KR102518691B1 - An electrode active material, an anode including the same, a second battery including the same, the fabrication method of the electrode active material - Google Patents

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Abstract

음극 활물질, 및 이차 전지는 납을 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘을 포함한다. 음극 활물질을 포함하는 이차 전지는 장수명, 고효율을 도모할 수 있다.The negative active material and the secondary battery include a core containing lead, and a shell surrounding the core and containing carbon. A secondary battery including an anode active material can achieve long life and high efficiency.

Description

음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 음극 활물질의 제조 방법{AN ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, AN ANODE INCLUDING THE SAME, A SECOND BATTERY INCLUDING THE SAME, THE FABRICATION METHOD OF THE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL}A negative electrode active material, a negative electrode including the same, a secondary battery including the same, and a method for manufacturing a negative electrode active material

본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 음극 활물질의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차 전지의 장수명, 고효율을 도모할 수 있는 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 음극 활물질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative active material, a negative electrode including the same, a secondary battery including the same, and a method for manufacturing the negative active material, and more particularly, a negative electrode active material capable of promoting long life and high efficiency of a secondary battery, a negative electrode including the same, It relates to a secondary battery including the same, and a method for manufacturing an anode active material.

전형적인 이차 전지인 납축 전지는 납을 음극으로 사용하고 표면상에 산화납을 갖는 납을 양극으로 사용하며, 묽은 황산에 양극이 잠겨 있는 구조를 갖고 있다. 납축 전지가 방전될 때에는, 음극 표면상의 납(Pb)은 황산이온과 반응 하여 황산납(PbSO4)이 되며 전자를 방출한다. 방출된 전자를 받은 후에, 양극 표면상의 산화납 (PbO2)은 황산과 반응하고 황산납이 된다. 이러한 반응을 통해서, 납축 전지에 전류가 흐른다. 납축 전지를 충전할 때는 방전시의 역반응이 일어난다. 따라서, 이차 전지는 충전과 방전을 반복하여 장기간 사용할 수 있는 이점을 갖게 된다. A lead-acid battery, which is a typical secondary battery, has a structure in which lead is used as a negative electrode and lead having lead oxide on the surface is used as a positive electrode, and the positive electrode is immersed in dilute sulfuric acid. When a lead-acid battery is discharged, lead (Pb) on the surface of the anode reacts with sulfate ions to become lead sulfate (PbSO 4 ) and emits electrons. After receiving the emitted electrons, lead oxide (PbO 2 ) on the surface of the anode reacts with sulfuric acid and becomes lead sulfate. Through this reaction, current flows in the lead-acid battery. When charging a lead-acid battery, the reverse reaction occurs when discharging. Therefore, the secondary battery has the advantage of being able to be used for a long period of time by repeating charging and discharging.

하지만, 기존의 납축 전지 방전 시 양극 및 음극에서 황산납은 활물질 내에 입자로 석출되고 용해도가 낮아서 쉽게 결정 상태로 성장하여 점차적으로 활성도를 잃어 사용할 수 없게 된다. 이는 사이클이 진행되면서, 부분 충전시의 성능을 떨어뜨리는 요인이 되는데, 특히 음극에 형성된 황산납이 주요한 영향을 미치게 된다.However, lead sulfate is precipitated as particles in the active material at the cathode and anode during discharge of the conventional lead-acid battery, and due to its low solubility, it easily grows into a crystalline state and gradually loses activity and becomes unusable. As the cycle progresses, this becomes a factor that deteriorates the performance during partial charging, and in particular, lead sulfate formed on the negative electrode has a major effect.

납축 전지의 대안으로 충방전 사이클이 우수한 EDLC(electrical double layer capacitor)가 개발 중이나 낮은 에너지 밀도 및 높은 가격이 문제가 되고 있다. As an alternative to lead-acid batteries, EDLCs (electrical double layer capacitors) with excellent charge-discharge cycles are being developed, but low energy density and high prices are becoming problems.

납과 탄소를 포함하는 Pb/C 전지도 납축 전지의 단점을 극복하기 위한 것으로 탄소 활물질(P60 powder, 카본 블랙 등 카본 파우더)을 바인더(CMC(Carboxymethyl cellulose), PTFE(Polytetrafluoroethylene Emulsion) 등)와 함께 납 성분으로 구성된 그리드 또는 납 플레이트 위에 도포하여 사용하는 이차 전지 시스템으로, 양극 PbO2 2매와 음극 1매를 사용하며, 양극과 음극의 쇼트현상 방지를 위해 세퍼레이터(Separator(PE, AGM separator))를 사용하고, 전극간의 거리가 멀어지지 않도록 PVC(Polyvinyl Chloride) 판(plate)로 밀착시키는 구조를 갖는다. 일반적으로 Pb/C 전지에서 전해액은 황산을 쓰는데, 양극은 납축전지 양극과 같은 이산화납 전극이고, 음극은 활성탄을 이용한 커패시터 전극을 적용하게 되므로 양쪽 전극에서 일어나는 전극 반응은 다음과 같다.Pb/C batteries containing lead and carbon are also to overcome the disadvantages of lead-acid batteries, and carbon active materials (P60 powder, carbon powder such as carbon black) are used together with binders (CMC (Carboxymethyl Cellulose), PTFE (Polytetrafluoroethylene Emulsion), etc.) A secondary battery system that is used by applying it on a lead-based grid or lead plate. It uses 2 positive PbO2 sheets and 1 negative electrode sheet, and uses a separator (PE, AGM separator) to prevent a short circuit between the positive and negative electrodes. It has a structure in which it is used and adhered with a PVC (Polyvinyl Chloride) plate so that the distance between the electrodes does not increase. In general, sulfuric acid is used as the electrolyte in Pb/C batteries, and the anode is a lead dioxide electrode like the anode of a lead acid battery, and the cathode is a capacitor electrode using activated carbon. The electrode reaction occurring at both electrodes is as follows.

