KR20120041383A - An electrode-active composite comprising an electrically-conductive porous body and a transition metal compound filler, and a method for preparing the same - Google Patents

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KR20120041383A
KR20120041383A KR1020100102808A KR20100102808A KR20120041383A KR 20120041383 A KR20120041383 A KR 20120041383A KR 1020100102808 A KR1020100102808 A KR 1020100102808A KR 20100102808 A KR20100102808 A KR 20100102808A KR 20120041383 A KR20120041383 A KR 20120041383A
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류주석
임성재
한규승
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Abstract

PURPOSE: A composite is provided to have high volume density and small specific surface area, not to generate a sudden increase of viscosity in a slurry dispersion process for manufacturing electrodes, and to remarkably decrease dispersion time. CONSTITUTION: An electrode active composite comprises an electroconductive porous material and a transition metal compound filler, and has a tap density of 1.5 g/cm^3. The weight of the porous material occupies 0.5-50% of the composite weight. The porous material consists of carbon. The ratio(I1355/I1575) of the peak intensity at 1355cm^(-1) to the peak intensity at 1575 cm^(-1) in the Raman spectrum of the carbon is 0.85 or less. A manufacturing method of the composite comprises a step of filling the pores of the electroconductive porous material with transition metal compounds.

Description

전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하는, 전극 활성을 갖는 복합체 및 그 제조 방법 {AN ELECTRODE-ACTIVE COMPOSITE COMPRISING AN ELECTRICALLY-CONDUCTIVE POROUS BODY AND A TRANSITION METAL COMPOUND FILLER, AND A METHOD FOR PREPARING THE SAME}A composite having an electrode activity, comprising an electrically conductive porous body and a filler of a transition metal compound, and a method for producing the same.

본 발명은 전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제(充塡劑, filler)를 포함하며 전극 활성을 갖는 복합체 및 그 제조 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a composite comprising an electrically conductive porous body and a filler of a transition metal compound and having an electrode activity, and a method for producing the same.

전이금속 화합물은 이차전지용 전극 활물질로 이용되는데, 이 화합물의 내식성, 분산성 등의 물리화학적 특성과 전기전도성 등의 전기적 특성을 개선시키기 위한 많은 노력들이 있어 왔다.Transition metal compounds are used as electrode active materials for secondary batteries, and many efforts have been made to improve physicochemical properties such as corrosion resistance and dispersibility, and electrical properties such as electrical conductivity.

이러한 노력의 예로서는 전이금속 화합물 입자의 나노화, 이종 원소의 고용, 입자 표면에 보호막 형성, 그리고 나노미터 크기의 1차 입자를 응집시켜 2차 입자로 만드는 것 등이 있다.  Examples of such efforts include nanonization of transition metal compound particles, solid solution of dissimilar elements, formation of a protective film on the particle surface, and agglomeration of nanometer-sized primary particles into secondary particles.

내식성과 내화학성이 우수하면서도 전극 재료의 전기 전도성을 향상시키는 탄소계 물질이나 세라믹 물질로써 전이금속 화합물 입자의 표면을 피복하는 것이 흔히 행하여져 왔다. It has been frequently performed to coat the surface of transition metal compound particles with a carbon-based material or ceramic material which is excellent in corrosion resistance and chemical resistance and improves the electrical conductivity of the electrode material.

탄소는 높은 전자 전도성, 화학적 안정성 등의 장점을 지니기 때문에, 전이금속 화합물의 보호 및 기능 향상 등을 위해, 전이금속 화합물에 피복되거나 혼합된다. 기계적 혼합법을 이용하여 탄소를 단순히 전이금속 화합물에 혼합하는 것보다는 화학증착법(Chemical Vapor Deposition) 등을 이용하여 탄소를 전이금속 화합물의 입자 표면에 피복시키는 경우에 탄소의 장점이 더욱 부각된다. 탄소의 장점으로서는 전극 재료의 전기전도성 향상, 외부의 물리화학적 영향으로부터 전이금속 화합물 입자의 보호, 열처리할 때 전이금속 화합물 입자가 지나치게 성장하는 것을 제한하는 것 등이 있다. Since carbon has advantages such as high electronic conductivity, chemical stability, and the like, the carbon is coated or mixed with the transition metal compound for the purpose of protecting the transition metal compound and improving its function. Rather than simply mixing carbon with a transition metal compound using a mechanical mixing method, the advantage of carbon is more pronounced when carbon is coated on the particle surface of the transition metal compound using chemical vapor deposition or the like. Advantages of carbon include improvement in electrical conductivity of electrode materials, protection of transition metal compound particles from external physicochemical influences, and limitation of excessive growth of transition metal compound particles during heat treatment.

화학적 안정성 측면을 더 구체적으로 살펴보면, 탄소를 단순히 혼합하는 경우는 피복하는 경우에 비해, 전이금속 화합물이 산성 또는 알카리성 물질처럼 높은 반응성을 가지는 물질에 노출될 위험이 휠씬 높다. 예를 들어, 리튬이차전지의 경우, 일반적으로 LiPF6를 전해질로서 사용하는데, 전지 내에 수분이 존재하면, 수분과 LiPF6가 반응하여 불산(HF)이 생성되는 바, 불산은 강산성 물질로서 전극 물질을 용해 및 산화시킴으로써 전지 성능을 저하시킨다. 이러한 불산에 의한 용해 및 산화 문제는, 전극 활물질의 표면을 탄소로 피복함으로써 현저히 완화시킬 수 있다. 따라서, 탄소를 혼합하는 경우에 비하여 비용이 많이 들고 공정이 복잡함에도 불구하고, 피복이 더 일반적으로 행하여지고 있다. Looking at the chemical stability aspect more specifically, there is a much higher risk of the transition metal compound being exposed to a highly reactive material such as an acidic or alkaline material compared to the case of simply mixing carbon. For example, in the case of a lithium secondary battery, LiPF 6 is generally used as an electrolyte. When moisture is present in the battery, hydrofluoric acid (HF) is generated by reaction between moisture and LiPF 6 , and the hydrofluoric acid is a strong acid material. The battery performance is lowered by dissolving and oxidizing it. This problem of dissolution and oxidation by hydrofluoric acid can be remarkably alleviated by coating the surface of the electrode active material with carbon. Therefore, in spite of the cost and complexity of the process compared to the case of mixing carbon, coating is more generally performed.

탄소를 피복하는 일반적인 방법은, 전이금속 화합물 입자에 탄소 전구체를 도포한 후, 불활성 분위기 하에서 탄소 전구체를 열처리하여 탄화시키는 것이다. 생성되는 탄화물의 결정성, 전기 전도성, 기계적 강도 등은 탄소 전구체의 종류와 탄화 반응의 분위기 및 온도에 따라 변한다. 열분해를 통해 수소, 산소, 탄화수소, 불순물 원소 등이 모두 방출된 완전한 탄화를 달성하고 탄화물이 높은 결정성을 갖도록 하기 위해서는 탄화를 1,000℃ 이상에서 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 높아지면 탄소의 결정자 크기와 결정성이 증가하며, 결정성이 증가하면 생성되는 탄화물의 기계적 강도 및 전기 전도성 또한 증가하게 된다.The general method of coating carbon is to apply carbon precursor to the transition metal compound particles, and then heat-treat the carbon precursor under an inert atmosphere to carbonize it. The crystallinity, electrical conductivity, mechanical strength, etc. of the carbide produced vary depending on the type of carbon precursor and the atmosphere and temperature of the carbonization reaction. In order to achieve complete carbonization in which all hydrogen, oxygen, hydrocarbons, impurity elements, etc. are released through pyrolysis and the carbides have high crystallinity, it is preferable to perform carbonization at 1,000 ° C. or higher. Increasing the heat treatment temperature increases the crystallite size and crystallinity of the carbon, and increasing the crystallinity also increases the mechanical strength and electrical conductivity of the carbides produced.

그러나 탄화를 수행하기 위한 온도가 일정 수준 이상으로 높아지면, 전이금속 화합물이 상전이를 일으키거나 열분해될 수 있다. 따라서 탄화 온도는 전이금속 화합물에 악영향을 주지 않는 범위 내로 한정되어야 하는 제약이 있다.However, when the temperature for carrying out the carbonization rises above a certain level, the transition metal compound may cause phase transition or thermal decomposition. Therefore, the carbonization temperature is limited to be within the range that does not adversely affect the transition metal compound.

한편, 전이금속 화합물의 물리화학적 보호를 위해서는 탄소 피복이 충분히 두꺼워야 하고, 충분한 두께를 확보하기 위해서는 다량의 탄소 전구체를 사용하여야 하나, 다량으로 투입된 탄소 전구체는 피복 형성에 사용되는 이외에 기타 다른 탄소 부산물을 형성할 가능성이 커지는 단점이 있다. On the other hand, the carbon coating should be thick enough for physicochemical protection of the transition metal compound, and a large amount of carbon precursor should be used to secure sufficient thickness, but a large amount of carbon precursor is used for forming the coating. There is a disadvantage that becomes more likely to form.

공지기술에서는 탄소 전구체를 저온에서 탄화시켜 탄소 피복을 형성하였고, 탄소 피복도 충분히 두껍지 않았다. 예를 들면, 미국특허 6,855,273 및 6,962,666은 전극물질의 입자 표면을 탄소계 물질로 피복하는데, 피복 형성을 위한 열처리 온도는 800℃ 이하의 저온이다. 저온 탄화의 결과, 생성되는 탄소질 피복은 결정성이 높지 않다. 또한 상기 선행기술의 방법을 사용하는 경우, 개별 입자의 표면이 완전히 피복되기 어렵고, 입자가 미세하여 유기 용매 또는 수계에 분산시킬 때 점도의 급격한 증가를 야기함으로써 분산성이 저하되며, 분산 시간이 길어지고, 전극 접착을 위해서는 과다한 양의 바인더가 필요하게 되는 등의 단점이 있다. 나아가, 상기 선행기술에서는 미세한 1차 입자에 탄소계 물질을 피복하는 것으로서, 생성물의 부피밀도가 낮고 그 결과 전극 밀도가 낮아지며, 또한 분말상의 전극 물질을 이송시키거나 칭량할 때 입자의 비산이나 정전기에 의한 부착 현상 등의 문제가 발생한다. In the known art, the carbon precursor was carbonized at low temperature to form a carbon coating, and the carbon coating was not thick enough. For example, US Pat. Nos. 6,855,273 and 6,962,666 coat a particle surface of the electrode material with a carbon-based material, wherein the heat treatment temperature for forming the coating is a low temperature of 800 ° C or lower. As a result of low temperature carbonization, the resulting carbonaceous coating is not highly crystalline. In addition, when using the method of the prior art, it is difficult to completely cover the surface of the individual particles, the particles are fine and dispersibility is lowered by causing a sharp increase in viscosity when dispersed in an organic solvent or water system, the dispersion time is long There are disadvantages such as an excessive amount of binder required for electrode bonding. Furthermore, in the prior art, the carbon-based material is coated on the fine primary particles, and the bulk density of the product is low, and as a result, the electrode density is low, and also when the powdery electrode material is transported or weighed, Problems such as adhesion phenomenon occur.

