KR102314017B1 - Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102314017B1
KR102314017B1 KR1020190127317A KR20190127317A KR102314017B1 KR 102314017 B1 KR102314017 B1 KR 102314017B1 KR 1020190127317 A KR1020190127317 A KR 1020190127317A KR 20190127317 A KR20190127317 A KR 20190127317A KR 102314017 B1 KR102314017 B1 KR 102314017B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal layer
metal
porous
negative electrode
porous metal
Prior art date
Application number
KR1020190127317A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210044367A (en
Inventor
안효준
안주현
조규봉
김창현
김기원
조권구
차승환
김희훈
Original Assignee
경상국립대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경상국립대학교산학협력단 filed Critical 경상국립대학교산학협력단
Priority to KR1020190127317A priority Critical patent/KR102314017B1/en
Priority to PCT/KR2019/014204 priority patent/WO2021075619A1/en
Publication of KR20210044367A publication Critical patent/KR20210044367A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102314017B1 publication Critical patent/KR102314017B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/043Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435Rolling or calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0438Processes of manufacture in general by electrochemical processing
    • H01M4/044Activating, forming or electrochemical attack of the supporting material
    • H01M4/0445Forming after manufacture of the electrode, e.g. first charge, cycling
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1395Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/387Tin or alloys based on tin
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • H01M4/405Alloys based on lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/46Alloys based on magnesium or aluminium
    • H01M4/466Magnesium based
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함하는 다공성 금속층을 포함하고, 상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가진다. The negative electrode according to an embodiment of the present invention includes a porous metal layer comprising a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal, wherein the porous metal layer is in the form of a rod of metal microparticles have a porous three-dimensional network structure that is interconnected.

Description

음극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 이의 제조방법{ANODE, SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Anode, secondary battery including same, and manufacturing method thereof

본 발명은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함하는 마이크로 활물질 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가지는 다공성 금속층을 포함하는 음극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an anode comprising a porous metal layer having a porous three-dimensional network structure in which micro active material particles including a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal are interconnected. , a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same.

각종 휴대 전자기기, 및 전기자동차 등이 연구 개발됨에 따라 에너지 저장 기술의 필요성은 더욱 증가하고 있으며, 이에 따라 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차 전지가 널리 사용되고 있다. As various portable electronic devices, electric vehicles, etc. are researched and developed, the need for energy storage technology is further increasing. Accordingly, lithium secondary batteries having high energy density and voltage are widely used.

그러나, 리튬의 높은 가격과 한정된 매장량 때문에, 차세대 전지로서 비교적 낮은 가격과 높은 에너지 밀도를 가지는 소듐을 사용하는 소듐 이온전지에 대한 활발한 연구가 이뤄지고 있다. However, due to the high price and limited reserves of lithium, active research is being conducted on a sodium ion battery using sodium having a relatively low price and high energy density as a next-generation battery.

그러나, 리튬 이온전지에서 사용되는 흑연 음극을 소듐 이온전지에 적용하더라도, 종래 리튬 이온전지에서와 같은 높은 용량을 달성할 수 없을 뿐만 아니라, 높은 에너지를 갖는 전지를 개발할 수 없는 문제점이 있다.However, even if the graphite negative electrode used in the lithium ion battery is applied to the sodium ion battery, there is a problem that not only cannot achieve a high capacity as in the conventional lithium ion battery, but also a battery having a high energy cannot be developed.

이에, 소듐 이온전지 등에 적용하더라도 높은 용량을 달성할 수 있는 새로운 음극의 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need to develop a new anode capable of achieving a high capacity even when applied to a sodium ion battery.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 다공성 금속층을 포함하는 고용량 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하고자 한다. The present invention has been devised to solve the above problems, and a high-capacity negative electrode comprising a porous metal layer capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal, a method for manufacturing the same and An object of the present invention is to provide a secondary battery including the same.

본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함하는 다공성 금속층;을 포함한다. The negative electrode according to an embodiment of the present invention includes a porous metal layer including a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal.

상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조인 것일 수 있다. The porous metal layer may have a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected.

상기 다공성 금속층은 기공 평균 직경이 0.1 내지 200 μm 인 것일 수 있다. The porous metal layer may have an average pore diameter of 0.1 to 200 μm.

상기 다공성 금속층은 기공도가 50 내지 90 부피% 인 것일 수 있다. The porous metal layer may have a porosity of 50 to 90% by volume.

상기 금속 마이크로 입자는 평균 직경이 0.1 내지 5 μm 인 것일 수 있다. The metal microparticles may have an average diameter of 0.1 to 5 μm.

상기 금속 마이크로 입자는 평균 길이가 0.5 내지 20 μm 인 것일 수 있다. The metal microparticles may have an average length of 0.5 to 20 μm.

상기 금속 마이크로 입자는 평균 종횡비(길이/직경)가 1 내지 10인 것일 수 있다. The metal microparticles may have an average aspect ratio (length/diameter) of 1 to 10.

상기 다공성 금속층은 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. The porous metal layer may include 90 wt% or more of a metal selected from the group including Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi based on 100 wt% of the total porous metal layer.

상기 다공성 금속층은 하기 화학식 1로 표시되는 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. The porous metal layer may include 90% by weight or more of the metal represented by the following Chemical Formula 1 based on 100% by weight of the total porous metal layer.

[화학식 1] [Formula 1]

AxBA x B

상기 A는 Li, Na, Mg, K, 또는 Ca 이고, 상기 B는 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 것이고, 상기 x는 0 내지 6 일 수 있다. A is Li, Na, Mg, K, or Ca, wherein B is selected from the group consisting of Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi, wherein x is 0 to 6 have.

더욱 구체적으로, 상기 다공성 금속층은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. More specifically, the porous metal layer may include 90% by weight or more of the metal represented by the following Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3 based on 100% by weight of the total porous metal layer.

[화학식 2][Formula 2]

NaySnNa y Sn

[화학식 3][Formula 3]

NazBiNa z Bi

상기 y는 0 내지 1이고, 상기 z는 0 내지 3일 수 있다. The y may be 0 to 1, and the z may be 0 to 3.

본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지의 제조방법은, 금속층을 포함하는 음극, 및 금속 전극을 포함하는 하프-셀(half-cell)를 구성하는 단계, 상기 하프-셀(half-cell)을 2회 이상 충전 및 방전을 수행하여, 상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계, 및 상기 다공성 금속층을 포함하는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극, 및 전해질을 포함하는 풀-셀(full-cell)을 제조하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises the steps of constructing a half-cell including a negative electrode including a metal layer and a metal electrode, the half-cell comprising: By performing charging and discharging two or more times, converting the metal layer into a porous metal layer, and a negative electrode including the porous metal layer, a positive electrode including a positive electrode active material, and a full-cell including an electrolyte manufacturing step.

상기 금속층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함할 수 있다. The metal layer may include a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal.

상기 금속 전극은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 것일 수 있다. The metal electrode may include an alkali metal or an alkaline earth metal.

상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계는 상기 음극과 금속 전극을 전기적으로 연결하여 완전 충전과 완전 방전으로 사이클을 진행하는 것일 수 있다. The step of converting the metal layer into the porous metal layer may be to perform a cycle of full charge and full discharge by electrically connecting the cathode and the metal electrode.

상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계에서 상기 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조로 전환되는 것일 수 있다. In the step of converting the metal layer into the porous metal layer, the metal layer may be converted into a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected.

상기 하프-셀(half-cell)을 구성하는 단계 이전에 금속 포일을 압연하여 금속층을 포함하는 음극을 제조하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. The method may further include manufacturing a cathode including a metal layer by rolling a metal foil before the step of forming the half-cell.

상기 음극을 제조하는 단계는 금속층을 25 μm 내지 2mm 두께로 형성하는 것일 수 있다. 구체적으로, 27 μm 내지 2 mm 일 수 있다. The manufacturing of the negative electrode may be to form a metal layer to a thickness of 25 μm to 2 mm. Specifically, it may be 27 μm to 2 mm.

본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지는 양극, 전해질, 및 본 발명의 일 구현예에 따른 음극을 포함하는 것일 수 있다. A secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode according to an embodiment of the present invention.

상기 전해질은 금속염, 및 에테르계 용매를 포함하는 것일 수 있다. The electrolyte may include a metal salt and an ether-based solvent.

상기 에테르계 용매는 디메톡시에탄(Dimethoxyethane, DME), 1, 3- 다이옥솔란(1,3-dioxolane), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Triethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Polyethylene glycol dimethyl ether, PEGDME), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide, PEO) 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다. The ether solvent is dimethoxyethane (DME), 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (Diethylene glycol) dimethyl ether, DEGDME), triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), polyethylene glycol dimethyl ether (PEGDME), polyethylene oxide (PEO), and mixtures thereof. it could be

상기 양극과 음극 사이에 분리막을 더 포함할 수 있다.A separator may be further included between the anode and the cathode.

상기 분리막은 기공이 10nm 내지 100nm 인 나노 기공 분리막인 것일 수 있다. 구체적으로, 20nm 내지 100nm, 50nm 내지 100nm, 또는 80nm 내지 100nm일 수 있다. The separation membrane may be a nano-pore separation membrane having pores of 10 nm to 100 nm. Specifically, it may be 20 nm to 100 nm, 50 nm to 100 nm, or 80 nm to 100 nm.

상기 분리막은 기공이 1μm 내지 50μm인 마이크로 기공 분리막인 것일 수 있다. 구체적으로, 3μm 내지 50μm, 5μm 내지 50μm, 10μm 내지 50μm, 또는 15μm 내지 50μm 일 수 있다. The separation membrane may be a micropore separation membrane having pores of 1 μm to 50 μm. Specifically, it may be 3 μm to 50 μm, 5 μm to 50 μm, 10 μm to 50 μm, or 15 μm to 50 μm.

상기 나노 기공 분리막의 두께는 5μm 내지 1mm일 수 있다. 구체적으로, 10μm 내지 1mm, 15μm 내지 1mm, 20μm 내지 1mm, 25μm 내지 1mm 일 수 있다. The thickness of the nanopore separator may be 5 μm to 1 mm. Specifically, it may be 10 μm to 1 mm, 15 μm to 1 mm, 20 μm to 1 mm, or 25 μm to 1 mm.

상기 마이크로 기공 분리막은 기공이 1μm 내지 50μm인 것일 수 있다. 구체적으로, 3μm 내지 50μm, 5μm 내지 50μm, 8μm 내지 50μm, 또는 10μm 내지 50μm일 수 있다. The micropore separation membrane may have pores of 1 μm to 50 μm. Specifically, it may be 3 μm to 50 μm, 5 μm to 50 μm, 8 μm to 50 μm, or 10 μm to 50 μm.

상기 마이크로 기공 분리막은 두께가 0.2mm 내지 2mm인 것일 수 있다. 구체적으로, 0.5mm 내지 2mm, 0.8mm 내지 2mm, 또는 1mm 내지 2mm일 수 있다. The micropore separator may have a thickness of 0.2 mm to 2 mm. Specifically, it may be 0.5 mm to 2 mm, 0.8 mm to 2 mm, or 1 mm to 2 mm.

상기 분리막은 나노 기공 분리막 및 마이크로 기공 분리막을 포함하는 다중 분리막일 수 있다. The separator may be a multiple separator including a nano-pore separator and a micro-pore separator.

본 발명의 일 구현예에 따른 음극, 및 이를 포함하는 이차 전지는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가지는 다공성 금속층을 포함함으로써, 충·방전 과정에서 활물질의 부피 변화에 의한 균열이나 분쇄가 일어나지 않고, 사이클 특성이 향상될 수 있으며, 높은 용량 및 높은 에너지를 가질 수 있다. A negative electrode according to an embodiment of the present invention, and a secondary battery including the same, are porous three-dimensional (3D) interconnected metal microparticles capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal. By including the porous metal layer having a network structure, cracking or pulverization does not occur due to volume change of the active material during charging and discharging, cycle characteristics can be improved, and high capacity and high energy can be obtained.

또한, 본 발명의 음극 제조방법은 미세 입자로 구성된 활물질층을 제조함에 있어서, 종래의 활물질 나노화 공정을 포함하지 않으므로, 제조 공정 편의 도모, 및 제조 비용 절감이 가능하다.In addition, since the method for manufacturing the negative electrode of the present invention does not include a conventional active material nano-processing in manufacturing the active material layer composed of fine particles, it is possible to facilitate the manufacturing process and reduce the manufacturing cost.

도 1은 막대형태의 금속 마이크로 입자를 나타낸 그림이다.
도 2은 본 발명의 일 구현예에 따른 음극 다공성 금속층의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1 음극 다공성 금속층의 실물 사진이다.
도 4는 실시예 1 음극 Sn 다공성 금속층의 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 1 음극 다공성 금속층 EDS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6는 실시예 1 음극 Sn 다공성 금속층이 Na와 전기화학적으로 완전히 반응한 상태의 SEM사진이다.
도 7은 실시예 1 음극 다공성 금속층을 1 mV까지 소듐과 방전한 상태(Na3.75Sn)의 EDS 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 8은 실시예 1 음극의 충·방전 그래프이다.
도 9는 비교예 1 음극의 활물질층 SEM 사진이다.
도 10은 비교예 1 의 0.1 C-rate에서 충방전 그래프이다.
도 11은 실시예 1 음극과 비교예 1 음극의 사이클 그래프이다.
도 12는 실시예 2 음극의 실제 사진이다.
도 13는 실시예 2 음극 Bi 다공성 금속층의 SEM 사진이다.
도 14은 실시예 2 음극 Bi 다공성 금속층의 XRD 패턴이다.
도 15는 실시예 2 음극의 충·방전 그래프이다.
도 16는 실시예 2 음극의 1 내지 100회 사이클 그래프이다.
도 17은 하프-셀 구조를 나타낸 도면이다.
도 18은 풀-셀의 구조를 나타낸 도면이다.
1 is a diagram showing metal micro-particles in the form of rods.
2 is a view showing the structure of the anode porous metal layer according to an embodiment of the present invention.
3 is an actual photograph of the negative electrode porous metal layer of Example 1;
4 is a SEM photograph of the Sn porous metal layer of Example 1;
5 shows the EDS spectrum of the negative electrode porous metal layer of Example 1.
6 is a SEM photograph of Example 1 of a state in which the Sn porous metal layer of the negative electrode completely reacted with Na electrochemically.
7 shows the EDS spectrum results of Example 1 in a state in which the negative electrode porous metal layer was discharged with sodium to 1 mV (Na 3.75 Sn).
8 is a charge/discharge graph of the negative electrode of Example 1.
9 is a SEM photograph of the active material layer of the negative electrode of Comparative Example 1.
10 is a charge-discharge graph at 0.1 C-rate of Comparative Example 1.
11 is a cycle graph of the negative electrode of Example 1 and the negative electrode of Comparative Example 1;
12 is an actual photograph of the negative electrode of Example 2;
13 is a SEM photograph of the Bi-porous metal layer of Example 2;
14 is an XRD pattern of Example 2 anode Bi porous metal layer.
15 is a charge/discharge graph of the negative electrode of Example 2.
16 is a graph of 1 to 100 cycles of the negative electrode of Example 2;
17 is a diagram illustrating a half-cell structure.
18 is a diagram showing the structure of a full-cell.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is provided as an example, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 명세서에서, 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, the terminology used is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.When a part, such as a layer, film, region, plate, etc., is “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. In addition, throughout the specification, "on" means to be located above or below the target portion, and does not necessarily mean to be located above the direction of gravity.

