KR102250408B1 - Lithium ion battery anode active material and lithium ion battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a composite (0.1<=x<2) including: porous particles including reduced titania represented by TiO_2-x; and a titania (TiO_2) nanostructure formed at least partially on the surface of the porous particles. The composite provided in one aspect of the present invention can improve the performance and lifespan of a lithium ion battery by being used as a negative electrode active material of the lithium ion battery, and has a wide potential window.

Description

리튬 이온 전지 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지{Lithium ion battery anode active material and lithium ion battery comprising the same}Lithium ion battery anode active material and lithium ion battery comprising the same

본 발명은 리튬 이온 전지 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion battery negative electrode active material and a lithium ion battery including the same.

플러그인 하이브리드 전기 자동차 및 휴대용 장치 등을 포함하는 녹색 에너지 시장에서 증가하는 전력 수요는 다른 배터리 시스템에 비하여 높은 에너지 밀도를 가지고, 메모리 효과가 없으며, 긴 사이클을 가지고, 조정 가능한 특성을 가지는 리튬 이온 배터리(LIB) 시스템에 의해 충족되고 있다. 따라서 대부분의 연구는 주로 양극, 음극, 바인더 및 전해질과 같은 LIB의 주요 구성 요소를 최적화하는 데 중점을 두고 이루어지고 있다.The increasing power demand in the green energy market, including plug-in hybrid electric vehicles and portable devices, has a higher energy density, no memory effect, has a long cycle, and has adjustable characteristics compared to other battery systems. LIB) system. Therefore, most of the research is mainly focused on optimizing the major components of LIB such as anode, cathode, binder and electrolyte.

이산화 티타늄(TiO2)은 우수한 재료 안정성, 비용 효율성 및 비독성으로 인해 LIB의 새로운 음극 활물질 재료로서 많은 관심을 끌고 있다. TiO2 는 다양한 형질을 가지고 있는데, 대표적인 형질로는 아나타제 (anatase), 루타일 (rutile), 브루카이트 (brookite), 브론즈 (bronze B)이 존재하며, 아나타제 TiO2가 가장 활발히 연구되고 있다. Li+ intercalation이 낮은 전위(0.2 V vs. Li/Li+)에서 발생하는 흑연 음극 활물질 사용하는 기존의 LIB와 비교하여, 아나타제 TiO2 음극 활물질의 Li+ intercalation은 더 높은 전위(1.75V vs. Li/Li+)에서 발생한다. 이러한 높은 intercalation potential은 TiO2 음극 활물질의 작동 전위가 높음을 의미하며, 이는 리튬 플레이팅을 피하고 전해질의 분해 및 고체 전해질 계면(SEI) 층(일반적으로 0.1 V vs. Li/Li+ 에서 발생)의 형성을 방지하는 데 유리하다. 그러나, 이러한 아나타제 TiO2 구조에서의 가역적인 리튬 저장은 제한되어 있으며, 실제 용량(~ 180 mA·h·g-1)이 최대 이론 용량(335 mAh·g-1)보다 낮다. 아나타제 TiO2의 이론 용량과 실제 용량의 차이는 전기 화학적 리튬 저장 공정을 고려하여 이해될 수 있으며, 이는 다음의 하프-셀 반응식으로 표시될 수 있다.Titanium dioxide (TiO 2 ) is attracting a lot of attention as a new negative active material material of LIB due to its excellent material stability, cost efficiency, and non-toxicity. TiO 2 has various traits, and representative traits include anatase, rutile, brookite, and bronze B, and the anatase TiO 2 is being studied most actively. Li + intercalation by the comparison with the conventional LIB using graphite negative active material generated from a low electric potential (0.2 V vs. Li / Li + ), anatase TiO 2 negative active material of Li + intercalation has a higher potential (1.75V vs. Li Occurs at /Li + ). This high intercalation potential means that the working potential of the TiO 2 negative active material is high, which avoids lithium plating, decomposition of the electrolyte, and of the solid electrolyte interface (SEI) layer (generally occurring at 0.1 V vs. Li/Li + ). It is advantageous to prevent formation. However, reversible lithium storage in the anatase TiO 2 structure is limited, and the actual capacity (~ 180 mA·h·g -1 ) is lower than the maximum theoretical capacity (335 mAh·g -1 ). The difference between the theoretical capacity and the actual capacity of the anatase TiO 2 can be understood in consideration of the electrochemical lithium storage process, which can be expressed by the following half-cell reaction equation.

TiO2 + xLi+ + xe- → LixTiO2 (x = 0 ~ 0.55) TiO 2 + xLi + + xe - → Li x TiO 2 (x = 0 ~ 0.55)

이러한 과정은 정방정계 아나타제 TiO2에서 Li0.55TiO2로의 상전이를 포함하며, 이는 (i) 느린 Li+ 이온 확산, (ii) 낮은 전기 전도도(아나타제 TiO2의 경우 약 10-12 S·cm-1) 및 (iii) 좁은 가역성 하프-셀 작업 전위창(working potential window, 1-3 V)의 제한을 유발한다. 따라서, 리튬 함량(x)은 동적으로 0.55로 제한되는데, 이는 ~ 180 mA·h·g-1의 충전 용량에 해당한다. 그러나, 나노 사이즈(<7 nm) 아나타제 TiO2 결정에서 Li+ intercalation (lithiation) 반응 동안 추가적인 상전이가 관찰되고 Li0.98TiO2 상이 생성되어 Li+ 이온을 1-3 V의 범위에서 이론적 한계에 근접하게(x = 0.98)까지 저장할 수 있다. 큰 사이즈의 아나타제 TiO2의 경우, 이러한 Li+ 이온 삽입을 위해서는 보다 넓은 작업 전위창 (0.01-3 V)가 요구되며, 이 경우, 과도한 Li+ 이온 삽입으로 인한 비가역적인 LiTiO2 층의 형성으로 인한 저조한 Li+ 이온 확산 및 후속 동역학적 한계의 직접적인 원인이 될 수 있으며, TiO2 전극에서 Li+ 이온의 비효율적인 전기화학적 성능을 야기하고 전력 및 에너지 밀도를 제한할 수 있다.This process involves a phase transition from tetragonal anatase TiO 2 to Li 0.55 TiO 2 , which is (i) slow Li + ion diffusion, (ii) low electrical conductivity (about 10 -12 S·cm -1 for anatase TiO 2) ) And (iii) narrow reversible half-cell working potential window (1-3 V). Thus, the lithium content (x) is dynamically limited to 0.55, which corresponds to a charging capacity of ~ 180 mA·h·g −1. However, in the nano-sized (<7 nm) anatase TiO 2 crystal, an additional phase transition was observed during the Li + intercalation (lithiation) reaction, and a Li 0.98 TiO 2 phase was generated, bringing the Li + ions closer to the theoretical limit in the range of 1-3 V. You can store up to (x = 0.98). In the case of large anatase TiO 2 , a wider operating potential window (0.01-3 V) is required for such Li + ion intercalation. In this case, the formation of an irreversible LiTiO 2 layer due to excessive Li + ion intercalation. It can be a direct cause of poor Li + ion diffusion and subsequent kinetic limitations, resulting in inefficient electrochemical performance of Li + ions in the TiO 2 electrode and limiting power and energy density.

이러한 단점을 극복하기 위해, TiO2 음극 활물질에서 Li+ 이온 저장 동역학적 한계를 개선하기 위한 수많은 연구가 수행되었으나, 좁은 작업 전위창(1-3 V) 에 의해 발생하는 고유한 낮은 에너지 밀도는 여전히 TiO2 음극 활물질의 주요 단점으로 남아있다. 따라서, 높은 에너지 밀도를 갖기 위한 넓은 작업 전위창을 가지며 빠른 Li+ 이온 수송 및 전기 전도도를 가질 수 있는 새로운 산화 티타늄 기반 플랫폼을 개발하는 것이 매우 바람직할 것이다.In order to overcome these drawbacks, numerous studies have been conducted to improve the limitation of Li + ion storage kinetics in the TiO 2 negative active material, but the inherent low energy density caused by the narrow working potential window (1-3 V) is still It remains a major disadvantage of the TiO 2 negative active material. Therefore, it would be highly desirable to develop a new titanium oxide based platform that has a wide working potential window for high energy density and can have fast Li + ion transport and electrical conductivity.

본 발명의 일 측면에서의 목적은 환원된 티타니아 및 티타니아를 포함하는 복합체를 제공하여, 이를 리튬 이온 전지의 음극 활물질로 사용함으로써 성능이 향상된 리튬 이온 전지를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a composite comprising reduced titania and titania, and to provide a lithium ion battery with improved performance by using it as a negative electrode active material for a lithium ion battery.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention

TiO2-x로 표시되는 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자; 및Porous particles containing reduced titania represented by TiO 2-x; And

상기 다공성 입자 표면에 적어도 부분적으로 형성된 티타니아(TiO2) 나노 구조물; A titania (TiO 2 ) nanostructure formed at least partially on the surface of the porous particle;

을 포함하는 복합체(0.1≤x<2)가 제공된다.A composite containing (0.1≦x<2) is provided.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

상기 복합체를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 활물질이 제공된다.A lithium ion battery negative active material including the composite is provided.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

티타니아(TiO2) 및 금속을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1);Preparing a mixture by mixing titania (TiO 2 ) and a metal (step 1);

상기 혼합물을 열처리하여 환원된 티타니아(TiO2-x)를 제조하는 단계(단계 2);Heat-treating the mixture to prepare reduced titania (TiO 2-x ) (Step 2);

상기 환원된 티타니아를 산(acid) 처리하여 상기 금속을 에칭하는 단계(단계 3); 및Etching the metal by treating the reduced titania with an acid (step 3); And

상기 금속이 에칭된 환원된 티타니아를 산 처리하여 환원된 티타니아 표면의 적어도 일부에 티타니아를 형성하는 단계(단계 4);Forming titania on at least a portion of the surface of the reduced titania by acid treating the reduced titania on which the metal has been etched (step 4);

를 포함하는 복합체 제조방법(0.1≤x<2)이 제공된다.A method for manufacturing a composite comprising a (0.1≦x<2) is provided.

나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서 Furthermore, in another aspect of the present invention

상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이온 전지가 제공된다.A lithium ion battery including the negative active material is provided.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합체는 리튬 이온 전지의 음극 활물질로 사용됨으로써 리튬 이온 전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있으며, 상용 티타늄 산화물 (TiO2) 음극 활물질 대비 넓은 전위창을 가지는 효과가 있다.The composite provided in one aspect of the present invention is used as an anode active material for a lithium ion battery, thereby improving the performance and life of a lithium ion battery, and has an effect of having a wide potential window compared to a commercial titanium oxide (TiO 2) anode active material. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 제조 공정을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 2a는 본 발명의 제조예 1의 TiO, 도 2b는 실시예 1의 복합체의 STEM 이미지를 나타낸 것이고,
도 2c는 본 발명의 실시예 1의 복합체의 티타니아 나노 구조물을 확대하여 보여주는 HR-TEM이고,
도 2d는 본 발명의 실시예 1의 선택 영역 회절 패턴을 나타낸 것이고,
도 2e는 a-TiO2, 제조예 1, 실시예 1의 XRD 패턴을 나타낸 것이고,
도 2f 및 도 2g는 전자 에너지 손실 분광법에 따른 제조예 1 및 실시예 1의 Ti의 L-edge 스펙트라(도 2f) 및 O의 K-edge 스펙트라(도 2g)를 각각 나타낸 것이고,
도 3a는 본 발명의 제조예 1, 도 3b는 실시예 1의 Ti 2p 영역에서 에칭 시간에 따른 XPS 깊이 프로파일 스펙트라를 나타낸 것이고,
도 4a 내지 4f는 본 발명의 제조예 및 실시예에 대한 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 및 정전류 충방전(galvanostatic charge discharge) 프로파일을 나타낸 것으로, 도 4a 및 도 4b는 a-TiO2, 도 4c 및 도 4d는 제조예 1, 도 4e 및 도 4f는 실시예 1에 대하여 나타낸 것이고,
도 4g는 a-TiO2, 제조예 1, 실시예 1의 40 mA g-1 (0.2 C) 내지 4 A g-1 (20 C) 전류 밀도에서의 속도 특성을 나타낸 것이고,
도 4h는 본 발명의 a-TiO2, 제조예 1, 실시예 1에 대한 0.2 C 및 20 C 에서의 장기간 주기 특성을 나타낸 것이고,
도 5a 및 도 5b는 0.1 mVs-1 내지 1 0.1 mVs-1 의 스캔 속도에서의 본 발명의 제조예 1 및 실시예 1에 대한 CV 커브를 나타낸 것이고,
도 5c는 본 발명의 제조예 1 및 실시예 1에 대하여 음극 피크 전류로부터 b 값을 결정하기 위한 곡선을 나타낸 것이고,
도 5d는 본 발명의 제조예 1 및 실시예 1에 대하여 스캔 속도에 따른 음극 피크 전류를 나타낸 것이고,
도 5e 및 도 5f는 본 발명의 제조예 1 및 실시예 1에 대하여 스캔 속도에 따른 pseudocapacitive 및 intercalation의 영향을 나타내는 그래프이고,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제조예 1 및 실시예 1에 대하여, 충전 및 방전 과정에서의 ex-situ XRD 스펙트라를 나타낸 것이고,
도 6c 내지 도 6h는 본 발명의 제조예 1 및 실시예 1에 대하여, 충전 및 방전 과정에서의 ex-situ XPS 깊이 프로파일을 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 제조예 및 실시예들에 대하여, 전기 전도도, 비용량, 비표면적을 나타낸 그래프이고,
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 제조예에서의 TiO-MgO에 대하여, O, Mg, Ti 원소에 대한 맵핑 이미지를 나타낸 것이고,
도 8e는 본 발명의 일 제조예에서의 TiO-MgO에 대하여, XRD 패턴을 나타낸 것이고,
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 제조예들에 대한 STEM 이미지 및 XRD 패턴을 나타낸 것이고,
도 10a 내지 도 10h는 본 발명의 실시예들에 대한 STEM 이미지 및 XRD 패턴을 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명의 제조예 및 실시예들에 대하여 TiO 및 r-TiO2의 상대 분율을 나타낸 것이고,
도 12는 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 시각적인 이미지를 나타낸 것이고,
도 13a 및 도 13b는 TiO2 및 TiO에 대한 분자 오비탈을 나타낸 것이고,
도 14는 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대하여 라만 분광 분석을 실시한 프로파일을 나타낸 것이고,
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 a-TiO2, 제조예 1 및 실시예 1에 대한 UV-Vis 스펙트라 및 Tauc 플롯을 각각 나타낸 것이고,
도 16은 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 전기 전도도를 나타내는 그래프이고,
도 17a는 본 발명에서의 a-TiO2 및 제조예들에 대한 N2 흡탈착 곡선을 나타낸 것이고, 도 17b는 기공 크기 분포(PSD) 곡선을 나타낸 것이고,
도 17c는 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 N2 흡탈착 곡선을 나타낸 것이고, 도 17d는 기공 크기 분포(PSD) 곡선을 나타낸 것이고,
도 18a 내지 18f는 본 발명의 제조예들에 대한 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 및 정전류 충방전(galvanostatic charge discharge) 프로파일을 나타낸 것이고,
도 19a 내지 19f는 본 발명의 실시예들에 대한 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 및 정전류 충방전(galvanostatic charge discharge) 프로파일을 나타낸 것이고,
도 20a 내지 20f는 a-TiO2, r-TiO2, TiO의 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 및 정전류 충방전(galvanostatic charge discharge) 프로파일을 나타낸 것이고,
도 21a 및 21b는 각각 단사정 TiO의 XRD 패턴 및 N2 흡탈착 곡선과 기공 크기 분포 곡선을 나타낸 것이고,
도 22는 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 전기화학 임피던스 분광법에 대한 그래프를 나타낸 것이고,
도 23의 (a) 및 (b)는 각각 비교예 1의 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 및 정전류 충방전(galvanostatic charge discharge) 프로파일을 나타낸 것이고,
도 24는 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 표면 특성을 정리한 표를 나타낸 것이고,
도 25는 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 TiO 및 TiO2 분율 계산 과정 및 그 결과를 정리한 표이고,
도 26은 단사정 TiO의 표면 특성을 정리한 표이고,
도 27은 상기 도 6에서의 ex-situ XPS 결과로부터 Ti 이온들의 종류별 분율을 나타낸 표이고,
도 28은 본 발명에서의 a-TiO2, 제조예 및 실시예들에 대한 임피던스 파라미터를 나타낸 표이고,
도 29는 기존에 보고된 티타늄 산화물들에 대한 리튬 이온 전지로서의 성능을 평가하여 정리한 표이고,
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체를 모식적으로 나타낸 것이다.
1 schematically shows a composite manufacturing process according to an embodiment of the present invention,
2A is TiO of Preparation Example 1 of the present invention, and FIG. 2B shows a STEM image of the composite of Example 1,
2C is an enlarged HR-TEM showing the titania nanostructure of the composite of Example 1 of the present invention,
2D shows a selected area diffraction pattern of Example 1 of the present invention,
Figure 2e is a-TiO 2 , shows the XRD pattern of Preparation Example 1, Example 1,
2F and 2G show the L-edge spectra of Ti (FIG. 2F) and K-edge spectra of O (FIG. 2G) of Preparation Example 1 and Example 1 according to electron energy loss spectroscopy, respectively,
3A is a view showing the XPS depth profile spectra according to the etching time in the Ti 2p region of Example 1 in Preparation Example 1 of the present invention, and FIG.
4A to 4F show cyclic voltammetry and galvanostatic charge discharge profiles for Preparation Examples and Examples of the present invention, and FIGS. 4A and 4B are a-TiO 2 , FIG. 4C And FIG. 4D shows Preparation Example 1, and FIGS. 4E and 4F are for Example 1,
Figure 4g shows a-TiO 2 , Preparation Example 1, Example 1 of 40 mA g -1 (0.2 C) to 4 A g -1 (20 C) shows the speed characteristics at the current density,
Figure 4h shows the long-term cycle characteristics at 0.2 C and 20 C for a-TiO 2 of the present invention, Preparation Example 1 and Example 1,
5A and 5B show CV curves for Preparation Examples 1 and 1 of the present invention at a scan speed of 0.1 mVs -1 to 1 0.1 mVs -1,
Figure 5c shows a curve for determining the b value from the cathode peak current for Preparation Example 1 and Example 1 of the present invention,
5D shows the cathode peak current according to the scan speed for Preparation Examples 1 and 1 of the present invention,
5E and 5F are graphs showing the effect of pseudocapacitive and intercalation according to the scan speed for Preparation Examples 1 and 1 of the present invention,
6A and 6B show ex-situ XRD spectra in the charging and discharging process for Preparation Examples 1 and 1 of the present invention,
6C to 6H show ex-situ XPS depth profiles in the charging and discharging process for Preparation Examples 1 and 1 of the present invention,
7 is a graph showing electrical conductivity, specific capacity, and specific surface area for Preparation Examples and Examples of the present invention,
8A to 8D show mapping images for O, Mg, and Ti elements with respect to TiO-MgO in a preparation example of the present invention,
8E shows an XRD pattern for TiO-MgO in a Preparation Example of the present invention,
9A to 9F are STEM images and XRD patterns for Preparation Examples of the present invention,
10A to 10H show STEM images and XRD patterns for embodiments of the present invention,
11 shows the relative fractions of TiO and r-TiO 2 for Preparation Examples and Examples of the present invention,
12 shows a visual image for a-TiO 2 , Preparation Examples and Examples in the present invention,
13A and 13B show molecular orbitals for TiO 2 and TiO,
14 shows a profile of a-TiO 2 in the present invention, a Raman spectral analysis performed for Preparation Examples and Examples,
15A and 15B show UV-Vis spectra and Tauc plots for a-TiO 2 , Preparation Example 1 and Example 1 of the present invention, respectively,
16 is a graph showing electrical conductivity for a-TiO 2 , Preparation Examples and Examples in the present invention,
Figure 17a shows a-TiO 2 and N 2 adsorption and desorption curves for Preparation Examples in the present invention, Figure 17b shows a pore size distribution (PSD) curve,
Figure 17c shows a-TiO 2 in the present invention, N 2 adsorption and desorption curves for Preparation Examples and Examples, Figure 17d shows a pore size distribution (PSD) curve,
18A to 18F show cyclic voltammetry and galvanostatic charge discharge profiles for the preparation examples of the present invention,
19A to 19F show cyclic voltammetry and galvanostatic charge discharge profiles for embodiments of the present invention,
20A to 20F show cyclic voltammetry and galvanostatic charge discharge profiles of a-TiO 2 , r-TiO 2, and TiO,
21A and 21B show XRD patterns and N 2 adsorption and desorption curves and pore size distribution curves of monoclinic TiO, respectively,
Figure 22 shows a graph of the electrochemical impedance spectroscopy method for a-TiO 2 , Preparation Examples and Examples in the present invention,
23A and 23B show cyclic voltammetry and galvanostatic charge discharge profiles of Comparative Example 1, respectively,
24 shows a table summarizing the surface properties for a-TiO 2 , Preparation Examples and Examples in the present invention,
25 is a table summarizing a-TiO 2 , TiO and TiO 2 fraction calculation process and results for the preparation examples and examples in the present invention,
26 is a table summarizing the surface properties of monoclinic TiO,
27 is a table showing the fraction by type of Ti ions from the ex-situ XPS result of FIG. 6,
28 is a table showing impedance parameters for a-TiO 2 , Preparation Examples and Examples in the present invention,
29 is a table summarized by evaluating the performance as a lithium ion battery for the previously reported titanium oxides,
30 schematically shows a composite according to an embodiment of the present invention.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by an expert skilled in the art to which the present invention belongs. In general, the nomenclature used in this specification is well known and commonly used in the art.

