KR20130035495A - Hybrid namoparticle of lithium iron phosphate with carbon and lithium phosphate and method for preparing the same - Google Patents

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KR20130035495A
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lithium phosphate
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이계행
김해진
이기라
김정민
이순창
이상문
조영훈
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한국기초과학지원연구원
충북대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a hybrid nanoparticle is provided to obtain a hybrid nanoparticle with high-rate performance in a discharging rate of 2C and 20C without loss of capacity. CONSTITUTION: A manufacturing method of the hybrid nanoparticle of a lithium phosphate and carbon of LiFePO4 comprises a step of mixing a LiFePO4 and lithium phosphate precursor and a surfactant to a solvent; a step of obtaining powder by evaporating the solvent in the mixture; and a step of heat-treating the powder in a non-oxygen atmosphere. The surfactant is the triblock copolymer of polyethylene oxide and polypropylene. The weight ratio of the propylene oxide in the block copolymer is 10-90wt%.

Description

LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클 및 이의 제조방법 {Hybrid Namoparticle of Lithium Iron Phosphate with Carbon and Lithium Phosphate And Method for Preparing the same}Hybrid Namoparticle of Lithium Iron Phosphate with Carbon and Lithium Phosphate And Method for Preparing the same

본 발명은 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 나노 하이브리드 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a nano hybrid of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate, and a method for preparing the same.

보다 상세하게는 고 충방전 속도를 가지며 리튬 이차전지의 양극재로 사용 가능한 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클 및 이의 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a hybrid nanoparticle of carbon and lithium phosphate of LiFePO 4 having a high charge and discharge rate and usable as a cathode material of a lithium secondary battery, and a method of manufacturing the same.

리튬 이차전지(LiB)는 효율적인 휴대용 전자기기용 전기에너지 저장장치로 개발되고 있다. 최근에 전기자동차(EVs) 또는 하이브리드 전기자동차(HEVs)에 대한 상당한 수요가 고 에너지와 출력밀도(power density)를 모두 가진 고성능 베터리에 대한 상당한 연구활동을 촉진하고 있다. Lithium secondary batteries (LiB) are being developed as an efficient electrical energy storage device for portable electronic devices. Recently, considerable demand for electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) has facilitated considerable research into high performance batteries with both high energy and power density.

올리빈형(Olivine type) LiFePO4는 독성과 상업화에 가장 중요한 인자인 비용이 낮을 뿐만 아니라 열안정성이 좋고, 우수한 사이클 안정성, 평평한 전압 프로파일 및 이론적 대용량(~170mAh/g)를 가지고 있어서 신규 양극재로 1997년에 소개되었다. 그러나, 상대적으로 낮은 전기적 이온 전도성으로 인해 양극재로서의 낮은 전기 화학적 성능을 나타내었다. Olivine type LiFePO 4 is a new cathode material with low cost, the most important factor for toxicity and commercialization, good thermal stability, excellent cycle stability, flat voltage profile and theoretical large capacity (~ 170mAh / g). It was introduced in 1997. However, due to the relatively low electrical ion conductivity, it showed low electrochemical performance as a cathode material.

고 충방전 속도(high rate) 베터리 용도를 위한 전자와 리튬이온의 이동성을 향상시키기 위한 몇몇 시도들이 제안되었다. 예를 들면, LiFePO4를 전기 전도성 카본층으로 코팅시켰고, 전자 전도성 향상을 위해 LiFePO4상에 금속 양이온(Zr, Nb, Mg, 또는 Ti)을 도핑시켰다. 반면에, LiFePO4에 리튬이온 확산을 향상시키기 위해 파티클 사이즈와 모폴로지를 개선하였고, 또한 입자 표면상 결정면을 리튬 이온 수송에 최적인 (010)면으로 preferentially 튜닝했다. Several attempts have been made to improve the mobility of electrons and lithium ions for high rate battery applications. For example, LiFePO 4 was coated with an electrically conductive carbon layer, and metal cations (Zr, Nb, Mg, or Ti) were doped onto LiFePO 4 to improve electronic conductivity. On the other hand, particle size and morphology were improved to improve lithium ion diffusion in LiFePO 4 , and the crystal face on the particle surface was preferentially tuned to the (010) plane which is optimal for lithium ion transport.

최근에 리튬 포스페이트와 카본을 LiFePO4파티클 표면에 동시에 코팅함으로써 놀랄만한 방전속도를 얻을 수 있었다. 그러나, 리튬 이온과 전자의 수송 특성을 향상시키기 위해 LiFePO4 파티클 내부 구조뿐만 아니라 표면 코팅층을 동시에 제어하는 실용적인 방법의 개발이 필요한 실정이었다.Recently, lithium phosphate and carbon were simultaneously coated on the surface of LiFePO 4 particles to achieve an amazing rate of discharge. However, to improve the transport properties of lithium ions and electrons, LiFePO 4 It was necessary to develop a practical method for simultaneously controlling the surface coating layer as well as the particle internal structure.

따라서, 본 발명은 고 충방전 속도(high rate)를 나타내는 리튬 이차전지용 양극재로서의 신규 물질과 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel material as a cathode material for a lithium secondary battery exhibiting a high rate of charge and discharge and a manufacturing method thereof.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 제조하는 방법에 있어서, 계면 활성화제를 포함하여 사용하며, 무산소 조건하에 열처리를 통해 상기 계면 활성화제를 탄화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is a method for producing a hybrid nanoparticles of carbon and lithium phosphate of LiFePO 4 , including a surfactant, and carbonizing the surfactant through heat treatment under anoxic conditions It provides a method comprising the step of.

상기 계면 활성화제는 비이온성 유기 계면활성제일 수 있다.The surfactant may be a nonionic organic surfactant.

상기 계면 활성화제는 양쪽 친매성 블록 공중합체일 수 있다.The surfactant may be an amphiphilic block copolymer.

상기 계면 활성화제는 폴리에틸렌 옥사이드와 폴리프로필렌 옥사이드와의 트리 블록 공중합체(triblock copolymer)일 수 있으며, 상기 블록 공중합체에서 프로필렌 옥사이드의 중량비는 10~90중량%일 수 있다.The surfactant may be a triblock copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide, and the weight ratio of propylene oxide in the block copolymer may be 10 to 90% by weight.

또한, 본 발명은 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 제조하는 방법에 있어서, LiFePO4 및 리튬 포스페이트의 전구체와 계면 활성화제를 용매에 혼합하는 단계; 상기 용매를 증발시키고 파우더를 얻은 단계; 및 상기 파우더를 무산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a hybrid nanoparticle of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate, LiFePO 4 And mixing the precursor of lithium phosphate and the surfactant in a solvent; Evaporating the solvent to obtain a powder; And heat treating the powder in an oxygen-free atmosphere.

상기 LiFePO4및 리튬 포스페이트의 전구체로 LiNO3,Fe(NO3)39H20및 H3PO4를 혼합하여 사용할 수 있다.LiNO 3 , Fe (NO 3 ) 3 9H 2 0 and H 3 PO 4 may be mixed and used as precursors of the LiFePO 4 and lithium phosphate.

상기 계면 활성화제는 비이온성 유기 계면 활성화제일 수 있다.The surfactant may be a nonionic organic surfactant.

상기 계면 활성화제는 양쪽 친매성 블록 공중합체일 수 있다.The surfactant may be an amphiphilic block copolymer.

