KR20220017081A - Air electrode active material and electrochemical device including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a cathode active material and an electrochemical device including the same. The electrochemical device comprises: an anode and an electrolyte layer positioned on the anode. On the electrolyte layer, a cathode having a composition of Ca_3Co_4O_(9-δ) (0 < δ < 1) and having an active material doped with an alkali metal at the Ca site is positioned. The cathode active material has a misfit structure and can improve the electrochemical catalytic properties and electrical conductivity as well as the durability of the electrochemical device by controlling the doping material and the doping amount.

Description

공기극 활물질 및 이를 포함하는 전기화학 소자{Air electrode active material and electrochemical device including the same}Air electrode active material and electrochemical device including the same

본 발명은 활물질에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 공기극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to an active material, and more particularly, to a cathode active material.

연료전지란 연료와 공기의 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전지 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 연료전지는 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 유발하지 않는다. 이러한 연료전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염 물질을 거의 배출하지 않고, 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.A fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of fuel and air into a cell and heat through an electrochemical reaction. Unlike the existing power generation technology, which takes the combustion of fuel, steam generation, turbine driving, and generator driving processes, the fuel cell has no combustion process or driving device, so it not only has high efficiency but also does not cause environmental problems. Such a fuel cell emits almost no air pollutants such as SOx and NOx, generates less carbon dioxide, is pollution-free power generation, and has advantages such as low noise and no vibration.

연료전지는 인산형 연료전지(Phosphoric acid fuel cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline fuel cell, AFC), 음이온 교환막 연료전지(Anion exchange membrane fuel cell, AEMFC), 고분자 전해질형 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell, DMFC), 고체 산화물 연료 전지(Solid oxide fuel cell, SOFC) 등 다양한 종류가 있다. 그 중에서도, 예를 들어, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 세라믹 기반의 물질을 바탕으로 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기 및 수소를 생산해내는 전기화학장치로써, 친환경적인 차세대 에너지 생산 장치로 주목받고 있다. 하지만 이들은 높은 작동온도로 인해 높은 제작단가, 낮은 내구성 문제 등으로 온도를 낮추는 방법에 대한 연구가 필요하다. Fuel cells are phosphoric acid fuel cell (PAFC), alkaline fuel cell (AFC), anion exchange membrane fuel cell (AEMFC), polymer electrolyte fuel cell (Polymer electrolyte) There are various types, such as a membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC). Among them, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) is an electrochemical device that produces electricity and hydrogen through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen based on a ceramic-based material. are receiving However, it is necessary to study how to lower the temperature due to the high manufacturing cost and low durability due to the high operating temperature.

이러한 문제를 해결하기 위해 중저온에서 작동하는 고체산화물 연료전지 (SOFC) 및 프로톤 전도성 세라믹을 사용하는 프로톤 전도성 세라믹 연료전지(Protonic Ceramic Fuel Cell: PCFC)가 최근 개발되고 있다. 한편, 음이온 교환막 연료전지(Anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)는 수산화 이온(OH-)을 선택적으로 수송하는 전해질막을 포함하는 것으로, 상온에서 약 80℃까지의 저온에서 사용된다. In order to solve this problem, a solid oxide fuel cell (SOFC) operating at a medium and low temperature and a protonic ceramic fuel cell (PCFC) using a proton conductive ceramic have been recently developed. Meanwhile, anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) includes an electrolyte membrane that selectively transports hydroxide ions (OH ), and is used at a low temperature from room temperature to about 80° C.

따라서, 산소이온 전도체를 기반으로 하는 고체산화물 연료전지(SOFC)와 수소이온 전도체를 기반으로 하는 프로톤 전도성 세라믹 연료전지(PCFC), 음이온 교환막 연료전지(Anion exchange membrane fuel cell, AEMFC) 모두, 중저온에서 고성능을 나타내는 공기극 개발이 성능 면에서 가장 중요하다. Therefore, both solid oxide fuel cells (SOFC) based on oxygen ion conductors, proton conductive ceramic fuel cells (PCFCs) based on hydrogen ion conductors, and anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) have low and medium temperature In terms of performance, the development of cathodes that exhibit high performance is the most important.

한편, 연료전지 반응의 역반응인 전해전지 반응은, 물의 전기화학적 분해를 통해 수소를 생산하는 반응이다. 이러한 수소 생산은 기존의 수소 생산 방식보다 친환경적이고, 높은 생산 효율을 보여준다. On the other hand, the electrolytic cell reaction, which is the reverse reaction of the fuel cell reaction, is a reaction that produces hydrogen through electrochemical decomposition of water. This hydrogen production is more environmentally friendly than the conventional hydrogen production method and shows high production efficiency.

즉, 연료전지는 이러한 장점들을 바탕으로 연료전지 반응을 통해 전기를 생산하는 역할뿐만 아니라, 전해전지 반응을 통해 수소를 생산하는 가역적인 전기화학적 장치로써의 연구가 활발히 진행중이다. 가역 연료전지의 개발을 위해 기존에 보고된 연료전지 반응에 대한 전극들의 반응 단계뿐만 아니라, 전해전지에 대한 전극들의 반응 단계에도 높은 촉매적 활성도를 가진 전극물질이 필수적이다. 특히, 전해전지 반응 역시 연료전지 반응과 같이 공기극이 주요 반응속도 결정단계이나 연료전지의 공기극 반응과는 다른 메커니즘을 가지고 있다. 따라서, 연료전지와 전해전지 반응 모두에서의 반응 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 보다 우수한 성능을 가진 이원기능성 공기극 소재개발이 요구된다.That is, based on these advantages, research is being actively conducted on the fuel cell as a reversible electrochemical device that not only produces electricity through a fuel cell reaction, but also produces hydrogen through an electrolytic cell reaction. For the development of a reversible fuel cell, an electrode material having high catalytic activity is essential not only for the reaction step of the electrodes for the previously reported reaction of the fuel cell, but also for the reaction step of the electrodes for the electrolytic cell. In particular, the electrolytic cell reaction also has a mechanism different from the cathode reaction of the fuel cell, although the cathode is the main reaction rate determining step like the fuel cell reaction. Therefore, it is required to develop a dual-functional cathode material with better performance based on an understanding of the reaction mechanism in both the fuel cell and the electrolytic cell reaction.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연료전지 및 전해전지 모두에 사용될 수 있으면서도, 전기화학적 촉매특성을 향상시키고 이온 및 전자이동을 용이하게 할 수 있는 공기극 활물질을 제공함에 있다. 따라서, 이러한 공기극 활물질에 의하여 전기화학적 성능 및 내구성이 향상된 전기화학 소자를 제공함에 있다. An object of the present invention is to provide a cathode active material that can be used in both fuel cells and electrolytic cells, and can improve electrochemical catalytic properties and facilitate ion and electron migration. Accordingly, it is an object to provide an electrochemical device having improved electrochemical performance and durability by such a cathode active material.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전기화학 소자를 제공한다. 상기 전기화학 소자는 연료극과 상기 연료극 상에 위치하는 전해질층을 구비한다. 상기 전해질층 상에 Ca3Co4O9-δ(0<δ<1)의 조성을 갖되, 상기 Ca 자리에 알칼리 금속이 도핑된 활물질을 구비하는 공기극이 위치한다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention provides an electrochemical device. The electrochemical device includes an anode and an electrolyte layer positioned on the anode. Doedoe having a composition of Ca 3 Co 4 O 9-δ (0<δ<1) on the electrolyte layer, An cathode having an active material doped with an alkali metal is positioned at the Ca site.

상기 활물질은 MxCa3-xCo4O9-δ (0< δ <1)조성을 갖고, 상기 x는 0.1 내지 0.3이고, 상기 M은 Li, Na, 또는 K일 수 있다. 구체적으로, 상기 M은 Na이고, 상기 x는 0.13 내지 0.18일 수 있다. 일 예로서, 상기 활물질은 Na0.15Ca2.85Co4O9-δ일 수 있다.The active material has a composition of M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ (0 < δ < 1), wherein x is 0.1 to 0.3, and M may be Li, Na, or K. Specifically, M is Na, The x may be 0.13 to 0.18. As an example, the active material may be Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ .

상기 활물질은, [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖는 MaCa2-aCoO3-δ층(M은 알칼리 금속, 0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층된 결정 구조를 가질 수 있다.The active material is, [CdI 2 ] CoO 2 layer having a crystal structure, and M a Ca 2-a CoO 3-δ layer having a rock-salt structure (M is an alkali metal, 0.06≤a≤0.3, 0 ≤ δ ≤ 1) may have an alternately stacked crystal structure.

상기 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경을 갖는 입자들일 수 있다. 구체적으로, 상기 활물질은 100 내지 200 nm의 평균직경을 갖는 입자들일 수 있다. 상기 전기화학 소자는 프로톤 전도성 세라믹 전지일 수 있다. 이 때, 상기 공기극은 상기 활물질 및 프로톤 전도성 산화물의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 프로톤전도성 산화물은 BZY(yttrium-doped barium zirconate), BCY(yttrium-doped barium cerate), BZCY(yittrium-doped barium-zirconate-cerate) 또는 BCZYYb(Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate)일 수 있다.The active material may be particles having a diameter of several tens to several hundreds of nm. Specifically, the active material may be particles having an average diameter of 100 to 200 nm. The electrochemical device may be a proton conductive ceramic battery. In this case, the cathode may include a mixture of the active material and the proton conductive oxide. The proton conductive oxide is yttrium-doped barium zirconate (BZY), yttrium-doped barium cerate (BCY), yttrium-doped barium-zirconate-cerate (BZCY) or Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate (BCZYYb) yl can

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전기화학 소자의 다른 예를 제공한다. 상기 전기화학 소자는 연료극과 상기 연료극 상에 위치하는 전해질층을 구비한다. 상기 전해질층 상에, [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖는 MaCa2-aCoO3-δ층(M은 알칼리 금속, 0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층된 결정구조를 갖는 활물질을 구비하는 공기극이 위치한다. 상기 MaCa2-aCoO3-δ층에서 a는 0.09 내지 0.12일 수 있다. 상기 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경을 갖는 입자들일 수 있다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention provides another example of an electrochemical device. The electrochemical device includes an anode and an electrolyte layer positioned on the anode. On the electrolyte layer, a CoO 2 layer having a crystal structure of [CdI 2 ] and a M a Ca 2-a CoO 3-δ layer having a rock-salt structure (M is an alkali metal, 0.06≤a≤ 0.3, 0 ≤ δ ≤ 1) is located in the cathode having an active material having a stacked crystal structure alternately. In the Ma Ca 2-a CoO 3-δ layer, a may be 0.09 to 0.12. The active material may be particles having a diameter of several tens to several hundreds of nm.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 활물질을 제공한다. 상기 활물질은 Ca3Co4O9-δ(0<δ<1)의 조성을 갖되, 상기 Ca 자리에 알칼리 금속이 도핑된다. 상기 활물질은 MxCa3-xCo4O9-δ (0< δ <1)조성을 갖고, 상기 x는 0.1 내지 0.3이고, 상기 M은 Li, Na, 또는 K일 수 있다.Another aspect of the present invention provides an active material to achieve the above object. The active material has a composition of Ca 3 Co 4 O 9-δ (0<δ<1), The Ca site is doped with an alkali metal. The active material has a composition of M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ (0 < δ < 1), wherein x is 0.1 to 0.3, and M may be Li, Na, or K.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 활물질의 다른 예를 제공한다. 상기 활물질은 [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖는 MaCa2-aCoO3-δ층(M은 알칼리 금속, 0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층된 결정구조를 갖는다.Another aspect of the present invention provides another example of an active material in order to achieve the above object. The active material is a CoO 2 layer having a crystal structure of [CdI 2 ] and a M a Ca 2-a CoO 3-δ layer having a rock-salt structure (M is an alkali metal, 0.06≤a≤0.3, 0 ≤ δ ≤ 1) has an alternately stacked crystal structure.

