KR20200032662A - Sodium-Based Electrode Active Material and Secondary Battery Having the Same - Google Patents

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KR20200032662A
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명승택
김희재
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세종대학교산학협력단
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Abstract

Provided by the present invention are a sodium-based electrode active material and a secondary battery comprising the same. The electrode active material is represented by chemical formula 1, Na_zMn_(1-y-x)M^1_yM^2_xO_(2-α)A_α, and has a hexagonal P2 structure. In chemical formula 1, z is 0.45 to 0.8, M^1 is an alkaline earth metal or Zn having a divalent oxidation number, M^2 is Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, or Cu having a trivalent oxidation number, y is 0.1 to 0.3, x is 0.05 to 0.25, A is N, O, F, or S, and α is 0 to 0.1. The present invention provides improved stability.

Description

나트륨계 전극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지 {Sodium-Based Electrode Active Material and Secondary Battery Having the Same}Sodium-Based Electrode Active Material and Secondary Battery Having the Same

본 발명은 이차전지에 관한 것으로 구체적으로는 나트륨계 전극 활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and specifically, to a secondary battery including a sodium-based electrode active material.

이차전지는 방전뿐 아니라 충전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말한다. 이차전지 중 대표적인 리튬 이차전지는 양극활물질에 포함된 리튬이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동한 후 음극활물질의 층상 구조 내로 삽입되며(충전), 이 후 음극활물질의 층상 구조 내로 삽입되었던 리튬 이온이 다시 양극으로 되돌아가는(방전) 원리를 통해 작동한다. 이러한 리튬 이차전지는 현재 상용화되어 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 소형전원으로 사용되고 있으며, 하이브리드 자동차 등의 대형 전원으로도 사용가능할 것으로 예측되고 있어, 그 수요가 증대될 것으로 예상된다.Secondary battery refers to a battery that can be used repeatedly because it can be charged as well as discharge. The representative lithium secondary battery among the secondary batteries is lithium ions contained in the positive electrode active material is transferred to the negative electrode through the electrolyte and then inserted into the layered structure of the negative electrode active material (charge), and then the lithium ions inserted into the layered structure of the negative electrode active material again It works through the principle of returning to the anode (discharging). The lithium secondary battery is currently commercialized and used as a small power source for mobile phones and notebook computers, and is expected to be used as a large power source for hybrid vehicles, and the demand is expected to increase.

그러나, 리튬 이차전지에서 양극활물질로 주로 사용되는 복합금속산화물은 리튬 등의 희소금속원소를 포함하고 있어, 수요증대에 부응하지 못할 염려가 있다. 이에 따라, 공급량이 풍부고 값싼 나트륨을 양극활물질로 사용하는 나트륨 이차전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 일 예로서, 대한민국 공개특허 제2012-0133300호는 양극활물질로서 AxMnPO4F(A=Li 또는 Na, 0 < x ≤ 2)을 개시하고 있다.However, a composite metal oxide mainly used as a positive electrode active material in a lithium secondary battery contains a rare metal element such as lithium, and there is a fear that it cannot meet the increasing demand. Accordingly, research is being conducted on a sodium secondary battery using sodium having a high supply and inexpensive as a positive electrode active material. As an example, Republic of Korea Patent Publication No. 2012-0133300 discloses A x MnPO 4 F (A = Li or Na, 0 <x ≤ 2) as a positive electrode active material.

그러나, 현재까지 개발된 나트륨 양극 재료들은 여전히 구조적 안정성이 우수하지 못하며, 이를 사용한 전지는 방전용량유지율 및 안정성에 대한 개선이 필요한 것으로 알려져 있다.However, the sodium anode materials developed to date still do not have excellent structural stability, and it is known that a battery using the same needs to improve the discharge capacity retention rate and stability.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 방전용량유지특성 및 안정성이 개선된 이차전지용 활물질 및 이를 포함하는 이차전지를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an active material for a secondary battery having improved discharge capacity retention characteristics and stability, and a secondary battery including the same.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전극 활물질을 제공한다. 상기 전극 활물질은 하기 화학식 1로 나타내어지고, 육방정계 P2 구조를 갖는다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides an electrode active material. The electrode active material is represented by the following Chemical Formula 1, and has a hexagonal P2 structure.

[화학식 1][Formula 1]

NazMn1-y-xM1 yM2 xO2-αAα Na z Mn 1-yx M 1 y M 2 x O 2-α A α

상기 화학식 1에서, z은 0.45 내지 0.8이고, M1은 2가의 산화수를 갖는 알칼리 토금속 또는 Zn이고, M2는 3가의 산화수를 갖는 Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, 또는 Cu이고, y는 0.1 내지 0.3이고, x는 0.05 내지 0.25이고, A는 N,O,F, 또는 S이고, α는 0 내지 0.1이다.In Formula 1, z is 0.45 to 0.8, M 1 is an alkaline earth metal or Zn having a divalent oxidation number, and M 2 is Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, or Cu having a trivalent oxidation number, y is 0.1 to 0.3, x is 0.05 to 0.25, A is N, O, F, or S, and α is 0 to 0.1.

상기 화학식 1로 나타내어지는 활물질은 상기 화학식 2로 나타내어질 수 있다.The active material represented by Chemical Formula 1 may be represented by Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

NazMn1-y-xMgyCoxO2-αAα Na z Mn 1-yx Mg y Co x O 2-α A α

상기 화학식 2에서, A, x, y, z, 및 α는 화학식 1에서 정의된 바와 같다.In Formula 2, A, x, y, z, and α are as defined in Formula 1.

상기 화학식 1 또는 2에서 z는 0.5 내지 0.6이고, y는 0.2 내지 0.25이고, x는 0.2 내지 0.25일 수 있다. 상기 전극활물질의 공간군은 P63/mmc일 수 있다. 상기 화학식 1 또는 2에서, 상기 Mn은 3.5 내지 4의 원자가 상태에 있을 수 있다. 나아가, 상기 Mn은 3.75 내지 4의 원자가 상태에 있을 수 있다. In Formula 1 or 2, z is 0.5 to 0.6, y is 0.2 to 0.25, and x may be 0.2 to 0.25. The space group of the electrode active material may be P6 3 / mmc. In Formula 1 or 2, the Mn may be in a valence state of 3.5 to 4. Furthermore, the Mn may be in a valence state of 3.75 to 4.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 일 측면은 이차전지를 제공한다. 이차전지는 상기 화학식 1로 나타내어지고 육방정계 P2 구조의 전극활물질을 양극활물질로 구비하는 양극, 음극활물질을 함유하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함한다.In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a secondary battery. The secondary battery is represented by Chemical Formula 1 and includes a positive electrode having an electrode active material having a hexagonal P2 structure as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.

상기 이차전지의 충전전압은 4 내지 4.6 V일 수 있다. 상기 양극은 나트륨염을 더 포함할 수 있다.The charging voltage of the secondary battery may be 4 to 4.6 V. The positive electrode may further include a sodium salt.

본 발명에 따르면, 화학식 1로 나타낸 전극활물질은 Mn의 원자가가 3보다 클 수 있어 얀-텔러(Jahn-Teller)효과로 인한 결정구조 왜곡이 완화되어, 이차전지의 용량유지율을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, since the electrode active material represented by Chemical Formula 1 may have a valence of Mn greater than 3, crystal structure distortion due to the Jahn-Teller effect is alleviated, thereby improving the capacity retention rate of the secondary battery.

또한, 이러한 양극활물질을 사용한 이차전지는 M2 구체적으로, Co의 3d 오비탈와 O의 2p 오비탈이 겹칠 수 있어 4 V 이상으로 충전할 때 산소의 산화가 발생할 수 있고 이후 방전과정에서 산소가 안정적으로 환원될 수 있는 등 충방전시 산소의 가역적 산화환원이 안정적으로 일어남에 따라 용량을 더욱 향상시킬 수 있다. In addition, in the secondary battery using such a positive electrode active material, M 2 specifically, 3d orbital of Co and 2p orbital of O may overlap, so that when charging at 4 V or higher, oxidation of oxygen may occur, and oxygen is stably reduced in the subsequent discharge process. The capacity can be further improved as reversible redox of oxygen occurs stably during charging and discharging.

이에 더하여, M2 구체적으로, Co의 도핑으로 인해 양극활물질의 밴드갭이 Co 도핑 전 대비 줄어들 수 있어 이를 사용한 나트륨 이차전지는 고속충방전이 가능해질 수 있다.In addition, M 2, specifically, due to the doping of Co, the band gap of the positive electrode active material may be reduced compared to that before Co doping, and thus the sodium secondary battery using the same may be capable of high-speed charging and discharging.

