondary battery (LiCoO 2 /graphite) using a layered metal oxide and graphite.

리튬-황 이차전지는 2010년경 나노 복합체 형성을 통해 전지성능이 획기적으로 개선될 수 있다는 것이 알려진 이후 새로운 고용량, 친환경성, 저가의 리튬 이차전지로 주목받고 있으며 현재 차세대 전지 시스템으로 세계적으로 집중적인 연구가 이루어지고 있다.Lithium-sulfur secondary batteries are attracting attention as new high-capacity, eco-friendly, and inexpensive lithium secondary batteries since it was known that the battery performance can be dramatically improved through the formation of nanocomposites around 2010. Currently, intensive research worldwide as a next-generation battery system Is being done.

현재까지 밝혀진 리튬-황 이차전지의 주요한 문제점 중에 하나는 황의 전기전도도가 5.0 x 10-14 S/cm가량으로 부도체에 가까워 전극에서 전기화학반응이 용이하지 않고, 매우 큰 과전압으로 인해 실제 방전용량 및 전압이 이론에 훨씬 미치지 못한다는 점이다. 초기 연구자들은 황과 카본의 기계적인 볼밀링이나 카본을 이용한 표면 코팅과 같은 방법으로 성능을 개선해보고자 하였으나 큰 실효가 없었다.One of the major problems of the lithium-sulfur secondary battery that has been discovered so far is that the electrical conductivity of sulfur is about 5.0 x 10 -14 S/cm, which is close to a non-conductor, making it difficult to conduct electrochemical reactions at the electrode. The voltage is far below theory. Early researchers tried to improve the performance by mechanical ball milling of sulfur and carbon or surface coating using carbon, but there was no significant effect.

전기전도도에 의해 전기화학반응이 제한되는 문제를 효과적으로 해결하기 위해서는 다른 양극 활물질 중의 하나인 LiFePO4의 예와 같이(전기전도도: 10-9 내지 10-10 S/cm) 입자의 크기를 수십 나노미터 이하의 크기로 줄이고 전도성 물질로 표면처리를 할 필요가 있는데, 이를 위하여 여러 가지 화학적(나노 크기의 다공성 탄소 나노 구조체 혹은 금속산화물 구조체로의 melt impregnation), 물리적 방법(high energy ball milling) 등이 보고되고 있다.In order to effectively solve the problem that the electrochemical reaction is limited by the electrical conductivity, as in the example of LiFePO 4 , one of the other positive electrode active materials (electrical conductivity: 10 -9 to 10 -10 S/cm), the size of the particle is set to several tens of nanometers It is necessary to reduce the size to the following and surface treatment with a conductive material.To this end, various chemicals (melt impregnation into nano-sized porous carbon nanostructures or metal oxide structures), and physical methods (high energy ball milling) have been reported. Has become.

다른 한 가지 리튬-황 이차전지와 관련된 주요 문제점은 방전도중 생성되는 황의 중간생성체인 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfide)의 전해질로의 용해이다. 방전이 진행됨에 따라 황(S8)은 리튬 이온과 연속적으로 반응하여 S8 → Li2S8 → (Li2S6) → Li2S4 → Li2S2 → Li2S 등으로 그 상(phase)이 연속적으로 변하게 되는데 그 중 황이 길게 늘어선 체인형태인 Li2S8, Li2S4(리튬 폴리설파이드) 등은 리튬 이온전지에서 쓰이는 일반적인 전해질에서 쉽게 용해되는 성질이 있다. 이러한 반응이 발생하면 가역 양극용량이 크게 줄어들 뿐만 아니라 용해된 리튬 폴리설파이드가 음극으로 확산되어 여러 가지 부반응(side reaction)을 일으키게 된다.Another major problem associated with lithium-sulfur secondary batteries is the dissolution of lithium polysulfide, an intermediate product of sulfur generated during discharge, into an electrolyte. As the discharge proceeds, sulfur (S 8 ) continuously reacts with lithium ions, resulting in the phase of S 8 → Li 2 S 8 → (Li 2 S 6 ) → Li 2 S 4 → Li 2 S 2 → Li 2 S, etc. The (phase) changes continuously. Among them, Li 2 S 8 and Li 2 S 4 (lithium polysulfide), which are long chains of sulfur, are easily soluble in general electrolytes used in lithium ion batteries. When such a reaction occurs, not only the reversible anode capacity is greatly reduced, but also dissolved lithium polysulfide diffuses into the cathode, causing various side reactions.

리튬 폴리설파이드는 특히 충전과정 중 셔틀반응(shuttle reaction)을 일으키는데 이로 인하여 충전용량이 계속 증가하게 되어 충방전 효율이 급격히 저하된다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법이 제시되었는데 크게 전해질을 개선하는 방법, 음극의 표면을 개선하는 방법, 양극의 특성을 개선하는 방법 등으로 나눌 수 있다.Lithium polysulfide in particular causes a shuttle reaction during the charging process, which causes the charging capacity to continue to increase, and the charging and discharging efficiency rapidly decreases. Recently, various methods have been proposed to solve this problem, and can be largely divided into a method of improving the electrolyte, a method of improving the surface of the negative electrode, and a method of improving the characteristics of the positive electrode.

전해질을 개선하는 방법은 신규 조성의 기능성 액체전해질, 고분자 전해질, 이온성 액체(ionic liquid) 등 새로운 전해질을 사용하여 폴리설파이드의 전해질로의 용해를 억제하거나 점도 등의 조절을 통하여 음극으로의 분산 속도를 제어하여 셔틀반응을 최대한 억제하는 방법이다.The method of improving the electrolyte is to suppress the dissolution of polysulfide into the electrolyte by using a new electrolyte such as a functional liquid electrolyte, a polymer electrolyte, or an ionic liquid of a new composition, or the dispersion rate to the negative electrode by controlling the viscosity. It is a method to suppress the shuttle reaction as much as possible by controlling it.

음극표면에 형성되는 SEI의 특성을 개선하여 셔틀반응을 제어하는 연구가 활발히 이루어지고 있는데 대표적으로 LiNO3과 같은 전해질 첨가제를 투입하여 리튬 음극의 표면에 LixNOy, LixSOy 등의 산화막을 형성하여 개선하는 방법, 리튬 금속의 표면에 두꺼운 기능형 SEI 층을 형성하는 방법 등이 있다.Research is being actively conducted to control the shuttle reaction by improving the characteristics of SEI formed on the surface of the cathode. Typically, an oxide film such as Li x NO y and Li x SO y is added to the surface of the lithium anode by introducing an electrolyte additive such as LiNO 3. There is a method of forming and improving the structure, a method of forming a thick functional SEI layer on the surface of lithium metal, and the like.

