KR20220071426A - Anode active material coated with nitrogen-doped carbon for sodium ion secondary battery and method of preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
나트륨이차전지용 질소-도핑된 탄소가 코팅된 음극 활물질 및 그 제조방법에 관한 것이다.It relates to a nitrogen-doped carbon-coated negative active material for a sodium secondary battery and a method for manufacturing the same.
휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 리튬이온전지의 적용 분야가 확대되면서 고전력, 대용량, 장수명 리튬이온전지에 대한 수요가 증대하고 있다. 다만, 리튬의 매장량이 충분하지 않으며 리튬이온전지의 수요 증가를 만족시키기 위한 가격 경쟁력이 낮고, 이식 가능한 생의학적 디바이스와 이와 비슷한 건강체크가 가능한 전자피부 기능 등의 어플리케이션에 적용하기에 생체 적합성이 저하되는 한계가 있다.As the field of application of lithium-ion batteries such as portable electronic devices and electric vehicles is expanding, the demand for high-power, large-capacity, long-life lithium-ion batteries is increasing. However, the reserves of lithium are not sufficient, the price competitiveness to satisfy the increasing demand for lithium ion batteries is low, and the biocompatibility is low for applications such as implantable biomedical devices and electronic skin functions that can check health similarly. There is a limit to being
이에 반해, 나트륨이온전지는 나트륨의 매장량이 풍부하여 리튬이온전지에 비해 10배 가까이 저렴하고 우수한 생체 적합성 및 리튬과 유사한 전기화학적 성질을 가지고 있어 리튬이온전지의 대체 전지로 주목받고 있다. 그러나 나트륨 이온은 리튬 이온보다 이온 반경이 55% 크며, 이 때문에 에너지 밀도를 저하시켜 나트륨 이온을 삽입 및 추출하는데 있어 불리한 동력학적 특성을 나타낸다. 크기가 큰 나트륨 이온은 탄소 재료의 흑연층에 삽입하는 것이 곤란하고 그에 따라 흑연 재료는 일반적으로 나트륨이온전지에서 음극재료로 적용이 불가능하였다.On the other hand, sodium ion batteries are attracting attention as alternative batteries for lithium ion batteries because they have abundant sodium reserves, are nearly 10 times cheaper than lithium ion batteries, and have excellent biocompatibility and electrochemical properties similar to those of lithium. However, sodium ion has an ionic radius of 55% greater than that of lithium ion, and for this reason, the energy density is lowered, thereby exhibiting unfavorable kinetic properties in inserting and extracting sodium ions. It is difficult to insert large sodium ions into the graphite layer of the carbon material, and accordingly, the graphite material is generally not applicable as an anode material in a sodium ion battery.
이를 해결하기 위해, 나트륨이온전지를 위한 음극재료로 금속 칼코게나이드(metal chalcogenides)가 주목받고 있고, 그 중 주석 칼코게나이드는 사이클링 과정에서 전환 및 합금 반응에 따른 고용량을 제공할 수 있으나, 종래 금속화합물의 문제점인 나트륨 이온의 삽입/방출에 따른 부피팽창과 입자의 응집발생이 여전히 발생되므로, 나트륨이온전지의 전기화학적 성능을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.In order to solve this, metal chalcogenides are attracting attention as negative electrode materials for sodium ion batteries, and among them, tin chalcogenides can provide a high capacity according to conversion and alloying reactions in the cycling process, but in the prior art Since volume expansion and particle agglomeration due to the insertion/release of sodium ions, which are problems of metal compounds, still occur, it acts as a factor degrading the electrochemical performance of the sodium ion battery.
이러한 문제를 해결하기 위해, 나트륨이온전지에 적합하면서도 전지의 수명 특성 및 충방전 용량이 향상된 나트륨이차전지용 음극 활물질의 개발이 요구되고 있다.In order to solve this problem, the development of an anode active material for a sodium secondary battery that is suitable for a sodium ion battery and has improved battery life characteristics and charge/discharge capacity is required.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 수명 특성 및 충방전 용량이 우수한 나트륨이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an anode active material for a sodium secondary battery having excellent lifespan characteristics and charge/discharge capacity, and a method for manufacturing the same.
일 측면에 따르면 주석-셀레나이드; 및 상기 주석-셀레나이드 표면 중 적어도 일부에 결합된 질소 도핑된 탄소계 화합물;을 포함하는 나트륨이차전지용 음극 활물질이 제공된다.According to one aspect tin-selenide; and a nitrogen-doped carbon-based compound bonded to at least a portion of the tin-selenide surface.
일 실시예에 있어서, 상기 주석-셀레나이드는 SnSe 및 SnSe2을 포함할 수 있다.In an embodiment, the tin-selenide may include SnSe and SnSe 2 .
일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질은 나노 플레이크(Nanoflake) 형태일 수 있다.In one embodiment, the negative active material may be in the form of nanoflakes.
일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질의 평균 두께는 10~30㎚일 수 있다.In an embodiment, the average thickness of the anode active material may be 10 to 30 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질의 평균 기공 직경은 10~20㎚일 수 있다.In one embodiment, the average pore diameter of the negative active material may be 10 ~ 20㎚.
다른 일 측면에 따르면, 상기 나트륨이차전지용 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된, 나트륨이차전지용 음극이 제공된다.According to another aspect, there is provided an anode for a sodium secondary battery in which a slurry including the anode active material for a sodium secondary battery, a binder, and a conductive material is applied to a current collector.
일 실시예에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 및 불소고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one embodiment, the binder is polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene , ethylene-propylene (EPDM) rubber, styrene-butyrene rubber, and may be at least one selected from the group consisting of fluororubber.
또 다른 일 측면에 따르면 (a) 용매에 주석 전구체 및 셀레늄 전구체를 투입하여 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)의 혼합물을 밀폐된 반응기에 투입하여 150~200℃, 10~15시간의 조건에서 반응시켜 주석-셀레나이드를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 주석-셀레나이드 및 탄소 전구체와 혼합 및 건식 분쇄한 후 질소 분위기 하에서 하소시키는 단계;를 포함하는 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법이 제공된다.According to another aspect, (a) mixing the tin precursor and the selenium precursor in a solvent; (b) adding the mixture of (a) to a sealed reactor and reacting at 150 to 200° C. for 10 to 15 hours to prepare tin-selenide; and (c) mixing and dry grinding with the tin-selenide and carbon precursor, followed by calcining in a nitrogen atmosphere;
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서, 상기 주석-셀레나이드 표면의 적어도 일부에 질소 도핑된 탄소 코팅층이 형성될 수 있다.In one embodiment, in step (c), a nitrogen-doped carbon coating layer may be formed on at least a portion of the tin-selenide surface.
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 400~600℃, 1~3시간 조건에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the step (c) may be performed at 400 ~ 600 ℃, 1-3 hours conditions.
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계의 하소는 1분 당 5℃를 상승시키는 조건에서 수행될 수 있다.In an embodiment, the calcination of step (c) may be performed under conditions of increasing 5° C. per minute.
일 측면에 따르면, 주석-셀레나이드; 및 상기 주석-셀레나이드 표면 중 적어도 일부에 결합된 질소 도핑된 탄소계 화합물이 코팅된 음극 활물질을 이차전지에 적용함으로써, 충방전 과정에서 발생하는 부피팽창을 억제할 수 있고, 이에 따라 전지의 수명 특성과 전기적 특성을 동시에 개선할 수 있다.According to one aspect, tin-selenide; And by applying the negative active material coated with a nitrogen-doped carbon-based compound bonded to at least a portion of the tin-selenide surface to the secondary battery, volume expansion occurring during the charging and discharging process can be suppressed, and thus the lifespan of the battery Characteristics and electrical characteristics can be improved at the same time.
본 명세서의 일 측면의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effect of one aspect of the present specification is not limited to the above-described effect, but it should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration described in the detailed description or claims of the present specification.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 도식화한 것이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 XRD 및 라만 스펙트럼 분석 결과이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 XPS 분석 결과이다.
도 4은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 HR FE-SEM 및 EDX 분석 결과이다.
도 5은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 FE-TEM 및 HR FE-TEM 분석 결과이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 질소 흡착/탈착 등온선 그래프 및 BJH 기공 크기 분석 결과이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예 및 비교예에 의한 나트륨이차전지용 음극을 포함하는 이차전지의 방전곡선의 미분 용량(dQ/dV)의 그래프 및 성능 평가 그래프이다.
도 8은 본 명세서의 일 실시예 및 비교예에 의한 나트륨이차전지용 음극을 포함하는 이차전지의 성능 평가 그래프이다.1 is a schematic view showing a method of manufacturing a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification.
2 is an XRD and Raman spectrum analysis result of a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification.
3 is an XPS analysis result of a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification.
4 is a HR FE-SEM and EDX analysis results of the anode active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification.
5 is a FE-TEM and HR FE-TEM analysis result of the negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification.
6 is a nitrogen adsorption/desorption isotherm graph and BJH pore size analysis results of a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification.
7 is a graph showing a differential capacity (dQ/dV) of a secondary battery including a negative electrode for a sodium secondary battery and a performance evaluation graph according to an embodiment and a comparative example of the present specification.
8 is a performance evaluation graph of a secondary battery including an anode for a sodium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present specification.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 명세서의 일 측면을 설명하기로 한다. 그러나 본 명세서의 기재사항은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 명세서의 일 측면을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, one aspect of the present specification will be described with reference to the accompanying drawings. However, the description of the present specification may be implemented in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain one aspect of the present specification in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another member interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.
본 명세서에서 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.When a range of numerical values is recited herein, the values have the precision of the significant figures provided in accordance with the standard rules in chemistry for significant figures, unless the specific range is otherwise stated. For example, 10 includes the range of 5.0 to 14.9 and the number 10.0 includes the range of 9.50 to 10.49.
일 측면에 따르면 주석-셀레나이드; 및 상기 주석-셀레나이드 표면 중 적어도 일부에 결합된 질소 도핑된 탄소계 화합물;을 포함하는 나트륨이차전지용 음극 활물질이 제공된다.According to one aspect tin-selenide; and a nitrogen-doped carbon-based compound bonded to at least a portion of the tin-selenide surface.