또한, M2 구체적으로, Co의 도핑으로 인해 나트륨 이온의 확산을 위한 활성화 장벽 에너지 또한 낮아질 수 있어 이온전도도 또한 향상될 수 있다.In addition, M 2 specifically, the activation barrier energy for diffusion of sodium ions may also be lowered due to the doping of Co, so that ion conductivity may also be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지를 나타낸다.
도 2a는 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0, 0.05, 0.1, 및 0.2)를 리트벨트 정련 (Rietveld refinement) 법을 사용하여 공간군 P63/mmc을 기준으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2b는 활물질 제조예 4에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0.3)의 XRD 그래프이다.
도 3은 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0, 0.05, 0.1, 및 0.2)의 격자 파라미터 값들의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 입자들을 촬영한 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 이미지들((a) x = 0, (b) x = 0.05, (c) x = 0.1, 및 (d) x = 0.2)을 나타낸다.
도 5는 전지 제조예들 1 내지 3 및 전지 비교예에 따른 반전지들 각각의 1번째, 2번째, 10번째, 50번째, 및 100번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5b는 전지 제조예들 1 내지 3 및 전지 비교예에 따른 반전지들의 사이클수에 따른 방전용량 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 전지 제조예들 1 내지 3 및 전지 비교예에 따른 반전지들의 율특성 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 전지 제조예 3에 따른 반전지의 5C에서의 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 제조예 3 및 비교예에 따른 반전지들의 전기화학반응동안 Mn K-edge, Co K-edge, 및 O K-edge에 대한 ex-situ XANES (X-ray absorption near edge structure) 스펙트럼들을 나타낸다.
도 9는 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0), Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.125), 및 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25)의 O 2p, Mn 3d, Co 3d 오비탈들의 예상 DOS (projected Density of State)를 나타낸다.
도 10은 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25)에서 Na1-Na2 확산 경로 (a)와 Na+ 확산을 위한 활성화 장벽 에너지를 나타낸 그래프(b)를 보여준다.
1 shows a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is an active material preparation examples 1 to 3 and Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) according to comparative examples of the active material Rietveld refinement (Rietveld refinement) It is a graph showing the results of analysis based on the space group P6 3 / mmc using the method.
Figure 2b is an XRD graph of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0.3) according to Preparation Example 4 of the active material.
Figure 3 shows the change in the lattice parameter values of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) according to active material preparation examples 1 to 3 and active material comparative example It is a graph.
4 is FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 particles according to Active Material Preparation Examples 1 to 3 and Active Material Comparative Example ((a) x = 0, (b) x = 0.05, (c) x = 0.1, and (d) x = 0.2).
5 are graphs showing charging and discharging characteristics in 1st, 2nd, 10th, 50th, and 100th cycles of each of the half cells according to the battery manufacturing examples 1 to 3 and the battery comparative example.
5B is a graph showing discharge capacity and coulomb efficiency according to the number of cycles of reverse cells according to Battery Manufacturing Examples 1 to 3 and Battery Comparative Example.
6 is a graph showing the rate characteristics and coulomb efficiency of the reverse cells according to the battery manufacturing examples 1 to 3 and the battery comparative example.
7 is a graph showing cycle characteristics at 5C of a half cell according to Battery Manufacturing Example 3;
8 shows ex-situ XANES (X-ray absorption near edge structure) spectra for Mn K-edge, Co K-edge, and O K-edge during electrochemical reactions of reverse cells according to Preparation Example 3 and Comparative Example. Shows.
9 is Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0), Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.125), and Na 0.5 [Mg 0.25 Mn It represents the expected DOS (projected Density of State) of O 2p, Mn 3d, Co 3d orbitals of 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25).
FIG. 10 shows a graph (b) showing Na 1 -Na 2 diffusion path (a) and activation barrier energy for Na + diffusion in Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25). .

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Throughout the specification, the same reference numbers indicate the same components.

양극 활물질Anode active material

본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질은 하기 화학식 1로 나타내어진다.The positive electrode active material according to an embodiment of the present invention is represented by the following formula (1).

[화학식 1] [Formula 1]

NazMn1-y-xM1 yM2 xO2-αAα Na z Mn 1-yx M 1 y M 2 x O 2-α A α

상기 화학식 1에서, z은 0.45 내지 0.8일 수 있다. 일 예로서, z는 0.5 내지 0.7, 구체적으로 0.5 내지 0.65, 또는 0.5 내지 0.6일 수 있다. M1은 2가의 산화수를 갖는 금속으로 알칼리 토금속 또는 Zn일 수 있다. 알칼리 토금속은 Be, Mg, Ca, Sr, 또는 Ba일 수 있으나 일 예로서, Mg일 수 있다. M2는 Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, 또는 Cu일 수 있다. M2는 3가의 산화수를 가질 수 있다. y는 0.1 내지 0.3일 수 있다. 구체적으로 y는 0.15 내지 0.25, 일 예로서 0.2 내지 0.25일 수 있다. x는 0.05 내지 0.25일 수 있다. 구체적으로 x는 0.1 내지 0.25, 나아가 0.15 내지 0.23, 일 예로서 0.2 내지 0.23일 수 있다. A는 N,O,F, 또는 S일 수 있고, α는 0 내지 0.1일 수 있다.In Chemical Formula 1, z may be 0.45 to 0.8. As an example, z may be 0.5 to 0.7, specifically 0.5 to 0.65, or 0.5 to 0.6. M 1 is a metal having a divalent oxidation number and may be an alkaline earth metal or Zn. The alkaline earth metal may be Be, Mg, Ca, Sr, or Ba, but may be Mg as an example. M 2 may be Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, or Cu. M 2 may have a trivalent oxidation number. y may be 0.1 to 0.3. Specifically, y may be 0.15 to 0.25, for example, 0.2 to 0.25. x may be 0.05 to 0.25. Specifically, x may be 0.1 to 0.25, further 0.15 to 0.23, and for example, 0.2 to 0.23. A may be N, O, F, or S, and α may be 0 to 0.1.

일 예에서, 상기 양극활물질은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.In one example, the positive electrode active material may be represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

NazMn1-y-xMgyCoxO2-αAα Na z Mn 1-yx Mg y Co x O 2-α A α

상기 화학식 2에서, A, x, y, z, 및 α는 화학식 1에서 정의된 바와 같다.In Formula 2, A, x, y, z, and α are as defined in Formula 1.

상기 화학식 1 또는 2로 나타낸 양극활물질은 육방정계 결정 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 육방정 P2 구조를 가진 나트륨층과 금속산화물층이 서로 교대로 적층된 층상화합물이며, 공간군(space group)은 P63/mmc일 수 있다. The positive electrode active material represented by Chemical Formula 1 or 2 may have a hexagonal crystal structure. Specifically, a sodium layer having a hexagonal P2 structure and a metal oxide layer are layered compounds alternately stacked, and a space group may be P6 3 / mmc.

충방전에 참여하지 않은 원래의 상태(pristine)에서의 상기 양극활물질은 +2의 원자가를 갖는 알칼리토금속 또는 Zn (즉, M1)이 도핑됨과 더불어서 +3의 원자가를 갖는 M2가 도핑됨에 따라, Mn의 원자가 상태는 3.5 내지 4 일 예로서, 3.75 내지 4일 수 있다. 이와 같이, Mn의 원자가가 3보다 큰 경우의 양극활물질은 얀-텔러(Jahn-Teller)효과로 인한 결정구조 왜곡이 완화되어, 이차전지의 용량유지율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 양극활물질을 사용한 나트륨 이차전지는 M2 구체적으로, Co의 3d 오비탈와 O의 2p 오비탈이 겹칠 수 있어 4V 이상으로 충전할 때 산소의 산화가 발생할 수 있고 이후 방전과정에서 산소가 안정적으로 환원될 수 있는 등 충방전시 산소의 가역적 산화환원이 안정적으로 일어남에 따라 용량을 더욱 향상시킬 수 있다. 이에 더하여, M2 구체적으로, Co의 도핑으로 인해 양극활물질의 밴드갭이 Co 도핑 전 대비 줄어들 수 있어 이를 사용한 나트륨 이차전지는 고속충방전이 가능해질 수 있다. 또한, M2 구체적으로, Co의 도핑으로 인해 나트륨 이온의 확산을 위한 활성화 장벽 에너지 또한 낮아질 수 있어 이온전도도 또한 향상될 수 있다.In the original state (pristine) that did not participate in charge / discharge, the positive electrode active material was doped with an alkaline earth metal having a valence of +2 or Zn (ie, M 1 ), as well as M 2 having a valence of +3. , The valence state of Mn may be 3.5 to 4 days, for example, 3.75 to 4. As described above, in the case where the valence of Mn is greater than 3, the positive electrode active material can alleviate crystal structure distortion due to the Jahn-Teller effect, thereby improving the capacity retention rate of the secondary battery. In addition, the sodium secondary battery using such a positive electrode active material M 2 specifically, 3d orbitals of Co and 2p orbitals of O may overlap, so that when charging at 4V or higher, oxidation of oxygen may occur, and oxygen is stably reduced in the subsequent discharge process. The capacity can be further improved as reversible redox of oxygen occurs stably during charging and discharging. In addition, M 2, specifically, due to the doping of Co, the band gap of the positive electrode active material may be reduced compared to that before Co doping, and thus the sodium secondary battery using the same may be capable of high-speed charging and discharging. In addition, M 2 specifically, the activation barrier energy for diffusion of sodium ions may also be lowered due to the doping of Co, so that ion conductivity may also be improved.

