KR102393997B1 - 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지 - Google Patents

이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지에 있어서, 텅스텐(W)의 표면을 산화시켜 비결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계와; 상기 비결정질 산화텅스텐층을 아세틸렌(Acetylene)을 포함하는 가스 분위기 하에서 가열하여 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 높은 이론용량을 가진 텅스텐을 산화시키고 이를 탄소코팅한 메조스펀지(Mesosponge) 구조를 가진 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성하여, 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이하며 이에 의해 큰 충방전 용량을 갖는 리튬 이온 전지를 구성하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 제조 공정이 간단하며 제조 비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지 {Anodic tungsten oxide mesosponge carbon layer as an anode for Li ion battery}
본 발명은 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 텅스텐을 산화시키고 이를 탄소코팅하여 메조스펀지(Mesosponge) 구조를 가진 이차전지의 음극용 고용량 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지를 제공하는 것이다.
최근 리튬 이온 전지(Li-ion batteries, LIBs)는 높은 전력, 높은 에너지 밀도, 긴 사이클 주기 및 안정적인 구조 등의 장점으로 인해 하이브리드 전기 자동차, 스마트 그리드 응용 프로그램 및 휴대용 전자기기에 대해 증가하는 에너지 수요를 충족할 수 있는 큰 잠재력을 보여주고 있다.
현재 시판되고 있는 리튬 이온 전지는 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-1265340호 리튬 이온 배터리용 음극 물질의 나노스케일 규소입자'와 같이 음극 재료에 흑연을 포함하고 있다. 음극 재료에 흑연 탄소를 사용하는 것을 리튬의 층간 삽입 및 방출과 관련된 호스트(host) 재료의 부피 변화가 적다는 면에서 즉, 전극이 대체로 안정하다는 면에서 중요하다. 하지만 흑연은 상대적으로 낮은 전기화학 용량 즉, 이론적으로 372mAh/g을 가진다는 점이 단점으로 작용된다. 이는 리튬 금속을 사용하여 이론적으로 달성할 수 있는 3862mAh/g의 전기화학 용량의 약 1/10에 불과하다.
따라서 최근에는 알루미늄 합금, 주석 합금, 안티몬 합금 등과 같은 합금 또는 금속 산화물을 이용하여 음극을 제조하는 방법을 연구하고 있다. 이러한 재료는 높은 이론적 비용량을 가지기 때문에 이론적 용량이 가역적으로 사용될 수 있다면 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 상당히 증가될 수 있다. 이러한 재료를 통해 제조되는 음극은 금속이나 합금을 사용하는 경우에 금속이나 합금의 표면에 음극활물질을 도포해야 한다. 음극활물질을 도포하기 위해 음극활물질에 바인더를 섞고, 이들을 금속이나 합금에 도포하는 공정을 통해 음극 전극이 제조된다.
이러한 공정을 줄이기 위해 최근에는 산화티탄(TiO2) 또는 산화철(Fe2O3) 등과 같이 금속 산화물을 음극 전극으로 이용하는 기술도 개발되고 있다. 이러한 금속 산화물 중 산화텅스텐(WO3)은 리튬 이온 전지용 음극 재료로서 흑연이나 다른 금속 산화물에 비해 693mAh/g 이라는 높은 이론용량을 가지고 있으며, 이론 용량에 기인하는 풍부한 가용성 환경 양성, 저렴한 비용, 뛰어난 안정성으로 인해 주목받고 있다. 이와 같은 산화 텅스텐은 다음과 같은 리튬과의 반응을 통해 텅스텐과 산화리튬 전환 반응이 가능해진다.
WO3 + 6Li+ + 6e- → W + 3Li2O
이와 같은 산화텅스텐을 리튬 이온 전지에 적용할 경우 높은 이론용량을 가지는 전극을 포함하며, 제조 공정이 단순하고 제조 비용이 절감될 것으로 기대된다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1265340호
따라서 본 발명의 목적은 높은 이론용량을 가진 텅스텐을 산화시키고 이를 탄소코팅하여 메조스펀지(Mesosponge) 구조를 가진 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지를 제공하는 것이다.
