KR20100133879A - Positive electrode comprising additive material and metal sulfide, fabrication method thereof, and battery comprising the positive electrode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양극용 전극 및 이를 이용하는 나트륨 전지에 대한 것으로, 보다 상세하게는 첨가제 및 금속 황화물을 포함하는 양극용 전극 및 이를 이용하는 나트륨 전지에 대한 것이다. The present invention relates to an electrode for a positive electrode and a sodium battery using the same, and more particularly to an electrode for a positive electrode including an additive and a metal sulfide and a sodium battery using the same.
전자 기술의 발달에 힘입어, 점차 다양한 형태의 전자기기가 개발되고 있다. 전자기기는 기본적으로 전기 에너지를 사용하기 때문에 전자기기의 형태에 적합한 전지에 대한 개발 노력도 함께 이루어지고 있다.With the development of electronic technology, various types of electronic devices are gradually being developed. Since electronic devices basically use electrical energy, efforts have been made to develop batteries suitable for the type of electronic devices.
통상적으로 2차 전지는 음극 물질에 따라 리튬 전지 및 나트륨 전지로 구분될 수 있다. 현재로서는 리튬(이온) 전지가 많이 사용되고 있으며, 이에 따라, 리튬 전지에 대한 연구는 많이 진행되고 있었다. 반면, 상온에서 동작하는 나트륨 전지에 대한 연구는 상대적으로 미미했다. Typically, secondary batteries may be classified into lithium batteries and sodium batteries according to the negative electrode material. At present, a lot of lithium (ion) batteries are used, and accordingly, research on lithium batteries has been progressing. On the other hand, research on sodium cells operating at room temperature is relatively insignificant.
하지만, 최근의 2차 전지 연구 방향은 고용량, 고효율 특성을 갖는 재료의 개발에 초점을 맞추고 있으며, 이에 따라, 나트륨 전지에 대한 연구가 주목받고 있 다.However, the recent direction of secondary battery research has focused on the development of materials having high capacity and high efficiency characteristics, and thus, research on sodium batteries has attracted attention.
나트륨 전지에 사용되는 양극용 전극 물질로는 통상적으로 Ni3S2가 사용될 수 있다. 도 1은 Ni3S2를 양극 물질로 사용하고 Na를 음극 물질로 사용한 전지의 충방전 특성을 측정한 그래프이다. As the electrode material for the positive electrode used in the sodium battery, Ni 3 S 2 may be conventionally used. 1 is a graph measuring charge and discharge characteristics of a battery using Ni 3 S 2 as a cathode material and Na as a cathode material.
도 1에서 상측 그래프들(a)은 일정한 전류 밀도로 충전하였을 때의 전압 변화를 나타내는 충전 곡선이고, 하측 그래프들(b)은 방전에 해당하는 방전 곡선을 나타낸다. 구체적으로는, a, b 그래프는 450mA/g의 전류 밀도로, 1C의 방전속도로 전류를 인가하였을 때의 종래 전지의 방전 용량을 측정한 그래프이다. 1C 방전속도란 1시간 충전하고 1회 방전하는 속도를 의미한다.In FIG. 1, upper graphs (a) are charge curves showing voltage changes when charged at a constant current density, and lower graphs (b) show discharge curves corresponding to discharges. Specifically, a and b graphs are graphs of the discharge capacity of a conventional battery when a current is applied at a discharge rate of 1 C at a current density of 450 mA / g. The 1C discharge rate means the rate of charging for 1 hour and discharging once.
충전 종지 전압을 2.6V로, 방전 종지 전압을 0.4V로 정해둔 상태에서, 도 1에 따르면, 초기 1, 2회 충방전시에는 적정 용량 충전 후 충전 종지 전압인 2.6V에 도달되어 충전이 완료되지만, 28회 충방전시에는 2.6V로 도달하지 못하고 계속 충전이 지속되는 과충전 상태가 됨을 알 수 있다. 또한, 28회 충방전이 이루어졌을 때의 용량은 360mAh/g 정도밖에 되지 않음을 알 수 있다.In the state where the end voltage of charging is set to 2.6 V and the end voltage of discharge is set to 0.4 V, according to FIG. 1, the charging end voltage is reached to 2.6 V after the proper capacity charging at the first and second charge and discharge stages. However, it can be seen that after 28 charge / discharge cycles, the battery does not reach 2.6V and is in an overcharge state where the charge continues. In addition, it can be seen that the capacity at the time of 28 charge / discharge cycles is only about 360 mAh / g.
