KR20120088280A - Cathode active material for lithium secondary battery, method for preparing same, and lithium battery comprising same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A positive electrode active material for lithium secondary batteries and a lithium secondary battery including the same are provided to enhance energy density, cycle life time, output characteristic and thermal stability. CONSTITUTION: A positive electrode active material for lithium secondary batteries includes a compound represented by chemical formula 1. The chemical formula 1 is as follows: (Li xNa (1.5-x)) a (Z) z ((V) (O (1.5-f))) (1-z) (XO 4) F. The positive electrode active material has a nasicon structure, and Z is an element selected from Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca and a combination thereof. X is an element selected from P, S, Si, Mo, As, W and a combination thereof. a,x, and z respectively indicate real numbers which satisfy 0 < a <= 1, 0 < x <= 1.5, 0 <= z <= 0.5. f is determined to match the electroneutrality of the compound and is a real number which satisfies 0.5 <= f <= 1.5.

Description

리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, METHOD FOR PREPARING SAME, AND LITHIUM BATTERY COMPRISING SAME}Cathode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same TECHNICAL FIELD

리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.It relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same.

최근에 핸드폰, 디지털 카메라, PDA(personal digital assistant), 노트북 및 PC(personal computer, 개인용 컴퓨터) 등의 전자 기기가 소형화되면서 여기에 사용되는 전원의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 더욱 커지고 있다. 또한, 하이브리드 자동차(hybrid electronic vehicle, HEV), 전동공구, 전동 오토바이 및 로봇산업 등에 사용 가능한 고출력 2차 전지에 대한 수요도 폭발적으로 증가하고 있다. 이를 위해서는 단시간에 고출력을 내고, 에너지 밀도가 높으며, 대전류로 충전 및 방전을 반복해도 우수한 안정성을 가지는 2차 전지가 요구된다.Recently, as electronic devices such as mobile phones, digital cameras, personal digital assistants (PDAs), notebook computers, and personal computers (PCs) are miniaturized, the need for miniaturization and high capacity of power sources used therein is increasing. In addition, the demand for high-power secondary batteries that can be used in hybrid electronic vehicles (HEVs), power tools, electric motorcycles, and robotics is exploding. To this end, a secondary battery having a high output in a short time, a high energy density, and excellent stability even after repeated charging and discharging with a large current is required.

이러한 요구조건을 만족시킬 수 있는 2차 전지에 사용되는 양극 활물질 중, 최근 나시콘(NASICON)형 화합물에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. Among positive electrode active materials used in secondary batteries that can satisfy these requirements, research has recently been actively conducted on NASICON type compounds.

본 발명의 일 구현예는 향상된 사이클 수명 특성, 출력 특성 및 에너지 밀도를 나타내는, 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공하는 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a cathode active material for a lithium secondary battery, showing improved cycle life characteristics, output characteristics and energy density.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention to provide a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material.

본 발명의 일 구현예는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며, 나시콘 구조를 갖는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다.One embodiment of the present invention includes a compound represented by the following formula (1), and provides a cathode active material for a lithium secondary battery having a nasicon structure.

[화학식 1][Formula 1]

(LixNa1.5-x)a(Z)z((V)(O1.5-f))1-z(XO4)Ff (Li x Na 1.5-x ) a (Z) z ((V) (O 1.5-f )) 1-z (XO 4 ) F f

상기 화학식 1에서 있어서,In Chemical Formula 1,

상기 Z는 금속 원소 첨가물(metal element dopant)로써, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Z is a metal element dopant and is selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca, and combinations thereof. Elemental,

상기 X는 P, S, Si, Mo, As, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, X is an element selected from the group consisting of P, S, Si, Mo, As, W, and combinations thereof,

a, x 및 z 각각은 0 < a ≤ 1, 0 < x ≤ 1.5을 만족하는 실수이고, 0 < x ≤ 1.5을 만족하는 실수이고, 0 ≤ z ≤ 0.5을 만족하는 실수이다. 이때, z는 0 ≤ z ≤ 0.2를 만족하는 실수일 수도 있다. a, x and z are each a real number satisfying 0 <a ≤ 1, 0 <x ≤ 1.5, a real number satisfying 0 <x ≤ 1.5, and a real number satisfying 0 ≤ z ≤ 0.5. At this time, z may be a real number satisfying 0 ≦ z ≦ 0.2.

f는 화합물의 전기적 중성(electroneutrality)을 맞추도록 결정되며, 0.5 ≤ f ≤ 1.5를 만족하는 실수이다.f is determined to match the electroneutrality of the compound and is a real number that satisfies 0.5 ≦ f ≦ 1.5.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 비수 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment of the invention the positive electrode including the positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And it provides a lithium secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 우수한 에너지 밀도, 사이클 수명 특성, 출력 특성 및 열적 안정성을 나타낼 수 있다.The cathode active material for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention may exhibit excellent energy density, cycle life characteristics, output characteristics, and thermal stability.

도 1a는 LixNa1.5-xVOPO4F0.5의 결정학적 구조를 나타내는 도면.
도 1b는 LixNa1.5-xVOPO4F0.5의 결정학적 구조 내에서 LiNa1 자리와 LiNa2 자리를 나타내는 도면.
도 2는 시편 S1의 X-선 회절(XRD) 패턴을 나타내는 그래프.
도 3은 시편 S1의 주사전자현미경(SEM) 사진.
도 4는 시편 S2의 리트벨트 방법으로 정련된 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프.
도 5는 시편 S2의 리트벨트 방법으로 정련된 중성자 회절 패턴을 나타내는 그래프.
도 6은 시편 S2의 주사전자현미경 사진.
도 7는 건식 카본 코팅(dry carbon coating)을 거치기 전의 시편 S2와 건식 카본 코팅을 거친 후의 시편 S3의 X-선 회절 패턴을 비교하여 나타내는 그래프.
도 8은 시편 S3의 주사전자현미경 사진.
도 9는 화학적 Na+/Li+ 이온 교환(ion-exchange)을 하기 전의 시편 S2와 화학적 Na+/Li+ 이온 교환을 한 이후의 시편 S4의 X-선 회절 패턴을 비교하여 나타내는 그래프.
도 10는 시편 S4의 주사전자현미경 사진.
도 11은 시편 S4의 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 얻은 명시야 상(bright-field image).
도 12은 시편 S4의 투과전자현미경을 사용하여 얻은 제한시야 회절상(selected area diffraction pattern).
도 13은 시편 S2와 시편 S5 내지 시편 S8의 X-선 회절 패턴들을 비교하여 나타내는 그래프.
도 14은 시편 S4의 열중량분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프.
도 15는 실험예 2의 방법으로 측정된, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 열적 상 안정성(thermal phase stability)을 나타낸 온도에 따른 X-선 회절 패턴 그래프.
도 16은 실험예 3의 방법으로 측정된, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 교류 임피던스 결과를 나타낸 그래프.
도 17은 실험예 3의 방법으로 측정된, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 직류 전기전도도 결과를 나타낸 그래프.
도 18은 실험예 3의 방법으로 측정된, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 온도에 따른 교류 임피던스 및 직류 전기전도도 값의 변화를 나타낸 그래프.
도 19는 NEB 방법을 사용하여 계산한 Na1.5VOPO4F0.5의 활성화 에너지를 나타내는 그래프.
도 20은 NEB 방법을 사용하여 계산한 Na1.5VOPO4F0.5의 활성화 에너지를 나타내는 그래프.
도 21 NEB 방법을 사용하여 계산한 실시예 1에 따라 제조된, Li과 Na이 2 : 1로 섞여있는 활물질(LiNa0.5VOPO4F0.5)의 활성화 에너지를 나타내는 그래프.
도 22는 도 20과 도 21을 병합하여 나타낸 그래프.
도 23은 비교예 1에 따라 제조된 코인 전지를 실험예 4의 방법으로 측정한, 순환전압전류(cyclic voltammetry) 결과를 나타낸 그래프.
도 24는 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 실험예 4의 방법으로 측정한 순환전압전류 결과를 나타낸 그래프.
도 25는 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 실험예 4의 방법으로 측정한 C/5 전류밀도의 정전류 충/방전 곡선 결과를 나타낸 그래프(측정온도: 25 ℃, 전위영역: 2.0 내지 4.5 V).
도 26은 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 실험예 4의 방법으로 측정한, C/5 충방전시, 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프(측정온도: 25℃, 전위영역: 2.0 내지 4.5 V).
도 27은 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 실험예 4의 방법으로 측정한, C/5 충방전시 사이클 수명특성을 나타낸 그래프(측정온도: 60℃, 전위영역: 2.5 내지 4.5 V).
도 28은 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 실험예 4의 방법으로 측정한, 다양한 전류밀도(C/5, C/2, 1C, 2C, 5C, 10C)에서의 출력특성을 나타낸 그래프.
도 29는 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 2.0 내지 4.5 V 전위 영역에서 C/5로 45회 충방전을 실시하기 전과 후의 양극 활물질의 X-선 회절 패턴을 비교하여 나타내는 그래프.
1A shows the crystallographic structure of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 .
1B shows LiNa 1 and LiNa 2 sites in the crystallographic structure of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 .
2 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of specimen S1.
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of specimen S1.
4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern refined by Rietveld method of specimen S2.
5 is a graph showing a neutron diffraction pattern refined by Rietveld method of specimen S2.
6 is a scanning electron micrograph of specimen S2.
FIG. 7 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of specimen S2 before dry carbon coating and specimen S3 after dry carbon coating.
8 is a scanning electron micrograph of specimen S3.
Figure 9 is a graph showing in comparison the X- ray diffraction pattern of the chemical Na + / Li + ion-exchanged water after the chemical and the specimen S2 Na + / Li + ion exchange prior to the (ion-exchange) the specimen S4.
10 is a scanning electron micrograph of specimen S4.
FIG. 11 is a bright-field image obtained using transmission electron microscopy (TEM) of specimen S4. FIG.
12 is a selected area diffraction pattern obtained using a transmission electron microscope of specimen S4.
FIG. 13 is a graph showing comparison of X-ray diffraction patterns of specimen S2 and specimens S5 to S8. FIG.
14 is a graph showing the thermogravimetric analysis (TGA) results of specimen S4.
FIG. 15 is an X-ray diffraction pattern graph with temperature showing thermal phase stability of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen (S4), measured by the method of Experimental Example 2. FIG.
16 is a graph showing the AC impedance results of the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen (S4) measured by the method of Experimental Example 3. FIG.
17 is a graph showing the results of direct current conductivity of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen (S4) measured by the method of Experimental Example 3. FIG.
18 is a graph showing changes in AC impedance and DC conductivity values with temperature of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen S4 measured by the method of Experimental Example 3. FIG.
19 is a graph showing the activation energy of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 calculated using the NEB method.
20 is a graph showing the activation energy of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 calculated using the NEB method.
21 is a graph showing the activation energy of an active material (LiNa 0.5 VOPO 4 F 0.5 ) mixed with Li and Na 2: 1, prepared according to Example 1 calculated using the NEB method.
FIG. 22 is a graph showing a combination of FIGS. 20 and 21.
FIG. 23 is a graph illustrating a cyclic voltammetry result of measuring a coin battery prepared according to Comparative Example 1 by the method of Experimental Example 4. FIG.
24 is a graph illustrating a cyclic voltammetry result measured by a method of Experiment 4 for a coin battery prepared in Example 2. FIG.
25 is a graph showing a result of a constant current charge / discharge curve of a C / 5 current density measured by the method of Experiment 4 for a coin battery prepared according to Example 2 (measurement temperature: 25 ° C., potential region: 2.0 to 4.5 V) ).
FIG. 26 is a graph showing cycle life characteristics during C / 5 charging / discharging when a coin battery prepared according to Example 2 was measured by the method of Experimental Example 4 (measurement temperature: 25 ° C., potential region: 2.0 to 4.5 V) .
FIG. 27 is a graph showing cycle life characteristics during C / 5 charge / discharge, measured by the method of Experiment 4, for the coin battery prepared in Example 2 (measurement temperature: 60 ° C., potential region: 2.5 to 4.5 V).
28 is a graph showing the output characteristics at various current densities (C / 5, C / 2, 1C, 2C, 5C, 10C) measured by the method of Experiment 4 for the coin battery prepared according to Example 2. FIG.
FIG. 29 is a graph showing a comparison of X-ray diffraction patterns of a positive electrode active material before and after performing a charge / discharge of a coin battery prepared according to Example 2 at C / 5 in a 2.0 to 4.5 V potential region for 45 times. FIG.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.The cathode active material for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention may be represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

(LixNa1.5-x)a(Z)z((V)(O1.5-f))1-z(XO4)Ff (Li x Na 1.5-x ) a (Z) z ((V) (O 1.5-f )) 1-z (XO 4 ) F f

상기 화학식 1에서 있어서,In Chemical Formula 1,

상기 Z는 금속 원소 첨가물(metal element dopant)로써, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다. Z is a metal element dopant selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca, It is an element.