상기 계면 활성화제는 폴리에틸렌 옥사이드와 폴리프로필렌 옥사이드와의 트리 블록 공중합체(triblock copolymer)일 수 있으며, 상기 블록 공중합체에서 프로필렌 옥사이드의 중량비는 10~90중량%일 수 있다.The surfactant may be a triblock copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide, and the weight ratio of propylene oxide in the block copolymer may be 10 to 90% by weight.

무산소 분위기는 H2/Ar혼합가스 분위기이고, 열처리는 600~800℃에서 이루어질 수 있다.An oxygen-free atmosphere is a H 2 / Ar mixed gas atmosphere, the heat treatment can be made at 600 ~ 800 ℃.

또한, 본 발명은 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클 및 이를 포함하는 이차전지용 양극재를 제공한다.The present invention also provides hybrid nanoparticles of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate, and a cathode material for a secondary battery including the same.

본 발명은 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클의 간단한 제조 방법을 제공한다. 제조된 본 발명의 하이브리드 나노 파티클을 이차전지용 양극재로서 사용할 경우, 고 충방전 속도(high rate)에서 용량 손실이 없다.The present invention provides a simple method for preparing hybrid nanoparticles of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate. When using the prepared hybrid nanoparticles of the present invention as a cathode material for a secondary battery, there is no capacity loss at a high rate of charge and discharge.

도 1은 카본과 LiFePO4 파티클의 리튬포스페이트와의 하이브리드 나노파티클의 생성원리를 나타낸 개략도이다.
도 2는 (a) F108-LFP와 (b) P123-LFP 파티클의 TEM사진이다.
도 3은 (a) F108-LFP와 (b) P123-LFP의 XRD패턴이다.
(도 3 아래 바 다이어그램은 JCPDS card no. 00-0443 기준 피크를 나타낸 것이다)
도 4는 물리적특성 측정시스템(Physical Property Measurement System, 9T-PPMS)으로 측정한 (a) P123-LFP (b)F108-LFP (c)벌크 LFP의 I-V곡선이다.
도 5 (a)는 0.1에서 2C 속도(rate)에서 2.0 및 4.3V 전압한계간의 F108-LFP와 P123-LFP에 대한 방전용량을 나타낸 도이고, (b)는 2C의 충전 속도, 2C의 방전 속도에서 2.0 및 4.3V 전압한계간의 F108-LFP와 P123-LFP에 대한 사이클 특성을 나타낸 도이며, (c)는 20C의 충전 속도, 2C의 방전 속도에서 2.0 및 4.3V 전압한계간의 F108-LFP와 P123-LFP에 대한 사이클 특성(화살표는 각 전기화학적 단계에서 최대 용량을 나타냄)을 나타낸 도이다.
도 6은 (a)F108-LFP 및 (b)P123-LFP에 대한 7Li MAS NMR스펙트럼과 (c)F108-LFP 및 (d)P123-LFP에 대한 31P MAS NMR스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 7은 400℃에서 열처리 후 (a) F108폴리머를 사용한 경우 및 (b) P123폴리머를 사용한 경우 각각의 다공성 구조 TEM 사진을 나타낸 도이다.
도 8은 (a) F108폴리머를 사용한 경우 (b) P123폴리머를 사용한 경우 다공성 구조의 77K에서의 N2 흡착/탈착 등온선(검은점과 빈점은 각각 흡착과 탈착을 나타냄)을 나타낸 도이고, (c) F108폴리머를 사용한 경우 (d) P123폴리머를 사용한 경우 다공성 구조의 밀도 기능 이론(Density Funtional Theory) 기공 크기 분포곡선을 나타낸 도이다.
도 9는 400℃에서 열처리 후 (a) F108폴리머를 사용한 경우 (b) P123폴리머를 사용한 경우 다공성 구조 XRD 패턴을 나타낸 도이고, (c) Li3(PO4)상(JCPDS Card no.03-4221), (d)Li4Fe3 .528(PO4)4상(JCPDS Card no. 25-0116) (e) LiFePO4상(JCPDS Card no.00-0443) 기준 피크를 바 다이어그램으로 아래에 나타낸 도이다.
도 10은 (a) F108-LFP와 (b) P123-LFP의 라만 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 11은 (a)bulk LFP의 TEM 사진과 (b) XRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 12는 F108-LFP와 P123-LFP에 대한 STEM 실험을 통한 EDX 선 분석을 나타낸 도이다.
(각각 (a)F108-LFP와 (b)P123-LFP의 STEM 다크 필드 이미지이며,각 이미지 아래의 표는 숫자로 표시된 영역에서의 인과 철원소의 몰비를 나타내고,TEM사진에서 녹색 커브는 싱글 LFP 파티클에서의 카본 프로파일을 나타내며, 빨간선은 STEM모드에서 탄소 프로파일의 스캐닝 루트에 해당함)
도 13은 (a) 싱글 F108-LFP와 (b)P123-LFP의 빈약한 결정화 카본 층을 나타내는 HRTEM사진이다.
1 is a schematic diagram showing the principle of the production of hybrid nanoparticles of carbon and lithium phosphate of LiFePO 4 particles.
Figure 2 is a TEM photograph of (a) F108-LFP and (b) P123-LFP particles.
3 is an XRD pattern of (a) F108-LFP and (b) P123-LFP.
(The bar diagram below FIG. 3 shows the JCPDS card no. 00-0443 reference peak)
4 is an IV curve of (a) P123-LFP (b) F108-LFP (c) bulk LFP measured by a Physical Property Measurement System (9T-PPMS).
Figure 5 (a) is a diagram showing the discharge capacity for F108-LFP and P123-LFP between 2.0 and 4.3V voltage limits at 0.1 to 2C rate, (b) is the charge rate of 2C, discharge rate of 2C Shows the cycle characteristics for F108-LFP and P123-LFP between 2.0 and 4.3V voltage limits in (c), (108) (C) shows F108-LFP and P123 between 2.0 and 4.3V voltage limits at 20C charge rate and 2C discharge rate. A diagram showing the cycle characteristics for the LFP (arrow indicates maximum capacity at each electrochemical step).
FIG. 6 shows 7 Li MAS NMR spectra for (a) F108-LFP and (b) P123-LFP and 31 P MAS NMR spectra for (c) F108-LFP and (d) P123-LFP.
FIG. 7 is a view showing TEM images of porous structures of (a) F108 polymer and (b) P123 polymer after heat treatment at 400 ° C. FIG.
8 is a diagram showing (a) N2 adsorption / desorption isotherm (black and empty points respectively adsorption and desorption) at 77K of porous structure when (F) polymer is used (b) when P123 polymer is used (c) (D) Density Funtional Theory pore size distribution curve of porous structure.
9 is a diagram showing a porous structure XRD pattern when (a) F108 polymer is used (b) P123 polymer after heat treatment at 400 ° C, and (c) Li 3 (PO 4 ) phase (JCPDS Card no.03- 4221), (d) Li 4 Fe 3 .528 (PO 4 ) 4 Phase (JCPDS Card no. 25-0116) (e) LiFePO 4 Phase (JCPDS Card no.00-0443) Reference peaks are shown in the bar diagram below. The figure shown.
10 shows Raman spectra of (a) F108-LFP and (b) P123-LFP.
11 is a diagram showing a TEM photograph of (a) bulk LFP and (b) XRD pattern.
12 is a diagram showing EDX ray analysis through STEM experiments for F108-LFP and P123-LFP.
(STEM dark field images of (a) F108-LFP and (b) P123-LFP, respectively, and the table below shows the molar ratios of phosphorus and iron elements in the numerical areas, and the green curve in the TEM picture shows a single LFP particle) Represents the carbon profile at, and the red line corresponds to the scanning route of the carbon profile in STEM mode)
FIG. 13 is an HRTEM photograph showing poor crystallized carbon layers of (a) single F108-LFP and (b) P123-LFP.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. Although the terms used in the present invention have been selected as general terms that are widely used at present, there are some terms selected arbitrarily by the applicant in a specific case. In this case, the meaning described or used in the detailed description part of the invention The meaning must be grasped.