[양극][anode]

1/2PbO2(s) + 1/2H2SO4(aq) + H+(aq) + e- ↔ 1/2PbSO4(s) + H2O(l)1/2PbO 2 (s) + 1/2H 2 SO 4 (aq) + H + (aq) + e - ↔ 1/2PbSO 4 (s) + H 2 O (l)

[음극][cathode]

(CS- // H+) → CS- // H+ + e- (CS - // H + ) → CS - // H + + e -

[전체 반응][full reaction]

1/2PbO2(s) + 1/2H2SO4(aq) + H+(aq) + e- → 1/2PbSO4(s) + H2O(l)1/2PbO 2 (s) + 1/2H 2 SO 4 (aq) + H + (aq) + e - → 1/2PbSO 4 (s) + H 2 O (l)

CS-는 전극 표면에서 카본 원자이고, "//"는 각 층에 축전된 전하의 이중층을 의미하며, 높은 표면적(1500 ㎡/g)을 가지고 있는 활성 카본으로 구성된 전극은 전극 표면층에 산으로부터 기인된 수소 양이온인 프로톤이 축적된다. 즉, 충전과 방전 동안 전지 타입의 이산화 납 전극에서는 패러딕 과정을 통해 전하가 이동하여 산화와 환원 반응으로 진행되고, 커패시터로 작동되는 탄소 전극은 이중층에서 비패러딕 과정으로 전하가 축적 또는 방출된다.CS - is a carbon atom on the electrode surface, "//" means a double layer of charge stored in each layer, and the electrode composed of activated carbon with a high surface area (1500 m / g) is due to acid on the electrode surface layer. Protons, which are hydrogen cations, accumulate. That is, during charging and discharging, electric charges move through a faradic process in the battery-type lead dioxide electrode and proceed through oxidation and reduction reactions, and in the carbon electrode operated as a capacitor, charges are accumulated or discharged in a non-paradic process in the double layer. .

하지만, Pb/C전지 또한 기존의 납축 전지와 동일하게 셀 구동시 일어나는 전기화학반응(산화/환원 반응)에 의해 발생하는 수소 가스로 인해 전극 사이가 벌어지는 문제점이 있다. 또한, 생성된 PbSO4으로 인해 맥동(Pulsation) 현상이 발생하는 등 음극 활물질의 부피 변화로 인한 문제점을 여전히 안고 있다.However, the Pb/C battery also has a problem in that the gap between the electrodes is widened due to hydrogen gas generated by an electrochemical reaction (oxidation/reduction reaction) that occurs during cell operation, similar to conventional lead acid batteries. In addition, there are still problems due to the volume change of the negative electrode active material, such as a pulsation phenomenon caused by the generated PbSO 4 .

한국등록특허 제828,879호Korean Registered Patent No. 828,879

본 발명의 목적은 이차 전지의 장수명, 고효율을 도모할 수 있는 음극 활물질을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a negative electrode active material capable of promoting long life and high efficiency of a secondary battery.

본 발명의 목적은 이차 전지의 장수명, 고효율을 도모할 수 있는 음극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a negative electrode capable of achieving long life and high efficiency of a secondary battery.

본 발명의 목적은 장수명, 고효율의 이차 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a long-life, high-efficiency secondary battery.

본 발명의 목적은 장수명, 고효율의 이차 전지를 제공할 수 있는 음극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an anode active material capable of providing a long-life, high-efficiency secondary battery.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은 납을 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘을 포함한다.An anode active material according to an embodiment of the present invention includes a core containing lead, and a shell surrounding the core and containing carbon.

상기 납과 상기 탄소는 공유 결합에 의해 연결되는 것일 수 있다.The lead and the carbon may be connected by a covalent bond.

상기 코어는 산화납을 포함하지 않는 것일 수 있다.The core may not contain lead oxide.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극은 음극 활물질 및 탄소를 포함하는 도전재를 포함한다. 음극 활물질은 납을 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘을 포함한다.An anode according to an embodiment of the present invention includes an anode active material and a conductive material containing carbon. The negative electrode active material includes a lead-containing core, and a shell surrounding the core and containing carbon.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 납을 포함하는 양극, 상기 양극 상에 제공되는 전해질, 및 상기 전해질 상에 제공되는 음극을 포함한다. 상기 음극은 음극 활물질을 포함한다. 상기 음극 활물질은 납을 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘을 포함한다.A secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode including lead, an electrolyte provided on the positive electrode, and a negative electrode provided on the electrolyte. The anode includes an anode active material. The negative electrode active material includes a core containing lead, and a shell surrounding the core and containing carbon.

상기 음극은 탄소를 포함하는 도전재를 더 포함할 수 있다.The negative electrode may further include a conductive material containing carbon.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법은 납 전구체를 증류수에 용해하여 제1 용액을 형성하는 단계, 촉매를 증류수에 용해하여 제2 용액을 형성하는 단계, 탄소 활물질을 용매에 분산하여 제1 분산 용액을 형성하는 단계, 상기 제1 분산 용액에 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액을 제공하여 혼합 용액을 형성하는 단계, 상기 혼합 용액을 초음파 처리(sonication)하는 단계, 및 상기 초음파 처리한 상기 혼합 용액을 건조하여, 납을 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘을 포함하는 음극 활물질을 제조하는 단계를 포함한다.A method for preparing an anode active material according to an embodiment of the present invention includes dissolving a lead precursor in distilled water to form a first solution, dissolving a catalyst in distilled water to form a second solution, and dispersing a carbon active material in a solvent to form a first solution. Forming a first dispersion solution, providing the first solution and the second solution to the first dispersion solution to form a mixed solution, sonication of the mixed solution, and the ultrasonic treatment drying the mixed solution to prepare an anode active material including a core containing lead and a shell surrounding the core and containing carbon.

상기 제1 용액을 형성하는 단계에서, 상기 납 전구체는 PbNO3, (CH3SO3)2Pb, PbCl2, Pb(OAc)2, Pb(NO3)2, Pb(acac)2, 및 PbCO3 중 적어도 하나를 포함한다.In the step of forming the first solution, the lead precursor is PbNO 3 , (CH 3 SO 3 ) 2 Pb, PbCl 2 , Pb(OAc) 2 , Pb(NO 3 ) 2 , Pb(acac) 2 , and PbCO includes at least one of the three

상기 제2 용액을 형성하는 단계에서, 상기 촉매는 NaBH4, NaH, 트리메틸 보렐이트(Trimethyl Borate), 트리소듐 시트레이트(Tri Sodium Citrate) 중 적어도 하나를 포함한다.In the step of forming the second solution, the catalyst includes at least one of NaBH 4 , NaH, trimethyl borate, and trisodium citrate.

상기 제1 분산 용액을 형성하는 단계에서, 상기 탄소 활물질은 그라파이트 및 활성탄 중 적어도 하나를 포함한다.In the step of forming the first dispersion solution, the carbon active material includes at least one of graphite and activated carbon.