본 발명의 일 측면에서In one aspect of the present invention

TiO2-x로 표시되는 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자; 및Porous particles containing reduced titania represented by TiO 2-x; And

상기 다공성 입자 표면에 적어도 부분적으로 형성된 티타니아(TiO2) 나노 구조물; A titania (TiO 2 ) nanostructure formed at least partially on the surface of the porous particle;

을 포함하는 복합체Complex containing

(0.1≤x<2)가 제공된다.(0.1≦x<2) is provided.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합체를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the composite provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.

먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합체는 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자를 포함한다.First, the composite provided in one aspect of the present invention includes porous particles containing reduced titania.

상기 환원된 티타니아는 TiO2-x로 표시되며, 0.1≤x<2이다.The reduced titania is represented by TiO 2-x , and 0.1≦x<2.

일 구체예에서, 상기 환원된 티타니아는 TiO일 수 있다.In one embodiment, the reduced titania may be TiO.

상기 다공성 입자는 500 nm 내지 5 ㎛ 내지의 크기일 수 있으며, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 크기일 수 있다. 다공성 입자의 크기가 5 ㎛를 초과하는 경우 환원된 티타니아 다공성 입자가 지나치게 커짐으로 인해 티타니아 나노 구조물의 성장이 늦어질 수 있으므로, 기존 연구 대비 상기 복합체의 비율의 변화에 대한 재현성이 떨어질 수 있다. 500 nm 미만인 경우 환원된 티타니아 및 티타니아의 복합체가 아닌 순수 티타니아만 생성될 수 있다는 문제점이 발생할 수 있다. 즉, 보다 상세하게는 입자가 작은 TiO는 가열한 산용액에서 빠르게 용해 및 재결정화되어 순수 r-TiO2 만 생성될 가능성이 높다.The porous particles may have a size of 500 nm to 5 µm, preferably 1 µm to 3 µm. When the size of the porous particles exceeds 5 µm, the growth of the titania nanostructure may be delayed due to the excessive increase of the reduced titania porous particles, and thus the reproducibility of the change in the ratio of the composite may be degraded compared to the existing studies. If it is less than 500 nm, there may be a problem that only pure titania can be produced, not a complex of reduced titania and titania. That is, in more detail, TiO having small particles is rapidly dissolved and recrystallized in a heated acid solution, so that only pure r-TiO 2 is likely to be produced.

상기 다공성 입자의 기공 크기는 1 nm 내지 1000 nm일 수 있으며, 바람직하게는 10 nm 내지 500 nm, 더 바람직하게는 30 nm 내지 400 nm일 수 있다.The pore size of the porous particles may be 1 nm to 1000 nm, preferably 10 nm to 500 nm, more preferably 30 nm to 400 nm.

다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합체는 티타니아(TiO2) 나노 구조물을 포함한다.Next, the composite provided in one aspect of the present invention includes a titania (TiO 2 ) nanostructure.

상기 티타니아 나노 구조물은 상기 다공성 입자 표면에 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.The titania nanostructure may be formed at least partially on the surface of the porous particle.

상기 티타니아 나노 구조물은 침상형의 나노 구조물일 수 있다. 침상형일 경우, 그 표면적이 커질 수 있다는 점에서 바람직하다.The titania nanostructure may be a needle-shaped nanostructure. In the case of acicular, it is preferable in that its surface area can be increased.

상기 티타니아 나노 구조물은 상기 다공성 입자와 코어-셸 구조를 이룰 수 있다. 즉 다공성 입자 코어를 둘러싸고 티타니아 나노 구조물이 그 표면에 형성될 수 있다.The titania nanostructure may form a core-shell structure with the porous particle. That is, a titania nanostructure surrounding the porous particle core may be formed on the surface.

상기 티타니아 나노 구조물은 상기 다공성 입자 상에 복수 개 형성되어, 상기 다공성 입자로부터 방사상으로 뻗어 나가는 형태의 침상형일 수 있다(도 30 참조).A plurality of titania nanostructures may be formed on the porous particles, and may have a needle-shaped shape extending radially from the porous particles (see FIG. 30).

상기 티타니아 나노 구조물의 폭은 1 nm 내지 10 nm, 바람직하게는 2 nm 내지 8 nm, 더 바람직하게는 3 nm 내지 5nm 일 수 있다.The width of the titania nanostructure may be 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 8 nm, more preferably 3 nm to 5 nm.

또한, 상기 티타니아 나노 구조물의 길이는 10 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 20 nm 내지 150 nm, 더 바람직하게는 30 nm 내지 100 nm일 수 있다.In addition, the length of the titania nanostructure may be 10 nm to 200 nm, preferably 20 nm to 150 nm, more preferably 30 nm to 100 nm.

상기 티타니아 나노 구조물의 크기를 상술한 범위 이상으로 성장시키기는 어려울 수 있으며, 해당 범위에서 Li+ 이온의 확산거리가 (diffusion length) 짧아져 음극 활물질로써 유리할 수 있다.It may be difficult to grow the size of the titania nanostructure beyond the above-described range, and the diffusion length of Li + ions in the corresponding range may be shortened, which may be advantageous as a negative electrode active material.

상기 티타니아 나노 구조물은 여러 겹의 침상형 티타니아 뭉치 형태일 수 있다.The titania nanostructure may be in the form of a multi-layered needle-shaped titania bundle.

상기 티타니아는 아나타제 또는 루타일 상의 결정질일 수 있다. 바람직하게는 루타일 상일 수 있다.The titania may be anatase or rutile crystalline. Preferably, it may be a rutile phase.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

상기 복합체를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 활물질이 제공된다.A lithium ion battery negative active material including the composite is provided.

상기 복합체에 대하여서는 앞서 상세히 설명하였는 바, 중복하여 설명하지는 않는다.The composite has been described in detail above, and it is not described in duplicate.

상기 복합체가 리튬 이온 전지 음극 활물질로 사용될 경우, 상기 다공성 입자의 환원된 티타니아 및 티타니아 나노 구조물의 pseudocapacitive, intercalation 반응으로 인하여 모두 리튬의 저장에 기여할 수 있다는 점에서 전지의 효율 및 수명이 개선될 수 있다.When the composite is used as a negative active material for a lithium ion battery, the efficiency and life of the battery can be improved in that both can contribute to the storage of lithium due to the pseudocapacitive and intercalation reactions of the reduced titania and titania nanostructures of the porous particles. .

상기 복합체는 서로 다른 산화수를 가지는 티타니아 복합체로써 4가(Ti4+)로 이루어진 넓은 비표면적을 가지는 티타니아 나노 구조물(바람직하게는 r-TiO2) 표면과 2가(Ti2+)로 이루어진 TiO2-x로 표시되는 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자(바람직하게는 TiO) 코어의 형태로 구성될 수 있다. 각각의 복합체는 Li+ 이온과 전기화학적 반응 시 티타니아 나노 구조물에서는 intercalation reaction, 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자에서는 pseudocapacitive reaction이 일어나며, 이에 의하여 서로 다른 방식으로 Li+ 이온을 저장할 수 있다. 따라서 다른 방식의 충전 경향성을 가지는 일을 분담하는(job-sharing) 복합체를 합성하여 보다 높은 축전 용량과 내구성을 지닐 수 있다.The complex is composed of TiO 2 together with titania nanostructures (preferably r-TiO 2) and the surface 2 (Ti 2+) 4 that has a large surface area consisting of a (Ti 4+) as titania composite having a different oxidation number It may be formed in the form of a porous particle (preferably TiO) core containing reduced titania represented by -x. When each complex reacts electrochemically with Li + ions, intercalation reactions occur in titania nanostructures, and pseudocapacitive reactions occur in porous particles containing reduced titania, thereby allowing Li + ions to be stored in different ways. Therefore, by synthesizing a job-sharing composite having a different charging tendency, it is possible to have higher storage capacity and durability.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

티타니아(TiO2) 및 금속을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1);Preparing a mixture by mixing titania (TiO 2 ) and a metal (step 1);

상기 혼합물을 열처리하여 환원된 티타니아(TiO2-x)를 제조하는 단계(단계 2);Heat-treating the mixture to prepare reduced titania (TiO 2-x ) (Step 2);

상기 환원된 티타니아를 산(acid) 처리하여 상기 금속을 에칭하는 단계(단계 3); 및Etching the metal by treating the reduced titania with an acid (step 3); And

상기 금속이 에칭된 환원된 티타니아를 산 처리하여 환원된 티타니아 표면의 적어도 일부에 티타니아를 형성하는 단계(단계 4);Forming titania on at least a portion of the surface of the reduced titania by acid treating the reduced titania on which the metal has been etched (step 4);

를 포함하는 복합체 제조방법Composite manufacturing method comprising a

(0.1≤x<2)이 제공된다.(0.1≦x<2) is provided.

이하, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 복합체 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a composite provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each step.

먼저 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 복합체 제조방법은 티타니아(TiO2) 및 금속을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1)를 포함한다.First, a method for manufacturing a composite provided in another aspect of the present invention includes a step (step 1) of preparing a mixture by mixing titania (TiO 2) and a metal.

상기 단계 1에서 티타니아 및 금속은 1:2 내지 3:1의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 티타니아 및 금속의 중량비가 1:2 미만인 경우, 순수한 TiO 상이 얻어지지 않을 수 있다는 문제점이 있으며, 상기 티타니아 및 금속의 중량비가 3:1을 초과하는 경우 불안정한 티타니아 산화물(MgxTiyOz, TiOx (X < 0.7))이나 순수 티타늄 금속(Ti) 생성될 수 있다는 문제점이 있다.In step 1, titania and metal may be mixed in a weight ratio of 1:2 to 3:1. When the weight ratio of titania and metal is less than 1:2, there is a problem that a pure TiO phase may not be obtained, and when the weight ratio of titania and metal exceeds 3:1, unstable titania oxide (Mg x Ti y O z , There is a problem that TiO x (X <0.7)) or pure titanium metal (Ti) may be generated.

상기 금속은 Mg, Na, Li, Ca, Al, Zr, Ti, V, K, Rb 및 Cs으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 일 실시예에서 상기 금속은 Mg일 수 있다.The metal may be one or more selected from the group consisting of Mg, Na, Li, Ca, Al, Zr, Ti, V, K, Rb, and Cs. In one embodiment, the metal may be Mg.

상기 금속은 금속 분말일 수 있다.The metal may be a metal powder.

상기 티타니아는 아나타제 또는 루타일 상일 수 있다. 일 실시예에서 아나타제 상일 수 있다.The titania may be an anatase or rutile phase. In one embodiment, it may be an anatase phase.

상기 단계 1을 통하여 티타니아 입자 상에 금속이 위치하는 형태의 복합체가 형성될 수 있다.Through the step 1, a composite in which a metal is located on the titania particles may be formed.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 복합체 제조방법은 상기 혼합물을 열처리하여 환원된 티타니아(TiO2-x)를 제조하는 단계(단계 2)를 포함할 수 있다.Next, the composite manufacturing method provided in another aspect of the present invention may include a step (step 2) of preparing reduced titania (TiO 2-x) by heat-treating the mixture.