한편, 대한민국 특허출원공개 2010-0044713에서는 미세한 1차 입자를 응집시켜 2차 입자로 만든다. 그러나 상기 선행기술에 따르면, 1차 입자들이 탄소로 코팅되지 않은 경우는 1차 입자들이 서로 직접 접촉하고 있는 형태이고, 탄소로 코팅된 1차 입자들인 경우는, 도 1c에 도시된 바와 같이, 전이금속 화합물로 이루어진 코어(core)와 탄소 피막인 쉘(shell)로 구성된 코어-쉘(core-shell) 구조로 되는데, 그 어느 경우이든 1차 입자들 사이에는 빈 공간이 다량 발생한다. 이러한 선행기술과 달리 본 발명에서는 1차 입자와 1차 입자가 다공체 내부 벽에 의해 분리되어 있고, 또한 다공체 내부의 빈 공간이 최소화된 고밀도 구조를 가진다.On the other hand, Korean Patent Application Publication No. 2010-0044713 aggregates fine primary particles to make secondary particles. However, according to the prior art, when the primary particles are not coated with carbon, the primary particles are in direct contact with each other, and when the primary particles are coated with carbon, as shown in FIG. A core-shell structure composed of a core made of a metal compound and a shell, which is a carbon coating, in which case a large amount of empty space is generated between the primary particles. Unlike the prior art, in the present invention, the primary particles and the primary particles are separated by the porous body inner wall, and have a high-density structure in which the empty space inside the porous body is minimized.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 물리화학적 기능이 향상된 전극 물질 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide an electrode material with improved physicochemical function and a method of manufacturing the same.

본 발명은 전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하고 전극 활성을 갖는 복합체를 제공하고, 또한 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a composite comprising an electrically conductive porous body and a filler of a transition metal compound and having an electrode activity, and also providing a method of manufacturing the same.

본 발명에 한 실시 형태에서는 고결정성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하는 복합체를 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a composite comprising a highly crystalline porous body and a transition metal compound filler.

본 발명의 다른 실시 형태에서는 고밀도의 다공체/충전제 복합체를 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a high density porous body / filler composite.

본 발명에 따른 다공체/충전제 복합체를 제조하는 방법은 크게 두 가지로 구분된다. 첫 번째 방법에서는, 다공체를 만들고 이의 기공 내에 충전제를 형성시키는 것이다. 다른 방법은, 충전제를 만들고 이를 다공체 형성을 위한 원료물질과 혼합하여 다공체/충전제 복합체를 형성시키는 것이다. 이와 같이 형성된 복합체를 열처리하면 결정성과 기계적 강도가 강화된다.Methods of preparing the porous body / filler composite according to the present invention are largely divided into two. In the first method, a porous body is formed and a filler is formed in its pores. Another method is to make a filler and mix it with the raw material for forming the porous body to form a porous / filler composite. Heat treatment of the composite thus formed enhances crystallinity and mechanical strength.

본 발명에 따른 복합체는 그 내부에 빈 공간이 최소화된 고밀도 복합체일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 다공체는 높은 결정성과 견고함을 갖는 것으로서, 충전제를 물리화학적으로 보호하며, 충전제가 전기화학적 기능을 충분히 발현하도록 할 수도 있다. The composite according to the present invention may be a high density composite with minimal empty space therein. In addition, the porous body according to the present invention has high crystallinity and robustness, and may physically protect the filler and allow the filler to sufficiently express an electrochemical function.

본 발명에 따른 고밀도 복합체를 리튬이차전지의 전극 활물질로 사용하면 전극의 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 전극의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 나아가, 리튬 이온의 삽입과 탈리 반응에 수반되는 전이금속 화합물의 부피 변화를 억제하여 전지 수명을 향상시킬 수 있다. When the high density composite according to the present invention is used as an electrode active material of a lithium secondary battery, the density of the electrode can be dramatically improved, and accordingly, the energy density of the electrode can be increased. Furthermore, the battery life can be improved by suppressing the volume change of the transition metal compound accompanying the lithium ion insertion and desorption reaction.

또한, 본 발명은 분말상 전극 물질의 취급 공정에서 나타나는 문제점을 현저히 개선할 수 있다. 본 발명에 따른 복합체는 높은 부피밀도를 갖고 비표면적이 작으므로 전극 제조를 위한 슬러리 분산 공정에서 점도의 급격한 증가가 발생하지 않으며, 쉽게 분산되어 분산 시간을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 슬러리의 고형분 함량 증가를 통한 전극 밀도의 증가를 꾀할 수 있다. 또한 포장, 이송, 계량할 때, 나노미터 크기의 1차 입자에 수반되는 정전기 발생 및 분진 비산 등의 문제점을 크게 개선할 수 있다.In addition, the present invention can significantly improve the problems that occur in the handling process of the powdered electrode material. Since the composite according to the present invention has a high bulk density and a small specific surface area, a sharp increase in viscosity does not occur in the slurry dispersing process for preparing the electrode, and it is easily dispersed to significantly reduce the dispersion time, as well as the solid content of the slurry. It is possible to increase the electrode density by increasing the content. In addition, when packaging, transporting and weighing, problems such as static electricity generation and dust scattering associated with nanometer-sized primary particles can be greatly improved.

본 발명에 따른 전극 활성을 갖는 복합체는 2차전지, 메모리 소자, 및 하이브리드 캐패시터(P-EDLC)를 비롯한 캐패시터 및 기타 다른 전기화학 소자의 전극 활물질로서 사용될 수 있으며, 특히 2차전지의 양극 활물질로서 적합하다.The composite having electrode activity according to the present invention can be used as an electrode active material of capacitors and other electrochemical devices, including secondary batteries, memory devices, and hybrid capacitors (P-EDLC), in particular as a cathode active material of secondary batteries. Suitable.

도 1a는 빈 기공을 갖는 다공체의 모식도이다. 도 1b는 다공체/충전제 복합체의 모식도이다. 도 1c는 전이금속화합물 입자가 코어(core)를 이루고, 이 코어의 표면은 탄소로 피복된 코어-쉘 (core-shell) 구조체의 모식도이다.
도 2a는 실시예 1의 단계a)에서 수득된 탄소 다공체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. (큰 사진의 확대율: 3,000배, 작은 사진의 확대율: 50,000배)
도 2b는 실시예 2에서 얻어진 탄소다공체/리튬인산철 복합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. (큰 사진의 확대율: 1,000배, 작은 사진의 확대율: 5,000배)
도 2c는 비교예 1에서 얻어진 탄소 피복된 리튬인산철 2차입자를 10,000배의 배율로 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1의 단계 b)에서 제조된 탄소다공체/리튬이산화코발트 복합체의 X-선 회절분광(XRD) 그래프이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 탄소다공체/리튬인산철 복합체의 X-선 회절분광(XRD) 그래프이다.
도 5는 실시예 3에서 제조된 탄소다공체/리튬인산철 복합체의 X-선 회절분광(XRD) 그래프이다.
도 6은 실시예 4에서 제조된 탄소다공체/리튬인산철니켈망간코발트 복합체의 X-선 회절분광(XRD) 그래프이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 코어-쉘 구조를 갖는 리튬인산철의 X-선 회절분광(XRD) 그래프이다.
도 8의 그래프 (a)는 실시예 1의 단계 a)에서 수득된 고결정성 탄소 다공체의 라만 스펙트럼이다. 도 8의 그래프 (b)는 비교예 1에서 수득된, 탄소로 피복된 코어-쉘 구조체의 라만 스펙트럼이다.
도 9은 실시예 2의 탄소다공체/리튬인산철 복합체를 양극 활물질로 이용한
리튬이차전지의 충전?방전 그래프이다.
1A is a schematic diagram of a porous body having empty pores. 1B is a schematic diagram of a porous body / filler complex. FIG. 1C is a schematic diagram of a core-shell structure in which transition metal compound particles form a core, and the surface of the core is coated with carbon.
2A is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon porous body obtained in step a) of Example 1. FIG. (Magnification of large pictures: 3,000x, magnification of small pictures: 50,000x)
2B is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon porous body / lithium iron phosphate composite obtained in Example 2. FIG. (Magnification of large picture: 1,000x, magnification of small picture: 5,000)
FIG. 2C is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon-coated lithium iron phosphate secondary particles obtained in Comparative Example 1 measured at a magnification of 10,000 times. FIG.
3 is an X-ray diffraction spectroscopy (XRD) graph of the carbon porous body / lithium cobalt dioxide composite prepared in step b) of Example 1. FIG.
Figure 4 is an X-ray diffraction spectroscopy (XRD) graph of the carbon porous body / lithium iron phosphate composite prepared in Example 2.
5 is an X-ray diffraction spectroscopy (XRD) graph of the carbon porous body / lithium iron phosphate composite prepared in Example 3. FIG.
FIG. 6 is an X-ray diffraction spectrum (XRD) graph of the carbon porous body / lithium iron phosphate nickel manganese cobalt composite prepared in Example 4. FIG.
7 is an X-ray diffraction spectrum (XRD) graph of lithium iron phosphate having a core-shell structure prepared in Comparative Example 1. FIG.
Graph (a) of Figure 8 is a Raman spectrum of the highly crystalline carbon porous body obtained in step a) of Example 1. Graph (b) of Figure 8 is a Raman spectrum of the core-shell structure coated with carbon, obtained in Comparative Example 1.
9 is a carbon porous body / lithium iron phosphate composite of Example 2 using a positive electrode active material
A charge and discharge graph of a lithium secondary battery.

본 발명은, 전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하고 전극 활성을 갖는 복합체를 제공한다. The present invention provides a composite comprising an electrically conductive porous body and a transition metal compound filler and having electrode activity.

본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 다공체는 고결정성을 갖는다.In one embodiment of the present invention, the porous body has high crystallinity.

본 발명의 다른 실시 형태에서는, 복합체 내부의 빈 공간이 최소화되어 복합체가 고밀도를 갖는다.
In another embodiment of the present invention, the void space inside the composite is minimized so that the composite has a high density.

다공체Porous body

본 발명에 따른 복합체의 골격을 이루는 다공체는 다양한 방법으로 얻을 수 있다. 다공체의 형상 및 다공체 원료 물질 또한 특정한 것으로 제한되지 않는다. The porous body constituting the skeleton of the composite according to the present invention can be obtained by various methods. The shape of the porous body and the porous raw material are also not limited to specific ones.

다공체는 외부로부터 내부에 이르기까지 연결된 형태의 열린 기공을 갖는 것이 바람직하다. 다만, 다공체/충전제 복합체가 형성된 후에는 충전제가 외부에 노출되지 않도록 하기 위해 복합체 외부 표면에 전기 전도성 물질을 도포할 수도 있다. The porous body preferably has open pores connected from the outside to the inside. However, after the porous body / filler composite is formed, an electrically conductive material may be applied to the outer surface of the composite to prevent the filler from being exposed to the outside.

다공체의 내부에 형성된 기공은 특별한 형상으로 한정되지 않으며, 구형, 직선튜브형, 곡선튜브형, 각형, 비정형 등 다양한 형상일 수 있다. 그러한 내부 기공에 채워지는 충전제인 전이금속 화합물의 입자 크기는 기공 크기에 의해 한정되므로, 충전제가 바람직한 크기를 갖도록, 기공의 크기를 제어 또는 선택한다. The pores formed inside the porous body are not limited to a particular shape, and may have various shapes such as spherical shape, straight tube shape, curved tube shape, square shape, and atypical shape. The particle size of the transition metal compound, which is a filler filled in such internal pores, is defined by the pore size, so that the size of the pores is controlled or selected so that the filler has the desired size.

