KR102234763B1 - Anode material comprising yolk-shell structure bismuth sulfide/carbon composite for sodium ion battery and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 탄소 쉘(shell); 및 상기 탄소 쉘 내부에 위치하는 비스무스설파이드(Bi2S3)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들;을 포함하는 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체인 소듐이온전지용 음극활물질 이에 의하여, 안정적인 요크-쉘 구조의 소듐 이온전지용 음극활물질을 소듐이온전지에 적용함으로써 결과적으로 충방전 용량, 수명, 및 율속과 같은 전기화학적 특성이 향상된 소듐이온전지를 제공할 수 있다.The present invention is a porous carbon shell (shell); And a plurality of yolk particles including bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) located inside the carbon shell; for sodium ion batteries, which are bismuth sulfide/carbon composites having a yolk-shell structure including Anode Active Material Accordingly, a sodium ion battery with improved electrochemical properties such as charge/discharge capacity, life, and rate can be provided by applying a stable yoke-shell negative electrode active material for a sodium ion battery to a sodium ion battery.

Description

요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체를 포함하는 소듐이온전지용 음극소재 및 그의 제조방법{ANODE MATERIAL COMPRISING YOLK-SHELL STRUCTURE BISMUTH SULFIDE/CARBON COMPOSITE FOR SODIUM ION BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME} Anode material for sodium ion battery containing yoke-shell structure bismuth sulfide/carbon composite and its manufacturing method {ANODE MATERIAL COMPRISING YOLK-SHELL STRUCTURE BISMUTH SULFIDE/CARBON COMPOSITE FOR SODIUM ION BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 소듐이온전지용 음극소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체를 포함하는 소듐이온전지용 음극소재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material for a sodium ion battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a negative electrode material for a sodium ion battery including a yoke-shell bismuth sulfide/carbon composite and a method of manufacturing the same.

에너지 저장 기술들은 대표적으로 리튬 이차전지를 통하여 많은 기술들이 연구되었고, 발전되어 왔으며 최근에 이르러 높은 에너지 밀도, 출력 밀도, 그리고 안전성을 갖는 많은 전극 소재들이 도입되어 왔다. 이러한 리튬 이차전지는 스마트 폰(Smart phone), 랩탑(Laptop)과 같은 소형 전자기기부터 하이브리드 전기자동차(Hybrid electrical vehicle, HEVs) 및 순수 전기자동차(Electric vehicle, EVs), 대용량 전력 저장 시스템 (Energy storage system, ESS)에 이르기까지 많은 분야에 적용되어 수요가 확대되고 있으나, 최근 리튬 원료 수급이 불안정한 상황과 관련하여 리튬을 대체하는 차세대 이차전지 연구가 시급하게 요구되고 있다. 특히 원료를 해수에서 무한정 공급할 수 있다는 강점이 있는 소듐이온전지 시스템에 있어 많은 적용이 이루어져 왔다.As for energy storage technologies, many technologies have been researched and developed through lithium secondary batteries, and in recent years, many electrode materials having high energy density, power density, and safety have been introduced. These lithium secondary batteries include small electronic devices such as smart phones and laptops, hybrid electrical vehicles (HEVs), electric vehicles (EVs), and large-capacity power storage systems (Energy storage). system, ESS), and the demand is expanding, but in connection with the unstable supply and demand of lithium raw materials, research on a next-generation secondary battery that replaces lithium is urgently required. In particular, many applications have been made in sodium ion battery systems, which have the advantage of being able to supply raw materials indefinitely from seawater.

그러나 Li+(0.76 A)에 비해 큰 이온 반경을 가지고 있는 Na+(1.02 A)는 소듐이온전지의 음극 소재 개발에 있어서 심각한 제한 사항이 되고 있다. 특히 기존 리튬 이차전지 시스템의 음극 소재로 상용화된 흑연 소재 또는 실리콘(Si) 소재를 이에 적용할 수 없게 되었다는 문제가 대두되었다. 따라서 소듐이온전지 음극 소재의 대안으로서 안티모니(Sb), 주석(Sn)과 같이 소듐이온과 합금 반응 충/방전 거동을 갖는 금속 소재는 각각 660, 847 mAh g-1의 높은 이론 용량을 갖는다는 장점을 가져 많은 연구자들의 관심을 받아왔다. 한편, 또 다른 합금 계 소재로서, 비스무스(Bi)의 경우 앞의 두 소재보다 상온에서 대기 및 수분에 대한 소재의 안정성이 높고, 높은 부피당 용량을 가진다는 장점이 있다고 알려져 있다. 그러나 모든 합금 계 소재들의 충/방전시 발생하는 극심한 부피 팽창의 문제, 표면 SEI(Solid electrolyte interphase) 층의 성장 및 전해질 부반응과 관련하여 배터리의 수명 안전성을 크게 저해하는 문제들을 여전히 안고 있다.However, Na + (1.02 A), which has a larger ionic radius than Li + (0.76 A), is a serious limitation in the development of negative electrode materials for sodium ion batteries. In particular, there has been a problem that graphite materials or silicon (Si) materials commercialized as anode materials for existing lithium secondary battery systems cannot be applied thereto. Therefore, as an alternative to negative electrode materials for sodium ion batteries, metal materials that have an alloy reaction charge/discharge behavior with sodium ions such as antimony (Sb) and tin (Sn) have a high theoretical capacity of 660 and 847 mAh g -1, respectively. Because of its merit, it has attracted the attention of many researchers. On the other hand, as another alloy-based material, bismuth (Bi) is known to have an advantage in that the material has higher stability against air and moisture at room temperature than the previous two materials, and has a higher capacity per volume. However, there are still problems that greatly impair the life stability of the battery in relation to the problem of extreme volume expansion that occurs during charging/discharging of all alloy materials, the growth of the surface SEI (solid electrolyte interphase) layer, and side reactions of the electrolyte.

최근 Bi2S3 나노막대(Nanorod)를 합성하여 소듐이온전지 음극 소재로서 적용한 연구가 있으나 Bi2S3는 소듐이온전지에서도 여전히 충/방전 중 극심한 부피 팽창이 일어나 고성능 음극 소재로서 큰 한계가 되고 있다. Recently , there has been a study of synthesizing Bi 2 S 3 nanorods and applying them as cathode materials for sodium ion batteries, but Bi 2 S 3 still undergoes extreme volume expansion during charging/discharging in sodium ion batteries, which is a big limitation as a high-performance anode material. have.

한국공개특허공보 제 10-2019-0037693호Korean Patent Publication No. 10-2019-0037693

본 발명의 목적은 수열합성 반응으로 제작된 Bi/C 요크-쉘 입자를 상기 황 주입 공정을 통하여 쉘 내부에 Bi2S3 요크 입자들을 형성시킴으로써 입자 형상이 붕괴하지 않으며, 먼저 형성된 Bi/C 요크-쉘 입자에 황이 균일하게 침투 및 확산하여 비스무스설파이드(Bi2S3)를 형성하고 결정화하여 안정적인 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체인 소듐 이온전지용 음극활물질을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is a Bi / C York produced by the hydrothermal synthesis reaction by forming a Bi 2 S 3 York particles inside the shell through the shell particles the sulfur injection process does not collapse the particulate, first formed Bi / C York -Sulfur evenly penetrates and diffuses into the shell particles to form bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) and crystallize to provide a cathode active material for sodium ion batteries, which is a stable yoke-shell bismuth sulfide/carbon complex.

본 발명의 다른 목적은 상기 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체를 소듐이온전지에 적용함으로써 결과적으로 충방전 용량, 수명, 및 율속과 같은 전기화학적 특성이 향상된 소듐이온전지를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a sodium ion battery with improved electrochemical properties such as charge/discharge capacity, life, and rate by applying the yoke-shell bismuth sulfide/carbon composite to a sodium ion battery.

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

다공성 탄소 쉘(shell); 및 상기 탄소 쉘 내부에 위치하는 비스무스설파이드(Bi2S3)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들;을 포함하는 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체인 소듐이온전지용 음극활물질이 제공된다.Porous carbon shell; And a plurality of yolk particles including bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) located inside the carbon shell; for sodium ion batteries, which are bismuth sulfide/carbon composites having a yolk-shell structure including An anode active material is provided.

상기 복수의 요크(yolk) 입자들을 구성하는 각각의 요크 입자는 복수의 비스무스설파이드 나노 입자가 군집을 이루는 형태의 입자일 수 있다.Each yoke particle constituting the plurality of yolk particles may be a particle in a form in which a plurality of bismuth sulfide nanoparticles form a cluster.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 구형의 입자일 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may be spherical particles.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 평균입경이 500 내지 1000 nm 일 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may have an average particle diameter of 500 to 1000 nm.