마지막으로 양극의 특성을 개선하는 방법은 폴리설파이드의 용해를 막을 수 있도록 양극입자 표면에 코팅층을 형성하거나 용해된 폴리설파이드를 잡을 수 있는 다공성 물질을 첨가하는 방법 등이 있는데 대표적으로 전도성 고분자로 황 입자가 들어있는 양극 구조체의 표면을 코팅하는 방법, 리튬 이온이 전도되는 금속산화물로 양극 구조체의 표면을 코팅하는 방법, 리튬 폴리설파이드를 다량 흡수할 수 있는 비표면적이 넓고 기공이 큰 다공성 금속산화물을 양극에 첨가하는 방법, 탄소 구조체의 표면에 리튬 폴리설파이드를 흡착할 수 있는 작용기(functional group)를 부착하는 방법, 그래핀 혹은 그래핀 옥사이드 등을 이용하여 황 입자를 감싸는 방법 등이 제시되었다.Finally, methods of improving the characteristics of the positive electrode include forming a coating layer on the surface of the positive electrode particles to prevent the dissolution of polysulfide, or adding a porous material that can catch the dissolved polysulfide. Typical conductive polymers include sulfur particles. A method of coating the surface of a positive electrode structure containing lithium ions, a method of coating the surface of a positive electrode structure with a metal oxide through which lithium ions are conducted, and a porous metal oxide having a large specific surface area and large pores capable of absorbing a large amount of lithium polysulfide as a positive electrode. A method of adding to the carbon structure, a method of attaching a functional group capable of adsorbing lithium polysulfide on the surface of a carbon structure, a method of enclosing sulfur particles using graphene or graphene oxide, and the like have been suggested.

이와 같은 노력이 진행되고는 있으나, 이러한 방법이 다소 복잡할 뿐만 아니라 활물질인 황을 넣을 수 있는 양이 제한된다는 문제가 있다. 따라서 이러한 문제들을 복합적으로 해결하고 리튬-황 전지의 성능을 개선하기 위한 새로운 기술의 개발이 필요한 실정이다.Although such efforts are being made, there is a problem in that this method is somewhat complicated and the amount of sulfur, which is an active material, can be limited. Therefore, it is necessary to develop a new technology to solve these problems in a complex manner and improve the performance of a lithium-sulfur battery.

일본 공개특허 제WO2012-098960호(2012.07.26), "양극 활물질 및 그 제조 방법 및 2차전지"Japanese Patent Laid-Open Publication No. WO2012-098960 (2012.07.26), "Anode active material and its manufacturing method and secondary battery" 중국 공개특허 제106129375호(2016.11.16), "일종 복합 리튬염 변성 전극 재료의 방법"Chinese Patent Application Publication No. 106129375 (2016.11.16), "A method of a kind of composite lithium salt modified electrode material"

본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 열처리한 철 수화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 반응시키되, 열처리 온도와 혼합 비율을 제어하여 선택적으로 고순도의 인화철을 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.The present inventors conducted various studies to solve the above problems, and as a result of mixing and reacting heat-treated iron hydrate and NaH 2 PO 2 ·H 2 O, selectively high-purity iron phosphide by controlling the heat treatment temperature and mixing ratio. It was confirmed that can be prepared.

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

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (1) 철 수화물을 열처리하여, 하기 화학식 1로 표시되는 철 산화물을 수득하는 단계; 및 (2) 상기 수득한 철 산화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 열처리하는 단계;를 포함하는 인화철(FeP)의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, (1) heat treatment of iron hydrate to obtain an iron oxide represented by the following formula (1); And (2) heat-treating by mixing the obtained iron oxide and NaH 2 PO 2 ·H 2 O; provides a method for producing iron phosphide (FeP) comprising.

[화학식 1][Formula 1]

FexO3 (단, 1.7 ≤ x <2)Fe x O 3 (however, 1.7 ≤ x <2)

본 발명에 따르면, 열처리한 철 수화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 간소한 공정에 의해 고순도의 인화철을 제조할 수 있다. 상기 열처리한 철 수화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 반응시 열처리 온도와 혼합 비율을 조절하는 것만으로도 제조되는 인화철의 형상 및 순도를 조절할 수 있다. 또한, 제조된 인화철은 리튬 이차전지, 특히, 리튬-황 전지의 양극 첨가제로 적용할 경우 전지의 수명특성 및 방전용량을 증가시킬 수 있다.According to the present invention, high-purity iron phosphide can be prepared by a simple process including the step of reacting by mixing the heat-treated iron hydrate and NaH 2 PO 2 ·H 2 O. By mixing the heat-treated iron hydrate and NaH 2 PO 2 ·H 2 O and controlling the heat treatment temperature and mixing ratio during the reaction, the shape and purity of the produced iron phosphide can be controlled. In addition, when the produced iron phosphide is applied as a positive electrode additive for a lithium secondary battery, in particular, a lithium-sulfur battery, the life characteristics and discharge capacity of the battery may be increased.

도 1은 본 발명에 따른 철 산화물의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 인화철(FeP)의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 Fe1.766O3의 X-선 회절분석(XRD)결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 인화철(FeP)의 X-선 회절분석(XRD)결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬 폴리설파이드 흡착 반응의 색도 변화를 UV 흡광도 측정 결과로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 양극을 포함하는 리튬-황 전지의 방전용량 측정 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양극을 포함하는 리튬-황 전지의 수명특성 측정 결과를 나타낸다.
1 shows a scanning electron microscope (SEM) image of iron oxide according to the present invention.
2 shows a scanning electron microscope (SEM) image of iron phosphide (FeP) according to the present invention.
3 shows the X-ray diffraction analysis (XRD) results of Fe 1.766 O 3 according to the present invention.
4 shows the results of X-ray diffraction analysis (XRD) of iron phosphide (FeP) according to the present invention.
5 is a graph showing a change in chromaticity of a lithium polysulfide adsorption reaction according to Examples and Comparative Examples of the present invention as a result of measuring UV absorbance.
6 shows a result of measuring a discharge capacity of a lithium-sulfur battery including a positive electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
7 shows the results of measuring the life characteristics of a lithium-sulfur battery including a positive electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 인화철(FeP)의 제조방법은, (1) 철 수화물을 열처리하여, 하기 화학식 1로 표시되는 철 산화물을 수득하는 단계 및 (2) 상기 수득한 철 산화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 열처리하는 단계를 포함하며, 이에 의할 경우, 리튬 이차전지, 특히, 리튬-황 전지의 양극 첨가제로 적용하여 전지의 방전용량 및 수명특성을 향상시킬 수 있는 형태 및 물성을 가지는 인화철을 제조할 수 있는 장점이 있다.The method for producing iron phosphide (FeP) according to the present invention includes the steps of (1) heat-treating the iron hydrate to obtain an iron oxide represented by the following formula (1), and (2) the obtained iron oxide and NaH 2 PO 2 · It includes the step of heat treatment by mixing H 2 O, and in this case, it is applied as a positive electrode additive for lithium secondary batteries, in particular, lithium-sulfur batteries, to improve the discharge capacity and life characteristics of the battery. Eggplant has the advantage of being able to manufacture iron phosphide.

