KR20160063773A - The sodium rechargeable battery - Google Patents

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Abstract

Provided is a sodium rechargeable battery, comprising: a positive electrode which includes a positive electrode material adapted to store sodium ions during discharging; a negative electrode which includes a graphite negative electrode material adapted to store the sodium ions during charging; a separator which transfers the sodium ions between the positive electrode and the negative electrode; and an ether-based electrolyte which can use the sodium ions in the positive electrode and the negative electrode as transfer media, and includes sodium salt, wherein a voltage at which the sodium ions are stored can be adjusted according to the type of ether-based electrolyte. According to an embodiment of the present invention, a graphite material can be used as a negative electrode material of a sodium secondary battery; desirable cycle and charging/discharging rate characteristics can be achieved; and combination with various positive electrode materials can be achieved.

Description

나트륨 이차 전지{The sodium rechargeable battery}The sodium rechargeable battery

본 발명은 나트륨 이차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 에테르 계열 전해질을 사용한 나트륨 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium secondary battery, and more particularly, to a sodium secondary battery using an ether-based electrolyte.

에너지 저장 장치 산업에서의 리튬 이온 전지의 시장 점유율이 점점 높아지면서 희소 물질인 리튬의 가격이 높아질 전망이다. 리튬과 비교해 전 세계에 골고루 분포되어 있는 나트륨을 소재로 하는 이온 전지의 개발에 큰 관심이 집중되고 있다. 또, 저탄소 사회 실현을 위한 재생 가능한 에너지가 떠오름에 따라 고성능 축전지 개발이 중요하게 되었다. 소형 경량으로 높은 에너지 밀도를 가진 리튬 이온 전지가 그 역할을 담당하고 있지만 가정용 대용량 축전지로 보급하기 위해서는 전지의 대폭적인 비용절감이 요구되고 있다.As the market share of lithium-ion batteries in the energy storage industry increases, the price of lithium, a rare material, will increase. There is a great deal of interest in the development of ion batteries based on sodium, which is distributed throughout the world compared to lithium. In addition, as renewable energy for the realization of low-carbon society emerged, the development of high-performance accumulators became important. Lithium-ion batteries with small and light weight and high energy density are playing a role, but it is required to reduce the cost of the batteries in order to supply them to large-capacity residential batteries.

따라서 가격 절감을 위해서 자원량이 많은 나트륨을 이용하는 축전지가 리튬을 이용한 축전지보다 상대적으로 유리하다. 그러나 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지에 비해서 안전성에 대한 우려가 높고, 나트륨은 화학적으로 활성화가 잘 되기 때문에 취급하는데 어려움이 있다.Therefore, for the purpose of cost reduction, a battery using a large amount of sodium is relatively advantageous than a battery using lithium. However, sodium ion battery is more concerned about safety than lithium ion battery, and sodium is difficult to handle because it is chemically activated well.

또한, 그라파이트는 리튬 이온 전지에서 우수한 에너지 저장 특성을 보여 널리 사용되고 있으나 나트륨 이차 전지의 음극소재로 사용할 수 없다고 알려져 있다. 지금까지는 그라파이트 음극을 나트륨 이차 전지에 활용할 경우, 가역적인 나트륨의 삽입 및 탈리 반응이 나타나지 않는 문제점이 있다.In addition, graphite is widely used in lithium ion batteries because of its excellent energy storage characteristics, but it is known that graphite can not be used as a negative electrode material of a sodium secondary battery. Up to now, there has been a problem in that insertion and desorption of reversible sodium do not occur when the graphite cathode is used in a sodium secondary battery.

한국공개특허 제 10-2003-0052949호 (2003.06.27.)Korean Patent Publication No. 10-2003-0052949 (Jun. 27, 2003)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 가격 경쟁력이 있고, 친환경적 소재인 천연 그라파이트를 나트륨 이차 전지의 음극재로 활용할 수 있는 나트륨 이차 전지에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a sodium secondary battery which can be used as an anode material of a sodium secondary battery. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 따르면, 나트륨 이차 전지는 방전할 때 나트륨 이온을 저장하는 양극재를 구비하는 양극; 충전할 때 상기 나트륨 이온을 저장하는 그라파이트(graphite) 음극재를 구비하는 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에서 상기 나트륨 이온을 전달하는 분리막; 및 상기 양극과 상기 음극에 상기 나트륨 이온을 전달 매개체로 사용할 수 있으며, 나트륨염(Sodium Salt)을 구비하는 에테르 계열 전해질;을 포함하고, 상기 에테르 계열 전해질의 종류에 따라 상기 나트륨 이온을 저장하는 전압을 제어할 수 있다.According to an aspect of the present invention, a sodium secondary battery includes: a cathode having a cathode material for storing sodium ions when discharging; An anode having a graphite anode material for storing the sodium ion when charged; A separation membrane for transferring the sodium ions between the anode and the cathode; And an ether-based electrolyte capable of using the sodium ion as a transfer medium to the anode and the cathode, the sodium-based electrolyte having a sodium salt, Can be controlled.