상기 비스무스설파이드를 포함하는 요크 입자는 평균 입경이 50 내지 300nm 일 수 있다.The yoke particles including the bismuth sulfide may have an average particle diameter of 50 to 300 nm.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체에서 탄소 함량은 25 내지 35wt% 일 수 있다.The carbon content in the bismuth sulfide/carbon composite may be 25 to 35 wt%.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 사방정계 구조(orthorhombic structure)를 포함할 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may have an orthorhombic structure.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 (110) 결정면, (110) 회절점, 및 (001)의 회절점을 포함하는 결정형일 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may be in a crystalline form including a (110) crystal plane, a (110) diffraction point, and a diffraction point of (001).

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 X-선 광전자분광법(XPS) 분석시 C 1s의 280~296 eV, Bi 4f의 154~170 eV 및 C-SOx-C 그룹에 의한 168 내지 168.5 eV 범위에서 피크가 검출되는 것일 수 있다.The bismuth sulfide/carbon complex has a peak in the range of 280 to 296 eV of C 1s, 154 to 170 eV of Bi 4f and 168 to 168.5 eV of C-SO x -C group when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). It may be detected.

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

(a) 원팟(one-pot) 수열합성법에 따라 다공성 탄소 쉘; 및 상기 탄소 쉘 내부에 포함되는 비스무스(Bi)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들;을 포함하는 요크-쉘 구조의 비스무스/탄소 복합체 분말을 제조하는 단계;(a) a porous carbon shell according to a one-pot hydrothermal synthesis method; And a plurality of yolk particles including bismuth (Bi) contained in the carbon shell; preparing a yoke-shell bismuth/carbon composite powder including;

(b) 상기 비스무스/탄소 복합체 분말을 황(S) 분말과 혼합한 후 비스무스/탄소 복합체의 공간(void)으로 황을 침투시키는 단계; 및 (b) mixing the bismuth/carbon composite powder with sulfur (S) powder and infiltrating sulfur into the void of the bismuth/carbon composite; And

(c) 황이 침투된 비스무스/탄소 복합체 분말을 소성시켜 비스무스설파이드 요크 입자를 형성함으로써 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법이 제공된다.(c) sintering the bismuth/carbon composite powder impregnated with sulfur to form bismuth sulfide yoke particles, thereby preparing a yoke-shell structured bismuth sulfide/carbon composite; .

단계 (a)는,Step (a),

(a-1) 당류, 비스무스 전구체, 및 표면 안정화제를 물에 용해시킨 후 산을 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계;(a-1) dissolving a saccharide, a bismuth precursor, and a surface stabilizer in water and then adding an acid to prepare a mixed solution;

(a-2) 상기 혼합용액을 열처리함으로써 요크-쉘 구조의 비스무스/탄소 복합체 분말을 수득하는 단계; 및(a-2) obtaining a yoke-shell bismuth/carbon composite powder by heat-treating the mixed solution; And

(a-3) 상기 비스무스/탄소 복합체 분말을 세척한 후 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.(a-3) washing and drying the bismuth/carbon composite powder.

단계 (a-1)에서 상기 비스무스 전구체와 당류는 1:1 내지 1:5의 중량비로 사용될 수 있다.In step (a-1), the bismuth precursor and sugar may be used in a weight ratio of 1:1 to 1:5.

단계 (a-2)의 상기 열처리는 150 내지 250℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment in step (a-2) may be performed at 150 to 250°C.

단계 (b)에서 상기 비스무스/탄소 복합체 분말과 황 분말은 1:3 내지 1:10의 중량비로 혼합할 수 있다.In step (b), the bismuth/carbon composite powder and sulfur powder may be mixed in a weight ratio of 1:3 to 1:10.

단계 (b)의 상기 열처리는 120 내지 200℃에서 수행할 수 있다.The heat treatment in step (b) may be performed at 120 to 200°C.

단계 (c)의 상기 소성은 450 내지 700℃에서 열처리함으로써 수행할 수 있다.The sintering of step (c) may be performed by heat treatment at 450 to 700°C.

단계 (c)에서 상기 소성은 아르곤 분위기 하에서 수행할 수 있다.In step (c), the sintering may be performed under an argon atmosphere.

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

상기 소듐이온전지용 음극활물질을 포함하는 소듐이온전지용 음극이 제공된다.A negative electrode for a sodium ion battery including the negative electrode active material for a sodium ion battery is provided.

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

상기 음극활물질을 포함하는 소듐이온전지가 제공된다.A sodium ion battery including the negative electrode active material is provided.

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

상기 소듐이온전지를 포함하는 휴대용 전자기기, 이동 유닛, 전력 기기 및 에너지 저장장치 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스가 제공된다.A device, characterized in that any one selected from a portable electronic device including the sodium ion battery, a mobile unit, a power device, and an energy storage device, is provided.

본 발명의 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소(Bi2S3/C) 복합체인 소듐 이온전지용 음극활물질은 수열합성 반응으로 제작된 비스무스/탄소(Bi/C) 요크-쉘(yolk-shell) 입자를 상기 황 주입 공정을 통하여 쉘 내부에 Bi2S3 요크 입자들을 형성시킴으로써 입자 형상이 붕괴하지 않으며, 먼저 형성된 Bi/C 요크-쉘 입자에 황이 균일하게 침투 및 확산하여 비스무스설파이드(Bi2S3)를 형성하고 결정화하여 구조가 안정적이고, 이를 소듐이온전지에 적용함으로써 결과적으로 충방전 용량, 수명, 및 율속과 같은 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.The anode active material for sodium ion batteries, which is a yoke-shell bismuth sulfide/carbon (Bi 2 S 3 /C) composite of the present invention, is a bismuth/carbon (Bi/C) yolk-shell produced by hydrothermal synthesis. The particle shape does not collapse by forming Bi 2 S 3 yoke particles inside the shell through the sulfur injection process, and sulfur uniformly penetrates and diffuses into the Bi/C yoke-shell particles formed earlier, thereby bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) is formed and crystallized to have a stable structure, and as a result, electrochemical properties such as charge/discharge capacity, life, and rate can be improved by applying this to a sodium ion battery.

도 1은 본 발명의 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 실험예 1의 주사전자현미경(FE-SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 분석 결과이다.
도 3은 실험예 2의 X선 회절(XRD) 및 TEM 구조 분석 결과이다.
도 4는 실험예 3의 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 결과이다.
도 5는 실험예 4의 X-선 광전자 분광법(XPS) 분석 결과이다.
도 6은 실험예 5의 충/방전 평가 결과이다.
도 7은 실험예 6의 충/방전 사이클 평가 결과이다.
도 8은 실험예 7의 율 특성 평가 결과이다.
1 is a flowchart sequentially showing a method of manufacturing a negative electrode active material for a sodium ion battery according to the present invention.
2 is a scanning electron microscope (FE-SEM) and transmission electron microscope (TEM) analysis results of Experimental Example 1.
3 is an X-ray diffraction (XRD) and TEM structure analysis result of Experimental Example 2.
4 is a thermogravimetric analysis (TGA) result of Experimental Example 3.
5 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of Experimental Example 4.
6 is a result of charging/discharging evaluation of Experimental Example 5.
7 is a result of evaluation of charge/discharge cycles in Experimental Example 6.
8 is a result of evaluating rate characteristics of Experimental Example 7.

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

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

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

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the existence of features, numbers, steps, actions, elements, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features or It is to be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, actions, elements, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

이하, 본 발명의 소듐이온전지용 음극활물질에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, an anode active material for a sodium ion battery according to the present invention will be described.

본 발명의 소듐이온전지용 음극활물질은 다공성 탄소 쉘(shell); 및 상기 탄소 쉘 내부에 위치하는 비스무스설파이드(Bi2S3)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들; 을 포함하는 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체인 것을 특징으로 한다.The anode active material for a sodium ion battery of the present invention includes a porous carbon shell; And a plurality of yolk particles including bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) positioned inside the carbon shell. It is characterized in that it is a yoke-shell (yolk-shell) bismuth sulfide / carbon composite comprising a structure.

