KR102425006B1 - Negative electrode active material using organic solid solution and manufacturing negative electrode for lithium or sodium secondary battery comprising the same - Google Patents

Negative electrode active material using organic solid solution and manufacturing negative electrode for lithium or sodium secondary battery comprising the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기 고용체를 이용한 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 또는 소듐 이차전지용 음극 제조에 관한 것으로, 헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene) 혼합 고용체를 포함하는 음극 활물질을 포함하여 고성능의 리튬 또는 소듐 이차전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to an anode active material using an organic solid solution and a negative electrode for a lithium or sodium secondary battery comprising the same, comprising a mixed solid solution of hexabenzocoronene and fluorinated hexabenzocoronene It is possible to provide a high-performance lithium or sodium secondary battery including an anode active material.

Description

유기 고용체를 이용한 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 또는 소듐 이차전지용 음극 제조{Negative electrode active material using organic solid solution and manufacturing negative electrode for lithium or sodium secondary battery comprising the same}Negative electrode active material using organic solid solution and manufacturing negative electrode for lithium or sodium secondary battery comprising the same

본 발명은 유기 고용체를 이용한 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 또는 소듐 이차전지용 음극 제조에 관한 것이다.The present invention relates to an anode active material using an organic solid solution and to a lithium or sodium secondary battery negative electrode comprising the same.

기능성 유기 소재는 구조적 다양성, Li- 또는 Na- 이온과의 빠른 산화 환원 반응 및 비용 효율성으로 인해 차세대 충전식 Li / Na- 이온 배터리용 전극 활물질로서 상당한 관심을 받고 있다. 최근 유기 전극 소재 중에서, 공액 카르보닐 화합물(conjugated carbonyl compounds)은 퀴논(quinone), 유기 황(organosulfur) 및 유기 염(organic salts) 분자의 전략적 설계는 고용량 및 빠른 동역학을 제공하는 다중 전자 산화 환원 반응에서 상당한 장점을 갖는다.Functional organic materials have attracted considerable interest as electrode active materials for next-generation rechargeable Li/Na-ion batteries due to their structural diversity, rapid redox reaction with Li- or Na- ions, and cost effectiveness. Among recent organic electrode materials, conjugated carbonyl compounds are quinones, organosulfurs and organic salts. Strategic design of molecules is a multi-electron redox reaction that provides high capacity and fast kinetics. has significant advantages in

그러나 기능성 유기 활물질의 한 가지 주요 문제점은 비양자성 전해질(aprotic electrolyte)에서의 높은 용해도이다. 이는, 유기 소재의 작용기와 용매 사이의 강한 상호작용이 전지 작동 중에 활물질의 용해성을 증가시켜 낮은 쿨롱 효율과 함께 허용되지 않는 사이클링 성능 발생을 초래한다. 이러한 문제 해결을 위해 최근에는 중합반응(polymerization), 활물질 고정화를 위한 전도성 스캐폴드(scaffold) 사용 또는 PEO / LISICON 고체 전해질 사용과 같이 용해 문제를 완화하기 위한 다양한 방법을 제안되고 있지만, 이러한 안정화 첨가제는 비활성 셀의 총 중량을 크게 증가시키고, 총 에너지 밀도를 감소시키는 문제점이 있다.However, one major problem with functional organic active materials is their high solubility in aprotic electrolytes. This is due to the strong interaction between the functional groups of the organic material and the solvent increasing the solubility of the active material during battery operation, resulting in unacceptable cycling performance with low coulombic efficiency. To solve this problem, various methods have been recently proposed to alleviate the dissolution problem, such as polymerization, the use of a conductive scaffold for immobilizing the active material, or the use of PEO / LISICON solid electrolyte. There are problems in that the total weight of the inactive cell is greatly increased and the total energy density is reduced.

또한, 유기계 활물질의 또 다른 주요 문제는 HOMO-LUMO 간격이 크기 때문에 전도성이 좋지 않다는 것이며, 적절한 율속 성능을 제공하려면 15-40 wt% 의 상당히 많은 도전재가 필요하다. 이는 궁극적으로 전지의 에너지 밀도를 감소시키는 문제점이 있다.In addition, another major problem of the organic active material is that the conductivity is not good due to the large HOMO-LUMO gap, and a fairly large amount of 15-40 wt% of the conductive material is required to provide an appropriate rate-limiting performance. This ultimately has a problem in reducing the energy density of the battery.

한편, 고용체 화합물은 2 개의 개별 성분들 사이의 강한 상호 관계로 인해, 새로운 특성을 갖는 연속 유사 동구조적(continuum quasi-isostructural) 화합물이 형성될 수 있는 것으로, 전이 금속계 무기 재료로 고용체를 형성함으로써, 반도체 재료의 효율적인 밴드 갭 엔지니어링으로 에너지 저장 및 장치의 특성에서 상당한 개선이 보고되었다. 그러나 균질한 고용체를 형성하기 위한 엄격한 전제 조건으로 인해 에너지 저장 물질에서 기능성 유기 고용체의 연구는 이루어지지 않고 있는 실정이다.On the other hand, a solid solution compound can form a continuum quasi-isostructural compound with new properties due to the strong interrelationship between two individual components. By forming a solid solution with a transition metal-based inorganic material, Significant improvements in energy storage and device properties have been reported with efficient bandgap engineering of semiconductor materials. However, due to strict prerequisites for forming a homogeneous solid solution, studies on functional organic solid solutions in energy storage materials have not been conducted.

따라서 유기 고용체를 이용하여 높은 전도성, 높은 에너지 밀도 및 높은 출력밀도를 갖는 음극재에 대한 연구가 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for research on an anode material having high conductivity, high energy density, and high output density using an organic solid solution.

1. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 51, 29517-29524(2014.11.26 공개)1. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 51, 29517-29524 (published on November 26, 2014)

본 발명의 목적은 높은 성능을 갖는 리튬, 소듐 이차전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지용 음극을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to provide an anode active material for a lithium and sodium secondary battery having high performance and an anode for a secondary battery including the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 높은 성능을 갖는 리튬, 소듐 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 이차전지용 음극 제조방법을 제공하는 데에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery including the negative active material for lithium and sodium secondary batteries having the above high performance.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene) 혼합 고용체를 포함하는 음극 활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an anode active material including a mixed solid solution of hexabenzocoronene and fluorinated-hexabenzocoronene.

또한, 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 이차전지용 음극을 제공한다.In addition, the present invention provides a negative electrode for a secondary battery comprising the negative active material.

또한, 본 발명은 a) 헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene)을 혼합하여 고용체를 제조하는 단계; b) a) 단계의 고용체를 금속에 코팅하고, 어닐링 처리하여 음극을 제조하는 단계; 를 포함하는 이자전지용 음극 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: a) preparing a solid solution by mixing hexabenzocoronene and fluorinated hexabenzocoronene; b) preparing a negative electrode by coating the solid solution of step a) on a metal and annealing; It provides a method for manufacturing a negative electrode for an interest battery comprising a.

본 발명에 따른 유기 고용체는 전기전도도가 높기 때문에 별도로 도전재를 혼합할 필요가 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 기존 유기 음극 전지의 수명을 크게 향상시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.Since the organic solid solution according to the present invention has high electrical conductivity, there is no need to separately mix a conductive material, so it is possible to significantly lower the manufacturing cost and significantly improve the lifespan of the existing organic negative electrode battery.

또한, 유기 cHBC /FcHBC 고용체는 리튬 및 소듐이온 이차전지에서 우수한 가역 용량, 우수한 율속 성능, 우수한 쿨롱 효율 및 뛰어난 사이클 안정성을 나타내어 리튬 또는 소듐 이차전지의 음극으로 유용하게 활용할 수 있다.In addition, the organic cHBC / FcHBC solid solution exhibits excellent reversible capacity, excellent rate performance, excellent Coulombic efficiency, and excellent cycle stability in lithium and sodium ion secondary batteries, and thus can be usefully used as an anode of lithium or sodium secondary batteries.