상기 에테르 계열 전해질은 디에틸렌글리콜 디메틸에테르(Diethylene Glycol Dimethyl Ether, DEGDME), 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(Tetraethylene Glycol Dimethyl Ether, TEGDME), 및 디메틸세로솔부(Dimethoxyethane, glyme) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The ether-based electrolyte may include at least one of diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), and dimethyl cetyl ether (Dimethoxyethane, glyme) have.

상기 에테르 계열 전해질의 체인 길이가 길어질수록 상기 나트륨 이온을 저장하는 전압이 높아질 수 있다.The longer the chain length of the ether-based electrolyte is, the higher the voltage for storing the sodium ion can be.

상기 양극재는 나트륨 금속 화합물을 포함할 수 있다.The cathode material may include a sodium metal compound.

상기 분리막은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 포함할 수 있다.The separator may comprise polyethylene (PE) or polypropylene (PP).

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 에테르 계열 전해질을 사용하면, 그라파이트 소재를 나트륨 이차 전지의 음극재로 활용이 가능하며, 매우 우수한 싸이클(cycle) 특성과 높은 충방전 율특성을 보이며, 다양한 전이금속 화합물의 나트륨 양극 소재와 조합하여 우수한 특성의 나트륨 이차 전지 풀셀을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention as described above, when the ether-based electrolyte is used, the graphite material can be used as an anode material of a sodium secondary battery, and excellent cycling characteristics and high charge / And can be combined with a sodium anode material of various transition metal compounds to realize a sodium secondary battery pull cell having excellent characteristics. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 에테르 계열 전해질을 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 나트륨 이차 전지의 특성 결과를 도시한 도면이다.
1 is a schematic view illustrating a structure of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing an ether-based electrolyte of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 8 are graphs showing characteristics of a sodium secondary battery according to Experimental Examples and Comparative Examples of the present invention. FIG.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

본 실시예를 설명하는 과정에서 언급하는 "상의" 또는 "하의"와 같은 용어들은, 도면에서 도해되는 것처럼, 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향과 별도로 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하면 상에 존재할 수 있다. 그러므로 예로써 든, "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향을 기준으로, "상의" 및 "하의" 방향 모두를 포함할 수 있다. Terms such as "top" or "bottom" referred to in the process of describing the present embodiment may be used to describe the relative relationship of certain elements to other elements, as illustrated in the figures. That is, relative terms may be understood to include different directions of the structure apart from the directions depicted in the figures. For example, if the top and bottom of the structure are inverted in the figures, the elements depicted as being on the top surface of the other elements may be on the bottom surface of the other elements. Thus, by way of example, the term "tops" may include both "top" and "bottom" directions, relative to a particular direction in the figures.

또한, 본 실시예를 설명하는 과정에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "연결"된다고 언급할 때는, 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소의 직접 상에 위치하거나, 상기 다른 구성요소에 직접 연결되는 것을 의미할 수도 있으나, 나아가, 하나 또는 둘 이상의 개재하는 구성요소들이 그 사이에 존재할 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소의 "직접 상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "직접 연결"된다거나, 또는 다른 구성요소에"직접 접촉"한다고 언급할 때는, 별도의 언급이 없다면 그 사이에 개재하는 구성요소들이 존재하지 않음을 의미한다. Further, in the course of describing the present embodiment, when it is mentioned that an element is located on another element, or "connected" to another element, the element is positioned directly on the other element Or directly connected to the other component, but may also mean that one or more intervening components may be present therebetween. However, when an element is referred to as being "directly on" another element, "directly connected" to another element, or "directly in contact" with another element, Which means that there are no intervening components.

이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.In the following embodiments, the x-axis, the y-axis, and the z-axis are not limited to three axes on the orthogonal coordinate system, but can be interpreted in a broad sense including the three axes. For example, the x-axis, y-axis, and z-axis may be orthogonal to each other, but may refer to different directions that are not orthogonal to each other.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view illustrating a structure of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지(1)의 구조는 방전할 때 나트륨 이온(16)을 저장하는 양극재(12)를 구비하는 양극(10), 충전할 때 나트륨 이온(16)을 저장하는 음극재(22)를 구비하는 음극(20), 양극(10)과 음극(20) 사이에서 나트륨 이온(16)을 전달하는 분리막(30) 및 양극(10)과 음극(20)에 나트륨 이온(30)을 전달 매개체로 사용할 수 있으며, 나트륨염(Sodium Salt)을 구비하는 에테르 계열 전해질(40)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the structure of a sodium secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention includes an anode 10 having a cathode material 12 for storing sodium ions 16 when discharged, A separator 30 for transferring sodium ions 16 between the anode 10 and the cathode 20 and a separator 30 for separating the anode 10 and the cathode 20 from each other, Sodium ions 30 may be used as a transfer medium in the cathode 20 and may include an ether-based electrolyte 40 having a sodium salt.