선행기술에서와 같이 전이금속 화합물 입자를 제조하고 이의 표면을 탄소계 물질로 피복하는 경우, 전이금속 화합물을 제조하는 공정의 조건에 의해 전이금속 화합물의 입자 크기가 제어된다. 본 발명의 한 실시 양태에 따라, 바람직한 형상 및 크기의 기공을 갖는 다공체를 미리 형성한 후, 다공체의 기공 내에 전이금속 화합물을 생성시키는 경우, 전이금속 화합물의 형상과 크기는 다공체 내부의 기공의 형상 및 크기에 의해 제어된다. 즉, 다공체의 제조 과정에서 기공의 형상 등을 결정하는 인자가 전이금속 화합물 입자의 형상 등을 결정하는 인자이다.When preparing the transition metal compound particles and coating the surface thereof with a carbon-based material as in the prior art, the particle size of the transition metal compound is controlled by the conditions of the process for producing the transition metal compound. According to one embodiment of the present invention, in the case where a porous metal having pores having a desired shape and size is formed in advance, and then a transition metal compound is produced in the pores of the porous body, the shape and size of the transition metal compound is the shape of the pores inside the porous body. And size. That is, a factor that determines the shape of the pores and the like in the process of manufacturing the porous body is a factor that determines the shape of the transition metal compound particles and the like.

또한, 본 발명에서는, 다공체를 제조할 때, 다공체 골격을 형성하는 원료물질의 양과 기공의 양의 비율을 조절하여 기공들 사이의 벽 두께를 제어할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 복합체는 빈 공간이 최소화된 고밀도의 복합체로 형성될 수 있다.In addition, in the present invention, when manufacturing the porous body, it is possible to control the wall thickness between the pores by adjusting the ratio of the amount of the raw material to form the porous skeleton and the amount of pores. In addition, the composite according to the present invention may be formed of a high density composite having a minimum empty space.

본 발명의 복합체를 리튬이차전지의 전극 활물질로 사용할 경우, 다공체 내부의 기공의 크기는, 투영 면적을 대상으로 한 동등한 면적의 원의 직경으로 표현할 때, 1 내지 1,000nm 정도일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 500nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 300nm이다. When the composite of the present invention is used as an electrode active material of a lithium secondary battery, the size of pores inside the porous body may be about 1 to 1,000 nm, preferably expressed as a diameter of a circle having an equal area for the projection area. 10 to 500 nm, more preferably 10 to 300 nm.

다공체 골격을 형성하는 재료로서는, 전기 전도도가 높고, 고온에 견디며, 내화학성 및 내식성이 우수한 물질이라면 특별한 제한은 없다. 예를 들어 결정성 탄소, 흑연, 활성탄 등 탄소계 물질과 TiO2, TiN, TiB2, SiC, Al2O3 등 전도성 세라믹 등을 사용할 수 있는데, 이들 재료들을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. The material forming the porous skeleton is not particularly limited as long as it has high electrical conductivity, high temperature resistance, and excellent chemical and corrosion resistance. For example, carbon-based materials such as crystalline carbon, graphite, activated carbon, and conductive ceramics such as TiO 2 , TiN, TiB 2 , SiC, and Al 2 O 3 may be used. These materials may be used alone or in combination.

탄소질 다공체는 다음과 같은 방법으로 얻을 수도 있다. A carbonaceous porous body can also be obtained by the following method.

첫째 방법은, 자연계에 존재하는 유기물 재료를 적절한 조건에서 탄화시켜 다공체를 얻는 것이다. The first method is to obtain a porous body by carbonizing organic materials existing in nature under appropriate conditions.

둘째 방법은, 다공체 골격을 형성하는 물질과는 상이한 물질(즉, 탄소질 물질이 아닌 물질)을 사용하여 다공체 기공의 크기와 형상을 갖는 기공의 모형(模型, pattern)을 만들고, 이 기공 모형을 탄소질 전구체와 혼합하여 열처리하여 탄화시킴으로써, 기공이 기공 모형으로 채워진 기공모형/다공체 결합물을 형성한 후, 상기 결합물로부터 기공 모형을 제거하여, 빈 기공을 갖는 탄소질 다공체를 형성하는 것이다. The second method is to create a pattern of pores having the size and shape of the porous pores using a material different from the material forming the porous skeleton (ie, a non-carbonaceous material). By mixing with a carbonaceous precursor, heat treating and carbonizing, a pore model / porous body mixture having pores filled with a pore model is formed, and then the pore model is removed from the combination to form a carbonaceous porous body having empty pores.

탄소질 다공체는, 탄소 물질의 전구체의 종류에 따라, 기상 탄화법, 액상 탄화법, 또는 고상 탄화법에 의해 생성될 수 있다. 다공체 골격의 물리화학적 성질은 원료인 탄소질 물질의 전구체의 상태와 반응 중 생성되는 중간물질 등에 따라 달라지며, 온도에 의해서도 크게 변화될 수도 있다. 탄소질 물질의 전구체로서는 휘발성 유기물, 기상 탄화수소(메탄, 프로판, 벤젠 등), 용융성 유기물, 용융성 석탄, 아스코빅 산, 셀룰로오스, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 페놀 포름알데하이드 수지, 레소시놀 포름알데하이드 수지, 퍼퓨릴 알코올 수지, 페놀 퓨란 수지, 석탄계 또는 석유계 피치, 코크스, 안트라센, 수크로즈, 글루코우즈 등이 있다.
The carbonaceous porous body may be produced by gas phase carbonization, liquid phase carbonization, or solid phase carbonization, depending on the kind of precursor of the carbon material. The physicochemical properties of the porous skeleton depend on the state of the precursor of the carbonaceous material as a raw material and the intermediates produced during the reaction, and may also be greatly changed by temperature. Precursors of carbonaceous materials include volatile organics, gaseous hydrocarbons (methane, propane, benzene, etc.), molten organics, molten coal, ascorbic acid, cellulose, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), phenol formaldehyde. Resins, resorcinol formaldehyde resins, perfuryl alcohol resins, phenol furan resins, coal-based or petroleum-based pitches, coke, anthracene, sucrose, glucose and the like.

세라믹 물질로 구성된 다공체는, 예를 들면, 탄소질 다공체 형성에 사용되는 방법에 있어서 탄소질 물질의 전구체를 세라믹 물질의 전구체로 대체함으로써 얻을 수 있다.
The porous body made of a ceramic material can be obtained by, for example, replacing the precursor of the carbonaceous material with the precursor of the ceramic material in the method used for forming the carbonaceous porous body.

전이금속 화합물 충전제Transition Metal Compound Filler

충전제인 전이금속 화합물로서는, 알칼리금속 이온의 삽입과 탈리가 가역적으로 일어날 수 있게 하는 것인 한, 사용 가능하다. 이러한 전이금속 화합물은 그 결정구조에 따라 스피넬(spinel) 구조계, 층상 구조계와 올리빈(olivine) 구조계로 나뉜다. As a transition metal compound which is a filler, it can be used as long as the insertion and desorption of an alkali metal ion can be made reversible. Such transition metal compounds are divided into spinel structure, layer structure and olivine structure according to their crystal structure.

스피넬 구조계의 예로서는 LiMn2O4 등이 있다. Examples of the spinel structure system include LiMn 2 O 4 .

층상 구조계의 예로서는 LiCoO2, Li(Ni1 -x- yCoxAly)O2, Li(Ni1 -x- yMnxCoy)O2와 Li2 -z(Fe1 -x-yMnxMy)zO2 (M=Ti, Ni, Zn, Mn등) 등이 있다. Examples of the layer structural system LiCoO 2, Li (Ni 1 -x- y Co x Al y) O 2, Li (Ni 1 -x- y Mn x Co y) O 2 and Li 2 -z (Fe x Mn 1 -xy M y ) z O 2 (M = Ti, Ni, Zn, Mn, etc.).

올리빈 구조계의 예로서는 LiFePO4를 비롯한 LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, Co 또는 이들의 혼합물 등) 등이 있다.Examples of the olivine structure system include LiMPO 4 including LiFePO 4 (M = Fe, Mn, Ni, Co or a mixture thereof) and the like.

충전제인 전이금속 화합물의 제조 방법으로서는 공지의 고상법, 공침범, 수열법, 초임계 수열법, 졸-겔법 및 알콕사이드법 등을 이용할 수 있고, 제조 방법이 특별히 제한되는 아니다.
As a manufacturing method of the transition metal compound which is a filler, a well-known solid-phase method, co-precipitation, hydrothermal method, supercritical hydrothermal method, sol-gel method, an alkoxide method, etc. can be used, A manufacturing method is not specifically limited.

다공체/충전제 복합체Porous / Filler Filler Complex

복합체의 외형은 구형, 원통형, 각형 및 비정형과 같은 다양한 형태를 가질 수 있으나, 높은 부피밀도를 갖기 위해서는 구형인 것이 바람직하다.The appearance of the composite may have a variety of shapes, such as spherical, cylindrical, rectangular and atypical, but is preferably spherical in order to have a high bulk density.

복합체의 크기는 1 내지 200㎛일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 2 내지 20㎛이다. 복합체의 크기가 지나치게 작으면 비표면적이 증가되고 그에 따라 분말의 흐름성이 저하되고 정전기가 발생하여 분말의 이송이나 칭량이 어렵게 되고 분산 시간이 오래 걸리며, 많은 양의 바인더가 필요하게 되는 등의 문제가 발생된다. 반면, 크기가 지나치게 크면, 이온 확산거리의 증가에 따른 용량 저하 및 입자 크기가 전극 두께를 초과하는 문제가 발생한다. The size of the composite may be 1 to 200 μm, preferably 2 to 50 μm, more preferably 2 to 20 μm. If the size of the composite is too small, the specific surface area is increased, thereby decreasing the flowability of the powder, generating static electricity, making it difficult to transfer or weigh the powder, take a long time to disperse, and require a large amount of binder. Is generated. On the other hand, if the size is too large, there is a problem that the capacity decrease and the particle size exceeds the electrode thickness due to the increase in the ion diffusion distance.

복합체에 있어서, 다공체 골격의 무게는 복합체 무게의 0.3 내지 50%를 차지할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10%, 더욱 바람직하게는 2 내지 5%를 차지한다.In the composite, the weight of the porous skeleton may comprise 0.3 to 50% of the weight of the composite, preferably 1 to 10%, more preferably 2 to 5%.

또한 충전제로 충전하더라도 복합체 내의 일부 기공은 빈 공간으로 남아 있을 수 있는데, 개별 복합체의 부피를 기준으로 하여 이러한 빈 기공 부피의 비율인 내부 기공률은 10 부피% 미만인 것이 바람직하다. 내부 기공률은 복합체 입자의 단면에 대한 이미지로부터 전체 면적 중 빈 공간이 차지하는 부분의 면적 비율로부터 구하거나, 분말의 탭밀도를 측정하여 구할 수도 있다. 본 발명에 따른 다공체/충전제 복합체는 탭밀도가 1.5g/㎤ 이상인 것이 바람직하다. In addition, even when filled with a filler, some pores in the composite may remain as empty spaces, and the internal porosity, which is the ratio of the volume of these empty pores based on the volume of the individual composites, is preferably less than 10% by volume. The internal porosity can be obtained from the area ratio of the part occupied by the empty space of the total area from the image of the cross section of the composite particle, or can be obtained by measuring the tap density of the powder. The porous body / filler composite according to the present invention preferably has a tap density of 1.5 g / cm 3 or more.