도 1은 cHBC 및 FcHBC의 분자 구조 및 유사 동구조적 cHBC 및 FcHBC 분자 고용체의 개략도를 나타낸 도면이다.
도 2는 A) FcHBC, cHBC / FcHBC 혼합비 B) 3 : 7, C) 5 : 5 및 D) 7 : 3, E) cHBC의 SEM 이미지(스케일 바는 20 ㎛ 및 2 ㎛(삽입도)), F) Li 금속 반-전지 구조에서 다양한 전극의 나이퀴스트 플롯, G) 나이퀴스트 플롯에 상응하는 RSEI + RCT 값, H) 전극의 2D GIWAXS 1D 회절 트레이스를 나타낸 도면이다.
도 3은 A) cHBC, FcHBC 및 3 : 7 및 5 : 5의 혼합비를 갖는 cHBC / FcHBC 고용체 전극의 정전류 충전-방전 프로파일, B) 리튬화된 cHBC / FcHBC 전극의 1D 회절 트레이스, C) 10 % 리튬화 공정마다 연속적으로 얻어진 cHBC / FcHBC 전극의 XRD 패턴, 및 D) 20 % 리튬화 공정마다 연속적으로 얻어진 cHBC / FcHBC 전극의 F 1s XPS 스펙트럼, E) [010], [001] 및 [100] 방향에 따른 cHBC / FcHBC 고용체의 P2 1 / n 결정상(cHBC와 FcHBC 분자는 각각 회색과 노란색으로 표시, 불소는 빨간색으로 표시)을 나타낸 도면이다.
도 4는 400 사이클 후 리튬화된 cHBC / FcHBC (5 : 5) 고용체 전극의 1D 회절 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 5는 A) 0.1 A g-1 ~ 7.0 A g-1 범위의 전류밀도에 따른 3 : 7 (녹색) 및 5 : 5 (빨간색)의 몰비(mol : mol)로 혼합한 cHBC / FcHBC 전극의 율속 성능, B) 0.03 ~ 1.0 mV s-1의 다양한 전압 스윕 속도에서 5 : 5 전극의 CV 프로파일, C) 스윕 속도(ν) 대 피크 전류(i p )의 로그-로그 플롯, D) 0.4 mV s-1의 스윕 속도에서 CV 프로파일(음영영역은 저장된 총 충전량에 대한 용량 기여(k 1 ν)를 나타냄), E) Li- 이온수(n)의 함수로서 Li- 이온을 갖는 P2 1 / n 결정상 cHBC / FcHBC 고용체의 형성 에너지, F) 실험(검은선) 및 계산된(빨간선) 전압 프로파일(F)의 삽입 : [010] 방향을 따라 12, 24 및 36 개의 Li- 이온을 갖는 최적화된 cHBC / FcHBC 고용체의 투영도), G) 5.0 A g-1의 전류밀도에서 cHBC / FcHBC 전극 (5 : 5)의 장기 사이클 안정성 및 쿨롱 효율을 나타낸 도면이다.
도 6은 [010], [001] 및 [100] 방향에 따른 connolly 표면(파란색)을 갖는 P2 1 / n 결정상 cHBC / FcHBC 고용체를 나타낸 도면이다(cHBC와 FcHBC 분자는 각각 회색과 노란색으로 표시, 불소 원자는 빨간색으로 표시).
도 7은 [010], [001] 및 [100] 방향을 따라 리튬 이온을 포함하는 cHBC / FcHBC 고용체의 P2 1 / n 결정상을 나타낸 도면이다(cHBC 분자, FcHBC 분자, cHBC 및 FcHBC 분자의 방향족 고리 사이에 끼인 Li 이온, cHBC 분자의 방향족 고리와 FcHBC 분자의 불소 사이의 Li 이온 및 cHBC 및 FcHBC 분자의 방향족 고리의 Li 이온은 각각 회색, 노란색, 자주색, 자홍색 및 청색으로, 불소 원자는 빨간색으로 표시).
도 8은 Li 이온을 포함하는 P2 1 / n 결정상 cHBC / FcHBC 고용체의 최적화된 구조에서 Li 이온의 흡착 부위 확대도; A) cHBC의 방향족 고리와 FcHBC 분자 사이에 끼워진 리튬 이온 (사이트 Ⅰ, 자주색), B) cHBC의 방향족 고리와 FcHBC의 불소 사이의 리튬 이온 (사이트 Ⅱ, 자홍색), C) FcHBC 분자 방향족 고리의 리튬 이온 (사이트 Ⅲ, 청색)(cHBC와 FcHBC 분자는 회색과 노란색으로 표시, 불소 원자는 빨간색으로 표시, Li 이온의 밀접한 접촉은 주황색 점선으로 표시)를 나타낸 도면이다.
도 9는 A) Na 금속 반-전지 구조에서 cHBC(흑색), FcHBC(회색) 및 cHBC / FcHBC (5 : 5) 전극(빨간색)의 나이퀴스트 플롯, B) 0.1A g-1의 전류밀도에서 cHBC / FcHBC 전극의 전압값, C) Na- 이온수(n)의 함수로서 Na- 이온을 갖는 P2 1 / n 결정상 cHBC / FcHBC 고용체의 형성 에너지, D) 실험(검은선) 및 계산된(빨간선) 전압 프로파일(D)의 삽입 : [010] 방향을 따라 12, 20 및 24 개의 Na- 이온을 갖는 최적화된 cHBC / FcHBC 고용체의 투영도), E) 0.1A g-1 ~ 3.0 A g-1의 전류밀도에서의 율속 성능 및 F) 0.5 A g-1의 전류밀도에서 사이클 안정성을 나타낸 도면이다.
도 10은 [010], [001] 및 [100] 방향을 따라 소듐 이온을 포함하는 cHBC / FcHBC 고용체의 P2 1 / n 결정상을 나타낸 도면이다(cHBC 분자, FcHBC 분자, cHBC 및 FcHBC 분자의 방향족 고리 사이에 끼인 Na 이온, cHBC 분자의 방향족 고리와 FcHBC 분자의 불소 사이의 Na 이온 및 FcHBC 분자의 방향족 고리의 Na 이온은 각각 회색, 노란색, 자주색, 자홍색 및 청색으로, 불소 원자는 빨간색으로 표시).
도 11은 Na 이온 배터리에서 cHBC / FcHBC (5 : 5) 고용체 전극의 순환 전압 전류 분석 결과로, A) 0.1 mV s-1 내지 0.4 mV s-1의 다양한 스캔 속도에서의 CV 프로파일, B) 스윕 속도(ν) 대 피크 전류(i p )의 로그-로그 플롯, C) 0.4 mV s-1의 스윕 속도에서 CV 프로파일(음영영역은 저장된 총 충전량에 대한 용량 기여(k 1 ν)를 나타냄)을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram showing the molecular structures of cHBC and FcHBC and a solid solution of similar isostructural cHBC and FcHBC molecules.
Figure 2 shows A) FcHBC, cHBC / FcHBC mixing ratio B) 3: 7, C) 5: 5 and D) 7: 3, E) SEM images of cHBC (scale bars are 20 μm and 2 μm (inset)), F) Nyquist plots of various electrodes in a Li metal half-cell structure, G) R SEI + R CT values corresponding to Nyquist plots, H) 2D GIWAXS 1D diffraction traces of electrodes.
3 shows A) constant current charge-discharge profiles of cHBC, FcHBC and cHBC/FcHBC solid solution electrodes with mixing ratios of 3:7 and 5:5, B) 1D diffraction traces of lithiated cHBC/FcHBC electrodes, C) 10% XRD patterns of cHBC/FcHBC electrodes successively obtained per lithiation process, and D) F 1s XPS spectra of cHBC/FcHBC electrodes successively obtained per 20% lithiation process, E) [010], [001] and [100] It is a diagram showing the P2 1 / n crystal phase of cHBC / FcHBC solid solution according to the direction (cHBC and FcHBC molecules are shown in gray and yellow, fluorine is shown in red).
4 is a diagram showing the 1D diffraction profile of a lithiated cHBC/FcHBC (5:5) solid solution electrode after 400 cycles.
5 is A) cHBC / FcHBC electrode mixed with a molar ratio (mol: mol) of 3: 7 (green) and 5: 5 (red) according to the current density in the range of 0.1 A g -1 to 7.0 A g -1 Rate performance, B) CV profile of a 5:5 electrode at various voltage sweep rates from 0.03 to 1.0 mV s −1 , C) log-log plot of sweep rate ( ν ) versus peak current (ip ) , D) 0.4 mV CV profile at sweep rate of s −1 (shaded region represents capacity contribution to total stored charge ( k 1 ν)), E) P2 1 / n crystalline phase with Li-ions as a function of Li-ion number (n) Formation energy of cHBC/FcHBC solid solution, F) Inset of experimental (black line) and calculated (red line) voltage profiles (F): optimized cHBC with 12, 24 and 36 Li-ions along the [010] direction / Projection of FcHBC solid solution), G) A diagram showing the long-term cycle stability and Coulombic efficiency of the cHBC / FcHBC electrode (5: 5) at a current density of 5.0 A g -1 .
6 is a diagram showing a P2 1 / n crystalline cHBC / FcHBC solid solution having a connolly surface (blue) along the [010], [001] and [100] directions (cHBC and FcHBC molecules are shown in gray and yellow, respectively; Fluorine atoms are shown in red).
7 is a view showing the P2 1 / n crystal phase of a cHBC / FcHBC solid solution containing lithium ions along the [010], [001] and [100] directions (cHBC molecules, FcHBC molecules, aromatic rings of cHBC and FcHBC molecules) The interposed Li ion, the Li ion between the aromatic ring of the cHBC molecule and the fluorine of the FcHBC molecule, and the Li ion of the aromatic ring of the cHBC and FcHBC molecule are shown in gray, yellow, purple, magenta and blue, respectively, and the fluorine atom in red. ).
8 is an enlarged view of the adsorption site of Li ions in the optimized structure of P2 1 / n crystalline cHBC / FcHBC solid solution containing Li ions; A) Lithium ion interposed between the aromatic ring of cHBC and FcHBC molecule (site I, purple), B) Lithium ion between the aromatic ring of cHBC and fluorine of FcHBC (site II, magenta), C) Lithium of the aromatic ring of FcHBC molecule Ions (site III, blue) (cHBC and FcHBC molecules are shown in gray and yellow, fluorine atoms are shown in red, and Li ions are in close contact with orange dotted lines).
9 is A) Nyquist plot of cHBC (black), FcHBC (grey) and cHBC / FcHBC (5:5) electrodes (red) in Na metal half-cell structure, B) Current density of 0.1A g -1 voltage value of cHBC/FcHBC electrode in, C) formation energy of P2 1 /n crystalline cHBC/FcHBC solid solution with Na-ion as a function of Na-ion number (n), D) experimental (black line) and calculated (red line) Line) Inset of voltage profile (D): Projection of an optimized cHBC/FcHBC solid solution with 12, 20 and 24 Na- ions along the [010] direction), E) 0.1A g -1 to 3.0 A g -1 It is a diagram showing the rate-limiting performance at a current density of F) and cycle stability at a current density of 0.5 A g -1 .
10 is a view showing the P2 1 / n crystal phase of a cHBC / FcHBC solid solution containing sodium ions along the [010], [001] and [100] directions (cHBC molecules, FcHBC molecules, aromatic rings of cHBC and FcHBC molecules) The interposed Na ion, the Na ion between the aromatic ring of the cHBC molecule and the fluorine of the FcHBC molecule, and the Na ion of the aromatic ring of the FcHBC molecule are shown in gray, yellow, purple, magenta and blue, respectively, and the fluorine atom in red).
11 is a cyclic voltammetry analysis result of cHBC/FcHBC (5:5) solid solution electrode in Na-ion battery, A) CV profile at various scan rates from 0.1 mV s −1 to 0.4 mV s −1 , B) sweep Log-log plot of velocity (ν) versus peak current ( i p ), C) C) CV profile at sweep rate of 0.4 mV s −1 (shaded area represents capacity contribution ( k 1 ν) to total stored charge) the drawing shown.