상기 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경을 갖는 입자들일 수 있다. 구체적으로, 상기 활물질은 100 내지 200 nm의 평균직경을 갖는 입자들일 수 있다.The active material may be particles having a diameter of several tens to several hundreds of nm. Specifically, the active material may be particles having an average diameter of 100 to 200 nm.

본 발명에 따르면, 연료전지 및 전해전지에 이원기능성을 갖는 공기극 활물질을 제공할 수 있다. 이러한 공기극 활물질은 미스핏 구조를 갖되, 도핑물질 및 도핑양을 조절함에 따라, 전기화학적 촉매 특성, 전기전도도 뿐 아니라 전기화학적 소자의 내구성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a cathode active material having dual functionality for a fuel cell and an electrolytic cell. The cathode active material has a misfit structure, and by controlling the doping material and the doping amount, electrochemical catalytic properties and electrical conductivity as well as durability of the electrochemical device can be improved.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 공기극 내 활물질의 결정구조를 구체화하여 나타낸 것이다.
도 2는 하기 반쪽전지 제조예들에 따른 반쪽전지(a)와 하기 완전전지 제조예들에 따른 완전전지(b)를 개략적으로 나타낸다.
도 3a는 활물질 제조예들 B1, B3, 및 B5에 따른 활물질들의 엑스선 회절(X-ray Diffraction, XRD) 그래프이고, 도 3b는 활물질 제조예들 B6 내지 B10에 따른 활물질들의 엑스선 회절 그래프이고, 도 3c는 활물질 제조예들 B11, B13, 및 B15에 따른 활물질들의 엑스선 회절 그래프이다.
도 4는 활물질 제조예 A8에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 5는 활물질 제조예 B8에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지(a)와 입자사이즈 분포(Particle size distribution, PSD)를 나타낸 그래프(b)이다.
도 6은 활물질 제조예 B13에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지(a)와 입자사이즈 분포(PSD)를 나타낸 그래프(b)이다.
도 7은 활물질 제조예 B10에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 8은 반쪽전지 제조예들 B1, B3, 및 B5, 그리고 반쪽전지 비교예에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 반쪽전지 제조예들 B6 내지 B10, 그리고 반쪽전지 비교예에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 반쪽전지 제조예들 B11, B13, 및 B15에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 반쪽전지 제조예들 B1, B6, 및 B11, 그리고 반쪽전지 비교예에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 12는 완전전지 제조예 B6, B8, 및 B10에 따른 전지들을 연료전지 모드로 운전하면서 얻어진 분극 및 전력밀도 그래프들(a, c, e)과 임피턴스 그래프들(b, d, f)을 보여준다.
도 13은 완전전지 제조예 B8에 따른 전지를 연료전지 모드로 운전할 때의 내구성을 보여주는 그래프이다.
도 14는 완전전지 제조예 B8에 따른 전지를 전해전지 모드로 운전하면서 얻어진 초기 I-V 그래프(a)와 정전류(200mA/cm2) 조건에서 50시간 내구성 테스트를 진행한 후 얻어진 I-V 그래프(b)를 보여준다.
도 15는 완전전지 제조예 B8에 따른 전지를 전해전지 모드로 정전류(200mA/cm2) 조건에서 50시간 내구성 테스트를 진행하면서 얻어진 그래프이다.
도 16은 완전전지 제조예 B6 내지 B10에 따른 전지들을 연료전지 모드(건조공기)와 전해전지 모드(가습 공기)로 650도에서 운전할 때 얻은 Rp(Polarization resistance)값을 보여주는 그래프이다.
도 17은 완전전지 제조예 B8에 따른 전지의 내구성 평가(도 13)이후, 사후분석 결과를 나타낸 주사전자현미경(SEM)이미지로서, (a)와 (b)는 전지 전체의 단면, (c)는 연료극(anode)의 단면, (d)는 공기극(cathode)의 단면, 그리고 (e)는 전해질의 단면을 보여준다.
1A is a cross-sectional view schematically showing the structure of an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1b shows the crystal structure of the active material in the cathode of FIG. 1a in detail.
2 schematically shows a half-cell (a) according to the following half-cell manufacturing examples and a full battery (b) according to the following full-cell manufacturing examples.
3A is an X-ray diffraction (XRD) graph of active materials according to Preparation Examples B1, B3, and B5 of the active material, and FIG. 3B is an X-ray diffraction graph of the active materials according to Preparation Examples B6 to B10 of the active material, and FIG. 3c is an X-ray diffraction graph of the active materials according to Preparation Examples B11, B13, and B15 of the active material.
4 is an SEM image of the active material according to Preparation Example A8 of the active material.
5 is a graph (b) showing an SEM image (a) and a particle size distribution (PSD) of the active material according to Preparation Example B8 of the active material.
6 is a graph (b) showing an SEM image (a) and a particle size distribution (PSD) of the active material according to Preparation Example B13 of the active material.
7 is an SEM image of the active material according to Preparation Example B10 of the active material.
8 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B1, B3, and B5, and Comparative Examples of half-cells.
9 is a graph showing the electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B6 to B10 and Comparative Examples of half-cells.
10 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B11, B13, and B15.
11 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B1, B6, and B11, and Comparative Examples of half-cells.
12 is a graph showing polarization and power density graphs (a, c, e) and impedance graphs (b, d, f) obtained while operating the batteries according to Full Cell Manufacturing Examples B6, B8, and B10 in a fuel cell mode; show
13 is a graph showing durability when the battery according to Preparation Example B8 of the full cell is operated in a fuel cell mode.
14 is an initial IV graph (a) obtained while operating the battery according to Preparation Example B8 of a full battery in electrolytic cell mode and an IV graph (b) obtained after a 50-hour durability test under constant current (200 mA/cm 2 ) conditions. show
15 is a graph obtained while performing a 50-hour durability test under constant current (200 mA/cm 2 ) conditions in an electrolytic cell mode for a battery according to Preparation Example B8 of a full battery.
16 is a graph showing polarization resistance (Rp) values obtained when the batteries according to Preparation Examples B6 to B10 of the full cell are operated at 650 degrees in a fuel cell mode (dry air) and an electrolytic cell mode (humidified air).
17 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the results of post-mortem analysis after durability evaluation (FIG. 13) of the battery according to Preparation Example B8 of the full battery, (a) and (b) are cross-sections of the entire battery, (c) is a cross-section of the anode, (d) is a cross-section of the cathode, and (e) is a cross-section of the electrolyte.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated and illustrated in the drawings and will be described in detail hereinafter. However, it is not intended to limit the invention to the particular form disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents and substitutions consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be understood that when an element, such as a layer, region, or substrate, is referred to as being “on” another component, it may be directly on the other element or intervening elements in between. .

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 공기극 내 활물질의 결정구조를 구체화하여 나타낸 것이다. 1A is a cross-sectional view schematically showing the structure of an electrochemical device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a detailed view showing the crystal structure of the active material in the cathode of FIG. 1A.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 소자는, 연료극(10), 전해질층(20) 및 공기극(30)이 차례로 형성되고, 상기 공기극(30)은 미스핏(misfit) 구조를 갖되, 도핑물질을 구비하는 활물질을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1A , in the electrochemical device according to an embodiment of the present invention, an anode 10, an electrolyte layer 20, and a cathode 30 are sequentially formed, and the cathode 30 is misfit. It has a structure, and may include an active material having a doping material.

상기 전기화학 소자는 전지로서 연료전지(fuel cell) 또는 이의 역반응에 의해 동작하는 전해전지일 수 있다. 구체적으로, 상기 전기화학 소자는 인산형 전지(PAC), 알칼리형 전지(AC), 음이온 교환막 전지(Anion exchange membrane cell, AEMC), 고분자전해질형 전지(PEMC), 직접메탄올 전지(DMC), 용융탄산염 전지(MCC), 고체 산화물 전지(SOC) 및 프로톤 전도성 세라믹 전지(protonic ceramic cell, PCC) 등일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지는 않고, 상기 공기극(30)을 포함하는 전기화학 소자라면 어느 것이든 가능하다. The electrochemical device may be a fuel cell as a cell or an electrolytic cell operated by a reverse reaction thereof. Specifically, the electrochemical device is a phosphoric acid battery (PAC), an alkaline battery (AC), an anion exchange membrane cell (AEMC), a polymer electrolyte battery (PEMC), a direct methanol battery (DMC), molten It may be a carbonate cell (MCC), a solid oxide cell (SOC), and a protonic ceramic cell (PCC). However, the present invention is not limited thereto, and any electrochemical device including the cathode 30 may be used.

구체적으로, 상기 전기화학 소자는 음이온 교환막 전지(Anion exchange membrane cell, AEMC), 산소이온 전도성 고체산화물 전지(SOC), 또는 프로톤 전도성 세라믹 전지(protonic ceramic cell, PCC)일 수 있다. Specifically, the electrochemical device may be an anion exchange membrane cell (AEMC), an oxygen ion conductive solid oxide battery (SOC), or a protonic ceramic cell (PCC).

상기 연료극(10)은 이온전도체와 촉매 금속을 포함할 수 있다. 상기 연료극(10)에서 산화되는 연료의 종류는 상기 전지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 상기 촉매 금속은 산화물 형태일 수 있다. The anode 10 may include an ion conductor and a catalyst metal. The type of fuel oxidized in the anode 10 may vary depending on the type of the battery, and the catalyst metal may be in the form of an oxide.