[화학식 1][Formula 1]

FexO3 (단, 1.7 ≤ x <2)Fe x O 3 (however, 1.7 ≤ x <2)

상기 철 수화물은 수용액 형태일 수 있으며, 1.0 내지 2.0 M일 수 있다. 만일 1.0 M 미만이면 인화철의 제조 수율이 낮아질 수 있고, 2.0 M 초과이면 제조되는 인화철의 물성이 리튬 이차전지의 양극 첨가제로 적용하기에 적합하지 않을 수 있다. 이와 같은 철 수화물로는 Fe(NO3)3·9H2O를 예시할 수 있다.The iron hydrate may be in the form of an aqueous solution, and may be 1.0 to 2.0 M. If it is less than 1.0 M, the production yield of iron phosphide may be lowered, and if it is more than 2.0 M, the physical properties of the produced iron phosphide may not be suitable for application as a positive electrode additive of a lithium secondary battery. As such an iron hydrate, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O may be exemplified.

상기 철 수화물은 인화철 제조를 위한 열처리에 앞서, 70 내지 90 ℃에서 4 내지 12 시간 동안 건조하는 전처리 단계를 더 거칠 수 있다. 만일, 상기 온도 미만이거나 건조 시간이 짧은 경우, 반응물인 철 수화물의 수분이 과량 잔존할 수 있고, 이후 상기 수분이 열처리 과정을 거치며 불균일하게 증발할 수 있다. 이 경우 열처리 과정을 거치며 입자의 분포가 불균일해질 수 있고, 상기 화학식 1로 표시되는 철 산화물이 합성되지 않을 수 있다. 또한 상기 온도를 초과하거나 건조 시간이 길 경우 반응물인 철 수화물의 수분이 모두 증발한 후 열처리에 의한 산화반응이 일부 진행될 수 있다. 이 경우 열처리 과정을 통해 불균일한 산화반응이 일어날 수 있고, 상기 철 산화물이 합성되지 않을 수 있다.The iron hydrate may be further subjected to a pretreatment step of drying at 70 to 90° C. for 4 to 12 hours prior to heat treatment for manufacturing iron phosphide. If the temperature is less than the above temperature or the drying time is short, an excessive amount of moisture in the iron hydrate as a reactant may remain, and the moisture may be evaporated unevenly through a heat treatment process. In this case, the distribution of particles may become non-uniform through the heat treatment process, and the iron oxide represented by Chemical Formula 1 may not be synthesized. In addition, when the above temperature is exceeded or the drying time is long, all of the moisture of the iron hydrate as a reactant is evaporated, and then an oxidation reaction by heat treatment may partially proceed. In this case, a non-uniform oxidation reaction may occur through the heat treatment process, and the iron oxide may not be synthesized.

상기 철 수화물은 건조 전처리 과정을 거친 뒤 140 내지 160 ℃에서, 12 내지 24 시간 동안 열처리 하여 상기 화학식 1로 표시되는 철 산화물을 생성할 수 있다. 만일 열처리 온도가 140 ℃ 미만이거나 상기 열처리 시간보다 짧은 경우 열처리 후 반응 잔여물이 남아있을 수 있다. 또한 열처리 온도가 160 ℃를 초과하거나 상기 열처리 시간보다 길 경우에는 생성되는 입자의 크기가 커지고 뭉치는 형태로 발현될 수 있으며, Fe2O3 와 같은 안정한 물질이 생성될 수 있다. 따라서 이후 단계 (2)를 거치더라도 원하고자 하는 인화철을 합성하기 어려울 수 있으므로 상기 범위의 온도와 시간 내에서 적절히 조절한다. 상기 건조 전처리와 열처리 단계는 공기 중에서 컨벡션 오븐을 이용하여 진행할 수 있다.The iron hydrate may be subjected to a drying pretreatment process and then heat treated at 140 to 160° C. for 12 to 24 hours to generate the iron oxide represented by Formula 1 above. If the heat treatment temperature is less than 140 °C or shorter than the heat treatment time, a reaction residue may remain after heat treatment. In addition, when the heat treatment temperature exceeds 160° C. or is longer than the heat treatment time, the size of the generated particles may increase and may be expressed in a clustered form, and a stable material such as Fe 2 O 3 may be generated. Therefore, even after step (2), it may be difficult to synthesize the desired iron phosphide, so it is appropriately adjusted within the above range of temperature and time. The drying pretreatment and heat treatment may be performed in air using a convection oven.

상기 철 수화물(Fe(NO3)3·9H2O)은 상기 열처리 단계를 거치면서 HNO3(g)가 탈기되고, 상기 철 산화물을 생성하게 된다. 상기 화학식 1에서 철의 산화수는 열처리 시간 및 온도에 따라 다양한 산화수를 가질 수 있으며, 바람직하게는 x가 1.7 ≤ x <1.9, 더욱 바람직하게는 1.7 ≤ x <1.8일 수 있다.The iron hydrate (Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O) undergoes the heat treatment step while HNO 3 (g) is degassed to generate the iron oxide. In Formula 1, the oxidation number of iron may have various oxidation numbers depending on the heat treatment time and temperature, and preferably x may be 1.7≦x<1.9, more preferably 1.7≦x<1.8.