이하에서는 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 유기 다환방향족 탄화수소인 헥사벤조코로넨 분자를 이용하여 결정구조를 갖는 고용체 음극 활물질을 제조하였으며, 이는 리튬 및 소듐이온 이차전지에서 도전재를 첨가하지 않고도 우수한 가역 용량, 우수한 율속 성능, 우수한 쿨롱 효율 및 뛰어난 사이클 안정성을 나타내어 이차전지의 음극으로 유용하게 이용할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The present inventors have prepared a solid solution anode active material having a crystal structure using hexabenzocoronene molecules, which are organic polycyclic aromatic hydrocarbons, which have excellent reversible capacity, excellent rate performance, The present invention was completed by revealing that it can be usefully used as a negative electrode of a secondary battery by showing excellent coulombic efficiency and excellent cycle stability.

본 발명은 헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene) 혼합 고용체를 포함하는 음극 활물질을 제공한다.The present invention provides an anode active material comprising a mixed solid solution of hexabenzocoronene and fluorinated-hexabenzocoronene.

이때, 상기 고용체는 휘어진 헥사벤조코로넨(contorted hexabenzocoronene; cHBC)와 휘어진 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-contorted hexabenzocoronene; FcHBC)이 균일하게 혼합되어(도 1) 단사정계 P2 1 / n 결정구조를 가질 수 있다.At this time, the solid solution is a curved hexabenzocoronene (contorted hexabenzocoronene; cHBC) and curved fluorinated hexabenzocoronene (fluorinated-contorted hexabenzocoronene; FcHBC) is uniformly mixed (Fig. 1) monoclinic P2 1 / n crystal can have a structure.

또한, 상기 헥사벤조코로넨 및 불소화된 헥사벤조코로넨은 (3 내지 7) : (7 내지 3)의 몰비(mol : mol)로 혼합되어 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 5 : 5의 몰비로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the hexabenzocoronene and the fluorinated hexabenzocoronene are mixed in a molar ratio (mol:mol) of (3 to 7): (7 to 3) to form a solid solution, preferably It may be mixed in a molar ratio of 5: 5, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 이차전지용 음극을 제공한다.In addition, the present invention provides a negative electrode for a secondary battery comprising the negative active material.

이때, 상기 이차전지는 리튬이온 또는 소듐이온 이차전지인 것을 특징으로 하나, 이에 제한 없이 통상적인 이차전지의 음극에 적용 가능하다.In this case, the secondary battery is characterized in that it is a lithium ion or sodium ion secondary battery, but is applicable to the negative electrode of a conventional secondary battery without limitation.

본 발명의 리튬이온 또는 소듐이온 전지에 있어서, 음극 또는 양극은 집전체 상에 활물질, 바인더 및 용매 등을 포함하여 제조할 수 있으며, 상기 음극 활물질 외에 상기 집전체, 바인더 및 용매는 리튬이온 또는 소듐이온 전지 제조에 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 리튬이온 또는 소듐이온 전지는 분리막을 추가로 포함할 수 있다. In the lithium ion or sodium ion battery of the present invention, the negative electrode or positive electrode may be prepared by including an active material, a binder and a solvent on a current collector, and the current collector, the binder and the solvent in addition to the negative active material are lithium ion or sodium Any one commonly used for manufacturing ion batteries may be used without limitation. In addition, the lithium ion or sodium ion battery of the present invention may further include a separator.

구체적으로, 본 발명의 리튬이온 또는 소듐이온 전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막으로 이루어진 전극 구조체에 리튬이온 또는 소듐이온 전지용 전해액을 주입하여 제조할 수 있다. 이때, 상기 분리막은 리튬이온 또는 소듐이온 전지 제조에 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다.Specifically, the lithium ion or sodium ion battery of the present invention can be manufactured by injecting an electrolyte solution for a lithium ion or sodium ion battery into an electrode structure comprising a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. In this case, the separator may be used without limitation as long as it is conventionally used for manufacturing a lithium ion or sodium ion battery.

또한, 본 발명은 a) 헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene)을 혼합하여 고용체를 제조하는 단계; 및 b) a) 단계의 고용체를 금속에 코팅하고, 어닐링 처리하여 음극을 제조하는 단계; 를 포함하는 이자전지용 음극 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: a) preparing a solid solution by mixing hexabenzocoronene and fluorinated hexabenzocoronene; and b) coating the solid solution of step a) on a metal, and annealing to prepare an anode; It provides a method for manufacturing a negative electrode for an interest battery comprising a.

이때, 상기 고용체는 휘어진 헥사벤조코로넨(contorted hexabenzocoronene; cHBC)와 휘어진 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-contorted hexabenzocoronene; FcHBC)이 균일하게 혼합되어 단사정계 P2 1 / n 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 헥사벤조코로넨 및 불소화된 헥사벤조코로넨은 (3 내지 7) : (7 내지 3)의 몰비(mol : mol)로 혼합되어 고용체를 형성할 수 있다.At this time, the solid solution is a monoclinic P2 1 / n crystal structure in which curved hexabenzocoronene (cHBC) and curved fluorinated-contorted hexabenzocoronene (FcHBC) are uniformly mixed. Characterized, the hexabenzocoronene and the fluorinated hexabenzocoronene may be mixed in a molar ratio (mol:mol) of (3 to 7): (7 to 3) to form a solid solution.

또한, 상기 어닐링 처리는 a) 금속에 코팅된 고용체를 THF-증기 어닐링 처리하는 단계; b) a) 단계 처리된 고용체를 300 내지 400℃의 온도에서 열 어닐링 처리하는 단계; 및 c) b) 단계 처리된 고용체를 전해액 증기 어닐링 처리하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the annealing treatment comprises the steps of: a) THF-steam annealing of the solid solution coated on the metal; b) a) subjecting the treated solid solution to thermal annealing at a temperature of 300 to 400° C.; and c) b) subjecting the treated solid solution to an electrolyte vapor annealing.

이때, 상기 THF-증기 어닐링 처리는 본 발명에 따른 고용체 슬러리를 구리 호일 상단에 도포, 건조하여 음극 제조 후, 제조된 음극을 THF 용매 웅덩이(4 mL)가 있는 닫힌계(예: 바이알 등)에 THF 웅덩이와 닿지 않게 둠으로써, THF 증기가 음극 표면에서 물질의 결정구조를 변화시키는 단계로, 음극과 THF의 직접 접촉은 없으며, 음극 물질은 THF 물질에 녹지 않고, THF 증기 어닐링 단계를 통해 뭉쳐지거나 음극이 파괴되지 않는다.At this time, in the THF-steam annealing treatment, the solid solution slurry according to the present invention is applied on top of a copper foil and dried to prepare a negative electrode, and then the prepared negative electrode is placed in a closed system (eg, vial, etc.) with THF solvent puddle (4 mL) in THF By leaving it out of contact with the puddle, the THF vapor changes the crystal structure of the material on the surface of the anode, there is no direct contact between the cathode and THF, the cathode material is insoluble in the THF material, and agglomerated or agglomerated through the THF vapor annealing step. It is not destroyed.

또한, 상기 전해액은 리튬염 또는 소듐염; 및 카보네이트계 용매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the electrolyte solution is a lithium salt or sodium salt; and a carbonate-based solvent.

여기서, 상기 전해액은 LiPF6, LiClO4, NaPF6, NaClO4 의 리튬염 또는 소듐염과 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate; EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate; DEC), 1~10 wt% 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate; FEC)의 용매가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Here, the electrolyte is LiPF 6 , LiClO 4 , NaPF 6 , a lithium salt or sodium salt of NaClO 4 and ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), 1-10 wt% fluoroethylene A solvent of carbonate (fluoroethylene carbonate; FEC) may be used, but is not limited thereto.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it is to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. it will be self-evident

<참고예> 실험재료<Reference example> Experimental material

cHBC 및 FcHBC 분자는 이전 보고서의 절차에 따라 합성되었다(J Mater Chem A 2018, 6, 12589, Adv Sci 2018, 5, 1801365). N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP) 및 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran; THF)은 알드리치(Aldrich Korea)에서 구입하여 정제 없이 사용하였다. 전기 화학적 성능 측정에 사용된 2032-형 코인셀, 전해질 및 폴리에틸렌 (PE) 분리막 (Celgard 2400)은 각각 웰코스(Wellcos Co., Korea) 및 셀가드(Celgard®)에서 구입했다.cHBC and FcHBC molecules were synthesized according to the procedure in a previous report ( J Mater Chem A 2018 , 6 , 12589, Adv Sci 2018 , 5 , 1801365). N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone; NMP) and tetrahydrofuran (THF) were purchased from Aldrich Korea and used without purification. The 2032-type coin cell, electrolyte and polyethylene (PE) separator (Celgard 2400) used for electrochemical performance measurement were purchased from Wellcos Co., Korea and Celgard®, respectively.