전극 electrode 합제Combination

본 발명에 따른 다공체/충전제 복합체는 리튬이차전지용 전극합제의 제조에 사용될 수 있다. 전극합제는 그 구성요소로서 상기 복합체 이외에 선택적으로 도전재, 바인더 및 첨가제 등을 포함할 수 있다.The porous body / filler composite according to the present invention can be used for the preparation of an electrode mixture for a lithium secondary battery. The electrode mixture may optionally include a conductive material, a binder, an additive, etc. in addition to the composite as a component thereof.

도전재는 통상적으로 전체 전극합제 중량의 1 내지 30%를 차지할 수 있다. 도전재로서는 전지가 충전 및 방전될 때 부반응을 일으키지 않는 것으로서, 도전성을 가진 것이면 사용 가능하다, 도전재의 예로서는 천연흑연 또는 인조흑연 등의 흑연 물질; 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙 등; 섬유상 탄소물질; 산화티탄 등의 도전성 금속산화물; 니켈, 알루미늄 등의 도전성 금속물질 등이 있다. The conductive material may typically comprise 1 to 30% of the total weight of the electrode mixture. The conductive material does not cause side reactions when the battery is charged and discharged, and may be used as long as it has conductivity. Examples of the conductive material include graphite materials such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black, acetylene black, ketjen black, etc .; Fibrous carbon materials; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive metal materials such as nickel and aluminum.

바인더는 복합체와 도전재 또는 집전체를 결합시키는데 사용된다. 바인더는, 전체 전극합제의 무게중 1 내지 30%를 차지하도록 첨가된다. 바인더의 예로는 셀룰로우즈, 메틸셀룰로우스, 카복시메틸셀룰로우즈 등의 셀룰로우스 물질; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 고분자 물질; 폴리불화비닐리딘, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐클로라이드 등; 이피디엠(EPDM), 스티렌-브티렌 고무, 불소고무 등의 고무 성분 등이 있다. The binder is used to bond the composite and the conductive material or the current collector. The binder is added to account for 1 to 30% of the weight of the total electrode mixture. Examples of the binder include cellulose materials such as cellulose, methyl cellulose and carboxymethyl cellulose; Olefin polymer materials such as polyethylene and polypropylene; Polyvinylidene fluoride, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl chloride and the like; Rubber components such as EPDM, styrene-butylene rubber and fluorine rubber.

한편, 전극의 팽창을 억제하는 목적으로 첨가제를 사용할 수 있는데, 그러한 첨가제는 전기화학적 부반응을 생성하지 않는 섬유상 물질일 수 있는데, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체 또는 공중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등일 수 있다.
Meanwhile, Additives may be used for the purpose of inhibiting the swelling of the electrode, such additives may be fibrous materials which do not produce electrochemical side reactions, for example olefinic polymers or copolymers such as polyethylene, polypropylene; Glass fibers, carbon fibers, and the like.

전극electrode

전극 합제를 집전체 상에 피복하여 전극을 제조할 수 있다. An electrode can be manufactured by coating an electrode mixture on an electrical power collector.

전극은 알루미늄 호일 등의 전도성 금속 박판 등의 표면에 전극 합제를 피복한 형태를 갖는다. 집전체의 두께는 2 내지 500㎛이며, 전지를 구성할 때 화학적 부반응을 수반하지 않는 것이 바람직하다. 집전체의 예로는 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 은 등의 물질을 박판 형태로 가공한 것이 있으며, 집전체 표면을 화학적으로 에칭하거나, 전도성 물질로 피복하여 사용할 수도 있다.
The electrode has a form in which the electrode mixture is coated on a surface of a conductive metal sheet such as aluminum foil. It is preferable that the thickness of an electrical power collector is 2-500 micrometers, and does not involve chemical side reactions when constructing a battery. Examples of the current collector are those in which aluminum, stainless steel, nickel, titanium, silver, and the like are processed in a thin plate form, and the surface of the current collector may be chemically etched or coated with a conductive material.

이차전지Secondary battery

본 발명에 따른 복합체를 이용하여, 양극, 음극, 분리막 그리고 리튬염 함유 비수계 전해액으로 구성된 리튬이차전지를 구성할 수 있다.By using the composite according to the present invention, a lithium secondary battery composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator and a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte may be configured.

양극으로서는 본 발명에 따른 다공체/충전제 복합체가 포함된 전극합제를 집전체에 피복한 것을 사용할 수 있다. 음극으로서는 집전체 상에 음극 활물질 합제를 피복한 것을 사용할 수 있다. As a positive electrode, what coat | covered the electrical power collector the electrode mixture containing the porous body / filler composite which concerns on this invention can be used. As a negative electrode, what coat | covered the negative electrode active material mixture on the electrical power collector can be used.

분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리시키며, 또한 리튬 이온의 이동 경로를 제공한다. 분리막으로서는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지며, 열적 안정성을 가진 것을 사용할 수 있다. The separator physically separates the positive electrode and the negative electrode, and also provides a migration path for lithium ions. As the separator, those having high ion permeability and mechanical strength and having thermal stability can be used.

리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 구성된다. 비수계 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 리튬염으로서는 비수계 전해액에 용해되기 쉬운 것으로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiBF4, LiPF6 등이 사용될 수 있다.
The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution is composed of an electrolyte solution and a lithium salt. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used. As the lithium salt, those which are easy to dissolve in the non-aqueous electrolytic solution, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiBF 4 , LiPF 6 and the like can be used.

다음은 본 발명에 따른 복합체 제조 방법에 대해 설명한다. The following describes a method for producing a composite according to the present invention.

본 발명에 따른 다공체/충전제 복합체를 제조하는 방법은 크게 두 가지로 구분된다. Methods of preparing the porous body / filler composite according to the present invention are largely divided into two.

첫 번째 방법에서는, 다공체를 만들고 이의 기공 내에 충전제를 형성시키는 것이다. 이 경우, 다공체 기공의 크기 및 형상을 용이하게 제어할 수 있으므로 전이금속 화합물의 크기 및 형상 또한 용이하게 제어할 수 있다. 또한 높은 결정성을 갖는 다공체의 내부의 빈 기공에 충전제인 전이금속 화합물이 생성될 수 있게 된다. 종래기술에서는, 전이금속 화합물 입자의 표면에 탄소 전구체를 피복하고, 전이금속 화합물이 상전이 또는 열분해 될 수 있는 온도보다 낮은 온도에서 탄소 전구체를 탄화시켜 탄소 피복을 형성하였다. In the first method, a porous body is formed and a filler is formed in its pores. In this case, since the size and shape of the porous pores can be easily controlled, the size and shape of the transition metal compound can also be easily controlled. In addition, a transition metal compound, which is a filler, may be formed in the empty pores inside the porous body having high crystallinity. In the prior art, a carbon precursor is coated on the surface of the transition metal compound particles, and the carbon precursor is carbonized at a temperature lower than a temperature at which the transition metal compound can be phase transitioned or pyrolyzed to form a carbon coating.

두 번째 방법은, 충전제를 제조하고 이를 다공체 형성용 재료물질과 혼합하여 다공체/충전제 복합체를 형성시킨 후, 열처리하여 복합체의 결정성과 기계적 강도를 강화시키는 것이다. 즉, 전이금속 화합물을 제조한 후, 이를 다공체 형성용 재료물질과 혼합한 후 적절한 조건에서 처리하여 전이금속 화합물과 다공체를 포함하고 있는 다공체/충전제 복합체를 형성하고, 이 복합체를 열처리하여 결정성과 기계적 강도를 강화시키는 것이다.
The second method is to prepare a filler and mix it with the material for forming the porous body to form a porous body / filler composite, and then heat treatment to strengthen the crystallinity and mechanical strength of the composite. That is, after the transition metal compound is prepared, it is mixed with a material for forming a porous body, and then treated under appropriate conditions to form a porous body / filler composite including the transition metal compound and the porous body. It is to strengthen the strength.

상기 첫 번째 방법을 따르는 복합체 제조 방법의 예를 들면 다음과 같다.
Examples of the method for producing a composite according to the first method is as follows.

(a) 기공 모형의 제조(a) Manufacture of Pore Models

다공체 내부에 형성될 기공의 형상과 크기를 갖는 기공 모형(模型)을 제조한다. A pore model having a shape and a size of pores to be formed inside the porous body is prepared.

기공 모형을 형성하는 재료로서는 다공체 골격을 형성하는 물질과는 상이한 물질을 사용한다. 다공체 골격이 탄소계인 경우, 기공 모형의 재료로서는 이산화 규소 등을 사용할 수 있다. As a material for forming the pore model, a material different from the material for forming the porous skeleton is used. When the porous skeleton is carbon-based, silicon dioxide or the like can be used as the material of the pore model.

기공 모형은 원하는 크기와 모양으로 제조하여 사용하거나, 이미 적절한 크기와 모양을 가지며, 산 또는 염기성 용액에 의해 용해될 수 있는 것을 사용할 수도 있다.
The pore model may be prepared and used in a desired size and shape, or may be one having a suitable size and shape and dissolved by an acid or basic solution.

(b) 다공체/기공모형 결합체 형성 (b) formation of porous / pore model conjugates

단계 (a)에서 얻은 기공 모형을 다공체 골격을 형성할 원료물질과 혼합하고, 그 혼합물을 적절한 크기로 만든 후 이를 열처리 하여 다공체와 기공 모형의 결합체를 형성한다. The pore model obtained in step (a) is mixed with the raw material to form the porous skeleton, the mixture is made to an appropriate size and heat treated to form a combination of the porous body and the pore model.

탄소로 다공체 골격을 형성시키고자 하는 경우라면, 기공 모형을 탄소 전구체와 혼합한다. 탄소 전구체의 종류에 따라 섭씨 500 ~ 1,500℃의 온도에서 열처리하여 탄화 반응을 수행함으로써, 내부 기공이 기공 모형으로 채워진 다공체/기공모형 결합체를 생성시킨다. If the carbon is to form a porous skeleton, the pore model is mixed with the carbon precursor. By performing a carbonization reaction by heat treatment at a temperature of 500 ° C ~ 1,500 ° C according to the type of carbon precursor, to produce a porous body / pore model combination filled with internal pores of the pore model.

기공 모형과 탄소 전구체를 혼합하는 과정에서는 필요에 따라서 가교제를 첨가할 수도 있다. In the process of mixing a pore model and a carbon precursor, you may add a crosslinking agent as needed.

탄소 전구체의 탄화는 공지된 기상 탄화법, 액상 탄화법 또는 고상 탄화법에 따라 수행할 수 있다. Carbonization of the carbon precursor can be carried out according to known gas phase carbonization, liquid phase carbonization or solid phase carbonization.

탄소 전구체를 열분해시켜 수소, 탄화수소, 불순물 원소 등을 모두 방출시키기 위해서는 1,000℃ 이상의 온도에서 탄화시키는 것이 바람직하다.
In order to thermally decompose the carbon precursor to release all hydrogen, hydrocarbons, impurity elements, and the like, carbonization is preferably performed at a temperature of 1,000 ° C. or higher.