상기 비스무스설파이드(Bi2S3)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들은 비스무스설파이드(Bi2S3) 나노 입자가 아니라, 비스무스설파이드 나노 입자가 복수 개 군집한 군집 형태의 요크 입자들로 구성되고, 이들 요크 입자들은 다공성의 탄소 쉘 내부에 수용되어 있다. 복수 개의 비스무스설파이드를 포함하는 요크 입자들은 소정의 크기를 갖고 있으므로 탄소 쉘 내부에 포함되어 입자와 쉘 간의 공간을 충분히 확보하고 있는 것을 특징으로 한다.Composed of the bismuth sulfide plurality of yokes (yolk) particles are bismuth sulfide (Bi 2 S 3), but the nanoparticles, bismuth sulfide nano-particles is a plurality of clusters a cluster form of the yoke particles comprising (Bi 2 S 3) And these yoke particles are contained within the porous carbon shell. Since the yoke particles including a plurality of bismuthsulfides have a predetermined size, they are included in the carbon shell to sufficiently secure a space between the particles and the shell.

요크-쉘 구조는 소정의 두께를 갖는 쉘 내에 복수 개의 소정의 입경을 갖는 요크 입자들이 포함되어 있어 쉘 내 단순히 입자들이 군집되어 있는 것이 아니라 쉘 내 한정된 공간 내에 한정된 개수의 요크 입자만을 수용할 수 있으므로 쉘과 요크 입자간의 공간이 균일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.The yoke-shell structure contains a plurality of yoke particles having a predetermined particle diameter in a shell having a predetermined thickness, so that the particles are not simply clustered in the shell, but a limited number of yoke particles can be accommodated in a limited space within the shell. It is characterized in that the space between the shell and the yoke particles is uniformly formed.

이와 같은 음극 활물질을 포함하는 소듐이온전지를 제조할 경우, 충방전시 발생하는 입자의 부피 팽창을 카본 쉘과 입자 사이의 공간을 통해 상쇄시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 반해, 종래와 같이 Bi2S3 나노 입자를 그대로 사용하고 이와 함께 CNT와 같은 탄소재료와 혼합하여 사용하는 경우에는 소듐이온전지의 충방전시 발생하는 나노입자의 부피 팽창이나 응집을 억제하기 어려운 문제가 발생하게 된다.In the case of manufacturing a sodium ion battery including such a negative electrode active material, there is an effect of canceling the volume expansion of the particles generated during charging and discharging through the space between the carbon shell and the particles. On the other hand, when Bi 2 S 3 nanoparticles are used as they are and are mixed with carbon materials such as CNTs as in the prior art, it is difficult to suppress the volume expansion or aggregation of the nanoparticles that occur during charging and discharging of sodium ion batteries. Problems arise.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 구형의 입자이다.The bismuth sulfide/carbon composite is a spherical particle.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 평균입경이 500 내지 1000nm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 600 내지 900nm, 더욱 더 바람직하게는 700 내지 800nm 일 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may preferably have an average particle diameter of 500 to 1000 nm, more preferably 600 to 900 nm, and even more preferably 700 to 800 nm.

상기 비스무스설파이드를 포함하는 요크 입자는 평균 입경이 50 내지 300nm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 내지 250nm, 더욱 더 바람직하게는 100 내지 200nm 일 수 있다. 상기 요크 입자의 평균 입경이 50nm 보다 작을 경우에는 요크 입자들의 밀도가 높아 카본 쉘과 요크 입자 사이의 공간이 협소하여 부피 팽창 시 이를 상쇄시킬 수 있는 카본 쉘과 입자 사이의 공간의 확보가 어려울 수 있고, 상기 요크 입자의 평균 입경이 300nm 보다 클 경우에는 동일 중량을 기준으로 요크 입자의 비표면적이 작아 활물질의 에너지 밀도를 떨어뜨릴 수 있다.The yoke particles including the bismuth sulfide may preferably have an average particle diameter of 50 to 300 nm, more preferably 70 to 250 nm, and even more preferably 100 to 200 nm. When the average particle diameter of the yoke particles is less than 50 nm, the density of the yoke particles is high, and the space between the carbon shell and the yoke particles is narrow, so it may be difficult to secure a space between the carbon shell and the particles that can compensate for this during volume expansion. If the average particle diameter of the yoke particles is larger than 300 nm, the specific surface area of the yoke particles is small based on the same weight, thereby reducing the energy density of the active material.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체에서 탄소 함량은 25 내지 35wt% 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 27 내지 33wt%, 더욱 더 바람직하게는 29 내지 31wt% 일 수 있다.In the bismuth sulfide/carbon composite, the carbon content is preferably 25 to 35 wt%, more preferably 27 to 33 wt%, and even more preferably 29 to 31 wt%.

상술한 탄소 함량이 25wt% 보다 낮은 경우 내부에 수용된 요크 입자들을 안정적으로 균일하게 커버하기 어려워 전해질이 용출되는 문제가 발생할 수 있고, 상술한 탄소 함량이 35wt% 보다 클 경우에는 요크 입자의 양이 적어 활물질의 에너지 밀도가 떨어질 수 있다.When the above-described carbon content is lower than 25wt%, it is difficult to stably and uniformly cover the yoke particles contained therein, so that the electrolyte may be eluted, and when the above-described carbon content is greater than 35wt%, the amount of yoke particles is small. The energy density of the active material may decrease.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 사방정계 구조(orthorhombic structure)를 포함할 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may have an orthorhombic structure.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 HR-TEM에 따른 (110) 결정면, FFT에 따른 (110)과 (001)의 회절점을 포함할 수 있다.The bismuth sulfide/carbon composite may include (110) crystal planes according to HR-TEM and diffraction points of (110) and (001) according to FFT.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체에서 결정화된 비스무스설파이드가 형성되지 않고, 비스무스와 황이 그대로 남아 있는 경우 비스무스(Bi)의 (012) 결정면과 능면체 구조(rhombohedral structure)가 뚜렷이 관찰될 것이며, 낮은 강도의 황에 대한 XRD 피크도 함께 관찰된다. 그러나 본 발명의 비스무스설파이드/탄소 복합체에는 반응하지 않고 남은 잔여 황이 완전히 제거되고 비스무스설파이드로 결정화된 화합물 내에서만 존재할 수 있고, 비스무스도 모두 황화됨으로써 비스무스 자체는 전혀 남아 있지 않게 된다. If the bismuth sulfide crystallized in the bismuth sulfide/carbon composite is not formed, and bismuth and sulfur remain as they are, the (012) crystal plane and rhombohedral structure of bismuth (Bi) will be clearly observed, and low strength sulfur The XRD peak for is also observed. However, residual sulfur that does not react to the bismuth sulfide/carbon complex of the present invention is completely removed and can exist only in the compound crystallized into bismuth sulfide, and all bismuth is also sulfide, so that no bismuth itself remains.

이와 같은 비스무스설파이드/탄소 복합체에 포함되는 비스무스설파이드는 Na+, 이온을 저장할 수 있는 이차원 층상구조를 가짐으로써 가역적인 Na+ 충방전에 매우 유리한 효과를 나타낼 수 있고, 본 발명의 음극활물질은 비스무스와 황의 잔여 없는 순수한 비스무스설파이드를 포함함으로써 가역적 충방전에 안정적이고 에너지 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.Bismuth sulfide contained in such a bismuth sulfide/carbon composite has a two-dimensional layered structure capable of storing Na + and ions, thereby exhibiting a very advantageous effect on reversible Na + charging and discharging, and the anode active material of the present invention is bismuth and By including pure bismuth sulfide without residual sulfur, there is an effect of being stable in reversible charging and discharging and increasing energy density.

상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 X-선 광전자분광법(XPS) 분석시 C 1s의 280~296 eV, Bi 4f의 154~170 eV 및 C-SOx-C 그룹에 의한 168 내지 168.5 eV 범위에서 피크가 검출되는 것일 수 있다.The bismuth sulfide/carbon complex has a peak in the range of 280 to 296 eV of C 1s, 154 to 170 eV of Bi 4f and 168 to 168.5 eV of C-SO x -C group when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). It may be detected.

상기 탄소 쉘은 100 내지 300nm 의 두께인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 150 내지 250nm, 더욱 더 바람직하게는 180 내지 200nm 일 수 있다.The carbon shell may have a thickness of 100 to 300 nm, more preferably 150 to 250 nm, and even more preferably 180 to 200 nm.

상기 탄소 쉘의 두께가 100nm 보다 낮은 경우 내부에 수용된 요크 입자들을 안정적으로 균일하게 커버하기 어려워 전해질이 용출되는 문제가 발생할 수 있고, 상술한 탄소 함량이 300nm 보다 클 경우에는 요크 입자의 비율이 낮아 활물질의 에너지 밀도가 떨어질 수 있다.
When the thickness of the carbon shell is less than 100 nm, it is difficult to stably and uniformly cover the yoke particles contained therein, so that the electrolyte may be eluted, and when the carbon content is greater than 300 nm, the ratio of the yoke particles is low. The energy density of may decrease.

