KR20160028192A - Method for manufacturing Co-Sb intermetallic compound/carbon nanocomposite using disproportionation reaction, nanocomposite manufactured thereby, and lithium secondary battery including the nanocomposite - Google Patents

Method for manufacturing Co-Sb intermetallic compound/carbon nanocomposite using disproportionation reaction, nanocomposite manufactured thereby, and lithium secondary battery including the nanocomposite Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for producing a cobalt-stibium intermetallic compound/carbon nanocomplex by using disproportionation reaction, a nanocomplex produced by the same, and a lithium secondary battery including the same. The method for producing a cobalt (Co)-stibium (Sb) intermetallic compound/carbon nanocomplex by using disproportionation reaction includes the following steps: (a) producing a Co-Sb intermetallic compound by using Co powder and Sb powder; and (b) producing the Co-Sb intermetallic compound/carbon nanocomplex including the Co-Sb intermetallic compound, amorphous Sb (a-Sb), and carbon by making the Co-Sb intermetallic compound react with carbon (C). The nanocomplex is used as a negative electrode material for a secondary battery, particularly a lithium secondary battery to provide high capacity compared to an existing negative material and can have excellent cycle properties and enhance high rate properties.

Description

불균화 반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체 제조방법, 이에 의해 제조된 나노복합체 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Method for manufacturing Co-Sb intermetallic compound/carbon nanocomposite using disproportionation reaction, nanocomposite manufactured thereby, and lithium secondary battery including the nanocomposite}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, a nanocomposite prepared thereby, and a lithium secondary battery comprising the same , and lithium secondary battery including the nanocomposite}

본 발명은 불균화 반응을 이용한 나노복합체의 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 불균화 반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체 제조방법, 이에 의해 제조된 나노복합체 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, a nanocomposite prepared thereby, To a lithium secondary battery.

화석연료의 고갈과 환경오염에 따른 대체에너지의 개발이 시급하고 중요한 상황이다. 또한 하이브리드 자동차의 출현 및 휴대전화와 노트북 컴퓨터 등과 같은 휴대용 무선정보 통신기기의 급속한 발달에 따라, 휴대용 전원으로서 이차전지에 대한 중요성이 부각되고 있다.The depletion of fossil fuels and the development of alternative energy sources due to environmental pollution are urgent and important. In addition, with the advent of hybrid vehicles and the rapid development of portable wireless information communication devices such as mobile phones and notebook computers, the importance of secondary batteries as portable power sources has been highlighted.

특히, 리튬 이차전지는 다른 이차전지에 비해 고출력, 고에너지의 장점을 가져 핸드폰, 노트북, 디지털 카메라, 캠코더 등의 휴대용 전자장치를 위한 소형 전원으로서 뿐만 아니라 하이브리드 자동차(hybrid car), 전기 자전거(e-bike) 등 중대형 전원으로도 사용되는 등 고에너지 밀도를 갖는 휴대용 전원으로서 크게 주목받아 왔다.Particularly, the lithium secondary battery has advantages of high output and high energy compared to other secondary batteries, and can be used not only as a small power source for portable electronic devices such as a cell phone, a notebook, a digital camera, a camcorder, but also a hybrid car, -bike) and the like, and has been attracting much attention as a portable power source having a high energy density.

이러한 추세에 부흥하여 리튬 이차전지에 있어서 용량 및 작동 전압을 보다 향상시키기 위해 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 현재 활발히 진행 중에 있으며, 특히, 리튬이차전지의 고성능화를 위해 양극과 음극의 특성 향상에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.In order to improve the capacity and the operating voltage of the lithium secondary battery, research and development on the design of the electrode and the battery have been progressing actively. Particularly, in order to improve the performance of the lithium secondary battery, Is being actively studied.

이와 관련해, 기존에 리튬 이차전지의 음극을 구성하는 음극 활물질로는 초기에는 리튬 금속(3860 mAh/g)이 사용되었다. 하지만, 리튬은 가역성 및 안전성이 낮은 문제점이 있어, 현재 리튬 이차전지의 음극 활물질로는 주로 탄소 소재가 사용되고 있다.In this regard, lithium metal (3860 mAh / g) was initially used as the negative electrode active material constituting the negative electrode of the lithium secondary battery. However, since lithium has a problem of low reversibility and low safety, carbon materials are mainly used as an anode active material of a lithium secondary battery.

탄소 음극소재는 리튬 금속에 비해 용량(372 mAh/g)은 작지만, 부피 변화가 적고 가역성이 뛰어나며 가격 측면에서 유리한 장점이 있다. 그러나, 리튬 이차전지의 사용이 확대되면서 점차 고용량 리튬 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이며, 이에 따라 탄소재를 대체할 수 있는 고용량의 음극 활물질에 대한 연구가 요구된다.The carbon anode material has a smaller capacity (372 mAh / g) than lithium metal, but has less volume change, excellent reversibility, and advantageous in terms of price. However, as the use of lithium secondary batteries increases, the demand for high capacity lithium secondary batteries is gradually increasing. Accordingly, researches on high capacity negative electrode active materials that can replace carbon materials are required.

이러한 요구를 충족하기 위하여 탄소 음극소재보다 높은 충방전 용량을 나타내고, 리튬과 전기화학적으로 합금화가 가능한 금속, 예를 들면 실리콘(Si, 4197 mAh/g), 주석(Sn, 993 mAh/g), 안티몬(Sb, 660 mAh/g) 등을 음극 활물질로 이용하고자 하는 시도가 있었다. For example, silicon (Si, 4197 mAh / g), tin (Sn, 993 mAh / g), and tantalum Antimony (Sb, 660 mAh / g) and the like as an anode active material.

그러나, 상기 리튬 합금 물질은 충전 및 방전시에 상변화로 인하여 부피변화가 발생하게 되고, 이에 따라 발생한 응력이 활물질의 파괴를 일으켜서 사이클에 따른 용량 감소를 발생시키는 큰 문제점을 가진다.However, the lithium alloy material is subject to a volume change due to a phase change at the time of charging and discharging, and thus the generated stress causes a breakdown of the active material, thereby causing a great reduction in the capacity depending on the cycle.