<< 실시예Example 1> 작업전극(working electrode) 제조 1> Manufacture of working electrode

cHBC, FcHBC 및 cHBC / FcHBC 혼합(blend) 고용체 슬러리는 cHBC, FcHBC 또는 cHBC / FcHBC 혼합 분말을 NMP 용매에서 PVDF 바인더 (분말(활물질)/바인더 중량비=95/5)와 혼합하여 제조하였다. 닥터 블레이드(Wellcos Co., Korea)를 사용하여 높이 100 내지 300 ㎛의 슬러리를 18 ㎛의 구리 호일에 코팅하고, 이어서 120 ℃의 진공 오븐에서 밤새 건조시켜 임의의 잔류 용매 및 수분을 제거하였다. 준비된 전극은 THF-증기 어닐링 및 300 내지 400℃의 온도에서 열 어닐링 처리되었다. 상기 THF-증기 어닐링은 준비된 음극을 THF 용매 웅덩이(4 mL)가 있는 닫힌계(예: 바이알 등)에 둠으로써 THF 증기가 음극 표면에서 물질의 결정구조를 변화시키도록 한 것이다. 이후, Ar-충진된 글로브 박스에서 10 ml의 배터리 전해질과 함께 80 ml 바이알에 전극 조각을 50 ℃ 및 실온에서 각각 2 시간 및 6 시간 동안 배치함으로써 전해액 증기 어닐링을 수행하였다. 상기 어닐링용 전해액은 LiPF6, LiClO4, NaPF6, NaClO4 용질과 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate; EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate; DEC), 1~10 wt% 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate; FEC)의 용매를 이용하였다.cHBC, FcHBC and cHBC / FcHBC mixed solid solution slurry was prepared by mixing cHBC, FcHBC or cHBC / FcHBC mixed powder with PVDF binder (powder (active material) / binder weight ratio = 95/5) in NMP solvent. Using a doctor blade (Wellcos Co., Korea), the slurry of 100 to 300 μm in height was coated on 18 μm copper foil, and then dried in a vacuum oven at 120° C. overnight to remove any residual solvent and moisture. The prepared electrodes were subjected to THF-steam annealing and thermal annealing at a temperature of 300 to 400°C. In the THF-steam annealing, the prepared cathode is placed in a closed system (eg, a vial, etc.) with a pool of THF solvent (4 mL) so that the THF vapor changes the crystal structure of the material on the surface of the anode. Then, electrolyte vapor annealing was performed by placing the electrode pieces in an 80 ml vial with 10 ml of battery electrolyte in an Ar-filled glove box at 50° C. and room temperature for 2 hours and 6 hours, respectively. The annealing electrolyte is LiPF 6 , LiClO 4 , NaPF 6 , NaClO 4 Solutes and ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), 1-10 wt% fluoroethylene carbonate; FEC) was used.

<< 실시예Example 2> 작업전극의 특성 분석 2> Characteristics analysis of working electrode

전극의 표면 형태는 SEM(S-4800, Hitachi)을 사용하여 분석되었다. XRD (Rigaku D / MAX2500V / PC power diffractometer, Cu Kα radiation, λ=1.5418 Å) 및 2D-GIWAXS를 통해 다양한 전극의 상세한 결정 구조를 분석하였다. GIWAXS(스침각 입사 엑스선 산란) 측정은 포항과학기술대학교의 6D UNIST-Pohang Accelerator Laboratory(PAL) 라인을 사용하여 수행되었다. GIWAXS 샘플은 300 nm SiO2 층을 갖는 Si 웨이퍼 상에 붙이고, THF-증기 어닐링 및 열 어닐링 처리되는 것을 제외하고는 상기 작업 전극 제조와 동일한 절차에 따라 제조되었으며, 고정 입사각이 0.12°인 단색화된 X-선(λ = 1.07216 Å)으로 샘플을 조사하여 분석하였다. cHBC / FcHBC 전극에 대한 화학정보는 초고진공 하에서 Al Kα 방사선(1486.6 eV)으로 XPS 분석(Model ESCALAB 250XI, Thermo Fisher Scientific)을 통해 얻었다.The surface morphology of the electrodes was analyzed using SEM (S-4800, Hitachi). The detailed crystal structures of various electrodes were analyzed by XRD (Rigaku D / MAX2500V / PC power diffractometer, Cu Kα radiation, λ=1.5418 Å) and 2D-GIWAXS. GIWAXS (grazing angle incident X-ray scattering) measurements were performed using the 6D UNIST-Pohang Accelerator Laboratory (PAL) line of Pohang University of Science and Technology. GIWAXS samples were prepared following the same procedure as the above working electrode preparation except that they were glued onto a Si wafer with a 300 nm SiO 2 layer, subjected to THF-steam annealing and thermal annealing, monochromated X with a fixed incidence angle of 0.12°. The samples were analyzed by irradiating them with a -line (λ = 1.07216 Å). Chemical information for the cHBC / FcHBC electrode was obtained through XPS analysis (Model ESCALAB 250XI, Thermo Fisher Scientific) with Al Kα radiation (1486.6 eV) under ultra-high vacuum.

<< 실시예Example 3> 작업전극의 전기화학 분석 3> Electrochemical analysis of working electrode

전기화학적 분석을 위해, 2032-형 코인셀은 다양한 작업전극(cHBC, FcHBC 또는 cHBC / FcHBC 혼합), PE 분리막 및 Li 또는 Na 호일을 상대전극으로 조립하였다. Li- 또는 Na- 이온 저장 셀의 경우, 10 wt% FEC와 EC / DEC (부피비 30/70) 용매, 1 M LiPF6 용질 또는 4 wt% FEC와 EC / DEC(부피비 50/50) 용매 및 1.3 M NaPF6 용질 전해질이 각각 사용되었다. XPS 분석을 위해, EC / DEC (부피비 50/50) 용매 및 1 M LiClO4이 포함된 전해질을 사용하였다. EIS 및 CV 측정은 다중 채널 포텐시오스탯(potentiostat,BioLogic VSP-300)을 사용하여 수행하였다. 나이퀴스트(nyquist) 플롯은 10 mV의 진폭 전압으로 2 × 105 Hz에서 1 × 10-1 Hz의 주파수 범위에서 측정되었다. CV 는 1.2 V ~ 0.01 V의 전압 범위에서 다양한 스윕(sweep) 속도로 측정되었다. 다양한 전류밀도에서 정전류 충전-방전 측정은 2.00 ~ 0.01 V (vs Li / Li+ 또는 Na / Na+)의 전압 범위에서 배터리 테스터(Wonatech, WBCS3000S)를 사용하여 수행되었다.For the electrochemical analysis, the 2032-type coin cell was assembled with various working electrodes (cHBC, FcHBC or cHBC / FcHBC mixed), PE separator, and Li or Na foil as counter electrodes. For Li- or Na- ion storage cells, 10 wt % FEC and EC / DEC (30/70 vol) solvent, 1 M LiPF 6 solute or 4 wt % FEC and EC / DEC (50/50 vol) solvent and 1.3 M NaPF 6 solute electrolyte was used respectively. For XPS analysis, an electrolyte containing EC / DEC (volume ratio 50/50) solvent and 1 M LiClO 4 was used. EIS and CV measurements were performed using a multi-channel potentiostat (BioLogic VSP-300). Nyquist plots were measured in the frequency range from 2 × 10 5 Hz to 1 × 10 −1 Hz with an amplitude voltage of 10 mV. CV was measured at various sweep rates over a voltage range of 1.2 V to 0.01 V. Constant current charge-discharge measurements at various current densities were performed using a battery tester (Wonatech, WBCS3000S) in a voltage range of 2.00 to 0.01 V (vs Li / Li + or Na / Na + ).

<< 실험예Experimental example 1> 1> cHBC와cHBC and FcHBCFcHBC 분자 사이의 고용체 형성 Solid solution formation between molecules

별도의 도전재 사용 없이 고 에너지 밀도 전극 제조를 위해 상기 <실시예 1>에 따라 cHBC, FcHBC 고용체 음극을 제조하였다.cHBC, FcHBC solid solution negative electrode was prepared according to <Example 1> above for manufacturing a high energy density electrode without using a separate conductive material.

도 2A-2E의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지에서 볼 수 있듯이, 다양한 몰비(mol : mol)로 혼합된 cHBC와 FcHBC 고용체는 다른 형태를 보여주었다. 구체적으로, 3 : 7 (도 2B) 및 5 : 5 (도 2C)의 cHBC : FcHBC 혼합 비율은 표면에서 평균 직경이 4 ㎛인 미세 결정을 나타내는 반면, 7 : 3 샘플 (도 2D)은 적은 수의 미세 결정을 보이며, 평평한 형태를 보여 주었다. 이는, 특정 혼합 비율에서 cHBC와 FcHBC 반도체 물질의 상호 혼화성(miscibility)이 결정 형태에 영향을 미쳐 결정의 특징에 변화를 가져온 것이다.As can be seen from the scanning electron microscope (SEM) images of FIGS. 2A-2E , the cHBC and FcHBC solid solutions mixed at various molar ratios (mol: mol) showed different morphologies. Specifically, the cHBC:FcHBC mixing ratios of 3:7 (Fig. 2B) and 5:5 (Fig. 2C) showed microcrystals with an average diameter of 4 μm at the surface, whereas the 7:3 sample (Fig. 2D) had a small number of microcrystals and showed a flat morphology. This is because the miscibility of the cHBC and the FcHBC semiconductor material at a specific mixing ratio affects the crystal morphology, resulting in a change in the characteristics of the crystal.

