KR20160053029A - Preparing method of anode active materials for Li-ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬이온전지용 전극 활물질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어-쉘 구조의 음극활물질의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode active material for a lithium ion battery, and more particularly, to a method for manufacturing a negative electrode active material having a core-shell structure.
리튬 이차전지는 리튬이 방전 과정에서 음극에서 양극으로 이동하고 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하면서, 전지 내에 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치이다. 다른 전지와 비교하여 볼 때, 높은 에너지 밀도를 가지고 자가 방전이 일어나는 정도가 작아 여러 사업 전반에 사용되고 있다. 리튬 이차전지의 구성요소는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막 등으로 나눌 수 있다. 초기 리튬 이차전지에서는 음극 활물질로 리튬 금속이 사용되었지만, 충전과 방전이 반복됨에 따라 안전성 문제가 나타나면서 흑연(graphite) 등 탄소계 물질로 대체되었다. 탄소계 음극 활물질은 리튬 이온과의 전기 화학적 반응 전위가 리튬 금속과 비슷하고, 계속적인 리튬 이온의 삽입ㅇ탈리 과정 동안 결정 구조의 변화가 적어 지속적인 충전 방전이 가능한 장점으로 음극활물질 개발에 널리 사용되고 있다. A lithium secondary battery is an energy storage device in which lithium moves from a cathode to an anode during a discharge process and lithium ions move from an anode to a cathode during charging to store electric energy in the battery. Compared to other cells, the degree of self-discharge with a high energy density is small, and it is used in various projects. Components of the lithium secondary battery can be divided into an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator. In the early lithium secondary battery, lithium metal was used as an anode active material. However, lithium metal was replaced with a carbon-based material such as graphite due to repeated safety of charging and discharging. The carbonaceous anode active material has a similar electrochemical reaction potential with lithium metal and is widely used in the development of anode active materials because of the ability to continuously charge the battery due to a small change in crystal structure during the continuous removal of lithium ions .
음극활물질로 탄소계 물질이 널리 사용되고 있으나 흑연을 사용하는 경우 부식에 의하여 사이클이 급격하게 하락하는 문제점이 있다. Carbon-based materials are widely used as an anode active material. However, when graphite is used, there is a problem that the cycle is rapidly lowered due to corrosion.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허공보 제2012-0139631호에서는 금속 또는 준금속인 코어층과 상기 코어층 표면에 피복된 비정질 탄소층을 포함하는 전극활물질을 개시하나, 상기 코어층에 포함되는 티타늄 산화물은 반도체 성질을 가지는 물질로써 전기전도도가 높지 않고, 이러한 이유로 방전과정에서 낮은 리튬확산계수를 가지게 되며, 또한 전지의 수명이 감소하는 경향이 존재하여 전기전도도를 증가시켜 에너지 밀도를 높이고, 사이클 특성이 증가된 새로운 음극활물질이 여전히 필요한 실정이다. In order to solve such a problem, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2012-0139631 discloses an electrode active material comprising a core layer which is a metal or a metalloid and an amorphous carbon layer which is coated on the surface of the core layer. Oxide is a material having a semiconducting property and is not high in electric conductivity. For this reason, it has a low lithium diffusion coefficient in discharge process, and there is a tendency that the lifetime of the battery is reduced, thereby increasing the electric conductivity and increasing the energy density. This increased new anode active material is still needed.
본 발명은, 종래의 음극활물질로 다수 사용되고 있는 티타늄산화물을 포함하는 복합체의 전기전도도를 증가시키고, 카본계열의 물질이 부식성에 매우 취약한 점을 극복한 음극활물질을 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide an anode active material which overcomes the fact that a carbon-based material is extremely vulnerable to corrosiveness by increasing the electrical conductivity of a composite containing titanium oxide, which is frequently used as a conventional anode active material.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 티타늄산화물을 노(furnance)에 배치하고 질소가스를 투입하여 노 안의 공기를 제거하는 단계(제1단계); 상기 노에 탄화수소가스를 투입하고 가열하여 티타늄산화물 입자표면에 카본을 피복하는 단계(제2단계); 및 상기 노를 냉각하여 티타늄산화물 코어와 카본 쉘로 이루어진 음극활물질을 수득하는 단계(제3단계)를 포함하는 음극활물질 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) a step of disposing titanium oxide in a furnace and introducing nitrogen gas to remove air in the furnace; Adding hydrocarbon gas to the furnace and heating it to coat carbon on the surface of titanium oxide particles (second step); And cooling the furnace to obtain a negative electrode active material composed of a titanium oxide core and a carbon shell (third step).