본 발명은 탄소와 LiFePO4 파티클의 리튬 포스페이트와의 메조스코픽(mesoscopeic) 내부 구조(이하, 하이브리드 LFP)를 형성시키는 계면 활성제를 활용한 간단한 방법을 제공한다.In the present invention, carbon and LiFePO 4 It provides a simple method utilizing a surfactant to form a mesoscopic internal structure (hereinafter hybrid LFP) with particles of lithium phosphate.

즉, 본 발명은 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 제조하는 방법에 있어서, 계면 활성화제를 포함하여 사용하며, 무산소 조건하에 열처리를 통해 상기 계면 활성화제를 탄화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. That is, the present invention is a method for producing a hybrid nanoparticles of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate, including a surfactant, comprising the step of carbonizing the surfactant through heat treatment under anoxic conditions It provides a method characterized in that.

하이브리드 LFP에서의 전도성 네트워크 구조는 무산소 고온 열처리를 통해 비이온성 계면활성제의 자기집합(self-assembled) 구조를 탄화함으로써 얻을 수 있다(도 1 참조) 상기 계면활성화제는 저온 에이징(aging) 공정에서는 구조 지정제(structure directing agent)로, 고온 열처리에서는 카본 소스로 작용하며, 무기 재료의 결정화도를 조절하는데 결정적인 역할을 한다.The conductive network structure in the hybrid LFP can be obtained by carbonizing the self-assembled structure of the nonionic surfactant through an anoxic, high temperature heat treatment (see FIG. 1). The surfactant is formed in a low temperature aging process. As a structure directing agent, it acts as a carbon source in high temperature heat treatment and plays a decisive role in controlling the crystallinity of inorganic materials.

보다 구체적으로, 본 발명의 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 제조하는 방법은 LiFePO4 및 리튬 포스페이트의 전구체와 계면 활성화제를 용매에 혼합하는 단계; 상기 용매를 증발시키고 파우더를 얻은 단계; 및 상기 파우더를 무산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.More specifically, the method for producing hybrid nanoparticles of carbon and lithium phosphate of LiFePO 4 of the present invention is LiFePO 4 And mixing the precursor of lithium phosphate and the surfactant in a solvent; Evaporating the solvent to obtain a powder; And heat-treating the powder in an oxygen-free atmosphere.

상기 LiFePO4 및 리튬 포스페이트의 전구체로 LiNO3, Fe(NO3)39H20 및 H3PO4를 혼합하여 사용할 수 있다.LiFePO 4 And LiNO 3 , Fe (NO 3 ) 3 9H 2 0, and H 3 PO 4 may be used as a precursor of lithium phosphate.

상기 계면 활성화제로는 비이온성 유기 계면 활성화제를 사용가능하며, 예를 들자면 양쪽 친매성 블록 공중합체를 사용할 수 있다. 양쪽 친매성 블록 공중합체로는 폴리에틸렌 옥사이드와 폴리프로필렌 옥사이드와의 트리 블록 공중합체(triblock copolymer)를 사용 가능하다. 블록 공중합체에서 프로필렌 옥사이드의 중량비는 10~90중량% 일 수 있으며, 바람직하게는 프로필렌옥사이드는 50중량% 이상, 보다 바람직하게는 70중량% 이상 사용하는 것이 얻어지는 하이브리드 나노파티클의 높은 결정화도를 위해 바람직하다.As the surfactant, a nonionic organic surfactant may be used, and for example, both lipophilic block copolymers may be used. As the both lipophilic block copolymers, triblock copolymers of polyethylene oxide and polypropylene oxide may be used. The weight ratio of propylene oxide in the block copolymer may be 10 to 90% by weight, preferably propylene oxide is preferred for the high crystallinity of the hybrid nanoparticles obtained using at least 50% by weight, more preferably at least 70% by weight. Do.

무산소 분위기는 산소가 존재하지 않는 한 무방하나, H2/Ar 혼합가스 분위기가 바람직하다. The oxygen-free atmosphere may be used as long as oxygen is not present, but a H 2 / Ar mixed gas atmosphere is preferable.

열처리는 결정화도를 높이고 우수한 전기화학적 특성을 얻기 위해 550~850℃ 보다 바림직하게는 600~800℃에서 이루어질 수 있다. 열처리를 통해 탄소와 LiFePO4 파티클의 리튬 포스페이트와의 고밀도(dense) 하이브리드 나노파티클이 최종적으로 얻어지게 된다.The heat treatment may be performed preferably at 600 to 800 ° C. rather than 550 to 850 ° C. to increase the crystallinity and to obtain excellent electrochemical properties. Through heat treatment, dense hybrid nanoparticles of carbon and lithium phosphate of LiFePO 4 particles are finally obtained.

또한, 본 발명은 LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클 및 이를 포함하는 고 충방전속도(high-rate) 이차전지용 양극재를 제공한다.The present invention also provides a hybrid nanoparticle of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate, and a cathode material for a high-rate secondary battery including the same.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

계면 활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 폴리프로필렌옥사이드(PPO)의 두 종류의 양쪽친매성(amphiphilic) 트리블록 공중합체 즉, F-108(PEO-b-PPO-b-PEO, 분자량=14,600 g/mol, PPO:PEO=2:8) 과 P-123(분자량=5,750g/mol, PPO:PEP=7;3)가 비이온성 계면활성제로 사용되었다. As surfactants, two types of amphiphilic triblock copolymers, polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO), namely F-108 (PEO-b-PPO-b-PEO, molecular weight = 14,600 g / mol, PPO: PEO = 2: 8) and P-123 (molecular weight = 5,750 g / mol, PPO: PEP = 7; 3) were used as nonionic surfactants.

열처리를 통해 탄소와 LiFePO4파티클의 리튬 포스페이트와의 고밀도(dense) 하이브리드 나노파티클이 최종적으로 얻어지고, 계면활성제로 F108 또는 P123이 각각 사용될 경우 이하 각각 F108-LFP 또는 P123-LFP라고 부른다.The heat treatment finally yields a dense hybrid nanoparticle of carbon and LiFePO 4 particles of lithium phosphate, and when F108 or P123 is used as the surfactant, respectively, it will be referred to as F108-LFP or P123-LFP, respectively.