나트륨이차전지에 있어서, 종래 나트륨 이온 반경에 따른 불리한 동력학적 특성을 개선하기 위한 나트륨이차전지용 음극재료로 금속 칼코게나이드(metal chalcogenides)이 제안되었고, 그 중 주석 칼코게나이드는 사이클링 과정에서 전환 및 합금 반응에 따른 고용량을 제공할 수 있으나, 나트륨 이온의 삽입/방출에 따른 부피팽창과 입자의 응집발생이 여전히 발생되는 문제점이 있다.In a sodium secondary battery, metal chalcogenides have been proposed as an anode material for a sodium secondary battery to improve the disadvantageous dynamic properties according to the conventional sodium ion radius, and among them, tin chalcogenides are converted and Although it is possible to provide a high capacity according to the alloying reaction, there is a problem in that volume expansion and agglomeration of particles still occur due to the insertion/release of sodium ions.
이를 해결하기 위해 상기 주석-셀레나이드는 표면 중 적어도 일부에 결합된 질소 도핑된 탄소계 화합물을 포함할 수 있고, 구체적으로 질소 도핑된 탄소계 화합물이 코팅될 수 있다. 상기 질소 도핑된 탄소계 화합물(N-doped Carbon matrix)은 나트륨 이온의 삽입/방출 시 부피 팽창을 최소화하여 전기 전도도를 증가시켜 최종적으로 이차전지에 적용될 시 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소계 화합물에 도핑된 질소는 전기 전도도를 향상시킬 뿐만 아니라 표면 습윤성을 높일 수 있고, 나트륨 이온의 확산을 위한 확산 부위를 증가시킬 수 있는 외부 결함을 제공할 수 있다.To solve this, the tin-selenide may include a nitrogen-doped carbon-based compound bonded to at least a portion of the surface, and specifically, the nitrogen-doped carbon-based compound may be coated. The nitrogen-doped carbon matrix compound (N-doped carbon matrix) minimizes volume expansion during insertion/release of sodium ions to increase electrical conductivity, thereby improving lifespan characteristics when finally applied to a secondary battery. In addition, nitrogen doped into the carbon-based compound may improve electrical conductivity and surface wettability, and may provide external defects capable of increasing a diffusion site for diffusion of sodium ions.
상기 음극 활물질은 질소 도핑된 도전성 탄소 매트릭스 연속상에 주석-셀레나이드가 분산된 것일 수 있다. 상기 매트릭스가 질소 도핑되면 나트륨 이온에 의한 주석-셀레나이드의 부피 팽창을 더욱 억제할 수 있다.The negative active material may be tin-selenide dispersed on a continuous nitrogen-doped conductive carbon matrix. When the matrix is doped with nitrogen, volume expansion of tin-selenide by sodium ions may be further suppressed.
비제한적인 일 예시에 따르면, 상기 음극 활물질은 상기 주석-셀레나이드 표면 중 적어도 일부에 도파민 하이드로클로라이드를 코팅하고, 질소 분위기 하에서 하소시킴으로써 최종적으로 질소가 도핑된 탄소계 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 독성 물질인 히드라진(hydrazine)의 사용 없이 질소를 도핑시키면 보다 친환경적일 뿐만 아니라, 질소가 보다 안정적으로 도핑될 수 있다.According to one non-limiting example, the negative active material may include a carbon-based compound doped with nitrogen by coating at least a portion of the tin-selenide surface with dopamine hydrochloride and calcining in a nitrogen atmosphere, but It is not limited. If nitrogen is doped without the use of hydrazine, which is a toxic substance, it is more environmentally friendly and nitrogen can be doped more stably.
상기 주석-셀레나이드는 SnSe 및 SnSe2을 포함할 수 있다. 상기 주석-셀레나이드는 SnSe 및 SnSe2를 모두 포함함으로써, 합금/탈합금 반응이 활발하게 수행될 수 있어 나트륨 이온을 용이하게 포획 및 방출할 수 있다.The tin-selenide may include SnSe and SnSe 2 . Since the tin-selenide contains both SnSe and SnSe 2 , an alloying/dealloying reaction may be actively performed, and thus sodium ions may be easily captured and released.
상기 음극 활물질은 나노 플레이크(Nanoflake) 형태일 수 있고, 상기 나노 플레이크 구조에 따른 층상 결정 구조로 인해 나트륨 이온 확산을 위한 전송 채널 및 활성 영역이 증가하여 상기 음극 활물질의 전기화학적 성능이 향상될 수 있다.The negative active material may be in the form of nanoflakes, and due to the layered crystal structure according to the nanoflake structure, a transport channel and an active area for sodium ion diffusion increase, so that the electrochemical performance of the negative active material may be improved. .
한편, 상기 음극 활물질의 평균 두께는 10~30㎚일 수 있고, 예를 들어, 10㎚, 11㎚, 12㎚, 13㎚, 14㎚, 15㎚, 16㎚, 17㎚, 18㎚, 19㎚, 20㎚, 21㎚, 22㎚, 23㎚, 24㎚, 25㎚, 26㎚, 27㎚, 28㎚, 29㎚ 또는 30㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 음극 활물질의 평균 두께가 10㎚ 미만이면 층상 결정 구조의 균열이 발생할 수 있고, 30㎚ 초과이면 활성 영역이 감소하여 전기화학적 성능이 저하될 수 있다.Meanwhile, the average thickness of the negative active material may be 10 to 30 nm, for example, 10 nm, 11 nm, 12 nm, 13 nm, 14 nm, 15 nm, 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm , 20 nm, 21 nm, 22 nm, 23 nm, 24 nm, 25 nm, 26 nm, 27 nm, 28 nm, 29 nm or 30 nm, but is not limited thereto. If the average thickness of the anode active material is less than 10 nm, cracks in the layered crystal structure may occur, and if it is more than 30 nm, the active area may decrease and electrochemical performance may be deteriorated.
상기 음극 활물질의 평균 기공 직경은 10~20㎚일 수 있고, 예를 들어, 10㎚, 11㎚, 12㎚, 13㎚, 14㎚, 15㎚, 16㎚, 17㎚, 18㎚, 19㎚ 또는 20㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 음극 활물질의 평균 기공 직경이 10㎚ 미만이면 나트륨 이온의 확산이 저하되어 전기화학적 성능이 저하될 수 있고, 20㎚ 초과이면 필요 이상으로 직경이 커져 전기화학적 성능이 저하될 수 있다.The average pore diameter of the negative active material may be 10 to 20 nm, for example, 10 nm, 11 nm, 12 nm, 13 nm, 14 nm, 15 nm, 16 nm, 17 nm, 18 nm, 19 nm or It may be 20 nm, but is not limited thereto. If the average pore diameter of the anode active material is less than 10 nm, diffusion of sodium ions may be reduced to deteriorate electrochemical performance, and if it exceeds 20 nm, the diameter may be larger than necessary, thereby reducing electrochemical performance.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 다른 일 측면에 따르면, 상기 나트륨이차전지용 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된, 나트륨이차전지용 음극이 제공된다.In addition, in order to achieve the above object, according to another aspect, a slurry comprising the anode active material for a sodium secondary battery, a binder and a conductive material is applied to a current collector, a negative electrode for a sodium secondary battery is provided.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 및 불소고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The binder is polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene (EPDM) ) may be at least one selected from the group consisting of rubber, styrene-butyrene rubber, and fluororubber.
상기 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재가 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼니스블랙, 램프블랙, 서머블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 전도성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 전도성 위스키; 산화 티탄 등의 전도성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 소재일 수 있다.The type of the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, the conductive material is graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black, such as carbon black, denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; It may be a conductive material such as a polyphenylene derivative.
상기 나트륨이차전지용 음극 활물질, 바인더 및 도전재의 중량비는 각각 50~95 : 1~25 : 1~25일 수 있다. 상기 음극 활물질의 중량비가 50 미만이면 전지의 수명 특성 및 전도성이 저하될 수 있고, 95 초과이면 바인더, 도전재의 함량이 상대적으로 감소하여 접착력이 저하될 수 있다.The weight ratio of the anode active material for the sodium secondary battery, the binder, and the conductive material may be 50 to 95: 1 to 25: 1 to 25, respectively. If the weight ratio of the negative active material is less than 50, the lifespan characteristics and conductivity of the battery may be deteriorated, and if it exceeds 95, the content of the binder and the conductive material may be relatively decreased, thereby reducing adhesion.
상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체가 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등일 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 3㎛ 내지 500㎛일 수 있다.The type of the current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, the current collector may be copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, a copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., or an aluminum-cadmium alloy. . In addition, by forming fine irregularities on the surface, the bonding strength of the negative electrode active material can be strengthened, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwovens. The current collector may have a thickness of 3 μm to 500 μm.
이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 조립체에 나트륨염 함유 전해질이 함침된 구조로 이루어질 수 있다.The secondary battery may have a structure in which an electrolyte containing sodium salt is impregnated in an electrode assembly having a structure in which a separator is interposed between a positive electrode and a negative electrode.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01㎛ 내지 10㎛이고, 두께는 5㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막이 내화학성 및 소수성 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등일 수 있다. 또한, 전해질로 폴리머 등의 고체전해질이 사용되는 경우에는 고체전해질이 분리막 역할을 수행할 수도 있다.The separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength may be used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 μm to 10 μm, and the thickness may be 5 μm to 300 μm. For example, the separator may include an olefin-based polymer such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; It may be a sheet or non-woven fabric made of glass fiber or polyethylene. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may serve as a separator.
상기 나트륨염 함유 전해질은 나트륨염 및 용매로 구성되며, 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 전해질의 용매는 수계 또는 비수계일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전해질은 유기, 무기성 액체 또는 고체전해질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The sodium salt-containing electrolyte is composed of a sodium salt and a solvent, and may optionally further include an additive. The solvent of the electrolyte may be aqueous or non-aqueous, but is not limited thereto. The electrolyte may be an organic, inorganic liquid or solid electrolyte, but is not limited thereto.