본 발명의 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체인 소듐이온전지용 음극활물질은 비스무스/탄소복합체의 프레임이 먼저 형성된 후, 황을 주입하고 황의 녹는점 이상으로 가열하여 황이 균일하게 확산된 것이고, 최종 열처리는 황의 기화점 이상에서 수행됨으로써 비스무스설파이드 입자를 형성하지 않고 남은 황 잔여물이 완전히 제거됨으로써 구조체 내에 이물질이 거의 없고 구조체의 붕괴가 없이 안정성을 갖는 것을 특징으로 한다.
In the anode active material for sodium ion batteries, which is a yolk-shell bismuth sulfide/carbon composite of the present invention, the frame of the bismuth/carbon composite is first formed, and then sulfur is injected and heated above the melting point of sulfur to make sulfur uniform. It is diffused, and the final heat treatment is performed above the evaporation point of sulfur, thereby completely removing the remaining sulfur residue without forming bismuth sulfide particles, so that there is little foreign matter in the structure, and it has stability without collapse of the structure.

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

먼저, first, 원팟Onepot (( oneone -- potpot ) 수열합성법에 따라 다공성 탄소 쉘; 및 상기 탄소 쉘 내부에 포함되는 ) Porous carbon shell according to the hydrothermal synthesis method; And contained within the carbon shell 비스무스(Bi)를Bismuth (Bi) 포함하는 복수의 요크( A plurality of yokes containing ( yolkyolk ) 입자들;을 포함하는 요크-쉘 구조의 ) Particles; including yoke-shell structure 비스무스Bismuth /탄소 복합체 분말을 제조한다(단계 a)./To prepare a carbon composite powder (step a).

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

먼저, 당류, 비스무스 전구체, 및 표면 안정화제를 물에 용해시킨 후 산을 첨가하여 혼합용액을 제조한다(단계 a-1).First, a saccharide, a bismuth precursor, and a surface stabilizer are dissolved in water, and then an acid is added to prepare a mixed solution (step a-1).

상기 당류는 글루코스, 수크로스, 말토스, 락토스, 전분, 글리코겐 등을 사용할 수 있다.As the saccharide, glucose, sucrose, maltose, lactose, starch, glycogen, and the like may be used.

상기 비스무스 전구체는 비스무스의 질산염, 탄산염, 염화염, 인산염, 붕산염, 산화염, 술폰산염, 황산염, 스테아린산염, 미리스틴산염, 초산염, 및 이들 각각의 무수물 일 수 있다.The bismuth precursor may be nitrate, carbonate, chloride, phosphate, borate, oxide, sulfonate, sulfate, stearate, myristic acid, acetate, and anhydrides of bismuth.

상기 표면 안정화제는 PVP(polyvinyl pyrrolidone), HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate), PAA(polyacrylic acid), PSS(polystryrene sulfonate), PEI(Polyehylene imine), PLL(poly-L-lysine), PLSA(poly(lactic-coglycolic acid)), PLA(polylactic acid) 등일 수 있다.The surface stabilizers are PVP (polyvinyl pyrrolidone), HEMA (2-hydroxyethyl methacrylate), PAA (polyacrylic acid), PSS (polystryrene sulfonate), PEI (Polyehylene imine), PLL (poly-L-lysine), PLSA (poly( lactic-coglycolic acid)), PLA (polylactic acid), and the like.

의 상기 산은 빙초산, 아세트산, 구연산, 말산, 염산, 황산, 불산, 질산, 과염소산 등일 수 있다.The acid of may be glacial acetic acid, acetic acid, citric acid, malic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, nitric acid, perchloric acid, and the like.

상기 비스무스 전구체와 당류는 1:1 내지 1:5의 중량비로 사용되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1:2 내지 1:4, 더욱 더 바람직하게는 1:2.5 내지 1:3.5 일 수 있다.The bismuth precursor and the saccharide are preferably used in a weight ratio of 1:1 to 1:5, more preferably 1:2 to 1:4, and even more preferably 1:2.5 to 1:3.5.

다음으로, 상기 혼합용액을 열처리함으로써 요크-쉘 구조의 비스무스/탄소 복합체 분말을 수득한다(단계 a-2).Next, the mixed solution is heat-treated to obtain a yoke-shell bismuth/carbon composite powder (step a-2).

상기 열처리는 150 내지 250℃에서 1 내지 4시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 180 내지 220℃에서 1 내지 3시간 동안, 더욱 더 바람직하게는 190 내지 210℃에서 1.5 내지 2.5시간 동안 수행할 수 있다.The heat treatment is preferably performed at 150 to 250° C. for 1 to 4 hours, more preferably at 180 to 220° C. for 1 to 3 hours, and even more preferably at 190 to 210° C. for 1.5 to 2.5 hours can do.

이후, 상기 비스무스/탄소 복합체 분말을 세척한 후 건조시킨다(단계 a-3).Thereafter, the bismuth/carbon composite powder is washed and dried (step a-3).

상기 건조는 70 내지 90℃에서 수행될 수 있다.The drying may be performed at 70 to 90°C.

다음으로, 상기 Next, above 비스무스Bismuth /탄소 복합체 분말을 황(S) 분말과 혼합한 후 열처리함으로써 /By mixing carbon composite powder with sulfur (S) powder and then heat treatment 비스무스Bismuth /탄소 복합체의 공간(/The space of the carbon complex ( voidvoid )으로 황을 침투시킨다(단계 b).) To infiltrate the sulfur (step b).

상기 비스무스/탄소 복합체 분말과 황 분말은 1:3 내지 1:10의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1:4 내지 1:6, 더욱 더 바람직하게는 1:4.5 내지 1:5.5의 중량비로 혼합할 수 있다.The bismuth/carbon composite powder and sulfur powder are preferably mixed in a weight ratio of 1:3 to 1:10, more preferably 1:4 to 1:6, even more preferably 1:4.5 to 1:5.5 It can be mixed in a weight ratio of.

상기 열처리는 상기 열처리는 120 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 130 내지 180℃, 더욱 더 바람직하게는 140 내지 160℃에서 수행될 수 있다. The heat treatment is preferably performed at 120 to 200°C, more preferably 130 to 180°C, and even more preferably at 140 to 160°C.

또한, 상기 열처리는 8 내지 17시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 15시간, 더욱 더 바람직하게는 11 내지 13시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment may be preferably performed for 8 to 17 hours, more preferably 10 to 15 hours, and even more preferably 11 to 13 hours.

이와 같은 열처리는 황(S)의 녹는점인 115.2℃ 보다 높은 온도에서 수행되어 비스무스/탄소 복합체 구조 내로 균일하게 침투하도록 하는 공정이다. 바람직하게는 140 내지 200℃에서, 더욱 바람직하게는 150 내지 170℃에서 열처리 할 수 있다.Such heat treatment is performed at a temperature higher than 115.2°C, which is the melting point of sulfur (S), so as to uniformly penetrate into the bismuth/carbon composite structure. Preferably, heat treatment may be performed at 140 to 200°C, more preferably at 150 to 170°C.

마지막으로, 황이 침투된 Finally, sulfur-infiltrated 비스무스Bismuth /탄소 복합체 분말을 /Carbon composite powder 소성시켜Fire it 비스무스설파이드Bismuth sulfide 요크 입자를Yoke particles 형성함으로써 요크-쉘 구조의 By forming a yoke-shell structure 비스무스설파이드Bismuth sulfide /탄소 복합체를 제조한다(단계 c)./To prepare a carbon composite (step c).

상기 소성은 450 내지 700℃에서 열처리함으로써 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 500 내지 600℃, 더욱 더 바람직하게는 530 내지 570℃에서 열처리할 수 있다.The sintering is preferably performed by heat treatment at 450 to 700°C, more preferably 500 to 600°C, and even more preferably at 530 to 570°C.

또한, 상기 열처리는 2 내지 6시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3 내지 5시간, 더욱 더 바람직하게는 3.5 내지 4.5시간 동안 수행될 수 있다. In addition, the heat treatment may be preferably performed for 2 to 6 hours, more preferably 3 to 5 hours, and even more preferably 3.5 to 4.5 hours.

