KR20210127050A - Method of manufactureing anode of a lithium ion secondary battary for fast charging and anode - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a method for manufacturing an electrode of a lithium ion battery for rapid charging and an electrode of a lithium ion battery. According to one specific embodiment, a TiO_2(B) nano-belt is manufactured from titanium dioxide powder to form a channel for lithium ion transport and an active site in more open shape, the intrinsic properties of titanium dioxide are improved by doping with nitrogen to adjust an electronic structure of titanium dioxide, and an internal surface area and electrical conductivity can be increased, thereby improving the stable fast charging performance of a lithium ion secondary battery.

Description

급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법 및 리튬이온전지의 전극{METHOD OF MANUFACTUREING ANODE OF A LITHIUM ION SECONDARY BATTARY FOR FAST CHARGING AND ANODE}Electrode manufacturing method of lithium ion battery for fast charging and electrode of lithium ion battery

본 발명은 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법 및 리튬이온전지의 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 TiO2(B) 나노 벨트를 제조한 다음 질소를 도핑하여 리튬이온전지의 음극 전극을 제조함에 따라 리튬이온 이차전지의 빠른 충전 성능을 향상시키고 안정성 또한 유지시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode of a lithium ion battery for rapid charging and an electrode of a lithium ion battery, and more particularly, to manufacturing a TiO 2 (B) nano belt and then doping nitrogen to prepare a negative electrode of a lithium ion battery Accordingly, it relates to a technology for improving the fast charging performance of a lithium ion secondary battery and also maintaining stability.

리튬이온전지 시스템에서 이산화 티타늄 (TiO2)은 전이금속 산화물로 우수한 구조 안정성, 높은 방전 전압 안정도 (Li/Li+ 대비 1.7 V 이상), 우수한 사이클링 안정성, 환경 친화적, 높은 안전성을 나타내어 anode 물질로 사용된다. In lithium-ion battery systems, titanium dioxide (TiO 2 ) is a transition metal oxide and has excellent structural stability, high discharge voltage stability ( over 1.7 V compared to Li/Li + ), excellent cycling stability, environmental friendliness, and high safety, so it is used as an anode material. do.

하지만 도 1에 도시된 이산화 티타늄은 낮은 이론적 용량(330mAh g-1)과 낮은 전기전도도, 부족한 속도 성능 등의 한계점이 있다. 이러한 한계점을 해결하기위해 적절한 상 선택 및 나노 구조로 디자인하고, 불균일 원자의 도핑을 통해 리튬이온의 수송을 위한 더 확장된 채널과 활성 사이트를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 고유의 전기전도도를 시킬 수 있는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.However, the titanium dioxide shown in FIG. 1 has limitations such as low theoretical capacity (330mAh g -1 ), low electrical conductivity, and insufficient speed performance. In order to solve these limitations, it is possible to design with appropriate phase selection and nanostructure, and form more extended channels and active sites for lithium ion transport through doping of heterogeneous atoms, as well as intrinsic electrical conductivity. Research is being actively conducted.

이때 이산화 티타늄의 여러 상(루타일, 아나타제, 브루카이트, TiO2(B) 등) 중에서 TiO2(B)는 monoclinic 결정 시스템으로, 루타일, 아나타제보다 더 개방된 구조를 가진다. TiO2(B)는 다른 상에 비하여 골격의 밀도가 낮고, 큰 채널과 기공을 나타낸다. 따라서 TiO2(B)는 168mAh/g정도의 용량을 나타내는 루타일, 아나타제에 비해 250mAh/g라는 높은 용량을 나타낸다. At this time, among the various phases of titanium dioxide (rutile, anatase, brookite, TiO 2 (B), etc.), TiO 2 (B) is a monoclinic crystal system, and has a more open structure than rutile and anatase. TiO 2 (B) has a low backbone density compared to other phases, and exhibits large channels and pores. Therefore, TiO 2 (B) exhibits a higher capacity of 250 mAh/g than rutile and anatase, which exhibit a capacity of about 168 mAh/g.

한편, 나노 구조는 리튬이온의 탈, 삽입 경로를 단축하여 리튬이온 확산을 촉진할 수 있다. 그 중 이산화 티타늄 나노 벨트는 1차원 (1D) 물질로서, 짧은 확산 경로, 비교적 큰 표면적 및 강한 기계적 강도를 나타낸다. 이는 리튬이온과 전자의 빠른 수송을 이루기 위한 효율적인 채널을 형성할 수 있다.On the other hand, the nanostructure can promote lithium ion diffusion by shortening the desorption and insertion path of lithium ions. Among them, the titanium dioxide nanobelt is a one-dimensional (1D) material, which exhibits a short diffusion path, a relatively large surface area, and strong mechanical strength. This can form an efficient channel for fast transport of lithium ions and electrons.

이에 본 출원인은 TiO2(B) 나노 벨트를 제작하여 리튬이온 수송을 위한 채널 및 활성 사이트를 보다 개방된 형태를 형성할 수 있고, 질소를 도핑하여 이산화 티타늄의 전자 구조를 조정함으로써 이산화 티타늄의 고유 특성을 개선하고, 내부 표면적 및 전기 전도성을 증가시키는 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, the applicant TiO 2 (B) By fabricating a nanobelt, channels and active sites for lithium ion transport can be formed more open, and by doping with nitrogen The purpose of this study is to propose a method for improving the intrinsic properties of titanium dioxide and increasing the internal surface area and electrical conductivity by adjusting the electronic structure of titanium dioxide.

