KR20190059884A - An anode active material for lithium secondary battery and a method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

An embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which comprises following steps of: (a) dissolving a titanium precursor in a solvent and then adding a zero-valent metal powder to prepare a suspension; (b) subjecting the suspension to heat treatment at 100 to 300°C for 1 to 10 hours to produce titanium oxide containing oxygen vacancies; and (c) adding an acid to the suspension to remove the zero-valent metal powder. According to an aspect of the present invention, it is possible to improve electrochemical characteristics of the lithium secondary battery.

Description

리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법{AN ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}[0001] The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the negative active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬이차전지용 음극활물질의 일종인 이산화티타늄에 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 부여함으로써 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an anode active material for a lithium secondary battery and a method for preparing the same, and more particularly, to an electrochemical device which improves the electrochemical characteristics of a lithium secondary battery by imparting oxygen vacancy to titanium dioxide, which is one kind of anode active material for a lithium secondary battery. To a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same.

휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 리튬이차전지의 적용 분야가 확대되면서 고전력, 대용량, 장수명 리튬이차전지에 대한 수요가 증대하고 있다. 이는 고효율, 저비용, 및 생산성을 만족하는 리튬이차전지 재료에 대한 연구개발로 이어지고 있다.As the application fields of lithium secondary batteries such as portable electronic devices and electric vehicles are expanded, demand for high power, large capacity, and long life lithium secondary batteries is increasing. This leads to research and development of lithium secondary battery materials that satisfy high efficiency, low cost, and productivity.

리튬이차전지용 음극활물질로 사용되는 금속산화물은 이론 용량이 높고 환경친화적인 반면에, 충방전을 반복함에 따라 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.The metal oxide used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery has a high theoretical capacity and is environmentally friendly, but has a problem in that the capacity is rapidly reduced as the charge and discharge are repeated.

이러한 금속산화물 중 가장 널리 연구되고 있는 것 중 하나인 아나타제형(Anatase) 이산화티타늄은 높은 밴드갭(band-gap)을 형성하기 때문에 전자전도성이 낮은 문제가 있다.One of the most widely studied of these metal oxides, anatase titanium dioxide, has a problem of low electron conductivity because it forms a high band gap.

이를 해결하기 위한 방안으로 이산화티타늄 중 산소원자를 다른 원자로 치환하는 방법 또는 산소원자 공백을 부여하여 이산화티타늄의 전자구조를 조절하는 방법 등이 제안되었다. 다만, 이산화티타늄 중 산소원자를 다른 원자로 치환하는 방법은 500°C 이상의 고온 및 20bar 이상의 고압 조건이 필요하고, 합성에 하루 이상의 시간이 소요되어 합성 효율이 매우 낮은 문제가 있다.In order to solve this problem, there has been proposed a method of replacing oxygen atoms in titanium dioxide with other atoms, or a method of adjusting the electronic structure of titanium dioxide by adding oxygen atom vacancies. However, the method of replacing oxygen atoms in titanium dioxide with other atoms requires a high temperature of 500 ° C or higher and a high pressure of 20 bar or more, and it takes more than one day to synthesize, resulting in a very low synthesis efficiency.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 효율적인 방법으로 단시간 내에 티타늄 산화물에 산소원자 공백을 부여함으로써 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an anode for a lithium secondary battery capable of improving the electrochemical characteristics of a lithium secondary battery by giving an oxygen atom blank to titanium oxide in an efficient manner in a short time, And a method for producing the active material.

본 발명의 일 측면은, (a) 티타늄 전구체를 용매에 용해시킨 후 0가(zero-valence) 금속 분말을 첨가하여 현탁액을 제조하는 단계; (b) 상기 현탁액을 100~300℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 포함하는 티타늄 산화물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 현탁액에 산을 첨가하여 상기 0가 금속 분말을 제거하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공한다.An aspect of the present invention relates to a method for producing a suspension, comprising: (a) dissolving a titanium precursor in a solvent and adding a zero-valence metal powder to prepare a suspension; (b) subjecting the suspension to heat treatment at 100 to 300 ° C for 1 to 10 hours to produce titanium oxide containing oxygen vacancies; And (c) adding an acid to the suspension to remove the zero-valent metal powder. The present invention also provides a method for manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery.

일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 전구체는 3가 티타늄 화합물일 수 있다.In one embodiment, the titanium precursor may be a trivalent titanium compound.

일 실시예에 있어서, 상기 3가 티타늄 화합물은 TiCl3, TiBr3, Ti(OH)Cl2, Ti2(SO4)3, Ti(OAc)3, Ti(3+) 옥실레이트, Ti(NO3)3, Ti(3+) 락테이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the trivalent titanium compounds are TiCl 3, TiBr 3, Ti ( OH) Cl 2, Ti 2 (SO 4) 3, Ti (OAc) 3, Ti (3+) oxylate, Ti (NO 3 ) 3 , Ti (3+) lactate, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 용매는 알코올일 수 있다.In one embodiment, the solvent may be an alcohol.

일 실시예에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the alcohol may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 0가 금속 분말의 표준환원전위는 -0.56V 미만일 수 있다.In one embodiment, the standard reduction potential of the zero valent metal powder may be less than -0.56V.

일 실시예에 있어서, 상기 0가 금속 분말은 아연, 마그네슘, 알루미늄 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the zero-valent metal powder may be selected from the group consisting of zinc, magnesium, aluminum, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 산화물은 하기 화학식 1으로 표시될 수 있다.In one embodiment, the titanium oxide may be represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

TiO2-x TiO 2-x

상기 식에서, 0<x<0.5이다.In the above formula, 0 < x < 0.5.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative active material for a lithium secondary battery, which is produced by the above method.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 리튬이차전지용 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the slurry including the negative electrode active material for a lithium secondary battery, a binder, and a conductive material is applied to a current collector.

일 실시예에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene , Ethylene-propylene (EPDM) rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로 70~95중량%일 수 있다.In one embodiment, the content of the negative electrode active material for the lithium secondary battery may be 70 to 95% by weight based on the total weight of the slurry.