이와 같은 열처리에 따라 비스무스/탄소 복합체 프레임에 확산된 황이 비스무스와 화학결합 즉, 황화(sulfurization)되어 비스무스설파이드(Bi2S3) 요크 입자를 형성할 수 있다. 또한 프레임의 형태는 그대로 유지될 수 있으며, 황의 기화점 444.6℃ 이상에서 열처리가 수행됨으로써 비스무스설파이드(Bi2S3)의 결합에 참여하지 않은 황 잔여물은 기화되어 불순물이 남아 있지 않을 수 있다.According to the heat treatment, sulfur diffused in the bismuth/carbon composite frame is chemically bonded to bismuth, that is, sulfurized to form bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) yoke particles. In addition, the shape of the frame may be maintained as it is, and the sulfur residue that did not participate in the bonding of bismuth sulfide (Bi 2 S 3) may be vaporized and impurities may not remain as heat treatment is performed at a vaporization point of 444.6°C or higher.

이에 따라 최종적으로 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체가 제조될 수 있다.Accordingly, a yoke-shell bismuth sulfide/carbon composite can be finally prepared.

본 발명의 소듐이온전지용 음극활물질의 제조는 원팟(one-pot) 수열합성 공정으로 만들어진 비스무스/탄소(Bi/C) 요크-쉘 입자에 추가로 황 주입(impregnation) 공정을 도입하였다. 미리 만들어진 비스무스/탄소 요크-쉘 구조체 틀을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에서는 황의 물성을 활용하였으며, 특히 황의 낮은 녹는점(115.2℃)을 활용하여 요크-쉘 구조체의 사이 공간(void)에 균일하게 황이 침투할 수 있고, 이후 소성 과정에서 자연스럽게 황 이온이 확산하여 비스무스설파이드(Bi2S3)의 형성 및 결정화가 이루어지고, 반응하지 않고 남은 황 잔여물은 황의 기화점인 444.6℃에서 기화되어 제거됨으로 구조체의 붕괴를 막을 수 있다. 소듐 이차전지의 낮은 소재 가격으로 인해 전기자동차 또는 대용량 전력 저장장치 등을 위한 차세대 전지의 전극 소재 개발에 적용 가능성이 크다.
In the preparation of the anode active material for sodium ion batteries of the present invention, an impregnation process was additionally introduced into the bismuth/carbon (Bi/C) yoke-shell particles made by a one-pot hydrothermal synthesis process. The advantage is that a pre-made bismuth/carbon yoke-shell structure frame can be used. In the present invention, the physical properties of sulfur are utilized, and in particular, sulfur can penetrate uniformly into the void of the yoke-shell structure by utilizing the low melting point of sulfur (115.2°C), and sulfur ions naturally diffuse during the firing process. Bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) is formed and crystallized, and the sulfur residue remaining without reaction is vaporized at 444.6°C, which is the evaporation point of sulfur, and is removed, thereby preventing collapse of the structure. Due to the low material price of sodium secondary batteries, it is highly likely to be applied to the development of electrode materials for next-generation batteries for electric vehicles or large-capacity power storage devices.

본 발명은 상기 음극활물질을 포함하는 소듐이온전지를 제공한다.
The present invention provides a sodium ion battery including the negative electrode active material.

또한, 본 발명은 소듐이온전지를 포함하는 휴대용 전자기기, 이동 유닛, 전력 기기 및 에너지 저장장치 중에서 선택되는 어느 하나인 디바이스를 제공한다.
In addition, the present invention provides a device that is any one selected from a portable electronic device including a sodium ion battery, a mobile unit, a power device, and an energy storage device.

특히, 하기 실시예에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 단계 (a)에서, 비스무스 전구체와 당류의 중량비, 열처리 온도 범위, 단계 (b)에서, 비스무스/탄소 복합체 분말과 황 분말의 중량비, 열처리 온도 범위, 단계 (c)에서, 열처리 온도 조건을 변화시키면서 소듐이온전지용 음극활물질을 제조하였다. In particular, although not explicitly described in the following examples, in the method for producing a negative electrode active material for a sodium ion battery according to the present invention, in step (a), the weight ratio of the bismuth precursor and the sugar, the heat treatment temperature range, in step (b) , Bismuth/carbon composite powder and sulfur powder weight ratio, heat treatment temperature range, in step (c), while changing the heat treatment temperature conditions to prepare a negative electrode active material for a sodium ion battery.

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

단계 (a)에서, 비스무스 전구체와 당류는 1:1 내지 1:5의 중량비로 사용하고, 열처리는 150 내지 250℃에서 수행하며, 단계 (b)에서, 비스무스/탄소 복합체 분말과 황 분말은 1:3 내지 1:10의 중량비로 혼합하고, 열처리는 120 내지 200℃에서 수행하고, 단계 (c)에서, 소성은 450 내지 700℃에서 수행하는 것이다.
In step (a), the bismuth precursor and the saccharide are used in a weight ratio of 1:1 to 1:5, the heat treatment is performed at 150 to 250°C, and in step (b), the bismuth/carbon composite powder and the sulfur powder are 1 Mixing at a weight ratio of :3 to 1:10, heat treatment is performed at 120 to 200°C, and in step (c), sintering is performed at 450 to 700°C.

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

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1: 요크-쉘 구조의 1: yoke-shell structure BiBi 22 SS 33 /C 복합체 제조/C composite preparation

(1) 요크-쉘 구조의 Bi/C 복합체 제조(1) Yoke-shell structure Bi/C composite preparation

Bi/C 복합체는 간단한 원팟(one-pot) 수열합성법으로 만들었다. 먼저 2.95 g의 글루코스(glucose, Sigma-Aldrich)와 0.98 g의 Bi(NO3)3·5H2O(Sigma Aldrich), 0.5 g의 PVP(Polyvinylpyrrolidone, Mw. 40,000, Sigma-Aldrich)을 10 ㎖의 증류수에 10분간 용해 시키고, 5 ㎖의 빙초산(CH3COOH, Sigma-Aldrich)을 위 용액에 첨가한 뒤 30분간 교반 시켰다. 혼합 용액은 50 ㎖의 Teflon 용기에 옮겨 stainless-steel autoclave에서 200℃에서 2시간 동안 열처리 공정을 거쳤다. 최종적으로 검은색의 요크-쉘 구조의 Bi/C 분말이 얻어지면 회수하여 증류수와 에탄올로 세척시킨 후 80℃의 진공 오븐에서 6시간 이상 건조시켰다.The Bi/C complex was made by a simple one-pot hydrothermal synthesis method. First, 2.95 g of glucose (glucose, Sigma-Aldrich), 0.98 g of Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O (Sigma Aldrich), and 0.5 g of PVP (Polyvinylpyrrolidone, Mw. 40,000, Sigma-Aldrich) were added 10 ml of 10 ml. It was dissolved in distilled water for 10 minutes, 5 ml of glacial acetic acid (CH 3 COOH, Sigma-Aldrich) was added to the above solution and stirred for 30 minutes. The mixed solution was transferred to a 50 ml Teflon container and subjected to a heat treatment process at 200°C for 2 hours in a stainless-steel autoclave. Finally, when a black yoke-shell Bi/C powder was obtained, it was recovered, washed with distilled water and ethanol, and dried in a vacuum oven at 80° C. for 6 hours or more.

(2) S 주입된 Bi/C 복합체 제조(2) S-injected Bi/C composite preparation

앞서 준비된 요크-쉘 구조의 Bi/C 복합체 분말을 황 분말과 1:5의 무게 비율(wt.%)로 혼합한 뒤 155℃에서 12시간 동안 열처리를 진행하여 Bi/C 구조체 내로 황 주입을 실시하였다.After mixing the previously prepared yoke-shell Bi/C composite powder with sulfur powder at a weight ratio of 1:5 (wt.%), heat treatment was performed at 155°C for 12 hours to inject sulfur into the Bi/C structure. I did.

(3) 요크-쉘 구조의 Bi2S3/C 복합체 제조(3) Preparation of yoke-shell Bi 2 S 3 /C composite

이후, Ar 가스 분위기 하 550℃에서 4시간 동안 열처리하는 황화(sulfurization) 작업을 거쳐 최종 요크-쉘 구조의 Bi2S3/C 분말을 얻었다.
Thereafter, a sulfurization operation was performed by heat treatment at 550° C. for 4 hours in an Ar gas atmosphere to obtain a final yoke-shell structured Bi 2 S 3 /C powder.

[[ 실험예Experimental example ]]

실험예Experimental example 1: 주사전자현미경( 1: scanning electron microscope ( FEFE -- SEMSEM ) 및 투과전자현미경() And transmission electron microscope ( TEMTEM ) 분석) analysis

실시예 1에 따라 제조된 구조체 입자의 형상 및 내부 미세구조를 확인하기 위하여 FE-SEM, TEM 분석을 실시하여 그 이미지를 도 2에 나타내었다. In order to confirm the shape and internal microstructure of the structure particles manufactured according to Example 1, FE-SEM and TEM analysis were performed, and the images are shown in FIG. 2.

