KR20220130529A - Sodium metal anode, manufacturing method thereof and secondary battery including the same - Google Patents

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KR20220130529A
KR20220130529A KR1020210035542A KR20210035542A KR20220130529A KR 20220130529 A KR20220130529 A KR 20220130529A KR 1020210035542 A KR1020210035542 A KR 1020210035542A KR 20210035542 A KR20210035542 A KR 20210035542A KR 20220130529 A KR20220130529 A KR 20220130529A
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Abstract

The present invention relates to a sodium metal including a protective film, a manufacturing method thereof, and a secondary battery including the same. A polymer protective film is formed on the surface of the sodium metal in advance using a 1,4-dioxane solvent to implement a stable sodium metal negative electrode in the secondary battery.

Description

보호막을 포함하는 소듐 금속, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지{SODIUM METAL ANODE, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}Sodium metal including a protective film, a manufacturing method thereof, and a secondary battery including the same

본 발명은 소듐 금속, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 표면에 고분자 고체-전해질 계면 보호막이 형성된 소듐 금속, 이의 방법 및 이를 포함하는 이차 전지에 것이다.The present invention relates to sodium metal, a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same, and more particularly, to a sodium metal having a polymer solid-electrolyte interface protective film formed on its surface, a method thereof, and a secondary battery including the same.

최근 화석연료를 대체하는 에너지원으로 신재생 에너지가 각광받고 있다. 신재생 에너지는 친환경적이라는 장점을 갖지만, 전력 생산이 제한적인 상황에서만 이루어질 수 있으므로, 생산된 전기에너지를 저장하고 필요시에 안정적·효율적으로 공급할 수 있는 에너지 저장장치가 필수적으로 요구된다. Recently, renewable energy has been in the spotlight as an energy source to replace fossil fuels. Although renewable energy has the advantage of being eco-friendly, it can be done only in a situation where power production is limited, so an energy storage device that can store the generated electrical energy and supply it stably and efficiently when necessary is essential.

현재, 전력 저장원으로는 리튬 이온 전지, 레독스 흐름 전지, 고온 소듐-황 전지, 납축전지 등이 있으며, 이들 중 특히 리튬 이온 전지가 중대형 에너지 저장장치로 각광받고 있다.Currently, power storage sources include lithium ion batteries, redox flow batteries, high-temperature sodium-sulfur batteries, lead-acid batteries, and the like, and among them, lithium ion batteries in particular are spotlighted as medium and large-sized energy storage devices.

리튬 이온 전지는 충전 및 방전이 가능한 에너지 저장장치로 1991년 첫 상용화 이후 휴대용 소형기기에 이어 전기차, 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야로 시장이 확대되고 있다.Lithium-ion batteries are energy storage devices that can be charged and discharged. Since the first commercialization in 1991, the market has been expanding into various fields such as electric vehicles and energy storage systems, following portable small devices.

그러나 리튬은 지각 내 원소 비중이 매우 낮고 특정 지역에 한정적으로 분포되어 있어 원자재 가격이 점차 증가하는 추세이며, 리튬 이온 전지의 경우, 리튬알루미늄 합금 반응 때문에 필수적으로 음극에 값비싼 구리 집전체를 사용해야 하는 등 경제적 측면에서 효율적이지 못하다. However, lithium has a very low elemental proportion in the earth's crust and is limitedly distributed in a specific region, so the price of raw materials is gradually increasing. It is not efficient from an economic point of view.

한편, 이러한 리튬의 문제점을 극복하기 위한 대체재 중 하나로 소듐 금속에 대한 연구가 진행되고 있다. 소듐은 리튬과 달리 자원 분포가 균일하며, 해수로부터 추출이 가능하여 경제성이 우수한 장점이 있다. 그러나 소듐 금속을 이차 전지의 음극으로 사용함에 있어, 여전히 해결해야 할 문제들이 있다. On the other hand, research on sodium metal as one of the alternative materials for overcoming the problems of lithium is being conducted. Unlike lithium, sodium has a uniform resource distribution and can be extracted from seawater, so it has excellent economic efficiency. However, there are still problems to be solved in using sodium metal as a negative electrode of a secondary battery.

도 1은 종래 소듐 금속 음극의 문제점을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the problems of the conventional sodium metal cathode.

구체적으로, 소듐은 환원성이 강하여 충·방전이 진행되는 동안 전해질과 반응하여 소듐 금속 표면에 다양한 화학종의 고체-전해질 계면(Solid-Electrolyte Interphase)이 형성된다. 이와 같은 과정에서 형성된 고체-전해질 계면은 화학종과 물리적 특성이 상이하여, 충·방전 동안 음극의 부피 변화에 의해 물리적 특성이 약한 부분의 구조가 무너질 수 있으며, 이는 소듐 덴트라이트 성장의 원인이 된다.Specifically, sodium has strong reducibility and reacts with the electrolyte during charging and discharging to form a solid-electrolyte interphase of various chemical species on the sodium metal surface. The solid-electrolyte interface formed in this process has different chemical species and physical properties, so the structure of the part with weak physical properties may collapse due to the volume change of the cathode during charging and discharging, which causes sodium dentrite growth. .

이에 소듐 금속 이차 전지의 상용화를 위해서는 소듐 금속 음극을 안정화시키기 위한 방안이 요구된다.Accordingly, in order to commercialize a sodium metal secondary battery, a method for stabilizing a sodium metal anode is required.

본 발명은 보호막을 포함하는 소듐 금속, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a sodium metal including a protective film, a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same.

또한, 본 발명은 안정적인 음극을 구현할 수 있도록 표면에 보호막을 포함하는 소듐 금속, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a sodium metal including a protective film on its surface, a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same to realize a stable negative electrode.