상기 환원된 티타니아에서 0.1≤x<2 이다.In the reduced titania, 0.1≦x<2.

상기 열처리는 불활성 기체가 공급되는 분위기에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 불활성 기체는 열처리에 있어서 통상적으로 사용되는 기체이면 제한이 없으며, 예를 들어 H2/Ar 또는 H2/N2 기체 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 불활성 기체가 공급되는 분위기에서 열처리를 수행하는 이유는 상기 열처리 과정에서 티타니아의 환원반응 이외의 다른 반응이 일어나지 않도록 하기 위한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat treatment may be performed in an atmosphere supplied with an inert gas, but is not limited thereto. The inert gas is not limited as long as it is a gas commonly used in heat treatment, and may be, for example, H 2 /Ar or H 2 /N 2 gas, but is not limited thereto. The reason for performing the heat treatment in an atmosphere supplied with the inert gas may be to prevent other reactions other than the reduction reaction of titania from occurring in the heat treatment process, but is not limited thereto.

상기 열처리는 약 500℃ 내지 약 1,000℃에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 500℃ 내지 약 1,000℃, 약 600℃ 내지 약 1,000℃, 약 700℃ 내지 약 1,000℃, 약 800℃ 내지 약 1,000℃, 약 900℃ 내지 약 1,000℃, 약 500℃ 내지 약 900℃, 약 500℃ 내지 약 800℃, 약 500℃ 내지 약 700℃, 또는 약 500℃ 내지 약 600℃에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열처리가 500℃ 미만에서 수행되는 경우 상기 티타니아의 환원이 원활이 이루어지지 않을 수 있으며, 1,000℃ 초과에서 수행되는 경우 환원이 너무 심하게 진행되어 효율적이고 체계적으로 환원된 티타니아의 표면특성을 제어하기 힘들고, 불필요한 에너지를 낭비하는 문제가 발생할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat treatment may be performed at about 500° C. to about 1,000° C., but is not limited thereto. For example, the heat treatment is about 500°C to about 1,000°C, about 600°C to about 1,000°C, about 700°C to about 1,000°C, about 800°C to about 1,000°C, about 900°C to about 1,000°C, about 500°C It may be performed at about 900°C, about 500°C to about 800°C, about 500°C to about 700°C, or about 500°C to about 600°C, but is not limited thereto. When the heat treatment is performed at less than 500°C, the reduction of titania may not be performed smoothly, and when the heat treatment is performed at more than 1,000°C, the reduction proceeds too severely, making it difficult to efficiently and systematically control the surface characteristics of the reduced titania. However, the problem of wasting unnecessary energy may occur, but is not limited thereto.

상기 열처리는 약 3 시간 내지 약 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 3 시간 내지 약 10 시간, 약 4 시간 내지 약 10 시간, 약 5 시간 내지 약 10 시간, 약 6 시간 내지 약 10 시간, 약 7 시간 내지 약 10 시간, 약 8 시간 내지 약 10 시간, 약 9 시간 내지 약 10 시간, 약 3 시간 내지 약 9 시간, 약 3 시간 내지 약 8 시간, 약 3 시간 내지 약 7 시간, 약 3 시간 내지 약 6 시간, 약 3 시간 내지 약 5 시간, 또는 약 3 시간 내지 약 4 시간 동안 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열처리가 3 시간 미만으로 수행되는 경우 상기 티타니아의 환원이 원활히 이루어지지 않을 수 있으며, 10 시간 초과로 수행되는 경우 환원이 너무 심하게 진행되어 효율적이고 체계적으로 환원된 티타니아의 표면특성을 제어하기 힘들고, 불필요한 에너지를 낭비하는 문제가 발생할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat treatment may be performed for about 3 hours to about 10 hours, but is not limited thereto. For example, the heat treatment is about 3 hours to about 10 hours, about 4 hours to about 10 hours, about 5 hours to about 10 hours, about 6 hours to about 10 hours, about 7 hours to about 10 hours, about 8 hours To about 10 hours, about 9 hours to about 10 hours, about 3 hours to about 9 hours, about 3 hours to about 8 hours, about 3 hours to about 7 hours, about 3 hours to about 6 hours, about 3 hours to about It may be performed for 5 hours, or about 3 hours to about 4 hours, but is not limited thereto. When the heat treatment is performed for less than 3 hours, reduction of the titania may not be performed smoothly, and when the heat treatment is performed for more than 10 hours, the reduction proceeds too severely, making it difficult to efficiently and systematically control the surface properties of the reduced titania, A problem of wasting unnecessary energy may occur, but is not limited thereto.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 복합체 제조방법은 상기 환원된 티타니아를 산(acid) 처리하여 상기 금속을 에칭하는 단계(단계 3)를 포함한다.Next, a method for manufacturing a composite provided in another aspect of the present invention includes a step of etching the metal by treating the reduced titania with an acid (step 3).

상기 단계 3은 상기 단계 2에서 열처리를 마친 혼합물을 산(acid)으로 에칭(etching)함으로써 상기 티타니아(TiO2)를 환원시키는 과정에서 형성된 금속 성분을 제거하는 단계로, 이를 통해 금속 성분이 포함되지 않은 환원된 티타니아(TiO2-x)를 제조할 수 있다.The step 3 is a step of removing the metal component formed in the process of reducing the titania (TiO 2 ) by etching the mixture that has been heat-treated in step 2 with an acid, through which the metal component is not included. It is possible to prepare unreduced titania (TiO 2-x).

바람직하게는 상기 단계에서 제거되는 금속 성분은 금속 산화물 형태로 존재하는 것일 수 있다.Preferably, the metal component removed in the above step may be present in the form of a metal oxide.

상기 산으로 처리하는 단계는 2 M의 HCl 용액에서 24시간 동안 교반함으로써 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The step of treating with an acid may be performed by stirring for 24 hours in a 2 M HCl solution, but is not limited thereto.

상기 제조방법으로 제조된 환원된 티타니아(TiO2-x)는 아나타제(anatase) 및/또는 루타일(rutile) 상 없이 입방구조 대칭성을 갖는 것일 수 있다. The reduced titania (TiO 2-x ) prepared by the above manufacturing method may have a cubic structure symmetry without an anatase and/or rutile phase.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 복합체 제조방법은 상기 금속이 에칭된 환원된 티타니아를 산 처리하여 환원된 티타니아 표면의 적어도 일부에 티타니아를 형성하는 단계(단계 4)를 포함한다.Next, a method for manufacturing a composite provided in another aspect of the present invention includes a step (step 4) of forming titania on at least a portion of the surface of the reduced titania by acid-treating the reduced titania on which the metal has been etched.

상기 단계를 통하여, 환원된 티타니아 상의 적어도 일부가 티타니아로 변환되게 된다.Through the above steps, at least a portion of the reduced titania phase is converted into titania.

상기 티타니아는 아나타제 상 또는 루타일 상일 수 있으나, 일 실시예에서 루타일 상일 수 있다.The titania may be an anatase phase or a rutile phase, but may be a rutile phase in an embodiment.

상기 단계는 50℃ 내지 150℃의 온도에서 10시간 내지 50시간 수행될 수 있다. 바람직하게는 60℃ 내지 120℃의 온도에서 15시간 내지 23시간 수행될 수 있다.The step may be carried out for 10 to 50 hours at a temperature of 50 ℃ to 150 ℃. Preferably, it can be carried out for 15 to 23 hours at a temperature of 60 ℃ to 120 ℃.

50℃ 미만의 온도에서 10시간 미만으로 수행하는 경우, 환원된 티타니아(예를 들어, TiO)가 티타니아(예를 들어, 침상형의 r-TiO2)로 충분히 변환되지 않을 수 있는 문제점이 있으며, 150℃를 초과하는 온도에서 50시간 이상 수행하는 경우, 오히려 환원된 티타니아가 티타니아로 과도하게 변환되어 전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 문제점이 있다.When performed for less than 10 hours at a temperature of less than 50°C, there is a problem that the reduced titania (eg, TiO) may not be sufficiently converted to titania (eg, acicular r-TiO 2 ), When the operation is performed at a temperature exceeding 150° C. for 50 hours or more, there is a problem in that the reduced titania is excessively converted to titania, thereby reducing the efficiency of the battery.

상기 단계 4는 상기 단계 3으로부터 온도 변화 외에는 별다른 변화 없이 계속적으로 수행될 수 있다.The step 4 may be continuously performed without any change except for the temperature change from step 3 above.

따라서, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 복합체 제조방법은 환원된 티타니아(예를 들어, TiO)와 티타니아(예를 들어, 침상형 r-TiO2)의 복합물을 간단한 공정을 통하여 형성할 수 있다는 장점이 있다.Therefore, the composite manufacturing method provided in another aspect of the present invention has the advantage of being able to form a composite of reduced titania (eg, TiO) and titania (eg, acicular r-TiO 2) through a simple process. There is this.

나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이온 전지가 제공된다.A lithium ion battery including the negative active material is provided.

이하, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 리튬 이온 전지를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a lithium ion battery provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.

본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 리튬 이온 전지는 양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함할 수 있다.The lithium ion battery provided in another aspect of the present invention may include a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte.

상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 결합재 및 용매를 포함할 수 있다.The positive electrode may include a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent.

상기 양극 활물질로는 리튬 함유 금속 산화물로서, 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 모두 사용 가능하다. As the positive electrode active material, any lithium-containing metal oxide may be used as long as it is commonly used in the art.

예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1-xMnxO2(0<x<1) 또는 LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5)등이다. 구체적으로 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFeO2, V2O5, TiS 또는 MoS 등의 리튬의 흡장/방출이 가능한 화합물이다.For example, LiCoO2, LiMn x O 2x (x=1, 2), LiNi 1-x Mn x O 2 (0<x<1) or LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0≤x≤0.5 , 0≤y≤0.5), etc. Specifically, it is a compound capable of occluding/release of lithium such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFeO 2 , V 2 O 5, TiS or MoS.

도전재로는 카본블랙, 흑연미립자가 사용될 수 있으며, 결합재로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물 또는 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으며, 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있다. 상기, 양극 활물질, 도전재, 결합재 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 수준일 수 있다.Carbon black and graphite fine particles may be used as the conductive material, and vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, poly Tetrafluoroethylene and a mixture thereof or a styrene butadiene rubber-based polymer may be used, and as a solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, or water may be used. The contents of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent may be levels commonly used in lithium batteries.

상기 음극은 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 상기 음극 활물질은 TiO2-x로 표시되는 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자; 및 상기 다공성 입자 표면에 적어도 부분적으로 형성된 티타니아(TiO2) 나노 구조물;을 포함하는 복합체(0.1≤x<2)를 포함할 수 있다.The negative electrode may include a negative active material, and the negative active material may include porous particles including reduced titania represented by TiO 2-x; And a titania (TiO 2 ) nanostructure formed at least partially on the surface of the porous particle; and a composite (0.1≦x<2) including.

상기 복합체 및 음극 활물질에 대하여는 앞서 설명하였는 바, 중복하여 설명하지 않는다.The composite and the negative active material have been described above, and thus, overlapping descriptions will not be made.

상기 양극 및 음극 사이에 분리막을 포함할 수 있다.A separator may be included between the anode and the cathode.

상기 분리막은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 구체적으로, 리튬 이온 전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 분리막이 사용되며, 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해질 함침 능력이 우수한 분리막이 사용되는데, 이러한 분리막은 하기 방법에 따라 제조될 수 있다. 고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 분리막 조성물이 준비된 다음, 상기 분리막 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 분리막이 형성되거나, 상기 분리막 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 분리막이 전극 상부에 라미네이션하여 형성될 수 있다.Any of the separators can be used as long as they are commonly used in lithium batteries. It is preferable that the electrolyte has a low resistance to ion migration and has excellent electrolyte moisture absorption capacity. For example, as selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, it may be in the form of a non-woven fabric or a woven fabric. Specifically, a rollable separator such as polyethylene or polypropylene is used for a lithium ion battery, and a separator having excellent organic electrolyte impregnation ability is used for a lithium ion polymer battery, and such a separator may be manufactured according to the following method. After the separation membrane composition is prepared by mixing a polymer resin, a filler, and a solvent, the separation membrane composition is directly coated and dried on an electrode to form a separation membrane, or the separation membrane composition is cast and dried on a support, and then peeled off from the support. The separator may be formed by laminating on the electrode.

상기 고분자 수지는 특별히 한정되지는 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용 가능하다. 예를 들어 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The polymer resin is not particularly limited, and all materials used for the bonding material of the electrode plate may be used. For example, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, or mixtures thereof may be used.

또한, 상기 양극 및 음극 사이에 전해질을 포함할 수 있다.In addition, an electrolyte may be included between the positive electrode and the negative electrode.

상기 전해질은 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디메틸카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등의 용매에 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단 x, y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등의 리튬 염이 용해되어 사용될 수 있다.The electrolyte is propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, diethyl carbonate, methylethyl carbonate, methylpropyl carbonate, butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-buty Lolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO in a solvent such as nitrobenzene, dimethyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, dimethyl ether, or a mixture thereof 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 ) (Where x and y are natural waters), LiCl, LiI, or a lithium salt such as a mixture thereof may be dissolved and used.

상기 양극, 음극, 양극 및 음극 사이에 위치한 분리막을 포함하는 리튬 이온 전지 구조체가 와인딩되거나 접혀서 원통형 전지 케이스나 또는 각형 전지 케이스에 수용된 다음, 상기 전해질이 주입되면 리튬 이온 전지가 완성될 수 있다. 상기 전지 구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해질에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬 이온 폴리머 전지가 완성될 수 있다.The lithium ion battery structure including the positive electrode, the negative electrode, and a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode is wound or folded to be accommodated in a cylindrical battery case or a prismatic battery case, and then, when the electrolyte is injected, a lithium ion battery may be completed. After the battery structure is stacked in a bi-cell structure, it is impregnated with an organic electrolyte, and the resulting product is accommodated in a pouch and sealed, thereby completing a lithium ion polymer battery.

본 발명의 다른 일 구현예에서 상술한 복합체 제조방법을 포함하는 리튬 이온 전지 음극 활물질 제조방법이 제공될 수 있다.In another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a negative active material for a lithium ion battery including the method for manufacturing the composite described above may be provided.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서 상술한 리튬 이온 전지 음극 활물질 제조방법을 포함하는 리튬 이온 전지 제조방법이 제공될 수 있다.In yet another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a lithium ion battery including the method for manufacturing a negative active material for a lithium ion battery described above may be provided.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and experimental examples. The scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be construed by the appended claims. In addition, those who have acquired ordinary knowledge in this technical field should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

<제조예 1> 다공성 TiO(T-1)의 제조<Preparation Example 1> Preparation of porous TiO (T-1)

아나타제 TiO2(a-TiO2) 분말(4 g)과 Mg 분말(1.21 g)(몰비 1 : 1)의 균일 혼합물을 석영 관 퍼니스에 넣고, 650℃에서 5% H2/Ar 흐름 하에서 가열하였다. 마그네슘 열 환원 처리 후, 가열된 샘플을 2 M HCl 용액으로 4시간 동안 교반하여 MgO 상을 선택적으로 에칭하였다. 그 결과 MgO가 없는 높은 다공성의 환원 TiO(T-1)를 수득하였다.A homogeneous mixture of anatase TiO 2 (a-TiO 2 ) powder (4 g) and Mg powder (1.21 g) (molar ratio 1: 1) was placed in a quartz tube furnace and heated at 650° C. under a flow of 5% H 2 /Ar. . After the magnesium heat reduction treatment, the heated sample was stirred with a 2 M HCl solution for 4 hours to selectively etched the MgO phase. As a result, a highly porous reduced TiO (T-1) without MgO was obtained.

<제조예 2> 다공성 TiO(T-0.6)의 제조<Preparation Example 2> Preparation of porous TiO (T-0.6)

제조예 1과 동일하게 제조하되, 상 변화의 정도에 대한 마그네슘 열 환원 정도의 효과의 영향을 조사하기 위해, 아나타제 분말(4 g)에 대하여, 마그네슘을 0.6(0.726 g)의 몰비로 투입하여 혼합하였다. 이로부터 얻은 최종 샘플을 T-0.6으로 명명하였다.Prepared in the same manner as in Preparation Example 1, but in order to investigate the effect of the degree of heat reduction of magnesium on the degree of phase change, magnesium was added to the anatase powder (4 g) at a molar ratio of 0.6 (0.726 g) and mixed. I did. The final sample obtained therefrom was named T-0.6.