상기 전기화학 소자가 프로톤 전도성 세라믹 전지(PCC)일 경우, 상기 연료극(10)은 프로톤 전도성 산화물과 촉매 금속을 구비할 수 있다. 상기 프로톤 전도성 산화물은, 예를 들어, BZY(yttrium-doped barium zirconate), BCY(yttrium-doped barium cerate), BZCY(yittrium-doped barium-zirconate-cerate) 또는 BCZYYb(Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate), 일 예로, BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)일 수 있다. 상기 촉매 금속은, 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 것일 수 있다. When the electrochemical device is a proton conductive ceramic cell (PCC), the anode 10 may include a proton conductive oxide and a catalyst metal. The proton conductive oxide is, for example, BZY (yttrium-doped barium zirconate), BCY (yttrium-doped barium cerate), BZCY (yittrium-doped barium-zirconate-cerate) or BCZYYb (Yttrium- and ytterbium-doped barium-) cerate-zirconate), for example, BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ). The catalyst metal may be any one or more selected from the group consisting of nickel (Ni), ruthenium (Ru), copper (Cu), palladium (Pd), rhodium (Rh), and platinum (Pt).

상기 전기화학 소자가 산소이온 전도성 고체산화물 전지(SOC)일 경우, 상기 연료극(10)은 산소이온 전도체와 촉매금속을 구비할 수 있다. 상기 산소이온 전도체는 형석형(fluorite) 구조를 갖는 산소이온 전도성 금속산화물로서, 희토류-도핑된 세리아(rare-earth-doped ceria, RDC), 일 예로서, NDC(neodymium-doped ceria), GDC(gadolinium-doped ceria), 및 SDC(samarium-doped ceria); YSZ(yttria stabilized zirconia, ZrO2/Y2O3); 및 ScSZ(scandia stabilized zirconia, ZrO2/Sc2O3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 촉매금속의 예시 물질은 전술된 바와 동일할 수 있다. When the electrochemical device is an oxygen ion conductive solid oxide cell (SOC), the anode 10 may include an oxygen ion conductor and a catalyst metal. The oxygen ion conductor is an oxygen ion conductive metal oxide having a fluorite structure, and includes rare-earth-doped ceria (RDC), for example, neodymium-doped ceria (NDC), GDC ( gadolinium-doped ceria), and samarium-doped ceria (SDC); YSZ (yttria stabilized zirconia, ZrO 2 /Y 2 O 3 ); and ScSZ (scandia stabilized zirconia, ZrO 2 /Sc 2 O 3 ) may include one or more selected from the group consisting of. Exemplary materials of the catalyst metal may be the same as described above.

상기 전기화학 소자가 음이온 교환막 전지(Anion exchange membrane cell, AEMC)일 경우, 상기 연료극(10)은 수산화이온 전도성 산화물과 촉매금속을 구비할 수 있다. 상기 수산화이온 전도성 산화물은 상기 산소이온 전도체와 동일할 수 있다. 또한, 상기 촉매금속은 전술된 바와 동일할 수 있다. When the electrochemical device is an anion exchange membrane cell (AEMC), the anode 10 may include a hydroxide ion conductive oxide and a catalyst metal. The hydroxide ion conductive oxide may be the same as the oxygen ion conductor. In addition, the catalyst metal may be the same as described above.

일 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전기화학 소자는 프로톤 전도성 세라믹 전지일 수 있으며, 이 때 상기 연료극(10)은 BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ(BCZYYb) 및 NiO의 혼합물일 수 있다. 예컨대, 상기 연료극(10)은 약 1㎛ 내지 50㎛, 구체적으로, 10㎛ 내지 30㎛ 두께의 박막일 수 있다. As an example, the electrochemical device according to an embodiment of the present invention may be a proton conductive ceramic cell, wherein the anode 10 is BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ (BCZYYb) and NiO may be a mixture of For example, the anode 10 may be a thin film having a thickness of about 1 μm to 50 μm, specifically, 10 μm to 30 μm.

상기 전해질층(20)은 상기 연료전지의 종류에 따라 달라질 수 있다. 상기 전해질층(20)은 약 1㎛ 내지 50㎛, 구체적으로, 약 5㎛ 내지 10㎛의 두께일 수 있으며, 기공이 거의 없는 치밀한 막의 형태일 수 있다.The electrolyte layer 20 may vary depending on the type of the fuel cell. The electrolyte layer 20 may have a thickness of about 1 μm to 50 μm, specifically, about 5 μm to 10 μm, and may be in the form of a dense membrane having few pores.

상기 전기화학 소자가 프로톤 전도성 세라믹 전지일 경우, 상기 전해질층(20)은 프로톤 전도성 고체산화물을 포함하여 높은 프로톤 전도성을 나타낼 수 있다. 일 예로서, 상기 프로톤 전도성 고체산화물은 예를 들어, BZY(yttrium-doped barium zirconate), BCY(yttrium-doped barium cerate), BZCY(yittrium-doped barium-zirconate-cerate) 또는 BCZYYb(Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate), 일 예로, BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. When the electrochemical device is a proton conductive ceramic battery, the electrolyte layer 20 may include a proton conductive solid oxide to exhibit high proton conductivity. As an example, the proton conductive solid oxide is, for example, yttrium-doped barium zirconate (BZY), yttrium-doped barium cerate (BCY), yittrium-doped barium-zirconate-cerate (BZCY), or Yttrium- and ytterbium (BCZYYb). -doped barium-cerate-zirconate), for example, may be BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ), but is not limited thereto.

상기 전기화학 소자가 산소이온 전도성 고체산화물 전지일 경우, 상기 전해질층(20)은 산소이온 전도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질층(20)은 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia), ScSZ(Scandia Stabilzied Zirconia) 또는 GDC(Gadolinium doped Ceria)일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. When the electrochemical device is an oxygen ion conductive solid oxide battery, the electrolyte layer 20 may be an oxygen ion conductor layer. For example, the electrolyte layer 20 may be Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), Scandia Stabilzied Zirconia (ScSZ), or Gadolinium doped Ceria (GDC), but is not limited thereto.

상기 연료전지가 음이온 교환막 전지일 경우, 상기 전해질층(20)은 높은 수산화이온 전도도와 기계적 강도, 탈수에 대한 저항성을 갖는 것일 수 있다. 예컨대, 상기 전해질층(20)은 알칼리성 고분자 막, 예를 들어, 폴리스티렌(polystylene)계 혹은 폴리아미드(polyamide)계 고분자 막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. When the fuel cell is an anion exchange membrane cell, the electrolyte layer 20 may have high hydroxide ion conductivity, mechanical strength, and resistance to dehydration. For example, the electrolyte layer 20 may use an alkaline polymer film, for example, a polystyrene-based or polyamide-based polymer film, but is not limited thereto.

일 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전기화학 소자는 프로톤 전도성 세라믹 전지일 수 있으며, 상기 전해질층(20)은 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)일 수 있다. As an example, the electrochemical device according to an embodiment of the present invention may be a proton conductive ceramic battery, and the electrolyte layer 20 may be BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ). .

상기 공기극(30)은 미스핏 결정 구조를 갖는 MxCa3-xCo4O9-δ (0< δ <1)조성의 활물질을 포함할 수 있다. 상기 M은 알칼리 금속으로, 일 예로서 Li, Na, 또는 K일 수 있다. 즉, 상기 활물질은 Ca3Co4O9-δ(CCO)(0< δ <1)에 알칼리 금속이 도핑된 것일 수 있다. 상기 x는 0.05 내지 0.5, 구체적으로, 0.1 내지 0.3, 더 구체적으로, 0.12 내지 0.21, 보다 구체적으로, 0.13 내지 0.18, 일 예로, 0.15일 수 있다. 부연하면, Ca 자리는 알칼리 금속(M)으로 3 내지 15 mol%, 구체적으로 3.3 내지 10 mol%, 더 구체적으로 4 내지 7 mol%, 보다 구체적으로 4.5 내지 6 mol%, 일 예로 5 mol% 로 치환될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상기 활물질은 Ca3Co4O9-δ(CCO)에 알칼리 금속 뿐 아니라 전이금속이 도핑된 것일 수 있다. 이 때, 전이금속은 Co 자리에 도핑될 수 있다. 상기 전이금속은 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn) 또는 니켈(Ni)일 수 있다. The cathode 30 may include an active material having a M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ (0< δ <1) composition having a misfit crystal structure. M is an alkali metal, and may be Li, Na, or K as an example. That is, the active material may be Ca 3 Co 4 O 9-δ (CCO) (0< δ <1) doped with an alkali metal. The x may be 0.05 to 0.5, specifically, 0.1 to 0.3, more specifically, 0.12 to 0.21, more specifically, 0.13 to 0.18, for example, 0.15. In other words, the Ca site is an alkali metal (M) in 3 to 15 mol%, specifically 3.3 to 10 mol%, more specifically 4 to 7 mol%, more specifically 4.5 to 6 mol%, for example 5 mol% may be substituted. However, the active material is not limited thereto, and Ca 3 Co 4 O 9-δ (CCO) may be doped with an alkali metal as well as a transition metal. In this case, the transition metal may be doped at the Co site. The transition metal may be copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), or nickel (Ni).

MxCa3-xCo4O9-δ (0≤ δ ≤1)조성의 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경 일 예로서, 50 내지 300nm의 직경, 구체적으로 100 내지 200 nm의 평균직경을 갖는 입자들일 수 있다. 이와 같이 비교적 입자 직경은 활물질의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 입자들은 판상형 입자들일 수 있다. 여기서, 판상형 입자들은 실질적으로 편평한 상하부면들을 갖는 것으로서, 상기 상부면 또는 하부면의 폭에 대한 상하부면들 사이의 높이의 비 다시 말해서 종횡비가 0.1 내지 0.5인 입자들을 의미할 수 있다.The active material of the M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ (0≤ δ ≤1) composition has a diameter of several tens to hundreds of nm, for example, a diameter of 50 to 300 nm, specifically having an average diameter of 100 to 200 nm. may be particles. As such, the relatively small particle diameter can improve the electrochemical performance of the active material. Also, these particles may be plate-shaped particles. Here, the plate-shaped particles have substantially flat upper and lower surfaces, and may refer to particles having a ratio of the height between the upper and lower surfaces to the width of the upper surface or the lower surface, that is, particles having an aspect ratio of 0.1 to 0.5.

도 1b를 함께 참조하면, 상기 MxCa3-xCo4O9-δ 조성을 갖는 활물질은, [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖고 산소 결핍층의 역할을 하는 MaCa2-aCoO3-δ층(0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층되어 있는 구조일 수 있다. MaCa2-aCoO3-δ층에서도 Ca 자리는 알칼리 금속(M)으로 3 내지 15 mol%, 구체적으로 3.3 내지 10 mol%, 더 구체적으로 4 내지 7 mol%, 보다 구체적으로 4.5 내지 6 mol%, 일 예로 5 mol% 로 치환될 수 있다. 이에 따라, 상기 a는 0.06 내지 0.3, 구체적으로 0.066 내지 0.2, 더 구체적으로는 0.08 내지 0.14, 보다 구체적으로 0.09 내지 0.12, 일 예로 0.1일 수 있다. Ca 자리에 알칼리 금속을 도핑 즉, 2가의 산화수를 갖는 Ca의 자리에 1가의 산화수를 갖는 알칼리 금속을 도핑함에 따라, 억셉터 효과에 의해 산소 공공과 정공 발생이 유도되어 전기전도도가 크게 향상될 수 있다.Referring to FIG. 1b together, the active material having the M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ composition has a CoO 2 layer having a crystal structure of [CdI 2 ], a rock-salt structure, and oxygen deficiency. It may have a structure in which Ma Ca 2-a CoO 3-δ layers (0.06 ≤ a ≤ 0.3, 0 ≤ δ ≤ 1) serving as a layer are alternately stacked. Even in the M a Ca 2-a CoO 3-δ layer, Ca sites are 3 to 15 mol%, specifically 3.3 to 10 mol%, more specifically 4 to 7 mol%, more specifically 4.5 to 6, as an alkali metal (M). It may be substituted with mol%, for example 5 mol%. Accordingly, a may be 0.06 to 0.3, specifically 0.066 to 0.2, more specifically 0.08 to 0.14, more specifically 0.09 to 0.12, for example, 0.1. Doping an alkali metal to the Ca site, that is, doping an alkali metal having a monovalent oxidation number to the Ca site having a divalent oxidation number, causes oxygen vacancies and holes to be induced by the acceptor effect, thereby greatly improving electrical conductivity. have.

상기 적층구조는 높은 산소 이온전도도와 높은 표면교환 상수 (surface exchange coefficient; 1.6 x 10-7 cm s-1, 700℃)를 나타내고, 2+, 3+, 4+의 다중 원자가수를 갖는 코발트에 의하여 산소 환원 및 산화 반응에서 촉매역할을 할 수 있다. 이로써, 공기극 내에서 혼합 이온 전자 전도체(Mixed ionic and electronic conducter)의 역할을 할 수 있다.The layered structure exhibits high oxygen ion conductivity and high surface exchange coefficient (1.6 x 10 -7 cm s -1 , 700° C.), and cobalt having multiple valences of 2 + , 3 + , 4 + It can serve as a catalyst in oxygen reduction and oxidation reactions. Thereby, it can serve as a mixed ionic and electronic conductor in the cathode.

또한, [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖는 MaCa2-aCoO3-δ층과 같이 서로 다른 결정구조를 갖는 층들이 교호적층되어 있는 구조인 미스핏 구조는, 코발트가 함유되었음에도 불구하고, 두 개층의 전기화학적 균형으로 인해 상대적으로 낮은 열팽창계수를 가져 전해질층(20)과의 결합력이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이는 전기화학소자의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, layers having different crystal structures such as a CoO 2 layer having a crystal structure of [CdI 2 ] and a Ma Ca 2-a CoO 3-δ layer having a rock-salt structure are alternately stacked. The misfit structure, which is a structure, has an advantage in that it has a relatively low coefficient of thermal expansion due to the electrochemical balance of the two layers, despite containing cobalt, and thus has excellent bonding strength with the electrolyte layer 20 . This may improve the durability of the electrochemical device.

다시 도 1a를 참조하면, 상기 공기극(30)은 상기 MxCa3-xCo4O9-δ인 활물질 및 이온전도성 산화물의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 이온전도성 산화물은 프로톤 전도성 산화물일 수 있다. 상기 프로톤 전도성 산화물은 예를 들어, BZY(yttrium-doped barium zirconate), BCY(yttrium-doped barium cerate), BZCY(yittrium-doped barium-zirconate-cerate) 또는 BCZYYb(Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate), 일 예로, BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)일 수 있다. 상기 공기극(30)은 1㎛ 내지 50㎛, 구체적으로, 10㎛ 내지 30㎛의 두께를 가질 수 있다. Referring back to FIG. 1A , the cathode 30 may include a mixture of the M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ active material and the ion conductive oxide. The ion conductive oxide may be a proton conductive oxide. The proton conductive oxide is, for example, yttrium-doped barium zirconate (BZY), yttrium-doped barium cerate (BCY), yittrium-doped barium-zirconate-cerate (BZCY) or Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate (BCZYYb). -zirconate), for example, BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ). The cathode 30 may have a thickness of 1 μm to 50 μm, specifically, 10 μm to 30 μm.

상기 공기극(30)은 연료전지와 전해전지에 대한 이원기능성을 가질 수 있다. 이러한, 공기극 활물질은 미스핏 구조를 갖되, 도핑물질 및 도핑양을 조절함으로써, 전술된 연료전지 및 전해전지에서 전기화학적 촉매 특성을 향상시키고, 전자이동을 용이하며 또한 내구성을 향상시킬 수 있다.The cathode 30 may have dual functions for a fuel cell and an electrolytic cell. The cathode active material has a misfit structure, and by controlling the doping material and the doping amount, it is possible to improve electrochemical catalytic properties, facilitate electron transfer, and improve durability in the aforementioned fuel cell and electrolytic cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 소자, 일 예로서, 프로톤 전도성 세라믹 연료전지를 제조하는 방법으로는, 연료극(10)이 준비될 수 있다. 일 예로서, 상기 연료극(10)은 연료극 지지체 상에 연료극 기능층을 형성한 것일 수 있다. 상기 연료극 지지체는 테이프 캐스팅(tape casting) 또는 프레싱(pressing) 등의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 연료극 기능층은 상기 연료극 지지체 상에 드랍 코팅(drop coating) 또는 딥 코팅(deep coating)등의 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 일 예로서, 상기 연료극 지지체는 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ) 및 NiO의 혼합물을 프레싱하여 형성될 수 있다. 상기 연료극 기능층은 상기 연료극 지지체 상에 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ) 및 NiO의 혼합물을 드랍 코팅하여 10㎛ 내지 30㎛ 두께의 박막으로 형성될 수 있다.In a method of manufacturing an electrochemical device according to an embodiment of the present invention, for example, a proton conductive ceramic fuel cell, the anode 10 may be prepared. As an example, the anode 10 may have an anode functional layer formed on an anode support. The anode support may be formed using a method such as tape casting or pressing. The anode functional layer may be deposited on the anode support using a method such as drop coating or deep coating. As an example, the anode support may be formed by pressing a mixture of BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ) and NiO. The anode functional layer may be formed as a thin film having a thickness of 10 μm to 30 μm by drop-coating a mixture of BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ) and NiO on the anode support.

상기 전해질층(20)은 상기 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)를 일 예로, 1500℃ 내지 1600℃에서 5 내지 10시간 동안 소결하여 구조를 보다 치밀화시킨 후, 상기 연료극(10), 구체적으로, 연료극 기능층 상에 10㎛ 내지 20㎛ 두께의 박막 형태로 형성될 수 있다. The electrolyte layer 20 is formed by sintering the BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ) for 5 to 10 hours at 1500° C. to 1600° C. for 5 to 10 hours to make the structure more densified, and then the anode ( 10), specifically, it may be formed in the form of a thin film having a thickness of 10 μm to 20 μm on the anode functional layer.

상기 공기극(30)은 MxCa3-xCo4O9-δ조성의 활물질을 제조하는 단계 및 상기 활물질 및 이온 전도성 산화물의 혼합물을 상기 전해질층(20) 상에 스크린 프린팅하여 10㎛ 내지 30㎛ 두께의 박막으로 형성될 수 있다.The cathode 30 is formed by preparing an active material having a composition of M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ and screen-printing a mixture of the active material and the ion conductive oxide on the electrolyte layer 20 to form 10 μm to 30 μm. It may be formed as a thin film having a thickness of μm.

상기 활물질은 상기 조성에 맞는 몰비의 Ca 전구체, Co 전구체, 및 알칼리 금속(M) 전구체를 글리신(glycine)과 함께 용매에 혼합한 후 1차 열처리하여 검은 재를 얻은 후, 상기 검은 재를 2차 열처리하여 하소하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 Ca 전구체, Co 전구체, 및 알칼리 금속(M) 전구체는 각각의 금속의 질산염일 수 있다. 상기 1차 열처리는 200℃ 내지 300℃ 에서 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리는 800℃ 내지 950℃에서 일 예로, 10 내지 30시간동안 수행될 수 있다. 상기 용매는 물일 수 있다. 얻어진 활물질을 볼밀을 통해 분쇄하여 입자 크기를 줄일 수 있다. 분쇄된 입자는 수십 내지 수백 nm의 직경 일 예로서, 50 내지 300nm의 직경, 구체적으로 100 내지 200 nm의 평균직경을 가질 수 있다.The active material is a Ca precursor, a Co precursor, and an alkali metal (M) precursor in a molar ratio suitable for the composition, mixed with glycine in a solvent, and then subjected to primary heat treatment to obtain black ash, and then the black ash is secondary It may be formed by heat-treating and calcining. For example, the Ca precursor, the Co precursor, and the alkali metal (M) precursor may be nitrates of respective metals. The first heat treatment may be performed at 200 °C to 300 °C. The secondary heat treatment may be performed at 800°C to 950°C, for example, for 10 to 30 hours. The solvent may be water. The obtained active material may be pulverized through a ball mill to reduce particle size. The pulverized particles may have a diameter of several tens to hundreds of nm, for example, a diameter of 50 to 300 nm, specifically, an average diameter of 100 to 200 nm.

상기 공기극(30) 내 이온 전도성 산화물은 프로톤 전도성 산화물 일 예로, BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)일 수 있고, 상기 MxCa3-xCo4O9-δ조성의 활물질과 프로톤 전도성 산화물을 일 예로, 6:4의 비율로 유기 용매 내에 혼합한 후, 상기 전해질층 상에 스크린 프린팅한 후, 900℃에서 2시간동안 소결하여 공기극층(40)을 형성할 수 있다. The ion conductive oxide in the cathode 30 may be a proton conductive oxide, for example, BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ), and the M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ composition. The cathode layer 40 may be formed by mixing the active material and the proton conductive oxide in an organic solvent at a ratio of, for example, 6:4, screen printing on the electrolyte layer, and sintering at 900° C. for 2 hours. .

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred experimental examples according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

<활물질 제조예 A1 내지 A15: 공기극 활물질 제조(MCCO)> <Active Material Preparation Examples A1 to A15: Preparation of Cathode Active Material (MCCO)>

Ca(NO3)2, Co(NO3)2, 및 MNO3 (M은 Li, Na, 또는 K)을 준비한 다음, 이들을 하기 표 1에 나타낸 성분비에 맞추어 순수한 물에 글리신(glycine)과 함께 넣고 280℃로 가열하여 검은재를 얻은 후, 검은재를 900℃에서 24시간에 하소하였다. 그 결과, 하기 표 1에 나타낸 활물질들을 제조하였다.Ca(NO 3 ) 2 , Co(NO 3 ) 2 , and MNO 3 (M is Li, Na, or K) were prepared, and then put them together with glycine in pure water according to the component ratios shown in Table 1 below After heating to 280 °C to obtain black ash, the black ash was calcined at 900 °C for 24 hours. As a result, the active materials shown in Table 1 below were prepared.