따라서, 사이클 특성을 개선하기 위해서, Si, Sn 및 Sb을 포함하는 합금을 형성함으로써 합금의 팽창을 억제하는 기술이 고려되어 왔다. 그러나, 이와 같이 합금을 사용하는 경우에는 금속 자체만을 음극 활물질로 사용하는 경우보다 수명 특성 및 부피 팽창의 방지 효과가 일부 개선되었으나, 리튬과의 합금화 시에 발생하는 체적팽창에 의한 스트레스로 인하여 아직 상업적으로 사용하기에는 부족한 문제점이 있다.Therefore, in order to improve the cycle characteristics, a technique of suppressing the expansion of the alloy by forming an alloy containing Si, Sn and Sb has been considered. However, when the alloy is used in this manner, the life characteristics and the effect of preventing the bulge expansion are somewhat improved as compared with the case where only the metal itself is used as the negative active material. However, due to the stress caused by the volume expansion occurring when alloying with lithium, There is a problem in that it is not enough to use it.

또한, 부피변화를 최소화하기 위한 또 다른 방안으로서 나노 크기의 분말을 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 종래에는 나노 크기의 분말들을 환원 방법이나 공침 방법과 같은 복잡한 화학적 방법을 이용하여 제조되었고, 이러한 화학적 과정 중 남겨진 염(salt)들에 의한 비가역적인 부반응들로 인하여 초기 효율이 매우 저조하다는 단점이 있었다.It has also been proposed to use nano-sized powders as an alternative to minimize volume changes. However, conventionally, nano-sized powders have been produced by using complex chemical methods such as reduction method and coprecipitation method, and the initial efficiency is very low due to irreversible side reactions caused by the salts left in the chemical process .

나아가, 제조된 나노 분말들 역시 충전 및 방전이 진행되는 동안 응집현상이 발생하여 입자가 조대화하는 현상이 나타나 다시 부피 변화가 발생하게 되고 이에 따라 사이클에 따른 급격한 용량 감소를 발생시키는 단점도 나타내었다.Furthermore, the nano powders thus produced also undergo coagulation phenomenon during charging and discharging, resulting in coarsening of the particles, resulting in a volume change, which is accompanied by a disadvantage that rapid capacity reduction is caused by the cycle .

C.-M. Park, J.-H. Kim, H. Kim and H.-J. Sohn, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3115. C.-M. Park, J.-H. Kim, H. Kim and H.-J. Sohn, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3115. J. Wang, I. D. Raistrick and R. A. Huggins, J. Electrochem. Soc., 1986, 133, 457. J. Wang, I. D. Raistrick and R. A. Huggins, J. Electrochem. Soc., 1986, 133, 457. M.-S. Park, S. A. Needham, G.-X. Wang, Y.-M. Kang, J.-S. Park, S.-X. Dou and H.-K. Liu, Chem. Mater., 2007, 19, 2406. M.-S. Park, S. A. Needham, G.-X. Wang, Y.-M. Kang, J.-S. Park, S.-X. Dou and H.-K. Liu, Chem. Mater., 2007, 19, 2406.

상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 이차 전지 그 중에서도 특히, 리튬 이차 전지의 음극재료로 이용되어 높은 용량을 유지하면서, 고율 특성 및 사이클 수명을 매우 향상시킬 수 있는 나노복합체의 제조방법, 이에 의해 제조된 나노복합체 및 이를 포함하는 리튬이차전지의 제공을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for manufacturing a nanocomposite, which can be used as a negative electrode material of a lithium secondary battery and can greatly improve a high rate characteristic and a cycle life while maintaining a high capacity, And a lithium secondary battery comprising the nanocomposite.

또한, 본 발명은 합금 및 불균화 반응 방법의 새로운 합성방법을 적용함으로써 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고도 간단하고 효율적으로 나노복합체를 제조하는 방법의 제공을 그 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method for producing nanocomposite easily and efficiently without using complicated and ineffective processes such as chemical methods by applying a new synthesis method of an alloy and a disproportionation reaction method.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, (a) 코발트 분말(Co) 및 안티몬(Sb) 분말을 이용해 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)을 탄소(C)와 반응시켜, 코발트-안티몬 금속간 화합물, 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 제조하는 단계를 포함하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a Co-Sb intermetallic compound, comprising: (a) preparing a cobalt-antimony intermetallic compound using cobalt powder (Co) and antimony (Sb) powder; And (b) reacting the cobalt-antimony intermetallic compound with carbon (C) to form a cobalt-antimony intermetallic compound, an amorphous antimony (a-Sb) Antimony intermetallic compounds / carbon nanocomposites using a disproportionation reaction, which comprises the step of preparing an intermediate compound / carbon nanocomposite.

또한, 상기 단계 (a)에서 코발트 분말(Co) 및 안티몬(Sb) 분말을 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM) 및 열처리를 통해 코발트-안티몬 금속간 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.Further, in the step (a), the cobalt-antimony intermetallic compound is prepared by mixing cobalt powder (Co) and antimony (Sb) powder, followed by high energy mechanical milling (HEMM) Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction.

또한, 상기 고에너지 기계적 밀링은 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling) 또는 유성형 볼밀링(planetary ball milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.The high energy mechanical milling is also carried out by attrition milling, shaker milling or planetary ball milling. The cobalt-antimony metal using a disproportionation reaction is characterized in that the high energy mechanical milling is carried out by attrition milling, shaker milling or planetary ball milling. Intercalation compound / carbon nanocomposite.

또한, 상기 단계 (a)에서 제조되는 코발트-안티몬 금속간 화합물은 CoSb2 또는 CoSb3인 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.Also, the present invention proposes a method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using disproportionation, wherein the cobalt-antimony intermetallic compound produced in step (a) is CoSb 2 or CoSb 3 .

또한, 상기 단계 (b)에서는 코발트-안티몬 금속간 화합물을 탄소와 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)을 통해 나노복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.In addition, in the step (b), the nanocomposite is prepared by mixing the cobalt-antimony intermetallic compound with carbon and then performing high energy mechanical milling (HEMM) Cobalt-antimony intermetallic compounds / carbon nanocomposites.

또한, 상기 고에너지 기계적 밀링은 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling) 또는 유성형 볼밀링(planetary ball milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.The high energy mechanical milling is also carried out by attrition milling, shaker milling or planetary ball milling. The cobalt-antimony metal using a disproportionation reaction is characterized in that the high energy mechanical milling is carried out by attrition milling, shaker milling or planetary ball milling. Intercalation compound / carbon nanocomposite.

또한, 30wt% 이상 100wt% 미만의 코발트-안티몬 금속간 화합물 및 0wt% 초과 70wt% 이하의 탄소를 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)을 통해 나노복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.Further, it is characterized in that the nanocomposite is produced by mixing 30 wt% or more and less than 100 wt% of cobalt-antimony intermetallic compound and 0 wt% or more of carbon, and then performing high energy mechanical milling (HEMM) Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction.