또한 제조 공정이 간단하며 제조 비용이 절감되는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 텅스텐(W)의 표면을 산화시켜 비결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계와; 상기 비결정질 산화텅스텐층을 아세틸렌(Acetylene)을 포함하는 가스 분위기 하에서 가열하여 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층은 균일한 기공을 갖는 메조스펀지(Mesosponge) 형태의 탄소코팅이 형성되도록 100 내지 1000℃로 가열하며, 상기 아세틸렌을 포함하는 가스는, 상기 아세틸렌 100중량부 대비 아르곤이 50 내지 2000중량부 포함된 가스인 것이 바람직하다.
상기 비결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계는, 상기 텅스텐을 케톤 계열 및 알코올 계열의 용매 하에서 각각 초음파 처리하여 세척하는 단계와; 초음파 처리된 상기 텅스텐에 전기를 인가하여 양극 산화하는 단계를 포함하며, 상기 양극 산화하는 단계는, 상기 텅스텐을 양극으로 하고 백금망(Platinum mesh)을 음극으로 하여 전해액 하에서 전기를 인가하여 상기 텅스텐을 산화시키는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 표면이 탄소코팅된 결정질 산화텅스텐층을 포함하는 텅스텐 음극과; 상기 텅스텐 음극으로 리튬 이온을 전달하는 양극과; 상기 음극 및 상기 양극이 담긴 전해액으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐을 포함하는 리튬 이온 전지에 의해서도 달성된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 높은 이론용량을 가진 텅스텐을 산화시키고 이를 탄소코팅한 메조스펀지(Mesosponge) 구조를 가진 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성하여, 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이하며 이에 의해 큰 충방전 용량을 갖는 리튬 이온 전지를 구성하는 효과를 얻을 수 있다.
또한 제조 공정이 간단하며 제조 비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법의 순서도이고,
도 2는 텅스텐(W), 비결정질 산화텅스텐층(WO3_amrp), 결정질 산화텅스텐층(WO3_500) 및 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층(C_WO3)의 표면을 촬영한 도면이고,
도 3a 내지 도 3d는 C_WO3의 FE-SEM 및 TEM 사진이고,
도 3e는 텅스텐의 산화과정을 나타내는 시간-전류 그래프이고,
도 4는 WO3의 실제 측정 데이터와 계산된 데이터를 비교한 그래프이고,
도 5는 C_WO3, WO3_500, WO3_300 및 WO3_amrp의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이고,
도 6은 WO3_500 및 C_WO3의 라만 현미경 그래프이고,
도 7은 WO3_amrp 및 C_WO3의 TEM 및 SAED 사진이고,
도 8은 C_WO3 분포와 비교하여 W, O, C 원소의 각 분포를 나타낸 TEM 사진이고,
도 9 및 10은 WO3_amrp, WO3_300, WO3_500 및 C_WO3의 충방전 용량을 나타낸 그래프이고,
도 11은 C_WO3의 충방전 속도에 따른 충방전 용량을 나타낸 그래프이고,
도 12는 충방전이 완료된 후 얻어지는 C_WO3 및 WO3_500의 EIS 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 실시예에 따른 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 산화텅스텐의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 전지는 먼저, 텅스텐을 준비한다(S1).
텅스텐(W)은 전극으로 사용될 정도의 알맞은 넓이 및 두께를 가지는 호일(Foil)을 준비한다. 여기서 텅스텐을 넓이는 1 내지 3㎠이며, 두께는 0.001 내지 1mm인 것이 바람직하다. 여기서 텅스텐은 전극용으로 사용되는 텅스텐 집전체이다.
텅스텐의 표면을 초음파 처리한다(S2).