상기 X는 P, S, Si, Mo, As, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, P, S, Si, As 또는 이들의 조합일 수 있다. X is an element selected from the group consisting of P, S, Si, Mo, As, W, and combinations thereof, and may be P, S, Si, As, or a combination thereof.

또한 상기 a, x 및 z 각각은 0 < a ≤ 1, 0 < x ≤ 1.5, 0 ≤ z ≤ 0.5을 만족하는 실수이고, 이때, z는 0 ≤ z ≤ 0.2를 만족하는 실수일 수 있다.In addition, each of a, x, and z is a real number satisfying 0 <a ≦ 1, 0 <x ≦ 1.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, and z may be a real number satisfying 0 ≦ z ≦ 0.2.

f는 화합물의 전기적 중성(electroneutrality)을 맞추도록 결정되며, 0.5 ≤ f ≤ 1.5를 만족하는 실수이고, 좋게는 0.5 ≤ f < 1.5를 만족하는 실수일 수 있다.f is determined to match the electroneutrality of the compound, and may be a real number satisfying 0.5 ≦ f ≦ 1.5, and preferably a real number satisfying 0.5 ≦ f <1.5.

상기 양극 활물질의 구체적인 예로는 하기 화학식 2를 들 수 있다.Specific examples of the positive electrode active material may include the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

LixNa1.5-xVOPO4Ff Li x Na 1.5-x VOPO 4 F f

상기 화학식 2에 있어서, f는 0.5 ≤ f ≤ 1.5를 만족하는 실수이고, 좋게는 0.5 ≤ f < 1.5를 만족하는 실수일 수 있다.In Chemical Formula 2, f may be a real number satisfying 0.5 ≦ f ≦ 1.5, and preferably a real number satisfying 0.5 ≦ f <1.5.

화학식 2에 나타낸 것과 같이, 인산계(phosphate, (PO4)3-)에 불소 이온이 첨가된 다중 음이온계(poly-anion), 즉 불소-인산계(fluorophosphate) 화합물은, 기존의 (PO4)3- 화합물에 비해서 더 높은 전지 전압을 갖는다. 이는 (PO4)3- 다중 음이온 그룹의 유도효과(inductive effect)와 큰 전기음성도(3.98)를 가지는 불소 이온이 주변의 전자를 매우 강하게 끌어당기는 현상의 복합적인 영향이다. 이와 같이 높은 전지 전압은 에너지 밀도를 보다 향상시킬 수 있다.As shown in Formula 2, a poly-anion, ie, a fluorophosphate-based compound in which fluorine ions are added to phosphate (PO 4 ) 3- ), is conventionally known as (PO 4 3 ) has a higher cell voltage compared to the compound. This is a complex effect of the inductive effect of the (PO 4 ) 3 -polyanion group and the phenomenon that fluorine ions having a large electronegativity (3.98) attract very close electrons. Such a high battery voltage can further improve energy density.

이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질은 나시콘 구조를 갖는 화합물이다. 나시콘이란 Sodium(Na) Super Ionic Conductor의 약자로써, 나시콘형 화합물들은 그 구조의 특성상 리튬과 나트륨이 구조 내에서 매우 빠르게 이동할 수 있기 때문에 이온 전도도가 매우 우수하며, 이러한 높은 이온 전도도로 인하여, 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있다. The cathode active material according to one embodiment of the present invention is a compound having a nasicon structure. A tank top cone is Sodium (Na) S uper I onic Con as stands for ductor, pear cone type compounds, and the ionic conductivity is very superior because it can be moved very quickly in the nature of lithium and sodium in the frame structure, such a high ion conductivity Therefore, excellent output characteristics can be exhibited.

또한, 나시콘형 화합물들은 올리빈(olivine)형 화합물들과 마찬가지로 구조를 강하게 잡아주는 다중 음이온계 화합물로서, 열적 안정성이나 수명특성이 우수한 장점이 있다. In addition, nacicon-type compounds, like olivine-type compounds, as a polyanionic compound that strongly holds a structure, have an advantage of excellent thermal stability and lifespan characteristics.

본 발명의 양극 활물질은 상기 화학식 1로 표현한 바와 같이, 리튬을 필수 성분으로 포함하며, 리튬과 함께 나트륨을 포함하는 형태일 수 있다. 이와 같이, 리튬을 필수 성분으로 포함하고, 경우에 따라 나트륨을 더욱 포함하는 경우, 리튬을 포함하지 않고 나트륨만을 필수 성분으로 하는 양극 활물질에 비하여 비용량(specific capacity)이 보다 우수하다. 또한, 리튬을 필수 성분으로 포함하는 양극 활물질이, 리튬없이, 나트륨을 필수 성분으로 포함하는 양극 활물질에 비하여, 양극의 작동 전압을 약 0.3V 증가시킬 수 있어, 결과적으로 에너지 밀도와 출력 밀도가 우수한 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다. As represented by Chemical Formula 1, the cathode active material of the present invention may include lithium as an essential component and sodium in combination with lithium. As described above, when lithium is included as an essential component and, in some cases, sodium is further included, specific capacity is superior to that of the positive electrode active material containing no sodium and only sodium as an essential component. In addition, the positive electrode active material containing lithium as an essential component can increase the operating voltage of the positive electrode by about 0.3 V as compared with the positive electrode active material containing sodium as an essential component without lithium, resulting in excellent energy density and output density. A lithium secondary battery can be provided.

또한, 상기 화학식 1에서, 0 < x < 1.5인 것이 더욱 바람직하며, 즉, 리튬과 나트륨을 모두 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이, 리튬과 나트륨을 함께 포함하는 것이 리튬 이온 확산 속도가 보다 우수해지는 장점이 있다. In addition, in Chemical Formula 1, it is more preferable that 0 <x <1.5, that is, it is more preferable to include both lithium and sodium. As such, including lithium and sodium together has the advantage that the lithium ion diffusion rate is more excellent.

따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질은 우수한 에너지 밀도, 사이클 수명 특성, 출력 특성 및 열적 안정성을 나타내므로, 현재 주로 사용되고 있으나 고가인 LiCoO2와 같은 코발트계 양극 활물질을 대체하여 사용할 수 있다.Therefore, since the cathode active material according to the embodiment of the present invention exhibits excellent energy density, cycle life characteristics, output characteristics, and thermal stability, it may be used instead of a cobalt-based cathode active material, such as LiCoO 2 , which is mainly used at present. .

또한, 상기 양극 활물질은 리튬 대비 약 3.7V 내지 약4V의 평균 전압을 나타낼 수 있다.In addition, the cathode active material may exhibit an average voltage of about 3.7V to about 4V relative to lithium.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질 중, LixNa1.5-xVOPO4F0.5의 결정학적 구조를 나타내는 도면이다. 도 1a에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질은 VO5F 육면체(도 1a에서 하늘색 육면체)와 PO4 사면체(도 1a에서 분홍색 육면체)로 이루어진 3차원 구조이며, 리튬 또는 나트륨(도 1a에서 노란색 구)은 2가지의 서로 다른 결정학적 위치를 차지한다. 도 1a에서 빨간색 구는 산소 이온(O2-)을 나타내며, 초록색 구는 불소 이온(F-)을, 하늘색 구는 바나듐 이온(V4+)을, 분홍색 구는 인 이온(P5+)을 나타낸다. 또한, 도 1b에 나타낸 것과 같이, LiNa1 자리는 6개의 산소(도 1b에서 빨간색 구)와 1개의 불소(도 1b에서 초록색 구)로 둘러싸여 있으며, LiNa2 자리는 6개의 산소로 둘러싸여 있음을 알 수 있다. 1A and 1B illustrate a crystallographic structure of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 in a cathode active material according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1a, the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention is a three-dimensional structure consisting of VO 5 F hexahedron (light blue cube in Figure 1a) and PO 4 tetrahedron (pink cube in Figure 1a), lithium or sodium (Yellow sphere in FIG. 1A) occupies two different crystallographic positions. In FIG. 1A, red spheres represent oxygen ions (O 2− ), green spheres represent fluorine ions (F ), light blue spheres represent vanadium ions (V 4+ ), and pink spheres represent phosphorus ions (P 5+ ). 1B, it can be seen that the LiNa1 site is surrounded by 6 oxygen atoms (red circle in FIG. 1B) and 1 fluorine atom (green circle in FIG. 1B), and the LiNa2 site is surrounded by 6 oxygen atoms .

본 발명의 양극 활물질은 평균 입경이 100㎛ 이하일 수 있고, 2㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 본 발명의 양극 활물질은 이와 같이, 2㎛ 내지 100㎛의 평균 입경을 가져도, 나노미터 수준의 율 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 양극 활물질을 나노미터 수준으로 제조하는 것에 비하여 대량 생산 및 상용화가 용이한 장점이 있다. The cathode active material of the present invention may have an average particle diameter of 100 μm or less, and may be 2 μm to 100 μm. Thus, even if the cathode active material of the present invention has an average particle diameter of 2 100㎛, it can exhibit a rate characteristic of the nanometer level. Accordingly, there is an advantage that mass production and commercialization are easy as compared with preparing the cathode active material at the nanometer level.

본 발명의 양극 활물질은 또한 표면에 카본 코팅층을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 카본 코팅층의 두께는 1 nm 내지 300 nm일 수 있고, 카본 코팅층의 함량은 양극 활물질 전체 중량에 대하여 0.001 내지 25 중량%일 수 있다. 카본 코팅층의 두께 및 함량이 상기 범위에 포함되는 경우, 양극 활물질의 전기 전도도를 보다 향상시킬 수 있으면서, 카본 코팅층이 너무 과도하게 포함되는 경우 발생되는 양극 활물질의 부피 증가로 인한 단위 부피당 용량 저하 문제가 없어 적절하다.The positive electrode active material of the present invention may further include a carbon coating layer on the surface. The carbon coating layer may have a thickness of 1 nm to 300 nm, and the content of the carbon coating layer may be 0.001 to 25 wt% based on the total weight of the positive electrode active material. When the thickness and content of the carbon coating layer is in the above range, the electrical conductivity of the positive electrode active material can be further improved, and the capacity decrease per unit volume problem due to the volume increase of the positive electrode active material generated when the carbon coating layer is excessively included It is not appropriate.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 구현예에 있어서, 양극 활물질은 하기 두 가지 공정으로 제조될 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing the cathode active material. In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material may be prepared by the following two processes.

첫 번째 방법은, 바나듐 화합물 및 X 함유 화합물(X는 P, S, Si, Mo, As, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)을 혼합하여 혼합물을 제조하고; 상기 혼합물을 700 내지 750℃에서 1차 열처리하여 바나듐-X 함유 전구체를 제조하고; 상기 바나듐-X 함유 전구체와 Na 화합물을 1 : 1.0 내지 1 : 1.7의 몰비로 혼합하고; 상기 바나듐-X 함유 전구체와 Na 화합물의 혼합물을 2차 열처리하여 바나듐-X-Na 함유 전구체를 제조하고; 상기 바나듐-X-Na 함유 전구체와 리튬 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 이 혼합물을 산화 반응시키는 공정을 포함한다.The first method comprises mixing a vanadium compound and an X containing compound (X is an element selected from the group consisting of P, S, Si, Mo, As, W and combinations thereof) to prepare a mixture; First heat treating the mixture at 700 to 750 ° C. to prepare a vanadium-X-containing precursor; Mixing the vanadium-X-containing precursor and the Na compound in a molar ratio of 1: 1.0 to 1: 1.7; Preparing a vanadium-X-Na-containing precursor by performing a second heat treatment on the mixture of the vanadium-X-containing precursor and the Na compound; And mixing the vanadium-X-Na-containing precursor with a lithium compound to prepare a mixture, and oxidizing the mixture.

이하, 제조 방법에 대하여 자세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail.

바나듐 화합물 및 X 함유 화합물(X는 P, S, Si, Mo, As, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)을 혼합한다. 이 혼합 공정은 용매를 사용하지 않는 고상 공정으로 실시할 수 있다.The vanadium compound and the X-containing compound (X is an element selected from the group consisting of P, S, Si, Mo, As, W and combinations thereof) are mixed. This mixing process can be performed by the solid-phase process which does not use a solvent.