상기 첨가제는 플루오로에틸렌카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 터셔리-디플루오로에틸렌카보네이트(tertiary-difluoroethylene carbonate, t-DFEC), 비닐카보네이트(vinyl carbonate, VC), 에틸렌설파이트(ethylene sulfite, ES) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The additive is fluoroethylene carbonate (FEC), tertiary-difluoroethylene carbonate (t-DFEC), vinyl carbonate (VC), ethylene sulfite (ethylene sulfite, ES) ) and the like, but is not limited thereto.
상기 용매의 일 예시로 비수계 유기용매가 있으며, 이러한 비수계 유기용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 감마-부틸로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산메틸, 초산메틸, 인산트리에스테르, 트리메톡시메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산메틸, 프로피온산에틸 등의 비양자성 유기용매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.An example of the solvent is a non-aqueous organic solvent, and the non-aqueous organic solvent is N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylo Lactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfranc, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile , nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydro It may be an aprotic organic solvent such as a furan derivative, ether, methyl pyropionate, or ethyl propionate, but is not limited thereto.
상기 전해질의 일 예시로 유기 고체전해질이 있으며, 이러한 유기 고체전해질은 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌옥사이드 유도체, 폴리프로필렌옥사이드 유도체, 인산에스테르폴리머, 폴리에지테이션리신(agitation lysine), 폴리에스테르술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.An example of the electrolyte is an organic solid electrolyte, and the organic solid electrolyte is a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, a poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol. , polyvinylidene fluoride, may be a polymerization agent including an ionic dissociation group, but is not limited thereto.
상기 전해질의 일 예시로 무기 고체전해질이 있으며, 이러한 무기 고체전해질은 Na2S-SiS2, Na2S-GeS2, NaTi2(PO4)3, NaFe2(PO4)3, Na2(SO4)3, Fe2(SO4)2(PO4), Fe2(MoO4)3 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.An example of the electrolyte is an inorganic solid electrolyte, and the inorganic solid electrolyte is Na 2 S-SiS 2 , Na 2 S-GeS 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 , NaFe 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 ( SO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 2 (PO 4 ), Fe 2 (MoO 4 ) 3 It may be, but is not limited thereto.
상기 나트륨염의 일 예시로 NaClO4, NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, 저급 지방족 카르복실산나트륨염, NaAlCl4 등을 들 수 있고, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. 이들 중에서도 불소를 포함하는 NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3 및 NaN(SO2CF3)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 이용하는 것이 바람직하다.Examples of the sodium salt include NaClO 4 , NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN(SO 2 CF 3 ) 2 , lower aliphatic sodium carboxylate salt, NaAlCl 4 and the like. , a mixture of two or more thereof may be used. Among these, it is preferable to use one containing at least one selected from the group consisting of fluorine-containing NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 and NaN(SO 2 CF 3 ).
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 도식화한 것이다. 도 1을 참조하면, 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법은, (a) 용매에 주석 전구체 및 셀레늄 전구체를 투입하여 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)의 혼합물을 밀폐된 반응기에 투입하여 150~200℃, 10~15시간의 조건에서 반응시켜 주석-셀레나이드를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 주석-셀레나이드 및 탄소 전구체와 혼합 및 건식 분쇄한 후 질소 분위기 하에서 하소시키는 단계;를 포함할 수 있다.1 is a schematic view showing a method of manufacturing a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification. Referring to FIG. 1 , a method for preparing a negative active material for a sodium secondary battery includes (a) mixing a tin precursor and a selenium precursor in a solvent; (b) adding the mixture of (a) to a sealed reactor and reacting at 150 to 200° C. for 10 to 15 hours to prepare tin-selenide; and (c) mixing and dry grinding with the tin-selenide and carbon precursor, followed by calcining in a nitrogen atmosphere.
상기 (a) 단계에서, 상기 주석 전구체 및 셀레늄 전구체는 각각 용매에 첨가하고 교반시켜 각각의 용액, 예를 들어, 주석 전구체가 포함된 A 용액, 셀레늄 전구체가 포함된 B 용액으로 제조된 다음, 상기 A 및 B 용액을 혼합하여 균일한 혼합물을 제조할 수 있다.In step (a), the tin precursor and the selenium precursor are each added to a solvent and stirred to prepare each solution, for example, a solution A containing a tin precursor and a solution B containing a selenium precursor, and then A uniform mixture can be prepared by mixing solutions A and B.
상기 (a) 단계에서 제조된 혼합물을 상기 (b) 단계에서 밀폐된 반응기에 투입하고, 150~200℃, 10~15시간의 조건에서 반응시켜 주석-셀레나이드를 제조할 수 있다. 상기 반응기에서의 반응이 종료된 생성물은 상온에서 냉각될 수 있고, 상기 생성물은 세척 용액에서 세척되는 세척 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 세척이 종료된 후 50~100℃, 10~15시간의 조건에서 건조시켜 흑색의 주석-셀레나이드 분말을 제조할 수 있다.The mixture prepared in step (a) is put into the sealed reactor in step (b), and reacted at 150 to 200° C. for 10 to 15 hours to prepare tin-selenide. After the reaction in the reactor is completed, the product may be cooled to room temperature, and the product may further include a washing step of washing in a washing solution. By drying under the conditions, black tin-selenide powder can be prepared.
종래 셀레나이드의 합성방법은 히드라진 용액에 셀레늄 파우더가 용해된 셀레늄 전구체를 사용하였으나, 히드라진 수화물은 독성이 강하여 건강에 악영향을 끼치는 문제점이 있다. 상기 (a) 단계에서는, 주석 전구체 및 셀레늄 전구체를 용매에 각각 첨가하여 각각의 용액을 제조하고, 상기 용액을 혼합하고, (b) 단계에서 150~200℃, 10~15시간의 조건에서 반응시켜 주석-셀레나이드를 제조함으로써 히드라진 수화물의 사용없이 주석-셀레나이드를 제조할 수 있다. 또한, 불안정한 히드라진 수화물을 사용하여 주석-셀레나이드를 제조하면 활물질로 적용 시 율 특성이 저하될 수 있으나, 상기 합성방법은 보다 친환경적으로 주석-셀레나이드를 제조할 뿐만 아니라 제조된 주석-셀레나이드의 구조적 안정성 또한 개선될 수 있다.The conventional method of synthesizing selenide uses a selenium precursor in which selenium powder is dissolved in a hydrazine solution, but hydrazine hydrate has a problem in that it adversely affects health due to its strong toxicity. In step (a), each solution is prepared by adding a tin precursor and a selenium precursor to a solvent, and the solution is mixed, and in step (b), it is reacted at 150 to 200° C. and 10 to 15 hours. By preparing tin-selenide, it is possible to prepare tin-selenide without the use of hydrazine hydrate. In addition, if tin-selenide is prepared using unstable hydrazine hydrate, the rate characteristics may be deteriorated when applied as an active material, but the synthesis method not only produces tin-selenide in an environmentally friendly manner, but also produces tin-selenide. Structural stability can also be improved.
상기 (c) 단계에서, 상기 주석-셀레나이드 분말 및 탄소 전구체, 예를 들어, 도파민 하이드로클로라이드를 막자 사발에 투입하고, 0.5~2시간 동안 별도의 용매없이 물리적인 분쇄를 진행하여 종래 대비 간단하게 혼합물을 제조할 수 있다. 분쇄 후, 질소 분위기 하에서 하소시켜 음극 활물질을 제조할 수 있고, 상기 음극 활물질은 상기 주석-셀레나이드 표면의 적어도 일부에 질소 도핑된 탄소계 화합물 코팅층이 형성될 수 있다. 한편, 상기 (c) 단계의 하소는 400~600℃, 1~3시간 조건에서 수행될 수 있고, 하소 온도는 1분 당 5℃를 상승시키는 조건에서 수행될 수 있다.In step (c), the tin-selenide powder and carbon precursor, for example, dopamine hydrochloride, are put in a mortar, and physical grinding is performed without a separate solvent for 0.5 to 2 hours, making it simpler than before. Mixtures can be prepared. After pulverization, the anode active material may be prepared by calcining in a nitrogen atmosphere, and a nitrogen-doped carbon-based compound coating layer may be formed on at least a portion of the tin-selenide surface of the anode active material. Meanwhile, the calcination of step (c) may be performed at 400 to 600° C. for 1 to 3 hours, and the calcination temperature may be performed under conditions of increasing 5° C. per minute.
이하, 본 명세서의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 명세서의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 명세서의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present specification will be described in more detail. However, the following experimental results describe only representative experimental results among the above examples, and the scope and content of the present specification may not be construed as reduced or limited by the examples. Each effect of the various embodiments of the present specification not explicitly presented below will be specifically described in the corresponding section.
아래의 본 발명의 일 실시예에 따라 Tin selenide/NC가 제조될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. /NC는 상기 Tin selenid에 N 도핑된 탄소가 코팅된 상태를 의미한다.Tin selenide/NC may be manufactured according to an embodiment of the present invention below, but the scope of the present invention is not limited thereto. /NC means a state in which N-doped carbon is coated on the tin selenid.
시료sample
틴(IV) 클로라이드 펜타하이드레이트(Tin (IV) chloride pentahydrate, SnCl4·5H2O), 에틸알코올, 에틸렌글리콜은 대정 케미칼 사에서 구입하였고, 도파민 하이드로클로라이드, 올레일아민은 Sigma Aldrich 사에서 구입하였으며, 셀레늄 디옥사이드(SeO2)는 Kanto Chemicals 사에서 구입하였다. 모든 화학 물질은 분석 등급을 만족하였고, 추가 정제과정 없이 사용되었다.Tin (IV) chloride pentahydrate (Tin (IV) chloride pentahydrate, SnCl 4 5H 2 O), ethyl alcohol, and ethylene glycol were purchased from Daejeong Chemical, and dopamine hydrochloride and oleylamine were purchased from Sigma Aldrich. , selenium dioxide (SeO 2 ) was purchased from Kanto Chemicals. All chemicals met analytical grade and were used without further purification.