<제조예 3> 다공성 TiO(T-0.75)의 제조<Preparation Example 3> Preparation of porous TiO (T-0.75)

제조예 1과 동일하게 제조하되, 아나타제 분말(4 g)에 대하여, 마그네슘을 0.75(0.908 g)의 몰비로 투입하여 혼합하였다. 이로부터 얻은 최종 샘플을 T-0.75으로 명명하였다.It was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, but with respect to the anatase powder (4 g), magnesium was added and mixed at a molar ratio of 0.75 (0.908 g). The final sample obtained therefrom was named T-0.75.

<실시예 1> TiO 일부를 침상형 루타일 TiO<Example 1> TiO part of the needle-shaped rutile TiO 22 (TR-y)로 in-situ(in-situ) 변환 1Convert in-situ (in-situ) to (TR-y) 1

제조예 1(MgO가 없는 환원 TiO, T-1)을 HCl 용액에서 80℃로 20시간 동안 연속적으로 교반하였다. 그 후, 순차적으로 원심 분리 및 동결 건조를 수행하여, 다공성 TiO의 표면에서 TiO를 독특한 r-TiO2 나노 침상으로 점진적으로 변형시킨 최종 생성물을 생성하였으며, 이를 TR-20으로 명명하였다. Preparation Example 1 (reduced TiO without MgO, T-1) was continuously stirred in HCl solution at 80° C. for 20 hours. Thereafter, centrifugation and freeze-drying were sequentially performed to produce a final product in which TiO was gradually transformed into a unique r-TiO 2 nanoneedle on the surface of the porous TiO, which was designated as TR-20.

<실시예 2> TiO 일부를 침상형 루타일 TiO<Example 2> Part of TiO is a needle-shaped rutile TiO 22 (TR-y)로 in-situ(in-situ) 변환 2Convert in-situ (in-situ) to (TR-y) 2

실시예 1과 동일하게 제조하되, 제조예 1을 HCl 용액에서 80℃로 12시간 교반하였으며, 이를 TR-12로 명명하였다.Prepared in the same manner as in Example 1, except that Preparation Example 1 was stirred in HCl solution at 80° C. for 12 hours, which was designated as TR-12.

<실시예 3> TiO 일부를 침상형 루타일 TiO<Example 3> Part of TiO is a needle-shaped rutile TiO 22 (TR-y)로 in-situ(in-situ) 변환 3Convert in-situ (in-situ) to (TR-y) 3

실시예 1과 동일하게 제조하되, 제조예 1을 HCl 용액에서 80℃로 24시간 교반하였으며, 이를 TR-24로 명명하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that Preparation Example 1 was stirred in HCl solution at 80° C. for 24 hours, and this was named TR-24.

<실시예 4> TiO 일부를 침상형 루타일 TiO<Example 4> A part of TiO was used as a needle-shaped rutile TiO 22 (TR-y)로 in-situ(in-situ) 변환 4Convert in-situ (in-situ) to (TR-y) 4

실시예 1과 동일하게 제조하되, 제조예 1을 HCl 용액에서 80℃로 36시간 교반하였으며, 이를 TR-36으로 명명하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, but Preparation Example 1 was stirred in HCl solution at 80°C for 36 hours, which was designated as TR-36.

<비교예 1> TiO 및 r-TiO<Comparative Example 1> TiO and r-TiO 22 를 단순 혼합Simple blending

TiO/r-TiO2 비율을 정량적으로 6:4의 비율로 혼합하여, 실시예 1의 비율과 맞추었다.The TiO/r-TiO 2 ratio was quantitatively mixed at a ratio of 6:4, and matched with the ratio of Example 1.

<실험예 1> TiO 형성 확인<Experimental Example 1> Confirmation of TiO formation

샘플의 상 구조는 분말 X- 선 회절(XRD, Rigaku Smartlab, 40 kV, 15 mA, 4° min-1, Cu-Kα 방사선, λ = 0.15406 nm)에 의해 확인되었다.The phase structure of the sample was confirmed by powder X-ray diffraction (XRD, Rigaku Smartlab, 40 kV, 15 mA, 4° min -1 , Cu-Kα radiation, λ = 0.15406 nm).

제조예 1에서와 같이, a-TiO2와 Mg를 혼합 후, H2/Ar(5% H2) 하에서 650℃에서 어닐링한 경우, 도 8e의 XRD 결과에서 볼 수 있듯이, a-TiO2 피크가 사라지고, 새로운 MgO 피크 및 환원된 TiO 피크를 확인할 수 있다.As in Preparation Example 1, when a-TiO 2 and Mg are mixed and then annealed at 650° C. under H 2 /Ar (5% H 2 ), as can be seen from the XRD results of FIG. 8e, a-TiO 2 peak Disappears, and a new MgO peak and a reduced TiO peak can be confirmed.

도 8의 주사 투과 전자 현미경(STEM) 및 에너지 분산형 X-선 분광법(EDX) 원소 맵핑 이미지에 도시된 바와 같이, 마그네슘 열 환원 과정 동안 MgO 상이 TiO 프레임워크 내로 성장하게 된다.As shown in the scanning transmission electron microscope (STEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) elemental mapping images of FIG. 8, the MgO phase grows into the TiO framework during the magnesium heat reduction process.

650℃에서 어닐링하는 동안, Mg(용융점 : 650℃)는 용융을 시작하고 작은 a-TiO2 나노입자(NP)가 함께 융합되어 큰 미크론 크기의 입자로 성장한다. 강한 환원제인 Mg는 하기 화학식 1에 따라 TiO2 프레임워크 근처에서 산소를 취해 MgO를 형성하는 반면, 융합된 a-TiO2는 훨씬 더 큰 입자 크기의 형태로 산소 결핍 입방정 TiO 상으로 전환된다. a-TiO2는 또한 하기 화학식 2에 따라 H2에 의해 환원되어 TiO 상뿐만 아니라 H2O가 생성될 수 있지만, MgO의 깁스 자유 에너지(고체, -596.4kJ mol-1)는 H2O(기체, -228.6 kJ mol-1)의 보다 훨씬 낮아서, H2/Ar 흐름 하에 마그네슘 열 환원 과정 동안 MgO 형성이 우선된다.During annealing at 650° C., Mg (melting point: 650° C.) starts melting and small a-TiO 2 nanoparticles (NP) fuse together to grow into large micron-sized particles. Mg, a strong reducing agent, takes oxygen in the vicinity of the TiO 2 framework to form MgO according to Formula 1, while the fused a-TiO 2 is converted into an oxygen-deficient cubic TiO phase in the form of a much larger particle size. a-TiO 2 may also be reduced by H 2 according to the following Formula 2 to generate H 2 O as well as the TiO phase, but the Gibbs free energy (solid, -596.4 kJ mol -1 ) of MgO is H 2 O ( Much lower than that of gas, -228.6 kJ mol -1 ), MgO formation takes precedence during the magnesium thermal reduction process under H 2 /Ar flow.

TiO2 + Mg ↔ TiO + MgO (화학식 1)TiO 2 + Mg ↔ TiO + MgO (Chemical Formula 1)

TiO2 + H2 ↔ TiO + H2O (화학식 2)TiO 2 + H 2 ↔ TiO + H 2 O (Chemical Formula 2)

<실험예 2> Mg의 함량에 따른 TiO 생성 확인<Experimental Example 2> Confirmation of TiO generation according to the content of Mg

샘플의 모폴로지는 주사 투과 전자 현미경 (STEM) 및 TEM 모드에서 200kV로 작동되는 고분해능 투과 전자 현미경 (HR-TEM, Hitachi HF-3300)에 의해 특성화되었다. The morphology of the samples was characterized by scanning transmission electron microscopy (STEM) and high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM, Hitachi HF-3300) operated at 200 kV in TEM mode.

제조예 1과 같이 어닐링 후, 후속 HCl 에칭을 수행하여 TiO 상 내에서 성장한 MgO를 제거하며, 그 결과 도 2a 및 9e에 도시 된 바와 같이 60 nm 내지 200 nm 범위의 마크로 기공을 갖는 다공성 MgO-free TiO(T-1)를 형성한다.After annealing as in Preparation Example 1, subsequent HCl etching was performed to remove MgO grown in the TiO phase, and as a result, porous MgO-free having macropores in the range of 60 nm to 200 nm as shown in Figs. TiO(T-1) is formed.

a-TiO2의 환원에서 Mg의 역할을 확인하기 위해, 마그네슘 열 환원 시 제조예 1 내지 3을 기초로 하여, Mg 및 a-TiO2가 상이한 몰비(0.6, 0.75 및 1.0)를 가지는 실시예들에 대하여 관찰하였다.In order to confirm the role of Mg in the reduction of a-TiO 2 , based on Preparation Examples 1 to 3 during magnesium heat reduction, examples in which Mg and a-TiO 2 have different molar ratios (0.6, 0.75 and 1.0) Was observed.

도 9의 STEM 이미지에 의해 확인된 바와 같이 상이한 몰비에 대하여, 제조예 1 내지 3은 유사한 다공성 구조가 관찰되었지만, 몰비가 1인 제조예 1에 도달할 때까지 순수한 TiO 상이 얻어지지 않는다는 것이 XRD 패턴에 의해 확인되었다(도 9f). 다른 Mg2TiO4 및 MgTiO3 불순물도 낮은 몰비로 관찰되었다(도 9b 및 9d). 흥미롭게도, T-1은 a-TiO2와 완전히 다르게, 37.23°, 43.25°, 62.83°, 75.35° 및 79.34°를 중심으로 입방 β-TiO 상과 일치하는 XRD 패턴을 나타낸다(도 2d 및 2e).For different molar ratios as confirmed by the STEM image of FIG. 9, a similar porous structure was observed in Preparation Examples 1 to 3, but the XRD pattern showed that a pure TiO phase was not obtained until Preparation Example 1 having a molar ratio of 1 was reached. Confirmed by (Fig. 9f). Other Mg 2 TiO 4 and MgTiO 3 impurities were also observed at a low molar ratio (Figs. 9b and 9d). Interestingly, T-1 exhibits an XRD pattern consistent with the cubic β-TiO phase centered on 37.23°, 43.25°, 62.83°, 75.35° and 79.34°, completely different from a-TiO 2 (FIGS. 2d and 2e) .

<실험예 3> r-TiO<Experimental Example 3> r-TiO 22 생성 확인 Creation confirmation

이어서, 제조예 1을 실시예 1 내지 4와 같이 2 M HCl 용액에 재분산시키고, 80 ℃에서 12, 20, 24 및 36시간 동안 교반하였다. 처리 시간에 따라, HCl 처리는 TiO 전체에 걸쳐 새롭게 성장된 미크론-크기의 긴 나노 침상 다발의 형성되는 변화를 초래한다. TiO 표면의 이러한 털이 많은 것과 같은 침상 다발은 시간이 지남에 따라 더욱 밀도가 높아지고 STEM 및 XRD 분석에 의해 정방형 r-TiO2로 식별된다(도 10). 이는 처리 시간이 증가함에 따라 입방형 β-TiO 상이 HCl 용액에서 r-TiO2 상으로 점차 변한다는 것을 의미한다. 36시간 처리된 샘플인 실시예 4(TR-36)에 대해, 모든 TiO는 털이 많은 나노 침상으로 완전히 변형되어, 순수한 r-TiO2 상을 생성하였다(도 10g, 10h).Subsequently, Preparation Example 1 was redispersed in a 2 M HCl solution as in Examples 1 to 4, and stirred at 80° C. for 12, 20, 24 and 36 hours. Depending on the treatment time, HCl treatment results in the formation of newly grown micron-sized long nanoneedle bundles throughout the TiO2. These hairy needle-like bundles on the TiO surface become more dense over time and are identified as square r-TiO 2 by STEM and XRD analysis (FIG. 10 ). This means that as the treatment time increases, the cubic β-TiO phase gradually changes from the HCl solution to the r-TiO 2 phase. For Example 4 (TR-36), a sample treated for 36 hours, all TiO was completely transformed into hairy nano needles, resulting in a pure r-TiO 2 phase (FIGS. 10g, 10h).

도 11은 실시예 1 내지 4(TR-y) 샘플에 대한 XRD 패턴의 기준 강도 비율(RIR) 방법에 의해 결정된 TiO 및 r-TiO2의 정량적 비율을 도시한다. 처리 시간이 증가함에 따라 TiO상은 감소하는 반면 r-TiO2상은 증가하고 우세해진다.11 shows the quantitative ratio of TiO and r-TiO 2 determined by the reference intensity ratio (RIR) method of the XRD pattern for the samples of Examples 1 to 4 (TR-y). As the treatment time increases, the TiO phase decreases, while the r-TiO 2 phase increases and becomes dominant.

도 12와 같이 처리된 샘플의 시각적인 색상 또한 명백히 다르다. 환원 과정에서 Mg의 함량이 증가함에 따라 색상이 어두워졌다. 가장 높은 TiO 상 함량의 경우 거의 검은 색이었다. 반면, HCl 처리를 사용하면 더 많은 r-TiO2가 생성됨에 따라 샘플 색상이 검정에서 흰색으로 순차적으로 변화되었다(도 12). 도 25는 분말 XRD 패턴에 기초한 기준 강도 비(RIR) 방법을 사용하여 다양한 제조된 샘플에서 TiO 및 r-TiO2의 상대적 분율을 나타낸다.The visual color of the sample treated as shown in FIG. 12 is also clearly different. The color darkened as the content of Mg increased during the reduction process. It was almost black for the highest TiO phase content. On the other hand, when the HCl treatment was used, as more r-TiO 2 was generated, the color of the sample was sequentially changed from black to white (FIG. 12 ). 25 shows the relative fractions of TiO and r-TiO 2 in various prepared samples using a reference intensity ratio (RIR) method based on a powder XRD pattern.

HCl 처리는 (1) TiO-MgO 복합체에서 MgO를 용해시켜 MgO-free 다공성 TiO를 생성하는 에칭 공정 및 (2) 반응 매질을 공급 수단으로서 이중 역할을 갖는 것을 알 수 있다. TiO는 in-situ 변형으로 r-TiO2 나노 침상으로 변하게 된다. r-TiO2 나노 침상 in-situ(in-situ) 성장 공정은 마그네슘 열 환원 반응에 의해 형성된 다양한 티타늄 종의 산화로 인해 발생할 수 있다.It can be seen that the HCl treatment has a dual role as (1) an etching process in which MgO is dissolved in a TiO-MgO composite to generate MgO-free porous TiO, and (2) a reaction medium as a supply means. TiO is transformed into r-TiO 2 nano needles by in-situ transformation. The r-TiO 2 nanoneedle in-situ (in-situ) growth process can occur due to oxidation of various titanium species formed by the thermal reduction reaction of magnesium.

또한, X선 광전자 분광법(XPS)을 단색 Al Kα (150W) 공급원을 갖는 XPS 시스템 (ESCALAB 250)을 사용하여 수행하였다. XPS 기기의 페르미 레벨 (4.10 eV vs. 절대 진공 값)을 사용하여 에너지 스케일을 정렬하였다.In addition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed using an XPS system (ESCALAB 250) with a monochromatic Al Kα (150W) source. The energy scale was aligned using the Fermi level (4.10 eV vs. absolute vacuum value) of the XPS instrument.

도 3a에 도시된 바와 같이, Ti 2p 디컨볼루션 된 고해상도 X선 광전자 분광법(XPS) 깊이 프로파일은 제조예 1(MgO-free T-1)이 Ti2+, Ti3+ 및 Ti4+로 구성됨을 확인할 수 있다. 보다 상세하게는, 표면이 Ti3+ 및 Ti4+로 구성되며 코어는 주로 Ti2+로 구성된다. 티타늄의 이러한 다양한 산화 상태는 HCl 수용액에서 TiO의 표면에서 in-situ 재결정화 된 r-TiO2로 점차 산화된다. 도 2b와 2c는 각각 STEM과 HR-TEM(고해상도 투과 전자 현미경) 이미지를 나타낸다. r-TiO2 나노 침상의 크기는 너비가 5-7 nm이며 TiO 표면 전체에 균일하게 형성된다.As shown in Figure 3a, Ti 2p deconvoluted high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) depth profile, Preparation Example 1 (MgO-free T-1) is composed of Ti 2+ , Ti 3+ and Ti 4+ can confirm. More specifically, the surface is composed of Ti 3+ and Ti 4+ , and the core is mainly composed of Ti 2+ . These various oxidation states of titanium are gradually oxidized to r-TiO 2 recrystallized in-situ on the surface of TiO in aqueous HCl solution. 2B and 2C show STEM and HR-TEM (high-resolution transmission electron microscope) images, respectively. The size of the r-TiO 2 nanoneedle is 5-7 nm in width and is uniformly formed over the entire TiO surface.