상기 제1 분산 용액을 형성하는 단계에서, 상기 용매는 에탄올 및 이소프로필알코올(Isopropylalcohol) 중 적어도 하나를 포함한다.In the step of forming the first dispersion solution, the solvent includes at least one of ethanol and isopropyl alcohol.

상기 초음파 처리하는 단계는 상기 혼합 용액을 제1 초음파 처리하는 단계, 및 상기 제1 초음파 처리한 상기 혼합 용액을 제2 초음파 처리하는 단계를 포함한다.The ultrasonic treatment includes a first ultrasonic treatment of the mixed solution, and a second ultrasonic treatment of the mixed solution subjected to the first ultrasonic treatment.

상기 제1 초음파 처리하는 단계는 40 내지 60분 동안 수행되고, 상기 제2 초음파 처리하는 단계는 20 내지 40분 동안 수행되는 것일 수 있다.The first ultrasonic treatment may be performed for 40 to 60 minutes, and the second ultrasonic treatment may be performed for 20 to 40 minutes.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법은 상기 초음파 처리한 상기 혼합 용액을 증류수 및 에탄올 중 적어도 하나로 세척하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.The manufacturing method of an anode active material according to an embodiment of the present invention may further include washing the mixed solution subjected to ultrasonic treatment with at least one of distilled water and ethanol.

상기 음극 활물질을 제조하는 단계는 40 내지 60?에서 22 내지 26시간 동안 건조하여 수행되는 것일 수 있다.The step of preparing the negative active material may be performed by drying at 40 to 60°C for 22 to 26 hours.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에 의하면 이차 전지의 장수명, 고효율을 도모할 수 있다.According to the negative active material according to an embodiment of the present invention, long life and high efficiency of a secondary battery can be promoted.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극에 의하면 이차 전지의 장수명, 고효율을 도모할 수 있다.According to the negative electrode according to an embodiment of the present invention, long life and high efficiency of the secondary battery can be achieved.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 장수명, 고효율을 도모할 수 있다.A secondary battery according to an embodiment of the present invention can promote long life and high efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법에 의하면 이차 전지의 장수명, 고효율을 도모할 수 있는 음극 활물질을 제공할 수 있다.According to the manufacturing method of an anode active material according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a cathode active material capable of promoting long life and high efficiency of a secondary battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 개략적인 순서도이다.
도 5는 실시예 1의 음극 활물질의 투과 전자 현미경 분석 사진이다.
도 6은 실시예 1의 음극 활물질의 EDAX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 일반 탄소의 BET 그래프이며, (b)는 실시예 1의 음극 활물질의 BET 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예 1의 음극 활물질의 XRD를 분석한 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 실시예 1의 음극 활물질의 XPS를 분석한 그래프이다.
도 10은 실시예 1의 음극 활물질의 저항값을 측정한 그래프이다.
도 11의 (a)는 C-rate별 방전 그래프를 나타낸 것이고, (b)는 음극 활물질 부피당 용량별 전압을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of an anode according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of an anode active material according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic flow chart sequentially illustrating a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
5 is a transmission electron microscope analysis photograph of the negative electrode active material of Example 1.
6 is a graph showing the results of EDAX analysis of the negative active material of Example 1.
7 (a) is a BET graph of normal carbon, and (b) is a BET graph of the anode active material of Example 1.
8a and 8b are graphs of XRD analysis of the anode active material of Example 1;
9A and 9B are graphs of XPS analysis of the anode active material of Example 1.
10 is a graph showing resistance values of the negative electrode active material of Example 1 measured.
11 (a) shows a graph of discharge by C-rate, and (b) is a graph showing voltage by capacity per volume of negative electrode active material.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged than actual for clarity of the present invention. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where another part is present in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "under" another part, this includes not only the case where it is "directly below" the other part, but also the case where another part is in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values and/or expressions expressing quantities of components, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein refer to the number of factors that such numbers arise, among other things, to obtain such values. Since these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, they should be understood to be qualified by the term "about" in all cases. Also, when numerical ranges are disclosed herein, such ranges are contiguous and include all values from the minimum value of such range to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated. Furthermore, where such ranges refer to integers, all integers from the minimum value to the maximum value inclusive are included unless otherwise indicated.

본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.In this specification, where ranges are stated for a variable, it will be understood that the variable includes all values within the stated range inclusive of the stated endpoints of the range. For example, a range of "5 to 10" includes values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subrange of 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, and the like. inclusive, as well as any value between integers that fall within the scope of the stated range, such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like. Also, for example, the range of "10% to 30%" includes values such as 10%, 11%, 12%, 13%, etc., and all integers up to and including 30%, as well as values from 10% to 15%, 12% to 12%, etc. It will be understood to include any sub-range, such as 18%, 20% to 30%, and the like, as well as any value between reasonable integers within the scope of the stated range, such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, and the like.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질, 음극, 및 이차 전지에 대하여 설명한다.Hereinafter, an anode active material, an anode, and a secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극의 개략적인 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic cross-sectional view of an anode according to an embodiment of the present invention. 3 is a schematic cross-sectional view of an anode active material according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)는 양극(100), 전해질(200), 및 음극(300)을 포함한다. 양극(100)은 납을 포함한다. 전해질(200)은 양극(100) 상에 제공된다. 양극(100) 및 음극(300)은 전해질(200)에 의해 서로 이격된다. 전해질(200)은 35 ~ 45중량%의 농도를 지니는 황산일 수 있다. 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)는 분리막을 더 포함할 수 있다. 1 to 3 , a secondary battery 10 according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode 100, an electrolyte 200, and a negative electrode 300. Anode 100 includes lead. Electrolyte 200 is provided on the anode 100 . The positive electrode 100 and the negative electrode 300 are spaced apart from each other by the electrolyte 200 . Electrolyte 200 may be sulfuric acid having a concentration of 35 to 45% by weight. Although not shown, the secondary battery 10 according to an embodiment of the present invention may further include a separator.

음극(300)은 음극 활물질(310)을 포함한다. 음극(300)은 도전재(320)를 더 포함할 수 있다. 도전재(320)는 탄소를 포함할 수 있다. 도전재(320)는 음극(300)의 전도성을 향상시키는 것일 수 있다. 도전재(320)는 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 그라파이트, 및 카본 K 중 적어도 하나일 수 있다.The negative electrode 300 includes the negative electrode active material 310 . The negative electrode 300 may further include a conductive material 320 . The conductive material 320 may include carbon. The conductive material 320 may improve conductivity of the negative electrode 300 . The conductive material 320 is not particularly limited as long as it is commonly used, but may be, for example, at least one of graphite and carbon K.