이러한 고용량 특성을 갖는 이차전지는 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위 전지로 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스는, 예를 들어, 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차(Electric Vehicle, EV); E-바이크(E-bike), E-스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 또는 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.A secondary battery having such a high capacity characteristic can be used as a unit battery of a battery module that is a power source for a medium-to-large device. The medium-to-large device may include, for example, a power tool that is moved by being driven by an electric motor; An electric vehicle (EV) including a hybrid electric vehicle (HEV) and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Or it may include an electric golf cart (electric golf cart), but is not limited thereto.

이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 제조하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 나트륨염, 망간염, 제1 금속(상기 화학식 1에서, M1)의 염, 및 제2 금속(상기 화학식 1에서, M2)의 염을 함유하는 금속염 용액을 제조할 수 있다. 상기 금속염 용액 내의 나트륨, 망간, 제1 금속(상기 화학식 1에서, M1), 제2 금속(상기 화학식 1에서, M2)의 몰비는 z:1-y-x:y:x (x, y, 및 z는 화학식 1에서 정의된 바와 같음)일 수 있다. 상기 금속염은 금속 탄산염, 금속 질산염, 또는 금속 옥살산염일 수 있다. 나트륨염은 NaNO3, Na2CO3, 또는 NaHCO3일 수 있고, 망간염은 Mn(NO3)2일 수 있다. 이러한 금속염들은 수화물의 형태를 가질 수 있다. 상기 금속염 용액은 용매로서 증류수를 함유할 수 있다.First, a metal salt solution containing a sodium salt, a manganese salt, a salt of a first metal (in Formula 1, M 1 ), and a salt of a second metal (in Formula 1, M 2 ) may be prepared. The molar ratio of sodium, manganese, first metal (in Formula 1, M 1 ), and second metal (in Formula 1, M 2 ) in the metal salt solution is z: 1-yx: y: x (x, y, And z is as defined in Formula 1). The metal salt may be a metal carbonate, metal nitrate, or metal oxalate. The sodium salt may be NaNO 3 , Na 2 CO 3 , or NaHCO 3 , and the manganese salt may be Mn (NO 3 ) 2 . These metal salts may take the form of hydrates. The metal salt solution may contain distilled water as a solvent.

상기 금속염 용액 내에 킬레이트제를 더 추가할 수 있다. 상기 킬레이트제는 주석산, 우레아, 구연산, 포름산, 글리콜산, 폴리아크릴산, 아디픽산, 및 글리신으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 킬레이트제는 상기 금속염의 중량 대비 10wt% 내지 30wt%로 함유될 수 있다. 한편, 상기 금속염 용액 내에 결정 성장 억제제(crystal growth inhibitor)를 더 포함할 수 있다. 상기 결정 성장 억제제는 사카라이드 또는 이의 유도체로서 예를 들어, 글루코오스(glucose), 수크로오스(sucrose), 또는 이의 유도체일 수 있다. 이러한 결정 성장 억제제는 상기 금속염의 중량 대비 1wt% 내지 10wt%로 함유될 수 있다.A chelating agent may be further added to the metal salt solution. The chelating agent may be selected from the group consisting of tartaric acid, urea, citric acid, formic acid, glycolic acid, polyacrylic acid, adipic acid, and glycine. The chelating agent may be contained in 10wt% to 30wt% by weight of the metal salt. Meanwhile, a crystal growth inhibitor may be further included in the metal salt solution. The crystal growth inhibitor may be a saccharide or a derivative thereof, for example, glucose, sucrose, or a derivative thereof. The crystal growth inhibitor may be contained in 1wt% to 10wt% by weight of the metal salt.

상기 금속염 용액을 교반하여 충분히 혼합할 수 있다.The metal salt solution can be sufficiently mixed by stirring.

이 후, 상기 금속염 용액을 초음파 분무 열분해(ultrasonic spray pyrolysis)하여 고체 분말을 얻을 수 있다. 상기 초음파 분무 열분해는, 고상법에 비해 낮은 온도와 짧은 시간 동안 순수한 조성의 금속 산화물을 얻을 수 있는 장점이 있는 방법으로서, 초음파를 사용하여 상기 금속염 용액을 분무하여 액적을 만든 후, 이 액적을 열분해하는 방법이다. 상기 열분해 과정에서 금속염 등은 금속산화물로 변화될 수 있다.Thereafter, the metal salt solution may be subjected to ultrasonic spray pyrolysis to obtain a solid powder. The ultrasonic spray pyrolysis is a method that has the advantage of obtaining a metal oxide having a pure composition for a short time and a lower temperature than the solid-phase method. Is how to do it. In the thermal decomposition process, metal salts and the like may be converted to metal oxides.

이 후, 상기 고체 분말을 건조 공기 분위기에서 열처리하여 양극 활물질을 얻을 수 있다. 상기 건조 공기 분위기는 15vol.% 내지 100vol.%의 건조된 산소 분위기, 구체적으로 20vol.% 내지 100vol.%의 산소와 나머지의 비활성 기체를 함유하는 건조 분위기일 수 있다. 이 때, 상기 비활성 기체는 질소일 수 있다. 본 명세서 내에서 건조 분위기란 수분을 포함하지 않은 분위기를 의미할 수 있다. 이러한 분위기에서의 열처리 과정에서는 나트륨의 휘발을 막을 수 있는 장점이 있다. 또한, 열처리는 800℃ 내지 1000℃에서 수행할 수 있다.Thereafter, the solid powder may be heat treated in a dry air atmosphere to obtain a positive electrode active material. The dry air atmosphere may be a dried oxygen atmosphere of 15 vol.% To 100 vol.%, Specifically, a dried atmosphere containing oxygen of 20 vol.% To 100 vol.% And the rest of the inert gas. At this time, the inert gas may be nitrogen. The dry atmosphere in the present specification may mean an atmosphere that does not contain moisture. In the heat treatment process in this atmosphere, there is an advantage that can prevent the volatilization of sodium. Further, heat treatment may be performed at 800 ° C to 1000 ° C.

나트륨 이차전지Sodium secondary battery

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지를 나타낸다.1 shows a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 나트륨 이차전지는 위에서 설명한 양극활물질를 함유하는 양극(120), 음극활물질을 함유하는 음극(140), 및 이들 사이에 위치하는 전해질(160)을 구비한다. 상기 양극(120)은 양극 집전체(110) 상에 위치할 수 있고, 상기 음극(140)은 음극 집전체(150) 상에 위치할 수 있다. 또한, 상기 양극(120)과 상기 음극(140)은 세퍼레이터(130)에 의해 분리될 수 있고, 상기 양극(120)과 상기 음극(140) 사이에 전해질(160)이 배치될 수 있다.Referring to FIG. 1, a sodium secondary battery includes a positive electrode 120 containing a positive electrode active material described above, a negative electrode 140 containing a negative electrode active material, and an electrolyte 160 positioned therebetween. The positive electrode 120 may be located on the positive electrode current collector 110, and the negative electrode 140 may be located on the negative electrode current collector 150. In addition, the positive electrode 120 and the negative electrode 140 may be separated by a separator 130, and an electrolyte 160 may be disposed between the positive electrode 120 and the negative electrode 140.

<양극><Anode>

상기 화학식 1에 기재된 양극활물질, 도전재, 및 결합제를 혼합하여 양극재료를 얻을 수 있다.A positive electrode material may be obtained by mixing the positive electrode active material, a conductive material, and a binder described in Chemical Formula 1.