cHBC, FcHBC와 비교하여 혼합된 cHBC / FcHBC 필름 작업전극의 전기 화학적 특성을 측정하기 위해 에틸렌 카보네이트 / 디에틸 카본 (EC / DEC 부피비= 30 / 70), 10 wt%의 플루오르화 에틸렌 카보네이트 (FEC) 전해질에 1 M 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 사용하여 Li 금속을 상대전극으로 반-전지(half-cell) 구조를 구성하였다. 도 2F 및 도 2G는 별도의 도전재 사용 없이 FcHBC, cHBC, 및 다양한 몰비(mol : mol)로 혼합된 cHBC / FcHBC 전극에 상응하는 나이퀴스트(Nyquist) 플롯 및 전하 전달 저항 (RCT) 값을 나타냈다. 결과적으로, 나이퀴스트 플롯에서 5 : 5 및 3 : 7의 블렌드 비율에 따라 30 및 159 Ω cm-2의 낮은 RCT 값을 확인하였는데, 이는 SEM을 통해 미세 결정을 관찰한 것과 동일한 혼합 비율이다 (도 2B, 2C). 또한, 낮은 RCT 값은 반도체 cHBC와 FcHBC 분자 사이의 잘 발달된 분자 수준의 조립 때문으로, 이는 FcHBC 분자의 상대적으로 더 낮은 LUMO가 혼합 고용체 필름에서 전자 이동을 향상시켜 유기 공결정(co-crystal)과 유사해지기 때문이다. Ethylene carbonate / diethyl carbon (EC / DEC volume ratio = 30 / 70), 10 wt% fluorinated ethylene carbonate (FEC) to measure the electrochemical properties of the mixed cHBC / FcHBC film working electrode compared to cHBC and FcHBC A half-cell structure was constructed using 1 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte and Li metal as a counter electrode. 2F and 2G are Nyquist plots and charge transfer resistance (R CT ) values corresponding to cHBC / FcHBC electrodes mixed with FcHBC, cHBC, and various molar ratios (mol: mol) without the use of a separate conductive material. showed As a result, we found low R CT values of 30 and 159 Ω cm -2 according to the blend ratio of 5: 5 and 3: 7 in the Nyquist plot, which is the same mixing ratio as observed with microcrystals through SEM. (Fig. 2B, 2C). In addition, the low R CT values are due to the well-developed molecular level assembly between the semiconducting cHBC and FcHBC molecules, which indicates that the relatively lower LUMO of the FcHBC molecules enhances electron transfer in the mixed solid solution film, resulting in organic co-crystal (co-crystal) ) because it is similar to

도 2H는 FcHBC, cHBC 및 혼합된 cHBC / FcHBC 필름에서 얻어진 GIWAXS 패턴을 보여주었다. FcHBC, cHBC와 비교했을 때, 도 2H에서 1D 회절 트레이스(trace) 결과는 FcHBC (q

Figure 112020079341505-pat00001
0.49 Å-1)와 cHBC (q
Figure 112020079341505-pat00002
0.69 Å-1)의 두 가지 피크가 새로운 피크의 생성 없이 점진적으로 다양한 몰비(mol : mol)의 혼합 필름에서 이동함을 보여주었다. 또한, 결정질 혼합 필름의 1D 회절은 FcHBC 및 cHBC 성분의 결정 격자 사이의 상관관계를 보여주었다. 이로써 혼합된 cHBC / FcHBC 필름은 하나의 결정구조를 두개의 물질이 공유함으로써 d-spacing 이 바뀌게 되어 x-선 산란에서의 피크 이동이 나타났으며, cHBC, FcHBC의 고용체(solid solution) 형성이 이루어짐을 확인하였다.Figure 2H shows GIWAXS patterns obtained from FcHBC, cHBC and mixed cHBC/FcHBC films. Compared with FcHBC, cHBC, the 1D diffraction trace result in FIG. 2H shows that FcHBC (q
Figure 112020079341505-pat00001
0.49 Å -1 ) and cHBC (q
Figure 112020079341505-pat00002
0.69 Å −1 ) showed that the two peaks gradually shifted in the mixed film of various molar ratios (mol: mol) without the generation of new peaks. In addition, 1D diffraction of the crystalline mixed film showed a correlation between the crystal lattice of FcHBC and cHBC components. As a result, in the mixed cHBC / FcHBC film, as two materials share one crystal structure, d-spacing is changed, peak shift in x-ray scattering, and solid solution of cHBC and FcHBC is formed. was confirmed.

<< 실험예Experimental example 2> 2> cHBC와cHBC and FcHBCFcHBC 고용체의 특성 분석 Characterization of the solid solution

전기화학 분석은 cHBC, FcHBC 및 3 : 7 및 5 : 5 몰비(mol : mol)의 고용체 전극으로 반-전지 구조를 제조하여 추가로 수행하였다. 도 3A에서 전류 밀도 0.1 A g-1의 충전-방전 전압 곡선에서 볼 수 있듯이, 혼합 비율이 5 : 5 인 고용체 전극은 350 mA h g-1의 가장 높은 가역 용량(reversible capacity)을 나타냈으며, 이는 cHBC 음극 가역 용량(80 mA hg-1) 보다 약 4 배 이상 더 높게 나타났다. 이러한 결과는 특정 혼합 비율에서의 고용체 형성이 가역적 용량을 향상시킨다는 것을 나타내며, 이는 도 2에서의 SEM 및 전기 화학적 임피던스 분광법(EIS) 결과와 잘 일치한다. Electrochemical analysis was further performed by preparing a half-cell structure with solid solution electrodes of cHBC, FcHBC, and 3: 7 and 5: 5 molar ratios (mol: mol). As can be seen from the charge-discharge voltage curve with a current density of 0.1 A g −1 in FIG. 3A , the solid solution electrode with a mixing ratio of 5: 5 exhibited the highest reversible capacity of 350 mA hg −1 , which cHBC negative electrode reversible capacity (80 mA hg -1 ) was about 4 times higher than the higher. These results indicate that solid solution formation at a certain mixing ratio enhances the reversible capacity, which is in good agreement with the SEM and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results in FIG. 2 .

5 : 5 비율의 고용체 전극에서 고용량의 이유를 알아보기 위해 0.1 A g-1의 전류 밀도에서 리튬 이온을 완전히 리튬화(lithiation) 한 후, GIWAXS 분석을 수행하였다. 도 3B는 리튬화 된 5 : 5 고용체 전극의 1D GIWAXS 패턴을 보여준다. 결과적으로, q

Figure 112020079341505-pat00003
0.51 Å- 1에서 이동된 1 차 피크와 q
Figure 112020079341505-pat00004
0.69 Å-1에서 사라진 회절을 발견하였는데, 이는 초기 리튬화 동안 고용체 필름의 결정상이 완전히 변형되었음을 나타낸다. 또한, 변형된 결정상은 추가 사이클링에 의해 현저하게 변화되지 않았으며, 이는 비가역적인 상 전이가 첫 번째 사이클에서 발생하고, 배터리 사이클링 동안 유지된다는 것을 의미한다(도 4). 이는 cHBC / FcHBC 고용체 전극이 초기 리튬화 공정 동안 분자 구조를 안정화시킴을 시사한다.In order to investigate the reason for the high capacity in the solid solution electrode with a ratio of 5: 5, lithium ions were completely lithiated at a current density of 0.1 A g -1 , and then GIWAXS analysis was performed. Figure 3B shows the 1D GIWAXS pattern of a lithiated 5:5 solid solution electrode. As a result, q
Figure 112020079341505-pat00003
1st peak shifted at 0.51 Å - 1 and q
Figure 112020079341505-pat00004
A diffraction that disappeared at 0.69 Å −1 was found, indicating that the crystalline phase of the solid solution film was completely transformed during initial lithiation. In addition, the strained crystalline phase was not significantly changed by further cycling, meaning that an irreversible phase transition occurs in the first cycle and is maintained during battery cycling (Fig. 4). This suggests that the cHBC/FcHBC solid solution electrode stabilizes the molecular structure during the initial lithiation process.

cHBC / FcHBC (5 : 5) 고용체의 상세한 결정상 변화를 더 이해하기 위해, 초기 리튬화 공정으로부터 cHBC / FcHBC 전극의 연속적인 XRD 패턴을 측정하였다. 도 3C에서 알 수 있듯이, 매 10% 리튬화과정 동안 cHBC / FcHBC 전극에서 2θ = 7.2 °에서의 회절 부분이 방전 용량 60 % 지점에서 현저하게 향상되었고, 100 % 방전 용량까지 점차적으로 증가되었음을 보여주었다. To further understand the detailed crystal phase changes of the cHBC/FcHBC (5:5) solid solution, the continuous XRD pattern of the cHBC/FcHBC electrode from the initial lithiation process was measured. As can be seen from Fig. 3C, the diffraction portion at 2θ = 7.2 ° in the cHBC / FcHBC electrode during every 10% lithiation process was significantly improved at the 60% point of the discharge capacity, showing that it gradually increased to 100% of the discharge capacity. .

ex-situ XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)로부터의 상세한 화학적 상태 정보는 cHBC / FcHBC 전극의 상 변화를 추가로 설명할 수 있다. XPS 분석을 위해 불소가 없는 전해질 (EC / DEC 중 1M LiClO4, 부피비 50/50)을 사용하여 LiPF6 또는 FEC 성분이 분해될 가능성을 제거하였다. 도 3D의 F 1s 스펙트럼은 60 % 리튬 화 과정 시점에서 684.9 eV의 LiF 특성 피크가 빠르게 증가하고, 방전 용량이 점차 증가함에 따라 증가됨을 나타냈다. 이는 도 3C의 XRD 결과와 함께, 리튬화 공정 동안 LiF의 존재가 결정 층의 변화를 초래하는 표면층의 형성을 나타내는 것으로 확인되었다.Detailed chemical state information from ex-situ XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) can further explain the phase change of cHBC/FcHBC electrodes. For XPS analysis, a fluorine-free electrolyte (1M LiClO 4 in EC/DEC, 50/50 volume ratio) was used to eliminate the possibility of decomposition of LiPF 6 or FEC components. The F 1s spectrum in Fig. 3D showed that the LiF characteristic peak of 684.9 eV at the time point of the 60% lithiation process increased rapidly, and increased with the gradual increase of the discharge capacity. This, together with the XRD results in Fig. 3C, was confirmed to indicate the formation of a surface layer in which the presence of LiF during the lithiation process resulted in a change in the crystal layer.

