KR102345323B1 - Method for preparing cathode active material for high voltage sodium secondary battery - Google Patents

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KR102345323B1 KR1020200007203A KR20200007203A KR102345323B1 KR 102345323 B1 KR102345323 B1 KR 102345323B1 KR 1020200007203 A KR1020200007203 A KR 1020200007203A KR 20200007203 A KR20200007203 A KR 20200007203A KR 102345323 B1 KR102345323 B1 KR 102345323B1
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김상옥
이민아
류승호
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Abstract

본 발명은 (a) Na2CO3, (Co3-x-yM1 xM2 y)O4, 및 NH4H2PO4를 유기용매와 혼합하여 전구체 혼합물을 제조하는 단계; (b) 전구체 혼합물로부터 유기용매를 증발시켜 건조 혼합물을 제조하는 단계; (c) 건조 혼합물을 400 내지 600℃에서 1차 열처리하는 단계; 및 (d) 1차 열처리된 결과물을 700 내지 800℃에서 2차 열처리하여 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7를 제조하는 단계;를 포함한다. 이에 의하여, 나트륨 이차전지의 전기화학적 특성과 수명특성을 향상시킬 수 있다.The present invention comprises the steps of (a) Na 2 CO 3 , (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 , and NH 4 H 2 PO 4 Preparing a precursor mixture by mixing with an organic solvent; (b) evaporating the organic solvent from the precursor mixture to prepare a dry mixture; (c) first heat-treating the dry mixture at 400 to 600°C; and (d) subjecting the resultant primary heat treatment to a secondary heat treatment at 700 to 800° C. to prepare a cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 ; includes Thereby, the electrochemical characteristics and lifespan characteristics of the sodium secondary battery can be improved.

Description

고전압 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법{METHOD FOR PREPARING CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR HIGH VOLTAGE SODIUM SECONDARY BATTERY}Method for manufacturing a cathode active material for a high voltage sodium secondary battery

본 발명은 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 건식 방법에 아닌 습식 방식을 이용하여 전기화학적 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a positive electrode active material for a secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing a positive electrode active material for a sodium secondary battery capable of significantly improving electrochemical performance by using a wet method instead of a conventional dry method.

이차전지는 방전뿐 아니라 충전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말한다. 이차전지 중 대표적인 리튬 이차전지는 양극 활물질에 포함된 리튬 이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동한 후 음극 활물질의 층상 구조 내로 삽입 즉 충전되며, 이 후 음극 활물질의 층상 구조 내로 삽입되었던 리튬 이온이 다시 양극으로 되돌아가는 방전 원리를 통해 작동한다. 이러한 리튬 이차전지는 현재 상용화되어 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 소형 전원으로 사용되고 있으며, 하이브리드 자동차 등의 대형 전원으로도 사용 가능할 것으로 예측되고 있어, 그 수요가 증대될 것으로 기대된다. 그러나, 리튬 이차전지에서 양극 활물질로 주로 사용되는 복합금속산화물은 리튬 등의 희소금속원소를 포함하고 있어, 수요증대에 부응하지 못할 염려가 있다. 이에 따라, 공급량이 풍부고 값싼 나트륨을 양극 활물질로 사용하는 하는 나트륨 이차전지에 대한 연구가 진행되고 있다.A secondary battery refers to a battery that can be used repeatedly because it can be charged as well as discharged. In a typical lithium secondary battery among secondary batteries, lithium ions contained in the positive electrode active material move to the negative electrode through the electrolyte, and then are inserted into the layered structure of the negative electrode active material, that is, charged. It works through the principle of return to discharge. These lithium secondary batteries are currently commercialized and used as small power sources for mobile phones and notebook computers, and are expected to be usable as large power sources for hybrid vehicles, and the demand is expected to increase. However, since the composite metal oxide mainly used as a positive electrode active material in a lithium secondary battery contains a rare metal element such as lithium, there is a concern that it may not be able to meet the increase in demand. Accordingly, research on a sodium secondary battery using abundant supply and cheap sodium as a cathode active material is being conducted.

그러나, 현재까지 개발된 나트륨 양극 재료들은 여전히 구조적 안정성이 우수하지 못하며, 이를 사용한 전지는 방전 용량 유지율 및 안정성에 대한 개선이 필요한 실정이다.However, the sodium positive electrode materials developed so far still do not have excellent structural stability, and the battery using the same is in need of improvement in discharge capacity retention rate and stability.

나트륨 이차전지의 양극 활물질 중 인산화물 계열의 Na4Co3(PO4)2P2O7, Na4Co2.4Mn0.3Ni0.3(PO4)2P2O7 등은 졸-겔법(sol-gel method)에 의해 제조하는 기술이 개발되었다. 이와 같은 졸-겔법에 의해 상기 양극 활물질을 제조하는 경우 타겟 물질 외 불순물의 함량을 줄일 수 있으며 합성 과정 중 발생하는 구성 원소의 불균일성을 억제할 수 있다. 따라서 90 mAh/g 이상의 발현 용량을 가지며 4.5V급의 성능을 발휘할 수 있는 나트륨 이차전지 양극 활물질의 순도를 극대화하여 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 양극 활물질 제조방법을 개발할 필요가 있다.Among the positive electrode active materials of sodium secondary batteries, phosphate-based Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 , Na 4 Co 2.4 Mn 0.3 Ni 0.3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 etc. A technology for manufacturing by the gel method has been developed. When the cathode active material is manufactured by the sol-gel method, the content of impurities other than the target material can be reduced, and non-uniformity of constituent elements generated during the synthesis process can be suppressed. Therefore, it is necessary to develop a method for manufacturing a cathode active material that can improve electrochemical performance by maximizing the purity of a sodium secondary battery cathode active material that has an expression capacity of 90 mAh/g or more and can exhibit 4.5V class performance.