상기 트리블록 공중합체의 유형에 따라 전기화학적 성능이 상당히 다를수 있다. 실험을 통해, 양쪽 모두 고 충방전속도(high-rate) 리튬이온 베터리용 양극재로서 기대되는 성능을 가지고 있다. 바람직하게는 프로필렌옥사이드의 함량이 보다 높은 P123을 계면활성제로 사용한 P123-LFP가 보다 바람직하다.Depending on the type of triblock copolymer the electrochemical performance can vary significantly. Through experiments, both have the expected performance as cathode materials for high-rate lithium-ion batteries. Preferably, P123-LFP using P123 having a higher content of propylene oxide as a surfactant is more preferable.

하이브리드 나노 파티클을 합성하기 위해, LiNO3, Fe(NO3)3ㆍ9H20, H3PO4, 양쪽 친매성(amphiphilic) 블록 공중합체(F-108 또는 P-123) 및 용매로 에탄올을 상온에서 저어서 혼합한 후 용매를 천천히 증발시키고 파우더를 얻었다. To synthesize hybrid nanoparticles, ethanol was heated to room temperature using LiNO 3 , Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 0, H 3 PO 4 , an amphoteric block copolymer (F-108 or P-123) and a solvent. After stirring by stirring in, the solvent was slowly evaporated and a powder was obtained.

다음으로, 파우더를 H2(5%)/Ar(95%) 혼합가스 분위기에서 700℃에서 열처리하였다. 리튬 포스페이트 상을 얻기 위해 합성과정에서 의도적으로 과량의 리튬 및 포스페이트 전구체를 사용하였다. 리튬 포스페이트 상은 정전기 상호작용(electrostatic interaction)(P-O-………Li+)을 통한 리튬 이온 이동에 의해 벌크에서 리튬 이온 전도성이 개선되도록 유도되었다. 열처리하는 동안, 유기 계면활성제는 부분적으로 탄화되고 분해되어 하이브리드 구조의 체적수축을 유도하여 표면장력으로 인해 파티클들이 LiFePO4의 무공성 복합체 파티클, 리튬 포스페이트 및 카본으로 나뉜다(도 1 참조, 도 1의 투과전자현미경(TEM)사진에서 두 경우 모두 평균입경이 약 70nm이다).Next, the powder was heat-treated at 700 ° C. in a H 2 (5%) / Ar (95%) mixed gas atmosphere. Excess lithium and phosphate precursors were intentionally used in the synthesis to obtain the lithium phosphate phase. Were induced such that the lithium ion conductivity improvement in bulk by a lithium ion transport through the - (......... Li + PO) lithium phosphate phase electrostatic interactions (electrostatic interaction). During the heat treatment, the organic surfactant is partially carbonized and decomposed to induce volumetric shrinkage of the hybrid structure, which causes the particles to break up into particles due to the surface tension of non-porous composite particles of LiFePO 4 , lithium phosphate and carbon (see FIG. 1, FIG. 1). In the transmission electron microscope (TEM) images, the average particle diameter of both cases is about 70 nm).

도 2에서 보듯이, 얻어진 LFP의 파우더 X-선 회절 스펙트럼은 3개의 구별되는 상 구조를 나타낸다. 주 피크는 사방정계(orthorhombic) 감람석(olivine) LiFePO4상(JCPDS Card no.00-0443)으로 정해질 수 있다. 몇몇 작은 피크들은 삼사정계(triclinic) Li4(P2O7)(JCPDSCardno.05-9243)및 사방정계 Li3(PO4)상(JCPDS Card no.05-0058)에 해당한다. XRD 데이터를 사용하여 LFP에서 LiFePO4상에 대한 리튬 포스페이트의 비가 약 25%임을 계산할 수 있었다. (311)회절 피크로부터 Debye-Scherrer 방정식을 사용하여 F108-LFP 및 P123-LFP에 대한 평균 결정크기가 각각 42.4nm, 51.0nm로 계산되었다. 하이브리드 나노 파티클의 중간 구조를 조사하기 위해 LFP의 유기화합물과의 미세 구조 TEM사진을 찍으려 했다. 그러나, 전자선 조사시 유기분자의 분해 및 증발때문에 명확한 TEM사진을 찍지 못하였다. 이 문제를 해결하기 위해, H2(5%)/Ar(95%) 혼합가스와 샘플을 400℃에서 5시간 동안 열처리하였고, 다음으로 블록 공중합체로부터 발생하는 유기화합물을 제거하기 위해 400℃에서 5시간 동안 공기를 주입하였다. 얻어진 샘플은 양 계면활성제에서 모두 무질서한 메조포러스(mesoporous) 구조를 나타내었다. (도 7참조) 질소 가스를 사용하여 가스 수착(sorption) 분석을 통해 F108-LFP 및 P123-LFP에 대한 표면적 및 포어 사이즈 분포를 측정하였다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 질소 흡착 및 탈착 등온선(adsorption and desorption isotherm) 결과는 4족(type IV) 물질의 전형적인 메조포러스(mesoporous) 특성을 나타낸다. 얻어진 BET 표면적 및 포어 사이즈 분포는 각각 F108-LFP에 대해서는 86.6m2/g,23.4nm,및 P123-LFP에 대해서는 90.6m2/g,20.7nm이다. 400℃에서 열처리 한 후, 메조포러스(mesoporous) 물질의 XRD 스펙트럼은 LiFePO4(JCPDSCardno.00-0443), Li3(PO4)(JCPDSCardno.03-4221), Li4Fe3.528(PO4)4(JCPDSCardno.25-0116) 및 무정형 상의 혼합물에 해당한다. 왜냐하면, 이들은 감람석 구조와의 하이브리드 구조를 형성하는 중에 있기 때문이다(도 9 참조). 감람석(Olivine) LiFePO4상은 전기 화학적인 성능을 최적화하기 위한 우수한 결정화를 위해 일반적으로 600~800℃ 범위의 고온이 필요하다. As shown in FIG. 2, the powder X-ray diffraction spectrum of the obtained LFP shows three distinct phase structures. The main peak can be defined as the orthorhombic olivine LiFePO 4 phase (JCPDS Card no.00-0443). Some small peaks correspond to the triclinic Li 4 (P 2 O 7 ) (JCPDSCardno.05-9243) and the tetragonal Li 3 (PO 4 ) phase (JCPDS Card no.05-0058). XRD data can be used to calculate that the ratio of lithium phosphate to LiFePO 4 phase in the LFP is about 25%. From the (311) diffraction peaks, the average crystal sizes for F108-LFP and P123-LFP were calculated to be 42.4 nm and 51.0 nm, respectively, using the Debye-Scherrer equation. In order to investigate the intermediate structure of the hybrid nanoparticles, a microstructured TEM photograph with LFP organic compounds was attempted. However, due to the decomposition and evaporation of organic molecules, electron beam irradiation did not produce clear TEM pictures. To solve this problem, the H 2 (5%) / Ar (95%) mixed gas and the sample were heat-treated at 400 ° C. for 5 hours and then at 400 ° C. to remove organic compounds from the block copolymer. Air was injected for 5 hours. The sample obtained showed a disordered mesoporous structure in both surfactants. (See FIG. 7) Surface area and pore size distributions for F108-LFP and P123-LFP were determined by gas sorption analysis using nitrogen gas. As shown in FIG. 8, the nitrogen adsorption and desorption isotherm results show typical mesoporous properties of type IV materials. BET surface area and pore size distribution obtained is 90.6m 2 /g,20.7nm for 86.6m 2 /g,23.4nm, and P123-LFP and the respective F108-LFP. After heat treatment at 400 ° C., the XRD spectra of mesoporous material were LiFePO 4 (JCPDSCardno.00-0443), Li 3 (PO 4 ) (JCPDSCardno.03-4221), Li 4 Fe 3.528 (PO 4 ) 4 (JCPDSCardno.25-0116) and mixtures of amorphous phases. This is because they are forming a hybrid structure with the olivine structure (see Fig. 9). Olivine LiFePO 4 phase generally requires high temperatures in the range of 600 to 800 ° C for good crystallization to optimize electrochemical performance.