HCl 용액의 존재 하에서, Ti3+ 및 Ti4+는 반응 용액으로 방출된다. Ti3+는 Ti3+의 산화적 가수 분해에 의해 TiOH2+를 생성한다. TiOH2+는 용존 산소와의 반응에 의해 Ti4+로 산화되어 r-TiO2를 형성하게 된다. 이러한 in-situ r-TiO2 변환은 하기 화학식 3 및 4로 나타낼 수 있다.In the presence of HCl solution, Ti 3+ and Ti 4+ are released into the reaction solution. Ti 3+ produces TiOH 2+ by oxidative hydrolysis of Ti 3+. TiOH 2+ is oxidized to Ti 4+ by reaction with dissolved oxygen to form r-TiO 2. Such in-situ r-TiO 2 conversion may be represented by the following Chemical Formulas 3 and 4.

Ti3+ + H2O → TiOH2+ + H+ (화학식 3)Ti 3+ + H 2 O → TiOH 2+ + H + (Chemical Formula 3)

TiOH2+ + O2 → Ti(IV)-산화물 + O2- → TiO2 (화학식 4)TiOH 2+ + O 2 → Ti(IV) -oxide + O 2- → TiO 2 (Formula 4)

Ti2+는 또한 HCl 용액에 용해되어 r-TiO2 나노 침상의 형성에 기여한다. 결과적으로, 모든 티타늄 복합 이온이 성장 단위로 사용되며, r-TiO2 나노 침상의 형성 메커니즘은 다음과 같이 설명될 수 있다.Ti 2+ is also dissolved in HCl solution, contributing to the formation of r-TiO 2 nano needles. As a result, all titanium composite ions are used as growth units, and the mechanism of formation of r-TiO 2 nanoneedle can be explained as follows.

r-TiO2의 경우, TiO6 팔면체는 Ti 원자 및 6개의 산소 원자 사이의 결합에 의하여 먼저 형성된다. 그 후 TiO6 팔면체는 다음 팔면체와 한 쌍의 반대쪽 가장자리를 공유하여 체인과 같은 구조를 형성한다. 상이한 결정면의 변환 속도는 이용 가능한 배위 다면체의 모서리 및 가장자리의 수에 의존하기 때문에, 루타일 면의 변환 속도는 (110) < (100) < (101) < (001) 순서를 따른다. 이러한 메커니즘으로 인해, [001] 방향을 따라 성장하는 r-TiO2 나노 침상이 형성된다.In the case of r-TiO 2 , the TiO 6 octahedron is first formed by a bond between a Ti atom and 6 oxygen atoms. Thereafter, the TiO 6 octahedron shares a pair of opposite edges with the next octahedron to form a chain-like structure. Since the transformation speed of the different crystal planes depends on the number of corners and edges of the available coordination polyhedron, the transformation speed of the rutile plane follows the order (110) <(100) <(101) <(001). Due to this mechanism, r-TiO 2 nanoneedles growing along the [001] direction are formed.

제조예 1(T-1) 및 실시예 1(TR-20) 표면에서 양이온성 Ti 원자가 상태의 변화를 조사하기 위해, 전자 에너지 손실 분광법(EELS) 스캔이 수행되었으며(도 2f 및 2g) 이로부터 두 가지 특징이 확인되었다. 먼저, 실시예 1 샘플의 Ti L2, 3은 제조예 1 샘플에서 훨씬 덜 선명한 순수한 Ti4+ 원자가 상태에 해당하는 화학적 스플릿이 뒤따르는 피크를 명확하게 보여준다(도 2f). 피크 스플릿은 산화물에 대한 분자 오비탈(MO) 이론으로 설명할 수 있다. 산화 상태가 상이한 모든 산화 티타늄에 대한 분자 오비탈은 비슷하지만 각 오비탈의 점유는 산화 상태와 원자 배위에 따라 상이하다. TiO2의 경우, MO는 t1g 레벨까지는 점유되며, 2t2g 레벨은 비어 있다(도 13). EELS에서, Ti 2p 코어 레벨의 전자는 빈 2t2g 및 3eg 레벨로 여기될 수 있으며, 그 결과 각각의 L2, 3 에지의 피크가 스플릿 됨을 관찰할 수 있다. 제조예 1(T-1)의 경우, 2t2g 레벨은 이미 전자로 채워져 있고 여기된 전자에 대하여 사용 가능한 첫 번째 궤도는 3eg 레벨이므로 EELS 스펙트럼에서 L2-t2g 피크가 사라지게 된다. O 에지의 경우에도 동일한 이유가 관측된 스플릿 피크에 적용된다.In order to investigate the change of the cationic Ti valency state on the surfaces of Preparation Example 1 (T-1) and Example 1 (TR-20), electron energy loss spectroscopy (EELS) scans were performed (FIGS. 2F and 2G). Two features were identified. First, Ti L 2 and 3 of the sample of Example 1 clearly show a peak followed by a chemical split corresponding to a pure Ti 4+ valency state that is much less sharp in the sample of Preparation Example 1 (FIG. 2F). Peak split can be explained by the molecular orbital (MO) theory for oxides. The molecular orbitals for all titanium oxides with different oxidation states are similar, but the occupancy of each orbital is different depending on the oxidation state and atomic coordination. In the case of TiO 2 , MO is occupied up to the t 1g level, and the 2t 2g level is empty (Fig. 13). In EELS, electrons at the Ti 2p core level can be excited to bin 2t 2g and 3e g levels, and as a result, it can be observed that the peaks at the edges of L 2 and 3 are split. In the case of Preparation Example 1 (T-1), the 2t 2g level is already filled with electrons, and the first orbit available for the excited electrons is the 3e g level, so the L 2 -t 2g peak disappears from the EELS spectrum. In the case of the O edge, the same reason applies to the observed split peak.

TiO 코어에서 r-TiO2 변환을 확인하기 위하여 고분해능 X선 광전자 분광법 (XPS) 깊이 프로파일링을 수행했으며, 그 결과 샘플에 존재하는 다른 Tix+ 종의 분포를 확인할 수 있다(도 3). 도 3a에서, 제조예 1(T-1)의 표면은 주로 Ti4+ 및 Ti3+로 구성되며, Ti4+2p3/2, Ti4+2p1/2, Ti3+2p3/2 및 Ti3+2p1/2에 기인한 459.4, 465, 458.3 및 463.2 eV에서의 피크를 갖는다. 455.7 및 461.3 eV에서의 낮은 숄더 피크는 각각 Ti2+2p3/2 및 Ti2+2p1/2를 나타낸다. Ti3+는 T-1의 표면에서 주요 Ti 종으로서 존재하며, Ti3+> Ti4+ > Ti2+의 순서로 피크 면적이 감소한다. 그러나, Ar 레이저로 샘플을 스퍼터링하여 샘플의 내부 부분을 노출시킨 후에는, Tix+의 분포가 변하고, Ti2+가 내부에서 우세한 종이 되는 것이 확인되었다. 3000초 스퍼터링 후, T-1에 대하여 Ti2+ : Ti3+ : Ti4+의 표면적 비는 XPS 결과로부터 55:30:15로 확인되었다. In order to confirm the r-TiO 2 conversion in the TiO core, high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) depth profiling was performed, and as a result, the distribution of other Ti x+ species present in the sample can be confirmed (FIG. 3). In Figure 3a, the surface of Preparation Example 1 (T-1) is mainly composed of Ti 4+ and Ti 3+ , Ti 4+ 2p 3/2 , Ti 4+ 2p 1/2 , Ti 3+ 2p 3/2 And peaks at 459.4, 465, 458.3 and 463.2 eV due to Ti 3+ 2p 1/2. The lower shoulder peaks at 455.7 and 461.3 eV indicate Ti 2+ 2p 3/2 and Ti 2+ 2p 1/2 , respectively. Ti 3+ exists as a major Ti species on the surface of T-1, and the peak area decreases in the order of Ti 3+ > Ti 4+ > Ti 2+. However, after sputtering the sample with an Ar laser to expose the inner part of the sample, it was confirmed that the distribution of Ti x+ was changed, and Ti 2+ became the dominant species inside. After sputtering for 3000 seconds, the surface area ratio of Ti 2+ : Ti 3+ : Ti 4+ to T-1 was confirmed to be 55:30:15 from the XPS results.

실시예 1(TR-20)의 경우, 459.4 및 465 eV에서 Ti4+ 피크는 각각 Ti4+2p3/2 및 Ti4+2p1/2에 해당한다(도 3b). 즉, Ti4+는 TR-20 표면의 재결정화된 r-TiO2 나노 침상으로 인하여 우세하다. 스퍼터링된 TR-20은 또한 Ti2+ : Ti3+ : Ti4+의 피크 면적비는 3000초 스퍼터링 후 54:28:18 로, 상이한 Tix+ 종들에 대하여 스퍼터링된 T-1과 유사한 분포를 나타낸다(도 2b). 이것은 TR-20의 표면이 Ti4+ 우세인 r-TiO2 인 반면, 코어는 Ti2+ 우세인 TiO로 구성될 가능성이 더 높다는 것을 의미한다.In the case of Example 1 (TR-20), the Ti 4+ peaks at 459.4 and 465 eV correspond to Ti 4+ 2p 3/2 and Ti 4+ 2p 1/2 , respectively (FIG. 3B). That is, Ti 4+ is dominant due to the recrystallized r-TiO 2 nano needles on the TR-20 surface. The sputtered TR-20 also showed a distribution similar to that of sputtered T-1 for different Ti x+ species, with a peak area ratio of Ti 2+ : Ti 3+ : Ti 4+ at 54:28:18 after 3000 seconds sputtering ( Fig. 2b). This means that while the surface of TR-20 is Ti 4+ dominant r-TiO 2 , the core is more likely to be composed of Ti 2+ dominant TiO.

라만 분광법을 사용하여 TiO 표면 상에 r-TiO2의 형성을 확인하였다(도 14). 표면을 라만 분광계(Thermo Scientific, NICOLET ALMECA XR)로 분석하고 532nm 레이저 빔을 사용하여 여기시켰다. a-TiO2의 경우 주요 식별 가능한 피크는 아나타제 TiO2의 전형적인 피크 값인 144 cm-1(Eg), 197 cm-1(Eg), 397 cm-1(B1g), 518 cm-1(A1g + B1g) 및 640 cm-1 이다. 그러나, 암염 구조의 입방 TiO(T-1)는 라만 분광법에서 비활성이다. 실시예 1 내지 실시예 4(TR-y) 샘플에 대한 나노 침상의 형성으로 인하여, 라만 스펙트럼에서 144 cm-1(B1g), 419 cm-1(Eg) 및 613 cm-1(A1g)에서 뚜렷한 r-TiO2 피크가 형성된다(827 cm-1에서의 B2g 모드에 해당하는 약한 밴드는 표시되지 않음). 243 cm-1에서 넓은 피크는 2차 공정에서 발생하게 된다.Formation of r-TiO 2 on the TiO surface was confirmed using Raman spectroscopy (FIG. 14). The surface was analyzed with a Raman spectrometer (Thermo Scientific, NICOLET ALMECA XR) and excited using a 532 nm laser beam. For a-TiO 2 , the main identifiable peaks are the typical peak values for the anatase TiO 2 144 cm -1 (E g ), 197 cm -1 (E g ), 397 cm -1 (B 1 g ), 518 cm -1 ( A 1g + B 1g ) and 640 cm -1 . However, cubic TiO(T-1) of the rock salt structure is inactive in Raman spectroscopy. Examples 1 to 4 (TR-y) Due to the formation of nano needles on the samples, 144 cm -1 (B 1 g ), 419 cm -1 (E g ) and 613 cm -1 (A 1 g) in the Raman spectrum ), a distinct r-TiO 2 peak is formed (the weak band corresponding to the B 2g mode at 827 cm -1 is not shown). A broad peak at 243 cm -1 occurs in the second process.

<실험예 4> 밴드갭 및 전기전도도 특성 확인<Experimental Example 4> Confirmation of band gap and electrical conductivity characteristics

CARY5000 UV-Vis 분광 광도계(Agilent Technology)를 사용하여 자외선-가시광선(UV-vis) 흡수 스펙트럼을 관찰하였다.Ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectrum was observed using a CARY5000 UV-Vis spectrophotometer (Agilent Technology).

a-TiO2, 제조예 1(T-1) 및 실시예 1(TR-20)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼은 보이는 바와 같이 UV 영역(200-400 nm)에서의 유사한 흡수 특성에도 불구하고 가시광선 영역(400-800 nm)에서는 상당히 상이한 흡수 특성을 나타낸다. 도 15a에서. 제조예 1과 실시예 1은 a-TiO2와는 달리 가시광선 및 적외선 영역의 파장에서도 흡수하는 모습을 보인다. UV-DRS(UV-diffuse reflectance spectroscopy) 기반 Tauc 플롯에서 얻은 밴드갭 값은 a-TiO2, 제조예 1 및 실시예 1에 대하여 각각 3.25 eV, 1.65 eV 및 2.71eV이다. T-1의 좁은 밴드갭 에너지는 순수 아나타제 TiO2의 입방형 TiO 상으로의 위상 변환 및 Ti3+의 형성에 기인한다. TR-20에서 증가하는 밴드갭 에너지는 TiO상의 r-TiO2으로의 부분적 변형에 기인한다. 감소된 밴드갭 에너지는 전기 전도도를 향상시키는 것에 도움이 되고, 이는 고속 테스트 성능에서 저장 동역학(storage kinetics)를 향상시킬 수 있다. 티타늄 산화물 샘플의 4-프로브 전기 전도도 측정은 밴드갭 에너지 감소 및 전기 전도성 사이의 상관 관계를 뒷받침한다 (도 16). UV-Vis absorption spectra of a-TiO 2 , Preparation Example 1 (T-1) and Example 1 (TR-20) are visible light despite similar absorption properties in the UV region (200-400 nm). In the region (400-800 nm), they exhibit significantly different absorption properties. In Fig. 15a. Unlike a-TiO 2 , Preparation Example 1 and Example 1 also absorb visible and infrared wavelengths. Bandgap values obtained from Tauc plots based on UV-diffuse reflectance spectroscopy (UV-DRS) are a-TiO 2 , 3.25 eV, 1.65 eV and 2.71 eV for Preparation Example 1 and Example 1, respectively. The narrow bandgap energy of T-1 is due to the phase shift of the pure anatase TiO 2 to the cubic TiO phase and formation of Ti 3+. The increasing bandgap energy in TR-20 is due to the partial transformation of TiO to r-TiO 2. Reduced bandgap energy helps to improve electrical conductivity, which can improve storage kinetics in high-speed test performance. Four-probe electrical conductivity measurements of titanium oxide samples support the correlation between bandgap energy reduction and electrical conductivity (FIG. 16).

압력을 가한 상태에서 전기 전도도의 변화를 측정하기 위해 만든 4 프로브 구성 셀을 사용하였으며, 키슬리 모델 6220 및 모델 2182A가 각각 저 직류(DC) 소스 및 전압계로 사용되었다.A four-probe configuration cell was used to measure the change in electrical conductivity under pressure, and Keithley Model 6220 and Model 2182A were used as a low direct current (DC) source and a voltmeter, respectively.

T-1은 20 MPa에서 5.19 S·cm-1로, a-TiO2(8.87 × 10-5 S·cm-1)와 비교하여 가장 높은 전기 전도도 값을 나타낸다. 그러나, HCl 처리 시간이 증가함에 따라, TR-y 샘플에서 전도성 TiO가 전도성이 낮은 r-TiO2 로 변환되어 전기 전도성이 감소하게 된다.T-1 is 5.19 S·cm -1 at 20 MPa, indicating the highest electrical conductivity value compared to a-TiO 2 (8.87 × 10 -5 S·cm -1 ). However, as the HCl treatment time increases, the conductive TiO in the TR-y sample is converted to r-TiO 2 having low conductivity, so that the electrical conductivity decreases.