단계 (1)을 거친 화학식 1로 표시되는 철 산화물은 NaH2PO2·H2O 와 혼합, 반응 후 열처리 과정을 거쳐 인화철을 제조할 수 있다(단계 (2)). 상기 철 산화물과 NaH2PO2·H2O의 혼합은 1:1 내지 1:2의 중량비로 이루어질 수 있으며, 만일 NaH2PO2·H2O의 비율이 이보다 낮을 경우 인(P)의 원료가 부족하여 순수한 상(phase)의 인화철(FeP)이 합성되지 않을 수 있으며, 상기 비율보다 높을 경우에는 과량의 불순물이 잔류할 우려가 있다.The iron oxide represented by Chemical Formula 1 after step (1) may be mixed with NaH 2 PO 2 ·H 2 O and then subjected to a heat treatment process to prepare iron phosphide (Step (2)). The iron oxide and NaH 2 PO 2 ·H 2 O may be mixed in a weight ratio of 1:1 to 1:2, and if the ratio of NaH 2 PO 2 ·H 2 O is lower than this, the raw material of phosphorus (P) Due to the lack of, pure phase iron phosphide (FeP) may not be synthesized. If the ratio is higher than the above ratio, there is a fear that excessive impurities may remain.

상기 단계 (2)에서의 열처리는 200 내지 300 ℃, 바람직하게는 220 내지 280 ℃, 보다 바람직하게는 240 내지 260 ℃에서 수행될 수 있다. 만일 상기 열처리 온도보다 낮을 경우 NaH2PO2·H2O가 분해되지 않아 인화철이 합성되지 않을 수 있으며, 상기 온도보다 높을 경우 제조되는 인화철 입자의 크기가 커져 리튬 이차전지의 양극 첨가제로 적합하지 않을 수 있고, FeP 이외의 다른 상(phase)의 인화철이 제조될 수 있다. 상기 단계 (2)의 열처리는 1 내지 3 시간, 바람직하게는 1.5 내지 2.5 시간 동안 수행될 수 있고, 상기 시간보다 작을 경우 반응 시간이 충분하지 않아서 원하는 상의 인화철이 제조되지 않을 수 있으며, 상기 시간보다 길 경우 합성되는 인화철 입자의 크기가 커져 리튬 이차전지의 양극 첨가제로 사용되기에 적합하지 않을 수 있다. 또한 상기 단계 (2)의 열처리는 승온 속도를 분당 5 내지 10 ℃ 범위 사이로 조절하여 이루어질 수 있다. 만일 상기 속도보다 빠를 경우 반응이 급격하게 일어나 불균일한 반응이 진행될 수 있고, 상기 속도보다 느릴 경우에는, 승온 시간이 길어져 인화철 입자의 크기가 커질 우려가 있다.The heat treatment in step (2) may be performed at 200 to 300 °C, preferably 220 to 280 °C, more preferably 240 to 260 °C. If the temperature is lower than the heat treatment temperature, NaH 2 PO 2 ·H 2 O is not decomposed and iron phosphide may not be synthesized.If the temperature is higher than the above temperature, the size of the produced iron phosphide particles increases, making it not suitable as a positive electrode additive for lithium secondary batteries. Otherwise, iron phosphide of a phase other than FeP may be prepared. The heat treatment in step (2) may be performed for 1 to 3 hours, preferably 1.5 to 2.5 hours, and if it is less than the above time, the reaction time may not be sufficient, so that the desired phase iron phosphide may not be produced. If it is long, the size of the synthesized iron phosphide particles increases and may not be suitable for use as a positive electrode additive for lithium secondary batteries. In addition, the heat treatment in step (2) may be performed by adjusting the heating rate in the range of 5 to 10° C. per minute. If the rate is higher than the above rate, the reaction may occur rapidly and a non-uniform reaction may proceed. When the rate is slower than the above rate, the temperature increase time may be lengthened, and the size of the iron phosphide particles may increase.

상기 단계 (2)의 열처리는 비활성기체 분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 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. 여기서, 상기 비활성기체는 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.The heat treatment in step (2) may be performed in an inert gas atmosphere. 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. Here, the inert gas may be selected from the group consisting of nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 철 산화물이 NaH2PO2·H2O와 반응한 후, 비활성기체 분위기의 열처리 단계를 거쳐 80 % 이상 인화철(FeP)로 전환될 수 있으며, 바람직하게는 90 % 이상 인화철로 전환될 수 있다. 도 3의 XRD 분석결과에 따르면 본 발명의 일 구현예인 Fe1.766O3(철 산화물)가 합성된 것을 확인할 수 있고, 도 4의 XRD 분석결과 인화철(FeP)이 제조된 것을 확인할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, after the iron oxide represented by Formula 1 reacts with NaH 2 PO 2 ·H 2 O, it is converted to 80% or more iron phosphide (FeP) through a heat treatment step in an inert gas atmosphere. It can be, preferably 90% or more can be converted to iron phosphide. According to the XRD analysis result of FIG. 3, it can be confirmed that Fe 1.766 O 3 (iron oxide), which is an embodiment of the present invention, is synthesized, and as a result of XRD analysis of FIG. 4, it can be confirmed that iron phosphide (FeP) is prepared.

상기 제조된 인화철은 구형의 1차 입자가 뭉쳐 2차 입자를 형성하는 것일 수 있다. 이때, 상기 인화철의 1차 입자는 입경이 50 내지 300 nm일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 150 nm일 수 있다. 상기 인화철의 1차 입자가 뭉쳐서 이루어지는 2차 입자는 구형일 수 있고, 그 입경이 0.5 내지 15 ㎛, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 제조된 인화철의 형상은 반응 시간을 제어하여 필요에 따라 조절할 수 있으며, 이들은 모두 리튬 이차전지의 양극재로 적용 가능하다. 상기 범위 내에서 2차 입자의 입경이 감소할수록 리튬 이차전지의 양극재로서 적합하고, 2차 입자의 입경이 상기 범위 초과이면 입자 크기가 커 리튬 이차전지의 양극 첨가제로 적합하지 않을 수 있다.The prepared iron phosphide may be formed by agglomeration of spherical primary particles to form secondary particles. At this time, the primary particles of the iron phosphide may have a particle diameter of 50 to 300 nm, preferably 100 to 150 nm. The secondary particles formed by the agglomeration of the primary particles of iron phosphide may have a spherical shape and a particle diameter of 0.5 to 15 µm, preferably 1 to 10 µm, more preferably 2 to 5 µm. The shape of the prepared iron phosphide can be adjusted as needed by controlling the reaction time, and all of these can be applied as a cathode material for a lithium secondary battery. As the particle diameter of the secondary particles decreases within the above range, it is suitable as a cathode material for a lithium secondary battery, and when the particle diameter of the secondary particles exceeds the above range, the particle size is large and may not be suitable as a positive electrode additive for a lithium secondary battery.