도시하지는 않았으나, 음극(300)은 음극판을 포함할 수 있다. 음극판은 납을 포함한다. 음극판은 예를 들어, 평평한 판상인 것일 수 있다. 음극 활물질(310)은 음극판 상에 제공되는 것일 수 있다. 도전재(320)는 음극판 상에 제공되는 것일 수 있다.Although not shown, the negative electrode 300 may include a negative electrode plate. The negative plate contains lead. The negative electrode plate may be, for example, a flat plate shape. The negative active material 310 may be provided on the negative electrode plate. The conductive material 320 may be provided on the negative electrode plate.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극(300)은 예를 들어, 음극판 상에, 도전 페이스트를 제공하여 형성되는 것일 수 있다. 도전 페이스트는 음극 활물질(310), 및 바인더를 포함한다. 도전 페이스트는 도전재(320)를 더 포함할 수 있다. 바인더는 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, CMC(Carboxymethyl cellulose), 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene Emulsion) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바인더는 도전 페이스트의 점도를 향상시키는 것일 수 있다. 도전 페이스트를 형성할 때, 수소 결합을 갖는 용매, 예를 들어, 에탄올을 추가하여, 도전재(320)가 뜨는 것을 방지할 수 있다.The negative electrode 300 according to an embodiment of the present invention may be formed, for example, by providing a conductive paste on a negative electrode plate. The conductive paste includes an anode active material 310 and a binder. The conductive paste may further include a conductive material 320 . The binder is not particularly limited as long as it is commonly used, but may include, for example, at least one of Carboxymethyl cellulose (CMC) and Polytetrafluoroethylene Emulsion (PTFE). The binder may improve the viscosity of the conductive paste. When forming the conductive paste, it is possible to prevent the conductive material 320 from floating by adding a solvent having a hydrogen bond, for example, ethanol.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질(310)은 코어(311), 및 쉘(312)을 포함한다. 코어(311)는 납을 포함한다. 코어(311)는 산화납을 포함하지 않는다. 쉘(312)은 코어(311)를 둘러싼다. 쉘(312)은 탄소를 포함한다. 코어(311)인 납과, 쉘(312)인 탄소는 공유 결합에 의해 서로 연결되는 것일 수 있다.The negative active material 310 according to an embodiment of the present invention includes a core 311 and a shell 312 . The core 311 includes lead. The core 311 does not contain lead oxide. A shell 312 surrounds the core 311 . Shell 312 includes carbon. Lead as the core 311 and carbon as the shell 312 may be connected to each other by a covalent bond.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은 쉘로 탄소를 포함하여, Pb 금속 입자의 산화를 방지하고, 넓은 비표면적을 가질 수 있다. 산화납은 납 금속 입자에 비하여, 전지의 충방전 용량을 떨어뜨린다. 이에 따라, 음극 또는 이차 전지에 활용될 경우, 전지의 충방전 용량을 향상시키고, 수명을 늘릴 수 있다.An anode active material according to an embodiment of the present invention may include carbon as a shell to prevent oxidation of Pb metal particles and have a large specific surface area. Lead oxide lowers the charge/discharge capacity of a battery compared to lead metal particles. Accordingly, when used in an anode or a secondary battery, the charge/discharge capacity of the battery can be improved and the lifespan can be extended.

또한, 코어-쉘 구조를 갖는 음극 활물질은 음극판과의 저항을 감소시켜, 방전 초기 전압이 일정하게 유지되는 시간을 증가시켜, 이차 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.In addition, the negative active material having a core-shell structure reduces resistance with the negative electrode plate and increases the time during which the initial discharge voltage is maintained constant, thereby improving the lifespan of the secondary battery.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질과의 차이점을 위주로 구체적으로 설명하고, 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에 따른다.Hereinafter, a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, differences from the anode active material according to an embodiment of the present invention described above will be described in detail, and parts not described are based on the anode active material according to an embodiment of the present invention described above.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 개략적인 순서도이다.4 is a schematic flow chart sequentially illustrating a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질(310)의 제조 방법은 납 전구체를 증류수에 용해하여 제1 용액을 형성하는 단계(S100), 촉매를 증류수에 용해하여 제2 용액을 형성하는 단계(S200), 탄소 활물질을 용매에 분산하여 제1 분산 용액을 형성하는 단계(S300), 제1 분산 용액에 제1 용액 및 제2 용액을 제공하여 혼합 용액을 형성하는 단계(S400), 혼합 용액을 초음파 처리(sonication)하는 단계(S500), 및 초음파 처리한 혼합 용액을 건조하여, 납을 포함하는 코어(311), 및 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘(312)을 포함하는 음극 활물질(310)을 제조하는 단계(S600)를 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 4 , the method of manufacturing the negative electrode active material 310 according to an embodiment of the present invention includes dissolving a lead precursor in distilled water to form a first solution (S100), dissolving a catalyst in distilled water, and Forming a second solution (S200), dispersing the carbon active material in a solvent to form a first dispersion solution (S300), providing a first solution and a second solution to the first dispersion solution to form a mixed solution Step (S400), sonication of the mixed solution (S500), and drying the ultrasonicated mixed solution to obtain a core 311 containing lead, and a shell 312 surrounding the core and containing carbon. ) and manufacturing an anode active material 310 including (S600).

납 전구체를 증류수에 용해하여 제1 용액을 형성한다(S100). 납 전구체는 예를 들어, PbNO3, (CH3SO3)2Pb, PbCl2, Pb(OAc)2, Pb(NO3)2, Pb(acac)2, 및 PbCO3 중 적어도 하나를 포함한다. 납 전구체에 포함되는 납은 음극 활물질(310)의 코어(311)를 형성한다.A lead precursor is dissolved in distilled water to form a first solution (S100). The lead precursor includes, for example, at least one of PbNO 3 , (CH 3 SO 3 ) 2 Pb, PbCl 2 , Pb(OAc) 2 , Pb(NO 3 ) 2 , Pb(acac) 2 , and PbCO 3 . Lead included in the lead precursor forms the core 311 of the negative electrode active material 310 .