<실험예 5> 기공 특성 확인<Experimental Example 5> Confirmation of pore characteristics

77 K의 시험 온도에서 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 표면 분석기를 사용하여 N2 흡착-탈착 등온선을 얻었다. BET 및 Barret-Joyner-Halenda(BJH) 분석을 사용하여 표면적, 기공 부피 및 기공 크기 분포가 결정되었다. BET 표면적은 P/PO = 0.05-0.25의 상대 압력에서 실험 포인트를 사용하여 계산되었다. 기공 크기 분포는 BJH 방법을 사용하여 흡착 분지로부터 유도되었다. 총 기공 부피는 0.995의 상대 압력(P/P0)에서 흡착된 N2 양에 의해 추정되었다. An N 2 adsorption-desorption isotherm was obtained using a Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface analyzer at a test temperature of 77 K. Surface area, pore volume and pore size distribution were determined using BET and Barret-Joyner-Halenda (BJH) analysis. BET surface areas were calculated using the experimental points in the relative pressure P / P O = 0.05-0.25. The pore size distribution was derived from the adsorption branch using the BJH method. The total pore volume was estimated by the amount of N 2 adsorbed at a relative pressure (P/P 0) of 0.995.

순차적인 처리로 a-TiO2에서 T-x 및 TR-y로 상이 변화하는 동안, 다공성 표면 특성을 측정하였다(도 17, 도 24). 다양한 티타늄 산화물 중에서, a-TiO2는 가장 높은 표면적 및 기공 부피를 나타낸다. T-1의 표면적 및 기공 부피는 각각 11.14 m2/g 및 0.022 cm3/g로 계산되며, 이는 T-0.6 및 T-0.75보다 높다. 이 현상은 650℃에서 용융된 Mg에 의하여 더 큰 응집된 TiO 입자를 형성하도록 a-TiO2 NP가 융합되는 마그네슘 열 환원에 의해 발생한다. 큰 매크로 기공이 있는 융합된 대형 환원 샘플에서 표면적이 급격히 감소한다. 제조된 샘플 중에서 TR-20은 가장 큰 표면적(49.47 m2/g)과 총 기공 부피(0.055 cm3/g)를 나타낸다. r-TiO2의 일부가 증가함에 따라, 표면적 및 기공 부피는 TR-20까지 계속 증가하였다. 그러나, 20시간의 변형 후, 내부 채널을 차단하는 r-TiO2 나노 침상의 응집으로 인하여 표면적이 감소하게 된다(도 17c, 도 24). 이러한 고유한 특성으로 인하여, 상 변형이 최적화 된 TR-20은 리튬 이온 전지(LIB)에 매우 유망한 음극 활물질이 될 수 있다. 기공 크기 분포는 또한 표면적 변화와 유사한 경향을 따르며, 이는 평균 기공 크기가 T-1에서 13.48 nm로 시작하지만, TR-20(24.52 nm)에서 최대가 되며, 이후 감소한다. 이러한 미세 다공성 및 메조 다공성 분포는 주로 표면 특성에 기인한다. 요약하면, TR-20은 초과하는 표면 특성으로 인하여 전해질에 더 많은 표면 노출을 허용하고, Li+ 이온 확산 경로를 단축시킨다. 도 24는 N2 등온선에 의해 결정된 다양한 샘플의 표면 특성을 나타낸 것이다.While the phase was changed from a-TiO 2 to Tx and TR-y by sequential treatment, the porous surface properties were measured (FIGS. 17 and 24). Among the various titanium oxides, a-TiO 2 exhibits the highest surface area and pore volume. The surface area and pore volume of T-1 are calculated as 11.14 m 2 /g and 0.022 cm 3 /g, respectively, which are higher than T-0.6 and T-0.75. This phenomenon is caused by thermal reduction of magnesium in which a-TiO 2 NPs are fused to form larger agglomerated TiO particles by molten Mg at 650°C. In fused large reduced samples with large macropores, the surface area decreases sharply. Among the prepared samples, TR-20 exhibited the largest surface area (49.47 m 2 /g) and total pore volume (0.055 cm 3 /g). As the portion of r-TiO 2 increased, the surface area and pore volume continued to increase up to TR-20. However, after 20 hours of deformation, the surface area decreases due to the aggregation of r-TiO 2 nano needles blocking the inner channel (FIGS. 17C and 24 ). Due to these unique characteristics, the phase transformation-optimized TR-20 can be a very promising negative active material for lithium ion batteries (LIBs). The pore size distribution also follows a similar trend to the surface area change, which means that the average pore size starts at 13.48 nm at T-1, but peaks at TR-20 (24.52 nm) and then decreases. These microporous and mesoporous distributions are mainly due to surface properties. In summary, TR-20 allows more surface exposure to the electrolyte due to its excess surface properties and shortens the Li + ion diffusion path. 24 shows the surface properties of various samples determined by the N 2 isotherm.

<실험예 6> 각 샘플에 대한 전기화학적 특성 평가<Experimental Example 6> Evaluation of electrochemical properties for each sample

순수한 상용 티타늄 산화물 및 제조예 및 실시예로부터 제조된 티타늄 산화물 샘플을 0.01 - 3 V의 전위 범위에 대하여 하프-셀에서 검사하였다. Pure commercial titanium oxide and titanium oxide samples prepared from Preparation and Examples were tested in half-cells for a potential range of 0.01-3 V.

이하의 실시예들에서 애노드 전극의 제조를 위해, 티타늄 산화물 활물질을 아세틸렌 블랙(전도도 향상제로서) 및 결합제(2:1 w/w 비의 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리아크릴산 (PAA))를 용매로서 증류수를 사용하여 70:15:15의 중량비로 혼합하였다. 닥터 블레이드를 사용하여 생성된 균일한 슬러리를 에칭된 구리 포일 상에 캐스팅함으로써 20 ㎛ 두께의 박막을 제조하였다. 제조된 박막을 밤새 실온에서 건조시킨 다음 진공 오븐에서 80℃로 밤새 건조하였다. 이어서, 전극을 롤-프레스하여 입자 간 접촉을 향상시켰다. 활물질의 적재 밀도는 2.2 - 2.4 mg/cm2이었다. 코인형 하프-셀(CR 2032, Hohsen Co.)은 아르곤 충전 글로브 박스(< 0.1 ppm의 H2O 및 O2)에서 애노드 전극(작업 전극), 리튬 포일 (99.9 % 순도 및 150 ㎛ 두께, 카운터 및 기준 전극) 및 분리막(Celgard 2320)을 조립하여 제조하였다. 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디메틸 카보네이트(DMC; 1:1 v/v, Soulbrain Pte. Ltd.)의 혼합물에서 1M LiPF6를 사용하여 전해질을 제조하였다.In the following examples, for the production of the anode electrode, a titanium oxide active material was used as a solvent using acetylene black (as a conductivity improver) and a binder (carboxymethylcellulose (CMC) and polyacrylic acid (PAA) in a 2: 1 w/w ratio). Distilled water was used as the mixture in a weight ratio of 70:15:15. A thin film having a thickness of 20 μm was prepared by casting the resulting uniform slurry on the etched copper foil using a doctor blade. The prepared thin film was dried at room temperature overnight and then dried at 80° C. overnight in a vacuum oven. Subsequently, the electrode was roll-pressed to improve interparticle contact. The loading density of the active material was 2.2-2.4 mg/cm 2. Coin-shaped half-cells (CR 2032, Hohsen Co.) are anode electrodes (working electrodes), lithium foil (99.9% purity and 150 μm thick, countertop ) in an argon-filled glove box (< 0.1 ppm of H 2 O and O 2 ). And a reference electrode) and a separator (Celgard 2320) were assembled. An electrolyte was prepared using 1M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC; 1:1 v/v, Soulbrain Pte. Ltd.).

전기 화학적 성능은 주위 온도에서 0.01 V - 3.0 V vs. Li/Li+ 의 전압 범위 및 40 - 4000 mA/g의 전류 밀도에서 멀티 채널 배터리 테스트 시스템(CTS, BaSyTec)으로 정전류 충전-방전 측정에 의해 검사되었다. 순환 전압 전류법(Cyclic voltammetry, CV) 실험은 0.2 mV/s의 스캔 속도에서 0.01V - 3.0 V의 전위 범위에서 전기 화학 워크 스테이션(VSP-1, Bio Logic Science Instruments)을 사용하여 수행되었다. 전기 화학적 임피던스 분광법(EIS) 측정은 100 kHz - 100 mHz의 주파수 범위에서 0.01 V의 중첩 교류 전류(AC) 신호의 진폭으로 수행되었다.The electrochemical performance is 0.01 V-3.0 V vs. ambient temperature. It was tested by constant current charge-discharge measurement with a multi-channel battery test system (CTS, BaSyTec) in the voltage range of Li/Li + and a current density of 40-4000 mA/g. Cyclic voltammetry (CV) experiments were performed using an electrochemical workstation (VSP-1, Bio Logic Science Instruments) in a potential range of 0.01V-3.0 V at a scan rate of 0.2 mV/s. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements were performed with an amplitude of an overlapping alternating current (AC) signal of 0.01 V in the frequency range of 100 kHz-100 mHz.

a-TiO2의 경우, 용량이 급속히 감소하여 0.2 C의 적당한 충방전 속도에서 초기 10 사이클 내에 64 mAh·g-1를 기록한다(도 4a 및 4b). 그러나 T-1은 초기에는 용량 값이 작지만 a-TiO2에 비해 용량이 잘 유지되고 동역학이 빠르고 전기 화학적 안정성이 우수하다(도 4c 및 4d).In the case of a-TiO 2 , the capacity rapidly decreases, recording 64 mAh·g −1 within the initial 10 cycles at an appropriate charge/discharge rate of 0.2 C (FIGS. 4A and 4B ). However, although T-1 initially has a small capacity value , the capacity is well maintained compared to a-TiO 2 , the dynamics are fast, and the electrochemical stability is excellent (FIGS. 4C and 4D ).

충전(lithiation)-방전(delithiation) 사이클링 동작의 관점에서, 제조예 1(T-1)은 눈에 띄는 감소 없이(100 사이클 내에서 97% 용량 유지) 0.2 C에서 145 - 190 mA·h·g-1의 비용량을 가지고, 장기간 사이클링에서 높은 가역적인 리튬 저장 용량을 가지며, 0.01 - 3 V의 전위창(potential window) 내에서 작동한다. CV(cyclic voltammetry) 및 정전류 충방전 결과에 따르면, 전하의 저장은 T-1 표면 또는 그 주변에서 패러데이(Faradaic) 전하 전달을 통해 일어난다. T-0.6과 T-0.75는 모두 낮은 표면적으로 인해 T-1보다 낮은 비용량을 갖는다(도 18).From the point of view of the lithiation-discharge cycling operation, Preparation Example 1 (T-1) was 145-190 mA·h·g at 0.2 C without noticeable reduction (kept 97% capacity within 100 cycles). It has a specific capacity of -1, has a high reversible lithium storage capacity in long-term cycling, and operates within a potential window of 0.01-3 V. According to the results of cyclic voltammetry (CV) and constant current charging and discharging, the storage of electric charges occurs through Faradaic charge transfer on or around the T-1 surface. Both T-0.6 and T-0.75 have lower specific capacity than T-1 due to their low surface area (Fig. 18).

동일한 평가 조건에서 실시예 1(TR-20)은 0.2 C의 충방전 속도에서 346 mA·h· g-1의 놀라운 가역 초기 용량을 나타내며, 이는 T-1 용량의 두 배 이상이다(도 4f). CV에서 첫 번째 사이클 동안, 첫 번째 환원 피크는 r-TiO2 결정 구조에서 Li+ 이온의 삽입 반응으로 1.75 V에서 관찰되었다. 뒤따르는 0.8 V의 환원 피크는 TR-20 전극의 표면에 고체 전해질 계면(SEI) 층이 형성됨을 의미한다. Li+ 이온 deintercalation 반응은 2.0 V의 산화 피크에서도 관찰된다(도 4e). 제2 사이클에 따르면, TR-20은 ~ 347 mA·h·g-1의 비용량을 나타내며, 이는 r-TiO2의 이론적 용량(335 mA·h·g-1)을 초과한다. 이러한 높은 용량은 TiO 용량의 기여에 의하여 전달되는 추가적인 pseudocapacitive 효과로 인한 것으로 추정된다.Under the same evaluation conditions, Example 1 (TR-20) showed a surprising reversible initial capacity of 346 mA·h·g −1 at a charge/discharge rate of 0.2 C, which is more than twice the T-1 capacity (Fig. 4f). . During the first cycle at CV, the first reduction peak was observed at 1.75 V due to the intercalation reaction of Li + ions in the r-TiO 2 crystal structure. The 0.8 V reduction peak that follows means that a solid electrolyte interface (SEI) layer is formed on the surface of the TR-20 electrode. Li + ion deintercalation reaction is also observed at the oxidation peak of 2.0 V (Fig. 4e). According to the second cycle, TR-20 exhibits a specific capacity of ~ 347 mA·h·g −1 , which exceeds the theoretical capacity of r-TiO 2 (335 mA·h·g −1 ). This high dose is presumed to be due to the additional pseudocapacitive effect delivered by the contribution of the TiO dose.

속도 특성이 출력 전력을 결정한다는 것을 고려하여, 상이한 충전 및 방전 속도에서 실시예 1(TR-20)을 조사하였다(도 4g). 20 C의 높은 속도에서도 TR-20은 여전히 224 mA·h·g-1의 비용량을 제공할 수 있으며, 이는 T-1 및 a-TiO2의 용량보다 훨씬 높다. 즉, 충전 또는 방전 과정은 a-TiO2보다 비교적 높은 용량을 달성하면서도 3.4분(202초) 내에 완료될 수 있다. 전류 밀도를 0.2 C로 다시 전환하면 안정적인 고용량 353 mA·h·g-1을 얻을 수 있다. 도 4h에 나타난 바와 같이 최적화 된 TiO 대 r-TiO2 비율의 실시예 1은 a-TiO2와 비교하여 사이클 성능이 크게 향상되었다. 1000 사이클 동안 20℃의 시험 조건 하에서, 용량은 a-TiO2의 경우 85% 감소한 반면, 실시예 1은 97%의 유지율을 보였으며, 이는 보고되는 티타늄 산화물 중 가장 높은 비용량 및 가장 우수한 사이클링 성능을 갖는 것이다. 실시예 2 내지 4와 같은 다른 TR-y 샘플의 경우, 동일한 조건에서 변형된 루타일(r-TiO2) 함량이 증가함에 따라 초기 용량이 증가한다. 그러나 사이클 성능은 실시예 1에 미치지 못하게 된다(도 19).Considering that the rate characteristics determine the output power, Example 1 (TR-20) was investigated at different charging and discharging rates (Fig. 4G). Even at a high rate of 20 C, the TR-20 can still provide a specific capacity of 224 mA·h·g −1 , which is much higher than the capacities of T-1 and a-TiO 2. That is, the charging or discharging process can be completed within 3.4 minutes (202 seconds) while achieving a relatively higher capacity than a-TiO 2. By switching the current density back to 0.2 C, a stable high capacity of 353 mA·h·g -1 can be obtained. As shown in FIG. 4h, Example 1 of the optimized TiO to r-TiO 2 ratio significantly improved the cycle performance compared to a-TiO 2. Under the test conditions of 20° C. for 1000 cycles, the capacity decreased by 85% in the case of a-TiO 2 , whereas Example 1 showed a retention rate of 97%, which was the highest specific capacity and the best cycling performance among the reported titanium oxides. Is to have. In the case of other TR-y samples such as Examples 2 to 4, the initial capacity increases as the modified rutile (r-TiO 2) content increases under the same conditions. However, the cycle performance is less than that of Example 1 (Fig. 19).

<실험예 7> pseudocapacitive 반응 및 intercalation 반응의 기여도 평가<Experimental Example 7> Evaluation of the contribution of pseudocapacitive reaction and intercalation reaction

제조된 티타늄 산화물들의 전기화학적 거동을 이해하기 위하여, 다양한 스캔 속도에서 CV 데이터를 사용하여 Li+ 저장에서의 intercalation 및 pseudocapacitive 반응 기여를 구별하였다. 전류 i가 스캔 속도와 전력 법칙 관계를 따른다고 가정함으로써 피크 전류의 동작과 관련하여 분석을 실시하였다(도 5a 및 5b).In order to understand the electrochemical behavior of the prepared titanium oxides, CV data at various scan rates were used to distinguish the contribution of intercalation and pseudocapacitive reactions in Li + storage. Analysis was performed in relation to the operation of the peak current by assuming that the current i obeys the relationship between the scan speed and the power law (FIGS. 5A and 5B).

i = avb (수학식 1)i = av b (Equation 1)

상기 수학식 1에서 a는 상수이고 v는 스캔 속도이며, b 값은 0.5(반 무한 확산(diffusion) 과정)에서 1(용량성(capacitive) 과정)로 변할 수 있다.In Equation 1, a is a constant and v is a scan rate, and a value of b may vary from 0.5 (half-infinite diffusion process) to 1 (capacitive process).