본 명세서에서, 금속층은 두께 및 면적을 가지는 판상(판 형태)의 금속을 포함하는 의미로 사용한다. In this specification, the metal layer is used in the sense of including a plate-shaped (plate shape) metal having a thickness and an area.

본 명세서에서, 네트워크 구조란 입자들이 물리적으로 상호 연결된 형태를 가지는 것을 의미한다. 이와 같이 활물질 입자들이 물리적으로 상호 연결된 형태를 가지는 경우 전기적으로도 활물질 입자들 간의 연결이 형성될 수 있다. In the present specification, the network structure means that particles have a form in which they are physically interconnected. As such, when the active material particles are physically interconnected, a connection between the active material particles may be formed electrically.

본 명세서에서 합금화 소재는 소듐 등과 같은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 전기화학적으로 반응하여 합금화함으로써 소듐 등을 흡수하고, 탈합금화에 의하여 소듐 등을 전기화학적으로 방출함으로써, 전기화학적으로 소듐 등을 흡수하고, 방출할 수 있는 소재를 의미한다. 이러한 합금화 소재(금속 활물질)는 갈륨(Ga, gallium), 게르마늄(Ge, germanium), 인듐(In, indium), 주석 (Sn, tin), 안티몬(Sb, antimony), 탈륨(Tl, thallium), 납(Pb, lead), 비스무스(Bi, bismuth), 및 이들의 합금을 포함하는 군에서 선택되는 것일 수 있다. 다만, 상기 나열한 금속에 한정되는 것은 아니며, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의하여 가역적으로 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속은 이에 포함될 수 있다. In the present specification, the alloying material absorbs sodium by electrochemically reacting with an alkali metal or alkaline earth metal such as sodium and alloying, and electrochemically emitting sodium or the like by dealloying to electrochemically absorb sodium, etc., material that can be released. These alloying materials (metal active materials) are gallium (Ga, gallium), germanium (Ge, germanium), indium (In, indium), tin (Sn, tin), antimony (Sb, antimony), thallium (Tl, thallium), It may be one selected from the group including lead (Pb, lead), bismuth (Bi, bismuth), and alloys thereof. However, it is not limited to the metals listed above, and metals capable of reversibly absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal may be included therein.

상기 합금화 소재와의 합금화 및 탈합금화 반응을 통하여 흡수 및 방출될 수 있는 물질은 알칼리 금속, 알칼리 토금속일 수 있으며, 합금화 및 탈합금화 반응은 다음의 화학반응식을 갖는다.The material that can be absorbed and released through the alloying and dealloying reaction with the alloying material may be an alkali metal or an alkaline earth metal, and the alloying and dealloying reaction has the following chemical reaction formula.

xA+ M ↔ AxMxA+ M ↔ A x M

상기 화학반응식에서 A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, M은 합금화 소재이다. In the above chemical formula, A is an alkali metal or alkaline earth metal, and M is an alloying material.

이때, x의 값이 대부분 1을 넘기 때문에 합금화 소재는 대부분 높은 이론용량을 나타낸다.At this time, since most of the values of x exceed 1, most of the alloyed materials show high theoretical capacity.

그 예로, 주석은 소듐과 반응하여 최종생성물 Na15Sn4(x=3.75)를 형성할 때, 847 mAh/g의 높은 이론용량을 나타낸다. 다음의 표 1은 합금화 소재의 종류에 따른 소듐화 반응 생성물, 및 이론용량을 나타낸다.For example, when tin reacts with sodium to form the final product Na 15 Sn 4 (x=3.75), it exhibits a high theoretical capacity of 847 mAh/g. Table 1 below shows the sodium reaction products and theoretical capacity according to the type of alloying material.

하기 표 1를 보면 합금화 소재는 합금화 소재의 종류에 따라 이온 용량이 달라질 수 있음을 알 수 있다. 또한, 합금화 소재는 소듐화(sodiation)된 정도에 따라 용량(capacity)이 달라질 수 있다. Referring to Table 1 below, it can be seen that the ion capacity of the alloying material may vary depending on the type of the alloying material. In addition, the alloying material may have a different capacity (capacity) depending on the degree of sodium (sodium).

음극 물질cathode material
(Anode material)(Anode material)
소듐화 생성물Sodium products
(Sodiation product)(Sodiation product)
이론 용량theoretical capacity
(Theoretical capacity)(Theoretical capacity)
GaGa Na0.56Ga (Na22Ga39)Na 0.56 Ga (Na 22 Ga 39 ) 217217 GeGe Na3GeNa 3 Ge 11061106 InIn NaInNaIn 233233 SnSn Na3.75Sn (Na15Sn4)Na 3.75 Sn (Na 15 Sn 4 ) 847847 SbSb Na3SbNa 3 Sb 660660 TlTl Na6TlNa 6 Tl 787787 PbPb Na15Pb4 Na 15 Pb 4 485485 BiBi Na3BiNa 3 Bi 385385

하지만, 이러한 합금화 소재(M)는 소듐 등의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화시(AxM)에 부피가 팽창하고, 탈합금화시에는 원래의 합금화 소재(M)로 되돌아가 부피가 감소한다. 따라서, 상기 합금화 소재를 전극 활물질로 적용하는 경우, 전지의 충방전할 때, 전극 활물질에서 합금화 및 탈합금화가 일어나고, 합금화 소재에 부피 팽창 및 수축의 부피변화를 발생시키는 본질적인(intrinsic) 문제를 야기시킨다. 즉, 충방전에 의한 부피변화는 합금화 소재 내에 내부응력(internal stress)을 야기시키고, 이는 전극 활물질(층)의 균열(crack) 생성으로 이어지며, 마침내는 균열이 성장하여, 전극 활물질(층)이 쪼개지고, 이는 전극 활물질이 더 작은 입자로 분쇄(pulverization)되는 과정으로 이어진다. 이 같은 전극 활물질(층)의 분쇄 등에 의하여 전극 활물질(층)이 전극 내에서 집전체나 도전재와 전기적 연결이 끊어지는 문제가 발생한다. 그리하여 집전체로부터 전자가 공급되지 않으므로, 더 이상 전기화학적 반응을 할 수 없는 상태에 놓이게 되고, 반복하여 충·방전이 진행됨에 따라 급격한 용량 감소를 일으키게 된다. 그 결과, 합금화 메카니즘을 갖는 전극은 짧은 충방전 사이클 수명을 갖게 된다. 이러한 전극 활물질의 충방전시 큰 부피 변화율로 인한 분쇄 문제를 해소하기 위하여, 활물질을 미세 입자화하는 방안을 고려할 수 있다. 그러나, 활물질을 미세 입자로 분말화하는 공정의 경우 복잡하고 고가의 공정비를 수반함으로써 전극 가격을 상승시키는 문제가 있다. 또한, 분말 전극 활물질을 사용하는 경우 분말 전극 활물질을 집전체에 고정하기 위하여 고분자 바인더를 사용하게 되며, 전도성 향상을 위한 도전재 등을 더 포함하게 된다. 그러나, 이러한 고분자 바인더 및 도전재는 전기화학적으로 반응하지 않는 물질로서, 전극 내의 활물질 함량이 감소하기 때문에 전극의 전체 용량을 감소시키는 결과가 된다. However, this alloying material (M) expands in volume when alloyed with an alkali metal or alkaline earth metal such as sodium (A x M), and returns to the original alloying material (M) during de-alloying and decreases in volume. Therefore, when the alloying material is applied as an electrode active material, alloying and de-alloying occur in the electrode active material during charging and discharging of the battery, and intrinsic problems of causing volumetric expansion and contraction in the alloying material make it That is, the volume change due to charging and discharging causes an internal stress in the alloying material, which leads to the generation of cracks in the electrode active material (layer), and finally the cracks grow, and the electrode active material (layer) This cleavage leads to a process in which the electrode active material is pulverized into smaller particles. Due to the pulverization of the electrode active material (layer), there is a problem in that the electrode active material (layer) is electrically disconnected from the current collector or the conductive material in the electrode. Thus, since electrons are not supplied from the current collector, it is put in a state in which an electrochemical reaction can no longer be performed, and as charging and discharging are repeatedly performed, a rapid decrease in capacity occurs. As a result, an electrode having an alloying mechanism has a short charge/discharge cycle life. In order to solve the pulverization problem due to a large volume change rate during charging and discharging of the electrode active material, a method of making the active material into fine particles may be considered. However, in the case of a process of pulverizing an active material into fine particles, there is a problem in that the electrode price increases due to complicated and expensive process costs. In addition, when a powder electrode active material is used, a polymer binder is used to fix the powder electrode active material to the current collector, and a conductive material for improving conductivity is further included. However, the polymer binder and the conductive material are materials that do not react electrochemically, and since the content of the active material in the electrode is reduced, the total capacity of the electrode is reduced.

충방전시 전극 활물질의 부피팽창을 수용할 수 있는 공간을 부여하기 위하여 전극 활물질과 동종재(同種材) 및 이종재(異種材)를 이용하여 다공성 구조를 설계할 수 있다. 그러나, 동종재를 이용하여 다공성 구조를 설계하더라도, 미세 분말화 기술이 필요하여, 제조공정이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 이종재를 이용하여 다공성 구조를 설계할 경우, 전극 내에 전기화학적으로 반응하지 않는 소재가 추가됨으로써, 전극의 전체 용량을 감소시키게 된다.In order to provide a space capable of accommodating the volume expansion of the electrode active material during charging and discharging, a porous structure can be designed using the same material and different materials as the electrode active material. However, even when a porous structure is designed using a homogeneous material, there is a problem in that a fine powdering technique is required, thereby complicating the manufacturing process. In addition, when a porous structure is designed using a dissimilar material, an electrochemically non-reactive material is added to the electrode, thereby reducing the overall capacity of the electrode.

또한, 분말을 이용한 전극은 가공밀도 (tap density) 가 낮기 때문에 반드시 압축공정이 들어가게 되는데, 압축 공정을 거치더라도 분말을 이용한 전극의 가공밀도는 하나의 덩어리로 이루어진 전극보다 낮을 수 밖에 없으며, 미세 입자들을 포함하는 전극의 가공밀도를 증가시키는 것도 일반적으로 매우 어렵다. 마찬가지 이유로 면적당 전극의 적재량을 향상시키기 위해 두께를 증가시키기도 어렵다.In addition, since the electrode using the powder has a low tap density, a compression process is necessarily performed. Even after the compression process, the processing density of the electrode using the powder is inevitably lower than that of an electrode made of a single mass, and fine particles It is also generally very difficult to increase the working density of electrodes including these. For the same reason, it is difficult to increase the thickness to improve the electrode loading per area.

더욱이, 위와 같은 방법을 모두 사용하여도, 본질적인 문제인 충방전 사이클 중 발생하는 부피변화에 의한 전극 활물질층의 분쇄, 용량 감소, 및 사이클 특성 저하 문제를 근원적으로 해결할 수 없다.Moreover, even if all of the above methods are used, the problems of pulverization of the electrode active material layer due to volume change occurring during the charge/discharge cycle, which are essential problems, a decrease in capacity, and a decrease in cycle characteristics cannot be fundamentally solved.

본원은 높은 용량을 가지는 전극 활물질을 포함함으로써, 고용량 전극을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 다공성 구조에 의하여 향상된 충방전 사이클 특성을 가지는 이차 전지용 음극을 제공할 수 있다. The present application can provide an anode for a secondary battery having improved charge/discharge cycle characteristics due to a stable porous structure as well as realizing a high-capacity electrode by including an electrode active material having a high capacity.

더불어, 미세화된 전극 활물질 분말을 이용하지 않고도 미세한 전극 활물질 입자가 상호 연결된 다공성 구조의 전극 활물질층을 형성할 수 있어, 간단한 방법에 의하여 저비용으로 고용량의 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 전지를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to form an electrode active material layer having a porous structure in which fine electrode active material particles are interconnected without using a micronized electrode active material powder. can provide a way.

또한, 도전재 및/또는 바인더를 필수적으로 포함하지 않는 마이크로 사이즈의 전극 활물질 입자가 상호 연결된 다공성 구조의 전극을 제공할 수 있는 바, 전지 용량을 향상시킬 수 있다. In addition, since it is possible to provide an electrode having a porous structure in which micro-sized electrode active material particles not necessarily including a conductive material and/or a binder are interconnected, battery capacity can be improved.

음극cathode

본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 가역적으로 흡수하고, 방출할 수 있는 금속을 포함하는 다공성 금속층을 포함한다.The negative electrode according to an embodiment of the present invention includes a porous metal layer including a metal capable of reversibly absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal.