H2/Ar 혼합가스로 700℃에서 2시간 동안 열처리를 통해, 블록 공중합체는 부분적으로 흑연화 탄소로 전환되어, 전자 이동을 향상시켰다. 라만 스펙트럼에서 분명히 1360과 1603cm-1에서 카본 피크를 나타내었으며, 이는 카본의 D-밴드(무질서 밴드)와 G-밴드(질서 밴드)에 기인한다(도 10 참조). F018-LFP의 ID/IG비(0.898)는 P123-LFP의 그것(0.885)보다 약간 더 높다. F108과 P123은 동일한 모노머(에틸렌옥사이드와 프로필렌옥사이드)로 구성되어 있는데, P123의 프로필렌옥사이드(상대적으로 보다 소수성임)의 중량비(70%)가 F108(18%)보다 더 높다. 이로부터, F108보다 P123에서 흑연화 탄소가 보다 더 많이 형성될 것으로 보인다. 전자수송은 상온에서 9T 물리적 특성 측정시스템(PPMS)로 측정하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이, F108-LFP와 P123-LFP 샘플의 전류는 벌크 샘플보다 100만배 이상으로 크게 증가하였다(도 11 참조). 또한, 0~10V 전압범위에서 P123-LFP가 F108-LFP보다 1.23배 높은 전류를 가짐을 확인하였다. 이 결과로부터, P123-LFP는 F108-LFP 대비 흑연화 특성(이것이 전자수송을 증가시킴)을 가진 보다 많은 카본을 포함함을 결론지을 수 있다. 이 결과는 라만 스팩트럼 결과와 잘 일치한다.Through heat treatment at 700 ° C. for 2 hours with H 2 / Ar mixed gas, the block copolymer was partially converted into graphitized carbon, thereby improving electron transfer. Raman spectra clearly showed carbon peaks at 1360 and 1603 cm −1 due to the D-band (disordered band) and G-band (order band) of carbon (see FIG. 10). The I D / I G ratio (0.898) of F018-LFP is slightly higher than that of P123-LFP (0.885). F108 and P123 consist of the same monomers (ethylene oxide and propylene oxide), with the weight ratio (70%) of propylene oxide (relatively more hydrophobic) of P123 being higher than F108 (18%). From this, more graphitized carbon is expected to form in P123 than in F108. Electron transport was measured by 9T Physical Property Measurement System (PPMS) at room temperature. As shown in FIG. 3, the currents of the F108-LFP and P123-LFP samples increased by more than one million times that of the bulk sample (see FIG. 11). In addition, it was confirmed that the P123-LFP has a current of 1.23 times higher than the F108-LFP in the voltage range of 0 ~ 10V. From these results, it can be concluded that P123-LFP contains more carbon with graphitization properties (which increases electron transport) than F108-LFP. This result is in good agreement with the Raman spectrum.

하이브리드 나노파티클의 각 원자의 프로파일을 주사 투과전자현미경(scanning TEM)을 통해 측정하였는데, 이는 철 전구체 당 1.5 당량비의 인산을 가지며 양쪽 파티클에 대해 잘 분포된 인 원자를 분명히 보여준다(도 12 참조). EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)선 분석은 카본 L라인이 외벽으로부터 파티클의 중심쪽으로 증가하는 싱글 LFP 파티클을 가로지르는 탄소 원자의 선 프로파일(line profile)을 보여주며, 파티클 내부에 탄소의 존재를 나타낸다(도 12 참조.) 또한, 고해상도 TEM사진은 파티클들이 표면에 결정화가 덜된 얇은 탄소층을 가지고 있음을 확인시켜 준다(도 13참조). The profile of each atom of the hybrid nanoparticles was measured by scanning TEM, which clearly shows a phosphorus atom of 1.5 equivalents per iron precursor and well distributed phosphorus atoms for both particles (see FIG. 12). Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) ray analysis shows a line profile of carbon atoms across a single LFP particle where the carbon L line increases from the outer wall towards the center of the particle, revealing the presence of carbon inside the particle. In addition, high-resolution TEM photographs confirm that the particles have a thin carbon layer with less crystallization on the surface (see FIG. 13).

P123-LFP와 F108-LFP의 충방전속도 능력(rate capabilities)을 비교하기 위해, 0.1에서 2C rate까지 변화시키면서 다른 C rate에서 2.0과 4.3V의 압력한계(voltage limit) 간에 그들의 방전 용량을 측정하였다. 양 양극재에 대한 2C에서의 방전용량은 0.1C에서의 그것의 약 98%였다(도 4의 (a)). 방전속도에서의 20배 증가에 관계없이, 양 구조에 대해 단지 2%의 용량손실이 관찰되었으며 이는 고 전하 이동(charge transfer)과 구조 안정성을 의미한다. P123-LFP의 비용량(specific capacity)은 F108-LFP의 그것보다 약 5% 높다. 2C 충방전 속도에서의 전극의 사이클 특성은 도 4의 (b)에 나타내었다. P123-LFP는 50사이클까지 동안 137mAh/g의 방전용량을 유지하였다. 그러나, F108-LFP의 경우, 방전 용량이 129mAh/g까지 점차 즐어 들었는데 종전 보고에 따르면, 리튬 이온과 전자의 낮은 이동성 때문에 사이클링 동안 감람석(olivine) 구조에서 용량이 점차 줄어들기 때문에 이는 F018-LFP내의 도전성이 떨어지는 카본 때문이다. 고성능 배터리용 양극재로 본 발명의 양극재가 사용 가능하다는 것을 설명하기 위해, 더 큰 충전 속도(charging rate)에서 사이클링 테스트를 실시하였다. 도4의 (c)에서 보듯이, P123-LFP의 경우 20C 충전 속도, 2C 방전 속도에서 50사이클까지 동안 용량이 유지되었고, 이때 방전 용량은 102mAh/g였다. F108-LFP 양극재에 대해서는 69mAh/g의 최고 방전 용량 이후 97%로 천천히 줄어들었다. 고 충전 속도(high charging rate)에서 P123-LFP과 F018-LFP간의 비 방전 용량(specific discharge capacity)관점에서 이러한 중요한 차이(32%)는 아마도 충전 또는 방전 속도가 증가됨에 따라 전하의 이동성 차이가 용량 감소에 더 영향을 미칠수 있기 때문이다. P123-LFP의 경우, 도 4의 (c)에 나타냈듯이 F018-LFP에 비해 충/방전 용량이 훨씬 빨리 안정기(plateaus)에 미치며, 이는 고 전하 이동 및 전극과 전해질간의 쉬운 접촉에 기여한다.To compare the rate capabilities of the P123-LFP and F108-LFP, their discharge capacities were measured between the voltage limits of 2.0 and 4.3V at different C rates, varying from 0.1 to 2C rates. . The discharge capacity at 2C for both positive electrode materials was about 98% of it at 0.1C (Fig. 4 (a)). Regardless of the 20-fold increase in discharge rate, only 2% capacity loss was observed for both structures, indicating high charge transfer and structural stability. The specific capacity of P123-LFP is about 5% higher than that of F108-LFP. Cycle characteristics of the electrode at the 2C charge / discharge rate are shown in FIG. 4B. The P123-LFP maintained a discharge capacity of 137 mAh / g for up to 50 cycles. However, for the F108-LFP, the discharge capacity gradually enjoyed up to 129 mAh / g, according to previous reports, because the capacity of the olivine structure gradually decreased during cycling due to the low mobility of lithium ions and electrons. This is because of poor carbon conductivity. To demonstrate that the cathode material of the present invention can be used as a cathode material for high performance batteries, cycling tests were conducted at higher charging rates. As shown in (c) of FIG. 4, the capacity of P123-LFP was maintained for up to 50 cycles at 20C charge rate and 2C discharge rate, at which time the discharge capacity was 102mAh / g. For the F108-LFP cathode material, it slowly decreased to 97% after a peak discharge capacity of 69mAh / g. This important difference (32%) in terms of the specific discharge capacity between P123-LFP and F018-LFP at high charging rate is probably due to the difference in charge mobility as the charge or discharge rate increases. This could affect the decline further. In the case of P123-LFP, the charge / discharge capacity reaches the plateaus much faster than the F018-LFP as shown in FIG. 4 (c), which contributes to high charge transfer and easy contact between the electrode and the electrolyte.