촉매를 증류수에 용해하여 제2 용액을 형성한다(S200). 촉매는 납과 탄소 활물질의 공유 결합을 촉진시켜, 코어-쉘 구조를 갖는 음극 활물질(310)의 형성을 촉진할 수 있다. 촉매는 예를 들어, NaBH4, NaH, 트리메틸 보렐이트(Trimethyl Borate), 트리소듐 시트레이트(Tri Sodium Citrate) 중 적어도 하나를 포함한다.The catalyst is dissolved in distilled water to form a second solution (S200). The catalyst may promote the formation of the negative electrode active material 310 having a core-shell structure by promoting a covalent bond between lead and the carbon active material. The catalyst includes, for example, at least one of NaBH 4 , NaH, trimethyl borate, and trisodium citrate.

탄소 활물질을 용매에 분산하여 제1 분산 용액을 형성한다(S300). 제1 분산 용액을 형성하는 단계(S300)에서, 탄소 활물질은 예를 들어, 그라파이트 및 활성탄(P60, 및 MSP-20) 중 적어도 하나를 포함한다.A first dispersion solution is formed by dispersing the carbon active material in a solvent (S300). In the step of forming the first dispersion solution (S300), the carbon active material includes, for example, at least one of graphite and activated carbon (P60 and MSP-20).

제1 분산 용액을 형성하는 단계(S300)에서, 용매는 예를 들어, 에탄올 및 이소프로필알코올(Isopropylalcohol) 중 적어도 하나를 포함한다.In the step of forming the first dispersion solution (S300), the solvent includes, for example, at least one of ethanol and isopropyl alcohol.

혼합 용액을 초음파 처리한다(S500). 혼합 용액을 초음파 처리하여, 납과 탄소 활물질을 혼합 용액 내에 고르게 분산시킬 수 있다.The mixed solution is sonicated (S500). By ultrasonicating the mixed solution, lead and carbon active materials can be evenly dispersed in the mixed solution.

초음파 처리하는 단계(S500)는 혼합 용액을 제1 초음파 처리하는 단계, 및 제1 초음파 처리한 혼합 용액을 제2 초음파 처리하는 단계를 포함한다.The ultrasonic treatment (S500) includes a first ultrasonic treatment of the mixed solution, and a second ultrasonic treatment of the mixed solution subjected to the first ultrasonic treatment.

제1 초음파 처리하는 단계는 40 내지 60분 동안 수행되는 것일 수 있다. 제1 초음파 처리하는 단계가 40분 미만으로 수행되면, 혼합 용액의 분산 효율이 저하될 수 있으며, 60분 초과로 수행되면, 분산 효율이 더 이상 증가하지 않는다.The first sonication step may be performed for 40 to 60 minutes. If the first sonication step is performed for less than 40 minutes, the dispersion efficiency of the mixed solution may decrease, and if it is performed for more than 60 minutes, the dispersion efficiency does not increase any more.

제2 초음파 처리하는 단계는 20 내지 40분 동안 수행되는 것일 수 있다. 제2 초음파 처리하는 단계가 20분 미만으로 수행되면, 분산 효율이 저하되며, 40분 초과로 수행되면, 발열에 의해 입자 간 응집이 발생할 수 있다.The second ultrasonic treatment may be performed for 20 to 40 minutes. If the second sonication step is performed for less than 20 minutes, dispersion efficiency is lowered, and when performed for more than 40 minutes, aggregation between particles may occur due to heat generation.

초음파 처리한 혼합 용액을 건조하여, 납을 포함하는 코어(311), 및 코어(311)를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘(312)을 포함하는 음극 활물질(310)을 제조한다(S600). 음극 활물질(310)을 제조하는 단계(S600)에서 음극 활물질(310) 이외의 물질들을 증발시킬 수 있다.The ultrasonically treated mixed solution is dried to prepare a negative electrode active material 310 including a lead-containing core 311 and a shell 312 surrounding the core 311 and carbon (S600). In the step of manufacturing the negative active material 310 ( S600 ), materials other than the negative active material 310 may be evaporated.

음극 활물질(310)을 제조하는 단계(S600)는 40 내지 60?에서 22 내지 26시간 동안 건조하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 미만에서 수행되면, 음극 활물질(310) 이외의 물질이 충분히 증발되지 않고, 상기 범위 초과에서 수행되면, 음극 활물질(310)에 결함이 발생할 수 있다.The step of preparing the negative electrode active material 310 (S600) may be performed by drying at 40 to 60° C. for 22 to 26 hours. When the temperature is less than the above range, materials other than the negative active material 310 are not sufficiently evaporated, and when the temperature exceeds the above range, defects may occur in the negative active material 310 .

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질(310)의 제조 방법은 초음파 처리한 혼합 용액을 증류수 및 에탄올 중 적어도 하나로 세척하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 세척하는 단계에서, 음극 활물질(310) 이외의 불순물들을 세척할 수 있다. 세척하는 단계는 초음파 처리하는 단계(S500) 및 음극 활물질(310)을 제조하는 단계(S600) 사이에 수행되는 것일 수 있다.The manufacturing method of the negative electrode active material 310 according to an embodiment of the present invention may further include washing the ultrasonicated mixed solution with at least one of distilled water and ethanol. In the washing step, impurities other than the negative electrode active material 310 may be washed. The washing step may be performed between the ultrasonic treatment step (S500) and the manufacturing step of the negative electrode active material 310 (S600).

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법은 촉매를 통해, 납과 탄소 활물질의 반응을 촉진하여, 음극 활물질의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법에 의해 제조된 음극 활물질은 쉘로 탄소를 포함하여, Pb 금속 입자의 산화를 방지하고, 넓은 비표면적을 가질 수 있다. 산화납은 납 금속 입자에 비하여, 전지의 충방전 용량을 떨어뜨린다. 이에 따라, 음극 또는 이차 전지에 활용될 경우, 전지의 충방전 용량을 향상시키고, 수명을 늘릴 수 있다.In the method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention, the yield of the anode active material can be improved by accelerating the reaction between lead and carbon active material through a catalyst. In addition, the anode active material prepared by the method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention may include carbon as a shell to prevent oxidation of Pb metal particles and have a large specific surface area. Lead oxide lowers the charge/discharge capacity of a battery compared to lead metal particles. Accordingly, when used in an anode or a secondary battery, the charge/discharge capacity of the battery can be improved and the lifespan can be increased.