상기 질소가스를 15 내지 20 분간 투입할 수 있다. The nitrogen gas may be introduced for 15 to 20 minutes.
상기 탄화수소가스는 메탄, 에탄, 및 프로판으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The hydrocarbon gas may be any one selected from the group consisting of methane, ethane, and propane.
또한 상기 제2단계에서 탄화수소가스를 100 내지 200 mL/min의 유량 속도로 투입하고, 800 내지 850 ℃로 3 내지 4 시간 동안 가열할 수 있다. In the second step, the hydrocarbon gas may be introduced at a flow rate of 100 to 200 mL / min and heated at 800 to 850 DEG C for 3 to 4 hours.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 방법으로 제조된 음극활물질을 포함하는 음극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a negative electrode comprising a negative active material prepared by the above method.
본 발명에 따른 음극활물질 제조방법에 의하면, 반도체의 성질을 가져서 전기전도도가 낮은 산화티타늄을 포함하면서도 전도도가 높은 카본을 피복하여 전기전도도를 크게 증가시킬 수 있고, 부식성이 매우 큰 카본계열의 물질을 포함하여도 부식성이 낮은 음극활물질을 제조할 수 있으며, 리튬이온배터리용 셀 제조 시 도전제가 필요하지 않으므로, 부피당 용량이 향상되어 에너지 밀도가 증가한다. According to the method for manufacturing an anode active material according to the present invention, it is possible to increase the electrical conductivity by covering the carbon having high electrical conductivity while containing titanium oxide having low electrical conductivity due to the semiconductor property, It is possible to manufacture a negative electrode active material having low corrosion resistance. Since a conductive material is not required in manufacturing a cell for a lithium ion battery, the capacity per volume is increased and the energy density is increased.
도 1은 본발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법의 의해 제조된 산화티타늄-카본 복합체의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 의해 제조된 산화티타늄-카본 복합체의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질의 제조방법에 따라 제조된 음극활물질의 전계방사투과전자현미경(Field emission transmission electron microscope) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 따라 제조된 음극활물질의 충방전 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 의해 제조된 음극의 부피당 에너지 밀도를 비교한 그래프이다. 1 is a schematic view of a titanium oxide-carbon composite produced by a method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a scanning electron microscope image of a titanium oxide-carbon composite produced by the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a field emission transmission electron microscope image of a negative electrode active material prepared according to the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing charge / discharge data of a negative electrode active material manufactured according to the method of manufacturing a negative active material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph comparing energy densities per unit volume of a negative electrode prepared by the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
본발명자는 리튬이온배터리에 사용되는 음극활물질을 연구하던 중에 산화티타늄을 활성물질로 하여 메탄가스 분위기 하에서 반응시키는 경우 티타늄 분말에 카본이 피복되어 전기전도도가 증가하여 도전제를 포함하지 않아도 리튬이온배터리를 위한 코인쉘 조립이 가능한 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다. The present inventors have been studying an anode active material used in a lithium ion battery. When titanium oxide is reacted in an atmosphere of methane gas as an active material, carbon is coated on the titanium powder to increase the electric conductivity. Therefore, The present inventors have completed the present invention.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 티타늄산화물을 노(furnance)에 배치하고 질소가스를 투입하여 노 안의 공기를 제거하는 단계(제1단계); 상기 노에 탄화수소가스를 투입하고 가열하여 티타늄산화물 입자표면에 카본을 피복하는 단계(제2단계); 및 상기 노를 냉각하여 티타늄산화물 코어와 카본 쉘로 이루어진 음극활물질을 수득하는 단계(제3단계)를 포함하는 음극활물질 제조방법을 제공한다. In the present invention, the titanium oxide is disposed in a furnace and nitrogen gas is introduced to remove air in the furnace (first step); Adding hydrocarbon gas to the furnace and heating it to coat carbon on the surface of titanium oxide particles (second step); And cooling the furnace to obtain a negative electrode active material composed of a titanium oxide core and a carbon shell (third step).