몰비molar ratio 얻어진 활물질obtained active material Ca 자리에서 M의 함량Content of M at Ca sites MNO3 MNO 3 Ca(NO3)2 Ca(NO 3 ) 2 Co(NO3)2 Co(NO 3 ) 2 제조예 A1Preparation A1 M=Li, 0.1M=Li, 0.1 2.92.9 44 Li0.1Ca2.9Co4O9-δ Li 0.1 Ca 2.9 Co 4 O 9-δ 3.3 mol%3.3 mol% 제조예 A2Preparation A2 M=Li, 0.12M=Li, 0.12 2.882.88 44 Li0.12Ca2.88Co4O9-δ Li 0.12 Ca 2.88 Co 4 O 9-δ 4 mol%4 mol% 제조예 A3Preparation A3 M=Li, 0.15M=Li, 0.15 2.852.85 44 Li0.15Ca2.85Co4O9-δ Li 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ 5 mol%5 mol% 제조예 A4Preparation A4 M=Li, 0.21M=Li, 0.21 2.792.79 44 Li0.21Ca2.79Co4O9-δ Li 0.21 Ca 2.79 Co 4 O 9-δ 7 mol%7 mol% 제조예 A5Preparation A5 M=Li, 0.3M=Li, 0.3 2.72.7 44 Li0.3Ca2.7Co4O9-δ Li 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ 10 mol%10 mol% 제조예 A6Preparation A6 M=Na, 0.1M=Na, 0.1 2.92.9 44 Na0.1Ca2.9Co4O9-δ Na 0.1 Ca 2.9 Co 4 O 9-δ 3.3 mol%3.3 mol% 제조예 A7Preparation A7 M=Na, 0.12M=Na, 0.12 2.882.88 44 Na0.12Ca2.88Co4O9-δ Na 0.12 Ca 2.88 Co 4 O 9-δ 4 mol%4 mol% 제조예 A8Preparation A8 M=Na, 0.15M=Na, 0.15 2.852.85 44 Na0.15Ca2.85Co4O9-δ Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ 5 mol%5 mol% 제조예 A9Preparation A9 M=Na, 0.21M=Na, 0.21 2.792.79 44 Na0.21Ca2.79Co4O9-δ Na 0.21 Ca 2.79 Co 4 O 9-δ 7 mol%7 mol% 제조예 A10Production Example A10 M=Na, 0.3M=Na, 0.3 2.72.7 44 Na0.3Ca2.7Co4O9-δ Na 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ 10 mol%10 mol% 제조예 A11Production Example A11 M=K, 0.1M=K, 0.1 2.92.9 44 K0.1Ca2.9Co4O9-δ K 0.1 Ca 2.9 Co 4 O 9-δ 3.3 mol%3.3 mol% 제조예 A12Production Example A12 M=K, 0.12M=K, 0.12 2.882.88 44 K0.12Ca2.88Co4O9-δ K 0.12 Ca 2.88 Co 4 O 9-δ 4 mol%4 mol% 제조예 A13Preparation A13 M=K, 0.15M=K, 0.15 2.852.85 44 K0.15Ca2.85Co4O9-δ K 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ 5 mol%5 mol% 제조예 A14Preparation A14 M=K, 0.21M=K, 0.21 2.792.79 44 K0.21Ca2.79Co4O9-δ K 0.21 Ca 2.79 Co 4 O 9-δ 7 mol%7 mol% 제조예 A15Production Example A15 M=K, 0.3M=K, 0.3 2.72.7 44 K0.3Ca2.7Co4O9-δ K 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ 10 mol%10 mol%

<활물질 제조예 B1 내지 B15: 공기극 활물질 제조(MCCO)> <Active Material Preparation Examples B1 to B15: Preparation of Cathode Active Material (MCCO)>

활물질 제조예 A1 내지 A15에 따른 공기극 활물질들의 각각을 48시간동안 180rpm으로 볼밀링하여 입자 사이즈가 줄어든 활물질 제조예 B1 내지 B15에 따른 공기극 활물질들을 얻었다.Each of the cathode active materials according to Preparation Examples A1 to A15 was ball milled at 180 rpm for 48 hours to obtain cathode active materials according to Preparation Examples B1 to B15 of the active material having a reduced particle size.

<활물질 비교예: 공기극 활물질 제조(CCO)> <Comparative example of active material: Preparation of cathode active material (CCO)>

MNO3 (M은 Li, Na, 또는 K) 는 사용하지 않고 3:4의 몰비를 갖는 Ca(NO3)2와 Co(NO3)2 을 사용한 것을 제외하고는 활물질 제조예 A1과 동일한 방법을 수행하여 Ca3Co4O9-δ조성의 공기극 활물질을 얻었다.MNO 3 (M is Li, Na, or K) is not used and Ca(NO 3 ) 2 and Co(NO 3 ) 2 having a molar ratio of 3:4 are used, except that the same method as in Preparation Example A1 of the active material is used. A cathode active material having a Ca 3 Co 4 O 9-δ composition was obtained.

도 2는 하기 반쪽전지 제조예들에 따른 반쪽전지(a)와 하기 완전전지 제조예들에 따른 완전전지(b)를 개략적으로 나타낸다.2 schematically shows a half-cell (a) according to the following half-cell manufacturing examples and a full battery (b) according to the following full-cell manufacturing examples.

도 2를 참조하면, 반쪽전지(a)는 하기 반쪽전지 제조예들에 기술된 바와 같이 전해질층(20′)의 양측에 배치된 공기극들(30a, 30b)을 구비할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the half-cell (a) may include cathodes 30a and 30b disposed on both sides of the electrolyte layer 20 ′ as described in the following half-cell manufacturing examples.

완전전지(b)는 하기 완전전지 제조예들에 기술된 바와 같이, 연료극 지지체(10a)와 연료극 기능층(10b)을 구비하는 연료극(10″) 상에 차례로 배치된 전해질층(20″)과 공기극(30″)을 구비할 수 있다.The full cell (b) includes an electrolyte layer 20″ sequentially disposed on an anode 10″ including an anode support 10a and an anode functional layer 10b, as described in Examples of Full Cell Manufacturing below; An air electrode 30″ may be provided.

<반쪽전지 제조예들 B1 내지 B15><Half-cell manufacturing examples B1 to B15>

BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ(BCZYYb) 2g을 기계적으로 가압한 후 1550℃에서 10시간 동안 소결하여 치밀한 구조의 버튼(button) 형태의 전해질층을 얻었다. 상기 활물질 제조예들 B1 내지 B15 중 어느 하나의 활물질(MCCO)과 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)를 6:4의 질량비로 섞고, 용매와 바인더의 혼합물인 ESL(Electroscience Laboratories)社의 441 제품을 사용하여 잉크 제작 후 이 잉크를 스크린 프린팅법을 사용하여 30㎛의 두께로 상기 전해질층의 양쪽면 상에 도포한 후, 800℃에서 2시간 동안 소결을 진행하여 공기극/ 전해질층/ 공기극 구조의 반쪽전지를 얻었다.After mechanically pressing 2 g of BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ (BCZYYb), it was sintered at 1550° C. for 10 hours to obtain a button-shaped electrolyte layer having a dense structure. The active material (MCCO) of any one of Preparation Examples B1 to B15 and BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ) are mixed in a mass ratio of 6:4, and ESL (Electroscience), which is a mixture of a solvent and a binder After ink production using 441 products from Laboratories, this ink was applied on both sides of the electrolyte layer to a thickness of 30 μm using a screen printing method, followed by sintering at 800° C. for 2 hours. A half-cell with an electrolyte layer/cathode structure was obtained.

<반쪽전지 비교예><Comparative example of half battery>

상기 활물질 제조예들 B1 내지 B15 중 어느 하나의 활물질(MCCO) 대신에 활물질 비교예에 따른 활물질(CCO)를 사용한 것을 제외하고는 반쪽전지 제조예 B1과 동일한 방법을 사용하여 반쪽전지를 얻었다.A half-cell was obtained in the same manner as in Preparation Example B1 of the half-cell, except that the active material (CCO) according to the active material Comparative Example was used instead of the active material (MCCO) of any one of Preparation Examples B1 to B15.

<완전전지 제조예들 B1 내지 B15><Complete battery manufacturing examples B1 to B15>

65 중량부의 NiO, 35 중량부의 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ), 2 중량부의 기공형성제인 PMMA(Polymethyl methacrylate), 가소제인 8 중량부의 BBP(Butyl Benzyl Phthalate)와 1 중량부의 PEG(Polyethylene Glycol), 9 중량부의 바인더 PVB(Polyvinyl Butyral), 1 중량부의 피쉬오일(fish oil), 및 용매인 21 중량부의 톨루엔과 21 중량부의 에탄올(99.9%)을 혼합하여 연료극 슬러리를 형성한 후, 이 슬러리를 테잎 캐스팅하여 직경 25 mm, 두께 50 ㎛의 버튼(button) 형태의 지지체를 형성하였다. 상기 지지체를 900 ℃에서 가소결하였다. 상기 가소결된 지지체의 상부면 상에 상기 연료극 슬러리를 스크린 프린팅법을 사용하여 2회 코팅한 후, 400 ℃에서 소결하여 연료극 기능층(두께: 10㎛)을 형성하였다. 이어서 상기 연료극 기능층의 상에 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ), 바인더인 PVB(Polyvinyl Butyral) 및 용매인 에탄올(99.9%)을 포함하는 전해질 슬러리를 스크린 프린팅법을 사용하여 3회 코팅한 후, 1450 ℃에서 4시간 동안 소결하여 전해질층(두께: 13.7 ㎛)/연료극 기능층/지지체 구조를 얻었다. 이 후, 상기 활물질 제조예들 B1 내지 B15 중 어느 하나의 활물질(MCCO)과 BCZYYb(BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ)를 6:4 질량비로 섞고, 용매와 바인더의 혼합물인 ESL(Electroscience Laboratories)社의 441 제품을 사용하여 잉크 제작 후 이 잉크를 상기 전해질층 상에 직경 6 mm의 원 모양으로 도포하였다. 이후, 900℃에서 2시간 동안 소결을 진행하여 공기극(두께: 40 ㎛)/ 전해질층/ 연료극 기능층/ 지지체 구조의 완전전지를 얻었다.65 parts by weight of NiO, 35 parts by weight of BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ), 2 parts by weight of pore former polymethyl methacrylate (PMMA), 8 parts by weight of plasticizer BBP (Butyl Benzyl Phthalate) and 1 weight Parts of PEG (Polyethylene Glycol), 9 parts by weight of binder PVB (Polyvinyl Butyral), 1 part by weight of fish oil, and 21 parts by weight of toluene as a solvent and 21 parts by weight of ethanol (99.9%) were mixed to form an anode slurry After that, the slurry was tape-casted to form a button-shaped support having a diameter of 25 mm and a thickness of 50 μm. The support was pre-sintered at 900°C. The anode slurry was coated twice on the upper surface of the pre-sintered support using a screen printing method, and then sintered at 400° C. to form an anode functional layer (thickness: 10 μm). Then, on the anode functional layer, BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ), PVB (Polyvinyl Butyral) as a binder, and ethanol (99.9%) as a solvent were applied to an electrolyte slurry using a screen printing method. and then sintered at 1450° C. for 4 hours to obtain an electrolyte layer (thickness: 13.7 μm)/anode functional layer/support structure. Thereafter, the active material (MCCO) of any one of Preparation Examples B1 to B15 and BCZYYb (BaCe 0.7 Zr 0.1 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ ) were mixed in a 6:4 mass ratio, and ESL, which is a mixture of a solvent and a binder (Electroscience Laboratories) 441 product was used to prepare the ink, and then this ink was applied on the electrolyte layer in a circular shape having a diameter of 6 mm. Thereafter, sintering was performed at 900° C. for 2 hours to obtain a complete cell having a cathode (thickness: 40 μm)/electrolyte layer/anode functional layer/support structure.