(c) 다공체/기공모형 결합체로부터 기공 모형을 제거하여 다공체 골격을 형성 (c) Removing the pore model from the porous / pore model combination to form a porous skeleton

단계 (b)에서 얻은 다공체/기공모형 결합체로부터 기공 모형을 제거함으로써, 빈 기공을 갖는 다공체 골격을 얻는다. 기공 모형이 제거되면 원래 기공 모형이 차지하고 있던 자리가 빈 기공으로 남게 된다. By removing the pore model from the porous / pore model conjugate obtained in step (b), a porous backbone with empty pores is obtained. When the pore model is removed, the space occupied by the original pore model remains as empty pores.

기공 모형을 형성하는 물질이 이산화규소인 경우는 용매(solvent)로서 불산 또는 수산화나트륨 수용액을 사용하여 이산화규소를 용해시켜 제거함으로써, 다공체에 기공을 형성할 수 있다.
When the material forming the pore model is silicon dioxide, pores can be formed in the porous body by dissolving and removing silicon dioxide using an aqueous solution of hydrofluoric acid or sodium hydroxide as a solvent.

(d) 다공체/전이금속화합물충전제 복합체 형성(d) Formation of porous / transition metal compound filler complex

상기 단계 (c)의 다공체, 전이금속 화합물 형성을 위한 원료물질들, 및 물(water)을 포함하는 혼합물을 온도 200 ~ 700℃, 압력 180 ~ 550bar의 조건 하에서 반응시켜, 다공체와 전이금속화합물 충전제를 포함하는 복합체 (다공체/전이금속화합물충전제 복합체)를 형성시킨 후, 복합체를 세척하고 건조시켜 분말을 얻는다. A mixture comprising the porous body of step (c), raw materials for forming a transition metal compound, and water is reacted under a condition of a temperature of 200 to 700 ° C. and a pressure of 180 to 550 bar to fill the porous body and a transition metal compound filler. After forming a complex (porous body / transition metal compound filler complex), the complex is washed and dried to obtain a powder.

전이금속 화합물 형성을 위한 원료물질들을 반응시켜 전이금속 화합물의 전구체를 생성하고, 이 전구체로부터 전이금속 화합물을 생성시킨다. The raw materials for the formation of the transition metal compound are reacted to produce a precursor of the transition metal compound, from which the transition metal compound is produced.

구체적으로, 전이금속 전구체, 알칼리금속염 또는 수산화물, 및 알칼리화제를 포함한 원료물질들을 반응시켜 전이금속 화합물의 전구체를 생성시킨다. Specifically, raw materials including a transition metal precursor, an alkali metal salt or a hydroxide, and an alkalizing agent are reacted to produce a precursor of the transition metal compound.

알칼리화제는 반응액을 pH 9 이상의 알칼리성으로 만들어주기만 하면 특별한 제한이 없다. 알칼리화제의 비제한적인 예로는 알칼리금속 수산화물(NaOH, KOH 등), 알칼리토금속 수산화물(Ca(OH)2, Mg(OH)2 등), 암모니아 화합물(암모니아수, 질산암모늄 등) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The alkalizing agent is not particularly limited as long as the reaction solution is made alkaline above pH 9. Non-limiting examples of alkalizing agents include alkali metal hydroxides (NaOH, KOH, etc.), alkaline earth metal hydroxides (Ca (OH) 2 , Mg (OH) 2, etc.), ammonia compounds (ammonia water, ammonium nitrate, etc.), or mixtures thereof. There is this.

전이금속 전구체, 알칼리화제를 포함한 반응물들은 한꺼번에 물과 혼합하거나, 물과 각각 혼합하여 투입할 수도 있다. The reactants, including transition metal precursors and alkalizing agents, may be mixed with water or mixed with water at one time.

바람직한 예로써, 전이금속 화합물은 아임계수 또는 초임계수를 활용한 수열합성법을 기반으로 반응물 혼합비율 및 반응 온도 (50 ~ 700℃), 반응 압력 (180 ~ 550bar) 등 공정의 변화를 통해 제조될 수 있다.As a preferred example, the transition metal compound may be prepared through process change such as reactant mixing ratio, reaction temperature (50 to 700 ° C.) and reaction pressure (180 to 550 bar) based on hydrothermal synthesis using subcritical or supercritical water. have.

반응 온도가 50℃ 미만인 경우에는 단일상의 고결정성 전이금속 화합물을 얻기에 부적합하며, 온도가 700℃보다 높으면 제조장치의 재질 코스트가 증가한다.If the reaction temperature is less than 50 ° C, it is unsuitable for obtaining a single-phase high crystalline transition metal compound. If the temperature is higher than 700 ° C, the material cost of the manufacturing apparatus increases.

리튬, 나트륨, 칼륨과 같은 알칼리금속 수산화물은 상온, 상압에서 물에 대한 용해도가 높지만, 고온 고압상태가 되어 물의 밀도가 낮아지면 용해도가 현저하게 감소한다. LiOH의 경우, 용해도를 현저히 감소시키기 위해 180 내지 550bar의 압력 및 200 내지 700℃의 온도를 함께 유지하는 것이 필요하다. Alkali metal hydroxides such as lithium, sodium, and potassium have high solubility in water at room temperature and atmospheric pressure, but when the density of water decreases due to high temperature and high pressure, the solubility decreases significantly. In the case of LiOH, it is necessary to maintain a pressure of 180 to 550 bar and a temperature of 200 to 700 ° C. together to significantly reduce the solubility.

반응시의 pH는 4.0보다 크고 9.0 이하인 것이 바람직하며 pH가 4.0 이하인 경우에는 제조된 전이금속 화합물이 낮은 pH 영역에서 용해되기 때문에 바람직하지 못하고, 9.0을 초과하는 경우에는 pH 조절을 위한 알칼리화제를 과량으로 투입해야 하므로, 세척 및 배출액 처리를 위한 별도의 추가 공정이 필요하기 때문에 경제성이 저하된다.
The pH of the reaction is preferably greater than 4.0 and less than 9.0. If the pH is less than 4.0, the prepared transition metal compound is not preferable because it is dissolved in a low pH range. Since it needs to be added to the furnace, economical efficiency is reduced because a separate additional process for washing and treatment of the discharge liquid is required.

(e) 단계 (d)의 결과물을 (e) the output of step (d) 하소화Calcination

상기 단계 (d)의 결과물의 결정성 및 결정들 간의 밀착도를 향상시키기 위해 하소(calcination)하는 단계를 상기 단계 (d) 이후에 바로 실시하는 것이 바람직하다. 하소 공정을 수행하지 않을 경우 전이금속 화합물의 결정이 안정화되지 못해 전기화학적 활성이 저하되는 문제가 발생한다.
It is preferable to carry out the step of calcination immediately after step (d) to improve the crystallinity of the result of step (d) and the adhesion between the crystals. If the calcination process is not performed, crystals of the transition metal compound may not be stabilized, resulting in a decrease in electrochemical activity.

위와 같이 본 발명은 다공체/충전제 복합체를 제공한다. 다공체 골격을 이루는 물질은 높은 결정성을 갖는 탄소 또는 세라믹 물질일 수 있다. 복합체는 큰 부피밀도를 갖을 수 있으며, 다공체의 내부 벽 두께와 다공체 내부에 형성되는 기공 크기, 형상 등을 제어할 수 있다. 그 결과, 전기전도성이 큰 전극물질이 제공되고, 충전제인 전이금속 화합물이 물리화학적 외력으로부터의 효과적으로 보호될 수 있고, 전이금속 화합물 입자의 형상, 크기 등이 용이하게 제어될 수 있으며, 전이금속 화합물의 부피 변화가 억제되고, 전이금속 화합물의 분산성과 접착성이 크게 개선될 수 있다. As described above, the present invention provides a porous body / filler complex. The material forming the porous skeleton may be a carbon or ceramic material having high crystallinity. The composite may have a large bulk density and control the inner wall thickness of the porous body and the pore size, shape, etc. formed in the porous body. As a result, an electrode material having high electrical conductivity is provided, the transition metal compound as a filler can be effectively protected from physicochemical external forces, the shape, size, etc. of the transition metal compound particles can be easily controlled, and the transition metal compound The volume change of is suppressed and the dispersibility and adhesion of the transition metal compound can be greatly improved.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the following examples serve to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예][Example]

실시예 1: 다공체/LiCoO2 복합체
Example 1 Porous / LiCoO 2 Composites

단계 a): 평균 입자 크기가 0.2㎛인 구형의 이산화규소 1차입자를 물과 혼합(물:이산화규소의 무게비는 1:0.3)한 후, 분무건조하여, 1차입자의 응집체이면서 평균 크기가 10㎛인 이차입자를 형성시켰다. (아래에 기술된 바와 같이, 이산화규소 이차입자를 다공체 기공의 모형으로 사용하였다.) 상기 2차 입자와 석유계 피치를 무게 비율 1:5로 혼합한 후, 1,200℃의 알곤 분위기에서 1시간 동안 열처리하여, 탄소 다공체와 상기 다공체 기공을 채우고 있는 이산화규소 충전제로 구성되었으며, 평균 입자 크기가 10㎛인 다공체/이산화규소 결합체를 생성시켰다. Step a): After mixing spherical silicon dioxide primary particles having an average particle size of 0.2 µm with water (weight ratio of water: silicon dioxide is 1: 0.3), spray-drying, and agglomerating primary particles with an average size of 10 µm Phosphorus secondary particles were formed. (A silicon dioxide secondary particle was used as a model of the porous pores, as described below.) After mixing the secondary particle and the petroleum pitch at a weight ratio of 1: 5, for 1 hour in an argon atmosphere of 1,200 ° C. The heat treatment resulted in a porous body / silicon dioxide binder composed of a carbon porous body and a silicon dioxide filler filling the porous pores, with an average particle size of 10 μm.

상기 결합체를 1M 수산화나트륨 수용액에 투입하고 4시간 동안 교반하여 결합체 내에 존재하는 이산화규소를 용해시킨 후, 여과 및 세척을 행함으로써, 이산화규소가 제거된 자리가 빈 기공으로 남아 있는 탄소 다공체를 생성하였다(도 2a). 수득된 탄소 다공체를 라만(Raman)분광기를 이용하여 스펙트럼을 얻고 1575㎝-1의 피크 세기에 대한 1355㎝- 1 에서의 피크 세기의 비 (I1355/I1575)를 측정하였는데, 그 결과는 도 9의 그래프 (a)에 나타나 있다.The binder was poured into 1M aqueous sodium hydroxide solution and stirred for 4 hours to dissolve the silicon dioxide present in the binder, followed by filtration and washing to produce a carbon porous body in which the sites where silicon dioxide was removed remain as empty pores. (FIG. 2A). A carbon porous body obtained Raman (Raman) spectroscopy to obtain a spectrum using a 1355㎝ for the peak intensity 1575㎝ -1 - was determined the ratio (I 1355 / I 1575) of the peak intensity in the first, the result is Fig. 9 is shown in the graph (a).

상기 탄소 다공체 5g을 1L 부피의 반응기에 넣고 거기에 500mL의 증류수를 가하여 탄소다공체 슬러리를 제조하였다.
5 g of the porous carbon body was placed in a 1 L volume reactor, and 500 mL of distilled water was added thereto to prepare a carbon porous body slurry.