상기 티타늄산화물은 이산화티타늄(TiO2)인 것이 바람직하며, 이산화티타늄은 음극활물질의 제조시 활성물질로 사용될 수 있으며, 구조적, 화학적으로 안정하한 음극활물질을 제조할 수 있다. The titanium oxide is preferably titanium dioxide (TiO 2 ). Titanium dioxide can be used as an active material in the production of the negative electrode active material, and can be structurally and chemically stable.
또한 상기 질소가스를 15 내지 20 분간 투입할 수 있다. The nitrogen gas may be introduced for 15 to 20 minutes.
상기 질소가스는 불활성 기체로써 티타늄산화물과 반응하기 않으며, 티타늄산화물이 배치된 노 내의 관(tube)에 공기를 모두 제거할 수 있다. The nitrogen gas does not react with the titanium oxide as an inert gas, and can remove all the air from the tube in the furnace in which the titanium oxide is disposed.
상기 질소가스를 투입하는 시간이 15 분 미만인 경우에는 관의 공기를 모두 제거할 수 없으며, 20분을 초과하는 경우에는 공기가 모두 제거된 상태이므로 더 이상 불필요한 질소가스를 공급하여 공정의 효율이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. When the time for injecting the nitrogen gas is less than 15 minutes, the air in the tube can not be completely removed. If the time is longer than 20 minutes, since the air is completely removed, unnecessary nitrogen gas is supplied to the reactor, Problems may arise.
또한 상기 제2단계에서 탄화수소가스를 100 내지 200 mL/min의 유량 속도로 투입하고, 800 내지 850 ℃로 3 내지 4 시간 동안 가열할 수 있다. In the second step, the hydrocarbon gas may be introduced at a flow rate of 100 to 200 mL / min and heated at 800 to 850 DEG C for 3 to 4 hours.
상기 탄화수소가스는 메탄, 에탄, 및 프로판으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The hydrocarbon gas may be any one selected from the group consisting of methane, ethane, and propane.
상기 메탄은 티타늄산화물에 입자표면에 카본을 피복할 수 있으며, 카본은 전기전도가 높아서 도전제를 포함시키지 않아도 도전제의 역할을 수행하여 음극활물질로 제조 시 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. The methane may coat carbon on the surface of the titanium oxide and the carbon may have a high electrical conductivity and may serve as a conductive agent without containing a conductive agent to increase the energy density when the anode active material is manufactured.
상기 탄화수소가스를 100 mL/min의 유량 속도 미만으로 투입하는 경우 티타늄산화물 입자에 카본이 충분하게 공급되지 않을 수 있고, 200 mL/min의 유량 속도을 초과하는 경우에는 불필요한 메탄가스를 공급하여 공정의 효율이 떨어질 수 있다. When the hydrocarbon gas is supplied at a flow rate of less than 100 mL / min, carbon may not be sufficiently supplied to the titanium oxide particles. When the flow rate exceeds 200 mL / min, unnecessary methane gas is supplied to increase the efficiency Can fall.
상기 제2단계에서 탄화수소가스를 투입하고 800 내지 850 ℃로 3 내지 4 시간 동안 가열하는 경우에 티타늄산화물 표면에 카본층이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 상기 조건을 상이하게 경우에는 티타늄산화물 표면에 두께가 서로 상이한 카본층을 형성할 수 있다.It can be confirmed that a carbon layer is formed on the titanium oxide surface when the hydrocarbon gas is introduced in the second step and heated at 800 to 850 ° C for 3 to 4 hours. If the conditions are different, A different carbon layer can be formed.