또한, 상기 단계 (b)에서 하기 반응식에 따른 불균화 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다:Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction characterized in that a disproportionation reaction takes place in the step (b) according to the following reaction formula:

[반응식][Reaction Scheme]

CoSbX + C ⇒ CoSbX-1 + Sb(amorphous) + C CoSb X + C? CoSb X-1 + Sb (amorphous) + C

(상기 반응식에서 X는 2 또는 3임).(Wherein X is 2 or 3).

또한, 상기 탄소는 아세틸렌 블랙, 슈퍼 피(Super P) 블랙, 카본 블랙, 덴카(Denka) 블랙, 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드 카본 및 소프트 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.The carbon may be one selected from the group consisting of acetylene black, Super P black, carbon black, Denka black, activated carbon, graphite, hard carbon and soft carbon Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, wherein the cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite is prepared by a disproportionation reaction.

또한, 상기 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체는 1nm 이상 500μm 미만의 평균 직경을 가지는 분말인 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.The present invention also provides a process for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, wherein the cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite is a powder having an average diameter of 1 nm or more and less than 500 μm do.

또한, 상기 나노복합체 내에 포함된 코발트-안티몬 금속간 화합물 결정립은 50nm 미만의 평균 직경을 가지는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법을 제안한다.Also, the present invention proposes a method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, wherein the cobalt-antimony intermetallic compound grains contained in the nanocomposite have an average diameter of less than 50 nm.

그리고, 상기 제조방법에 의해 제조된 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 음극 활물질로 포함하는 이차전지를 제안한다.The present invention also provides a secondary battery comprising the cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite prepared by the above production method as a negative electrode active material.

또한, 상기 이차전지는 리튬이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지를 제안한다.Further, the secondary battery is a secondary battery characterized in that lithium is a secondary battery.

본 발명에 따르면, 합금 및 불균화 반응의 새로운 방법에 의하여 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고도 간단하고 효율적으로 나노 크기의 복합체를 제조할 수 있다. 그리고, 상기 나노복합체는 리튬이차전지의 음극 재료로 이용되어 기존의 음극 재료와 달리 높은 용량을 유지하면서 입자 조대화에 의한 부피 변화의 문제점을 가지지 않으며, 또한, 상기 복합체를 이용하는 리튬이차 전지는 고율 특성을 달성할 수 있고, 사이클 수명을 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, a nano-sized composite can be produced simply and efficiently without a complicated and ineffective process such as a chemical method by a new method of alloying and disproportionation reaction. In addition, the nanocomposite is used as a negative electrode material of a lithium secondary battery, and unlike conventional negative electrode materials, the nanocomposite does not have a problem of volumetric change due to grain coarsening while maintaining a high capacity, and the lithium secondary battery using the composite has a high Characteristics can be achieved, and the cycle life can be greatly improved.

도 1은 본 발명에 따라 합금화 및 불균화 반응 과정을 통해 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSbx x=1 또는 2), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소(C)를 포함하는 나노 크기의 복합체(CoSbx/Sb/C)를 합성하는 방법에 대한 모식도이다.
도 2a는 코발트-안티몬(Co-Sb)의 이원계 상태도이며, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 각각 CoSb, CoSb2 CoSb3에 대한 x-선 회절 분석 특성 결과 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)에 대한 X-선 회절분석 특성 결과 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 5는 CoSb, CoSb2, CoSb3 코발트 안티몬 금속간화합물과 그 비교예로서 안티몬(Sb)을 음극 재료로 사용하는 이차전지에 대한 사이클 특성 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 6a 및 6b는 각각 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)를 이용한 경우에 있어서의 제 1, 2, 5, 10, 50, 100 사이클에 대한 충전 및 방전 거동을 각각 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)와 비교예로서 주석(Sb)를 음극 재료로 사용하는 이차 전지에 대한 사이클 특성 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 그 비교예로서 현재 상용화 되고 있는 흑연(MCMB: Meso carbon Micro Beads)을 음극 재료로 사용하는 이차 전지에 대한 고율 특성 데이터를 보여주는 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a nanoscale composite material comprising a cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb x x = 1 or 2), amorphous antimony (a-Sb) and carbon (C) through alloying and disproportionation processes in accordance with the present invention (CoSb x / Sb / C).
Figure 2a is a cobalt-antimony phase diagram of a binary system (CoSb), the Figure 2b, Figure 2c and 2d, respectively CoSb, CoSb 2, and Fig. 3 is a graph showing the results of x-ray diffraction analysis for CoSb 3 .
3A and 3B are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the nanocomposite (CoSb 2 / C) prepared in Example 1 and the nanocomposite (CoSb 3 / C) prepared in Example 2, respectively.
4A and 4B are transmission electron micrographs of the nanocomposite (CoSb 2 / C) prepared in Example 1 and the nanocomposite (CoSb 3 / C) prepared in Example 2, respectively.
FIG. 5 is a graph showing cycle characteristic data for CoSb, CoSb 2 , CoSb 3 cobalt antimony intermetallic compounds and a secondary battery using antimony (Sb) as a negative electrode material as a comparative example.
Figure 6a and 6b claim 1, 2, 5, 10 in the case of using the nanocomposite (CoSb 3 / C) produced in each embodiment the nanocomposite prepared in 1 (CoSb 2 / C) and Example 2, 50, and 100 cycles, respectively.
7 is for a secondary battery using the tin (Sb), as a comparative example and the first embodiment of the nanocomposite (CoSb 2 / C) and carrying out the nanocomposite (CoSb 3 / C) prepared in Example 2 produced in the cathode material Cycle characteristic data.
8 is a graph showing high-rate characteristic data for a secondary battery using a nanocomposite (CoSb 2 / C) prepared in Example 1 and a commercially available graphite (MCMB: Meso carbon Micro Beads) Graph.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ",or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 본 발명에 따른 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체 제조방법, 이에 의해 제조된 나노복합체 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction according to the present invention, a nanocomposite prepared thereby, and a lithium secondary battery comprising the same will be described in detail.

본 발명에 따른 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체 제조방법은, (a) 코발트 분말(Co) 및 안티몬(Sb) 분말을 이용해 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)을 탄소(C)와 반응시켜, 코발트-안티몬 금속간 화합물, 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 제조하는 단계를 포함한다.
The method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite according to the present invention comprises the steps of: (a) preparing a cobalt-antimony intermetallic compound using cobalt powder (Co) and antimony (Sb) step; And (b) reacting the cobalt-antimony intermetallic compound with carbon (C) to form a cobalt-antimony intermetallic compound, an amorphous antimony (a-Sb) To produce an intercalated compound / carbon nanocomposite.