또한, 본 발명은 상용화에 유리하도록 표면에 보호막을 포함하는 소듐 금속을 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for economically manufacturing sodium metal including a protective film on the surface to be advantageous for commercialization.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따르면, 소듐 금속은 이차 전지의 음극을 구성하며, 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, sodium metal constitutes the negative electrode of the secondary battery, and it is characterized in that it includes a protective film formed of a compound represented by the following Structural Formula 1 on one surface.

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보호막은, 상기 일면 상에 균일하게 형성된 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the protective film is characterized in that it is uniformly formed on the one surface.

본 발명에 따르면, 이차 전지는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막; 및 전해액을 포함하고, 상기 음극은, 소듐 금속; 및 상기 소듐 금속의 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode; a separator disposed between the anode and the cathode; and an electrolyte, wherein the negative electrode includes: sodium metal; and a protective film formed of a compound represented by the following Structural Formula 1 on one surface of the sodium metal.

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보호막은, 상기 일면 상에 균일하게 형성된 것을 특징으로 한다. In an embodiment of the present invention, the protective film is characterized in that it is uniformly formed on the one surface.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양극은, 소듐 전이금속 산화물계, 소듐 전이금속 황화물계, 소듐 전이금속 불화물계, 탄소-황 담지체 및 촉매를 담지한 카본 페이퍼 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다. In an embodiment of the present invention, the positive electrode comprises at least one of a sodium transition metal oxide-based, sodium transition metal sulfide-based, sodium transition metal fluoride-based, carbon-sulfur support, and carbon paper carrying a catalyst. do it with

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질은, 소듐염; 및 카보네이트 계열 및 에테르 계열 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the electrolyte is a sodium salt; and an organic solvent consisting of at least one of a carbonate series and an ether series.

본 발명에 따르면, 소듐 금속의 제조방법은 (a) 소듐 금속을 준비하는 단계; (b) 상기 소듐 금속을 1,4-디옥산 용매에 소정 시간동안 담그는 단계; 및 (c) 1,4-디옥산 용매로부터 소듐 금속을 건져낸 후 건조시키는 단계를 포함하고, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 거쳐 제조된 소듐 금속은 이차 전지의 음극을 구성하며, 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the method for producing sodium metal comprises the steps of (a) preparing sodium metal; (b) immersing the sodium metal in a 1,4-dioxane solvent for a predetermined time; and (c) drying the sodium metal from the 1,4-dioxane solvent, wherein the sodium metal prepared through the steps (a) to (c) constitutes the negative electrode of the secondary battery, It is characterized in that it includes a protective film formed of a compound represented by the following structural formula (1).

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 보호막은, 상기 일면 상에 균일하게 형성된 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the protective film is characterized in that it is uniformly formed on the one surface.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는, 상기 소듐 금속을 고르게 펴서 준비하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the step (a) is characterized in that it is prepared by evenly spreading the sodium metal.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 소듐 금속에 의해 상기 1,4-디옥산 용매의 고리 열림 중합반응이 진행되는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the step (b) is characterized in that the ring-opening polymerization reaction of the 1,4-dioxane solvent is carried out by the sodium metal.

본 발명에 따른 보호막을 포함하는 소듐 금속, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지의 효과는 다음과 같다.Effects of sodium metal including a protective film, a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same according to the present invention are as follows.

본 발명은 소듐 금속 표면에 형성된 고분자 고체-전해질 계면에 의해 안정적인 이차 전지의 음극을 구현할 수 있다.The present invention can realize a stable negative electrode of a secondary battery by the polymer solid-electrolyte interface formed on the sodium metal surface.

또한, 본 발명에서 보호막 형성에 사용되는 1,4-디옥산은 비교적 저렴하여 경제적인 비용으로 안정적인 음극 구현이 가능한 소듐 금속을 제조할 수 있으며, 제조 시 추가 설비가 필요하지 않다는 이점이 있다. In addition, 1,4-dioxane used for forming the protective film in the present invention is relatively inexpensive, so sodium metal capable of implementing a stable negative electrode can be manufactured at an economical cost, and there is an advantage that no additional equipment is required during manufacturing.

또한, 1,4-디옥산을 이용하는 경우, 소듐 금속 표면에 보호막을 형성하는 매커니즘이 간단하여 제조 시간이 단축되며, 대면적 합성에 용이하다.In addition, in the case of using 1,4-dioxane, the mechanism of forming a protective film on the sodium metal surface is simple, so the manufacturing time is shortened, and it is easy to synthesize a large area.

그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 본 발명의 효과가 전술한 효과들로 한정되는 것은 아니다.However, these effects are exemplary, and the effects of the present invention are not limited to the aforementioned effects.

도 1은 종래 소듐 금속 음극의 문제점을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 표면에 보호막이 형성된 소듐 금속을 나타낸 도면이다.
도 3은 소듐 금속의 표면에 보호막을 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4(a) 및 (b)는 도 3의 BNa 및 DTNa의 표면 SEM 이미지이고, 도 4(c) 및 (d)는 BNa 및 DTNa의 단면 SEM 이미지이다.
도 5는 ATR FT-IR을 통한 오일, BNa 및 DTNa의 표면 결합 분석 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 6(a) 내지 (c)는 XPS를 통한 DTNa의 표면 결합 분석 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 7(a) 내지 (d)는 BNa 및 DTNa로 구성된 시메트릭 전지의 전류밀도 변화에 따른 전압 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 8(a) 및 (b)는 BNa 및 DTNa의 속도 특성 전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9(a) 및 (b)는 다양한 전류밀도에서 50사이클 충방전시킨 상태의 BNa 및 DTNa로 구성된 시메트릭 전지의 표면 SEM 이미지이다.
도 10(a) 및 (b)는 BNa 및 DTNa로 구성된 시메트릭 전지의 EIS 분석 데이터를 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing the problems of the conventional sodium metal cathode.
2 is a view showing a sodium metal having a protective film formed on the surface according to the present invention.
3 is a diagram schematically illustrating a process of forming a protective film on a surface of sodium metal.
4(a) and (b) are surface SEM images of BNa and DTNa of FIG. 3, and FIGS. 4(c) and (d) are cross-sectional SEM images of BNa and DTNa.
5 is a graph showing surface binding analysis data of oil, BNa and DTNa through ATR FT-IR.
6 (a) to (c) is a graph showing the surface binding analysis data of DTNa through XPS.
7 (a) to (d) are graphs showing the voltage profile according to the change in current density of a symmetric battery composed of BNa and DTNa.
8 (a) and (b) are graphs showing the rate characteristic voltage curves of BNa and DTNa.
9(a) and (b) are surface SEM images of a symmetric battery composed of BNa and DTNa in a state of being charged and discharged for 50 cycles at various current densities.
10 (a) and (b) are graphs showing EIS analysis data of a symmetric battery composed of BNa and DTNa.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명하는 실시예들은 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 범위가 실시예들에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자들에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are only examples for describing the present invention in detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by the embodiments.

