KR20200123676A - 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 negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising carbon fibers, and metal oxide particles coated on at least a part of the surface of the fibers; a manufacturing method thereof; and a negative electrode comprising the same. According to an aspect of the present invention, it is possible to provide the negative electrode active material for the lithium secondary battery having a large capacity, and having a high capacity even at a high current density.

Description

리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법{AN ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Anode active material for lithium secondary battery and its manufacturing method {AN ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소 섬유 표면 중 적어도 일부에 금속 산화물 입자를 코팅하여 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, a negative electrode for a lithium secondary battery that can significantly improve the electrochemical properties of a lithium secondary battery by coating metal oxide particles on at least a portion of the carbon fiber surface. It relates to an active material 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 소재에 대한 연구개발로 이어지고 있다.As the application fields of lithium secondary batteries such as portable electronic devices and electric vehicles are expanding, the demand for high-power, large-capacity, and long-life lithium secondary batteries is increasing. This is leading to research and development on lithium secondary battery materials that satisfy high efficiency, low cost, and productivity.

종래의 리튬이차전지용 음극활물질로 사용되는 흑연 소재는 이론용량이 372 mAh/g에 불과하며, 현재 이론용량의 95%에 가까운 용량 이용율을 보이므로 추가적인 용량 증가를 위해서는 새로운 음극활물질이 필요하다. 차세대 리튬이차전지용 음극활물질 후보군 중 하나인 금속 산화물은 흑연 소재 대비 이론용량이 크고 환경 친화적인 반면에, 충방전을 반복함에 따라 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.The conventional graphite material used as an anode active material for a lithium secondary battery has a theoretical capacity of only 372 mAh/g, and shows a capacity utilization rate close to 95% of the current theoretical capacity, so a new anode active material is required for additional capacity increase. Metal oxide, which is one of the candidate negative active materials for next-generation lithium secondary batteries, has a larger theoretical capacity than graphite materials and is more environmentally friendly, but there is a problem in that the capacity rapidly decreases as charging and discharging are repeated.

전이금속 산화물 중에서도 스피넬 구조(spinel structure)를 갖는 NiFe2O4(NFO)는 저렴하고, 고성능의 정전용량을 구현할 수 있는 주요한 후보 물질 중 하나이다. Ni-Fe 바이메탈 산화물은 다른 금속 산화물 대비 우수한 비용량을 가지고, 저독성이며, 자연에 풍부하게 존재하고 탈리튬화(delithiation) 전위가 상대적으로 낮은 장점이 있다. 그러나, NFO 나노입자는 전자 및 이온전도도가 낮고, 충방전 과정의 부피팽창으로 인하여 리튬이차전지에 적용하기 어려운 문제점이 있다.Among transition metal oxides, NiFe 2 O 4 (NFO), which has a spinel structure, is one of the major candidate materials capable of realizing inexpensive, high-performance capacitance. Ni-Fe bimetal oxide has an advantage of having superior specific capacity compared to other metal oxides, low toxicity, abundantly present in nature, and relatively low delithiation potential. However, NFO nanoparticles have low electron and ionic conductivity, and are difficult to apply to lithium secondary batteries due to volume expansion during charging and discharging.

이러한 문제점을 해결하기 위해 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소 섬유 등의 탄소 매트릭스와 같은 전도성 물질을 졸겔, 열수열 또는 공침법과 같은 다양한 방법으로 상기 NFO 나노입자에 도핑 또는 코팅하여 전도성 네트워크를 제조하는 방법이 시도되었으나, 나노입자의 높은 표면에너지로 인하여 쉽게 응집하므로 실질적인 제조 및 적용이 어렵다.In order to solve this problem, a conductive network is prepared by doping or coating a conductive material such as a carbon matrix such as carbon nanotubes, graphene, and carbon fibers on the NFO nanoparticles by various methods such as sol-gel, hydrothermal or coprecipitation. Although the method has been tried, since the nanoparticles easily aggregate due to the high surface energy, practical production and application are difficult.

따라서, 제조가 용이하고 우수한 전기화학적 특성을 갖는 신규한 음극활물질이 필요하다.Accordingly, there is a need for a novel anode active material that is easy to manufacture and has excellent electrochemical properties.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 음극활물질 대비 용량 특성, 율 특성 및 순환 특성이 우수한 리튬이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to provide a negative active material for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same, which has superior capacity characteristics, rate characteristics, and circulation characteristics compared to the conventional negative electrode active material.

본 발명의 일 측면은, 탄소 섬유; 및 상기 섬유의 표면 중 적어도 일부에 코팅된 금속 산화물 입자;를 포함하는, 리튬이차전지용 음극활물질을 제공한다.One aspect of the present invention, carbon fiber; And metal oxide particles coated on at least a portion of the surface of the fiber. It provides a negative active material for a lithium secondary battery.

일 실시예에 있어서, 상기 탄소 섬유는 기상 성장 탄소 섬유일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber may be a vapor-grown carbon fiber.

일 실시예에 있어서, 상기 금속은 전이금속일 수 있다.In one embodiment, the metal may be a transition metal.

일 실시예에 있어서, 상기 금속은 니켈 및 철의 혼합물일 수 있다.In one embodiment, the metal may be a mixture of nickel and iron.

일 실시예에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 직경 50~150 ㎚, 평균 길이 10~1,000 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber may have an average diameter of 50 to 150 nm and an average length of 10 to 1,000 μm.

일 실시예에 있어서, 상기 입자는 평균 입경이 50~2,000 ㎚일 수 있다.In one embodiment, the particles may have an average particle diameter of 50 to 2,000 nm.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 클러스터형 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, the negative active material may have a cluster structure.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Cu-Kα 방사선을 이용한 XRD 2θ값이, 26±1°인 피크; 및 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1° 및 62±1°로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 피크;를 가질 수 있다.In one embodiment, the negative electrode active material, the XRD 2θ value using Cu-Kα radiation, a peak of 26 ± 1 °; And at least one peak selected from the group consisting of 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1°, and 62±1°.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 산소, 탄소 및 상기 금속의 원자 농도비가 각각 1 : 0.1~10 : 0.1~5일 수 있다.In one embodiment, the negative active material may have an atomic concentration ratio of oxygen, carbon, and metal in a range of 1: 0.1 to 10: 0.1 to 5, respectively.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 방전용량의 최댓값이 500 mAh/g 이상일 수 있다.In one embodiment, the negative active material may have a maximum discharge capacity of 500 mAh/g or more.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 쿨롬효율이 60.0~99.9%일 수 있다.In one embodiment, the negative active material may have a coulomb efficiency of 60.0 to 99.9%.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 전류밀도 3,000 mA/g의 충방전 800회를 거친 후의 방전용량이 2회차 방전용량을 기준으로 60% 이상일 수 있다.In one embodiment, the negative electrode active material may have a discharge capacity of at least 60% based on the second discharge capacity after 800 charging and discharging times having a current density of 3,000 mA/g.

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 전류밀도 100~3,000 mA/g의 조건에서 방전용량이 500 mAgh/g 이상일 수 있다.In one embodiment, the negative electrode active material may have a discharge capacity of 500 mAgh/g or more under conditions of a current density of 100 to 3,000 mA/g.

본 발명의 또 다른 일 측면은, (a) 금속 전구체, 요소 및 용매를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 용액에 탄소 섬유를 투입하고 100~300℃에서 1~12시간 동안 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 생성물을 400~600℃에서 1~12시간 동안 하소하는 단계;를 포함하는, 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, (a) preparing a solution containing a metal precursor, urea and a solvent; (b) adding carbon fiber to the solution and reacting at 100 to 300° C. for 1 to 12 hours; And (c) calcining the product of step (b) at 400 to 600° C. for 1 to 12 hours; containing, a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 전구체 및 상기 요소의 몰비는 1 : 1~5일 수 있다.In one embodiment, the molar ratio of the metal precursor and the urea may be 1:1 to 5.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 전구체 및 상기 용매의 몰비는 1 : 0.5~1.5일 수 있다.In one embodiment, the molar ratio of the metal precursor and the solvent may be 1: 0.5 to 1.5.

일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계의 반응은 1단 수열합성 반응일 수 있다.In one embodiment, the reaction of step (b) may be a one-stage hydrothermal synthesis reaction.

일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 Ar 분위기 하에서 수행될 수 있다.In one embodiment, step (c) may be performed in an Ar atmosphere.

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

일 실시예에 있어서, 상기 음극활물질, 상기 바인더 및 상기 도전재의 중량비는 각각 40~100 : 1~20 : 1~20일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of the negative active material, the binder, and the conductive material may be 40 to 100: 1 to 20: 1 to 20, respectively.