한국공개특허 제2016-0001841(2016.01.07)Korea Patent Publication No. 2016-0001841 (2016.01.07)

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 TiO2(B) 나노 벨트를 제작하여 리튬이온 수송을 위한 채널 및 활성 사이트를 보다 개방된 형태를 형성하고, 질소를 도핑하여 이산화 티타늄의 전자 구조를 조정함으로써 이산화 티타늄의 고유 특성을 개선하고, 내부 표면적 및 전기 전도성을 증가시킬 수 있고, 이에 리튬이온 이차전지의 고속 충전 성능을 향상시키고 안정성 또한 유지시킬 수 있는 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법 및 리튬이온전지의 전극을 제공하고자 함에 목적이 있다.Therefore, the technical task to be achieved by the present invention is TiO 2 (B) Nanobelts were made to form more open channels and active sites for lithium ion transport, and nitrogen was doped to By adjusting the electronic structure of titanium dioxide, it is possible to improve the intrinsic properties of titanium dioxide and increase the internal surface area and electrical conductivity, thereby improving the fast charging performance of lithium ion secondary batteries and maintaining stability. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrode for an ion battery and an electrode for a lithium ion battery.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects and advantages of the present invention not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the examples of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by means of the means and combinations thereof indicated in the claims.

일 실시예에 따른 실시 양태에 의거, 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법은According to an embodiment according to an embodiment, the electrode manufacturing method of a lithium ion battery for rapid charging is

이산화 티타늄 파우더를 수열 합성 기법을 수행하여 TiO2(B) 나노 벨트를 제작한 다음 질소를 도핑하여 음극제를 제작하는 과정; TiO 2 (B) by performing hydrothermal synthesis of titanium dioxide powder a process of fabricating a nano-belt and then doping nitrogen to fabricate a negative electrode;

구리 디스크 형태의 기판에 제작된 음극제, 카본 블랙, PVDF을 7:2:1의 질량 비로 NMP에 분산시켜 균일하게 침착된 필름을 스핀 코팅하여 증착한 다음 120℃에서 건조시켜 음극을 제작하는 과정; 및 A process of dispersing a cathode agent, carbon black, and PVDF produced on a copper disk-shaped substrate in NMP in a mass ratio of 7:2:1, spin-coating and depositing a uniformly deposited film, followed by drying at 120°C to fabricate an anode ; and

에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트가 1:1 비율로 혼합된 1M LiPF6의 전해질에 담근 glass fiber를 분리막으로 사용하여 리튬 금속을 상기 음극에 대한 상대 전극으로 구비된 코인셀 형태의 반쪽 전지 제작과정을 포함하는 것을 일 특징으로 한다. Using a glass fiber dipped in an electrolyte of 1M LiPF 6 in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate are mixed in a 1:1 ratio as a separator, and lithium metal as a counter electrode for the negative electrode. It is characterized by one thing.

바람직하게 상기 음극제 제작과정은, Preferably, the negative electrode preparation process is

이산화 티타늄 파우더 P25를 수열 합성 기법을 이용하여 TiO2(B) 나노 벨트 TNB를 제작하는 TNB제작단계; 및 TNB manufacturing step of producing TiO 2 (B) nano-belt TNB using the hydrothermal synthesis technique of titanium dioxide powder P25; and

제작된 TiO2(B) 나노 벨트 TNB에 질소를 도핑하여 음극 물질을 제작하는 질소도핑단계를 포함할 수 있다.The prepared TiO 2 (B) nano-belt TNB may be doped with nitrogen to prepare an anode material.

바람직하게 상기 TNB제작단계는 Preferably, the TNB production step is

P25 0.8g을 10M의 NaOH 용액 80mL에 분산시키고, 테프론 라이닝 오토클레이브에 넣어 180℃에서 24시간 동안 열처리한 다음 상온에서 냉각하고 이 후 증류수와 에탄올로 세척하는 단계;0.8 g of P25 was dispersed in 80 mL of a 10M NaOH solution, put in a Teflon-lined autoclave, heat-treated at 180° C. for 24 hours, cooled at room temperature, and then washed with distilled water and ethanol;

수득물을 상온에서 0.1M HCl 100mL에 24시간 동안 분산하고, 중성이 될 때까지 증류수와 에탄올로 세척하는 단계;Dispersing the obtained product in 100 mL of 0.1M HCl at room temperature for 24 hours, washing with distilled water and ethanol until neutral;

이후 80℃에서 12시간 동안 건조시킨 뒤, 아르곤 분위기에서 500℃로 3시간동안 하소시켜 TiO2(B) 나노 벨트(TNB)를 제작하는 단계를 포함할 수 있다. After drying at 80° C. for 12 hours, calcining at 500° C. for 3 hours in an argon atmosphere may include preparing a TiO 2 (B) nano-belt (TNB).