S1 단계에서 준비된 텅스텐을 케톤 계열의 용매 하에서 10 내지 30분 정도 초음파 처리를 실시한다. 그 후 텅스텐을 케톤 계열의 용매에서 꺼내어 알코올 계열의 용매 내로 투입하고, 알코올 계열의 용매 하에서 10 내지 30분 정도 다시 초음파 처리를 한다. 이를 통해 텅스텐의 표면에 존재하는 불순물들은 모두 세척된다.
여기서 케톤 계열의 용매는 아세톤(Acetone), 에틸메틸케톤(Ethyl methyl ketone), 디에틸케톤(Diethyl ketone), 메틸프로필케톤(Methyl propyl ketone), 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone), 피나콜론(Pinacoline), 메틸비닐케톤(Methyl vinyl ketone), 싸이클로펜탄온(Cyclopentanone), 싸이클로헥산온(Cyclohexanone), 싸이클로펩탄온(Cyclopeptanone), 아세토페논(Acetophenone), 프로피오페논(Propiophenone), 벤조페논(Benzophenone), 아세틸아세톤(Acetylacetone) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
또한 알코올 계열의 용매는 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 프로판올(Propanol), 이소프로판올(Isopropanol), 부탄올(Butanol), 이소부탄올(Isobutanol), 펜탄올(Pentanol), 헥산올(Hexanol), 벤질알콜(Benzyl alcohol) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
텅스텐을 양극 산화한다(S3).
이와 같은 텅스텐에 전기를 인가하여 전기화학적 양극 산화를 실시한다. 양극 산화는 텅스텐을 양극으로 하고, 백금망(Platinum mesh)을 음극으로 하여 전해액 하에서 전기를 인가하여 텅스텐을 산화시킨다. 전기는 직류전압 퍼텐쇼스탯(DC-voltage potentiostat)을 이용하여 30 내지 100V에서 4 내지 10시간 동안 인가한다.
여기서 전해액은 산화제 역할을 하는 인산칼륨(KH2PO4) 및 글리세롤(Glycerol)이 혼합된 것을 사용하며, 이때 전해액은 수분을 함유하지 않도록 180℃에서 3시간 동안 가열한다. 수분이 함유될 경우 양극 산화가 공정이 이루어지지 않는다. 전해액은 무수 글리세롤 100중량부에 인산칼륨은 5 내지 20중량부 혼합되는 것이 바람직하다. 인산칼륨이 5중량부 미만일 경우 양극 산화 반응시 전해질이 제 역할을 할 수 없으며, 20중량부를 초과할 경우 전량이 녹지 않고 일부가 결정화되어 바닥에 가라앉는 문제가 생긴다. 양극 산화가 진행되는 동안 전해액은 핫플레이트(Hot plate)를 이용하여 70 내지 100℃를 유지하는 것이 바람직하다.
이와 같은 방법을 통해 텅스텐을 양극 산화하면 텅스텐의 표면이 양극 산화되어 산화텅스텐(WO3)층이 형성된다. 산화텅스텐층은 원자가 뷸규칙적으로 배열된 비결정질이다.
비결정질 산화텅스텐층을 세척 및 건조한다(S4).
양극 산화 후 얻은 비결정질 산화텅스텐을 우선 알코올 계열 용매에 10 내지 20 시간 저장하여 세척하고, 이를 꺼낸 후 오븐에 건조한다. 여기서 알코올 계열의 용매는 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 프로판올(Propanol), 이소프로판올(Isopropanol), 부탄올(Butanol), 이소부탄올(Isobutanol), 펜탄올(Pentanol), 헥산올(Hexanol), 벤질알콜(Benzyl alcohol) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
탄소가 코팅된 결정질 산화텅스텐층을 형성한다(S5).
원자가 불규칙 배향된 비결정질 산화텅스텐층을 고온의 가열로에서 가열하여 원자의 배열이 규칙적으로 정렬된 결정질 산화텅스텐층을 형성한다. 이때 가열 온도는 100 내지 1000℃에서 이루어지는 데, 가열 온도가 100℃ 미만일 경우 산화텅스텐 결정이 정렬되지 않으며, 1000℃를 초과할 경우 온도가 너무 높아 결정이 정렬되는 반응 이외의 부반응이 일어날 우려가 있다. 더 바람직한 온도는 300 내지 700℃이다. 이와 같은 온도에서 결정질 산화텅스텐층을 형성하게 되면 기공이 균일한 메조스펀지(Mesosponge) 형태의 결정질 표면이 형성된다.