본 발명의 일 측면에 따르면, 용량이 크고, 순환 안정성 및 율 특성이 우수하며, 고전류밀도에서도 높은 용량을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a negative active material for a lithium secondary battery having a large capacity, excellent circulation stability and rate characteristics, and having a high capacity even at a high current density.

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.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질의 개략적인 제조방법을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 활물질의 구조 및 상 순도를 비교분석하기 위한 X선 회절시험 및 X선 광전자 분광기 분석 결과를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 사용된 물질의 형태를 확인하기 위한 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 활물질의 구조 및 속성을 확인하기 위한 투과전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극의 전기화학적 성능을 확인하기 위한 정전류-정전압 조건의 비충방전 시험의 분석 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극의 율특성에 대한 분석 결과를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극의 100회 순환시험 전후의 전기화학 임피던스 분광시험 결과를 도시한 것이다.
1 is a schematic view showing a method of manufacturing an active material according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an X-ray diffraction test and an X-ray photoelectron spectroscopy analysis result for comparative analysis of the structure and phase purity of an active material prepared according to an embodiment of the present invention.
3 shows a scanning electron microscope photograph for confirming the shape of a material used in an embodiment of the present invention.
4 shows a transmission electron microscope photograph for confirming the structure and properties of an active material prepared according to an embodiment of the present invention.
5 shows an analysis result of a non-charge/discharge test under a constant current-constant voltage condition to confirm the electrochemical performance of an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
6 shows an analysis result of the rate characteristic of an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
7 shows the results of an electrochemical impedance spectroscopy test before and after 100 cycle tests of an electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts 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 said to be "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.When a range of numerical values is described herein, the value has the precision of significant figures provided according to the standard rules in chemistry for significant figures, unless a specific range thereof is stated otherwise. For example, 10 includes a range of 5.0 to 14.9, and the number 10.0 includes a range of 9.50 to 10.49.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은, 탄소 섬유; 및 상기 섬유의 표면 중 적어도 일부에 코팅된 금속 산화물 입자;를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an aspect of the present invention, carbon fiber; And metal oxide particles coated on at least a portion of the surface of the fiber.

탄소 섬유란 탄소 원소를 90중량% 이상 포함하는 섬유상의 탄소 재료로, 폴리아크릴로니트릴, 피치 또는 레이온으로부터 제조된 섬유형태의 유기 전구체 물질을 불활성 분위기에서 열분해하거나, 탄화수소 등 원료 기체를 금속 촉매의 존재 하에서 증기상으로 열분해 후 섬유형태로 기상 성장시켜 제조하거나, 탄소재료를 전기방전시켜 제조하는 등 다양한 방법으로 제조할 수 있다.Carbon fiber is a fibrous carbon material containing 90% by weight or more of a carbon element, and a fibrous organic precursor material manufactured from polyacrylonitrile, pitch, or rayon is pyrolyzed in an inert atmosphere, or a raw material gas such as hydrocarbon is used as a metal catalyst. It can be prepared by various methods such as pyrolysis in the presence of vapor and growing in a gas phase in the form of a fiber, or by electric discharge of a carbon material.

상기 탄소 섬유는 상기 금속 산화물 입자의 지지체 역할을 함과 동시에 도전성 매트릭스의 역할을 수행할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 전자 및 이온 이동에 관여하여 상기 음극활물질의 율특성을 향상시킬 수 있다.The carbon fiber may serve as a support for the metal oxide particles and may also serve as a conductive matrix. The carbon fiber may be involved in electron and ion transport to improve rate characteristics of the negative electrode active material.

상기 탄소 섬유는 기상 성장 탄소 섬유일 수 있다. 기상 성장법으로 제조된 탄소 섬유는 기계적 강도 및 전기전도도가 우수하며, 특유의 네트워크형 모폴로지로 인해 리튬이차전지용 전극에 적용 시 보다 우수한 효율을 가질 수 있다.The carbon fiber may be a vapor-grown carbon fiber. Carbon fibers manufactured by the vapor phase growth method have excellent mechanical strength and electrical conductivity, and can have superior efficiency when applied to electrodes for lithium secondary batteries due to a unique network-type morphology.

상기 금속은 전이금속, 전이금속의 혼합물 또는 니켈 및 철의 혼합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The metal may be a transition metal, a mixture of transition metals, or a mixture of nickel and iron, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 음극활물질은 탄소 섬유 표면의 적어도 일부에 금속 산화물 입자가 코팅된 이종 나노복합체(hybrid nanocomposite)로, 탄소 섬유의 장점인 우수한 안정성, 도전성 및 이온전도도와 금속 산화물의 장점인 높은 용량을 동시에 구현할 수 있다.The negative electrode active material according to an embodiment of the present invention is a hybrid nanocomposite in which metal oxide particles are coated on at least a part of a carbon fiber surface, and the advantages of carbon fiber are excellent stability, conductivity, ionic conductivity and metal oxide. The advantage of high capacity can be implemented at the same time.

일반적으로 사용되는 음극활물질인 흑연 소재는 이론용량이 372 mAh/g에 불과하고, 탄소 섬유 또한 이와 유사한 수준의 정전용량을 가진다. 금속 산화물 음극활물질은 용량이 크고 환경친화적이나, 충방전 시 용량이 급격하게 감소하며, 이온을 포획하였을 때 부피가 과도하게 팽창하여 이차전지의 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극활물질은 정전용량이 약 350~360 mAh/g에 불과한 종래의 흑연 소재 또는 탄소 섬유 대비 현저히 우수한 정전용량을 구현할 수 있다.Graphite material, which is a generally used negative electrode active material, has a theoretical capacity of only 372 mAh/g, and carbon fiber also has a similar level of capacitance. Although the metal oxide negative active material has a large capacity and is environmentally friendly, there is a problem in that the capacity decreases rapidly during charging and discharging, and the volume expands excessively when ions are captured, thereby deteriorating the stability of the secondary battery. On the other hand, the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention can realize a significantly superior capacitance compared to a conventional graphite material or carbon fiber having a capacitance of only about 350 to 360 mAh/g.

상기 탄소 섬유는 평균 직경이 50 ㎚ 이상, 60 ㎚ 이상, 70 ㎚ 이상, 80 ㎚ 이상 또는 90 ㎚ 이상일 수 있고, 평균 직경이 150 ㎚ 이하, 140 ㎚ 이하, 130 ㎚ 이하 120 ㎚ 이하 또는 110 ㎚ 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The carbon fiber may have an average diameter of 50 nm or more, 60 nm or more, 70 nm or more, 80 nm or more, or 90 nm or more, and an average diameter of 150 nm or less, 140 nm or less, 130 nm or less, 120 nm or less, or 110 nm or less However, it is not limited thereto.

상기 탄소 섬유는 평균 길이가 10 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상, 30 ㎛ 이상, 40 ㎛ 이상 또는 50 ㎛ 이상일 수 있고, 평균 길이가 1,000 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하 또는 200 ㎛ 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The carbon fibers may have an average length of 10 µm or more, 20 µm or more, 30 µm or more, 40 µm or more, or 50 µm or more, and an average length of 1,000 µm or less, 800 µm or less, 600 µm or less, 400 µm or less, or 200 µm It may be the following, but is not limited thereto.

상기 금속 산화물 입자는 평균 입경이 50 ㎚ 이상, 60 ㎚ 이상, 70 ㎚ 이상, 80 ㎚ 이상, 90 ㎚ 이상 또는 100 ㎚ 이상일 수 있고, 상기 입자는 평균 입경이 2,000 ㎚ 이하, 1,900 ㎚ 이하, 1,800 ㎚ 이하, 1,700 ㎚ 이하, 1,600 ㎚ 이하, 1,500 ㎚ 이하, 1,400 ㎚ 이하, 1,300 ㎚ 이하, 1,200 ㎚ 이하, 1,100 ㎚ 이하 또는 1,000 ㎚ 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The metal oxide particles may have an average particle diameter of 50 nm or more, 60 nm or more, 70 nm or more, 80 nm or more, 90 nm or more, or 100 nm or more, and the particles have an average particle diameter of 2,000 nm or less, 1,900 nm or less, 1,800 nm Hereinafter, 1,700 nm or less, 1,600 nm or less, 1,500 nm or less, 1,400 nm or less, 1,300 nm or less, 1,200 nm or less, 1,100 nm or less, or 1,000 nm or less, but is not limited thereto.