또한, 본 명세서에서 사용되는 기술에 관련된 모든 용어들은 본 명세서에서 다르게 정의하지 않는 한 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자들이 통상적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 가지며, 만일 그 의미가 상충되는 경우에는 정의를 포함한 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.In addition, all terms related to technology used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art unless otherwise defined herein, and if the meanings conflict, definitions The description of the present specification including

한편, 본 명세서에서는 도면에 도시된 발명을 명확하게 설명하기 위해 이와 관련이 낮은 설명들은 생략하였으며, 유사한 구성에 대해서는 유사한 도면부호를 사용하였다. 그리고 어떤 구성이 다른 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 어떤 구성에 대하여“부”라고 기술하는 경우에 이는 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. Meanwhile, in the present specification, in order to clearly explain the invention shown in the drawings, descriptions related thereto are omitted, and similar reference numerals are used for similar components. And, when a component "includes" other components, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. Also, in the specification, when a “part” is described with respect to a certain component, it should be understood to mean one unit or block that performs a specific function.

또한, 본 명세서에서 설명하는 단계들에 있어 식별부호(예: 제1, 제2 등)는 설명의 편의를 위해 사용되는 것으로 각 단계들의 순서를 설명하는 것으로 한정되어서는 안되며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고, 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며, 반대의 순서로 실시될 수도 있다.In addition, in the steps described in this specification, identification numbers (eg, first, second, etc.) are used for convenience of description and should not be limited to describing the order of each step, and each step is Unless a specific order is clearly indicated, the implementation may be performed differently from the specified order. That is, the steps may be performed in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

본 발명은 소듐 금속 이차 전지에서 음극을 구성하는 소듐 금속과 이의 제조방법, 그리고 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium metal constituting an anode in a sodium metal secondary battery, a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same.

소듐 금속을 이차 전지의 음극으로 사용하기 위해서는 위에서 설명한 안정성 문제가 해결되어야 한다. 소듐 금속의 안정성을 확보하기 위한 대표적인 방법은 소듐 금속 표면에 고체-전해질 계면(또는 보호막)을 형성하는 것이다. In order to use sodium metal as a negative electrode of a secondary battery, the stability problem described above must be solved. A representative method for ensuring the stability of sodium metal is to form a solid-electrolyte interface (or a protective film) on the sodium metal surface.

소듐 금속 표면에 고체-전해질 계면을 형성하는 경우, 덴트라이트 성장이 억제되어 안정성을 확보할 수 있게 된다. 고체-전해질 계면은 소듐 금속과 전해질 사이의 반응에 의해 자연적으로 형성될 수도 있으나, 인위적인 방식에 의할 때, 소듐 금속 표면에 균일한 두께 및 화학종의 고체-전해질 계면을 형성할 수 있게 된다. When the solid-electrolyte interface is formed on the sodium metal surface, dentrite growth is suppressed and stability can be secured. The solid-electrolyte interface may be formed naturally by the reaction between the sodium metal and the electrolyte, but when using an artificial method, a solid-electrolyte interface with a uniform thickness and chemical species can be formed on the sodium metal surface.

종래에는 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD), 분자층 증착법(Molecular layer deposition, MLD) 등의 공정을 통해 소듐 금속 표면에 나노 수준의 두께로 고체-전해질 계면을 형성하였다. 그러나 이러한 방식은 추가 설비를 필요로 하므로 상용화에 한계가 있다.Conventionally, a solid-electrolyte interface with a nano-level thickness was formed on the sodium metal surface through processes such as atomic layer deposition (ALD) and molecular layer deposition (MLD). However, since this method requires additional equipment, there is a limit to commercialization.

이에 본 발명은 간편한 공정으로 소듐 금속 표면에 고체-전해질 계면(이하, 보호막)을 형성하며, 상기 공정으로 제조된 소듐 금속을 이차 전지의 음극으로 활용하고자 한다.Accordingly, the present invention forms a solid-electrolyte interface (hereinafter, referred to as a protective film) on the surface of a sodium metal by a simple process, and intends to utilize the sodium metal prepared by the above process as an anode of a secondary battery.

도 2는 본 발명에 따른 표면에 보호막이 형성된 소듐 금속을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 소듐 금속(100)은 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막(110)을 포함할 수 있다.2 is a view showing a sodium metal having a protective film formed on the surface according to the present invention. Referring to FIG. 2 , the sodium metal 100 according to the present invention may include a protective layer 110 formed of a compound represented by the following Structural Formula 1 on one surface.

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

본 발명에 따르면, 상기 보호막(110)은 소듐 금속(100)의 일면에 균일하게 형성될 수 있다. 자세하게, 보호막(110)은 소듐 금속(100)의 일면에 균일한 두께로 형성될 수 있다.According to the present invention, the protective layer 110 may be uniformly formed on one surface of the sodium metal 100 . In detail, the protective layer 110 may be formed on one surface of the sodium metal 100 to have a uniform thickness.

전술한 소듐 금속(100)은 이차 전지의 음극이 될 수 있다.The above-described sodium metal 100 may be a negative electrode of the secondary battery.