한편, 도 1의 c 그래프는 2C 방전 속도로 측정하였을 때의 최초 방전 특성을 나타낸다. 2C 방전 속도로 전류를 인가하였을 때, 용량은 대략 70mAh/g 정도에 불과하다. 따라서, 1C 방전속도로 인가할 때의 용량 450mAh/g보다 급격하게 떨어짐을 알 수 있다.Meanwhile, the graph c in FIG. 1 shows initial discharge characteristics when measured at a 2C discharge rate. When a current is applied at a 2C discharge rate, the capacity is only about 70 mAh / g. Accordingly, it can be seen that the capacity drops more rapidly than the capacity of 450 mAh / g when applied at a 1C discharge rate.
이상과 같이, 현재의 나트륨 전지 구성은 충방전이 몇차례 발생하지 않은 상 태에서도 과충전 현상이 발생하는 문제점이 있었다. 과충전은 전지의 구조를 변경시키는 등의 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 종래의 나트륨 전지 구조로는 제품 적용이 어렵다는 문제점이 있었다.As described above, the current sodium battery configuration has a problem in that an overcharge phenomenon occurs even in a state where charge and discharge do not occur several times. Overcharging may adversely affect the structure of the battery. Therefore, there is a problem that it is difficult to apply the product to the conventional sodium battery structure.
본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 첨가제를 추가하여 고속충방전이 가능하고, 과충전 현상을 억제시킬 수 있는 양극용 전극 및 이를 이용하는 나트륨 전지를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a positive electrode and a sodium battery using the same, which is capable of high-speed charging and discharging, and suppressing the overcharge phenomenon by adding an additive. .
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 양극용 전극은, 천이금속 또는 촉매제로 이루어진 첨가제 및 상기 첨가제와 함께 혼합되어 전극을 형성하는 금속 황화물을 포함한다.Electrode for a positive electrode according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes an additive consisting of a transition metal or a catalyst and a metal sulfide mixed with the additive to form an electrode.
여기서, 상기 첨가제는 Ni이고, 상기 금속 황화물은 Ni3S2가 될 수 있다.Here, the additive is Ni, the metal sulfide may be Ni 3 S 2 .
그리고, 상기 첨가제 및 상기 금속 황화물은 1:4, 1:1, 4:1 비율 중 하나의 비율로 혼합될 수 있다. In addition, the additive and the metal sulfide may be mixed in one ratio of 1: 4, 1: 1, and 4: 1 ratios.
한편, 상기 천이 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 중 하나가 될 수도 있으며, 상기 촉매제는 PtCo, Ag/C, CuO, NiO, FeO, Co(OH)2, Pt/C, PT 중 하나가 될 수도 있다.The transition metal may be Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub may be one, the catalyst is PtCo, Ag / C It may be one of CuO, NiO, FeO, Co (OH) 2 , Pt / C, PT.
그리고, 상기 금속 황화물은, Ag2S, As2S3, CdS, CuS, Cu2S, FeS, FeS2, HgS, MoS2, Ni3S2, NiS, NiS2, PbS, TiS2, MnS, Sb2S3 중 하나가 될 수 있다. And, the metal sulfide is Ag 2 S, As 2 S 3 , CdS, CuS, Cu 2 S, FeS, FeS 2 , HgS, MoS 2 , Ni 3 S 2 , NiS, NiS 2 , PbS, TiS 2 , MnS , Sb 2 S 3 It can be one.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양극용 전극의 제조 방법은, 첨가제 및 금속 황화물을 볼 밀링 방식으로 믹싱하는 단계 및 믹싱된 첨가제 및 금속 황화물을 특정 조건에서 건조시켜, 양극용 전극을 제작하는 단계를 포함한다.On the other hand, the manufacturing method of the electrode for the positive electrode according to an embodiment of the present invention, the step of mixing the additives and metal sulfides by a ball milling method and drying the mixed additives and metal sulfides under specific conditions to produce an electrode for the positive electrode Steps.
여기서, 상기 첨가제는 Ni이고, 상기 금속 황화물은 Ni3S2가 될 수 있다.Here, the additive is Ni, the metal sulfide may be Ni 3 S 2 .