상기 바나듐 화합물로는 V2O5, VO2, V2O3, VO, VOSO4, V2(SO4)3 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 또한, 상기 X 함유 화합물로는 X를 포함하는 암모늄 화합물, 산화물, 질화물, 황화물 또는 이들의 조합일 수 있다. X 함유 화합물의 구체적인 예로는 NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, NaH2PO4, LiH2PO4, VOSO4, V2(SO4)3, SiO2, Mo3O4, (NH4)6Mo7O24?H2O, (NH4)3Mo7O24, NH4H2AsO4, (NH4)10H2(W2O7)6, (NH4)6H2W12O40?xH2O, WO3, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. As the vanadium compound, V 2 O 5 , VO 2 , V 2 O 3 , VO, VOSO 4 , V 2 (SO 4 ) 3, or a combination thereof may be used. In addition, the X-containing compound may be an ammonium compound, oxide, nitride, sulfide or a combination thereof containing X. Specific examples of the X-containing compound include NH 4 H 2 PO 4 , (NH 4 ) 2 HPO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , VOSO 4 , V 2 (SO 4 ) 3 , SiO 2 , Mo 3 O 4 , (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ? H 2 O, (NH 4 ) 3 Mo 7 O 24 , NH 4 H 2 AsO 4 , (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 , (NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 40 -xH 2 O, WO 3 , or a combination thereof can be used.

상기 혼합 공정시 탄소 첨가제를 더욱 첨가할 수도 있다. 이러한 탄소 첨가제로는 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black), Super P 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 탄소 첨가제를 더욱 사용하는 경우, 바나듐의 산화수를 손쉽게 조절할 수 있다.Carbon additives may be further added during the mixing process. The carbon additive may be carbon black, acetylene black, ketjen black, Super P, or a combination thereof. When further using the carbon additive, the oxidation number of vanadium can be easily adjusted.

상기 1차 혼합 공정 중에서, 상기 바나듐 화합물과 X 함유 화합물의 몰비는, 포함된 V 원소와 X 원소의 몰비가 1 : 0.8 내지 1 : 1.2가 되도록 혼합하는 것이 적절하다. 바나듐 화합물과 X 함유 화합물의 몰비가, 포함된 V 원소와 X 원소의 몰비가 상기 범위에 포함되도록 혼합하는 경우, 불순물이 최소화되는 장점이 있을 수 있다.In the primary mixing step, the molar ratio of the vanadium compound and the X-containing compound is appropriately mixed so that the molar ratio of the contained V element and X element is 1: 0.8 to 1: 1.2. When the molar ratio of the vanadium compound and the X-containing compound is mixed such that the molar ratio of the contained V element and the X element is included in the above range, impurities may be minimized.

또한, 상기 탄소 첨가제의 첨가량은 상기 바나듐 화합물과 X 함유 화합물의 전체 중량에 대하여 5 내지 25 중량%일 수 있다. 탄소 첨가제의 첨가량이 이 범위에 포함되는 경우, 바나듐의 산화수를 손쉽게 조절할 수 있다.In addition, the amount of the carbon additive may be 5 to 25% by weight based on the total weight of the vanadium compound and the X-containing compound. When the addition amount of the carbon additive is included in this range, the oxidation number of vanadium can be easily adjusted.

이어서, 얻어진 1차 혼합물을 700 내지 750℃에서 1차 열처리하여 바나듐-X 함유 전구체를 제조한다. 상기 1차 열처리 공정은 1 내지 10 시간 동안 실시할 수 있다. Subsequently, the obtained primary mixture is subjected to primary heat treatment at 700 to 750 ° C. to prepare a vanadium-X-containing precursor. The first heat treatment process may be performed for 1 to 10 hours.

1차 열처리 공정 전에, 얻어진 혼합물을 건조한 후, 펠렛을 제조하는 공정을 더욱 실시할 수도 있다.Before the primary heat treatment step, the obtained mixture may be dried and then a step of producing pellets may be further performed.

1차 열처리 공정을 상기 온도 범위에서 실시하면 제조된 바나듐-X 함유 전구체는 목표상인 β상-VOPO4을 가질 수 있다. 상기 바나듐-X 함유 전구체는 목표상인 β상-VOPO4 외에 γ상-VOPO4, ε상-VOPO4와 같은 동질이상을 가지며, VOPO4?H2O나 V(PO3)3와 같은 불순물도 가지게 된다. 하지만 이러한 불순물이 존재함에도 불구하고, 최종 생성물은 불순물이 거의 없는 우수한 순도를 보인다. 즉, 최종 생성물은 원하는 목표상인 β상-VOPO4을 40 내지 90 중량%의 높은 함량으로 포함할 수 있다. When the first heat treatment process is performed in the above temperature range, the prepared vanadium-X-containing precursor may have β-VOPO 4 as a target phase. The vanadium-containing precursor -X target in addition to the merchant β -VOPO 4 has a γ phase -VOPO 4, polymorph, such as ε-phase -VOPO 4, VOPO 4? Impurities such as H 2 O or V (PO 3) 3 Fig. Have. However, despite the presence of such impurities, the final product shows good purity with few impurities. That is, the final product is the desired target β-VOPO 4 may be included in a high content of 40 to 90% by weight .

이어서, 상기 바나듐-X 함유 전구체와 Na 화합물을 혼합한다. 이때, Na 화합물로는 NaF, NaHCO3, Na2CO3, NH4F 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.Next, the vanadium-X-containing precursor and the Na compound are mixed. In this case, NaF, NaHCO 3 , Na 2 CO 3 , NH 4 F or a combination thereof may be used.

상기 바나듐-X 함유 전구체와 Na 화합물의 혼합 비율은 1 : 1.0 내지 1 : 1.7 몰비일 수 있다. 바나듐-X 함유 전구체와 Na 화합물의 몰비가 상기 범위에 포함되는 경우, 최종 상의 불순물이 최소화되는 장점이 있을 수 있다.The mixing ratio of the vanadium-X-containing precursor and the Na compound may be 1: 1.0 to 1: 1.7 molar ratio. When the molar ratio of the vanadium-X-containing precursor and the Na compound is included in the above range, there may be an advantage that the impurities in the final phase are minimized.

얻어진 바나듐-X 함유 전구체와 Na 화합물의 혼합물을 2차 열처리하여 바나듐-X-Na 함유 전구체를 제조한다.The mixture of the obtained vanadium-X-containing precursor and the Na compound is subjected to secondary heat treatment to prepare a vanadium-X-Na-containing precursor.

상기 2차 열처리 공정은 700 내지 750℃에서 실시할 수 있다. 또한, 상기 2차 열처리 공정은 30 분 내지 2 시간 동안 실시할 수 있고, 아르곤, 질소 또는 헬륨 등의 불활성 분위기에서 실시할 수 있다.The secondary heat treatment process may be carried out at 700 to 750 ℃. In addition, the secondary heat treatment process may be performed for 30 minutes to 2 hours, and may be performed in an inert atmosphere such as argon, nitrogen, or helium.

이어서, 상기 바나듐-X-Na 함유 전구체와 리튬 화합물을 혼합하고, 이 혼합물을 용매 중에서 혼합하여 혼합액을 제조하고, 이 혼합액을 이온 교환시키는 공정을 실시한다.Next, the said vanadium-X-Na containing precursor and a lithium compound are mixed, this mixture is mixed in a solvent, a mixed liquid is produced, and the process of ion-exchanging this mixed liquid is performed.

상기 리튬 화합물로는 LiBr, LiCl, LiNO3, LiI, LiF 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 또한, 상기 용매로는 1-헥산올, 아세토니트릴, 에탄올, 메탄올, 물 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.LiBr, LiCl, LiNO 3 , LiI, LiF, or a combination thereof may be used as the lithium compound. In addition, 1-hexanol, acetonitrile, ethanol, methanol, water, or a combination thereof may be used as the solvent.

상기 바나듐-X-Na 함유 전구체와 리튬 화합물의 혼합 비율은, 리튬 화합물에 포함된 Li 이온의 몰수가 상기 바나듐-X-Na 함유 전구체에 포함된 Na 이온 몰수의 1 내지 50배가 되도록 조절할 수 있다. 상기 바나듐-X-Na 함유 전구체와 리튬 화합물의 혼합 비율이 상기 조건을 만족하면, Li 이온과 Na 이온의 교환의 속도나 이온 교환량을 제어할 수 있다는 장점이 있을 수 있다.The mixing ratio of the vanadium-X-Na-containing precursor and the lithium compound may be adjusted such that the number of moles of Li ions included in the lithium compound is 1 to 50 times the number of moles of Na ions included in the vanadium-X-Na-containing precursor. When the mixing ratio of the vanadium-X-Na-containing precursor and the lithium compound satisfies the above condition, there may be an advantage that the rate of ion exchange or the amount of ion exchange can be controlled.

또한, 상기 용매의 사용량은 상기 혼합 액의 농도가 0.1 내지 5M이 되도록 사용할 수 있으며, 용매를 혼합 액의 농도가 상기 범위에 포함되도록 사용하면, Li 이온과 Na 이온의 교환의 속도나 이온 교환량을 제어할 수 있다는 장점이 있을 수 있다.In addition, the amount of the solvent used may be used so that the concentration of the mixed solution is 0.1 to 5M, and when the solvent is used so that the concentration of the mixed solution is included in the above range, the rate of exchange of Li ions and Na ions or the amount of ion exchange There may be an advantage that can be controlled.

상기 이온 교환 공정은 용매의 끓는 점보다 0 내지 10℃ 높은 온도에서 환류하여 실시할 수 있다. 용매의 끓는 점보다 높은 온도에서의 환류를 실시하면, 용매의 활발한 증발이 반응물들의 균일한 혼합을 도와주며 반응을 가속시키는 충분한 에너지를 제공할 수 있다. 또한, 용매는 특정 온도에서 항상 끓기 때문에, 반응온도가 항상 일정하게 유지된다는 장점이 있다.The ion exchange process may be carried out by reflux at a temperature of 0 to 10 ℃ higher than the boiling point of the solvent. By refluxing at a temperature higher than the boiling point of the solvent, vigorous evaporation of the solvent may aid in uniform mixing of the reactants and provide sufficient energy to accelerate the reaction. In addition, since the solvent always boils at a certain temperature, there is an advantage that the reaction temperature is always kept constant.

상기 이온 교환 공정은 5 내지 96 시간 동안 실시할 수 있다. 이온 교환 공정을 상기 시간 범위동안 실시하면, Li 이온과 Na 이온의 교환의 양을 제어할 수 있다는 장점이 있을 수 있다.The ion exchange process may be carried out for 5 to 96 hours. If the ion exchange process is performed during the above time range, there may be an advantage that the amount of exchange of Li ions and Na ions can be controlled.

또한, 상기 환류 생성물을 70 내지 250℃에서 5 내지 24시간 동안 불활성 분위기 하에서 건조하여 순도를 향상시킬 수 있다. In addition, the reflux product may be dried at an inert atmosphere for 5 to 24 hours at 70 to 250 ℃ to improve the purity.

상기 이온 교환 공정은 50 내지 500ml의 크기를 갖는 반응 용기 내에서 실시할 수 있다. 이온 교환 공정을 상기 범위의 크기를 갖는 반응 용기 내에서 실시하는 경우, Li 이온과 Na 이온의 교환의 속도나 이온 교환량을 제어할 수 있다는 장점이 있을 수 있다.The ion exchange process can be carried out in a reaction vessel having a size of 50 to 500ml. When the ion exchange process is carried out in a reaction vessel having a size in the above range, there may be an advantage that the rate or ion exchange amount of the exchange of Li ions and Na ions can be controlled.

상기 이온 교환 공정을 실시한 후, 통상의 세척 및 건조 등의 공정을 실시할 수 있음은 물론이다.After performing the ion exchange process, it is a matter of course that ordinary washing and drying can be performed.

이어서, 이온 교환 공정을 실시하여 얻어진 생성물을 3차 열처리하여 상기 화학식 1의 양극 활물질을 제조한다. 상기 3차 열처리 공정은 150 내지 550℃에서 1 내지 24시간 동안 실시할 수 있다. 또한 3차 열처리 공정은 아르곤, 질소, 헬륨, 진공 등의 불활성 분위기 하에서 실시할 수 있다. 상기 3차 열처리 공정을, 이온 교환 공정을 실시하여 얻어진 생성물과 탄소 전구체를 혼합한 혼합물을 사용하여 실시할 수도 있다. 상기 탄소 전구체로는 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black), Super P 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 이온 교환 공정을 실시하여 얻어진 생성물과 탄소 전구체의 혼합 비율은 24 : 1 내지 2 : 1 중량비일 수 있다. Subsequently, the product obtained by performing the ion exchange process is subjected to tertiary heat treatment to prepare a cathode active material of Chemical Formula 1. The third heat treatment process may be performed for 1 to 24 hours at 150 to 550 ℃. In addition, the tertiary heat treatment step can be carried out in an inert atmosphere such as argon, nitrogen, helium, vacuum. The third heat treatment step may be performed using a mixture of a product obtained by performing an ion exchange step and a carbon precursor. As the carbon precursor, carbon black, acetylene black, ketjen black, Super P, or a combination thereof may be used. The mixing ratio of the product and the carbon precursor obtained by performing the ion exchange process may be a weight ratio of 24: 1 to 2: 1 .