본 발명에 따른 이차 전지는 양극 및 음극, 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막 및 전해액을 포함할 수 있으며, 상기 보호막(110)을 포함하는 소듐 금속(100)이 음극이 될 수 있다. The secondary battery according to the present invention may include a positive electrode and a negative electrode, a separator and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the sodium metal 100 including the protective film 110 may be the negative electrode.

이 경우, 음극이 되는 소듐 금속 표면에 덴트라이트 성장이 억제되므로 안정성을 확보할 수 있고, 수명이 향상되며, 전지를 구성할 때 공간 확보 측면에서 유리한 효과가 있다. 상기 효과들에 관한 자세한 설명은 후술한다.In this case, since dentrite growth is suppressed on the surface of the sodium metal serving as the negative electrode, stability can be secured, the lifespan is improved, and there is an advantageous effect in terms of securing space when configuring the battery. A detailed description of the above effects will be described later.

상기 양극은 소듐 이온 전지용 양극재, 소듐 황 전지용 양극재, 소듐 공기 전지용 양극재가 될 수 있다.The cathode may be a cathode material for a sodium ion battery, a cathode material for a sodium sulfur battery, or a cathode material for a sodium-air battery.

예를 들어, 상기 양극은 소듐 전이금속 산화물계, 소듐 전이금속 황화물계, 소듐 전이금속 불화물계, 탄소-황 담지체, 촉매를 담지한 카본 페이퍼 등이 될 수 있다.For example, the anode may be a sodium transition metal oxide-based, sodium transition metal sulfide-based, sodium transition metal fluoride-based, carbon-sulfur support, or carbon paper on which a catalyst is supported.

상기 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 계열을 포함할 수 있으며, 이외에도 폴리에스터 계열, 폴리아크릴로니트릴계열, 플루오린 계열과 같은 고분자 물질을 하나 이상 포함할 수 있다.The separator may include polyolefin-based materials such as polyethylene and polypropylene, and in addition, may include one or more polymer materials such as polyester-based, polyacrylonitrile-based, and fluorine-based materials.

상기 전해질은 소듐염 및 유기용매를 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 전해질은 카보네이트 계열 및 에테르 계열 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 유기용매에 소듐염이 용해된 것일 수 있다. The electrolyte may include a sodium salt and an organic solvent. In detail, the electrolyte may be a sodium salt dissolved in an organic solvent consisting of at least one of carbonate-based and ether-based.

예를 들어, 상기 유기용매는 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에터(Diethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에터(Tetraethylene glycol dimethyl ether) 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.For example, the organic solvent is ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethylene glycol dimethyl ether, It may include one or more of tetraethylene glycol dimethyl ether.

또한, 상기 소듐염은 소듐퍼클로레이트(NaClO4), 소듐테트라플루오로보레이트(NaBF4), 소듐헥사플루오로포스페이트(NaPF6), 소듐트리플레이트(NaOTf) 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the sodium salt may include at least one of sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), and sodium triflate (NaOTf).

다만, 양극, 분리막 및 전해질은 위에서 열거한 물질에 한정하지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용하는 물질들이 제한 없이 사용될 수 있다.However, the positive electrode, the separator, and the electrolyte are not limited to the materials listed above, and materials commonly used in the art may be used without limitation.

도 3은 소듐 금속의 표면에 보호막을 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 소듐 금속(100)은 (a) 소듐 금속(Bare Na metal, BNa)(10)을 준비하는 단계; (b) 상기 소듐 금속(10)을 1,4-디옥산(1,4-dioxane) 용매에 소정 시간동안 담그는 단계; 및 (c) 상기 1,4-디옥산 용매로부터 소듐 금속을 건져낸 후 건조시키는 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 상기 (a) 내지 (c) 단계를 거쳐 제조된 소듐 금속(Dioxane Treated Na metal, DTNa)(100)은 일면에 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막(110)을 포함할 수 있다. 보호막(110)은 상기 소듐 금속의 일면 상에 균일하게 형성될 수 있다.3 is a diagram schematically illustrating a process of forming a protective film on a surface of sodium metal. Referring to FIG. 3 , the sodium metal 100 according to the present invention includes (a) preparing sodium metal (Bare Na metal, BNa) 10; (b) immersing the sodium metal 10 in a 1,4-dioxane solvent for a predetermined time; and (c) drying the sodium metal from the 1,4-dioxane solvent. The sodium metal (Dioxane Treated Na metal, DTNa) 100 manufactured through the steps (a) to (c) may include a protective layer 110 formed of a compound represented by Structural Formula 1 on one surface. The passivation layer 110 may be uniformly formed on one surface of the sodium metal.

이하에서는, 본 발명에 따른 소듐 금속(100)의 제조방법을 실험예를 통하여 설명한다. 다만, 상기 제조방법이 하기 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of manufacturing the sodium metal 100 according to the present invention will be described through an experimental example. However, the manufacturing method is not limited by the following experimental examples.

(실험예)(Experimental example)

시약 준비reagent preparation

본 발명에 따른 소듐 금속(100)을 제조하기 위해, Sigma-Aldrich 사의 미네랄 오일에 담긴 상태의 소듐 큐브(99.9%), 1,4-디옥산(1,4-dioxane)(anhydrous, 99.8%), 디에틸렌 글리콜 디메틸에터(Diethylene glycol dimethyl ether)(anhydrous, 99.5%)과 TCI chemicals 사의 소듐트리플루오로메탄설포네이트(Sodium Trifluoromethanesulfonate)(NaOTf, 98%)를 준비한 후, 아르곤 분위기의 글러브 박스 내에서 보관하였다.In order to prepare the sodium metal 100 according to the present invention, sodium cubes (99.9%), 1,4-dioxane (anhydrous, 99.8%) in a state of Sigma-Aldrich's mineral oil , Diethylene glycol dimethyl ether (anhydrous, 99.5%) and TCI chemicals' Sodium Trifluoromethanesulfonate (NaOTf, 98%) were prepared, and then in a glove box under argon atmosphere. was stored in

DTNa 제조DTNa production

(a) 소듐 금속(BNa)을 준비하는 단계(a) preparing sodium metal (BNa)

소듐 큐브의 산화된 면을 완벽하게 제거한 뒤, 깨끗한 부분의 소듐을 사용할 만큼 잘라낸다. 잘라낸 소듐은 일정한 두께로 고르게 편 후, 펀치를 이용하여 동일한 크기를 갖는 여러 개의 소듐 금속 조각(10′)으로 자른다.After completely removing the oxidized side of the sodium cube, cut out enough sodium to use the clean part. The cut sodium is evenly spread to a certain thickness, and then cut into several sodium metal pieces 10' having the same size using a punch.

(b) 소듐 금속(BNa)을 1,4-디옥산 용매에 소정 시간동안 담그는 단계(b) immersing sodium metal (BNa) in a 1,4-dioxane solvent for a predetermined time

주사기를 이용하여 비커에 1,4-디옥산 용매 20ml 가량을 담고, 잘라낸 소듐 금속 조각(10′)을 상기 비커에 10분 동안 담가두었다. Using a syringe, about 20 ml of 1,4-dioxane solvent was placed in a beaker, and the cut sodium metal piece (10') was immersed in the beaker for 10 minutes.

본 단계에서는 소듐 금속 조각(10′)에 의해 1,4-디옥산 용매의 고리 열림 중합반응이 진행될 수 있으며, 이를 통해 소듐 금속 표면에 보호막이 형성될 수 있다. 아래 화학 반응식 1은 비커 내에서 진행되는 반응을 나타낸다.In this step, a ring-opening polymerization reaction of a 1,4-dioxane solvent may proceed by the sodium metal piece 10', and a protective film may be formed on the sodium metal surface through this. Chemical Scheme 1 below shows the reaction proceeding in the beaker.

[화학 반응식 1][Chemical Scheme 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

1,4-디옥산은 비교적 안정적인 유기용매이나, 환원성이 강한 소듐에 의해 분해될 수 있다. 구체적으로, 소듐 금속 표면과 1,4-디옥산이 접촉하면, 소듐 금속 표면에서 1,4-디옥산의 산소로 전자가 이동하여 고리가 깨진 뒤 소듐 알콕사이드 라디칼이 형성된다. 형성된 라디칼은 양성자를 받아 중성의 분자가 되며, 생성된 분자는 다시 소듐과 반응하여 두 종류의 친핵체를 형성한다. 친핵체는 1,4-디옥산의 탄소를 공격하여 고리 열림 반응을 유도하고, 이러한 반응이 계속적으로 진행되면, 소듐 금속(100)의 표면에는 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide)와 유사한 고분자로 이루어진 보호막(110)이 형성된다.Although 1,4-dioxane is a relatively stable organic solvent, it can be decomposed by sodium with strong reducibility. Specifically, when the sodium metal surface and 1,4-dioxane come into contact, electrons move from the sodium metal surface to the oxygen of 1,4-dioxane to break the ring, and then a sodium alkoxide radical is formed. The formed radical receives a proton and becomes a neutral molecule, and the formed molecule reacts with sodium again to form two types of nucleophiles. The nucleophile attacks the carbon of 1,4-dioxane to induce a ring opening reaction, and when this reaction continues, the surface of the sodium metal 100 has a protective film 110 made of a polymer similar to polyethylene oxide. ) is formed.

(c) 1,4-디옥산 용매로부터 소듐 금속(DTNa)을 건져낸 후 건조시키는 단계(c) drying the sodium metal (DTNa) from the 1,4-dioxane solvent

비커로부터 소듐 금속(100)을 건져내어 바이알로 옮긴 후, 글러브 박스 내에서 6시간 이상 건조시킨다. 건조 과정은 소듐 금속(100) 표면의 1,4-디옥산이 최대한 제거될 수 있도록 오랜 시간동안 진행되는 것이 바람직하다.After removing the sodium metal 100 from the beaker and transferring it to a vial, it is dried in a glove box for at least 6 hours. The drying process is preferably carried out for a long time so that 1,4-dioxane on the surface of the sodium metal 100 can be removed as much as possible.

이와 같이, 본 발명에 따른 소듐 금속(100)은 별도의 설비 등을 필요로 하지 않고 매우 간편한 공정을 통해 표면에 보호막(110)을 형성할 수 있다. 또한, 1,4-디옥산을 이용하므로, 비교적 저렴한 비용으로 보호막(110)을 형성할 수 있으며, 반응시간이 짧아 대면적 합성에도 용이한 이점이 있다.As described above, the protective film 110 can be formed on the surface of the sodium metal 100 according to the present invention through a very simple process without requiring a separate facility or the like. In addition, since 1,4-dioxane is used, the protective film 110 can be formed at a relatively low cost, and the reaction time is short, so that it is easy to synthesize a large area.

도 4 내지 도 6은 순수한 소듐 금속(BNa)과 본 발명에 따라 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)을 비교하기 위한 이미지 및 데이터이다.4 to 6 are images and data for comparing pure sodium metal (BNa) and sodium metal treated with 1,4-dioxane according to the present invention (DTNa).

BNa 및 DTNa의 표면 SEM 이미지 비교Comparison of surface SEM images of BNa and DTNa

본 발명의 제조방법을 거친 소듐 금속 표면에 실제 1,4-디옥산 기반의 보호막이 형성되었는지 확인하기 위해 표면 SEM 이미지를 관찰하였다. 순수한 소듐 금속(BNa)의 경우, 비교적 매끈한 표면이 관찰된 반면(도 4(a)), 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)의 경우, 거친 표면이 관찰되었다(도 4(b)). 이는 상기 제조방법을 거친 소듐 금속의 표면에 보호막(110)이 형성되었음을 의미한다.The surface SEM image was observed to confirm whether a 1,4-dioxane-based protective film was actually formed on the sodium metal surface subjected to the manufacturing method of the present invention. In the case of pure sodium metal (BNa), a relatively smooth surface was observed (Fig. 4(a)), whereas in the case of 1,4-dioxane-treated sodium metal (DTNa), a rough surface was observed (Fig. 4(b)). )). This means that the protective film 110 is formed on the surface of the sodium metal that has undergone the manufacturing method.

BNa 및 DTNa의 단면 SEM 이미지 및 EDX 매핑 결과 비교Comparison of cross-sectional SEM images and EDX mapping results of BNa and DTNa

순수한 소듐 금속(BNa)와 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)을 잘라 단면 SEM 이미지로부터 EDX 매핑 분석을 진행하였다. 아래 표 1 및 표 2는 각각 BNa 및 DTNa의 EDX 매핑 분석 데이터를 나타낸다.Pure sodium metal (BNa) and 1,4-dioxane-treated sodium metal (DTNa) were cut and subjected to EDX mapping analysis from cross-sectional SEM images. Tables 1 and 2 below show EDX mapping analysis data of BNa and DTNa, respectively.

ElementElement Weight (%)Weight (%) Atomic (%)Atomic (%) C KC K 2.472.47 4.054.05 O KO K 33.8233.82 41.5241.52 Na KNa K 63.7063.70 54.4354.43

ElementElement Weight (%)Weight (%) Atomic (%)Atomic (%) C KC K 5.395.39 8.598.59 O KO K 34.6834.68 41.5041.50 Na KNa K 49.9149.91 49.9149.91

순수한 소듐 금속(BNa)의 경우, 단면에서 전체적으로 소량의 탄소만 육안으로 확인할 수 있었으며(도 4(c)), 실제로도 [표 1]과 같이 탄소의 함량은 원자 비중 4.05%로 매우 낮게 나타났다. 탄소 및 산소의 함량은 SEM 이미지를 획득하는 과정에서 외부에 짧게 노출된 순간에 소듐의 강한 반응성으로 이산화탄소 및 산소와 빠르게 반응하여 생성된 것으로 예측된다. In the case of pure sodium metal (BNa), only a small amount of carbon could be visually confirmed as a whole in the cross section (FIG. 4(c)), and in fact, as shown in [Table 1], the carbon content was found to be very low with an atomic weight of 4.05%. The content of carbon and oxygen is predicted to be generated by rapidly reacting with carbon dioxide and oxygen due to the strong reactivity of sodium at the moment of short exposure to the outside in the process of acquiring the SEM image.

반면, 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)은 단면에서 전반적으로 탄소가 검출되었으며, 특히, 단면 상단부에 다량의 탄소가 밀집되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 4(d)). 탄소 원자 비중도 일반적인 소듐 금속(BNa)보다 두 배 가량 높은 수치인 8.59%로 나타났다. On the other hand, in the 1,4-dioxane-treated sodium metal (DTNa), carbon was detected as a whole in the cross section, and in particular, it was confirmed that a large amount of carbon was concentrated at the upper end of the cross section (FIG. 4(d)). The proportion of carbon atoms was also found to be 8.59%, which is twice that of general sodium metal (BNa).

이러한 결과는 본 발명의 제조방법을 거친 소듐 금속(100)은 표면에 1,4-디옥산 기반의 보호막이 실제로 형성되었음을 의미한다.These results mean that a 1,4-dioxane-based protective film is actually formed on the surface of the sodium metal 100 that has undergone the manufacturing method of the present invention.

미네랄 오일, BNa, DTNa의 ATR FT-IR 분석 결과 비교Comparison of ATR FT-IR Analysis of Mineral Oil, BNa, DTNa

본 발명의 제조방법에 따라 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(100) 표면에 보호막(110)이 형성되었는지를 확인하기 위해 ATR FT-IR 분석을 진행하였다. ATR FT-IR analysis was performed to confirm whether the protective film 110 was formed on the surface of the 1,4-dioxane-treated sodium metal 100 according to the manufacturing method of the present invention.

FT-IR 분석은 공기 중에서 소듐의 급격한 반응을 조금이라도 억제하기 위해 소듐과 반응성이 없으면서 동시에 공기를 차단해줄 수 있는 미네랄 오일에 적신 상태로 진행하였다.FT-IR analysis was carried out in a state soaked in mineral oil that was not reactive with sodium and could block air at the same time in order to suppress the rapid reaction of sodium in the air even a little.

도 6을 참조하면, 미네랄 오일은 2900cm-1, 1883 내지 2391cm-1, 1455cm-1, 1366cm-1에서 피크를 가지고, 이 피크들은 순수한 소듐 금속(BNa)과 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)에서 모두 확인할 수 있다.6, mineral oil has peaks at 2900cm -1 , 1883 to 2391 cm -1 , 1455 cm -1 , 1366 cm -1 , these peaks are pure sodium metal (BNa) and 1,4-dioxane-treated sodium All metals (DTNa) can be identified.

순수한 소듐 금속(BNa)에서 검출되는 모든 피크들은 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)에서 확인할 수 있으며, 1600cm-1, 1112cm-1, 872cm-1 피크들은 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)에서만 확인된다. 상기 피크들은 소듐 무수화물 결합(1600cm-1, 872cm-1)과 에테르 결합(1112cm-1)을 나타낸다.All peaks detected in pure sodium metal (BNa) can be confirmed in 1,4-dioxane-treated sodium metal (DTNa), and 1600cm -1 , 1112cm -1 , 872cm -1 peaks are 1,4-dioxane-treated. It is found only in sodium metal (DTNa). The peaks represent sodium anhydride bonds (1600 cm -1 , 872 cm -1 ) and ether bonds (1112 cm -1 ).

이러한 결과는 실제 소듐이 1,4-디옥산과 만나 상기와 같은 결합을 가지는 보호막(110)을 형성한다는 것을 의미한다.This result means that the actual sodium meets with 1,4-dioxane to form the protective layer 110 having the above bonding.

DTNa의 XPS 분석 결과XPS analysis result of DTNa

XPS는 아르곤 분위기의 글러브 박스 내에서 완벽히 밀봉한 뒤 글러브 박스와 연결된 장비를 이용하여 측정했다.XPS was measured using equipment connected to the glove box after it was completely sealed in a glove box in an argon atmosphere.

도 6(a)를 참조하면, C 1s 피크는 284.8 eV, 285.9 eV, 289.1 eV에서 나타났다. Referring to FIG. 6( a ), the C 1s peaks appeared at 284.8 eV, 285.9 eV, and 289.1 eV.

가장 높은 세기를 나타내는 284.8 eV 피크는 C-C 결합을 의미하며, 부정성 탄소의 결합 에너지와 일치한다. 285.9 eV 피크는 C-O-C 결합을 의미하며, 이는 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO) 고분자에서 나타나는 C-O-C 결합의 세기와 정확하게 일치한다. 289.1 eV 피크는 C=O 결합을 나타내는데, 이는 본 발명에 따른 제조방법을 통해 소듐 금속(100) 표면에 형성될 것이라고 예측한 고분자에는 존재하지 않는 결합이다. 이 피크의 결과는 소듐과 1,4-디옥산 반응 중간에 생기는 소듐 알콕사이드 라디칼이 글러브 박스 내 이산화탄소 또는 흔히 전해질 용매로 사용하는 카보네이트 계열이 기화되어 존재할 때 부반응을 일으키면서 생성된 것으로 추정된다.The 284.8 eV peak showing the highest intensity indicates a C-C bond, which is consistent with the binding energy of the negative carbon. The 285.9 eV peak means a C-O-C bond, which exactly matches the strength of the C-O-C bond in a polyethylene oxide (PEO) polymer. The 289.1 eV peak shows a C=O bond, which is a bond that does not exist in the polymer predicted to be formed on the surface of the sodium metal 100 through the manufacturing method according to the present invention. As a result of this peak, it is estimated that sodium alkoxide radicals generated in the middle of the reaction with sodium and 1,4-dioxane cause a side reaction when carbon dioxide or carbonate series, which is often used as an electrolyte solvent, is vaporized in the glove box.

도 6(b)를 참조하면, O 1s 피크는 531.08 eV, 531.93 eV, 535.63 eV에서 나타났다.Referring to FIG. 6(b), the O 1s peaks appeared at 531.08 eV, 531.93 eV, and 535.63 eV.

531.08 eV와 531.93 eV 피크는 각각 Na-O 결합 및 C-O 결합을 의미하며, 이 두 종류의 피크는 예상했던 반응을 통해 생성된 고분바자 물질에서 비롯된 피크와 대응된다. 535.63 eV에서 넓게 나타나는 피크는 소듐의 오제 전자가 방출되면서 나타나는 피크이며, 분석 샘플에 기본적으로 소듐이 포함되어 있기 때문에 합리적인 결과로 볼 수 있다.The 531.08 eV and 531.93 eV peaks indicate Na-O bonding and C-O bonding, respectively, and these two types of peaks correspond to the peaks originating from the polymeric bazaar material generated through the expected reaction. The peak that appears widely at 535.63 eV is a peak that appears as the Auger electrons of sodium are emitted, and it can be considered as a reasonable result because the analysis sample basically contains sodium.

마지막으로, 도 6(c)를 참조하면, Na 1s 피크는 1071.3 eV에서만 검출되며, 이는 Na-O 결합으로 추측된다.Finally, referring to Fig. 6(c), the Na 1s peak is detected only at 1071.3 eV, which is presumed to be a Na-O bond.

앞에서 살펴본 분석 결과들을 종합하면, 소듐 금속을 1,4-디옥산 처리하는 경우, 소듐 금속의 표면에서 1,4-디옥산과 고리 열림 중합반응이 진행되며, 소듐 금속의 표면에는 이러한 반응을 통해 생성된 고분자 물질로 이루어지는 보호막이 형성됨을 알 수 있다.Combining the analysis results discussed above, when sodium metal is treated with 1,4-dioxane, a ring-opening polymerization reaction with 1,4-dioxane proceeds on the surface of sodium metal, and on the surface of sodium metal, through this reaction It can be seen that a protective film made of the generated polymer material is formed.

이하에서는, 상기 보호막(110)을 포함하는 소듐 금속(DTNa)(100)을 전지에 적용할 경우, 안정적인 소듐 금속 음극 구현이 가능한지 확인하기 위한 실험과 그 결과에 대해 살펴본다.Hereinafter, when the sodium metal (DTNa) 100 including the protective film 110 is applied to a battery, an experiment for confirming whether a stable sodium metal anode can be realized and the results thereof will be described.

실험을 위해, 순수한 소듐 금속(BNa)(비교예) 및 1,4-디옥산 처리된 소듐 금속(DTNa)(실시예)으로 1mAhcm-1 용량의 시메트릭 전지를 제작하였다.For the experiment, a symmetrical battery having a capacity of 1 mAhcm −1 was manufactured using pure sodium metal (BNa) (Comparative Example) and 1,4-dioxane-treated sodium metal (DTNa) (Example).

BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지의 전압 프로파일 비교Comparison of voltage profiles of BNa symmetric cells and DTNa symmetric cells

제작된 BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지를 다양한 전류밀도에서 구동하여 수명을 확인하였다. 아래 표 3은 전류밀도에 따른 BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지의 수명 데이터를 나타낸 것이다.The manufactured BNa symmetric battery and DTNa symmetric battery were operated at various current densities to check the lifespan. Table 3 below shows the lifespan data of the BNa symmetric battery and the DTNa symmetric battery according to the current density.