상기 섬유 및 입자의 크기가 상기 범위를 벗어나면 전자 또는 이온의 확산 시간이 증가하여 전도성이 저하되거나, 이온의 포획을 위한 공간 확보가 어려울 수 있다.If the sizes of the fibers and particles are out of the above range, the diffusion time of electrons or ions increases, thereby reducing conductivity, or it may be difficult to secure a space for trapping ions.

상기 음극활물질은 클러스터형 구조를 가질 수 있다. 도 1을 참고하면, 클러스터형 구조란 상기 입자가 표면 중 적어도 일부에 코팅된 1차원 구조의 상기 탄소 섬유가 일정 또는 무작위로 근접하여 형성된 구조를 의미할 수 있다.The negative active material may have a cluster structure. Referring to FIG. 1, the cluster-type structure may mean a structure in which the carbon fibers having a one-dimensional structure in which the particles are coated on at least a portion of the surface are formed in constant or random proximity.

상기 음극활물질은, Cu-Kα 방사선을 이용한 XRD 2θ값이, 26±1°인 피크; 및 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1° 및 62±1°로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 피크;를 가질 수 있다. 상기 26±1°의 피크는 상기 탄소 섬유를 의미할 수 있고, 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1° 및 62±1°로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 피크는 상기 금속 산화물 입자를 의미할 수 있다.The negative electrode active material has a peak of 26±1° XRD 2θ using Cu-Kα radiation; And at least one peak selected from the group consisting of 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1°, and 62±1°. The peak of 26±1° may mean the carbon fiber, and 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1° and 62±1 At least one peak selected from the group consisting of ° may mean the metal oxide particle.

상기 음극활물질은 산소, 탄소 및 상기 금속의 원자 농도비가 각각 1 : 0.1~10 : 0.1~5일 수 있다. 상기 금속의 원자 농도비는 상기 음극활물질에 포함된 전체 금속 원자의 농도비를 의미한다.The negative electrode active material may have an atomic concentration ratio of oxygen, carbon, and the metal of 1: 0.1 to 10: 0.1 to 5, respectively. The atomic concentration ratio of the metal means the concentration ratio of all metal atoms included in the negative electrode active material.

상기 음극활물질은 방전용량의 최댓값이 500 mAh/g 이상, 600 mAh/g 이상, 700 mAh/g 이상, 800 mAh/g 이상, 900 mAh/g 이상 또는 1,000 mAh/g 이상이고, 2,000 mAh/g 이하, 1,900 mAh/g 이하, 1,800 mAh/g 이하 또는 1,700 mAh/g 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이론용량이 372 mAh/g에 불과한 종래의 흑연 소재 대비 상기 음극활물질은 현저히 우수한 용량을 가질 수 있다.The negative electrode active material has a maximum discharge capacity of 500 mAh/g or more, 600 mAh/g or more, 700 mAh/g or more, 800 mAh/g or more, 900 mAh/g or more, or 1,000 mAh/g or more, and 2,000 mAh/g Hereinafter, it may be 1,900 mAh/g or less, 1,800 mAh/g or less, or 1,700 mAh/g or less, but is not limited thereto. Compared to a conventional graphite material having a theoretical capacity of only 372 mAh/g, the negative electrode active material may have a significantly superior capacity.

상기 음극활물질은 쿨롬효율이 60.0~99.9%일 수 있다. 쿨롬효율은 방전용량 대비 충전용량의 비율을 의미한다.The negative active material may have a coulomb efficiency of 60.0 to 99.9%. The coulomb efficiency refers to the ratio of the charging capacity to the discharge capacity.

상기 음극활물질은 전류밀도 3,000 mA/g의 충방전 800회를 거친 후의 방전용량이 2회차 방전용량을 기준으로 60% 이상, 65% 이상 또는 70% 이상일 수 있다. 상기 음극활물질은 순환 안정성이 종래 대비 현저히 우수하여 3,000 mA/g의 고전류밀도 조건에서도 우수한 방전용량을 유지할 수 있다.The negative electrode active material may have a discharge capacity of 60% or more, 65% or more, or 70% or more based on the secondary discharge capacity after 800 charging and discharging times having a current density of 3,000 mA/g. The anode active material has remarkably excellent circulation stability compared to the prior art, and thus can maintain excellent discharge capacity even under a high current density condition of 3,000 mA/g.

상기 음극활물질은 전류밀도 100~3,000 mA/g의 조건에서 방전용량이 500 mAgh/g 이상, 550 mAgh/g 이상 또는 600 mAgh/g 이상일 수 있다. 상기 음극활물질은 율특성이 우수하여 가변적인 전류밀도 조건에서도 방전용량이 상기 범위를 만족할 수 있다.The negative electrode active material may have a discharge capacity of 500 mAgh/g or more, 550 mAgh/g or more, or 600 mAgh/g or more under conditions of a current density of 100 to 3,000 mA/g. Since the negative active material has excellent rate characteristics, the discharge capacity may satisfy the above range even under variable current density conditions.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법은, (a) 금속 전구체, 요소 및 용매를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 용액에 탄소 섬유를 투입하고 100~300℃에서 1~12시간 동안 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 생성물을 400~600℃에서 1~12시간 동안 하소하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of preparing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to another aspect of the present invention includes the steps of: (a) preparing a solution including a metal precursor, a urea, and a solvent; (b) adding carbon fiber to the solution and reacting at 100 to 300° C. for 1 to 12 hours; And (c) calcining the product of step (b) at 400 to 600° C. for 1 to 12 hours.

상기 금속 전구체 및 상기 요소의 몰비는 1 : 1~5일 수 있고, 상기 금속 전구체 및 상기 용매의 몰비는 1 : 0.5~1.5일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The molar ratio of the metal precursor and the urea may be 1: 1 to 5, and the molar ratio of the metal precursor and the solvent may be 1: 0.5 to 1.5, but is not limited thereto.

상기 (b) 단계의 반응은 1단 수열합성 반응일 수 있고, 상기 (c) 단계는 Ar 분위기 하에서 수행될 수 있으므로 간이하고 경제적인 방법으로 전술한 리튬이차전지용 음극활물질을 제조할 수 있다.The reaction of step (b) may be a one-stage hydrothermal synthesis reaction, and step (c) may be performed in an Ar atmosphere, so that the above-described negative electrode active material for a lithium secondary battery may be prepared in a simple and economical manner.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 리튬이차전지용 음극은, 전술한 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 것일 수 있고, 상기 음극활물질, 상기 바인더 및 상기 도전재의 중량비는 각각 40~100 : 1~20 : 1~20일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.In the negative electrode for a lithium secondary battery according to another aspect of the present invention, a slurry including the negative electrode active material, a binder, and a conductive material may be applied to a current collector, and a weight ratio of the negative electrode active material, the binder, and the conductive material is each 40 to 100: 1 to 20: 1 to 20, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the following experimental results are only representative of the above examples, and cannot be interpreted as the scope and content of the present invention are reduced or limited by examples. Effects of each of the various embodiments of the present invention not explicitly presented below will be specifically described in the corresponding section.

화학 약품Chemical

기상 성장 탄소 섬유(vapor grown carbon fiber, VGCF), 염화니켈(NiCl2·6H2O, 99.0%), 염화철(FeCl3·6H2O, 98.0%) 및 요소(urea, CH4N2O, 95%)는 Sigma Aldrich로부터 구입하여 별도의 정제과정 없이 사용하였다. 모든 종류의 용액은 탈이온수(DI water)를 사용하여 제조하였다.Vapor grown carbon fiber (VGCF), nickel chloride (NiCl 2 6H 2 O, 99.0%), iron chloride (FeCl 3 6H 2 O, 98.0%) and urea (urea, CH 4 N 2 O, 95%) was purchased from Sigma Aldrich and used without a separate purification process. All kinds of solutions were prepared using DI water.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극활물질의 개략적인 제조방법과 그 특성을 도시한 것이다. 도 1을 참고하면, VGCF, 염화니켈, 염화철 및 요소를 1단 수열합성하여 클러스터형 VGCF/NFO를 제조할 수 있다. 미가공 VGCF(bare VGCF)는 1차원 막대 형태의 VGCF가 상호 응집하여 클러스터형 구조로 존재하고, 이러한 응집된 VGCF 막대 각각의 표면에 Ni 이온 및 Fe 이온이 결정핵을 생성하며, 이를 Ar 분위기 하에서 하소(calcination)하여 표면이 NFO로 코팅된 클러스터형 VGCF/NFO 혼성 나노복합체를 제조할 수 있다.1 schematically illustrates a method of manufacturing a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention and its characteristics. Referring to FIG. 1, VGCF, nickel chloride, iron chloride, and urea are hydrothermally synthesized in a single stage to prepare a cluster type VGCF/NFO. Raw VGCF (bare VGCF) exists in a clustered structure by coagulation of one-dimensional rod-shaped VGCFs, and Ni ions and Fe ions generate crystal nuclei on the surface of each of these aggregated VGCF rods, which are calcined under Ar atmosphere ( calcination) to prepare a clustered VGCF/NFO hybrid nanocomposite whose surface is coated with NFO.