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극 및 비수 전해질을 포함한다.Another embodiment of the present invention relates to a lithium secondary battery including the cathode active material. The lithium secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte.

상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. The positive electrode includes a current collector and a cathode active material layer formed on the current collector.

상기 양극 활물질 층에서, 양극 활물질로는 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 화학식 1의 화합물을 그대로 양극 활물질로 사용할 수도 있고, 상기 화학식 1의 화합물에 카본 코팅층이 형성된 것을 양극 활물질로 사용할 수도 있다. 상기 카본 코팅층은 상기 화학식 1의 화합물과 탄소 전구체를 기계적으로 12 내지 24시간 동안 혼합하여, 형성할 수 있다. 상기 탄소 전구체로는 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black), Super P 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 화학식 1의 화합물과 탄소 전구체의 혼합 비율은 19 : 1 내지 2 : 1 중량비일 수 있다. In the cathode active material layer, as the cathode active material, the compound of Formula 1 according to an embodiment of the present invention may be used as a cathode active material, or a carbon coating layer formed on the compound of Formula 1 may be used as a cathode active material. The carbon coating layer may be formed by mechanically mixing the compound of Formula 1 and the carbon precursor for 12 to 24 hours. As the carbon precursor, carbon black, acetylene black, ketjen black, Super P, or a combination thereof may be used. The mixing ratio of the compound of Formula 1 and the carbon precursor may be 19: 1 to 2: 1 weight ratio.

상기 양극 활물질 층에서 상기 양극 활물질의 함량은 양극 활물질 층 전체 중량에 대하여 70 내지 98 중량%일 수 있다.The amount of the cathode active material in the cathode active material layer may be 70 to 98 wt% based on the total weight of the cathode active material layer.

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

상기 양극 활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다. 이때, 상기 바인더 및 도전재의 함량은 양극 활물질 층 전체 중량에 대하여 각각 1 내지 15 중량%일 수 있다.The cathode active material layer also includes a binder and a conductive material. At this time, the content of the binder and the conductive material may be 1 to 15% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer, respectively.

상기 바인더로는 폴리비닐알콜, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the binder, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene and the like can be used. It is not.

상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 등을 사용할 수 있다. Examples of the conductive material include carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black and carbon fiber; Metal powders, such as copper, nickel, aluminum, and silver, etc. can be used.

상기 음극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성된 음극 활물질 층을 포함한다. 상기 전류 집전체로는 구리 박을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector. Copper foil may be used as the current collector, but is not limited thereto.

상기 음극 활물질 층의 음극 활물질로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 탄소계 물질이 일반적으로 사용될 수 있다. 이러한 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연과 같은 결정질 탄소, 또는 하드카본, 소프트카본과 같은 비정질 탄소를 사용할 수 있다. 물론 이들을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이러한 음극 활물질의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 95 내지 99 중량%일 수 있다.As the negative electrode active material of the negative electrode active material layer, a carbon-based material capable of intercalating / deintercalating lithium may be generally used. As the carbon-based material, crystalline carbon such as natural graphite or artificial graphite, or amorphous carbon such as hard carbon or soft carbon may be used. Of course, these can also be mixed and used. The content of the negative electrode active material may be 95 to 99% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer.

상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다. 상기 음극 활물질 층에서 바인더의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 1 내지 5 중량%일 수 있다. 또한 도전재를 더욱 포함하는 경우에는 음극 활물질을 90 내지 98 중량%, 바인더를 1 내지 5 중량%, 도전재를 1 내지 5 중량% 사용할 수 있다.The negative electrode active material layer also includes a binder, and optionally may further include a conductive material. The content of the binder in the negative electrode active material layer may be 1 to 5% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. In addition, when the conductive material is further included, 90 to 98 wt% of the negative electrode active material, 1 to 5 wt% of the binder, and 1 to 5 wt% of the conductive material may be used.

상기 바인더와 도전재는 양극에서 예시한 물질과 동일하므로, 음극에서의 설명은 생략하기로 한다.Since the binder and the conductive material are the same as the materials exemplified in the positive electrode, the description of the negative electrode will be omitted.

상기 양극과 음극은 활물질, 바인더, 선택적으로 도전재를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이를 전류 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 활물질 필름을 전류 집전체에 라미네이션하는 방법으로 제조할 수 있다.The positive electrode and the negative electrode are prepared by mixing an active material, a binder, and optionally a conductive material in a solvent to prepare an active material composition, and coating the active material directly on a current collector or casting it on a separate support and peeling the active material film from the support. It can be prepared by the method of lamination.

상기 리튬 이차 전지에서, 비수 전해질은 비수성 유기용매 및 리튬염을 포함한다.In the lithium secondary battery, the nonaqueous electrolyte includes a nonaqueous organic solvent and a lithium salt.

상기 비수성 유기용매로는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로퓨란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로퓨란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류 또는 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and γ-butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile or amides such as dimethylformamide may be used, but the present invention is not limited thereto. Moreover, these can be used individually or in combination of multiple. In particular, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a linear carbonate can be preferably used.

상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 1종 이상을 사용할 수 있다.Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF6, LiAlO 4 , LiAlCl 4 , One or more selected from the group consisting of LiCl and LiI can be used.

또한, 전지 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 더욱 사용할 수 있으며, 상기 세퍼레이터는 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하다. 세퍼레이터의 일 예로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.In addition, depending on the type of battery, a separator may be further used between the positive electrode and the negative electrode, and the separator may be used as long as it is commonly used in a lithium secondary battery. As an example of the separator, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or two or more multilayer films thereof may be used, and polyethylene / polypropylene two-layer separator, polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, polypropylene / polyethylene / poly It goes without saying that a mixed multilayer film such as a propylene three-layer separator can be used.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

* VOPO 4 분말의 합성 * Synthesis of VOPO 4 Powder

(제조예 1)(Production Example 1)

V2O5(Aldrich), NH4H2PO4(Junsei) 및 Super P를 건식-볼밀링(dry ball milling)으로 혼합하였다. 이때, V2O5와 NH4H2PO4의 몰 비율은 1 : 2 로 하였고, Super P의 첨가량은 V2O5와 NH4H2PO4의 총 중량 대비 7 중량 % 였다. 사용한 화합물의 정확한 양을 하기 표 1에 나타내었다.V 2 O 5 (Aldrich), NH 4 H 2 PO 4 (Junsei) and Super P were mixed by dry ball milling. At this time, the molar ratio of V 2 O 5 and NH 4 H 2 PO 4 was 1: 2, and the amount of Super P added was 7% by weight based on the total weight of V 2 O 5 and NH 4 H 2 PO 4 . The exact amount of compound used is shown in Table 1 below.

시약명Reagent Name 제조사manufacturer 화학식량(g/mol)Formula weight (g / mol) amount 질량(g)Mass (g) V2O5 V 2 O 5 AldrichAldrich 181.88181.88 0.05 moles0.05 moles 9.04949.0494 NH4H2PO4 NH 4 H 2 PO 4 JunseiJunsei 115.03115.03 0.1 moles0.1 moles 11.50311.503 Super PSuper P Alfa AesarAlfa Aesar 12.01112.011 7 중량 %7 weight% 1.441.44

얻어진 혼합물을 24시간 동안 건식 볼밀링한 후, 750℃의 온도로 공기 중에서 4시간 동안 열처리 하여 노란색의 VOPO4 분말(시편 S1)을 제조하였다. The resultant mixture was dry ball milled for 24 hours, and then heat treated in air at a temperature of 750 ° C. for 4 hours to prepare a yellow VOPO 4 powder (Sample S1).

제조된 시편 S1의 불순물 상을 CuKα선을 사용한 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 조사하였으며, 입자 크기는 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 분석하였다. 열처리 온도 및 측정된 존재하는 상과 입자 크기를 하기 표 2에 나타내었다.X-ray diffractometer (XRD) using CuKα rays as an impurity The particle size was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). The heat treatment temperature and measured present phase and particle size are shown in Table 2 below.

하기 표 2에 나타낸 목표 상은 VO6 육면체와 PO4 사면체로 이루어진 삼차원 구조를 가지는 β-VOPO4를 의미한다. The target phase shown in Table 2 means β-VOPO 4 having a three-dimensional structure consisting of VO 6 hexahedron and PO 4 tetrahedron.

시편Psalter 열처리 온도(℃)Heat treatment temperature (℃) 존재하는 상(목표상)Present prize (goal award) 입자 크기(㎛)Particle Size (μm) S1S1 750750 β-, γ-, ε-VOPO4,
VOPO4?H2O, V(PO3)3
β-, γ-, ε-VOPO 4 ,
VOPO 4- H 2 O, V (PO 3 ) 3
5-205-20

또한, 상기 시편 S1의 X-선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진을 도 2와 도 3에 각각 나타내었다. In addition, X-ray diffraction patterns and scanning electron micrographs of the specimen S1 are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

상기 표 2와, 도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이, 시편에 γ-, ε-VOPO4 등의 여러 가지 VOPO4 상의 동질이상과 VOPO4?H2O, V(PO3)3와 같은 불순물이 존재함을 알 수 있다. And Table 2, Figure 2 and as shown in Figure 3, the specimen γ-, ε-polymorph VOPO 4, etc. on the number of VOPO 4 and VOPO 4? H 2 O, V (PO 3) impurities, such as 3 It can be seen that this exists.

* Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 분말의 합성 * Synthesis of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 Powder

(제조예 2)(Production Example 2)

상기 제조예 1에서 제조된 VOPO4(시편 S1) 및 NaF(Aldrich)를 혼합하였다. 이때, 상기 VOPO4 및 NaF의 혼합 몰비는 1 : 1.1로 하였다. 이때, 사용된 화합물의 정확한 양을 하기 표 3에 나타내었다.VOPO 4 (Sample S1) and NaF (Aldrich) prepared in Preparation Example 1 were mixed. At this time, the mixing molar ratio of the VOPO 4 and NaF was 1: 1.1. At this time, the exact amount of the compound used is shown in Table 3 below.

시약명Reagent Name 제조사manufacturer 화학식량(g/mol)Formula weight (g / mol) amount 질량(g)Mass (g) VOPO4 VOPO 4 시편 S1Psalm S1 161.9161.9 0.0243 moles0.0243 moles 3.9693.969 NaF NaF AldrichAldrich 41.98841.988 0.0267 moles0.0267 moles 1.1321.132

상기 혼합물을 펠렛으로 제조하여 750℃의 온도로 아르곤 분위기에서 1.5시간 동안 열처리하여, 초록색의 Na1 .5VOPO4F0 .5 분말(시편 S2)을 합성하였다.The mixture was prepared into pellets by heating at a temperature of 750 ℃ in an argon atmosphere for 1.5 hours, it was synthesized Na 1 .5 VOPO 4 F 0 .5 powder (sample S2) of green.

얻어진 제조예 2의 분말을 CuKα선을 사용한 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 조사하였으며, 입자 크기는 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 분석하였다. 열처리 온도 및 측정된 존재하는 상과 입자 크기를 하기 표 4에 나타내었다.The powder of Preparation Example 2 was investigated using an X-ray diffractometer (XRD) using CuKα rays, and the particle size was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). The heat treatment temperature and the measured phase and particle size are shown in Table 4 below.

하기 표 4에 나타낸 목표 상은 VO5F 육면체와 PO4 사면체로 이루어진 삼차원 구조를 가지는 Na1.5VOPO4F0.5를 의미한다.The target phase shown in Table 4 means Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 having a three-dimensional structure consisting of VO 5 F hexahedron and PO 4 tetrahedron.

시편Psalter VOPO4 : NaF 몰비VOPO 4 : NaF molar ratio 열처리
온도 (℃)
Heat treatment
Temperature (℃)
존재하는 상(목표상)Present prize (goal award) 입자 크기
(㎛)
Particle size
(Μm)
S2S2 1 : 1.11: 1.1 750750 Na1.5VOPO4F0.5, Na1.5VOPO4F1.5 Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 1.5 VOPO 4 F 1.5 1-21-2

상기 시편 S2의 리트벨트 방법으로 정련된 X-선 회절 패턴과 중성자 회절 패턴을 도 4와 도 5에 각각 나타내었다. 상기 Na1 .5VOPO4F0 .5 구조를 리트벨트 정련(Rietveld refinement) 하기 위하여 사용된 결정계(crystal system)는 정방정계(tetragonal)였고, 공간군(space group)은 I4/mmm을 사용하였다. 표 4와 도 4 내지 5를 참조하면, 약간의 불순물상 Na1.5VOPO4F1.5을 제외하고는 대부분 순수한 목표상 Na1.5VOPO4F0.5이 존재하는 것을 알 수 있다. 리트벨트 방법을 통하여 계산한 격자 상수는 a = b = 6.38 Å, c = 10.63Å였다. 이 값은 기존에 보고된 물질의 격자 상수와 거의 비슷한 것으로 보아 목표 상이 잘 만들어졌음을 알 수 있다.The X-ray diffraction pattern and the neutron diffraction pattern refined by the Rietveld method of the specimen S2 are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. The VOPO 4 F Na 1 0.5 0 0.5 The structure was crystalline (crystal system) is a tetragonal system (tetragonal) used to Rietveld refinement (Rietveld refinement), space group (space group) is using the I 4 / mmm It was. Referring to Table 4 and Figures 4 to 5, except for some impurity phase Na 1.5 VOPO 4 F 1.5 it can be seen that the pure target phase Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 is present. The lattice constants calculated by the Rietveld method were a = b = 6.38 Å and c = 10.63 Å. This value is almost similar to the lattice constant of the previously reported material, indicating that the target phase is well formed.