실시예Example
25mM의 SnCl4·5H2O를 에틸알코올 30㎖에 지속적으로 교반하면서 첨가하여 용액 A를 제조하였다. 50mM의 SeO2를 에틸렌글리콜 45㎖에 지속적으로 교반하면서 첨가한 다음 5㎖의 올레일아민을 첨가하여 투명한 황색의 용액 B를 제조하였다. 용액 A를 용액 B에 적가하고 15분 동안 교반하여 균일한 용액을 제조하였다. 제조된 혼합 용액을 테플론-라이닝된 오토 클레이브로 옮긴 후 180℃에서 12시간 동안 가열하였다. 반응이 종료된 후 오토 클레이브를 상온에서 냉각하여 검은색 생성물을 수집하였다.Solution A was prepared by adding 25 mM SnCl 4 ·5H 2 O to 30 ml of ethyl alcohol with continuous stirring. 50 mM SeO 2 was added to 45 ml of ethylene glycol with continuous stirring, and then 5 ml of oleylamine was added to prepare a transparent yellow solution B. Solution A was added dropwise to solution B and stirred for 15 minutes to prepare a homogeneous solution. The prepared mixed solution was transferred to a Teflon-lined autoclave and heated at 180° C. for 12 hours. After the reaction was completed, the autoclave was cooled to room temperature to collect a black product.
수집된 검은색 생성물을 톨루엔 : 에틸알코올이 1 : 2로 혼합된 용액으로 상청액이 무색이 될 때 까지 세척하였다. 세척 후 생성물을 80℃에서 12시간 동안 건조하여 흑색의 Tin selenide 분말을 수득하였다. 0.3g의 Tin selenide 분말 및 0.074의 도파민 하이드로클로라이드를 막자 사발을 이용하여 물리적으로 혼합 및 분쇄하였다. 상기 분쇄된 분말은 질소 분위기 하에서 5℃/min의 속도로 500℃에서 2시간 동안 소성시켜 질소가 도핑된 탄소가 코팅된 Tin selenide/NC 분말을 제조하였다.The collected black product was washed with toluene:ethyl alcohol 1:2 mixed solution until the supernatant became colorless. After washing, the product was dried at 80° C. for 12 hours to obtain black tin selenide powder. 0.3 g of Tin selenide powder and 0.074 of dopamine hydrochloride were physically mixed and ground using a mortar and pestle. The pulverized powder was calcined at 500° C. for 2 hours at a rate of 5° C./min in a nitrogen atmosphere to prepare nitrogen-doped carbon-coated tin selenide/NC powder.
비교예comparative example
코팅이 생략된 Tin selenide 분말을 준비하였다.Tin selenide powder without coating was prepared.
실험예 1: XRD 및 Raman spectrum분석Experimental Example 1: XRD and Raman spectrum analysis
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 XRD 및 라만 스펙트럼 분석 결과이다. XRD 분석은 Cu-Kα 방사선(1.5406 Å)의 X선 회절법(XRD, M18XHF-SRA, Mac Science)을 이용하여 결정 구조를 분석하였고, 라만스펙트럼 분석은 HR-라만 분광계(inVia Raman microscopes)를 이용하여 분석하였다.2 is an XRD and Raman spectrum analysis result of a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification. For XRD analysis, crystal structure was analyzed using X-ray diffraction (XRD, M18XHF-SRA, Mac Science) of Cu-Kα radiation (1.5406 Å), and Raman spectrum analysis was performed using HR-Raman spectrometers (inVia Raman microscopes). and analyzed.
도 2(a)를 참조하면, Tin selenide, Tin selenide/NC, 질소가 도핑된 탄소(N-doped carbon)의 XRD 패턴을 나타내는 것이다. 질소가 도핑된 탄소는 피크를 나타내지 않았으며, 이는 질소가 도핑된 탄소가 비정질인 것에 기인한 것임을 확인할 수 있다. 또한, Tin selenide는 JCPDS no. 48-1224 (SnSe) 뿐만 아니라 JCPDS no. 23-0602(SnSe2)의 피크가 관찰되었다. 표준 회절 피크에 따르면 준비된 샘플에는 사방정계의 SnSe 및 육각형의 SnSe2가 혼합된 상이 포함되어 있음을 확인할 수 있다. Tin selenide/NC는 Tin selenide와 유사한 회절 피크를 나타내었으며, 비정질 탄소의 형성으로 인해 질소가 도핑된 탄소의 피크는 나타나지 않았다. 상기 Tin selenide 및 Tin selenide/NC의 날카로운 회절 피크는 결정이 잘 형성되었음을 나타내는 것이다.Referring to FIG. 2( a ), an XRD pattern of tin selenide, tin selenide/NC, and nitrogen-doped carbon (N-doped carbon) is shown. The nitrogen-doped carbon did not show a peak, and it can be confirmed that this is due to the nitrogen-doped carbon being amorphous. In addition, Tin selenide is JCPDS no. 48-1224 (SnSe) as well as JCPDS no. A peak of 23-0602 (SnSe 2 ) was observed. According to the standard diffraction peak, it can be confirmed that the prepared sample contains a mixed phase of orthorhombic SnSe and hexagonal SnSe 2 . Tin selenide/NC showed a diffraction peak similar to that of Tin selenide, and the peak of nitrogen-doped carbon did not appear due to the formation of amorphous carbon. The sharp diffraction peaks of Tin selenide and Tin selenide/NC indicate well-formed crystals.
탄소의 존재를 확인하기 위해, Tin selenide/NC의 라만 분석을 수행하였고, 이를 도 2(b)에 나타내었다. 도 2(b)를 참조하면, Tin selenide/NC의 Eg 및 A1g 모드의 특성은 각각 116㎝-1, 185㎝-1를 나타내었다. 이에 반해, 1350㎝-1 및 1596㎝-1에 위치한 피크는 sp2 결합 탄소 원자의 면에서의 진동과 비정질 탄소에서 sp3 결합 탄소 원자의 진동 모드로 인해 D 및 G 밴드가 형성되었음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 라만 분석에 의해 Tin selenide/NC에서의 탄소의 존재를 확인할 수 있다.In order to confirm the presence of carbon, Raman analysis of tin selenide/NC was performed, which is shown in FIG. 2(b). Referring to FIG. 2(b), the characteristics of E g and A 1g modes of Tin selenide/NC were 116 cm -1 and 185 cm -1 , respectively. In contrast, the peaks located at 1350 cm -1 and 1596 cm -1 confirm that the D and G bands were formed due to the vibration in the plane of the sp 2 bonded carbon atom and the vibration mode of the sp 3 bonded carbon atom in the amorphous carbon. . Accordingly, the presence of carbon in Tin selenide/NC can be confirmed by Raman analysis.
실험예 2: XPS 분석Experimental Example 2: XPS analysis
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 XPS 분석 결과이고, 구체적으로 단색 Al X선(Al-Kα 라인: 1486.6 eV)을 사용한 X선 광전자 분광법(XPS, MultiLab2000, Thermo VG Scientific System)을 이용하여 원소 표면의 조성 및 화학적 균형 상태를 분석하였다.3 is an XPS analysis result of the anode active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification, and specifically, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, MultiLab2000, Thermo VG) using monochromatic Al X-rays (Al-Kα line: 1486.6 eV) Scientific System) was used to analyze the composition and chemical balance of the element surface.
도 3(a)에서 Tin selenide/NC에 Sn, Se, C, N 원소가 존재함을 나타내는 스캔 스펙트럼을 확인할 수 있다. 도 3(b)는 Sn 3d의 코어 레벨 스펙트럼을 나타낸 것으로, 486.8eV 및 495.3eV에서 두 개의 피크가 관찰되고, 이는 각각 Sn 3d5/2 및 Sn 3d3/2의 광전자 방출에 따른 것임을 확인할 수 있다. 종래 보고되어진 SnSe and SnSe2에 관한 문헌에 따르면, Tin selenide/NC에서 Sn2+ 및 Sn4+의 산화 상태의 부분적인 발생이 일치하는 것을 확인할 수 있다.In FIG. 3(a), it can be seen a scan spectrum indicating the presence of Sn, Se, C, and N elements in Tin selenide/NC. Figure 3(b) shows the core level spectrum of
도 3(c)에서 54.1eV 및 55.2eV에 위치한 피크는 Se 3d의 광전자 방출을 나타내는 것으로, Se의 Se2- 산화 상태를 의미하는 것이다. 또한, 도 3(d) 및 (e)는 Tin selenide/NC에 존재하는 질소가 도핑된 탄소 매트릭스의 C 1s 및 N 1s 피크를 나타낸 것이다. 상기 C 1s 스펙트럼은 284.5 eV, 285 eV 및 286 eV에서 피크를 나타내며, 각각 CeC, CeN 및 CeO에 의한 것임을 확인할 수 있다. 또한, N 1s 코어 레벨 스펙트럼은 피리디닉-N(pyridinic-N), 피롤릭-N(pyrrolic-N) 및 그래피틱-N(graphitic-N)의 피크를 포함하는 것을 확인할 수 있다. 상기 Tin selenide/NC에 피리디닉-N(pyridinic-N) 및 그래피틱-N(graphitic-N)가 존재함으로써 상기 Tin selenide/NC가 나트륨이차전지에 적용될 시 저항 계면을 감소시키고, 나트륨 이온 확산을 향상시켜 Tin selenide/NC의 물성을 향상시킬 것으로 예상된다.In Fig. 3(c), the peaks located at 54.1 eV and 55.2 eV indicate the photoelectron emission of
실험예 3: SEM 및 EDX 분석Experimental Example 3: SEM and EDX analysis
도 4은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 HR FE-SEM 및 EDX 분석 결과이고, 에너지 분산형 X선 분광계(EDX, Oxford Instruments)가 장착된 고해상도 전계 방출 주사 전자 현미경(HR FE-SEM, MERLIN, Carl Zeiss)을 이용하여 분석하였다.4 is a HR FE-SEM and EDX analysis result of an anode active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification, and a high-resolution field emission scanning electron microscope (HR) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX, Oxford Instruments). FE-SEM, MERLIN, Carl Zeiss) were used for analysis.
도 4(a) 내지 도 4(d)를 참조하면, Tin selenide/NC는 응집된 입자의 크기가 균일하지 않은 나노 플레이크로 형성되었음을 확인할 수 있고, 상기 나노 플레이크 입자의 평균 두께는 약 20㎚임을 확인할 수 있다.4(a) to 4(d), it can be confirmed that the tin selenide/NC was formed into nanoflakes with non-uniform agglomerated sizes, and the average thickness of the nanoflake particles was about 20 nm. can be checked
나트륨이차전지에서 나노 플레이크 구조에 따른 층상 결정 구조는 전기화학적 성능에 유리할 수 있다. 구체적으로 상기 나노 플레이크 구조는 나트륨 이온 확산을 위한 더 많은 전송 채널과 활성 영역을 제공하기 위하여 전극 접촉 면적을 현저하게 증가시켜 속도를 향상시키고, 이에 따라 향상된 사이클링을 구현할 수 있다.In a sodium secondary battery, the layered crystal structure according to the nanoflake structure may be advantageous for electrochemical performance. Specifically, the nano-flake structure significantly increases the electrode contact area in order to provide more transport channels and active regions for sodium ion diffusion, thereby improving the speed, thereby implementing improved cycling.
도 4(g) 내지 (j)는 Tin selenide/NC의 원소 조성을 나타낸 것이다.4(g) to (j) show the elemental composition of Tin selenide/NC.
도 4(g) 내지 (j)를 참조하면, Tin selenide/NC의 원소는 전체적으로 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 특히, Tin selenide/NC에서 질소가 도핑된 탄소 매트릭스의 균일한 분포는 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 합금/탈합금 반응이 진행하는 동안 발생할 수 있는 극심한 부피 변화 및 응집을 감소시킬 수 있다.4(g) to (j), it can be seen that the elements of tin selenide/NC are uniformly distributed throughout. In particular, the uniform distribution of the nitrogen-doped carbon matrix in tin selenide/NC can not only improve the conductivity but also reduce the extreme volume change and agglomeration that may occur during the alloying/dealloying reaction.
실험예 4: TEM 분석Experimental Example 4: TEM analysis
도 5은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 FE-TEM 및 HR FE-TEM 분석 결과이고, 전계 방출 투과 전자 현미경(FE-TEM, JEOL JEM-2100F)을 이용하여 분석하였다.5 is a FE-TEM and HR FE-TEM analysis result of the anode active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification, and was analyzed using a field emission transmission electron microscope (FE-TEM, JEOL JEM-2100F).
도 5(a) 내지 (e)는 Tin selenide/NC의 FE-TEM 이미지로, Tin selenide/NC는 응집된 나노 플레이크를 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 상기 나노 플레이크의 결정면은 푸리에 변환(Fourier transform, FT) 패턴과 제한시야 전자 회절(selected-area electron diffraction, SAED) 패턴을 얻을 수 있는 FE-TEM을 조사함으로써 분석할 수 있다.5(a) to (e) are FE-TEM images of tin selenide/NC, confirming that tin selenide/NC forms aggregated nanoflakes. The crystal plane of the nanoflakes can be analyzed by irradiating a Fourier transform (FT) pattern and a FE-TEM to obtain a selected-area electron diffraction (SAED) pattern.
도 5(e)에서 육각형의 SnSe2의 (101)면에 해당하는 나노 플레이크의 평면도인 것으로 평면 간의 간격이 약 0.29㎚인 평행 격자 무늬임을 확인할 수 있다. 특히, 도(e)에 명확하게 나타난 회절 지점의 제한시야 전자 회절 패턴은 Tin selenide/NC이 다결정 특성을 가지고 있음을 나타내고 있다. 또한, (411) 및 (311) 결정면에 따른 회절 지점은 사방정계 SnSe을 나타내고, (101) 결정면은 육각형의 SnSe2를 나타냄을 확인할 수 있다.5(e) is a plan view of the nanoflakes corresponding to the (101) plane of the hexagonal SnSe 2 , and it can be confirmed that the parallel lattice pattern has an interval between the planes of about 0.29 nm. In particular, the limited-field electron diffraction pattern at the diffraction point clearly shown in Fig. (e) indicates that Tin selenide/NC has polycrystalline properties. In addition, it can be confirmed that diffraction points along the (411) and (311) crystal planes represent orthorhombic SnSe, and the (101) crystal plane represents hexagonal SnSe 2 .
이에 따라, Tin selenide/NC에 SnSe 및 SnSe2 상이 준수하게 형성되었음을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that SnSe and SnSe 2 phases were properly formed in Tin selenide/NC.
실험예 5: 기공 크기 분석Experimental Example 5: Analysis of pore size
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 의한 나트륨이차전지용 음극 활물질의 질소 흡착/탈착 등온선 그래프 및 BJH 기공 크기 분석 결과이고, 표면 분석기(BELSORP-max, MP), Brunauer-Emmett-Teller (BET) 및 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 법을 이용하여 평균 기공 직경, 분포 및 비표면적을 분석하였다.6 is a nitrogen adsorption/desorption isotherm graph and BJH pore size analysis result of a negative active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present specification, a surface analyzer (BELSORP-max, MP), a Brunauer-Emmett-Teller (BET) and The average pore diameter, distribution and specific surface area were analyzed using the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) method.
도 6(a)는 Tin selenide/NC의 흡착/탈착 등온선을 나타내는 것으로, 등온선은 IV형의 히스테리시스 곡선을 나타내며, 이에 따라 Tin selenide/NC는 전형적인 메조포러스 기공을 포함하고 있음을 확인할 수 있다. 평균 기공 직경 및 비표면적은 각각 14.9㎚ 및 21.6㎡g-1로 나타냄을 확인할 수 있다. 상기 메조포러스 구조는 나트륨 이온 동력학을 용이하게 할 뿐만 아니라 사이클링이 수행되는 동안 전극으로의 전해질 확산을 향상시킬 수 있다.Fig. 6(a) shows the adsorption/desorption isotherm of tin selenide/NC, and the isotherm shows a type IV hysteresis curve, and thus it can be confirmed that tin selenide/NC contains typical mesoporous pores. It can be seen that the average pore diameter and specific surface area are respectively 14.9 nm and 21.6 m 2 g -1 . The mesoporous structure can facilitate sodium ion kinetics as well as enhance electrolyte diffusion into the electrode while cycling is performed.
대기 중에서 1분 당 10℃의 램핑속도 조건으로 30~900℃ 조건에서 열중량 분석(TGA)을 수행하여 Tin selenide/NC에 존재하는 질소가 도핑된 탄소의 양을 분석하였다. Tin selenide/NC와 Tin selenide의 중량 손실율은 각각 34.8% 및 50.1%이고, Tin selenide/NC에 질소가 도핑된 탄소의 양은 23.4%였다.Tin selenide/NC 및 Tin selenide의 전기전도도는 4-포인트 프로브법(4-point probe method, MCP-T610, Mitsubishi)에 의해 측정되었다. 실온에서 Tin selenide의 전기전도도는 4.6 x 10-6 S㎝-1로 나타내었고, Tin selenide/NC의 전기전도도는 2.9 x 10-4 S㎝-1로 나타내었다. 이에 따라 질소가 도핑된 탄소가 코팅됨에 따라 Tin selenide/NC는 전기전도도가 향상되었음을 확인할 수 있다.Thermogravimetric analysis (TGA) was performed at 30-900°C conditions at a ramping rate of 10°C per minute in the atmosphere to analyze the amount of nitrogen-doped carbon present in tin selenide/NC. The weight loss rates of tin selenide/NC and tin selenide were 34.8% and 50.1%, respectively, and the amount of nitrogen-doped carbon in tin selenide/NC was 23.4%. The electrical conductivity of tin selenide/NC and tin selenide was measured with a 4-point probe It was measured by the method (4-point probe method, MCP-T610, Mitsubishi). The electrical conductivity of tin selenide at room temperature was 4.6 x 10 -6 Scm -1 , and the electrical conductivity of tin selenide/NC was 2.9 x 10 -4 Scm -1 . Accordingly, it can be confirmed that the electrical conductivity of Tin selenide/NC was improved as the nitrogen-doped carbon was coated.
제조예production example
실시예에 따라 제조된 Tin selenide/NC(음극 활물질), 덴카블랙(도전재), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC, 바인더)를 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 정제수에 용해시켜 슬러리를 제조한 후, 구리 호일에 닥터 블레이드 법을 이용하여 도포하고 자연 건조시킨 후, 건조 오븐으로 80℃, 5시간 동안 건조시켜 잔여 수분을 제거하고, 롤 프레스로 압연한 후, 원형의 디스크에 펀칭하고 진공 분위기 하에서 80℃, 3시간 동안 유지하여 전극을 제조하였고, Coin형 CR2032 타입 셀을 준비된 전극 디스크를 사용하여 기준 전극으로서 연마되고 유리섬유(Whatman, GF/D)로 이루어진 분리막으로 인해 나트륨 영역과 차단된 나트륨이차전지용 음극을 제조하였다.Tin selenide/NC (negative electrode active material), Denka black (conductive material), and carboxymethyl cellulose (CMC, binder) prepared according to the example were dissolved in purified water in a weight ratio of 80: 10: 10, respectively, to form a slurry After manufacturing, it is applied to copper foil using the doctor blade method, dried naturally, dried in a drying oven at 80° C. for 5 hours to remove residual moisture, rolled with a roll press, and punched into a circular disk, The electrode was prepared by maintaining it at 80°C under a vacuum atmosphere for 3 hours, and a coin-type CR2032 type cell was polished as a reference electrode using the prepared electrode disk, and due to a separator made of glass fiber (Whatman, GF/D), A negative electrode for a blocked sodium secondary battery was prepared.