본 발명의 다른 실시 예에 따른 양극용 전극 제조방법은, 무전해 도금 방식으로 첨가제를 금속 황화물 표면에 코팅시키는 단계, 상기 첨가제가 코팅된 금속 황화물을 세척하고 건조시키는 단계 및 상기 첨가제가 코팅된 금속 황화물을 전극 형태로 제작하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing an electrode for a cathode includes coating an additive on a metal sulfide surface by an electroless plating method, washing and drying the additive-coated metal sulfide, and the additive-coated metal. Preparing a sulfide in the form of an electrode.
여기서, 상기 첨가제는 Ni이고, 상기 금속 황화물은 Ni3S2가 될 수 있다.Here, the additive is Ni, the metal sulfide may be Ni 3 S 2 .
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지는, 천이금속 또는 촉매제로 이루어진 첨가제와, 금속 황화물이 혼합된 양극용 전극, 나트륨 물질로 이루어진 음극용 전극 및 상기 양극용 전극 및 상기 음극용 전극 사이에 배치되어, 나트륨 이온을 전달하여 전기 에너지를 발생시키는 전해질을 포함한다.On the other hand, the battery according to an embodiment of the present invention, an additive made of a transition metal or a catalyst, the electrode for the positive electrode mixed with a metal sulfide, the electrode for the negative electrode made of sodium material and the positive electrode and the negative electrode between And an electrolyte that is disposed to transfer sodium ions to generate electrical energy.
여기서, 첨가제는 Ni이고, 상기 금속 황화물은 Ni3S2가 될 수 있다.Here, the additive is Ni, the metal sulfide may be Ni 3 S 2 .
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양극용 전극 제조 방법은, 급랭응고법으로 첨가제를 금속 황화물과 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 분쇄하여 분말로 제조하 는 단계, 및 상기 분말을 전극 형태로 제작하는 단계를 포함한다.On the other hand, the electrode manufacturing method for a positive electrode according to an embodiment of the present invention, the step of mixing the additive with a metal sulfide by a quenching solidification method, pulverizing the mixture to prepare a powder, and producing the powder in the form of an electrode Steps.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 과충전 현상을 최대한 억제할 수 있고, 고속 충방전시에 방전 용량의 감소 정도도 최소화 시킬 수 있는 양극용 전극을 구현할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 양극용 전극을 이용하는 나트륨 전지 제작이 가능해진다. 따라서, 나트륨 전지를 이용한 전자 제품의 개발 및 보급을 촉진시킬 수 있다. According to various embodiments of the present disclosure as described above, an overcharge phenomenon can be suppressed as much as possible, and a cathode electrode for minimizing the reduction of the discharge capacity during high-speed charging and discharging can be realized. Thereby, the sodium battery using the electrode for positive electrodes can be manufactured. Therefore, development and dissemination of electronic products using sodium batteries can be promoted.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지의 구성을 나타내는 도면이다.2 is a view showing the configuration of a battery according to an embodiment of the present invention.
도 2에 따르면, 본 전지(100)는 양극용 전극(110), 전해질(120), 음극용 전극(130)을 포함한다. 본 전지(100)에 사용되는 음극용 전극(130)은 Na으로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 전지(100)는 나트륨 전지(Na battery)에 해당한다. 구체적으로는 Na-S 전지에 해당한다.According to FIG. 2, the
전해질(120)은 양극용 전극(110) 및 음극용 전극(130) 사이에서 이온을 전달해주는 역할을 한다. 전해질(120)은 고체 전해질 또는 액체 전해질로 이루어질 수 있다. 전해질(120)의 일 예로, 본 전지(100)에서는 TEGDME가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적으로 사용되는 다른 전해질로도 구현될 수 있음은 물론이다. The electrolyte 120 serves to transfer ions between the
도 2에서, 양극용 전극(110), 전해질(120), 음극용 전극(130)은 각각 막 형 태로 제작되어 순차적으로 적층된 형태로 도시되었으나, 이는 일 예에 불과하며, 각 구성의 형상 및 위치는 반드시 도 2에 한정되는 것은 아니다. 즉, 양극용 전극(110), 전해질(120), 음극용 전극(130) 각각은 막 형태가 아니라 실 형태가 될 수도 있다. 예를 들어, 양극용 전극(110) 또는 음극용 전극(130)이 실 형태로 제작되면, 전해질(120)이 그 표면을 덮는 형태로 형성되고, 나머지 전극(130 또는 110)이 다시 전해질(120) 표면을 덮는 형태로 형성되어, 실 형태의 전지로 구현될 수도 있다.In FIG. 2, the
도 2의 양극용 전극(110)은 첨가제 및 금속 황화물을 포함한다. 첨가제는 금속 황화물과 혼합되어 양극용 전극(110)을 형성함으로써 과충전 현상 및 방전 용량 감소 현상을 억제하는 기능을 한다. The
첨가제로는 천이 금속 또는 촉매제 등이 사용될 수 있다. As the additive, a transition metal or a catalyst may be used.