전술한 바와 같은 인화철의 제조방법에 의해 제조된 인화철을 리튬 이차전지, 특히, 리튬-황 전지에 적용할 경우, 전지의 충방전시 용출되는 리튬 폴리설파이드를 흡착할 수 있어 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 인화철의 제조방법은, 기존 철(Fe) 산화물에 유독성 기체인 포스핀(PH3, phosphine)을 이용하지 않기 때문에 간단하면서도 안전하게 인화철을 제조할 수 있는 특성이 있다. 또한 Fe2P, Fe3P 등 다른 상의 인화철이 생성되지 않고 목적으로 하는 상의 인화철을 선택적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.When the iron phosphide manufactured by the method for manufacturing iron phosphide as described above is applied to a lithium secondary battery, in particular, a lithium-sulfur battery, it can adsorb lithium polysulfide that is eluted during charging and discharging of the battery, thereby improving the performance of the battery. Can be improved. In addition, the method of manufacturing iron phosphide according to the present invention has a characteristic that simple and safe iron phosphide can be manufactured because it does not use phosphine (PH 3, phosphine), which is a toxic gas in the existing iron (Fe) oxide. In addition , there is an advantage in that other phases such as Fe 2 P, Fe 3 P, etc. are not generated, and an iron phosphide of a target phase can be selectively prepared.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and the like, but the scope and contents of the present invention are reduced or limited by the following examples, and thus cannot be interpreted. In addition, if based on the disclosure of the present invention including the following examples, it is obvious that the present invention for which no specific experimental results are presented can be easily carried out by a person skilled in the art. It is natural to fall within the scope of the claims.

[제조예 1] 철 산화물(Fe 1.766 O 3 )의 제조 [Production Example 1] Preparation of iron oxide (Fe 1.766 O 3 )

2.0 M Fe(NO3)3·9H2O (Sigma-Aldrich 社) 수용액을 컨벡션 오븐에서 80 ℃, 6시간 동안 건조시켰다. (전처리 과정) 이후, 컨벡션 오븐에서 155 ℃, 18 시간 동안 열처리를 하여 Fe1.766O3를 제조하였다.2.0 M Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O (Sigma-Aldrich) aqueous solution was dried in a convection oven at 80° C. for 6 hours. (Pre- treatment process) Thereafter, heat treatment was performed at 155° C. for 18 hours in a convection oven to prepare Fe 1.766 O 3.

[제조예 2] 철 산화물(Fe 2 O 3 )의 제조 [Production Example 2] Preparation of iron oxide (Fe 2 O 3 )

2.0 M FeCl3·6H2O (Sigma-Aldrich 社) 수용액을 컨벡션 오븐에서 80 ℃, 6시간 동안 건조시켰다. (전처리 과정) 이후, 컨벡션 오븐에서 155 ℃, 18 시간 동안 열처리를 하여 Fe2O3를 제조하였다.A 2.0 M FeCl 3 ·6H 2 O (Sigma-Aldrich) aqueous solution was dried in a convection oven at 80° C. for 6 hours. (Pre-treatment process) Thereafter, heat treatment was performed at 155° C. for 18 hours in a convection oven to prepare Fe 2 O 3.

[제조예 3] 철 산화물(Fe 2 O 3 )의 제조 [Production Example 3] Preparation of iron oxide (Fe 2 O 3 )

2.0 M FeSO4·7H2O (Sigma-Aldrich 社) 수용액을 컨벡션 오븐에서 80 ℃, 6시간 동안 건조시켰다. (전처리 과정) 이후, 컨벡션 오븐에서 155 ℃, 18 시간 동안 열처리를 하여 Fe2O3를 제조하였다.A 2.0 M FeSO 4 ·7H 2 O (Sigma-Aldrich company) aqueous solution was dried in a convection oven at 80° C. for 6 hours. (Pre-treatment process) Thereafter, heat treatment was performed at 155° C. for 18 hours in a convection oven to prepare Fe 2 O 3.

[실시예 1] 인화철(FeP)의 제조 [Example 1] Preparation of iron phosphide (FeP)

상기 제조예 1에서 제조된 철 산화물(Fe1.766O3)과 NaH2PO2·H2O를 1:1.5 의 질량비로 혼합하여 반응시킨 후, 유량 100 mL/min의 질소 기체를 흘려주며 250 ℃에서 2시간 동안 열처리를 진행하여 인화철(FeP)을 제조하였다. 이때 열처리를 위한 승온 속도는 분당 10℃ 로 하였다. After reacting by mixing the iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) prepared in Preparation Example 1 and NaH 2 PO 2 ·H 2 O at a mass ratio of 1:1.5, nitrogen gas of a flow rate of 100 mL/min was flowed at 250° C. Heat treatment was performed at for 2 hours to prepare iron phosphide (FeP). At this time, the rate of temperature increase for the heat treatment was 10°C per minute.

[비교예 1] 인화철(FeP)의 제조 [Comparative Example 1] Preparation of iron phosphide (FeP)

철 산화물을 Fe1.766O3에서 제조예 2의 Fe2O3로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 인화철(FeP)을 제조하였다.Iron oxide (FeP) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the iron oxide was changed from Fe 1.766 O 3 to Fe 2 O 3 of Preparation Example 2.

[비교예 2] 인화철(FeP)의 제조 [Comparative Example 2] Preparation of iron phosphide (FeP)

철 산화물을 Fe1.766O3에서 제조예 3의 Fe2O3로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 인화철(FeP)을 제조하였다.An iron oxide Fe In 1.766 O 3, except that a change to the preparation 3 of the Fe 2 O 3, the same way as in Example 1 to prepare a printing iron (FeP).

[실험예 1] SEM (scanning electron microscope) 분석 [Experimental Example 1] SEM (scanning electron microscope) analysis

제조예 1 내지 3에서 각각 제조된 철 산화물과, 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 인화철에 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 iron oxides prepared in Preparation Examples 1 to 3, respectively, and the iron phosphides prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively.

도 1은 제조예에서 제조된 각각의 철 산화물에 대한 SEM 이미지이고, 도 2는 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 인화철에 대한 SEM 이미지이다.1 is an SEM image of each iron oxide prepared in Preparation Example, and FIG. 2 is an SEM image of iron phosphide prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.