좀 더 자세하게 살펴보면, 양극(10)은 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극재(12)가 환원되는 전극이다. 양극(10)은 전자를 모아서 외부도선으로 보내주는 + 집전체(14)와 나트륨 이온(16)의 삽입 및 탈리반응을 할 수 있는 구조를 가진 활물질(양극재, 12)로 이루어져 있다. 예를 들면, 양극재(12)는 나트륨 금속 화합물을 포함할 수 있다. 금속 화합물은 산소 이온(12a)과 금속 이온(12b)로 구성될 수 있다. 음극(20)은 음극재(22)가 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극이다. 음극(20)은 양극(10)과 같이 전자를 모아서 외부도선으로 보내주는 - 집전체(24)와 나트륨 이온(16)의 삽입 및 탈리반응을 할 수 있는 구조를 가진 활물질(음극재, 22)로 이루어져 있다. 예를 들면, 음극재(22)는 그라파이트(graphite)를 포함할 수 있다.In more detail, the anode 10 is an electrode that receives electrons from an external conductor and reduces the cathode material 12. The positive electrode 10 is composed of a current collector 14 which collects electrons and sends them to external leads, and an active material 12 which has a structure capable of inserting and desorbing sodium ions 16. For example, the anode material 12 may comprise a sodium metal compound. The metal compound may be composed of oxygen ions 12a and metal ions 12b. The cathode 20 is an electrode for emitting electrons to the conductor while the anode material 22 is oxidized. The cathode 20 is made of an active material (anode material) 22 having a structure capable of inserting and removing a sodium ion 16 and a current collector 24, collecting electrons and collecting electrons as an anode 10, Lt; / RTI > For example, the anode material 22 may include graphite.

전해질(40)은 양극(10)의 환원 또는 음극(20)의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질이동(나트륨 이온(16)의 이동)이 일어나는 매개체이다. 전해질(40)은 유전율이 높으면서(유전율이 높을수록 나트륨염의 해리가 잘됨) 점성이 낮아야(점성이 낮을수록 나트륨 이온(16)의 전달이 용이함) 한다. 예를 들면, 전해질(40)은 디에틸렌글리콜 디메틸에테르(Diethylene Glycol Dimethyl Ether, DEGDME), 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(Tetraethylene Glycol Dimethyl Ether, TEGDME), 및 디메틸세로솔부(Dimethoxyethane, glyme) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 에테르 계열 전해질(40)의 종류에 따라 나트륨 이온(16)을 저장하는 전압을 제어할 수 있으며, 에테르 계열 전해질(40)의 체인 길이가 길어질수록 나트륨 이온(16)을 저장하는 전압이 높아질 수 있다. 분리막(30)은 양극(10)과 음극(20)의 물리적 접촉을 방지하기 위한 격리막이다. 분리막(30)은 나트륨 이온(16)이 이동할 수 있도록 미세한 모공을 가진 구조로 되어 있다. 예를 들면, 분리막(30)은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 포함할 수 있다.The electrolyte 40 is a medium in which mass transfer (migration of the sodium ions 16) occurs so that the reduction of the anode 10 or the oxidation reaction of the cathode 20 takes place in chemical harmony. The electrolyte 40 should have low viscosity (dissociation of the sodium salt is better as the dielectric constant is higher) (the lower the viscosity is, the easier the sodium ion 16 is to be delivered). For example, the electrolyte 40 may include at least one of diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), and dimethyl cetyl ether . ≪ / RTI > The voltage for storing the sodium ions 16 can be controlled depending on the kind of the ether-based electrolyte 40. The longer the chain length of the ether-based electrolyte 40, the higher the voltage for storing the sodium ions 16 . The separator 30 is a separator for preventing physical contact between the anode 10 and the cathode 20. The separation membrane 30 has a fine pore structure so that the sodium ions 16 can move. For example, the separation membrane 30 may comprise polyethylene (PE) or polypropylene (PP).