상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가진다. The porous metal layer has a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected.

상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수하고, 방출할 수 있는 금속은 합금화 소재를 포함하는 금속일 수 있다. The metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with the alkali metal or alkaline earth metal may be a metal including an alloying material.

도 2은 본 발명의 일 구현예에 따른 음극의 다공성 금속층의 구조를 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 음극의 다공성 금속층은 막대형태의 금속 활물질 입자가 3차원적으로 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가짐을 알 수 있다. 이러한 3차원 네트워크 구조는 다공성 금속층의 두께 방향(종방향)뿐만 아니라, 면적방향(횡방향)으로도 연속적으로 연결된 구조를 가지는 것일 수 있다. 이러한 구조를 가짐으로써, 다공성 금속층의 전체 면적에 접하는 면 형태의 집전체를 적용하는 경우 뿐만 아니라, 필요에 따라, 다공성 금속층의 면적 중 일부의 면에만 접하는 집전체를 적용한 음극을 구현할 수 있는 이점이 있다. 2 is a view showing the structure of the porous metal layer of the negative electrode according to an embodiment of the present invention. As described above, it can be seen that the porous metal layer of the negative electrode according to an embodiment of the present invention has a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal active material particles are three-dimensionally interconnected. Such a three-dimensional network structure may have a structure continuously connected not only in the thickness direction (longitudinal direction) of the porous metal layer, but also in the area direction (transverse direction). By having such a structure, not only the case of applying a current collector in the form of a surface in contact with the entire area of the porous metal layer, but also, if necessary, the advantage of implementing a negative electrode to which a current collector in contact with only a part of the area of the porous metal layer is applied have.

또한 이러한 구조를 가짐으로써, 복수개의 음극을 면적방향(횡방향)으로 연결하여 용이하게 대면적 전극을 구성할 수 있다.In addition, by having such a structure, it is possible to easily configure a large-area electrode by connecting a plurality of cathodes in the area direction (transverse direction).

상기 다공성 금속층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함하여, 높은 용량을 구현할 수 있다. The porous metal layer may include a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal, thereby realizing a high capacity.

구체적으로 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 Li, Na, Mg, K, 또는 Ca 등을 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다. Specifically, the alkali metal or alkaline earth metal may be selected from the group consisting of Li, Na, Mg, K, or Ca.

상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속은 합금화 소재일 수 있다. 구체적으로 상기 합금화 소재는 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 또는 Bi일 수 있다. 이와 같은 금속들은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화에 의하여 높은 이론용량을 구현할 수 있는 이점이 있다. The metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with the alkali metal or alkaline earth metal may be an alloying material. Specifically, the alloying material may be Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, or Bi. Such metals have the advantage of realizing high theoretical capacity by alloying with alkali metals or alkaline earth metals.

다공성 금속층은 마이크로 금속 입자가 상호 연결된 다공성 구조로 이루어져 있으므로, 다공성 금속층 자체가 활물질층 역할과 함께 집전체 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 다공성 금속층을 포함하는 음극은 집전체를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.상기 집전체는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 탄소가 코팅된 금속, 탄소 섬유 또는 탄소 종이일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 기술 상식에 의하여 적용될 수 있는 것을 포함할 수 있다. Since the porous metal layer has a porous structure in which micro metal particles are interconnected, the porous metal layer itself may serve as an active material layer and a current collector. Accordingly, the negative electrode including the porous metal layer may further include a current collector, but is not limited thereto. The current collector may be copper, stainless steel, aluminum, a carbon-coated metal, carbon fiber, or carbon paper. . However, the present invention is not limited thereto, and may include those applicable to the technical common sense in the relevant technical field.

본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 다공성 금속층이 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가지는 것일 수 있다. The negative electrode according to an embodiment of the present invention may have a porous three-dimensional network structure in which the porous metal layer is interconnected with rod-shaped metal microparticles.

앞서 설명한 바와 같이, 합금화 소재를 전극 활물질로 적용하는 경우 충방전시 큰 부피변화로 인하여 활물질층의 분쇄, 집전체로부터의 활물질 이탈 등이 발생하여 활물질층의 전기적 연결이 끊어질 수 있다. 즉, 충방전 횟수가 증가함에 따라 전극 성능이 현저하게 저하되는 문제가 있다. As described above, when the alloying material is applied as the electrode active material, the active material layer may be crushed or the active material separated from the current collector due to a large volume change during charging and discharging, and the electrical connection of the active material layer may be broken. That is, as the number of times of charging and discharging increases, there is a problem in that electrode performance is remarkably deteriorated.

그러나, 본원의 다공성 금속층은 상기와 같은 충방전시 부피변화를 수용할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 본원의 다공형 구조의 활물질층은 활물질층의 비표면적을 증가시킴으로써, 전해질과의 접촉면적 증가, 단위면적당 전류 감소, 내부저항 감소, 과전압 감소 및, 충방전 속도 향상이 가능하다. However, the porous metal layer of the present application may provide a space capable of accommodating the volume change during charging and discharging as described above. In addition, by increasing the specific surface area of the active material layer of the porous active material layer of the present application, it is possible to increase the contact area with the electrolyte, decrease the current per unit area, decrease the internal resistance, decrease the overvoltage, and improve the charge/discharge rate.

활물질층이 다공형 구조를 가지더라도 부피변화에 따른 활물질층 깨짐이 발생할 수 있다. 그러나, 본원의 다공형 구조는 충방전시 부피 변화에도 불구하고 구조의 안정성으로 인하여 활물질 입자, 및 활물질층 구조의 깨짐을 현저히 감소시키고, 충방전 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. Even if the active material layer has a porous structure, cracking of the active material layer may occur due to a change in volume. However, the porous structure of the present application can significantly reduce the breakage of the active material particles and the structure of the active material layer due to the stability of the structure despite the volume change during charging and discharging, and improve the charging and discharging cycle characteristics.

구체적으로 본 발명의 일 구현예에 따른 음극의 다공성 금속층은 다음과 같은 특징을 가지는 것일 수 있다. Specifically, the porous metal layer of the negative electrode according to an embodiment of the present invention may have the following characteristics.

상기 다공성 금속층은 기공 평균 직경이 0.1 내지 200 μm 일 수 있다. 구체적으로 0.1 내지 150 μm, 0.1 내지 100 μm, 0.1 내지 50 μm, 0.1 내지 30 μm, 0.1 내지 20 μm, 1 내지 15 μm, 1 내지 10 μm 또는 1 내지 5 μm 일 수 있다. The porous metal layer may have an average pore diameter of 0.1 to 200 μm. Specifically, it may be 0.1 to 150 μm, 0.1 to 100 μm, 0.1 to 50 μm, 0.1 to 30 μm, 0.1 to 20 μm, 1 to 15 μm, 1 to 10 μm, or 1 to 5 μm.

상기 다공성 금속층은 기공도가 50 내지 90 부피% 일 수 있다. 구체적으로 60 내지 90 부피%, 70 내지 90 부피%, 70 내지 85 부피% 또는 72 내지 81 부피% 일 수 있다. The porous metal layer may have a porosity of 50 to 90% by volume. Specifically, it may be 60 to 90% by volume, 70 to 90% by volume, 70 to 85% by volume, or 72 to 81% by volume.

상기 금속 마이크로 입자는 평균 직경이 0.1 내지 5 μm 일 수 있다. 구체적으로 0.1 내지 3 μm, 0.3 내지 3 μm, 0.5 내지 2 μm, 또는 0.5 내지 1.5 μm 일 수 있다. The metal microparticles may have an average diameter of 0.1 to 5 μm. Specifically, it may be 0.1 to 3 μm, 0.3 to 3 μm, 0.5 to 2 μm, or 0.5 to 1.5 μm.

상기 금속 마이크로 입자는 평균 길이가 0.5 내지 20 μm 일 수 있다. 구체적으로 0.5 내지 15 μm, 0.5 내지 10 μm, 0.5 내지 5 μm, 0.5 내지 3 μm 또는 1 내지 3 μm 일 수 있다. 금속 마이크로 입자의 길이가 너무 긴 경우 합금화시 길이 방향의 부피 팽창율이 크기 때문에 구조 깨짐 발생 가능성이 증가할 수 있다. The metal microparticles may have an average length of 0.5 to 20 μm. Specifically, it may be 0.5 to 15 μm, 0.5 to 10 μm, 0.5 to 5 μm, 0.5 to 3 μm, or 1 to 3 μm. If the length of the metal microparticles is too long, the possibility of structural breakage may increase because the volume expansion rate in the longitudinal direction during alloying is large.

상기 범위를 만족함으로써 충방전시 부피 변화에 따른 입자, 및 접점의 깨짐 발생을 감소시킬 수 있고, 활물질(층)이 분쇄되는 문제가 감소할 수 있다. By satisfying the above range, it is possible to reduce the occurrence of cracking of particles and contact points due to volume change during charging and discharging, and the problem of crushing the active material (layer) can be reduced.

상기 금속 마이크로 입자는 평균 종횡비(길이/직경)가 1 내지 10일 수 있다. 구체적으로 1 내지 8, 1 내지 7, 1 내지 5, 1 내지 3, 1.1 내지 10, 1.1 내지 9, 1.1 내지 7, 1.1 내지 4, 또는 1.1 내지 3일 수 있다. The metal microparticles may have an average aspect ratio (length/diameter) of 1 to 10. Specifically, it may be 1 to 8, 1 to 7, 1 to 5, 1 to 3, 1.1 to 10, 1.1 to 9, 1.1 to 7, 1.1 to 4, or 1.1 to 3.

상기 막대형태의 마이크로 입자들이 무작위로 연결되어, 대부분의 접점에서 입자들이 0° 초과, 및 180° 미만의 결합각을 가지는 구조일 수 있다. 이 경우 합금화시 부피팽창(특히, 막대형태 입자 길이방향의 팽창)에 의해 접점에 가해지는 압력이 각도가 180°를 이루는 경우에 비해 감소하기 때문에 접점, 및 막대형태 입자의 깨짐을 감소시킴으로써, 활물질(층)의 분쇄를 억제하고, 충방전 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 구조는 후술하는 하프-셀에서 반복적으로 충방전을 수행하는 단계에서 입자 간의 각도가 180°인 접점이 대부분 소멸되기 때문일 수 있다.The rod-shaped micro-particles are randomly connected, and the particles at most of the contact points may have a structure having a bonding angle of greater than 0° and less than 180°. In this case, since the pressure applied to the contact point due to volume expansion during alloying (especially, expansion in the longitudinal direction of the rod-shaped particle) is reduced compared to the case where the angle is 180°, by reducing the breakage of the contact and the rod-shaped particle, the active material The pulverization of the (layer) can be suppressed and the charge/discharge cycle characteristics can be improved. This structure may be due to most of the contacts having an angle of 180° between particles disappear in a step of repeatedly performing charging and discharging in a half-cell, which will be described later.

본 명세서에서 입자 간의 각도란 접점을 기준으로 2 이상의 막대형태의 입자가 이루는 각을 의미하며, 2개의 입자가 연결된 접점의 경우 각도가 작은 쪽의 수치값을 의미한다. In the present specification, the angle between particles means an angle formed by two or more rod-shaped particles with respect to the contact point, and in the case of a contact point where two particles are connected, it means a numerical value of the smaller angle.

또한, 각 막대형태의 마이크로 입자가 연결된 접점에서 주로 5개 이하의 입자들이 연결되는 구조를 가지며, 바람직하게는 2 내지 3개의 입자가 연결되는 구조를 가질 수 있다. 접점에서 연결되는 막대형태의 마이크로 입자의 개수가 증가할수록 부피 팽창시 접점에 가해지는 압력이 증가할 수 있고, 입자 간의 180°의 각도를 이루는 접점이 증가하게 되는 바, 접점, 및 막대형태 입자의 깨짐, 및 다공 구조의 깨짐 발생이 증가할 수 있다. In addition, it may have a structure in which five or less particles are mainly connected at the contact point where each rod-shaped micro particle is connected, and preferably, it may have a structure in which two to three particles are connected. As the number of rod-shaped micro particles connected at the contact point increases, the pressure applied to the contact point during volume expansion may increase, and the contact point forming an angle of 180° between the particles increases. The occurrence of cracking, and cracking of the porous structure may increase.

본 발명의 일 구현에에 따라 제조된 음극의 활물질층은 금속층을 포함하는 음극을 이용하여 하프-셀을 구성하고, 이를 반복적으로 충방전함으로써, 금속층이 다공성 금속층으로 전환되는 단계를 거치게 된다. 상기 하프-셀을 반복적으로 충방전 수행함으로써, 상기 금속층은 수축과 팽창을 반복하게 되고, 합금화 및 탈합금화시 발생하는 반응열, 하프셀 충방전 수행시 발생하는 접점 부위에서의 저항 등의 요인으로 금속층에서는 소결반응이 일어나, 입자들 간의 단단한 결합을 형성하게 된다. 또한, 반복적인 수축 팽창 과정에서 불안정한 접점 및 입자는 부서져 다른 입자에 부착되고 안정한 접점 및 입자는 유지되는 과정이 반복된다. 이에 따라 최종적으로 수득되는 다공성 금속층은 막대형태의 입자간 단단한 접점을 가지는 매우 안정적인 본원의 3차원 네트워크 다공형 구조를 가지게 되는 것으로 예상된다. The active material layer of the negative electrode manufactured according to an embodiment of the present invention is formed by using a negative electrode including a metal layer to form a half-cell, and by repeatedly charging and discharging it, the metal layer is converted into a porous metal layer. By repeatedly charging and discharging the half-cell, the metal layer repeatedly contracts and expands, and the metal layer is caused by factors such as reaction heat generated during alloying and de-alloying, and resistance at the contact point generated during half-cell charging and discharging. In the sintering reaction, a solid bond is formed between the particles. In addition, in the process of repeated contraction and expansion, unstable contacts and particles are broken and attached to other particles, and the process of maintaining stable contacts and particles is repeated. Accordingly, it is expected that the finally obtained porous metal layer will have the very stable three-dimensional network porous structure of the present application having a solid contact point between the rod-shaped particles.