상기 제2단계에서 700 ℃ 이상에서 1시간 이상 가열하는 경우에도 카본층이 형성되나, 상기 조건에서 형성되는 카본층은 전기전도도 및 전기화학평가 결과가 본 발명의 최적의 효과에 미치지 못한다. In the second step, the carbon layer is formed even when heated at 700 ° C or more for 1 hour or more. However, the carbon layer formed under the above conditions does not satisfy the optimum effect of the present invention in electrical conductivity and electrochemical evaluation results.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 방법으로 제조된 음극활물질을 포함하는 음극을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a negative electrode comprising a negative active material prepared by the above method.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1> 티타늄산화물-카본 복합체 제조Example 1 Production of Titanium Oxide-Carbon Composite
1, 나노입자 복합체 1, nanoparticle complex
이산화티타늄(TiO2, Degussa, P-25) 0.2 g을 석영 보트에 담고, 노(furnance)의 관(tube)에 배치하였다. 불활성 기체인 질소가스(N2)를 15분간 흘려주어 관내의 공기를 제거하였다. 이후에 메탄(CH4) 가스를 200 mL/min의 유량 속도로 흘려주면서 800 ℃로 3시간 동안 노를 가열하였다. 가열된 노를 냉각하여 상온까지 온도를 낮추고 제조된 산화티타늄-카본 복합체를 수득하였다.
0.2 g of titanium dioxide (TiO 2 , Degussa, P-25) was placed in a quartz boat and placed in a furnace tube. Nitrogen gas (N 2 ), which is an inert gas, was supplied for 15 minutes to remove air in the tube. After the methane (CH 4) while the gas flow rate to the flow rate of 200 mL / min, and heated to a furnace for 3 hours at 800 ℃. The heated furnace was cooled to room temperature and the titanium oxide-carbon composite thus prepared was obtained.
2. 리튬이온배터리의 제조2. Manufacture of Li-ion battery
리튬이온배터리를 만들기 위해 티타늄산화물-카본 복합체에 바인더(polyvinylidene fluoride; PVDF)을 첨가하고, 점도조절을 위해서 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidione; NMP)을 첨가하였다. 이후에 교반하여 골고루 혼합하고, 18 ㎛ 두께의 구리 호일에 코팅하였다. 1.3272 ㎠ 넓이로 절단하고 110 ℃ 오븐에서 하루 동안 건조하여 리튬이온배터리용 음극(이하'f-티타늄 산화물@카본')을 제조하였다.To make a lithium ion battery, a polyvinylidene fluoride (PVDF) was added to the titanium oxide-carbon composite, and N-methylpyrrolidione (NMP) was added to adjust the viscosity. Then, the mixture was evenly mixed with stirring, and coated on a copper foil having a thickness of 18 탆. The cathode was cut into 1.3272 cm wide and dried in an oven at 110 ° C for one day to prepare a cathode for a lithium ion battery (hereinafter, 'f-titanium oxide @ carbon').
상대전극으로 리튬 호일(lithium foil, FMC Co.)을 사용하였으며, 전해질로 에틸렌 카본네이트(carbonate, EC)와 디메틸카본네이트(di-methyl carbonate, DMC)를 1 : 1의 부피비로 섞인 용매에 1.1 M 불화인산리튬(LiPF6, Techno Semichem Co.)을 용해시켜 사용하였다.
Lithium foil (FMC Co.) was used as a counter electrode, and a mixture of ethylene carbonate (EC) and di-methyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 1: 1 M lithium fluorophosphate (LiPF 6, Techno Semichem Co.) was dissolved and used.