단계 b): 단계 a)에서 제조된 탄소다공체 슬러리에 질산코발트 육수화물 (Co(NO3)2?6H2O) 72.7g을 가하여 제1수용액을 만들었다. 또한 수산화리튬 일수화물 (LiOHㆍH2O) 42g과 28% 수산화암모늄(NH4OH) 용액 200ml를 혼합한 후 200ml의 증류수를 가하여 제2수용액을 제조하였다. 제1수용액을 교반하면서 거기에 제2수용액을 첨가하였고, 첨가가 완료되었을 때 반응기를 밀폐하고 승온시켜 150℃에서 4시간 동안 유지한 후, 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 혼합물을 반응기로부터 꺼내 1㎛의 기공 크기를 갖는 여과필터로 여과한 후, 500ml의 증류수로 3회 세척하였다. 세척이 완료된 케이크(cake) 형태의 결과물을 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조시켜 분말을 얻었다. 상기 분말을 알곤(Ar) 분위기의 전기로에 투입하고 승온시켜 900℃에서 10시간 동안 유지한 후 상온으로 냉각하여 소성물을 얻었다. Step b): 72.7 g of cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO 3 ) 2 ˜6H 2 O) was added to the carbon porous slurry prepared in step a) to prepare a first aqueous solution. In addition, 42 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O) and 200 ml of 28% ammonium hydroxide (NH 4 OH) solution were mixed, and 200 ml of distilled water was added to prepare a second aqueous solution. The second aqueous solution was added thereto while stirring the first aqueous solution, and when the addition was completed, the reactor was sealed and heated to maintain at 150 ° C. for 4 hours, and then cooled to room temperature. The cooled mixture was removed from the reactor and filtered through a filter having a pore size of 1 μm, followed by washing three times with 500 ml of distilled water. The finished cake-shaped product was dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to obtain a powder. The powder was charged in an argon (Ar) atmosphere, heated to maintain the temperature at 900 ° C. for 10 hours, and then cooled to room temperature to obtain a fired product.

주사전자현미경(SEM)을 이용하며 미세구조를 조사한 결과, 상기 소성물은 평균 10㎛ 크기의 구형이며, 그 골격은 탄소 다공체이고, 다공체 내부의 기공은 리튬이산화망간(LiMnO2)으로 채워진 복합체임을 확인하였다. 리튬이산화망간인지 여부는 X-선 회절분광(XRD)으로 확인하였다(도 3). 탭밀도(tap density)를 측정하여 산출한 복합체 분말의 부피밀도는 2.8g/㎤이었다. 원소분석기를 이용하여 탄소 함량을 측정한 결과, 탄소는 전체 복합체 무게 중의 8.4%를 차지하고 있음을 확인하였다.
The microstructure was examined using a scanning electron microscope (SEM), and the calcined product was spherical with an average size of 10 μm, and the skeleton was a carbon porous body, and the pores inside the porous body were a composite filled with lithium manganese dioxide (LiMnO 2 ). It was. Whether or not lithium manganese dioxide was confirmed by X-ray diffraction spectroscopy (XRD) (Fig. 3). The bulk density of the composite powder, which was calculated by measuring tap density, was 2.8 g / cm 3. As a result of measuring the carbon content using an elemental analyzer, it was confirmed that carbon occupies 8.4% of the total weight of the composite.

실시예 2: 다공체/LiFePO4 복합체 Example 2 Porous / LiFePO 4 Composites

실시예 1의 단계 a)에서 제조된 탄소다공체 슬러리에 황산철 칠수화물 [FeSO4ㆍ7H2O] 69.5g과 인산(H3PO4) 22.5g을 가하여 제1 수용액을 만들었다. 수산화리튬 일수화물 (LiOHㆍH2O) 24g과 28% 수산화암모늄(NH4OH) 용액 200ml를 혼합한 후 200ml의 증류수를 추가하여 제2 수용액을 제조하였다. 제1 수용액을 교반하면서 거기에 제2 수용액을 첨가하였고, 첨가가 완료되었을 때 반응기를 밀폐하고 승온시켜 180℃에서 4시간 동안 유지한 후, 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 혼합물을 반응기로부터 꺼내어 1㎛의 기공 크기를 갖는 여과필터로 여과한 후 500ml의 증류수로 3회 세척하였다. 세척이 완료된 케이크 형태의 결과물을 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조시켜 분말을 얻었다. 상기 분말에 메틸셀룰로우스 5중량%를 혼합하고, 알곤(Ar)분위기의 전기로에 투입하고 승온시켜 700℃에서 10시간 동안 유지한 후 상온으로 냉각하여 소성물을 얻었다. 69.5 g of iron sulfate heptahydrate [FeSO 4 .7H 2 O] and 22.5 g of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) were added to the carbon porous slurry prepared in step a) of Example 1, thereby preparing a first aqueous solution. After mixing 24 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O) and 200 ml of 28% ammonium hydroxide (NH 4 OH) solution, 200 ml of distilled water was added to prepare a second aqueous solution. While stirring the first aqueous solution, a second aqueous solution was added thereto, and when the addition was completed, the reactor was sealed and heated to maintain at 180 ° C. for 4 hours, and then cooled to room temperature. The cooled mixture was removed from the reactor, filtered through a filter having a pore size of 1 μm, and washed three times with 500 ml of distilled water. The finished cake form was dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to obtain a powder. 5% by weight of methyl cellulose was mixed with the powder, charged in an electric furnace in an argon (Ar) atmosphere, and heated to maintain the temperature at 700 ° C. for 10 hours, and then cooled to room temperature to obtain a fired product.

주사전자현미경(SEM)을 이용하며 미세구조를 조사한 결과, 상기 소성물은 평균 10㎛ 크기의 구형이며, 그 골격은 다공체이고, 다공체 내부의 기공은 올리빈 구조의 리튬인산철(LiFePO4)로 채워진 탄소다공체/리튬인산철 복합체임을 확인하였다(도 2b). LiFePO4인지 여부는 X-선 회절분광(XRD)으로 확인하였다(도 4). The microstructure was examined using a scanning electron microscope (SEM). The calcined product was spherical with an average size of 10 μm, and the skeleton was a porous body, and the pores inside the porous body were lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine structure. It was confirmed that the carbon porous body / lithium iron phosphate complex (Fig. 2b). Whether LiFePO 4 was confirmed by X-ray diffraction spectroscopy (XRD) (FIG. 4).

탭밀도를 측정하여 산출한 복합체 분말의 부피밀도는 1.8g/㎤이었다. 원소분석기를 이용하여 탄소의 함량을 측정한 결과, 탄소는 전체 복합체 무게 중의 6.3%를 차지하고 있음을 확인하였다.
The bulk density of the composite powder, calculated by measuring the tap density, was 1.8 g / cm 3. As a result of measuring the carbon content using an elemental analyzer, it was confirmed that carbon occupies 6.3% of the total weight of the composite.

실시예 3: 다공체/LiFePO4 복합체 Example 3 Porous / LiFePO 4 Composites

황산철(FeSO4ㆍH2O) 1몰(mol), 인산 1몰, 설탕 27.8g을 물 1.6L에 용해시킨 제1 수용액과 암모니아 1.1몰과 수산화리튬 2몰을 물 1.2L에 용해시킨 제2 수용액을 제조하였다. 상기 두 가지 수용액을 상온에서 250bar로 가압, 연속 펌핑하여, 혼합기에서 혼합하여 리튬인산철 전구체가 포함된 pH 6.1의 슬러리를 생성시켰다.1 mol of iron sulfate (FeSO 4 H 2 O), 1 mol of phosphoric acid, 27.8 g of sugar dissolved in 1.6 L of water, 1.1 mol of ammonia and 2 mol of lithium hydroxide in 1.2 L of water 2 aqueous solution was prepared. The two aqueous solutions were pressurized to 250 bar at room temperature and continuously pumped, and mixed in a mixer to produce a slurry of pH 6.1 containing a lithium iron phosphate precursor.

상기 전구체에 약 450℃로 가열된 초순수를 250bar로 가압 펌핑하여 혼합기에서 혼합하였다. 최종 혼합액을 380℃, 250bar로 유지되는 반응기로 옮겨서 7초 동안 체류시켜 리튬인산철을 생성시킨 후 냉각하고 여과를 수행하여 총 중량 중 30%가 고형분인 농축액을 얻었다.Ultrapure water heated to about 450 ° C. to the precursor was pumped under pressure to 250 bar and mixed in a mixer. The final mixture was transferred to a reactor maintained at 380 ° C. and 250 bar, and held for 7 seconds to produce lithium iron phosphate, followed by cooling and filtration to obtain a concentrate having 30% of the total weight as solid.

 상기 농축액 1.5kg을 취하여 회분식 고온고압반응기에 넣고 13.5g의 수크로오스(sucrose)를 추가한 후 반응기를 밀폐시키고 승온시켜 190℃의 온도에서 4시간 동안 유지시킨 후 상온까지 냉각하였다. 냉각된 혼합물을 여과하고 여과물을 증류수로 3회 세척하였다, 세척이 완료된 케이크 형태의 결과물을 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조시켜 분말을 얻었다. 상기 분말을 알곤(Ar) 분위기의 전기로에 투입하고 승온시켜 700℃에서 10시간 동안 유지한 후 상온으로 냉각하여 소성물을 얻었다.1.5 kg of the concentrated solution was taken and placed in a batch high temperature high pressure reactor, and 13.5 g of sucrose was added thereto, and the reactor was sealed and heated to maintain the temperature at 190 ° C. for 4 hours, and then cooled to room temperature. The cooled mixture was filtered and the filtrate was washed three times with distilled water, and the resulting cake-like result was dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to obtain a powder. The powder was charged in an argon (Ar) atmosphere, heated to maintain the temperature at 700 ° C. for 10 hours, and then cooled to room temperature to obtain a fired product.

주사전자현미경(SEM)을 이용하며 미세구조를 조사한 결과, 상기 소성물은 평균 5㎛ 크기의 구형이며, 그 골격은 다공체이고, 다공체 내부의 기공은 올리빈 구조의 리튬인산철 (LiFePO4)로 채워진 탄소다공체/리튬인산철 복합체임을 확인하였다. LiFePO4인지 여부는 X-선 회절분광(XRD)으로 확인하였다(도 5). The microstructure was examined using a scanning electron microscope (SEM). The calcined product was spherical, having an average size of 5 μm, the skeleton of which was porous, and the pores inside the porous body were lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) of olivine structure. It was confirmed that the filled carbon porous body / lithium iron phosphate complex. Whether LiFePO 4 was confirmed by X-ray diffraction spectroscopy (XRD) (FIG. 5).

탭밀도를 측정하여 산출한 복합체 분말의 부피밀도는 2.5g/㎤이었다. 원소분석기를 이용하여 탄소의 함량을 측정한 결과, 탄소는 전체 복합체 무게 중의 8.2%를 차지하고 있음을 확인하였다.
The bulk density of the composite powder, which was calculated by measuring the tap density, was 2.5 g / cm 3. As a result of measuring the carbon content using an elemental analyzer, it was confirmed that carbon occupies 8.2% of the total weight of the composite.