도 4는 본원의 일 구현예에 따라 제조된 주석 다공성 금속층(실시예 1)이며, 막대형태의 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 4 is a tin porous metal layer (Example 1) prepared according to an embodiment of the present application, and it can be confirmed that the rod-shaped particles have a porous three-dimensional network structure interconnected.

도 6은 도 4의 실시예 1 주석 다공성 금속층이 소듐과 합금화된 상태이며, 활물질의 팽창에 의하여 막대형태의 입자가 커지고 기공 부피가 감소하였으나, 깨짐없이 구조가 유지되고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 본원의 음극 다공성 금속층은 합금화에 의해 활물질층이 팽창한 경우에도 구조의 깨짐이 발생하지 않는 안정한 구조를 가짐을 알 수 있다. 이와 같은 안정적인 구조의 다공성 금속층을 포함하는 음극은 충방전 횟수가 증가하더라도, 전극 활물질(층)의 분쇄, 이탈, 및 활물질층의 전기적 연결 단절이 현저히 감소될 수 있으므로, 결과적으로 충방전 사이클 특성 향상에 기여할 수 있다.6 is a state in which the tin porous metal layer of Example 1 of FIG. 4 is alloyed with sodium, and the rod-shaped particles are enlarged due to expansion of the active material and the pore volume is reduced, but it can be confirmed that the structure is maintained without breaking. That is, it can be seen that the anode porous metal layer of the present application has a stable structure in which no structural breakage occurs even when the active material layer is expanded by alloying. In the negative electrode including the porous metal layer having such a stable structure, even if the number of charge and discharge increases, crushing, separation of the electrode active material (layer), and electrical disconnection of the active material layer can be significantly reduced, resulting in improved charge/discharge cycle characteristics can contribute to

상기 막대형태의 금속 마이크로 입자는 표면에 금속 마이크로 입자의 길이보다 작은 직경을 가지는 미세 금속 입자가 부착된 형태, 또는 금속 마이크로 입자 길이보다 직경이 작은 미세 금속 입자가 금속 마이크로 입자 표면에 돌출된 형태의 표면을 가지는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 미세 금속 입자의 평균 입경은 0.1 내지 5 μm 인 것일 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 하프-셀을 반복적으로 충방전 수행함으로써, 금속층의 반복적인 수축, 및 팽창 과정에서 불안정한 접점 및 입자가 부서져 다른 입자에 부착되는 과정에서 형성되는 것일 수 있다. The rod-shaped metal micro-particles are of a form in which micro-metal particles having a diameter smaller than the length of the metal micro-particles are attached to the surface, or micro-metal particles having a diameter smaller than the length of the metal micro particles are protruded from the surface of the metal micro particles. It may have a surface. Specifically, the average particle diameter of the fine metal particles may be 0.1 to 5 μm. As described above, by repeatedly charging and discharging the half-cell, it may be formed in the process of repeatedly shrinking and expanding the metal layer, and unstable contacts and particles are broken and attached to other particles.

도 13을 보면, 평균직경 1.4 μm 이고, 평균 길이가 2.3 μm 인 막대형태의 Bi 마이크로 금속 입자는 표면에 평균 입자 직경이 0.5 μm 인 미세 입자가 돌출된 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13 , it can be confirmed that the rod-shaped Bi micro-metal particles having an average diameter of 1.4 μm and an average length of 2.3 μm have a protruding shape of micro particles with an average particle diameter of 0.5 μm on the surface.

상기 다공성 금속층은 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 90 내지 100 중량%, 92 내지 100 중량%, 95 내지 100 중량%, 97 내지 100 중량%, 99 내지 100 중량%, 또는 99.5 내지 100 중량%일 수 있다. 이 경우 전극 내의 활물질 함량이 높으므로 전극 용량을 향상시킬 수 있다. The porous metal layer may include 90 wt% or more of a metal selected from the group including Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi based on 100 wt% of the total porous metal layer. Specifically, it may be 90 to 100% by weight, 92 to 100% by weight, 95 to 100% by weight, 97 to 100% by weight, 99 to 100% by weight, or 99.5 to 100% by weight. In this case, since the active material content in the electrode is high, the electrode capacity can be improved.

이러한 다공성 금속층의 형태는, 본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 의하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. The form of such a porous metal layer may be formed by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, but may not be limited thereto.

이러한 본 발명의 다공성 금속층은, 마이크로 입자가 상호 집합된 3차원 다공형 구조이나, 활물질을 미세 분말화하고, 그 입자의 형태를 제어하여 조성물로 도포하거나, 압축하여 금속 활물질층을 형성하는 것이 아니고, 본 발명의 제조방법에 따라 금속층으로부터 상기 형태를 가지는 마이크로 사이즈의 활물질 입자로 구성된 다공성 금속층을 형성할 수 있다. 따라서, 미세 분말화를 위한 공정이 포함되지 않으므로, 제조 비용이 절감될 수 있고, 바인더 등과 같이 전기화학적으로 반응하지 않는 물질을 포함하지 않는 활물질층, 및 전극을 형성할 수 있으므로, 용량 향상에 기여할 수 있다. The porous metal layer of the present invention has a three-dimensional porous structure in which micro particles are mutually aggregated, but the active material is finely powdered, and the shape of the particles is controlled to be applied as a composition or compressed to form a metal active material layer. , it is possible to form a porous metal layer composed of micro-sized active material particles having the above shape from the metal layer according to the manufacturing method of the present invention. Therefore, since the process for fine pulverization is not included, manufacturing cost can be reduced, and an active material layer that does not include a material that does not react electrochemically, such as a binder, and an electrode can be formed, thereby contributing to capacity improvement. can

후술하는 본 발명의 구체 실시예에서는 Sn 마이크로 입자가 상호 결합되어 3차원 네트워크 구조를 가지는 다공성 금속층을 포함하는 음극을 제조하였다. 본 발명 실시예에 따른 다공성 금속층의 표면 SEM사진을 보면, 실시예의 다공성 금속층은 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조에 의하여 Na 이온 흡수시 활물질 부피 변화를 충분히 수용할 수 있는 공간을 제공할 수 있으며, 합금화되더라도 다공성 금속층의 구조가 붕괴되지 않음을 확인하였다. 더불어 합금화시 부피 변화가 큰 Sn을 활물질로 적용하였음에도 불구하고, 충방전 사이클 특성이 유지될 수 있음을 확인하였다. In a specific embodiment of the present invention to be described later, an anode including a porous metal layer having a three-dimensional network structure in which Sn micro-particles are bonded to each other was manufactured. Looking at the surface SEM photograph of the porous metal layer according to the embodiment of the present invention, the porous metal layer of the embodiment provides a space that can sufficiently accommodate the change in the volume of the active material when Na ions are absorbed by the porous three-dimensional network structure in which the metal microparticles are interconnected. It was confirmed that the structure of the porous metal layer does not collapse even when alloyed. In addition, it was confirmed that the charge/discharge cycle characteristics could be maintained even though Sn, which had a large volume change during alloying, was applied as an active material.

상기 다공성 금속층은 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 금속을 1종 또는 2종 이상 포함할 수 있다. The porous metal layer may include 90 wt% or more of a metal selected from the group including Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi based on 100 wt% of the total porous metal layer. Specifically, it may include one or more metals selected from the group consisting of Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi.

잔부로서, 다른 금속 또는 불가피한 불순물 등이 포함될 수 있다.As the remainder, other metals or unavoidable impurities may be included.

상기 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 금속의 함량은 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 97 내지 100 중량%, 99 내지 100 중량%, 또는 99.5 내지 100 중량%를 포함할 수 있다. The content of the metal selected from the group comprising Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi is 97 to 100% by weight, 99 to 100% by weight, or 99.5 to 100% by weight based on 100% by weight of the entire porous metal layer. 100% by weight.

본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 다공성 금속층 및 이를 포함하는 음극의 경우, 종래 미세 분말 활물질 입자를 이용하여 제조된 활물질층과 달리 전극 용량에 기여하지 못하는 도전재 및/또는 바인더를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 전극 용량을 향상시킬 수 있다. In the case of a porous metal layer prepared according to an embodiment of the present invention and an anode including the same, it does not contain a conductive material and/or binder that does not contribute to the electrode capacity unlike the active material layer prepared using conventional fine powder active material particles. can Therefore, the electrode capacitance can be improved.

상기 다공성 금속층은 하기 화학식 1 로 표시되는 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. The porous metal layer may include 90% by weight or more of the metal represented by the following Chemical Formula 1 based on 100% by weight of the total porous metal layer.

[화학식 1] AxB[Formula 1] A x B

상기 x는 0 내지 6일 수 있다. 구체적으로 0 초과, 및 6 이하인 것일 수 있다. The x may be 0 to 6. Specifically, it may be more than 0, and 6 or less.

구체적으로 상기 다공성 금속층은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. Specifically, the porous metal layer may include 90% by weight or more of the metal represented by the following Chemical Formula 2 or 3 based on 100% by weight of the total porous metal layer.

[화학식 2] NaySn[Formula 2] Na y Sn

[화학식 3] NazBi[Formula 3] Na z Bi

상기 A는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속일 수 있다. A may be an alkali metal and an alkaline earth metal.

상기 B는 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다. B may be selected from the group consisting of Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi.

상기 y는 0 내지 1일 수 있다. 구체적으로 0 초과, 및 1 이하인 것일 수 있다. The y may be 0 to 1. Specifically, it may be greater than 0, and less than or equal to 1.

상기 z는 0 내지 3일 수 있다. 구체적으로 0 초과, 및 3 이하인 것일 수 있다. The z may be 0 to 3. Specifically, it may be more than 0, and 3 or less.

후술하는 본 발명의 일 구체 실시예에서는 다공성 다공성 금속층이 Bi를 100 중량%를 포함하는 음극을 개시하고 있다. 또 다른 본 발명의 일 구체실시예의 음극은 다공성 금속층이 Sn 92 중량%와, 잔부로서 Na를 포함하는 것을 개시하고 있다. In one specific embodiment of the present invention to be described later, the porous porous metal layer discloses a negative electrode including 100% by weight of Bi. Another embodiment of the negative electrode of the present invention discloses that the porous metal layer contains 92 wt% of Sn and Na as the balance.

본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 80회 충방전 후 용량 유지율이 95% 이상일 수 있다. 구체적으로, 95 내지 100%, 95% 이상 및 100% 미만, 99.3% 이상 및 100% 미만, 99% 내지 99.9% 또는 99.3% 내지 99.9%일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 80회 충방전 후 용량 유지율이 95% 이상일 수 있다. 구체적으로, 95 내지 100%, 95% 이상 및 100% 미만, 99.3% 이상 및 100% 미만, 99% 내지 99.9% 또는 99.3% 내지 99.9%일 수 있다.The negative electrode according to an embodiment of the present invention may have a capacity retention rate of 95% or more after 80 times of charging and discharging. Specifically, it may be 95 to 100%, 95% or more and less than 100%, 99.3% or more and less than 100%, 99% to 99.9%, or 99.3% to 99.9%. The negative electrode according to an embodiment of the present invention may have a capacity retention rate of 95% or more after 80 times of charging and discharging. Specifically, it may be 95 to 100%, 95% or more and less than 100%, 99.3% or more and less than 100%, 99% to 99.9%, or 99.3% to 99.9%.

본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 이론 용량의 80%이상의 용량을 가지는 것일 수 있다. 구체적으로, 80% 내지 100%, 80% 이상, 및 100% 미만, 80% 내지 99.9%, 또는 85% 내지 99.9%일 수 있다. The negative electrode according to an embodiment of the present invention may have a capacity of 80% or more of a theoretical capacity. Specifically, it may be 80% to 100%, 80% or more, and less than 100%, 80% to 99.9%, or 85% to 99.9%.

이차 전지 제조방법Secondary battery manufacturing method

본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지 제조방법은, 다공성 금속층을 포함하는 음극, 및 금속 전극을 포함하는 하프-셀(half-cell)를 구성하는 단계; 상기 하프-셀(half-cell)을 2회 이상 충전 및 방전을 수행하여, 상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계; 및 상기 다공형으로 전환된 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극, 및 전해질을 포함하는 풀-셀(full-cell)을 제조하는 단계;를 포함한다. 상기 다공성 금속층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함하고, 상기 금속 전극은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함한다.A secondary battery manufacturing method according to an embodiment of the present invention comprises: configuring a half-cell including a negative electrode including a porous metal layer, and a metal electrode; converting the metal layer into a porous metal layer by charging and discharging the half-cell two or more times; and manufacturing a full-cell including the negative electrode converted to the porous type, the positive electrode including the positive electrode active material, and the electrolyte. The porous metal layer includes a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal, and the metal electrode includes an alkali metal or alkaline earth metal.

상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속은 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi을 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다. The metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with the alkali metal or alkaline earth metal may be one selected from the group including Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi. have.

상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 Li, Na, 및 Mg를 포함하는 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있다. The alkali metal or alkaline earth metal may include one selected from the group consisting of Li, Na, and Mg.

이 경우, 본 발명의 일 구현예에 따른 음극은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의하여 높은 용량을 구현할 수 있다. In this case, the negative electrode according to an embodiment of the present invention can realize a high capacity by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal.

상기 하프-셀(half-cell)를 구성하는 단계에서 하프-셀은 도 17과 같은 구조로 구성될 수 있다. In the step of configuring the half-cell, the half-cell may have a structure as shown in FIG. 17 .

상기 풀-셀(full-cell)을 제조하는 단계 에서 풀-셀은 도 18과 같은 구조로 구성될 수 있다. In the step of manufacturing the full-cell, the full-cell may have a structure as shown in FIG. 18 .

상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계는 금속층에 포함된 금속의 종류, 및 금속 전극의 종류에 따라 충방전 수행 횟수, 및 형성되는 다공성 금속층의 다공성 구조가 달라질 수 있다. In the step of converting the metal layer into the porous metal layer, the number of times of charging and discharging and the porous structure of the porous metal layer to be formed may vary depending on the type of metal included in the metal layer and the type of the metal electrode.