다시 말하면, 나트륨 이차 전지(1)는 내부 활물질의 화학에너지(chemical energy)를 화학적 반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 기기이다. 나트륨 이차 전지(1)는 전기화학 반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 빠져 나갈 수 있도록 특별한 내부구조로 이루어져 있으며 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기 에너지의 원천이 되어 전기를 제공할 수 있다. 나트륨 이차 전지(1)의 구성요소는 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질(12)이 환원되는 전극인 양극(10), 음극 활물질(22)이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극인 음극(20), 활물질의 환원 반응 및 산화반응이 화학적 조화를 이룰 수 있도록 물질 이동이 일어나는 매개체인 에테르 계열 전해질(40) 및 양극(10)과 음극(20)의 물리적 접촉을 방지하기 위한 분리막(30)으로 구성된다.In other words, the sodium secondary battery 1 is a device for converting the chemical energy of the internal active material into electrical energy by a chemical reaction. The sodium secondary battery (1) has a special internal structure to allow electrons to escape to the outside through an electrochemical reaction. Electrons flowing through the lead wire can provide electricity as a source of electric energy. Components of the sodium secondary battery 1 include a cathode 10 as an electrode to which the cathode active material 12 is reduced by receiving electrons from an external conductor and a cathode 20 as an electrode for emitting electrons to the conductor while oxidizing the anode active material 22. [ ), An ether-based electrolyte 40 as a medium in which mass transfer occurs so that the reduction reaction and the oxidation reaction of the active material can achieve chemical harmony, and a separation membrane 30 for preventing physical contact between the anode 10 and the cathode 20 .

한편, 나트륨 이차 전지(1)의 음극(20)은 전자를 내어주고 산화되는 물질이며, 이와 반대로 양극(10)은 전자를 받아(양이온과 함께) 환원되는 물질이다. 나트륨 이차 전지(1)가 외부 로드(load)(50)와 연결되어 방전 반응을 진행할 때 두 전극은 각각 전기 화학적으로 반응하여 전기 에너지로 변환한다. 이 때, 음극(20)의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 로드(50)를 경유하여 양극(10)으로 이동하고, 양극 물질(12)과 환원반응을 일으키며, 전기적 회로는 음극(20)과 양극(10) 방향으로의 음이온과 양이온의 물질 이동에 의해 에테르 계열 전해질(40) 내에서 완성될 수 있다.On the other hand, the cathode 20 of the sodium secondary battery 1 is a substance which gives off electrons and is oxidized. On the other hand, the anode 10 is a material which receives electrons (together with cations) and is reduced. When the sodium secondary battery 1 is connected to the external load 50 to perform a discharge reaction, the two electrodes electrochemically react with each other and convert them into electrical energy. At this time, the electrons generated by the oxidation reaction of the cathode 20 move to the anode 10 via the external rod 50, cause a reduction reaction with the anode material 12, And in the ether-based electrolyte 40 by mass transfer of anions and cations in the direction of the anode 10.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 에테르 계열 전해질을 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.FIG. 2 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing an ether-based electrolyte of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 나트륨 이차 전지의 에테르 계열 전해질을 제조하는 방법은 나트륨염(Sodium Salt) 내에 포함된 수분을 제거하는 단계(S100), 나트륨염을 에테르 계열 전해액에 녹이는 단계(S200) 및 전해액 내에 포함된 수분을 제어하기 위해 분자체(Molecular Sieve)에 넣고 보관하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a method of preparing an ether-based electrolyte of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes removing sodium (S100) water contained in a sodium salt (S100) (S200), and a step S300 of storing the electrolyte in the molecular sieve to control the moisture contained in the electrolyte.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an experimental example to which the technical idea described above is applied will be described in order to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

[실험예 1][Experimental Example 1]

나트륨염인 NaPF6, NaClO4, NaCF3SO3 등을 180℃ 오븐에 3일 보관하여 수분을 제거한다. 1몰 농도의 나트륨염을 DEGDME, TEGDME, DME 등의 에테르 계열 전해액에 녹인다. 1 몰 농도의 전해질의 수분을 제어하기 위해 분자체(molecular sieve)에 넣고 약 2일간 보관하여 에테르 계열 전해질을 제조한다. 양극으로 Na1.5VPO4.8F0.7, 음극으로 그라파이트(graphite) 및 제조된 에테르 계열 전해질을 사용하여 나트륨 이차 전지 풀셀(full cell)을 구현했다.NaPF 6 , NaClO 4 , and NaCF 3 SO 3 , which are sodium salts, are stored in an oven at 180 ° C for 3 days to remove moisture. A sodium salt of 1 molar concentration is dissolved in ether-based electrolytes such as DEGDME, TEGDME, and DME. To control the moisture content of a 1-molar electrolyte, it is placed in a molecular sieve and stored for about 2 days to produce an ether-based electrolyte. A sodium secondary battery full cell was implemented using Na 1.5 VPO 4.8 F 0.7 as the anode, graphite as the cathode, and the ether-based electrolyte prepared.