바람직하게 상기 질소도핑단계는Preferably, the nitrogen doping step

요소와 TiO2(B) 나노 벨트를 3:1의 질량 비로 혼합하여 혼합 가스(아르곤/수소) 분위기에서 500℃로 2시간동안 하소시켜 질소가 도핑된 TiO2(B) 나노 벨트 N-TNB를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.Urea and TiO 2 (B) nanobelts were mixed in a mass ratio of 3:1 and calcined at 500° C. for 2 hours in a mixed gas (argon/hydrogen) atmosphere to prepare TiO 2 (B) nanobelts N-TNB doped with nitrogen. It may include a manufacturing step.

일 실시 예에 따르면, 이산화 티타늄 파우더로부터 TiO2(B) 나노 벨트를 제작하여 리튬이온 수송을 위한 채널 및 활성 사이트를 보다 개방된 형태를 형성하고, 질소를 도핑하여 이산화 티타늄의 전자 구조를 조정함으로써 이산화 티타늄의 고유 특성을 개선하고, 내부 표면적 및 전기 전도성을 증가시킬 수 있고, 이에 리튬이온 이차전지의 안정적인 고속 충전 성능을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment, titanium dioxide TiO 2 (B) from powder Nanobelts were made to form more open channels and active sites for lithium ion transport, and nitrogen was doped to By adjusting the electronic structure of titanium dioxide, it is possible to improve the intrinsic properties of titanium dioxide, increase the internal surface area and electrical conductivity, and thereby improve the stable fast charging performance of the lithium ion secondary battery.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 코인셀의 구성을 보인 도이다.
도 2는 일 실시 예의 코인셀 제작 과정을 보인 전체 흐름도이다.
도 3은 일 실시 예의 음극제작과정을 세부 과정을 보인 흐름도이다.
도 4는 일 실시예의 주사전자현미경(SEM)이미지를 보인 도이다.
도 5는 일 실시예의 X선 회절 패턴(XRD)을 보인 도들이다.
도 6은 일 실시예의 X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 N-TNB의 표면 분석 결과를 보인 도들이다.
도 7은 일 실시예의 순환전류법에 의한 리튬이온전지의 전기화학적 역학 특성을 보인 도들이다.
도 8은 일 실시예의 정전류 충, 방전법을 이용한 리튬이온전지의 전기화학적 역학 특성을 보인 도들이다.
도 9는 일 실시예의 리튬이온전지의 속도 성능을 보인 도들이다.
도 10은 일 실시예의 임피던스 분광법을 이용한 리튬이온전지의 전기화학적 역학 특성을 보인 도들이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so the present invention is a matter described in such drawings should not be construed as being limited only to
1 is a view showing the configuration of a general coin cell.
2 is an overall flowchart illustrating a process of manufacturing a coin cell according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a detailed process of manufacturing an anode according to an embodiment.
4 is an embodiment of It is a diagram showing a scanning electron microscope (SEM) image.
5 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern (XRD) according to an exemplary embodiment.
6 is a view showing the results of surface analysis of N-TNB using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) according to an embodiment.
7 is a graph showing the electrochemical dynamics characteristics of a lithium ion battery according to the cyclic current method according to an embodiment. are the ones shown
8 is a graph illustrating electrochemical dynamics characteristics of a lithium ion battery using a constant current charging and discharging method according to an embodiment. are the ones shown
9 is a speed performance of a lithium ion battery according to an embodiment; are the ones shown
10 is a diagram illustrating impedance spectroscopy according to an embodiment. The electrochemical and mechanical properties of lithium-ion batteries are the ones shown

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for purposes of illustration only, and may be changed and implemented in various forms. Accordingly, the embodiments are not limited to a specific disclosure form, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical spirit.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Although terms such as first or second may be used to describe various components, these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected to” another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it should be understood that another component may exist in between.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, and includes one or more other features or numbers, It should be understood that the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 2는 도 1에 도시된 코인셀의 제작 과정을 보인 전체 흐름도이고 도 3은 도 2에 도시된 음극제 제작과정(100)의 세부 과정을 보인 흐름도로서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 음극제 제작과정(100), 음극 제작과정(200), 및 반쪽 전지 제작과정(300)을 포함할 수 있다.FIG. 2 is an overall flowchart showing the manufacturing process of the coin cell shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a flowchart showing the detailed process of the negative electrode manufacturing process 100 shown in FIG. 2, with reference to FIGS. 2 and 3, It may include a negative electrode manufacturing process 100 , a negative electrode manufacturing process 200 , and a half-cell manufacturing process 300 .

여기서, 음극제 제작과정(100)은 TNB제작단계(110) 및 질소도핑단계(120)을 포함할 수 있다. 여기서, TNB제작단계(110)는 이산화 티타늄 파우더 P25를 수열 합성 기법을 이용하여 TiO2(B) 나노 벨트 TNB를 제작하도록 구비될 수 있다. 즉, TNB제작단계(110)는 이산화 티타늄 파우더 P25 0.8g을 10M의 NaOH 용액 80mL에 분산시키고, 테프론 라이닝 오토클레이브에 넣어 180℃에서 24시간 동안 열처리한 다음 상온에서 냉각하고 이 후 증류수와 에탄올로 한다. Here, the negative electrode manufacturing process 100 may include a TNB manufacturing step 110 and a nitrogen doping step 120 . Here, the TNB manufacturing step 110 is TiO 2 (B) using a hydrothermal synthesis technique of titanium dioxide powder P25. It can be provided to fabricate a nano-belt TNB. That is, in the TNB manufacturing step 110, 0.8 g of titanium dioxide powder P25 is dispersed in 80 mL of 10 M NaOH solution, put in a Teflon-lined autoclave, heat-treated at 180° C. for 24 hours, and then cooled at room temperature and then with distilled water and ethanol do.

그리고 TNB제작단계(110)는 수득물을 상온에서 0.1M HCl 100mL에 24시간 동안 분산하고, 중성이 될 때까지 증류수와 에탄올로 세척한 이 후 80℃에서 12시간 동안 건조시킨 뒤, 아르곤 분위기에서 500℃로 3시간동안 하소시켜 TiO2(B) 나노 벨트(TNB)를 제작한다.And in the TNB production step 110, the obtained product is dispersed in 100 mL of 0.1M HCl at room temperature for 24 hours, washed with distilled water and ethanol until neutral, and then dried at 80° C. for 12 hours, and then in an argon atmosphere. The TiO 2 (B) nano belt (TNB) was prepared by calcining at 500° C. for 3 hours.

이 후 제작된 TiO2(B) 나노 벨트 TNB에 질소를 도핑하여 애노드 물질(음극제)을 제작하는 질소도핑단계(120)가 수행된다. TiO 2 (B) produced thereafter A nitrogen doping step 120 of manufacturing an anode material (cathode) by doping nitrogen into the nano-belt TNB is performed.

즉, 질소도핑단계(120)는 요소와 TiO2(B) 나노 벨트를 3:1의 질량 비로 혼합하여 혼합 가스(아르곤/수소) 분위기에서 500℃로 2시간동안 하소시켜 질소가 도핑된 TiO2(B) 나노 벨트 N-TNB를 제작할 수 있다.That is, in the nitrogen doping step 120, urea and TiO 2 (B) nanobelts are mixed in a mass ratio of 3:1 and calcined in a mixed gas (argon/hydrogen) atmosphere at 500° C. for 2 hours, and nitrogen-doped TiO 2 (B) Nanobelt N-TNB can be produced.

그리고, 음극 제작과정(200)은 기판으로 구리 디스크(지름 15mm)를 준비하고, 음극제 0.21g, 카본 블랙 0.06g, PVDF 0.03g을 NMP 2.5mL에 분산시켜 균일하게 침착하여 얻은 필름을 스핀코팅하여 필름을 기판에 증착하고 120℃에서 건조시켜 음극전극을 제조한다.Then, in the anode manufacturing process 200, a copper disk (diameter 15 mm) is prepared as a substrate, and 0.21 g of anode agent, 0.06 g of carbon black, and 0.03 g of PVDF are dispersed in 2.5 mL of NMP to uniformly deposit the resulting film by spin coating. Then, the film is deposited on the substrate and dried at 120° C. to prepare a cathode electrode.

또한, 반쪽 전지 제작과정(300)은 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트가 1:1 비율로 혼합된 1M LiPF6의 전해질에 담근 glass fiber를 분리막으로 이용하여 리튬 금속이 음극의 상대 전극으로 구비된 코인셀의 반쪽 전지를 제작할 수 있다. In addition, the half-cell manufacturing process 300 uses a glass fiber dipped in an electrolyte of 1M LiPF 6 in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate are mixed in a 1:1 ratio as a separator, and lithium metal is used as the counter electrode of the coin cell. Half cells can be crafted.

도 4는 이산화 티타늄 파우더 P25, TiO2(B) 나노 벨트 TNB, 질소가 도핑된 TiO2(B) 나노 벨트 N-TNB 각각의 주사전자현미경 이미지를 보인 도면으로서, 도 4를 참조하면, 입자 형태로 응집되어 있는 P25가 수열 합성법을 통해 나노 벨트 형태로 변형된 것을 확인할 수 있다. 이때 나노 벨트는 약 50-300nm의 너비를 나타낸다.Figure 4 is titanium dioxide powder P25, TiO 2 (B) Nanobelt TNB, Nitrogen-doped TiO 2 (B) Nanobelt N-TNB as a scanning electron microscope image of each. Referring to FIG. 4 , P25, which is aggregated in the form of particles, is in the form of a nano belt through hydrothermal synthesis. It can be seen that the transformation into At this time, the nanobelt has a width of about 50-300 nm.

그리고, 질소 도핑된 N-TNB와 도핑하지 않은 TNB를 비교하였을 때 형태의 변화가 거의 나타나지 않는 것으로 보아 질소 도핑이 나노 벨트의 형태 변화에는 영향을 미치지 않았음을 확인할 수 있다. In addition, it can be confirmed that nitrogen doping did not affect the shape change of the nanobelts, as there was almost no change in shape when nitrogen-doped N-TNB and undoped TNB were compared.

도 5는 이산화 티타늄 파우더 P25, TiO2(B) 나노 벨트 TNB, 질소가 도핑된 TiO2(B) 나노 벨트 N-TNB 각각의 XRD 패턴을 보인 도들로서, 도 5를 참조하면, (a)는 P25, TNB, N-TNB의 θ-2θ결합 모드의 X-선 회절 패턴을 보인 도면으로서, (a)를 참조하면, P25의 회절 peak는 2θ=25.1˚에서 TiO2 아나타제상에 의한 (101)가 나타나고 2θ=27.2˚에서 루타일상에 의한 (110)가 나타난다. 또한, TNB와 N-TNB는 500℃에서의 어닐링으로 TiO2(B)상으로 전이되어 2θ= 29.6˚와 2θ= 43.9˚에서 TiO2(B)상의 주요 회절 peak가 나타나며 monoclinic [JCPDS NO. 46-1237] 결정 시스템을 가진다. 5 is titanium dioxide powder P25, TiO 2 (B) Nanobelt TNB, Nitrogen-doped TiO 2 (B) As a figure showing the XRD pattern of each of the nanobelt N-TNB, referring to FIG. 5 , (a) is the θ-2θ bonding mode of P25, TNB, and N-TNB. of a view showing an X- ray diffraction pattern, with reference to (a), diffraction peak of P25 appears that 101 according to the TiO 2 anatase at 2θ = 25.1˚ by daily doubles at 2θ = 27.2˚ (110 ) appears. In addition, TNB and N-TNB were transferred to the TiO 2 (B) phase by annealing at 500° C., and main diffraction peaks of the TiO 2 (B) phase appeared at 2θ = 29.6˚ and 2θ = 43.9˚, and monoclinic [JCPDS NO. 46-1237] has a decision system.

(b)를 참조하면, TNB와 N-TNB의 회절 peak (110) shift를 나타낸다. 질소가 도핑된 N-TNB가 오른쪽으로 shift되었는데, 이는 질소 도핑으로 인해 d-spacing(면 간 거리)이 감소하였음을 의미한다. O2-보다 큰 N3-로의 치환과 전하보상결함에 의한 자간 질소의 형성으로 인해 d-spacing이 감소하게 된다.Referring to (b), the diffraction peak (110) shift of TNB and N-TNB is shown. N-TNB doped with nitrogen was shifted to the right, which means that d-spacing (interplanar distance) decreased due to nitrogen doping. The d-spacing is reduced due to the substitution of larger N 3 than O 2 - and the formation of interstitial nitrogen due to charge compensation defects.

또한, O2-가 N3-로 치환되면서 형성된 vacancy가 TiO2 lattice에 결함을 형성하여 전자가 이동 통로를 생성하여 전자의 이동성이 증가하므로 전기전도성이 증가할 수 있다.In addition, the vacancy formed when O 2 - is replaced with N 3 - forms a defect in the TiO 2 lattice and creates a passage for electrons to move, thereby increasing the mobility of electrons, thereby increasing electrical conductivity.

도 6은 X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 N-TNB의 표면 분석 결과를 보인 도면으로서, 도 6을 참조하면 (a)는 Ti 2p 영역에서 Ti-O 결합 (Ti4+)에 의한 결합 에너지 peak가 458.8eV와 464.5eV에서 나타냄을 확인할 수 있고, 질소 도핑에 의한 Ti-N 결합 에너지 peak 또한 457.5eV에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 6 is a view showing the surface analysis result of N-TNB using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Referring to FIG. 6, (a) is a Ti-O bond (Ti 4+ ) in the Ti 2p region binding energy due to It can be seen that the peaks appear at 458.8eV and 464.5eV, and it can be confirmed that the Ti-N binding energy peak by nitrogen doping also appears at 457.5eV.

(b)를 참조하면, O 1s 영역에서는 Ti-O 결합에 의한 특정 peak가 530.2eV에서 나타냄을 알 수 있다.Referring to (b), in the O 1s region, it can be seen that a specific peak due to Ti-O bonding is shown at 530.2 eV.

(c)는 질소 도핑에 의한 N 1s 영역의 고해상도 XPS를 보인 도면으로서, (c)를 참조하면, 도핑된 질소의 비율은 약 0.67atom%이고, 자간 도핑된 질소에 의한 O-Ti-N 결합은 400.6eV에서, 치환 도핑된 질소에 의한 Ti-N 결합은 396.2eV에서 나타내고 자간 도펀트의 경우, 산소 원자의 높은 전기음성도에 의해 질소 원자에 대한 전자 밀도가 감소하여 치환된 Ti-N 결합보다 높은 결합 에너지를 나타낸다. 또한 질소의 자간 도핑이 치환 도핑보다 우세하게 나타냄을 알 수 있다.(c) is a diagram showing high-resolution XPS of the N 1s region by nitrogen doping. Referring to (c), the ratio of doped nitrogen is about 0.67 atom%, and O-Ti-N bonding by inter-terminal doped nitrogen. At 400.6 eV, the Ti-N bond by the substitutional doped nitrogen is shown at 396.2 eV, and in the case of the intercalation dopant, the electron density for the nitrogen atom is decreased due to the high electronegativity of the oxygen atom, which is higher than the substituted Ti-N bond. It exhibits high binding energy. Also, it can be seen that intercalation doping of nitrogen is more dominant than substitution doping.

도 7은 순환 전압전류법을 이용한 N-TNB를 도입한 리튬이온전지의 전기화학적 역학 특성 평가 결과를 보인 도면으로서, 여기서, 전기화학적 역학 특성을 평가하기위해 P25, TNB, N-TNB을 anode로 사용한 리튬이온 반쪽전지의 순환 전압전류법을 수행한다.7 is a view showing the results of evaluation of electrochemical dynamics of a lithium ion battery incorporating N-TNB using cyclic voltammetry, where P25, TNB, and N-TNB are used as anodes to evaluate electrochemical dynamics. Cyclic voltammetry was performed on the used lithium-ion half-cell.

즉, 순환 전압전류법은 리튬이온 확산 계수를 측정하기 위해 1-3V의 전위범위에서 0.1-0.5mV s-1의 주사 속도로 수행되어 전압에 대한 전류 변화(CV곡선)를 나타내었다. That is, the cyclic voltammetry was performed at a scan rate of 0.1-0.5 mV s -1 in the potential range of 1-3V to measure the lithium ion diffusion coefficient, thereby showing the change in current with respect to voltage (CV curve).

이에 도 7을 참조하면, 아나타제상과 루타일상의 혼합상인 P25는 약 1.7V에서 리튬이온 삽입에 의한 환원 peak가 발생되고, 약 2.1V에서 리튬이온 탈착에 의한 산화 peak가 발생됨을 알 수 있고, TiO2(B)상인 TNB와 N-TNB는 1.5V부근에서 산화 환원 peak가 나타냄을 확인할 수 있다. Accordingly, referring to FIG. 7, in P25, which is a mixed phase of anatase phase and rutile phase, a reduction peak due to lithium ion insertion is generated at about 1.7 V, and an oxidation peak due to lithium ion desorption occurs at about 2.1 V. It can be seen that, TiO 2 (B) phase TNB and N-TNB can be confirmed that the redox peak appears around 1.5V.

또한, 각 주사 속도에서 측정된 CV곡선은 주사 속도의 제곱근에 대한 peak 세기로 나타내어 다음 Randles-Sevcik 식을 이용해 리튬이온 확산계수를 도출할 수 있고, 리튬이온 확산계수는 다음 식을 만족할 수 있다.In addition, the CV curve measured at each scan rate is expressed as the peak intensity with respect to the square root of the scan rate, so the lithium ion diffusion coefficient can be derived using the following Randles-Sevcik equation, and the lithium ion diffusion coefficient can satisfy the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

N-TNB의 리튬이온확산계수는 4.189×10-5cm2 s-1로 도핑되지 않은 TNB(2.292 ×10-5cm2 s-1)보다 약 2배 증가됨을 알 수 있다. 이는 질소 도핑이 N-TNB 전극의 리튬 이온 저장 거동의 효율성을 증가시켜 리튬이온전지에 활용될 때 N-TNB의 전기화학 역학 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다.Lithium ions of N-TNB diffusivity can be seen that about two times increased than 4.189 × 10 -5 cm 2 s -1 undoped TNB (2.292 × 10 -5 cm 2 s -1) to. This means that nitrogen doping increases the efficiency of the lithium ion storage behavior of the N-TNB electrode, which can greatly improve the electrochemical dynamics performance of N-TNB when used in lithium-ion batteries.

도 8은 정전류 충, 방전법을 이용한 N-TNB를 도입한 리튬이온전지의 전기화학적 역학 특성 평가 결과를 보인 도면으로서, 여기서, 충, 방전 사이클링은 1-3V 전위범위에서 수행한다.8 is a view showing the evaluation results of electrochemical dynamics characteristics of a lithium ion battery incorporating N-TNB using a constant current charging and discharging method, wherein the charging and discharging cycling is performed in the 1-3V potential range.

(a)~(c)는 1C ~ 40C(1C=300mA g-1)에서의 P25, TNB, N-TNB의 충, 방전 개요를 나타낸 도면으로서, 도시된 CV곡선을 참조하면 P25는 약 1.7V와 약 2.1V에서 리튬이온의 탈, 삽입에 의한 평탄면이 발생하고 TNB와 N-TNB는 1.5V 부근에서 리튬이온의 탈, 삽입이 발생하는 S-곡선임을 확인할 수 있다. (a) to (c) are diagrams showing the outline of charging and discharging of P25, TNB, and N-TNB at 1C to 40C (1C=300mA g -1 ). Referring to the CV curve shown, P25 is about 1.7V It can be seen that at about 2.1V, a flat surface occurs due to lithium ion removal and insertion, and TNB and N-TNB are S-curves in which lithium ion removal and insertion occurs around 1.5V.

또한, P25와 TNB는 1C에서 120mAh g-1, 148mAh g-1의 방전 용량을 나타내지만 40C에서는 0에 가까운 방전 용량을 나타내었다. 반면에 N-TNB는 1C에서 160mAh g-1의 방전 용량을 나타냈고, 40C에서는 40mAh g-1의 용량을 나타낸다.In addition, P25 and TNB showed discharge capacities of 120 mAh g -1 and 148 mAh g -1 at 1C, but near zero at 40 C. In contrast to the N-TNB it is showed a discharge capacity of 160mAh g -1 at 1C, 40C shows the capacity of 40mAh g -1.