또한, 코어-쉘 구조를 갖는 음극 활물질은 음극판과의 저항을 감소시켜, 방전 초기 전압이 일정하게 유지되는 시간을 증가시켜, 이차 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.In addition, the negative active material having a core-shell structure reduces resistance with the negative electrode plate and increases the time during which the initial discharge voltage is maintained constant, thereby improving the lifespan of the secondary battery.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The following examples are merely examples to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

음극 활물질의 제조Manufacture of negative electrode active material

PbNO3를 증류수에 용해하여 제1 용액을 형성하였다. NaBH4를 증류수에 용해하여 제2 용액을 형성하였다. 탄소 활물질 P60 0.01g을 에탄올에 분산시켜 제1 분산 용액을 형성하고, 제1 분산 용액에 제1 용액과 제2 용액을 제공하여 혼합 용액을 형성하였다. 혼합 용액을 50분 동안 제1 초음파 처리 하였다. 제1 초음파 처리한 혼합 용액을 30분 동안 제2 초음파 처리하였다. 제2 초음파 처리한 혼합 용액을 증류수와 에탄올로 세척하였다. 세척한 혼합 용액을 50? 오븐에서 24시간 동안 건조하여, 납을 코어, 탄소를 쉘로 하는 음극 활물질을 형성하였다.PbNO 3 was dissolved in distilled water to form a first solution. NaBH 4 was dissolved in distilled water to form a second solution. 0.01 g of carbon active material P60 was dispersed in ethanol to form a first dispersion solution, and a mixed solution was formed by providing a first solution and a second solution to the first dispersion solution. The mixed solution was first sonicated for 50 minutes. The mixed solution subjected to the first ultrasonic treatment was subjected to the second ultrasonic treatment for 30 minutes. The mixed solution subjected to the second ultrasonic treatment was washed with distilled water and ethanol. 50? After drying in an oven for 24 hours, a negative electrode active material having lead as a core and carbon as a shell was formed.

음극의 제조cathode fabrication

제조한 음극 활물질 0.5g(60%), 그래파이트 0.11g(13.3%)와 카본 K 0.11g(13.3%)를 비커에 넣었다. CMC(Carboxymethyl cellulose)와 PTFE(Polytetrafluoroethylene Emulsion)를 각각 0.055g(6.7%) 정량하여 상기 비커에 넣었다. 상기 비커에 에탄올 1ml 넣어 약수저로 저어 주었다. 상기 비커에 증류수 2ml 넣어 준 후, 반죽이 될 때까지 핫플레이트에서 약수저로 저어주었고, 혼합된 페이스트를 그리드(Grid)에 올려 모양을 잡아주었다. 전극판 프레싱하여 페이스트가 그리드에 잘 분산될 수 있도록 하였다. 프레싱 후 그리드 밖으로 빠져나온 페이스트를 모아 전극판에 붙여 다시 프레싱하였다. 이를 상온에서 24시간동안 건조하여 음극을 형성하였다. 상온보다 높은 온도에서 건조할 경우, 음극의 표면에 크랙이 발생할 수 있다.0.5 g (60%) of the prepared anode active material, 0.11 g (13.3%) of graphite, and 0.11 g (13.3%) of carbon K were placed in a beaker. Carboxymethyl cellulose (CMC) and Polytetrafluoroethylene Emulsion (PTFE) were each quantified at 0.055 g (6.7%) and put into the beaker. 1ml of ethanol was put into the beaker and stirred with a spatula. After putting 2ml of distilled water in the beaker, it was stirred with a spatula on a hot plate until it became a dough, and the mixed paste was placed on a grid to shape it. The electrode plate was pressed so that the paste could be well distributed on the grid. After pressing, the paste that came out of the grid was collected and attached to the electrode plate, and then pressed again. This was dried at room temperature for 24 hours to form a negative electrode. When drying at a temperature higher than room temperature, cracks may occur on the surface of the negative electrode.

이차 전지의 제조Manufacture of secondary battery

제조한 음극을AGM(Absorbent Glass Mat)으로 감싸고, 옆으로 PbO2로 형성된 양극을 포개었다. 이를 전지 케이스에 넣고, PVC separator를 이용해 전극을 압착시킨 후, 최대한 밀봉하여, 2X2.5mm 크기의 이차 전지를 형성하였다.The prepared negative electrode was wrapped with AGM (Absorbent Glass Mat), and a positive electrode formed of PbO 2 was superimposed on the side. This was placed in a battery case, the electrode was compressed using a PVC separator, and then sealed as much as possible to form a secondary battery having a size of 2X2.5mm.

실험예 1Experimental Example 1

실시예 1의 음극 활물질을 투과 전자 현미경으로 촬영하여 도 5에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 음극 활물질이 납 입자의 코어 및 납 입자의 주변을 탄소 입자가 둘러싸는 쉘 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 납 입자의 사이즈는 50nm이하였다. 또한, 실시예 1의 음극 활물질의 EDAX 분석 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 탄소(C)와 납(Pb)의 피크가 모두 관찰되는 것으로 보아, 음극 활물질이 납과 탄소를 포함하는 것을 확인할 수 있었다.The negative active material of Example 1 was photographed with a transmission electron microscope and is shown in FIG. 5 . Referring to FIG. 5 , it can be seen that the negative electrode active material has a shell structure in which lead particle cores and carbon particles surround the lead particles. The size of the lead particles was 50 nm or less. In addition, the results of EDAX analysis of the anode active material of Example 1 are shown in FIG. 6 . Referring to FIG. 6 , since peaks of carbon (C) and lead (Pb) were both observed, it was confirmed that the anode active material contained lead and carbon.

실험예 2Experimental Example 2

SEM 실험 결과 기공이 많이 확인되어 기공의 크기를 확인하고자 BET 실험을 하였다. 실시예 1의 음극 활물질의 BET 실험 결과를 도 7에 나타내었다. 그라파이트에 코팅된 활물질과 MSP-20 카본을 비표면분석기(BEL사, 모델명: Belsorp mini Ⅱ)를 통해 기공의 크기를 구하고, 비표면적을 확인하기 위해 BET(Brunauer-Emmett-Teller)식을 이용하여 분석하였다. 각 시료들은 고순도의 액체 질소(N2)를 사용하여 77K에서 1-102.77kPa의 압력 범위에서 상대압력(P/P0)에 따른 기체 질소가 흡착된 양을 측정하였고, Barret-Joyner-Halende(BJH)식을 이용해 중세 기공의 발달여부를 확인하였다.As a result of the SEM experiment, many pores were identified, so a BET experiment was conducted to confirm the size of the pores. The BET test results of the negative electrode active material of Example 1 are shown in FIG. 7 . The active material coated on graphite and MSP-20 carbon were measured using a specific surface analyzer (BEL, model name: Belsorp mini Ⅱ) to obtain the pore size and to confirm the specific surface area, using the BET (Brunauer-Emmett-Teller) formula. analyzed. Each sample used high-purity liquid nitrogen (N 2 ) and measured the amount of gaseous nitrogen adsorbed according to the relative pressure (P/P 0 ) in the pressure range of 1-102.77 kPa at 77K, and Barret-Joyner-Halende ( BJH) formula was used to confirm the development of the medieval pore.