<비교예 1> 도전제를 포함하는 리튬이온배터리 제조≪ Comparative Example 1 > Preparation of a lithium ion battery containing a conductive agent
우선 티타늄산화물-카본 복합체의 전기화학적평가 및 분석을 위해 도전제를 포함하는 음극활물질을 제조하였다. 우선 70 wt% 이산화티타늄(TiO2)을 활성물질로 하고, 10 wt% 카본 블랙(Ketjan Black)을 전도성 물질로 사용하며, 20 wt%의 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF)을 바인더로 사용하였다. 슬러리 상태로 제조하기 위해 N-메틸-피롤리돈(N-methyl-pyrrolidone; NMP)을 첨가하여 혼합물을 제조하였다.First, a negative electrode active material containing a conductive agent was prepared for electrochemical evaluation and analysis of a titanium oxide-carbon composite. First, 70 wt% of titanium dioxide (TiO 2 ) is used as the active material, 10 wt% of carbon black (Ketjan Black) is used as the conductive material, and 20 wt% of polyvinylidene fluoride (PVDF) Respectively. The mixture was prepared by adding N-methyl-pyrrolidone (NMP) to prepare slurry.
상기 혼합물을 다시 교반한 이후에 18 ㎛의 구리호일에 코팅하고, 1.3273 ㎠크기로 절단한 이후에 오븐에서 110 ℃로 건조하여 리튬이온배터리용 음극을 제조하였다(이하'C-티타늄 산화물@카본'). 셀 조립은 높은 농도의 아르곤 가스로 채워진 글로브 박스 안에서 진행했고, 상대전극으로는 lithium foil(FMC Co.)을 사용했으며, 전해질로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate; EC)와 디메틸 카본네이트(di-methyl carbonate; DMC)를 1 : 1의 부피비로 혼합된 용매에 1.1 M 불화인산리튬(LiPF6)을 녹인 전해질을 사용했다.
The mixture was stirred again, coated on a copper foil of 18 μm, cut to a size of 1.3273 cm 2, and then dried in an oven at 110 ° C. to prepare a negative electrode for a lithium ion battery (hereinafter referred to as "C- ). The cell assembly proceeded in a glove box filled with a high concentration of argon gas and a lithium foil (FMC Co.) was used as a counter electrode. Examples of the electrolyte include ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (di-methyl carbonate (DMC)) dissolved in 1.1 M lithium fluoride phosphate (LiPF 6 ) in a solvent mixed at a volume ratio of 1: 1.
<실험예> 티타늄산화물-카본 복합체 물성 ≪ Experimental Example > Properties of titanium oxide-carbon composite
1. 티타늄산화물-카본 복합체의 형태1. Form of titanium oxide-carbon composite
도 1은 본발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법의 의해 제조된 산화티타늄-카본 복합체의 모식도이다. 1 is a schematic view of a titanium oxide-carbon composite produced by a method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
도 1(a)는 도전체를 첨가하여 제조된 경우이고 도 1(b)는 티타늄산화물에 탄화수소가스를 도입하고 가열하여 카본이 표면에 피복된 경우를 나타내는 것이다. Fig. 1 (a) shows a case where a conductor is added, and Fig. 1 (b) shows a case where carbon is coated on a surface by introducing hydrocarbon gas into titanium oxide and heating the same.
도면을 확인하면, 제한된 셀 환경 내에서 부피가 큰 도전제의 영향으로 도전제를 첨가하지 않는 경우에 음극활물질인 산화티타늄-카본 복합체의 양이 크게 증가할 수 있으며, 이것은 부피당 용량인 에너지 밀도가 증가한 것을 의미한다. It can be seen that the amount of the titanium oxide-carbon composite, which is the negative electrode active material, can be greatly increased when the conductive agent is not added under the influence of a bulky conductive agent in a limited cell environment, .
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 의해 제조된 산화티타늄-카본 복합체의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM, JEOL-6701F) 이미지이다. FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM, JEOL-6701F) image of a titanium oxide-carbon composite prepared by a method for producing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
도 2(a)는 일반적인 구리 호일의 단면을 나타낸 것이며, 평균적인 두께는 17.93 ㎛로 측정되었다. 도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 의해 제조된 음극활물질의 단면이고, 도 2(c)는 도전제를 첨가하여 제조된 음극활물질의 단면의 이미지이다. Figure 2 (a) shows a cross section of a typical copper foil with an average thickness of 17.93 [mu] m. FIG. 2 (b) is a cross-sectional view of a negative electrode active material prepared by the negative active material manufacturing method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 (c) is an image of a cross section of a negative active material prepared by adding a conductive agent.