(d)는 100mA g-1에서의 사이클 성능을 비교한 도면으로서, P25는 초기 약 140mAh g-1의 방전 용량을 나타내었으나 리튬이온의 탈, 삽입 과정 동안에 입자간 응집이 발생하면서 다음 충, 방전에 더 많은 과전압이 요구되어 100사이클 이후에는 초기 용량의 50% 이하를 유지한다. TNB는 초기에 약 146mAh g-1를 나타내었으나 N-TNB에 비하여 큰 감소폭을 보였다. 반면에 N-TNB는 초기 방전 용량은 179.4mAh g-1이고 100사이클 이후에는 초기 용량의 66% 이상을 유지한다. 이를 통해 질소 도핑에 의한 TNB의 전기화학적 역학 및 전기 전도도가 향상됨을 확인할 수 있다.(d) is a diagram comparing cycle performance at 100 mA g -1 . P25 showed an initial discharge capacity of about 140 mAh g -1. More overvoltage is required to maintain 50% or less of the initial capacity after 100 cycles. TNB initially showed about 146mAh g -1 , but showed a large decrease compared to N-TNB. On the other hand, N-TNB has an initial discharge capacity of 179.4 mAh g -1 and maintains more than 66% of the initial capacity after 100 cycles. Through this, it can be confirmed that the electrochemical dynamics and electrical conductivity of TNB are improved by nitrogen doping.

도 9는 충, 방전 속도 성능 평가 결과를 보인 도면으로서, (a)를 참조하면, N-TNB가 모든 전류 밀도에서 가장 높은 방전 용량을 나타냄을 알 수 있다. 특히, N-TNB는 40C에서 40mAh g-1의 용량을 유지하였다. 게다가 다시 1C의 속도로 수행하였을 때 132mAh g-1의 가역적인 용량을 나타낸다.9 is a view showing the results of charging and discharging rate performance evaluation. Referring to (a), it can be seen that N-TNB exhibits the highest discharge capacity at all current densities. In particular, N-TNB maintained a capacity of 40 mAh g -1 at 40C. Moreover, it shows a reversible capacity of 132mAh g -1 when it is performed again at a rate of 1C.

(b)를 참조하면 1A g-1에서의 장 주기 사이클에서도 P25와 TNB가 초기 방전 용량의 약 34% 와 40%만을 유지한 반면에, N-TNB는 초기 방전 용량의 51%인 약 68mAh g-1을 나타낸다. Referring to (b), P25 and TNB maintained only about 34% and 40% of the initial discharge capacity even at a long cycle cycle at 1A g -1 , whereas the N-TNB had 51% of the initial discharge capacity, about 68 mAh g. represents -1.

(c)를 참조하면, 고속 방전(리튬이온 삽입)과 느린 충전(리튬이온 탈착)에서의 사이클 성능에서도 확인할 수 있다. P25는 77.8mAh g-1의 초기 방전 용량을 나타내고 100 사이클 이후에 61%을 유지한 반면에 N-TNB는 131.5mAh g-1의 초기 방전 용량을 나타내고 80% 이상을 유지한다.Referring to (c), the cycle performance can also be confirmed in fast discharging (lithium ion insertion) and slow charging (lithium ion desorption). P25 exhibits an initial discharge capacity of 77.8 mAh g -1 and maintains 61% after 100 cycles, whereas N-TNB exhibits an initial discharge capacity of 131.5 mAh g -1 and maintains 80% or more.

도 10은 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 N-TNB를 도입한 리튬이온전지의 전기화학적 역학 특성 평가 결과를 보인 도면으로서, 도 9를 참조하면, 전하 수송에 의한 저항(Rct)은 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 통해 수행하여 Nyquist 플롯으로 나타낸다.10 is a view showing the electrochemical dynamics characteristic evaluation result of a lithium ion battery incorporating N-TNB using electrochemical impedance spectroscopy. Referring to FIG. 9 , the resistance (R ct ) by charge transport is determined by the electrochemical impedance spectroscopy method. (EIS) and presented as a Nyquist plot.

그리고 전해질에 의한 저항(Rs)는 거의 비슷하게 나타났지만 전하 수송의 의한 저항은 N-TNB가 66.8Ω으로 가장 적은 값을 나타낸다. 또한 저주파 영역에서의 물질 수송에 의한 저항(Rmt)을 나타내는 선이 가장 큰 기울기를 나타내는데, 이는 빠른 리튬이온확산속도에서 기인된다.And although the resistance (R s ) by the electrolyte was almost similar, the resistance by charge transport showed the lowest value for N-TNB at 66.8Ω. In addition, the line representing the resistance (R mt ) by material transport in the low frequency region shows the largest slope, which is attributed to the fast lithium ion diffusion rate.