도 5c는 log(|i|) 대 log(v)의 플롯을 나타내며, 여기서 직선의 기울기는 b 값에 해당한다. b 값은 환원(anodic) 피크를 사용하여, 제조예 1(T-1)의 경우 ~ 0.23 V(vs. Li/Li+), 실시예 1(TR-20)의 경우 ~ 2.0 V로 결정되었다. b = 0.5 값은 전류가 반-무한 확산 거동에 의해 제어됨을 나타내고 b = 1은 용량성 거동을 나타낸다. T-1의 경우, b 값은 0.924로, 커패시터 유사 동역학 모델을 나타내며, 이는 pseudocapacitance의 특징 중 하나이다. 대조적으로, TR-20의 b = 0.8 - 0.9 범위의 값은 pseudocapacitive 및 intercalation 반응이 조합하여 발생함을 의미한다.5C shows a plot of log(|i|) versus log(v), where the slope of the line corresponds to the value of b. The b value was determined to be ~ 0.23 V (vs. Li/Li + ) in the case of Preparation Example 1 (T-1) and ~ 2.0 V in the case of Example 1 (TR-20), using an anodic peak. . A value of b = 0.5 indicates that the current is controlled by the semi-infinite diffusion behavior and b = 1 indicates the capacitive behavior. In the case of T-1, the b value is 0.924, indicating a capacitor-like dynamics model, which is one of the characteristics of pseudocapacitance. In contrast, values in the range of b = 0.8-0.9 of TR-20 mean that a combination of pseudocapacitive and intercalation reactions occurs.

표면-제한된 pseudocapacitive 반응 및 확산-제어된 intercalation 반응의 기여를 정량적으로 구별하기 위하여, 피크 전류와 스캔 속도 사이의 의존성을 기반으로 하기 수학식 2를 사용하였다.In order to quantitatively distinguish the contribution of the surface-limited pseudocapacitive reaction and the diffusion-controlled intercalation reaction, the following Equation 2 was used based on the dependence between the peak current and the scan rate.

i = k1v + k2v1/2 (수학식 2)i = k 1 v + k 2 v 1/2 (Equation 2)

상기 수학식 2에서 i는 주어진 전위에서의 전류이고, v는 스캔 속도이며, k1과 k2는 상수이다. 여기서 k1v 및 k2v1/2 는 각각 pseudocapacitive 반응 및 intercalation 반응을 나타낸다. 수학식 2의 양변을 스캔 속도의 제곱근으로 나누면, i/v1/2 대 v1/2의 플롯은 y 절편이 상수 k2, 기울기가 상수 k1인 직선을 생성하며, 이는 pseudocapacitive 반응 및 intercalation 반응의 기여에 관한 정량적인 정보를 제공한다(도 5d). 이러한 정량 분석에 따르면, T-1은 TR-20보다 pseudocapacitive 반응이 우세하며, TR-20은 TiO 구조상에서 성장된 r-TiO2 나노 침상에 의한 intercalation 반응이 비교적 더 많이 기여함을 확인할 수 있다(도 5e 및 5f).In Equation 2, i is the current at a given potential, v is the scan rate, and k 1 and k 2 are constants. Here, k 1 v and k 2 v 1/2 represent pseudocapacitive and intercalation reactions, respectively. Dividing both sides of Equation 2 by the square root of the scan rate, a plot of i/v 1/2 versus v 1/2 creates a straight line with a y-intercept constant k 2 and a slope constant k 1 , which is a pseudocapacitive reaction and intercalation. It provides quantitative information on the contribution of the reaction (Figure 5d). According to this quantitative analysis, it can be confirmed that the pseudocapacitive reaction of T-1 is superior to that of TR-20, and that the intercalation reaction of the r-TiO 2 nanoneedle grown on the TiO structure of TR-20 contributes relatively more ( Figures 5e and 5f).

확산-제어된 intercalation 및 표면-제한된 pseudocapacitive 반응의 경향을 조사하기 위하여, 전기 화학적 측정을 실시예 1 내지 실시예 4의 TR-y 샘플로 수행하였다. 도 19로부터, r-TiO2 함량이 증가함에 따라 리튬 확산이 제어된 intercalation 반응의 과정이 순차적으로 증가하는 반면, 표면 상에서 발생하는 표면-제한된 pseudocapacitive 반응은 비례적으로 감소함을 알 수 있다. 도 19h에 도시 된 바와 같이 루타일(r-TiO2) 함량이 증가함에 따라 성능의 안정성이 급격히 감소한다.To investigate the tendency of diffusion-controlled intercalation and surface-limited pseudocapacitive reactions, electrochemical measurements were performed with TR-y samples of Examples 1-4. From FIG. 19, it can be seen that the process of the intercalation reaction in which lithium diffusion is controlled increases sequentially as the r-TiO 2 content increases, whereas the surface-limited pseudocapacitive reaction occurring on the surface decreases proportionally. As shown in Fig. 19h, as the rutile (r-TiO 2 ) content increases, the stability of the performance decreases rapidly.

상용 r-TiO2(정방형) 및 단사정 TiO에 대하여도 동일한 전기화학 측정을 실시하였다. 상용 루타일(r-TiO2)은 CV에서 뚜렷한 캐소드(1.75 V) 및 애노드(2.25 V) 피크를 나타낸다(도 20c 및 20d). 제1 충전 과정(0.8 V vs. Li/Li+)에서 r-TiO2 상에 SEI 층이 형성되며, 1개의 Li+ 이온이 LiTiO2를 형성하기 위해 c 축을 따라 삽입되는 충전이 0.01 - 3.0 V의 전위 범위에서 작동하는 루타일(r-TiO2) 음극 활물질의 전기 화학적 메커니즘에 의하여 일어나게 된다(도 20c). 아나타제(a-TiO2)와 마찬가지로 r-TiO2도 0.01 - 3.0 V의 작동 전위 범위 내에서 충전-방전 과정 동안 비가역적인 초과 프로세스를 겪는다(도 20d). LiTiO2를 형성하기 위한 제1 충전 후, 방전 동안 1 Li+ 미만의 가역적인 이온이 추출되기에 비용량이 감소하는 것으로 추정할 수 있다. 기존의 a-TiO2와는 달리 r-TiO2는 상용 흑연(372 mA·h·g-1)에 비해 확장된 작동 전위 범위(0.01 - 3 V)에서 신뢰할 수 있으며, 경쟁력 있는 비용량(313 mA·h·g-1)을 갖는다. 그러나, 첫 번째 사이클에서 가역적인 용량 손실로 인해 다음 사이클에서 비용량이 급격히 감소한다. 상용 단사정 TiO는 미크론 스케일 입자 크기의 낮은 표면적으로 인해 pseudocapacitive 반응을 나타내며, 제조예에서 제조된 입방 TiO(T-1)에 비해 훨씬 낮은 비용량을 나타낸다(도 20e 및 20f). 도 21은 상용 단사정 TiO의 결정상 및 표면 특성을 나타낸다.The same electrochemical measurements were performed for commercial r-TiO 2 (square) and monoclinic TiO. Commercial rutile (r-TiO 2 ) shows distinct cathode (1.75 V) and anode (2.25 V) peaks at CV (FIGS. 20C and 20D ). In the first charging process (0.8 V vs. Li/Li + ), the SEI layer is formed on the r-TiO 2 , and the charge inserted along the c-axis to form LiTiO 2 by one Li + ion is 0.01-3.0 V It is caused by the electrochemical mechanism of the rutile (r-TiO 2) negative active material operating in the potential range of (FIG. 20C). Like anatase (a-TiO 2 ), r-TiO 2 also undergoes an irreversible excess process during the charge-discharge process within the operating potential range of 0.01-3.0 V (FIG. 20D). After the first charge to form LiTiO 2 , it can be estimated that the specific capacity decreases because reversible ions less than 1 Li + are extracted during discharge. Unlike conventional a-TiO 2 , r-TiO 2 is reliable in an extended operating potential range (0.01-3 V) compared to commercial graphite (372 mA·h·g -1) and has a competitive specific capacity (313 mA). H·g -1 ). However, due to the reversible capacity loss in the first cycle, the specific capacity decreases sharply in the next cycle. Commercial monoclinic TiO exhibits a pseudocapacitive reaction due to the low surface area of the micron-scale particle size, and exhibits a much lower specific capacity compared to the cubic TiO (T-1) prepared in Preparation Example (FIGS. 20e and 20f). 21 shows the crystal phase and surface properties of commercial monoclinic TiO.

TR-20의 경우, 증가한 저장 용량은 대한 설명 중 하나는 '작업 공유(job-sharing)' 메커니즘일 수 있다. Li+ 이온은 TiO2 결정 계면의 산화물 측의 침입형 자리에 저장되는 반면, 전자는 탄소 첨가제 또는 SEI 층에 저장되어 있다. 마찬가지로, TR-20은 Li+ 이온을 저장하는 r-TiO2 나노 침상과 전자를 저장하는 전도성 다공성 TiO상의 시너지 효과로 인해 초고속 충전 음극 활물질로 적합하며, 전하 분리를 활용하여 Li+ 이온을 위한 추가 저장 용량을 제공할 수 있다. 따라서, 서로 다른 두 상이 상호 연결된 하이브리드 티타늄 산화물 복합재는 기존의 티타늄 산화물과 비교하여 높은 전력 또는 사이클 수명에 영향을 주지 않으면서 에너지 밀도가 개선 되는 pseudocapacitive 효과의 특징을 나타낸다. 용량 감소는 최소화 될 수 있는 반면, 도 4g 및 4h에서 보여지듯이 다양한 C 속도 및 사이클링 성능에서 높은 내구도 및 비용량 특성을 유지할 수 있다.In the case of the TR-20, one of the explanations for the increased storage capacity may be a'job-sharing' mechanism. Li + ions are stored in interstitial sites on the oxide side of the TiO 2 crystal interface, while electrons are stored in the carbon additive or SEI layer. Similarly, TR-20 is suitable as an ultra-fast charging negative active material due to the synergistic effect of the r-TiO 2 nano-needle that stores Li + ions and the conductive porous TiO phase that stores electrons, and is an addition for Li + ions by utilizing charge separation. Can provide storage capacity. Therefore, the hybrid titanium oxide composite, in which two different phases are interconnected, exhibits a pseudocapacitive effect of improving energy density without affecting high power or cycle life compared to conventional titanium oxide. While the capacity reduction can be minimized, it is possible to maintain high durability and specific capacity characteristics at various C speeds and cycling performances as shown in FIGS. 4G and 4H.

40 mA·g-1(0.2 C)의 정전류를 전극을 가로질러 인가하였다. T-1(도 6c, 6d 및 6e) 및 TR-20(도 6f, 6g 및 6h) 전극의 ex-situ XPS 깊이 프로파일을 도 6에 나타내었다. 깨끗하고 완전히 충전(0.01 V) 및 방전(3 V)된 10 사이클 후의 데이터를 얻었다. 각각의 전극은 독립적으로 준비되었으며, 1000초 동안 Ar 레이저에 의해 스퍼터링 되었다.A constant current of 40 mA·g -1 (0.2 C) was applied across the electrode. Fig. 6 shows the ex-situ XPS depth profiles of the T-1 (Figs. 6c, 6d and 6e) and TR-20 (Figs. 6f, 6g and 6h) electrodes. Data were obtained after 10 cycles of clean, fully charged (0.01 V) and discharged (3 V). Each electrode was prepared independently and sputtered by Ar laser for 1000 seconds.

제조예 1(T-1) 및 실시예 1(TR-20) 전극의 ex-situ XRD 패턴은 도 6a 및 6b에서 반응 메커니즘을 결정하기 위하여, 본래의 첫 번째 사이클에서의 충전 및 방전 상태에서 얻어졌다. T-1 전극은 0.01 V에서 완전 충전 후 위상 변환을 거치지 않는다(도 6a). TiO에 대한 (111) 및 (200) 회절 피크는 충전 상태에서 2θ(더 작은 d-spacing)값으로 약간 시프트되며, 이는 TiO와 Li+ 이온 사이의 쿨롱 상호 작용에 의한 것일 수 있다. 3 V에서 완전 방전 된 후에도, 회절은 여전히 모구조의 (111) 및 (200) 피크로 인덱싱 될 수 있으며, 초기 상태의 전극과 비교하여 격자 상수가 약간 증가한다. 따라서 이러한 구조 데이터는 전기 화학적으로 유도된 상전이가 T-1에서 억제되어 다공성 입방체 TiO가 높은 구조적 안정성을 나타냄을 알 수 있는 증거가 된다. 즉, 1.5 V에서, 비가역적 피크는 T-1의 CV에서는 관찰되지 않지만, a-TiO2에서는 강한 비가역적 피크가 관찰된다는 사실에 의해 입증될 수 있다. 이와 같은 리튬 intercalation 및 상전이 억제에 따른 구조적 변화를 최소화하는 것은 pseudocapacitance의 특징으로 보고된 바 있다.The ex-situ XRD patterns of Preparation Example 1 (T-1) and Example 1 (TR-20) electrodes were obtained in the charging and discharging states in the original first cycle to determine the reaction mechanism in FIGS. 6A and 6B. lost. The T-1 electrode does not undergo a phase change after being fully charged at 0.01 V (FIG. 6A). The (111) and (200) diffraction peaks for TiO are slightly shifted to 2θ (smaller d-spacing) values in the charged state, which may be due to the Coulomb interaction between TiO and Li + ions. Even after full discharge at 3 V, the diffraction can still be indexed into the (111) and (200) peaks of the parent structure, and the lattice constant increases slightly compared to the initial state electrode. Therefore, these structural data are evidence that electrochemically induced phase transition is suppressed in T-1, indicating that the porous cubic TiO exhibits high structural stability. That is, at 1.5 V, an irreversible peak is not observed at the CV of T-1, but can be verified by the fact that a strong irreversible peak is observed at a-TiO 2. It has been reported as a feature of pseudocapacitance to minimize the structural changes resulting from the inhibition of lithium intercalation and phase transition.

TR-20의 경우, 첫 번째 충전 후 (110)과 (101)의 특징적인 루타일 피크가 패턴의 기준선에 나타나지만, 방전 후에는 피크가 다시 나타나지 않는다(도 6b). r-TiO2의 고유한 특성으로 인하여, 일부 Li+ 이온은 상술한 구조적 상전이에 의해 보여지는 바와 같이, TR-20 구조에 갇힌 상태로 유지된다. 이론적으로, 벌크 Li0.5TiO2 및 LiTiO2 상은 뚜렷한 회절 피크를 가지므로, 여분의 피크가 검출되어야 한다. 그러나, 나노 크기의 물질의 과도한 피크 확장으로 인해 나노 크기의 Li0.5TiO2와 LiTiO2를 구별하는 것은 어렵다. 이러한 결과는 TR-20의 정전류 충전-방전 곡선과 일치하며, 충전 용량이 706 mA·h·g-1 인 반면, 방전 용량은 ~ 347 mA·h·g-1인 이유를 설명할 수 있다(도 4f).In the case of TR-20, characteristic rutile peaks of (110) and (101) appear at the baseline of the pattern after the first charging, but the peak does not appear again after discharging (FIG. 6B). Due to the unique properties of r-TiO 2 , some Li + ions remain trapped in the TR-20 structure, as shown by the above-described structural phase transition. In theory, the bulk Li 0.5 TiO 2 and LiTiO 2 phases have distinct diffraction peaks, so an extra peak should be detected. However, it is difficult to distinguish between nano-sized Li 0.5 TiO 2 and LiTiO 2 due to excessive peak expansion of nano-sized materials. These results are consistent with the TR-20's constant current charge-discharge curve, which can explain why the charge capacity is 706 mA·h·g -1 , while the discharge capacity is ~347 mA·h·g -1 ( Fig. 4f).