여기서 산화텅스텐층에 탄소코팅(Carbon coating)이 되도록 아세틸렌/아르곤(C2H2/Ar) 분위기 하에서 1 내지 3시간 동안 가열한다. 아세틸렌/아르곤을 사용하지 않고 공기 분위기 하에서 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성할 경우 탄소코팅이 이루어지지 않는다. 여기서 아르곤을 포함하지 않고 아세틸렌을 단독으로 사용할 수 있으나 단독으로 사용하면 탄화량이 많아 탄소코팅을 조절하기 용이하지 못하다. 따라서 아세틸렌/아르곤의 비율은 아세틸렌 100중량부에 대해 아르곤이 50 내지 2000중량부 혼합되는 가스인 것이 바람직하다. 아르곤이 50중량부 미만일 경우 탄소코팅 정도를 조절하기 용이하지 않으며, 아르곤이 2000중량부 초과할 경우 탄소코팅이 원활하게 이루어지지 않는다. 메조스펀지 형태의 결정질 산화텅스텐층에 탄소코팅을 할 경우 탄소코팅 또한 균일한 기공을 갖는 메조스펀지 형태가 된다. 메조스펀지 형태의 기공에 의해 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이하다. 기공은 10 내지 100nm 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. 기공의 직경이 10nm 미만일 경우 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이하지 않아 충방전 속도가 감소하며, 100nm를 초과할 경우 기공이 커서 메조스펀지 형상을 제대로 유지할 수 없다.
탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 형성한 후에 0 내지 20℃에서 10 내지 60분간 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층을 리튬 이온 전지에 적용 가능하다. 리튬 이온 전지는 상기의 S1 ~ S5 단계들을 통해 제조되는 카본코팅 결정질 산화텅스텐층을 포함하는 음극 전극과, 음극 전극으로 리튬 이온을 전달하는 양극 전극을 포함한다. 음극 전극과 양극 전극은 전해액에 담겨 최종적으로 리튬 이온 전지가 형성된다.
양극 전극의 활물질인 리튬 이온이 전해액을 통해 음극 전극으로 전달되면 음극 전극에서 음극활물질 역할을 하는 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층이 리튬 이온을 흡수 및 방출한다. 여기서 리튬 이온을 방출하는 양극 전극은 리튬-산화코발트(LiCoO2), 리튬-산화니켈(LiNiO2), 리튬-철-인(LiFePO4) 및 이의 혼합물 군에서 선택된 것이 바람직하다.
또한 전해액은 리튬클로라이드(Lithium chloride, LiCl), 리튬브로마이드(Lithinum bromide, LiBr), 리튬 헥사플루오로포스페이트(Lithinum hexafluorophosphate, LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(Lithinum tetrafluoroborate, LiBF4), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(Lithinum hexafluoroarsenate, LiAsF6), 리튬 퍼틀로레이트(Lithinum perchlorate, LiClO4), 리튬 테트라클로로알루미네이트(Lithinum tetrachloroaluminate, LiAlCl4) 및 이의 혼합물 군에서 선택된 것이 바람직하다.
도 2는 양극 산화에 의해 형성된 산화텅스텐층의 표면을 촬영한 도면으로, 도 2a는 산화되지 않은 텅스텐 집전체(W), 도 2b는 비결정질 산화텅스텐층(WO3_amrp), 도 2c는 500℃에서 결정화된 결정질 산화텅스텐층(WO3_500), 도 2d는 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층(C_WO3)을 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 육안으로 시료의 색상변화를 알 수 있으며 이에 따른 각 합성단계가 관찰된다.