상기 단계 (a)는 코발트 및 안티몬을 출발 물질로 이용해 코발트-안티몬 금속간 화합물을 제조하는 단계로서, 본 단계를 통해 CoSb2 또는 CoSb3 등과 같은 코발트-안티몬 금속간 화합물이 제조되어, 후술할 단계 (b)에서의 불균화반응을 통한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체 제조 단계에 제공된다.The step (a) is a step of preparing a cobalt-antimony intermetallic compound by using cobalt and antimony as a starting material, and a cobalt-antimony intermetallic compound such as CoSb 2 or CoSb 3 is produced through this step, antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite through a disproportionation reaction in step (b).

본 단계를 수행하기 위한 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않으나, 고회전력을 통한 높은 에너지를 혼합 분말에 가함으로써 분말을 미립화 시키는 것은 물론 분말 간의 극대화된 확산력을 통해 분말을 합금화시킬 수 있는 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)을 통해 코발트-안티몬 금속간 화합물을 제조하는 것이 바람직하다.The specific method for carrying out this step is not particularly limited, but a high-energy mechanical milling (high-energy mechanical milling) capable of atomizing the powder by maximizing the diffusing power between powders as well as atomizing the powder by adding high- high energy mechanical milling (HEMM) to produce cobalt-antimony intermetallic compounds.

어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling) 또는 유성형 볼밀링(planetary ball milling) 등과 같은 고에너지 기계적 밀링을 이용할 경우, 혼합 분말이 밀링 볼 사이 또는 밀링 볼과 밀링 용기 사이에서 반복적인 충돌에 의해 변형되고(deformed) 파괴된(fractured) 후 냉간압접(cold pressure welding)이 일어나는 과정을 거쳐 합금화가 이루어진다.When high energy mechanical milling, such as attrition milling, shaker milling or planetary ball milling, is used, the mixed powder may be repeated between the milling balls or between the milling balls and the milling vessel Alloying takes place through a process in which cold pressure welding takes place after fractured and deformed by impact.

이때, 밀링 속도, 밀링 시간 등 밀링 공정 조건은 원료 분말의 종류 및 양 등에 따라 다르지만, 당업자라면 분말의 소성변형 및 확산을 충분히 유발하여 원하는 반응을 달성할 수 있음과 동시에 분말 산화, 불순물 혼입에 따른 분말 오염, 경제성 저하 등의 문제를 야기하지 않는 적절한 공정 조건을 과도한 시행 착오 없이 용이하게 채택할 수 있음을 물론이며, 예를 들어, 본 발명에서는 500rpm 이상의 밀링 속도 및 1~24 시간의 밀링 시간에 따라 본 단계를 실시할 수 있다. The milling process conditions such as the milling speed and the milling time depend on the kind and amount of the raw material powder. However, those skilled in the art can sufficiently induce the plastic deformation and diffusion of the powder to achieve the desired reaction, It is possible to easily adopt appropriate process conditions that do not cause problems such as contamination of the powder and economical efficiency without excessive trial and error. For example, in the present invention, according to the milling speed of 500 rpm or more and the milling time of 1 to 24 hours This step can be carried out.

또한, 본 단계에서의 고에너지 기계적 밀링은 분말의 산화 또는 오염을 방지하기 위하여 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.The high-energy mechanical milling in this step is preferably performed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) in order to prevent oxidation or contamination of the powder.

한편, 상기 고에너지 기계적 밀링을 수행한 후에는, 필요에 따라 800~1000℃에서 열처리를 실시할 수 있다.
On the other hand, after performing the high-energy mechanical milling, heat treatment may be performed at 800 to 1000 ° C, if necessary.

다음으로, 단계 (b)에서는 전 단계에서 제조된 코발트-안티몬 금속간 화합물을 탄소와 반응시켜 나노복합체를 제조하는 단계이다.Next, in step (b), the nanocomposite is prepared by reacting the cobalt-antimony intermetallic compound prepared in the previous step with carbon.

구체적으로, 본 단계에서는 CoSb2 또는 CoSb3 등과 같은 코발트-안티몬 금속간 화합물을 탄소와 혼합한 후, 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling), 유성형 볼밀링(planetary ball milling) 등의 고에너지 기계적 밀링을 통해 화학적 반응을 유발시켜 코발트-안티몬 금속간 화합물, 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 제조한다.Specifically, in this step, a cobalt-antimony intermetallic compound such as CoSb 2 or CoSb 3 is mixed with carbon, followed by attrition milling, shaker milling, planetary ball milling, To produce a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite comprising a cobalt-antimony intermetallic compound, amorphous antimony (a-Sb) and carbon.

본 단계에서 주목할 만한 것은, 도 1에 개략적으로 도시한 것처럼 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSbX)이 탄소와 반응하는 과정에서, 아래 반응식 1과 같이 비정질의 안티몬(a-Sb) 및 CoSbX-1을 생성하는 불균화 반응(disproportionation reaction)이 일어난다는 점이다.
Notably, in the present step, the cobalt, as schematically shown in Figure 1 - antimony intermetallic compound (CoSb X) and the carbon in the course of the reaction, an amorphous antimony (Sb-a) as shown in Scheme 1 below and CoSb X- disproportionation reaction to produce 1 (disproportionation reaction) is that it takes place.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CoSbX + C ⇒ CoSbX-1 + Sb(amorphous) + C
CoSb X + C? CoSb X-1 + Sb (amorphous) + C

예를 들면, 불균화 반응을 통해 CoSb2는 아래 반응식 2에서와 같이 CoSb와 비정질의 안티몬(a-Sb)을, CoSb3는 아래 반응식 3에서와 같이 CoSb2와 비정질의 안티몬(a-Sb)을 생성하게 된다.
For example, CoSb 2 through the disproportionation reaction may include CoSb and amorphous antimony (a-Sb) as shown in the following reaction formula 2, CoSb 3 and CoSb 2 and amorphous antimony (a-Sb) .