배율을 50k로 하여 SEM 분석을 실시한 결과, 제조예 1의 철 산화물(Fe1.766O3)은 10 ~ 100 nm의 입자로 합성되고, 이들이 뭉쳐서 0.5 ~ 5 ㎛의 2차 입자를 형성하며, 제조예 1의 철 산화물을 이용한 실시예 1의 인화철은 50 ~ 300 nm 수준의 구형 1차 입자로 생성되고, 구형의 1차 입자가 뭉쳐서 1 ~ 10 ㎛의 2차 입자를 형성하였다.As a result of performing SEM analysis with a magnification of 50k, the iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) of Preparation Example 1 was synthesized into particles of 10 to 100 nm, and they aggregate to form secondary particles of 0.5 to 5 μm, Preparation Example The iron phosphide of Example 1 using the iron oxide of 1 was produced as spherical primary particles having a level of 50 to 300 nm, and spherical primary particles were aggregated to form secondary particles of 1 to 10 µm.

또한, 제조예 2의 철 산화물(Fe2O3)은 10 ~ 100 nm의 입자로 합성되고, 이들이 뭉쳐서 5 ~ 20 ㎛의 2차 입자를 형성하며, 제조예 2의 철 산화물을 이용한 비교예 1의 인화철은 100 ~ 200 nm 수준의 구형 1차 입자로 생성되고, 구형의 1차 입자가 뭉쳐서 5 ~ 20 ㎛의 2차 입자를 형성하였다.In addition, the iron oxide (Fe 2 O 3 ) of Preparation Example 2 is synthesized into particles of 10 to 100 nm, and they aggregate to form secondary particles of 5 to 20 μm, and Comparative Example 1 using the iron oxide of Preparation Example 2 Phosphorus of iron was produced as spherical primary particles at a level of 100 to 200 nm, and spherical primary particles were aggregated to form secondary particles of 5 to 20 µm.

또한, 제조예 3의 철 산화물(Fe2O3)은 100 ~ 300 nm의 입자로 합성되고, 이들이 뭉쳐서 1 ~ 10 ㎛의 2차 입자를 형성하며, 제조예 3의 철 산화물을 이용한 비교예 2의 인화철은 100 ~ 300 nm 수준의 구형 1차 입자로 생성되고, 구형의 1차 입자가 뭉쳐서 10 ~ 50 ㎛의 2차 입자를 형성하는 것을 확인할 수 있었다.In addition, the iron oxide (Fe 2 O 3 ) of Preparation Example 3 is synthesized into particles of 100 to 300 nm, and they aggregate to form secondary particles of 1 to 10 μm, and Comparative Example 2 using the iron oxide of Preparation Example 3 It was confirmed that the iron phosphide of was produced as spherical primary particles of 100 to 300 nm level, and spherical primary particles were aggregated to form secondary particles of 10 to 50 μm.

[실험예 2] XRD (X-ray Diffraction) 분석 [Experimental Example 2] XRD (X-ray Diffraction) analysis

제조예 1에서 제조된 철 산화물(Fe1.766O3)과, 실시예 1에서 제조된 인화철에 대하여 XRD 분석(Bruker社의 D4 Endeavor)을 실시하였다.The iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) prepared in Preparation Example 1 and the iron phosphide prepared in Example 1 were subjected to XRD analysis (D4 Endeavor of Bruker Corporation).

도 3은 제조예에서 제조된 Fe1.766O3에 대한 XRD 분석결과이고, 도 4는 실시예에서 제조된 인화철에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다. 3 is an XRD analysis result for Fe 1.766 O 3 prepared in Preparation Example, and FIG. 4 is a graph showing an XRD analysis result for iron phosphide prepared in Example.

안정한 상의 Fe2O3에 비해 산소의 포함량이 많은 Fe1.766O3가 제조된 것을 도 3을 통하여 확인할 수 있었으며, 실시예의 XRD 피크(도 4)를 확인하여 순수한 상의 결정성 인화철(FeP)이 선택적으로 제조된 것을 알 수 있었다. It was confirmed through FIG. 3 that Fe 1.766 O 3 was prepared with a greater amount of oxygen than Fe 2 O 3 in the stable phase, and the crystalline iron phosphide (FeP) of the pure phase was confirmed by confirming the XRD peak (FIG. 4) of the Example. It was found that it was selectively manufactured.

[실험예 3] 폴리설파이드 흡착 능력 평가 [Experimental Example 3] Evaluation of polysulfide adsorption ability

제조예 1에서 제조된 철 산화물(Fe1.766O3)과, 실시예 1에서 제조된 인화철의 리튬 폴리설파이드에 대한 흡착 능력을 자외선(UV, Agilent社의 Agilent 8453 UV-visible spectrophotometer) 흡광도 분석을 통해 확인하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The absorption ability of the iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) prepared in Preparation Example 1 and the lithium polysulfide of the iron phosphide prepared in Example 1 was analyzed by ultraviolet (UV, Agilent 8453 UV-visible spectrophotometer) absorbance analysis. It was confirmed through, and the results are shown in FIG. 5.

200 ~ 1000nm 파장의 범위에서 Fe1.766O3 및 인화철이 리튬 폴리설파이드를 흡착한 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, 자외선 흡광도의 세기(intensity)가 줄어든 것을 확인하였으며, 제조예에 따른 Fe1.766O3에 비해 실시예의 인화철이 리튬 폴리설파이드의 흡착 능력이 더욱 뛰어난 것을 알 수 있었다. As a result of adsorbing lithium polysulfide by Fe 1.766 O 3 and iron phosphide in the range of 200 to 1000 nm wavelength, it was confirmed that the intensity of ultraviolet absorbance decreased, as shown in FIG. 5, and Fe 1.766 O according to the preparation example Compared to 3 , it was found that the iron phosphide of Example had more excellent adsorption capacity of lithium polysulfide.