도 7에 도시된 (a)는 일반 탄소의 BET 그래프이며, (b)는 실시예 1의 음극 활물질의 BET 그래프이다. 일반 탄소보다 실시예 1의 음극 활물질의 비표면적이 더 넓은 것을 확인할 수 있었고, 이는 납 입자 표면을 탄소가 둘러싸기 때문으로 예측된다.7, (a) is a BET graph of normal carbon, and (b) is a BET graph of the anode active material of Example 1. It was confirmed that the specific surface area of the negative electrode active material of Example 1 was larger than that of normal carbon, which is expected because carbon surrounds the surface of the lead particle.

실험예 3Experimental Example 3

도 8a 및 도 8b는 실시예 1의 음극 활물질의 XRD를 분석한 그래프이다. 시료가 X선과 만나면 일부는 회절을 일으키고, 그 회절각과 강도는 물질구조상 고유한 것이므로 이 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있다. 이와 같이 결정성 물질의 구조에 관한 정보를 얻기 위한 분석방법이 X선 회절 분석기(X-Ray Diffractometer, XRD)이다. 실험예 3에서는 분말 형태의 음극 활물질의 결정구조를 확인하기 위해서 X-ray Diffraction(XRD, Rigaku사, 모델명: D/MAX UltimaⅢ)을 측정하였다. 분석 조건은 하기 표 1에 나타내었다.8a and 8b are graphs of XRD analysis of the anode active material of Example 1; When a sample encounters X-rays, some of them cause diffraction, and since the diffraction angle and intensity are unique to the material structure, information related to the type and amount of crystalline materials contained in the sample can be obtained using the diffracted X-rays. An analysis method for obtaining information on the structure of a crystalline material is an X-ray diffractometer (XRD). In Experimental Example 3, X-ray diffraction (XRD, Rigaku Co., model name: D/MAX Ultima III) was measured in order to confirm the crystal structure of the negative electrode active material in powder form. Analysis conditions are shown in Table 1 below.

ThetaTheta X-rayX-ray 10°~ 120°10° to 120° 40kV/40mA40kV/40mA

도 8a 및 도 8b를 참조하면, Pb의 피크가 31.36 (111), 36.38 (200), 52.26 (220), 62.36 (311), 65.38 (222)에서 확인되는 것을 알 수 있다. 피크 값이 높을수록 Pb의 높은 결정화도를 나타낸다. 쉘을 형성하는 탄소는 Pb 금속 입자의 산화를 방지하고, 음극 활물질의 표면적을 향상시킨다.Referring to Figures 8a and 8b, it can be seen that the peaks of Pb are identified at 31.36 (111), 36.38 (200), 52.26 (220), 62.36 (311), and 65.38 (222). The higher the peak value, the higher the crystallinity of Pb. The carbon forming the shell prevents oxidation of the Pb metal particles and improves the surface area of the negative electrode active material.

실험예 4Experimental Example 4

도 9a 및 도 9b는 실시예 1의 음극 활물질의 XPS를 분석한 그래프이다. XPS는 시료의 표면에 특성 X-선을 입사하여, 방출하는 광전자의 에너지를 측정함으로써 시료표면의 조성 및 화학적인 결합상태를 알 수 있다. 또한 이온빔으로 표면을 식각하여 깊이에 대한 분포도를 측정할 수 있다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 280eV에서 탄소가 확인되었고, 136.5eV와 138.5eV에서 납이 확인되어 납과 탄소가 화학적으로 결합하였음을 확인하였다. 또한, 납의 피크 간격이 4.8eV인 것으로 보아 납의 상태는 Pb metal 상태임을 확인하였다. 납 피크 간격이 5eV를 넘어가면 산화납 형태를 의미한다.9A and 9B are graphs of XPS analysis of the anode active material of Example 1. XPS measures the energy of photoelectrons emitted by incident characteristic X-rays on the surface of a sample, so that the composition and chemical bonding state of the sample surface can be known. In addition, the distribution with respect to depth can be measured by etching the surface with an ion beam. 9a and 9b, carbon was confirmed at 280 eV, and lead was confirmed at 136.5 eV and 138.5 eV, confirming that lead and carbon were chemically bonded. In addition, considering that the peak spacing of lead was 4.8 eV, it was confirmed that the state of lead was a Pb metal state. If the lead peak spacing exceeds 5 eV, it means the lead oxide form.

실험예 5Experimental Example 5

도 10은 실시예 1의 음극 활물질의 저항값을 측정한 그래프이다. 진동수 범위는 0.01Hz에서 3000Hz로 하고, 5mV의 전압을 주어 저항(임피던스)을 측정하였다. 충전 상태를 0%, 25%, 50%, 75%, 100%로 증가시키면서 SOC별 임피던스를 측정하였다.10 is a graph showing resistance values of the negative electrode active material of Example 1 measured. The frequency range was 0.01 Hz to 3000 Hz, and resistance (impedance) was measured by applying a voltage of 5 mV. Impedance for each SOC was measured while increasing the state of charge to 0%, 25%, 50%, 75%, and 100%.

전해액과 전극 표면에서 일어나는 접촉 저항이 발생되었고, SOC가 증가할수록, 즉 이차 전지의 충전이 진행될수록, 저항이 점진적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 코어-쉘 구조, 즉 납 입자를 둘러싼 탄소의 전기 이중층 반응이 형성되면서 반원 형태의 임피던스 그래프가 나타난 것을 확인할 수 있었다. 전기 이중층 반응의 형성으로 인해 용량 시험에서 방전 용량이 향상되었다.Contact resistance occurred between the electrolyte and the surface of the electrode, and it was confirmed that the resistance gradually decreased as the SOC increased, that is, as the charging of the secondary battery progressed. It was confirmed that a semicircular impedance graph appeared as a core-shell structure, that is, an electrical double layer reaction of carbon surrounding lead particles was formed. The discharge capacity was enhanced in the capacity test due to the formation of an electrical double layer reaction.