(a)는 실시예 1의 (1) 수열합성 공정 이후의 분석결과이다. 이에 따르면, FE-SEM 사진과 같이 구형의 형상을 가지며, TEM 사진에 보이는 바와 같이 탄소 쉘 내부의 공간에 300 nm 이하의 요크(yolk) 입자들을 관찰할 수 있다. (a) is the analysis result after the (1) hydrothermal synthesis step of Example 1. Accordingly, it has a spherical shape as shown in the FE-SEM photograph, and as shown in the TEM photograph, yolk particles of 300 nm or less can be observed in the space inside the carbon shell.

(b)는 실시예 1의 (2) 황 주입 공정 이후의 분석결과이다. 이에 따르면 FE-SEM 사진과 같이 황을 투입하여 155℃에서 열처리하면 황이 융해되어 Bi 요크 입자들 사이로 주입되게 되는데, 얻어진 다공성의 탄소 쉘은 쉘 내부로 쉽게 황이 침투할 수 있게 해준다. 또한 TEM 사진에서 보이는 바와 같이 Bi 요크 입자들 사이에서 황 입자들이 관찰되며, EDS 매핑(mapping)에서 보이는 바와 같이 황의 신호가 Bi가 존재하는 곳에 골고루 분포하는 것을 볼 수 있다. 따라서 열처리를 통해 쉘 내부로 황 주입이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있다.(b) is the analysis result after the (2) sulfur injection process of Example 1. According to this, when sulfur is added and heat-treated at 155°C as shown in the FE-SEM picture, sulfur is melted and injected into the Bi yoke particles. The obtained porous carbon shell allows sulfur to easily penetrate into the shell. In addition, as shown in the TEM photograph, sulfur particles are observed among the Bi yoke particles, and as shown in EDS mapping, the sulfur signal can be seen to be evenly distributed where Bi is present. Therefore, it can be confirmed that sulfur was well injected into the shell through heat treatment.

(c)는 실시예 1의 (3) 소성공정 즉 황화 공정 이후의 분석결과이다. 이에 따르면, FE-SEM 사진과 같이 표면에 덮여 있던 과량의 황은 모두 증발 되면서 제거된다. 이는 Bi 요크 입자의 Bi2S3로의 sulfurization 과정과 함께 이루어지며, TEM 사진과 같이 내부의 요크 입자가 형상이 변형되지 않고 잘 유지되며, EDS 매핑 결과와 같이 Bi와 S가 각각의 입자들 위치에 균일하게 분포하면서 합성이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
(c) is the analysis result after the (3) firing step, that is, the sulfiding step of Example 1. According to this, as shown in the FE-SEM photograph, the excess sulfur covered on the surface is all evaporated and removed. This is done with the sulfurization process of Bi yoke particles into Bi 2 S 3 , and the internal yoke particles are well maintained without deforming the shape as shown in the TEM picture, and Bi and S are located at each particle position as shown in the EDS mapping result. It can be seen that the synthesis was successful while being uniformly distributed.

실험예Experimental example 2: X선 2: X-ray 회절diffraction (( XRDXRD ) 및 ) And TEMTEM 구조 분석 Structure analysis

각 합성 단계에서의 물질의 결정 구조의 변화를 살펴보기 위해 각 샘플에 대하여 XRD 패턴, HR-TEM, FFT 이미지를 각각 얻어 도 3에 나타내었다. In order to examine the change in the crystal structure of the material in each synthesis step, XRD patterns, HR-TEM, and FFT images were obtained for each sample, respectively, and are shown in FIG. 3.

이에 따르면, (a)는 Bi/C 요크-쉘 구조체의 XRD 패턴을 보여주며, 각 peak의 위치가 JCPDS card #85-1331에 해당하는 Bi의 능면체(rhombohedral) 구조와 일치하였다. 이는 HR-TEM의 lattice fringe의 배열에서도 관찰할 수 있으며, 0.32 nm의 d-spacing을 갖는 Bi의 (012) 결정면이 뚜렷하게 나타난다. 그리고 FFT 이미지의 (012) 결정면에 대한 점 패턴에 따라서 글루코스를 포함하는 수열합성 공정은 Bi 상의 높은 결정성과 순수성이 충분함을 알 수 있다. According to this, (a) shows the XRD pattern of the Bi/C yoke-shell structure, and the position of each peak coincides with the rhombohedral structure of Bi corresponding to JCPDS card #85-1331. This can be observed in the arrangement of the lattice fringe of HR-TEM, and the (012) crystal plane of Bi with d-spacing of 0.32 nm clearly appears. In addition, it can be seen that the hydrothermal synthesis process including glucose has sufficient high crystallinity and purity of the Bi phase according to the dot pattern on the (012) crystal plane of the FFT image.

(b)는 황 주입 이후 샘플의 XRD 패턴을 나타내며, 황 주입 단계인 155℃에서 열처리 이후에도 Bi의 상은 잘 유지되며, 낮은 강도의 황에 대한 XRD 피크가 (JCPDS #08-0247) 함께 잘 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한, HR-TEM과 FFT 이미지에서도 보이듯 능면체 구조(rhombohedral structure)가 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다. (b) shows the XRD pattern of the sample after the sulfur injection, and even after the heat treatment at 155°C, which is the sulfur injection step, the Bi phase is well maintained, and the XRD peak for low intensity sulfur (JCPDS #08-0247) appears well together can see. In addition, it can be seen that the rhombohedral structure is well maintained as seen in the HR-TEM and FFT images.

(c)는 550℃ 열처리 이후 Bi2S3/C 요크-쉘 구조체의 XRD 패턴을 보여주며, 각 피크는 JCPDS card #84-0279와 일치하는 위치에 높은 강도로 나타난다. 이는 불순물 없이 Bi2S3의 사방정계(orthorhombic) 구조를 형성하기 위한 소성이 잘 완료된 것을 알 수 있고, Bi의 미 반응물 없이 황과의 반응이 탄소 쉘 내부에서 잘 이루어진 것으로 확인된다. HR-TEM 사진에서도 Bi2S3의 (110) 결정면이 잘 관찰되며, FFT 이미지에서도 (110) 회절점과 (001) 회절점이 확인된다. 한편, 황 주입 공정에서 투입되었던 과량의 황이 고온의 열처리 과정에서 제거되어 이에 대한 흔적이 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
(c) shows the XRD pattern of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell structure after heat treatment at 550° C., and each peak appears with high intensity at a position consistent with JCPDS card #84-0279. It can be seen that the sintering to form an orthorhombic structure of Bi 2 S 3 without impurities was well completed, and it was confirmed that the reaction with sulfur was well carried out inside the carbon shell without the unreacted material of Bi. The (110) crystal plane of Bi 2 S 3 is well observed in the HR-TEM photograph, and the (110) diffraction point and the (001) diffraction point are also observed in the FFT image. On the other hand, it can be seen that the excess sulfur that was introduced in the sulfur injection process was removed during the high-temperature heat treatment process, so that no trace of this was observed.

실험예Experimental example 3: 3: 열중량Thermal weight 분석( analysis( ThermogravimetricThermogravimetric analysisanalysis , , TGATGA ))

Bi2S3/C 요크-쉘 복합체에 포함된 탄소의 정량적인 양을 알기 위해 TGA 분석을 실시하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이에 따르면, 300~400℃ 사이에서 전체의 30.44 wt%의 중량 감소가 이루어지며, 이는 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체에 포함된 탄소의 양으로 계산된다. 따라서 전체 샘플의 30.44wt% 정도를 탄소가 차지하는 것으로 보이며, Bi 질산염 대비 1:3의 비율로 투입된 글루코스에 의해 합성된 탄소 함량으로 TGA 결과와 거의 일치하는 값을 보여준다.
TGA analysis was performed to determine the quantitative amount of carbon contained in the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite, and the results are shown in FIG. 4. According to this, a total weight reduction of 30.44 wt% is achieved between 300 and 400°C, which is calculated as the amount of carbon contained in the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite. Therefore, it appears that carbon accounts for about 30.44wt% of the total sample, and the carbon content synthesized by glucose added at a ratio of 1:3 to Bi nitrate shows a value that is almost consistent with the TGA result.

실험예Experimental example 4: X-선 광전자 분광법( 4: X-ray photoelectron spectroscopy ( XPSXPS ) 분석) analysis

물질의 표면 조성에 대하여 알아보기 위하여 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체에 대한 XPS 분석을 실시하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. In order to find out the surface composition of the material, XPS analysis was performed on the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite, and the results are shown in FIG. 5.