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

CoSb2 + C ⇒ CoSb + Sb(amorphous) + C
CoSb 2 + C? CoSb + Sb (amorphous) + C

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

CoSb3 + C ⇒ CoSb2 + Sb(amorphous) + C CoSb 3 + C? CoSb 2 + Sb (amorphous) + C

상기와 같이 고에너지 기계적 밀링을 통해 이원계 합금을 탄소와 반응시켜 불균화 반응을 발생시키면, 기존의 화학적 합성 방법을 수행하지 않고도 간단하고도 효율적으로 코발트-안티몬 금속간 화합물, 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 나노복합체를 제조할 수 있다. 참고로, 리튬과 반응하는 비정질 안티몬은 일반적으로 리튬이차전지 음극물질로 우수한 용량 및 사이클 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.As described above, when a binary alloy is reacted with carbon through high-energy mechanical milling to generate a disproportionation reaction, a simple and efficient cobalt-antimony intermetallic compound, an amorphous antimony (a-Sb ) And carbon can be prepared. For reference, amorphous antimony that reacts with lithium is generally known to exhibit excellent capacity and cycle characteristics as a lithium secondary battery cathode material.

한편, 본 단계를 수행함에 있어서, 30wt% 이상 100wt% 미만의 코발트-안티몬 금속간 화합물 및 0wt% 초과 70wt% 이하의 탄소를 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링을 실시하는 것이 바람직한데, 이는 상기 코발트-안티몬 금속간 화합물 분말이 30wt% 미만으로 포함되는 경우 즉 탄소 성분 분말이 70wt%를 초과하여 포함되는 경우에는 탄소 성분이 과도하게 볼 밀링되는데 이 경우 이차 전지 특히 리튬 이차 전지의 제 1사이클에서 충전 및 방전 용량 및 효율이 떨어지게 되고 결국 전체적인 용량과 효율이 떨어지게 된기 때문이다.Meanwhile, in carrying out this step, it is preferable to carry out high-energy mechanical milling after mixing 30 wt% to less than 100 wt% of the cobalt-antimony intermetallic compound and 0 wt% to 70 wt% or less of carbon, -Antimony intermetallic compound powder is contained in an amount less than 30 wt%, that is, when the carbon component powder is contained in an amount exceeding 70 wt%, the carbon component is excessively ball milled. In this case, the secondary battery And the discharge capacity and efficiency are deteriorated, resulting in a decrease in the overall capacity and efficiency.

그리고, 밀링 속도, 밀링 시간 등 밀링 공정 조건은 원료 분말의 종류 및 양 등에 따라 다르지만, 당업자라면 분말의 소성변형 및 확산을 충분히 유발하여 원하는 반응을 달성할 수 있음과 동시에 분말 산화, 불순물 혼입에 따른 분말 오염, 경제성 저하 등의 문제를 야기하지 않는 적절한 공정 조건을 과도한 시행 착오 없이 용이하게 채택할 수 있음을 물론이며, 예를 들어, 본 발명에서는 나노 크기의 복합체가 형성되도록 1 내지 20시간의 밀링 시간에 따라 본 단계를 실시할 수 있다.The milling process conditions such as the milling speed and the milling time depend on the kind and amount of the raw material powder, but those skilled in the art can sufficiently effect plastic deformation and diffusion of the powder to achieve the desired reaction, It is possible to easily adopt appropriate process conditions that do not cause problems such as contamination, powder contamination and economical deterioration without undue trial and error. For example, in the present invention, a milling time of 1 to 20 hours This step can be carried out in accordance with

또한, 본 단계에서의 고에너지 기계적 밀링은 분말의 산화 또는 오염을 방지하기 위하여 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.The high-energy mechanical milling in this step is preferably performed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) in order to prevent oxidation or contamination of the powder.

한편, 본 단계에 제공되는 탄소 성분으로는 아세틸렌 블랙, 슈퍼 피(super P) 블랙, 카본 블랙, 덴카(Denka) 블랙, 활성카본(Activated carbon), 흑연, 하드 카본 또는 소프트 카본 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 그 중에서도 super P 블랙과 같이 나노 크기를 가지는 탄소 성분을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 탄소 성분은 금속과 반응성이 없으며 전도성을 증가시키며 응집현상을 막아줄 수 있다.On the other hand, as the carbon component provided in this step, any one of acetylene black, super P black, carbon black, Denka black, activated carbon, graphite, hard carbon or soft carbon is used Among them, it is more preferable to use a carbon component having a nano-size such as super P black. These carbon components are not reactive with metals, increasing the conductivity and preventing aggregation.

본 단계를 통해 제조되는 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체는 1nm 이상 500μm 미만의 평균 직경을 가지는 분말일 수 있으며, 상기 나노복합체 내에 포함된 코발트-안티몬 금속간 화합물 결정립은 50nm 미만의 평균 직경을 가질 수 있다.
The cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite produced through this step may be a powder having an average diameter of 1 nm or more and less than 500 μm, and the cobalt-antimony intermetallic compound grains contained in the nanocomposite may have an average diameter Lt; / RTI >

다음으로, 상기에서 상세히 설명한 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법에 의해 제조된 나노복합체를 음극 활물질로 포함하는 이차전지, 그 중에서도 특히 리튬이차전지에 대해 아래에서 상세히 설명한다.Next, a secondary battery comprising the nanocomposite prepared by the method of manufacturing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using the disproportionation as described above as a negative electrode active material, particularly a lithium secondary battery, Will be described in detail.

본 발명에 따른 나노복합체를 음극 활물질로 포함하는 리튬이차전지는 양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함하되, 상기 음극은 전술한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 활물질로 포함하는 것을 특징으로 한다.The lithium secondary battery including the nanocomposite according to the present invention as a negative electrode active material includes a cathode, a cathode, a separator, and an electrolyte, wherein the cathode includes the above-described cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite as an active material do.

이때, 상기 리튬이차전지는 음극 활물질을 제외하고는 당업계에서 공지된 구성을 제한 없이 선택하여 적절히 사용할 수 있다.At this time, the lithium secondary battery can be suitably used without any limitations in configurations known in the art except for the negative electrode active material.

예를 들어, 양극은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiFeO4, LiNiVO4, LiNi1/2Mn1/2O2 등과 같이 리튬을 가역적으로 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 할 수 있는 화합물인 양극 활물질, 도전재 및 바인더로 이루어진 양극 합제를 구비하여 이루어질 수 있다.For example, the anode may be reversibly doped with lithium, such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiFeO 4 , LiNiVO 4 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , A positive electrode active material, a conductive material, and a binder, which are compounds capable of intercalating and deintercalating lithium ions.

그리고, 분리막(separator)으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리올레핀계 다공질 필름을 사용할 수 있다.As the separator, a polyolefin-based porous film such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP) can be used.