한국등록특허 제10-1677535호Korean Patent Registration No. 10-1677535

본 발명의 목적은 Na4Co3(PO4)2P2O7, Na4Co2.4Mn0.3Ni0.3(PO4)2P2O7와 같은 나트륨 이차전지의 양극 활물질의 제조방법에 있어서 종래 졸-겔법(sol-gel method)이 아니라 습식 고상법(Wet Solid-State method)을 도입함으로써 타겟 물질 외 불순물 함량을 현저히 줄여 순도를 높여, 전기화학적 성능과 수명 특성을 모두 향상시킬 수 있는 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to prepare a cathode active material for a sodium secondary battery such as Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 , Na 4 Co 2.4 Mn 0.3 Ni 0.3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 In the conventional method By introducing the wet solid-state method rather than the sol-gel method, the content of impurities other than the target material is significantly reduced to increase the purity, thereby improving both the electrochemical performance and lifespan characteristics. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a positive active material for a battery.

본 발명의 하나의 측면에 따르면,According to one aspect of the invention,

(a) Na2CO3, (Co3-x-yM1 xM2 y)O4, 및 NH4H2PO4를 유기용매와 혼합하여 전구체 혼합물을 제조하는 단계;(a) preparing a precursor mixture by mixing Na 2 CO 3 , (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 , and NH 4 H 2 PO 4 with an organic solvent;

(b) 상기 혼합물로부터 유기용매를 증발시켜 건조 혼합물을 제조하는 단계;(b) evaporating the organic solvent from the mixture to prepare a dry mixture;

(c) 상기 건조 혼합물을 400 내지 600℃에서 1차 열처리하는 단계; 및(c) first heat-treating the dry mixture at 400 to 600°C; and

(d) 상기 1차 열처리된 결과물을 700 내지 800℃에서 2차 열처리하여 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7를 제조하는 단계;를 포함하고,(d) preparing a cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 , by subjecting the first heat-treated product to a second heat treatment at 700 to 800° C.; including,

M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe, 및 Cu 중에서 선택된 어느 하나이고,M 1 And M 2 are each independently any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe, and Cu,

0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0인, 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법이 제공된다.0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0, a method for producing a cathode active material for a sodium secondary battery is provided.

단계 (a)에서, 상기 (Co3-x-yM1 xM2 y)O4는 Co3O4 일 수 있다.In step (a), the (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 may be Co 3 O 4 .

단계 (a)에서, 상기 혼합은 볼밀링에 의해 수행될 수 있다.In step (a), the mixing may be performed by ball milling.

단계 (a)에서, 상기 볼밀링에 사용되는 볼과 상기 전구체 혼합물은 상기 볼 100중량부를 기준으로 상기 출발물질 10 내지 30중량부를 사용할 수 있다.In step (a), the ball and the precursor mixture used for the ball milling may use 10 to 30 parts by weight of the starting material based on 100 parts by weight of the ball.

단계 (a)에서, 상기 볼밀링은 50 내지 150rpm으로 2 내지 5시간 동안 수행할 수 있다.In step (a), the ball milling may be performed at 50 to 150 rpm for 2 to 5 hours.

단계 (b)에서, 상기 유기용매는 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 및 시클로헥산(cyclohexane) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.In step (b), the organic solvent is acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), and may be any one selected from cyclohexane (cyclohexane).

단계 (b)에서, 상기 증발은 70 내지 90℃에서 상기 유기 용매가 완전히 건조될 때까지 수행할 수 있다.In step (b), the evaporation may be performed at 70 to 90° C. until the organic solvent is completely dried.

단계 (c)에서, 상기 1차 열처리는 4 내지 8시간 동안 수행할 수 있다.In step (c), the first heat treatment may be performed for 4 to 8 hours.

단계 (c)에서, 상기 1차 열처리는 0.5 내지 1.5℃/min의 승온 속도로 450 내지 550℃의 온도로 높여 열처리할 수 있다.In step (c), the primary heat treatment may be heat-treated by raising the temperature to a temperature of 450 to 550° C. at a temperature increase rate of 0.5 to 1.5° C./min.

단계 (c)에서, 상기 1차 열처리는 공기 중에서 수행될 수 있다.In step (c), the first heat treatment may be performed in air.

단계 (d)에서, 상기 2차 열처리는 20 내지 30시간 동안 수행될 수 있다.In step (d), the second heat treatment may be performed for 20 to 30 hours.

상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7은 Na4Co3(PO4)2P2O7 일 수 있다.The cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 may be Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 .

단계 (d) 이후, (e) 상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7을 탄소 코팅하는 단계;를 추가로 수행할 수 있다.After step (d), (e) carbon coating the cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 ; may be additionally performed.

단계 (e)는, 상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7을 탄소원과 혼합하여 물을 첨가한 후, 500 내지 700℃로 열처리하여 탄소 코팅할 수 있다.Step (e), the cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y ) (PO 4 ) 2 P 2 O 7 After adding water by mixing with a carbon source, heat treatment at 500 to 700 ℃ can be carbon coated.

상기 열처리는 4 내지 8시간 동안 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed for 4 to 8 hours.

상기 열처리는 아르곤 분위기 하에서 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed under an argon atmosphere.

상기 탄소원은 시트릭산(citric acid), VGCF(Vapor grown carbon fiber), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 및 수퍼- P 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The carbon source may be any one selected from citric acid, vapor grown carbon fiber (VGCF), acetylene black, carbon black, Ketjen black, channel black, furnace black, and super-P.