상기 제조된 음극, 순수한 나트륨 금속 호일을 양극으로 사용하며, 유리섬유(Whatman, GF/D)로 이루어진 분리막을 사용하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1M의 NaClO4염이 녹아있는 부피비 1 : 1의 에틸렌카보네이트(EC)와 프로필렌카보네이트(PC) 용액에 5wt%의 플루오르에틸렌카보네이트(FEC)가 첨가제로 포함된 용액을 전해질로 주입하고, 습도 및 산소 함량이 5ppm 이하로 유지되는 아르곤 글로브 박스 내에서 밀봉하여 나트륨이차전지를 조립하였다. 모든 전기화학적 측정은 명시되지 않는 한 25℃에서 수행되었다.An electrode assembly was prepared using the prepared negative electrode, pure sodium metal foil as the positive electrode, and a separator made of glass fiber (Whatman, GF/D). After putting the electrode assembly in a pouch and connecting a lead wire, 5 wt% of fluoroethylene carbonate (FEC) is added to an ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) solution in a volume ratio of 1:1 in which 1M NaClO 4 salt is dissolved. Sodium secondary battery was assembled by injecting the solution contained as an electrolyte and sealing it in an argon glove box in which humidity and oxygen content were maintained at 5 ppm or less. All electrochemical measurements were performed at 25°C unless otherwise specified.
비교제조예Comparative Preparation Example
비교예에 따라 제조된 Tin selenide(음극 활물질), 덴카블랙(도전재), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC, 바인더)를 각각 80 : 10 : 10의 중량비로 혼합된 물질을 정제수에 용해시켜 슬러리를 제조한 후, 구리 호일에 닥터 블레이드 법을 이용하여 도포하고 자연 건조시킨 후, 건조 오븐으로 80℃, 5시간 동안 건조시켜 잔여 수분을 제거하고, 롤 프레스로 압연한 후, 원형의 디스크에 펀칭하고 진공 분위기 하에서 80℃, 3시간 동안 유지하여 전극을 제조하였고, Coin형 CR2032 타입 셀을 준비된 전극 디스크를 사용하여 기준 전극으로서 연마되고 유리섬유(Whatman, GF/D)로 이루어진 분리막으로 인해 나트륨 영역과 차단된 나트륨이차전지용 음극을 제조하였다.Tin selenide (cathode active material), Denka black (conductive material), and carboxymethyl cellulose (CMC, binder) prepared according to Comparative Example were dissolved in purified water in a weight ratio of 80: 10: 10 to prepare a slurry. After that, it is applied on copper foil using a doctor blade method, dried naturally, dried in a drying oven at 80° C. for 5 hours to remove residual moisture, and then rolled with a roll press, punched on a circular disk, and vacuum atmosphere The electrode was prepared by maintaining it at 80°C for 3 hours under A negative electrode for a sodium secondary battery was prepared.
상기 제조된 음극, 순수한 나트륨 금속 호일을 양극으로 사용하며, 유리섬유(Whatman, GF/D)로 이루어진 분리막을 사용하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1M의 NaClO4염이 녹아있는 부피비 1 : 1의 에틸렌카보네이트(EC)와 프로필렌카보네이트(PC) 용액에 5wt%의 플루오르에틸렌카보네이트(FEC)가 첨가제로 포함된 용액을 전해질로 주입하고, 습도 및 산소 함량이 5ppm 이하로 유지되는 아르곤 글로브 박스 내에서 밀봉하여 나트륨이차전지를 조립하였다. 모든 전기화학적 측정은 명시되지 않는 한 25℃에서 수행되었다.An electrode assembly was prepared using the prepared negative electrode, pure sodium metal foil as the positive electrode, and a separator made of glass fiber (Whatman, GF/D). After putting the electrode assembly in a pouch and connecting a lead wire, 5 wt% of fluoroethylene carbonate (FEC) is added to an ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) solution in a volume ratio of 1:1 in which 1M NaClO 4 salt is dissolved. Sodium secondary battery was assembled by injecting the solution contained as an electrolyte and sealing it in an argon glove box in which humidity and oxygen content were maintained at 5 ppm or less. All electrochemical measurements were performed at 25°C unless otherwise specified.
실험예 6: 이차전지의 성능 평가 1Experimental Example 6: Performance evaluation of
도 7은 본 명세서의 일 실시예 및 비교예에 의한 나트륨이차전지용 음극을 포함하는 이차전지의 방전곡선의 미분 용량(dQ/dV)의 그래프 및 성능 평가 그래프이고, 충방전 용량 성능 평가는 전기화학적 사이클러(Battery Tester 05001, HTC)를 이용하여 0.01~3.0V에서 분석을 수행하였다.7 is a graph and performance evaluation graph of differential capacity (dQ/dV) of a discharge curve of a secondary battery including a negative electrode for a sodium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present specification, and the evaluation of the charge/discharge capacity performance is an electrochemical Analysis was performed at 0.01 to 3.0 V using a cycler (Battery Tester 05001, HTC).
도 7(a) 및 (b)는 각각 제조예 및 비교예의 음극을 포함하는 나트륨이차전지 방전곡선의 미분 용량(dQ/dV)의 그래프로, 0.01~3.0V 범위에서 수행된 것이다. 초기 환원 프로세스는 1.0V 및 0.78V에서 환원 피크를 가지며, 이는 전환 및 합금 반응과 고체전해질 계면(SEI) 층의 형성에 의해 발생한 것으로 분석된다. 다만, Tin selenide/NC 전극에 의해 나타나는 환원 피크는 Tin selenide 전극의 환원 피크에 비하여 날카로운 형태로 나타나며, 이는 Tin selenide/NC 전극에서 질소가 도핑된 탄소가 결합됨에 따라 고체전해질 계면의 형성이 증가함에 따른 것으로 분석된다.7(a) and (b) are graphs of differential capacity (dQ/dV) of discharge curves of sodium secondary batteries including negative electrodes of Preparation Examples and Comparative Examples, respectively, and were performed in the range of 0.01 to 3.0V. The initial reduction process has reduction peaks at 1.0V and 0.78V, which are analyzed to be caused by conversion and alloying reactions and formation of a solid electrolyte interface (SEI) layer. However, the reduction peak shown by the tin selenide/NC electrode appears sharper than the reduction peak of the tin selenide electrode, which is due to the increase in the formation of the solid electrolyte interface as nitrogen-doped carbon is combined in the tin selenide/NC electrode. is considered to be followed.
또한, 사이클의 수가 증가함에 따라 날카로운 피크는 감소하며, 이는 고체전해질 계면의 형성이 안정되고, 첫 번째 사이클에서 제한되는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 사이클 후, 환원 영역에서 두 개의 뚜렷한 피크가 나타나고, 이는 Tin selenide/NC 전극에 고체전해질 계면 층이 안정적으로 형성되면서 우수한 가역성을 나타내는 것으로 분석된다. 또한, 1V에서 관찰되는 피크는 Tin selenide가 Sn과 Na2Se로 분해됨으로써 나타내는 것이며, 이는 Sn과 Na의 합금 반응에서 ~0.78V 및 ~0.2V에서 관찰되는 피크에 의해 확인할 수 있다.In addition, as the number of cycles increases, the sharp peak decreases, which confirms that the formation of the solid electrolyte interface is stable and limited in the first cycle. After the first cycle, two distinct peaks appear in the reduction region, which is analyzed to indicate excellent reversibility as the solid electrolyte interfacial layer is stably formed on the tin selenide/NC electrode. In addition, the peak observed at 1V is indicated by decomposition of tin selenide into Sn and Na 2 Se, which can be confirmed by the peaks observed at ~0.78V and ~0.2V in the Sn and Na alloy reaction.
한편, 산화 영역에 따르면, 0.2V 및 0.66V에서 산화 피크가 나타남을 확인할 수 있고, 이는 Na3.75Sn의 탈합금 반응으로 인한 금속 Sn의 형성에 인한 것으로 분석된다. 또한, ~1.4V 및 ~1.5V에서 나타나는 피크는 가역적 전환 반응과 Tin selenide의 형성에 따른 것으로 분석된다.On the other hand, according to the oxidation region, it can be confirmed that oxidation peaks appear at 0.2 V and 0.66 V, which is analyzed to be due to the formation of metal Sn due to the dealloying reaction of Na 3.75 Sn. In addition, the peaks appearing at ~1.4V and ~1.5V are analyzed to be due to the reversible conversion reaction and the formation of tin selenide.
전체적인 전기화학적 반응 메커니즘은 하기 식 (1) 내지 (4)와 같다. The overall electrochemical reaction mechanism is shown in the following formulas (1) to (4).
(1) SnSe + 2Na+ + 2e- ↔ Sn + Na2Se(1) SnSe + 2Na + + 2e - ↔ Sn + Na 2 Se
(2) Sn + 3.75Na+ + 3.75e- ↔ Na3.75Sn(2) Sn + 3.75Na + + 3.75e - ↔ Na 3.75 Sn
(3) SnSe2 + 4Na+ + 4e- ↔ Sn + 2Na2Se(3) SnSe 2 + 4Na + + 4e - ↔ Sn + 2Na 2 Se
(4) Sn + 3.75Na+ + 3.75e- ↔ Na3.75Sn(4) Sn + 3.75Na + + 3.75e - ↔ Na 3.75 Sn
한편, 첫 번째 사이클 이후의 모든 산화 환원 피크는 거의 중첩되어 Tin selenide/NC 전극의 가역적인 전기화학적 거동을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, Tin selenide 전극의 미분 용량 그래프는 Tin selenide/NC 전극에 비해 약간의 변동 및 불안정적이면서 유사한 피크를 나타냄을 확인할 수 있고, 피크의 강도는 사이클 수에 따라 감소하는데, 이는 Tin selenide 전극의 낮은 사이클링 성능을 나타낸다.On the other hand, it can be confirmed that all redox peaks after the first cycle almost overlap, indicating the reversible electrochemical behavior of the tin selenide/NC electrode. In addition, it can be seen that the differential capacity graph of the tin selenide electrode shows a similar peak with slight fluctuations and unstableness compared to the tin selenide/NC electrode, and the intensity of the peak decreases with the number of cycles, which is lower than that of the tin selenide electrode. Cycling performance.