상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계에서, 상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조로 전환되는 것일 수 있다. 이 경우, 활물질을 미세 분말화하고 이를 이용하여 전극 활물질층을 제조하는 고비용의 복잡한 공정에 의하지 않고도 마이크로 사이즈의 활물질 입자로 구성된 활물질층을 제조할 수 있는 이점이 있다. In the step of converting the metal layer into the porous metal layer, the porous metal layer may be converted into a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected. In this case, there is an advantage in that the active material layer composed of micro-sized active material particles can be manufactured without a high-cost and complicated process of finely pulverizing the active material and manufacturing the electrode active material layer using the fine powder.

상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계는 상기 음극과 금속 전극을 전기적으로 연결하여 완전 충전과 완전 방전으로 사이클을 진행하는 것일 수 있다. The step of converting the metal layer into the porous metal layer may be to perform a cycle of full charge and full discharge by electrically connecting the cathode and the metal electrode.

이 경우 하프-셀 내에서 상기 금속층을 포함하는 음극은 양극에 배치되고, 상기 금속 전극은 음극에 배치하여 하프-셀을 구성하는 것일 수 있다. In this case, in the half-cell, the cathode including the metal layer may be disposed on the anode, and the metal electrode may be disposed on the cathode to constitute the half-cell.

충전과 방전 수행시 흡수, 및 방출되는 알칼리 금속 이온, 또는 알칼리 토금속 이온의 양에 따라 금속층의 부피 팽창량이 달라지게 된다. The volume expansion amount of the metal layer varies depending on the amount of alkali metal ions or alkaline earth metal ions absorbed and released during charging and discharging.

따라서, 충전량이 너무 작은 경우 금속층의 부피 변화가 너무 작아서 금속층에 균열이 발생하지 않거나, 균열 발생량이 적어, 다공성 금속층으로 전환되지 않거나, 전환 효율이 현저히 낮아질 수 있다. Accordingly, when the filling amount is too small, the volume change of the metal layer is too small to cause cracks in the metal layer, or the crack generation amount is small, so that the conversion into the porous metal layer is not achieved, or the conversion efficiency may be significantly lowered.

완전 충전과 완전 방전으로 수행하는 경우, 짧은 시간, 적은 충방전 횟수로도 마이크로 사이즈의 입자가 상호 연결되어 3차원 네트워크 구조를 가지는 다공성 금속층을 제조할 수 있다. In the case of performing full charge and full discharge, it is possible to prepare a porous metal layer having a three-dimensional network structure in which micro-sized particles are interconnected even for a short time and a small number of charge and discharge.

더불어, 본 발명의 일 구현예에 따르는 경우 완전 충전 및 완전 방전으로 충방전을 반복적으로 수행하더라도 금속층의 수평적인 완전한 파단은 일어나지 않을 수 있다. 이는 높은 표면에너지와 확산계수를 가지는 다공성 금속층이 균열 또는 분쇄가 일어나더라도 집전체와 분리막 사이의 한정된 공간에서 상온 소결이 일어날 수 있기 때문이다. 또한, 상기 금속층을 포함하는 음극은 대극인 금속 전극과의 사이에 분리막을 포함하여 이를 하프-셀로 구성하여 충방전을 수행하기 때문에, 금속층의 수축, 팽창에 따른 균열 발생에도 집전체와 미세한 크기의 기공을 갖는 분리막의 한정된 공간이 금속층 및 금속 활물질 입자의 이탈을 방지하고, 금속층의 형태를 지지할 수 있다. In addition, in the case of an exemplary embodiment of the present invention, even if charging and discharging are repeatedly performed through full charging and full discharging, the horizontal complete fracture of the metal layer may not occur. This is because even if the porous metal layer having high surface energy and diffusion coefficient is cracked or crushed, room temperature sintering may occur in a limited space between the current collector and the separator. In addition, since the negative electrode including the metal layer includes a separator between the metal electrode as the counter electrode and consists of a half-cell to perform charging and discharging, the current collector and the microscopic size even when cracks occur due to the contraction and expansion of the metal layer. The limited space of the separator having pores prevents separation of the metal layer and the metal active material particles, and can support the shape of the metal layer.

상기 하프-셀(half-cell)을 구성하는 단계; 이전에 금속층을 포함하는 음극을 제조하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. configuring the half-cell; It may further include the step of manufacturing a cathode including a metal layer before.

상기 금속층을 형성하는 방법은 압연, 도금, 스퍼터링, 또는 에어로졸에 의할 수 있다. The method of forming the metal layer may be by rolling, plating, sputtering, or aerosol.

상기 다공성 금속층을 포함하는 음극을 제조하는 단계는 금속 포일을 압연하여 금속층을 포함하는 음극을 제조하는 것일 수 있다. 이 경우, 간단하게 집전체 상에 금속층을 형성할 수 있으며, 용이하게 원하는 두께와 면적의 금속층을 형성하고, 압접으로 쉽게 금속 파편을 재활용이 가능하며, 용이하게 전극 용량을 설계할 수 있는 이점이 있다.The manufacturing of the negative electrode including the porous metal layer may include manufacturing the negative electrode including the metal layer by rolling the metal foil. In this case, a metal layer can be easily formed on the current collector, a metal layer of a desired thickness and area can be easily formed, metal fragments can be easily recycled by pressure welding, and an electrode capacity can be easily designed. have.

또한, 전지의 용량 및 에너지는 전극에 의하여 결정되며, 전극의 두께는 전지 내의 전극의 비중을 의미하는 것이므로 전극의 두께가 두꺼워질수록 전지의 용량 및 에너지가 증가할 수 있다. In addition, the capacity and energy of the battery are determined by the electrode, and since the thickness of the electrode means the specific gravity of the electrode in the battery, as the thickness of the electrode increases, the capacity and energy of the battery may increase.

그러나, 도금 방식에 의하여 두꺼운 금속층을 형성하고자 하는 경우, 용액에 용해된 금속 이온을 환원시키는 과정에서 용해된 금속 이온의 농도가 감소하기 때문에 두께와 균질도 및 밀도를 증가시키기 위한 추가적인 제어가 필요하다는 단점이 있다. 반면, 압연에 의하여 금속층을 형성하는 경우 금속층의 두께 조절이 용이할 뿐 아니라, 두꺼운 금속층을 용이하게 형성할 수 있는 이점이 있다.However, when a thick metal layer is to be formed by the plating method, since the concentration of the dissolved metal ions is reduced in the process of reducing the metal ions dissolved in the solution, additional control is required to increase the thickness, homogeneity, and density. There are disadvantages. On the other hand, when the metal layer is formed by rolling, there is an advantage in that the thickness of the metal layer can be easily controlled, and a thick metal layer can be easily formed.

상기 음극을 제조하는 단계는 금속층을 25 μm 내지 2mm 두께로 형성하는 것일 수 있다. 상기 음극을 제조하는 단계 이후에 하프-셀을 조립하여 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계를 거쳐 그 형태 및 두께가 변화될 수 있으므로, 상기 음극을 제조하는 단계에서 형성되는 금속층의 두께는 이후 단계를 고려하여 설정될 필요가 있다. The manufacturing of the negative electrode may be to form a metal layer to a thickness of 25 μm to 2 mm. Since the shape and thickness can be changed through the step of assembling a half-cell after the step of manufacturing the negative electrode and converting the metal layer into a porous metal layer, the thickness of the metal layer formed in the step of manufacturing the negative electrode is determined by the following steps. It needs to be set taking into account.

상기 금속층의 두께가 너무 얇은 경우 전극이 쉽게 찢어질 수 있고, 기공으로 인해 전극이 완전히 파단될 수 있다. 두께가 너무 두꺼운 경우 금속활물질의 내부가 팽창되기 어려우며, 이온전달이 매우 느릴 수 있기 때문에 전기화학적 반응, 즉 충방전 속도가 현저하게 저하될 수 있다. If the thickness of the metal layer is too thin, the electrode may be easily torn, and the electrode may be completely broken due to the pores. If the thickness is too thick, it is difficult to expand the inside of the metal active material, and since the ion transfer may be very slow, the electrochemical reaction, that is, the charge/discharge rate may be significantly reduced.

이차 전지secondary battery

본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지는 양극; 전해질; 및 본 발명의 일 구현예에 따른 음극을 포함한다.A secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode; electrolyte; and a negative electrode according to an embodiment of the present invention.

구체적으로 상기 음극은 집전체, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 흡수 방출할 수 있는 금속을 포함하는 다공성 금속층을 포함한다.Specifically, the negative electrode includes a current collector and a porous metal layer including a metal capable of absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal.

상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가진다. The porous metal layer has a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected.

상기 전해질은 금속염, 및 에테르계 용매를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 금속염은 NaPF6, NaClO4, NaCF3SO3, NaBF4, LiPF6, LiCF3SO3, LiBF4, 및 LiTFSI를 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다.The electrolyte may include a metal salt and an ether-based solvent. Specifically, the metal salt may be selected from the group consisting of NaPF 6 , NaClO 4 , NaCF 3 SO 3 , NaBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiBF 4 , and LiTFSI.

상기 에테르계 용매는 DME, TEGDME, DEGDME, PEGDME, 및 PEO를 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다. The ether-based solvent may be selected from the group consisting of DME, TEGDME, DEGDME, PEGDME, and PEO.

구체적으로, 디메톡시에탄(Dimethoxyethane, DME), 1, 3- 다이옥솔란(1,3-dioxolane), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Triethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Polyethylene glycol dimethyl ether, PEGDME), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethleneoxide, PEO) 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 것일 수 있다. 상기 용매를 포함하는 경우 금속 표면에 SEI 형성 억제, 이온전도도 향상, 및 알칼리 금속 및 알칼리 토금속으로 이루어진 전극에 대하여 안정성을 향상시킬 수 있다. Specifically, dimethoxyethane (DME), 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (Diethylene glycol dimethyl ether) , DEGDME), triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), polyethylene glycol dimethyl ether (Polyethylene glycol dimethyl ether, PEGDME), polyethylene oxide (Polyethleneoxide, PEO) and mixtures thereof may be selected from the group consisting of have. When the solvent is included, it is possible to suppress the formation of SEI on the metal surface, improve ionic conductivity, and improve stability with respect to an electrode made of an alkali metal and an alkaline earth metal.

상기 양극은 CuS. Cu2S, NiS, Ni3S2, NiS2, TiS2, 및 MoS3를 포함하는 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있다. The anode is CuS. Cu 2 S, NiS, Ni 3 S 2 , NiS 2 , TiS 2 , and MoS 3 may be selected from the group consisting of.

본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지는, 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 더 포함할 수 있다. The secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include a separator between the positive electrode and the negative electrode.

상기 분리막은 나노 기공 분리막일 수 있다. The separation membrane may be a nanopore separation membrane.

상기 나노 기공 분리막은 기공이 10nm 내지 100nm일 수 있다. The nanopore separation membrane may have pores of 10 nm to 100 nm.

상기 범위를 만족하는 경우 전지 충방전에 따라 분쇄된 금속층 입자가 음극으로부터 분리되지 않도록 물리적 장벽 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 분쇄된 금속층 입자가 금속층에 부착되어 계속적으로 활물질 역할을 할 수 있고, 충방전 사이클 수명이 향상될 수 있다. 상기 분리막의 기공이 너무 큰 경우 분쇄된 금속층 입자가 음극으로부터 분리, 또는 이탈되어 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 분리막의 기공이 너무 작은 경우 전해질의 함침이 어렵고 전해질과 전극간의 접촉 면적이 줄어들기 때문에 이온전달이 원활하지 못하고, 결국 전지 구동에 필요한 이온전도를 충족시키지 못할 수 있다. When the above range is satisfied, the metal layer particles pulverized according to battery charging and discharging may serve as a physical barrier to prevent separation from the negative electrode. Accordingly, the pulverized metal layer particles may be attached to the metal layer to continuously serve as an active material, and the charge/discharge cycle life may be improved. If the pores of the separator are too large, the pulverized metal layer particles may be separated or separated from the negative electrode, thereby reducing cycle characteristics. If the pores of the separator are too small, it is difficult to impregnate the electrolyte and the contact area between the electrolyte and the electrode is reduced. Ion transfer may not be smooth, and eventually, the ion conduction required for driving the battery may not be satisfied.

상기 나노 기공 분리막의 두께는 5μm 내지 1mm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 분쇄된 금속층으로부터 이탈하지 않도록 충분한 물리적 장벽 역할을 수행하여, 사이클 특성 향상에 기여할 수 있다. The thickness of the nanopore separator may be 5 μm to 1 mm. When the above range is satisfied, it acts as a sufficient physical barrier not to separate from the pulverized metal layer, thereby contributing to improvement of cycle characteristics.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 나노 기공 분리막으로 Celgard 2400(두께 25 ㎛, 기공 100 nm 이하)를 사용하였다. In an embodiment of the present invention to be described later, Celgard 2400 (thickness 25 μm, pores 100 nm or less) was used as the nanopore separator.

상기 분리막은 마이크로 기공 분리막일 수 있다. The separation membrane may be a micropore separation membrane.

상기 마이크로 기공 분리막은 기공이 1μm 내지 50μm인 것일 수 있다. The micropore separation membrane may have pores of 1 μm to 50 μm.

상기 마이크로 기공 분리막은 두께가 0.2mm 내지 2mm인 것일 수 있다. The micropore separator may have a thickness of 0.2 mm to 2 mm.