가장 바람직하게는,Most preferably,

단계 (a)에서 유기용매는 아세톤을 사용하고, 전구체 혼합물은 Na2CO3, Co3O4 및 NH4H2PO4를 포함하고, 전구체 혼합물의 혼합은 볼밀링에 의해 수행하고, In step (a), the organic solvent is acetone, the precursor mixture includes Na 2 CO 3 , Co 3 O 4 and NH 4 H 2 PO 4 , and mixing of the precursor mixture is performed by ball milling,

단계 (b)에서 아세톤 용매의 증발은 78 내지 82℃에서 완전히 건조될 때까지 수행하고, Evaporation of the acetone solvent in step (b) is performed at 78 to 82° C. until completely dry,

단계 (c)에서 1차 열처리는 0.8 내지 1.2℃/min의 승온 속도로 480 내지 520℃에 도달한 후 그 온도를 유지하며 5.5 내지 6.5시간 동안 공기 중에서 수행하고,The primary heat treatment in step (c) is carried out in air for 5.5 to 6.5 hours while maintaining the temperature after reaching 480 to 520 °C at a temperature increase rate of 0.8 to 1.2 °C / min,

단계 (d)에서 2차 열처리는 740 내지 750℃에서 23 내지 25시간 동안 공기 중에서 수행하고, The secondary heat treatment in step (d) is performed in air at 740 to 750° C. for 23 to 25 hours,

단계 (e)에서 탄소원은 시트릭산을 사용하고, 580 내지 620℃에서 5.5 내지 6.5시간 동안 아르곤 분위기 하에서 열처리하여 탄소 코팅을 수행할 수 있다.In step (e), citric acid is used as the carbon source, and carbon coating may be performed by heat treatment at 580 to 620° C. for 5.5 to 6.5 hours in an argon atmosphere.

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

상기 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 포함하는 나트륨 이차전지의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for manufacturing a sodium secondary battery, including the method for manufacturing the cathode active material for a sodium secondary battery.

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

하기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하고, 방전용량이 100 내지 120 mAh/g인 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질이 제공된다.There is provided a cathode active material for a sodium secondary battery comprising a compound represented by the following formula, and having a discharge capacity of 100 to 120 mAh/g.

[화학식 1][Formula 1]

Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7 Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7

M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe 및 Cu 중에서 선택된 어느 하나이고, 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0이다.M 1 and M 2 are each independently any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe, and Cu, and 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0.

본 발명의 나트륨 이차전지용 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7의 제조방법은 종래 졸-겔법(sol-gel method)이 아니라 습식 고상법(Wet Solid-State method)을 도입함으로써 타겟 물질 외 불순물 함량을 현저히 줄여 순도를 높여, 전기화학적 성능과 수명 특성을 모두 향상시킬 수 있다.The cathode active material for a sodium secondary battery of the present invention, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 The method for preparing the conventional sol-gel method is not a wet-gel method. By introducing the wet solid-state method, it is possible to significantly reduce the content of impurities other than the target material to increase the purity, thereby improving both electrochemical performance and lifespan characteristics.

도 1은 본 발명의 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 9의 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1의 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 시험예 1의 실시예 1 내지 9의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 시험예 1의 비교예 1의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 시험예 2에 따른 충방전 전압 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 시험예 4에 따른 사이클에 따른 용량 변화 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 시험예 5의 실시예 5 및 6의 탄소 코팅된 양극 활물질에 대한 발현용량 및 수명특성 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 비교예 1의 탄소 코팅된 양극 활물질에 대한 발현용량 및 수명특성 분석 결과를 나타낸 것이다.
1 is a flowchart sequentially showing a method of manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery of the present invention.
2 schematically shows the process of Examples 1 to 9 of the present invention.
3 schematically shows the process of Comparative Example 1 of the present invention.
4 shows the results of X-ray diffraction analysis for the positive active materials of Examples 1 to 9 of Test Example 1.
5 shows the results of X-ray diffraction analysis of the positive active material of Comparative Example 1 of Test Example 1.
6 shows the results of analysis of the charge/discharge voltage change according to Test Example 2.
7 shows the results of the capacity change analysis according to the cycle according to Test Example 4.
8 and 9 show the expression capacity and lifespan characteristic analysis results for the carbon-coated positive active materials of Examples 5 and 6 of Test Example 5.
10 shows the expression capacity and lifespan characteristic analysis results for the carbon-coated positive electrode active material of Comparative Example 1.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.1 is a flowchart sequentially showing a method of manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

먼저, NaFirst, Na 22 COCO 33 , (Co, (Co 3-x-y3-x-y MM 1One xx MM 22 yy )O)O 44 , 및 NH, and NH 44 HH 22 POPO 44 를 유기용매와 혼합하여 전구체 혼합물을 제조한다(단계 a).is mixed with an organic solvent to prepare a precursor mixture (step a).

상기 (Co3-x-yM1 xM2 y)O4에서 M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe 및, Cu 중에서 선택된 어느 하나이고, 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 (Co3-x-yM1 xM2 y)O4는 Co3O4 일 수 있다.The (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 to M 1 and M 2 are each independently any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe, and Cu, preferably 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0, more preferably (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 may be Co 3 O 4 .

상기 혼합은 볼밀링에 의해 수행되는 것이 바람직하다.The mixing is preferably performed by ball milling.

상기 볼밀링에 사용되는 볼과 상기 전구체 혼합물은 상기 볼 100중량부를 기준으로 상기 출발물질 10 내지 30중량부를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15 내지 25중량부, 더욱 더 바람직하게는 18 내지 22중량부를 사용할 수 있다.The ball and the precursor mixture used for the ball milling preferably use 10 to 30 parts by weight of the starting material based on 100 parts by weight of the ball, more preferably 15 to 25 parts by weight, even more preferably 18 to 30 parts by weight. 22 parts by weight can be used.