주기율 표 상에 나와 있는 천이금속 들은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 이므로, 이 중 하나가 첨가제로 사용될 수 있다. The transition metals listed in the periodic table are Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu Since, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub, one of these may be used as an additive.
촉매제의 예로는 PtCo, Ag/C, CuO, NiO, FeO, Co(OH)2, PT, Pt/C 등이 있으므로, 이 중 하나가 첨가제(111)로 사용될 수 있다.Examples of the catalyst include PtCo, Ag / C, CuO, NiO, FeO, Co (OH) 2 , PT, Pt / C, and the like, and one of them may be used as the
이하의 명세서에서는 그 중 Ni을 사용하는 경우를 일 예로 들어 설명하고 있으며, 후술하는 실험 결과 역시 Ni를 첨가제(111)로 사용하였을 때의 결과를 나타 내지만, 이에 한정되어야 하는 것은 아니다. In the following specification, a case of using Ni is described as an example, and the experimental results described below also show the results when Ni is used as the
한편, 금속 황화물은 황을 포함하는 통상의 전극 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, Ag2S, As2S3, CdS, CuS, Cu2S, FeS, FeS2, HgS, MoS2, Ni3S2, NiS, NiS2, PbS, TiS2, MnS, Sb2S3 등과 같은 다양한 금속 황화물들 중 하나가 금속 황화물로 이용될 수 있다. 이하의 명세서에서는 이 중 Ni3S2가 사용되는 경우를 일 예로 들어 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 첨가제로 인한 과충전 및 방전 용량 감소 억제 성능에 대해서는 후술하는 부분에서 설명한다.On the other hand, the metal sulfide may be made of a conventional electrode material containing sulfur. For example, Ag 2 S, As 2 S 3 , CdS, CuS, Cu 2 S, FeS, FeS 2 , HgS, MoS 2 , Ni 3 S 2 , NiS, NiS 2 , PbS, TiS 2 , MnS, Sb 2 S One of various metal sulfides such as 3 may be used as the metal sulfide. In the following description, a case where Ni 3 S 2 is used is described as an example, but is not limited thereto. The performance of suppressing overcharge and discharge capacity reduction due to the additive will be described later.
한편, 첨가제(111)인 Ni와 Ni3S2의 혼합 방법은 각 분말들의 단순 혼합법이 있으며, Ni3S2 분말 표면에 Ni 분말을 석출시키는 방법, 두 분말을 용해 후 냉각하는 방법(급랭응고법) 등이 이용될 수 있다.On the other hand, the mixing method of Ni and Ni 3 S 2 as the
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양극용 전극의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3에 따르면 본 양극용 전극(110)은 첨가제(111) 및 금속 황화물(112)이 혼재하는 형태로 이루어질 수 있다. 도 3의 첨가제(111)는 Ni이 될 수 있고, 금속 황화물(112)는 Ni3S2가 될 수 있다. 도 3에서와 같이 첨가제(111) 및 금속 황화물(112)입자는 양극용 전극(110) 내에서 서로 분리된 형태로 혼합될 수 있다. 3 is a view showing the configuration of an electrode for a positive electrode according to an embodiment of the present invention. According to FIG. 3, the
첨가제(111) 및 금속 황화물(112)은 볼 밀링 방식 또는 무전해 도금 방식으로 혼합될 수 있다. The additive 111 and the
볼 밀링 방식이란 볼 밀링 기기를 이용하여 각 재료들을 믹싱하여 전극을 제 작하는 방식이다. 구체적으로는, 첨가제(111)와 금속 황화물(112)과 함께 도전제, 결착제, 용매 등을 볼 밀링 기기에 넣고, 믹싱을 수행한다. 그리고 나서, 믹싱된 결과물을 특정 조건에서 건조시켜 첨가제(111) 및 금속 황화물(112) 등이 혼합된 양극용 전극(110)을 제작한다. 건조 조건은 다양하게 정해질 수 있으나, 일 예로는 진공 상태의 상온(room temperature)에서 하루 정도의 시간 동안 건조시키는 조건으로 처리할 수 있다. The ball milling method is a method in which electrodes are manufactured by mixing respective materials using a ball milling machine. Specifically, a conductive agent, a binder, a solvent, and the like are put together with the additive 111 and the
무전해 도금 방식이란 첨가제(111)를 포함한 무전해 도금액을 이용하여 금속 황화물(112) 표면에 화학 환원 반응을 일으켜, 첨가제(111)를 석출시키는 표면 처리 방식을 의미한다. 구체적으로는, 첨가제(111)를 포함한 무전해 도금액에 금속 황화물(112)을 투입시키고, 특정 조건으로 교반작업(stirring)을 수행한 후, 그 결과물을 세척 및 건조시키면 첨가제(111)가 금속 황화물(112) 표면에 석출되어, 코팅된 금속 황화물(112)을 얻을 수 있다. 이를 이용하여, 양극용 전극(110)을 제작할 수 있다. The electroless plating method refers to a surface treatment method of causing a chemical reduction reaction on the surface of the
도 4는 무전해 도금 방식 등을 통해 첨가제(111)가 부착된 금속 황화물(112)의 형태의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4에서와 같이 금속 황화물(112), 즉, Ni3S2의 표면에는 적어도 하나 이상의 첨가제(111), 즉, Ni가 부착될 수 있다. 이러한 상태로 양극용 전극(110)을 제작하면, 도 5와 같은 형태가 될 수 있다.4 is a diagram illustrating an example of a form of the
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양극용 전극(110)의 형태를 나타내는 도면이다. 도 5에 따르면, 양극용 전극(110)은 금속 황화물(112), 첨가제(111) 이 외에 도전제(113) 및 결착제(114) 등을 더 포함할 수 있다. 첨가제(111)와 도전제(113)는 금속 황화물(112) 표면에 부착된 상태가 될 수 있고, 결착제(114)는 금속황화물(112)들을 서로 결합시키는 형태가 된다. 도 5에서 금속 황화물(112) 간의 간격은 어느 정도 이격된 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 실제로는 서로 조밀하게 결합될 수 있다. 도 5와 같은 양극용 전극(110)의 형태는 무전해 도금 방식을 통해 제작되었을 때 이루어질 수 있다. 5 is a view showing the shape of the
볼 밀링 방식이나 무전해 도금 방식은 이미 공지된 기술이므로, 더 이상의 구체적인 설명 및 도시는 생략한다.Since the ball milling method or the electroless plating method is already known, further detailed description and illustration are omitted.
한편, 첨가제(111) 및 금속 황화물(112)의 혼합 비율은 전지 특성을 고려하여 적응적으로 설정될 수 있다. 일 예로, 1:4, 1:1, 4:1 비율 등으로 설정될 수 있으나, 이러한 혼합 비율은 이에 한정되는 것은 아니며, 기재되지 않은 다른 혼합 비율도 채택될 수 있음은 물론이다. 첨가제(111)의 포함 비율이 높아 질 수록 과충전 현상은 더욱 약화되는 대신, 금속 황화물(112)의 포함 비율이 상대적으로 낮아지게 되어 체적 대비 용량은 감소하게 된다. 따라서, 과충전 현상 억제 정도 및 체적 대비 용량을 충분히 고려하여, 혼합 비율을 적절히 설정하는 것이 바람직하다. Meanwhile, the mixing ratio of the additive 111 and the
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양극용 전극을 이용하는 전지에 대하여 도 1과 동일한 조건으로 측정한 충방전 특성에 대한 그래프이다. 도 6에서의 양극용 전극은 Ni를 첨가제(111)로 사용하였으며, Ni3S2를 금속 황화물(112)로 사용한 케이스이며, 그 혼합 비율은 Ni3S2 : Ni = 4 : 1로 설정하였고 1C 방전 속도의 전류 밀도를 이용하였다. FIG. 6 is a graph showing charge and discharge characteristics measured under the same conditions as those of FIG. 1 for a battery using a positive electrode according to an embodiment of the present invention. 6 is a case using Ni as an additive 111, Ni 3 S 2 as the
도 6에 따르면, 35회 째 충방전시에도 변함없이 2.6V까지 충전이 이루어져 과충전이 발생하지 않음을 알 수 있다. 이와 같이, 첨가제(111)를 전극에 첨가함으로써 과충전 현상이 개선됨을 확인할 수 있다. According to FIG. 6, it can be seen that overcharging does not occur since charging is performed to 2.6 V without change even during the 35th charge / discharge. As such, it can be confirmed that the overcharge phenomenon is improved by adding the additive 111 to the electrode.
도 7은 Ni3S2 : Ni = 4 : 1의 혼합 비율로 제작된 양극용 전극을 이용하는 전지에 대하여 2C 충방전속도로 충방전한 충방전 그래프를 나타낸다. 도 7에서도 도 6과 마찬가지로 35회째 충방전이 수행되더라도 과충전 현상이 전혀 발생하지 않음을 알 수 있다. 특히, 2C 방전속도에서 최초 방전시의 방전 용량은 약 330mAh/g로, 도 1의 c 그래프의 방전 용량 70mAh/g보다 매우 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 2C 고속 충방전시에, 종래의 나트륨전지보다 훨씬 좋은 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 성능은 2C 고속 충방전시에만 한정되는 것이 아니라, 그 이상의 고속 충방전시에도 기대할 수 있다. 7 shows a charge / discharge graph charged and discharged at a 2C charge / discharge rate with respect to a battery using an electrode for a positive electrode manufactured at a mixing ratio of Ni 3 S 2 : Ni = 4: 1. In FIG. 7, as in FIG. 6, even when the 35th charge / discharge is performed, the overcharge phenomenon does not occur at all. In particular, it can be seen that the discharge capacity at the first discharge at 2C discharge rate is about 330mAh / g, which is much higher than the discharge capacity of 70mAh / g in the graph c of FIG. 1. That is, it can be seen that at the time of 2C fast charging and discharging, much better performance can be obtained than conventional sodium batteries. This performance is not only limited to 2C fast charge and discharge, but can also be expected at higher speed charge and discharge.
도 8은 Ni3S2 : Ni = 4 : 1의 혼합 비율로 제작된 양극용 전극을 이용하는 전지에 대하여 3C 충방전속도의 전류밀도에서 충방전 특성을 측정한 그래프이다. 도 8에서도 마찬가지로, 35회째 충방전이 수행되더라도 과충전 현상이 전혀 발생하지 않음을 알 수 있다.FIG. 8 is a graph of charge and discharge characteristics measured at a current density of 3C charge and discharge rates for a battery using a positive electrode prepared at a mixing ratio of Ni 3 S 2 : Ni = 4: 1. Likewise, in FIG. 8, even when the 35th charge / discharge is performed, the overcharge phenomenon does not occur at all.
도 9는 도 6 내지 8에 비해 Ni의 포함 비율을 증대시킨 상태에서 3C 충방전 속도의 전류 밀도로 측정한 충방전 특성 그래프이다. 구체적으로는, Ni3S2 : Ni = 1 : 4 의 혼합 비율로 제작된 양극용 전극을 이용하는 전지에 대한 측정 결과이다. 도 9에 따르면, 100회 충방전이 계속 될 때까지도 과충전 현상이 발생하지 않음을 알 수 있다. FIG. 9 is a graph of charge / discharge characteristics measured at a current density of 3C charge / discharge rate in a state where the Ni content is increased compared to FIGS. 6 to 8. Specifically, Ni 3 S 2: Ni = 1: A is the measurement results for the positive electrode cell using the electrode 4 made of a mixing ratio of. According to FIG. 9, it can be seen that the overcharge phenomenon does not occur until the 100th charge / discharge is continued.