상기 수치범위를 만족하는 경우 마이크로 기공 분리막은 충방전 과정에서 전극 표면에 생성되는 수지상(dendrite) 형성에 따른 전지 내부 단락을 방지할 수 있다. When the above numerical range is satisfied, the micropore separator can prevent a short circuit inside the battery due to the formation of dendrites generated on the electrode surface during the charging and discharging process.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 마이크로 기공 분리막으로 glass fiber filter(두께 약 1 mm, 기공 10 ㎛ 이상)를 사용하였다. In an embodiment of the present invention to be described later, a glass fiber filter (thickness of about 1 mm, pores 10 μm or more) is used as the micropore separation membrane.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 마이크로 기공 분리막 및/또는 마이크로 기공 분리막을 복수개 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a plurality of micropore separation membranes and/or micropore separation membranes may be included.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 1개의 마이크로 기공 분리막의 양측에 각각 나노 기공 분리막을 위치시킨 3중 분리막(Celgard 2400 / glass fiber filter / Celgard 2400 )을 사용하였다. 구체적으로, 각각의 전극에 나노 기공 분리막이 접하고, 2개의 나노 기공 분리막 사이에 마이크로 기공 분리막이 위치시킨 것일 수 있다. In an embodiment of the present invention to be described later, a triple separation membrane (Celgard 2400 / glass fiber filter / Celgard 2400) in which nanopore separation membranes are positioned on both sides of one micropore separation membrane, respectively, was used. Specifically, the nanopore separator may be in contact with each electrode, and the micropore separator may be positioned between the two nanopore separators.

이 경우, glass fiber filter의 역할은 소듐 금속 또는 양극의 수지상으로 인한 내부 단락의 시간을 지연시킬 수 있다. In this case, the role of the glass fiber filter can delay the time of internal short circuit due to sodium metal or dendrites of the anode.

또한, 양극과 접하는 Celgard 2400은 양극의 수지상 생성을 억제시킬 수 있다. In addition, Celgard 2400 in contact with the anode can suppress the formation of dendrites on the anode.

음극과 접하는 Celgard 2400은 나노 기공으로 분쇄된 금속층 입자들이 음극과 분리되는 것을 방지하고, 양극의 수지상 생성으로 인한 내부단락을 지연시킬 수 있습니다. Celgard 2400, which is in contact with the anode, prevents the metal layer particles pulverized into nanopores from being separated from the cathode, and can delay the internal short circuit caused by dendrite formation of the anode.

결과적으로, 전극의 충방전 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. As a result, the charge/discharge cycle characteristics of the electrode can be improved.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, in order to help the understanding of the present invention, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예 1 : Sn 다공성 금속층을 포함하는 음극Example 1: Cathode comprising Sn porous metal layer

본 발명의 일 구체 실시예에서는 Sn 금속을 압연하여 27 μm 두께의 Sn 포일 금속층을 형성하고, 이를 펀칭하여 Sn 포일 금속층을 포함하는 지름 6mm인 음극을 제조하였다. In one specific embodiment of the present invention, Sn metal was rolled to form a Sn foil metal layer having a thickness of 27 μm, and a cathode having a diameter of 6 mm including a Sn foil metal layer was manufactured by punching it.

상기 음극을 이용하여 하프-셀을 구성하였다. 구체적으로 상기 Sn 포일 금속층을 포함하는 음극과 Na 금속 전극을 연결하여, 0.1 C-rate의 전류를 인가하여 충방전을 100회 수행함으로써, Sn 포일 금속층에 Na의 흡수와 방출을 반복적으로 수행시켜 Sn 포일 금속층을 다공성 Sn 다공성 금속층으로 전환시켰다. A half-cell was constructed using the negative electrode. Specifically, by connecting the cathode including the Sn foil metal layer and the Na metal electrode, charging and discharging 100 times by applying a current of 0.1 C-rate, the absorption and release of Na in the Sn foil metal layer are repeatedly performed to make Sn The foil metal layer was converted to a porous Sn porous metal layer.

Sn 포일 금속층이 다공성 Sn 다공성 금속층으로 전환되는 원리는 다음과 같다. The principle that the Sn foil metal layer is converted into the porous Sn porous metal layer is as follows.

방전시 Sn 포일 금속층에 Na가 흡수되어, 부피가 팽창한다. 이후 충전시, Sn 포일 금속층에서 Na가 방출되고, 부피가 다시 수축함으로써, Sn 포일 금속층에 균열이 발생하고, 작은 입자로 분쇄하게 된다. 분쇄된 입자들은 표면에너지를 줄이기 위하여, 다시 재결합할 수 있다. 재결합이 가능한 이유는 작은 입자 사이의 접촉점에서 소결이 일어나기 때문인 것으로 파악된다. 이러한 과정 동안 분쇄된 입자들은 서로 연결된 구조를 형성하게 된다. During discharge, Na is absorbed into the Sn foil metal layer, and the volume expands. After charging, Na is released from the Sn foil metal layer and the volume shrinks again, so that the Sn foil metal layer is cracked and pulverized into small particles. The pulverized particles can recombine again to reduce the surface energy. The reason for recombination is believed to be that sintering occurs at the contact point between small particles. During this process, the pulverized particles form interconnected structures.

이러한 충전(charge: desodiation, 부피수축 야기)과 방전(discharge: sodiation, 부피팽창 야기)을 반복적으로 수행함으로써, Sn 포일 금속층은 수축과 팽창이 반복적으로 발생하며, 이 과정에서 분쇄와 재결합이 반복되어 일어난다. 수축이나 팽창에서 기계적으로 불안정한 구조를 지닌 부분은 다시 균열이 가거나 분쇄가 일어나서 작은 입자로 되고, 이 작은 입자들은 재결합이 일어나서 새로운 형상을 만든다. 반면에, 수축이나 팽창시 안정한 구조로 결합된 부분은 반복된 팽창 수축에도 균열이나 분쇄가 발생하지 않고 본래의 형상의 유지한다. 충분히 반복된 충방전 후에는 다공성 구조의 금속층은 부피 팽창-수축에 대하여 안정한 구조를 지니게 된다. 즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 음극의 다공성 금속층은 소듐과 반응하여 (방전: discharge) 부피가 팽창하거나, 소듐이 빠져나와서(충전:charge) 부피가 감소하여도 균열이나 분쇄 발생이 현저히 감소하게 되고, 반복되는 충방전에도 방전 용량의 감소가 억제되고, 충방전 사이클 특성이 향상될 수 있다. 이와 같이 부피 팽창-수축에 안정한 구조는 막대형태의 Sn 금속 마이크로 입자가 독특한 방식으로 상호 연결된 형태의 다공성 3차원 네트워크 구조로 나타난다. By repeatedly performing this charge (desodiation, causing volume shrinkage) and discharging (discharge: sodiation, causing volume expansion), the Sn foil metal layer contracts and expands repeatedly, and in this process, pulverization and recombination are repeated. happens A part with a mechanically unstable structure during contraction or expansion cracks or pulverizes again to become small particles, and these small particles recombine to form a new shape. On the other hand, the parts joined in a stable structure during contraction or expansion do not crack or pulverize even after repeated expansion and contraction and maintain their original shape. After sufficiently repeated charging and discharging, the porous metal layer has a stable structure against volume expansion-contraction. That is, the porous metal layer of the negative electrode according to an embodiment of the present invention reacts with sodium (discharge) to expand the volume, or the sodium escapes (charge: charge) so that even if the volume decreases, the occurrence of cracks or pulverization is significantly reduced Thus, a decrease in discharge capacity is suppressed even during repeated charging and discharging, and charging/discharging cycle characteristics can be improved. As such, a structure stable to volume expansion-contraction appears as a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped Sn metal microparticles are interconnected in a unique way.

본 명세서에서, 네트워크 구조란 입자들이 물리적으로 상호 연결된 형태를 가지는 것을 의미한다. 이와 같이 활물질 입자들이 물리적으로 상호 연결된 형태를 가지는 경우 전기적으로도 활물질 입자들 간의 연결이 형성될 수 있다. In the present specification, the network structure means that particles have a form in which they are physically interconnected. As such, when the active material particles are physically interconnected, a connection between the active material particles may be formed electrically.

상기 충방전 횟수, 및 금속층의 금속 종류에 따라 다공성 금속층의 형태, 입자 사이즈, 또는 기공도 등이 달라질 수 있다. The shape, particle size, or porosity of the porous metal layer may vary depending on the number of times of charging and discharging and the type of metal of the metal layer.

도 3은 실시예 1 음극의 다공성 금속층의 실물 사진이다. 가시적인 균열이 없이 전극의 면적방향 및 두께 방향으로 상호 연결된 3차원 네트워크 구조를 가지는 다공성 금속층임을 확인할 수 있다. 3 is an actual photograph of the porous metal layer of the negative electrode of Example 1; It can be confirmed that the porous metal layer has a three-dimensional network structure interconnected in the area and thickness directions of the electrode without visible cracks.

도 4는 실시예 1 음극의 Sn 다공성 금속층의 저배율 SEM 사진이다. 평균기공 직경이 2 μm 이고, 활물질층의 기공도는 81 부피% 이다. 상기 막대형태의 Sn 마이크로 금속 입자는 평균직경 0.8 μm 이고, 평균 길이가 1.2 μm 이고, 막대형태 마이크로 입자의 종횡비(길이/직경)은 1.3 이다. 다공성 금속층의 구조에 대한 이해를 돕기 위하여 접점에서 막대 형태의 금속 입자의 결합 방향을 붉은색 화살표로 표시하였다. 상기 막대형태의 Sn 마이크로 금속 입자는 입자간의 각도가 180도를 이루는 일직선 형태가 아닌 무작위적인 방향으로 상호 연결되어 다공성 3차원 네트워크 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 각 접점(연결 부위)에서 1 내지 5개의 각 막대형태 입자가 연결되어 입체적인 다공성 구조를 형성하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 이러한 다공성 구조 및 기공도는 다공성 금속층이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 반응하여 부피가 팽창하는 경우, 증가한 부피를 수용할 수 있는 공간을 제공하는 역할뿐 만 아니라, 부피 팽창에 안정한 구조를 가짐으로써, 충방전에 따른 활물질 입자 또는 구조의 균열이나 분쇄를 감소시킬 수 있고, 충방전 사이클시 용량감소를 억제할 수 있다. 4 is a low magnification SEM photograph of the Sn porous metal layer of the negative electrode of Example 1; The average pore diameter is 2 μm, and the porosity of the active material layer is 81% by volume. The rod-shaped Sn micro-metal particles have an average diameter of 0.8 μm, an average length of 1.2 μm, and an aspect ratio (length/diameter) of the rod-shaped micro-particles is 1.3. In order to help the understanding of the structure of the porous metal layer, the direction of bonding of the rod-shaped metal particles at the contact point is indicated by a red arrow. It can be seen that the rod-shaped Sn micro-metal particles have a porous three-dimensional network structure by interconnecting in a random direction rather than a straight line in which the angle between the particles is 180 degrees. In particular, 1 to 5 rod-shaped particles are connected at each contact point (connection site) to form a three-dimensional porous structure. As described above, such a porous structure and porosity not only serves to provide a space that can accommodate the increased volume when the porous metal layer reacts with an alkali metal or alkaline earth metal to expand its volume, but also provides a structure stable for volume expansion. By having it, it is possible to reduce cracking or pulverization of active material particles or structures due to charging and discharging, and suppressing capacity reduction during charging and discharging cycles.

도 5는 실시예 1 음극의 다공성 금속층 EDS spectrum을 나타낸 것이다.5 shows the EDS spectrum of the porous metal layer of the negative electrode of Example 1.

실시예 1 음극의 다공성 금속층 조성은 Na0.08Sn으로 나타난다. 즉, 다공성 금속층 100 중량%에 대하여 92 중량%의 Sn과 잔부 Na를 포함한다. Example 1 The composition of the porous metal layer of the negative electrode is Na 0.08 Sn. That is, 92 wt% of Sn and the balance Na are included with respect to 100 wt% of the porous metal layer.

도 5에 나타나는 Cu피크는 SEM 홀더에 의한 피크이고, C피크와 O피크는 전해질 또는 산화에 의한 결과로서 다공성 금속층과 무관한 피크에 해당한다. The Cu peak shown in FIG. 5 is a peak caused by the SEM holder, and the C peak and O peak correspond to peaks independent of the porous metal layer as a result of electrolyte or oxidation.

다만, 도 5는 실시예 1의 음극을 세척을 수행하지 않은 상태로 다공성 금속층의 EDS spectrum를 측정한 것이다. Na는 전해질로 인한 것이거나, 다공성 다공성 금속층으로 전환하는 단계에서 활물질층에 흡수된 후, 방출되지 않고 활물질층에 남아있는 것으로 파악된다. 즉, 실질적으로 다공성 금속층 내의 Sn 함량은 다공성 금속층 100중량%에 대하여 92 중량%를 훨씬 초과하는 것으로 파악된다. However, FIG. 5 is a measurement of the EDS spectrum of the porous metal layer in a state in which the negative electrode of Example 1 is not washed. It is understood that Na is due to the electrolyte or is not released and remains in the active material layer after being absorbed into the active material layer in the step of converting to the porous porous metal layer. That is, it is understood that the Sn content in the porous metal layer substantially exceeds 92% by weight based on 100% by weight of the porous metal layer.

도 6는 실시예 1 음극의 Sn 다공성 금속층이 Na와 1mV까지 전기화학적으로 완전히 반응한 상태(완전방전:full discharge, Na3.75Sn)의 SEM사진이다. Sn 금속 마이크로 입자가 Na와 반응에 의해 최대로 팽창하여 다공성 금속층의 기공의 크기와 수가 감소하였으나, 여전히 기공을 확보하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 부피가 팽창했음에도 불구하고, 균열이나 분쇄된 작은 입자를 관찰할 수 없다. 즉, 본 발명 음극의 다공성 활물질층은 부피 팽창에도 구조의 깨짐이나 붕괴없이매우 안정한 구조를 유지함을 알 수 있다. 구체적으로, 실시예 1의 Na3.75Sn 활물질층의 기공 평균 직경은 0.5 μm 이고, 기공도는 10 부피% 이다. 이에 따라 실시예 1 음극의 다공성 금속층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과의 반응에 의한 부피 팽창을 수용할 수 있는 충분한 공간을 제공함과 동시에 부피 팽창 및 수축시 발생하는 내부응력이 분산될 수 있는 고유의 안정한 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 6 is an SEM photograph of a state (full discharge, Na 3.75 Sn) in which the Sn porous metal layer of the negative electrode of Example 1 is electrochemically fully reacted with Na up to 1 mV. It can be seen that although the size and number of pores in the porous metal layer were reduced as the Sn metal microparticles were maximally expanded by reaction with Na, the pores were still secured. In particular, no cracks or crushed small particles can be observed despite the expansion in volume. That is, it can be seen that the porous active material layer of the anode of the present invention maintains a very stable structure without breakage or collapse of the structure despite volume expansion. Specifically, the Na 3.75 Sn active material layer of Example 1 had an average pore diameter of 0.5 μm and a porosity of 10% by volume. Accordingly, the porous metal layer of the negative electrode of Example 1 provides sufficient space to accommodate volume expansion due to reaction with alkali metal or alkaline earth metal, and at the same time provides an inherently stable internal stress that can be dispersed during volume expansion and contraction. It can be seen that the structure has

도 7은 실시예 1 음극의 다공성 금속층을 1 mV까지 소듐과 방전한 상태(Na3.75Sn)의 EDS spectrum 결과를 나타낸다. 7 shows the EDS spectrum results of the porous metal layer of the negative electrode of Example 1 in a state (Na 3.75 Sn) discharged with sodium to 1 mV.