실시예Example

아래와 같은 1단 수열합성법을 이용하여 클러스터형 VGCF/NFO 혼성 나노복합체 전극재를 제조하였다.A cluster-type VGCF/NFO hybrid nanocomposite electrode material was prepared using the following one-stage hydrothermal synthesis method.

염화니켈 25 mmol, 염화철 50 mmol 및 요소 100 mmol을 증류수 75 ml에 용해시켜 용액을 제조하였다. 상기 용액을 교반하며 0.50g의 기상 성장 탄소 섬유를 첨가하고, 100 ml의 테플론 라이닝된 스테인리스강 고압반응기에 투입하였다. 상기 고압반응기를 6시간 동안 180℃로 유지하며 반응시켰다. 반응 종료 후, 상기 고압반응기를 상온으로 냉각시킨 후 세척하여 불순물을 제거하였다. Ar 분위기 하에서 5℃/분의 속도로 승온하여 수득한 생성물을 550℃에서 5시간 동안 하소하여 VGCF 표면에 NFO가 코팅된 VGCF/NFO를 제조하였다.A solution was prepared by dissolving 25 mmol of nickel chloride, 50 mmol of iron chloride, and 100 mmol of urea in 75 ml of distilled water. While the solution was stirred, 0.50 g of vapor-grown carbon fiber was added, and added to a 100 ml of Teflon-lined stainless steel high pressure reactor. The high-pressure reactor was reacted while maintaining at 180°C for 6 hours. After the reaction was completed, the high-pressure reactor was cooled to room temperature and washed to remove impurities. The product obtained by raising the temperature at a rate of 5° C./min in an Ar atmosphere was calcined at 550° C. for 5 hours to prepare VGCF/NFO coated with NFO on the VGCF surface.

비교예Comparative example

염화니켈 25 mmol, 염화철 50 mmol 및 요소 100 mmol을 증류수 75 ml에 용해시켜 용액을 제조하였다. 상기 용액을 교반하며 100 ml의 테플론 라이닝된 스테인리스강 고압반응기에 투입하였다. 상기 고압반응기를 6시간 동안 180℃로 유지하며 반응시켰다. 반응 종료 후, 상기 고압반응기를 상온으로 냉각시킨 후 세척하여 불순물을 제거하였다. Ar 분위기 하에서 5℃/분의 속도로 승온하여 수득한 생성물을 550℃에서 5시간 동안 하소하여 NFO를 제조하였다.A solution was prepared by dissolving 25 mmol of nickel chloride, 50 mmol of iron chloride, and 100 mmol of urea in 75 ml of distilled water. The solution was stirred and introduced into a 100 ml Teflon-lined stainless steel high pressure reactor. The high-pressure reactor was reacted while maintaining at 180°C for 6 hours. After the reaction was completed, the high-pressure reactor was cooled to room temperature and washed to remove impurities. The product obtained by raising the temperature at a rate of 5° C./min in an Ar atmosphere was calcined at 550° C. for 5 hours to prepare NFO.

실험예 1Experimental Example 1

Cu-Kα(λ=1.5418 Å) 필터가 구비된 Bruker 社의 X선 회절시험기(X-ray diffraction, XRD, D8 Advance)를 사용하여 상기 비교예 및 실시예에서 제조된 물질의 구조 및 상 순도를 분석하였다.Structure and phase purity of the materials prepared in the Comparative Examples and Examples by using an X-ray diffraction (XRD, D8 Advance) manufactured by Bruker Company equipped with a Cu-K α (λ=1.5418 Å) filter Was analyzed.

Thermo Electron 社의 X선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, K-Alpha)를 사용하여 상기 실시예에서 제조된 물질의 화학양론비(stoichiometric ratio) 및 분말 표면(powder surface)을 분석하였다.The stoichiometric ratio and powder surface of the material prepared in the above Example were analyzed using an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-Alpha) of Thermo Electron.

상기 분석 결과에 따라 상기 비교예에서 제조된 순수 NFO의 XRD 패턴(a)과 상기 실시예에서 제조된 VGCF/NFO의 XRD 패턴(b), Ni 2p(c), Fe 2p(d), O 1s(e) 및 C 1s(f)의 XPS 스펙트럼을 도 2에 도시하였다.According to the analysis result, the XRD pattern (a) of pure NFO prepared in the comparative example and the XRD pattern (b) of VGCF/NFO prepared in the above example, Ni 2p(c), Fe 2p(d), O 1s The XPS spectra of (e) and C 1s(f) are shown in FIG. 2.

도 2의 (a)를 참고하면, 상기 순수 NFO는 30.32°, 35.81°, 37.27°, 43.45°, 53.89°, 57.41° 및 62.96°에서 선명한 2θ 값의 회절무늬를 나타내었다. 이는 각각 (220), (311), (222), (400), (422), (511) 및 (440)의 결정면에 기인하였다. 이러한 순수 NFO의 회절피크 정보는 JCPDS 카드 74-2081에 기재되어 있다.Referring to Figure 2 (a), the pure NFO exhibited a sharp diffraction pattern of 2θ values at 30.32°, 35.81°, 37.27°, 43.45°, 53.89°, 57.41° and 62.96°. This was attributed to the crystal planes of (220), (311), (222), (400), (422), (511) and (440), respectively. The diffraction peak information of this pure NFO is described in JCPDS card 74-2081.

상기 XRD 분석 결과에 따르면, NFO 외에 산화철(Fe2O3) 또는 산화니켈(NiO)와 같은 기타 불순물의 회절피크는 발견되지 않았다. 날카롭고 좁은 회절피크는 제조된 물질이 고순도이며 보다 높은 차수의 결정성을 가진다는 것을 의미하며, 특히, 상기 날카로운 피크로부터 상기 물질 내에 높은 준위(high level)의 페라이트 입자(ferrite grain)이 존재함을 알 수 있다.According to the XRD analysis results, diffraction peaks of other impurities such as iron oxide (Fe 2 O 3 ) or nickel oxide (NiO) other than NFO were not found. A sharp and narrow diffraction peak means that the manufactured material is of high purity and has a higher order of crystallinity, and in particular, high level ferrite grains exist in the material from the sharp peak. Can be seen.

도 2의 (b)를 참고하면, 26.3°에 존재하는 VGCF의 특성피크를 제외하면, 상기 실시예에 따라 제조된 VGCF/NFO 혼성 나노복합체의 XRD 패턴은 NFO와 정확히 일치한다.Referring to (b) of FIG. 2, except for the characteristic peak of VGCF present at 26.3°, the XRD pattern of the VGCF/NFO hybrid nanocomposite prepared according to the above example exactly matches the NFO.

도 2의 (c) 내지 (f)를 참고하면, XPS에 따라 분석된 상기 VGCF/NFO의 전자구조, 화학원소 원자가 상태 및 표면조성을 확인할 수 있다. Ni 2p, Fe, 2p, O 1s 및 C 1s의 분석 스펙트럼에 따라 클러스터형 VGCF/NFO 나노복합체의 형성을 확인할 수 있고, 이러한 분석에 사용된 기판으로 인하여 Si 2p 피크가 형성되었다. 모든 스펙트럼은 가우시안-로렌치안 함수를 사용하여 적합화(fitting)하였다.Referring to FIGS. 2C to 2F, the electronic structure, chemical element valence state, and surface composition of the VGCF/NFO analyzed according to XPS can be confirmed. The formation of clustered VGCF/NFO nanocomposites can be confirmed according to the analysis spectra of Ni 2p, Fe, 2p, O 1s and C 1s, and Si 2p peaks were formed due to the substrate used for this analysis. All spectra were fitted using the Gaussian-Lorenchian function.

도 2의 (c)는 Ni 내각준위(core level)의 역합성곱(deconvoluted) 스펙트럼을 도시한 것으로, Ni 내각준위의 스펙트럼은 Ni 2p3/2 및 Ni2p1/3 두 개의 스핀궤도 이단 피크로 구성되었다. 854.5eV의 넓은 피크는 Ni 2p3/2를, 871.6eV의 보다 작은 피크는 Ni 2p1/3을 의미하며, 860.2 및 877.7eV의 두 위성피크는 각각 Ni3+ 및 Ni2+를 의미한다.2C shows the deconvoluted spectrum of the Ni core level, and the spectrum of the Ni core level is composed of two spin orbit two-stage peaks, Ni 2p3/2 and Ni2p1/3. . The broad peak of 854.5 eV means Ni 2p3/2, the smaller peak of 871.6 eV means Ni 2p 1/3, and the two satellite peaks of 860.2 and 877.7 eV mean Ni 3+ and Ni 2+ , respectively.