또한, 전해질로는 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 부틸렌 카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸 테트라히드로퓨란, 디옥솔란, 4-메틸디옥솔란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세토아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸이소프로필 카보네이트, 에틸부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디이소프로필카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 상기 용매 중에서 선택된 2종 이상의 용매가 혼합된 용매 등에 LiPF6, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬염을 용해시킨 전해액을 사용하거나 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌이민 등과 같이 리튬 이온에 대한 이온 전도성이 높은 고분자로 이루어진 고체 전해질에 상기 전해액을 함침시켜 겔 형태로 한 것을 사용할 수 있다.Examples of the electrolyte include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, , Dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetoamide, dimethylsulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, di A solvent in which two or more solvents selected from ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl butyl carbonate, dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethyleneglycol, 6, LiCF 3 SO 3, Li (CF 3 SO 2) 2, LiBF 4, LiClO 4, LiN (SO 2 C 2 F 5) using the electrolytic solution having a lithium salt dissolved in the second place, or Polyethylene oxide, polypropylene oxide, was impregnated to the electrolyte to a solid electrolyte made of a high ionic conductivity for the lithium ion polymer such as polyethyleneimine can be used in a gel form.

나아가, 본 발명에 따른 리튬이차전지는 원통형, 각형, 동전형 또는 파우치형 등 그 용도에 따라 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
Furthermore, it is needless to say that the lithium secondary battery according to the present invention may have various shapes depending on its use such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, or a pouch shape.

아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail on the basis of embodiments. The presented embodiments are illustrative and are not intended to limit the scope of the invention.

<실시예 1> 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 나노복합체 제조Example 1 Manufacture of Nanocomposite Containing Cobalt-Antimony Intermetallic Compound (CoSb), Amorphous Antimony (a-Sb) and Carbon

본 실시예에서는 아래와 같이 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)를 제조한 후, 이를 탄소와 반응시킴으로써 코발트-안티몬 금속간 화합물에 불균등화 반응을 일으켜 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하여 이루어지는 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 제조하였다.
Antimony intermetallic compound (CoSb) is produced by causing a disproportionation reaction to a cobalt-antimony intermetallic compound by reacting it with carbon after preparing a cobalt-antimony intermetallic compound as described below, Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite comprising amorphous antimony (a-Sb) and carbon was prepared.

(1) 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)의 제조(1) Preparation of cobalt-antimony intermetallic compound

시중에서 쉽게 구입 가능한 입자크기가 100 mesh 이하인 코발트(Cobalt, Co) 분말과 평균 입자크기가 100 mesh인 안티몬(Antimony, Sb) 분말을 1:2의 몰비로 섞은 후, 지름 5.5 cm, 높이 9 cm의 SKD11 재질의 원통형 바이얼에 3/8인치 크기의 볼과 함께 장입하여 볼밀기(vibrating mill)에 장착시킨 후 분당 700회의 회전속도로 1시간동안 기계적 합성을 수행하였다. Cobalt (Co) powders having a particle size of 100 mesh or less and commercially available antimony (Sb) powders having an average particle size of 100 mesh were mixed at a molar ratio of 1: 2, and then a diameter of 5.5 cm and a height of 9 cm Was loaded into a cylindrical vial of SKD11 material with a 3/8 inch ball, mounted on a vibrating mill, and then subjected to mechanical synthesis for 1 hour at 700 revolutions per minute.

이때 볼과 분말과의 무게 비는 20:1로 유지하였으며 산소 및 수분 영향을 최대한 억제하기 위해서 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스 내에서 기계적 합성을 준비하였다.At this time, the weight ratio of the balls to the powder was maintained at 20: 1, and mechanical synthesis was prepared in a glove box of argon gas atmosphere in order to suppress the influence of oxygen and water as much as possible.

상기 기계적 합성을 1 시간동안 수행한 뒤 상기 볼밀링한 분말을 800~1000℃에서 열처리를 한다. 산소 및 수분 영향을 최소화하기 위해서 아르곤 가스 분위기에서 진행한다.The mechanical synthesis is performed for 1 hour, and then the ball milled powder is heat-treated at 800 to 1000 ° C. It proceeds in an argon gas atmosphere to minimize oxygen and moisture effects.

상기 기계적 합성과 열처리 반응 후 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb2)이 형성되었다.
After the mechanical synthesis and the heat treatment, cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb 2 ) was formed.

(2) 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하여 이루어지는 나노복합체의 제조(2) Production of nanocomposite comprising cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb), amorphous antimony (a-Sb) and carbon

상기 (1)에서 합성된 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb2)과 슈퍼 피(super P) 분말을 60:40의 질량비로 섞은 후, 지름 5.5 cm, 높이 9cm의 SKD11 재질의 원통형 바이얼에 3/8인치 크기의 볼과 함께 장입하여 볼밀기(vibrating mill)에 장착 시킨 후 분당 700회의 회전속도로 기계적 합성을 수행하였다. The cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb 2 ) and the super P powder synthesized in the above (1) were mixed at a mass ratio of 60:40. Then, a cylindrical vial having a diameter of 5.5 cm and a height of 9 cm was inserted into a cylindrical vial / 8 inch size balls, mounted on a vibrating mill, and then subjected to mechanical synthesis at a rotation speed of 700 revolutions per minute.

이때 볼과 분말과의 무게 비는 20:1로 유지하였으며 산소 및 수분의 영향을 최대한 억제하기 위해서 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스 내에서 기계적 합성을 준비하였다. At this time, the weight ratio between balls and powder was maintained at 20: 1, and mechanical synthesis was prepared in a glove box of argon gas atmosphere in order to suppress the influence of oxygen and moisture as much as possible.

상기 기계적 합성을 12시간 수행하여 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소 성분을 함유하는 나노 크기의 복합체를 형성하였다.
The mechanical synthesis was performed for 12 hours to form a nanoscale complex containing a cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb), amorphous antimony (a-Sb) and carbon components.

<실시예 2> 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSbExample 2 Cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb 22 ), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 나노복합체 제조), Amorphous antimony (a-Sb), and carbon.