상기 볼밀링은 50 내지 150rpm으로 2 내지 5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The ball milling is preferably performed at 50 to 150 rpm for 2 to 5 hours.

다음으로, 상기 전구체 혼합물로부터 유기용매를 증발시켜 건조 혼합물을 제조한다(단계 b).Next, an organic solvent is evaporated from the precursor mixture to prepare a dry mixture (step b).

상기 유기용매는 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane) 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.The organic solvent is acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl-2) -pyrrolidone, NMP), cyclohexane (cyclohexane) and the like may be used, but the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 증발은 70 내지 90℃에서 상기 유기 용매가 완전히 건조될 때까지 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 75 내지 85℃, 더욱 더 바람직하게는 78 내지 82℃에서 건조시킬 수 있다. The evaporation is preferably performed at 70 to 90° C. until the organic solvent is completely dried, more preferably at 75 to 85° C., even more preferably at 78 to 82° C.

이후, 상기 건조 혼합물을 400 내지 600에서 1차 열처리한다(단계 c). Thereafter, the dry mixture is subjected to a primary heat treatment at 400 to 600° C. (step c).

더욱 바람직하게는 상기 1차 열처리는 450 내지 550℃, 더욱 더 바람직하게는 480 내지 520℃에서 수행될 수 있다.More preferably, the first heat treatment may be performed at 450 to 550 °C, even more preferably 480 to 520 °C.

상기 1차 열처리는 4 내지 8시간 동안 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 7시간 동안 수행할 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 5.5 내지 6.5시간 동안 수행할 수 있다.The first heat treatment is preferably performed for 4 to 8 hours, more preferably 5 to 7 hours, and still more preferably 5.5 to 6.5 hours.

상기 1차 열처리는 0.5 내지 1.5℃/min의 승온 속도로 400 내지 600℃의 온도로 높여 열처리하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 1.2℃/min의 승온 속도로 480 내지 520℃에 도달한 후 5.5 내지 6.5시간 동안 열처리를 수행할 수 있다.The primary heat treatment is preferably performed by raising the temperature to 400 to 600 °C at a temperature increase rate of 0.5 to 1.5 °C/min, more preferably reaching 480 to 520 °C at a temperature increase rate of 0.8 to 1.2 °C/min. After that, heat treatment may be performed for 5.5 to 6.5 hours.

상기 1차 열처리는 공기 중에서 수행되는 것이 바람직하다.The primary heat treatment is preferably performed in air.

다음으로, 상기 1차 열처리된 결과물을 700 내지 800에서 2차 열처리하여 양극 활물질인 Na 4 (Co 3-x-y M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 를 제조한다(단계 d). Next, the resultant of the primary heat treatment is subjected to secondary heat treatment at 700 to 800 ° C. to prepare a cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 (step d).

M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe 및 Cu 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.M 1 and M 2 may each independently be any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe, and Cu.

또한, 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0 일 수 있다.Also, 0.1≤x≤1.0 and 0.1≤y≤1.0 may be present.

바람직하게는 상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7은 Na4Co3(PO4)2P2O7 일 수 있다.Preferably, the cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 may be Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 .

더욱 바람직하게는, 상기 2차 열처리는 730 내지 760℃, 더욱 더 바람직하게는 740 내지 750℃에서 수행할 수 있다. 740℃ 보다 낮거나 750℃ 보다 높은 온도로 열처리하는 경우에는 불순물이 발생하여 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있다.More preferably, the secondary heat treatment may be performed at 730 to 760 °C, and even more preferably at 740 to 750 °C. In the case of heat treatment at a temperature lower than 740°C or higher than 750°C, impurities may be generated to deteriorate the electrochemical performance.

상기 2차 열처리는 20 내지 30시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 22 내지 27시간 동안, 더욱 더 바람직하게는 23 내지 25시간 동안 수행될 수 있다.The secondary heat treatment is preferably performed for 20 to 30 hours, more preferably for 22 to 27 hours, even more preferably for 23 to 25 hours.

이후, 상기 양극 활물질인 NaThen, the cathode active material, Na 44 (Co(Co 3-x-y3-x-y MM 1One xx MM 22 yy )(PO)(PO 44 )) 22 PP 22 OO 77 을 탄소 코팅하는 단계를 추가로 수행하는 것이 바람직하다(단계 e).It is preferable to additionally perform the step of carbon coating (step e).

탄소 코팅에 의해 전기 화학적 성능을 현저히 향상시킬 수 있기 때문이다.This is because the electrochemical performance can be significantly improved by the carbon coating.

구체적으로, 본 단계는 상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7을 탄소원과 혼합하여 물을 첨가한 후, 500 내지 700℃로 열처리하여 탄소 코팅하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 550 내지 650℃에서, 더욱 더 바람직하게는 580 내지 620℃에서 열처리할 수 있다.Specifically, in this step, the cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 , is mixed with a carbon source, water is added, and then heat-treated at 500 to 700° C. and carbon coating, more preferably at 550 to 650 °C, even more preferably at 580 to 620 °C.

상기 탄소원은 시트릭산(citric acid), VGCF(Vapor grown carbon fiber), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 수퍼-P 등 일 수 있으나, 시트릭산을 사용하는 것이 바람직하다.The carbon source may be citric acid, vapor grown carbon fiber (VGCF), acetylene black, carbon black, Ketjen black, channel black, furnace black, super-P, etc., but it is preferable to use citric acid .

상기 열처리는 4 내지 8시간 동안 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 7시간, 더욱 더 바람직하게는 5.5 내지 6.5시간 동안 수행할 수 있다.The heat treatment is preferably performed for 4 to 8 hours, more preferably 5 to 7 hours, even more preferably 5.5 to 6.5 hours.

특히, 하기 실시예에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 있어서, 단계 (a)에서 전구체 종류 및 유기용매의 종류, 혼합 조건, 단계 (b)에서 전구체 혼합물로부터 유기용매를 증발시키는 조건, 단계 (c)에서 1차 열처리의 온도, 승온, 시간 조건, 단계 (d)에서 2차 열처리 온도 및 시간 조건, 단계 (e)에서 탄소원, 탄소 코팅 조건을 변화시키면서 나트륨 이차전지용 양극 활물질을 제조하였다. In particular, although not explicitly described in the following Examples, in the method for producing a cathode active material for a sodium secondary battery according to the present invention, the type of precursor and the type of the organic solvent in step (a), the mixing conditions, and the precursor in step (b) Change the conditions for evaporating the organic solvent from the mixture, the temperature, temperature, and time conditions of the first heat treatment in step (c), the temperature and time conditions of the second heat treatment in step (d), and the carbon source and carbon coating conditions in step (e) while preparing a cathode active material for a sodium secondary battery.

이와 같이 제조된 나트륨 이차전지용 양극 활물질에 대하여 전기화학적 특성 시험을 수행하여 성능을 확인하였다. 그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래의 조건을 모두 만족하는 경우에만 불순물이 거의 존재하지 않고, 이차전지의 발현 용량과 수명 특성이 현저히 높게 측정되었다. 이와 같은 제조조건은 아래와 같다.The electrochemical characteristic test was performed on the thus-prepared cathode active material for a sodium secondary battery to confirm its performance. As a result, unlike in other conditions and other numerical ranges, almost no impurities exist only when all of the following conditions are satisfied, and the expression capacity and lifespan characteristics of the secondary battery were significantly high. Such manufacturing conditions are as follows.

단계 (a)에서 유기용매는 아세톤을 사용하고, 전구체 혼합물은 Na2CO3, Co3O4 및 NH4H2PO4를 포함하고, 전구체 혼합물의 혼합은 볼밀링에 의해 수행되며, 단계 (b)에서 아세톤 용매의 증발은 78 내지 82℃에서 완전히 건조될 때까지 수행하며, 단계 (c)에서 1차 열처리는 0.8 내지 1.2℃/min의 승온 속도로 480 내지 520℃에 도달한 후 그 온도를 유지하며 5.5 내지 6.5시간 동안 공기 중에서 수행하고, 단계 (d)에서 2차 열처리는 740 내지 750℃에서 23 내지 25시간 동안 공기 중에서 수행하며, 단계 (e)에서 탄소원은 시트릭산을 사용하고, 580 내지 620℃에서 5.5 내지 6.5시간 동안 아르곤 분위기 하에서 열처리하여 탄소 코팅한다.In step (a), the organic solvent is acetone, the precursor mixture includes Na 2 CO 3 , Co 3 O 4 and NH 4 H 2 PO 4 , and the mixing of the precursor mixture is performed by ball milling, step ( In b), the evaporation of the acetone solvent is carried out at 78 to 82° C. until it is completely dried, and the first heat treatment in step (c) is at a temperature increase rate of 0.8 to 1.2° C./min after reaching 480 to 520° C. is maintained and carried out in air for 5.5 to 6.5 hours, the secondary heat treatment in step (d) is carried out in air at 740 to 750° C. for 23 to 25 hours, and the carbon source in step (e) is citric acid, Carbon coating is performed by heat treatment at 580 to 620° C. under argon atmosphere for 5.5 to 6.5 hours.

본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 하기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하고, 방전용량이 100 내지 120 mAh/g인 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질을 제공한다.The present invention provides a cathode active material for a sodium secondary battery comprising a compound represented by the following formula prepared according to the above manufacturing method, and having a discharge capacity of 100 to 120 mAh/g.

[화학식 1][Formula 1]

Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7 Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7

M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe 및 Cu 중에서 선택된 어느 하나이고, 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0이다.M 1 and M 2 are each independently any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe, and Cu, and 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, the scope of the present invention is not limited thereby, and it is common in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It will be obvious to those with knowledge.

[실시예][Example]

실시예 1: 습식고상법(Wet Solid-State method)에 의한 NaExample 1: Na by Wet Solid-State method 44 CoCo 33 (PO(PO 44 )) 22 PP 22 OO 7 7 합성synthesis

Na2CO3 4.614g, Co3O4 5.312g, 및 NH4H2PO4 10.072g을 출발물질로 사용하고 아세톤 30㎖에 넣어 80 RPM으로 3시간 동안 볼밀링하여 혼합하였다. 이후 80℃에서 아세톤 용매를 증발시켜 완전히 건조시켰다. 다음으로 8시간 20분 동안 1℃/min의 속도로 500℃까지 승온시켜 500℃ 공기 조건하에서 6시간 동안 1차 열처리를 수행하였다. 이후, 공기 조건 하에서 700℃에서 24시간 동안 2차 열처리하여 양극 활물질 Na4Co3(PO4)2P2O7를 합성하였다.Na 2 CO 3 4.614 g, Co 3 O 4 5.312 g, and NH 4 H 2 PO 4 10.072 g were used as starting materials and mixed in 30 ml of acetone by ball milling at 80 RPM for 3 hours. Then, the acetone solvent was evaporated at 80° C. to dry it completely. Next, the temperature was raised to 500° C. at a rate of 1° C./min for 8 hours and 20 minutes, and the primary heat treatment was performed for 6 hours under air conditions at 500° C. Thereafter, the cathode active material Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 was synthesized by secondary heat treatment at 700° C. for 24 hours under air conditions.

충방전 시험은 1 M NaClO4가 용해된 EC : PC : DMC (1 : 1 : 1 v/v) 전해질을 사용하여 2032 coin cell로 조립하였다. Voltage range 3.0 내지 4.7 V 범위에서 34 mA/g 으로 충/방전 시험을 진행하였다.For the charge/discharge test, 1 M NaClO 4 was dissolved in EC : PC : DMC (1 : 1 : 1 v/v) electrolyte and assembled into a 2032 coin cell. A charge/discharge test was performed at 34 mA/g in a voltage range of 3.0 to 4.7 V.

실시예 2Example 2

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 710℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 710°C instead of 700°C.

실시예 3Example 3

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 720℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 720°C instead of 700°C.

실시예 4Example 4

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 730℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 730°C instead of 700°C.

실시예 5Example 5

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 740℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 740 °C instead of 700 °C.

실시예 6Example 6

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 750℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 750°C instead of 700°C.

실시예 7Example 7

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 760℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 760°C instead of 700°C.

실시예 8Example 8

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 770℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 770°C instead of 700°C.

실시예 9Example 9

2차 열처리 온도를 700℃ 대신에 780℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 합성하였다.A cathode active material was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the secondary heat treatment temperature was set to 780°C instead of 700°C.

비교예 1: 졸-겔법에 의한 NaComparative Example 1: Na by sol-gel method 44 CoCo 33 (PO(PO 44 )) 22 PP 22 OO 7 7 합성synthesis

Co(CH3COO)2, Na4P2O7 및 NH4H2PO4을 출발물질로 사용하고 이들 물질을 희석된 질산용액에서 혼합한 후 Na4Co3(PO4)2P2O7 전구체의 입자성장을 방지하기 위하여 글리콜산을 첨가하였다. 혼합용액은 80℃에서 12시간 동안 교반하면서 가열하였다. 이에 따라 얻어진 겔(gel)은 공기 중에서 700℃로 50시간 동안 열처리하여 Na4Co3(PO4)2P2O7을 합성하였다.Co(CH 3 COO) 2 , Na 4 P 2 O 7 and NH 4 H 2 PO 4 were used as starting materials, and these materials were mixed in a diluted nitric acid solution and then Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 Glycolic acid was added to prevent grain growth of the precursor. The mixed solution was heated while stirring at 80 °C for 12 hours. The resulting gel was heat-treated in air at 700° C. for 50 hours to synthesize Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 .

이후, 활물질 Na4Co3(PO4)2P2O7과 Vapor-Grown Carbon Fiber(VGCF)를 5:1의 중량비로 혼합하고, 아르곤 퍼징 하에서 700℃로 5시간 동안 재열처리를 수행하여 카본을 코팅하였다. 다음으로, NMP 기반 슬러리를 제조하였다.Thereafter, the active material Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 and Vapor-Grown Carbon Fiber (VGCF) were mixed in a weight ratio of 5:1, and reheat treatment was performed at 700° C. for 5 hours under argon purging. was coated. Next, an NMP-based slurry was prepared.

슬러리는 양극 활물질인 Na4Co3(PO4)2P2O7와 VGCF 혼합물 90 wt%, 아세틸렌 블랙(acetylene black) 5 wt%, 바인더인 PVDF 5 wt%가 혼합된 것이고, 슬러리를 Al 집전체에 캐스트하여 양극을 제조하였다.The slurry is a mixture of Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 as a cathode active material, 90 wt% of a mixture of VGCF, 5 wt% of acetylene black, and 5 wt% of PVDF as a binder. The whole was cast to prepare a positive electrode.

CR2032-type coin cell은 위와 같이 제조된 양극, 금속 나트륨은 음극으로 사용하고 NaPF6가 1.0 mol cm-3 농도로 용해된 ethylene carbonat(EC)/diethylene carbonate(DEC)를 전해질로 하여 제조되었다.The CR2032-type coin cell was prepared by using ethylene carbonate (EC)/diethylene carbonate (DEC) in which NaPF 6 was dissolved at a concentration of 1.0 mol cm -3 as an electrolyte, using the positive electrode prepared as above, and metallic sodium as the negative electrode.

[실험예][Experimental example]

시험예 1: X선 회절 분석Test Example 1: X-ray diffraction analysis

도 4는 실시예 1 내지 9에 따라 제조된 본 발명의 양극 활물질에 대한 X선 회절 분석결과를 나타낸 것이고, 도 5는 비교예 1에 따라 제조된 양극 활물질의 X선 회절 분석결과를 나타낸 것이다.4 shows the results of X-ray diffraction analysis of the positive electrode active material of the present invention prepared according to Examples 1 to 9, and FIG. 5 shows the X-ray diffraction analysis result of the positive electrode active material prepared according to Comparative Example 1.

이에 따르면, 740℃로 2차 열처리하여 합성한 실시예 5의 양극 활물질과 750℃로 2차 열처리하여 합성한 실시예 6의 양극 활물질인 Na4Co3(PO4)2P2O7의 구조가 가장 우세하게 존재하는 것을 확인할 수 있었으며, Na4Co3(PO4)2P2O7 구조를 가지는 소재가 전지 성능을 가장 잘 발현하는 소재이다. 이에 반해, 740℃ 보다 낮은 온도 영역에서는 불순물로 Na2CoP2O7이 존재하였고, 750℃ 보다 높은 온도 영역에서는 alpha-NaCoPO4, Na4Co7(PO4)5, beta-NaCoPO4 등의 불순물이 존재하는 것으로 나타나 이를 양극 활물질로 사용하였을 경우 나트륨 이온 이차전지의 성능이 저하될 수 있다. According to this, the structure of the cathode active material of Example 5 synthesized by secondary heat treatment at 740 ° C. and the cathode active material of Example 6 synthesized by secondary heat treatment at 750 ° C. Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 was confirmed to exist most predominantly, and the material having the Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 structure is the material that best expresses the battery performance. On the other hand, Na 2 CoP 2 O 7 was present as an impurity in the temperature region lower than 740 ° C. In the temperature region higher than 750 ° C, alpha-NaCoPO 4 , Na 4 Co 7 (PO 4 ) 5 , beta-NaCoPO 4 , etc. It appears that impurities are present, and when this is used as a cathode active material, the performance of the sodium ion secondary battery may be deteriorated.

또한, 비교예 1에 따라 제조된 양극 활물질 또한 불순물이 존재하는 것으로 나타나 나트륨 이온 이차전지의 성능이 저하될 수 있다.In addition, since the positive active material prepared according to Comparative Example 1 also contains impurities, the performance of the sodium ion secondary battery may be deteriorated.

시험예 2: 충방전 전압 변화 분석(발현 용량)Test Example 2: Analysis of charge/discharge voltage change (expressed capacity)

도 6은 실시예 1 내지 7에 따라 각각 제조된 양극 활물질의 34 mAh/g의 충방전 속도와 3.0 내지 4.7V의 전압 범위에서 1번째 사이클에서의 충방전 전압 변화 곡선을 나타낸 것이다.6 shows a charge/discharge voltage change curve in the first cycle at a charge/discharge rate of 34 mAh/g and a voltage range of 3.0 to 4.7V of the positive active materials prepared according to Examples 1 to 7, respectively.

이에 따르면, 740℃로 2차 열처리하여 합성한 실시예 5의 양극 활물질과 750℃로 2차 열처리하여 합성한 실시예 6의 양극 활물질을 포함하는 나트륨 이차전지의 성능이 가장 우수한 것으로 측정되었으며, 740℃ 및 750℃는 Na4Co3(PO4)2P2O7의 구조가 가장 우세하게 존재하는 온도이기 때문인 것을 알 수 있다. According to this, it was measured that the performance of the sodium secondary battery including the cathode active material of Example 5 synthesized by secondary heat treatment at 740 ° C. and the cathode active material of Example 6 synthesized by secondary heat treatment at 750 ° C. was the best, 740 ℃ and 750 ℃ Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 It can be seen that this is because the temperature is the most predominantly present.

시험예 4: 사이클에 따른 용량 변화 분석(수명특성)Test Example 4: Analysis of capacity change according to cycle (lifetime characteristics)

도 7은 실시예 1 내지 7에 따라 각각 제조된 양극 활물질에 대해 34 mAh/g의 충방전 속도와 3.0 내지 5.0V의 전압 범위에서 측정된 사이클에 따른 용량 변화를 나타낸 것이다.7 shows the capacity change according to cycles measured in a charge/discharge rate of 34 mAh/g and a voltage range of 3.0 to 5.0V for the positive active materials prepared according to Examples 1 to 7, respectively.

이에 따르면, 수명특성에서도 740℃로 2차 열처리하여 합성한 실시예 5의 양극 활물질과 750℃로 2차 열처리하여 합성한 실시예 6의 양극 활물질을 포함하는 나트륨 이차전지의 성능이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 이 또한 740℃ 및 750℃는 Na4Co3(PO4)2P2O7의 구조가 가장 우세하게 존재하는 온도이기 때문인 것을 알 수 있다. According to this, the performance of the sodium secondary battery including the cathode active material of Example 5 synthesized by secondary heat treatment at 740 ° C. and the cathode active material of Example 6 synthesized by secondary heat treatment at 750 ° C. It can be seen that this is also 740 ℃ and 750 ℃ Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 It can be seen that this is because the temperature is the predominantly present.

시험예 5: 탄소 코팅된 양극 활물질의 발현용량 및 수명특성 분석Test Example 5: Expression capacity and lifespan characteristics analysis of carbon-coated positive electrode active material

실시예 5 및 6의 양극 활물질 Na4Co3(PO4)2P2O7과 탄소원으로 시트릭산(citric acid)을 혼합하여 D.I. water를 첨가하고, 오븐에서 건조시킨 후 아르곤 분위기에서 600℃로 6시간 동안 열처리하여 탄소 코팅시켰다. 이후, 카본 코팅시킨 실시예 5 및 6의 양극 활물질 Na4Co3(PO4)2P2O7에 대하여 수명특성을 분석하여 그 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다. 또한 비교예 1의 양극 활물질의 충방전 전압 변화 분석 결과(a) 및 수명특성 분석 결과(b)를 도 10에 나타내었다.The cathode active material of Examples 5 and 6 Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 and citric acid as a carbon source were mixed, DI water was added, dried in an oven, and then heated to 600° C. in an argon atmosphere. It was heat-treated for 6 hours and carbon-coated. Thereafter, life characteristics were analyzed for the cathode active materials Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 of Examples 5 and 6 coated with carbon, and the results are shown in FIGS. 8 and 9 . In addition, the results (a) and life characteristics analysis results (b) of the charge/discharge voltage change analysis of the positive active material of Comparative Example 1 are shown in FIG. 10 .