또한, 리튬화 공정 후, cHBC / FcHBC 고용체의 변화된 결정 구조는 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 어닐링 공정을 통해 샘플링된 다양한 고용체 구조의 전산(computational) 스크리닝에 의해 추가로 분석되었다. 고용체 구조의 GIWAXS 패턴과 시뮬레이션된 XRD 패턴을 비교한 결과, cHBC / FcHBC 고용체는 에너지적으로 안정적인 P2 1 / n 결정상을 나타내며, cHBC와 FcHBC 분자가 분자 수준에서 가장 균일하게 혼합된 상태인 것으로 나타났다(도 3E). 이는 cHBC / FcHBC 고용체의 형성이 cHBC 및 FcHBC의 상 분리보다 열역학적으로 선호함을 의미한다. cHBC와 FcHBC가 완전히 혼합되면, 다른 HOMO / LUMO 에너지 수준을 갖는 cHBC와 FcHBC 분자 사이에 명확한 분자 접합이 형성되며, 각 cHBC (FcHBC) 분자는 8 개의 FcHBC (cHBC) 분자로 둘러싸여 있음을 확인하였다. 고용체에서의 이러한 분자 접합은 반도체성 유기 공결정(co-crystal)에서 전하 수송의 향상에 기여할 것이다.In addition, after the lithiation process, the changed crystal structure of cHBC/FcHBC solid solution was further analyzed by computational screening of various solid solution structures sampled through a Monte Carlo simulation annealing process. As a result of comparing the GIWAXS pattern of the solid solution structure with the simulated XRD pattern, the cHBC / FcHBC solid solution showed an energetically stable P2 1 / n crystal phase, and it was found that the cHBC and FcHBC molecules were most uniformly mixed at the molecular level ( Figure 3E). This means that the formation of cHBC/FcHBC solid solution is thermodynamically favored over phase separation of cHBC and FcHBC. When cHBC and FcHBC are thoroughly mixed, a clear molecular junction is formed between cHBC and FcHBC molecules with different HOMO/LUMO energy levels, confirming that each cHBC (FcHBC) molecule is surrounded by eight FcHBC (cHBC) molecules. This molecular junction in solid solution will contribute to the enhancement of charge transport in semiconducting organic co-crystals.

<< 실험예Experimental example 3> 3> 리튬 이온 배터리에서in lithium ion batteries cHBCcHBC / / FcHBCFcHBC 고용체의 전기 화학적 성능 Electrochemical performance of solid solution

P2 1 / n 결정상의 cHBC / FcHBC 3 : 7 및 5 : 5의 혼합 몰비(mol : mol)를 갖는 고용체 전극을 사용하여 도전재를 추가하지 않고, 다양한 전류밀도에서 율속 특성을 분석하였다. 도 5A는 0.1 A g-1 ~ 7.0 A g-1의 다양한 전류밀도에서 3 : 7 및 5 : 5 고용체 전극의 용량 유지 성능을 나타냈다. 5 : 5 고용체 전극에서 셀은 0.1 A g-1의 전류밀도에서 350 mA h g-1의 가역 용량을 나타냈으며, 7.0 A g-1의 높은 전류밀도에서 약 100 mA h g-1을 유지하였다. 이후, 방전 속도가 0.5 A g-1로 돌아가면 용량이 대부분 복구됨을 확인하였다. 이러한 높은 전류 속도에서도 높은 용량을 나타내는 이유는 cHBC / FcHBC 고용체의 고유한 결정 구조 때문이다. 또한, cHBC / FcHBC 고용체는 cHBC와 FcHBC 사이의 분자 접합 형성으로 인해 저전압 히스테리시스(hysteresis)에서도 충분한 전하 수송을 제공하며, 이는 우수한 가역성으로 Li 이온 접근성을 위한 효과적인 빈자리(vacant site)를 발생시킨다. P2 1 / n crystal phase cHBC / FcHBC 3: 7 and 5: using a solid solution electrode having a mixed molar ratio (mol: mol) of 5, without adding a conductive material, the rate characteristics were analyzed at various current densities. 5A shows the capacity retention performance of 3:7 and 5:5 solid solution electrodes at various current densities of 0.1 A g -1 to 7.0 A g -1 . In the 5:5 solid-solution electrode, the cell exhibited a reversible capacity of 350 mA hg -1 at a current density of 0.1 A g -1 , and maintained about 100 mA hg -1 at a high current density of 7.0 A g -1 . Thereafter, it was confirmed that when the discharge rate returned to 0.5 A g -1 , the capacity was mostly recovered. The reason for the high capacity even at such high current rates is the unique crystal structure of the cHBC/FcHBC solid solution. In addition, cHBC/FcHBC solid solution provides sufficient charge transport even at low voltage hysteresis due to the formation of molecular junctions between cHBC and FcHBC, which generates effective vacant sites for Li ion access with good reversibility.

또한, 1.2 ~ 0.01 V 범위의 전압으로 0.03 ~ 1.0 mV s-1의 다양한 스캔 속도에서 순환 전압전류법(cyclic voltammetry; CV) 분석을 수행하였다. 도 5B에서 볼 수 있듯이, 전류 반응 결과 0.2, 0.4V에서 각각 양극과 음극반응의 두 가지 피크를 보여주었으며, 이는 도 3A의 방전 및 충전 전위와 관련이 있다. In addition, cyclic voltammetry (CV) analysis was performed at various scan rates of 0.03 to 1.0 mV s -1 with a voltage in the range of 1.2 to 0.01 V. As can be seen in FIG. 5B, two peaks of positive and negative reactions were shown at 0.2 and 0.4 V, respectively, as a result of the current reaction, which is related to the discharge and charge potentials of FIG. 3A.

또한, log (i p ) 대 log (ν)의 기울기에서 계산된 b 값이 용량성(capacitive) (b = 1) 또는 배터리 (b = 0.5) 거동을 나타내기 때문에 5 : 5 고용체 전극의 반응 동역학을 분석을 위해 i p = a×ν b 방정식(여기서 i p 는 CV 측정에서 피크 전류이고, ν는 피크 전류에 해당하는 스위프 속도이며, ab는 조정 가능한 파라미터이다.)을 사용하여 양극 및 음극반응 피크를 스캔 속도의 함수로 비교하였다. 결과적으로, 양극 및 음극반응 피크 각각에 대해 관찰된 b 값 0.69 및 0.64는 5 : 5 고용체 전극은 배터리 거동을 하는 것이 지배적이라는 것을 나타낸다 (도 5C). 그러나, 식 i(V) = k 1 ν + k 2 ν0 .5 (여기서 k 1 ν 및 k 2 ν0 .5는 각각 용량성 및 확산-제한된 프로세스에 기인한다.)를 사용하여 추가적으로 용량성 거동 기여도를 계산하였다. 도 5D와 같이, 5 : 5 혼합 비율의 필름은 0.4 mV s-1의 스캔 속도의 CV 프로파일에서 약 30 %의 용량성 영역을 나타내었으며, 이는 도 5C에서 계산된 b 값과 잘 일치했다. 이 용량성 부분은 고용체 필름의 FcHBC 분자로부터 유래 될 수있는데, 이는 FcHBC 전극에 대한 이전의 보고와 같이, 불소 원자의 강한 음(negative) 정전기 전위는 궁극적으로 Li 이온 접근성을 증가시키기 때문일 것이다.In addition, the reaction kinetics of the 5:5 solid-solution electrode because the b value calculated from the slope of log( i p ) versus log (ν) indicates capacitive (b = 1) or battery (b = 0.5) behavior. To analyze the positive and negative _ _ Cathodic reaction peaks were compared as a function of scan rate. Consequently, the observed b values of 0.69 and 0.64 for the positive and negative reaction peaks, respectively, indicate that the 5:5 solid-solution electrode dominates the battery behavior (Fig. 5C). However, it is additionally capacitive using the equation i ( V ) = k 1 ν + k 2 ν 0.5 (where k 1 ν and k 2 ν 0.5 are due to capacitive and diffusion-limited processes, respectively ) . The behavioral contribution was calculated. As shown in Fig. 5D, the film with a 5:5 mixing ratio exhibited a capacitive area of about 30% in the CV profile at a scan rate of 0.4 mV s -1 , which was in good agreement with the calculated b value in Fig. 5C. This capacitive moiety could be derived from the FcHBC molecules in the solid solution film, probably because, as previously reported on FcHBC electrodes, the strong negative electrostatic potential of the fluorine atom ultimately increases the Li ion accessibility.

P2 1 / n 결정상 cHBC / FcHBC 고용체 전극의 Li 이온 저장 메커니즘을 이해하기 위해 먼저 0.76 Å(즉, 리튬 이온 반경)의 반경을 갖는 프로브를 사용하여 Connolly 표면을 구성함으로써 Li 이온을 위한 빈공간을 이론적으로 분석하였다 (도 6). 결과적으로, 비어있는 공간의 대부분은 cHBC 및 FcHBC 분자의 휘어진 형태로 인해 각 분자의 가장자리에 존재하였다. 또한, 방향족 고리 사이에는 접근 가능한 빈공간이 있었는데, 이는 유사한 곡률을 갖는 분자의 적층 구조에 의해 야기된 것이다. To understand the Li ion storage mechanism of the P2 1 /n crystalline cHBC/FcHBC solid solution electrode, we theoretically construct a void for Li ions by first constructing a Connolly surface using a probe with a radius of 0.76 Å (i.e., lithium ion radius). was analyzed (FIG. 6). As a result, most of the empty space was at the edge of each molecule due to the curved shape of the cHBC and FcHBC molecules. Also, there were accessible voids between the aromatic rings, which were caused by the stacked structure of molecules with similar curvatures.