상기 화학식 1에 기재된 양극활물질은 안정적인 결정구조를 가질 수 있어 수분에 의한 열화 정도가 낮고 또한 작동 전압을 낮출 수 있는 장점이 있다. 그러나, 상기 화학식 1에 기재된 양극활물질은 전이금속(화학식 1에서 Mn, M1, 및 M2) 대비 나트륨의 몰비가 1보다 적어, 다시 말해서 상기 화학식 1에서 z가 1보다 작은 값을 나타내므로, z가 1이상인 다른 양극활물질 대비 나트륨의 함량이 적을 수 있다. 이를 보완하기 위해 상기 양극재료 내에 나트륨염을 추가할 수 있다. 상기 나트륨염에 포함된 Na 이온은 전지의 초기 충전과정에서 환원되어 추가적인 Na 공급원 역할을 할 수 있다. 이 경우, 나트륨 이차전지의 초기 충전용량을 향상시켜 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 나트륨염의 첨가량은 상기 양극활물질 100 중량부에 대해 1 내지 20 중량부, 구체적으로 3 내지 20 중량부 또는 3 내지 15 중량부 더 구체적으로는 3 내지 12 중량부 일 예로서 5 내지 7 중량부로 함유될 수 있다. The positive electrode active material described in Chemical Formula 1 may have a stable crystal structure, and thus has a low degree of deterioration due to moisture and a lower operating voltage. However, the positive electrode active material described in Chemical Formula 1 has a molar ratio of sodium compared to transition metal (Mn, M 1 , and M 2 in Chemical Formula 1) less than 1, that is, z in Chemical Formula 1 exhibits a value less than 1, The content of sodium may be less than other positive electrode active materials with z of 1 or more. To compensate for this, sodium salt may be added to the positive electrode material. Na ions included in the sodium salt may be reduced in the initial charging process of the battery to serve as an additional Na source. In this case, the initial charging capacity of the sodium secondary battery may be improved to improve battery performance. The sodium salt is added in an amount of 1 to 20 parts by weight, specifically 3 to 20 parts by weight or 3 to 15 parts by weight, more specifically 3 to 12 parts by weight, and 5 to 7 parts by weight, for example, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. Can be.

상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 결합제는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다.The conductive material may be natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, carbon nanotubes, graphene, or other carbon materials. Binders include thermoplastic resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymers, fluorine resins such as propylene hexafluoride, and / or polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene. It can contain.

상기 나트륨염이 추가된 경우, 상기 도전재는 상기 양극활물질 100 중량부에 대해 2 내지 9 중량부 구체적으로는 4 내지 7 중량부 더 구체적으로는 5 내지 6 중량부로 함유될 수 있고, 상기 결합제는 상기 양극활물질 100 중량부에 대해 2 내지 9 중량부 구체적으로는 4 내지 7 중량부 더 구체적으로는 5 내지 6 중량부로 함유될 수 있다. When the sodium salt is added, the conductive material may contain 2 to 9 parts by weight, specifically 4 to 7 parts by weight, and more specifically 5 to 6 parts by weight, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material, and the binder may be 2 to 9 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material, specifically 4 to 7 parts by weight, and more specifically 5 to 6 parts by weight may be contained.

양극재료를 양극 집전체 상에 도포하여 양극을 형성할 수 있다. 양극 집전체는 Al, Ni, 스테인레스 등의 도전체일 수 있다. 양극재료를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 가압 성형, 또는 유기 용매등을 사용하여 페이스트를 만든 후 이 페이스트를 집전체 상에 도포하고 프레스하여 고착화하는 방법을 사용할 수 있다. 유기 용매는 N,N-디메틸아미노프로필아민, 디에틸트리아민 등의 아민계; 에틸렌옥시드, 테트라히드로푸란 등의 에테르계; 메틸에틸케톤 등의 케톤계; 아세트산메틸 등의 에스테르계; 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 등의 비양성자성 극성 용매 등일 수 있다. 페이스트를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 예를 들면, 그라비아 코팅법, 슬릿다이 코팅법, 나이프 코팅법, 스프레이 코팅법을 사용하여 수행할 수 있다.The positive electrode material may be coated on the positive electrode current collector to form the positive electrode. The positive electrode current collector may be a conductor such as Al, Ni, and stainless steel. Applying the positive electrode material on the positive electrode current collector may be a method of forming a paste using pressure molding or an organic solvent, and then applying the paste onto the current collector and pressing to fix it. Organic solvents include amines such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; Ether systems such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; Ketone systems such as methyl ethyl ketone; Ester systems such as methyl acetate; Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Applying the paste on the positive electrode current collector may be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, or a spray coating method.

<음극><Cathode>

음극활물질은 Na 이온을 탈삽입하거나 변환(conversion) 반응을 일으킬 수 있는 금속, 금속합금, 금속산화물, 금속불화물, 금속황화물, 및 천연 흑연, 인조흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료 등을 사용하여 형성할 수도 있다. Cathode active materials are metals, metal alloys, metal oxides, metal fluorides, metal sulfides, and natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, carbon nanotubes, and graphene that can deintercalate or convert Na ions. It can also be formed using a carbon material such as a fin.

음극활물질, 도전재, 및 결합제를 혼합하여 음극재료를 얻을 수 있다. 이 때, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 결합제는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다.A negative electrode material can be obtained by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder. At this time, the conductive material may be natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, carbon nanotubes, carbon materials such as graphene. Binders include thermoplastic resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoride, vinylidene fluoride copolymers, fluorine resins such as propylene hexafluoride, and / or polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene. It can contain.

음극재료를 양극 집전체 상에 도포하여 양극을 형성할 수 있다. 양극 집전체는 Al, Ni, 스테인레스 등의 도전체일 수 있다. 음극재료를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 가압 성형, 또는 유기 용매등을 사용하여 페이스트를 만든 후 이 페이스트를 집전체 상에 도포하고 프레스하여 고착화하는 방법을 사용할 수 있다. 유기 용매는 N,N-디메틸아미노프로필아민, 디에틸트리아민 등의 아민계; 에틸렌옥시드, 테트라히드로푸란 등의 에테르계; 메틸에틸케톤 등의 케톤계; 아세트산메틸 등의 에스테르계; 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 등의 비양성자성 극성 용매 등일 수 있다. 페이스트를 음극 집전체 상에 도포하는 것은 예를 들면, 그라비아 코팅법, 슬릿다이 코팅법, 나이프 코팅법, 스프레이 코팅법을 사용하여 수행할 수 있다.The anode material may be coated on the anode current collector to form an anode. The positive electrode current collector may be a conductor such as Al, Ni, and stainless steel. To apply the negative electrode material on the positive electrode current collector, a method of forming a paste using pressure molding or an organic solvent, etc., and then applying the paste onto the current collector and pressing to fix it may be used. Organic solvents include amines such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; Ether systems such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; Ketone systems such as methyl ethyl ketone; Ester systems such as methyl acetate; Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Applying the paste on the negative electrode current collector may be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, or a spray coating method.

<전해질><Electrolyte>

전해질은 NaClO4, NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, 저급 지방족 카르복실산나트륨염, NaAlCl4 등일 수 있고, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. 이들 중에서도 불소를 포함하는 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 전해질을 유기 용매에 용해시켜 비수전해액으로서 이용할 수 있다. 유기 용매로는, 예를 들면 프로필렌카르보네이트, 에틸렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트, 이소프로필메틸카르보네이트, 비닐렌카르보네이트, 4-트리플루오로메틸-1,3-디옥솔란-2-온, 1,2-디(메톡시카르보닐옥시)에탄 등의 카르보네이트류; 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디메톡시프로판, 펜타플루오로프로필메틸에테르, 2,2,3,3-테트라플루오로프로필디플루오로메틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 포름산메틸, 아세트산메틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 아세토니트릴, 부티로니트릴 등의 니트릴류; N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 3-메틸-2-옥사졸리돈 등의 카르바메이트류; 술포란, 디메틸술폭시드, 1,3-프로판술톤 등의 황 함유 화합물; 또는 상기한 유기 용매에 추가로 불소 치환기를 도입한 것을 사용할 수 있다. The electrolyte may be NaClO 4 , NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , lower aliphatic sodium carboxylate, NaAlCl 4, etc. Mixtures can also be used. Among these, it is preferable to use an electrolyte containing fluorine. Further, the electrolyte can be dissolved in an organic solvent and used as a non-aqueous electrolyte. As an organic solvent, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, 4- Carbonates such as trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one and 1,2-di (methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropylmethyl ether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyldifluoromethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydro Ethers such as furan; Esters such as methyl formate, methyl acetate, and γ-butyrolactone; Nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; Amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; Carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidon; Sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide and 1,3-propanesultone; Alternatively, a fluorine substituent introduced into the above-described organic solvent may be used.

이와는 달리, 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 고체 전해질로는 폴리에틸렌옥시드계의 고분자 화합물, 폴리오르가노실록산쇄 또는 폴리옥시알킬렌쇄 중 적어도 1종 이상을 포함하는 고분자 화합물 등의 유기계 고체 전해질일 수 있다. 또한, 고분자 화합물에 비수전해액을 담지한, 이른바 겔 타입의 전해질을 이용할 수도 있다. 한편, Na2S-SiS2, Na2S-GeS2, NaTi2(PO4)3, NaFe2(PO4)3, Na2(SO4)3, Fe2(SO4)2(PO4), Fe2(MoO4)3 등의 무기계 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 이들 고체 전해질을 이용하여 나트륨 이차 전지의 안전성을 보다 높일 수 있는 경우가 있다. 또한, 고체 전해질이 후술하는 세퍼레이터의 역할을 하는 경우도 있고, 그 경우에는 세퍼레이터를 필요로 하지 않는 경우도 있다.Alternatively, a solid electrolyte may be used. The solid electrolyte may be an organic solid electrolyte such as a polymer compound containing at least one of a polyethylene oxide-based polymer compound, a polyorganosiloxane chain or a polyoxyalkylene chain. Further, a so-called gel type electrolyte in which a nonaqueous electrolyte solution is supported on a polymer compound can also be used. Meanwhile, Na 2 S-SiS 2 , Na 2 S-GeS 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 , NaFe 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 (SO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 2 (PO 4 ), And Fe 2 (MoO 4 ) 3 . In some cases, the safety of the sodium secondary battery may be improved by using these solid electrolytes. In addition, the solid electrolyte may serve as a separator to be described later, and in that case, a separator may not be required.

<세퍼레이터><Separator>

양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 배치될 수 있다. 이러한 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 질소 함유 방향족 중합체 등의 재질로 이루어지는 다공질 필름, 부직포, 직포 등의 형태를 가지는 재료일 수 있다. 세퍼레이터의 두께는, 전지의 부피 에너지 밀도가 높아지고, 내부 저항이 작아진다는 점에서, 기계적 강도가 유지되는 한 얇을수록 바람직하다. 세퍼레이터의 두께는, 일반적으로 5 내지 200 ㎛ 정도일 수 있고, 더 구체적으로는 5 내지 40 ㎛일 수 있다.A separator may be disposed between the anode and the cathode. The separator may be a material having a form of a porous film made of a material such as polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluorine resin, or an aromatic polymer containing nitrogen, a nonwoven fabric or a woven fabric. The thickness of the separator is preferably as thin as possible as long as mechanical strength is maintained, in that the bulk energy density of the battery becomes high and the internal resistance becomes small. The thickness of the separator may generally be on the order of 5 to 200 μm, and more specifically 5 to 40 μm.

<나트륨 이차 전지의 제조 방법><Method for manufacturing sodium secondary battery>

양극, 세퍼레이터, 및 음극을 순서대로 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하고, 전극군에 비수전해액을 함침시킴으로써 나트륨 이차 전지를 제조할 수 있다. 이와는 달리, 양극, 고체 전해질, 및 음극을 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하여 나트륨 이차 전지를 제조할 수 있다.A positive electrode, a separator, and a negative electrode may be stacked in order to form an electrode group, and if necessary, the electrode group may be rolled and stored in a battery can, and a sodium secondary battery may be prepared by impregnating the electrode group with a non-aqueous electrolyte. Alternatively, a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode may be stacked to form an electrode group, and then, if necessary, the electrode group may be rolled and stored in a battery can to produce a sodium secondary battery.

이러한 나트륨 이차전지는 4 내지 5V, 일 예로서, 4.2 내지 4.6V의 충전전압으로 구동될 수 있고, 1 내지 1.5V의 방전전압으로 구동될 수 있다. 충전전압이 4 나아가 4.2V 이상일 때 상기 화학식 1 또는 2로 나타낸 양극활물질에서 산소가 O2-에서 O-1로 가역적으로 산화될 수 있다. 또한, M2 구체적으로, Co의 3d 오비탈와 O의 2p 오비탈이 겹칠 수 있어 이러한 충전과정에서의 산소의 산화 및 추후 방전과정에서의 산소의 환원은 안정적으로 나타날 수 있어, 화학식 1 또는 2로 나타낸 양극활물질을 구비하는 나트륨 이차전지는 용량의 큰 증가와 더불어 우수한 용량유지율을 나타낼 수 있다. The sodium secondary battery may be driven with a charging voltage of 4 to 5V, for example, 4.2 to 4.6V, and a discharge voltage of 1 to 1.5V. When the charging voltage is 4 or more and 4.2V or more, oxygen may be reversibly oxidized from O 2 to O -1 in the positive electrode active material represented by Chemical Formula 1 or 2. In addition, M 2 specifically, the 3d orbital of Co and the 2p orbital of O may overlap, such that oxidation of oxygen in the charging process and reduction of oxygen in a subsequent discharge process may appear stably, the anode represented by Chemical Formula 1 or 2 The sodium secondary battery having an active material may exhibit excellent capacity retention rate with a large increase in capacity.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred experimental example (example) is presented to help understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

[실험예들; Examples][Experimental Examples; Examples]

활물질 제조예들Active material manufacturing examples

활물질 제조예들 1 내지 4: NaActive material preparation examples 1 to 4: Na 0.60.6 [Mg[Mg 0.20.2 MnMn 0.8-x0.8-x CoCo xx ]O] O 22 (x=0.05, 0.1, 0.2, 및 0.3) 제조 (x = 0.05, 0.1, 0.2, and 0.3) Preparation

질산나트륨(Sodium nitrate, NaNO3, 99%, 삼천), 질산망간 4수화물(Manganese(II) nitrate tetrahydrate, Mn(NO3)2·4H2O, ≥97 %, Sigma-Aldrich), 질산마그네슘 6수화물(Magnesium nitrate hexahydrate, Mg(NO3)2·6H2O, ≥98.0%, Sigma-Aldrich), 질산코발트 6수화물(Cobalt(II) nitrate hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O, ≥98.0%, 시그마-알드리치), 구연산(Citric acid, ≥99.5, 준세이), 및 수크로오스(Sucrose, ≥99.5, 삼천)을 증류수에 용해시키고 충분히 섞일 수 있도록 마그네틱 바를 이용하여 12시간 이상 교반하여 주었다. 상기 구연산은 상기 질산염들 무게 대비 0.2배, 상기 수크로오스는 상기 질산염들 무게 대비 0.05배의 비율로 사용하였다. 교반된 용액을 초음파 스프레이의 노즐을 통해 일정한 속도로 400℃로 유지된 석영 튜브 안으로 분사시켜, 고체 분말을 얻었다. 이 고체 분말을 일정한 압력으로 펠레타이징시킨 후, 알루미나 도가니에 넣고, 21vol.%의 O2와 79vol.%의 N2를 함유한 건조 공기 분위기에서, 상기 알루미나 도가니를 5℃/min의 속도로 승온한 후, 870℃로 10 시간동안 유지시킨 후, 30℃까지 3℃/min의 속도로 서서히 냉각하여 P2 타입 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (제조예 1: x=0.05, 제조예 2: x=0.1, 제조예 3: x=0.2, 제조예 4: x=0.3)를 제조하였다.Sodium nitrate (NaNO 3 , 99%, 3,000), Manganese (II) nitrate tetrahydrate, Mn (NO 3 ) 2 · 4H 2 O, ≥97%, Sigma-Aldrich), magnesium nitrate 6 Hydrate (Magnesium nitrate hexahydrate, Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, ≥98.0%, Sigma-Aldrich), Cobalt (II) nitrate hexahydrate, Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, ≥ 98.0%, Sigma-Aldrich), citric acid (≥99.5, Junsei), and sucrose (Sucrose, ≥99.5, 3,000) were dissolved in distilled water and stirred for more than 12 hours using a magnetic bar to mix well. The citric acid was used in a ratio of 0.2 times the weight of the nitrates, and the sucrose was 0.05 times the weight of the nitrates. The stirred solution was sprayed through a nozzle of an ultrasonic spray into a quartz tube maintained at 400 ° C at a constant rate to obtain a solid powder. After pelletizing the solid powder at a constant pressure, it was placed in an alumina crucible, and in a dry air atmosphere containing 21 vol.% O 2 and 79 vol.% N 2 , the alumina crucible was at a rate of 5 ° C./min. After heating, the mixture was maintained at 870 ° C for 10 hours, and then slowly cooled to 30 ° C at a rate of 3 ° C / min, P2 type Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (Preparation Example 1: x = 0.05, Preparation Example 2: x = 0.1, Preparation Example 3: x = 0.2, Preparation Example 4: x = 0.3).

활물질 비교예 : NaComparative example of active material: Na 0.60.6 [Mg[Mg 0.20.2 MnMn 0.80.8 ]O] O 22 제조 Produce

질산코발트 6수화물을 사용하지 않은 것을 제외하고는 활물질 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 P2 타입 Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2를 제조하였다.P2 type Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2 was prepared by using the same method as the active material preparation example 1, except that cobalt nitrate hexahydrate was not used.

도 2a는 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0, 0.05, 0.1, 및 0.2)를 리트벨트 정련 (Rietveld refinement) 법을 사용하여 공간군 P63/mmc을 기준으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2b는 활물질 제조예 4에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0.3)의 XRD 그래프이다.Figure 2a is an active material preparation examples 1 to 3 and Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) according to comparative examples of the active material Rietveld refinement (Rietveld refinement) It is a graph showing the results of analysis based on the space group P6 3 / mmc using the method. Figure 2b is an XRD graph of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0.3) according to Preparation Example 4 of the active material.

도 2a를 참조하면, 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0, 0.05, 0.1, 및 0.2) 모두에서 관찰된 X-선 회절 (XRD) 패턴이 육방정 (hexagonal) P2구조 공간군 P63/mmc의 계산된 패턴과 잘 일치하고, 불순물이 검출되지 않았음을 알 수 있다.Referring to Figure 2a, X observed in both Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) according to the active material preparation examples 1 to 3 and the active material comparative example It can be seen that the X-ray diffraction (XRD) pattern was in good agreement with the calculated pattern of the hexagonal P2 structure space group P6 3 / mmc, and no impurities were detected.

도 2b를 참조하면, 활물질 제조예 4에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0.3) 에서 관찰된 X-선 회절 (XRD) 패턴은 육방정 P2구조 공간군 P63/mmc의 계산된 패턴과 일부 부합하기는 하지만, 표시된 바와 같이 불순물에 의한 피크가 관찰되는 것을 알 수 있다. 이는 Co 함량 증가에 따라 불순물이 생성된 것을 의미하며, 이러한 불순물은 용량에 기여하지 못하고 저항으로 작용함에 따라, 이를 활물질로 사용한 이차전지는 용량 및 율특성이 활물질 제조예들 1 내지 3을 사용한 이차전지 대비 좋지 않을 수 있다.Referring to FIG. 2B, the X-ray diffraction (XRD) pattern observed at Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0.3) according to Preparation Example 4 is hexagonal P2 structure space group P6 Although it partially coincides with the calculated pattern of 3 / mmc, it can be seen that a peak due to impurities is observed as indicated. This means that impurities are generated according to the increase in the Co content, and these impurities do not contribute to the capacity and act as a resistance, so that the secondary battery using this as an active material has secondary capacity and rate characteristics using the active material preparation examples 1 to 3 It may not be as good as a battery.

도 3은 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0, 0.05, 0.1, 및 0.2)의 격자 파라미터 값들의 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 3 shows the change in the lattice parameter values of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) according to active material preparation examples 1 to 3 and active material comparative example It is a graph.

도 3을 참조하면, Co의 함량의 증가에 따라 격자 파라미터 값들의 감소가 나타나는 것을 알 수 있다. Co3+ (0.545 Å), Mn3+ (0.645 Å), 및 Mn4+ (0.53 Å)의 이온반경을 고려하면, 이러한 격자 파라미터 값들의 감소는 Co3+가 산화수가 같은 Mn3+를 선택적으로 치환하면서 편입되었기 때문으로 추정되었다.Referring to FIG. 3, it can be seen that a decrease in the lattice parameter values appears as the content of Co increases. Considering the ion radius of Co 3+ (0.545 0.5), Mn 3+ (0.645 Å), and Mn 4+ (0.53 Å), the reduction of these lattice parameter values is such that Co 3+ selects Mn 3+ with the same oxidation number. It was presumed to have been incorporated while replacing with.

도 4는 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 입자들을 촬영한 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 이미지들((a) x = 0, (b) x = 0.05, (c) x = 0.1, 및 (d) x = 0.2)을 나타낸다.4 is FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) images of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 particles according to Active Material Preparation Examples 1 to 3 and Active Material Comparative Example ((a) x = 0, (b) x = 0.05, (c) x = 0.1, and (d) x = 0.2).

도 4를 참조하면, 활물질 제조예들 1 내지 3 및 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 입자들((a) x = 0, (b) x = 0.05, (c) x = 0.1, 및 (d) x = 0.2)은 모두 1차입자들이 응집한 2차입자의 형태를 타나내며, 입자 몰폴러지의 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.4, Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 particles ((a) x = 0, (b) x = 0.05, according to active material preparation examples 1 to 3 and an active material comparative example) (c) x = 0.1, and (d) x = 0.2) all showed the shape of the secondary particles aggregated by the primary particles, and the difference in particle morphology was not large.

전지 제조예들Battery manufacturing examples

전지 제조예 1: NaBattery Preparation Example 1 Na 0.60.6 [Mg[Mg 0.20.2 MnMn 0.8-x0.8-x CoCo xx ]O] O 22 (x=0.05)를 사용한 양극 및 반전지 제조 Preparation of anode and half-cell using (x = 0.05)

활물질 제조예 1에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.05) 분말, 도전재(Super-P), 및 결합제(Poly vinylidene fluoride)를 8:1:1의 중량비로 유기 용매(NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)) 내에서 혼합하여 슬러리를 형성한 후, 이 슬러리를 알루미늄 집전체 상에 캐스팅하여 양극을 형성하였다.Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0.05) powder, conductive material (Super-P), and binder (Poly vinylidene fluoride) prepared in Active Material Preparation Example 1 of 8: 1: 1 After mixing in an organic solvent (NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone)) in a weight ratio to form a slurry, the slurry was cast on an aluminum current collector to form an anode.

이 후, 금속 나트륨을 음극으로 사용하였고, 유리 필터를 분리막으로 사용하고, 전해질 0.5 M NaPF6와 유기용매 프로필렌 카보네이트(PC, 98vol.%)와 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC, 2vol.%)를 함유하는 비수전해액을 사용하여 반전지를 제조하였다.Thereafter, metal sodium was used as a cathode, a glass filter was used as a separator, and electrolyte 0.5 M NaPF 6 and an organic solvent propylene carbonate (PC, 98 vol.%) And fluoroethylene carbonate (FEC, 2 vol.%) Were included. A non-aqueous electrolyte was prepared using a non-aqueous electrolyte.

전지 제조예 2: NaBattery Manufacturing Example 2: Na 0.60.6 [Mg[Mg 0.20.2 MnMn 0.8-x0.8-x CoCo xx ]O] O 22 (x=0.1)를 사용한 양극 및 반전지 제조 Preparation of anode and half-cell using (x = 0.1)

활물질 제조예 1에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.05) 분말 대신에 활물질 제조예 2에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.1) 분말을 사용한 것을 제외하고는 전지 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 양극 및 반전지를 제조하였다.Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 prepared in Preparation Example 1 (x = 0.05) Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 prepared in Active Example 2 instead of powder (x = 0.1) A positive electrode and a half cell were prepared using the same method as in Battery Preparation Example 1, except that powder was used.

전지 제조예 3: NaBattery Preparation Example 3: Na 0.60.6 [Mg[Mg 0.20.2 MnMn 0.8-x0.8-x CoCo xx ]O] O 22 (x=0.2)를 사용한 양극 및 반전지 제조 Preparation of anode and half-cell using (x = 0.2)

활물질 제조예 1에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.05) 분말 대신에 활물질 제조예 3에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.2) 분말을 사용한 것을 제외하고는 전지 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 양극 및 반전지를 제조하였다.Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 prepared in Active Example 1 (x = 0.05) Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 prepared in Active Example 3 instead of powder (x = 0.2) A positive electrode and a half cell were prepared using the same method as in Battery Preparation Example 1, except that powder was used.

전지 비교예: NaBattery Comparative Example: Na 0.60.6 [Mg[Mg 0.20.2 MnMn 0.8-x0.8-x CoCo xx ]O] O 22 (x=0)를 사용한 양극 및 반전지 제조 Preparation of anode and half-cell using (x = 0)

활물질 제조예 1에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.05) 분말 대신에 활물질 비교예에서 제조된 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0) 분말을 사용한 것을 제외하고는 전지 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 양극 및 반전지를 제조하였다.Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 prepared in Preparation Example 1 (x = 0.05) Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 prepared in Comparative Example active material instead of powder ( x = 0) A positive electrode and a half cell were prepared using the same method as in Battery Preparation Example 1, except that powder was used.

도 5는 전지 제조예들 1 내지 3 및 전지 비교예에 따른 반전지들 각각의 1번째, 2번째, 10번째, 50번째, 및 100번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프들이고, 도 5b는 전지 제조예들 1 내지 3 및 전지 비교예에 따른 반전지들의 사이클수에 따른 방전용량 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다. 이 때, 충전은 4.6V까지 0.1C (26 mAg-1)로 정전류 충전을 행하였고, 방전은 상기 충전 속도와 동일한 속도로 정전류 방전을 1.5V까지 행하였다.5 are graphs showing charging and discharging characteristics in 1st, 2nd, 10th, 50th, and 100th cycles of each of the half cells according to the battery manufacturing examples 1 to 3 and the battery comparative example, and FIG. 5b is the battery It is a graph showing discharge capacity and coulomb efficiency according to the number of cycles of the reverse cells according to Manufacturing Examples 1 to 3 and the battery comparative example. At this time, the charging was performed by constant current charging at 0.1C (26 mAg -1 ) up to 4.6V, and the discharge was performed at a rate equal to the charging speed and constant current discharge up to 1.5V.

도 5a를 참조하면, 양극 활물질인 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2에서 x가 0, 0.05, 0.1, 및 0.2일 때, 183, 202, 207 및 214 mAhg-1의 초기 방전 용량을 나타내었다. Co가 도핑되기 전(x=0) 대비 Co가 도핑된 후 (x=0.05, 0.1, 0.2) 4V 미만에서의 충전용량의 감소가 나타났는데, 이는 충전시 Mn4+로 산화될 수 있는 Mn3+ 농도의 희석에 기인한다. 그러나, Mn의 평균 산화 상태가 4+인 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Co0.2]O2의 경우, 4V 미만에서 관찰된 충전 용량은 Mn4+가 더 이상 산화될 수 없음을 고려하면 Co3+가 Co4+로 산화되었기 때문에 발생했을 가능성이 있다.5A, when x is 0, 0.05, 0.1, and 0.2 in the positive electrode active material Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 , initial discharge of 183, 202, 207, and 214 mAhg −1 The dose is shown. Co was shown that the former (x = 0) after the contrast Co is doped (x = 0.05, 0.1, 0.2 ) reduction in the charge capacity in less than 4V is doped, which Mn 3, which may be oxidized to Mn 4+ during charging + Due to dilution of concentration. However, in the case of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Co 0.2 ] O 2 having an average oxidation state of Mn of 4 + , the charging capacity observed at less than 4V is considered as Co 3+ when considering that Mn 4+ can no longer be oxidized. May have occurred because it was oxidized to Co 4+ .

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 4V 이상에서 달성된 용량은 Co-free 전극의 용량보다 Co가 도핑된 경우 높았는데, 이는 Co 치환이 반전지의 사이클링 성능을 향상시켰음이 명백하다. x가 0.0, 0.05, 0.1 및 0.2인 양극을 갖는 반전지들은 100 사이클 동안 초기 용량의 36 %, 45 %, 67 % 및 87 %를 각각 유지했다. 5A and 5B, the capacity achieved at 4 V or higher was higher when Co was doped than that of the Co-free electrode, which clearly shows that Co substitution improved the cycling performance of the half cell. Semi-inverted papers with anodes with x of 0.0, 0.05, 0.1 and 0.2 retained 36%, 45%, 67% and 87% of the initial capacity, respectively, for 100 cycles.

도 6은 전지 제조예들 1 내지 3 및 전지 비교예에 따른 반전지들의 율특성 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다. 이 때, 충전은 4.6V까지 정전류 충전을 행하였고, 방전은 상기 충전 속도와 동일한 속도로 정전류 방전을 1.5V까지 행하였다.6 is a graph showing the rate characteristics and coulomb efficiency of the reverse cells according to the battery manufacturing examples 1 to 3 and the battery comparative example. At this time, the charging was performed with constant current charging up to 4.6 V, and the discharge was performed with constant current discharge up to 1.5 V at the same rate as the charging speed.

도 6을 참조하면, Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2에서 x가 0.2일 때 7C에서도 107 mAhg-1의 용량을 나타냈으며, 이는 0.1C에서의 용량인 214 mAhg-1 대비 50 %에 해당하며, Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2에서 x가 0.05 및 0.1일 때에는 7C에서 초기 0.1 C에서의 용량의 40 %를 나타내었다. 반면, Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2에서는 7C에서 초기 0.1 C에서의 용량의 30% 밖에 나타내지 못하였다. 이와 같이, Mn을 Co로 대체함에 따라 탁월한 속도 성능을 제공할 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, when x is 0.2 in Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 , a capacity of 107 mAhg −1 was exhibited even at 7C, compared to 214 mAhg −1 at 0.1C. It corresponds to 50%, and when x is 0.05 and 0.1 in Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 , it represents 40% of the capacity at initial 0.1 C at 7C. On the other hand, Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2 showed only 30% of the capacity at the initial 0.1 C at 7C. As described above, it can be seen that replacing Mn with Co can provide excellent speed performance.

도 7은 전지 제조예 3에 따른 반전지의 5C에서의 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing cycle characteristics at 5C of a half cell according to Battery Manufacturing Example 3;

도 7을 참조하면, Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 전극에서 x가 0.2일 때 5C (1.3Ag-1)에서 1000 사이클 동안 72 % 이상의 용량 유지율을 보여주는 등 우수한 장기 사이클링 안정성을 보여주었다.Referring to FIG. 7, excellent long-term cycling stability, such as showing a capacity retention rate of 72% or more for 1000 cycles at 5C (1.3Ag -1 ) when x is 0.2 in Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 electrode Showed.

도 8은 제조예 3 및 비교예에 따른 반전지들의 전기화학반응동안 Mn K-edge, Co K-edge, 및 O K-edge에 대한 ex-situ XANES (X-ray absorption near edge structure) 스펙트럼들을 나타낸다.8 shows ex-situ XANES (X-ray absorption near edge structure) spectra for Mn K-edge, Co K-edge, and O K-edge during electrochemical reactions of reverse cells according to Preparation Example 3 and Comparative Example. Shows.

도 8을 참조하면, pristine 상태의 Mn K-edge 스펙트럼을 먼저 살펴보면 Mn의 평균 산화상태는 Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0, 비교예)에서 +3.75이고, Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x = 0.2, 제조예 3)에서는 +4로 Co의 함량이 증가함에 따라 증가한 것으로 나타났다.Referring to FIG. 8, when first looking at the Mn K-edge spectrum of the pristine state, the average oxidation state of Mn is +3.75 in Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, comparative example), Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0.2, Preparation Example 3) was found to increase as the content of Co increased to +4.

Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0, 비교예)의 경우, 4.6V 충전시 망간은 3.75+에서 4+로 산화되어 스펙트럼이 약간 높은 에너지쪽으로 이동하였고, 1.5V 방전시 초기상태(pristine) 보다 낮은 에너지로 이동하였으나 Mn3+보다는 높게 유지된 것을 알 수 있다. 한편, 비교예에 따른 반전지는 초기 충전용량이 120mAhg-1을 나타내었는데, 이는 Mn의 최대 산화상태가 4+인 점을 고려하면 Mn의 산화상태가 3.75+에서 4+로 산화된 것과 더불어 산소가 O2-에서 O-1로 산화된 것에 따른 결과로 추정되었다. 또한, 초기 방전용량이 183 mAhg-1인 것 또한 산소가 O1-에서 O-2로 환원된 것과 더불어 Mn이 Mn4+에서 Mn3.5+로 환원된 것에 따른 결과로 추정되었다(a).In the case of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0, comparative example), when charging 4.6V, the manganese was oxidized from 3.75+ to 4+, and the spectrum shifted toward a slightly higher energy, and 1.5V It can be seen that when discharged, it moved to a lower energy than the pristine, but remained higher than Mn 3+ . On the other hand, the half-charging paper according to the comparative example had an initial charge capacity of 120mAhg -1 , considering that the maximum oxidation state of Mn is 4+, the oxidation state of Mn is oxidized from 3.75+ to 4+, and oxygen It was estimated as a result of oxidation from O 2 to O -1 . In addition, it was estimated that the initial discharge capacity was 183 mAhg -1 and oxygen was reduced from O 1- to O -2 and Mn was reduced from Mn 4+ to Mn 3.5+ (a).

Na0.6[Mg0.2Mn0.8-xCox]O2 (x=0.2, 제조예 3)의 경우, 초기 상태에서 Mn의 산화상태가 4+이므로 충전시 Mn K-edge 스펙트럼에는 변화가 없고 (b), Co3+에서 Co4+ 로의 Co 산화가 Co K-edge 스펙트럼에서 관찰되었다 (c). 또한, O K-edge 스펙트럼에서 4.15V로의 충전시 대비 4.6V로의 충전시 530eV에서 새로운 피크가 나타나는데, 이는 도 5a의 제조예 3에 대한 충방전 특성을 나타낸 그래프에서 4V 이상에서 안정 전압 (voltage plateau)이 나타나는 것과 관련이 있으며 산소가 O2-에서 O-1로 산화된 것에 따른 결과로 추정되었다 (d). 이러한 결과로부터 제조예 3에 따른 반전지의 초기 충전용량 150mAhg-1는 4V 미만에서 Co3+에서 Co4+로의 산화 및 4V 초과에서 산소가 O2-에서 O1-로 산화된 것에 따른 결과로 추정되었다. 또한, 초기 방전용량이 214 mAhg-1 인 것은 Co4+에서 Co3+로의 환원, 및 산소가 O1-에서 O2-로 가역적으로 환원된 것과 더불어 Mn이 Mn4+에서 Mn3.62+로 환원된 것에 따른 결과로 추정되었다(b, c, d).In the case of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8-x Co x ] O 2 (x = 0.2, Preparation Example 3), since the oxidation state of Mn in the initial state is 4+, there is no change in the Mn K-edge spectrum during charging (b ), Co oxidation from Co 3+ to Co 4+ was observed in the Co K-edge spectrum (c). In addition, a new peak appears at 530 eV when charging at 4.6 V compared to when charging at 4.15 V in the O K-edge spectrum, which is a stable voltage (voltage plateau) at 4 V or higher in a graph showing charge and discharge characteristics for Preparation Example 3 of FIG. 5A. ), And was estimated as a result of the oxidation of oxygen from O 2 to O -1 (d). From these results, the initial charging capacity of the half - cell according to Preparation Example 3 is estimated as a result of oxidation of Co 3+ to Co 4+ at less than 4 V and oxygen oxidation of O 2 to O 1- at more than 4 V. Became. In addition, the initial discharge capacity of 214 mAhg -1 is reduced from Co 4+ to Co 3+ , and oxygen is reversibly reduced from O 1- to O 2- and Mn is reduced from Mn 4+ to Mn 3.62+ . It was estimated as a result of the results (b, c, d).

도 9는 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0), Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.125), 및 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25)의 O 2p, Mn 3d, Co 3d 오비탈들의 예상 DOS (projected Density of State)를 나타낸다. 예상 DOS는 HSE06 (Heyd-Scuseria-Ernzerhof hybrid functional)을 사용하여 얻어졌다.9 shows Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0), Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.125), and Na 0.5 [Mg 0.25 Mn It represents the expected DOS (projected Density of State) of O 2p, Mn 3d, Co 3d orbitals of 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25). Expected DOS was obtained using HSE06 (Heyd-Scuseria-Ernzerhof hybrid functional).

도 9를 참조하면, Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0), Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.125), 및 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25) 모두에서 페르미 레벨(EF) 근처의 전자 점유 상태(electron-occupied state)는 Mn 3d보다 O 2p의 pDOS에 의해 영향을 받는 것으로 나타났는데, 이로부터 Mg의 치환에 의해 O2-/O1- 산화환원 반응이 가능해짐을 알 수 있다. 또한, Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.125), 및 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25)에서와 같이 Mn을 Co로 치환하고 치환량이 커짐에 따라 밴드갭의 크게 낮아지는 것을 알 수 있다. 이로 인해 전도도가 향상되고 또한 고율에서의 원활한 전하전달을 가능하게 됨을 추정할 수 있다. 한편, Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.125), 및 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25)에서의 O 2p와 Co 3d의 오비탈 중첩으로 인해 고용량이 나타날 수 있고 또한 밴드갭의 감소 또한 나타나 고율에서의 원활한 전하전달이 가능해 짐에 따라 고율에서의 장기 사이클링 안정성 또한 얻을 수 있다.9, Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0), Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.125), and Na 0.5 [ Electron-occupied state near Fermi level (E F ) at both Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25) is shown to be affected by ps of O 2p than Mn 3d From this, it can be seen that O 2 / O 1- redox reaction is possible by substitution of Mg. In addition, Mn is replaced with Co as in Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.125), and Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25). And it can be seen that the band gap is significantly lowered as the substitution amount increases. It can be estimated that this improves conductivity and enables smooth charge transfer at high rates. On the other hand, O 2p and Co 3d of Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.125), and Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25) High orbital stability can also be obtained at high rates, as orbital overlap can result in high solids and also a reduction in bandgap, resulting in smooth charge transfer at high rates.

도 10은 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25)에서 Na1-Na2 확산 경로 (a)와 Na+ 확산을 위한 활성화 장벽 에너지를 나타낸 그래프(b)를 보여준다. 이 때, 활성화 장벽 에너지는 NEB (nudged elastic band) 계산을 통해 얻어졌다. 10 shows a graph (b) of Na 1 -Na 2 diffusion pathway (a) and activation barrier energy for Na + diffusion in Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25). . At this time, the activation barrier energy was obtained through NEB (nudged elastic band) calculation.

도 10을 참조하면, Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0.25) 구조에서 ab 평면 내 Na+ 이온 확산에는 약 538 meV의 활성화 장벽 에너지가 필요하며, 이는 Na0.5[Mg0.25Mn0.75-xCox]O2 (x=0) 대비 줄어든 값이다. 이를 통해, Mn을 Co로 치환할 때 이온 전도도 또한 향상될 수 있으며 이는 우수한 전력 능력(power capability)로 나타날 수 있다.Referring to FIG. 10, in the Na 0.5 [Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0.25) structure, Na + ion diffusion in the ab plane requires an activation barrier energy of about 538 meV, which is Na 0.5 [ This is a reduced value compared to Mg 0.25 Mn 0.75-x Co x ] O 2 (x = 0). Through this, when the Mn is replaced with Co, the ionic conductivity can also be improved, which can be seen as an excellent power capability.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.As described above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention This is possible.

Claims (9)

하기 화학식 1로 나타내어지고, 육방정계 P2 구조의 전극 활물질:
[화학식 1]
NazMn1-y-xM1 yM2 xO2-αAα
상기 화학식 1에서,
z은 0.45 내지 0.8이고,
M1은 2가의 산화수를 갖는 알칼리 토금속 또는 Zn이고,
M2는 3가의 산화수를 갖는 Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, 또는 Cu이고,
y는 0.1 내지 0.3이고,
x는 0.05 내지 0.25이고,
A는 N,O,F, 또는 S이고,
α는 0 내지 0.1이다.
Electrode active material represented by the following formula (1), hexagonal P2 structure:
[Formula 1]
Na z Mn 1-yx M 1 y M 2 x O 2-α A α
In Chemical Formula 1,
z is 0.45 to 0.8,
M 1 is an alkaline earth metal having divalent oxidation water or Zn,
M 2 is Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, or Cu having trivalent oxidation number,
y is 0.1 to 0.3,
x is 0.05 to 0.25,
A is N, O, F, or S,
α is 0 to 0.1.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 나타내어지는 활물질은 상기 화학식 2로 나타내어지는 전극 활물질:
[화학식 2]
NazMn1-y-xMgyCoxO2-αAα
상기 화학식 2에서, A, x, y, z, 및 α는 화학식 1에서 정의된 바와 같다.
According to claim 1,
The active material represented by Formula 1 is an electrode active material represented by Formula 2:
[Formula 2]
Na z Mn 1-yx Mg y Co x O 2-α A α
In Formula 2, A, x, y, z, and α are as defined in Formula 1.
제2항에 있어서,
z는 0.5 내지 0.6이고,
y는 0.2 내지 0.25이고,
x는 0.2 내지 0.25인 전극 활물질.
According to claim 2,
z is 0.5 to 0.6,
y is 0.2 to 0.25,
x is 0.2 to 0.25 electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 전극활물질의 공간군은 P63/mmc인 전극 활물질.
According to claim 1,
The space group of the electrode active material is P6 3 / mmc electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 Mn은 3.5 내지 4의 원자가 상태에 있는 전극 활물질.
According to claim 1,
The Mn is an electrode active material in a valence state of 3.5 to 4.
제4항에 있어서,
상기 Mn은 3.75 내지 4의 원자가 상태에 있는 전극 활물질.
According to claim 4,
The Mn is an electrode active material in a valence state of 3.75 to 4.
하기 화학식 1로 나타내어지고, 육방정계 P2 구조의 전극활물질을 양극활물질로 구비하는 양극;
음극활물질을 함유하는 음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함하는 이차전지.
[화학식 1]
NazMn1-y-xM1 yM2 xO2-αAα
상기 화학식 1에서,
z은 0.45 내지 0.8이고,
M1은 2가의 산화수를 갖는 알칼리 토금속 또는 Zn이고,
M2는 3가의 산화수를 갖는 Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, 또는 Cu이고,
y는 0.1 내지 0.3이고,
x는 0.05 내지 0.25이고,
A는 N,O,F, 또는 S이고,
α는 0 내지 0.1이다.
A positive electrode represented by the following Chemical Formula 1 and comprising an electrode active material having a hexagonal P2 structure as a positive electrode active material;
A negative electrode containing a negative electrode active material; And
A secondary battery comprising an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
[Formula 1]
Na z Mn 1-yx M 1 y M 2 x O 2-α A α
In Chemical Formula 1,
z is 0.45 to 0.8,
M 1 is an alkaline earth metal having divalent oxidation water or Zn,
M 2 is Co, Ni, Ti, V, Cr, Fe, or Cu having trivalent oxidation number,
y is 0.1 to 0.3,
x is 0.05 to 0.25,
A is N, O, F, or S,
α is 0 to 0.1.
제7항에 있어서,
상기 이차전지의 충전전압은 4 내지 4.6 V 인 이차전지.
The method of claim 7,
The secondary battery has a charging voltage of 4 to 4.6 V.
제7항에 있어서,
상기 양극은 나트륨염을 더 포함하는 이차전지.
The method of claim 7,
The anode is a secondary battery further comprising a sodium salt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150138208A (en) * 2013-02-27 2015-12-09 우미코르 Doped sodium manganese oxide cathode material for sodium ion batteries
KR20170116996A (en) * 2016-04-12 2017-10-20 세종대학교산학협력단 Secondary battery having positive electrode including sodium-based electrode active material and sodium salt

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