도 2의 (d)는 Fe 2p3/2 및 Fe 2p1/2의 두 피크를 포함하는 Fe 2p의 XPS 스펙트럼을 도시한 것으로, Fe 2p3/2의 피크는 스핀궤도의 (j-i) 커플링으로 인하여 Fe 2p1/2의 피크보다 큰 것을 확인할 수 있다. Fe 2p에 대하여 708.5 eV는 Fe 2p3/2를, 722.3 eV는 Fe 2p1/2를 의미함은 다수의 연구에서 공지되어 있다.Figure 2 (d) shows the XPS spectrum of Fe 2p including two peaks of Fe 2p3/2 and Fe 2p1/2, the peak of Fe 2p3/2 due to the (ji) coupling of the spin orbit Fe It can be seen that it is larger than the peak of 2p1/2. It is known in a number of studies that for Fe 2p, 708.5 eV means Fe 2p3/2, and 722.3 eV means Fe 2p1/2.

도 2의 (e)를 참고하면, 528.3 eV 및 531.0 eV의 O 1s 내각준위 스펙트럼은 하이드록시기, 금속-산소 결합 및 작은 크기의 NiFe2O4 종에서 낮은 산소배위(oxygen coordination)를 갖는 많은 수의 결함부위(defect site)에서 나타나는 전형적인 산소의 것과 일치한다.Referring to Figure 2 (e), 528.3 eV and 531.0 eV O 1s inner level spectrum is a number of hydroxy groups, metal-oxygen bonds, and low oxygen coordination in the small NiFe 2 O 4 species. It is consistent with that of a typical oxygen present at water defect sites.

도 2의 (f)는 C 1s의 원소 스펙트럼을 도시한 것으로, 284.7 eV, 287.1 eV 및 283.2 eV의 피크는 각각 C-C, C=O 및 C-H에 해당한다.Fig. 2(f) shows an element spectrum of C 1s, and the peaks of 284.7 eV, 287.1 eV and 283.2 eV correspond to C-C, C=O and C-H, respectively.

Carl Zeiss 社의 전계방출형-주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM, LEO SUPRA 55)을 사용하여 상기 실시예에서 제조된 물질의 모폴로지를 분석하였다.The morphology of the material prepared in the above Example was analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, LEO SUPRA 55) of Carl Zeiss.

도 3(a)의 (i) 내지 (iii)은 VGCF 개개의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것으로, VGCF는 직경 100 ㎚, 길이 50~200 ㎛의 1차원 섬유형의 모폴로지를 가진다. 이를 도식화하여 도 3(a)의 (iv)에 도시하였다.(I) to (iii) of FIG. 3(a) show FE-SEM images of individual VGCFs, and the VGCF has a one-dimensional fibrous morphology having a diameter of 100 nm and a length of 50 to 200 μm. This is schematically illustrated in (iv) of FIG. 3(a).

도 3(b)의 (i) 내지 (iii)은 순수 NFO의 전형적인 저배율 및 고배율 FE-SEM 이미지를 나타낸 것으로, NFO는 100 ㎚ 내지 1 ㎛의 크기로 응집된 클러스터형 모폴로지를 가진다. 이를 도식화하여 도 3(b)의 (iv)에 도시하였다.(I) to (iii) of FIG. 3(b) show typical low-magnification and high-magnification FE-SEM images of pure NFO, and the NFO has a clustered morphology aggregated in a size of 100 nm to 1 μm. This is schematically illustrated in (iv) of FIG. 3(b).

도 3(c)의 (i) 내지 (iii)은 VGCF/NFO 혼성 나노복합체를 다양한 배율로 촬영한 이미지를 나타낸 것으로, VGCF/NFO 혼성 나노복합체는 VGCF 상에 NFO 나노클러스터가 무작위로 합체된 모폴로지를 가진다. 이를 도식화하여 도 3(c)의 (iv)에 도시하였다. 이러한 클러스터형 VGCF/NFO 혼성 나노복합체의 정돈된 상호연결 네트워크는 전자전도도를 향상시킬 수 있고, 충방전 과정에서 스트레스 및 부피팽창/수축을 감소시킬 수 있다.(I) to (iii) of FIG. 3(c) show images taken at various magnifications of the VGCF/NFO hybrid nanocomposite.The VGCF/NFO hybrid nanocomposite is a morphology in which NFO nanoclusters are randomly incorporated on VGCF Have. This is schematically illustrated in (iv) of FIG. 3(c). The ordered interconnection network of such a clustered VGCF/NFO hybrid nanocomposite can improve electronic conductivity and reduce stress and volume expansion/contraction during charging and discharging.

에너지 분산형 X선 분광분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)가 구비된 고해상도-투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscope, HR-TEM, JEOL JEM-2010)을 사용하여 상기 실시예에서 제조된 물질의 내부 미세구조(internal microstructures), 결정학적인 고유특성(crystallographic intrinsic properties) 및 원소분석(elemental analysis)을 수행하였다.Manufactured in the above example using a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM, JEOL JEM-2010) equipped with an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) The internal microstructures, crystallographic intrinsic properties, and elemental analysis of the material were performed.

상기 클러스터형 VHCF/NFO 혼성 나노복합체의 특정 구조 및 고유 속성을 확인하기 위해 HR-TEM 촬영하여 그 결과를 도 4에 나타내었다.HR-TEM was photographed to confirm the specific structure and intrinsic properties of the clustered VHCF/NFO hybrid nanocomposite, and the results are shown in FIG. 4.

도 4의 (a) 및 (b)는 NFO가 코팅된 VGCF를 각각 다른 배율로 촬영한 HR-TEM 이미지로, VGCF의 평균 직경은 약 100 ㎚임을 확인할 수 있다.4A and 4B are HR-TEM images taken at different magnifications of NFO-coated VGCF, and it can be seen that the average diameter of VGCF is about 100 nm.

도 4의 (c)를 참고하면, 선택영역 전자회절(selected area electron diffraction, SAED)의 점 패턴을 갖는 확산된 링은 나노상(nanophase) 물질의 성질을 명확히 드러내는 다결정성 물질의 특성을 보인다.Referring to FIG. 4C, a diffused ring having a dot pattern of a selected area electron diffraction (SAED) exhibits a characteristic of a polycrystalline material clearly revealing the properties of a nanophase material.

도 4의 (d)를 참고하면, (311) 및 (440) 평면과 유사한 0.269 ㎚ 및 0.231 ㎚의 면간 간격을 갖는 격자 줄무늬를 확인할 수 있다.Referring to (d) of FIG. 4, grid stripes having interplanar spacing of 0.269 nm and 0.231 nm similar to planes (311) and (440) can be confirmed.

도 4(f)의 (i) 내지 (iv)를 참고하면, 에너지 분산 스펙트럼으로부터 Ni, Fe, O 및 C의 존재 및 화학양론적 양을 확인할 수 있다. 도표화된 EDS 결과로부터 Ni, Fe, O 및 C가 균질하게 분포되었음을 알 수 있다.Referring to (i) to (iv) of FIG. 4(f), the presence and stoichiometric amounts of Ni, Fe, O and C can be confirmed from the energy dispersion spectrum. From the plotted EDS results, it can be seen that Ni, Fe, O and C were homogeneously distributed.

상기 결과를 참고하면, 상기 VGCF 위에 NFO가 성장하여 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 이는 전도성이 우수한 VGCF가 활물질 입자 간에 직접 전기적 접촉이 가능하기 때문으로 보인다.Referring to the above results, the electrochemical performance may be improved by growing NFO on the VGCF. This seems to be because VGCF, which has excellent conductivity, allows direct electrical contact between active material particles.

제조예Manufacturing example

상기 실시예에서 제조된 VGCF/NFO, 도전재인 카본블랙(Super P) 및 바인더인 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)가 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrolidone, NMP)과 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 Cu 호일 상에 닥터블레이드법으로 도포하고 24시간 동안 상온에서 건조시켰다. 잔류 수분을 제거하기 위해 100℃의 오븐에서 5시간 동안 건조하고, 120℃에서 5시간 동안 진공건조하여 작업전극을 제조하였다.VGCF/NFO prepared in the above example, carbon black (Super P) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were mixed in a weight ratio of 80:10:10, respectively, and N-methyl- A slurry was prepared by mixing with 2-pyrrolidone (N-methyl-2-pyrolidone, NMP). The slurry was applied on a Cu foil by a doctor blade method and dried at room temperature for 24 hours. In order to remove residual moisture, it was dried in an oven at 100° C. for 5 hours and vacuum dried at 120° C. for 5 hours to prepare a working electrode.