이 결과로부터, 출발 물질로 사용한 VOPO4 내, β-VOPO4이 내 일정 비율 이상 (최소 40 중량% 이상) 존재하면, VOPO4 내 동질이상(α-, γ-, δ-, ε-VOPO4)이 존재하더라도, 나트륨과 불소 원소를 첨가해 합성한 최종 목표 상(Na1.5VOPO4F0.5)의 순도에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.From this result, when the inside VOPO 4, β-VOPO 4 used as starting material is present in more than a certain percentage (at least 40% by weight or more), VOPO 4 within the polymorph (α-, γ-, δ-, ε-VOPO 4 ), It does not affect the purity of the final target phase (Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 ) synthesized by the addition of sodium and fluorine elements.

또한, 상기 시편 S2의 주사전자현미경 사진을 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 제조된 Na1.5VOPO4F0.5의 입자크기는 1-2 ㎛라는 것을 알 수 있다.In addition, a scanning electron micrograph of the specimen S2 is shown in FIG. 6. Referring to Figure 6, it can be seen that the particle size of the prepared Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 is 1-2 ㎛.

* Na1.5VOPO4F0.5 분말의 건식 카본 코팅(dry carbon coating)* Dry carbon coating of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 powder

(제조예 3)(Production Example 3)

상기 제조예 2에서 제조된 Na1.5VOPO-4F0.5 분말로 전극을 제조하기에 앞서, 전기전도도를 향상시키기 위해 건식 카본 코팅을 실시하였다. 이때, 상기 Na1.5VOPO-4F0.5 분말 및 슈퍼 P의 혼합 중량비는 80 : 20으로 하였다. 이때, 사용된 물질의 정확한 양을 하기 표 5에 나타내었다.Prior to preparing the electrode with Na 1.5 VOPO- 4 F 0.5 powder prepared in Preparation Example 2, a dry carbon coating was performed to improve electrical conductivity. At this time, the mixing weight ratio of the Na 1.5 VOPO- 4 F 0.5 powder and Super P was 80:20. At this time, the exact amount of the material used is shown in Table 5 below.

시약명Reagent Name 제조사manufacturer 질량(g)Mass (g) Na1.5VOPO-4F0.5 Na 1.5 VOPO- 4 F 0.5 제조예 2Production Example 2 1.61.6 Super PSuper P Alfa AesarAlfa Aesar 0.40.4

상기 혼합물을 24 시간 동안 용매 없이 볼밀링한 후, 24시간 동안 볼과 함께 추가로 체질(sieving)한 후, 추가로 6시간 동안 체질하여 볼과 분말을 분리하여 카본 코팅된 Na1.5VOPO-4F0.5 분말(시편 S3)을 얻었다.The mixture was ball milled for 24 hours without solvent, followed by an additional sieving with the balls for 24 hours, followed by an additional 6 hours to separate the balls and the powders to form a carbon coated Na 1.5 VOPO- 4 F. 0.5 powder (Sample S3) was obtained.

얻어진 제조예 3의 분말을 CuKα선을 사용한 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 조사하였으며, 입자 형태는 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 분석하였다. 건식 카본 코팅을 거치기 전의 시편 S2와 건식 카본 코팅을 거친 후의 시편 S3의 X-선 회절 패턴을 비교하여 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조하면, 건식 카본 코팅 과정에서 별다른 구조변형이 없었음을 알 수 있다. The powder of Preparation Example 3 was investigated using an X-ray diffractometer (XRD) using CuKα rays, and the particle shape was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). The X-ray diffraction patterns of the specimen S2 before the dry carbon coating and the specimen S3 after the dry carbon coating are compared, and are shown in FIG. 7. Referring to Figure 7, it can be seen that there was no significant structural deformation in the dry carbon coating process.

상기 시편 S3의 주사전자현미경 사진을 도 8에 나타내었다. 도 8을 참조하면 제조예 3의 시편 S3와 카본(Super P)이 고르게 혼합되어 있는 것으로 보아 상기 건식 카본 코팅이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
A scanning electron micrograph of the specimen S3 is shown in FIG. 8. Referring to FIG. 8, it can be seen that the dry carbon coating was successful because the specimen S3 of Preparation Example 3 and carbon (Super P) are evenly mixed.

* Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 분말의 합성 * Synthesis of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 Powder

(실시예 1) (Example 1)

상기 제조예 2에서 제조된 Na1.5VOPO-4F0.5 분말과 LiBr을 혼합하고, 이 혼합물을, 1-헥산올이 하기 표 6에 나타낸 양으로 채워져있는 50ml 크기의 원형 플라스크에 넣었다. 이때, 상기 LiBr의 사용량은, 리튬 이온이 Na1.5VOPO-4F0.5 화학식 내의 나트륨 이온 몰 수의 10배가 되도록 하였고, 용매의 사용량은 최종 용액의 몰 농도가 5M LiBr 용액이 될 수 있도록 사용하였다. 사용된 화합물의 정확한 양을 하기 표 6에 나타내었다.Na 1.5 VOPO- 4 F 0.5 powder prepared in Preparation Example 2 was mixed with LiBr, and the mixture was placed in a 50 ml round flask filled with 1-hexanol in the amount shown in Table 6 below. In this case, the amount of LiBr was used so that the lithium ion was 10 times the number of moles of sodium ions in the Na 1.5 VOPO- 4 F 0.5 formula, and the amount of the solvent was used such that the molar concentration of the final solution was 5M LiBr solution. The exact amount of compound used is shown in Table 6 below.

시약명Reagent Name 제조사manufacturer 화학식량(g/mol)Formula weight (g / mol) amount 질량(g)Mass (g) Na1.5VOPO4F0.5 Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 제조예 2Production Example 2 206206 0.00971 moles0.00971 moles 22 LiBrLiBr AldrichAldrich 86.8586.85 0.14563 moles0.14563 moles 12.64712.647 1-헥산올1-hexanol AldrichAldrich 102.17102.17 29.13 mL29.13 mL N/AN / A

환류(reflux) 하에서, 상기 원형 플라스크를 160℃로 가열하고, 이 온도를 15시간 동안 유지하여, 화학적 Na+/Li+ 이온 교환(ion-exchange)을 실시하여, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 (x는 약 1임) 분말을 합성하였다. Under reflux, the circular flask was heated to 160 ° C. and maintained at this temperature for 15 hours to effect chemical Na + / Li + ion-exchange, resulting in Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 (x is about 1) powder was synthesized.

이온교환 공정이 끝난 뒤, 얻어진 생성물을 원심 분리하여 얻은 후, 이를 메탄올과 2차 증류수로 각각 3번 세척하였다. After the ion exchange process was completed, the obtained product was obtained by centrifugation, which was washed three times with methanol and secondary distilled water, respectively.

세척하여 얻어진 분말을 200℃에서 10시간 동안 아르곤 분위기 하에서 건조하여, 용매 등을 제거하고 순수한 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 (x는 약 1임) 분말을 얻었다.The powder obtained by washing was dried under argon atmosphere at 200 ° C. for 10 hours to remove the solvent and the like to obtain pure Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 (x is about 1) powder.

상기 실시예 1에 따라 제조된 생성물(시편 S4)의 화학적 조성을 유도결합 플라즈마 원자 방출 분광기(ICP-AES)를 사용하여 조사하여, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 표 7을 참조하면, 약 1개의 Na+ 이온이 Li+ 이온으로 교환된 것을 알 수 있다. 또한, 상기 시편 S4의 결정 구조를 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 분석하여, 그 결과를 화학적 Na+/Li+ 이온 교환을 하기 전의 시편 S2의 X-선 회절 패턴과 비교하여 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면, 약 1개의 Na+ 이온이 Li+ 이온으로 교환된 후에도 전체 결정 구조가 크게 변형되지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 격자 상수는 상기 X-선 회절기를 사용하여 얻어진 X-선 회절 패턴에 Rietveld 정련법(Rietveld refinement method)을 사용하여 계산하였으며, 그 결과 얻어진 격자상수는 a = b = 6.36Å, c = 10.54Å였다. 세 가지 격자 상수 a, b, c가 모두 제조예 2의 시편 S2에 비해서 감소한 것을 알 수 있다. 이것은 Li+의 이온반경이 Na+의 이온반경에 비해 작기 때문이다.The chemical composition of the product prepared according to Example 1 (Sample S4) was investigated using an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES), and the results are shown in Table 7 below. Referring to Table 7, it can be seen that about one Na + ion is exchanged for Li + ion. In addition, the crystal structure of the specimen S4 was analyzed using an X-ray diffractometer (XRD), and the results were compared with the X-ray diffraction pattern of the specimen S2 before chemical Na + / Li + ion exchange. Shown in Referring to FIG. 9, it can be seen that even after about one Na + ion is exchanged with Li + ion, the overall crystal structure is not significantly modified. In addition, the lattice constant was calculated using the Rietveld refinement method to the X-ray diffraction pattern obtained using the X-ray diffractometer, the resulting lattice constant is a = b = 6.36 Å, c = 10.54 Å. It can be seen that all three lattice constants a, b, and c were reduced compared to specimen S2 of Preparation Example 2. This is because the ion radius of Li + is smaller than the ion radius of Na + .

한편, 입자의 형태 및 크기와 구조 분석을 위해 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 사용하였다. 상기 시편 S4의 주사전자현미경 사진을 도 10에 나타내었고, 투과전자현미경을 사용하여 얻은 명시야 상(bright-field image)과 제한시야 회절상(selected area diffraction pattern)을 도 11과 도 12에 각각 나타내었다. 도 10과 도 11을 참조하면, 제조된 LiNa0.5VOPO4F0.5의 입자크기는 1-2㎛라는 것을 알 수 있다. 도 12을 참조하면, 전형적인 단결정의 회절 패턴을 나타내는 것으로 보아 도 12의 각각의 입자는 모두 단결정임을 알 수 있다. 또한, 정방정계를 사용하여 회절점들의 지수를 쉽게 매길 수 있으므로, 상기 입자들은 우수한 결정성의 정방정계 구조라는 것을 알 수 있다.Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) were used to analyze the shape, size and structure of the particles. The scanning electron micrograph of the specimen S4 is shown in FIG. 10, and the bright-field image and the selected area diffraction pattern obtained using the transmission electron microscope are shown in FIGS. 11 and 12, respectively. It was. 10 and 11, it can be seen that the particle size of the prepared LiNa 0.5 VOPO 4 F 0.5 is 1-2㎛. Referring to FIG. 12, it can be seen that each particle of FIG. 12 is a single crystal because it shows a diffraction pattern of a typical single crystal. In addition, since the tetragonal system can be used to easily index the diffraction points, it can be seen that the particles have a tetragonal structure of excellent crystallinity.

시편Psalter 반응온도
(℃)
Reaction temperature
(℃)
반응물
질량(g)
Reactant
Mass (g)
반응용기
(ml)
Reaction vessel
(ml)
반응시간
(h)
Reaction time
(h)
생성물의 조성Composition of the product
실시예 1Example 1 S4S4 160160 36.6236.62 250250 1515 Li0.86Na0.54VOPO4F0.5 Li 0.86 Na 0.54 VOPO 4 F 0.5

* Na x VOPO 4 F 0 .5 분말의 합성 * Na x VOPO 4 F 0 .5 Synthesis of powder

(제조예 4 내지 7)(Production Examples 4 to 7)

상기 제조예 2에서 제조된 Na1.5VOPO-4F0.5 분말을 NO2BF4(Alfa Aesar) 산화제와 혼합하고, 이 혼합물을 아세토니트릴(Aldrich) 용매와 함께 밀폐 가능한 용기에 담았다. NO2BF4 산화제가 수분에 민감하므로, 모든 과정은 아르곤이 채워진 글로브 박스에서 실시하였다. 상기 산화제의 사용량은 하기 표 8에 나타낸 것과 같이, Na1.5VOPO4F0.5 1몰에 대하여 0.25 내지 1몰을 사용하였다. 또한, 아세토니트릴의 사용량은 Na1.5VOPO4F0.5의 양을 기준으로 결정하였다. 예를 들면, 1g의 Na1.5VOPO4F0.5 분말 당 300 mL의 아세토니트릴을 사용하였다. Na 1.5 VOPO- 4 F 0.5 powder prepared in Preparation Example 2 was mixed with NO 2 BF 4 (Alfa Aesar) oxidizing agent, and the mixture was placed in a sealable container with acetonitrile (Aldrich) solvent. Since the NO 2 BF 4 oxidant was sensitive to moisture, all procedures were carried out in a glove box filled with argon. As used amount of the oxidizing agent, 0.25 to 1 mole was used per 1 mole of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 as shown in Table 8 below. In addition, the amount of acetonitrile used was determined based on the amount of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 . For example, 300 mL of acetonitrile per 1 g of Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 powder was used.