본 발명의 일 측면에 따르면, 티타늄 산화물의 용매열합성 시 일정 범위의 표준환원전위를 가지는 0가 금속 분말을 사용함으로써 합성된 티타늄 산화물에 산소원자 공백(oxygen vacancy)를 부여할 수 있고, 이를 리튬이차전지용 음극활물질로 적용 시 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.According to an aspect of the present invention, an oxygen vacancy can be imparted to titanium oxide synthesized by using a zero-valent metal powder having a standard reduction potential in a certain range during solvent thermo-synthesis of titanium oxide, The electrochemical characteristics of the lithium secondary battery can be improved when the negative active material is applied to the secondary battery.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the effects described above, but include all effects that can be deduced from the description of the invention or the composition of the invention set forth in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 XRD(X-ray diffraction) 분석결과(a), HR-라만 스펙트럼(b), XPS(X-ray photoelectron spectroscopy, X선 광전자 분광법) 분석결과((c), (d))이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질에 대한 FE-TEM, 선택영역 전자회절패턴(selected area electron diffraction, SAED), 에너지분산형 분광분석(energy dispersive spectrometry, EDS)결과이고;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 리튬이차전지용 음극의 전기화학적 특성 평가결과를 나타낸다.
FIG. 1 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) analysis results of an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and a comparative example (a), HR-Raman spectrum (b), X-ray photoelectron spectroscopy , X-ray photoelectron spectroscopy) analysis results ((c), (d));
FIG. 2 is a graph showing the FE-TEM, selected area electron diffraction (SAED), energy dispersive spectrometry (FEM), and the like of the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention and one comparative example. EDS) results;
FIGS. 3 to 5 show the electrochemical characteristics of the negative electrode for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention and one comparative example.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" . Also, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.

본 발명의 일 측면은, (a) 티타늄 전구체를 용매에 용해시킨 후 0가 금속 분말을 첨가하여 현탁액을 제조하는 단계; (b) 상기 현탁액을 100~300℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 포함하는 티타늄 산화물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 현탁액에 산을 첨가하여 상기 0가 금속 분말을 제거하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공한다.An aspect of the present invention relates to a method for producing a suspension, comprising: (a) dissolving a titanium precursor in a solvent and adding a zero-valent metal powder to prepare a suspension; (b) subjecting the suspension to heat treatment at 100 to 300 ° C for 1 to 10 hours to produce titanium oxide containing oxygen vacancies; And (c) adding an acid to the suspension to remove the zero-valent metal powder. The present invention also provides a method for manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery.

상기 (a) 및 (b) 단계에서는, 티타늄 전구체를 용매에 용해시킨 후 0가 금속 분말을 첨가하여 현탁액을 제조하고, 상기 현탁액을 100~300℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 포함하는 티타늄 산화물을 제조할 수 있다.In the steps (a) and (b), a suspension is prepared by dissolving a titanium precursor in a solvent and adding a zero-valent metal powder, and the suspension is heat-treated at 100 to 300 ° C for 1 to 10 hours to remove oxygen atoms oxygen vacancy can be produced.

상기 티타늄 전구체는 3가 티타늄 화합물, 즉, 3가 티타늄(Ti3+)을 함유하는 임의의 화합물일 수 있고, 상기 3가 티타늄 화합물은 용매에 용해되어 Ti3+ 이온을 용액에 방출할 수 있는 임의의 화합물일 수 있다.The titanium precursor may be a trivalent titanium compound, i.e., any compound containing trivalent titanium (Ti 3+ ), and the trivalent titanium compound may be dissolved in a solvent to release Ti 3+ ions into the solution May be any compound.

상기 3가 티타늄 화합물은, 예를 들어, TiCl3, TiBr3, Ti(OH)Cl2, Ti2(SO4)3, Ti(OAc)3, Ti(3+) 옥실레이트, Ti(NO3)3, Ti(3+) 락테이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, TiCl3 또는 TiBr3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The trivalent titanium compound is, for example, TiCl 3, TiBr 3, Ti (OH) Cl 2, Ti 2 (SO 4) 3, Ti (OAc) 3, Ti (3+) oxylate, Ti (NO 3 ) 3 , Ti (3+) lactate, and mixtures of two or more thereof, preferably TiCl 3 or TiBr 3 , but is not limited thereto.

상기 용매는 알코올일 수 있고, 예를 들어, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으며, 바람직하게는, 이소프로판올일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The solvent may be alcohol and may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol and mixtures of two or more thereof, preferably isopropanol But is not limited thereto.

종래 용매열합성에 의해 임의의 티타늄 전구체로부터 합성된 아나타제형 티타늄 산화물, 예를 들어, 이산화티타늄은 밴드갭이 높아 전자전도성이 낮은 문제가 있다. 이에 대해, 상기 (a) 단계에서 상기 티타늄 전구체와 함께 사용된 0가 금속 분말은 후속되는 상기 (b) 단계에서 합성된 이산화티타늄에 산소원자 공백을 부여하여 이산화티타늄의 구조 중 일부 또는 전부를 루타일형으로 전환함으로써 이산화티타늄의 전자전도성을 현저히 향상시킬 수 있다.Anatase-type titanium oxide, for example, titanium dioxide synthesized from an arbitrary titanium precursor by conventional solvent thermal synthesis has a problem of low electron conductivity due to high band gap. On the other hand, the zero-valent metal powder used together with the titanium precursor in the step (a) may be obtained by adding oxygen vacancy to the titanium dioxide synthesized in the subsequent step (b) By switching to a sheet type, the electronic conductivity of titanium dioxide can be remarkably improved.

일반적으로, 3가 티타늄 화합물에서 방출된 Ti3+는 용매열합성 시 4가 티타늄(Ti4+)으로 전환, 즉, 산화되어 아나타제형 이산화티타늄이 생성되며, 여기서 하기 식에 따른 Ti3+의 표준환원전위는 -0.56V이다.In general, the Ti 3+ released from the trivalent titanium compound is converted to tetravalent titanium (Ti 4+ ) upon solvent thermo-synthesis, that is, oxidized to produce anatase-type titanium dioxide, wherein Ti 3+ The standard reduction potential is -0.56V.

<식><Expression>

Ti4+ + e- → Ti3+ Ti 4+ + e - &gt; Ti 3+

이에 대해, 상기 (a) 단계에서 상기 티타늄 전구체와 함께 표준환원전위가 -0.56V 미만인 0가 금속 분말을 사용하여 상기 (b) 단계에서 용매열합성 시 Ti3+의 완전 산화를 방지함으로써 산소원자 공백을 부여할 수 있다. 산소원자 공백이 부여된 이산화티타늄은 그 구조 중 일부 또는 전부가 아나타제형에서 루타일형으로 전환된 것일 수 있다.On the other hand, in the step (a), a zero-valent metal powder having a standard reduction potential of less than -0.56 V is used together with the titanium precursor to prevent complete oxidation of Ti 3+ during solvent thermal synthesis in the step (b) Blank can be given. Titanium dioxide to which oxygen atom vacancies are imparted may be one in which some or all of its structure has been converted from an anatase form to a rutile form.