Ar 충진된 글로브 박스 내에서 상기 작업전극, 대항전극, 전해질 및 분리막으로 각각 아래의 물질 또는 소재를 사용하여 CR2032형 리튬이차전지를 구성하였다.In a glove box filled with Ar, a CR2032 type lithium secondary battery was constructed using the following materials or materials as the working electrode, counter electrode, electrolyte, and separator, respectively.

-대항전극: 리튬 호일-Counter electrode: lithium foil

-전해질: 1 M LiPF6 in EC(ethylene carbonate)/DEC(diethyl carbonate) = 50/50(v/v)-Electrolyte: 1 M LiPF 6 in EC(ethylene carbonate)/DEC(diethyl carbonate) = 50/50(v/v)

-분리막: 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 분리막-Separation membrane: polyethylene/polypropylene/polyethylene separator

비교제조예Comparative Production Example

상기 실시예에서 제조된 VGCF/NFO 대신 상기 비교예에서 제조된 NFO를 사용한 것을 제외하면, 상기 제조예와 동일하게 리튬이차전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Preparation Example, except that the NFO prepared in Comparative Example was used instead of the VGCF/NFO prepared in Example.

실험예 2Experimental Example 2

전기화학 순환기(ETH cycler)를 사용하여 0.01~3.0 V의 전압 범위, 가변적인 전류밀도 하에서 정전류-정전압(CC-CV) 조건으로 비충방전(specific charge/discharge) 시험을 수행하였다.A specific charge/discharge test was performed under a constant current-constant voltage (CC-CV) condition under a voltage range of 0.01 to 3.0 V and a variable current density using an electrochemical circulator (ETH cycler).

상기 비교예의 NFO 및 상기 실시예의 VGCF/NFO를 사용하여 제조한 전극 각각의 리튬 충방전특성을 확인하기 위해 0.01~3.0 V의 전압 범위에서의 차동전하 및 차동전압(dq/dv) 곡선을 도 5에 도시하였다.The differential charge and differential voltage (dq/dv) curves in the voltage range of 0.01 to 3.0 V are shown in FIG. 5 in order to check the lithium charge/discharge characteristics of the electrodes manufactured using the NFO of the comparative example and the VGCF/NFO of the example. Shown in.

도 5의 (a) 및 (b)는 각각 비교제조예 및 제조예의 최초의 세 dq/dv 곡선을 도시한 것이다. 이를 참고하면, 비교제조예 및 제조예 모두 일반적인 전이금속 산화물의 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 캐소드 검사(cathodic scan)으로부터 시작된 첫 순환(cycle) 동안, 0.8 V 및 1.45 V의 두 환원 피크는 각각 Fe2O3 및 NiO로부터 Fe 및 Ni 금속으로 환원되는 것과 상응하였다. 캐소드 검사에서 0.8 V의 피크는 활물질 표면 위에 고체 전극 표면층의 형성과 전해질의 분해를 의미한다. 애노드 검사(anodic scan)에서, 1.7 V에서 측정된 넓은 산화 피크는 Fe0 및 Ni0가 Fe3+ 및 Ni2+로 산화되는 것과 상응하였다. 이후의 순환에서는 안정된 겹침 피크(overlapping peak)를 나타내었다. 또한, 제조예의 VGCF/NFO는 피크 강도 및 영역을 지속적으로 유지하여 순환시험 중 전기화학적 가역성 및 순환 안정성이 우수하였다.5A and 5B show the first three dq/dv curves of Comparative Preparation Example and Preparation Example, respectively. Referring to this, it can be seen that both Comparative Preparation Examples and Preparation Examples exhibit the characteristics of general transition metal oxides. During the first cycle starting from the cathodic scan, the two reduction peaks of 0.8 V and 1.45 V corresponded to the reduction from Fe 2 O 3 and NiO to Fe and Ni metals, respectively. In the cathode test, a peak of 0.8 V indicates the formation of a solid electrode surface layer on the surface of the active material and decomposition of the electrolyte. In the anodic scan, the broad oxidation peak measured at 1.7 V corresponded to the oxidation of Fe 0 and Ni 0 to Fe 3+ and Ni 2+ . In the subsequent cycle, a stable overlapping peak was shown. In addition, VGCF/NFO of Preparation Example was excellent in electrochemical reversibility and circulation stability during the cycling test by continuously maintaining the peak intensity and area.

도 5의 (a)를 참고하면, 1회차 순환과 이후의 순환 간에 큰 차이가 존재하여 초기의 스피넬 구조가 회복되지 않음을 확인할 수 있다. 후속 순환으로부터 기존에 알려진 바와 같이 0.8 V에서 캐소드 피크가 관찰되었다. 전기화학적 가역반응은 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 5A, it can be seen that there is a large difference between the first cycle and the subsequent cycle, so that the initial spinel structure is not recovered. As previously known from subsequent cycles, a cathode peak was observed at 0.8 V. The reversible electrochemical reaction can be expressed as the following equation.

NiFe2O4 + 8e- + 8Li+ ↔ Ni0 + 2Fe0 + 4Li2O NiFe 2 O 4 + 8e - + 8Li + ↔ Ni 0 + 2Fe 0 + 4Li 2 O

Ni + Li2O ↔ NiO + 2Li+ + 2e- Ni + Li 2 O ↔ NiO + 2Li + + 2e -

2Fe + 3Li2O ↔ Fe2O3 + 6Li+ + 6e- 2Fe + 3Li 2 O ↔ Fe 2 O 3 + 6Li + + 6e -

도 5의 (d) 및 (e)은 각각 NFO 및 VGCF/NFO의 정전류 충방전 특성을 0.01~3.0 V의 전압 범위, 100 mA/g의 전류밀도에서 측정한 결과를 도시한 것이다. 이를 참고하면, VGCF/NFO는 1회차 순환의 방전/충전용량이 각각 1,653 mAh/g, 1,202 mAh/g으로 72.7%의 쿨롬효율을 가지며, NFO는 1회차 순환의 방전/충전용량이 각각 1,163 mAh/g, 790 mAh/g으로 67.9%의 쿨롬효율을 가진다. 1회차 순환의 용량손실은 주로 초기의 Li2O의 생성과 격자 내의 일부 리튬의 포획, 불가피한 고체전해질계면(SEI) 층의 형성 및 전해질의 분해 등의 비가역적인 과정에 의한 것으로, 이는 모든 전이금속 산화물 음극활물질에 일반적으로 나타나는 현상이다. VGCF/NFO는 NFO 대비 높은 초기 방전용량 및 향상된 쿨롬효율을 가지며, 이는 VGCF 및 NFO 간의 상호작용으로 인한 것이다. 2회차 순환 및 3회차 순환에서 VGCF/NFO의 방전용량은 각각 1,261 mAh/g, 1,193 mAh/g이고, 충전용량은 각각 1,150 mAh/g, 1,111 mAh/g이며, 쿨롬효율은 각각 91.1%, 93.1%이다. 반면, NFO의 2회차 순환 및 3회차 순환에서 방전용량은 각각 864 mAh/g, 826 mAh/g이고, 충전용량은 각각 775 mAh/g, 752 mAh/g이며, 쿨롬효율은 각각 89.6%, 91.0%이다.Figure 5 (d) and (e) show the results of measuring the constant current charging and discharging characteristics of the NFO and VGCF/NFO at a voltage range of 0.01 to 3.0 V and a current density of 100 mA/g, respectively. Referring to this, VGCF/NFO has a discharge/charge capacity of 1,653 mAh/g, respectively, in the first cycle, It has a coulomb efficiency of 72.7% at 1,202 mAh/g, and the discharge/charge capacity of the first cycle of NFO has a coulomb efficiency of 67.9% at 1,163 mAh/g and 790 mAh/g, respectively. The capacity loss in the first cycle is mainly due to irreversible processes such as the initial formation of Li 2 O, the capture of some lithium in the lattice, the formation of the inevitable solid electrolyte interface (SEI) layer, and the decomposition of the electrolyte. This is a common phenomenon in oxide anode active materials. VGCF/NFO has higher initial discharge capacity and improved coulomb efficiency compared to NFO, which is due to the interaction between VGCF and NFO. The discharge capacity of VGCF/NFO in the 2nd and 3rd circulation is 1,261 mAh/g and 1,193 mAh/g, respectively, the charging capacity is 1,150 mAh/g and 1,111 mAh/g, respectively, and the coulomb efficiency is 91.1% and 93.1, respectively. %to be. On the other hand, in the second and third cycles of NFO, the discharge capacity is 864 mAh/g and 826 mAh/g, respectively, and the charging capacities are 775 mAh/g and 752 mAh/g, respectively, and the coulomb efficiency is 89.6% and 91.0, respectively. %to be.