측정된 F108과 P123간의 전기화학적 성능의 차이를 뒷받침하기 위해, 그것들의 XRD 파우더 패턴과 TEM사진을 조사했다. 그러나, 구조상 특별한 차이점을 발견하지 못했다. 이들은 모두 감람석(olivine)구조이고 동일한 리튬 정렬을 가지고 있으나, 흑연화 카본의 다른 분포를 가지며 다른 전기 전도성을 지닌다. 공명핵 주변의 상세한 국부적 전자 분위기를 조사하기 위해, 7Li및 31P에 대한 MAS-NMR(magic angle spinning nuclear magnetic resonance)를 찍었다. 도 5는 P123-LFP과 F018-LFP 샘플에 대한 7Li 및 31P MAS-NMR 스팩트럼을 나타내는데, 모든 샘플에서 동일한 고해상도(well-resolved) NMR 피크가 나타났다. 그러나, 결정화도와 공명핵의 국부적 분위기 차이로 P123-LFP의 NMR 선폭이 F018-LFP보다 두 배나 날카로왔다. 이로부터, 상대적으로 P123-LFP의 고 결정화도가 리튬이온의 전도성을 두드러지게 중가시키는 [010]결정면을 더욱 발달시킨다고 결론지을 수 있다.To support the difference in electrochemical performance between the measured F108 and P123, their XRD powder patterns and TEM photographs were examined. However, no particular difference was found in the structure. These are all olivine structures and have the same lithium alignment, but with different distributions of graphitized carbon and different electrical conductivity. In order to investigate the detailed local electron atmosphere around the resonance nuclei, MAS-NMR (magic angle spinning nuclear magnetic resonance) for 7 Li and 31 P was taken. FIG. 5 shows 7 Li and 31 P MAS-NMR spectra for P123-LFP and F018-LFP samples, with identical well-resolved NMR peaks in all samples. However, due to differences in the crystallinity and local atmosphere of the resonance nuclei, the NMR line width of P123-LFP was twice as sharp as that of F018-LFP. From this, it can be concluded that the relatively high crystallinity of P123-LFP further develops a crystal plane that significantly increases the conductivity of lithium ions.

높은 열 에너지는 물질내에서 열역학적 안정성을 위해 성분들을 벌크 형태로 재배치를 일으키기 때문에 열처리 또는 초음파 처리는 무기재료에서 결정화도를 조절할 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 처음으로 우리는 열처리 과정에서 계면활성제 분자가 무기재료에서 원자정렬을 지정(direct)할 수 있음을 알아냈으며, 이는 이온 또는 전자 수송에 중요한 역할을 한다. 이 결과는 흑연화 카본과 높은 원자배치 규칙성이 양쪽 친매성 공중합체로부터 유래됐다고 믿게 하며, 이는 고속에서도 가역적인 전기화학적 리튬 이온 삽입/방출 과정에서 고성능을 나타내게 한다. It is known that heat treatment or sonication can control the crystallinity in inorganic materials because high thermal energy causes the components to be rearranged in bulk form for thermodynamic stability in the material. For the first time, however, we found that surfactant molecules can direct atomic alignment in inorganic materials, which plays an important role in ion or electron transport. This result leads to the belief that graphitized carbon and high atomic order regularity are derived from both lipophilic copolymers, which show high performance in reversible electrochemical lithium ion insertion / release processes even at high speeds.

계면활성제의 LFP 파티클의 상, 크기, 모양에 대한 효과를 조사하기 위해 계면활성제 없이 LFP 파티클을 준비하였다. (합성 조건에서 트리 블록 공중합체를 사용하지 않는 것을 제외하고 하이브리드 LFP와 동일하게 제조하였으며 제조된 것을 이하 벌크 LFP라 함). 도 11 TEM과 XRD 분석에 보듯이, 벌크 LFP 파티클은 상, 크기, 모양에 있어서 F108-LFP 및 P123-LFP와 달랐다. 벌크 LFP 파티클은 LiFePO4에 대해서는 사방정계 상(JCPDS Card no.09-2198, space group Pnma(62) 및 격자상수 a=10.329A, b=6.0065A, c=4.6908A), Li4(P2O7)에 대해서는 삼사정계 상(JCPDS Card no.05-9243), Li3(PO4)에 대해서는 사방정계 상(JCPDS Card no.05-0058)을 가진다. 이들의 파티클 사이즈와 분포는 각각 F108-LFP와 P123-LFP보다 훨씬 더 크고 넓었는데, 이로써 계면활성제가 크기와 크기 분포에 있어서 파티클 성장을 조절하는 결정적인 역할을 한다는 것을 알 수 있다.LFP particles were prepared without surfactants to investigate the effects on the phase, size, and shape of the LFP particles of the surfactant. (Prepared in the same manner as hybrid LFP except that no triblock copolymer is used in the synthetic conditions, the following is referred to as bulk LFP). As shown in FIG. 11 TEM and XRD analysis, bulk LFP particles differed from F108-LFP and P123-LFP in phase, size and shape. Bulk LFP particles are composed of tetragonal phase (LiPPO 4 ) (JCPDS Card no.09-2198, space group Pnma (62) and lattice constant a = 10.329A, b = 6.0065A, c = 4.6908A), Li 4 (P 2 O 7 ) has a tetragonal phase (JCPDS Card no.05-9243), and Li 3 (PO 4 ) has a tetragonal phase (JCPDS Card no.05-0058). Their particle size and distribution were much larger and wider than F108-LFP and P123-LFP, respectively, indicating that surfactants play a crucial role in controlling particle growth in size and size distribution.