본 발명 음극의 다공성 금속층이 소듐과 반응하였을 때, 조성은 NaxSn으로 나타나며, x의 범위는 최대 3.75까지 가능하다.When the porous metal layer of the anode of the present invention reacts with sodium, the composition is expressed as Na x Sn, and the range of x is possible up to 3.75.

도 7에 나타난 Cu피크는 SEM 홀더에 의한 피크이고 C피크와 O피크, P피크, F피크는 전해질 또는 산화에 의한 결과로서 다공성 금속층과 무관한 피크이다. The Cu peak shown in FIG. 7 is a peak caused by the SEM holder, and the C peak, O peak, P peak, and F peak are peaks independent of the porous metal layer as a result of electrolyte or oxidation.

도 8은 실시예 1 음극의 충·방전 그래프이다. 8 is a charge/discharge graph of the negative electrode of Example 1.

전지의 구성은 소듐 금속 대극, 전해질에 함침한 분리막층, 실시예 1의 음극을 순서대로 적층하여 0.1 C-rate의 전류에서 첫번째 사이클의 충방전한 곡선을 나타낸다. 실시예 1 음극은 충전 용량과 방전 용량 모두 692 mAh/g 인 것을 확인할 수 있으며, 매우 가역적인 충방전 용량을 가짐을 알 수 있다.The configuration of the battery shows the charging/discharging curve of the first cycle at a current of 0.1 C-rate by sequentially stacking a sodium metal counter electrode, a separator layer impregnated with an electrolyte, and the negative electrode of Example 1. Example 1 It can be seen that the negative electrode has both a charge capacity and a discharge capacity of 692 mAh/g, and it can be seen that it has a very reversible charge and discharge capacity.

이는 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가짐으로써, 부피 팽창시에 입자 간의 간섭을 줄일 수 있고, 전극 활물질층 내부의 기공이 부피팽창을 수용할 수 있으며, 전해질의 접근이 용이한 구조에서 기인한 것임을 알 수 있다This is because the rod-shaped metal microparticles have a interconnected porous three-dimensional network structure, which can reduce the interference between particles during volume expansion, the pores inside the electrode active material layer can accommodate the volume expansion, and access to the electrolyte It can be seen that this is due to the easy structure

도 9는 비교예 1 음극의 SEM 사진을 나타낸다.9 shows an SEM photograph of the negative electrode of Comparative Example 1.

실시예 1 음극의 다공성 금속층의 구조에 따른 효과를 비교 확인하기 위하여, 주석 분말을 이용하여 비교예 1의 주석 활물질을 포함하는 다공성 주석 음극을 제조하였다. 구체적으로, 150 nm의 입자를 가지는 주석 분말과 NaCl 분말을 혼합하여 50mm x 1.5mm 틀에서 15 ton으로 압축한 펠릿형태로 제조하였다. 그 후 증류수로 NaCl을 제거함으로써, 비교예 1의 주석 활물질만으로 구성된 다공성 전극을 제조하였다.Example 1 In order to compare and confirm the effect according to the structure of the porous metal layer of the negative electrode, a porous tin negative electrode including the tin active material of Comparative Example 1 was prepared using tin powder. Specifically, it was prepared in the form of pellets compressed to 15 tons in a 50mm x 1.5mm mold by mixing tin powder and NaCl powder having 150 nm particles. Thereafter, by removing NaCl with distilled water, a porous electrode composed of only the tin active material of Comparative Example 1 was prepared.

도 9를 보면, 평균 직경 150 nm의 주석 입자와 이 입자들이 서로 응집되어 500 내지 1 μm 의 2차 입자, 그리고 200 내지 1 μm 의 기공이 공존하는 구조를 가지는 다공성 주석 음극이 형성되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , it can be confirmed that tin particles having an average diameter of 150 nm and these particles were aggregated with each other to form a porous tin anode having a structure in which secondary particles of 500 to 1 μm and pores of 200 to 1 μm coexist. .

도 10은 비교예 1 의 0.1 C-rate에서 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing the charging and discharging characteristics at 0.1 C-rate of Comparative Example 1.

비교예 1의 전극을 사용하여 실시예 1의 도 8과 동일한 전지를 구성한 후, 0.1 C-rate에서 충방전 시험을 진행하였다. 방전 용량이 최대 1.3 mAh/g으로 나타났으며, 충전은 이루어지지 않았다. 또한 이 방전용량은 도 8에서 보여지는 692 mAh/g의 충방전 용량에 대비하여 현저하게 낮음을 알 수 있다.After constructing the same battery as in FIG. 8 of Example 1 using the electrode of Comparative Example 1, a charge/discharge test was performed at 0.1 C-rate. The maximum discharge capacity was 1.3 mAh/g, and no charging was performed. In addition, it can be seen that this discharge capacity is significantly lower than the charge/discharge capacity of 692 mAh/g shown in FIG. 8 .

도 11은 실시예 1 음극과 비교예 1 음극의 사이클 특성을 나타낸 그래프이다. 실시예 1 음극은 80회 사이클 동안 초기 용량은 692 mAh/g, 사이클 동안 최대용량 757 mAh/g, 최소용량은 601 mAh/g으로 나타났다. 즉, 실시예 1의 경우 80 사이클 동안 600 mAh/g 이상의 용량이 나타났으며, 이는 종래의 리튬 이온 전지용 흑연 음극의 이론용량 372 mAh/g 의 약 1.6배 내지 2배에 해당한다. 실시예 1 음극의 경우 80회 충방전 후 용량 유지율은 99.3%로 우수한 사이클 특성을 가짐을 확인할 수 있다. 11 is a graph showing cycle characteristics of the negative electrode of Example 1 and the negative electrode of Comparative Example 1; Example 1 The negative electrode had an initial capacity of 692 mAh/g for 80 cycles, a maximum capacity of 757 mAh/g during the cycle, and a minimum capacity of 601 mAh/g. That is, in the case of Example 1, a capacity of 600 mAh/g or more was shown for 80 cycles, which corresponds to about 1.6 to 2 times the theoretical capacity of 372 mAh/g of the conventional graphite anode for lithium ion batteries. In the case of the negative electrode of Example 1, it can be seen that the capacity retention rate after 80 charging and discharging is 99.3%, which has excellent cycle characteristics.

반면에 비교예 1 음극은 6 사이클 동안 약 1 mAh/g으로 방전되며, 충전은 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1의 전극은 비록 다공성 구조의 Sn활물질층을 포함하나, 충전 및 방전에 따른 부피변화에 의하여 활물질층의 구조가 유지되지 못하고 균열 및 분쇄가 발생하기 때문인 것을 알 수 있다, On the other hand, it can be seen that the negative electrode of Comparative Example 1 is discharged at about 1 mAh/g for 6 cycles, and charging does not occur. It can be seen that although the electrode of Comparative Example 1 includes a Sn active material layer having a porous structure, the structure of the active material layer cannot be maintained due to volume change due to charging and discharging, and cracks and pulverization occur.

즉, 본원의 일 구현예에 따른 실시예 1 음극의 활물질층의 경우 앞서 설명한 바와 같이 단단한 결합의 안정적인 다공성 구조를 가짐으로써, 충방전 사이클 특성 이 향상된 고용량 음극임을 알 수 있다. 구체적으로, 실시예 1의 경우 기둥형 입자들 간의 각 접점에서 4개 이하의 기둥형 주석 입자들이 무작위적인 방향으로 결합하고 있어, 부피 팽창시 효과적으로 응력을 분산 가능함을 확인할 수 있다. 그러나, 비교예 1 음극은 금속 입자들이 결합부위가 구분되지 않을 만큼 여러 방향으로 복수개의 입자들이 결합을 하고, 다수의 결합 부위에 4개 초과의 입자들이 결합하고 있기 때문에 응력 분산이 어려운 구조이다. 즉, 단순히 다공성 구조를 가지는 전극이라고 할지라도 팽창시에 효과적으로 응력을 분산함으로써, 안정적인 구조를 유지하기 어려운 것을 알 수 있다. That is, it can be seen that the active material layer of the negative electrode of Example 1 according to one embodiment of the present application has a stable porous structure of a tight bond as described above, and thus is a high-capacity negative electrode with improved charge/discharge cycle characteristics. Specifically, in the case of Example 1, four or less columnar tin particles are combined in random directions at each contact point between the columnar particles, so it can be confirmed that stress can be effectively dispersed during volume expansion. However, the negative electrode of Comparative Example 1 has a structure in which stress dispersion is difficult because a plurality of particles are bonded in several directions so that the bonding sites of the metal particles are indistinguishable, and more than four particles are bonded to the plurality of bonding sites. That is, it can be seen that even an electrode having a simple porous structure is difficult to maintain a stable structure by effectively dispersing stress during expansion.

실시예 2 : Bi 다공성 금속층을 포함하는 음극Example 2: Anode comprising Bi porous metal layer

Bi 금속을 2mm 두께로 압연하여 Bi금속 포일층을 형성하고, 이를 펀칭하여 Bi 포일 금속층을 포함하는 5 X 5 mm의 사각형태의 음극을 제조하였다. Bi metal was rolled to a thickness of 2 mm to form a Bi metal foil layer, and this was punched to prepare a 5 X 5 mm rectangular cathode including a Bi foil metal layer.

상기 음극을 이용하여 하프-셀을 구성하였다. 구체적으로 상기 Bi 포일 금속층을 포함하는 음극과 Na 금속 전극을 연결하였다. 0.01 C-rate의 전류를 인가하여 충방전을 4회 수행함으로써, Bi 포일 금속층을 Bi 다공성 금속층으로 전환시켰다.A half-cell was constructed using the negative electrode. Specifically, the cathode including the Bi foil metal layer and the Na metal electrode were connected. By applying a current of 0.01 C-rate and charging and discharging 4 times, the Bi foil metal layer was converted into a Bi porous metal layer.

도 12는 실시예 2 음극의 Bi 다공성 금속층의 실제 사진이다. 다공성 금속층에 가시적인 균열이 발견되지 않음을 확인할 수 있다. 12 is an actual photograph of the Bi porous metal layer of the negative electrode of Example 2; It can be seen that no visible cracks were found in the porous metal layer.

도 13는 실시예 2 음극의 Bi 다공성 금속층의 SEM 사진이다. 평균기공 직경이 2 μm 이고, 활물질층의 기공도는 72 부피% 이다. 상기 막대형태의 Bi 마이크로 금속 입자는 평균직경 1.4 μm 이고, 평균 길이가 2.3 μm 이고, 막대형태 마이크로 입자의 종횡비(길이/직경)은 1.6 이다. 또한, 상기 막대형태의 Bi 마이크로 금속 입자는 무작위적인 방향으로 상호 연결되어 다공성 3차원 네트워크 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 각 접점(연결 부위)에서 1 내지 5개의 막대형태 입자가 연결되어 입체적인 다공성 구조를 형성하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 이러한 다공성 구조 및 기공도는 다공성 금속층이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 반응하여 부피가 팽창하는 경우 증가한 부피를 수용할 수 있는 공간을 제공하여 전극 사이클 특성 향상에 기여할 수 있다. 더욱 구체적으로, 막대형태의 Bi 마이크로 금속 입자는 표면에 평균 입자 직경이 0.5 μm 인 미세 입자가 돌출된 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다.13 is a SEM photograph of the Bi porous metal layer of the negative electrode of Example 2. The average pore diameter is 2 μm, and the porosity of the active material layer is 72% by volume. The rod-shaped Bi micro-metal particles had an average diameter of 1.4 μm, an average length of 2.3 μm, and an aspect ratio (length/diameter) of the rod-shaped micro-particles was 1.6. In addition, it can be confirmed that the rod-shaped Bi micro-metal particles are interconnected in random directions to have a porous three-dimensional network structure. At each contact point (connection site), 1 to 5 rod-shaped particles are connected to form a three-dimensional porous structure. As described above, such a porous structure and porosity can contribute to improving electrode cycle characteristics by providing a space that can accommodate an increased volume when the porous metal layer reacts with an alkali metal or alkaline earth metal to expand the volume. More specifically, it can be seen that the rod-shaped Bi micro-metal particles have a protruding shape with an average particle diameter of 0.5 μm on the surface.

도 14은 실시예 2 음극의 다공성 Bi 다공성 금속층의 XRD 패턴이다. XRD 분석에 사용되는 JCPDS #85-1329의 비스무트 결정피크와 매우 잘 일치하며 다른 추가적인 피크가 관찰되지 않는다. 이로써, Bi 다공성 금속층은 Bi로만 이루어져 있음을 알 수 있다. 14 is an XRD pattern of the porous Bi porous metal layer of the negative electrode of Example 2; It agrees very well with the bismuth crystal peak of JCPDS #85-1329 used for XRD analysis, and no additional peaks are observed. Accordingly, it can be seen that the Bi porous metal layer is made of only Bi.