도 5의 (g) 및 (h)는 각각 NFO 및 VGCF/NFO의 순환 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이를 참고하면, NFO 및 VGCF/NFO의 초기 방전용량은 각각 1,163 mAh/g, 1,653 mAh/g이고, 쿨롬효율은 72.7%, 67.9%이다. VGCF/NFO는 탄소 매트릭스와 복합체를 형성하여 보다 큰 비방전용량을 가지며, 100회 순환 이후에도 약 1,352 mAh/g의 높은 비정전용량 및 99.8%의 쿨롬효율을 가진다. 약 30회 순환 이후 정전용량이 상승하며, 이는 탄소 매트릭스 및 NFO 간의 상호작용에 의해 VGCF/NFO 내부의 전해질 확산성이 향상되었기 때문이다.5 (g) and (h) show the results of measuring the circulation characteristics of NFO and VGCF/NFO, respectively. Referring to this, the initial discharge capacities of NFO and VGCF/NFO are 1,163 mAh/g and 1,653 mAh/g, respectively, and the coulomb efficiency is 72.7% and 67.9%. VGCF/NFO has a higher specific discharge capacity by forming a complex with the carbon matrix, and has a high specific capacity of about 1,352 mAh/g and a coulomb efficiency of 99.8% even after 100 cycles. After about 30 cycles, the capacitance increases, because the diffusivity of the electrolyte inside the VGCF/NFO is improved by the interaction between the carbon matrix and the NFO.

도 5의 (c)는 VGCF/NFO 전극에서의 이온 및 전자 이동에 대한 개략도를 도시한 것이고, 도 5의 (f)는 이에 상응하는 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 점진적인 순환 특성의 증가는 (1) 1차원 VGCF가 음극활물질의 전기전도성 및 이온확산성을 향상시키고, (2) 음극활물질의 부피팽창 및 구조적 안정성이 충방전 중에 유지되었기 때문이다.FIG. 5(c) shows a schematic diagram of ion and electron transfer in a VGCF/NFO electrode, and FIG. 5(f) shows a corresponding FE-SEM image. Referring to this, the gradual increase in circulation characteristics is because (1) the one-dimensional VGCF improves the electrical conductivity and ion diffusion properties of the anode active material, and (2) the volume expansion and structural stability of the anode active material are maintained during charging and discharging.

NFO 및 VGCF/NFO의 율특성(rate capability performance)을 100~3,000 mA/g의 전류밀도 범위에서 측정하여 도 6에 도시하였다.The rate capability performance of NFO and VGCF/NFO was measured in a current density range of 100 to 3,000 mA/g and shown in FIG. 6.

도 6의 (a)는 VGCF/NFO 및 NFO의 율특성을 나타낸 것으로, VGCF/NFO는 전류밀도 100, 500, 1,000, 1,500, 2,000 및 3,000 mA/g에서 각각 1,657, 1,099, 958, 813, 692 및 638 mAh/g의 방전용량을 나타냈다. 3,000 의mA/g의 고전류밀도 시험 후 전류밀도를 100 mA/g으로 감소시키자 약 1,183 mAh/g의 정전용량과 98%의 쿨롬효율을 나타냈다. 이후 2회차 순환 방전용량의 약 87%를 유지하였다.6(a) shows the rate characteristics of VGCF/NFO and NFO, and VGCF/NFO is 1,657, 1,099, 958, 813, 692 at current densities 100, 500, 1,000, 1,500, 2,000, and 3,000 mA/g, respectively. And a discharge capacity of 638 mAh/g. After the high current density test of 3,000 mA/g, when the current density was reduced to 100 mA/g, it showed a capacitance of about 1,183 mAh/g and a coulomb efficiency of 98%. After that, about 87% of the second cycle discharge capacity was maintained.

반면, NFO는 전류밀도 100, 500, 1,000, 1,500, 2,000 및 3,000 mA/g에서 각각 1,163, 732, 561, 373, 230 및 136 mAh/g의 방전용량을 나타냈다. 3,000 의mA/g의 고전류밀도 시험 후 전류밀도를 100 mA/g으로 감소시키자 약 608 mAh/g의 정전용량과 58%의 용량 유지율을 나타냈다. 이로부터 NFO 전극재는 고전류밀도에 강한 영향을 받음을 확인할 수 있다.On the other hand, NFO exhibited discharge capacities of 1,163, 732, 561, 373, 230 and 136 mAh/g respectively at current densities of 100, 500, 1,000, 1,500, 2,000 and 3,000 mA/g. After the high current density test of 3,000 mA/g, when the current density was reduced to 100 mA/g, it showed a capacitance of about 608 mAh/g and a capacity retention rate of 58%. From this, it can be seen that the NFO electrode material is strongly affected by high current density.

반면, 도 6의 (b)를 참고하면 VGCF/NFO는 87%의 용량 유지율을 나타내어 고전류밀도에서도 우수한 구조적 무결성(structural integrity)을 나타내었다. 또한, VGCF/NFO의 장기간 순환시험(long-term cycling performance) 결과를 도시한 도 6의 (c)를 참고하면 VGCF/NFO는 3,000 mAh/g의 고전류밀도에서도 우수한 순환 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 이 때의 방전/충전용량은 약 789/731 mAh/g로 91.37%의 쿨롬효율을 나타내었다. 800회차 순환에서 방전/충전용량은 약 574/571 mAh/g이고, 쿨롬효율은 약 99.4%를 나타내었다. 이러한 고전류밀도에서의 장기간 순환시험을 통해 클러스터형 VGCF/NFO 혼성 나노복합체 전극재가 고전류밀도에서도 순환 안정성이 우수함을 확인할 수 있다. 이는 전극재의 구조적 무결성과 복합체 내부의 탄소 매트릭스가 리튬의 포획 및 방출 과정에서의 부하를 감소시키는 효과 덕분이다. 또한, 이러한 탄소 매트릭스는 전이금속 산화물의 문제점인 부피팽창을 해결함으로써 전극재가 우수한 순환 특성 및 율특성을 가질 수 있도록 한다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 6, the VGCF/NFO exhibited a capacity retention rate of 87%, indicating excellent structural integrity even at a high current density. In addition, referring to FIG. 6(c) showing the results of a long-term cycling performance of VGCF/NFO, it can be seen that VGCF/NFO exhibits excellent cycling characteristics even at a high current density of 3,000 mAh/g. . The discharge/charge capacity at this time was about 789/731 mAh/g, indicating a coulomb efficiency of 91.37%. In the 800th cycle, the discharge/charge capacity was about 574/571 mAh/g, and the coulomb efficiency was about 99.4%. Through such a long-term cycling test at a high current density, it can be confirmed that the cluster-type VGCF/NFO hybrid nanocomposite electrode material has excellent circulation stability even at a high current density. This is due to the structural integrity of the electrode material and the effect that the carbon matrix inside the composite reduces the load during the capture and release of lithium. In addition, such a carbon matrix solves the volume expansion, which is a problem of transition metal oxide, so that the electrode material can have excellent circulation characteristics and rate characteristics.

Ivium Technologies 社의 전기화학적 분석기(Iviumstat)로 전기화학 임피던스 분광시험(electrochemical impedance spectrometry, EIS)을 수행하였다.Electrochemical impedance spectrometry (EIS) was performed with an electrochemical analyzer (Iviumstat) of Ivium Technologies.

도 7의 (a) 및 (b)는 VGCF/NFO 및 NFO의 100차의 순환시험 전후의 EIS 분석 결과를 도시한 것이다. 이러한 EIS 분석으로부터 전극재의 전기화학적 특성을 확인하였다. 이로부터 도출된 나이퀴스트(Nyquist) 스펙트럼은 두 가지 영역으로 구성된다.7A and 7B show the EIS analysis results before and after the 100th cycle test of VGCF/NFO and NFO. From this EIS analysis, the electrochemical properties of the electrode material were confirmed. The Nyquist spectrum derived from this consists of two domains.

(1) 계면 특성 및 상응하는 전하이동저항(Rct)을 나타내는 고주파수 영역의 반원(1) A semicircle in the high frequency region showing the interfacial properties and the corresponding charge transfer resistance (R ct )

(2) 워버그(Warburg) 임피던스와 연관되고 Li 이온의 전해질로부터 전극 표면으로의 고체상태 확산 및 이동으로 분배된 저주파수 영역의 직선(2) A straight line in the low-frequency region associated with Warburg impedance and distributed by solid-state diffusion and migration of Li ions from the electrolyte to the electrode surface.