실험예 6Experimental Example 6

도 11의 (a)는 C-rate별 방전 그래프를 나타낸 것이고, (b)는 음극 활물질 부피당 용량별 전압을 나타낸 그래프이다. C-rate 별로(1C, 2C, 4C, 8C, 12C) 용량 시험을 진행하였고, 충전 시간은 4000초, 충전 전류는 75mA, 방전 Cut-Off 0.5V로 설정하여 실험을 진행하였다. 도 11의 (a)를 참조하면, C-rate가 증가할수록 방전 용량이 감소하는 것을 확인할 수 있고, 기존 이차 전지가 갖는 방전 곡선과는 다르게 초기 방전 전압이 일정하게 유지되는 부분이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 납과 탄소의 함량이 최적화되면, 방전 전압이 유지되는 시간이 늘어날 것으로 예측할 수 있다. 또한, 도 11의 (b)를 참조하면, 이차 전지는 2X2.5mm 단위당 0.0165Ah/cc의 방전 용량을 갖는 것을 확인할 수 있었다.11 (a) shows a graph of discharge by C-rate, and (b) is a graph showing voltage by capacity per volume of negative electrode active material. The capacity test was conducted for each C-rate (1C, 2C, 4C, 8C, 12C), and the experiment was conducted by setting the charging time to 4000 seconds, the charging current to 75mA, and the discharge cut-off to 0.5V. Referring to (a) of FIG. 11, it can be confirmed that the discharge capacity decreases as the C-rate increases, and a portion where the initial discharge voltage is kept constant, unlike the discharge curve of the conventional secondary battery, occurs. could If the content of lead and carbon is optimized, it can be predicted that the time during which the discharge voltage is maintained will increase. In addition, referring to (b) of FIG. 11 , it was confirmed that the secondary battery had a discharge capacity of 0.0165 Ah/cc per unit of 2X2.5 mm.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10: 이차 전지 100: 양극
200: 전해질 300: 음극
310: 음극 활물질 320: 도전재
311: 코어 312: 쉘
10: secondary battery 100: positive electrode
200: electrolyte 300: cathode
310: negative electrode active material 320: conductive material
311: core 312: shell

Claims (15)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 납 전구체를 증류수에 용해하여 제1 용액을 형성하는 단계;
촉매를 증류수에 용해하여 제2 용액을 형성하는 단계;
탄소 활물질을 용매에 분산하여 제1 분산 용액을 형성하는 단계;
상기 제1 분산 용액에 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액을 제공하여 혼합 용액을 형성하는 단계;
상기 혼합 용액을 초음파 처리(sonication)하는 단계; 및
상기 초음파 처리한 상기 혼합 용액을 건조하여, 납을 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 탄소를 포함하는 쉘을 포함하는 음극 활물질을 제조하는 단계;를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
dissolving a lead precursor in distilled water to form a first solution;
dissolving the catalyst in distilled water to form a second solution;
dispersing the carbon active material in a solvent to form a first dispersion solution;
forming a mixed solution by providing the first solution and the second solution to the first dispersion solution;
Sonicating the mixed solution; and
Drying the ultrasonically treated mixed solution to prepare a negative electrode active material including a lead-containing core and a shell surrounding the core and carbon.
제7항에 있어서,
상기 제1 용액을 형성하는 단계에서,
상기 납 전구체는 PbNO3, (CH3SO3)2Pb, PbCl2, Pb(OAc)2, Pb(NO3)2, Pb(acac)2, 및 PbCO3 중 적어도 하나를 포함하는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
In the step of forming the first solution,
The lead precursor includes at least one of PbNO 3 , (CH 3 SO 3 ) 2 Pb, PbCl 2 , Pb(OAc) 2 , Pb(NO 3 ) 2 , Pb(acac) 2 , and PbCO 3 . A method for producing an active material.
제7항에 있어서,
상기 제2 용액을 형성하는 단계에서,
상기 촉매는 NaBH4, NaH, 트리메틸 보렐이트(Trimethyl Borate), 트리소듐 시트레이트(Tri Sodium Citrate) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
In the step of forming the second solution,
The catalyst is a method for producing a negative active material comprising at least one of NaBH 4 , NaH, trimethyl borate, and trisodium citrate.
제7항에 있어서,
상기 제1 분산 용액을 형성하는 단계에서,
상기 탄소 활물질은 그라파이트 및 활성탄 중 적어도 하나를 포함하는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
In the step of forming the first dispersion solution,
The carbon active material is a method for producing a negative electrode active material comprising at least one of graphite and activated carbon.
제7항에 있어서,
상기 제1 분산 용액을 형성하는 단계에서,
상기 용매는 에탄올 및 이소프로필알코올(Isopropylalcohol) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
In the step of forming the first dispersion solution,
Wherein the solvent includes at least one of ethanol and isopropyl alcohol (Isopropylalcohol).
제7항에 있어서,
상기 초음파 처리하는 단계는
상기 혼합 용액을 제1 초음파 처리하는 단계; 및
상기 제1 초음파 처리한 상기 혼합 용액을 제2 초음파 처리하는 단계;를 포함하는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
The sonication step
first ultrasonicating the mixed solution; and
A method for producing a negative electrode active material comprising a second ultrasonic treatment of the mixed solution subjected to the first ultrasonic treatment.
제12항에 있어서,
상기 제1 초음파 처리하는 단계는 40 내지 60분 동안 수행되고,
상기 제2 초음파 처리하는 단계는 20 내지 40분 동안 수행되는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 12,
The first ultrasonic treatment step is performed for 40 to 60 minutes,
The second step of ultrasonic treatment is a method for producing a negative electrode active material that is performed for 20 to 40 minutes.
제7항에 있어서,
상기 초음파 처리한 상기 혼합 용액을 증류수 및 에탄올 중 적어도 하나로 세척하는 단계를 더 포함하는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
The method of manufacturing a negative electrode active material further comprising the step of washing the mixed solution subjected to ultrasonic treatment with at least one of distilled water and ethanol.
제7항에 있어서,
상기 음극 활물질을 제조하는 단계는
40 내지 60℃에서 22 내지 26시간 동안 건조하여 수행되는 것인 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 7,
The step of preparing the negative active material is
A method for producing a negative active material that is performed by drying at 40 to 60 ° C. for 22 to 26 hours.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100828879B1 (en) * 2006-02-17 2008-05-09 주식회사 엘지화학 Electrode active material and secondary battery using the same
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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