도 3은 C_WO3 샘플의 FE-SEM 및 TEM 사진을 나타낸 것으로, 도 3a는 80℃에서 50V의 전압을 5시간 동안 인가하여 탄소코팅층의 두께가 5㎛가 되는 것을 확인할 수 있는 FE-SEM 사진이다. 탄소코팅이 되기 전과 된 후의 결정질 표면 형상은 코팅을 하여도 코팅 전 메조스펀지(Mesosponge) 형태를 그대로 유지하는 것을 확인할 수 있다. 도 3b는 도 3a를 확대한 FE-SEM 사진이며, 도 3c는 TEM 사진이다. 또한 3d는 상부에서 촬영한 탄소코팅층의 사진으로 탄소코팅층의 기공이 평균 50nm로 균일하게 형성되며, 기공들끼리 서로 연결된 것을 확인할 수 있다. 이러한 3차원 기공 구조는 리튬의 삽입 및 탈리 과정에서 텅스텐의 부피 팽창을 수용하기에 충분한 빈공간을 제공하여 리튬 흡착이 가능하도록 한다. 도 3e는 시간 및 전류에 따른 양극 산화 과정을 나타낸 것으로 높은 전류에서 급격하게 전류가 감소하면서 산화텅스텐층이 형성되고, 그 후에 시간이 지날수록 메조포러스(Mesoporous)가 산화텅스텐층에 형성된다.
도 4 및 도 5는 X선 회절(X-ray diffraction)을 통해 양극 산화된 산화텅스텐층을 분석한 그래프로, 도 4는 WO3의 실제 측정 데이터(Observed data)와 이론을 통해 계산된 데이터(Calculated data)를 비교한 그래프이다. 이와 같이 실제 측정 데이터와 계산된 데이터의 차이 값(Difference)을 비교해 본 결과 차이는 거의 없는 것으로 보아 WO3가 제대로 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 각각에 따른 XRD 패턴을 나타낸 것으로, WO3_amrp는 단일 피크를 제외하고는 관찰되지 않는다. WO3_amrp를 각각 300℃ 및 500℃로 열처리한 시료의 개량된 결정화도는 WO3_300 및 WO3_500으로 관찰할 수 있다. WO3_amrp 피크와 비교하여 결정성을 나타내는 피크들을 추가로 관찰할 수 있으며, WO3_500이 WO3_300 피크보다 비정질 피크와 비교하여 결정질 피크가 큰 것을 확인할 수 있다. C_WO3는 결정질 산화텅스텐층에 탄소코팅이 된 것으로 비정질 탄소코팅에 의해 결정질을 나타내는 피크가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 그 외의 피크들은 변동이 없는 것을 알 수 있다.
도 6은 라만 현미경(Raman sectrpscopy)을 통해 산화텅스텐층을 분석한 그래프를 나타낸 것으로 WO3_500과 C_WO3의 피크를 비교하면 결정질을 나타내는 피크들은 줄어드는 반면 탄소 피크를 나타내는 1350 및 1595cm-1 피크는 증가한 것을 확인할 수 있다.
도 7은 WO3_amrp 및 C_WO3를 나타낸 도면으로, 도 7a 및 7c는 TEM 사진을 통해 WO3_amrp 및 5nm의 탄소코팅을 포함하는 C_WO3을 확인할 수 있다. 이러한 C_WO3는 전기 화학적 성능의 향상에 매우 중요하다. 도 7b 및 7d는 선택영역 전자회절(Selected area electron diffraction, SAED)을 나타낸 것으로 도 7b는 WO3_amrp로 비정질 재료의 특성을 나타내는 회절링을 확인할 수 있다. 또한 7d는 C_WO3에 대한 것으로 밝은 회절 고리를 통해 재료의 다결정 특성을 확인할 수 있다.
도 8은 C_WO3의 분포를 나타낸 것으로, 도 8a는 C_WO3의 다크필드TEM(Dark field TEM)인데 그 중 화이트필드(White field)는 C_WO3를 나타낸 것이다. 도 8b 내지 8d는 각각 W, O, C 원소의 분포를 나타낸 TEM 사진으로, 각 사진에서 보면 C_WO3와 유사한 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 각 산화텅스텐층의 충방전 용량을 비교한 것으로 리튬 이온 전지의 충방전 사이클을 100회 순환시켜 확인한 결과이다. 전극은 초기에 안정한 고체 전해질의 계면층을 형성하기 위해 0.005 내지 3.0V의 전압 범위 내에서 4사이클 동안 100μA/㎠로 순환시킨 다음, 나머지 96사이클을 200μA/㎠로 충방전을 순환시켰다. 그 결과 도 9a 내지 9c는 순환횟수가 증가할수록 충방전 용량 감소 폭이 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 도 9d는 충방전 용량 감소 폭이 작은 것을 확인할 수 있다.
이러한 수치는 표 1을 통해서 더욱 명확하게 확인할 수 있다.
sample

 Charge capacity [mAh/㎠] % Capacity degradation (5th-100th cycle)
100μA/㎠ 200μA/㎠
1st cycle 2nd cycle 5th cycle 50th cycle 100th cycle
WO3_amrp 0.38 0.37 0.30 0.16 0.12 60
WO3_300 0.40 0.39 0.35 0.22 0.13 63
WO3_500 0.88 0.84 0.65 0.32 0.16 75
C_WO3 0.57 0.57 0.52 0.50 0.45 13
표 1과 같이 탄소 코팅 없이 리튬 이온의 충방전을 반복할 경우 용량의 저하가 심한 것을 확인할 수 있다. 예를 들어 WO3_500의 경우 75%의 용량 저하가 발생하였으며, 이는 C_WO3의 13% 용량 저하에 비해 저하율이 매우 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 리튬의 삽입 및 탈리 시 탄소코팅으로 인해 전극의 부피 팽창을 억제하고 전기 화학적 성능 개선이 가능하다.
도 10은 각 산화텅스텐층을 용량 유지율 관점에서 비교한 그래프로, 사이클 횟수가 증가할수록 다른 산화텅스텐층은 충방전 용량이 감소하지만 C_WO3는 용량이 거의 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 C_WO3에 리튬 이온의 충방전 속도를 점점 증가시키면서 충방전 용량을 측정한 그래프로, 충전 속도가 증가할수록 충방전 용량이 조금씩 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다른 3 가지의 샘플의 경우에는 충방전 속도가 증가할수록 충방전 용량이 0에 가까워지는 것과 비교하였을 때에 C_WO3는 속도가 증가하더라도 충방전이 용이하게 되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 10사이클의 충방전이 완료된 후 얻어지는 C_WO3 및 WO3_500의 EIS 스펙트럼을 비교한 도면이다. 그래프에서 반원이 작을수록 저항이 작은 것을 나타내는 데 WO3_500에 비해 C_WO3의 반원이 작은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 C_WO3의 충방전 효율이 좋은 것을 알 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
<실시예 1>
넓이 1.5㎠, 두께 0.1mm의 텅스텐(W)을 아세톤에 넣고 20분 정도 초음파 처리를 한 후, 이를 꺼내어 에탄올에 넣고 20분 정도 다시 초음파 처리를 한 후 꺼낸다. 초음파 처리를 한 텅스텐을 물로 헹구고 수분이 표면에 존재하지 않도록 건조시킨다. 전기 화학적 양극 산화법을 수행하기 위해 직류전압 인가장치(DC-voltage potentiostat)를 이용하여 5시간 동안 50V의 전기를 인가한다. 이때 양극 산화는 텅스텐을 양극으로 하고, 백금망(Platinum mesh)을 음극으로 하여 전해액 하에서 전기를 인가하여 텅스텐을 산화시킨다. 전해액은 수분을 함유하지 않도록 180℃에서 3시간 동안 가열한 글리세롤(Glycerol) 및 인산칼륨(KH2PO4) 혼합물이며, 글리세롤 : 인산칼륨 = 10 : 1 중량 비율로 혼합되어 있다. 이러한 전해액을 핫플레이트를 통해 온도를 80℃로 유지시킨다. 양극 산화 처리 후 비결정질 산화텅스텐층은 에탄올에서 하룻밤 저장시킨 후 세척하고, 오븐에 건조시킨다. 비결정질 산화텅스텐층은 500℃ 가열로 내의 아세틸렌/아르곤 분위기 하에서 1시간 동안 열처리 되어 탄소코팅 결정질 산화텅스텐층이 형성된다.
종래에는 리튬 이온 전지용 음극을 제조하기 위해 전기가 통하는 판상의 소재 표면에 음극 활물질을 코팅하는 방식을 이용하였다. 하지만 이와 같은 방법은 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 제조 비용도 많이 드는 문제가 있었다. 이러한 공정을 줄이기 위해 최근에는 금속 산화물을 음극 전극으로 이용하는 기술도 개발되고 있다. 그 중 산화텅스텐은 693mAh/g 이라는 높은 이론용량을 가지고 있기 때문에 이를 이용하여 전극을 제조하였다. 먼저, 판상의 텅스텐을 준비하고, 텅스텐의 표면에 비결정질 산화텅스텐층을 형성시키고, 비결정질 산화텅스텐층을 결정질로 형성과 함께 표면에 카본코팅을 하였다. 이와 같은 방법을 이용할 경우 판상의 소재에 음극활물질을 코팅하는 단계가 필요하지 않으며, 코팅하는 데 필요한 소재가 들어가지 않기 때문에 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 감소하는 장점이 있다. 뿐만 아니라 리튬 이온 전지에 높은 이론 용량을 가진 카본코팅 결정질 산화텅스텐층을 포함하는 전극을 적용하여 리튬 이온 전지의 충방전 용량이 커지는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (11)

  1. 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법에 있어서,
    텅스텐(W)의 표면을 산화시켜 원자가 불규칙 배향된 비결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계; 및
    상기 비결정질 산화텅스텐층에 300~700℃로 가열하여 균일한 기공을 갖는 메조스펀지 형태의 산화텅스텐층을 갖는 결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계에 있어서, 아세틸렌(Acetylene)을 포함하는 가스 분위기에서 1~3시간 가열함으로써 탄소코팅층의 두께 5㎛, 기공 크기 50nm의 탄소코팅층이 균일하게 형성되며,
    상기 탄소코팅층이 전극 부피 팽창을 억제하여 충방전 사이클 100회 순환시 가역용량(Reversible Capacity) 감소폭이 13% 미만이며,
    상기 충방전 사이클 100회 순환은 0.005 ~ 3.0V 전압 범위 내에서 4사이클 동안 100μA/㎠로 순환시키고 나머지 96사이클 동안 200μA/㎠로 충방전을 순환하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 아세틸렌을 포함하는 가스는,
    상기 아세틸렌 100중량부 대비 아르곤이 50 내지 2000중량부 포함된 가스인 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 비결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계는,
    상기 텅스텐을 케톤 계열 및 알코올 계열의 용매 하에서 각각 초음파 처리하여 세척하는 단계와;
    초음파 처리된 상기 텅스텐에 전기를 인가하여 양극 산화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 양극 산화하는 단계는,
    상기 텅스텐을 양극으로 하고 백금망(Platinum mesh)을 음극으로 하여 전해액 하에서 전기를 인가하여 상기 텅스텐을 산화시키는 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전해액은,
    무수 글리세롤(Glycerol anhydrous) 100중량부 대비 인산칼륨(KH2PO4)이 5 내지 20중량부 혼합된 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    비결정질 산화텅스텐층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 비결정질 산화텅스텐층을 알코올 계열의 용매에 10 내지 20시간 동안 세척 및 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐의 제조방법.
  9. 제 1항 및 제 4 내지 8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 형성된 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극용 탄소코팅 결정질 메조스펀지 구조를 갖는 산화텅스텐을 포함하는 리튬 이온 전지.

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  11. 삭제
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