이에 이산화 티타늄 파우더로부터 TiO2(B) 나노 벨트를 제작하여 리튬이온 수송을 위한 채널 및 활성 사이트를 보다 개방된 형태를 형성하고, 질소를 도핑하여 이산화 티타늄의 전자 구조를 조정함으로써 이산화 티타늄의 고유 특성을 개선하고, 내부 표면적 및 전기 전도성을 증가시킬 수 있고, 이에 리튬이온 이차전지의 안정적인 고속 충전 성능을 향상시킬 수 있다. Thus TiO 2 (B) from titanium dioxide powder Nanobelts were made to form more open channels and active sites for lithium ion transport, and nitrogen was doped to By adjusting the electronic structure of titanium dioxide, it is possible to improve the intrinsic properties of titanium dioxide, increase the internal surface area and electrical conductivity, and thereby improve the stable fast charging performance of the lithium ion secondary battery.

Claims (5)

이산화 티타늄 파우더를 수열 합성 기법을 수행하여 TiO2(B) 나노 벨트를 제작한 다음 질소를 도핑하여 음극제를 제작하는 과정;
구리 디스크 형태의 기판에 제작된 음극제, 카본 블랙, PVDF을 7:2:1의 질량 비로 NMP에 분산시켜 균일하게 침착된 필름을 스핀 코팅하여 증착한 다음 120℃에서 건조시켜 음극을 제작하는 과정; 및
에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트가 1:1 비율로 혼합된 1M LiPF6의 전해질에 담근 glass fiber를 분리막으로 이용하여 리튬 금속을 상기 음극에 대한 상대 전극으로 구비된 코인셀 형태의 반쪽 전지 제작과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법.
titanium dioxide TiO 2 (B) by performing hydrothermal synthesis of the powder a process of fabricating a nano-belt and then doping nitrogen to fabricate a negative electrode;
A process of dispersing a cathode agent, carbon black, and PVDF produced on a copper disk-shaped substrate in NMP in a mass ratio of 7:2:1, spin-coating and depositing a uniformly deposited film, followed by drying at 120°C to fabricate an anode ; and
Using a glass fiber dipped in an electrolyte of 1M LiPF 6 in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate are mixed in a 1:1 ratio as a separator, lithium metal is used as a counter electrode for the negative electrode. A method for manufacturing an electrode of a lithium ion battery for rapid charging, characterized in that.
제1항에 있어서, 상기 음극제 제작과정은,
이산화 티타늄 파우더 P25를 수열 합성 기법을 이용하여 TiO2(B) 나노 벨트 TNB를 제작하는 TNB제작단계; 및
제작된 TiO2(B) 나노 벨트 TNB에 질소를 도핑하여 음극제를 제작하는 질소도핑단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법.
According to claim 1, wherein the manufacturing process of the negative electrode agent,
TiO 2 (B) titanium dioxide powder P25 using hydrothermal synthesis technique TNB manufacturing step of manufacturing nano-belt TNB; and
Fabricated TiO 2 (B) A method of manufacturing an electrode for a rapid charging lithium ion battery, comprising a nitrogen doping step of preparing an anode agent by doping the nanobelt TNB with nitrogen.
제2항에 있어서, 상기 TNB제작단계는
P25 0.8g을 10M의 NaOH 용액 80mL에 분산시키고, 테프론 라이닝 오토클레이브에 넣어 180℃에서 24시간 동안 열처리한 다음 상온에서 냉각하고 이 후 증류수와 에탄올로 세척하는 단계;
수득물을 상온에서 0.1M HCl 100mL에 24시간 동안 분산하고, 중성이 될 때까지 증류수와 에탄올로 세척하는 단계; 및
이후 80℃에서 12시간 동안 건조시킨 뒤, 아르곤 분위기에서 500℃로 3시간동안 하소시켜 TiO2(B) 나노 벨트(TNB)를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법.
According to claim 2, wherein the TNB manufacturing step
0.8 g of P25 was dispersed in 80 mL of a 10M NaOH solution, put in a Teflon-lined autoclave, heat-treated at 180° C. for 24 hours, cooled at room temperature, and then washed with distilled water and ethanol;
Dispersing the obtained product in 100 mL of 0.1M HCl at room temperature for 24 hours, washing with distilled water and ethanol until neutral; and
After drying at 80° C. for 12 hours, calcining at 500° C. for 3 hours in an argon atmosphere to prepare a TiO 2 (B) nano belt (TNB). Electrode manufacturing method.
제2항에 있어서, 상기 질소도핑단계는
요소와 TiO2(B) 나노 벨트를 3:1의 질량 비로 혼합하여 혼합 가스(아르곤/수소) 분위기에서 500℃로 2시간동안 하소시켜 질소가 도핑된 TiO2(B) 나노 벨트 N-TNB를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법.
According to claim 2, wherein the nitrogen doping step
Urea and TiO 2 (B) nanobelts were mixed in a mass ratio of 3:1 and calcined at 500° C. for 2 hours in a mixed gas (argon/hydrogen) atmosphere to prepare TiO 2 (B) nanobelts N-TNB doped with nitrogen. An electrode manufacturing method of a lithium ion battery for fast charging, characterized in that it comprises the step of manufacturing.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 급속 충전용 리튬이온전지의 전극 제조방법을 이용하여 제작된 리튬이온전지의 전극.An electrode of a lithium ion battery manufactured by using the electrode manufacturing method of any one of claims 1 to 4 for a rapid charging lithium ion battery.
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