<반쪽전지 비교예><Comparative example of half battery>

상기 활물질 제조예들 B1 내지 B15 중 어느 하나의 활물질(MCCO) 대신에 활물질 비교예에 따른 활물질(CCO)를 사용한 것을 제외하고는 반쪽전지 제조예 B1과 동일한 방법을 사용하여 반쪽전지를 얻었다.A half-cell was obtained in the same manner as in Preparation Example B1 of the half-cell, except that the active material (CCO) according to the active material Comparative Example was used instead of the active material (MCCO) of any one of Preparation Examples B1 to B15.

하기 표 2는 상기 활물질 제조예들, 반쪽전지 제조예들, 및 완전전지 제조예들에서 사용된 활물질 조성을 보여준다.Table 2 below shows the active material compositions used in the preparation examples of the active material, the preparation examples of the half-cell, and the preparations of the full battery.

얻어진 활물질obtained active material Ca 자리에서
M의 함량
at Ca's place
content of M
활물질 제조예Active material preparation example 반쪽전지 제조예Half battery manufacturing example 완전전지 제조예Full battery manufacturing example
Li0.1Ca2.9Co4O9-δ Li 0.1 Ca 2.9 Co 4 O 9-δ 3.3 mol%3.3 mol% A1A1 B1B1 B1B1 B1B1 Li0.12Ca2.88Co4O9-δ Li 0.12 Ca 2.88 Co 4 O 9-δ 4 mol%4 mol% A2A2 B2B2 B2B2 B2B2 Li0.15Ca2.85Co4O9-δ Li 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ 5 mol%5 mol% A3A3 B3B3 B3B3 B3B3 Li0.21Ca2.79Co4O9-δ Li 0.21 Ca 2.79 Co 4 O 9-δ 7 mol%7 mol% A4A4 B4B4 B4B4 B4B4 Li0.3Ca2.7Co4O9-δ Li 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ 10 mol%10 mol% A5A5 B5B5 B5B5 B5B5 Na0.1Ca2.9Co4O9-δ Na 0.1 Ca 2.9 Co 4 O 9-δ 3.3 mol%3.3 mol% A6A6 B6B6 B6B6 B6B6 Na0.12Ca2.88Co4O9-δ Na 0.12 Ca 2.88 Co 4 O 9-δ 4 mol%4 mol% A7A7 B7B7 B7B7 B7B7 Na0.15Ca2.85Co4O9-δ Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ 5 mol%5 mol% A8A8 B8B8 B8B8 B8B8 Na0.21Ca2.79Co4O9-δ Na 0.21 Ca 2.79 Co 4 O 9-δ 7 mol%7 mol% A9A9 B9B9 B9B9 B9B9 Na0.3Ca2.7Co4O9-δ Na 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ 10 mol%10 mol% A10A10 B10B10 B10B10 B10B10 K0.1Ca2.9Co4O9-δ K 0.1 Ca 2.9 Co 4 O 9-δ 3.3 mol%3.3 mol% A11A11 B11B11 B11B11 B11B11 K0.12Ca2.88Co4O9-δ K 0.12 Ca 2.88 Co 4 O 9-δ 4 mol%4 mol% A12A12 B12B12 B12B12 B12B12 K0.15Ca2.85Co4O9-δ K 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ 5 mol%5 mol% A13A13 B13B13 B13B13 B13B13 K0.21Ca2.79Co4O9-δ K 0.21 Ca 2.79 Co 4 O 9-δ 7 mol%7 mol% A14A14 B14B14 B14B14 B14B14 K0.3Ca2.7Co4O9-δ K 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ 10 mol%10 mol% A15A15 B15B15 B15B15 B15B15

도 3a는 활물질 제조예들 B1, B3, 및 B5에 따른 활물질들의 엑스선 회절(X-ray Diffraction, XRD) 그래프이다. 도 3b는 활물질 제조예들 B6 내지 B10에 따른 활물질들의 엑스선 회절 그래프이다. 도 3c는 활물질 제조예들 B11, B13, 및 B15에 따른 활물질들의 엑스선 회절 그래프이다.3A is an X-ray diffraction (XRD) graph of active materials according to Preparation Examples B1, B3, and B5 of the active materials. 3B is an X-ray diffraction graph of active materials according to Preparation Examples B6 to B10 of the active materials. 3C is an X-ray diffraction graph of active materials according to Preparation Examples B11, B13, and B15 of the active materials.

도 3a를 참조하면, Li를 3.3 mol% 도핑하였을 때는 Ca3Co4O9-δ와 동일한 단일상을 유지하지만, Li를 5 mol% 이상 도핑한 경우에는 Ca3Co4O9-δ가 아닌 Ca3Co2O6와 동일한 상이 형성되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3A , when Li is doped with 3.3 mol%, the same single phase as Ca 3 Co 4 O 9-δ is maintained, but when Li is doped with 5 mol% or more, Ca 3 Co 4 O 9-δ is not It can be seen that the same phase as Ca 3 Co 2 O 6 is formed.

도 3b 및 도 3c를 참조하면, Na와 K를 3.3 내지 10 mol% 도핑하였을 때 모두 이차상 및 분순물 없이 Ca3Co4O9-δ와 동일한 단일상이 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3b and 3c , it can be seen that when 3.3 to 10 mol% of Na and K were doped, a single phase identical to Ca 3 Co 4 O 9-δ was formed without secondary phases and impurities.

도 4는 활물질 제조예 A8에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 5는 활물질 제조예 B8에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지(a)와 입자사이즈 분포(Particle size distribution, PSD)를 나타낸 그래프(b)이고, 도 6은 활물질 제조예 B13에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지(a)와 입자사이즈 분포(PSD)를 나타낸 그래프(b)이다. 또한, 도 7은 활물질 제조예 B10에 따른 활물질을 촬영한 SEM 이미지이다.4 is an SEM image of the active material according to Preparation Example A8 of the active material, and FIG. 5 is a graph showing the SEM image (a) and the particle size distribution (PSD) of the active material according to Preparation Example B8 of the active material ( b), and FIG. 6 is a graph (b) showing an SEM image (a) and a particle size distribution (PSD) of the active material according to Preparation Example B13 of the active material. 7 is an SEM image of the active material according to Preparation Example B10 of the active material.

도 4를 참조하면, 글리신을 활용한 자전연소합성법(Self-Propagating High Temperature Synthesis)을 이용한 활물질 제조예 A8에 따른 활물질 즉, Na0.15Ca2.85Co4O9-δ는 대략 1 um의 직경을 갖는 판상형 입자들로 형성된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, the active material according to Preparation Example A8 of the active material using the self-propagating high temperature synthesis using glycine, that is, Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ has a diameter of approximately 1 um. It can be seen that the plate-shaped particles are formed.

도 5를 참조하면, 제조예 A8에 따른 활물질 즉, Na0.15Ca2.85Co4O9-δ를 볼밀링하여 얻어진 제조예 B8에 따른 활물질은 대략 50 내지 300 nm의 직경 구체적으로 약 139 nm의 평균 직경을 갖는 판상형 입자들로 형성된 것을 알 수 있다. 5, the active material according to Preparation Example A8, that is, Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ obtained by ball milling the active material according to Preparation Example B8 has a diameter of about 50 to 300 nm, specifically, an average of about 139 nm It can be seen that the plate-shaped particles having a diameter are formed.

도 6을 참조하면, 제조예 B13에 따른 활물질 즉, K0.15Ca2.85Co4O9-δ은 대략 50 내지 300 nm의 직경 구체적으로 약 119 nm의 평균 직경을 갖는 판상형 입자들로 형성된 것을 알 수 있다.6, it can be seen that the active material according to Preparation B13, that is, K 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ is formed of plate-shaped particles having a diameter of about 50 to 300 nm, specifically, an average diameter of about 119 nm. have.

도 7을 참조하면, 제조예 B10에 따른 활물질 즉, Na0.3Ca2.7Co4O9-δ은 도 5의 Na0.15Ca2.85Co4O9-δ 대비 비교적 큰 약 200 nm의 평균 직경을 갖는 판상형 입자들로 형성된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7 , the active material according to Preparation Example B10, that is, Na 0.3 Ca 2.7 Co 4 O 9-δ is a plate-shaped type having a relatively large average diameter of about 200 nm compared to Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9 -δ of FIG. 5 . It can be seen that the particles are formed.

[전기전도도 측정][Measurement of electrical conductivity]

상기 반쪽전지 제조예들 혹은 비교예를 통해 얻어진 반쪽전지들 중 하나를 공기 분위기를 형성할 수 있는 쿼츠 반응기에 연결한 후, 고온용 전기로에 위치시켜 450 내지 800℃의 온도 범위에서 전기화학분석(Biologic社, VSP)을 실시하였다. 이때 공기 유량은 200 sccm 흘려주되 건조된 공기 혹은 3% 수분을 포함하는 가습공기(3% H2O-97% Air)를 사용하였다.After connecting one of the half-cells obtained through the half-cell manufacturing examples or the comparative example to a quartz reactor capable of forming an air atmosphere, it is placed in a high-temperature electric furnace and subjected to electrochemical analysis in a temperature range of 450 to 800°C ( Biologic, VSP) was performed. At this time, the air flow rate was 200 sccm, but dry air or humidified air (3% H 2 O-97% Air) containing 3% moisture was used.

도 8은 반쪽전지 제조예들 B1, B3, 및 B5, 그리고 반쪽전지 비교예에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다. 도 9는 반쪽전지 제조예들 B6 내지 B10, 그리고 반쪽전지 비교예에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다. 도 10은 반쪽전지 제조예들 B11, B13, 및 B15에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다. 도 11은 반쪽전지 제조예들 B1, B6, 및 B11, 그리고 반쪽전지 비교예에 따른 전지의 건조 공기 분위기(a)와 가습 공기 분위기(b)에서의 전기전도도를 보여주는 그래프이다. 8 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B1, B3, and B5, and Comparative Examples of half-cells. 9 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B6 to B10, and Comparative Examples of half-cells. 10 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B11, B13, and B15. 11 is a graph showing electrical conductivity in dry air atmosphere (a) and humidified air atmosphere (b) of batteries according to Half-cell Preparation Examples B1, B6, and B11, and Comparative Examples of half-cells.