[실험예 2][Experimental Example 2]

나트륨염인 NaPF6, NaClO4, NaCF3SO3 등을 180℃ 오븐에 3일 보관하여 수분을 제거한다. 1몰 농도의 나트륨염을 DEGDME, TEGDME, DME 등의 에테르 계열 전해액에 녹인다. 1 몰 농도의 전해질의 수분을 제어하기 위해 분자체(molecular sieve)에 넣고 약 2일간 보관하여 에테르 계열 전해질을 제조한다. 양극으로 Na4MnxFe3-x(PO4)2(P2O7) (x=0, 1, 2, 3), 음극으로 그라파이트(graphite) 및 제조된 에테르 계열 전해질을 사용하여 나트륨 이차 전지 풀셀(full cell)을 구현했다.NaPF 6 , NaClO 4 , and NaCF 3 SO 3 , which are sodium salts, are stored in an oven at 180 ° C for 3 days to remove moisture. A sodium salt of 1 molar concentration is dissolved in ether-based electrolytes such as DEGDME, TEGDME, and DME. To control the moisture content of a 1-molar electrolyte, it is placed in a molecular sieve and stored for about 2 days to produce an ether-based electrolyte. Using a Na 2 Mn x Fe 3-x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) (x = 0, 1, 2, 3) as an anode, graphite as a cathode and an ether- We implemented a full cell cell.

[비교예][Comparative Example]

나트륨염인 NaPF6, NaClO4, NaCF3SO3 등을 180℃ 오븐에 3일 보관하여 수분을 제거한다. 1몰 농도의 나트륨염을 DMC(Dimethyl carbonate), EC(Ethylene carbonate)/DEC(Diethylene carbonate)을 사용하거나 또는 THF(Tetrahydroxyfuran) 전해액에 녹인다. 1 몰 농도의 전해질의 수분을 제어하기 위해 분자체(molecular sieve)에 넣고 약 2일간 보관하여 카보네이트 계열 전해질을 제조한다. 양극으로 Na1.5VPO4.8F0.7, 음극으로 그라파이트(graphite) 및 제조된 카보네이트 계열 전해질을 사용하여 나트륨 이차 전지 풀셀(full cell)을 구현했다.NaPF 6 , NaClO 4 , and NaCF 3 SO 3 , which are sodium salts, are stored in an oven at 180 ° C for 3 days to remove moisture. 1 Molar sodium salt is dissolved in DMC (dimethyl carbonate), EC (ethylene carbonate) / DEC (diethylene carbonate) or THF (Tetrahydroxyfuran) electrolytic solution. To control the moisture content of a 1-molar electrolyte, it is placed in a molecular sieve and stored for about 2 days to produce a carbonate-based electrolyte. A sodium secondary battery full cell was implemented using Na 1.5 VPO 4.8 F 0.7 as an anode, graphite as a cathode, and a carbonate-based electrolyte prepared.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 나트륨 이차 전지의 특성 결과를 도시한 도면이다.3 to 8 are graphs showing the results of the characteristics of the sodium secondary battery according to Experimental Examples and Comparative Examples of the present invention.

먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 나트륨 이차 전지의 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry) 실험 결과이다. 사이클릭 볼타메트리는 고체 전극 등에서 전류와 전위 곡선을 얻는 방법의 하나로서, 삼각파를 이용하여 전극 전위를 주기적으로 변화시킨다. 용액 중의 화합물과 전극 물질 자신의 산화 또는 환원 거동을 확인 할 수 있다. 도 3의 (a)를 보면, 비교예와 같이, 카보네이트 계열 전해질을 사용할 경우, 그라파이트 소재는 나트륨 이차 전지에서 아무런 전기화학 반응을 보이지 않는다. 반면에 실험예 1과 같이, 에테르 계열 전해질을 사용하면 산화/환원 전류가 가역적으로 나타남을 알 수 있다. 또, 에테르 계열 전해질에 나트륨염을 넣지 않으면 가역반응이 나타나지 않음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, FIG. 3 is a cyclic voltammetry test result of the sodium secondary battery of the present invention. Cyclic voltametry is a method of obtaining current and potential curves at solid electrodes and the like, and periodically changes the electrode potential using a triangular wave. The oxidation or reduction behavior of the compound in the solution and the electrode material itself can be confirmed. 3 (a), when a carbonate-based electrolyte is used as in the comparative example, the graphite material shows no electrochemical reaction in the sodium secondary battery. On the other hand, as in Experimental Example 1, it can be seen that the oxidation / reduction current reversibly appears when an ether-based electrolyte is used. In addition, it can be seen that no reversible reaction occurs unless the sodium salt is added to the ether-based electrolyte.