상기 혼합물을 60℃의 온도에서 300rpm의 속도로 교반하여, 화학적 산화 반응을 야기하였다. 이어서, 15시간 후에 상기 혼합물을 원심 분리한 뒤 깨끗한 아세토니트릴, 에탄올, 2차 증류수로 각각 2번씩 총 6번 세척하였다. 그 후, 상기 수득된 분말을 진공 오븐에서 여러 시간 동안 70℃로 건조하여, 목적 생성물인 NaxVOPO4F0.5(0.5 ≤ x ≤ 1.5) 화합물(표 8의 제조예 4 내지 7)을 얻었다.The mixture was stirred at a rate of 300 rpm at a temperature of 60 ° C., causing a chemical oxidation reaction. Subsequently, after 15 hours, the mixture was centrifuged and washed six times, each with clean acetonitrile, ethanol, and second distilled water. Thereafter, the obtained powder was dried at 70 ° C. for several hours in a vacuum oven to obtain Na x VOPO 4 F 0.5 (0.5 ≦ x ≦ 1.5) compound (Preparation Examples 4 to 7 of Table 8) as a desired product.

상기 제조예 4 내지 7에 따라 제조된 목적 생성물의 화학적 조성은 유도결합 플라즈마 원자 방출 분광기(ICP-AES)를 사용하여 조사하여, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다. 또한, 제조된 목적 생성물의 결정 구조는 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 분석하여, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 격자 상수는 상기 X-선 회절기를 사용하여 얻어진 X-선 회절 패턴에 리트벨트 정련법(Rietveld refinement method)을 사용하여 계산하여, 하기 표 8에 나타내었다.The chemical composition of the desired product prepared according to Preparation Examples 4 to 7 was investigated using an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES), and the results are shown in Table 8 below. In addition, the crystal structure of the desired product was analyzed using an X-ray diffractometer (XRD), and the results are shown in FIG. 8. The lattice constant is calculated by using the Rietveld refinement method on the X-ray diffraction pattern obtained using the X-ray diffractometer, and is shown in Table 8 below.

시편Psalter NO2BF4와 Na1.5VOPO4F0.5
의 몰 비율
NO 2 BF 4 with Na 1.5 VOPO 4 F 0.5
Molar ratio
생성물의 조성Composition of the product a(Å)a (Å) c(Å)c (Å) V(Å)V (Å)
제조예 2Production Example 2 S2S2 0 : 10: 1 Na1.50VOPO4F0.5 Na 1.50 VOPO 4 F 0.5 6.3806.380 10.63010.630 432.69432.69 제조예 4Production Example 4 S5S5 0.25 : 10.25: 1 Na1.23VOPO4F0.5 Na 1.23 VOPO 4 F 0.5 6.3076.307 10.70910.709 425.99425.99 제조예 5Production Example 5 S6S6 0.50 : 10.50: 1 Na0.93VOPO4F0.5 Na 0.93 VOPO 4 F 0.5 6.2986.298 10.72410.724 425.37425.37 제조예 6Production Example 6 S7S7 0.75 : 10.75: 1 Na0.77VOPO4F0.5 Na 0.77 VOPO 4 F 0.5 6.2936.293 10.74010.740 425.32425.32 제조예 7Preparation Example 7 S8S8 1.00 : 11.00: 1 Na0.62VOPO4F0.5 Na 0.62 VOPO 4 F 0.5 6.2926.292 10.74510.745 425.31425.31

표 8을 참조하면, Na1 .5VOPO4F0 .5 구조 내의 Na 함량이 감소할수록 격자상수 a는 감소하며 격자상수 c는 증가하고 셀 부피 V는 감소함을 알 수 있다. 또한 도 13을 참조하면, 기존 픽(peak)의 연속적인 위치 변화만 있고 새로운 픽이 나타나지 않는 것으로 보아 단일 상 반응(one-phase reaction)을 할 것이라 예측할 수 있다.Referring to Table 8, as the Na 1 .5 VOPO 4 F 0 .5 reduce the Na content in the lattice constant a decreases and the lattice constant c can be increased to see that the cell volume V is reduced. Referring to FIG. 13, it can be predicted that a one-phase reaction will be performed since only a continuous position change of an existing peak and no new pick appear.

또한 실시예 1의 Li0.86Na0.54VOPO4F0.5(시편 S4)의 셀 부피는 426.34Å3이고, 제조예 7의 Na0.62VOPO4F0.5(시편 S8)의 셀 부피는 425.31Å3이므로, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 구조의 충방전 동안의 부피 변화는 약 2-3 % 정도라는 사실을 알 수 있다. 이 정도의 부피 변화는 타 양극 물질과 비교해 볼 때, 매우 작은 수준이다. 충방전 동안의 부피 변화가 작으면 구조의 응력 변형(strain)도 그만큼 작을 것이기 때문에, 더 우수한 수명특성을 기대할 수 있다는 점에서 큰 이점이 있다.
In addition, the cell volume of Li 0.86 Na 0.54 VOPO 4 F 0.5 (Sample S4) of Example 1 was 426.34 n 3, and the cell volume of Na 0.62 VOPO 4 F 0.5 (Sample S8) of Preparation Example 7 was 425.31 n 3 , It can be seen that the volume change during charge and discharge of the x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 structure is about 2-3%. This volume change is very small compared to other anode materials. If the volume change during charge and discharge is small, the stress strain of the structure will be so small, and thus, there is a big advantage in that better life characteristics can be expected.

실험예 1: LiExperimental Example 1: Li xx NaNa 1.5-x1.5-x VOPOVOPO 44 FF 0.50.5 의 또는 NaOf or Na yy VOPOVOPO 44 FF 0.50.5 의 열적 안정성 평가Thermal stability evaluation

실시예 1에서 제조된 상기 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 열적 안정성(thermal stability)을 열중량분석법(TGA, SETARAM사 제품, 프랑스)으로 분석하였다. 실험은 아르곤 분위기에서 진행하였으며, 상온(25℃)에서 600℃까지 10℃ min-1의 승온 속도로 측정하였다. The thermal stability of the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen (S4) prepared in Example 1 was analyzed by thermogravimetric analysis (TGA, product of SETARAM, France). The experiment was carried out in an argon atmosphere, and measured at an elevated temperature rate of 10 ° C. min −1 from room temperature (25 ° C.) to 600 ° C.

상기 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 열중량분석 결과를 도 14에 나타내었다. 도 14를 보면, 아르곤 분위기 하에서 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편은 600℃까지 열중량 손실이 거의 없는 것으로 보아 600℃까지 열적으로 안정함을 알 수 있다.
The thermogravimetric analysis of the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen (S4) is shown in FIG. 14. Referring to FIG. 14, it can be seen that Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen has little thermal weight loss up to 600 ° C. under argon atmosphere, and thus is thermally stable up to 600 ° C. FIG.

실험예 2: LiExperimental Example 2: Li xx NaNa 1.5-x1.5-x VOPOVOPO 44 FF 0.50.5 의 열적 상 안정성 평가Evaluation of Thermal Phase Stability

상기 실시예 1에서 제조된 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편(S4)의 열적 상 안정성(thermal phase stability)을 평가하기 위하여, 온도를 상온(25 ℃)에서 700 ℃까지 올리면서 상기 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편의 X-선 회절 패턴을 200℃, 400℃, 550℃, 600℃, 650℃ 및 700℃에서 측정하여 얻었다. 상기 온도에 따른 X-선 회절 패턴의 변화 양상을 도 15에 나타내었다. 도 15를 참조하면, 상기 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 시편은 550℃까지 구조적으로 안정하며, 그 보다 높은 온도에서는 리튬 상과 나트륨 상으로 서서히 상 분리가 일어나는 것을 알 수 있다. In order to evaluate the thermal phase stability of the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen (S4) prepared in Example 1, the temperature is raised from room temperature (25 ℃) to 700 ℃ X -ray diffraction patterns of x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimens were obtained at 200, 400, 550, 600, 650 and 700 ° C. The change of the X-ray diffraction pattern with temperature is shown in FIG. 15. Referring to FIG. 15, the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 specimen is structurally stable up to 550 ° C., and at higher temperatures, phase separation may gradually occur into the lithium and sodium phases.

이를 통해서, LixNa1.5-xVOPO4F0.5는 저온상(low temperature phase)이거나, 준-안정상(meta-stable phase)이라는 것을 알 수 있다. 이러한 결과에 따라, 즉 LixNa1.5-xVOPO4F0.5는 550℃ 이상의 고온에서는 구조적으로 안정하지 않기 때문에, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 물질을 실시예 1 이외의 방법, 즉, 고상법(solid-state reaction) 또는 졸-겔법(sol-gel method) 등의 일반적인 고온 합성법(열처리 온도가 약 600℃ 이상임)을 통해서는 합성하기 어렵다는 사실을 뒷받침한다.
Through this, it can be seen that Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 is a low temperature phase or a meta-stable phase. According to these results, ie Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 is not structurally stable at high temperatures above 550 ° C., the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 material is prepared in a manner other than Example 1, namely The general high temperature synthesis method (heat treatment temperature of about 600 ° C. or more) such as solid-state reaction or sol-gel method supports the fact that it is difficult to synthesize.

실험예 3: LiExperimental Example 3: Li xx NaNa 1.5-x1.5-x VOPOVOPO 44 FF 0.50.5 의 전기전도도(교류와 직류) 측정Measurement of electrical conductivity (AC and DC)

상기 실시예 1에서 제조된 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 분말(시편 S4)에 400 kgcm-2의 단축 압력을 가하여 15 mm 의 직경과 1-2 mm 의 두께를 가지는 펠렛을 제조하였다. A pellet having a diameter of 15 mm and a thickness of 1-2 mm was prepared by applying a uniaxial pressure of 400 kgcm -2 to the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 powder (Sample S4) prepared in Example 1.

상기 펠렛을 180 초 동안 2,300 bar의 압력으로 냉간 등방압 성형기(Cold Isostatic Press, C.I.P.)를 사용하여 치밀화하였다. 치밀화하여 얻어진 펠렛은 소결 과정을 실시하지 않았음에도, 66%의 다짐도(compactness)를 나타내었다.The pellet was densified using a cold isostatic press (C.I.P.) at a pressure of 2,300 bar for 180 seconds. The pellet obtained by densification showed compactness of 66% even though the sintering process was not performed.

상기 펠렛을 사용하여 하기 방법으로 전기전도도를 측정하였다.Using the pellet, the electrical conductivity was measured by the following method.

상기 펠렛의 양쪽 면에 백금(Pt) 스퍼터링(sputtering)을 통해 100 nm 의 두께로 이온 차단 전극(ionically blocking electrode)을 증착하였다.On both sides of the pellet, ionically blocking electrodes were deposited to a thickness of 100 nm through platinum (Pt) sputtering.

상기 이온 차단 전극이 형성된 펠렛에 1.3MHz 내지 0.01 Hz의 주파수를 사용하여 기록하였고, 1 V의 전압 섭동(perturbation)을 사용하는 교류 임피던스 분광법(a.c. impedance spectroscopy)을 통하여, 교류 임피던스를 1255 HF frequency response analyzer 와 SI 1287 electrochemical interface(Solatron mobrey, Berks, 영국)의 조합과 정전압/정전류 측정기(WonA Tech, WBCS 3000, 한국)를 사용하여 40℃, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃ 및 160℃에서 측정하였다. 측정된 교류 임피던스 결과를 도 16에 나타내었다. The ion blocking electrode was recorded using a frequency of 1.3 MHz to 0.01 Hz, and the AC impedance was measured using an AC impedance spectroscopy using 1 V voltage perturbation. Combination of analyzer and SI 1287 electrochemical interface (Solatron mobrey, Berks, UK) and constant voltage / constant current meter (WonA Tech, WBCS 3000, Korea) using 40 ℃, 60 ℃, 80 ℃, 100 ℃, 120 ℃, 140 ℃ And at 160 ° C. The measured AC impedance results are shown in FIG. 16.