F108-LFP와 P123-LFP간의 주요 차이점 요약Summary of key differences between F108-LFP and P123-LFP ID/IG I D / I G 전류electric current FWHM
(7LI NMR)
FWHM
( 7 LI NMR)
FWHM
(31P NMR)
FWHM
( 31 P NMR)
F108-LFPF108-LFP 0.8980.898 2.3V에서 0.107mA
4.0V에서 0.188mA
0.107 mA at 2.3 V
0.188 mA at 4.0 V
33.9ppm33.9 ppm 48.3ppm48.3 ppm
P123-LFPP123-LFP 0.8850.885 2.3V에서 0.133mA
4.0V에서 0.232mA
0.133 mA at 2.3 V
0.232 mA at 4.0 V
19.7ppm19.7 ppm 14.2ppm14.2 ppm

요약하자면, 카본과 리튬 포스페이트와의 LiFePO4 하이브리드 나노 파티클이 유기-무기 공작업(co-assembly)법을 통해 합성되었으며, 이는 메조포러스(mesoporous) 재료의 합성과정에 기초한다. 즉, 카본과 리튬 포스페이트와의 LiFePO4 하이브리드 나노 파티클은 트리블록 공중합체를 사용하여 메조포러스 재료에 대한 개선된 일반적인 방법을 통해 합성되었으며, 이로써 파티클 사이즈와 무기 나노구조에서의 결정화도를 조절하였다. In summary, LiFePO 4 hybrid nanoparticles of carbon and lithium phosphate have been synthesized by organic-inorganic co-assembly method, which is based on the synthesis of mesoporous material. That is, LiFePO 4 hybrid nanoparticles of carbon and lithium phosphate were synthesized using an improved general method for mesoporous materials using triblock copolymers, thereby controlling particle size and crystallinity in inorganic nanostructures.

흥미롭게도, F108보다 더 소수성 부분이 많은 P123 중합체를 사용하는 P123-LFP는 F018-LFP보다 더 많은 흑연화 카본과 두 배 높은 결정화도를 가진다. 게다가, 양극재로서의 P123-LFP의 전기화학적 분석 결과 20C 충전속도와 2C 방전속도에서 용량 손실 없이 우수한 고속 성능(high rate performance)을 나타낸다. 트리 블록 공중합체에 의해 조절되는 흑연화 벽(graphitic wall)과 무기 나노파티클의 결정화도가 베터리의 전기화학적 성능을 크게 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.Interestingly, P123-LFP using P123 polymer with more hydrophobic moieties than F108 has more graphitized carbon and twice the crystallinity than F018-LFP. In addition, electrochemical analysis of P123-LFP as a cathode material shows excellent high rate performance without capacity loss at 20C charge rate and 2C discharge rate. The crystallization of graphitic walls and inorganic nanoparticles controlled by triblock copolymers plays an important role in greatly improving the electrochemical performance of batteries.

실험예Experimental Example

LiNO3(ReagentPlus, 알드리치사), Fe(NO3)3ㆍ9H2O(98%이상, 알드리치사), 인산(H3PO4, 85%,Junsei), PE0와 PPO의 트리블록공중합체(P123, F108,알드리치사) 및 에탄올(99%, Junsei사)를 정제없이 사용하였다.LiNO 3 (ReagentPlus, Aldrich), Fe (NO 3 ) 3 ㆍ 9H 2 O (more than 98%, Aldrich), phosphoric acid (H 3 PO 4 , 85%, Junsei), triblock copolymer of PE0 and PPO ( P123, F108, Aldrich) and ethanol (99%, Junsei) were used without purification.

LFP의 합성Synthesis of LFP

LFP의 합성과정은 메조포러스 구조를 위한 일반적인 접근법을 수정하였다. P123형의 LFP는 실온에서 5시간 동안 LiNO3(2.76g), Fe(NO3)3ㆍ9H2O(8.08g), 인산(2㎖), P123(4g)과 에탄올(50) 혼합용액을 저어서 합성하였다. 다음으로, 드라이 오븐에서 14일 동안 60℃에서 용액의 용매를 중발시키고 밀링과 12시간동안 700℃까지 가열한 다음 2시간 동안 700℃에서 H2(5%)/Ar(95%) 혼합가스에서 열처리하였다. F108형 LFP의 합성과정은 P123대신에 F108을 사용한 것을 제외하고 P123-LFP에 대한 합성법과 동일하다. The synthesis of LFP modified the general approach for mesoporous structure. P123-type LFP was mixed with LiNO 3 (2.76 g), Fe (NO 3 ) 3 ㆍ 9H 2 O (8.08 g), phosphoric acid (2 mL), P123 (4 g) and ethanol (50) for 5 hours at room temperature. By stirring. Next, the solvent of the solution was concentrated in a dry oven at 60 ° C. for 14 days, milled and heated to 700 ° C. for 12 hours, and then mixed at H 2 (5%) / Ar (95%) at 700 ° C. for 2 hours. Heat treatment. Synthesis of F108 type LFP is the same as that of P123-LFP except that F108 is used instead of P123.

분석(characterization)Characterization

TEM사진을 120kV(저해상도)에서 Omega EM912에서 측정하거나 200kV(고해상도)에서 Philips F20 Tecnai에서 측정하였다. 주사(scanning) TEM 분석 데이터는 Philips F20 Tecnai에서 얻었다. X선 회절 데이터는 12kW에서 Rigaku D/MAX-RB 회절계를 사용하여 40kV, 120mA에서 흑연-모노크로마타이즈드 Cu-Ka 방사(graphite-monochromatized Cu-Ka radiation)와 함께 얻었다. 7Li및 31P MAS NMR 스펙트럼은 20kHz의 샘플 회전 속도를 이용하는 3.2mm Varian MAS 팀침(probe) 해드(head)를 가진 Varian VNMR 500 스펙트로미터에서 기록하였다. 라만 스펙트럼은 고해상도 분산 라만 현미경(Dispersive Raman Microscope)(LabRAM HR UV/Vis/NIR, Horiba Jobin Yvon)에서 얻었다. LFPLCs에 함유된 카본함량은 원소분석계(Element Analyzer(FlashEA 1112, Thermo Finnigan)로 분석하였다. 샘플의 포어 구조는 77K에서 ASAP2020 Micromeritics volumetric adsorption analyzer로 질소 수착(adsorption and desorption)에 의해 분석하였다. 샘플은 분석 전에 진공(1Pa미만)중에서 24시간 동안 120℃에서 탈가스하였다. TEM photographs were measured on an Omega EM912 at 120 kV (low resolution) or on a Philips F20 Tecnai at 200 kV (high resolution). Scanning TEM analysis data were obtained from Philips F20 Tecnai. X-ray diffraction data were obtained with graphite-monochromatized Cu-Ka radiation at 40 kV, 120 mA using a Rigaku D / MAX-RB diffractometer at 12 kW. 7 Li and 31 P MAS NMR spectra were recorded on a Varian VNMR 500 spectrometer with a 3.2 mm Varian MAS probe head using a sample rotation rate of 20 kHz. Raman spectra were obtained on a high resolution Dispersive Raman Microscope (LabRAM HR UV / Vis / NIR, Horiba Jobin Yvon). Carbon content in LFPLCs was analyzed by Element Analyzer (FlashEA 1112, Thermo Finnigan) The pore structure of the sample was analyzed by nitrogen sorption (adsorption and desorption) with an ASAP2020 Micromeritics volumetric adsorption analyzer at 77K. Degassing at 120 ° C. for 24 hours in vacuum (less than 1 Pa) prior to analysis.