특정 Li 이온 저장 위치는 Monte Carlo 시뮬레이션 및 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하여 분석되었다. 다양한 Li 이온 저장 위치를 고려하여, Li 이온을 사용한 cHBC / FcHBC 고용체 결정상의 형성 에너지를 계산했다(도 5E). Li 이온의 각 농도에 대해 가장 낮은 형성 에너지로 정의된 에너지 볼록 껍질(convex hull)은 36 개 이상의 Li 이온이 저장될 때 cHBC / FcHBC 고용체의 결정상이 불안정해짐을 보여주었다. 이의 이론적인 용량은 379 mA h g-1이며, 이는 350 mA h g-1의 값은 갖는 실험 용량과 일치하였다. Li 이온을 갖는 cHBC / FcHBC 고용체의 결정상 구성과 볼록 껍질을 따라 계산된 전압 프로파일은 도 5F와 도 7에 보여주었다. 먼저, Li 이온(사이트 Ⅰ로 표시)은 cHBC 분자의 가장자리 방향족 고리와 FcHBC 분자 사이의 빈자리에 삽입된다(도 8A). 이들은 샌드위치 구조와 양이온-π 상호작용으로 인해 가장 열역학적으로 안정한 부위이다. 다음으로, cHBC 분자 내 방향족 고리의 가장자리와 FcHBC 분자의 불소 사이의 빈자리에 추가의 Li 이온(사이트 Ⅱ로 표시)이 흡착되며, 이는 방향족 탄소의 π 전자와 전기음성 불소 원자의 상호작용으로 인한 것이다(도 8B). 마지막으로, 추가의 Li 이온(사이트 Ⅲ로 표시) 비교적 큰 공간을 가진 FcHBC 분자와 cHBC의 다른 방향족 고리에 위치하며, 양이온-π 상호 작용을 형성한다(도 8C). 결과적으로, 36 개의 Li- 이온이 모두 양이온-π 상호작용 부위에 흡착되었으며, 여기에서 8 개의 Li 이온(22 %)이 FcHBC 분자의 불소 주위에 위치했다(사이트 Ⅱ). 불소 원자의 음의 정전기 전위는 이온 확산을 가속화하여 빠른 산화 환원 반응을 촉진할 수 있을 것이다. 따라서, 사이트 Ⅱ의 리튬 이온 흡착은 실험적으로 관찰된 30 % 용량성 거동의 원인일 수 있다(도 5D). Specific Li ion storage locations were analyzed using Monte Carlo simulations and density functional theory (DFT) calculations. Considering the various Li ion storage positions, the formation energy of the cHBC / FcHBC solid solution crystal phase using Li ions was calculated (Fig. 5E). The energy convex hull, defined as the lowest formation energy for each concentration of Li ions, showed that the crystalline phase of the cHBC/FcHBC solid solution became unstable when more than 36 Li ions were stored. Its theoretical capacity is 379 mA hg -1 , which is consistent with the experimental capacity with a value of 350 mA hg -1 . The crystal phase composition of the cHBC/FcHBC solid solution with Li ions and the voltage profile calculated along the convex hull are shown in FIGS. 5F and 7 . First, Li ions (denoted as site I) are inserted into the vacancy between the fringe aromatic ring of the cHBC molecule and the FcHBC molecule (Fig. 8A). These are the most thermodynamically stable sites due to their sandwich structure and cation-π interactions. Next, additional Li ions (represented by site II) are adsorbed to the vacancy between the edge of the aromatic ring in the cHBC molecule and the fluorine in the FcHBC molecule, which is due to the interaction between the π electron of the aromatic carbon and the electronegative fluorine atom. (Fig. 8B). Finally, an additional Li ion (denoted site III) is located in the other aromatic ring of cHBC with a relatively large-spaced FcHBC molecule, forming a cation-π interaction (Fig. 8C). As a result, all 36 Li- ions were adsorbed to the cation-π interaction site, where 8 Li ions (22%) were located around the fluorine of the FcHBC molecule (site II). The negative electrostatic potential of the fluorine atom could accelerate the ion diffusion and promote a fast redox reaction. Thus, lithium ion adsorption at site II may be responsible for the experimentally observed 30% capacitive behavior (Fig. 5D).

또한, 5 : 5 고용체 전극의 사이클링 안정성을 모니터링하고, 5.0 A g-1의 전류 밀도에서 200 mA h g-1의 안정적인 용량 유지율을 보임을 관찰하였다. 도 5G 및 도 4에서 볼 수 있듯이, 400 사이클 후에도 상당한 결정상의 변화 없이 99.8 % 쿨롱 효율 유지율을 보였다.In addition, the cycling stability of the 5: 5 solid solution electrode was monitored, and it was observed that the stable capacity retention rate of 200 mA hg -1 at a current density of 5.0 A g -1 was observed. As can be seen in FIGS. 5G and 4 , a 99.8% coulombic efficiency retention rate was exhibited without significant crystal phase change even after 400 cycles.

따라서, cHBC / FcHBC 고용체는 가역적 비용량을 350 mA h g-1로 향상시킬 뿐만 아니라 높은 전류 밀도에서 높은 비용량을 유지할 수 있음을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the cHBC / FcHBC solid solution can not only improve the reversible specific capacity to 350 mA hg -1 but also maintain the high specific capacity at high current density.

<< 실험예Experimental example 4> 4> 소듐 이온 배터리에서in sodium ion batteries cHBCcHBC / / FcHBC의FcHBC 전기 화학적 성능 electrochemical performance

Na 이온 배터리용 5 : 5 고용체 전극의 전기 화학적 특성을 추가적으로 분석하였다. 4 wt %의 FEC 전해질을 사용하여 EC / DEC (부피비 50/50) 중 Na 금속 및 1.3 M 나트륨 헥사플루오로포스페이트(NaPF6)로 반-전지를 제조하였다. The electrochemical properties of a 5:5 solid solution electrode for Na-ion batteries were further analyzed. Half-cells were prepared with Na metal and 1.3 M sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) in EC/DEC (volume ratio 50/50) using 4 wt % of FEC electrolyte.

도 9A는 Na 이온 전지에서 도전재가 없는 cHBC, FcHBC 5 : 5 고용체 필름의 EIS 결과를 나타냈다. 나이퀴스트 플롯에서 5 : 5 고용체 전극의 낮은 RCT 값은 도 2F의 Li 이온 전지 결과와 일치함을 의미한다. Figure 9A shows the EIS results of cHBC, FcHBC 5: 5 solid solution film without a conductive material in a Na ion battery. The low R CT value of the 5:5 solid-solution electrode in the Nyquist plot is consistent with the results of the Li-ion cell in Fig. 2F.

또한, 도 9B는 5 : 5 고용체 전극의 정전류 방전 및 충전 곡선을 보여주었다다 결과적으로, 0.1 A g-1의 전류 밀도에서 250 mA h g-1의 비용량은 FcHBC을 음극으로 이용한 것(Adv Sci 2018, 5, 1801365)보다 약 2 배 더 높은 것을 확인하였다. 고용체 전극의 결정 구조에 기초하여, 이러한 높은 비용량은 고용체 형성에서 생성된 Na 이온에 대한 가역성 빈(vacant)자리로 인한 것이다.In addition, Fig. 9B shows the constant current discharge and charge curves of the 5: 5 solid solution electrode. As a result, the specific capacity of 250 mA hg -1 at a current density of 0.1 A g -1 is that FcHBC is used as a negative electrode ( Adv Sci 2018 , 5 , 1801365) was confirmed to be about 2 times higher. Based on the crystal structure of the solid solution electrode, this high specific capacity is due to the reversible vacant sites for Na ions generated in solid solution formation.

P2 1 / n 결정상 cHBC / FcHBC 고용체의 Na 이온 저장 메커니즘을 조사하기 위해 DFT 계산을 수행하였다. Na 이온이 있는 cHBC / FcHBC 고용체의 결정상에 대해 계산된 형성 에너지는 최대 24 개의 Na 이온이 저장될 수 있음을 나타냈다(도 9C). 계산된 전압 프로파일은 도 9D 및 도 10에 도시된 바와 같이 실험 결과와 상관 관계가 있었는데, 이론적 용량 (즉, 253 mA h g- 1)은 250 mA h g-1의 실험 용량과유사함을 확인하였다. 상기 <실험예 3>의 Li 이온 사례에서 입증된 바와 같이, Na 이온 저장 메커니즘도 유사한 사이트 선호도를 나타내었다. Na 이온은 먼저 cHBC 및 FcHBC 분자 내의 가장자리 방향족 고리 사이에서 가장 열역학적으로 안정한 빈 자리에 삽입되었다. 이어서, 추가 Na 이온은 cHBC 분자의 가장자리 방향족 고리와 FcHBC 분자의 불소 사이의 빈자리에 저장되었다. 추가적으로 Na 이온이 삽입됨에 따라, 이들은 접근 가능한 공간이 존재하는 FcHBC 분자의 방향족 고리에 최종적으로 흡착되었다. 결과적으로, 총 24 개의 Na 이온 중 8 개의 Na 이온이 FcHBC 분자의 불소 주위에 흡착되었다. DFT calculations were performed to investigate the Na ion storage mechanism of P2 1 / n crystalline cHBC / FcHBC solid solution. The calculated formation energy for the crystalline phase of cHBC/FcHBC solid solution with Na ions indicated that up to 24 Na ions could be stored (Fig. 9C). The calculated voltage profile was correlated with the experimental results as shown in FIGS. 9D and 10 , confirming that the theoretical capacity (ie, 253 mA hg −1 ) was similar to that of 250 mA hg −1 . As demonstrated in the Li ion case of <Experimental Example 3>, the Na ion storage mechanism also exhibited similar site preference. Na ions were first inserted at the most thermodynamically stable vacancy between the marginal aromatic rings in the cHBC and FcHBC molecules. Subsequently, additional Na ions were stored in the vacancy between the fringe aromatic ring of the cHBC molecule and the fluorine of the FcHBC molecule. As additional Na ions were inserted, they were finally adsorbed to the aromatic ring of the FcHBC molecule where there was an accessible space. As a result, 8 Na ions out of a total of 24 Na ions were adsorbed around the fluorine in the FcHBC molecule.