또한, 상기 이온 차단 전극이 형성된 펠렛을 0 V 내지 5 V 로 분극시킴으로써 직류 전기전도도를 측정하였다. 상기 분극이 이루어진 직후의 초기 전류 값은 이온과 전자의 모든 전하 운반체의 기여가 섞여있으며, 초기 전류 값은 시간에 따라 감소한다. 전류 값이 정상상태(steady-state)에 도달한 후의 전류 값은 오직 전자에 의한 기여만 남게 된다. 상기 정상상태에서의 전류 값을 iss라 정의한다. 분극전압(V)에 따른 정상상태 전류값(iss)을 나타내는 iss-V 곡선은 옴의 법칙(Ohm's law)에 따라 선형이 되며, 이때, 상기 iss-V 곡선의 기울기로부터 직류 전기 전도도(electronic conductivity)를 구하였다.In addition, direct current conductivity was measured by polarizing the pellet having the ion blocking electrode formed at 0 V to 5 V. The initial current value immediately after the polarization is mixed with the contribution of all charge carriers of ions and electrons, and the initial current value decreases with time. After the current reaches steady-state, the current remains only the contribution from the electrons. The current value in the steady state is defined as i ss . The i ss -V curve representing the steady-state current value (i ss ) according to the polarization voltage (V) is linear according to Ohm's law, where DC electrical conductivity from the slope of the i ss -V curve (electronic conductivity) was obtained.

상기 직류 전기 전도도는 1255 HF frequency response analyzer 와 SI 1287 electrochemical interface(Solatron mobrey, Berks, 영국)의 조합과 정전압/정전류 측정기(WonA Tech, WBCS 3000, 한국)를 사용하여 40℃, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃ 및 160℃에서 측정하였다. 그 결과를 도 17에 나타내었다. The DC electrical conductivity was measured using a combination of a 1255 HF frequency response analyzer and an SI 1287 electrochemical interface (Solatron mobrey, Berks, UK) and a constant voltage / constant current meter (WonA Tech, WBCS 3000, Korea). It measured at 100 degreeC, 120 degreeC, 140 degreeC, and 160 degreeC. The results are shown in FIG.

한편, 교류 임피던스전도도와 직류 전도도에 대한 활성화 에너지(activation energy)는 온도에 따른 교류 전도도와 직류 전도도의 변화를 나타낸 log(σT)-1/T 곡선의 기울기를 계산하여 구하였다. 이때, 상기 log(σT)-1/T 곡선은 일차함수이며, 주어진 데이터에 선형 회귀 법(linear regression method)을 사용하여 구한 회귀곡선이다. 상기 곡선의 기울기는 식 σT = σ0 exp(-Ea/(kBT))에 따라 -(Ea/kB)가 되므로, 여기서 활성화 에너지 Ea 값을 구하였다. 상온(25 ℃)에서의 교류 임피던스 및 직류 전기전도도 값은 상기 회귀곡선을 25 ℃로 외삽(extrapolation)하여 얻었다. 그 결과를 도 18에 나타내었다.On the other hand, the activation energy for AC impedance and DC conductivity was calculated by calculating the slope of the log (σT) -1 / T curve showing the change of AC conductivity and DC conductivity with temperature. In this case, the log (σT) -1 / T curve is a linear function and is a regression curve obtained by using a linear regression method on given data. Since the slope of the curve becomes − (E a / k B ) according to the equation σ T = σ 0 exp (−E a / (k B T)), the activation energy E a value was obtained here. AC impedance and direct current conductivity at room temperature (25 ° C.) were obtained by extrapolating the regression curve to 25 ° C. The results are shown in FIG.

또한, 측정된 교류 전도도와 상온에서의 활성화 에너지를 하기 표 9에 나타내었다. In addition, measured AC conductivity and activation energy at room temperature are shown in Table 9 below.

하기 표 9와, 도 16 내지 도 18을 참조하면, 상기 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 분말의 전기전도도는 기존의 다른 리튬이차전지용 양극 활물질과 비교하였을 때, 산화물 계열 양극물질들(LiCoO2, LiMn2O4)의 전기전도도에 비해서는 낮은 수준이지만 다중 음이온계 양극물질들(LiFePO4, LiFeSO4F)의 전기전도도에 비해서는 상당히 높은 수준임을 알 수 있다. 또한 하기 표 9에 나타낸 것과 같이, 활성화 에너지가 낮으므로, 리튬 확산이 쉬워져 빠르게 이동할 수 있는, 즉 활성화 에너지 특성이 기존의 다른 리튬이차전지용 양극 활물질에 비해 훨씬 더 우수한 것을 알 수 있다. Referring to Table 9 and FIGS. 16 to 18, the electrical conductivity of the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 powder is compared with other cathode active materials for conventional lithium secondary batteries. 2 , LiMn 2 O 4 ) It is a low level compared to the electrical conductivity of the polyanionic cathode materials (LiFePO 4 , LiFeSO 4 F), but the level is considerably higher. In addition, as shown in Table 9, since the activation energy is low, it can be seen that the lithium diffusion is easy to move quickly, that is, the activation energy characteristics are much superior to other conventional cathode active material for lithium secondary batteries.

양극 활물질Positive electrode active material 25℃ 에서의 교류 전도도 (S cm-1)AC Conductivity at 25 ℃ (S cm -1 ) 활성화 에너지 (eV)Activation energy (eV) 실시예 1 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 Example 1 Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 2.8 X 10-7 2.8 X 10 -7 0.1560.156 Na1.5VOPO4F0.5 1) Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 1) 1.8 X 10-7 1.8 X 10 -7 0.430.43 LiFePO4 2) LiFePO 4 2) ~ 10-9 To 10 -9 0.60.6 LiFeSO4F 3) LiFeSO 4 F 3) 7 X 10-11 7 X 10 -11 0.990.99 LiMn2O4 4) LiMn 2 O 4 4) ~ 10-5 To 10 -5 0.40.4 LiCoO2 5) LiCoO 2 5) ~ 10-3 To 10 -3 0.160.16

상기 표 9에서, 1) 내지 5)는 하기 논문에 발표된 결과를 기재한 것이다.In Table 9, 1) to 5) describe the results published in the following paper.

1) Na1.5VOPO4F0.5: F. Sauvage et al., Solid State Sciences, 8 (2006)Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 : F. Sauvage et al., Solid State Sciences , 8 (2006)

2) LiFePO4: C. Delacourt et al., J. Electrochem. Soc., 152 (2005)2) LiFePO 4 : C. Delacourt et al., J. Electrochem. Soc ., 152 (2005)

3) LiFeSO4F: N. Recham et al., Nat. Mater., 9 (2010) 3) LiFeSO 4 F: N. Recham et al., Nat. Mater ., 9 (2010)

4) LiMn2O4: J. Molenda et al., Solid State Ionics, 171 (2004)4) LiMn 2 O 4 : J. Molenda et al., Solid State Ionics , 171 (2004)

5) LiCoO2: H. Tukamoto and A. R. West, J. Electrochem. Soc., 144 (1997) 또는 M. Menetrier et al., J. Mater. Chem., 9 (1999)5) LiCoO 2 : H. Tukamoto and AR West, J. Electrochem. Soc ., 144 (1997) or M. Menetrier et al., J. Mater. Chem ., 9 (1999)

아울러, 상기 Na1.5VOPO4F0.5(F. Sauvage et al., Solid State Sciences, 8 (2006)), Li1.5VOPO4F0.5 및 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 절대온도 0K에서의 활성화 에너지를 제일계산법(first principle calculations)를 이용하여, NEB(Nudged Elastic Band Theory) 방법으로 측정하여 그 결과를 도 19 내지 도 21에 각각 나타내었다. 또한, 비교를 위하여, 도 20과 도 21의 결과를 병합하여 도 22에 나타내었다. 도 19 내지 도 22에 나타낸 것과 같이, Na 물질(x=0, Na1.5VOPO4F0.5)의 Li 이온 확산에 필요한 활성화 에너지(Ea)는 310 meV이고, Li 물질(x=1.5, Li1.5VOPO4F0.5)의 Ea는 240 meV이며, Li과 Na이 일정 비율(여기서는 2:1)로 섞여있는 물질(x=1, LiNa0.5VOPO4F0.5)의 Ea는 200 meV임을 알 수 있다. In addition, Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 (F. Sauvage et al., Solid State Sciences , 8 (2006)), Li 1.5 VOPO 4 F 0.5 and activation energy at an absolute temperature of 0K of the positive electrode active material prepared in Example 1 By using the first principle calculation (first principle calculations), measured by the NEB (Nudged Elastic Band Theory) method and the results are shown in FIGS. 19 to 21, respectively. In addition, for comparison, the results of FIGS. 20 and 21 are combined and shown in FIG. 22. As shown in FIGS. 19 to 22, the activation energy (E a ) required for Li ion diffusion of Na material (x = 0, Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 ) is 310 meV, and the Li material (x = 1.5, Li 1.5 It can be seen that E a of VOPO 4 F 0.5 ) is 240 meV, and E a of 200 meV (x = 1, LiNa 0.5 VOPO 4 F 0.5 ) in which Li and Na are mixed in a certain ratio (here 2: 1). have.

이러한 결과를 종합하여 볼 때, Li과 Na이 일정 비율(여기서는 2:1)로 섞여있는 물질(x=1, LiNa0.5VOPO4F0.5)이 Li 이온 확산에 필요한 활성화 에너지가 가장 적기 때문에, 구조 내에서 가장 빠른 Li 이온 확산을 보일 것으로 예상할 수 있다. 이러한 측면에서 순수 Na 물질에서 Na이 Li으로 치환 되면서 Li 확산 속도가 향상되는 긍정적인 측면이 있음을 알 수 있으며, 모든 Na이 Li으로 치환되는 것 보다는 일정량의 Na은 구조 내에 남아있는 것이 Li 확산 속도 측면에서 더욱 유리하다는 사실도 알 수 있다.Taken together, these materials (x = 1, LiNa 0.5 VOPO 4 F 0.5 ) with Li and Na in a certain ratio (here 2: 1) have the lowest activation energy required for Li ion diffusion. It can be expected to show the fastest Li ion diffusion within. In this aspect, there is a positive aspect in which the Li diffusion rate is improved as Na is replaced with Li in pure Na material, and a certain amount of Na remains in the structure rather than all Na is replaced by Li. It can also be seen that it is more advantageous from the side.

* 리튬 이차 전지의 제조* Manufacture of lithium secondary battery

(비교예 1)(Comparative Example 1)

상기 제조예 3으로 제조된 건식 카본 코팅된 Na1.5VOPO4F0.5 분말을 양극 활물질로 사용하였다. Dry carbon coated Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 powder prepared in Preparation Example 3 was used as a positive electrode active material.

상기 양극 활물질, 카본 블랙(Super-P) 도전재 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 중량 비율로 75 : 15 : 10으로 혼합한 후, 이 혼합물을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 분산시켜, 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. After mixing the positive electrode active material, the carbon black (Super-P) conductive material and polyvinylidene fluoride (PVdF) in a weight ratio of 75: 15:10, the mixture was mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP ) To prepare a positive electrode active material slurry.

상기 슬러리를 20㎛ 두께의 알류미늄박에 균일하게 도포하고, N-메틸-2--피롤리돈을 증발시키기 위해 120 ℃로 2시간 동안 공기 중에서 건조하여 양극을 제조하였다. The slurry was uniformly applied to 20 μm thick aluminum foil, and dried in air at 120 ° C. for 2 hours to evaporate N-methyl-2--pyrrolidone to prepare a positive electrode.

상기 제조된 양극과, 리튬 금속을 상대 전극(counter electrode)으로 하며, 다공성 세퍼레이터(Celgard 2400), 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)가 부피비로 1 : 1로 혼합된 용매에 LiPF6가 1M 농도로 녹아 있는 액체를 전해액으로 사용하여 코인 전지를 제조하였다. 코인 전지 제조 과정은 모두 아르곤이 채워져 있는 글로브 박스에서 이루어졌다.LiPF 6 was added to a solvent in which the prepared anode and lithium metal were used as counter electrodes, and a porous separator (Celgard 2400), ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a volume ratio of 1: 1. A coin battery was prepared using a liquid dissolved at a concentration of 1 M as an electrolyte. The coin cell manufacturing process was done in a glove box filled with argon.

(실시예 2)(Example 2)

상기 실시예 1에서 제조된 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 분말과 카본 블랙을 중량 비율로 85 : 15로 준비한 후, 건식-볼밀링하여 카본 코팅된 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 양극 활물질을 제조하였다.Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 powder prepared in Example 1 and carbon black were prepared in a weight ratio of 85:15, followed by dry-ball milling of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 coated with carbon. A positive electrode active material was prepared.

상기 양극 활물질, 카본 블랙(Super-P) 도전재 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 바인더를 83 : 8 : 9의 중량비율로 혼합한 후, 이 혼합물을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 분산시켜 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. The positive electrode active material, the carbon black (Super-P) conductive material, and the polyvinylidene fluoride (PVdF) binder were mixed at a weight ratio of 83: 8: 9, and then the mixture was mixed with N-methyl-2-pyrrolidone ( NMP) to prepare a positive electrode active material slurry.