도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 순환시험 전의 VGCF/NFO 및 NFO의 전하이동저항(Rct) 값은 서로 상이하며, VGCF/NFO의 Rct 최솟값은 전극 및 전해질 간의 접착이 양호함을 의미한다. 또한, 이는 VGCF/NFO의 율특성과 일치한다.As shown in (a) of FIG. 7, the values of charge transfer resistance (R ct ) of VGCF/NFO and NFO before the cycling test are different from each other, and the minimum R ct value of VGCF/NFO is good adhesion between the electrode and the electrolyte. Means. In addition, this is consistent with the rate characteristics of VGCF/NFO.

반면 도 7의 (b)를 참고하면, 100회 순환 이후 NFO의 반원 직경은 VGCF/NFO의 반원 직경 대비 증가하였다. 따라서, VGCF/NFO는 NFO 대비 우수한 이온 및 전자전도도를 가진다. 또한, VGCF/NFO의 가파른 기울기는 전해질로부터 전극으로 Li+ 이온이 보다 빠르게 이동함을 의미한다. 워버그 임피던스(Zw)로부터 다공성인 VGCF/NFO는 NFO 대비 성능이 우수함을 알 수 있다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 7, after 100 cycles, the semicircle diameter of the NFO increased compared to that of the VGCF/NFO. Therefore, VGCF/NFO has superior ionic and electronic conductivity compared to NFO. In addition, the steep slope of VGCF/NFO means that Li + ions move more rapidly from the electrolyte to the electrode. From the Warburg impedance (Z w ), it can be seen that the porous VGCF/NFO has superior performance compared to the NFO.

EIS 스펙트럼의 하부는 입자 내 이온들의 경계가 한정된 확산에 속하며, 이는 입자들의 기하학적 구조 및 분포에 영향을 받는다. 도 7의 (c)는 100회의 순환시험 후 ω-0.5에 대한 Zre의 워버그 임피던스 스펙트럼을 도시한 것이다. 이로부터 VGCF/NFO는 정전류 충방전 과정에서 이온 확산이 NFO보다 용이함을 확인할 수 있다.The lower part of the EIS spectrum belongs to the bounded diffusion of ions within the particle, which is influenced by the particle geometry and distribution. Figure 7 (c) shows the Warburg impedance spectrum of Z re with respect to ω -0.5 after 100 cycles of cycling tests. From this, it can be seen that the VGCF/NFO is easier to diffuse ion than the NFO during the constant current charging and discharging process.

클러스터형 VGCF/NFO 혼성 나노복합체의 현저히 우수한 율특성 및 순환 안정성은 독특한 형태의 혼성 나노복합체에 기인한 것일 수 있다. VGCF는 전자 및 Li+ 이온 확산과 관련된 전기전도도에 중요한 역할을 하고, 탄소 섬유 또는 VGCF의 자가-지지(self-supporting) 및 부하저감(stress releasing) 특성은 충방전 과정에서의 VGCF/NFO 혼성 나노복합체의 부하를 피할 수 있으며, VGCF/NFO는 순환 중 지속하여 SEI 층을 형성하여 쿨롬효율을 유지할 수 있다. 또한, VGCF 원재료 및 기타 전구체는 경제적이고, 쉽게 획득가능하여 이로부터 쉽게 VGCF/NFO 전극재를 제조할 수 있다.The remarkably excellent rate characteristics and cyclic stability of the clustered VGCF/NFO hybrid nanocomposite may be attributed to the unique form of the hybrid nanocomposite. VGCF plays an important role in the electrical conductivity related to electron and Li + ion diffusion, and the self-supporting and stress releasing properties of carbon fiber or VGCF are the VGCF/NFO hybrid nanoparticles in the charge and discharge process. The load on the composite can be avoided, and the VGCF/NFO can continue to form the SEI layer during circulation to maintain the coulomb efficiency. In addition, VGCF raw materials and other precursors are economical and readily obtainable, so that a VGCF/NFO electrode material can be easily manufactured therefrom.

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.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, 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 indicated by the claims to be described later, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and the concept of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (20)

탄소 섬유; 및
상기 섬유의 표면 중 적어도 일부에 코팅된 금속 산화물 입자;를 포함하는, 리튬이차전지용 음극활물질.
Carbon fiber; And
Metal oxide particles coated on at least a portion of the surface of the fiber; containing, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 기상 성장 탄소 섬유인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The carbon fiber is a vapor-grown carbon fiber, an anode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 금속은 전이금속인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The metal is a transition metal, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 금속은 니켈 및 철의 혼합물인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The metal is a mixture of nickel and iron, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 평균 직경 50~150 ㎚, 평균 길이 10~1,000 ㎛인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The carbon fiber has an average diameter of 50 to 150 ㎚, an average length of 10 to 1,000 ㎛, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 입자는 평균 입경이 50~2,000 ㎚인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The particles have an average particle diameter of 50 to 2,000 nm, an anode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 클러스터형 구조를 가지는, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material has a cluster-type structure, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은,
Cu-Kα 방사선을 이용한 XRD 2θ 값이,
26±1°인 피크; 및
30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1° 및 62±1°로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 피크;를 가지는, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative active material,
XRD 2θ value using Cu-K α radiation,
A peak of 26±1°; And
For lithium secondary batteries having at least one peak selected from the group consisting of 30±1°, 35±1°, 37±1°, 43±1°, 53±1°, 57±1°, and 62±1° Negative active material.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 산소, 탄소 및 상기 금속의 원자 농도비가 각각 1 : 0.1~10 : 0.1~5인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material has an atomic concentration ratio of oxygen, carbon and the metal of 1: 0.1 to 10: 0.1 to 5, respectively, a negative active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 방전용량의 최댓값이 500 mAh/g 이상인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material has a maximum discharge capacity of 500 mAh/g Above, negative active material for lithium secondary batteries.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 쿨롬효율이 60.0~99.9%인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material has a coulomb efficiency of 60.0 to 99.9%, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 전류밀도 3,000 mA/g의 충방전 800회를 거친 후의 방전용량이 2회차 방전용량을 기준으로 60% 이상인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material has a discharge capacity of at least 60% based on the second discharge capacity after 800 charging and discharging with a current density of 3,000 mA/g.
제1항에 있어서,
상기 음극활물질은 전류밀도 100~3,000 mA/g의 조건에서 방전용량이 500 mAh/g 이상인, 리튬이차전지용 음극활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material has a discharge capacity of 500 mAh/g or more under the conditions of a current density of 100 to 3,000 mA/g, a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
(a) 금속 전구체, 요소 및 용매를 포함하는 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 용액에 탄소 섬유를 투입하고 100~300℃에서 1~12시간 동안 반응시키는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계의 생성물을 400~600℃에서 1~12시간 동안 하소하는 단계;를 포함하는, 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
(a) preparing a solution comprising a metal precursor, urea and a solvent;
(b) adding carbon fiber to the solution and reacting at 100 to 300° C. for 1 to 12 hours; And
(c) calcining the product of step (b) at 400 to 600° C. for 1 to 12 hours; containing, a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery.
제14항에 있어서,
상기 금속 전구체 및 상기 요소의 몰비는 1 : 1~5인, 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 14,
The molar ratio of the metal precursor and the urea is 1: 1 to 5, a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제14항에 있어서,
상기 금속 전구체 및 상기 용매의 몰비는 1 : 0.5~1.5인, 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 14,
The molar ratio of the metal precursor and the solvent is 1: 0.5 to 1.5, a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제14항에 있어서,
상기 (b) 단계의 반응은 1단 수열합성 반응인, 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 14,
The reaction of step (b) is a one-stage hydrothermal synthesis reaction, a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery.
제14항에 있어서,
상기 (c) 단계는 Ar 분위기 하에서 수행되는, 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 14,
The step (c) is carried out in an Ar atmosphere, a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된, 리튬이차전지용 음극.A negative electrode for a lithium secondary battery in which the slurry including the negative electrode active material, a binder, and a conductive material according to any one of claims 1 to 13 is applied to a current collector. 제19항에 있어서,
상기 음극활물질, 상기 바인더 및 상기 도전재의 중량비는 각각 40~100 : 1~20 : 1~20인, 리튬이차전지용 음극.
The method of claim 19,
The negative electrode active material, the binder, and the weight ratio of the conductive material is 40 to 100: 1 to 20: 1 to 20, respectively, a negative electrode for a lithium secondary battery.
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