도 15는 실시예 2 음극의 충·방전 그래프이다. 15 is a charge/discharge graph of the negative electrode of Example 2.

전지의 구성은 소듐금속 대극, 전해질에 함침한 분리막층, 및 실시예 2 음극을 순서대로 적층하여 0.1 C-rate의 전류에서 첫번째 사이클의 충방전한 곡선을 나타낸다. 1번째 사이클의 0.01 C-rate 에서 충방전 그래프를 나타낸 것이다. 실시예 2 음극은 충전 용량이 366 mAh/g이고, 방전 용량이 352 mAh/g인 것을 확인할 수 있으며, 매우 가역적인 충방전 용량을 가짐을 알 수 있다.The configuration of the battery shows the charging/discharging curve of the first cycle at a current of 0.1 C-rate by sequentially stacking a sodium metal counter electrode, a separator layer impregnated with an electrolyte, and a negative electrode of Example 2. The graph shows the charge/discharge graph at 0.01 C-rate of the first cycle. Example 2 It can be seen that the negative electrode has a charge capacity of 366 mAh/g and a discharge capacity of 352 mAh/g, and has a very reversible charge and discharge capacity.

이는 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조를 가짐으로써, 부피 팽창시에 입자 간의 간섭을 줄일 수 있고, 전극 활물질층 내부의 기공이 부피팽창을 수용할 수 있으며, 전해질의 접근이 용이한 구조에서 기인한 것임을 알 수 있다This is because the rod-shaped metal microparticles have a interconnected porous three-dimensional network structure, which can reduce the interference between particles during volume expansion, the pores inside the electrode active material layer can accommodate the volume expansion, and access to the electrolyte It can be seen that this is due to the easy structure

도 16는 실시예 2 음극의 1 내지 100회 사이클 특성을 나타낸 그래프이다. 0.1 C-rate의 전류에서 충방전이 진행되었으며 초기용량은 330 mAh/g, 100 회 사이클 후에도 330 mAh/g, 평균 용량은 340 mAh/g으로 이론용량의 85% 수준의 용량이 나타났다. 또한 100 사이클 후에도 방전 용량이 유지되고, 용량 유지율이 99.8% 임을 확인할 수 있다. 16 is a graph showing the cycle characteristics of the negative electrode of Example 2 1 to 100 times. Charging and discharging proceeded at a current of 0.1 C-rate, with an initial capacity of 330 mAh/g, 330 mAh/g after 100 cycles, and an average capacity of 340 mAh/g, which is 85% of the theoretical capacity. In addition, it can be seen that the discharge capacity is maintained even after 100 cycles, and the capacity retention rate is 99.8%.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can take other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that it can be implemented as Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (17)

알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 가역적으로 흡수 및 방출할 수 있는 금속을 포함하는 다공성 금속층;을 포함하고,
상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조이고, 상기 막대형태의 금속 마이크로 입자들이 접점에서 입자들이 0° 초과, 및 180° 미만의 결합각을 가지는 구조이고,
상기 다공성 금속층은 바인더를 포함하지 않고,
80회 충방전 후 용량 유지율이 95%이상인 것인, 음극.
A porous metal layer comprising a metal capable of reversibly absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and de-alloying with an alkali metal or alkaline earth metal;
The porous metal layer has a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected, and the rod-shaped metal microparticles have a structure in which the particles have a bond angle of greater than 0° and less than 180° at the contact point,
The porous metal layer does not contain a binder,
The negative electrode of which the capacity retention rate is 95% or more after 80 times of charging and discharging.
제1항에 있어서,
상기 다공성 금속층은 기공 평균 직경이 0.1 내지 200 μm 인, 음극.
According to claim 1,
The porous metal layer has an average pore diameter of 0.1 to 200 μm, a negative electrode.
제1항에 있어서,
상기 다공성 금속층은 기공도가 50 내지 90 부피% 인, 음극.
According to claim 1,
The porous metal layer has a porosity of 50 to 90% by volume, the anode.
제1항에 있어서,
상기 금속 마이크로 입자는 평균 직경이 0.1 내지 5 μm 인, 음극.
According to claim 1,
The metal microparticles have an average diameter of 0.1 to 5 μm, the cathode.
제1항에 있어서,
상기 금속 마이크로 입자는 평균 길이가 0.5 내지 20 μm 인, 음극.
According to claim 1,
The metal microparticles have an average length of 0.5 to 20 μm, the cathode.
제1항에 있어서,
상기 금속 마이크로 입자는 평균 종횡비(길이/직경)가 1 내지 10인, 음극.
According to claim 1,
The metal microparticles have an average aspect ratio (length/diameter) of 1 to 10.
제1항에 있어서,
상기 다공성 금속층은 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것인, 음극.
According to claim 1,
The porous metal layer is Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and the negative electrode comprising at least 90% by weight based on 100% by weight of the total porous metal layer of a metal selected from the group including Bi.
제1항에 있어서,
상기 다공성 금속층은 하기 화학식 1로 표시되는 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것인, 음극:
[화학식 1]
AxB
상기 A는 Li, Na, Mg, K, 또는 Ca 이고,
상기 B는 Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, 및 Bi를 포함하는 군에서 선택된 것이고,
상기 x는 0 내지 6이다.
According to claim 1,
Wherein the porous metal layer comprises 90 wt% or more of the metal represented by the following formula (1) based on 100 wt% of the total porous metal layer, the anode:
[Formula 1]
A x B
Wherein A is Li, Na, Mg, K, or Ca,
Wherein B is selected from the group consisting of Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, and Bi,
wherein x is 0 to 6.
제1항에 있어서,
상기 다공성 금속층은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 금속을 전체 다공성 금속층 100 중량% 기준으로 90 중량% 이상 포함하는 것인, 음극:
[화학식 2]
NaySn
[화학식 3]
NazBi
상기 y는 0 내지 1이고,
상기 z는 0 내지 3 이다.
According to claim 1,
Wherein the porous metal layer comprises 90% by weight or more of the metal represented by Formula 2 or Formula 3 based on 100% by weight of the total porous metal layer, the negative electrode:
[Formula 2]
Na y Sn
[Formula 3]
Na z Bi
Wherein y is 0 to 1,
The z is 0 to 3.
금속층을 포함하는 음극, 및 금속 전극을 포함하는 하프-셀(half-cell)를 구성하는 단계;
상기 하프-셀(half-cell)을 2회 이상 충전 및 방전을 수행하여, 상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계; 및
상기 다공성 금속층을 포함하는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극, 및 전해질을 포함하는 풀-셀(full-cell)을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 금속층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 합금화 및 탈합금화에 의해 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 가역적으로 흡수 및 방출할 수 있는 금속을 포함하고,
상기 금속 전극은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하고,
상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계에서,
상기 다공성 금속층은 막대형태의 금속 마이크로 입자가 상호 연결된 다공성 3차원 네트워크 구조로 전환되고, 상기 막대형태의 금속 마이크로 입자들이 접점에서 입자들이 0° 초과, 및 180° 미만의 결합각을 가지고,
상기 다공성 금속층은 바인더를 포함하지 않고,
상기 하프-셀(half-cell)을 구성하는 단계 이전에 금속 포일을 압연하여 금속층을 포함하는 음극을 제조하는 단계를 더 포함하는 것인,
이차 전지의 제조 방법.
constructing a half-cell including a cathode including a metal layer and a metal electrode;
converting the metal layer into a porous metal layer by charging and discharging the half-cell two or more times; and
A negative electrode including the porous metal layer, a positive electrode including a positive electrode active material, and a full-cell including an electrolyte,
The metal layer contains a metal capable of reversibly absorbing and releasing alkali metal or alkaline earth metal ions by alloying and dealloying with an alkali metal or alkaline earth metal,
The metal electrode comprises an alkali metal or alkaline earth metal,
In the step of converting the metal layer into a porous metal layer,
The porous metal layer is converted into a porous three-dimensional network structure in which rod-shaped metal microparticles are interconnected, and the rod-shaped metal microparticles have a bonding angle of greater than 0° and less than 180° at the contact point,
The porous metal layer does not contain a binder,
Which further comprises the step of manufacturing a negative electrode including a metal layer by rolling a metal foil before the step of forming the half-cell,
A method for manufacturing a secondary battery.
제10항에 있어서,
상기 금속층을 다공성 금속층으로 전환하는 단계는,
상기 음극과 금속 전극을 전기적으로 연결하여 완전 충전과 완전 방전으로 사이클을 진행하는 것인,
이차 전지의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of converting the metal layer into a porous metal layer,
By electrically connecting the cathode and the metal electrode, the cycle proceeds with full charge and complete discharge,
A method for manufacturing a secondary battery.
삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 음극을 제조하는 단계는
금속층을 25 μm 내지 2mm 두께로 형성하는 것인,
이차 전지의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of preparing the negative electrode is
To form a metal layer to a thickness of 25 μm to 2 mm,
A method for manufacturing a secondary battery.
양극;
전해질; 및
제1항 내지 제9항 중에서 어느 한 항의 음극을 포함하는 것인,
이차 전지.
anode;
electrolyte; and
According to any one of claims 1 to 9, comprising the negative electrode of any one of
secondary battery.
제15항에 있어서,
상기 전해질은 금속염, 및 에테르계 용매를 포함하는 것인.
이차 전지.
16. The method of claim 15,
The electrolyte will include a metal salt, and an ether-based solvent.
secondary battery.
제16항에 있어서,
상기 에테르계 용매는 디메톡시에탄(Dimethoxyethane, DME), 1, 3- 다이옥솔란(1,3-dioxolane), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Triethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Polyethylene glycol dimethyl ether, PEGDME), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide, PEO) 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 것인,
이차 전지.
17. The method of claim 16,
The ether solvent is dimethoxyethane (DME), 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (Diethylene glycol) dimethyl ether, DEGDME), triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), polyethylene glycol dimethyl ether (PEGDME), polyethylene oxide (PEO), and mixtures thereof. that is,
secondary battery.
KR1020190127317A 2019-10-14 2019-10-14 Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof KR102314017B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190127317A KR102314017B1 (en) 2019-10-14 2019-10-14 Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof
PCT/KR2019/014204 WO2021075619A1 (en) 2019-10-14 2019-10-25 Anode, secondary battery comprising same, and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190127317A KR102314017B1 (en) 2019-10-14 2019-10-14 Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210044367A KR20210044367A (en) 2021-04-23
KR102314017B1 true KR102314017B1 (en) 2021-10-18

Family

ID=75538552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190127317A KR102314017B1 (en) 2019-10-14 2019-10-14 Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102314017B1 (en)
WO (1) WO2021075619A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2021006327A1 (en) * 2019-07-10 2021-01-14

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2750707A1 (en) * 2001-04-06 2002-12-05 Valence Technology, Inc. Sodium ion batteries
KR20160032807A (en) * 2014-09-17 2016-03-25 (주)오렌지파워 Negative electrode and rechargeable batteries comprising the same
KR101695913B1 (en) * 2014-11-27 2017-01-13 서울대학교 산학협력단 The sodium rechargeable battery
US10326131B2 (en) * 2015-03-26 2019-06-18 Sparkle Power Llc Anodes for batteries based on tin-germanium-antimony alloys
US10147936B2 (en) * 2015-10-15 2018-12-04 The Regents Of The University Of California Nanoporous tin powder for energy applications
KR20180010693A (en) * 2016-07-22 2018-01-31 연세대학교 산학협력단 3 dimensional composite including metal oxide material and porous grapheme

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Biao Zhang et al., Microsized Sn as Advanced Anodes in Glyme-Based Electrolyte for Na-Ion Batteries, Adv. Mater. 2016, 28, 9824-9830 (2016.09.20.)*
Chenchen Wang et al., Bulk Bismuth as a High-Capacity and Ultralong Cycle-Life Anode for Sodium-Ion Batteries by Coupling with Glyme-Based Electrolytes, Adv. Mater. 2017, 29, 1702212 (2017.07.14.)*
Yi Cui et al., Electrochemical behavior of tin foil anode in half cell and full cell with sulfur cathode, Electrochimica Acta 294, 2019, 60-67 (2018.10.12.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210044367A (en) 2021-04-23
WO2021075619A1 (en) 2021-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2113955B1 (en) Negative electrode active material for a lithium rechargeable battery and lithium rechargeable battery comprising the same
KR101117184B1 (en) Protected Active Metal Electrode and Battery Cell Structures with Non-aqueous Interlayer Architecture
US7267908B2 (en) In cycling stability of Li-ion battery with molten salt electrolyte
CN108172761B (en) Composite negative electrode for lithium secondary battery, and preparation and application thereof
US20060078790A1 (en) Solid electrolytes based on lithium hafnium phosphate for active metal anode protection
JP4997739B2 (en) Negative electrode material for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery using the same, and method for producing lithium ion secondary battery
US20100291443A1 (en) Air breathing lithium power cells
KR102219702B1 (en) Anode active materials and lithium secondary battery comprising the same
KR20150113124A (en) Electrode precursor, electrode, and battery
CN115377419A (en) Skeleton-forming agent and negative electrode using same
JP2006216277A (en) Method of manufacturing electrode material for lithium secondary battery, electrode structure, and secondary battery
CN112868113A (en) Rechargeable lithium ion battery with metal foam anode and cathode
KR101561678B1 (en) Electrode material for rechargeable battery and method of fabricating the same
WO2019097830A1 (en) Air battery positive electrode and air battery
KR102314017B1 (en) Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof
JP5101068B2 (en) Negative electrode material for non-aqueous secondary battery and non-aqueous secondary battery using the same
KR20170105873A (en) Positive active material composition for lithium secondary battery, and positive electrode and lithium secondary battery including the same
KR102282912B1 (en) Anode, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof
JP4672985B2 (en) Lithium ion secondary battery
CN113711382A (en) Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery
US9263742B2 (en) Negative electrode active substance for lithium secondary battery and method for producing same
JP2004111150A (en) Cathode material and battery using it
JP2003242966A (en) Wound type lithium ion secondary battery
KR102282911B1 (en) Sencondary battery, and manufacturing method thereof
EP3301742B1 (en) Electrode

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant