KR102633443B1 - Positive active material having tunnel structure for sodium secondary battery and the sodium secondary battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

터널구조(tunnel structure)를 갖고, 나트륨-전이금속 산화물에서 나트륨 및 전이금속 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 것을 포함하는 나트륨 이차전지용 양극활물질에 대한 것이다.It relates to a cathode active material for a sodium secondary battery that has a tunnel structure and has a structure in which at least one of sodium and transition metal in sodium-transition metal oxide is substituted with lithium.

Description

터널구조를 갖는 나트륨 이차전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지{Positive active material having tunnel structure for sodium secondary battery and the sodium secondary battery comprising the same}Positive active material having tunnel structure for sodium secondary battery and the sodium secondary battery comprising the same}

본 발명은 터널구조를 포함하는 양극활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material including a tunnel structure and a sodium secondary battery including the same.

스마트폰, MP3 플레이어, 태블릿 PC와 같은 휴대용 모바일 전자 기기의 발전으로, 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차 전지에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 전기 자동차, 중대형 에너지 저장 시스템, 및 고 에너지 밀도가 요구되는 휴대 기기의 등장으로, 리튬 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다. With the development of portable mobile electronic devices such as smartphones, MP3 players, and tablet PCs, the demand for secondary batteries capable of storing electrical energy is explosively increasing. In particular, with the emergence of electric vehicles, mid- to large-sized energy storage systems, and portable devices requiring high energy density, demand for lithium secondary batteries is increasing.

리튬 이차 전지는 리튬의 높은 반응성으로 인해 안전성에 문제가 되며, 또한 리튬 원소가 고가의 원소이므로 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.Lithium secondary batteries have safety issues due to the high reactivity of lithium, and since lithium is an expensive element, various studies are being conducted to solve this problem.

이러한 해결 방안 중 나트륨 이차 전지가 연구되고 있으며, 나트륨 이차 전지는 리튬 이차 전지와 비교하여 친환경적이고, 가격경쟁력이 우수하며, 에너지 저장 특성이 높기 때문에 전력 저장용 및 전기자동차용 등 중대형전지 용도로 활발히 연구되고 있다.Among these solutions, sodium secondary batteries are being researched. Compared to lithium secondary batteries, sodium secondary batteries are eco-friendly, have excellent price competitiveness, and have high energy storage characteristics, so they are actively used for medium to large-sized batteries such as for power storage and electric vehicles. It is being studied.

반면, 나트륨 이차 전지의 경우에는 충방전시 중심금속 산화수의 변화에 따른 결정구조의 전이에 의하여, 리튬 이차 전지에 비하여 수명특성이 부진하며, 결정구조 내에 비활성 나트륨의 함량이 높아 방전용량이 낮다는 단점이 있다.On the other hand, in the case of sodium secondary batteries, the lifespan characteristics are poor compared to lithium secondary batteries due to the transition of the crystal structure due to the change in the oxidation number of the central metal during charging and discharging, and the discharge capacity is low due to the high content of inactive sodium in the crystal structure. There is a downside.

따라서, 방전용량 및 수명특성이 향상된 나트륨 이차 전지를 제공할 수 있는 양극활물질이 여전히 요구된다.Therefore, there is still a need for a positive electrode active material that can provide a sodium secondary battery with improved discharge capacity and lifespan characteristics.

(선행특허) 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0066638호(Prior patent) Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0066638

본 발명의 목적은 터널구조를 갖는 나트륨 이차전지용 양극활물질에서 나트륨 또는 전이금속에서 리튬이 치환되어 형성된 신규한 구조를 포함하는 양극활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지를 제공하기 위한 것이다.The purpose of the present invention is to provide a cathode active material for a sodium secondary battery having a tunnel structure and a novel structure formed by substituting lithium from sodium or a transition metal, and a sodium secondary battery containing the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 터널구조 및 스피넬구조가 혼재되고 전기화학특성이 향상된 양극활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지를 제공하기 위함이다.In addition, another object of the present invention is to provide a cathode active material with a mixture of tunnel structure and spinel structure and improved electrochemical properties, and a sodium secondary battery containing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problems to be solved by the present invention are not limited to those described above.

상기 기술적 과제를 해결하기 본 발명은 양극활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지를 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present invention provides a positive electrode active material and a sodium secondary battery containing the same.

본 발명의 실시예들은 터널구조(tunnel structure)를 갖고, 나트륨-전이금속 산화물에서 나트륨 및 전이금속 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 것을 포함하는 나트륨 이차전지용 양극활물질를 포함한다.Embodiments of the present invention include a cathode active material for a sodium secondary battery that has a tunnel structure and has a structure in which at least one of sodium and transition metal in sodium-transition metal oxide is substituted with lithium.

일 실시예에 있어서, 스피넬구조를 더 포함하고, 하기 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나 이상으로 나타낼 수 있다. In one embodiment, it further includes a spinel structure and may be represented by one or more of the following Chemical Formulas 1 to 3.

[화학식 1] [Nax-yLiy]TMO2 [Formula 1] [Na xy Li y ]TMO 2

[화학식 2] Nax[TMzLi1-z]O2 [Formula 2] Na x [TM z Li 1-z ]O 2

[화학식 3] [Nax-yLiy][TMzLi1-z]O2 [Formula 3] [Na xy Li y ][TM z Li 1-z ]O 2

상기 화학식 1 내지 3에서, TM은 Mn, Co, Ni, V 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 0<x≤1, 0<y≤0.5, 0<z≤1이다.In Formulas 1 to 3, TM is one or more elements selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, V, and Ti, and 0<x≤1, 0<y≤0.5, 0<z≤1.

일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질은 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지는 이차입자를 포함하고, 상기 일차입자는 터널구조 및 스피넬구조를 모두 포함하고, 상기 리튬의 치환량이 증가할수록 상기 스피넬구조가 증가하는 것을 포함할 수 있다.In one embodiment, the positive electrode active material includes secondary particles composed of a group of a plurality of primary particles, and the primary particles include both a tunnel structure and a spinel structure, and as the substitution amount of lithium increases, the spinel structure increases. It may include:

일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질은 나트륨 또는 전이금속이 리튬으로 치환되어 Mn3+가 Mn4+로 산화되어 전자구조가 안정화되되, 상기 리튬의 치환량이 증가됨에 따라 상기 Mn3+가 Mn4+로의 산화량이 증가되는 것을 포함할 수 있다.In one embodiment, the electronic structure of the positive electrode active material is stabilized by oxidizing Mn 3+ to Mn 4+ by substituting sodium or a transition metal with lithium, but as the amount of lithium substitution increases, the Mn 3+ changes to Mn 4+ . + may include an increase in the amount of oxidation.

일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질은 Mn3+ 및 Mn4+의 전체 농도에 대해서, 상기 Mn3+는 50% 미만으로 구비되는 것을 포함할 수 있다.In one embodiment, the positive electrode active material may include less than 50% of Mn 3+ relative to the total concentration of Mn 3+ and Mn 4+ .

일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질을 포함하는 양극을 채용한 나트륨이차전지에서, 나트륨 금속에 대하여 2.0~3.8V의 전압범위에서, 0.1C rate의 정전류로 1000회 충방전 후의 용량리텐션이 80% 이상일 수 있다.In one embodiment, in a sodium secondary battery employing a positive electrode containing the positive electrode active material, the capacity retention after charging and discharging 1000 times at a constant current of 0.1C rate in a voltage range of 2.0 to 3.8V with respect to sodium metal is 80. It may be more than %.

일 실시예에 있어서, 상기 터널구조는 단면이 S자형 터널구조와, 상기 S자형 터널구조보다 작은 면적으로 구비되는 단면이 다각형 터널구조를 포함할 수 있다.In one embodiment, the tunnel structure may include a tunnel structure having an S-shaped cross-section and a polygonal tunnel structure having a smaller area than the S-shaped tunnel structure.

일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질은 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지는 이차입자를 포함하고, 상기 일차입자는 c축 방향의 길이가 더 길게 구비되는 나노로드(nano rod) 형태로 구비되고, 상기 이차입자는 비표면적(BET)이 1.3㎡/g 이상으로 구비될 수 있다.In one embodiment, the positive electrode active material includes secondary particles composed of a plurality of primary particles, and the primary particles are provided in the form of nanorods having a longer length in the c-axis direction, Secondary particles may have a specific surface area (BET) of 1.3 m2/g or more.

일 실시예에 있어서, 물질의 분말 X선 회절 패턴에 있어서, 상기 X선 회절 패턴의 브래그 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200) 및 (111)의 회절피크가 나타나고, 상기 리튬이 나트륨을 치환하는 경우, 리튬의 치환량이 증가할수록 상기 (200)에 대한 (111)의 회절피크의 강도가 증가할 수 있다.In one embodiment, in the powder When lithium replaces sodium, the intensity of the diffraction peak of (111) relative to (200) may increase as the amount of lithium substitution increases.

일 실시예에 있어서, 상기 전이금속은 망간으로 이루어지고, 시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가 방법에 따라, 나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 최대발열피크온도(To)에 대해서 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 최대발열피크온도(T)는 9℃ 이상 높게 나타나고, 나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 발열량(Ho)에 대해서 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 발열량(Ho)은 90% 이하로 나타날 수 있다.In one embodiment, the transition metal is made of manganese, and according to a thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter, the maximum exothermic peak temperature (T o ) of the cathode active material made of sodium-manganese oxide is The maximum heating peak temperature (T) of the cathode active material having a structure in which at least one of sodium and manganese is substituted with lithium is higher than 9℃, and the calorific value (H o ) of the cathode active material made of sodium-manganese oxide is higher than sodium. -The calorific value (H o ) of a cathode active material having a structure in which at least one of sodium and manganese in manganese oxide is substituted with lithium may be less than 90%.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 전술한 나트륨 이차전지용 양극활물질을 포함하는 양극; 음극; 및 나트륨이온을 포함하는 전해액;을 포함하는 나트륨이차전지를 포함한다.According to another aspect of the present invention, embodiments of the present invention include a positive electrode containing the above-described positive electrode active material for a sodium secondary battery; cathode; and an electrolyte solution containing sodium ions.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 터널구조를 갖는 망간 기반의 나트륨 이차 전지용 양극활물질을 이용하여, 스피넬구조를 더 포함시키고, 이에 의하여 망간의 얀-텔러 효과(Jahn-Teller effect)를 억제하여 향상된 전기화학특성을 나타내는 양극활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지를 제공할 수 있다. According to the present invention as described above, a manganese-based cathode active material for a sodium secondary battery having a tunnel structure is used to further include a spinel structure, thereby suppressing the Jahn-Teller effect of manganese, thereby improving the cathode active material for a sodium secondary battery based on manganese. A cathode active material exhibiting electrochemical properties and a sodium secondary battery containing the same can be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질의 터널구조를 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나르튬 양극활물질 및 종래 NMO계 나트륨 양극활물질의 디콘볼루티드 피크를 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 1 내지 3에 대하여 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프이다.
도 4는 실시예 4, 5, 8에 대한 XRD 패턴으로 전체(a)와 부분확대(b)한 그래프이다.
도 5는 실시예 1과, 실시예 5 내지 8에 대해서 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프(a)와, 실시예 1, 7, 8의 사이클 특성을 나타낸 그래프(b)이다.
도 6은 실시예 2, 10, 11에 대한 XRD 패턴으로 전체(a)와 부분확대(b)한 그래프이다.
도 7은 실시예 2와, 실시예 9 내지 11에 대해서 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프(a)와, 실시예 2, 10, 11의 사이클 특성을 나타낸 그래프(b)이다.
도 8은 실시예 3과, 실시예 12 내지 15에 대해서 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프(a)와, 실시예 3과, 실시예 12 내지 15의 사이클 특성을 나타낸 그래프(b)이다.
도 9는 실시예 1과 비교예 1의 SEM 이미지이다.
도 10은 실시예 1 내지 실시예 3과, 비교예 1의 XRD 그래프이다.
도 11은 실시예 1 내지 실시예 3과, 비교예 1의 XRD 패턴에서 37.1° 내지 37.6° 사이를 확대한 도면이고(a), 대표적인 LiMn2O4의 결정구조(top)와 Na0.44MnO2 (bottom)의 결정구조를 나타낸 도면이고(b), 넓은 범위에 대한 XRD 패턴(c)이다.
도 12는 실시예 3 및 비교예 1의 Mn 2p3/2 스펙트럼(a)과, N2 흡착 및 탈착 곡선(포어 사이즈 분포를 나타냄)을 나타낸 도면(b)이다.
도 13은 실시예 3의 SEM 이미지이다.
도 14는 실시예 3과 비교예 1의 일차입자의 TEM 이미지이다.
도 15는 실시예 3의 TEM 이미지(a), EDS 맵핑 이미지(b), SAED 패턴(c), HRTEM 및 FFT 이미지(d)와, 비교예 1의 SAED 패턴(e), HRTEM 및 FFT 이미지(f)이다.
도 16은 실시예 3과 비교예 1의 DSC(Differential scanning calorimetry)의 결과이다.
도 17은 비교예 및 실시예에 따른 양극활물질의 전기화학적 성능을 확인한 결과이다.
도 18은 비교예 및 실시예에 따른 양극활물질의 사이클 특성을 확인한 결과이다.
도 19는 실시예 3을 이용한 양극과, 하드카본을 음극으로 이용한 풀셀(full cell)에서의 전기화학적 성능을 평가한 결과이다.
도 20은 실시예 1 내지 3과, 비교예 1에 따른 양극활물질의 전극 반응속도와 열적안정성을 확인한 결과이다.
도 21은 실시예 3 및 비교예 1의 사이클 성능을 비교하기 위한 XRD 그래프와, SEM 이미지를 나타내었다.
1 is a diagram schematically showing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is a diagram showing the tunnel structure of a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2b is a graph showing the deconvoluted peak of the sodium cathode active material according to an embodiment of the present invention and the conventional NMO-based sodium cathode active material.
Figure 3 is a graph confirming rate characteristics using half cells for Comparative Examples 1 to 3.
Figure 4 is a graph of the entire (a) and partial enlargement (b) of the XRD patterns for Examples 4, 5, and 8.
Figure 5 is a graph (a) confirming rate characteristics using half cells for Example 1 and Examples 5 to 8, and a graph (b) showing cycle characteristics of Examples 1, 7, and 8.
Figure 6 is a graph of the entire (a) and partial enlargement (b) of the XRD patterns for Examples 2, 10, and 11.
Figure 7 is a graph (a) confirming rate characteristics using half cells for Example 2 and Examples 9 to 11, and a graph (b) showing cycle characteristics of Examples 2, 10, and 11.
Figure 8 is a graph (a) confirming the rate characteristics using half cells for Example 3 and Examples 12 to 15, and a graph (b) showing the cycle characteristics of Example 3 and Examples 12 to 15.
Figure 9 is an SEM image of Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 10 is an XRD graph of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
Figure 11 is an enlarged view between 37.1° and 37.6° in the XRD patterns of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 (a), and shows the representative crystal structure (top) of LiMn 2 O 4 and Na 0.44 MnO 2 This is a drawing showing the crystal structure (bottom) (b), and the XRD pattern for a wide range (c).
Figure 12 is a diagram showing the Mn 2p3/2 spectrum (a) and N2 adsorption and desorption curves (showing pore size distribution) of Example 3 and Comparative Example 1 (b).
Figure 13 is an SEM image of Example 3.
Figure 14 is a TEM image of the primary particles of Example 3 and Comparative Example 1.
Figure 15 shows the TEM image (a), EDS mapping image (b), SAED pattern (c), HRTEM and FFT image (d) of Example 3, and the SAED pattern (e), HRTEM and FFT image of Comparative Example 1 ( f).
Figure 16 shows the results of DSC (Differential scanning calorimetry) of Example 3 and Comparative Example 1.
Figure 17 shows the results of confirming the electrochemical performance of positive electrode active materials according to comparative examples and examples.
Figure 18 shows the results of confirming the cycle characteristics of positive electrode active materials according to comparative examples and examples.
Figure 19 shows the results of evaluating electrochemical performance in the anode using Example 3 and a full cell using hard carbon as the cathode.
Figure 20 shows the results of confirming the electrode reaction rate and thermal stability of the positive electrode active materials according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
Figure 21 shows an XRD graph and SEM image for comparing the cycle performance of Example 3 and Comparative Example 1.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the technical idea of 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 disclosure will be thorough and complete and so that the spirit of the invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be formed directly on the other element or that a third element may be interposed between them. Additionally, in the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content.

또한, 본 명세서의 다양한 실시예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Additionally, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. Additionally, in this specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the components listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In the specification, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "include" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, components, or a combination thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features, numbers, steps, or components. It should not be understood as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.Additionally, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 본 출원 명세서에서, 특정 부분에서 제1 결정 구조의 비율이 제2 결정 구조의 비율보다 높다는 것은, 상기 특정 부분이 상기 제1 결정 구조 및 상기 제2 결정 구조를 모두 포함하되, 상기 특정 부분에서 상기 제1 결정 구조의 비율이 상기 제2 결정 구조의 비율보다 높다는 것을 의미하는 것은 물론, 상기 특정 부분이 상기 제1 결정 구조만을 갖는다는 것을 포함하는 의미로 해석된다. In addition, in the present application, the ratio of the first crystal structure in a specific part is higher than the ratio of the second crystal structure, meaning that the specific part includes both the first crystal structure and the second crystal structure, but the specific part includes both the first crystal structure and the second crystal structure. It is interpreted to mean that the ratio of the first crystal structure is higher than the ratio of the second crystal structure, as well as that the specific part has only the first crystal structure.

또한, 본 출원 명세서에서, 결정계(crystal system)는 삼사정계(triclinic), 단사정계(monoclinic), 사방정계(orthorhombic), 정방정계(tetragonal), 삼방정계(trigonal 또는 rhombohedral), 육방정계(hexagonal), 및 입방정계(cubic)의 7개로 구성될 수 있다. Additionally, in the present application, the crystal system refers to triclinic, monoclinic, orthorhombic, tetragonal, trigonal or rhombohedral, and hexagonal. , and can be composed of 7 cubic systems.

또한, 본 출원 명세서에서 "mol%"는 양극활물질 또는 양극활물질 전구체에서 나트륨과 산소를 제외한 나머지 금속의 합을 100%로 가정했을 경우, 양극활물질 또는 양극활물질 전구체에 포함된 임의의 금속의 함량을 나타내는 의미로 해석된다.In addition, in this application specification, “mol%” refers to the content of any metal contained in the cathode active material or cathode active material precursor, assuming that the sum of the remaining metals excluding sodium and oxygen in the cathode active material or precursor is 100%. It is interpreted in the sense that it represents.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질의 터널구조를 나타낸 도면이다. 1 is a diagram schematically showing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a diagram showing the tunnel structure of a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.

본 실시예는 터널구조(tunnel structure)를 갖고, 나트륨-전이금속 산화물에서 나트륨 및 전이금속 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 것을 포함하는 나트륨 이차전지용 양극활물질을 포함한다. This embodiment includes a cathode active material for a sodium secondary battery that has a tunnel structure and has a structure in which at least one of sodium and transition metal in sodium-transition metal oxide is substituted with lithium.

또한, 상기 양극활물질은 스피넬구조를 더 포함하고, 하기 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나 이상으로 나타낼 수 있다.In addition, the positive electrode active material further includes a spinel structure and may be represented by one or more of the following Chemical Formulas 1 to 3.

[화학식 1][Formula 1]

[Nax-yLiy]TMO2 [Na xy Li y ]TMO 2

[화학식 2][Formula 2]

Nax[TMzLi1-z]O2 Na x [TM z Li 1-z ]O 2

[화학식 3][Formula 3]

[Nax-yLiy][TMzLi1-z]O2 [Na xy Li y ][TM z Li 1-z ]O 2

상기 화학식 1 내지 3에서, TM은 Mn, Co, Ni, V, 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 0<x≤1, 0<y≤0.5, 0<z≤1이다.In Formulas 1 to 3, TM is one or more elements selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, V, and Ti, and 0<x≤1, 0<y≤0.5, 0<z≤1.

상기 나트륨 이차전지용 양극활물질에서, 나트륨-전이금속 산화물에서 리튬의 치환에 의하여 스피넬구조가 형성될 수 있는데, 상기 리튬에 의한 치환의 정도에 의하여 스피넬구조가 형성되는 정도 및 상기 터널구조와 스피넬구조의 구조적인 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 이때, 상기 리튬이 나트륨을 치환하여 형성되는 스피넬구조와, 상기 리튬이 전이금속을 치환하여 형성되는 스피넬구조 및 상기 리튬이 나트륨과 전이금속 모두를 치환하여 형성되는 스피넬구조는 상기 터널구조와의 관계에서 상이하게 구비될 수 있으며, 또한 형성되는 스피넬구조의 정도 및 크기도 서로 상이하다.In the cathode active material for sodium secondary batteries, a spinel structure can be formed by substitution of lithium in sodium-transition metal oxide. The degree to which the spinel structure is formed and the tunnel structure and spinel structure are determined by the degree of substitution by lithium. It may affect structural stability. At this time, the spinel structure formed by substituting the lithium for sodium, the spinel structure formed by substituting the lithium for a transition metal, and the spinel structure formed by substituting the lithium for both sodium and the transition metal have a relationship with the tunnel structure. may be provided differently, and the degree and size of the spinel structure formed are also different from each other.

본 실시예에 따른 양극활물질은 화학식 1 내지 3에서, 상기 x, y, z가 전술한 범위 내로 구비됨으로써, 상기 나트륨 이차전지용 양극활물질은 터널구조에 스피넬구조가 구조적으로 안정성이 향상되도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 TM은 Mn일 수 있다. In the positive electrode active material according to this embodiment, in Formulas 1 to 3, x, y, and z are provided within the above-mentioned ranges, so that the positive electrode active material for sodium secondary batteries can be formed with a spinel structure in the tunnel structure to improve structural stability. there is. Specifically, the TM may be Mn.

나트륨 이차전지 양극소재로 사용되는 나트륨-전이금속 산화물(NaxTMO2)은 합성조건과 Na의 함량에 따라 구조적으로 민감하게 변하는데, 이는 소재 내 Na-Na, Na-TM(전이금속), TM(전이금속)-TM(전이금속) 사이의 반발력으로 인해 양이온의 분산상태가 다양해지기 때문이다. Sodium-transition metal oxide ( Na This is because the dispersion state of cations varies due to the repulsion between TM (transition metal) and TM (transition metal).

그 중 터널 타입 나트륨 이차전지 양극소재는 수계 전해액에서도 안정하여 수계 및 비수계 나트륨 이차전지 양측에 사용될 수 있는 일반적인 구조로 알려져 있다. 대표인 터널 타입 나트륨 망간 양극활물질은 결정학적으로 5개의 망간 위치 (2개는 3가, 3개는 4가로 존재)와 3개의 나트륨 위치를 가지고 있다. 구조적 프레임(frame)은 가장자리 공유 MnO 팔면체의(octahedral) 이중 및 삼중 선형 체인과, 체인의 가장자리 공유 MnO 사각 피라미드의 단일 체인으로 구성되어 있다. 각 체인은 c축에 평행하게 정렬되고 다면체의 가장자리 공유를 통해 근거리 체인에 연결되어 두가지 유형의 터널구조가 발생한다.Among them, the tunnel-type sodium secondary battery anode material is known to have a general structure that is stable even in aqueous electrolyte and can be used in both aqueous and non-aqueous sodium secondary batteries. The representative tunnel-type sodium manganese cathode active material crystallographically has 5 manganese positions (2 are trivalent and 3 are tetravalent) and 3 sodium positions. The structural frame consists of edge-sharing MnO octahedral double and triple linear chains and single chains of edge-sharing MnO square pyramids. Each chain is aligned parallel to the c-axis and connected to a nearby chain through sharing edges of the polyhedron, resulting in two types of tunnel structures.

전이금속으로 Mn을 사용하는 경우의 산화물은 타 금속기반 층상계 산화물에 비해 용량, 가격경쟁력, 매장량, 친환경성 등의 경쟁력 측면에서 상대적 우위를 점하고 있다. 반면, 터널 타입 나트륨-망간 산화물은 높은 용량을 발휘하지만, 구조붕괴와 반복적인 응력에 의한 비정질화로 인해 낮은 수명 특성을 보인다. 또한, 이러한 소재들은 충/방전 중 심각한 소재퇴화를 유발하는 얀-텔러(Jahn-Teller) 왜곡을 겪는 경향이 있는데, 이것은 Mn3+ 이온(t2g 3 eg 1)으로부터 발생한다. 얀-텔러 왜곡은 결정장 안정화에너지에 의해 촉발되는 현상으로, 특정 d전자 개수와 스핀 상태를 지닌 분자오비탈에서 t2g와 eg 전자상태가 dx2-y2, dz2, dxy, dxz, dyz로 분리되는 현상을 말한다. 이때 결정의 Z축 길이가 X, Y축에 비해 더 길어지거나 짧아지는데, 산화수(d전자의 개수)가 변할 때마다 팽창과 수축을 반복하기 때문에 이차전지 양극소재의 경우 이로 인한 수명열화가 나타난다. Oxides using Mn as a transition metal have a relative advantage over other metal-based layered oxides in terms of competitiveness such as capacity, price competitiveness, reserves, and eco-friendliness. On the other hand, tunnel-type sodium-manganese oxide exhibits high capacity, but exhibits low lifespan characteristics due to structural collapse and amorphization due to repetitive stress. Additionally, these materials tend to experience Jahn-Teller distortion, which causes severe material degradation during charge/discharge, which originates from Mn 3+ ions (t 2g 3 e g 1 ). Jahn-Teller distortion is a phenomenon triggered by the crystal field stabilization energy. In a molecular orbital with a specific number of d electrons and spin state, the t 2g and e g electronic states are d x2-y2 , d z2 , d xy , d xz , This refers to the phenomenon of separation into d yz . At this time, the Z-axis length of the crystal becomes longer or shorter than the

반면, 본 실시예에 따른 양극활물질은 나트륨 원자층, 또는 망간 원자층 또는 나트륨 및 망간 원자층에 리튬이 치환됨으로써, 스피넬구조를 더 포함할 수 있고 이에 의하여 얀-텔러 효과를 방지하여, 나트륨 이차전지의 수명특성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the positive electrode active material according to the present embodiment may further include a spinel structure by substituting lithium in the sodium atomic layer, the manganese atomic layer, or the sodium and manganese atomic layers, thereby preventing the Jahn-Teller effect, resulting in sodium secondary The lifespan characteristics of the battery can be improved.

구체적으로, 상기 화학식 1 내지 3에서, x는 0.44이고, y는 0.044 내지 0.132이며, z는 0.95 내지 0.99일 수 있다. 보다 구체적으로, x는 0.44이고, y는 0.022 내지 0.308이고, z는 0.01 내지 0.1일 수 있다. 예컨대, 상기 양극활물질은 [Na0.22Li0.22][Mn]O2, [Na0.308Li0.132][Mn]O2, [Na0.396Li0.044][Mn]O2, [Na0.44][Mn0.95Li0.05]O2, [Na0.44][Mn0.97Li0.03]O2, [Na0.44][Mn0.95Li0.05]O2, [Na0.44][Mn0.97Li0.03]O2, [Na0.44][Mn0.99Li0.01]O2, [Na0.396Li0.044][Mn0.97Li0.03]O2 중 어느 하나 이상일 수 있다.Specifically, in Formulas 1 to 3, x may be 0.44, y may be 0.044 to 0.132, and z may be 0.95 to 0.99. More specifically, x may be 0.44, y may be 0.022 to 0.308, and z may be 0.01 to 0.1. For example, the positive electrode active material is [Na 0.22 Li 0.22 ][Mn]O 2, [Na 0.308 Li 0.132 ][Mn]O 2, [Na 0.396 Li 0.044 ][Mn]O 2, [Na 0.44 ][Mn 0.95 Li 0.05 ]O 2, [Na 0.44 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2, [Na 0.44 ][Mn 0.95 Li 0.05 ]O 2, [Na 0.44 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2, [Na 0.44 ][Mn 0.99 Li 0.01 ]O 2, and It may be any one or more of [Na 0.396 Li 0.044 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 상기 양극활물질은 복수개의 일차입자(100)의 집단으로 이루어지는 이차입자(10)를 포함하고, 상기 일차입자(100)는 터널구조 및 스피넬구조를 모두 포함할 수 있다. 또한, 상기 리튬은 나트륨 및 전이금속 중 적어도 하나 이상과 치환될 수 있는데, 상기 리튬의 치환량이 증가할수록 상기 스피넬구조가 증가할 수 있다. 상기 일차입자(100)는 c축 방향의 길이가 더 길게 구비되는 나노로드(nano rod) 형태로 구비되고, 상기 이차입자(10)는 비표면적(BET)이 1.3㎡/g 이상으로 구비될 수 있다. 상기 양극활물질은 대략 구형으로 이루어진 이차입자(10)를 포함할 수 있으며, 상기 이차입자(10)는 복수개의 일차입자(100)가 뭉쳐서 형성될 수 있다. 상기 일차입자(100) 중 상기 이차입자(10)의 표면부에 위치한 일차입자(100)는 나노로드 형태로 구비될 수 있다.Referring to Figures 1 and 2, the positive electrode active material according to this embodiment includes secondary particles 10 composed of a group of a plurality of primary particles 100, and the primary particles 100 have a tunnel structure and a spinel structure. Can include all. Additionally, the lithium may be substituted with at least one of sodium and a transition metal, and as the substitution amount of lithium increases, the spinel structure may increase. The primary particle 100 is provided in the form of a nanorod with a longer length in the c-axis direction, and the secondary particle 10 may be provided with a specific surface area (BET) of 1.3 m2/g or more. there is. The positive electrode active material may include secondary particles 10 having a substantially spherical shape, and the secondary particles 10 may be formed by aggregating a plurality of primary particles 100. Among the primary particles 100, the primary particles 100 located on the surface of the secondary particles 10 may be provided in the form of nanorods.

이와 같이, 복수개의 일차입자(100)의 집단으로 이루어진 이차입자(10)는 상기 일차입자(100)의 구조, 결정성, 배열 등에 의하여 비표면적이 달라질 수 있는데, 상기 이차입자(10)의 표면부에 구비되는 일차입자(100)는 C축 방향으로 길이가 길게 형성된 나노로드 형태로 구비됨으로써, 상기 이차입자(10)의 비표면적을 증가시킬 수 있다. 상기 이차입자(10)의 비표면적인 1.3㎡/g 이상이며, 구체적으로는 1.5㎡/g 이상, 또는 2㎡/g 이상, 또는 2㎡/g 이상 내지 5㎡/g 이하, 또는 2.08㎡/g일 수 있다.In this way, the secondary particle 10, which is composed of a group of a plurality of primary particles 100, may have a different specific surface area depending on the structure, crystallinity, arrangement, etc. of the primary particle 100, and the surface of the secondary particle 10 The primary particles 100 provided in the unit are provided in the form of nanorods formed to be long in the C-axis direction, thereby increasing the specific surface area of the secondary particles 10. The specific surface area of the secondary particle 10 is 1.3 m2/g or more, specifically 1.5 m2/g or more, or 2 m2/g or more, or 2 m2/g or more to 5 m2/g or less, or 2.08 m2/g. It may be g.

상기 일차입자(100)는 터널구조는 에지-공유 MnO5 피라미드(edge-sharing MnO5 pyramids)와 MnO6 팔면체(MnO6 octahedra)로 이루어지며, 상기 에지-공유 MnO5 피라미드는 상기 양극활물질을 구성하는 전체 Mn3+ 중 절반의 Mn3+로 구성되고, 상기 MnO6 팔면체는 에지-공유 MnO5 피라미드에서 이용되고 남은 Mn3+와 양극활물질을 구성하는 전체 Mn4+로 구성될 수 있다. 상기 에지-공유 MnO5 피라미드 및 MnO6 팔면체로 이루어지는 다면체는 S자형 터널과, 상기 S자형 터널보다 작은 면적으로 구비되는 단면이 다각형 터널을 포함할 수 있다. 상기 다각형 터널은 오각형(pentagonal) 터널일 수 있다 (도 2 참조). The primary particle 100 has a tunnel structure composed of edge-sharing MnO5 pyramids and MnO6 octahedra, and the edge-sharing MnO5 pyramid is the entire Mn 3+ constituting the positive electrode active material. It is composed of half of Mn 3+ , and the MnO6 octahedron may be composed of Mn 3+ remaining after being used in the edge-sharing MnO5 pyramid and all of Mn 4+ constituting the positive electrode active material. The polyhedron made of the edge-sharing MnO5 pyramid and MnO6 octahedron may include an S-shaped tunnel and a polygonal tunnel with a cross-section having a smaller area than the S-shaped tunnel. The polygonal tunnel may be a pentagonal tunnel (see Figure 2).

예컨대, 상기 S자형 터널은 내부에 Na 및 Na의 2개가 배치되어 나트륨 확산 채널을 형성하는 반면, 상기 다각형 터널(예컨대, 오각형)은 내부에는 Na가 전체적으로 채워지게 되어 나트튬의 삽입 및 방출이 불가능하다. 상기 S자형 터널은 넓은 크기로 구비되어 개방된 구조로 구비됨으로써, 전기화학적 충방전 과정에서 양극활물질의 부피변화를 수용할 수 있고, 사이클 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 양극활물질은 상대적으로 넓은 공간으로 구비되는 S자형 터널을 구비함으로써, 충방전 과정에서 발생하는 양극활물질의 증가 및 감소에 대해서는 내부에서 발생하는 외력으로 작용하지 않도록 버퍼공간을 제공함으로써 이에 장기간 충방전 사이클을 수행하는 경우에도 구조의 붕괴를 방지할 수 있다.For example, the S-shaped tunnel has two Na and Na placed inside to form a sodium diffusion channel, while the polygonal tunnel (e.g., pentagon) is entirely filled with Na, making insertion and release of sodium impossible. do. The S-shaped tunnel has a wide size and an open structure, so that it can accommodate changes in the volume of the positive electrode active material during the electrochemical charging and discharging process and improve cycle performance. That is, the positive electrode active material according to the present embodiment has an S-shaped tunnel with a relatively large space, so that a buffer space is provided so that the increase and decrease of the positive electrode active material occurring during the charging and discharging process does not act as an external force generated internally. By providing this, it is possible to prevent collapse of the structure even when performing a long-term charge/discharge cycle.

즉, 통상의 나트륨만으로 이루어진 양극활물질에서는 다각형 터널은 나트륨의 확산 채널로 작용할 수 없다. 반면, 본 실시예에 따른 양극활물질은 상기 다각형 터널을 형성하는 MnO6 팔면체에서, 리튬이 사면체 사이트를 차지하여 형성된 에지-공유 LiMn2O4의 3D 스피넬 프레임워크를 형성한다. Na0.44MnO2 내에서 정렬된 MnO6 시트들은 스피넬구조를 형성하고, 반응사이트를 활성화시키고 이어서 이온의 확산 채널을 제공할 수 있다. 상기 스피넬구조는 이온경로가 3차원으로 형성되므로 이온의 확산이 보다 용이하게 수행될 수 있다.In other words, in a typical cathode active material made only of sodium, the polygonal tunnel cannot function as a diffusion channel for sodium. On the other hand, the positive electrode active material according to this embodiment forms a 3D spinel framework of edge-sharing LiMn2O4 formed by lithium occupying tetrahedral sites in the MnO6 octahedron forming the polygonal tunnel. Aligned MnO6 sheets within Na0.44MnO2 can form a spinel structure, activating reaction sites and subsequently providing diffusion channels for ions. The spinel structure allows ions to diffuse more easily because the ion path is formed in three dimensions.

본 실시예에 있어서, 상기 S자형 터널구조는 나트륨 이온의 확산 채널을 형성하는 반면, 다각형 터널구조는 상기 S자형 터널구조의 내부공간이 유지되도록 하며 전체적으로 양극활물질의 구조를 유지하는 지지골격과 같은 기능을 할 수 있다. In this embodiment, the S-shaped tunnel structure forms a diffusion channel for sodium ions, while the polygonal tunnel structure maintains the internal space of the S-shaped tunnel structure and acts as a support framework that maintains the overall structure of the positive electrode active material. It can function.

본 실시예에 따른 양극활물질은 리튬의 치환에 의하여 터널구조 및 스피넬구조를 모두 포함하는 이종구조로 구비되며, 충방전 과정에서 나트륨 이온의 이동을 촉진하여 향상된 율특성을 나타낼 수 있다.The positive electrode active material according to this embodiment has a heterogeneous structure including both a tunnel structure and a spinel structure by substitution of lithium, and can exhibit improved rate characteristics by promoting the movement of sodium ions during the charge and discharge process.

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나르튬 양극활물질 및 종래 NMO계 나트륨 양극활물질의 디콘볼루티드 피크를 나타낸 그래프이다.Figure 2b is a graph showing the deconvoluted peak of the sodium cathode active material according to an embodiment of the present invention and the conventional NMO-based sodium cathode active material.

도 2b에서, 본 실시예에 따른 양극활물질은 나트륨 및 전이금속 자리의 양측 모두에 리튬이 치환된 양극활물질([NL][ML]O)이고, 종래의 NMO계 양극활물질은 나트늄과 전이금속으로만 이루어지고 리튬이 치환되지 않은 양극활물질을 의미한다.In Figure 2b, the cathode active material according to this embodiment is a cathode active material ([NL][ML]O) in which lithium is substituted on both sides of the sodium and transition metal sites, and the conventional NMO-based cathode active material is a cathode active material containing sodium and transition metal. It refers to a positive electrode active material consisting only of lithium and not substituted with lithium.

본 발명의 실시예에 따른 나트륨 양극활물질은 Li 1s의 XPS 스펙트럼에서 55.6eV의 디콘볼루티드 피크(Deconvoluted Peak)가 나타냄을 확인할 수 있었는데, 이에 의하여 상기 리튬이 나트륨 또는 전이금속과 치환되어 터널구조의 결정격자에 효과적으로 치환됨을 의미한다. 상기 양극활물질은 Mn 2p3/2 스펙트럼에서, 641.5eV 및 642.8eV에서 두개로 분리될 수 있으며, 각각 Mn3+ 및 Mn4+을 의미한다. 반면, 종래의 리튬에 의하여 치환되지 않은 양극활물질은 본 발명의 실시예에 따른 나트륨 양극활물질과는 반대 양상을 보이는 피크를 나타냄을 확인할 수 있었다.It was confirmed that the sodium cathode active material according to an embodiment of the present invention showed a deconvoluted peak of 55.6 eV in the XPS spectrum of Li 1s, whereby the lithium was replaced with sodium or a transition metal to form a tunnel structure. This means that it is effectively substituted in the crystal lattice. The positive electrode active material can be separated into two parts at 641.5 eV and 642.8 eV in the Mn 2p3/2 spectrum, meaning Mn 3+ and Mn 4+ , respectively. On the other hand, it was confirmed that the conventional cathode active material not substituted by lithium showed a peak showing the opposite pattern to that of the sodium cathode active material according to the embodiment of the present invention.

상기 양극활물질은 나트륨 또는 전이금속이 리튬으로 치환되어 Mn3+가 Mn4+로 산화되어 전자구조가 안정화될 수 있다. 상기 리튬의 치환량이 증가됨에 따라 상기 Mn3+ 가 Mn4+로의 산화량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 양극활물질은 Mn3+ 및 Mn4+의 전체 농도에 대해서, 상기 Mn3+는 50% 미만으로 구비될 수 있다. 본 실시예에 따른 양극활물질은 터널구조의 나트륨-전이금속 산화물을 포함하되, 상기 나트륨 및 전이금속 중 어느 하나 이상에 치환됨으로써 스피넬구조를 형성시킬 수 있다. 여기서, 본 실시예에 따른 스피넬구조는 Mn3+ 및 Mn4+의 농도비율을 전술한 범위로 유지함으로써, 상기 터널구조의 주변에서 대략 균일하게 배치됨으로써 전체적으로 양극활물질 내에서의 이온의 이동이 효율적으로 수행되는 이온 확산 채널이 구비되는 구조를 제공할 수 있다.The electronic structure of the positive electrode active material may be stabilized by substituting sodium or a transition metal with lithium and oxidizing Mn 3+ to Mn 4+ . As the substitution amount of lithium increases, the amount of oxidation of Mn 3+ to Mn 4+ may increase. Additionally, the positive electrode active material may contain less than 50% of Mn 3+ relative to the total concentration of Mn 3+ and Mn 4+ . The positive electrode active material according to this embodiment includes sodium-transition metal oxide with a tunnel structure, and can form a spinel structure by being substituted for any one or more of the sodium and transition metal. Here, the spinel structure according to this embodiment maintains the concentration ratio of Mn 3+ and Mn 4+ in the above-described range, thereby ensuring efficient movement of ions within the positive electrode active material as a whole by being arranged approximately uniformly around the tunnel structure. It is possible to provide a structure provided with an ion diffusion channel performed by.

본 실시예에 따른 양극활물질에서, 물질의 분말 X선 회절 패턴에 있어서, 상기 X선 회절 패턴의 브래그 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200) 및 (111)의 회절피크가 나타나고, 상기 리튬이 나트륨을 치환하는 경우, 리튬의 치환량이 증가할수록 상기 (200)에 대한 (111)의 회절피크의 강도가 증가할 수 있다.In the positive electrode active material according to this embodiment, in the powder When lithium replaces sodium, the intensity of the diffraction peak of (111) relative to (200) may increase as the amount of lithium substitution increases.

본 실시예에 따른 양극활물질에서, 상기 전이금속은 망간으로 이루어질 수 있다. 이때, 시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가 방법에 따라, 나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 최대발열피크온도(To)에 대해서 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 최대발열피크온도(T)는 9℃ 이상 높게 나타날 수 있다. 또한, 나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 발열량(Ho)에 대해서 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 발열량(Ho)은 90% 이하로 나타날 수 있다.In the positive electrode active material according to this embodiment, the transition metal may be made of manganese. At this time, according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter, the maximum exothermic peak temperature (T o ) of the positive electrode active material made of sodium-manganese oxide is determined by determining whether at least one of sodium and manganese in the sodium-manganese oxide is substituted with lithium. The maximum exothermic peak temperature (T) of the cathode active material having the structure can be higher than 9℃. In addition, the calorific value (H o ) of a cathode active material having a structure in which at least one of sodium and manganese in sodium-manganese oxide is substituted with lithium is 90% or less compared to the calorific value (H o ) of a cathode active material made of sodium-manganese oxide. It may appear as

상기 양극활물질은 리튬에 의하여 나트륨 및 전이금속 중 적어도 하나 이상이 치환됨으로써, 터널구조에 스피넬구조를 더 포함하게 되되 결정구조의 안전성이 향상됨으로써 열안정성이 보다 향상될 수 있다.The cathode active material has at least one of sodium and transition metal replaced by lithium, so that the tunnel structure further includes a spinel structure, and the stability of the crystal structure is improved, thereby improving thermal stability.

본 발명에 따른 나트륨 이차전지는 전술된 양극활물질을 포함하는 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함한다.The sodium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator containing the above-described positive electrode active material.

양극, 음극 및 분리막이 와인딩되거나 접혀서 전지케이스 내부에 수용될 수 있다. 전지케이스 내부에는 유기전해액이 주입될 수 있고, 캡(cap) 어셈블리로 밀봉되어 있다. 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The anode, cathode, and separator can be wound or folded and accommodated inside the battery case. Organic electrolyte can be injected into the battery case, and it is sealed with a cap assembly. The battery case may be cylindrical, prismatic, thin-film, etc., but is not limited thereto.

양극 및 음극 사이에 분리막이 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체는 코인셀 구조일 수 있고, 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉됨으로써 형성될 수 있다.A separator may be disposed between the anode and the cathode to form a battery structure. The battery structure may have a coin cell structure, and may be formed by being stacked in a bi-cell structure, then impregnated with an organic electrolyte solution, and the obtained result is accommodated in a pouch and sealed.

이하에서는, 각 구성에 대해서 상세하게 설명한다.Below, each configuration will be described in detail.

상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극활물질 층을 포함한다. 상기 양극활물질층은 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질을 포함한다.The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector. The positive electrode active material layer includes the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention described above.

또한, 상기 양극활물질 표면에 코팅층을 갖도록 할 수 있고, 또는 상기 양극활물질 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Sb, Mg, Al, Co, K, Ka, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)을 사용할 수 있다.Additionally, the positive electrode active material may have a coating layer on its surface, or the positive electrode active material compound and a compound having a coating layer may be mixed and used. The coating layer may include, as a coating element compound, an oxide, a hydroxide, an oxyhydroxide of a coating element, an oxycarbonate of a coating element, or a hydroxycarbonate of a coating element. The compounds that make up these coating layers may be amorphous or crystalline. Coating elements included in the coating layer may include Sb, Mg, Al, Co, K, Ka, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or mixtures thereof. The coating layer formation process may use a method (for example, spray coating, dipping, etc.) that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using these elements in the compound.

상기 양극활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer may further include a binder and a conductive material.

상기 바인더는 양극활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아클릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 폴리아크릴산, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the positive electrode active material particles to each other and to the current collector, and representative examples include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, and polyvinyl alcohol. Chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinylfluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene- Butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, polyacrylic acid, epoxy resin, nylon, etc. can be used, but are not limited thereto.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and in the battery being constructed, any electronically conductive material can be used as long as it does not cause chemical change. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and Ketjen. Metal powders such as black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, and silver, metal fibers, etc. can be used, and conductive materials such as polyphenylene derivatives can be used one type or in a mixture of one or more types.

상기 전류 집전체로는 Al을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Al may be used as the current collector, but is not limited thereto.

음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 위치하는 음극활물질 층을 포함한다.The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer located on the current collector.

음극활물질 층은 나트륨 금속, 나트륨 금속 기반의 합금, 나트륨 삽입 화합물(sodium intercalating compound) 또는 탄소계 재료를 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 음극활물질로 사용될 수 있는 것으로서 나트륨을 포함하거나 나트륨을 흡장/방출할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 여기서 나트륨 금속 기반의 합금으로는 예를 들어 알루미늄, 주석, 인듐, 칼슘, 티타늄, 바나듐 등과 나트륨의 합금을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The negative electrode active material layer may include sodium metal, a sodium metal-based alloy, a sodium intercalating compound, or a carbon-based material, but is not necessarily limited to these, and can be used as a negative electrode active material in the art. Anything that contains or can absorb/release sodium is possible. Here, the sodium metal-based alloy may include, for example, an alloy of sodium with aluminum, tin, indium, calcium, titanium, vanadium, etc., but is not limited thereto.

음극활물질 층은 일반적으로 3 내지 500 μm 두께의 금속 상태의 나트륨이 사용될 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode active material layer can generally be made of metallic sodium with a thickness of 3 to 500 μm, and can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.

나트륨 금속 또는 나트륨 합금 이외의 음극활물질을 이용하는 경우, 그래핀 구조를 가지는 탄소계 재료 등을 이용할 수 있다. 흑연, 흑연화탄소 등의 재료의 혼합 음극이나, 탄소계 재료와 금속 또는 합금과의 혼합음극, 복합음극을 사용할 수 있다. 탄소계 재료로는 나트륨 이온을 전기화학적으로 흡장방출할 수 있는 천연흑연, 인조흑연, 메소페이즈탄소, 팽창흑연, 탄소섬유, 기상성장법 탄소섬유, 피치계 탄소질재료, 니들코크스, 석유코크스, 폴리아크릴로나이트릴계 탄소섬유, 카본블랙 등의 탄소질재료, 또는 5원환 또는 6원환의 환식 탄화수소 또는 환식 함산소 유기화합물을 열분해에 의해서 합성한 비정질계 탄소재료 등이 사용될 수 있다.When using a negative electrode active material other than sodium metal or sodium alloy, a carbon-based material having a graphene structure, etc. can be used. A mixed cathode of materials such as graphite or graphitized carbon, a mixed cathode of a carbon-based material and a metal or alloy, or a composite cathode can be used. Carbon-based materials include natural graphite, which can electrochemically absorb and release sodium ions, artificial graphite, mesophase carbon, expanded graphite, carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, pitch-based carbonaceous material, needle coke, petroleum coke, Carbonaceous materials such as polyacrylonitrile-based carbon fiber and carbon black, or amorphous carbon materials synthesized by thermal decomposition of 5- or 6-membered ring cyclic hydrocarbons or cyclic oxygen-containing organic compounds may be used.

상기 음극활물질 층은 또한 바인더를 포함할 수 있으며, 선택적으로 도전재를 더 포함할 수 있다.The negative electrode active material layer may also include a binder and, optionally, may further include a conductive material.

상기 바인더는 음극활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아클릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 폴리아크릴산, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the negative electrode active material particles to each other well and to attach the negative electrode active material to the current collector. Representative examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, and carboxylic acid. Silized polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, arcl. Related styrene-butadiene rubber, polyacrylic acid, epoxy resin, nylon, etc. can be used, but are not limited thereto.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질, 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and in the battery being constructed, any electronically conductive material can be used as long as it does not cause chemical change. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, and carbon fiber. Conductive materials including carbon-based materials, metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, metal materials such as metal fibers, conductive polymers such as polyphenylene derivatives, or mixtures thereof can be used.

상기 집전체로는 구리 박, 알루미늄 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(form), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The current collector may be copper foil, aluminum foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof.

상기 양극과 상기 음극은 각각 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당업계에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.The positive electrode and the negative electrode are manufactured by mixing an active material, a conductive material, and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying this composition to a current collector. Since this electrode manufacturing method is widely known in the art, detailed description will be omitted in this specification. The solvent may be N-methylpyrrolidone, but is not limited thereto.

상기 전해질은 액체 전해액일 수 있으며, 상기 액체 전해액은 나트륨염 및 수용액을 포함할 수 있다.The electrolyte may be a liquid electrolyte solution, and the liquid electrolyte solution may include a sodium salt and an aqueous solution.

본 발명의 나트륨 이차전지에서 사용할 수 있는 나트륨염으로는 NaClO4, NaPF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, NaCl, NaC2H3O2, Na2SO4, NaNO3, NaBH4, NaOH 저급 지방족 카르복실산나트륨염, NaAlCl4 등을 들 수 있고, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다.Sodium salts that can be used in the sodium secondary battery of the present invention include NaClO 4 , NaPF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN(SO 2 CF 3 ) 2 , NaCl, NaC 2 H 3 O 2 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NaBH 4 , NaOH lower aliphatic carboxylic acid sodium salt, NaAlC 14 , etc., and a mixture of two or more of these may be used.

상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고, 나트륨 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 나트륨 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 이들의 조합 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 나트륨 이차전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 분리막이 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.The separator separates the cathode from the anode and provides a passage for sodium ions to move, and any type commonly used in sodium secondary batteries can be used. That is, one that has low resistance to ion movement in the electrolyte and has excellent electrolyte moisturizing ability can be used. For example, it is selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in the form of non-woven or woven fabric. For example, in sodium secondary batteries, polyolefin-based polymer separators such as polyethylene and polypropylene are mainly used, and coated separators containing ceramic components or polymer materials may be used to ensure heat resistance or mechanical strength, and can optionally be single- or multi-layered. It can be used as a structure.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

1. 양극활물질의 제조1. Manufacturing of cathode active material

비교예 1 (Na0.44MnO2; NMO)Comparative Example 1 (Na 0.44 MnO 2 ; NMO)

0.0139몰의 아세트산나트륨(Sodium acetate, with 5% excess sodium, CH3COONa, Aladdin, AR), 0.03몰의 아세트산망간 4수화물(Manganese acetate tetrahydrate, (Mn(CH3COO)2·4H2O, Aladdin, AR) 및 구연산(Citric acid, C6H8O7, Sigma-Aldrich, AR)를 볼밀링(Ball-Milling)을 이용하여 220 rpm, 24 시간 동안 혼합하여 혼합고체분말을 얻었다. 여기서, 구연산은 아세트산염들(아세트산나트륨 및 아세트산망간 4수화물)의 무게의 합 대비 0.2배의 비율로 사용하였다. 제조된 혼합고체분말을 80 ℃에서 건조시킨 후, 공기 분위기에서 950 ℃로 10 시간동안 소성하여 양극활물질 분말(NMO 분말)로 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.0.0139 mole of Sodium acetate, with 5% excess sodium, CH 3 COONa, Aladdin, AR, 0.03 mole of Manganese acetate tetrahydrate, (Mn(CH 3 COO) 2 4H 2 O, Aladdin , AR) and citric acid (C 6 H 8 O 7 , Sigma-Aldrich, AR) were mixed using ball milling at 220 rpm for 24 hours to obtain a mixed solid powder. Here, citric acid It was used at a ratio of 0.2 times the sum of the weight of silver acetate (sodium acetate and manganese acetate tetrahydrate). The prepared mixed solid powder was dried at 80 ° C and then calcined at 950 ° C for 10 hours in an air atmosphere. It was manufactured from positive electrode active material powder (NMO powder) and is shown in Table 1.

비교예 2 (Na0.44MnO2; NMO-900)Comparative Example 2 (Na 0.44 MnO 2 ; NMO-900)

소성온도를 900 ℃로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 분말을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.Cathode active material powder was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the sintering temperature was set to 900°C, and is shown in Table 1.

비교예 3 (Na0.44MnO2; NMO-1000)Comparative Example 3 (Na 0.44 MnO 2 ; NMO-1000)

소성온도를 1000 ℃로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 분말을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.Cathode active material powder was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the sintering temperature was set to 1000°C, and is shown in Table 1.

실시예 1 ([Na0.308Li0.132]MnO2; [NL]MO) Example 1 ([Na 0.308 Li 0.132 ]MnO 2 ; [NL]MO)

0.0097몰의 아세트산나트륨(Sodium acetate, with 5% excess sodium, CH3COONa, Aladdin, AR), 0.004몰의 질산리튬(Lithium nitrate, with 2% excess lithium, LiNO3, Aladdin, AR), 0.03몰의 아세트산망간 4수화물(Manganese acetate tetrahydrate, (Mn(CH3COO)2·4H2O, Aladdin, AR) 및 구연산(Citric acid, C6H8O7, Sigma-Aldrich, AR)을 볼밀링(Ball-Milling)을 이용하여 220 rpm, 24 시간 동안 혼합하여 혼합고체분말을 얻었다. 여기서, 구연산은 아세트산염들(아세트산나트륨 및 아세트산망간 4수화물)의 무게의 합 대비 0.2배의 비율로 사용하였다. 제조된 혼합고체분말을 80 ℃에서 건조시킨 후, 공기 분위기에서 950 ℃로 10 시간동안 소성하여 양극활물질 분말([NL]MO 분말)을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.0.0097 mol of Sodium acetate (with 5% excess sodium, CH 3 COONa, Aladdin, AR), 0.004 mol of Lithium nitrate (with 2% excess lithium, LiNO 3 , Aladdin, AR), 0.03 mol of Manganese acetate tetrahydrate (Mn(CH 3 COO) 2 4H 2 O, Aladdin, AR) and citric acid (C 6 H 8 O 7 , Sigma-Aldrich, AR) were prepared by ball milling (Ball). -Milling) was mixed at 220 rpm for 24 hours to obtain a mixed solid powder. Here, citric acid was used at a ratio of 0.2 times the sum of the weight of acetates (sodium acetate and manganese acetate tetrahydrate). Preparation The mixed solid powder was dried at 80°C and then calcined at 950°C for 10 hours in an air atmosphere to prepare positive electrode active material powder ([NL]MO powder), which is shown in Table 1.

실시예 2 (Na0.44[Mn0.97Li0.03]O2; N[ML]O) Example 2 (Na 0.44 [Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 ; N[ML]O)

0.0139몰의 아세트산나트륨(Sodium acetate, with 5% excess sodium, CH3COONa, Aladdin, AR), 0.001몰의 질산리튬(Lithium nitrate, with 2% excess lithium, LiNO3, Aladdin, AR), 0.029몰의 아세트산망간 4수화물(Manganese acetate tetrahydrate, (Mn(CH3COO)2·4H2O, Aladdin, AR) 및 구연산(Citric acid, C6H8O7, Sigma-Aldrich, AR)을 볼밀링(Ball-Milling)을 이용하여 220 rpm, 24 시간 동안 혼합하여 혼합고체분말을 얻은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 분말 (N[ML]O 분말)을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.0.0139 mol of Sodium acetate (with 5% excess sodium, CH 3 COONa, Aladdin, AR), 0.001 mol of Lithium nitrate (with 2% excess lithium, LiNO 3 , Aladdin, AR), 0.029 mol of Manganese acetate tetrahydrate (Mn(CH 3 COO) 2 4H 2 O, Aladdin, AR) and citric acid (C 6 H 8 O 7 , Sigma-Aldrich, AR) were prepared by ball milling (Ball). Cathode active material powder (N[ML]O powder) was prepared in the same manner as in Example 1, except that mixed solid powder was obtained by mixing at 220 rpm for 24 hours using milling), and this is shown in Table 1. .

실시예 3 ([Na0.308Li0.132][Mn0.97Li0.03]O2; [NL][ML]O) Example 3 ([Na 0.308 Li 0.132 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 ; [NL][ML]O)

0.0125몰의 아세트산나트륨(Sodium acetate, with 5% excess sodium, CH3COONa, Aladdin, AR), 0.0023몰의 질산리튬(Lithium nitrate, with 2% excess lithium, LiNO3, Aladdin, AR), 0.029몰의 아세트산망간 4수화물(Manganese acetate tetrahydrate, (Mn(CH3COO)2·4H2O, Aladdin, AR) 및 구연산(Citric acid, C6H8O7, Sigma-Aldrich, AR)을 볼밀링(Ball-Milling)을 이용하여 220 rpm, 24 시간 동안 혼합하여 혼합고체분말을 얻은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 분말 ([NL][ML]O 분말)을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.0.0125 mol of Sodium acetate (with 5% excess sodium, CH 3 COONa, Aladdin, AR), 0.0023 mol of Lithium nitrate (with 2% excess lithium, LiNO 3 , Aladdin, AR), 0.029 mol of Manganese acetate tetrahydrate (Mn(CH 3 COO) 2 4H 2 O, Aladdin, AR) and citric acid (C 6 H 8 O 7 , Sigma-Aldrich, AR) were prepared by ball milling (Ball). Cathode active material powder ([NL][ML]O powder) was prepared in the same manner as in Example 1, except that mixed solid powder was obtained by mixing at 220 rpm for 24 hours using milling), and it is shown in Table 1. indicated.

실시예 4 내지 실시예 15Examples 4 to 15

하기 표 2와 같이 아세트산나트륨, 질산리튬 및 아세트산망간 4수화물을 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극활물질 분말 ([NL][ML]O 분말)을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.Cathode active material powder ([NL][ML]O powder) was prepared in the same manner as in Example 1, except for using sodium acetate, lithium nitrate, and manganese acetate tetrahydrate as shown in Table 2 below, and is shown in Table 1. It was.

구분 1Category 1 구분 2Category 2 화학식chemical formula Na(mol)Na(mol) Li(mol)-Na치환Li(mol)-Na substitution Mn(mol)Mn(mol) Li(mol)-Mn치환Li(mol)-Mn substitution Li(mol)-totalLi(mol)-total 비교예 1Comparative Example 1 NMONMO Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 0.440.44 00 1One 00 00 비교예 2Comparative Example 2 NMO-900NMO-900 Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 0.440.44 00 1One 00 00 비교예 3Comparative Example 3 NMO-1000NMO-1000 Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 0.440.44 00 1One 00 00 실시예 1Example 1 [NL]MO[NL]MO [Na0.308Li0.132]MnO2 [Na 0.308 Li 0.132 ]MnO 2 0.3080.308 0.1320.132 1One 00 0.1320.132 실시예 2Example 2 N[ML]ON[ML]O Na0.44[Mn0.97Li0.03]O2 Na 0.44 [Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.440.44 00 0.970.97 0.030.03 0.030.03 실시예 3Example 3 [NL][ML]O[NL][ML]O [Na0.308Li0.132][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.308 Li 0.132 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.3080.308 0.1320.132 0.970.97 0.030.03 0.1620.162 실시예 4Example 4 [NL]MO-0.308[NL]MO-0.308 [Na0.132Li0.308]MnO2 [Na 0.132 Li 0.308 ]MnO 2 0.1320.132 0.3080.308 1One 00 0.3080.308 실시예 5Example 5 [NL]MO-0.22[NL]MO-0.22 [Na0.22Li0.22]MnO2 [Na 0.22 Li 0.22 ]MnO 2 0.220.22 0.220.22 1One 00 0.220.22 실시예 6Example 6 [NL]MO-0.176[NL]MO-0.176 [Na0.264Li0.176]MnO2 [Na 0.264 Li 0.176 ]MnO 2 0.2640.264 0.1760.176 1One 00 0.1760.176 실시예 7Example 7 [NL]MO-0.088[NL]MO-0.088 [Na0.352Li0.088]MnO2 [Na 0.352 Li 0.088 ]MnO 2 0.3520.352 0.0880.088 1One 00 0.0880.088 실시예 8Example 8 [NL]MO-0.044[NL]MO-0.044 [Na0.396Li0.044]MnO2 [Na 0.396 Li 0.044 ]MnO 2 0.3960.396 0.0440.044 1One 00 0.0440.044 실시예 9Example 9 N[ML]O-0.1N[ML]O-0.1 Na0.44[Mn0.9Li0.1]O2 Na 0.44 [Mn 0.9 Li 0.1 ]O 2 0.440.44 00 0.90.9 0.10.1 0.10.1 실시예 10Example 10 N[ML]O-0.05N[ML]O-0.05 Na0.44[Mn0.95Li0.05]O2 Na 0.44 [Mn 0.95 Li 0.05 ]O 2 0.440.44 00 0.950.95 0.050.05 0.050.05 실시예 11Example 11 N[ML]O-0.01N[ML]O-0.01 Na0.44[Mn0.99Li0.01]O2 Na 0.44 [Mn 0.99 Li 0.01 ]O 2 0.440.44 00 0.990.99 0.010.01 0.010.01 실시예 12Example 12 [NL][ML]O-0.088[NL][ML]O-0.088 [Na0.352Li0.088][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.352 Li 0.088 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.3520.352 0.0880.088 0.970.97 0.030.03 0.1180.118 실시예 13Example 13 [NL][ML]O-0.066[NL][ML]O-0.066 [Na0.374Li0.066][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.374 Li 0.066 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.3740.374 0.0660.066 0.970.97 0.030.03 0.0960.096 실시예 14Example 14 [NL][ML]O-0.044[NL][ML]O-0.044 [Na0.396Li0.044][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.396 Li 0.044 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.3960.396 0.0440.044 0.970.97 0.030.03 0.0740.074 실시예 15Example 15 [NL][ML]O-0.022[NL][ML]O-0.022 [Na0.418Li0.022][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.418 Li 0.022 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.4180.418 0.0220.022 0.970.97 0.030.03 0.0520.052

구분 1Category 1 구분 2Category 2 화학식chemical formula 아세트산나트륨(mol)Sodium acetate (mol) 질산리튬(mol)Lithium nitrate (mol) 아세트산망간(mol)Manganese acetate (mol) 소성온도(℃)Firing temperature (℃) 비교예 1Comparative Example 1 NMONMO Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 0.01390.0139 00 0.030.03 950950 비교예 2Comparative Example 2 NMO-900NMO-900 Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 0.01390.0139 00 0.030.03 900900 비교예 3Comparative Example 3 NMO-1000NMO-1000 Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 0.01390.0139 00 0.030.03 10001000 실시예 1Example 1 [NL]MO[NL]MO [Na0.308Li0.132]MnO2 [Na 0.308 Li 0.132 ]MnO 2 0.00970.0097 0.0040.004 0.030.03 950950 실시예 2Example 2 N[ML]ON[ML]O Na0.44[Mn0.97Li0.03]O2 Na 0.44 [Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.01390.0139 0.0010.001 0.0290.029 950950 실시예 3Example 3 [NL][ML]O[NL][ML]O [Na0.308Li0.132][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.308 Li 0.132 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.01250.0125 0.0050.005 0.0290.029 950950 실시예 4Example 4 [NL]MO-0.308[NL]MO-0.308 [Na0.132Li0.308]MnO2 [Na 0.132 Li 0.308 ]MnO 2 0.004170.00417 0.0100.010 0.030.03 950950 실시예 5Example 5 [NL]MO-0.22[NL]MO-0.22 [Na0.22Li0.22]MnO2 [Na 0.22 Li 0.22 ]MnO 2 0.006950.00695 0.0070.007 0.030.03 950950 실시예 6Example 6 [NL]MO-0.176[NL]MO-0.176 [Na0.264Li0.176]MnO2 [Na 0.264 Li 0.176 ]MnO 2 0.008340.00834 0.0060.006 0.030.03 950950 실시예 7Example 7 [NL]MO-0.088[NL]MO-0.088 [Na0.352Li0.088]MnO2 [Na 0.352 Li 0.088 ]MnO 2 0.011120.01112 0.0030.003 0.030.03 950950 실시예 8Example 8 [NL]MO-0.044[NL]MO-0.044 [Na0.396Li0.044]MnO2 [Na 0.396 Li 0.044 ]MnO 2 0.012510.01251 0.0150.015 0.030.03 950950 실시예 9Example 9 N[ML]O-0.1N[ML]O-0.1 Na0.44[Mn0.9Li0.1]O2 Na 0.44 [Mn 0.9 Li 0.1 ]O 2 0.01390.0139 0.0030.003 0.0270.027 950950 실시예 10Example 10 N[ML]O-0.05N[ML]O-0.05 Na0.44[Mn0.95Li0.05]O2 Na 0.44 [Mn 0.95 Li 0.05 ]O 2 0.01390.0139 0.0020.002 0.02850.0285 950950 실시예 11Example 11 N[ML]O-0.01N[ML]O-0.01 Na0.44[Mn0.99Li0.01]O2 Na 0.44 [Mn 0.99 Li 0.01 ]O 2 0.01390.0139 0.0000.000 0.02970.0297 950950 실시예 12Example 12 [NL][ML]O-0.088[NL][ML]O-0.088 [Na0.352Li0.088][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.352 Li 0.088 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.011120.01112 0.0040.004 0.0290.029 950950 실시예 13Example 13 [NL][ML]O-0.066[NL][ML]O-0.066 [Na0.374Li0.066][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.374 Li 0.066 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.0118150.011815 0.0030.003 0.0290.029 950950 실시예 14Example 14 [NL][ML]O-0.044[NL][ML]O-0.044 [Na0.396Li0.044][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.396 Li 0.044 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.012510.01251 0.0020.002 0.0290.029 950950 실시예 15Example 15 [NL][ML]O-0.022[NL][ML]O-0.022 [Na0.418Li0.022][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.418 Li 0.022 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 0.0132050.013205 0.0020.002 0.0290.029 950950

2. 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질을 이용한 하프셀 및 풀셀 제조2. Half-cell and full-cell manufacturing using positive electrode active materials according to Examples and Comparative Examples

전술한 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질로 이용하여 하프셀과 풀셀로 제조하였다.Half cells and full cells were manufactured using the positive electrode active materials according to the above-described examples and comparative examples.

양극은 80wt%의 양극활물질, 10wt%의 전도성 탄소재(Super P) 및 10wt%의 PVdF 바인더를 N-메틸 피롤리돈(NMP)에 분산시킨 후, 30분간 혼합하여 양극 슬러리(slurry)를 형성하였다. 제조된 양극 슬러리를 알루미늄 호일 상에 도포하고 롤 프레스 후 진공하에서 110℃에서 12시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.For the positive electrode, 80 wt% of positive electrode active material, 10 wt% of conductive carbon material (Super P), and 10 wt% of PVdF binder are dispersed in N-methyl pyrrolidone (NMP) and then mixed for 30 minutes to form a positive electrode slurry. did. The prepared positive electrode slurry was applied on aluminum foil, roll pressed, and dried at 110°C for 12 hours under vacuum to prepare a positive electrode.

제조된 양극활물질을 이용하여 하프셀을 제조하는 경우에는 양극활물질의 로딩레벨(loading level)이 5mg/㎠되도록 알루미늄 호일에 슬러리로 제조된 양극을 코팅하여 양극을 제조(양극활물질이 코팅된 알루미늄 호일을 1㎠의 정사각형으로 샘플링하였을 때 양극 구성 중 양극활물질만의 무게가 5mg인 것을 의미함)하고, 전해질은 80㎕의 1.0M LiPF6를 포함하는 EC/DEC=1/1(v/v)(EC: ethylene carbonate, DEC: diethyl carbonate)을 사용하고, 유리섬유(glass fiber) 격리막(Whatman GF/F CAT No. 1825-150)으로 이용하였다. 하프셀은 Nao를 음극으로 이용한 2032-코인형 하프셀(이하, 코인셀)로 제조하였다. When manufacturing a half cell using the manufactured cathode active material, the cathode is manufactured by coating the cathode made of slurry on aluminum foil so that the loading level of the cathode active material is 5 mg/cm2 (aluminum foil coated with cathode active material) When sampled in a 1㎠ square, the weight of the positive electrode active material alone in the positive electrode composition is 5 mg), and the electrolyte contains 80 μl of 1.0M LiPF6 EC/DEC = 1/1 (v/v) ( EC: ethylene carbonate, DEC: diethyl carbonate) was used, and a glass fiber isolation membrane (Whatman GF/F CAT No. 1825-150) was used. The half cell was manufactured as a 2032-coin type half cell (hereinafter referred to as coin cell) using Na o as the cathode.

제조된 양극활물질을 이용하여 풀셀을 제조하는 경우에는, 양극활물질의 로딩레벨이 8.5mg/㎠되도록 알루미늄 호일에 슬러리로 제조된 양극을 코팅하여 양극을 제조하고, 제조된 양극에 대응하는 크기로 준비된 하드카본을 음극이로 이용하였다. 전해질은 80㎕의 1.0M LiPF6를 포함하는 EC/DEC=1/1(v/v)(EC: ethylene carbonate, DEC: diethyl carbonate)을 사용하였다. 파우치 형태의 전지 케이스 내에, 양극, 세퍼레이터 (Celgard, 2320모델) 및 음극을 적층하고, 제조된 전해액과 함께 밀봉하여 파우치형 풀셀을 제조하였다.When manufacturing a full cell using the manufactured cathode active material, the cathode is manufactured by coating the cathode made of slurry on aluminum foil so that the loading level of the cathode active material is 8.5 mg/cm2, and a cathode prepared in a size corresponding to the manufactured cathode is prepared. Hard carbon was used as the cathode. The electrolyte used was EC/DEC=1/1(v/v) (EC: ethylene carbonate, DEC: diethyl carbonate) containing 80㎕ of 1.0M LiPF6. In a pouch-shaped battery case, a positive electrode, a separator (Celgard, 2320 model), and a negative electrode were stacked and sealed with the prepared electrolyte solution to produce a pouch-shaped full cell.

3. 실시예 및 제조예의 평가3. Evaluation of examples and preparation examples

(1) 하프셀을 이용한 용량 및 사이클 특성확인(1) Confirmation of capacity and cycle characteristics using half cell

제조된 하프셀은 30℃에서 0.5C(1C는 180 mA/g)의 정전류로 4.3V로 충전 및 2.7V로 방전하여 충방전 테스트와 동일한 조건으로 100사이클을 진행하여 용량 리텐션을 확인하였다(이하, 2.7V-4.3V).The manufactured half-cell was charged to 4.3V and discharged to 2.7V at a constant current of 0.5C (1C is 180 mA/g) at 30°C, and 100 cycles were performed under the same conditions as the charge and discharge test to confirm capacity retention ( below, 2.7V-4.3V).

(2) 풀셀을 이용한 용량 및 사이클 특성확인(2) Confirmation of capacity and cycle characteristics using full cells

제조된 풀셀을 이용하여, 25℃에서 1C 정전류로 3.0V(방전전압) 및 4.2V(충전전압)으로 사이클을 진행하여, 용량 및 용량 리텐션을 확인하였다.Using the manufactured full cell, a cycle was performed at 3.0V (discharge voltage) and 4.2V (charge voltage) at 25°C with a constant current of 1C to confirm capacity and capacity retention.

(3) 양극활물질의 미세조직 확인(3) Confirmation of microstructure of cathode active material

실시예 및 제조예에 따른 양극활물질에 대해서 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM), X선광전자 분석법(X-ray photoelectron Spectroscopy, XPS), X선회절 분석법(X-ray diffraction, XRD), 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 등을 이용하여 미세조직을 분석하고, TG(thermogravimetry)와 DSC(differential scanning calorimetry)를 이용하여 열안정성을 확인하였다.For the positive electrode active materials according to examples and manufacturing examples, scanning electron microscope (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), and transmission Microstructure was analyzed using transmission electron microscopy (TEM), etc., and thermal stability was confirmed using thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC).

하기에서는 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질에 대한 미세구조, 표면특성 및 전기화학적 특성을 확인하였다.In the following, the microstructure, surface properties, and electrochemical properties of the positive electrode active materials according to Examples and Comparative Examples were confirmed.

하기 표 3은 실시예 및 제조예에 따른 방전용량과 사이클 특성을 나타내었다. 도 3은 비교예 1 내지 3에 대하여 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프이다. 도 4는 실시예 4, 5, 8에 대한 XRD 패턴으로 전체(a)와 부분확대(b)한 그래프이다. 도 5는 실시예 1과, 실시예 5 내지 8에 대해서 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프(a)와, 실시예 1, 7, 8의 사이클 특성을 나타낸 그래프(b)이다. 도 6은 실시예 2, 10, 11에 대한 XRD 패턴으로 전체(a)와 부분확대(b)한 그래프이다. 도 7은 실시예 2와, 실시예 9 내지 11에 대해서 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프(a)와, 실시예 2, 10, 11의 사이클 특성을 나타낸 그래프(b)이다. 도 8은 실시예 3과, 실시예 12 내지 15에 대해서 하프셀을 이용한 율별특성을 확인한 그래프(a)와, 실시예 3과, 실시예 12 내지 15의 사이클 특성을 나타낸 그래프(b)이다.Table 3 below shows discharge capacity and cycle characteristics according to examples and preparation examples. Figure 3 is a graph confirming rate characteristics using half cells for Comparative Examples 1 to 3. Figure 4 is a graph of the entire (a) and partial enlargement (b) of the XRD patterns for Examples 4, 5, and 8. Figure 5 is a graph (a) confirming rate characteristics using half cells for Example 1 and Examples 5 to 8, and a graph (b) showing cycle characteristics of Examples 1, 7, and 8. Figure 6 is a graph of the entire (a) and partial enlargement (b) of the XRD patterns for Examples 2, 10, and 11. Figure 7 is a graph (a) confirming rate characteristics using half cells for Example 2 and Examples 9 to 11, and a graph (b) showing cycle characteristics of Examples 2, 10, and 11. Figure 8 is a graph (a) confirming the rate characteristics using half cells for Example 3 and Examples 12 to 15, and a graph (b) showing the cycle characteristics of Example 3 and Examples 12 to 15.

구분 1Category 1 구분 2Category 2 화학식chemical formula 0.1C 방전 (mAh/g)0.1C discharge (mAh/g) 5C 방전 (mAh/g)5C discharge (mAh/g) 사이클 용량리텐션(%)Cycle capacity retention (%) 비교예 1Comparative Example 1 NMONMO Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 119119 9595 84.1 @ 108th 84.1 @ 108th 비교예 2Comparative Example 2 NMO-900NMO-900 Na0.44MnO2 Na 0.44 MnO 2 115.4115.4 101.1101.1 -- 실시예 1Example 1 [NL]MO[NL]MO [Na0.308Li0.132]MnO2 [Na 0.308 Li 0.132 ]MnO 2 120120 118118 70.5 @ 300th 70.5 @ 300th 실시예 2Example 2 N[ML]ON[ML]O Na0.44[Mn0.97Li0.03]O2 Na 0.44 [Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 116116 107107 82.6 @ 300th 82.6 @ 300th 실시예 3Example 3 [NL][ML]O[NL][ML]O [Na0.308Li0.132][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.308 Li 0.132 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 118118 115115 91.2 @ 300th 91.2 @ 300th 실시예 9Example 9 N[ML]O-0.1N[ML]O-0.1 Na0.44[Mn0.9Li0.1]O2 Na 0.44 [Mn 0.9 Li 0.1 ]O 2 93.993.9 79.379.3 -- 실시예 10Example 10 N[ML]O-0.05N[ML]O-0.05 Na0.44[Mn0.95Li0.05]O2 Na 0.44 [Mn 0.95 Li 0.05 ]O 2 107.7107.7 92.192.1 71.0 @ 311th 71.0 @ 311 th 실시예 11Example 11 N[ML]O-0.01N[ML]O-0.01 Na0.44[Mn0.99Li0.01]O2 Na 0.44 [Mn 0.99 Li 0.01 ]O 2 118.6118.6 94.894.8 83.8 @ 185th 83.8 @ 185th 실시예 12Example 12 [NL][ML]O-0.088[NL][ML]O-0.088 [Na0.352Li0.088][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.352 Li 0.088 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 110.8110.8 115.6115.6 92.2 @ 100th 92.2 @ 100th 실시예 13Example 13 [NL][ML]O-0.066[NL][ML]O-0.066 [Na0.374Li0.066][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.374 Li 0.066 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 111.9111.9 114.5114.5 90.3 @ 150th 90.3 @ 150th 실시예 14Example 14 [NL][ML]O-0.044[NL][ML]O-0.044 [Na0.396Li0.044][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.396 Li 0.044 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 112.3112.3 114.4114.4 95.4 @ 200th 95.4 @ 200th 실시예 15Example 15 [NL][ML]O-0.022[NL][ML]O-0.022 [Na0.418Li0.022][Mn0.97Li0.03]O2 [Na 0.418 Li 0.022 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 112.1112.1 110.1110.1 95.4 @ 200th 95.4 @ 200th

표 3과 도 3을 참조하면, 비교예 1 내지 비교예 3에서 리튬의 치환없이 나트륨-망간 산화물로 이루어진 양극활물질을 소성온도만 각각 950℃, 900℃ 및 1000℃으로 다르게 한 결과이다. 0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 및 5C로 방전시 C-rate를 다르게 하여 용량을 확인한 결과, 저율에서는 유사하나 고율로 갈수록 비교예 1이 우수함을 확인할 수 있었다. 따라서, 이하 실시예들의 성능을 비교시 가장 성능이 우수한 양극활물질인 비교예 1을 기준으로 하였고, 실시예들의 소성온도도 비교예 1과 동일하게 하여 성능평가를 수행하였다. Referring to Table 3 and Figure 3, in Comparative Examples 1 to 3, the sintering temperatures of the cathode active material made of sodium-manganese oxide without substitution of lithium were changed to 950°C, 900°C, and 1000°C, respectively. As a result of checking the capacity at different C-rates when discharging at 0.1C, 0.5C, 1C, 2C, and 5C, it was confirmed that Comparative Example 1 was similar at low rates, but was superior at higher rates. Therefore, when comparing the performance of the following examples, Comparative Example 1, which is the cathode active material with the best performance, was used as a standard, and the performance evaluation was performed by keeping the firing temperature of the examples the same as Comparative Example 1.

표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1에서 0.1C 방전은 크게 차이가 없는 반면, 고율인 5C 방전에서는 실시예 1 내지 실시예 3이 비교예 1에 비하여 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 5C 전류로 사이클을 수행한 후 방전용량 유지율을 확인한 결과 비교예 1의 108사이클에서의 방전용량 유지율과, 실시예 1 내지 실시예 3의 300사이클에서의 방전용량 유지율이 비슷한 값으로 나타남을 확인할 수 있었다. Referring to Table 3, it can be seen that while there is no significant difference in 0.1C discharge between Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, Examples 1 to 3 are superior to Comparative Example 1 in high rate 5C discharge. there was. In addition, as a result of checking the discharge capacity maintenance rate after performing a cycle at 5C current, the discharge capacity maintenance rate at 108 cycles in Comparative Example 1 and the discharge capacity retention rate at 300 cycles in Examples 1 to 3 were similar values. I was able to confirm.

비교예 1과 같이 터널구조만으로 이루어진 양극활물질에서, 실시예 1 내지 실시예 3과 같이 리륨을 이용하여 나트륨 원자층의 일부를 치환하거나(실시예 1), 망간 원자층의 일부를 치환하거나(실시예 2) 및 나트륨 원자층 및 망간 원자층의 일부를 치환하는 경우(실시예 3), 스피넬구조가 더 형성되고, 스피넬구조와 터널구조가 함께 혼재된 양극활물질인 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1에 비하여 고율에서의 전기화학특성 및 사이클 특성이 모두 우수함을 확인할 수 있었다.In the cathode active material consisting of only a tunnel structure as in Comparative Example 1, a part of the sodium atomic layer was replaced with lyrium as in Examples 1 to 3 (Example 1), or a part of the manganese atomic layer was replaced (Example Example 2) and when replacing part of the sodium atomic layer and the manganese atomic layer (Example 3), a spinel structure is further formed, and Examples 1 to 3 are positive electrode active materials in which the spinel structure and the tunnel structure are mixed together. It was confirmed that both electrochemical characteristics and cycle characteristics at high rates were superior compared to Comparative Example 1.

이는 비교예 1과 같이 나트륨 및 망간으로 이루어진 터널구조인 양극활물질은 충방전 과정에서 망간의 얀-텔러 효과(Jahn-Teller effect)에 의하여 전지의 사이클 특성이 지속적으로 저하되는 문제가 있다. 반면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우에는, 리튬이 나트륨 혹은 망간의 원자층 일부에 치환되므로 스피넬구조가 혼재된 터널구조인 양극활물질로 구비되며, 이에 의하여 얀-텔러 효과를 억제함으로써 나트륨 이차전지의 성능을 향상시킴을 확인할 수 있었다.This is because the cathode active material, which has a tunnel structure made of sodium and manganese as in Comparative Example 1, has a problem in that the cycle characteristics of the battery are continuously deteriorated due to the Jahn-Teller effect of manganese during the charging and discharging process. On the other hand, in the case of Examples 1 to 3, lithium is substituted in part of the atomic layer of sodium or manganese, so the positive electrode active material is a tunnel structure with a mixed spinel structure, thereby suppressing the Jahn-Teller effect, thereby suppressing the sodium secondary It was confirmed that battery performance was improved.

도 4를 참조하면, 실시예 4, 5, 8의 경우는 전술한 바와 같이 리튬의 치환에 의한 터널구조와 스피넬구조를 모두 포함한 양극활물지에 대한 것으로, X선 회절 패턴의 브래그 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200) 및 (111)의 두개의 회절피크가 나타냄을 확인할 수 있었다. 반면, 리튬이 치환되지 않고 터널구조만으로 이루어지는 경우(비교예 1, 하기 도 9 참조), 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200)의 회절피크만 나타난다. 즉, (111)의 회절피크는 리튬이 나트륨 자리에 치환되어 발생한 것으로, 리튬의 치환량이 증가할수록 (200)의 회절피크의 강도는 거의 유사한 반면 (111)의 회절피크의 강도는 점차 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, 각도(2θ)가 16.5° 부분에서 발생하는 (140)의 회절피크와, 각도(2θ)가 14° 부분에서 발생하는 (130)의 회절피크는 리튬의 함량이 증가할수록 각도도 점차 증가하는 방향으로 쉬프트됨을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 4, Examples 4, 5, and 8 are for positive electrode active materials containing both a tunnel structure and a spinel structure by substitution of lithium as described above, and the Bragg angle (2θ) of the X-ray diffraction pattern is It was confirmed that two diffraction peaks of (200) and (111) appeared in the range of 17° to 22°. On the other hand, when lithium is not substituted and only the tunnel structure is formed (Comparative Example 1, see Figure 9 below), only a diffraction peak of (200) appears in the range of angle (2θ) of 17° to 22°. In other words, the diffraction peak of (111) is caused by substitution of lithium at the sodium site. As the amount of lithium substitution increases, the intensity of the diffraction peak of (200) is almost similar, while the intensity of the diffraction peak of (111) gradually increases. I was able to confirm. In addition, the diffraction peak of (140) occurring at an angle (2θ) of 16.5° and the diffraction peak of (130) occurring at an angle (2θ) of 14° gradually increase as the lithium content increases. It was confirmed that there was a shift in direction.

도 5는 리튬이 나트륨을 치환한 양극활물질에 대한 것으로, 리튬의 치환량이 각각 0.132, 0.088, 0.044인 실시예 1, 7, 8은 모두 유사하게 고율의 용량특성이 우수하게 나타내 반면, 리튬의 치환량이 각각 0.22, 0.264, 0.308인 실시예 5, 6, 7은 상대적으로 특성이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 리튬이 나트륨 원자를 치환하면서 발생하는 스피넬구조는 율별특성을 향상시키나 리튬의 치환량이 너무 큰 경우 실시예 5, 6, 7에서 나타난 바와 같이 용량이 낮음을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1, 7, 8의 경우에는 1C 사이클 특성도 우수함을 확인할 수 있었다.Figure 5 shows a positive electrode active material in which lithium substitutes sodium. Examples 1, 7, and 8, in which the substitution amount of lithium is 0.132, 0.088, and 0.044, respectively, all similarly show excellent high-rate capacity characteristics, while the substitution amount of lithium is 0.132, 0.088, and 0.044, respectively. It was confirmed that Examples 5, 6, and 7, which were 0.22, 0.264, and 0.308, respectively, showed relatively low characteristics. In other words, the spinel structure that occurs when lithium replaces sodium atoms improves the rate characteristics, but when the substitution amount of lithium is too large, the capacity is low, as shown in Examples 5, 6, and 7. In addition, in the case of Examples 1, 7, and 8, it was confirmed that the 1C cycle characteristics were also excellent.

도 6을 참조하면, 리튬이 망간을 치환하는 경우에, 치환량이 적은 경우인 실시예 1, 11은 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200)의 회절피크만 나타나나, 치환량이 상대적으로 큰 실시예 10에서는 (200) 및 (111)의 두개의 회절피크가 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 리튬이 망간을 치환하는 경우는 리튬이 나트륨을 치환하는 경우에 비하여 더 큰 치환량을 기준으로 스피넬구조가 더 발생함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, when lithium replaces manganese, in Examples 1 and 11, where the substitution amount is small, only a diffraction peak of (200) appears in the angle (2θ) range of 17° to 22°, but the substitution amount is In this relatively large Example 10, it was confirmed that two diffraction peaks of (200) and (111) appeared. In other words, it can be confirmed that when lithium substitutes manganese, a spinel structure occurs more based on a larger substitution amount than when lithium substitutes sodium.

도 7은 리튬이 망간을 치환한 양극활물질에 대한 것으로, 리튬의 치환량이 각각 0.01, 0.03인 실시예 11, 실시예 2는 고율에서 우수한 특성을 보이나, 실시예 10 및 실시예 9로 갈수록 리튬의 치환량이 증가할수록 고율에서의 용량이 점점 감소함을 확인할 수 있었다. 또한, 1C 사이클로 확인한 결과, 실시예 2가 가장 우수하게 나타남을 확인할 수 있었다.Figure 7 shows a positive electrode active material in which lithium is substituted for manganese. Examples 11 and 2, in which lithium substitution amounts are 0.01 and 0.03, respectively, show excellent characteristics at high rates, but as Examples 10 and 9 progress, the lithium decreases. It was confirmed that as the substitution amount increased, the capacity at high rates gradually decreased. In addition, as a result of confirmation by 1C cycle, it was confirmed that Example 2 was the best.

도 8은 리튬이 나트륨과 망간 모두를 치환한 양극활물질에 대한 것으로, 위의 도 6에서 검토한 바와 같이 망간을 치환한 경우 가장 성능이 우수한 실시예 2와 유사하게 망간에 대한 리튬의 치환량을 고정하고 나트륨의 치환량을 다르게 하여 율별용량특성을 확인하였다. 리튬의 치환량이 각각 0.132, 0.088, 0.066, 0.044, 0.022인 실시예 3, 12, 13, 14, 15를 비교하면, 고율에서 실시예 14, 15가 상대적으로 우수하게 나타나나, 이와 같은 결과는 10C 및 15C까지 매우 높은 율별로 확인한 결과이고, 5C 이하에서는 거의 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 도 5에서 리튬이 나트륨만을 치환하는 경우에서 확인한 리튬의 치환량(0.132, 0.088, 0.044인 실시예 1, 7, 8)과 유사하게 고율에서도 우수한 용량특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 반면, 1C 사이클 특성을 함께 검토하면, 실시예 14, 15가 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 리튬이 나트륨과 망간에 모두 치환된 경우에는 리튬의 전체 치환량에 의하여 사이클 특성에 영향을 미치는 것으로 판단된다. Figure 8 shows a positive electrode active material in which lithium substitutes both sodium and manganese. As reviewed in Figure 6 above, when manganese is substituted, the substitution amount of lithium for manganese is fixed similar to Example 2, which has the best performance. And the capacity characteristics at each rate were confirmed by varying the amount of sodium substitution. Comparing Examples 3, 12, 13, 14, and 15 with lithium substitution amounts of 0.132, 0.088, 0.066, 0.044, and 0.022, respectively, Examples 14 and 15 are relatively superior at high rates, but these results are 10C The results were confirmed at very high rates up to and 15C, and it was confirmed that the results were almost similar below 5C. That is, it was confirmed in Figure 5 that excellent capacity characteristics were exhibited even at high rates, similar to the substitution amounts of lithium confirmed in the case of replacing only sodium (0.132, 0.088, and 0.044 in Examples 1, 7, and 8). On the other hand, when examining the 1C cycle characteristics together, it was confirmed that Examples 14 and 15 were the best. This is believed to affect cycle characteristics depending on the total amount of lithium substitution when lithium is substituted for both sodium and manganese.

전술한 바와 같이, 리튬이 치환되지 않은 경우에 비하여 리튬이 나트륨 또는 망간을 치환하여 스피넬구조가 혼재된 양극활물질이 상대적으로 고율특성에서 우수한 결과를 나타내는 반면, 리튬의 치환량이 소정범위 내인 경우 가장 우수하게 나타나고 리튬의 나트륨 및 망간을 치환한 총 함량에 고율특성에 영향을 미침을 확인할 수 있었다.As mentioned above, compared to the case where lithium is not substituted, the positive electrode active material in which lithium substitutes sodium or manganese and has a spinel structure shows relatively excellent results in high rate characteristics, while the case where the substitution amount of lithium is within a certain range is the best. It was confirmed that the total content of lithium substituted for sodium and manganese had an effect on the high rate characteristics.

따라서, 이하에서는 소성온도 950℃를 기준으로, 리튬이 치환되지 않은 비교예 1(NMO, Na0.44MnO2), 리튬이 나트륨만을 치환한 실시예 1([NL]MO, [Na0.308Li0.132]MnO2), 리튬이 망간만을 치환한 실시예 2(N[ML]O, Na0.44[Mn0.97Li0.03]O2) 및 리튬이 나트륨 및 망간을 모두 치환한 실시예 3([Na0.308Li0.132][Mn0.97Li0.03]O2)에 대해서 리튬의 치환량을 고정하여 각 성능을 비교하였다. 즉, 실시예 1, 실시예 2는 가장 성능이 우수한 대표 양극활물질을 선정하였고, 실시예 3은 실시예 1, 2와 리튬이 나트륨 및 망간을 치환한 양을 동일하게 한 양극활물질로 선정하였다.Therefore, in the following, based on a sintering temperature of 950°C, Comparative Example 1 in which lithium was not substituted (NMO, Na 0.44 MnO 2 ) and Example 1 in which lithium replaced only sodium ([NL]MO, [Na 0.308 Li 0.132 ] MnO 2 ), Example 2 in which lithium replaced only manganese (N[ML]O, Na 0.44 [Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 ), and Example 3 in which lithium replaced both sodium and manganese ([Na 0.308 Li 0.132 ][Mn 0.97 Li 0.03 ]O 2 ), the substitution amount of lithium was fixed and each performance was compared. That is, Examples 1 and 2 were selected as representative cathode active materials with the best performance, and Example 3 was selected as a cathode active material in which the amount of lithium substituted for sodium and manganese was the same as Examples 1 and 2.

도 9는 실시예 1과 비교예 1의 SEM 이미지이고, 도 10은 실시예 1 내지 실시예 3과, 비교예 1의 XRD 그래프이다. 도 11은 실시예 1 내지 실시예 3과, 비교예 1의 XRD 패턴에서 37.1° 내지 37.6° 사이를 확대한 도면이고(a), 대표적인 LiMn2O4의 결정구조(top)와 Na0.44MnO2 (bottom)의 결정구조를 나타낸 도면이고(b), 넓은 범위에 대한 XRD 패턴(c)이다. 도 12는 실시예 3 및 비교예 1의 Mn 2p3/2 스펙트럼(a)과, N2 흡착 및 탈착 곡선(포어 사이즈 분포를 나타냄)을 나타낸 도면(b)이다. 도 13은 실시예 3의 SEM 이미지이다. Figure 9 is an SEM image of Example 1 and Comparative Example 1, and Figure 10 is an XRD graph of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Figure 11 is an enlarged view between 37.1° and 37.6° in the XRD patterns of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 (a), and shows the representative crystal structure (top) of LiMn 2 O 4 and Na 0.44 MnO 2 This is a drawing showing the crystal structure (bottom) (b), and the XRD pattern for a wide range (c). Figure 12 is a diagram showing the Mn 2p3/2 spectrum (a) and N2 adsorption and desorption curves (showing pore size distribution) of Example 3 and Comparative Example 1 (b). Figure 13 is an SEM image of Example 3.

도 9를 참조하면, 실시예 3([NL][Ml]O)은 스피넬구조와 터널구조를 모두 포함하는 양극활물질이고, 비교예 1(NMO)는 터널구조만으로 이루어진 양극활물질로, 실시예 3 및 비교예 1에서의 일차입자를 비교할 때, 실시예 3에서는 c축 방향의 길이가 더 길게 구비되는 나노로드(nano rod) 형태로 구비됨을 확인할 수 있다. Referring to Figure 9, Example 3 ([NL][Ml]O) is a positive electrode active material containing both a spinel structure and a tunnel structure, and Comparative Example 1 (NMO) is a positive electrode active material consisting of only a tunnel structure, Example 3 And when comparing the primary particles in Comparative Example 1, it can be seen that Example 3 is provided in the form of a nanorod with a longer length in the c-axis direction.

통상, 터널구조만으로 이루어진 Na0.44MnO2는 공간군(space group) Pbam를 갖는 사방정계 구조(orthorhombic structure)이고, 스피넬구조만으로 이루어진 LiMn2O4는 공간군 Fd3m를 갖는 입방정계 스피넬구조(cubic spinel structure)이다(도 10의 (b) 참조).In general, Na 0.44 MnO 2 consisting of only a tunnel structure has an orthorhombic structure with a space group Pbam , and LiMn 2 O 4 consisting of only a spinel structure has a cubic spinel structure having a space group Fd3m . structure) (see (b) of FIG. 10).

도 10 및 도 11의 (a)에서는 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 양극활물질의 분말 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 피크를 나타내고 있는데, 비교예 1인 Na0.44MnO2 (NMO)는 종래 보고된 Pbam를 갖는 사방정계 구조로 나타남을 확인할 수 있다. Figures 10 and 11 (a) show the powder It can be confirmed that NMO) appears in an orthorhombic structure with the previously reported Pbam .

실시예 2는 리튬이 전이금속을 치환한 것으로, X선 회절 패턴의 브래그 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200)의 회절피크만이 나타나나, 리튬 치환에 따라 비교예 1에 비하여 특성 피크가 약간 더 낮은 2θ 각도에서 나타남을 확인할 수 있다. 실시예 2와 같이 리튬이 전이금속만을 치환하는 경우에는 리튬이 나트륨을 치환한 경우보다 리튬의 치환량이 더 증가하는 경우에는 (200) 및 (111)의 회절피크가 모두 나타남을 확인할 수 있다(도 6 참조). 실시예 2의 경우에는 리튬의 치환량이 작아서 (111)의 회절피크가 인덱싱되지 않으나, 이는 스피넬구조의 존재가 미량이기 때문으로 판단된다. 반면, 실시예 2의 경우에는 스피넬구조뿐 아니라, 리튬이온(Li+)이 강한 극성을 보유하기 때문으로, 그 결과 리튬이 주로 망간 사이트를 차지하여 나트륨 확산 채널을 확장시키는 것으로 판단된다.Example 2 is a transition metal substituted with lithium, and only a diffraction peak of (200) appears in the Bragg angle (2θ) of the X-ray diffraction pattern in the range of 17° to 22°, but depending on lithium substitution, Comparative Example 1 It can be seen that the characteristic peak appears at a slightly lower 2θ angle compared to . As in Example 2, when lithium substitutes only the transition metal, it can be seen that both (200) and (111) diffraction peaks appear when the substitution amount of lithium increases more than when lithium substitutes sodium (Figure 6). In Example 2, the amount of lithium substitution was small, so the diffraction peak of (111) was not indexed, but this was believed to be because the presence of a spinel structure was only a trace amount. On the other hand, in the case of Example 2, not only the spinel structure but also the lithium ion (Li+) possesses strong polarity, and as a result, it is believed that lithium mainly occupies the manganese site and expands the sodium diffusion channel.

실시예 1, 실시예 3의 양극활물질 물질의 분말 X선 회절 패턴에 있어서, 상기 X선 회절 패턴의 브래그 각도(2θ)가 17°~ 22°인 범위에서 (200) 및 (111)의 회절피크가 나타남을 확인할 수 있는데, 이는 리튬이 나트륨 사이트에 치환되어([NL] MO) Fd3m의 공간군을 갖는 LiMn2O4의 전형적인 입방정 스피넬구조가 형성됨을 확인할 수 있다.In the powder X-ray diffraction pattern of the positive electrode active material of Example 1 and Example 3, the Bragg angle (2θ) of the It can be confirmed that lithium is substituted on the sodium site ([NL] MO), forming a typical cubic spinel structure of LiMn 2 O 4 with a space group of Fd3m.

실시예 1, 실시예 3은 Na/Li 원료의 함량을 조절하여 Na0.44MnO2 전구체와 Li0.44MnO2 전구체의 혼합 전구체를 제조한 후, 제조된 Li0.44MnO2 전구체를 500 ℃ 이상에서 하소하는 경우, 부분적으로 산화되어 터널구조를 유지하면서 스피넬구조를 형성하여 터널구조/스피넬구조의 이종구조로 형성된다. 또한, [NL]MO의 회절피크는 더 높은 2θ각도에서 나타나고, 이에 의하여 격자 매개 변수가 감소함을 확인할 수 있었다. 이는, 상대적으로 작은 원자 반경 (

Figure 112021045979854-pat00001
0.76 Å)을 가진 결정 격자의 리튬이 나트륨(
Figure 112021045979854-pat00002
1.02Å)로 치환되었음을 의미한다. 또한, 실시예 3([NL][ML]O)의 결정구조는 (200) 및 (111)의 회절피크가 나타나나 (111)의 회절피크는 리튬이 나트륨만을 치환한 양극활물질인 실시예 1보다 작은 강도로 나타나고, 또한 비교예 1(NMO)과 유사한 결정구조를 가지면서 프레임워크 구조가 유지됨을 확인할 수 있었다(도 11(b) 참조).In Examples 1 and 3, a mixed precursor of Na 0.44 MnO 2 precursor and Li 0.44 MnO 2 precursor was prepared by adjusting the content of Na/Li raw materials, and then the prepared Li 0.44 MnO 2 precursor was calcined at 500 ° C. or higher. In this case, it is partially oxidized to form a spinel structure while maintaining the tunnel structure, forming a heterogeneous structure of tunnel structure/spinel structure. In addition, it was confirmed that the diffraction peak of [NL]MO appeared at a higher 2θ angle, thereby reducing the lattice parameter. This is a relatively small atomic radius (
Figure 112021045979854-pat00001
Lithium disodium (0.76 Å) crystal lattice
Figure 112021045979854-pat00002
It means that it has been replaced with 1.02Å). In addition, the crystal structure of Example 3 ([NL][ML]O) shows diffraction peaks of (200) and (111), but the diffraction peak of (111) is Example 1, which is a positive electrode active material in which lithium replaces only sodium. It was confirmed that the framework structure was maintained while appearing at a lower intensity and having a crystal structure similar to Comparative Example 1 (NMO) (see FIG. 11(b)).

리트벨트 구조검증법(Rietveld refinement)과 격자 파라미터(lattice parameter)를 참조하면, 실시예 3([NL][ML]O)의 양극활물질은 Na0.44MnO2/LiMn2O4의 상비가 92.4:7.6로 나타남을 확인할 수 있다. Referring to Rietveld refinement and lattice parameters, the positive electrode active material of Example 3 ([NL][ML]O) has a ratio of Na 0.44 MnO 2 /LiMn 2 O 4 of 92.4: You can confirm that it appears as 7.6.

도 11의 (b)에서, 상부는 LiMn2O4 결정구조, 하부는 Na0.44MnO2 결정구조를 나타낸다. 터널구조의 Na0.44MnO2는 상기 Na0.44MnO2 내에 포함되는 전체 Mn3+와 전체 Mn4+에 의하여 그 결정구조를 정의할 수 있다. 예컨대, 상기 터널구조의 Na0.44MnO2의 전체 Mn3+ 중 절반을 포함하는 에지-공유 MnO5 피라미드와, 전체 Mn4+및 남은 절반의 Mn3+를 포함하는 MnO6 팔면체로 구성된다. 이들 에지-공유 MnO5 피라미드와 MnO6 팔면체는 큰 크기의 S자형 터널과 상대적으로 작은 크기의 오각형 터널을 형성하고, Na1과 Na2의 2개의 나트륨은 상기 S자형 터널 내에 구비되고, Na3의 1개의 나트륨는 상기 오각형 터널 내에 구비된다(총 3개의 나트륨). 여기서, 상기 S자형 터널은 넓은 공간에 의하여, Na1과 Na2의 이동통로를 제공함으로써 나트륨 확산 채널로 작용하므로, 상기 S자형 터널은 개방구조로 전기화학적 충방전 과정에서 부피변화를 수용함으로써 사이클 성능을 향상시킬 수 있다.In Figure 11 (b), the upper part shows the LiMn 2 O 4 crystal structure, and the lower part shows the Na 0.44 MnO 2 crystal structure. The crystal structure of Na 0.44 MnO 2 in the tunnel structure can be defined by the total Mn 3+ and total Mn 4+ contained in the Na 0.44 MnO 2 . For example, the tunnel structure consists of an edge-sharing MnO5 pyramid containing half of the total Mn 3+ of Na 0.44 MnO 2 and an MnO6 octahedron containing all of the Mn 4+ and the remaining half of the Mn 3+ . These edge-sharing MnO5 pyramids and MnO6 octahedra form large-sized S-shaped tunnels and relatively small-sized pentagonal tunnels, where two sodiums, Na1 and Na2, are provided in the S-shaped tunnels, and one sodium, Na3, is located in the above-mentioned S-shaped tunnels. Provided within a pentagonal tunnel (total of 3 sodium). Here, the S-shaped tunnel acts as a sodium diffusion channel by providing a movement path for Na1 and Na2 due to its large space, so the S-shaped tunnel has an open structure and improves cycle performance by accommodating volume changes during the electrochemical charging and discharging process. It can be improved.

통상의 나트륨-망간 산화물로 이루어진 양극활물질에서, 상기 터널을 구조로 인하여 일차원 채널을 통해 나트륨의 삽입/방출이 가능한 상태가 된다. 반면, 본 실시예에 따른 양극활물질은 MnO6 팔면체에서, 리튬이 사면체 사이트를 차지하는 에지 공유를 통하여 LiMn2O4의 3D 스피넬 프레임 워크를 형성할 수 있다. 이에, Na0.44MnO2의 정렬된 MnO6 시트는 스피넬구조의 틀을 형성함으로, 반응 부위를 활성화하고 더 많은 이온 확산 채널을 제공할 수 있다.In a typical cathode active material made of sodium-manganese oxide, the tunnel structure allows insertion/release of sodium through a one-dimensional channel. On the other hand, the positive electrode active material according to this embodiment can form a 3D spinel framework of LiMn 2 O 4 through edge sharing in the MnO 6 octahedron, where lithium occupies the tetrahedral site. Accordingly, the aligned MnO6 sheet of Na 0.44 MnO 2 forms the framework of the spinel structure, thereby activating the reaction site and providing more ion diffusion channels.

즉, 실시예 1, 실시예 3의 양극활물질은 터널구조 및 스피넬구조의 이종구조와 함께 리튬이 나트륨 및 전이금속 중 어느 하나 이상으로 치환되어 나트륨 이동 속도를 향상시켜 나트륨 확산 계수를 증가시킨다. That is, the positive electrode active materials of Examples 1 and 3 have a heterogeneous structure of tunnel structure and spinel structure, and lithium is substituted with one or more of sodium and transition metals to improve the sodium movement speed and increase the sodium diffusion coefficient.

X선 광전자 분광법 (XPS)에서 확인된 Li 1s의 XPS 스펙트럼에서 55.6eV의 디콘볼루티드 피크(Deconvoluted Peak)가 존재함을 확인할 수 있었고, 이에 의하여 실시예 1, 실시예 3에서 리튬이 결정격자 내에 효율적으로 치환됨을 확인할 수 있었다 (도 11의 (c) 참조). It was confirmed that a deconvoluted peak of 55.6 eV existed in the XPS spectrum of Li 1s confirmed by It was confirmed that the substitution was efficient (see (c) of FIG. 11).

도 12(a)는 실시예 3과 비교예 1 각각에 대한 Mn 2p3/2 스펙트럼을 나타내는 것으로, 641.5eV 및 642.8 eV에서 두개의 구성으로 분리되며, 이는 각각 Mn3+ (641.5eV) 및 Mn4+ (642.8eV)를 의미한다. Mn3+의 농도는 실시예 3([NL][ML]O)은 47.3%이고, 비교예 1(NMO) 50.6%로, 실시예 3이 비교예 1보다 적게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 전하보상 메커니즘으로 인하여 Mn을 낮은 원자가인 Li로 대체되면서, 높은 스핀을 갖는 Mn3+가 JT비활성인 Mn4+로 산화됨을 의미한다. Li2O (-561.2 kJ/mol) 및 MnO2 (-465.2 kJ/mol)의 표준 깁스프리에너지(Gibbs free energy)를 참조하면, Li-O의 결합에너지는 Mn-O의 결합에너지보다 강하여, 양극활물질의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다. Figure 12(a) shows the Mn 2p3/2 spectrum for each of Example 3 and Comparative Example 1, which is separated into two configurations at 641.5 eV and 642.8 eV, which are Mn 3+ (641.5 eV) and Mn 4, respectively. + means (642.8eV). The concentration of Mn 3+ was 47.3% in Example 3 ([NL][ML]O) and 50.6% in Comparative Example 1 (NMO), confirming that the concentration of Mn 3+ in Example 3 was lower than that in Comparative Example 1. This means that Mn 3+, which has a high spin, is oxidized to JT-inactive Mn 4+ as Mn is replaced by Li, which has a low valence, due to the charge compensation mechanism. Referring to the standard Gibbs free energy of Li2O (-561.2 kJ/mol) and MnO2 (-465.2 kJ/mol), the binding energy of Li-O is stronger than that of Mn-O, Structural stability can be improved.

즉, 실시예 3의 경우에는 전하보상 메커니즘과 강력한 Li-O의 결합에너지에 의하여 MnO6 팔면체의 구조적 재배열을 방지하고 Mn이온의 불균형을 방지할 수 있다. That is, in the case of Example 3, structural rearrangement of the MnO6 octahedron can be prevented and imbalance of Mn ions can be prevented by the charge compensation mechanism and the strong binding energy of Li-O.

도 12(b)는 N2 흡착-탈착 등온선으로 일반적인 IUPAC IV 등온선과 대비할 때, 실시예 3, 비교예 1의 양극활물질이 메조포러스 구조를 가짐을 확인할 수 있었다. SEM 이미지를 참조하면, 양극의 등온선 프로파일은 주로 적층된 나노로드 형태의 일차입자에 의한 것으로, Brunauer-Emmett-Teller (BET) 표면적에서, 실시예 3([NL][ML]O)의 양극활물질(2.08㎡/g)은 비교예 1(NMO)의 양극활물질(1.05㎡/g)보다 큰 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.Figure 12(b) shows the N2 adsorption-desorption isotherm, and when compared with the general IUPAC IV isotherm, it was confirmed that the positive electrode active materials of Example 3 and Comparative Example 1 had a mesoporous structure. Referring to the SEM image, the isotherm profile of the positive electrode is mainly due to primary particles in the form of stacked nanorods, and in Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area, the positive electrode active material of Example 3 ([NL][ML]O) (2.08 ㎡/g) was confirmed to be larger than the positive electrode active material (1.05 ㎡/g) of Comparative Example 1 (NMO).

양극활물질을 제조하는 과정 중 소성하는 과정에서 질산염이 분해되고 이에 의하여 양극활물질은 메조포어를 갖게된다. 이때, 양극활물질은 표면적이 증가되고, 증가된 표면적은 나트륨 이온의 이동을 증가시킨다. 도 12(b)에 나타난 바와 같이, 메조포어의 크기는 15 내지 40nm임을 확인할 수 있었다.During the process of manufacturing the positive electrode active material, nitrate is decomposed during the firing process, and as a result, the positive electrode active material has mesopores. At this time, the surface area of the positive electrode active material increases, and the increased surface area increases the movement of sodium ions. As shown in Figure 12(b), it was confirmed that the size of the mesopore was 15 to 40 nm.

도 13은 실시예 3의 SEM 이미지로,

Figure 112021045979854-pat00003
1 μm 너비와
Figure 112021045979854-pat00004
220 nm 두께의 나노로드 형태를 갖는 일차입자가 비교적 균일하게 분포함을 확인할 수 있었다. 또한, 리튬이 치환된 경우에도 양극활물질을 구성하는 일차입자의 대략 유사하게 유지되므로, 리튬의 첨가는 일차입자의 형상에서는 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 판단된다(도 9 참조).Figure 13 is an SEM image of Example 3,
Figure 112021045979854-pat00003
1 μm width and
Figure 112021045979854-pat00004
It was confirmed that primary particles in the form of nanorods with a thickness of 220 nm were relatively uniformly distributed. In addition, even when lithium is substituted, the primary particles constituting the positive electrode active material remain approximately similar, so it is judged that the addition of lithium does not have a significant effect on the shape of the primary particles (see FIG. 9).

도 14는 실시예 3과 비교예 1의 일차입자의 TEM 이미지이다. 도 15는 실시예 3의 TEM 이미지(a), EDS 맵핑 이미지(b), SAED 패턴(c), HRTEM 및 FFT 이미지(d)와, 비교예 1의 SAED 패턴(e), HRTEM 및 FFT 이미지(f)이다. Figure 14 is a TEM image of the primary particles of Example 3 and Comparative Example 1. Figure 15 shows the TEM image (a), EDS mapping image (b), SAED pattern (c), HRTEM and FFT image (d) of Example 3, and the SAED pattern (e), HRTEM and FFT image of Comparative Example 1 ( f).

도 14 및 도 15를 참조하면, TEM에서 얻어진 EDS 매핑(energy dispersive spectrometer mapping) 이미지(도 15(b))는 일차입자에서 Na, Mn 및 O이 균일하게 분의 균일하게 분산됨을 확인할 수 있다. 반면, 리튬(Li) 전자빔 산란력이 약하고 전체 함량이 낮기 때문에 실시예 3([NL][ML]O)에서 검출하기 어렵다. [010] 방향에 대한 SAED(selected area electron diffraction) 패턴은 단결정을 나타내는 (200) 및 (001) 결정면을 나타내는 데, 그 결과 결정이 [001] 방향 (c축 방향)을 따라 성장하고, 우수한 나트륨 이온의 확산 채널을 제공하는 나노로드 형태로 구비됨을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 14 and 15, the EDS mapping (energy dispersive spectrometer mapping) image obtained from TEM (FIG. 15(b)) confirms that Na, Mn, and O are uniformly dispersed in the primary particles. On the other hand, it is difficult to detect lithium (Li) in Example 3 ([NL][ML]O) because the electron beam scattering power is weak and the total content is low. The selected area electron diffraction (SAED) pattern for the [010] direction shows (200) and (001) crystal planes representing single crystals, resulting in the crystals growing along the [001] direction (c-axis direction) and producing excellent sodium It can be confirmed that it is provided in the form of a nanorod that provides a diffusion channel for ions.

실시예 3([NL][ML]O) 및 비교예 1(NMO)의 원자-스케일의 결정구조를 고해상도 TEM (high-resolution TEM, HRTEM)을 이용하여 확인하였다. 실시예 3([NL][ML]O)과 같이 터널구조와 스피넬구조가 내부에서 성장하여 결합한 모습을 나타낸다(도 15 (d)). 도 15의 (d-I)는 FFT(fast Fourier transform)에 의한 [010] 결정띠축(zone axis)에서의 (200) 및 (001) 격자 평면으로 터널구조를 나타내고, 도 15의 (d-II)는 FFT에 의한 (111) 및 (220) 결정면을 가진 스피넬구조를 나타내는 것으로, 즉 터널구조/스피넬구조의 이종 구조가 형성됨을 나타난다. 반면, 비교예 1(NMO)은 [010] 결정띠축을 따라 사방정계의 (200) 및 (001) 격자 평면에 해당하는 4.55 및 2.84 Å의 결정면 간격을 갖는 균일한 격자를 나타낸다(도 15의 (f) 참조). 실시예 3의 양극활물질은 (200) 면의 터널구조와 (111) 면의 스피넬구조를 포함하므로, 나트륨 이온의 확산을 촉진하여 전기화학적 성능이 향상되는 것으로 판단된다. The atomic-scale crystal structures of Example 3 ([NL][ML]O) and Comparative Example 1 (NMO) were confirmed using high-resolution TEM (HRTEM). As in Example 3 ([NL][ML]O), the tunnel structure and spinel structure are grown and combined inside (Figure 15 (d)). Figure 15 (d-I) shows a tunnel structure with (200) and (001) lattice planes on the [010] crystal zone axis by FFT (fast Fourier transform), and Figure 15 (d-II) shows It shows a spinel structure with (111) and (220) crystal planes by FFT, that is, a heterogeneous structure of tunnel structure/spinel structure is formed. On the other hand, Comparative Example 1 (NMO) shows a uniform lattice with interplanar spacing of 4.55 and 2.84 Å, corresponding to the orthorhombic (200) and (001) lattice planes along the [010] crystal band axis (Figure 15) see f)). Since the positive electrode active material of Example 3 includes a tunnel structure on the (200) plane and a spinel structure on the (111) plane, it is believed that electrochemical performance is improved by promoting diffusion of sodium ions.

즉, 실시예 1 내지 실시예 3과 같이 리튬이 나트륨 또는 망간을 치환하는 양극활물질은, 고온 소결을 이용한 용이한 방법의 고체상태 합성법에 의하여 제조되어 비교예 1에 비하여 상대적으로 Mn3+가 적은 양으로 포함됨을 확인할 수 있었다.That is, the positive electrode active material in which lithium replaces sodium or manganese, as in Examples 1 to 3, is manufactured by a simple solid-state synthesis method using high temperature sintering, and has relatively less Mn 3+ compared to Comparative Example 1. It was confirmed that it was included in quantity.

도 16은 실시예 3과 비교예 1의 DSC(Differential scanning calorimetry)의 결과이다. 도 17에서는 각각을 4V로 충전된 양극으로 이용하여 전해액에 함침된 상태로 평가하였다. Figure 16 shows the results of DSC (Differential scanning calorimetry) of Example 3 and Comparative Example 1. In Figure 17, each was evaluated using an anode charged at 4V and impregnated in an electrolyte solution.

도 16을 참조하면, 시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가 방법에 따라, 비교예 1인 나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 최대발열피크온도(To)에 대해서 실시예 3은 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 최대발열피크온도(T)는 9℃ 이상 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 비교예 1은

Figure 112021045979854-pat00005
282.7℃이고, 실시예 3은
Figure 112021045979854-pat00006
291.1℃였다. 또한, 발열량(Ho)은 비교예 1(910.5J/g)에 비하여 실시예 3(852.9J/g)은 대략 90% 이하로 더 열적으로 안정함을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 16, according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter, the maximum exothermic peak temperature (T o ) of the cathode active material made of sodium-manganese oxide in Comparative Example 1 was It was confirmed that the maximum exothermic peak temperature (T) of the positive electrode active material having a structure in which at least one of sodium and manganese was substituted with lithium was higher than 9°C. Specifically, Comparative Example 1 was
Figure 112021045979854-pat00005
282.7℃, Example 3
Figure 112021045979854-pat00006
It was 291.1℃. In addition, it was confirmed that the calorific value (H o ) of Example 3 (852.9 J/g) was approximately 90% or less compared to Comparative Example 1 (910.5 J/g), making it more thermally stable.

양극활물질의 열안정성은 산소방출 및 전해질의 분화와 관련된 것으로, 실시예 3과 같이 리튬이 치환되는 경우 비교예 1에 비하여 상대적으로 최대발열피크온도가 감소하고 발생되는 열량이 감소하는데, 이는 리튬의 치환에 의하여 양극활물질과 전해질 사이의 부반응을 억제함으로써 열폭주를 방지하고 구조적 분해를 억제하기 때문으로 판단된다. The thermal stability of the positive electrode active material is related to oxygen release and differentiation of the electrolyte. When lithium is substituted as in Example 3, the maximum exothermic peak temperature is relatively reduced and the amount of heat generated is reduced compared to Comparative Example 1, which is due to the This is believed to be because substitution prevents thermal runaway and suppresses structural decomposition by suppressing side reactions between the positive electrode active material and the electrolyte.

도 17은 비교예 및 실시예에 따른 양극활물질의 전기화학적 성능을 확인한 결과이다. 도 18은 비교예 및 실시예에 따른 양극활물질의 사이클 특성을 확인한 결과이다. 구체적으로, 도 17의 (a)는 비교예 1의 코인타입의 하프셀로 평가한 최초 4 사이클에 대한 dQ/dV 플롯이고, (b)는 실시예 3의 코인타입의 하프셀로 평가한 최초 4 사이클에 대한 dQ/dV 플롯이며, (c)는 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 율별 특성을 확인한 결과이다. 도 18의 (a)는 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 1C로 300 사이클의 성능을 확인한 결과이고, (b)는 비교예 1과, 실시예 3의 1C로 2 사이클에서 300 사이클까지 진행한 전압 프로파일이며, (c)는 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 1C에 대한 쿨롱효율을 확인한 결과이고, (d)는 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 1200 사이클을 확인한 결과이다.Figure 17 shows the results of confirming the electrochemical performance of positive electrode active materials according to comparative examples and examples. Figure 18 shows the results of confirming the cycle characteristics of positive electrode active materials according to comparative examples and examples. Specifically, (a) of Figure 17 is a dQ/dV plot for the first 4 cycles evaluated with the coin-type half-cell of Comparative Example 1, and (b) is the first cycle evaluated with the coin-type half-cell of Example 3. This is a dQ/dV plot for 4 cycles, and (c) is the result of confirming the characteristics of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 by rate. Figure 18 (a) shows the results of confirming the performance of 300 cycles with 1C of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and (b) shows the performance from 2 cycles to 300 cycles with 1C of Comparative Example 1 and Example 3. This is the progressed voltage profile, (c) is the result of confirming the coulombic efficiency for 1C of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and (d) is the result of confirming the 1200 cycle of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. It is a result.

도 17의 (a) 및 (b)를 참조하면, 비교예 1 및 실시예 3에 대한 나트륨 이온의 하프셀에서, 최초 4 사이클의 dQ/dV 플롯에서는 6개 이상의 가역전인 산화 환원 피크를 나타내는데, 여기서 다단계로 이루어진 Mn3 +/Mn4+ 반응이 포함된다. 실시예 3은 대략 3.7V에서 리튬 이온(Li+)가 LiMn2O4에서 방출됨을 나타내는 추가 산화피크가 발생함을 확인할 수 있다. 반면, 이와 같은 추가 산화피크는 2 사이클 후에는 사라지고, 이는 나트륨 이온(Na+)가 삽입/방출하는 과정에서 LiMn2O4이 상전이됨을 의미한다. 나트륨 전지의 1차 사이클의 충전과정인 소듐화반응(sodiation) 과정에서, 나트륨 이온이 스피넬구조 LixMn2O4의 빈공간에 삽입된다. 이때, 비교예 1과 비교하면, 실시예 3의 스피넬구조는 상대적으로 더 큰 크기의 원자반경을 갖는 나트륨 이온을 수용하기 위하여 1차 사이클의 방전과정에서 약간의 디소듐화반응(dislocation)이 발생하며, 이는 음의 방향으로 이동하는 실시예 3의 양극활물질의 환원피크의 원인이 된다. 즉, 실시예 3에서는, 낮은 전류밀도에서 우수한 용량과, 전압 플랫폼에서의 약간의 쉬프트는 LiMn2O4에서의 나트륨 이온의 삽입/방출 및 양극활물질의 활성화와 관련된다. 터널구조(Na0.44MnO2)/스피넬구조(LiMn2O4)를 모두 포함하는 이중구조는 스피넬구조에서의 3D 채널과 터널구조에서의 1D 채널을 직접 연결시키며, 나트륨 이온의 확산 채널을 단축시켜 높은 산화환원 반응속도을 나타내게 할 수 있다. 따라서, 실시예 3은 최초 4 사이클 후 0.1C에서 119.6mAh/g를 초과하는 고용량을 나타내고, 비교예 1에 비하여 더 향상된 나트륨 이온 저장능을 나타낸다. Referring to Figures 17 (a) and (b), in the half-cell of sodium ions for Comparative Example 1 and Example 3, the dQ/dV plot of the first 4 cycles shows more than 6 reversible redox peaks, Here, a multi-step Mn 3 + /Mn 4+ reaction is included. Example 3 can confirm that an additional oxidation peak occurs at approximately 3.7V, indicating that lithium ions (Li + ) are released from LiMn 2 O 4 . On the other hand, this additional oxidation peak disappears after two cycles, which means that LiMn2O4 undergoes a phase transition during the process of insertion/expulsion of sodium ions (Na+). During the sodiation process, which is the charging process of the first cycle of a sodium battery, sodium ions are inserted into the empty space of the spinel structure Li x Mn 2 O 4 . At this time, compared to Comparative Example 1, in the spinel structure of Example 3, a slight disodium reaction occurred during the discharge process of the first cycle in order to accommodate sodium ions with a relatively larger atomic radius. This causes the reduction peak of the positive electrode active material of Example 3 to move in the negative direction. That is, in Example 3, excellent capacity at low current densities and a slight shift in the voltage platform are related to insertion/expulsion of sodium ions in LiMn 2 O 4 and activation of the positive electrode active material. The dual structure, which includes both the tunnel structure (Na 0.44 MnO 2 ) and the spinel structure (LiMn 2 O 4 ), directly connects the 3D channel in the spinel structure and the 1D channel in the tunnel structure, and shortens the diffusion channel for sodium ions. It can exhibit high redox reaction rates. Therefore, Example 3 shows a high capacity exceeding 119.6 mAh/g at 0.1 C after the first 4 cycles and shows a further improved sodium ion storage capacity compared to Comparative Example 1.

실시예 3은 전류밀도의 증가와 전기화학적 분극으로 인한 용량감소가 발생함에도, 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 및 10C의 율별 방전용량에서 각각 117.6mAh/g, 116.8mAh/g, 114.8mAh/g, 111.7mAh/g, 106.9mAh/g 및 101.2mAh/g로 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었고, 또한 15C(1.8A/g)와 같은 매우 높은 율속에서 97.0mAh/g(0.1C 용량의 82.5%에 해당함)로 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한, 15C의 방전용량으로 사이클을 수행한 후, 다시 0.5C로 수행하면 스피넬구조의 활성화로 인하여 최대 방전용량은 회복되고, 여기서 실시예 1([NL] MO)은 123.0mAh/g까지 회복된다. In Example 3, despite the increase in current density and the decrease in capacity due to electrochemical polarization, the discharge capacities were 117.6 mAh/g, 116.8 mAh/g, and 114.8 mAh at rates of 0.1, 0.5, 1, 2, 5, and 10 C, respectively. /g, 111.7mAh/g, 106.9mAh/g, and 101.2mAh/g, and it was confirmed that the performance was excellent at 97.0mAh/g (0.1C capacity) at very high rates such as 15C (1.8A/g). It was confirmed that it exhibited excellent characteristics (equivalent to 82.5%). In addition, when the cycle is performed at a discharge capacity of 15 C and then again at 0.5 C, the maximum discharge capacity is recovered due to activation of the spinel structure, where Example 1 ([NL] MO) recovers to 123.0 mAh/g. .

도 18의(a)는 1C로 300 사이클을 수행한 결과로, 비교예 1에 비하여 실시예 1 내지 실시예 3이 우수한 사이클 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 종래 터널구조로만 이루어진 비교예 1의 양극활물질은 나트륨 이온의 삽입/방출의 반복적인 사이클을 수행하는 경우, 격자가 붕괴되어 수명특성이 좋지 않다. 비교예 1(NMO)은 사이클을 수행할수록 방전용량이 저하되며, 180사이클 후 82.8mAh/g인 반면, 실시예 1 내지 3은 비교예 1에 비하여 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1은 ([NL]MO) 사이클 초반에는 118.4mAh/g고 가장 우수하나, 점점 감소하여 300사이클에서는 83.5mAh/g로 나타남을 확인할 수 있었다. Figure 18(a) shows the results of performing 300 cycles at 1C, and it can be seen that Examples 1 to 3 exhibit superior cycle characteristics compared to Comparative Example 1. The positive electrode active material of Comparative Example 1, which consists only of a conventional tunnel structure, has poor life characteristics because the lattice collapses when repeated cycles of sodium ion insertion/expulsion are performed. In Comparative Example 1 (NMO), the discharge capacity decreased as the cycle was performed, and was 82.8 mAh/g after 180 cycles, while Examples 1 to 3 showed excellent characteristics compared to Comparative Example 1. In addition, it was confirmed that Example 1 was the best at 118.4 mAh/g at the beginning of the ([NL]MO) cycle, but gradually decreased to 83.5 mAh/g at 300 cycles.

실시예 2(N[ML]O)은 300사이클 후 용량리텐션이 82.6%로 우수하나, 용량은 88.3mAh/g로 상대적으로 낮다. 실시예 3([NL][ML]O)은 300사이클 후 용량리텐션은 91.2%이고, 용량은 104.3mAh/g로 우수한 가역용량을 유지함을 확인할 수 있었고, 이는 실시예 3이 우수한 구조적인 안정성을 갖는 양극활물질이기 때문으로 판단된다. 또한, 도 18의 (b)에서, 전압 프로파일을 참조하면, 실시예 3([NL][ML]O)은 리튬이 나트륨과 망간으로 양측 모두에 치환되어 코도핑(co-doping)된 양극활물질로, 300사이클이 수행되는 과정의 전압 프로파일에서 다양한 상변화를 나나태는 여러 개의 플래토(plateaus)와 스텝(step)을 보여주면서, 낮은 전기화학 분극화 및 우수한 레턴션용량을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 3([NL][ML]O)은 99.8%의 최적 쿨롱효율을 나타내고, 이는 리튬의 치환에 의하여 터널구조로만 이루어진 나트륨-망간 산화물에 비하여 높은 구조적인 안정성과 용량, 셀(cell)에서의 우수한 충방전의 가역성을 나타냄을 확인할 수 있었다(도 18 (c) 참조). 또한, 고율로 장기 수명특성을 확인한 결과, 10C로 1200 사이클을 수행하여도 78.9mAh/g으로 81.0%의 높은 용량리텐션을 나타냄을 확인할 수 있었다. 10C 1200사이클에서, 실시예 1, 2의 리텐션 용량은 각각 12.4%, 66.2%이였고, 비교예 1은 1000사이클에서 이미 23.3%로 급하게 감소하여 1200사이클까지 진행하지 못하였다.Example 2 (N[ML]O) has excellent capacity retention of 82.6% after 300 cycles, but the capacity is relatively low at 88.3 mAh/g. In Example 3 ([NL][ML]O), it was confirmed that the capacity retention after 300 cycles was 91.2% and the capacity was 104.3 mAh/g, maintaining excellent reversible capacity, which indicates that Example 3 had excellent structural stability. This is believed to be because it is a positive electrode active material with . In addition, referring to the voltage profile in (b) of FIG. 18, Example 3 ([NL][ML]O) is a cathode active material in which lithium is co-doped by substituting both sodium and manganese on both sides. As a result, it can be confirmed that the voltage profile in the process of 300 cycles shows several plateaus and steps showing various phase changes, showing low electrochemical polarization and excellent return capacity. . In addition, Example 3 ([NL][ML]O) shows an optimal coulombic efficiency of 99.8%, which shows higher structural stability, capacity, and cell efficiency compared to sodium-manganese oxide, which only has a tunnel structure due to substitution of lithium. ) was confirmed to exhibit excellent charging and discharging reversibility (see Figure 18 (c)). In addition, as a result of confirming the long-term lifespan characteristics at high rates, it was confirmed that even after 1200 cycles at 10C, it showed a high capacity retention of 81.0% at 78.9mAh/g. At 10C 1200 cycles, the retention capacities of Examples 1 and 2 were 12.4% and 66.2%, respectively, and Comparative Example 1 had already rapidly decreased to 23.3% at 1000 cycles and could not proceed to 1200 cycles.

도 19는 실시예 3을 이용한 양극과, 하드카본을 음극으로 이용한 풀셀(full cell)에서의 전기화학적 성능을 평가한 결과이다. 구체적으로, 도 19에서, (a)는 풀셀의 전압 프로파일이고, (b)는 0.1 mV/s에서의 풀셀의 CV 커브이며, (c)는 1C로 200사이클을 수행한 결과이고, (d) 율별 용량특성이며, (e)는 C로 사이클을 수행한 결과이다.Figure 19 shows the results of evaluating electrochemical performance in the anode using Example 3 and a full cell using hard carbon as the cathode. Specifically, in Figure 19, (a) is the voltage profile of the full cell, (b) is the CV curve of the full cell at 0.1 mV/s, (c) is the result of performing 200 cycles at 1C, and (d) These are the capacity characteristics by rate, and (e) is the result of performing a cycle at C.

도 19를 참조하면, 230 회 사이클 후 130.4mAh/g 용량과 77.9%의 용량리텐셩을 보여주며, 안정적인 사이클 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 하드카본은 경질의 탄소로, 일반적으로 경질탄소를 사용했을 때의 낮은 초기 쿨롱효율을 고려할 때, 실시예 3을 이용한 풀셀에서, 음극 대 양극의 용량비는 대략 1.2(양극의 질량을 기준으로 평가)임을 확인할 수 있었다. 또한, 도 19의 (b)에서, 1.5-3.9V의 전위 범위 내에서 0.1mV/s에서 풀셀의 초기 1 내디 5 사이클 동안의 CV 프로파일을 나타냈다.Referring to Figure 19, it can be seen that after 230 cycles, it shows a capacity of 130.4 mAh/g and a capacity retention of 77.9%, showing stable cycle characteristics. Hard carbon is a hard carbon, and considering the generally low initial coulombic efficiency when using hard carbon, in the full cell using Example 3, the capacity ratio of the cathode to the anode is approximately 1.2 (evaluated based on the mass of the anode). It was confirmed that it was. In addition, in Figure 19 (b), the CV profile during the initial 1 to 5 cycles of the full cell is shown at 0.1 mV/s within the potential range of 1.5-3.9 V.

SEI (solid-electrolyte interphase) 피막 형성과 전해질 분해에 의하여 초기 사이클에서 피크가 약간 쉬프트되는 현상이 나타나나, 6개의 쌍으로 나타나는 산화환원 피크는 실시예 3([NL][ML]O)과 경질탄소 사이의 나트륨 이온(Na+)의 삽입/방출에 의한 것이다(도 19의 (a) 참조).Although the peak is slightly shifted in the initial cycle due to the formation of a solid-electrolyte interphase (SEI) film and electrolyte decomposition, the redox peaks that appear in six pairs are similar to those of Example 3 ([NL][ML]O). This is due to the insertion/release of sodium ions (Na+) between carbons (see Figure 19 (a)).

도 19의 (c)의 충방전 프로파일은 나트륨 이온 풀셀이 1C로 5사이클에서 200사이클을 수행하는 과정에서, 우수한 가역성과 낮은 분극을 가짐을 나타낸다. 풀셀은 329.1Wh/kg의 에너지밀도이고, 200사이클 이후 105.0mAh/g로 우수한 사이클 특성을 나타낸다. 또한, 도 19의 (d)를 참조하면, 풀셀의 율별특성으로, 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C 및 2C에서 각각 118.4mAh/g, 114.9mAh/g, 114.2mAh/g, 113.0mAh/g 및 110.9mAh/g의 가역용량을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 다양한 율별로 80사이클을 수행한 후, 99.9%의 높은 쿨롱 효율로 107.7mAh/g로 우수한 가역성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. The charge/discharge profile in (c) of FIG. 19 shows that the sodium ion full cell has excellent reversibility and low polarization in the process of performing 5 to 200 cycles at 1C. The full cell has an energy density of 329.1Wh/kg and shows excellent cycle characteristics at 105.0mAh/g after 200 cycles. In addition, referring to (d) of Figure 19, the rate characteristics of the full cell are 118.4 mAh/g, 114.9 mAh/g, 114.2 mAh/g, and 113.0 mAh/ at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, and 2C, respectively. g and a reversible capacity of 110.9 mAh/g. In addition, after performing 80 cycles at various rates, it was confirmed that excellent reversible performance was achieved at 107.7 mAh/g with a high coulombic efficiency of 99.9%.

도 19의 (e)를 참조하면, 2C로 900사이클을 수행한 후에도 71.5mAh/g를 유지하였고, 용량손실은 주기 당 대략 0.043% 미만으로 장기적으로도 사이클 안정성을 가짐을 확인할 수 있었다. 반면, 본 풀셀에서의 약간의 용량저하는 양극 및 음극, 전해질의 설계를 개선하여 제거할 수 있는 것으로 판단된다.Referring to (e) of FIG. 19, 71.5 mAh/g was maintained even after 900 cycles at 2C, and the capacity loss was approximately less than 0.043% per cycle, confirming long-term cycle stability. On the other hand, it is believed that the slight decrease in capacity in this full cell can be eliminated by improving the design of the anode, cathode, and electrolyte.

하프셀과 풀셀 모두 실시예 3([NL][ML]O)은 우수한 전기화학적 특성과 사이클 특성을 나타내었고, 이는 리튬이 치환되어 결정격자 내에 도입되었고, 터널구조 및 스피넬구조를 모두 포함하는 이종구조가 형성되었기 때문으로 판단된다. 여기서, 리튬의 치환은 전이금속층의 구성요소 중 일부로, 양극활물질의 구조적 안정성을 향상시키고 충전-오더링 상태(charge-ordering state)를 안정화시키며, M3+의 불균형을 방지하는 것으로 판단된다. 또한, 터널구조 및 스피넬구조의 이종구조는 나트륨 이온의 확산 채널을 제공하여, 이온의 이동을 촉진하고 율별용량과 반응속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 전도성 네트워크(conductive network)를 형성하는 일차입자의 스택은 양극/전해질의 접촉계면을 증가시키고, 전자/이온의 연속적인 이동을 촉진할 수 있다. Example 3 ([NL][ML]O), both half-cell and full-cell, showed excellent electrochemical and cycle characteristics, in which lithium was substituted and introduced into the crystal lattice, and a heterogeneous cell containing both a tunnel structure and a spinel structure was introduced. It is believed that this is because the structure was formed. Here, substitution of lithium is a component of the transition metal layer and is believed to improve the structural stability of the positive electrode active material, stabilize the charge-ordering state, and prevent M3+ imbalance. In addition, the heterogeneous structure of the tunnel structure and spinel structure can provide a diffusion channel for sodium ions, promoting the movement of ions and improving rate-specific capacity and reaction speed. Additionally, the stack of primary particles forming a conductive network can increase the contact interface of the anode/electrolyte and promote continuous movement of electrons/ions.

도 20은 실시예 1 내지 3과, 비교예 1에 따른 양극활물질의 전극 반응속도와 열적안정성을 확인한 결과이다. 도 20에서, (a)는 GITT 커브와 계산한 나트륨 이온의 확산계수이고, (b)는 다양한 스캔 속도에 의한 실시예 3([NL][ML]O)의 CV 커브이고, (c)는 스캔 속도를 달리한 실시예 3([NL][ML]O)의 용량이며, (d)는 v½에 대한 피크전류의 그래프이고, (e)는 4V 충전 및 전해질에 함침된 상태에서의 DSC 결과이다. 도 20의 (f)는 0, 50, 100, 및 200사이클 후 저항을 나타내었고, (g)는 Rct를 비교한 결과이다. 하기, 표 4에서는 사이클 당 Rct를 나타낸 결과이다.Figure 20 shows the results of confirming the electrode reaction rate and thermal stability of the positive electrode active materials according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. In Figure 20, (a) is the GITT curve and the calculated diffusion coefficient of sodium ions, (b) is the CV curve of Example 3 ([NL][ML]O) at various scan speeds, and (c) is Capacity of Example 3 ([NL][ML]O) at different scan speeds, (d) is a graph of peak current for v ½ , and (e) is DSC in the state of 4V charging and impregnation with electrolyte. It is a result. Figure 20(f) shows the resistance after 0, 50, 100, and 200 cycles, and (g) shows the result of comparing Rct. Table 4 below shows the results showing Rct per cycle.

구분 1Category 1 구분 2Category 2 0cycle
(Rct, Ω)
0cycle
(Rct, Ω)
50cycle
(Rct, Ω)
50cycle
(Rct, Ω)
100cycle
(Rct, Ω)
100cycle
(Rct, Ω)
100cycle
(Rct, Ω)
100cycle
(Rct, Ω)
비교예 1Comparative Example 1 NMONMO 136.2136.2 161.4161.4 183.8183.8 290.1290.1 실시예 1Example 1 [NL]MO[NL]MO 66.266.2 129.5129.5 159159 184.8184.8 실시예 2Example 2 N[ML]ON[ML]O 81.981.9 73.873.8 9292 105.6105.6 실시예 3Example 3 [NL][ML]O[NL][ML]O 56.856.8 62.762.7 69.869.8 67.367.3

도 20의 (a)에서, 0.05C로 2사이클 과정에서 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 충전/방전 GITT(galvanostatic intermittent titration technique) 커브를 나타낸다. 실시예 1 내지 3과, 비교예 1의 나트륨 이온의 확산계수(Na+ diffusion coefficients, DNa)의 최소값은 70% ~ 80% 디소듐화 상태와, 20% ~ 30% 소듐화 상태를 나타내며, 이는 활성물질로 삽입하거나 혹은 활성물질에서 방출되는 동안의 나타륨 이온의 확산과 관련된다. 실시예 3([NL][ML]O)의 DNa는

Figure 112021045979854-pat00007
1.6 Х 10-10㎠/s로, 비교예 1(NMO)의
Figure 112021045979854-pat00008
5.8 Х 10-11㎠/s에 비해 높은 값을 갖는다. 실시예 3은 실시예 1, 2와 비교예 1에 비하여 가장 낮은 오버포텐셜(overpotential)을 갖고, 이는 가장 낮은 전기화학적 분극과 반응속도가 가장 빠름을 의미하고, 이는 높은 나트륨 저장능에 기인한다. 여기서, 오버포텐셜은 컷오프 전압(cutoff voltage)과 안정 전압(stable voltage) 사이의 전압 차이가 동일한 경우를 의미한다.In Figure 20 (a), the charge/discharge GITT (galvanostatic intermittent titration technique) curves of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 in a 2-cycle process at 0.05C are shown. The minimum values of sodium ion diffusion coefficients (Na+ diffusion coefficients, DNa) in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 indicate a 70% to 80% disodium state and a 20% to 30% sodium ion state, which indicates an active It involves the diffusion of natrium ions during their insertion into the material or their release from the active material. DNA of Example 3 ([NL][ML]O) was
Figure 112021045979854-pat00007
At 1.6 Х 10 -10 cm2/s, of Comparative Example 1 (NMO)
Figure 112021045979854-pat00008
It has a higher value compared to 5.8 Х 10 -11 ㎠/s. Example 3 has the lowest overpotential compared to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, which means the lowest electrochemical polarization and the fastest reaction rate, which is due to the high sodium storage capacity. Here, overpotential refers to the case where the voltage difference between the cutoff voltage and the stable voltage is the same.

도 20의 (b)에서, 실시예 3([NL][ML]O)의 0.1 ~ 1.5mV/s 사이에서 다양한 스캔 속도로 CV 커브를 확인하였다. 여기서, 스캔 속도가 증가함에 따라 산화환원 전류가 빠르게 증가하는 반면, 각 산화환원 피크 사이의 안정적인 전위차는 양극의 최소 분극을 나타낸다. 또한, (b)의 값은 log (i) 및 log (v)의 기울기를 피팅하여 정전용량(capacitance) 효과 또는 확산제어 정전용량을 평가할 수 있다. 여기서 i 및 v는 각각 피크 전류 및 스캔 속도를 나타낸다. In Figure 20 (b), the CV curve of Example 3 ([NL][ML]O) was confirmed at various scan rates between 0.1 and 1.5 mV/s. Here, the redox current increases rapidly as the scan rate increases, while a stable potential difference between each redox peak represents the minimum polarization of the anode. Additionally, the value of (b) can evaluate the capacitance effect or diffusion control capacitance by fitting the slope of log (i) and log (v). where i and v represent peak current and scan rate, respectively.

통상 b-값이 대략 0.5인 경우는 이온확산 제어단계를, 1.0인 경우는 표면 습착/탈착 제어단계를 의미하는데, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 각각의 b-값은 0.83, 0.86, 0.84 및 0.83이고 이는 소듐화반응 동안 전기화학 용량과 삽입/방출 반응이 함께 영향을 미침을 의미한다. 특정 기여도는 하기 식(1)로 나타낼 수 있다.Typically, when the b-value is approximately 0.5, it means an ion diffusion control step, and when it is 1.0, it means a surface adhesion/desorption control step. Each b- of Comparative Example 1, Example 1, Example 2, and Example 3 The values are 0.83, 0.86, 0.84, and 0.83, which means that the electrochemical capacity and insertion/ejection reaction influence together during the sodium oxidation reaction. The specific contribution can be expressed as equation (1) below.

식(1) i(V) = k1v + k2v1/2 Equation (1) i(V) = k 1 v + k 2 v 1/2

여기서, k1v은 전기화학 용량성 기여도이고, k2v1/2는 확산제어 기어도를 나타낸다. k1 및 k2는 i/ v1/2 및 v1/22를 피팅하여 얻는 상수이다. Here, k 1 v is the electrochemical capacitance contribution, and k 2 v 1/2 represents the diffusion control gear. k 1 and k 2 are constants obtained by fitting i/ v 1/2 and v 1/2 2.

도 20의 (c)는 스캔 속도를 달리하여, 실시예 3([NL][ML]O)의 정전용량 기여에 대한 정략적 계산을 나타낸 것으로, 낮은 스캔 속도 (0.1mV/s)에서는 실시예 3에 대한 전체 전류 반응의 대략 49.6%는 표면 전기흡착에 의하여 결정된다. 스캔 속도가 증가함에 따라 전기화학 용량성 기여도는 1.5mV/s에서 최대 79.0%에 도달함을 확인할 수 있었고, 이는 높은 스캔 속도에서는 전체 용량에 대한 의사용량성 기여도(pseudocapacitive contribution)가 중요함을 나타낸다. 즉, 실시예 3([NL][ML]O)의 속도능은 높은 의사용량성 기여도에 의하여 향상된다. Figure 20(c) shows the approximate calculation of the capacitance contribution of Example 3 ([NL][ML]O) at different scan speeds, and at a low scan speed (0.1 mV/s), Example 3 Approximately 49.6% of the total current response to is determined by surface electrosorption. As the scan rate increased, the electrochemical capacitive contribution was confirmed to reach a maximum of 79.0% at 1.5 mV/s, indicating that the pseudocapacitive contribution to the overall capacitance is important at high scan rates. . That is, the speed performance of Example 3 ([NL][ML]O) is improved by the high pseudocapacitance contribution.

평균 DNa는 도시된 바와 같이 ip (피크 전류) 및 v1/2 (스캔 속도의 제곱근)에 대한 선형피팅을 기반으로 한 Randles-Sevcik 식에 의하여 계산되고, 기울기가 클수록 DNa는 커진다. 실시예 3([NL][ML]O)의 평균 DNa는

Figure 112021045979854-pat00009
1.4 Х 10-10㎠/s이고, 이는 GITT를 사용하여 얻은 결과와 일치하는데, 이는 리튬의 치환에 의하여 이온의 확산 속도가 향상하였음을 의미한다. 반면, 비교예 1(NMO)의 평균 DNa는
Figure 112021045979854-pat00010
7.9 Х 10-11㎠/s로 매우 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 3([NL][ML]O)에서는 나트륨 이온의 확산을 향상시키는 3D 채널을 제공하는 터널구조 /스피넬구조의 이종구조에 의하는 것으로 판단된다. The average DNa is calculated by the Randles-Sevcik equation based on a linear fit for i p (peak current) and v 1/2 (square root of scan speed) as shown, and the larger the slope, the larger the DNa. The average DNA of Example 3 ([NL][ML]O) was
Figure 112021045979854-pat00009
1.4 Х 10 -10 cm2/s, which is consistent with the results obtained using GITT, which means that the diffusion rate of ions was improved by the substitution of lithium. On the other hand, the average DNA of Comparative Example 1 (NMO) was
Figure 112021045979854-pat00010
It was confirmed that it was very low at 7.9 Х 10 -11 ㎠/s. This is believed to be due to the heterogeneous structure of tunnel structure/spinel structure in Example 3 ([NL][ML]O), which provides a 3D channel that improves diffusion of sodium ions.

실시예 1 내지 3과, 비교예 1은 모두 O3 및 R3 피크에서 더 큰 확산 계수를 나타내나, O4 및 R4 영역에서 더 작은 값을 나타내어 서로 다른 나트륨 이온의 삽입/방출 단계에서 상이한 나트륨 이온의 전달역학을 나타낸다. 실시예 3([NL][ML]O)은 O3 및 R3 영역에서 가장 큰 DNa를 나타내며, 이는 리튬의 치환에 의하여 반응속도가 증가했음을 의미한다. Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 all show larger diffusion coefficients in the O3 and R3 peaks, but smaller values in the O4 and R4 regions, indicating the transfer of different sodium ions in the insertion/release steps of different sodium ions. represents dynamics. Example 3 ([NL][ML]O) shows the largest DNa in the O3 and R3 regions, which means that the reaction rate increased by substitution of lithium.