이에 따르면, XPS full scan spectrum은 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 표면에서 나타나는 각 원소에 대한 피크를 뚜렷하게 보여준다. 모든 피크들이 샘플에 포함된 Bi, C, S의 원소에 대한 것으로 특별한 불순물의 흔적은 나타나지 않으며, O1s 피크는 표면에 흡착된 H2O, O2, CO2 등과 관련된 것으로서 대기에 노출된 샘플에서 흔히 나타난다. 가장 높은 피크인 C1s는 280~296 eV 사이에서 나타나는데, high resolution spectrum에서 보이듯이 C1s는 ~284.6, ~286.1, ~289.0 eV에서 각 피크를 분리할 수 있는데 이들은 각각 C-C, C-O, C=O bond에 해당한다. 또한 Bi4f는 154~170 eV에서 나타나며, ~164.3 과 ~159.1 eV에서 각각 Bi4f5 /2, Bi4f7 /2에 해당하는 피크가 뚜렷하게 발견된다. S2p의 경우 Bi4f와 겹쳐 잘 나타나지 않으나 ~164.3 eV에서 나타나는 Bi4f5 /2에서 S2p3 /2 S2p1 /2에 해당하는 두 피크들을 각각 ~164.2, ~165.1 eV에서 분리할 수 있다. ~168.1 eV에서 나타나는 낮은 피크는 C-SOx-C group에 대한 것으로서 황 원소가 탄소 구조 내로 도핑되어 나타나는 것으로 알려져 있다. 우리는 열처리 과정에서 주입된 황이 탄소 쉘 쪽으로 일부 확산하여 형성된 것으로 예상하였다.
According to this, the XPS full scan spectrum clearly shows peaks for each element appearing on the surface of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell complex. All peaks are for the elements of Bi, C, and S contained in the sample, and there is no trace of impurities, and the O1s peak is related to H 2 O, O 2 and CO 2 adsorbed on the surface. It often appears. The highest peak, C1s, appears between 280 and 296 eV. As shown in the high resolution spectrum, C1s can separate each peak at ~284.6, ~286.1, and ~289.0 eV. These are each of the CC, CO, and C=O bonds. Corresponds. In addition, Bi4f appears at 154~170 eV, and peaks corresponding to Bi4f 5 /2 and Bi4f 7 /2 are clearly found at ~164.3 and ~159.1 eV, respectively. For each of the two S2p peak corresponding to Bi4f and S2p 3/2 S2p 1/2 in the overlap does not appear well ~ Bi4f 5/2 appears at 164.3 eV ~ 164.2, ~ can be isolated from 165.1 eV. It is known that the low peak at ~168.1 eV is for the C-SO x -C group and appears due to the doping of elemental sulfur into the carbon structure. We predicted that the sulfur injected during the heat treatment was partially diffused toward the carbon shell and formed.

실험예Experimental example 5: 충/방전 평가 5: charge/discharge evaluation

Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 소듐 금속을 상대 및 기준 전극으로 하여 소듐 반쪽 전지를 조립하여 25℃ 0.05 C-rate에서의 충/방전 평가 결과를 도 6에 나타내었다.In order to evaluate the electrochemical performance of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite, a sodium half-cell was assembled using sodium metal as a counter and reference electrode, and the charge/discharge evaluation results at 25° C. 0.05 C-rate are shown in FIG. 6. Indicated.

이에 따르면, 0.05 C-rate (1 C-rate = 625 mA g-1)에서의 첫 번째 사이클의 경우 (a)에 나타난 것처럼 Bi2S3의 초기 충/방전용량은 각각 492.1/668 mAh g-1이고 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)이 73.6 %였다. 대조적으로, (b)의 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 충/방전용량은 603/821 mAh g-1이고, CE는 73.4 %로서 Bi2S3/C 요크-쉘의 Na+ 충/방전 과정은 훨씬 적은 용량을 보여주는 Bi2S3 보다 우수하였다. 이는 전기 전도도가 낮은 Bi2S3의 전기화학 과정에서 Na+의 확산이 제한되는 것으로 볼 수 있다.
According to this, in the case of the first cycle at 0.05 C-rate (1 C-rate = 625 mA g -1 ), as shown in (a), the initial charge/discharge capacity of Bi 2 S 3 is 492.1/668 mAh g − 1 and the Coulombic efficiency (CE) was 73.6%. In contrast, the charge/discharge capacity of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite of (b) is 603/821 mAh g -1 , and the CE is 73.4%, which is the Na + charge of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell. The /discharging process was superior to Bi 2 S 3 showing much less capacity. It can be seen that diffusion of Na + is limited in the electrochemical process of Bi 2 S 3 with low electrical conductivity.

실험예Experimental example 6: 충/방전 사이클 평가 6: Charge/discharge cycle evaluation

실험예 5와 동일한 소듐 반쪽 전지를 이용한 0.2 C-rate에서 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체와 기존 Bi2S3의 300회 충/방전 반복 후의 수명 특성을 도 7에 나타내었다. Fig. 7 shows the life characteristics of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite and the existing Bi 2 S 3 after repetition of charging/discharging 300 times at 0.2 C-rate using the same sodium half battery as in Experimental Example 5.

이에 따르면, 초기에 두 샘플의 CE는 상대적으로 낮다. 그러나 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 경우, 0.05 C-rate에서 3회 충/방전 후 0.2 C-rate에서 CE가 ~97%까지 회복되었고, 300회 사이클 후에는 282.4 mAh g-1의 충전 용량이 유지되었다. 반면에, 기존 Bi2S3는 0.2C 사이클링에서 약 93%의 비교적 낮은 CE를 나타내며, 300회 사이클 후에는 겨우 41.36 mAh g-1 미만으로 충전 용량이 유지되는 심각한 용량 감소를 나타낸다. 이것은 Bi2S3의 Na+과의 conversion reaction에 의해 생성된 비가역 상과 이후 충/방전을 거듭하며 발생하는 물질의 부피 변화로 인한 입자 응집(aggregation) 또는 조대화(coarsening)에 기인하는 것으로 생각된다. 또한 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체에서 상대적으로 큰 이온 반경을 가지므로 Na+의 탈/삽입 과정이 기존 Bi2S3 보다 쉽게 이루어진다는 것을 알 수 있다. 이러한 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 향상된 성능은 전자 경로로서의 전도성 탄소 쉘의 존재 및 사이클링에서의 체적 변화에 대한 요크-쉘 입자 구조의 공극 구조의 완충 역할에서 기인하는 것으로 추정된다.
According to this, initially the CE of both samples is relatively low. However, in the case of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite, CE recovered to ~97% at 0.2 C-rate after 3 charging/discharging at 0.05 C-rate, and 282.4 mAh g -1 after 300 cycles. The charging capacity was maintained. On the other hand, the existing Bi 2 S 3 exhibits a relatively low CE of about 93% in 0.2C cycling, and shows a serious capacity reduction in which the charging capacity is maintained to only 41.36 mAh g −1 after 300 cycles. This is thought to be due to particle agglomeration or coarsening due to the change in the volume of the material resulting from the irreversible phase generated by the conversion reaction of Bi 2 S 3 with Na + and subsequent charging/discharging. do. In addition, since the Bi 2 S 3 /C yoke-shell complex has a relatively large ionic radius, it can be seen that the desorption/insertion process of Na + is easier than the existing Bi 2 S 3. The improved performance of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite is presumed to be due to the presence of the conductive carbon shell as an electron path and the buffering role of the pore structure of the yoke-shell particle structure on the volume change in cycling.