본 실시예에서는 단계 (1)에서 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)의 제조시 코발트 분말과 안티몬 분말을 1:3의 몰비로 사용해 코발트-안티몬 금속간 화합물로서 CoSb3을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 공정을 거쳐 코발트-안티몬 금속간 화합물(CoSb2), 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소 성분을 함유하는 나노복합체를 제조하였다.
In this embodiment, CoSb 3 is formed as a cobalt-antimony intermetallic compound by using cobalt powder and antimony powder at a molar ratio of 1: 3 in the preparation of a cobalt-antimony intermetallic compound in step (1) (CoSb 2 ), amorphous antimony (a-Sb), and carbon components were prepared through the same processes as in Example 1-1 except that the cobalt-antimony intermetallic compound (CoSb 2 ), amorphous antimony

<실험예> 실시예 1 및 2에서 제조된 나노복합체의 특성 분석 및 상기 나노복합체를 음극 활물질로 포함하는 리튬이차전지의 전지 특성 관찰<Experimental Examples> Characteristic analysis of the nanocomposite prepared in Examples 1 and 2 and observation of characteristics of the lithium secondary battery including the nanocomposite as a negative electrode active material

도 2a는 코발트와 안티몬의 이원계 상태도로서, 이에 따르면 코발트 안티몬 금속간화합물은 CoSb, CoSb2, CoSb3 총 3가지가 있음을 보여준다.FIG. 2A is a binary phase diagram of cobalt and antimony, showing that there are three types of cobalt antimony intermetallic compounds: CoSb, CoSb 2 and CoSb 3 .

도 2b, 도 2c 및 도 2d는 각각 CoSb, CoSb2 및 CoSb3에 대한 x-선 회절 분석 특성 결과 그래프이다.
FIGS. 2B, 2C and 2D are graphs showing the results of x-ray diffraction analysis for CoSb, CoSb 2 and CoSb 3 , respectively.

도 3a 및 도 3b는 각각 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)에 대한 X-선 회절분석 특성 결과 그래프이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 3a에서는 CoSb2가 불균화 반응에 의하여 CoSb와 비정질의 안티몬(a-Sb)이 된 것을 확인할 수 있다. 비정질의 안티몬(a-Sb)은 X-선 회절분석에서 나타나지 않는다. 또한, 도 3b에서는 CoSb3가 불균화 반응으로 CoSb2와 비정질의 Sb로 바뀐 것을 확인 할 수 있다.
3A and 3B are graphs showing X-ray diffraction analysis results of the nanocomposite (CoSb 2 / C) prepared in Example 1 and the nanocomposite (CoSb 3 / C) prepared in Example 2, respectively. 3A and 3B, it can be seen that CoSb 2 becomes CoSb and amorphous antimony (a-Sb) by the disproportionation reaction in FIG. Amorphous antimony (a-Sb) does not appear in X-ray diffraction analysis. Also, in FIG. 3B, it can be seen that CoSb 3 is changed into CoSb 2 and amorphous Sb due to the disproportionation reaction.

도 4a 및 도 4b는 각각 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)에 대한 투과전자현미경 사진이다.4A and 4B are transmission electron micrographs of the nanocomposite (CoSb 2 / C) prepared in Example 1 and the nanocomposite (CoSb 3 / C) prepared in Example 2, respectively.

도 4a 중 (1)을 참조하면, 약 100~300nm 크기의 나노 복합체가 형성되었음을 알 수 있으며, (2) 및 (3)을 참조하면 이 나노 복합체는 약 5nm 크기의 코발트-안티몬(CoSb) 결정립과 비정질 안티몬(a-Sb)이 비정질 탄소(C)를 매트릭스로 하여 잘 섞여져 있음을 HR-TEM 및 FT patterns 사진으로 알 수 있으며, 도 3a의 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C)에 대한 X-선 회절분석 특성 결과와 일치함을 알 수 있다. 또한, (4)에서는 코발트-안티몬(CoSb)과 비정질 안티몬(a-Sb), 그리고 비정질 탄소(C)가 잘 분산되어 있음을 확인 할 수 있다. Referring to (1) of FIG. 4A, it can be seen that a nanocomposite having a size of about 100 to 300 nm is formed. Referring to (2) and (3), the nanocomposite has a cobalt-antimony as an amorphous antimony (a-Sb) this can be seen by the amorphous carbon (C) to that becomes mixed with the matrix well HR-TEM and FT patterns pictures, the nanocomposite prepared in example 1 of Fig. 3a (CoSb 2 / C). The results of the X-ray diffraction analysis are shown in Fig. In (4), it can be confirmed that cobalt-antimony (CoSb), amorphous antimony (a-Sb) and amorphous carbon (C) are well dispersed.

도 4b는 중 (1)을 참조하면, 약 100~300nm 크기의 나노 복합체가 형성되었음을 알 수 있으며, (2) 및 (3)을 참조하면 이 나노 복합체는 약 5nm크기 이하의 코발트-안티몬(CoSb2) 결정립과 비정질 안티몬(a-Sb)이 비정질 탄소(C)를 매트릭스로 하여 잘 섞여져 있음을 HR-TEM 및 FT patterns 사진으로 알 수 있다. (4)에서는 코발트-안티몬(CoSb2)과 비정질 안티몬(a-Sb), 그리고 비정질 탄소(C)가 잘 분산되어 있음을 확인 할 수 있다.
Referring to (1) of FIG. 4, it can be seen that a nanocomposite having a size of about 100 to 300 nm is formed. Referring to (2) and (3), the nanocomposite has a cobalt-antimony 2 ) It can be seen from the HR-TEM and FT patterns that the amorphous carbon (C) and the amorphous antimony (a-Sb) are mixed well as a matrix. (4), it can be confirmed that cobalt-antimony (CoSb 2 ), amorphous antimony (a-Sb) and amorphous carbon (C) are well dispersed.

도 5는 CoSb, CoSb2, CoSb3 코발트 안티몬 금속간화합물과 그 비교예로서 안티몬(Sb)을 음극 재료로 사용하는 이차전지에 대한 사이클 특성 데이터를 보여주는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing cycle characteristic data for CoSb, CoSb 2 , CoSb 3 cobalt antimony intermetallic compounds and a secondary battery using antimony (Sb) as a negative electrode material as a comparative example.

CoSb, CoSb2, CoSb3 상기 합금은 안티몬(Sb) 금속 자체만을 사용하는 경우보다 수명 특성 및 부피 팽창의 방지 효과가 일부 개선되었다. 하지만 리튬과의 합금화시에 발생하는 체적팽창에 의한 스트레스로 인하여 충전과 방전에 따라 용량이 감소하는 것을 볼 수 있다.
CoSb, CoSb 2 , CoSb 3 The above alloy has some improvement in life characteristics and prevention of volume expansion, as compared with the case of using only antimony (Sb) metal itself. However, it can be seen that the capacity decreases due to charging and discharging due to the stress caused by the volume expansion occurring when alloying with lithium.

도 6a 및 6b는 각각 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)를 이용한 경우에 있어서의 제 1, 2, 5, 10, 50, 100 사이클에 대한 충전 및 방전 거동을 각각 보여주는 그래프이다.
Figure 6a and 6b claim 1, 2, 5, 10 in the case of using the nanocomposite (CoSb 3 / C) produced in each embodiment the nanocomposite prepared in 1 (CoSb 2 / C) and Example 2, 50, and 100 cycles, respectively.