도면을 참조하면, 일반적인 구리 호일의 단면의 경우에 두께가 가장 얇았으며, f-티타늄 산화물@카본인 음극활물질의 두께는 31.45 ㎛로 증가되었고, c-티타늄 산화물@카본인 음극활물질의 두께는 36.75 ㎛로 증가되었다. 셀의 적용되는 부피는 셀의 넓이(1.3272 cm2) × 활물질의 두께로 계산되었으며, 계산된 활물질의 부피는 f-티타늄산화물@카본의 경우에 0.00001795 cm3이고, c-티타늄산화물@카본의 경우에는 0.00002497 cm3으로 확인되어 f-티타늄 산화물@카본을 포함하는 음극활물질의 부피가 39.1 % 감소한 것으로 나타났다.Referring to the drawing, the thickness of a typical copper foil was the thinnest, the thickness of the negative active material of f-titanium oxide @ carbon increased to 31.45 μm, and the thickness of the negative active material of c-titanium oxide @ carbon was 36.75 Lt; / RTI > The applied volume of the cell was calculated as the width of the cell (1.3272 cm 2 ) × the thickness of the active material, the calculated volume of the active material was 0.00001795 cm 3 for f-titanium oxide @ carbon and the case of c-titanium oxide @ has been identified as 0.00002497 cm 3 showed that the volume of the negative electrode active material comprising the titanium oxide f- @ carbon decreased 39.1%.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음극활물질의 제조방법에 따라 제조된 음극활물질의 전계방사투과전자현미경(Field emission transmission electron microscope; FE-TEM, Philips Tecnai F20) 이미지이다. FIG. 3 is a field emission transmission electron microscope (FE-TEM, Philips Tecnai F20) image of a negative electrode active material prepared according to the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 구리 그리드 상에 에탄올로 희석한 f-티타늄 산화물@카본을 포함하는 음극활물질을 떨어뜨린 후에 200 kV에 측정한 결과, 5 ㎚ 두께의 스케일을 확인하여, 티타늄산화물 표면에 카본이 피복된 것을 확인하였다.
Referring to the drawing, after a negative active material containing f-titanium oxide @ carbon diluted with ethanol was dropped on a copper grid, the scale was observed at 200 kV. As a result, a scale having a thickness of 5 nm was observed, Lt; / RTI >
2. 전기화학적 분석2. Electrochemical analysis
실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 f-티타늄산화물@카본 및 c-티타늄산화물@카본을 포함하는 음극을 샘플로 하여 충방전 테스트를 진행하였다. 상기 테스트는 1 내지 3 V (V vs. Li/Li+) 의 범위에서 수행하였다. Charging and discharging tests were carried out using a negative electrode comprising the f-titanium oxide @ carbon and c-titanium oxide @ carbon prepared in Example 1 and Comparative Example 2 as a sample. The test was performed in the range of 1 to 3 V (V vs. Li / Li +).
도 4는 본발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 따라 제조된 음극활물질의 충방전 데이터를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing charge / discharge data of a negative electrode active material manufactured according to the method of manufacturing a negative active material according to an embodiment of the present invention.
100 mA/g으로 충방전을 진행한 경우에 각 샘플의 첫 번째 사이클에서 나타나는 1.4V 부근의 평탄영역은 티타늄산화물의 루틸(rutile) 상에서 일어나는 리튬 이온 삽입(lithium ion intercalation)이 일어나는 부분이다. 도 4 (c)를 참조하면, 각각 50 mA/g, 100 mA/g, 200 mA/g, 및 500 mA/g의 전류값을 인가하여 높은 전류값의 용량을 비교한 것을 나타낸 것이다. f-티타늄산화물@카본을 포함하는 음극활물질의 경우에 용량이 높은 전류 값에서도 충방전 용량이 좋은 것을 알 수 있는데, 이것은 티타늄산화물 입자를 둘러싸고 있는 카본 쉘(shell)이 더욱 효과적인 도전제 역할을 수행한 것으로 판단된다. When the charge / discharge cycle is 100 mA / g, the flat region around 1.4 V appearing in the first cycle of each sample is the portion where lithium ion intercalation occurs on the rutile of titanium oxide. Referring to FIG. 4 (c), current values of 50 mA / g, 100 mA / g, 200 mA / g and 500 mA / g are applied to compare the capacities of high current values. In the case of the negative electrode active material containing f-titanium oxide @ carbon, it can be seen that the charge / discharge capacity is good even at a high current value. This is because the carbon shell surrounding the titanium oxide particles serves as a more effective conducting agent Respectively.