[실시예 2] 인화철이 첨가된 양극을 포함한 리튬 이차전지의 제조 [Example 2] Preparation of lithium secondary battery including positive electrode to which iron phosphide was added

먼저, 용매인 물에 베이스 고형분 100 중량부에 대하여 10 중량부의 함량으로써 상기 실시예 1에서 제조된 인화철을 투입하여 용해하였다. 이후, 얻어진 용액에 대하여, 활물질, 도전재 및 바인더를 포함한 베이스 고형분 총 100 중량부, 즉 활물질로 황-탄소 복합체(S/C 7:3)를 90 중량부, 도전재로 덴카블랙을 5 중량부, 바인더로 스티렌 부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(SBR/CMC 7:3) 5 중량부를 투입하고 믹싱하여 양극 슬러리 조성물을 제조하였다.First, the iron phosphide prepared in Example 1 was added and dissolved in an amount of 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the base solid content in water as a solvent. Thereafter, with respect to the obtained solution, a total of 100 parts by weight of a base solid including an active material, a conductive material and a binder, that is, 90 parts by weight of a sulfur-carbon composite (S/C 7:3) as an active material, and 5 parts by weight of Denka Black as a conductive material. Part and 5 parts by weight of styrene butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR/CMC 7:3) as a binder were added and mixed to prepare a positive electrode slurry composition.

이어서 상기 제조된 슬러리 조성물을 집전체(Al Foil) 상에 코팅하고 50 ℃ 에서 12 시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다. 이때 로딩양은 3.5mAh/cm2이고, 전극의 공극률(porosity)은 60 %로 하였다.Subsequently, the prepared slurry composition was coated on a current collector (Al Foil) and dried at 50° C. for 12 hours to prepare a positive electrode. At this time, the loading amount was 3.5mAh/cm 2 , and the porosity of the electrode was 60%.

이후, 상기 제조된 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 하기와 같이 적용하여 코인셀 형태의 리튬 이차전지를 제조하였다(양극은 14phi 원형 전극으로 타발하여 사용하였으며, 폴리에틸렌(PE) 분리막은 19phi, 150um 리튬 금속은 음극으로서 16phi로 타발하여 사용).Thereafter, the prepared positive electrode, negative electrode, separator, and electrolyte were applied as follows to prepare a lithium secondary battery in the form of a coin cell (the positive electrode was punched and used as a 14phi circular electrode, and the polyethylene (PE) separator was 19phi, 150um lithium. Metal is used by punching with 16phi as the cathode).

[비교예 3] 인화철이 첨가되지 않은 양극을 포함한 리튬 이차전지의 제조 [Comparative Example 3] Preparation of a lithium secondary battery including a positive electrode to which iron phosphide was not added

양극에 인화철을 투입하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that iron phosphide was not added to the positive electrode.

[비교예 4] 철 산화물이 첨가된 양극을 포함한 리튬 이차전지의 제조 [Comparative Example 4] Preparation of a lithium secondary battery including a positive electrode to which iron oxide is added

인화철 대신 상기 제조예 1에서 제조된 철 산화물(Fe1.766O3)을 베이스 고형분 100 중량부 대비 10 중량부의 함량으로 투입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 2, except that the iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) prepared in Preparation Example 1 was added in an amount of 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the base solid content instead of iron phosphide. Was prepared.

[비교예 5] 인화철이 첨가된 양극을 포함한 리튬 이차전지의 제조 [Comparative Example 5] Preparation of a lithium secondary battery including a positive electrode to which iron phosphide was added

용매인 물에, 상기 실시예 1에서 제조된 인화철 대신 상기 비교예 1에서 제조된 인화철을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 코인셀 형태의 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery in the form of a coin cell was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the iron phosphide prepared in Comparative Example 1 was used instead of the iron phosphide prepared in Example 1 in water as a solvent. .

[비교예 6] 인화철이 첨가된 양극을 포함한 리튬 이차전지의 제조 [Comparative Example 6] Preparation of a lithium secondary battery including a positive electrode to which iron phosphide was added

용매인 물에, 상기 실시예 1에서 제조된 인화철 대신 상기 비교예 2에서 제조된 인화철을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 코인셀 형태의 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery in the form of a coin cell was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the iron phosphide prepared in Comparative Example 2 was used instead of the iron phosphide prepared in Example 1 in water as a solvent. .

[실험예 4] 리튬 이차전지의 방전용량 평가 [Experimental Example 4] Evaluation of discharge capacity of lithium secondary battery

양극재 종류에 따른 리튬 이차전지(리튬-황 전지)의 방전용량을 실험하기 위하여, 상기 실시예 2 및 비교예 3 내지 6으로부터 제조된 리튬 이차전지(리튬-황 전지)의 방전용량을 각각 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이때, 측정전류는 0.1C로, 전압 범위는 1.8 ~ 2.6 V로 하였으며, 또한, 하기 표 1에 상기 실시예 2 및 비교예 3 내지 6으로부터 제조된 리튬 이차전지의 양극 구성을 나타내었다.To test the discharge capacity of a lithium secondary battery (lithium-sulfur battery) according to the type of cathode material, the discharge capacity of the lithium secondary battery (lithium-sulfur battery) prepared in Example 2 and Comparative Examples 3 to 6 was measured, respectively. And the results are shown in FIG. 6. At this time, the measurement current was 0.1 C and the voltage range was 1.8 to 2.6 V, and Table 1 below shows the configuration of the positive electrode of the lithium secondary battery prepared from Example 2 and Comparative Examples 3 to 6.

리튬-황 전지 (양극)Lithium-sulfur battery (anode) 실시예 2Example 2 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더 + 실시예 1의 인화철
(중량비 - 90:5:5:10,)
Sulfur-carbon composite + conductive material + binder + iron phosphide of Example 1
(Weight ratio-90:5:5:10,)
비교예 3Comparative Example 3 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더
(중량비 - 90:5:5)
Sulfur-carbon composite + conductive material + binder
(Weight ratio-90:5:5)
비교예 4Comparative Example 4 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더 + 제조예 1의 Fe1.766O3
(중량비 - 90:5:5:10)
Sulfur-carbon composite + conductive material + binder + Fe 1.766 O 3 of Preparation Example 1
(Weight ratio-90:5:5:10)
비교예 5Comparative Example 5 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더 + 비교예 1의 인화철
(중량비 - 90:5:5:10,)
Sulfur-carbon composite + conductive material + binder + iron phosphide of Comparative Example 1
(Weight ratio-90:5:5:10,)
비교예 6Comparative Example 6 황-탄소 복합체 + 도전재 + 바인더 + 비교예 2의 인화철
(중량비 - 90:5:5:10,)
Sulfur-carbon composite + conductive material + binder + iron phosphide of Comparative Example 2
(Weight ratio-90:5:5:10,)