실시예 4: 다공체/LiFeNiMnCoPO4 복합체 Example 4 Porous Body / LiFeNiMnCoPO 4 Composite

실시예 1의 단계 a)에서 제조된 탄소다공체 슬러리에 황산철 칠수화물 [FeSO4ㆍ7H2O] 34.7g, 질산니켈[Ni(NO3)2?6H2O] 36.3g, 질산망간[Mn(NO3)2?6H2O] 43.7g, 질산코발트[Co(NO3)2?6H2O] 36.4g 그리고 인산(H3PO4) 48.95g을 가하여 제1 수용액을 만들었다. 수산화리튬 일수화물 (LiOHㆍH2O) 24g과 28% 수산화암모늄(NH4OH) 용액 200ml를 혼합한 후 200ml의 증류수를 추가하여 제2 수용액을 제조하였다. 제1 수용액을 교반하면서 거기에 제2 수용액을 첨가하였고, 첨가가 완료되었을 때 반응기를 밀폐하고 승온시켜 180℃에서 4시간 동안 유지한 후, 상온까지 냉각시켰다Example of step 1 a) the porous carbon ferrous sulfate heptahydrate in the slurry prepared in [FeSO 4 and 7H 2 O] 34.7g, nickel nitrate [Ni (NO 3) 2? 6H 2 O] 36.3g, manganese nitrate [Mn (NO 3) 2? 6H 2 O] 43.7g, cobalt nitrate [Co (NO 3) 2? 6H 2 O] 36.4g and phosphoric acid (H 3 PO 4) made of a first aqueous solution was added to 48.95g. After mixing 24 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O) and 200 ml of 28% ammonium hydroxide (NH 4 OH) solution, 200 ml of distilled water was added to prepare a second aqueous solution. The second aqueous solution was added thereto while stirring the first aqueous solution, and when the addition was completed, the reactor was sealed and heated to maintain at 180 ° C. for 4 hours, and then cooled to room temperature.

냉각된 혼합물을 반응기로부터 꺼내어 1㎛의 기공 크기를 갖는 여과필터로 여과한 후, 500ml의 증류수로 3회 세척하였다. 세척이 완료된 케이크 형태의 결과물을 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조시켜 분말을 얻었다. 상기 분말을 알곤(Ar) 분위기의 전기로에 투입하고 승온시켜 700℃에서 10시간 동안 유지한 후 상온으로 냉각하여 소성물을 얻었다. The cooled mixture was taken out of the reactor, filtered through a filter having a pore size of 1 μm, and then washed three times with 500 ml of distilled water. The finished cake form was dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to obtain a powder. The powder was charged in an argon (Ar) atmosphere, heated to maintain the temperature at 700 ° C. for 10 hours, and then cooled to room temperature to obtain a fired product.

주사전자현미경(SEM)을 이용하며 미세구조를 조사한 결과, 상기 소성물은 평균 10㎛ 크기의 구형이며, 그 골격은 다공체이고, 다공체 내부의 기공은 올리빈 구조의 리튬인산철니켈망간코발트(LiFeNiMnCoPO4)로 채워진 복합체임을 확인하였다. LiFeNiMnCoPO4인지 여부는 X-선 회절분광(XRD)으로 확인하였다(도 6). The microstructure was examined using a scanning electron microscope (SEM), and as a result, the calcined product was spherical with an average size of 10 μm, and the skeleton was a porous body. 4 ) was confirmed to be a complex filled with. Whether LiFeNiMnCoPO 4 was confirmed by X-ray diffraction spectroscopy (XRD) (FIG. 6).

탭밀도를 측정하여 산출한 복합체 분말의 부피밀도는 1.8g/㎤이었다. 원소분석기를 이용하여 탄소의 함량을 측정한 결과, 탄소는 전체 복합체 무게 중의 6.5%를 차지하고 있음을 확인하였다.The bulk density of the composite powder, calculated by measuring the tap density, was 1.8 g / cm 3. As a result of measuring the carbon content using an elemental analyzer, it was confirmed that carbon occupies 6.5% of the total weight of the composite.

유도결합 플라스마 원자방출분광기(inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, ICP-AES)를 이용하여 상기 리튬인산철니켈망간코발트에 대해 각 조성성분의 구체적인 몰비를 분석한 결과, Li0 .97Fe0 .25Ni0 .25Mn0 .25Co0 .25PO4의 조성을 가짐을 확인하였다.
Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, ICP-AES) using a with respect to the lithium nickel manganese cobalt-iron phosphate Analysis of the specific molar ratio of the composition components, Li 0 .97 0 .25 Fe Ni 0 to 5.25 having a composition of Mn 0 .25 Co 0 .25 PO 4 was confirmed.

[비교예][Comparative Example]

비교예 1: 코어-쉘 구조체 Comparative Example 1 : Core-Shell Structure

황산철(FeSO4ㆍH2O) 1몰(mol), 인산 1몰, 설탕 27.8g을 물 1.6L에 용해시킨 제1 수용액과 암모니아 1.1몰과 수산화리튬 2몰을 물 1.2L에 용해시킨 제2 수용액을 제조하였다. 상기 두 가지 수용액을 상온에서 250bar로 가압, 연속 펌핑하여, 혼합기에서 혼합하여 리튬인산철 전구체가 포함된 pH 6.1의 슬러리를 생성시켰다.1 mol of iron sulfate (FeSO 4 H 2 O), 1 mol of phosphoric acid, 27.8 g of sugar dissolved in 1.6 L of water, 1.1 mol of ammonia and 2 mol of lithium hydroxide in 1.2 L of water 2 aqueous solution was prepared. The two aqueous solutions were pressurized to 250 bar at room temperature and continuously pumped, and mixed in a mixer to produce a slurry of pH 6.1 containing a lithium iron phosphate precursor.

상기 전구체에 약 450℃로 가열된 초순수를 250bar로 가압 펌핑하여 혼합기에서 혼합하였다. 최종 혼합액을 380℃, 250bar로 유지되는 반응기로 옮겨서 7초 동안 체류시켜 리튬인산철을 생성시킨 후 냉각하고 여과를 수행하여, 총 중량중 고형분이 30%인 농축액을 얻었다.Ultrapure water heated to about 450 ° C. to the precursor was pumped under pressure to 250 bar and mixed in a mixer. The final mixture was transferred to a reactor maintained at 380 ° C. and 250 bar, and held for 7 seconds to produce lithium iron phosphate, followed by cooling and filtration to obtain a concentrate having a solid content of 30% in total weight.

이 농축액에 포함된 리튬인산철 무게 대비 10% 중량 비율로 설탕을 혼합한 후 분무건조기를 통해서 분무 건조 및 과립체를 형성하였다. 형성된 건조 과립형 입자들을 700℃에서 10시간 동안 열처리하여, 리튬인산철 입자가 코어(core)를 이루고, 이 코어의 표면이 탄소로 피복된 코어-쉘(core-shell) 구조의 소성물을 얻었다. After the sugar was mixed at a weight ratio of 10% by weight of the lithium iron phosphate contained in the concentrate, spray drying and granules were formed through a spray dryer. The formed dry granular particles were heat-treated at 700 ° C. for 10 hours to obtain a fired product having a core-shell structure in which lithium iron phosphate particles form a core and the surface of the core is coated with carbon. .

이 소성물을 X-선 회절분광(XRD)으로 분석하여 올리빈 구조의 리튬인산철 (LiFePO4)임을 확인하였고(도 7), 주사전자현미경(SEM)을 이용하며 미세구조를 조사한 결과, 평균 10㎛ 크기로서 다량의 내부 공간을 갖는 이차입자로 이루어진 분말임을 확인하였다. The calcined product was analyzed by X-ray diffraction spectroscopy (XRD) to confirm that it was lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine structure (FIG. 7), and the microstructure was examined using a scanning electron microscope (SEM). It was confirmed that the powder was composed of secondary particles having a large internal space with a size of 10 μm.

탭밀도를 측정하여 산출한 복합체 분말의 부피밀도는 0.7g/㎤이었다. 원소분석기를 이용하여 탄소의 함량을 측정한 결과, 탄소는 전체 복합체 무게 중의 2.8%를 차지하고 있음을 확인하였다.The bulk density of the composite powder, calculated by measuring the tap density, was 0.7 g / cm 3. As a result of measuring the carbon content using an elemental analyzer, it was confirmed that carbon occupies 2.8% of the total weight of the composite.

이 분말 중의 탄소에 대한 라만 스펙트럼으로부터 1575㎝-1의 피크 세기에 대한 1355㎝- 1 에서의 피크 세기의 비 (I1355/I1575)를 측정하였다(도 8의 그래프 (b)).
From the Raman spectrum for the carbon in the powder 1355㎝ for the 1575㎝ -1 peak intensity was measured for ratio (I 1355 / I 1575) of the peak intensity in the first (graph in Fig. 8 (b)).

형상 검사Geometry inspection

도 2a는 실시예 1의 단계 a)에서 수득된 탄소 다공체를 촬영한 SEM 사진으로서 다수의 빈 기공을 갖는 구조를 보여 준다. 도 2b는 실시예 2에서 얻은 탄소다공체/리튬인산철 복합체를 촬영한 SEM 사진으로 기공들이 충전제로 채워진 상태를 보여준다. 도 2c는 비교예 1에서 얻은 탄소 피복된 리튬인산철의 2차 입자를 촬영한 SEM 사진으로서 2차입자를 구성하는 1차 입자들 사이에 다수의 빈 공간이 있는 구조를 보여 준다. 이들 SEM 사진들로부터, 실시예 3에 따른 탄소다공체/리튬인산철 복합체는 비교예 1에 따른 리튬인산철의 2차 입자에 비해 빈 공간이 감소된 조밀한 구조를 가짐을 알 수 있다.
Figure 2a is a SEM photograph of the carbon porous body obtained in step a) of Example 1 shows a structure having a plurality of empty pores. Figure 2b is a SEM photograph of the carbon porous body / lithium iron phosphate composite obtained in Example 2 shows a state filled with the pores filler. FIG. 2C is a SEM photograph of secondary particles of carbon-coated lithium iron phosphate obtained in Comparative Example 1, showing a structure in which a plurality of empty spaces exist between primary particles constituting secondary particles. From these SEM photographs, it can be seen that the carbon porous body / lithium iron phosphate composite according to Example 3 has a compact structure in which the empty space is reduced compared to the secondary particles of lithium iron phosphate according to Comparative Example 1.

탄소 함량, Carbon content, 평균입도Average particle size , , 탭밀도Tap density

실시예들 및 비교예에서 측정된 라만 피크 세기의 비(I1355/I1575), 탄소 함량, 평균입도, 탭밀도는 아래 표와 같다.The ratio of Raman peak intensity (I 1355 / I 1575 ), carbon content, average particle size, and tap density measured in Examples and Comparative Examples are as follows.