상기 0가 금속 분말은 아연, 마그네슘, 알루미늄 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 아연일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The zero-valent metal powder may be one selected from the group consisting of zinc, magnesium, aluminum, and a mixture of two or more thereof, preferably zinc, but is not limited thereto.

또한, 산소원자 공백이 부여된 티타늄 산화물, 즉, 이산화티타늄은 하기 화학식 1으로 표시될 수 있다.Further, the titanium oxide to which oxygen atom space is imparted, that is, titanium dioxide can be represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

TiO2-x TiO 2-x

상기 식에서, 0<x<0.5이다.In the above formula, 0 < x < 0.5.

종래 티타늄 산화물의 전자전도성을 개선하기 위해 티타늄 산화물 중 산소원자를 다른 원자로 치환하거나 티타늄 산화물을 이루는 격자 구조(lattice) 내에 다른 원자를 도핑하기 위해서는 약 500℃ 이상의 고온 및 약 20bar 이상의 고압 조건이 필요하고, 합성에 하루 이상의 시간이 소요되어 합성 효율이 매우 낮은 문제가 있다.Conventionally, in order to improve the electron conductivity of titanium oxide, a high temperature of about 500 ° C or more and a high pressure of about 20 bar or more are required to replace oxygen atoms in titanium oxide with other atoms or to dope other atoms in a lattice constituting titanium oxide , Synthesis takes more than one day and synthesis efficiency is very low.

이에 대해, 상기 (b) 단계에서는, 상기 현탁액을 종래에 비해 온화한 조건(mild condition)하에서, 예를 들어, 100~300℃에서 1~10시간 동안 열처리하는 것만으로도 티타늄 산화물에 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 부여할 수 있고, 이에 따라 다른 원자가 치환, 도핑된 경우와 유사한 수준 이상으로 티타늄 산화물의 전자전도성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, in the step (b), the suspension may be thermally treated under mild conditions, for example, at 100 to 300 ° C for 1 to 10 hours, oxygen vacancy can be imparted, thereby improving the electron conductivity of the titanium oxide to a level similar to that of the case where other atoms are substituted or doped.

상기 (c) 단계에서는, 상기 현탁액에 산을 첨가하여 상기 0가 금속 분말을 제거할 수 있다. 상기 (a) 단계에서 사용된 0가 금속 분말은 산화 경향이 크기 때문에 산에 용해되어 쉽게 제거될 수 있다. 상기 산은 염산, 황산, 인산, 질산 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 염산일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 산은 농축된 형태로 소량 사용될 수 있고, 일정 농도의 수용액으로 희석되어 사용될 수도 있다.In the step (c), an acid may be added to the suspension to remove the zero-valent metal powder. The zero-valent metal powder used in the step (a) is easily dissolved due to its high oxidation tendency and is dissolved in an acid. The acid may be selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, and a mixture of two or more thereof, preferably hydrochloric acid, but is not limited thereto. The acid may be used in a small amount in concentrated form, or it may be diluted with an aqueous solution of a certain concentration.

상기 (a) 단계에서 상기 현탁액에 첨가된 상기 0가 금속 분말은, 상기 (b) 단계에서 Ti3+의 완전 산화를 저해하는 억제제로 작용한 다음, 상기 (c) 단계에서 모두 제거되므로 최종적으로 얻어진 티타늄 산화물에서 상기 0가 금속 분말은 더 이상 존재하지 않는다.The zero-valent metal powder added to the suspension in the step (a) acts as an inhibitor which inhibits the complete oxidation of Ti 3+ in the step (b), and then is completely removed in the step (c) In the obtained titanium oxide, the zero-valent metal powder is no longer present.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 방법에 의해 제조된 리튬이차전지용 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the slurry containing the negative electrode active material for a lithium secondary battery, the binder and the conductive material prepared by the above method is applied to a current collector.

상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 폴리비닐리덴플루오라이드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더의 함량은 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 1~15중량%, 바람직하게는 5~13중량%일 수 있다.The binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ) Rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and a mixture of two or more thereof, preferably polyvinylidene fluoride, but is not limited thereto. The content of the binder may be 1 to 15% by weight, preferably 5 to 13% by weight, based on the total weight of the slurry.

상기 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재가 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼니스블랙, 램프블랙, 서머블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 전도성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 전도성 위스키; 산화 티탄 등의 전도성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 소재일 수 있다. 상기 도전재의 함량은 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 1~30중량%, 바람직하게는, 5~20중량%일 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the conductive material may be graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Polyphenylene derivatives, and the like. The content of the conductive material may be 1 to 30 wt%, preferably 5 to 20 wt%, based on the total weight of the slurry.

상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로 70~95중량%일 수 있다. 상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 70중량% 미만이면 전지의 수명 특성 및 전도성이 저하될 수 있고, 95중량% 초과이면 바인더, 도전재의 함량이 상대적으로 감소하여 접착력이 저하될 수 있다.The content of the negative electrode active material for a lithium secondary battery may be 70 to 95% by weight based on the total weight of the slurry. If the content of the negative electrode active material for a lithium secondary battery is less than 70% by weight, the life characteristics and conductivity of the battery may be deteriorated. If the content is more than 95% by weight, the content of the binder and the conductive material may be decreased.

상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체가 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등일 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 3㎛ 내지 500㎛일 수 있다.The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the current collector may be a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel, aluminum-cadmium alloy, . In addition, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material and can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric. The current collector may have a thickness of 3 탆 to 500 탆.

리튬이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침된 구조로 이루어질 수 있다.The lithium secondary battery may have a structure in which a lithium salt-containing electrolyte is impregnated in an electrode assembly having a separator interposed between an anode and a cathode.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01㎛ 내지 10㎛이고, 두께는 5㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막이 내화학성 및 소수성 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등일 수 있다. 또한, 전해질로 폴리머 등의 고체전해질이 사용되는 경우에는 고체전해질이 분리막 역할을 수행할 수도 있다.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength can be used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 탆 to 10 탆, and the thickness may be 5 탆 to 300 탆. For example, the separator may be an olefinic polymer such as a chemical resistant and hydrophobic polypropylene; A sheet or a nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene, or the like. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may serve as a separator.