Na 이온 (33 %)에 대한 용량성 거동의 기여는 Li 이온 (22 %)에 대한 것보다 더 큰 것으로 관찰되었다. 이는 Na 이온이 Li 이온보다 큰 이온 반경으로 인해 Na 이온이 접근할 수 있는 방향족 고리 부위가 감소했기 때문이다. 이것과 관계된 값은 계산된 음극 / 양극반응 b 값과 잘 일치했다. Na 이온 저장에 대한 cHBC / FcHBC 음극의 음극 / 양극반응 b 값은 0.75 / 0.77이며, k 1 ν 영역은 용량성 공정에 해당하는 약 45 % 값을 나타냈다(도 11). 0.4 mV s-1의 스캔 속도에서 전류반응의 이러한 용량성 특성은 Li 이온 저장 전지보다 1.5 배 높으며, 이는 Na 이온의 큰 크기 (1.02 Å)가 용량성 특성을 향상시키기 때문일 것이다. The contribution of the capacitive behavior for Na ions (33%) was observed to be greater than for Li ions (22%). This is because the aromatic ring sites accessible by Na ions are reduced due to the larger ionic radius of Na ions than Li ions. The values related to this were in good agreement with the calculated cathodic/anodic reaction b values. The negative / positive reaction b value of the cHBC / FcHBC negative electrode for Na ion storage was 0.75 / 0.77, and the k 1 ν region showed a value of about 45% corresponding to the capacitive process (Fig. 11). This capacitive characteristic of the current response at a scan rate of 0.4 mV s −1 is 1.5 times higher than that of the Li ion storage cell, probably because the large size of Na ions (1.02 Å) improves the capacitive characteristics.

도 9E는 0.1 ~ 3.0 A g-1의 전류밀도에서 율속 성능을 나타낸다. 5 : 5 고용체 전극은 2.0 A g-1의 높은 전류밀도에서

Figure 112020079341505-pat00005
80 mA h g-1을 나타냈으며, 이는 초기 용량의 약 32 % 이다.9E shows the rate-limiting performance at a current density of 0.1 to 3.0 A g -1 . The 5: 5 solid-solution electrode has a high current density of 2.0 A g -1
Figure 112020079341505-pat00005
80 mA hg -1 , which is about 32% of the initial dose.

또한, 200 사이클에 걸쳐 99 %의 쿨롱 효율로 0.5A g-1의 전류밀도에서 매우 신뢰할 수 있는 사이클 안정성을 확인하였으며(도 9F), 이는 cHBC / FcHBC 고용체 음극도 고성능 Na 이온 저장 셀에 유리하다는 것을 나타낸다.In addition, very reliable cycle stability was confirmed at a current density of 0.5A g -1 with a coulombic efficiency of 99% over 200 cycles (FIG. 9F), indicating that the cHBC / FcHBC solid solution anode is also advantageous for high-performance Na ion storage cells. indicates that

결론적으로, 본 발명자들은 고성능 Li- 및 Na- 이온 저장 셀을 위한 유기 고용체 전극을 효과적으로 제조하였다. 반도체 cHBC / FcHBC 고용체의 경우, Li 이온 저장 셀에 대해 350 mA h g-1의 뛰어난 가역 용량을 나타냈다. 또한, cHBC / FcHBC 고용체 전극은 우수한 성능 및 사이클 안정성도 나타냈다. Li 이온 저장 셀은 7.0 A g-1에서

Figure 112020079341505-pat00006
100 mA h g-1을 나타내었으며, 99.8 % 이상의 쿨롱 효율로 400 회 이상의 사이클 안정성을 보여주었다. 이러한 높은 전기 화학적 성능은 주로 cHBC / FcHBC 고용체의 고유한 P2 1 / n 결정상에 의해 발생하며, 이는 GIWAXS 및 심층적인 계산 분석에 의해 확인되었다. In conclusion, we have effectively fabricated organic solid-solution electrodes for high-performance Li- and Na- ion storage cells. The semiconductor cHBC/FcHBC solid solution showed an excellent reversible capacity of 350 mA hg −1 for the Li ion storage cell. In addition, the cHBC/FcHBC solid solution electrode also showed good performance and cycle stability. Li ion storage cell at 7.0 A g -1
Figure 112020079341505-pat00006
It exhibited 100 mA hg -1 , and showed stability over 400 cycles with a coulombic efficiency of 99.8% or more. This high electrochemical performance is mainly caused by the intrinsic P2 1 /n crystal phase of cHBC/FcHBC solid solution, which was confirmed by GIWAXS and in-depth computational analysis.

또한, Na 이온 저장 셀에 cHBC / FcHBC 고용체 전극을 적용하였을 때, 0.1 A g-1의 전류 밀도에서 250 mA hg-1의 비용량 및 200 사이클 이상에서 99 %의 쿨롱 효율로 신뢰할 수 있는 사이클 안정성을 보여주었다.In addition, when a cHBC / FcHBC solid solution electrode is applied to a Na ion storage cell, reliable cycle stability with a specific capacity of 250 mA hg -1 at a current density of 0.1 A g -1 and a coulombic efficiency of 99% over 200 cycles showed

따라서, cHBC / FcHBC 고용체는 Li 및 Na 이온 저장 셀용 고성능 유기 활성 전극 제조에 유용한 활물질임을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the cHBC / FcHBC solid solution is a useful active material for manufacturing high-performance organic active electrodes for Li and Na ion storage cells.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, it is clear that this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene) 혼합 고용체를 포함하고,
상기 헥사벤조코로넨 및 불소화된 헥사벤조코로넨은 (3 내지 7) : (7 내지 3)의 몰비(mol : mol)로 혼합되어 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
Containing a mixed solid solution of hexabenzocoronene and fluorinated hexabenzocoronene,
The hexabenzocoronene and the fluorinated hexabenzocoronene are mixed in a molar ratio of (3 to 7): (7 to 3) (mol: mol) to form a solid solution.
제1항에 있어서,
상기 고용체는 휘어진 헥사벤조코로넨(contorted hexabenzocoronene; cHBC)와 휘어진 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-contorted hexabenzocoronene; FcHBC)이 균일하게 혼합되어 단사정계 P2 1 / n 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
According to claim 1,
The solid solution is characterized in that curved hexabenzocoronene (cHBC) and curved fluorinated-contorted hexabenzocoronene (FcHBC) are uniformly mixed to have a monoclinic P2 1 / n crystal structure. anode active material.
삭제delete 제 1항에 따른 음극 활물질을 포함하는 이차전지용 음극.A negative electrode for a secondary battery comprising the negative active material according to claim 1 . 제 4항에 있어서,
상기 이차전지는 리튬이온 또는 소듐이온 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
5. The method of claim 4,
The secondary battery is a secondary battery negative electrode, characterized in that the lithium ion or sodium ion secondary battery.
a) 헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 및 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-hexabenzocoronene)을 혼합하여 고용체를 제조하는 단계; 및
b) a) 단계의 고용체를 금속에 코팅하고, 어닐링 처리하여 음극을 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 헥사벤조코로넨 및 불소화된 헥사벤조코로넨은 (3 내지 7) : (7 내지 3)의 몰비(mol : mol)로 혼합되어 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 어닐링 처리는,
ⅰ) 금속에 코팅된 고용체를 THF-증기 어닐링 처리하는 단계;
ⅱ) ⅰ) 단계 처리된 고용체를 300 내지 400℃의 온도에서 열 어닐링 처리하는 단계; 및
ⅲ) ⅱ) 단계 처리된 고용체를 전해액 증기 어닐링 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극 제조방법.
a) preparing a solid solution by mixing hexabenzocoronene and fluorinated-hexabenzocoronene; and
b) preparing a negative electrode by coating the solid solution of step a) on a metal and annealing; including,
The hexabenzocoronene and the fluorinated hexabenzocoronene are mixed in a molar ratio (mol:mol) of (3 to 7): (7 to 3) to form a solid solution,
The annealing treatment is
i) subjecting the solid solution coated on the metal to THF-steam annealing;
ii) i) thermal annealing the treated solid solution at a temperature of 300 to 400° C.; and
iii) ii) A method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, comprising the step of annealing the solid solution treated in step ii) by an electrolyte vapor annealing treatment.
제 6항에 있어서,
상기 고용체는 휘어진 헥사벤조코로넨(contorted hexabenzocoronene; cHBC)와 휘어진 불소화된 헥사벤조코로넨(fluorinated-contorted hexabenzocoronene; FcHBC)이 균일하게 혼합되어 단사정계 P2 1 / n 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극 제조방법.
7. The method of claim 6,
The solid solution is characterized in that curved hexabenzocoronene (cHBC) and curved fluorinated-contorted hexabenzocoronene (FcHBC) are uniformly mixed to have a monoclinic P2 1 / n crystal structure. A method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery.
삭제delete 삭제delete 제 6항에 있어서,
상기 전해액은 리튬염 또는 소듐염; 및
카보네이트계 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극 제조방법.
7. The method of claim 6,
The electrolyte may be a lithium salt or a sodium salt; and
A method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery, comprising a carbonate-based solvent.
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