도 3의 (b) 내지 도 3의 (e)를 보면, 에테르 계열의 전해질을 사용할 경우 약 0.6V 정도의 낮은 작동전압을 보이면, 약 150mAh/g의 높은 용량을 발현할 수 있다. 이에 반해 카보네이트 계열의 전해질을 사용할 경우에 동일한 작동전압에서 약 70mAh/g 이하의 매우 낮은 용량을 보인다.Referring to FIGS. 3 (b) to 3 (e), when an ether-based electrolyte is used, a high operating voltage of about 150 mAh / g can be exhibited when a low operating voltage of about 0.6 V is exhibited. On the other hand, when a carbonate electrolyte is used, a very low capacity of about 70 mAh / g or less is obtained at the same operating voltage.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 나트륨 이차 전지의 충반전 싸이클 결과를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 실험예 1에 의한 에테르 계열 전해질을 사용할 경우, 그라파이트 음극은 약 2500 싸이클(cycle) 이상까지 큰 용량의 감소 없이 진행됨을 알 수 있다. 또, 도 4의 (b)를 참조하면, 매우 빠른 전류 속도에서도 높은 용량을 잘 유지함을 알 수 있다.FIG. 4 is a graph showing the results of a charge and inversion cycle of a sodium secondary battery according to an experimental example of the present invention. Referring to FIG. 4 (a), when the ether-based electrolyte according to Experimental Example 1 is used, it can be seen that the graphite cathode proceeds without a large capacity decrease to about 2500 cycles or more. Also, referring to FIG. 4 (b), it can be seen that the capacity is maintained well even at a very high current speed.

도 5는 본 발명의 다양한 실험예에 따른 나트륨 이차 전지의 전해액에 따른 특성을 보여주는 도면이다. 도 5의 (a)는 다양한 에테르 계열 전해질에서의 그라파이트 음극의 전기화학 특성을 보여주고 있다. 도 5의 (a)를 보면, 에테르 계열 전해질 모두에서 가역적인 나트륨 저장 및 탈리 반응을 확인할 수 있다. 도 5의 (b)를 보면, 전해액의 체인(chain) 길이에 따라 나트륨을 저장하는 전압이 약 0.6V에서 약 0.78V까지 조절이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 도 5의 (c)를 보면, 에테르 계열 전해질 모두 매우 우수한 싸이클(cycle) 특성을 보였으며, 도 5의 (d)를 보면, 전류 속도를 증가시키면서 테스트 해본 결과 DEGDME 전해액을 사용했을 경우에 고속 충방전 특성이 가장 좋았다.FIG. 5 is a graph showing characteristics of a sodium secondary battery according to various experiments according to the present invention. FIG. Figure 5 (a) shows the electrochemical properties of graphite cathodes in various ether-based electrolytes. 5 (a), reversible sodium storage and desorption reactions can be confirmed in all of the ether-based electrolytes. Referring to FIG. 5 (b), it can be seen that the voltage for storing sodium can be adjusted from about 0.6 V to about 0.78 V according to the chain length of the electrolyte. 5 (c), each of the ether-based electrolytes exhibited excellent cycle characteristics, and FIG. 5 (d) shows that when the DEGDME electrolyte solution was used, Fast charge / discharge characteristics were the best.

도 6은 본 발명의 실험예에 따른 나트륨 이차 전지의 테스트 단계별 투과전자현미경(TEM) 결과를 나타낸 도면이다. 도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)를 참조하면, 그라파이트 음극을 에테르 계열 전해질을 이용하여 나트륨 이차 전지의 충반전 싸이클 테스트를 진행하면서 각 단계별 측정된 투과전자현미경 이미지를 촬영한 것이다. 나트륨 이차 전지의 방전전과 비교하여 방전후 그라파이트의 층간 간격이 약 0.42㎚ ~ 0.53㎚까지 증가하고, 동시에 그라파이트 층간에 잘 정렬된 구조가 깨지는 것을 확인할 수 있다. 충전후에는 층간 간격이 다시 약 0.34㎚로 돌아오면서 정렬된 구조가 됨을 확인 할 수 있다. 이를 통해서 나트륨이 그라파이트 내부로 삽입 및 탈리되는 것을 알 수 있다.6 is a TEM (Transmission Electron Microscope) result of a test step of a sodium secondary battery according to an experimental example of the present invention. 6 (a) to 6 (c), a graphical transmission electron microscope image of each stage was taken while a charge reversal cycle test of a sodium secondary battery was performed using an ether-based electrolyte as a graphite cathode. It can be seen that the interlayer spacing of the graphite after discharge increases to about 0.42 nm to 0.53 nm as compared with that before discharge of the sodium secondary battery, and at the same time, the well-aligned structure is broken between the graphite layers. After charging, the interlayer spacing is again returned to about 0.34 nm, and the structure becomes aligned. Through this, it can be seen that sodium is inserted and desorbed into the graphite.