전도성 측정 Conductivity measurement

샘플은 전기수송(electric transport)을 측정하기 위해 파우더 샘플을 상온에서 약 2kbar로 압축하여 제조하였다. 샘플은 폭이 2mm, 길이가 9mm이고 두께가 0.3mm로 직사각형의 페러럴파이프(parallelepiped)형태이다. 접촉 저항을 무시할 정도로 샘플의 저항이 충분히 크기 때문에 샘플에 흐르는 전류를 2 탐침(probe) 측정기술로 측정하였다. 전류는 0에서 10V의 전압범위에서 Keithley 238 Source Measure Unit로 측정하였다. 저항의 온도 의존성은 물리적 특성 측정 시스템(Quantum Design, PPMS)와 Agilent Nanovoltmeter(HP 34420A)를 사용하여 0.1마이크로 A에서 측정하였다.Samples were prepared by compressing the powder sample to about 2 kbar at room temperature to measure electrical transport. The sample is 2 mm wide, 9 mm long, and 0.3 mm thick, in the form of a rectangular parallelepiped. Since the resistance of the sample was large enough to neglect the contact resistance, the current flowing through the sample was measured by a two probe measurement technique. Current was measured with a Keithley 238 Source Measure Unit over a voltage range of 0 to 10V. The temperature dependence of the resistance was measured at 0.1 micro A using a physical characterization system (Quantum Design, PPMS) and an Agilent Nanovoltmeter (HP 34420A).

전기화학적 측정(electrochemical measurement)Electrochemical measurement

전기화학적 성능은 CR2016형 코인 셀에서 워나텍 자동 베터리 사이클러(Wonatec automatic battery cycler)에 의해 평가되었다. 전극은 80중량%의 활물질, 10중량%의 전도성 카본블랙, 10중량%의 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF)바인더를 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 넣은 슬러리를 만들어 제조하였다. 알루미늄 호일 전류 집전체에 닥터 블래이드로 적용하였고, 진공오븐에서 12시간동 안 120℃에서 건조하였다. 코팅된 음극 호일은 균일한 층을 형성시키기 위해 압력을 가했고 디스크 형태로 펀치했다. 아르곤이 채워진 글로브박스에 반대 전극으로 금속 리튬 호일을 가지는 복합전극을 사용하고, 1M LiPF6(알드리치사 99.99%)을 에틸렌 카보네이트/디에틸 카보네이트(EC/DEC, 1:1 v/v)용액에 녹여 전해질로 사용하여 코인 셀을 만들었다. 셀은 상온에서 다양한 전류 밀도에서 2 와 4.3V 사이에서 Li/Li+ 대비 항류적으로(galvanostatically) 사이클 시켰다. The electrochemical performance was evaluated by a Wonatec automatic battery cycler in a CR2016 type coin cell. The electrode was made into a slurry containing 80% by weight of active material, 10% by weight of conductive carbon black, and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) binder in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent. Prepared. The aluminum foil current collector was applied as a doctor blade and dried at 120 ° C. for 12 hours in a vacuum oven. The coated cathode foil was pressed to form a uniform layer and punched in the form of a disk. In the argon-filled glovebox, use a composite electrode with metal lithium foil as the counter electrode, and dissolve 1M LiPF6 (99.99% of Aldrich) in ethylene carbonate / diethyl carbonate (EC / DEC, 1: 1 v / v) solution. Coin cells were made using the electrolyte. The cells were cycled galvanostatically compared to Li / Li + between 2 and 4.3V at various current densities at room temperature.

리튬 이온 베터리에서 양극재로서의 P123-LFP에 대한 전기화학적 분석은 용량 손실없이 2C의 방전 속도와 20C의 충전 속도에서 우수한 고속 성능(high rate performance)을 보여주었다.Electrochemical analysis of P123-LFP as cathode material in lithium ion batteries showed excellent high rate performance at 2C discharge rate and 20C charge rate without loss of capacity.

Claims (14)

LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 제조하는 방법에 있어서,
계면 활성화제를 사용하며,
무산소 조건하에 열처리를 통해 상기 계면 활성화제를 탄화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
In the method for producing a hybrid nanoparticle of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate,
Use surfactants,
Carbonizing the surfactant through heat treatment under anoxic conditions.
제1항에 있어서,
상기 계면 활성화제는 비이온성 유기 계면 활성화제인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The surfactant is a nonionic organic surfactant.
제1항에 있어서,
상기 계면 활성화제는 양쪽 친매성 블록 공중합체인 것을 특징으로 하는 방법,
The method of claim 1,
The surfactant is characterized in that both amphiphilic block copolymers,
제1항에 있어서,
상기 계면 활성화제는 폴리에틸렌 옥사이드와 폴리프로필렌 옥사이드와의 트리 블록 공중합체(triblock copolymer; F108, P123)인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The surfactant is a triblock copolymer (F108, P123) of polyethylene oxide and polypropylene oxide.
제4항에 있어서,
상기 블록 공중합체에서 프로필렌 옥사이드의 중량비는 10~90중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
5. The method of claim 4,
The weight ratio of propylene oxide in the block copolymer is characterized in that 10 to 90% by weight.
LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 제조하는 방법에 있어서,
LiFePO4 및 리튬 포스페이트의 전구체와 계면 활성화제를 용매에 혼합하는 단계;
상기 용매를 증발시키고 파우더를 얻은 단계; 및
상기 파우더를 무산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
In the method for producing a hybrid nanoparticle of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate,
LiFePO 4 And mixing the precursor of lithium phosphate and the surfactant in a solvent;
Evaporating the solvent to obtain a powder; And
Heat-treating the powder in an oxygen-free atmosphere.
제 6항에 있어서,
상기 LiFePO4 및 리튬 포스페이트의 전구체로 LiNO3, Fe(NO3)3ㆍ9H20 및 H3PO4를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6,
LiFePO 4 And LiNO 3 , Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 0 and H 3 PO 4 as a precursor of lithium phosphate.
제6항에 있어서,
상기 계면 활성화제는 비이온성 유기 계면 활성화제인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6,
The surfactant is a nonionic organic surfactant.
제6항에 있어서,
상기 계면 활성화제는 양쪽 친매성 블록 공중합체인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein said surfactant is an amphiphilic block copolymer.
제6항에 있어서,
상기 계면 활성화제는 폴리에틸렌 옥사이드와 폴리프로필렌 옥사이드와의 트리 블록 공중합체(triblock copolymer)인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6,
The surfactant is a triblock copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide.
제10항에 있어서,
상기 블록 공중합체에서 프로필렌 옥사이드의 중량비는 10~90중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 10,
The weight ratio of propylene oxide in the block copolymer is characterized in that 10 to 90% by weight.
제6항에 있어서,
무산소 분위기는 H2/Ar 혼합가스 분위기이고, 열처리는 600~800℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6,
Oxygen-free atmosphere is a H 2 / Ar mixed gas atmosphere, the heat treatment is characterized in that made at 600 ~ 800 ℃.
LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클.Hybrid Nanoparticles of LiFePO 4 with Carbon and Lithium Phosphate. LiFePO4의 탄소 및 리튬 포스페이트와의 하이브리드 나노 파티클을 포함하는 이차전지용 양극재.A cathode material for a secondary battery comprising hybrid nanoparticles of LiFePO 4 with carbon and lithium phosphate.
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