도 5는 본발명의 실시예에 따른 음극활물질 제조방법에 의해 제조된 음극의 부피당 에너지 밀도를 비교한 그래프이다. FIG. 5 is a graph comparing energy densities per unit volume of a negative electrode prepared by the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면 도 5(a)에서는 무게당 용량을 나타내고, 도 5(b)에서는 부피당 용량을 사이클(cycle) 별로 나타내었다. 50 사이클에서 용량을 비교하면, 무게당 용량은 1.2배 높은 것으로 나타났고, 부피당 용량은 1.67 배 높은 것으로 나타났다. 이것은 부피가 제한적인 리튬이온배터리의 응용분야에서 적은 부피로 높은 용량을 나타낼 수 있는 것을 의미하며, 또한 높은 에너지 밀도를 갖는 것을 나타냈다.
Referring to FIG. 5A, capacity per weight is shown in FIG. 5A, and capacity per volume is shown in cycle in FIG. 5B. Comparing the capacities at 50 cycles, the capacity per weight was 1.2 times higher and the capacity per volume was 1.67 times higher. This means that it is capable of exhibiting high capacity with small volume in the application of volume-limited lithium ion batteries and also has a high energy density.
이상에서 살펴본 바와 같이 본발명은 음극활물질의 전기전도도를 증가시키 위한 도전제를 포함하지 않고도 전기전도도가 증가되어 우수한 충방전 용량을 가지는 리튬이온배터리를 제조할 수 있다. 특히 티타늄산화물에 메탄가스를 도입하고 메탄가스에 포함되어 있는 카본이 티타늄산화물 입자의 표면에 피복될 수 있는 최적의 가열 온도 및 반응 시간 조건을 확인하여 음극활물질을 제조하고, 제조된 음극활물을 포함하는 음극은 종래의 도전제를 포함하는 음극활물질 보다 적은 부피임에도 더 높은 충방전 용량을 나타내었으며, 높은 에너지 밀도를 나타내는 것을 확인하여 발명을 완성하였다.
As described above, the present invention can produce a lithium ion battery having an excellent charge / discharge capacity by increasing the electric conductivity without containing a conductive agent for increasing the electric conductivity of the negative electrode active material. In particular, by introducing methane gas into the titanium oxide, confirming the optimum heating temperature and reaction time conditions at which the carbon contained in the methane gas can be coated on the surface of the titanium oxide particles, the negative electrode active material is prepared, The negative electrode exhibited a higher charge / discharge capacity than the negative electrode active material containing the conventional conductive material, and exhibited a higher energy density. Thus, the present invention was completed.
본 발명은 한정된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the invention has been described with reference to a limited number of embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (5)
상기 노에 탄화수소가스를 투입하고 가열하여 티타늄산화물 입자표면에 카본을 피복하는 단계(제2단계); 및
상기 노를 냉각하여 티타늄산화물 코어와 카본 쉘로 이루어진 음극활물질을 수득하는 단계(제3단계)를 포함하는 음극활물질 제조방법.Placing titanium oxide in a furnace and introducing nitrogen gas to remove air in the furnace (first step);
Adding hydrocarbon gas to the furnace and heating it to coat carbon on the surface of titanium oxide particles (second step); And
And cooling the furnace to obtain a negative electrode active material composed of a titanium oxide core and a carbon shell (third step).
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