KR20200041505A - 나트륨이차전지용 층상구조 양극소재 - Google Patents

Abstract

나트륨이차전지용 층상구조 양극소재를 제공한다. 본 발명에 따르면, 나트륨이차전지용 고용량 양극소재를 제공한다. 나트륨의 이동을 원활하게 하기 위하여, 본 구조내에 나트륨이 아닌 나트륨을 포함하고 있는 물질을 합성하는 것을 특징으로 한다.

Description

나트륨이차전지용 층상구조 양극소재{Layered cathode material for sodium ion battery}

본 발명은 양극재에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 나트륨이차전지용 양극재에 관한 것이다.

리튬자원은 한정적이며, 제한적으로 존재하기 때문에 자원의 값어치와 가격이 지속적으로 상승하고 있음. 이에 따라 대체할 수 있는 전지들이 필요하며, 그 중 대표적인 것이 나트륨이차전지이다.

나트륨이차전지는 리튬이차전지에 비하여 저조한 성능으로 대체가능성이 낮음. 이에따라 고에너지밀도의 구현이 가능한 고용량 혹은 고전압 전극소재의 개발이 매우 중요하다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0030665호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나트륨이차전지용 고용량 양극소재를 제공함에 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 나트륨이차전지용 고용량 양극소재를 제공한다. 나트륨의 이동을 원활하게 하기 위해, 본 구조내에 나트륨이 아닌 나트륨을 포함하고 있는 물질을 합성하였다.

본 발명에 따르면, 구조내에 나트륨이 포함되어 있는 물질을 합성한 고용량의 양극소재를 제조함으로써, 나트륨 이온의 이동을 원활하게 할 수 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨이차전지용 양극재의 제조공정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 양극재의 구조를 나타낸 X선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 양극재의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 나트륨이차전지의 초기 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 나트륨이차전지의 사이클 평가결과를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

<실험준비>

(1) 양극소재 합성

양극소재 합성에 필요한 시약은 KOH와 V₂O₅, citric acid이다.

<실험내용>

(1) 양극소재 합성

양극소재의 합성에 사용된 방법은 sol-gel법이며, KOH 와 V₂O₅를 100ml의 물에 KVO₃의 몰비에 맞추어 투입한 후, citric acid를 V₂O₅와 몰비로 1/10의 비율로 투입한 후, 80도에서 5시간 가열하여 완전한 gel의 상태가 되도록 한다. 그 후, 500도에서 2시간 열처리하여 유기물을 모두 제거한 후, 상온까지 냉각하여 파우더를 수거하고 다시 700도에 10시간동안 열처리하여 단일상의 KVO₃를 합성한다.

(2) 전극제작

합성된 KVO₃와 CNT, 도전제(케첸 블랙), PVdF 바인더를 각각 70 : 5 : 15 : 10의 비율로 NMP에 넣고 교반하여 알루미늄 호일에 캐스팅한다. 그 후, 80도 오븐에서 6시간 건조하며, 100도 진공오븐에서 3시간 추가로 건조하여 존재하는 잔여물을 제거한다.

(3) 전지제작

전지는 코인타입의 R2032로 제작하였다. 전해질은 NaPF₆ 0.5M PC이며, 음극은 나트륨 금속을 사용하였다.

<실험결과>

(1) 양극소재 합성

졸겔법으로 합성된 KVO₃ 양극소재는 pbcm구조의 단일상을 나타내었으며, 불순물이 존재하지 않았다 (도면 1, 2). KVO₃ 물질은 층상구조의 형태를 띄고 있으며 (도면 3), 1-4.8V의 전압범위 및 10 mA g-1의 전류밀도에서 약 200 mAh g-1의 용량이 구현되었으며, 50 mA g-1의 전류밀도에서는 약 140 mAh g-1의 용량이 구현되었다.

<결론>

pbcm 구조의 KVO₃ 물질에서도 나트륨이온은 가역적으로 반복적인 저장이 가능하였으며, 1-4.8V의 전압범위에서 200 mAh g-1 이상의 높은 용량을 구현하였다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (2)

1. 집전체; 및
   상기 집전체 상에 위치하고, 포타슘 메타바나데이트를 포함하는 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함하는 나트륨이차전지용 양극.
2. 제1항에 있어서,
   상기 포타슘 메타바나데이트는 단일상 구조를 갖는 것인, 나트륨이차전지용 양극.

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