또한, 도 6의 (d)와 도 6의 (e)를 보면, 방전후 에테르 계열 전해액에 용매화(solvation) 된 나트륨 이온의 피크가 나타남을 통해 전해액과 나트륨 이온이 방전시 함께 삽입되는 것을 확인할 수 있다. 또, 그라파이트 내부에 나트륨 이온 자체가 들어가는 것은 열역학적으로 가능하지 않지만, 전해액에 둘러싸인 나트륨 이온이 함께 들어가는 것은 열역학적으로 가능한 것으로 보인다.6 (d) and 6 (e), a peak of sodium ion solvated in the ether-based electrolytic solution after discharge shows that the electrolytic solution and sodium ion are inserted together at the time of discharge . In addition, it is thermodynamically impossible for sodium ions to enter the graphite itself, but it is thermodynamically feasible for the sodium ions enclosed in the electrolyte to enter together.

도 7은 본 발명의 실험예에 따른 나트륨 이차 전지의 충방적 곡선을 도시한 것으로, 도 7의 (a)는 나트륨 이차 전지의 양극재인 Na1.5VPO4.8F0.7의 충방적 곡선이며, 도 7의 (b)는 Na1.5VPO4.8F0.7 양극과 그라파이트 음극을 에테르 계열 전해질인 DEGDME를 사용한 경우(1M NaPF6 in DEGDME)의 나트륨 이차 전지 풀셀의 충방전 곡선이고, 도 7의 (c)는 도 7의 (b)의 풀셀의 싸이클 테스트 결과이다. 도 7의 (c)를 보면, 약 0.1 A/g의 전류 속도에서 약 45mAh/g(양극과 음극 무게 모두 고려)의 용량을 보이고, 약 1A/g의 높은 전류 속도에서도 약 18mAh/g의 용량을 유지함을 알 수 있다. 또한, 약 250 싸이클 동안 큰 용량 감소없이 충방전이 가능함을 확인할 수 있다.7 is a filling curve of a sodium secondary battery according to an experimental example of the present invention. FIG. 7 (a) is a filling curve of Na 1.5 VPO 4.8 F 0.7 which is a cathode material of a sodium secondary battery, (b) is a charge / discharge curve of a sodium secondary battery full cell of Na 1.5 VPO 4.8 F 0.7 anode and graphite cathode using DEGDME as an ether-based electrolyte (1M NaPF 6 in DEGDME), and FIG. 7 (c) (B) is a cycle test result of the full cell. 7C shows a capacity of about 45 mAh / g (considering both the anode and cathode weights) at a current rate of about 0.1 A / g and a capacity of about 18 mAh / g even at a high current rate of about 1 A / . ≪ / RTI > Also, it can be confirmed that charging and discharging are possible without reducing the capacity for about 250 cycles.

도 8은 본 발명의 다른 실험예에 따른 나트륨 이차 전지의 특성을 보여주는 도면이다. 실험예 2와 같이, 도 8의 (a) 내지 (d)는 공통적으로 그라파이트를 음극으로 활용하고, 다양한 조성의 Na4MnxFe3-x(PO4)2(P2O7) (x=0, 1, 2, 3)을 양극으로 사용하고, 1M NaPF6 in DEGDME 에테르 계열 전해질을 사용했을 경우의 충방적 곡선이다. 따라서 도 7 및 도 8을 참조하면, 그라파이트를 음극으로 사용하고 에테르 계열 전해질을 사용할 경우, 다양한 전이금속 화합물의 나트륨 양극소재와 조합하여 나트륨 이차 전지 풀셀을 구현할 수 있다.8 is a graph showing characteristics of a sodium secondary battery according to another experimental example of the present invention. 8 (a) to 8 (d) commonly use graphite as a negative electrode and various compositions of Na 4 Mn x Fe 3-x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) (x = 0, 1, 2, 3) as an anode and 1M NaPF 6 in DEGDME ether-based electrolyte. Therefore, referring to FIGS. 7 and 8, when a graphite is used as a cathode and an ether-based electrolyte is used, a sodium secondary battery pull cell can be realized in combination with a sodium anode material of various transition metal compounds.