도 8, 도 9, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 공기극 내에 Ca3Co4O9-δ를 활물질로 함유하는 반쪽전지 비교예에 따른 전지 대비, 알칼리 금속 구체적으로, Li, Na, 또는 K가 3.3 내지 10 mol% 도핑된 MxCa(3-x)Co4O9-δ(0.1≤x≤0.3)를 활물질로 함유하는 반쪽전지는 건조 공기 분위기의 경우에는 모든 온도 범위에서 더 높은 전기전도도를 나타내고, 가습 공기 분위기의 경우에는 적어도 저온 범위(600℃ 이하, 1000/T(K-1)는 1.1 이상)에서 더 높은 전기전도도를 나타내었다. 이는 2가의 산화수를 갖는 Ca의 자리에 1가의 산화수를 갖는 알칼리 금속을 도핑함에 따라, 억셉터 효과에 의해 산소 공공과 정공 발생이 유도되어 전도도가 향상된 것으로 추정할 수 있다.8, 9, 10, and 11, compared to the battery according to the comparative example of the half-cell containing Ca 3 Co 4 O 9-δ as an active material in the cathode, the alkali metal, specifically, Li, Na, or The half-cell containing M x Ca (3-x) Co 4 O 9-δ (0.1≤x≤0.3) doped with K of 3.3 to 10 mol% as an active material was higher in all temperature ranges in the case of dry air atmosphere. It showed electrical conductivity, and in the case of humidified air atmosphere, it showed higher electrical conductivity at least in the low temperature range (600 °C or less, 1000/T(K -1 ) is 1.1 or more). It can be estimated that the conductivity is improved because oxygen vacancies and holes are induced by the acceptor effect by doping the alkali metal having a monovalent oxidation number to the site of Ca having a divalent oxidation number.

또한, Li, Na, 또는 K가 3.3 내지 10 mol% 도핑된 MxCa(3-x)Co4O9-δ(0.1≤x≤0.3)를 활물질로 함유하는 반쪽전지는 건조 공기 환경 대비 가습 환경에서는 더 높은 전기전도도를 나타내었다. 상기 가습 환경은 프로톤세라믹전지의 공기극에서 물이 발생되거나 소모되는 것을 고려한 것으로, MxCa(3-x)Co4O9-δ(0.1≤x≤0.3)는 전자와 이온이 이동할 수 있는 혼합이온전자도체(MIEC, Mixed Ionic/Electronic Conductor) 성질을 가짐에 따라, 가습 환경에서는 높은 수소이온 이동도를 가지게 되어 반응정도가 현저하게 빨라지는 것으로 추정되었다.In addition, the half-cell containing M x Ca (3-x) Co 4 O 9-δ (0.1≤x≤0.3) doped with 3.3 to 10 mol% of Li, Na, or K as an active material is humidified compared to dry air environment. It showed higher electrical conductivity in the environment. The humidification environment considers the generation or consumption of water at the cathode of the proton ceramic battery, and M x Ca (3-x) Co 4 O 9-δ (0.1≤x≤0.3) is a mixture in which electrons and ions can move. As it has the properties of an ion-electron conductor (MIEC, Mixed Ionic/Electronic Conductor), it is estimated that it has a high hydrogen ion mobility in a humidified environment, and the reaction degree is remarkably accelerated.

한편, Li 또는 K가 도핑된 경우에는 저온으로 갈수록 즉, 1000/T(K-1)가 증가할수록, 낮은 도핑농도에서 Ca3Co4O9-δ대비 더 높은 전기전도도를 나타내었다(도 8, 도 10).On the other hand, when Li or K was doped, the lower the temperature, that is, the 1000/T(K −1 ) increased, the higher the electrical conductivity compared to Ca 3 Co 4 O 9-δ at low doping concentration (FIG. 8). , Fig. 10).

한편, Na가 도핑된 경우 건조 및 가습 환경의 모든 온도 영역에서 도핑되지 않은 Ca3Co4O9-δ대비 전기전도도가 상대적으로 증가한 것을 확인할 수 있다. 모든 온도영역에서 높은 전기전도도를 나타내는 것은 프로톤세라믹전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있음을 의미한다. 이에 더하여, 5 mol%의 Na를 도핑한 경우, 전기전도도의 향상이 가장 큰 것으로 나타났다. 또한, 건조공기에 비해 가습 공기 분위기에서는 K가 도핑된 경우와 마찬가지의 경향성을 가져 전기전도도가 고온에서는 낮게, 저온에서는 높게 측정되었다(도 9, 도 11).On the other hand, when Na is doped, it can be seen that the electrical conductivity is relatively increased compared to the undoped Ca 3 Co 4 O 9-δ in all temperature ranges of dry and humidified environments. High electrical conductivity in all temperature ranges means that the performance and efficiency of the proton ceramic battery can be improved. In addition, when 5 mol% of Na was doped, the improvement of electrical conductivity was the greatest. In addition, compared to dry air, in humidified air atmosphere, the tendency was the same as that in the case of K-doping, and electrical conductivity was measured to be low at high temperature and high at low temperature ( FIGS. 9 and 11 ).

도 11을 다시 참조하면, Na가 도핑된 경우가 K가 도핑된 경우 대비 고온에서는 약간 높은 전기전도도를 가지고, 저온에서는 K가 도핑된 경우와 근소한 차이를 보인다. 또한 Na의 이온 반경은 227pm로 Ca의 이온 반경인 230pm과 유사하나, K의 이온 반경이 280pm으로 Ca의 이온 반경에 비해 매우 큰 것을 감안하면, Ca의 자리에 K에 비해 Na를 도핑하는 것이 구조 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 추정되었다.Referring back to FIG. 11 , the case in which Na is doped has slightly higher electrical conductivity at high temperatures compared to the case in which K is doped, and shows a slight difference from the case in which K is doped at low temperatures. In addition, the ionic radius of Na is 227 pm, which is similar to that of Ca, 230 pm, but considering that the ionic radius of K is 280 pm, which is very large compared to the ionic radius of Ca, doping Na in the place of Ca is the structure It was estimated that the stability could be improved.

[전류-전압특성, 전력밀도, 및 임피던스 측정][Current-voltage characteristics, power density, and impedance measurement]

완전전지는 세라믹 반응기에 위치시켜, 연료극과 공기극 사이 각각에 주입되는 기체 누수 방지를 위해 세라믹 본드를 실링제로 사용하였다. 또한 해당 반응기를 고온용 전기로에 위치시켜 450 내지 750℃범위에서 온도를 낮춰가면서 전류-전압특성, 전력밀도, 및 임피던스를 Potentiostat/Galvanostat 장비(Biologic社, SP-240)를 이용하여 측정하였다.The complete cell was placed in a ceramic reactor, and a ceramic bond was used as a sealing agent to prevent leakage of gas injected between the anode and the cathode. In addition, the reactor was placed in a high-temperature electric furnace and the temperature was lowered in the range of 450 to 750 ° C. The current-voltage characteristics, power density, and impedance were measured using Potentiostat/Galvanostat equipment (Biologic, SP-240).

한편, 완전전지는 연료전지모드와 전해전지모드로 운전될 수 있는데, 연료전지모드에서는 연료극과 공기극에 각각 3vol%의 수증기가 함유된 수소와 건조된 공기를 공급하였고, 전해전지모드에서는 연료극과 공기극을 각각 30 sccm의 건조된 수소와 20vol%의 수증기가 함유된 공기를 공급하였다. Meanwhile, the full cell can be operated in both the fuel cell mode and the electrolytic cell mode. In the fuel cell mode, hydrogen and dry air containing 3 vol% of water vapor were supplied to the anode and cathode, respectively, and in the electrolytic cell mode, the anode and the cathode were supplied. were supplied with air containing 30 sccm of dried hydrogen and 20 vol% of water vapor, respectively.

도 12는 완전전지 제조예 B6, B8, 및 B10에 따른 전지들을 연료전지 모드로 운전하면서 얻어진 분극 및 전력밀도 그래프들(a, c, e)과 임피턴스 그래프들(b, d, f)을 보여준다. 12 is a graph showing polarization and power density graphs (a, c, e) and impedance graphs (b, d, f) obtained while operating the batteries according to the full cell manufacturing examples B6, B8, and B10 in the fuel cell mode; show

도 12를 참조하면, Na 5 mol% 도핑한 활물질을 사용한 경우(c) 450 내지 750도의 온도 범위 전체에서, Na 3.3 mol% 도핑한 활물질을 사용한 경우(a) 혹은 Na 10 mol% 도핑한 활물질을 사용한 경우(e) 대비 우수한 출력밀도를 나타내었으며, 또한 저온으로 갈수록 출력밀도 감소폭이 적은 것을 알 수 있다. 구체적으로, Na 5 mol% 도핑한 활물질을 사용한 경우(c) 750, 700, 650, 600, 550, 500, 및 450도에서, 출력밀도들(power density)은 각각 2310, 1860, 1310, 840, 510, 250, 110 mW/cm2을 나타내었고, Rp(polarization resistance)는 각각 0.03, 0.05, 0.11, 0.28, 0.75, 2.64, 9.16Ω·cm2을 나타내었다.Referring to FIG. 12 , when an active material doped with Na 5 mol% is used (c) over the entire temperature range of 450 to 750 degrees, when an active material doped with Na 3.3 mol% is used (a) or an active material doped with Na 10 mol% It can be seen that the output density was excellent compared to the case (e) used, and the decrease in the output density was small as the temperature decreased. Specifically, in the case of using an active material doped with Na 5 mol% (c) at 750, 700, 650, 600, 550, 500, and 450 degrees, the power densities are 2310, 1860, 1310, 840, 510, 250, and 110 mW/cm 2 were shown, and Rp (polarization resistance) was 0.03, 0.05, 0.11, 0.28, 0.75, 2.64, and 9.16Ω·cm 2 , respectively.

이와 같이, Na 5 mol% 도핑한 활물질을 중·저온에서 사용하는 프로톤세라믹전지의 공기극 활물질으로 사용할 때 우수한 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.As described above, it can be seen that excellent properties can be obtained when the active material doped with Na 5 mol% is used as the cathode active material of a proton ceramic battery used at medium and low temperatures.

도 13은 완전전지 제조예 B8에 따른 전지를 연료전지 모드로 운전할 때의 내구성을 보여주는 그래프이다. 이 때, 전지는 650℃ 정전류(300mA/cm2) 조건에서에서 800시간동안 연료전지 모드로 운전하였다.13 is a graph showing durability when the battery according to Preparation Example B8 of the full cell is operated in a fuel cell mode. At this time, the battery was operated in the fuel cell mode for 800 hours at 650 ℃ constant current (300mA/cm 2 ) condition.