도 20의 (f) 및 (g)에서는, EIS(electrochemical impedance spectra)에 의하여 리튬 치환에 의한 전하이동 저항을 검토하였다. 사이클 전 개방 회로 전압과, 50, 100 및 200사이클 후 완전히 디소듐화된 상태에서 비교예 1(NMO)과 실시예 3([NL][ML]O)에 대한 나이퀴스트(Nyquist) 임피던스를 확인하였고, 서로 다른 등가 회로 모델에 적합하였다.In Figures 20 (f) and (g), charge transfer resistance due to lithium substitution was examined using electrochemical impedance spectra (EIS). Open circuit voltage before cycling and Nyquist impedance for Comparative Example 1 (NMO) and Example 3 ([NL][ML]O) in the fully disodiumized state after 50, 100 and 200 cycles. It was confirmed and fit to different equivalent circuit models.

고주파수 영역과 중간 주파수 영역에서 나타나는 반원은 각각 SEI 저항(SEI resistance, RSEI)과 Rct(charge-transfer resistance)을 의미하고, 저주파수 영역에서의 슬롭 라인(sloping line)은 Na0.44MnO2 입자에서 나트륨 이온의 확산과 관련된다. 플레쉬한 상태의 실시예 3([NL][ML]O)에 대한 Rct 값은 56.8Ω로 상대적으로 다른 양극활물질보다 나트륨 이온의 전달속도가 증가함을 의미한다. 여기서, 높은 Rct은 용량 저하의 주요 원인으로 작용한다. The semicircles appearing in the high-frequency and mid-frequency regions represent SEI resistance (RSEI) and charge-transfer resistance (Rct), respectively, and the sloping line in the low-frequency region represents the concentration of sodium ions in Na0.44MnO2 particles. It is related to proliferation. The Rct value for Example 3 ([NL][ML]O) in the fresh state was 56.8Ω, meaning that the transfer rate of sodium ions was relatively increased compared to other positive electrode active materials. Here, high Rct acts as the main cause of capacity degradation.

비교예 1(NMO)은 리튬이 치환된 실시예 1 내지 3보다는 Rct가 더 큰 값으로 나타나고, 실시예 3([NL][ML]O)의 Rct는 사이클이 수행되는 과정에서 거의 변화하지 않고 유지됨을 확인할 수 있다. 즉, 이는 리튬의 치환에 의하여 전하 이동 저항을 최소화하고, 이에 의하여 양극활물질의 수명특성을 효과적으로 향상시킴을 의미한다.Comparative Example 1 (NMO) showed a higher Rct value than Examples 1 to 3 in which lithium was substituted, and the Rct of Example 3 ([NL][ML]O) hardly changed during the cycle. You can confirm that it is maintained. In other words, this means that charge transfer resistance is minimized by substitution of lithium, thereby effectively improving the lifespan characteristics of the positive electrode active material.

도 20의 (e)에서 열안정성은 전해질이 함침된 상태에서 4.0V로 충전된 상태의 실시예 3([NL][ML]O)과 비교예 1(NMO)의 DSC(differential scanning calorimetry) 결과이다. 비교예 1은

Figure 112021045979854-pat00011
282.7℃(발열피크)에서 910.5J/g이고, 실시예 3은
Figure 112021045979854-pat00012
291.1℃(발열피크)에서 852.9J/g로 나타났다. DSC 결과는 양극활물질에서의 산소방출과 전해질의 분해와 관련된 결과로, 리튬의 치환에 의하여 전극과 전해질 사이의 부반응이 억제되고 이에 의하여 열폭주를 방지함을 확인할 수 있었다.In (e) of Figure 20, the thermal stability is the result of differential scanning calorimetry (DSC) of Example 3 ([NL][ML]O) and Comparative Example 1 (NMO) in a state impregnated with electrolyte and charged at 4.0 V. am. Comparative Example 1 is
Figure 112021045979854-pat00011
It is 910.5J/g at 282.7℃ (exothermic peak), and Example 3 is
Figure 112021045979854-pat00012
It was found to be 852.9J/g at 291.1℃ (exothermic peak). The DSC results were related to the release of oxygen from the positive electrode active material and the decomposition of the electrolyte, and it was confirmed that the substitution of lithium suppressed side reactions between the electrode and the electrolyte, thereby preventing thermal runaway.

도 21은 실시예 3 및 비교예 1의 사이클 성능을 비교하기 위한 XRD 그래프와, SEM 이미지를 나타내었다. 구체적으로, 도 21는 실시예 3과 비교예 1를 이용한 양극을 각각 비교한 것으로, (a)는 1 사이클 과정에서 다른 컷오프 전압으로 구비된 양극의 Ex situ XRD이고 (실험된 양극은 공기 및 수분의 노출을 방지하기 위하여 마일러지 필름(Mylar film)으로 보관함), (b)는 다양한 상태에서 격자 파라미터 a, b, c와 단위 셀 부피이며, (c)는 200 사이클 후 XRD 그래프이고, (d)는 200 사이클 후 SEM 이미지이다. Figure 21 shows an XRD graph and SEM image for comparing the cycle performance of Example 3 and Comparative Example 1. Specifically, Figure 21 compares the anodes using Example 3 and Comparative Example 1, respectively. (a) is Ex situ (stored with Mylar film to prevent exposure), (b) is the lattice parameters a, b, c and unit cell volume in various states, (c) is the XRD graph after 200 cycles, (d) ) is the SEM image after 200 cycles.

도 21의 (a)에서, 플레쉬한 상태(fresh state)와, 완전히 디소듐화된 상태(fully-desodiated state)에서 확인한 결과, 나트륨 이온의 방출과정에서 대부분의 회절피크는 플레쉬한 상태에 비하여 상대적으로 더 높은 2θ 각도에서 나타났으며, 이는 나트륨 이온의 방출 후 인접한 산소 원자 사이의 정전기 반발이 감소되어 단위셀이 수축되었기 때문으로 판단된다. In Figure 21 (a), as a result of confirmation in the fresh state and the fully-desodiated state, most of the diffraction peaks during the emission of sodium ions are relative to those in the fresh state. It appeared at a higher 2θ angle, which is believed to be because the electrostatic repulsion between adjacent oxygen atoms was reduced after the release of sodium ions, causing the unit cell to shrink.

비교예 1(NMO)에서 나트륨 이온이 방출되는 경우, 새로운 Na2Mn5O10 상이 관찰되는데, 이는 불완전한 디소듐화 및 중간상(intermediate phase)이 형성되었기 때문으로 판단된다. 반면, 실시예 3([NL][ML]O)는 1차 충전시 새로운 피크가 발생하지 않고 비교적 높은 2θ 각도에서 주요 회절피크가 나타나며, 이는 활성물질이 용액반응을 겪고 있음을 의미한다. 완전히 소듐화된 상태(fully-sodiated state)에서, 터널구조의 NaxMnO2와 관련된 모든 주요 회절피크는 비교적 낮은 2θ 각도에서 나타나고, 방전 중에 나트륨 이온(

Figure 112021045979854-pat00013
0.66 mol)의 과도한 삽입이 발생함을 의미한다. 주요피크의 쉬프트는 나트륨 이온의 삽입/방출 과정에서 발생하는 격자 파라미터의 변화를 발생시킴을 확인할 수 있었다 (도 21의 (b) 참조).When sodium ions are released in Comparative Example 1 (NMO), a new Na 2 Mn 5 O 10 phase is observed, which is believed to be due to incomplete disodiumization and the formation of an intermediate phase. On the other hand, in Example 3 ([NL][ML]O), no new peaks occurred during primary charging and the main diffraction peak appeared at a relatively high 2θ angle, meaning that the active material was undergoing a solution reaction. In the fully-sodiated state, all major diffraction peaks associated with tunnel-structured Na x MnO 2 appear at relatively low 2θ angles, and sodium ions (
Figure 112021045979854-pat00013
This means that excessive insertion of 0.66 mol) occurs. It was confirmed that the shift of the main peak causes a change in the lattice parameter that occurs during the insertion/ejection process of sodium ions (see (b) of FIG. 21).

실시예 3([NL][ML]O)의 부피변화(6.28 %)는 비교예 1(NMO)의 부피변화(10.72 %)보다 매우 낮게 나타났으며, 이는 리튬의 치환에 의하여 소듐화/디소듐화 과정에서 단위셀이 팽창되는 것을 방지하는 것으로 판단된다. 이러한 부피변화의 감소는 양극의 장기간 수명특성 향상의 주요 요인으로 작용한다. The volume change (6.28%) of Example 3 ([NL][ML]O) was found to be much lower than the volume change (10.72%) of Comparative Example 1 (NMO), which is due to the sodiumization/dehydration due to substitution of lithium. It is believed to prevent unit cells from expanding during the sodiumization process. This reduction in volume change serves as a major factor in improving the long-term lifespan characteristics of the anode.

실시예 3([NL][ML]O)에서, 스피넬구조인 LiMn2O4에서 기인한 (111)의 회절피크는 디소듐화 상태에서 더 높은 2θ 각도로 쉬프드되고, 방전 후 원래의 상태로 회복되어 구조적 가역성이 좋음을 나타내었다. 반면, 실시예 3([NL][ML]O에서, 상기 스피넬구조는 약간의 전위(dislocation)가 발생하여 스피넬구조의 LixMn2O4의 회절피크 강도가 감소하나, 불순물상(impurity phase)이 발생하지 않는다는 점에서, 실시예 3([NL][ML]O)은 우수한 구조적 안정성을 가짐을 의미한다. 즉, 리튬을 망간 사이트에 치환되면, 터널구조/스피넬구조의 이종구조를 형성하여 실시예 3([NL][ML]O)의 구조적 가역성을 향상시키고, 나트륨 이온의 추출속도를 증가시키고 사이클 안정성을 향상시킴을 확인할 수 있었다. In Example 3 ([NL][ML]O), the diffraction peak of (111) resulting from LiMn2O4, which is a spinel structure, is shifted to a higher 2θ angle in the disodium state, and is restored to its original state after discharge. It showed good structural reversibility. On the other hand, in Example 3 ([NL][ML]O, a slight dislocation occurs in the spinel structure, and the diffraction peak intensity of Li x Mn 2 O 4 of the spinel structure decreases, but the impurity phase ) does not occur, which means that Example 3 ([NL][ML]O) has excellent structural stability. That is, when lithium is substituted on the manganese site, a heterogeneous structure of tunnel structure/spinel structure is formed. It was confirmed that the structural reversibility of Example 3 ([NL][ML]O) was improved, the extraction rate of sodium ions was increased, and cycle stability was improved.

도 21의(c)의 XRD 분석에서, 비교예 1(NMO) 및 실시예 3([NL][ML]O)의 소듐화/디소듐화 과정에서의 전기화학적 거동을 확인하였다(

Figure 112021045979854-pat00014
25 °에서 넓은 피크는 마일러지 필름임). 실시예 3([NL][ML]O)의 결정상은 1C 200사이클 후 여전히 터널구조인 NaxMnO2가 유지되는 반면, 비교예 1(NMO)을 이용한 양극에서는 Na0.7MnO2 상의 3.28%는 200 사이클 후 초기 터널구조의 Na0.44MnO2 상이 복구되지 않고 구조적 비가역이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 구조적 비가역의 발생은 나트륨 이온의 이동 속도능을 저하시키고, 사이클 과장에서 용량저하를 발생시킨다.In the XRD analysis of Figure 21(c), the electrochemical behavior of Comparative Example 1 (NMO) and Example 3 ([NL][ML]O) during the sodiumization/disodiumization process was confirmed (
Figure 112021045979854-pat00014
The broad peak at 25° is the mileage film). The crystal phase of Example 3 ( [NL ] [ML]O) still maintains the tunnel structure of Na It was confirmed that after 200 cycles, the Na 0.44 MnO 2 phase of the initial tunnel structure was not recovered and structural irreversibility was formed. The occurrence of such structural irreversibility reduces the movement speed of sodium ions and causes capacity reduction during cycle exaggeration.

도 21의 (d) 및 (e)는 1C 200사이클 후 비교예 1(NMO) 및 실시예 3([NL][ML]O)의 양극 각각에 대한 SEM 이미지로, 비교예 1(NMO)의 경우에는 일차입자가 형상이 유지되지 못하고 나노로드 형태가 분쇄되거나 응집되는 모습이 확인되는 반면, 실시예 3([NL][ML]O)은 나노로드 형태가 유지되어 충방전 과정에서도 우수한 구조적 안정성과 결정상의 가역성을 나타냄을 확인할 수 있었다.Figures 21 (d) and (e) are SEM images of the anodes of Comparative Example 1 (NMO) and Example 3 ([NL][ML]O) after 200 cycles of 1C, respectively, of Comparative Example 1 (NMO). In this case, it was confirmed that the primary particles were not able to maintain their shape and the nanorod shape was pulverized or aggregated, whereas in Example 3 ([NL][ML]O), the nanorod shape was maintained, showing excellent structural stability even during the charging and discharging process. It was confirmed that the reversibility of the crystal phase was observed.

실시예 3([NL][ML]O)은 일차입자의 너비와 길이가 나노에서 마이크론 범위 크기로 구비될 수 있는데, 예컨대 상기 일차입자의 너비가 나노미터로 구비되므로써 나트륨 이온의 이동을 용이하게 하고, 나트륨 이온의 삽입/방출 과정에서 발생하는 스트레인(strain)을 완화시킴을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 3([NL][ML]O)은 비교예 1(NMO)과는 다르게 일차입자의 나노크기의 형태가 유지됨으로써, 장기 사이클 과정에서 구조적 변화를 완화하고 충방전 과정에서 발생하는 구조적 가역성을 우수함으로 수명특성을 향상된다.In Example 3 ([NL][ML]O), the width and length of the primary particle may range from nano to micron. For example, the primary particle may have a width of nanometer to facilitate the movement of sodium ions. It was confirmed that the strain occurring during the insertion/release process of sodium ions was alleviated. That is, Example 3 ([NL][ML]O), unlike Comparative Example 1 (NMO), maintains the nano-sized shape of the primary particles, thereby mitigating structural changes during the long-term cycle process and reducing the amount of energy generated during charge and discharge. Excellent structural reversibility improves lifespan characteristics.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to the specific embodiments and should be interpreted in accordance with the appended claims. Additionally, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

Claims (11)

나트륨 이차전지용 양극활물질에 있어서,
터널구조(tunnel structure)를 갖고, 나트륨-전이금속 산화물에서 나트륨 및 전이금속 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 것을 포함하고,
상기 양극활물질은 Mn3+및 Mn4+의 전체 농도에 대해서, 상기 Mn3+는 50% 미만으로 구비되는 것을 포함하고,
상기 양극활물질은 스피넬구조를 더 포함하고, 하기 화학식 1 내지 화학식 3 중 어느 하나 이상으로 나타낸 나트륨 이차전지용 양극활물질.
[화학식 1]
[Nax-yLiy]TMO2
[화학식 2]
Nax[TMzLi1-z]O2
[화학식 3]
[Nax-yLiy][TMzLi1-z]O2
상기 화학식 1 내지 3에서, TM은 Mn이고, 0<x≤1, 0<y≤0.5, 0<z≤1이다.
In the cathode active material for sodium secondary batteries,
It has a tunnel structure and includes a sodium-transition metal oxide structure in which at least one of sodium and transition metal is substituted with lithium,
The positive electrode active material includes Mn 3+ in an amount of less than 50% relative to the total concentration of Mn 3+ and Mn 4+ ,
The cathode active material further includes a spinel structure, and is a cathode active material for a sodium secondary battery represented by one or more of the following Chemical Formulas 1 to 3.
[Formula 1]
[Na xy Li y ]TMO 2
[Formula 2]
Na x [TM z Li 1-z ]O 2
[Formula 3]
[Na xy Li y ][TM z Li 1-z ]O 2
In Formulas 1 to 3, TM is Mn, 0<x≤1, 0<y≤0.5, 0<z≤1.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극활물질은 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지는 이차입자를 포함하고,
상기 일차입자는 터널구조 및 스피넬구조를 모두 포함하고,
상기 리튬의 치환량이 증가할수록 상기 스피넬구조가 증가하는 것을 포함하는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 1,
The positive electrode active material includes secondary particles composed of a plurality of primary particles,
The primary particles include both tunnel structures and spinel structures,
A positive active material for a sodium secondary battery, wherein the spinel structure increases as the amount of lithium substitution increases.
제3항에 있어서,
상기 양극활물질은 나트륨 또는 전이금속이 리튬으로 치환되어 Mn3+가 Mn4+로 산화되어 전자구조가 안정화되되, 상기 리튬의 치환량이 증가됨에 따라 상기 Mn3+가 Mn4+로의 산화량이 증가되는 것을 포함하는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 3,
The positive electrode active material stabilizes the electronic structure by substituting sodium or a transition metal with lithium to oxidize Mn 3+ to Mn 4+ , but as the amount of lithium substitution increases, the amount of oxidation of Mn 3+ to Mn 4+ increases. A cathode active material for a sodium secondary battery containing:
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극활물질을 포함하는 양극을 채용한 나트륨이차전지에서, 나트륨 금속에 대하여 2.0~3.8V의 전압범위에서, 0.1C rate의 정전류로 1000회 충방전 후의 용량리텐션이 80% 이상인 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 1,
In a sodium secondary battery employing a positive electrode containing the above positive electrode active material, a positive electrode for a sodium secondary battery having a capacity retention of more than 80% after charging and discharging 1000 times at a constant current of 0.1C rate in a voltage range of 2.0 to 3.8V with respect to sodium metal. Active material.
제1항에 있어서,
상기 터널구조는 단면이 S자형 터널구조와, 상기 S자형 터널구조보다 작은 면적으로 구비되는 단면이 다각형 터널구조를 포함하는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 1,
The tunnel structure is a cathode active material for a sodium secondary battery including a tunnel structure having an S-shaped cross-section and a polygonal tunnel structure having a smaller area than the S-shaped tunnel structure.
제1항에 있어서,
상기 양극활물질은 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지는 이차입자를 포함하고,
상기 일차입자는 C축 방향의 길이가 더 길게 구비되는 나노로드(nano rod) 형태를 포함하고,
상기 이차입자는 비표면적(BET)이 1.3㎡/g 이상으로 구비되는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 1,
The positive electrode active material includes secondary particles composed of a plurality of primary particles,
The primary particle includes a nanorod shape with a longer length in the C-axis direction,
The secondary particle is a cathode active material for a sodium secondary battery having a specific surface area (BET) of 1.3 m2/g or more.
제1항에 있어서,
물질의 분말 X선 회절 패턴에 있어서, 상기 X선 회절 패턴의 브래그 각도(2θ)가 17° 내지 22°인 범위에서 (200) 및 (111)의 회절피크가 나타나고,
상기 리튬이 나트륨을 치환하는 경우, 리튬의 치환량이 증가할수록 상기 (200)에 대한 (111)의 회절피크의 강도가 증가하는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 1,
In the powder
A cathode active material for a sodium secondary battery in which, when lithium replaces sodium, the intensity of the diffraction peak of (111) relative to (200) increases as the amount of lithium substitution increases.
제1항에 있어서,
상기 전이금속은 망간으로 이루어지고,
시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가 방법에 따라,
나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 최대발열피크온도(To)에 대해서 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 최대발열피크온도(T)는 9℃ 이상 높게 나타나고,
나트륨-망간 산화물로 이루어지는 양극활물질의 발열량(Ho)에 대해서 나트륨-망간 산화물에서 나트륨 및 망간 중 어느 하나 이상이 리튬으로 치환된 구조를 갖는 양극활물질의 발열량(Ho)은 90% 이하로 나타나는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
According to paragraph 1,
The transition metal consists of manganese,
According to the thermal stability evaluation method using differential scanning calorimetry,
The maximum exothermic peak temperature (T o ) of a cathode active material made of sodium-manganese oxide is It appears higher than 9℃,
The calorific value (H o ) of a cathode active material having a structure in which at least one of sodium and manganese in sodium-manganese oxide is substituted with lithium is less than 90% of the calorific value (H o ) of a cathode active material made of sodium-manganese oxide. Cathode active material for sodium secondary batteries.
제1항, 제3항, 제4항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 나트륨 이차전지용 양극활물질을 포함하는 양극;
음극; 및
나트륨이온을 포함하는 전해액;을 포함하는 나트륨이차전지.







A positive electrode containing the positive electrode active material for a sodium secondary battery according to any one of claims 1, 3, 4, and 6 to 10;
cathode; and
A sodium secondary battery containing an electrolyte solution containing sodium ions.







KR1020210051016A 2020-10-13 2021-04-20 Positive active material having tunnel structure for sodium secondary battery and the sodium secondary battery comprising the same KR102633443B1 (en)

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