라만 피크 세기의 비 (I1355/I1575)Raman peak intensity ratio (I 1355 / I 1575 ) 탄소 함량 (wt%)Carbon content (wt%) 평균 입도(㎛)Average particle size (㎛) 탭밀도 (g/㎤)Tap density (g / cm 3) 실시예 1Example 1 0.760.76 8.48.4 10.010.0 2.82.8 실시예 2Example 2 6.36.3 10.010.0 1.81.8 실시예 3Example 3 8.28.2 10.010.0 2.52.5 실시예 4Example 4 6.56.5 10.010.0 1.81.8 비교예 1Comparative Example 1 0.920.92 2.82.8 10.010.0 0.70.7

결정 특성 평가Crystal Characterization

도 8의 그래프 (a)는 실시예 1의 단계 a)에서 수득된 고결정성 탄소 다공체의 라만 스펙트럼이다. 도 8의 그래프 (b)는 비교예 1에서 수득된, 탄소로 피복된 코어-쉘 구조체의 라만 스펙트럼이다.Graph (a) of Figure 8 is a Raman spectrum of the highly crystalline carbon porous body obtained in step a) of Example 1. Graph (b) of Figure 8 is a Raman spectrum of the core-shell structure coated with carbon, obtained in Comparative Example 1.

일반적으로, 결정질 탄소에서는 1575㎝-1(육각망면 방식)의 피크는 크게 나타나며 1355㎝-1(다이아몬드 방식)의 피크는 상대적으로 적게 나타난다. 결정의 크기가 증가함에 따라 라만 피크의 폭이 좁아지며, 탄소 결정의 크기가 감소하거나 탄소 중에 구조의 무질서도가 증가할 때 1355㎝-1 피크 세기가 증가한다. 1575㎝-1의 피크 세기에 대한 1355㎝- 1 에서의 피크 세기의 비 (I1355/I1575 = ID/IG)는 탄소 결정자의 크기 및 결정성에 반비례한다. 본건 발명에 따른 전기전도성 다공체가 탄소로 이루어진 경우, 탄소의 라만 피크 세기의 비 (I1355/I1575)는 0.85 이하인 것이 바람직하다. In general, the peak of 1575 cm -1 (hexagonal plane type) is large in crystalline carbon and the peak of 1355 cm -1 (diamond type) is relatively small. As the size of the crystal increases, the Raman peak becomes narrower, and the 1355 cm −1 peak intensity increases when the size of the carbon crystal decreases or the disorder of the structure in the carbon increases. 1355㎝ for the 1575㎝ -1 peak intensity - of the peak intensity in the first ratio (I 1355 / I 1575 = I D / I G ) is inversely proportional to the size and crystallinity of the carbon crystallites. When the electrically conductive porous body according to the present invention consists of carbon, it is preferable that the ratio (I 1355 / I 1575 ) of Raman peak intensity of carbon is 0.85 or less.

도 8의 그래프 (a)와 그래프 (b)에 나타난 피크 세기의 비(I1355/I1575)는 탄소체의 열처리 온도 차이에 따른 결정성 차이를 보여준다.
The ratio of peak intensity (I 1355 / I 1575 ) shown in graphs (a) and (b) of FIG. 8 shows the crystallinity difference according to the heat treatment temperature difference of the carbon body.

양극 제조Anode manufacturing

상기 실시예 1~4에서 얻은 다공체/충전제 복합체와 비교예 1에서 얻은 전극 활물질을 사용하여, 다음과 같이, 이차전지용 양극을 제조하였다. Using the porous body / filler composite obtained in Examples 1 to 4 and the electrode active material obtained in Comparative Example 1, a positive electrode for a secondary battery was prepared as follows.

전극 활물질 입자 90 중량부, super-P(도전재) 5 중량부 및 폴리비닐리덴플루오라이드(결합제, polyvinylidene fluoride, PVDF) 5 중량부를 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidinone, NMP)에 첨가하고 유발에서 혼합하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 이를 알루미늄 호일의 일면에 도포하고 건조한 후 프레싱(pressing) 공정으로 압연하여 양극을 제조하였다.
90 parts by weight of electrode active material particles, 5 parts by weight of super-P (conductive material) and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride (binder, polyvinylidene fluoride, PVDF) were added to N-methyl pyrrolidinone (NMP) And mixed in a mortar to produce a positive electrode mixture slurry. It was coated on one surface of aluminum foil, dried and rolled by pressing to prepare a positive electrode.

전극 밀도Electrode density

상기와 같이 제조된 양극들을 지름 1.4cm의 크기의 원형 시편으로 잘라내어, 무게를 측정하고 집전체를 제외한 각 전극의 밀도를 계산하였는데, 그 결과는 아래와 같다.The cathodes prepared as described above were cut out into circular specimens having a diameter of 1.4 cm, the weight was measured, and the density of each electrode except the current collector was calculated. The results are as follows.

전극 활물질Electrode active material 전극 밀도 (g/㎤)Electrode Density (g / cm 3) 실시예 1Example 1 2.82.8 실시예 2Example 2 2.62.6 실시예 3Example 3 2.92.9 실시예 4Example 4 2.52.5 비교예 1Comparative Example 1 2.02.0

충전 및 방전 특성 평가Charge and Discharge Characterization

실시예 3에서 제조된 탄소다공체/리튬인산철 복합체를 양극 활물질로 사용하여 리튬이차전지를 제조하고 전지 특성을 평가하였다. A lithium secondary battery was prepared using the carbon porous body / lithium iron phosphate composite prepared in Example 3 as a cathode active material, and battery characteristics were evaluated.

전해질은 에틸렌카보네이트(EC):에틸메틸카보네이트(EMC)를 1:2 부피 비율로 혼합한 용매에 1몰의 LiPF6를 용해하여 얻었으며, 리튬 금속(Li metal)을 부극으로 하여 코인하프셀 형식의 리튬이차전지를 제조하고, Maccor series 4000을 이용하여 0.2C rate 정전류로 충?방전 평가를 수행하였다. The electrolyte was obtained by dissolving 1 mol of LiPF 6 in a solvent in which ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) was mixed at a volume ratio of 1: 2, and a coin half cell type using lithium metal as a negative electrode. The lithium secondary battery was prepared, and the charge and discharge evaluation was performed at a constant current of 0.2C rate using a Maccor series 4000.

도 9는 상기 실시예 2에서 제조된 복합체를 활물질로 이용하여 제조한 리튬이차전지의 충?방전 그래프로서, 실시예 2에서 제조된 탄소 다공체/리튬인산철 복합체의 방전용량은 163.58mAh/g임을 보여 준다. 종래기술에 따른 리튬인산철의 방전용량은 130~158mAh/g인 것과 비교할 때, 본 발명에 따른 복합체는 매우 우수한 방전용량을 가짐을 알 수 있다.
9 is a charge / discharge graph of a lithium secondary battery prepared using the composite prepared in Example 2 as an active material, wherein the discharge capacity of the carbon porous body / lithium phosphate composite prepared in Example 2 is 163.58 mAh / g. Show it. The discharge capacity of the lithium iron phosphate according to the prior art is 130 ~ 158 mAh / g, it can be seen that the composite according to the present invention has a very good discharge capacity.

전극 물질의 화학적 안정성Chemical Stability of Electrode Material

실시예 2와 비교예 1에서 제조된 분말 100g을 각기 1L의 증류수와 혼합한 용액에 불산(HF)을 분말 무게 대비 100ppm의 농도로 가한 후 용기를 밀봉하였다. 밀봉후 24시간, 1주일, 2주일 및 3주일후의 샘플을 채취하여 여과하고 여과액을 유도결합 플라스마 원자방출분광기(ICP-AES)로 분석하여 용출된 철(Fe)의 양을 산출하였는데, 그 결과는 아래와 같다. 100 g of the powders prepared in Example 2 and Comparative Example 1 were mixed with 1 L of distilled water, respectively, and hydrofluoric acid (HF) was added at a concentration of 100 ppm relative to the weight of the powder, and then the container was sealed. Samples were taken 24 hours, 1 week, 2 weeks and 3 weeks after sealing, filtered, and the filtrate was analyzed by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) to calculate the amount of eluted iron (Fe). The result is shown below.


Fe 용출량 (ppm)Fe elution amount (ppm)
1일1 day 1주1 week 2주2 weeks 3주3 weeks 실시예 3Example 3 2525 253253 315315 331331 비교예 1Comparative Example 1 232232 1,4781,478 2,2362,236 2,4502,450

위 표에 나타난 바와 같이, 실시예 3에 따른 전극 재료는 비교에 1에 따른 전극 재료보다 철의 용출양이 현저하게 적은 바, 이로부터 전자가 후자에 비해 화학적 안정성 측면에서 월등히 우수하다는 점을 알 수 있다.As shown in the above table, the electrode material according to Example 3 has a significantly lower amount of iron dissolution than the electrode material according to 1, and it is understood that the former is superior in terms of chemical stability to the latter. Can be.

본 발명에 따른, 전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하며 전극 활성을 갖는 복합체는 2차전지, 메모리 소자, 및 하이브리드 캐패시터(P-EDLC)를 비롯한 캐패시터 및 기타 다른 전기화학 소자의 전극 활물질로서 사용될 수 있으며, 특히 2차전지의 양극 활물질로서 적합하다.
According to the present invention, a composite comprising an electrically conductive porous body and a filler of a transition metal compound and having electrode activity is used as an electrode active material of capacitors and other electrochemical devices including secondary batteries, memory devices, and hybrid capacitors (P-EDLC). It can be used and it is especially suitable as a positive electrode active material of a secondary battery.

Claims (8)

전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하는, 전극 활성을 갖는 복합체.A composite having electrode activity, comprising an electrically conductive porous body and a transition metal compound filler. 제1항에 있어서, 탭밀도가 1.5g/㎤ 이상인 복합체. The composite of claim 1 wherein the tap density is at least 1.5 g / cm 3. 제1항에 있어서, 상기 다공체의 무게가 상기 복합체 무게의 0.5 내지 50%를 차지하는 복합체.The composite of claim 1, wherein the weight of the porous body comprises 0.5 to 50% of the weight of the composite. 제1항에 있어서, 상기 다공체는 탄소로 이루어져 있으며, 상기 탄소의 라만 스펙트럼에서 1575㎝-1의 피크 세기에 대한 1355㎝- 1 에서의 피크 세기의 비 (I1355/I1575)는 0.85 이하인 복합체. The method of claim 1, wherein the porous body is made of carbon, for 1355㎝ of 1575㎝ -1 peak intensity in Raman spectrum of the carbon-ratio (I 1355 / I 1575) of the peak intensity at the one is not more than 0.85 Complex. 제1항 내지 4항 중 어느 하나에 따른 복합체를 전극 활물질로서 사용하는 전극.An electrode using the composite according to any one of claims 1 to 4 as an electrode active material. 제1항 내지 4항 중 어느 하나에 따른 복합체를 전극 활물질로 사용하는 2차전지, 메모리 소자, 또는 캐패시터.A secondary battery, a memory device, or a capacitor using the composite according to any one of claims 1 to 4 as an electrode active material. 전기전도성 다공체의 기공을 전이금속 화합물로 충전하는 과정을 포함하는, 전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하며 전극 활성을 갖는 복합체를 제조하는 방법.A method of manufacturing a composite having an electrode activity and comprising an electrically conductive porous body and a transition metal compound filler, the method comprising filling the pores of the electrically conductive porous body with a transition metal compound. 전기전도성 다공체를 형성하기 위한 원료물질과 전이금속 화합물을 혼합하는 과정을 포함하는, 전기전도성 다공체와 전이금속 화합물 충전제를 포함하며 전극 활성을 갖는 복합체를 제조하는 방법.
A method of manufacturing a composite having an electrode activity and comprising an electrically conductive porous body and a transition metal compound filler, the method comprising mixing a raw material and a transition metal compound to form an electrically conductive porous body.
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