도 7은 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 실시예 2에서 제조된 나노복합체(CoSb3/C)와 비교예로서 주석(Sb)를 음극 재료로 사용하는 이차 전지에 대한 사이클 특성 데이터를 보여주는 그래프이다. 7 is for a secondary battery using the tin (Sb), as a comparative example and the first embodiment of the nanocomposite (CoSb 2 / C) and carrying out the nanocomposite (CoSb 3 / C) prepared in Example 2 produced in the cathode material Cycle characteristic data.

CoSb3/C의 경우 충전과 방전에 따라서 부피팽창으로 인해 용량이 점차 떨어지는 것을 볼 수 있지만 CoSb2/C의 경우에는 500mAh/g 이상의 용량이 100 사이클까지 유지되는 것을 확인 할 수 있다.
In case of CoSb 3 / C, the capacity gradually decreases due to the volume expansion due to charging and discharging. However, in case of CoSb 2 / C, the capacity of 500 mAh / g or more is maintained up to 100 cycles.

도 8은 실시예 1에서 제조된 나노복합체(CoSb2/C) 및 그 비교예로서 현재 상용화 되고 있는 흑연(MCMB: Meso carbon Micro Beads)을 음극 재료로 사용하는 이차 전지에 대한 고율 특성 데이터를 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing high-rate characteristic data for a secondary battery using a nanocomposite (CoSb 2 / C) prepared in Example 1 and a commercially available graphite (MCMB: Meso carbon Micro Beads) Graph.

Claims (13)

(a) 코발트 분말(Co) 및 안티몬(Sb) 분말을 이용해 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 코발트-안티몬 금속간 화합물(Co-Sb intermetallic compound)을 탄소(C)와 반응시켜, 코발트-안티몬 금속간 화합물, 비정질 안티몬(a-Sb) 및 탄소를 포함하는 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 제조하는 단계를 포함하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
(a) preparing a cobalt-antimony intermetallic compound using cobalt powder (Co) and antimony (Sb) powder; And
(b) reacting the cobalt-antimony intermetallic compound with carbon to form a cobalt-antimony intermetallic compound comprising a cobalt-antimony intermetallic compound, an amorphous antimony (a-Sb) Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, comprising the step of preparing a compound / carbon nanocomposite.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 코발트 분말(Co) 및 안티몬(Sb) 분말을 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM) 및 열처리를 통해 코발트-안티몬 금속간 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The cobalt-antimony intermetallic compound is prepared by mixing cobalt powder (Co) and antimony (Sb) powder in the step (a), followed by high energy mechanical milling (HEMM) and heat treatment Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction.
제2항에 있어서,
상기 고에너지 기계적 밀링은 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling) 또는 유성형 볼밀링(planetary ball milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Characterized in that the high energy mechanical milling is carried out by attrition milling, shaker milling or planetary ball milling, characterized in that the cobalt-antimony intermetallic compound (Method for producing carbon nanocomposite).
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 제조되는 코발트-안티몬 금속간 화합물은 CoSb2 또는 CoSb3인 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cobalt-antimony intermetallic compound produced in the step (a) is CoSb 2 or CoSb 3 , wherein the cobalt-antimony intermetallic compound is CoSb 2 or CoSb 3 .
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서는 코발트-안티몬 금속간 화합물을 탄소와 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)을 통해 나노복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cobalt-antimony intermetallic compound is mixed with carbon and the nanocomposite is prepared by high energy mechanical milling (HEMM) in the step (b) Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite.
제5항에 있어서,
상기 고에너지 기계적 밀링은 어트리션 밀링(attrition milling), 쉐이커 밀링(shaker milling) 또는 유성형 볼밀링(planetary ball milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Characterized in that the high energy mechanical milling is carried out by attrition milling, shaker milling or planetary ball milling, characterized in that the cobalt-antimony intermetallic compound (Method for producing carbon nanocomposite).
제5항에 있어서,
30wt% 이상 100wt% 미만의 코발트-안티몬 금속간 화합물 및 0wt% 초과 70wt% 이하의 탄소를 혼합한 후, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)을 통해 나노복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Characterized in that the nanocomposite is produced by mixing 30 wt% to less than 100 wt% of cobalt-antimony intermetallic compound and 0 wt% to 70 wt% or less of carbon and then through high energy mechanical milling (HEMM) , A method for producing a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 하기 반응식에 따른 불균화 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
[반응식]
CoSbX + C ⇒ CoSbX-1 + Sb(amorphous) + C
(상기 반응식에서 X는 2 또는 3임).
The method according to claim 1,
Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction, wherein a disproportionation reaction takes place in the step (b) according to the following reaction formula.
[Reaction Scheme]
CoSb X + C? CoSb X-1 + Sb (amorphous) + C
(Wherein X is 2 or 3).
제1항에 있어서,
상기 탄소는 아세틸렌 블랙, 슈퍼 피(Super P) 블랙, 카본 블랙, 덴카(Denka) 블랙, 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드 카본 및 소프트 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The carbon may be at least one selected from the group consisting of acetylene black, Super P black, carbon black, Denka black, activated carbon, graphite, hard carbon and soft carbon. Antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite using a disproportionation reaction.
제1항에 있어서,
상기 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체는 1nm 이상 500μm 미만의 평균 직경을 가지는 분말인 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite is a powder having an average diameter of 1 nm or more and less than 500 占 퐉, wherein the cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite is a powder having an average diameter of 1 nm or more and less than 500 占 퐉.
제10항에 있어서,
상기 나노복합체 내에 포함된 코발트-안티몬 금속간 화합물 결정립은 50nm 미만의 평균 직경을 가지는 것을 특징으로 하는, 불균화반응을 이용한 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the cobalt-antimony intermetallic compound grains contained in the nanocomposite have an average diameter of less than 50 nm. The method of claim 1, wherein the cobalt-antimony intermetallic compound grains have an average diameter of less than 50 nm.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 코발트-안티몬 금속간 화합물/탄소 나노복합체를 음극 활물질로 포함하는 이차전지.A secondary battery comprising a cobalt-antimony intermetallic compound / carbon nanocomposite prepared by the method of any one of claims 1 to 10 as an anode active material. 제12항에 있어서,
상기 이차전지는 리튬이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. The method of claim 12,
Wherein the secondary battery is lithium secondary battery.
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