상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어지고, 상기 전해액이 물, 비수계 유기용매, 유기 고체전해질, 무기 고체전해질 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The lithium salt-containing electrolytic solution is composed of an electrolytic solution and a lithium salt, and the electrolytic solution may be water, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like, but is not limited thereto.

상기 비수계 유기용매가 N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 감마-부틸로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산메틸, 초산메틸, 인산트리에스테르, 트리메톡시메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산메틸, 프로피온산에틸 등의 비양자성 유기용매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the non-aqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -butylolactone, 1,2-dimethoxyethane, The organic solvent is selected from the group consisting of franc, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, , Trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate, ethyl propionate But may not be limited to, non-magnetic organic solvents.

상기 유기 고체전해질이 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌옥사이드 유도체, 폴리프로필렌옥사이드 유도체, 인산에스테르폴리머, 폴리에지테이션리신(agitation lysine), 폴리에스테르술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the organic solid electrolyte is selected from the group consisting of a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene, But it is not limited thereto.

상기 무기 고체전해질이 Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li 질화물, 할로겐화물, 황산염 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the inorganic solid electrolyte is selected from the group consisting of Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI -LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 and the like, but the present invention is not limited thereto.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해될 수 있는 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급 지방족카르본산리튬, 4 페닐붕산리튬, 이미드 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The lithium salt is a substance which can be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate, but already the like de, but are not limited to .

상기 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등을 개선하기 위해 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜디알킬에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올, 삼염화알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 또한, 상기 전해액에 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 첨가될 수 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산가스, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 첨가할 수도 있다.The electrolytic solution may contain at least one selected from the group consisting of pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexametriacetamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinoneimine Dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride and the like may be added. Further, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride can be further added to impart nonflammability to the electrolyte solution, and carbon dioxide gas, FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS (Propene sultone ) May be further added.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

실시예Example

15~20% 농도의 염화티타늄 수용액 2ml 및 이소프로필알코올 60ml를 혼합한 후 아연 분말을 첨가하고 30분 간 교반하여 현탁액을 제조하였다. 상기 현탁액을 테프론 코팅된 스테인리스 스틸 오토클레이브에 투입하고 180℃에서 6시간 동안 열처리한 다음 상온으로 냉각시켰다. 냉각된 생성물을 3회 세척한 후 4M 농도의 염산 수용액 100ml를 이용하여 첨가된 아연 분말을 제거하였고, 60℃에서 1일 간 건조시켜 청색의 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 가지는 TiO2-x 입자를 제조하였다.2 ml of a 15% to 20% aqueous solution of titanium chloride and 60 ml of isopropyl alcohol were mixed, zinc powder was added, and the mixture was stirred for 30 minutes to prepare a suspension. The suspension was poured into a Teflon-coated stainless steel autoclave and heat-treated at 180 ° C for 6 hours and then cooled to room temperature. After the cooled product was washed three times, 100 ml of 4M hydrochloric acid aqueous solution was used to remove the added zinc powder, and the mixture was dried at 60 ° C for one day to obtain TiO 2 -x particles having a blue oxygen vacancy .

비교예Comparative Example

15~20% 농도의 염화티타늄 수용액 2ml 및 이소프로필알코올 60ml를 30분 간 교반하여 현탁액을 제조하였다. 상기 현탁액을 테프론 코팅된 스테인리스 스틸 오토클레이브에 투입하고 180℃에서 6시간 동안 열처리한 다음 상온으로 냉각시켰다. 냉각된 생성물을 3회 세척한 후 60℃에서 1일 간 건조시켜 백색의 아나타제형 TiO2 입자를 제조하였다.2 ml of a 15% to 20% aqueous solution of titanium chloride and 60 ml of isopropyl alcohol were stirred for 30 minutes to prepare a suspension. The suspension was poured into a Teflon-coated stainless steel autoclave and heat-treated at 180 ° C for 6 hours and then cooled to room temperature. After washing three times, the cooled product is dried at between 60 1 il was prepared anatase type TiO 2 particles in white.

실험예 1: 구조 분석Experimental Example 1: Structural Analysis

도 1은 TiO2-x 입자 및 TiO2 입자에 대한 XRD(X-ray diffraction) 분석결과(a), HR-라만 스펙트럼(b), XPS(X-ray photoelectron spectroscopy, X선 광전자 분광법) 분석결과((c), (d))를 나타낸다.FIG. 1 shows X-ray diffraction (XRD) analysis results of the TiO 2-x and TiO 2 particles as a result of HR-Raman spectrum (b) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ((c), (d)).

도 1(a)를 참고하면, TiO2 입자의 모든 피크는 아나타제형(JCPDS No. 21-1272)에 상응하고, TiO2-x 입자의 모든 피크는 루타일형(JCPDS No. 04-0551)에 상응한다. 열처리(용매열합성) 시 첨가된 아연 분말은 백색의 아나타제형 입자를 청색의 루타일형 입자로 전환시킨다. 아연은 용매열합성 후 염산 용액에 의해 세척, 제거되었기 때문에 아연에 대한 피크는 관찰되지 않았다.1 (a), all the peaks of the TiO 2 particles correspond to the anatase form (JCPDS No. 21-1272), and all peaks of the TiO 2 -x particles correspond to the rutile form (JCPDS No. 04-0551) Corresponding. The zinc powder added during the heat treatment (solvent thermo-synthesis) converts white anatase-type particles to blue rutile-type particles. Since zinc was washed and removed with a hydrochloric acid solution after thermolysis of the solvent, no peak for zinc was observed.

도 1(b)를 참고하면, TiO2 입자의 경우 143cm-1, 396cm-1, 516cm-1 및640cm-1의 파수에서 4개의 피크가 나타난다. 루타일형 TiO2 입자 및 TiO2-x 입자의 경우에도 143cm-1, 230cm-1, 440cm-1 및610cm-1의 파수에서 4개의 피크가 나타나, 양 입자 모두 루타일형 TiO2의 전형적인 결합을 가짐을 알 수 있다. 다만, TiO2-x 입자의 피크 강도는 루타일형 TiO2 입자에 비해 낮다.When reference to Fig. 1 (b), if the TiO 2 particles, 143cm -1, 396cm -1, when the four band at a wavenumber of 516cm -1 and 640cm -1. Rutile TiO 2 particles and the TiO 2-x In the case of particles to 143cm -1, 230cm -1, shows that four peaks at the wave number of 440cm -1 and 610cm -1, both rutile particles having a typical combination of TiO 2 . However, the peak intensity of TiO 2-x particles is lower than that of rutile-type TiO 2 particles.

Ti3+ 및/또는 산소원자 공백은 격자 왜곡(lattice distortion)을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 피크 강도의 감소는 산소원자의 제거에 의해 결합이 저해되었음을 의미한다. 따라서, XPS 분석을 통해 TiO2-x 입자 및 TiO2 입자의 표면산화 상태를 확인할 필요가 있다.Ti 3+ and / or oxygen atom vacancies are known to cause lattice distortion, and a decrease in peak intensity means that binding is inhibited by the removal of oxygen atoms. Therefore, it is necessary to confirm the surface oxidation state of TiO 2-x particles and TiO 2 particles through XPS analysis.

도 1(c)를 참고하면, TiO2 입자의 Ti 2p 피크는 464.91eV 및 459.37eV에서 Ti4+로 관찰되지만, TiO2-x 입자의 Ti 2p 피크는 458eV 및 463.54eV에서 Ti4+ 또는 Ti3+로 관찰되어, TiO2-x 입자의 Ti 2p 피크가 TiO2 입자에 비해 낮은 결합에너지로 이동하였고, 이는 TiO2-x 입자가 TiO2 입자에 비해 상대적으로 낮은 Ti 산화상태를 가짐을 의미한다.When reference to Fig. 1 (c), of the TiO 2 particles Ti 2p peak is observed at a Ti 4+ 464.91eV and 459.37eV, the TiO 2-x particles Ti 2p peak, Ti 4+ or Ti at 458eV and 463.54eV 3+ , indicating that the Ti 2p peak of the TiO 2-x particles migrated with lower binding energy than the TiO 2 particles, indicating that the TiO 2-x particles have a relatively lower Ti oxidation state than the TiO 2 particles do.

도 1(d)를 참고하면, TiO2-x 입자의 O 1s 피크는 낮은 결합에너지로 이동하고, 약 530eV 부근에서 다소 비대칭적인 형태를 보이는데, 이는 산소원자 공백의 증가에 따른 것이다. 또한, 이러한 비대칭점은 TiO2 입자의 피크보다 높은 곳에서 관찰되며, 이는 산소원자 공백의 농도가 더 높음을 의미한다.Referring to FIG. 1 (d), the O 1s peak of the TiO 2-x particles migrates at a low binding energy and shows a somewhat asymmetrical shape at about 530 eV, which is due to an increase in oxygen atom vacancies. This asymmetric point is also observed above the peak of the TiO 2 particle, which means that the concentration of vacancy of oxygen atoms is higher.

따라서, TiO2-x 입자의 청색은 아연 분말의 존재에 의한 것이 아니라, TiO2-x 입자 중 Ti3+ 및/또는 산소원자 공백의 존재에 의한 것이다.Thus, the blue color of the TiO 2-x particles is not due to the presence of zinc powder, but to the presence of Ti 3+ and / or oxygen atom vacancies in the TiO 2-x particles.

실험예 2: 모폴로지 분석Experimental Example 2: Morphology analysis

도 2는 TiO2-x 입자((a) 내지 (e)) 및 TiO2 입자((f) 내지 (j))에 대한 FE-TEM, 선택영역 전자회절패턴(selected area electron diffraction, SAED), 에너지분산형 분광분석(energy dispersive spectrometry, EDS) 결과를 나타낸다.Figure 2 shows the FE-TEM, selected area electron diffraction (SAED), and TiO 2-x particles ((a) to (e)) and TiO 2 particles (f) Energy dispersive spectrometry (EDS).

도 2(a) 및 2(f)를 참고하면, TiO2-x 입자 및 TiO2 입자 모두 약 30nm의 균일한 크기를 가지는 구형이다. 또한, 도 2(b) 내지 2(e), 및 2(g) 내지 2(j)를 참고하면, 양 입자에 Ti 및 O가 존재하고 아연은 존재하지 않으며, TiO2-x 입자에서 O의 피크 강도 및 함량이 TiO2 입자에 비해 낮게 나타나 TiO2-x 입자에 산소원자 공백이 존재함을 알 수 있다.Figure 2 (a) and With reference to 2 (f), a rectangle with a uniform size of the TiO 2-x particles and TiO 2 particles about 30nm both. As shown in Figure 2 (b) to 2 (e), and 2 (g) to Refer to 2 (j), it does not have both the particles of Ti and O, and zinc are present, O in the TiO 2-x particles Peak strength and content are lower than that of TiO 2 particles, and oxygen vacancies are present in TiO 2-x particles.

제조예Manufacturing example

TiO2-x 입자, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, 바인더), 및 Super P(도전재)가 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 N-메틸피롤리돈과 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체(Cu foil)에 도포하고 오븐(80℃, 12시간), 및 진공(80℃, 5시간)에서 순차적으로 건조하여 리튬이차전지용 음극(이하, "TiO2-x 음극")을 제조하였다.A mixture of TiO 2-x particles, polyvinylidene difluoride (PVDF, binder), and Super P (conductive material) in a weight ratio of 80: 10: 10 was mixed with N-methylpyrrolidone to prepare a slurry (Hereinafter, referred to as " TiO 2-x cathode (hereinafter referred to as " TiO 2 -x cathode &quot;) was prepared by coating a copper foil on a copper foil and drying it sequentially in an oven (80 ° C, 12 hours) &Quot;).

비교제조예Comparative Manufacturing Example

TiO2 입자, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, 바인더), 및 Super P(도전재)가 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 N-메틸피롤리돈과 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체(Cu foil)에 도포하고 오븐(80℃, 12시간), 및 진공(80℃, 5시간)에서 순차적으로 건조하여 리튬이차전지용 음극(이하, "TiO2 음극")을 제조하였다.A slurry was prepared by mixing a mixture of TiO 2 particles, polyvinylidene difluoride (PVDF, binder), and Super P (conductive material) at a weight ratio of 80:10:10, respectively, with N-methylpyrrolidone (Hereinafter, referred to as " TiO 2 cathode &quot;) was prepared by coating the copper foil on a copper foil and drying it sequentially in an oven (80 ° C, 12 hours) and a vacuum (80 ° C, 5 hours) Respectively.

상기 제조예 및 비교제조예에서 제조된 음극, 리튬 집전체(Li foil)로 이루어진 양극, 및 다공성 분리막(Celgard 2400)을 사용하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1M의 LiPF6 염이 녹아있는 부피비 1 : 1의 에틸렌카보네이트(EC)와 다이에틸렌카보네이트(DEC) 용액을 전해질로 주입하고, 밀봉하여 리튬이차전지를 조립하였다.An electrode assembly was prepared using the negative electrode prepared in the above Production Examples and Comparative Production Examples, a positive electrode made of a lithium foil (Li foil), and a porous separator (Celgard 2400). The electrode assembly was inserted into a pouch and lead wires were connected. Then, a 1: 1 volume ratio of ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (DEC) solution containing 1 M of LiPF 6 salt was injected into the electrolyte and sealed, .

실험예 3: 리튬이차전지 성능 평가Experimental Example 3: Evaluation of lithium secondary battery performance

TiO2-x 음극 및 TiO2 음극을 포함하는 각각의 리튬이차전지를 1.0V 내지 3.0V의 전압 범위에서 100mA/g의 전류밀도로 정전류 충방전 싸이클을 반복하여 성능 평가를 수행하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.Each lithium secondary battery including a TiO 2 -x negative electrode and a TiO 2 negative electrode was subjected to a constant current charge / discharge cycle at a current density of 100 mA / g in a voltage range of 1.0 V to 3.0 V, 3.

도 3(a)를 참고하면 TiO2 음극은 1.68V에서 전위 평탄영역(plateau)이 나타난 반면에, 도 3(b)를 참고하면 TiO2-x 음극은 2.0V 초과 및 1.5V 미만에서 2개의 전위 평탄영역이 나타난다. TiO2-x 음극 및 TiO2 음극의 방전용량을 아래 표 1에 나타내었다.Referring to FIG. 3 (a), the TiO 2 cathode exhibits a potential plateau at 1.68 V, while the TiO 2 -x cathode exhibits a potential plateau above 2.0 V and below 2 V A potential flat area appears. The discharge capacities of the TiO 2 -x cathode and the TiO 2 cathode are shown in Table 1 below.

구분division 제1 싸이클1st cycle 제2 싸이클2nd cycle 제20 싸이클20th cycle 제50 싸이클50th cycle 비교제조예Comparative Manufacturing Example 179.4179.4 152.8152.8 105.4105.4 81.181.1 제조예Manufacturing example 551.1551.1 348.5348.5 279.9279.9 253.8253.8

(단위: mAh/g)이와 같이 TiO2-x 음극에서 TiO2 음극에 비해 방전용량이 높은 것은 TiO2-x에 형성된 산소원자 공백이 리튬이온으로 채워지기 때문이다. 따라서, 제50 싸이클 후에도 TiO2-x 음극은 TiO2 음극에 비해 약 3배 높은 방전용량을 가진다.(Unit: mAh / g) The discharge capacity of the TiO 2 -x cathode is higher than that of the TiO 2 cathode because the oxygen vacancies formed in TiO 2 -x are filled with lithium ions. Therefore, even after the 50th cycle, the TiO 2 -x cathode has a discharge capacity about three times higher than that of the TiO 2 cathode.

도 3(c) 및 3(d)를 참고하면 제1 싸이클 시 TiO2 음극에는 0.53mol의 Li+ 이온이 삽입되는 반면에, TiO2-x 음극에는 1.64mol의 Li+ 이온이 삽입되며, 420.9mAh/g의 비용량에서 1.3mol의 Li+ 이온이 가역적으로 추출될 수 있다. Li+ 이온의 삽입은 산소원자 공백에서도 이루어지므로, TiO2-x 음극은 TiO2 음극에 비해 더 높은 방전용량을 전달하지만, 130mAh/g의 더 높은 비가역 용량을 가진다.On the other hand, FIG. 3 (c) and 3 (d) Note that the first cycle, when TiO 2 is inserted into the negative electrode of the Li + ions to 0.53mol, TiO 2-x has a negative electrode is inserted into the Li + ions of 1.64mol, 420.9 1.3mol of Li & lt ; + & gt ; ions can be reversibly extracted from a specific capacity of mAh / g. Since the insertion of Li + ions is also done in oxygen atom vacancies, the TiO 2 -x cathode carries a higher discharge capacity than the TiO 2 cathode, but has a higher irreversible capacity of 130 mAh / g.

도 3(e) 및 3(f)은 각각 TiO2 음극 및 TiO2-x 음극의 전기화학적 특성을 순환 전압전류법으로 측정한 결과를 나타낸다. 측정은 1.0V 내지 3.0V의 전압, 0.1mV/s의 스캔속도에서 5 싸이클에 걸쳐 이루어졌다. 도 3(e)를 참고하면, TiO2 음극에서 환원/산화 피크가 각각 약 1.68V 및 약 2.2V에서 나타나며, 이는 아나타제형에 상응한다. 한편, 도 3(f)를 참고하면, TiO2-x 음극에서 약 1.8V 및 1.25V에서 환원 피크가 관찰되며, 이는 TiO2로부터 LiTiO2로의 비가역적 변형에 기인한 것이다. 리튬이온은 TiO2-x의 산소원자 공백에 포획된다. 제1 싸이클 후 환원 피크는 약 1.47V에서 관찰되며, 이는 LiTiO2에서 리튬이온의 삽입에 따른 것이다. 싸이클 시 환원 피크의 강도가 증가하였고, 이는 상대적으로 더 양호한 반응성을 의미한다. TiO2-x 음극은 비가역적 상변형에 의해 제1 싸이클 시 높은 용량손실을 가짐에도 불구하고 TiO2 음극에 비해 더 높은 용량을 전달한다.3 (e) and 3 (f) show electrochemical characteristics of the TiO 2 cathode and the TiO 2 -x cathode measured by cyclic voltammetry, respectively. Measurements were made over five cycles at a voltage of 1.0 V to 3.0 V and a scan rate of 0.1 mV / s. Referring to Figure 3 (e), reduction / oxidation peaks at the TiO 2 cathode appear at about 1.68 V and about 2.2 V, respectively, corresponding to the anatase form. On the other hand, referring to FIG. 3 (f), a reduction peak is observed at about 1.8 V and 1.25 V in the TiO 2 -x cathode, which is due to the irreversible deformation of TiO 2 to LiTiO 2 . Lithium ions are trapped in oxygen vacancies of TiO 2-x . The reduction peak after the first cycle is observed at about 1.47 V, which is due to the insertion of lithium ions in LiTiO 2 . The intensity of the reduction peak at the cycle has increased, which means relatively better reactivity. The TiO 2 -x cathodes carry higher capacities compared to TiO 2 cathodes despite irreversible phase deformation, which has a higher capacity loss in the first cycle.