상술한 바에 의하면, 일반적으로 리튬이차전지의 음극소재로 널리 사용하고 있는 그라파이트는 현재까지 소듐 이차 전지 소재로서 사용할 수 없다고 알려져 있다. 지금까지는 그라파이트 음극을 소듐 이차 전지에 활용할 경우, 가역적인 소듐의 삽입 및 탈리 반응이 나타나지 않았다. 본 발명은 일반적으로 소듐이차전지 전해질로 사용되는 카보네이트(carbonate) 계열 전해질이 아닌 에테르(ether) 계열의 전해질을 사용할 경우, 그라파이트 소재가 매우 큰 활성도를 보이며 가역적인 전기화학 반응을 보일 수 있음을 증명하였다.According to the above description, it is known that graphite, which is generally used as a negative electrode material of a lithium secondary battery, can not be used as a material for a sodium secondary battery up to now. Up to now, when graphite cathodes were used in sodium secondary batteries, no reversible sodium insertion or desorption occurred. In the present invention, when an ether-based electrolyte other than a carbonate-based electrolyte used as an electrolyte for a sodium secondary battery is used, the graphite material exhibits a very large activity and demonstrates reversible electrochemical reaction Respectively.

따라서 에테르 계열의 전해질을 사용 할 경우, 소듐 이온과 전해액의 코 인터칼레이션(co-intercalation)을 통하여 에너지를 저장 할 수 있음을 확인 하였다. 에테르 계열 전해질을 사용하여 그라파이트를 음극으로 하고, 전이금속 화합물을 양극으로 한 소듐 이차 전지를 개발할 수 있다.Therefore, it has been confirmed that energy can be stored through co-intercalation of sodium ions and an electrolyte when an ether-based electrolyte is used. An ether-based electrolyte can be used to develop a sodium secondary battery having graphite as a negative electrode and a transition metal compound as a positive electrode.

또한, 에테르 계열 전해질을 사용할 경우, 약 2000 싸이클 이상의 매우 높은 싸이클 특성을 보이며 우수한 충방전 율특성을 보이며, 다양한 소재의 양극과 조합하여 풀셀을 조립할 경우에도 우수한 특성을 보이는 소듐 이차 전지를 구현할 수 있다.In addition, when an ether-based electrolyte is used, a sodium secondary battery exhibiting excellent cycling characteristics of about 2000 cycles or more and exhibiting excellent charge / discharge characteristics and exhibiting excellent characteristics when assembling a pull cell in combination with an anode of various materials can be realized .

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 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 present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary 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.

1 : 나트륨 이차 전지
10 : 양극
12 : 양극재(양극 활물질)
12a : 산소 이온
12b : 금속 이온
14 : + 집전체
16 : 나트륨 이온
20 : 음극
22 : 음극재(음극 활물질)
24 : - 집전체
30 : 분리막
40 : 전해질
50 : 외부 로드(load)
1: Sodium secondary battery
10: anode
12: cathode material (cathode active material)
12a: oxygen ion
12b: metal ion
14: + the whole house
16: Sodium ion
20: cathode
22: anode material (anode active material)
24: - Whole house
30: Membrane
40: electrolyte
50: External load

Claims (5)

방전할 때 나트륨 이온을 저장하는 양극재를 구비하는 양극;
충전할 때 상기 나트륨 이온을 저장하는 그라파이트(graphite) 음극재를 구비하는 음극;
상기 양극과 상기 음극 사이에서 상기 나트륨 이온을 전달하는 분리막; 및
상기 양극과 상기 음극에 상기 나트륨 이온을 전달 매개체로 사용할 수 있으며, 나트륨염(Sodium Salt)을 구비하는 에테르 계열 전해질;
을 포함하고,
상기 에테르 계열 전해질의 종류에 따라 상기 나트륨 이온을 저장하는 전압을 제어할 수 있는,
나트륨 이차 전지.
A cathode having a cathode material for storing sodium ions when discharged;
An anode having a graphite anode material for storing the sodium ion when charged;
A separation membrane for transferring the sodium ions between the anode and the cathode; And
An ether-based electrolyte capable of using the sodium ion as a transfer medium to the anode and the cathode, and having a sodium salt;
/ RTI >
And a controller for controlling the voltage for storing the sodium ion according to the type of the ether-
Sodium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 에테르 계열 전해질은 디에틸렌글리콜 디메틸에테르(Diethylene Glycol Dimethyl Ether, DEGDME), 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(Tetraethylene Glycol Dimethyl Ether, TEGDME), 및 디메틸세로솔부(Dimethoxyethane, glyme) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나트륨 이차 전지.
The method according to claim 1,
The ether-based electrolyte may include at least one selected from the group consisting of diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), and dimethyl cetyl ether (Dimethoxyethane, glyme) Sodium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 에테르 계열 전해질의 체인 길이가 길어질수록 상기 나트륨 이온을 저장하는 전압이 높아지는, 나트륨 이차 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the longer the chain length of the ether-based electrolyte is, the higher the voltage for storing the sodium ion is.
제 1 항에 있어서,
상기 양극재는 나트륨 금속 화합물을 포함하는, 나트륨 이차 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode material comprises a sodium metal compound.
제 1 항에 있어서,
상기 분리막은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 포함하는, 나트륨 이차 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the separator comprises polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
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