도 7(c) 및 (d)는 Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극의 0.01~3.0V 전압 범위 및 200mAg-1의 전류 밀도에서 1, 2, 10, 50 사이클에 대한 충방전 특성을 나타내는 것이다. Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극은 유사한 전기화학적 반응을 나타내며, 충방전 특성에서 평탄영역(plateaus)은 미분 용량 그래프에서 관찰된 피크에 상응되는 것으로 분석된다.7(c) and (d) show the charging/discharging characteristics for 1, 2, 10, and 50 cycles at a voltage range of 0.01 to 3.0 V and a current density of 200 mAg -1 of the tin selenide electrode and the tin selenide/NC electrode. . The tin selenide electrode and the tin selenide/NC electrode show similar electrochemical reactions, and it is analyzed that the plateau in the charge/discharge characteristic corresponds to the peak observed in the differential capacity graph.
한편, Tin selenide 전극의 초기 방전 용량은 436mAhg-1을 나타내었고, Tin selenide/NC 전극의 초기 방전 용량은 428mAhg-1로 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 같이 Tin selenide/NC 전극의 초기 방전 용량은 Tin selenide 전극에 비해 약간 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 질소가 도핑된 탄소 매트리스의 존재는 용량 개선에 영향을 미치지 않으나, 합금/탈합금 반응이 수행되는 동안 부피 팽창/수축에 따른 문제점을 개선하고 전도도를 향상하는데 도움을 주는 것으로 분석된다. 이에 따라 상기 Tin selenide/NC 전극의 1~50 사이클에서의 충방전 특성은 가역성이 향상된 나트륨 저장성으로 인해 유사하게 나타냄을 확인할 수 있다. 이에 반해, Tin selenide 전극의 충방전 특성을 살펴보면 뚜렷한 변화를 나타냄을 확인할 수 있고, 이는 전기화학적 반응이 수행되는 동안 전극의 구조적 안정성 및 가역성의 저하됨에 따른 것으로 분석된다.On the other hand, it can be seen that the initial discharge capacity of the tin selenide electrode was 436 mAhg -1 , and the initial discharge capacity of the tin selenide/NC electrode was 428 mAhg -1 . As such, it can be seen that the initial discharge capacity of the tin selenide/NC electrode is slightly lower than that of the tin selenide electrode. It is analyzed that the presence of the nitrogen-doped carbon matrix does not affect the capacity improvement, but improves the problems caused by volume expansion/contraction during the alloying/dealloying reaction and helps to improve the conductivity. Accordingly, it can be confirmed that the charging and discharging characteristics of the tin selenide/NC electrode in 1 to 50 cycles are similar due to the improved sodium storage property of the reversibility. On the other hand, it can be seen that the charge and discharge characteristics of the tin selenide electrode show a distinct change, which is analyzed to be due to the deterioration of the structural stability and reversibility of the electrode during the electrochemical reaction.
도 7(e) 및 (f)는 Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극의 200mAg-1의 전류 밀도에서 싸이클링 성능을 나타낸 것이다. 상기 Tin selenide 전극의 초기 방전 용량은 463mAhg-1로 나타내었고, 사이클 수가 증가함에 따른 100번째 사이클에서 99mAhg-1의 충방전 용량을 나타내었다. 반면에, Tin selenide/NC 전극의 초기 방전 용량은 460mAhg-1로 나타내었으며, 사이클 수가 증가함에 따른 200mAg-1의 전류 밀도에서 100번째 사이클이 종료될 때까지 348mAhg-1의 충방전 용량으로 수렴하였고, 이는 Tin selenide 전극에 비해 3.5배 높은 값으로 나타냄을 확인할 수 있다.7(e) and (f) show the cycling performance of the tin selenide electrode and the tin selenide/NC electrode at a current density of 200 mAg -1 . The initial discharge capacity of the tin selenide electrode was 463 mAhg -1 , and as the number of cycles increased, the charge and discharge capacity was 99 mAhg -1 in the 100th cycle. On the other hand, the initial discharge capacity of the tin selenide/NC electrode was 460 mAhg -1 , and as the number of cycles increased, the current density of 200 mAg -1 converged to a charge and discharge capacity of 348 mAhg -1 until the 100th cycle was completed. , it can be confirmed that this is a value 3.5 times higher than that of the tin selenide electrode.
실험예 7: 이차전지의 성능 평가 2Experimental Example 7: Performance evaluation of
도 8은 본 명세서의 일 실시예 및 비교예에 의한 나트륨이차전지용 음극을 포함하는 이차전지의 성능 평가 그래프이다.8 is a performance evaluation graph of a secondary battery including an anode for a sodium secondary battery according to an embodiment and a comparative example of the present specification.
도 8(a)는 Tin selenide/NC 전극의 400mAg-1의 전류 밀도에서 싸이클링 성능을 나타낸 것으로, 150번째 사이클에서 260mAhg-1의 방전 용량을 나타내었다. 이에 따라, Tin selenide/NC 전극은 전극의 순환성을 나타내는 사이클 수와 전류 밀도가 증가함에 따라 전기화학적 성능이 향상되었음을 확인할 수 있고, 개선된 전기전도도를 얻기 위해 질소가 도핑된 탄소의 백분율을 증가시킴으로써, 용량을 유지할 수 있는 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 첫 번째 사이클은 95%의 쿨롱 효율을 나타낸 반면, 이 후에 고체전해질 계면 층의 안정적인 형성으로 인해 첫 번째 사이클 이후에는 쿨롱 효율이 98%로 증가하였음을 확인할 수 있다. 이에 따라, Tin selenide/NC에 존재하는 나노 플레이크 구조와 질소가 도핑된 탄소 매트리스의 존재는 나트륨이차전지용 음극으로 적용될 시 전기화학적 특성을 향상시킬 것으로 예측할 수 있다.8(a) shows the cycling performance at a current density of 400 mAg -1 of the tin selenide/NC electrode, and shows a discharge capacity of 260 mAhg -1 in the 150th cycle. Accordingly, it can be confirmed that the tin selenide/NC electrode has improved electrochemical performance as the number of cycles and current density, which indicate the cycleability of the electrode, increased, and the percentage of carbon doped with nitrogen was increased to obtain improved electrical conductivity. By doing so, it can be confirmed that the electrochemical performance capable of maintaining the capacity can be improved. In addition, while the first cycle showed a coulombic efficiency of 95%, it can be confirmed that the coulombic efficiency increased to 98% after the first cycle due to the stable formation of the solid electrolyte interfacial layer after that. Accordingly, it can be predicted that the nano flake structure and the nitrogen-doped carbon matrix present in tin selenide/NC will improve the electrochemical properties when applied as an anode for a sodium secondary battery.
도 8(b)는 Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극의 율특성을 평가하기 위한 것으로, 50~1600 mAg-1의 전류 밀도 범위에서 수행되었다. 상세하게는 Tin selenide/NC 전극은 50mAg-1, 100 mAg-1, 200 mAg-1, 400 mAg-1, 800 mAg-1 및 1600 mAg-1 전류를 인가하였고, 그 결과가 각각 503 mAhg-1, 405 mAhg-1, 377mAhg-1, 334 mAhg-1, 285 mAhg-1, 및 234 mAhg-1로 나타내어 우수한 율특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 50mAg-1의 전류를 재 인가 시 용량 손실없이 507 mAhg-1의 가역 용량을 나타내어 가역성이 우수함을 확인할 수 있다. 이는, 1600mAg-1의 높은 전류 밀도에서 사이클링 후에도 Tin selenide/NC 전극은 우수한 가역성 및 구조적으로 안정성에 기인한 것으로 분석된다. 이에 반해, Tin selenide 전극은 1600mAg-1의 전류 인가 시 39mAhg-1의 방전 용량을 나타내었으며, 50mAg-1의 전류를 재 인가 시 362 mAhg-1의 가역 방전 용량을 나타내어 낮은 가역성을 나타냄을 확인할 수 있다.FIG. 8(b) is for evaluating the rate characteristics of the tin selenide electrode and the tin selenide/NC electrode, and was performed in a current density range of 50 to 1600 mAg −1 . In detail, the Tin selenide / NC electrode applied 50mAg -1 , 100 mAg -1 , 200 mAg -1 , 400 mAg -1 , 800 mAg -1 and 1600 mAg -1 currents, and the results were respectively 503 mAhg -1 , 405 mAhg -1 , 377 mAhg -1 , 334 mAhg -1 , 285 mAhg -1 , and 234 mAhg -1 , indicating excellent rate characteristics. In addition, it can be confirmed that the reversibility is excellent by showing a reversible capacity of 507 mAhg -1 without loss of capacity when a current of 50 mAg -1 is re-applied. This is analyzed to be due to the excellent reversibility and structural stability of the tin selenide/NC electrode even after cycling at a high current density of 1600 mAg -1 . In contrast, the tin selenide electrode exhibited a discharge capacity of 39 mAhg -1 when a current of 1600 mAg -1 was applied, and a reversible discharge capacity of 362 mAhg -1 when a current of 50 mAg -1 was re-applied, indicating low reversibility. have.
도 8(c)는 전류 밀도에 따른 충방전 특성 그래프를 나타낸 것으로, Tin selenide/NC 전극은 높은 전류 밀도에서도 높은 충방전 용량을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, Tin selenide 전극은 1600mAg-1의 전류 밀도에서 80% 이상 낮은 충방전 용량을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 전기화학적 성능의 차이는 질소가 도핑된 탄소 매트리스에 기인한 것으로, Tin selenide 전극은 사이클링이 진행되는 동안 낮은 전도도와 부피 팽창 및 수축에 따라 전기화학적 성능이 저하된 것으로 분석된다.Fig. 8(c) shows a graph of charging and discharging characteristics according to current density, and it can be seen that the tin selenide/NC electrode exhibits high charging and discharging capacity even at high current density. On the other hand, it can be seen that the tin selenide electrode exhibited a charge/discharge capacity lower than 80% at a current density of 1600 mAg -1 . This difference in electrochemical performance is due to the nitrogen-doped carbon matrix, and it is analyzed that the electrochemical performance of the tin selenide electrode is lowered due to low conductivity and volume expansion and contraction during cycling.