도 4(a)는 TiO2-x 음극 및 TiO2 음극의 싸이클링 특성 및 쿨롬효율을 나타낸다. 측정은 1.0V 내지 3.0V의 전압, 100mA/g의 전류밀도에서 50싸이클에 걸쳐 이루어졌다. 도 4(a)를 참고하면, TiO2-x 음극은 TiO2 음극에 비해 더 높은 방전용량을 전달한다. 제1 싸이클 시 TiO2-x 음극 및 TiO2 음극의 쿨롬효율은 각각 76.4% 및 93.8%이나, 싸이클링을 반복하면서 TiO2-x 음극의 쿨롬효율은 지속적으로 증가하여 약 100%에 도달하며, 이는 초기 싸이클 이후 싸이클링 특성이 안정적이고 가역적임을 의미한다. TiO2-x에서 비가역적인 리튬이온 삽입부위가 싸이클 간 리튬이온으로 지속적으로 채워지고, TiO2-x에 남아있는 잔류 리튬이 전기전도성을 향상시킨 것으로 분석된다. 산소원자 공백은 지속적으로 확대되고, 이는 리튬이온의 삽입과 탈리를 촉진하여 쿨롬효율을 향상시키고 비가역 용량을 감소시킨다.4 (a) shows the cycling characteristics and the Coulomb efficiency of the TiO 2 -x cathode and the TiO 2 cathode. The measurements were made over 50 cycles at a voltage of 1.0 V to 3.0 V, at a current density of 100 mA / g. Referring to FIG. 4 (a), the TiO 2 -x cathode transmits a higher discharge capacity than the TiO 2 cathode. Coulomb efficiencies of the TiO 2 -x cathode and TiO 2 cathode during the first cycle are 76.4% and 93.8%, respectively, but the Coulomb efficiency of the TiO 2 -x cathode continuously increases while cycling is repeated, reaching about 100% Meaning that cycling characteristics after the initial cycle are stable and reversible. It is analyzed that the irreversible lithium ion insertion site in TiO 2-x is continuously filled with inter-cycle lithium ions, and the remaining lithium in TiO 2-x improves the electrical conductivity. Oxygen atom vacancies are continuously expanded, which promotes the insertion and desorption of lithium ions to improve Coulomb efficiency and reduce irreversible capacity.

TiO2 음극 및 TiO2-x 음극을 포함하는 각각의 리튬이차전지의 율특성(rate capability)를 100 내지 300mA/g의 범위에서 측정한 결과를 도 4(b)에 나타내었다. 도 4(b)를 참고하면, 전반적으로 전류밀도가 증가하면 용량이 감소한다. 100mA/g의 전류밀도에서 TiO2 음극은 6 싸이클 후 134.1mAh/g의 방전용량을 가지며, 전류밀도가 증가하면 방전용량이 감소한다. 예를 들어, 200mA/g 및 300mA/g의 전류밀도에서 TiO2 음극의 방전용량은 각각 59.9mAh/g 및 41.9mAh/g이고, 이는 각각 100mA/g의 전류밀도에서 측정된 값의 44.7% 및 31.2%이다. 반면, TiO2-x 음극은 매우 우수한 율특성을 나타내고, 구체적으로, 200mA/g 및 300mA/g의 전류밀도에서도 239.4mAh/g 및 220.4mAh/g의 방전용량을 유지한다. 이는 각각 100mA/g의 전류밀도에서 6 싸이클 후 측정된 283.1mAh/g의 84.6% 및 77.9%에 상응한다. 전류밀도가 증가하면 TiO2 음극 및 TiO2-x 음극의 용량 차이는 더 커진다.The rate capability of each lithium secondary battery including the TiO 2 negative electrode and the TiO 2 -x negative electrode was measured in the range of 100 to 300 mA / g, and the result is shown in FIG. 4 (b). Referring to Fig. 4 (b), as the overall current density increases, the capacitance decreases. At a current density of 100 mA / g, the TiO 2 cathode has a discharge capacity of 134.1 mAh / g after six cycles, and the discharge capacity decreases when the current density increases. For example, the discharge capacities of TiO 2 cathodes at current densities of 200 mA / g and 300 mA / g are 59.9 mAh / g and 41.9 mAh / g, respectively, which are 44.7% of the measured values at current densities of 100 mA / 31.2%. On the other hand, the TiO 2 -x cathodes exhibit very good rate characteristics, and specifically, discharge capacities of 239.4 mAh / g and 220.4 mAh / g are maintained even at current densities of 200 mA / g and 300 mA / g. This corresponds to 84.6% and 77.9% of the 283.1 mAh / g measured after 6 cycles, respectively, at a current density of 100 mA / g. As the current density increases, the difference in capacitance between the TiO 2 cathode and the TiO 2 -x cathode becomes larger.

전자들은 산소원자 공백 내에 편재되고, 편재된 전자들은 전도 밴드로부터 일반적으로 0.75eV 내지 1.18eV 감소한 도너 준위를 형성한다. 이는 TiO2-x가 TiO2에 비해 전기전도도가 높음을 의미한다. 따라서, TiO2-x 음극은 36 싸이클에 걸쳐 TiO2 음극에 비해 상대적으로 더 양호한 율특성을 나타낸다.The electrons are localized within the oxygen atom vacancies, and the ubiquitous electrons form donor levels that generally decrease from 0.75 eV to 1.18 eV from the conduction band. This means that TiO 2-x has higher electrical conductivity than TiO 2 . Therefore, the TiO 2 -x cathode exhibits a relatively better rate characteristic over the TiO 2 cathode over 36 cycles.