제조예 1(T-1) 및 실시예 1(TR-20) 두 물질의 전기 화학적 가역성을 밝히기 위하여, 초기 상태 전극 및 10차 충전(0.01 V) 및 방전(3 V) 사이클 후의 전극에 대한 ex-situ XPS 깊이 프로파일을 조사하였다(도 6). XPS 스펙트럼을 관찰하면 T-1과 TR-20 모두, 충전 및 방전에 따른 Ti4+가 존재함을 알 수 있다. 최초의 T-1 전극은 Ti4+에 대해 10% 분율을 갖는 반면, 최초 TR-20 전극은 r-TiO2 나노 침상의 기여로 인하여 27%의 Ti4+ 분율을 갖는다. 초기 상태 전극 제10 충전이 진행된 전극에서의 깊이 프로파일을 살펴보면, Ti4+의 비율은 증가하는 반면 Ti2+의 상대적 비율은 감소하게 된다. 그러나, 방전이 3 V로 진행됨에 따라, 상대적 분율은 충전 과정과 비교하여 전혀 다르게 변화한다. 이러한 현상은 TiO 코어 표면의 pseudocapacitive 반응으로 인한 Li+ 이온의 환원에 의하여 덮임으로써 Ti2+가 가려져, 표면 분석 시 상대적으로 낮은 감응도를 가지기 때문이라고 추정할 수 있다. Ti3+는 반응에 참여하지 않기에 Ti3+의 분율 변화는 덜 뚜렷하다. 도 27은 초기, 충전 및 방전 동안의 T-1 및 TR-20 전극에 대한 ex-situ XPS 깊이 프로파일로부터 측정된 Tix+의 상대적 분율을 나타낸 것이다. 충전 및 방전 동안의 이러한 가역적인 현상은 TR-20에서 안정적인 용량을 얻기 위한 실행 가능한 메커니즘을 제공한다. 결과적으로 이론적인 a-TiO2 용량(a-TiO2 = 335 mA·h·g-1) 및 안정성을 뛰어넘는 TR-20 특성은 pseudocapacitive 전하 반응에 의한 빠른 동역학을 보이는 TiO와 가역적인 intercalation 및 deintercalation을 보이는 r-TiO2 나노 침상구조의 시너지 효과에 기인한다.In order to reveal the electrochemical reversibility of the two materials of Preparation Example 1 (T-1) and Example 1 (TR-20), ex for the initial state electrode and the electrode after the 10th charge (0.01 V) and discharge (3 V) cycles. -situ XPS depth profile was investigated (Fig. 6). Observation of the XPS spectrum reveals the presence of Ti 4+ due to charging and discharging in both T-1 and TR-20. The first T-1 electrode had a 10% fraction of Ti 4+ , while the first TR-20 electrode had a Ti 4+ fraction of 27% due to the contribution of the r-TiO 2 nanoneedle. Looking at the depth profile of the electrode in which the initial state electrode 10th charging has been performed, the ratio of Ti 4+ increases while the relative ratio of Ti 2+ decreases. However, as the discharge proceeds to 3 V, the relative fraction changes completely differently compared to the charging process. This phenomenon can be presumed to be due to the fact that Ti 2+ is covered by the reduction of Li + ions due to the pseudocapacitive reaction of the TiO core surface, and thus has a relatively low sensitivity during surface analysis. Since Ti 3+ does not participate in the reaction, the change in the fraction of Ti 3+ is less pronounced. Figure 27 shows the relative fraction of Ti x+ measured from ex-situ XPS depth profiles for T-1 and TR-20 electrodes during initial, charging and discharging. This reversible phenomenon during charging and discharging provides a viable mechanism for obtaining stable capacity in the TR-20. As a result, TR-20 characteristics that exceed the theoretical a-TiO 2 capacity (a-TiO 2 = 335 mA·h·g -1 ) and stability are reversible intercalation and deintercalation with TiO showing rapid kinetics by pseudocapacitive charge reaction. This is due to the synergistic effect of the r-TiO 2 nano acicular structure.

<실험예 8> 다양한 샘플에 대한 저항 특성 확인<Experimental Example 8> Confirmation of resistance characteristics for various samples

내부 전자 저항과 티타늄 산화물의 다양한 상 변화 사이의 관계를 확인하기 위하여, 전기 화학적 임피던스 분광법(EIS)을 수행하였으며, 이를 도 22에 나타내었다. 나이퀴스트 플롯은 전하-이동 저항(Rct) 및 Li+ 이온의 확산에 대응하여, 고주파 영역에서 단일 반원 및 저주파 영역에서 경사진 직선을 나타내는 새로운 셀의 개방 회로 전압에서 기록되었다. TiO의 비율이 높은 T-1은 2.04 Ω의 가장 낮은 Rs를 나타낸다. 실시예 2(TR-12)에서 실시예 4(TR-36)로 전도성 TiO를 r-TiO2 나노 침상으로 점진적으로 변형시키면, Rs 값이 점차 증가한다. 이 결과는 TiO가 빠른 전하 이동을 촉진시킨다는 것을 나타내며, 이는 T-1이 가장 높은 pseudocapacitive 성능을 가질 수 있음을 시사한다. 그러나 TR-20은 T-1보다 큰 Rct(6.99 Ω)를 가지며, TR-20의 높은 표면적(49.47 m2/g)은 전극과 전해질 사이의 높은 접촉 면적을 유발한다.In order to confirm the relationship between the internal electronic resistance and the various phase changes of titanium oxide, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed, which is shown in FIG. 22. The Nyquist plot was recorded at the open circuit voltage of a new cell showing a single semicircle in the high frequency region and a slanted straight line in the low frequency region, corresponding to the charge-transfer resistance (R ct ) and diffusion of Li + ions. T-1 with a high TiO ratio represents the lowest R s of 2.04 Ω. When conductive TiO is gradually transformed from Example 2 (TR-12) to Example 4 (TR-36) into r-TiO 2 nanoneedles, the R s value gradually increases. This result indicates that TiO promotes rapid charge transfer, suggesting that T-1 may have the highest pseudocapacitive performance. However, TR-20 has a larger R ct (6.99 Ω) than T-1, and the high surface area (49.47 m 2 /g) of TR-20 causes a high contact area between the electrode and the electrolyte.

저주파 영역의 경사진 직선은 전해질의 이온 확산 파라미터를 나타낸다. 100%가 r-TiO2 나노 침상으로 변형된 실시예 4(TR-36)는 가장 낮은 전기 전도도를 갖기 때문에 가장 낮은 Li+ 이온 확산을 나타낸다. 도 28은 다양한 샘플에 대하여 결정된 임피던스 파라미터를 표로 나타낸 것이다. 그 결과, 상의 비율이 제어된 다양한 티타늄 산화물 샘플 중에서 실시예 1(TR-20)의 우수성이 다음과 같은 이유로 설명될 수 있다. 먼저, 제조예 1(T-1)과 비교하여, Li+ 이온을 저장하는 r-TiO2 나노 침상의 최적 비율을 갖는 실시예 1은 전해질-전극 접촉을 용이하게 하며, Li+ 이온의 확산 길이를 단축시키고, 따라서 Li+ 이온 intercalation 및 deintercalation에 따른 부피 변화에 의해 발생하는 엄청난 부하를 잘 수용할 수 있고, 이는 고속 충방전 환경에서 안정적인 비용량 성능을 보장할 수 있다. 둘째로, TiO 코어는 전기 전도도(계면 전하 이동)를 효과적으로 향상시켜 전기화학 반응이 빠르게 일어날 수 있다. 그러나, 완전히 변형된 r-TiO2 나노 침상을 갖는 실시예 4(TR-36)는 더 높은 전하 이동 저항을 갖는 Li+ 이온의 부적절한 확산 및 이동에 대한 장벽으로 작용하여, Li+ 이온이 더 많은 비가역성을 갖게 하여 용량 및 충전, 방전 성능을 제한한다.The inclined straight line in the low frequency region represents the ion diffusion parameter of the electrolyte. Example 4 (TR-36), in which 100% was transformed into r-TiO 2 nano-needle, exhibited the lowest Li + ion diffusion because it had the lowest electrical conductivity. 28 is a table showing the impedance parameters determined for various samples. As a result, the excellence of Example 1 (TR-20) among various titanium oxide samples in which the phase ratio is controlled can be explained for the following reasons. First, compared to Preparation Example 1 (T-1), Example 1 having an optimum ratio of r-TiO 2 nanoneedles storing Li + ions facilitates electrolyte-electrode contact, and the diffusion length of Li + ions Is shortened, and thus , it is possible to well accommodate an enormous load caused by volume change due to Li + ion intercalation and deintercalation, which can ensure stable specific capacity performance in a high-speed charge/discharge environment. Second, the TiO core effectively improves electrical conductivity (interface charge transfer), so that an electrochemical reaction can occur quickly. However, Example 4 (TR-36) having a fully modified r-TiO 2 nanoneedle acts as a barrier to improper diffusion and migration of Li + ions with higher charge transfer resistance, resulting in more Li + ions. By making it irreversible, capacity and charging and discharging performance are limited.

도 7은 TiO/r-TiO2 정량적인 비에 따른 전기 전도도(20 MPa에서), BET 표면적 및 비용량 사이의 관계를 나타낸 것이다. 제조된 샘플의 비용량은 10번째 및 100번째 사이클에서 계산되었다. 제조예 1(T-1) 및 실시예 2(TR-12)보다 전기 전도성이 훨씬 떨어지지만, 표면적이 가장 넓은 실시예 1(TR-20)이 가장 높은 전체 비용량을 나타낸다. 높은 표면적이 실시예 1의 높은 비용량에 기여할 것이다. 따라서, 전기 전도도, 표면 특성 및 TiO/r-TiO2 나노 침상의 정량적 비율 사이의 절충에 기초하여, 실시예 1은 여러 샘플 중에서 가장 우수한 전기화학적 성능을 갖는다. 이 성능은 흑연의 이론적인 용량(372 mA·h·g-1)에 근접하며, in-situ 합성된 티타늄 산화물 음극 활물질을 위한 중요한 성과가 될 수 있다. 결과적으로, 작업 공유(job-sharing) TR-20 복합재는 다른 티타늄 산화물 재료에 비하여, 우수한 용량과 우수한 안정성 유지력을 보이며, 기존 티타늄 산화물 재료의 한계인 낮은 화학 확산 및 에너지 밀도를 극복할 수 있다(도 29).7 shows the relationship between electrical conductivity (at 20 MPa), BET surface area, and specific capacity according to the quantitative ratio of TiO/r-TiO 2. The specific capacity of the prepared sample was calculated in the 10th and 100th cycles. Although the electrical conductivity is much lower than that of Preparation Example 1 (T-1) and Example 2 (TR-12), Example 1 (TR-20) with the largest surface area exhibits the highest total specific capacity. The high surface area will contribute to the high specific capacity of Example 1. Thus, based on the trade-off between electrical conductivity, surface properties, and the quantitative ratio of TiO/r-TiO 2 nanoneedles, Example 1 has the best electrochemical performance among several samples. This performance is close to the theoretical capacity of graphite (372 mA·h·g −1 ), and can be an important achievement for an in-situ synthesized titanium oxide anode active material. As a result, the job-sharing TR-20 composite exhibits superior capacity and excellent stability retention compared to other titanium oxide materials, and can overcome the low chemical diffusion and energy density limitations of conventional titanium oxide materials ( Fig. 29).

<실험예 9> 실시예 1과 비교예 1의 비교<Experimental Example 9> Comparison of Example 1 and Comparative Example 1

또한, 실시예 1의 TR-20을 TiO 및 r-TiO2를 단순 혼합한 비교예 1과 비교하였다. 비교예 1에 대한 성능은 도 23에 나타내었다.In addition, TR-20 of Example 1 was compared with Comparative Example 1 in which TiO and r-TiO 2 were simply mixed. The performance for Comparative Example 1 is shown in FIG. 23.

도 23을 참조하면, 비교예 1의 경우, 충방전 시 r-TiO2에서 일어나는 intercalation 및 deintercalation 반응이 일어나지 않으며, 제조예 1(T-1)과 동일한 pseudocapacitive 거동을 가지는 경향성을 보인다. 비교예 1의 첫 사이클 비용량은 43.3 mAh·g-1을 가지며, 100번째 사이클에서 46.6 mAh·g-1의 비용량을 갖는다.Referring to FIG. 23, in the case of Comparative Example 1, intercalation and deintercalation reactions occurring in r-TiO 2 did not occur during charging and discharging, and showed a tendency to have the same pseudocapacitive behavior as in Preparation Example 1 (T-1). The first cycle specific capacity of Comparative Example 1 was 43.3 mAh·g -1 , and the 100th cycle had a specific capacity of 46.6 mAh·g -1.

즉, 단순 물리적으로 TiO 및 r-TiO2를 혼합하는 경우에는 실시예 1과 같은 효과를 얻을 수 없음을 확인할 수 있다.That is, it can be seen that when TiO and r-TiO 2 are simply physically mixed, the same effect as in Example 1 cannot be obtained.

10 환원된 티타니아
20 티타니아 나노 구조물
100 복합체
10 Reduced titania
20 titania nanostructures
100 complex

Claims (12)

TiO2-x로 표시되는 환원된 티타니아를 포함하는 다공성 입자; 및
상기 다공성 입자 표면에 적어도 부분적으로 형성된 티타니아(TiO2) 나노 구조물;
을 포함하는 복합체
(0.1≤x<2).
Porous particles containing reduced titania represented by TiO 2-x; And
A titania (TiO 2 ) nanostructure formed at least partially on the surface of the porous particle;
Complex containing
(0.1≦x<2).
제1항에 있어서,
상기 환원된 티타니아는 TiO인 것을 특징으로 하는 복합체.
The method of claim 1,
The reduced titania is a composite, characterized in that TiO.
제1항에 있어서,
상기 티타니아 나노 구조물은 침상형의 나노 구조물인 것을 특징으로 하는 복합체.
The method of claim 1,
The titania nanostructure is a composite, characterized in that the needle-shaped nanostructure.
제1항에 있어서,
상기 티타니아는 루타일(rutile) 상인 것을 특징으로 하는 복합체.
The method of claim 1,
The titania is a complex, characterized in that the rutile (rutile) phase.
제1항의 복합체를 포함하는 리튬 이온 전지 음극 활물질.
A lithium ion battery negative active material comprising the composite of claim 1.
티타니아(TiO2) 및 금속을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1);
상기 혼합물을 열처리하여 환원된 티타니아(TiO2-x)를 제조하는 단계(단계 2);
상기 환원된 티타니아를 산(acid) 처리하여 상기 금속을 에칭하는 단계(단계 3); 및
상기 금속이 에칭된 환원된 티타니아를 산 처리하여 환원된 티타니아 표면의 적어도 일부에 티타니아를 형성하는 단계(단계 4);
를 포함하는 복합체 제조방법
(0.1≤x<2).
Mixing titania (TiO 2 ) and a metal to prepare a mixture (step 1);
Heat-treating the mixture to prepare reduced titania (TiO 2-x ) (Step 2);
Etching the metal by treating the reduced titania with an acid (step 3); And
Forming titania on at least a portion of the surface of the reduced titania by acid-treating the reduced titania on which the metal has been etched (step 4);
Composite manufacturing method comprising a
(0.1≦x<2).
제6항에 있어서,
상기 단계 1에서 티타니아 및 금속은 1:2 내지 3:1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법.
The method of claim 6,
In step 1, titania and metal are mixed in a weight ratio of 1:2 to 3:1.
제6항에 있어서,
상기 금속은 Mg, Na, Li, Ca, Al, Zr, Ti, V, K, Rb 및 Cs으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법.
The method of claim 6,
The method of manufacturing a composite, wherein the metal is at least one selected from the group consisting of Mg, Na, Li, Ca, Al, Zr, Ti, V, K, Rb and Cs.
제6항에 있어서,
상기 금속은 금속 분말인 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법.
The method of claim 6,
The method of manufacturing a composite, characterized in that the metal is a metal powder.
제6항에 있어서,
상기 환원된 티타니아는 TiO인 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법.
The method of claim 6,
The reduced titania is TiO, characterized in that the composite manufacturing method.
제6항에 있어서,
상기 단계 4의 산처리는 50℃ 내지 150℃의 온도에서 10시간 내지 50시간 수행되는 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법.
The method of claim 6,
The acid treatment of step 4 is a composite manufacturing method, characterized in that the 10 to 50 hours at a temperature of 50 ℃ to 150 ℃.
제1항의 음극 활물질을 포함하는 리튬 이온 전지.
A lithium ion battery comprising the negative active material of claim 1.
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