도 13을 참조하면, 800시간 동안 전압이 유지되는 등 완전전지 제조예 B8에 따른 전지는 내구성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 13 , it can be seen that the battery according to Preparation Example B8 of the full battery, such as the voltage maintained for 800 hours, has very excellent durability.

도 14는 완전전지 제조예 B8에 따른 전지를 전해전지 모드로 운전하면서 얻어진 초기 I-V 그래프(a)와 정전류(200mA/cm2) 조건에서 50시간 내구성 테스트를 진행한 후 얻어진 I-V 그래프(b)를 보여준다. 도 15는 완전전지 제조예 B8에 따른 전지를 전해전지 모드로 정전류(200mA/cm2) 조건에서 50시간 내구성 테스트를 진행하면서 얻어진 그래프이다. 14 is an initial IV graph (a) obtained while operating the battery according to Preparation Example B8 of a full battery in electrolytic cell mode and an IV graph (b) obtained after a 50-hour durability test under constant current (200 mA/cm 2 ) conditions. show 15 is a graph obtained while performing a 50-hour durability test under constant current (200 mA/cm 2 ) conditions in an electrolytic cell mode for a battery according to Preparation Example B8 of a full battery.

도 14를 참조하면, 초기상태에서 전압 1.6V 기준에서의 전류밀도로 -1.11 (500℃), -3.14 (600℃), -8.12 (700℃), -10.53 A/cm2 (750℃)을 얻을 수 있었다(a). Referring to FIG. 14 , in the initial state, -1.11 (500° C.), -3.14 (600° C.), -8.12 (700° C.), -10.53 A/cm 2 (750° C.) are the current densities based on the voltage of 1.6V. could be obtained (a).

도 15를 참조하면, 성능 측정 후에는 해당 전지에 대해 내구성 테스트를 정전류(200mA/cm2) 조건하 약 50시간 진행하였으며, 전압이 일정하게 유지됨을 보아 좋은 내구성을 가졌음을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 15 , after the performance measurement, the battery was subjected to a durability test under constant current (200 mA/cm 2 ) condition for about 50 hours, and it was confirmed that the battery had good durability by keeping the voltage constant.

도 14를 다시 참조하면, 내구성 측정 후, 전류밀도는 초기 성능 대비 내구성 테스트 진행 후 성능이 소폭 상승하였음을 확인할 수 있었다(b).Referring back to FIG. 14 , after the durability measurement, it was confirmed that the current density slightly increased compared to the initial performance after the durability test (b).

도 16은 완전전지 제조예 B6 내지 B10에 따른 전지들을 연료전지 모드(건조공기)와 전해전지 모드(가습 공기)로 650도에서 운전할 때 얻은 Rp(Polarization resistance)값을 보여주는 그래프이다.16 is a graph showing polarization resistance (Rp) values obtained when the batteries according to Preparation Examples B6 to B10 of the full cell are operated at 650 degrees in a fuel cell mode (dry air) and an electrolytic cell mode (humidified air).

도 16을 참조하면, Na를 5 mol% 도핑한 공기극 활물질을 사용한 완전전지 제조예 B8에 따른 전지가 다른 도핑농도를 가진 공기극 활물질을 사용한 완전전지 대비 낮은 분극저항을 나타냄을 알 수 있다.Referring to FIG. 16 , it can be seen that the battery according to Preparation Example B8 of the full battery using the cathode active material doped with 5 mol% Na exhibits lower polarization resistance compared to the full battery using the cathode active material having different doping concentrations.

도 17은 완전전지 제조예 B8에 따른 전지의 내구성 평가(도 13)이후, 사후분석 결과를 나타낸 주사전자현미경(SEM)이미지로서, (a)와 (b)는 전지 전체의 단면, (c)는 연료극(anode)의 단면, (d)는 공기극(cathode)의 단면, 그리고 (e)는 전해질의 단면을 보여준다.17 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the results of post-mortem analysis after durability evaluation (FIG. 13) of the battery according to Preparation Example B8 of the full battery, (a) and (b) are cross-sections of the entire battery, (c) is a cross-section of the anode, (d) is a cross-section of the cathode, and (e) is a cross-section of the electrolyte.

도 17을 참조하면, 내구성 평가후에도 전해질층과 공기극(cathode)이 잘 접착되어있는 것을 확인했으며, 공기극(cathode)의 미세구조가 크게 열화되지 않았다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 17 , it was confirmed that the electrolyte layer and the cathode were well adhered even after the durability evaluation, and it was confirmed that the microstructure of the cathode was not significantly deteriorated.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

10: 연료극
20: 전해질층
30: 공기극
10: anode
20: electrolyte layer
30: air electrode

Claims (18)

연료극;
상기 연료극 상에 위치하는 전해질층; 및
상기 전해질층 상에 위치하고, Ca3Co4O9-δ(0<δ<1)의 조성을 갖되, 상기 Ca 자리에 알칼리 금속이 도핑된 활물질을 구비하는 공기극을 포함하는, 전기화학 소자.
anode;
an electrolyte layer positioned on the anode; and
It is located on the electrolyte layer and has a composition of Ca 3 Co 4 O 9-δ (0<δ<1), An electrochemical device comprising a cathode having an active material doped with an alkali metal at the Ca site.
제1항에 있어서,
상기 활물질은 MxCa3-xCo4O9-δ (0< δ <1)조성을 갖고,
상기 x는 0.1 내지 0.3이고,
상기 M은 Li, Na, 또는 K인, 전기화학 소자.
According to claim 1,
The active material has a composition of M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ (0 < δ < 1),
Wherein x is 0.1 to 0.3,
Wherein M is Li, Na, or K, the electrochemical device.
제2항에 있어서,
상기 M은 Na이고, 상기 x는 0.13 내지 0.18인, 전기화학 소자.
3. The method of claim 2,
wherein M is Na, Wherein x is 0.13 to 0.18, the electrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 활물질은 Na0.15Ca2.85Co4O9-δ인, 전기화학 소자.
According to claim 1,
The active material is Na 0.15 Ca 2.85 Co 4 O 9-δ , the electrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 활물질은, [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖는 MaCa2-aCoO3-δ층(M은 알칼리 금속, 0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층된 결정구조를 갖는 것인, 전기화학 소자.
According to claim 1,
The active material is, [CdI 2 ] CoO 2 layer having a crystal structure, and M a Ca 2-a CoO 3-δ layer having a rock-salt structure (M is an alkali metal, 0.06≤a≤0.3, The electrochemical device, wherein 0≤ δ ≤1) has an alternatingly stacked crystal structure.
제1항에 있어서,
상기 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경을 갖는 입자들인, 전기화학 소자.
According to claim 1,
The active material is particles having a diameter of several tens to several hundreds of nm, an electrochemical device.
제6항에 있어서,
상기 활물질은 100 내지 200 nm의 평균직경을 갖는 입자들인, 전기화학 소자.
7. The method of claim 6,
The active material is particles having an average diameter of 100 to 200 nm, an electrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 전기화학 소자는 프로톤 전도성 세라믹 전지인, 전기화학 소자.
According to claim 1,
The electrochemical device is a proton conductive ceramic cell, an electrochemical device.
제8항에 있어서,
상기 공기극은 상기 활물질 및 프로톤 전도성 산화물의 혼합물을 포함하는 것인, 전기화학 소자.
9. The method of claim 8,
The cathode is an electrochemical device comprising a mixture of the active material and the proton conductive oxide.
제9항에 있어서,
상기 프로톤전도성 산화물은 BZY(yttrium-doped barium zirconate), BCY(yttrium-doped barium cerate), BZCY(yittrium-doped barium-zirconate-cerate) 또는 BCZYYb(Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate)인, 전기화학 소자.
10. The method of claim 9,
The proton conductive oxide is BZY (yttrium-doped barium zirconate), BCY (yttrium-doped barium cerate), BZCY (yittrium-doped barium-zirconate-cerate) or BCZYYb (Yttrium- and ytterbium-doped barium-cerate-zirconate) , electrochemical devices.
연료극;
상기 연료극 상에 위치하는 전해질층; 및
상기 전해질층 상에 위치하고, [CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과, 암염(Rock-salt)구조를 갖는 MaCa2-aCoO3-δ층(M은 알칼리 금속, 0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층된 결정구조를 갖는 활물질을 구비하는 공기극을 포함하는, 전기화학 소자.
anode;
an electrolyte layer positioned on the anode; and
Located on the electrolyte layer, a CoO 2 layer having a crystal structure of [CdI 2 ], and a M a Ca 2-a CoO 3-δ layer having a rock-salt structure (M is an alkali metal, 0.06≤a) ≤0.3, 0≤ δ ≤1) comprising an electrode comprising an active material having an alternatingly laminated crystal structure.
제11항에 있어서,
상기 MaCa2-aCoO3-δ층에서 a는 0.09 내지 0.12인, 전기화학 소자.
12. The method of claim 11,
In the Ma Ca 2-a CoO 3-δ layer, a is 0.09 to 0.12, an electrochemical device.
제11항에 있어서,
상기 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경을 갖는 입자들인, 전기화학 소자.
12. The method of claim 11,
The active material is particles having a diameter of several tens to several hundreds of nm, an electrochemical device.
Ca3Co4O9-δ(0<δ<1)의 조성을 갖되,
상기 Ca 자리에 알칼리 금속이 도핑된, 활물질.
Ca 3 Co 4 O 9-δ (0<δ<1) having a composition,
An alkali metal doped at the Ca site, the active material.
제14항에 있어서,
상기 활물질은 MxCa3-xCo4O9-δ (0< δ <1)조성을 갖고,
상기 x는 0.1 내지 0.3이고,
상기 M은 Li, Na, 또는 K인, 활물질.
15. The method of claim 14,
The active material has a composition of M x Ca 3-x Co 4 O 9-δ (0 < δ < 1),
Wherein x is 0.1 to 0.3,
Wherein M is Li, Na, or K, the active material.
[CdI2]의 결정구조를 갖는 CoO2층과,
암염(Rock-salt)구조를 갖고 MaCa2-aCoO3-δ층(M은 알칼리 금속, 0.06≤a≤0.3, 0≤ δ ≤1)이 교호적층된 결정구조를 갖는, 활물질.
A CoO 2 layer having a crystal structure of [CdI 2 ],
An active material having a rock-salt structure and a crystal structure in which M a Ca 2-a CoO 3-δ layers (M is an alkali metal, 0.06 ≤ a ≤ 0.3, 0 ≤ δ ≤ 1) are alternately stacked.
제14항 또는 제16항에 있어서,
상기 활물질은 수십 내지 수백 nm의 직경을 갖는 입자들인, 활물질.
17. The method of claim 14 or 16,
The active material is particles having a diameter of several tens to several hundreds of nm, the active material.
제17항에 있어서,
상기 활물질은 100 내지 200 nm의 평균직경을 갖는 입자들인, 활물질.
18. The method of claim 17,
The active material is particles having an average diameter of 100 to 200 nm, the active material.
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