도 6에 도시된 바와 같이, 인화철이나 철 산화물을 첨가하지 않은 비교예 3에 비하여, 제조예 1의 철 산화물(Fe1.766O3)이 첨가된 비교예 4의 초기 방전용량이 더 높은 것을 확인할 수 있었으며, 인화철이 첨가된 실시예 2의 경우에는, 철 산화물을 적용한 비교예 4에 비하여 초기 방전용량이 더욱 증가한 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 제조예 1의 철 산화물(Fe1.766O3)로 제조된 인화철을 이용한 실시예 2는, 제조예 2나 제조예 3의 철 산화물(Fe2O3)로 제조된 인화철을 이용한 비교예 5 및 6에 비해서도 초기 방전용량이 월등한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 이와 같은 결과를 통하여, 인화철(FeP), 그 중에서도 특정 철 산화물(Fe1.766O3)로 제조된 인화철이 리튬-황 전지의 초기 방전용량 증가에 효과가 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it was confirmed that the initial discharge capacity of Comparative Example 4 to which iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) of Preparation Example 1 was added was higher than that of Comparative Example 3 in which iron phosphide or iron oxide was not added. In the case of Example 2 to which iron phosphide was added, it was confirmed that the initial discharge capacity was further increased compared to Comparative Example 4 to which iron oxide was applied. In addition, Example 2 using iron oxide made of iron oxide (Fe 1.766 O 3 ) of Preparation Example 1, using iron phosphide made of iron oxide (Fe 2 O 3 ) of Preparation Example 2 or Preparation Example 3 It was confirmed that the initial discharge capacity was superior even compared to Comparative Examples 5 and 6. That is, through these results, it can be seen that iron phosphide (FeP), especially iron phosphide made of a specific iron oxide (Fe 1.766 O 3 ), is effective in increasing the initial discharge capacity of a lithium-sulfur battery.

[실험예 5] 리튬 이차전지의 수명특성 평가 [Experimental Example 5] Evaluation of life characteristics of lithium secondary battery

양극재 종류에 따른 리튬 이차전지(리튬-황 전지)의 수명특성을 실험하기 위하여, 상기 실시예 2 및 비교예 3 내지 6으로부터 제조된 리튬 이차전지(리튬-황 전지)의 방전용량을 각각 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때, 측정은 0.1C/0.1C (충전/방전) 2.5 cycles, 0.2C/0.2C 3 cycles 이후 0.3C/0.5C를 반복 실시하였다.In order to test the life characteristics of lithium secondary batteries (lithium-sulfur batteries) according to the type of cathode material, the discharge capacity of lithium secondary batteries (lithium-sulfur batteries) prepared from Example 2 and Comparative Examples 3 to 6 were measured, respectively. And the results are shown in FIG. 7. At this time, the measurement was repeated at 0.1C/0.1C (charge/discharge) 2.5 cycles, 0.2C/0.2C 3 cycles and then 0.3C/0.5C.

도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 2의 리튬-황 전지가 비교예 3 내지 6의 리튬-황 전지에 비하여 0.1C, 0.2C 및 0.5C 구간의 방전용량이 더 높았으며, 수명특성도 향상된 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로부터, 인화철(FeP), 그 중에서도 특정 철 산화물(Fe1.766O3)로 제조된 인화철이 리튬-황 전지의 양극에 첨가되면, 방전용량 효과가 우수한 동시에 수명 저해 요소 또한 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 7, the lithium-sulfur battery of Example 2 had higher discharge capacities in 0.1C, 0.2C and 0.5C sections compared to the lithium-sulfur batteries of Comparative Examples 3 to 6, and the life characteristics were also improved. I could see that. From these results, when iron phosphide (FeP), especially iron phosphide made of a specific iron oxide (Fe 1.766 O 3 ), is added to the positive electrode of a lithium-sulfur battery, the discharge capacity effect is excellent and the life-impairing factor does not occur. I could confirm that.

Claims (11)

(1) 철 수화물을 140 내지 160 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 열처리하여, 하기 화학식 1로 표시되는 철 산화물을 수득하는 단계; 및
(2) 상기 수득한 철 산화물과 NaH2PO2·H2O를 혼합하여 열처리하는 단계;를 포함하는 인화철(FeP)의 제조방법.
[화학식 1]
FexO3 (단, 1.7 ≤ x <2)
(1) heat-treating the iron hydrate at 140 to 160° C. for 12 to 24 hours to obtain an iron oxide represented by the following formula (1); And
(2) heat-treating by mixing the obtained iron oxide and NaH 2 PO 2 ·H 2 O; Method for producing iron phosphide (FeP) comprising.
[Formula 1]
Fe x O 3 (however, 1.7 ≤ x <2)
청구항 1에 있어서, 상기 철 수화물은 Fe(NO3)3·9H2O인 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 1, wherein the iron hydrate is Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O. 청구항 1에 있어서, 상기 철 수화물을 열처리 하기 전에 70 내지 90 ℃에서 4 내지 12 시간 동안 건조하는 전처리 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 1, further comprising a pretreatment step of drying the iron hydrate at 70 to 90° C. for 4 to 12 hours before heat treatment. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (2)의 철 산화물과 NaH2PO2·H2O의 혼합은 1:1 내지 1:2의 중량비로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법. The method of claim 1, wherein the mixing of the iron oxide and NaH 2 PO 2 ·H 2 O in the step (2) is performed in a weight ratio of 1:1 to 1:2. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (2)의 열처리는 200 내지 300 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment in step (2) is performed at 200 to 300° C. for 1 to 3 hours. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (2)의 열처리는 비활성기체 대기 하에서 또는 비활성기체가 지속적으로 유입되는 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment in step (2) is performed under an inert gas atmosphere or in a state in which the inert gas is continuously introduced. 청구항 1에 있어서, 상기 단계(2)의 열처리는 승온 속도가 분당 5 내지 10 ℃ 범위 사이에서 조절되는 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the heat treatment in step (2) is characterized in that the heating rate is controlled within a range of 5 to 10° C. per minute. 청구항 1에 있어서, 상기 인화철은 구형의 1차 입자가 뭉쳐서 2차 입자를 형성하는 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 1, wherein the iron phosphide is characterized in that spherical primary particles are aggregated to form secondary particles. 청구항 9에 있어서, 상기 인화철의 1차 입자는 입경이 50 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는, 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 9, wherein the primary particles of the iron phosphide have a particle diameter of 50 to 300 nm. 청구항 9에 있어서, 상기 인화철의 2차 입자는 입경이 0.5 내지 15 ㎛인 것을 특징으로 하는 인화철(FeP)의 제조방법.The method of claim 9, wherein the secondary particles of iron phosphide have a particle diameter of 0.5 to 15 µm.
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