실험예Experimental example 7: 율 특성 평가 7: Rate characteristics evaluation

실험예 5와 동일한 소듐 반쪽 전지를 이용한 율 특성 평가 결과를 도 8에 나타내었다. 잘 형성된 요크-쉘 구조에 의해 물질의 율 특성이 향상됨을 확인하기 위해, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10 C-rate에서 각 3회씩 수행되었고, 마지막 3회는 0.1 C-rate로 회복시켰다. 각각의 C-rate에서의 제 3 사이클에서의 Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 충전 용량은 각각 664.7, 637.7, 612.2, 572.5, 535.8, 462.8 및 413.0 mAh g- 1 이었고, 회복 사이클에서는 606.6 mAh g- 1으로 회복되었다. 대조적으로, 기존 Bi2S3은 각각 331.8, 284.7, 251.0, 221.6, 176.4, 76.6 및 13.9 mAh g-1의 비교적 낮은 충전 용량을 나타내었고, 마지막 0.1 C-rate에서 222.0 mAh g-1로 회복되었다. 따라서, Bi2S3/C 요크-쉘 복합체는 높은 전류 밀도에서 비록 가역 용량은 감소하더라도 Na+ 충/방전 과정이 가역적으로 잘 유지되고, 이는 기존 Bi2S3보다 높은 전류 밀도에서 훨씬 많은 가역 용량을 유지하게 한다. 결과적으로, Bi2S3/C 요크-쉘 복합체의 출력 특성 향상은 Bi2S3 요크 입자들를 균일하게 둘러싼 전도성 탄소 쉘의 존재로 인한 것으로 추정된다.
Fig. 8 shows the results of evaluating the rate characteristics using the same sodium half battery as in Experimental Example 5. In order to confirm that the rate characteristics of the material are improved by the well-formed yoke-shell structure, it was performed 3 times each at 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10 C-rate, and the last 3 times were 0.1 C-rate. Restored to. The charge capacity of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite in the third cycle at each C-rate was 664.7, 637.7, 612.2, 572.5, 535.8, 462.8 and 413.0 mAh g - 1 , respectively, and 606.6 in the recovery cycle. It recovered to mAh g - 1. In contrast, the existing Bi 2 S 3 showed relatively low charging capacities of 331.8, 284.7, 251.0, 221.6, 176.4, 76.6 and 13.9 mAh g -1 , respectively, and recovered to 222.0 mAh g -1 at the last 0.1 C-rate. . Therefore, the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite maintains reversibly well the Na + charge/discharge process at a high current density even though the reversible capacity decreases, which is much more reversible at a higher current density than the existing Bi 2 S 3. Keep the capacity. As a result, the improvement in output characteristics of the Bi 2 S 3 /C yoke-shell composite is estimated to be due to the presence of a conductive carbon shell uniformly surrounding the Bi 2 S 3 yoke particles.

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

Claims (19)

다공성 탄소 쉘(shell); 및
상기 탄소 쉘 내부에 위치하는 비스무스설파이드(Bi2S3)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들;을 포함하는 요크-쉘(yolk-shell) 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체이고,
상기 복수의 요크(yolk) 입자들은 복수의 비스무스설파이드 나노 입자가 군집을 이루는 형태로서, 상기 탄소 쉘과 요크 입자간 공간이 형성되고,
상기 요크 입자는 평균 입경이 50 내지 300nm이고,
상기 탄소 쉘의 두께는 100 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질.
Porous carbon shell; And
It is a bismuth sulfide/carbon composite having a yolk-shell structure including a plurality of yolk particles including bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ) positioned inside the carbon shell,
The plurality of yolk particles are a form in which a plurality of bismuth sulfide nanoparticles form a cluster, and a space between the carbon shell and the yoke particles is formed,
The yoke particles have an average particle diameter of 50 to 300 nm,
The negative electrode active material for a sodium ion battery, characterized in that the thickness of the carbon shell is 100 to 300nm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 평균입경이 500 내지 1000 nm 인 구형 입자인 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The bismuth sulfide/carbon composite is a negative active material for a sodium ion battery, characterized in that the spherical particles having an average particle diameter of 500 to 1000 nm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 비스무스설파이드/탄소 복합체에서 탄소 함량은 25 내지 35wt% 인 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The anode active material for a sodium ion battery, characterized in that the carbon content in the bismuth sulfide/carbon composite is 25 to 35 wt%.
제1항에 있어서,
상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 사방정계 구조(orthorhombic structure)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The bismuth sulfide/carbon composite negative electrode active material for a sodium ion battery, characterized in that it comprises an orthorhombic structure (orthorhombic structure).
제1항에 있어서,
상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 (110) 결정면, (110) 회절점, 및 (001)의 회절점을 포함하는 결정형인 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The bismuth sulfide/carbon composite is a negative active material for a sodium ion battery, characterized in that it is in a crystalline form including a (110) crystal plane, (110) a diffraction point, and a diffraction point of (001).
제1항에 있어서,
상기 비스무스설파이드/탄소 복합체는 X-선 광전자분광법(XPS) 분석시 C 1s의 280~296 eV, Bi 4f의 154~170 eV 및 C-SOx-C 그룹에 의한 168 내지 168.5 eV 범위에서 피크가 검출되는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The bismuth sulfide/carbon complex has a peak in the range of 280 to 296 eV of C 1s, 154 to 170 eV of Bi 4f and 168 to 168.5 eV of C-SO x -C group when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). A negative electrode active material for sodium ion batteries, characterized in that detected.
삭제delete (a) 원팟(one-pot) 수열합성법에 따라 다공성 탄소 쉘; 및 상기 탄소 쉘 내부에 포함되는 비스무스(Bi)를 포함하는 복수의 요크(yolk) 입자들;을 포함하는 요크-쉘 구조의 비스무스/탄소 복합체 분말을 제조하는 단계;
(b) 상기 비스무스/탄소 복합체 분말을 황(S) 분말과 혼합한 후 열처리함으로써 비스무스/탄소 복합체의 공간(void)으로 황을 침투시키는 단계; 및
(c) 황이 침투된 비스무스/탄소 복합체 분말을 소성시켜 비스무스설파이드 요크 입자를 형성함으로써 요크-쉘 구조의 비스무스설파이드/탄소 복합체를 제조하는 단계;를 포함하고,
단계 (a)는,
(a-1) 당류, 비스무스 전구체, 및 표면 안정화제를 물에 용해시킨 후 산을 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계;
(a-2) 상기 혼합용액을 열처리함으로써 요크-쉘 구조의 비스무스/탄소 복합체 분말을 수득하는 단계; 및
(a-3) 상기 비스무스/탄소 복합체 분말을 세척한 후 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
(a) a porous carbon shell according to a one-pot hydrothermal synthesis method; And a plurality of yolk particles including bismuth (Bi) contained in the carbon shell; preparing a yoke-shell bismuth/carbon composite powder including;
(b) mixing the bismuth/carbon composite powder with sulfur (S) powder and heat treatment to penetrate sulfur into the void of the bismuth/carbon composite; And
(c) sintering the sulfur-impregnated bismuth/carbon composite powder to form bismuth sulfide yoke particles, thereby preparing a yoke-shell structured bismuth sulfide/carbon composite; Including,
Step (a),
(a-1) dissolving a saccharide, a bismuth precursor, and a surface stabilizer in water and then adding an acid to prepare a mixed solution;
(a-2) obtaining a yoke-shell bismuth/carbon composite powder by heat-treating the mixed solution; And
(a-3) washing the bismuth/carbon composite powder and then drying the powder.
삭제delete 제10항에 있어서,
단계 (a-1)에서 상기 비스무스 전구체와 당류는 1:1 내지 1:5의 중량비로 사용되는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 10,
In step (a-1), the bismuth precursor and the saccharide are used in a weight ratio of 1:1 to 1:5.
제10항에 있어서,
단계 (a-2)의 상기 열처리는 150 내지 250℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 10,
The heat treatment in step (a-2) is a method for producing a negative active material for sodium ion batteries, characterized in that carried out at 150 to 250 ℃.
제10항에 있어서,
단계 (b)에서 상기 비스무스/탄소 복합체 분말과 황 분말은 1:3 내지 1:10의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 10,
In step (b), the bismuth/carbon composite powder and the sulfur powder are mixed in a weight ratio of 1:3 to 1:10.
제10항에 있어서,
단계 (b)의 상기 열처리는 120 내지 200℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 10,
The heat treatment in step (b) is a method for producing a negative active material for sodium ion batteries, characterized in that carried out at 120 to 200 ℃.
제10항에 있어서,
단계 (c)의 상기 소성은 450 내지 700℃에서 열처리함으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 10,
The method for producing a negative active material for sodium ion batteries, characterized in that the sintering of step (c) is performed by heat treatment at 450 to 700°C.
제10항에 있어서,
단계 (c)에서 상기 소성은 아르곤 분위기 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 소듐이온전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 10,
The method for producing a negative active material for a sodium ion battery, characterized in that the firing in step (c) is carried out under an argon atmosphere.
제1항, 제3항, 및 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 소듐이온전지용 음극활물질을 포함하는 소듐이온전지.A sodium ion battery comprising the negative active material for a sodium ion battery according to any one of claims 1, 3, and 5 to 8. 제18항의 소듐이온전지를 포함하는 휴대용 전자기기, 이동 유닛, 전력 기기 및 에너지 저장장치 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.A device comprising any one selected from a portable electronic device, a mobile unit, a power device, and an energy storage device including the sodium ion battery of claim 18.
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