이에 따르면, 실시예 5 및 6의 탄소 코팅된 양극 활물질은 방전용량이 110 mAh/g에 가까운 높은 값을 나타내었으나, 비교예 1의 탄소 코팅된 양극 활물질은 방전용량이 90mAh/g 정도로 본원발명에 비해 낮은 수준을 나타내었다. 또한 실시예 5 및 6의 탄소 코팅된 양극 활물질은 사이클 특성도 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.According to this, the carbon-coated positive active material of Examples 5 and 6 showed a high value close to 110 mAh/g in discharge capacity, but the carbon-coated positive active material of Comparative Example 1 had a discharge capacity of 90 mAh/g, which is about 90 mAh/g. showed a lower level than In addition, it was confirmed that the carbon-coated positive active materials of Examples 5 and 6 had very good cycle characteristics.

Claims (17)

(a) Na2CO3, (Co3-x-yM1 xM2 y)O4, 및 NH4H2PO4를 유기용매와 혼합하여 전구체 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 혼합물로부터 유기용매를 증발시켜 건조 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 건조 혼합물을 1차 열처리하는 단계;
(d) 상기 1차 열처리된 결과물을 2차 열처리하여 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7를 제조하는 단계; 및
(e) 상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7을 탄소 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (a)에서 유기용매는 아세톤을 사용하고, 상기 전구체 혼합물의 혼합은 볼밀링에 의해 수행하고,
상기 단계 (b)에서 상기 유기용매의 증발은 78 내지 82℃에서 완전히 건조될 때까지 수행하고,
상기 단계 (c)에서 상기 1차 열처리는 0.8 내지 1.2℃/min의 승온 속도로 480 내지 520℃에 도달한 후 그 온도를 유지하며 5.5 내지 6.5시간 동안 공기 중에서 수행하고,
상기 단계 (d)에서 2차 열처리는 740 내지 750℃에서 23 내지 25시간 동안 공기 중에서 수행하고,
상기 단계 (e)에서 탄소원은 시트릭산을 사용하고, 580 내지 620℃에서 5.5 내지 6.5시간 동안 아르곤 분위기 하에서 열처리하여 탄소 코팅하고,
M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe 및 Cu 중에서 선택된 어느 하나이고,
0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0 인 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
(a) preparing a precursor mixture by mixing Na 2 CO 3 , (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 , and NH 4 H 2 PO 4 with an organic solvent;
(b) evaporating the organic solvent from the precursor mixture to prepare a dry mixture;
(c) first heat-treating the dry mixture;
(d) preparing a cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7 , by performing a second heat treatment on the resultant of the first heat treatment; and
(e) carbon coating the cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7;
In step (a), the organic solvent is acetone, and mixing of the precursor mixture is performed by ball milling,
Evaporation of the organic solvent in step (b) is performed at 78 to 82° C. until it is completely dried,
The primary heat treatment in step (c) is carried out in air for 5.5 to 6.5 hours while maintaining the temperature after reaching 480 to 520 °C at a temperature increase rate of 0.8 to 1.2 °C / min,
The secondary heat treatment in step (d) is performed in air at 740 to 750° C. for 23 to 25 hours,
In the step (e), the carbon source is citric acid, heat-treated at 580 to 620° C. for 5.5 to 6.5 hours under an argon atmosphere to coat carbon,
M 1 And M 2 are each independently any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe and Cu,
0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0 A method of manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery, characterized in that.
제1항에 있어서,
단계 (a)에서, 상기 (Co3-x-yM1 xM2 y)O4는 Co3O4 인 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 1,
In step (a), the (Co 3-xy M 1 x M 2 y )O 4 is a method for producing a cathode active material for a sodium secondary battery, characterized in that Co 3 O 4 .
삭제delete 제1항에 있어서,
단계 (a)에서, 상기 볼밀링에 사용되는 볼과 상기 전구체 혼합물은 상기 볼 100중량부를 기준으로 상기 전구체 혼합물 10 내지 30중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 1,
In step (a), the ball and the precursor mixture used for the ball milling is a method of manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery, characterized in that using 10 to 30 parts by weight of the precursor mixture based on 100 parts by weight of the ball.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극 활물질인 Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7은 Na4Co3(PO4)2P2O7 인 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 1,
The cathode active material, Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y ) (PO 4 ) 2 P 2 O 7 is Na 4 Co 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 A cathode for a sodium secondary battery, characterized in that A method for producing an active material.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항, 제2항, 제4항 및 제10항 중에서 선택된 어느 한 항의 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 포함하는 나트륨 이차전지의 제조방법.A method of manufacturing a sodium secondary battery comprising the method for manufacturing a cathode active material for a sodium secondary battery of any one of claims 1, 2, 4 and 10. 제1항, 제2항, 제4항 및 제10항 중에서 선택된 어느 한 항의 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 따라 제조된, 하기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하고, 탄소코팅되고, 방전용량이 100 내지 120 mAh/g인 것을 특징으로 하는 나트륨 이차전지용 양극 활물질.
[화학식 1]
Na4(Co3-x-yM1 xM2 y)(PO4)2P2O7
M1 및 M2는 각각 독립적으로 Co, Mn, Ni, Cr, Fe 및 Cu 중에서 선택된 어느 하나이고, 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0이다.
Claims 1, 2, 4 and 10, prepared according to the method for producing a cathode active material for a sodium secondary battery according to any one of claims 1 to 10, comprising a compound represented by the following formula, coated with carbon, and having a discharge capacity A cathode active material for a sodium secondary battery, characterized in that 100 to 120 mAh/g.
[Formula 1]
Na 4 (Co 3-xy M 1 x M 2 y )(PO 4 ) 2 P 2 O 7
M 1 and M 2 are each independently any one selected from Co, Mn, Ni, Cr, Fe, and Cu, and 0.1≤x≤1.0, 0.1≤y≤1.0.
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