도 8(d) 및 (e)는 각각 Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 EIS(Electrochemical Impedance System) 측정 분석한 결과이고, 5mV의 진폭으로 100kHz~0.01Hz의 주파수 범위에서 전기화학 분석기(Iviumstat, Ivium Technologies)를 이용하여 분석하였다. Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극에 대한 개방 회로 전압 조건(open circuit potential, OCP)에서 프레시 셀(fresh cell)과 1, 2, 3일의 노화된 셀의 EIS 플롯을 나타낸 것이다. 모든 EIS 프로파일은 전하 이동 저항(Rct)에 따른 고주파 영역에서 하나의 반원을 포함하고 와버그(Warburg) 임피던스로 알려진 저주파 영역의 선형 거동을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 특히 도 8(e)에서 Tin selenide/NC 전극의 전하 이동 저항(Rct) 값은 프레시 셀, 1, 2, 3일의 노화가 진행된 셀에서 각각 1015Ω, 964Ω, 686Ω 및 230Ω을 나타냄을 확인할 수 있다. 이에 반해, 도 8(d)에서 Tin selenide 전극의 전하 이동 저항(Rct) 값은 프레시 셀, 1, 2, 3일 노화가 진행된 셀에서 각각 1977Ω, 1612Ω, 987Ω 및 676Ω을 나타냄을 확인할 수 있다.8 (d) and (e) are the results of EIS (Electrochemical Impedance System) measurement and analysis to evaluate the electrochemical performance of the tin selenide electrode and the tin selenide/NC electrode, respectively, with an amplitude of 5 mV and a frequency of 100 kHz to 0.01 Hz The range was analyzed using an electrochemical analyzer (Iviumstat, Ivium Technologies). EIS plots of fresh cells and aged cells for 1, 2, and 3 days under open circuit potential (OCP) for tin selenide electrodes and tin selenide/NC electrodes are shown. It can be seen that all EIS profiles contain one semicircle in the high frequency region according to the charge transfer resistance (R ct ) and exhibit a linear behavior in the low frequency region known as the Warburg impedance. In particular, in Fig. 8(e), it can be seen that the charge transfer resistance (R ct ) values of the tin selenide / NC electrode represent 1015 Ω, 964 Ω, 686 Ω and 230 Ω in the fresh cell, 1, 2, and 3 days of aging, respectively. have. In contrast, in FIG. 8(d), it can be seen that the charge transfer resistance (R ct ) value of the tin selenide electrode is 1977Ω, 1612Ω, 987Ω, and 676Ω in the fresh cell, 1, 2, and 3 days aging cells, respectively. .
또한, Tin selenide 전극 및 Tin selenide/NC 전극에 대한 반원의 반경은 프레시 셀에서 1일, 2일, 3일 노화된 셀로 시간에 흐름에 따라 감소함으로써 습윤성이 증가하여 노화에 따른 전하 이동 저항(Rct) 값이 감소하였음을 확인할 수 있다. Tin selenide/NC 전극은 질소가 도핑된 탄소 매트리스에 따른 향상된 전도도에 의해 제공되는 전하가 용이하게 이동할 수 있어, Tin selenide 전극에 비해 전하 이동 저항(Rct) 값이 낮게 나타냄을 확인할 수 있고, 이는 질소가 도핑된 탄소 매트리스가 코팅된 복합체로 형성됨으로써 활물질 간의 전자 접촉이 향상되면서도 개선된 전극 무결성이 기인한 것으로 분석된다.In addition, the radius of the semicircle for the tin selenide electrode and the tin selenide/NC electrode decreased with time from the fresh cell to the cells aged 1, 2, and 3 days, so that the wettability increased, resulting in an aging-related charge transfer resistance (R ct ) value decreased. The tin selenide/NC electrode can easily transfer the charge provided by the improved conductivity according to the nitrogen-doped carbon matrix, so it can be confirmed that the charge transfer resistance (R ct ) value is lower than that of the tin selenide electrode, which It is analyzed that the improved electrode integrity is due to the improved electronic contact between the active materials as the nitrogen-doped carbon matrix is formed into a coated composite.
일반적으로, EIS 스펙트라에서의 경계 확산은 낮은 주파수 영역에 해당되며, 이러한 경계 확산은 대부분 입자의 크기와 형태에 따라 결정된다. 또한, 도 8(f)에서 나타난 바와 같이, 와버그 임피던스는 Tin selenide/NC 전극의 프레시 셀, 1, 2, 3일 노화된 셀을 기반으로 측정한 것을 나타낸 것이다. 도 8(f)를 참조하면, Tin selenide/NC 전극은 노화 기간이 증가할수록 낮은 와버그 임피던스 값을 나타내었고, 이는 충방전 사이클이 진행되는 동안의 나트륨 이온의 확산성이 향상된 것에 따른 것으로 분석되고, 이에 따라 질소가 도핑된 탄소 매트릭스가 나트륨이차전지의 전기화학적 성능 향상에 중요한 역할을 수행하고 있음을 확인할 수 있다.In general, boundary diffusion in EIS spectra corresponds to a low frequency region, and such boundary diffusion is mostly determined by the size and shape of particles. In addition, as shown in FIG. 8(f), the Warburg impedance is measured based on the fresh cells of the tin selenide/NC electrode and the cells aged for 1, 2, and 3 days. Referring to FIG. 8(f), the tin selenide/NC electrode exhibited a lower Warburg impedance value as the aging period increased, which is analyzed to be due to the improved diffusivity of sodium ions during the charge/discharge cycle. , it can be confirmed that the nitrogen-doped carbon matrix plays an important role in improving the electrochemical performance of the sodium secondary battery.
전극의 구조정 안정성을 확인하기 위해 20 사이클 후 전극을 분석하였다. Tin selenide 전극은 20사이클 이후 부피 팽창/수축이 발생하여 다수의 균열이 발생하였다. Tin selenide/NC 전극은 Tin selenide 전극과 달리 20사이클 동안 균열이 발생하지 않았다. Tin selenide는 부피 팽창/수축과 낮은 전도도로 인해 전극의 수명 특성을 저하시킬 수 있으나, 질소가 도핑된 탄소 매트릭스를 도입하면 이러한 문제점을 개선하여 사이클 중의 부피변화를 완충시킴으로써 전극의 전기전도도를 향상시킬 수 있다.In order to confirm the structural stability of the electrode, the electrode was analyzed after 20 cycles. The tin selenide electrode experienced volume expansion/contraction after 20 cycles, resulting in numerous cracks. Tin selenide/NC electrodes did not crack during 20 cycles, unlike tin selenide electrodes. Tin selenide can reduce the lifespan characteristics of the electrode due to volume expansion/contraction and low conductivity. can
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 일 측면이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 기재된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present specification described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which one aspect of the present specification belongs can easily transform it into other specific forms without changing the technical idea or essential features described in this specification. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present specification is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present specification.
Claims (11)
상기 주석-셀레나이드 표면 중 적어도 일부에 결합된 질소 도핑된 탄소계 화합물;을 포함하는 나트륨이차전지용 음극 활물질.tin-selenide; and
A negative active material for a sodium secondary battery comprising a; nitrogen-doped carbon-based compound bonded to at least a portion of the tin-selenide surface.
상기 주석-셀레나이드는 SnSe 및 SnSe2을 포함하는 나트륨이차전지용 음극 활물질.According to claim 1,
The tin-selenide is an anode active material for a sodium secondary battery comprising SnSe and SnSe 2 .
상기 음극 활물질은 나노 플레이크(Nanoflake) 형태인 나트륨이차전지용 음극 활물질.According to claim 1,
The negative active material is an anode active material for a sodium secondary battery in the form of nanoflakes.
상기 음극 활물질의 평균 두께는 10~30㎚인 나트륨이차전지용 음극 활물질.According to claim 1,
The negative active material for a sodium secondary battery having an average thickness of 10 to 30 nm of the negative active material.
상기 음극 활물질의 평균 기공 직경은 10~20㎚인 나트륨이차전지용 음극 활물질.According to claim 1,
The negative active material for a sodium secondary battery having an average pore diameter of 10 to 20 nm of the negative active material.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 및 불소고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 나트륨이차전지용 음극.7. The method of claim 6,
The binder is polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene (EPDM) ) At least one negative electrode for a sodium secondary battery selected from the group consisting of rubber, styrene-butyrene rubber, and fluororubber.
(b) 상기 (a)의 혼합물을 밀폐된 반응기에 투입하여 150~200℃, 10~15시간의 조건에서 반응시켜 주석-셀레나이드를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 주석-셀레나이드 및 탄소 전구체와 혼합 및 건식 분쇄한 후 질소 분위기 하에서 하소시키는 단계;를 포함하는 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법.(a) mixing the tin precursor and the selenium precursor in a solvent;
(b) adding the mixture of (a) to a sealed reactor and reacting at 150 to 200° C. for 10 to 15 hours to prepare tin-selenide; and
(c) mixing with the tin-selenide and carbon precursor, dry grinding, and calcining in a nitrogen atmosphere;
상기 (c) 단계에서, 상기 주석-셀레나이드 표면의 적어도 일부에 질소 도핑된 탄소 코팅층이 형성되는 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법.9. The method of claim 8,
In the step (c), a nitrogen-doped carbon coating layer is formed on at least a portion of the tin-selenide surface.
상기 (c) 단계는 400~600℃, 1~3시간 조건에서 수행되는 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법.9. The method of claim 8,
The step (c) is a method of manufacturing a negative active material for a sodium secondary battery performed at 400 ~ 600 ℃, 1-3 hours conditions.
상기 (c) 단계의 하소는 1분 당 5℃를 상승시키는 조건에서 수행되는 나트륨이차전지용 음극 활물질의 제조방법.9. The method of claim 8,
The method for producing a negative active material for a sodium secondary battery, wherein the calcination of step (c) is performed under the condition that the temperature is increased by 5° C. per minute.
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