도 5(a) 및 5(b)는 각각 TiO2 음극 및 TiO2-x 음극의 싸이클 전 및 50 싸이클 후 전기화학 임피던스 스펙트럼을 나타내며, 그 값을 하기 표 2에 나타내었다.5 (a) and 5 (b) show electrochemical impedance spectra before and after 50 cycles of TiO 2 cathode and TiO 2 -x cathode, respectively, and the values are shown in Table 2 below.

구분division Rs(Ω)R s (Ω) Rs(Ω)R s (Ω) Rct(Ω)R ct (Ω) Rct(Ω)R ct (Ω) 싸이클Cycle 싸이클 전Cycle I 50 싸이클 후After 50 cycles 싸이클 전Cycle I 50 싸이클 후After 50 cycles 비교제조예Comparative Manufacturing Example 4.784.78 5.355.35 43.543.5 1,296.71,296.7 제조예Manufacturing example 4.824.82 5.495.49 34.434.4 682.9682.9

도 5(a) 및 5(b)를 참고하면 스펙트럼은 2개의 영역으로 이루어진다. 높은 주파수에서의 반원은 전하이동저항(charge transfer resistance, Rct)에 해당하고, 낮은 주파수에서의 직선은 전해질에서 전극 표면으로의 Li+ 이온의 고체상태 확산 및 이동에 관련된 것으로, 소위, 와버그 임피던스(Warburg impedance, Rw) 거동이라 한다. 각각의 음극에서 높은 주파수에서의 반원은 1개씩 관찰되는데, 이는 전극 및 전해질의 양호한 접촉, 구체적으로, 양 음극의 표면에서 고체전해질 계면(solid electrolyte interface, SEI) 층이 존재하지 않음을 의미한다. TiO2-x 음극의 Rct 값은 싸이클 전 및 50 싸이클 후 각각 5.49Ω 및 682.9Ω이나, TiO2 음극의 Rct 값은 50 싸이클 후 1,296.7Ω으로 크게 증가한다. 또한, TiO2-x는 50 싸이클 후 와버그 임피던스(Rw)가 TiO2에 비해 크다. 임피던스 스펙트럼 중 낮은 주파수 영역은 입자 내에서 이온의 제한된 확산에 상응한다. 나노입자의 구조는 이러한 제한된 확산 임피던스에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로, TiO2-x에서의 산소원자 공백은 전기화학적 충방전 과정에서 TiO2에 비해 이온의 확산을 용이하게 하며, 이러한 전기화학적 에너지의 저장성을 향상시킬 수 있다.Referring to Figures 5 (a) and 5 (b), the spectrum consists of two regions. The semicircle at high frequency corresponds to the charge transfer resistance (R ct ) and the line at low frequency is related to the solid state diffusion and migration of Li + ions from the electrolyte to the electrode surface, Impedance (Warburg impedance, R w ) behavior. Semicircles at high frequencies at each cathode are observed one at a time, which means that there is no solid electrolyte interface (SEI) layer at the electrode and electrolyte good contact, specifically at the surface of the positive electrode. The R ct value of the TiO 2 -x cathode is 5.49 Ω and 682.9 Ω before the cycle and after 50 cycles, respectively, while the R ct value of the TiO 2 cathode is greatly increased to 1,296.7 Ω after 50 cycles. In addition, TiO 2-x has a larger bug impedance (R w ) after 50 cycles than TiO 2 . The low frequency region of the impedance spectrum corresponds to the limited diffusion of ions within the particle. The structure of nanoparticles can affect these limited diffusion impedances. Specifically, the vacancy of oxygen atoms in TiO 2-x facilitates ion diffusion compared to TiO 2 during electrochemical charging and discharging, and can improve the storage stability of such electrochemical energy.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

Claims (12)

(a) 티타늄 전구체를 용매에 용해시킨 후 0가 금속 분말을 첨가하여 현탁액을 제조하는 단계;
(b) 상기 현탁액을 100~300℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 산소원자 공백(oxygen vacancy)을 포함하는 티타늄 산화물을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 현탁액에 산을 첨가하여 상기 0가 금속 분말을 제거하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
(a) dissolving a titanium precursor in a solvent and adding a zero-valent metal powder to prepare a suspension;
(b) subjecting the suspension to heat treatment at 100 to 300 ° C for 1 to 10 hours to produce titanium oxide containing oxygen vacancies; And
(c) adding an acid to the suspension to remove the zero-valent metal powder.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 전구체는 3가 티타늄 화합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the titanium precursor is a trivalent titanium compound. 2. The method of claim 1, wherein the titanium precursor is a trivalent titanium compound.
제2항에 있어서,
상기 3가 티타늄 화합물은 TiCl3, TiBr3, Ti(OH)Cl2, Ti2(SO4)3, Ti(OAc)3, Ti(3+) 옥실레이트, Ti(NO3)3, Ti(3+) 락테이트 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The trivalent titanium compounds are TiCl 3, TiBr 3, Ti ( OH) Cl 2, Ti 2 (SO 4) 3, Ti (OAc) 3, Ti (3+) oxylate, Ti (NO 3) 3, Ti ( 3+) lactate, and a mixture of at least two of the foregoing. 2. The method for producing a negative active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 용매는 알코올인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent is an alcohol.
제4항에 있어서,
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the alcohol is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol, and mixtures of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 0가 금속 분말의 표준환원전위는 -0.56V 미만인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the standard reduction potential of the zero-valent metal powder is less than -0.56 V. &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제6항에 있어서,
상기 0가 금속 분말은 아연, 마그네슘, 알루미늄 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the zero-valent metal powder is one selected from the group consisting of zinc, magnesium, aluminum, and a mixture of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 산화물은 하기 화학식 1으로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법:
<화학식 1>
TiO2-x
상기 식에서, 0<x<0.5이다.
The method according to claim 1,
Wherein the titanium oxide is represented by the following formula (1): < EMI ID =
&Lt; Formula 1 &gt;
TiO 2-x
In the above formula, 0 < x &lt; 0.5.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질.9. A negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is produced by the method of any one of claims 1 to 8. 제9항에 따른 리튬이차전지용 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.A negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 9, wherein a slurry including a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a binder and a conductive material is applied to the current collector. 제10항에 있어서,
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
11. The method of claim 10,
The binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ) Rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and mixtures of two or more thereof.
제10항에 있어서,
상기 리튬이차전지용 음극활물질의 함량이 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로 70~95중량%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
11. The method of claim 10,
Wherein the content of the negative electrode active material for a lithium secondary battery is 70 to 95% by weight based on the total weight of the slurry.
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