상기 슬러리를 20 ㎛ 두께의 알류미늄박에 균일하게 도포하고, N-메틸-2-피롤리돈을 증발시키기 위해 120 ℃로 2시간 동안 공기 중에서 건조하여 양극을 제조하였다. The slurry was uniformly applied to 20 μm thick aluminum foil, and dried in air at 120 ° C. for 2 hours to evaporate N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a positive electrode.

상기 제조된 양극과, 리튬 금속을 상대 전극(counter electrode)으로 하며, 다공성 세퍼레이터(Celgard 2400), 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)가 부피비로 1 : 1로 혼합된 용매에 LiPF6가 1M 농도로 녹아 있는 액체를 전해액으로 사용하여 코인 전지를 제조하였다. 코인 전지 제조 과정은 모두 아르곤이 채워져 있는 글로브 박스에서 이루어졌다.
LiPF 6 was added to a solvent in which the prepared anode and lithium metal were used as counter electrodes, and a porous separator (Celgard 2400), ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a volume ratio of 1: 1. A coin battery was prepared using a liquid dissolved at a concentration of 1 M as an electrolyte. The coin cell manufacturing process was done in a glove box filled with argon.

실험예 4: NaExperimental Example 4: Na 1.51.5 VOPOVOPO 44 FF 0.50.5 또는 Li Or Li xx NaNa 1.5-x1.5-x VOPOVOPO 44 FF 0.50.5 의 전기화학 특성 평가Evaluation of Electrochemical Properties of

상기 비교예 1 및 실시예 2에서 제조된 각각의 코인 전지를 전기화학 분석장치(WonA Tech, WBCS 3000, 한국 또는 MACCOR, series 4000, 미국)를 사용하여 25 ℃ 또는 60℃의 온도에서, 2.0 내지 4.5 V 또는 2.5 내지 4.5 V 또는 1.0 내지 4.95 V의 전위영역에서 다양한 전류밀도(10C, 5C, 2C, 1C, C/2, C/5, C/10, C/20, C/50)로 정전류 충/방전(galvanostatic charge/discharge) 실험을 하였다. 여기서 1C는 어떤 양극 활물질 또는 음극 활물질을 1시간 동안 상기 활물질의 이론용량만큼 충전 또는 방전시킬 수 있는 전류 밀도 이며, LixNa1.5-xVOPO4F0.5 물질의 경우, x = 1 일 때, 1C = 141 mA g-1 이다. Na1.5VOPO4F0.5물질의 경우, 1C = 130.1 mA g-1 이다.Each coin cell prepared in Comparative Examples 1 and 2 was used at an temperature of 25 ° C. or 60 ° C., using an electrochemical analyzer (WonA Tech, WBCS 3000, Korea or MACCOR, series 4000, USA). Constant current at various current densities (10C, 5C, 2C, 1C, C / 2, C / 5, C / 10, C / 20, C / 50) in the 4.5 V or 2.5 to 4.5 V or 1.0 to 4.95 V potential range A galvanostatic charge / discharge experiment was performed. Here, 1C is a current density that can charge or discharge a positive electrode active material or negative electrode active material by the theoretical capacity of the active material for 1 hour, and in the case of Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 material, when x = 1, 1C = 141 mA g -1 . For Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 material, 1C = 130.1 mA g −1 .

상기 비교예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지의 순환전압전류(cyclic voltammetry)를, 2.0 내지 4.5 V 또는 2.8 내지 4.9 V의 전위영역에 걸쳐 0.05 또는 0.1 mV sec-1 의 주사 속도로 측정하였다. 그 결과를 도 23(비교예 1) 및 도 24(실시예 2)에 각각 나타내었다. 도 23에 나타낸 것과 같이, 비교예 1의 코인 전지는 캐소딕 스캔(cathodic scan) 또는 애노딕 스캔(anodic scan) 중에 평균전압이 3.84 V 와 4.21 V에 각각 위치한 2개의 날카로운 픽을 가지고 있으며, 평균 전지 전압은 약 4 V 임을 알 수 있다. 이에 반하여, 도 24에 나타낸 것과 같이, 실시예 2의 코인 전지는 평균 전지 전압은 약 4 V로 비슷하지만, 2개의 날카로운 픽 대신에 하나의 폭이 넓은 픽을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 두 전지의 전기화학 반응이 같지 않음을 알 수 있다.Cyclic voltammetry of the coin cells prepared according to Comparative Examples 1 and 2 was measured at a scanning speed of 0.05 or 0.1 mV sec −1 over a potential region of 2.0 to 4.5 V or 2.8 to 4.9 V It was. The results are shown in FIG. 23 (Comparative Example 1) and FIG. 24 (Example 2), respectively. As shown in FIG. 23, the coin cell of Comparative Example 1 had two sharp picks at average voltages of 3.84 V and 4.21 V, respectively, during a cathodic scan or an anodical scan. It can be seen that the battery voltage is about 4V. On the contrary, as shown in FIG. 24, the coin cell of Example 2 has a similar average cell voltage of about 4 V, but it can be seen that it has one wide pick instead of two sharp picks. Through this, it can be seen that the electrochemical reaction of the two batteries are not the same.

실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 전위영역: 2.0 내지 4.5 V 전위 영역에서, C/5로 2회 충방전(25℃)을 실시하여, 2회째 충방전 용량을 측정하였다. 그 결과를 도 25에 나타내었다. 도 25에 나타낸 것과 같이, C/5에서 거의 이론용량에 근접하면서, 서로 다른 2개의 뚜렷한 전위 평탄영역(voltage plateau) 대신에 1개의 부드러운 경사 영역이 나타남을 알 수 있다.The coin battery prepared according to Example 2 was charged and discharged twice at 25 ° C. (25 ° C.) in a potential region of 2.0 to 4.5 V, and the second charge and discharge capacity was measured. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 25, it can be seen that one smooth inclined region appears in place of two distinct voltage plateaus, which are close to theoretical capacity at C / 5.

실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 2.0 내지 4.5 V 전위 영역에서, C/5로 약 40회 충방전(25℃)을 실시하여, 그 충방전 용량을 측정한 결과를 도 26에 나타내었다. 도 26에 나타낸 것과 같이, 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지는 용량 유지율이 우수함을 알 수 있다.The coin battery prepared according to Example 2 was subjected to charge / discharge about 40 times (25 ° C) at C / 5 in a 2.0 to 4.5 V potential region, and the charge and discharge capacity thereof was measured. As shown in FIG. 26, it can be seen that the coin battery manufactured according to Example 2 has an excellent capacity retention rate.

실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 2.5 내지 4.5 V 전위 영역에서, C/5 충방전을 약 40회 실시하여(60℃), 그 충방전 용량을 측정한 결과를 도 27에 나타내었다. 도 27에 나타낸 것과 같이, 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지는 고온에서의 용량 유지율 또한 우수함을 알 수 있다.The coin cell prepared according to Example 2 was subjected to C / 5 charge / discharge about 40 times (60 ° C.) in a 2.5 to 4.5 V potential region, and the result of measuring the charge / discharge capacity thereof is shown in FIG. 27. As shown in FIG. 27, it can be seen that the coin battery manufactured according to Example 2 was also excellent in capacity retention at high temperature.

실시예 2에 따라 제조된 코인 전지를 C/5, C/2, 1C, 2C, 5C 및 C/5로 충방전 속도를 변경하면서, 충방전을 실시하여, 얻어진 충방전 용량을 도 28에 나타내었다. 도 28에 나타낸 것과 같이, 실시예 2에 따라 제조된 코인 전지는 고율(5C)로 충방전을 실시하여도 다시 저율(C/5)로 충방전을 실시하면, 용량이 거의 회복됨을 알 수 있다. The charging / discharging capacity obtained by charging and discharging the coin battery prepared according to Example 2 at C / 5, C / 2, 1C, 2C, 5C, and C / 5 while changing the charge / discharge rate is shown in FIG. It was. As shown in FIG. 28, even when the coin battery manufactured according to Example 2 was charged and discharged at a high rate (5C), when the battery was charged and discharged at a low rate (C / 5), the capacity was almost recovered. .

실시예 2의 상기 코인 전지를 2.0 내지 4.5 V 전위 영역에서, C/5로 45회 충방전을 실시한 뒤, 상기 코인 전지를 분해하여 프로필렌 카보네이트로 양극을 충분히 세척한 뒤 건조 및 회수하여 X-선 회절 시험을 진행하여 X-선 회절 패턴을 얻었다. 비교를 위하여 실시예 2에서 제조된 상기 양극(충방전을 실시하기 전의 양극)에 대해서도 X-선 회절 시험을 진행하여 X-선 회절 패턴을 얻었다. 상기 두 개의 X-선 회절 패턴을 비교하여 도 29에 나타내었다. 도 29에 나타낸 것과 같이, C/5로 45회 충방전을 실시한 뒤에도 X-선 회절 패턴의 변화가 거의 관찰되지 않았다. 이것은 많은 충방전 과정을 거친 뒤에도 구조가 무너지거나 변형되지 않고 초기 구조 그대로 유지된다는 의미이다. 따라서, 이 결과는 LixNa1.5-xVOPO4F0.5 구조의 높은 안정성(stability)과 리튬 삽입/탈리의 우수한 가역성(reversibility)을 증명해준다.The coin battery of Example 2 was charged and discharged at C / 5 at a potential of 2.0 to 4.5 V at 45 times, and thereafter, the coin battery was decomposed to sufficiently clean the positive electrode with propylene carbonate, dried and recovered, and then X-rayed. The diffraction test was carried out to obtain an X-ray diffraction pattern. For comparison, an X-ray diffraction pattern was also obtained by performing an X-ray diffraction test on the anode (the anode before charge and discharge) prepared in Example 2. The two X-ray diffraction patterns are compared and shown in FIG. 29. As shown in FIG. 29, almost no change in the X-ray diffraction pattern was observed even after 45 charge / discharge cycles were performed at C / 5. This means that after many charge and discharge processes, the structure does not collapse or deform and remains intact. Thus, these results demonstrate the high stability of the Li x Na 1.5-x VOPO 4 F 0.5 structure and the excellent reversibility of lithium insertion / desorption.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the following claims.

Claims (6)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며,
나시콘 구조를 갖는 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
[화학식 1]
(LixNa1.5-x)a(Z)z((V)(O1.5-f))1-z(XO4)Ff
(상기 화학식 1에서 있어서,
상기 Z는 금속 원소 첨가물(metal element dopant)로써, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고,
상기 X는 P, S, Si, Mo, As, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며,
a, x 및 z 각각은 0 < a ≤ 1, 0 < x ≤ 1.5, 0 ≤ z ≤ 0.5을 만족하는 실수이고,
f는 화합물의 전기적 중성(electroneutrality)을 맞추도록 결정되며, 0.5 ≤ f ≤ 1.5를 만족하는 실수이다.)
To include a compound represented by the formula (1),
A cathode active material for a lithium secondary battery having a nasicon structure.
[Formula 1]
(Li x Na 1.5-x ) a (Z) z ((V) (O 1.5-f )) 1-z (XO 4 ) F f
(In the above formula 1,
Z is a metal element dopant and is selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, Ca, and combinations thereof. Elemental,
X is an element selected from the group consisting of P, S, Si, Mo, As, W, and combinations thereof,
a, x and z are each a real number satisfying 0 <a ≤ 1, 0 <x ≤ 1.5, 0 ≤ z ≤ 0.5,
f is determined to match the electroneutrality of the compound and is a real number that satisfies 0.5 ≦ f ≦ 1.5.)
제1항에 있어서,
상기 z는 0 ≤ z ≤ 0.2 만족하는 실수인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
Z is a real number satisfying 0 ≦ z ≦ 0.2.
제1항에 있어서,
상기 화합물은 평균 입경이 100 ㎛ 이하인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
The compound is a cathode active material for lithium secondary batteries having an average particle diameter of 100 μm or less.
제1항에 있어서,
상기 X는 P, S, Si, As 또는 이들의 조합인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
X is P, S, Si, As, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 하기 화학식 2로 표현되는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
[화학식 2]
LixNa1.5-xVOPO4Ff
(상기 화학식 2에 있어서,
f는 0.5 ≤ f ≤ 1.5를 만족하는 실수이다.)
The method of claim 1,
The cathode active material is a cathode active material for a lithium secondary battery that is represented by the following formula (2).
(2)
Li x Na 1.5-x VOPO 4 F f
(In the above formula 2,
f is a real number that satisfies 0.5 ≤ f ≤ 1.5.)
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 양극 활물질을 포함하는 양극;
음극 활물질을 포함하는 음극; 및
비수 전해질
을 포함하는 리튬 이차 전지.
A positive electrode comprising the positive electrode active material of any one of claims 1 to 5;
A negative electrode comprising a negative electrode active material; And
Nonaqueous electrolyte
&Lt; / RTI &gt;
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