이와 같이, 첨가제(111) 및 금속 황화물(112)의 혼합 비율에 따라 다양한 충방전 특성을 얻을 수 있으므로, 전지의 사용 용도에 맞게 적절한 비율을 설정하여, 양극용 전극(110)을 제작하는 것이 바람직하다. 이상과 같은 도면 들에서는 과충전 현상이 발생하지 않는 구체적인 충방전 회수를 언급하였지만, 이는 설명의 편의를 위하여 제공한 수치 예일 뿐이며, 반드시 그 회수까지만 과충전이 발생하지 않는 것은 아니다.As such, various charging and discharging characteristics can be obtained according to the mixing ratio of the additive 111 and the
도 10은 반복 회수(cycle number)에 따른 충방전 특성을 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, Ni이 첨가제(111)로서 첨가되고, 금속황화물(112) Ni3S2를 갖는 양극용 전극(110)의 C-rate에 따른 충방전 반복 특성을 확인할 수 있다. 즉, 높은 전류가 인가됨에도 불구하고, 양극용 전극(110)의 충방전 특성이 우수한 것을 알 수 있다(2C).10 is a graph showing charge and discharge characteristics according to the cycle number. Referring to FIG. 10, Ni is added as an additive 111, and the charge and discharge repeatability according to C-rate of the
도 11 및 도 12는 급랭 응고법을 이용하여 양극용 전극을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, 급랭 응고법으로 첨가제(111)를 금속 황화물(112)과 혼합한다.11 and 12 are diagrams for explaining a method of manufacturing an electrode for a positive electrode using a quench solidification method. Referring to FIG. 11, the additive 111 is mixed with the
구체적으로, 첨가제(111)인 Ni와 금속 황화물(112)인 Ni3S2는 챔버(1110)에 주입된다. 튜브(1120)의 하단으로 첨가제(111)와 금속 황화물(112)이 이동하는 중 전기 인가에 따라 가열된 유도 코일(1130)에 의해, 첨가제(111)와 금속 황화 물(112)이 용융될 수 있다. 이 경우, 첨가제(111)와 금속 황화물(112)은 융점이상으로 가열한다. Specifically, Ni as the additive 111 and Ni 3 S 2 as the
튜브(1120)의 하단을 통해 용융된 첨가제(111)와 금속 황화물(112)이, 냉각된 회전체(1140)의 표면에 분사되며, 그 결과 용융된 첨가제(111)와 금속 황화물(112)이 고속으로 냉각될 수 있다. 또한, 회전체(1140)가 회전할 때, 회전체(1140) 표면에 냉각된 첨가제(111)와 금속 황화물(112)을 리본(1150)을 이용하여 회전체(1140)로부터 분리시킬 수 있다. 이에 따라, 리본(1150)의 표면에 얇은 판 형태를 갖는 혼합물(1160)이 생성될 수 있다.The
혼합물(1160)은 도시된 것처럼, 금속 황화물(112)에 첨가제(111)가 첨가된 구조를 갖는다. 여기서 첨가제(111)와 금속황화물(112)는 20 : 80의 중량 비율로 혼합되는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 회전체(1140)는 구리 휠로 이루어지며, 22m/s로 회전할 수 있다. The
그 후, 첨가제(111)와 금속 황화물(112)이 혼합된 혼합물을 분쇄하여 분말로 제조하고, 도 12에서 도시된 것과 같이 분말을 전극 형태로 제작한다. 구체적으로, 금속 황화물(112)을 볼밀링으로 분쇄함으로써 Ni 분말이Ni3S2 분말의 내부와 외부에 형성된 전극 물질을 제조할 수 있다.Thereafter, the mixture in which the additive 111 and the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
도 1은 종래 나트륨 전지의 충방전 특성을 나타내는 도면,1 is a view showing the charge and discharge characteristics of a conventional sodium battery,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지의 구성을 나타내는 도면,2 is a view showing the configuration of a battery according to an embodiment of the present invention;
도 3 내지 5는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 양극용 전극의 구성을 나타내는 도면, 그리고,3 to 5 are views showing the configuration of an electrode for a positive electrode according to various embodiments of the present invention, and
도 6 내지 10은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 양극용 전극을 이용한 전지의 충방전 특성을 다양한 조건하에서 측정한 도면이다.6 to 10 are measurements of charge and discharge characteristics of a battery using an electrode for a positive electrode according to various embodiments of the present disclosure under various conditions.
도 11 및 도 12는 급랭 응고법을 이용하여 양극용 전극을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.11 and 12 are diagrams for explaining a method of manufacturing an electrode for a positive electrode using a quench solidification method.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawing
110 : 양극용 전극110: anode electrode
120 : 전해질120: electrolyte
130 : 음극용 전극130: cathode electrode
111 : 첨가제111: Additive
112 : 금속 황화물112: metal sulfide
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