구분division BNaBNa DTNaDTNa 1mAcm-2 1mAcm -2 470h470h > 2500h> 2500h 2mAcm-2 2mAcm -2 120h120h > 1750h> 1750h 3mAcm-2 3mAcm -2 150h150h > 1150h> 1150h 5mAcm-2 5mAcm -2 37h37h > 800h> 800h

도 7(a)를 참조하면, 1mAcm-2의 전류밀도에서 BNa 시메트릭 전지는 500 시간 내외에서 200mV 이상의 과전압을 가지며 전지 단락이 일어났으나, DTNa 시메트릭 전지는 2500 시간동안 15mV 미만의 일정한 과전압을 가지면서 수명이 유지되었다.Referring to Figure 7(a), at a current density of 1mAcm -2 , the BNa symmetric battery had an overvoltage of 200mV or more within 500 hours and a battery short circuit occurred, but the DTNa symmetrical battery had a constant overvoltage of less than 15mV for 2500 hours. lifespan was maintained with

도 7(b)를 참조하면, 2mAcm-2의 전류밀도에서 BNa 시메트릭 전지는 130 시간 정도에 이르렀을 때 전지가 구동을 멈추었으나, DTNa 시메트릭 전지는 1750 시간까지 30mV 정도의 과전압을 유지하다가 그 이후로 과전압이 높이 올라가는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7(b), at a current density of 2mAcm -2 , the BNa symmetric battery stopped driving when it reached about 130 hours, but the DTNa symmetric battery maintained an overvoltage of about 30mV until 1750 hours. After that, it can be seen that the overvoltage rises high.

도 7(c) 및 도 7(d)에 따르면, 전류밀도 3mAcm-2 조건과 5mAcm-2 조건에서 DTNa 시메트릭 전지는 각각 40mV와 50mV의 과전압으로 1150 시간 및 800 시간 동안 안정적으로 작동하였다. 그러나 BNa 시메트릭 전지는 200 시간이 채 되지 않는 짧은 수명 특성을 나타내었으며, 이는 전해질과 소듐의 부반응에 의한 높은 과전압과 덴트라이트 생성에 의한 것으로 추측된다.According to FIGS. 7(c) and 7(d), the DTNa symmetrical battery operated stably for 1150 hours and 800 hours with overvoltages of 40mV and 50mV, respectively, under the current density 3mAcm -2 condition and 5mAcm -2 condition. However, the BNa symmetric battery exhibited a short lifespan of less than 200 hours, which is presumed to be due to the high overvoltage and dentrite formation due to the side reaction between the electrolyte and sodium.

위 실험 결과와 같이, DTNa 시메트릭 전지가 2500 시간 이상 안정적으로 구동했다는 점은 배터리에 바로 적용되어도 문제가 없을 정도의 안정성을 갖는 것으로 볼 수 있다.As shown in the experimental results above, the fact that the DTNa symmetrical battery operated stably for more than 2500 hours can be seen as having stability enough to have no problem even when directly applied to the battery.

BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지의 과전압 변화 비교Comparison of Overvoltage Changes for BNa Simetric Cells and DTNa Simetric Cells

제작된 BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지를 다양한 전류밀도에서 구동하여 과전압 변화를 확인하였다.The overvoltage change was confirmed by driving the fabricated BNa symmetric battery and DTNa symmetric battery at various current densities.

도 8(a)를 참조하면, BNa 시메트릭 전지의 경우, 1, 2, 3, 5, 8, 15mAcm-2의 전류밀도에서 순차적으로 10 사이클씩 돌아갈 때, 1mAcm-2의 전류밀도까지는 과전압의 변화없이 안정적으로 돌아가다가 10 사이클 이후 2mAcm-2에 도달하면 점차 과전압이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 2mAcm-2와 3mAcm-2의 전류밀도에서 10 사이클까지는 비교적 안정적인 그래프 rogudd을 유지하지만 5mAcm-2의 전류밀도부터는 높은 과전압과 매우 불안정한 전압 곡선을 보였다. Referring to FIG. 8( a ), in the case of a BNa symmetric battery, when the current density of 1, 2, 3, 5, 8, 15mAcm -2 is sequentially returned for 10 cycles, the overvoltage is up to the current density of 1mAcm -2 It can be seen that the overvoltage gradually increases when it returns stably without change and reaches 2mAcm -2 after 10 cycles. At current densities of 2mAcm -2 and 3mAcm -2 , the graph rogudd was maintained relatively stable up to 10 cycles, but from the current density of 5mAcm -2 , high overvoltage and very unstable voltage curves were shown.

한편, 8mAcm-2 및 15mAcm-2의 높은 전류밀도에서는 비교적 낮은 과전압을 보이는 것으로 나타났다. 이는 높은 전류밀도로 전지 자체에 많은 전기 에너지가 가해지게 되고, 전지의 내부 저항 때문에 발생하게 되는 높은 줄 열(Joule heat)에 의한 것으로 볼 수 있다. On the other hand, at high current densities of 8mAcm -2 and 15mAcm -2 , it was found that a relatively low overvoltage was shown. This can be seen as due to high Joule heat, which is generated due to the high current density, which causes a lot of electrical energy to be applied to the battery itself, and the internal resistance of the battery.

약 98℃의 비교적 낮은 녹는점을 갖는 소듐은 자체적으로 발생한 열에 의해 가열되어 유동성 있는 상태가 되는데, 이 상태에서는 덴트라이트가 형성되더라도 서로 엉겨 붙고, 자체 회복이 가능하기 때문에 과전압이 낮게 나타난다.Sodium, which has a relatively low melting point of about 98°C, is heated by the heat generated by itself and becomes a fluid state.

도 8(b)를 참조하면, DTNa 시메트릭 전지의 경우, 1, 2, 3, 5, 8, 15mAcm-2의 전류밀도에서 계속 안정적으로 구동되며, 모든 전류밀도에서 10 사이클씩 구동된 이후 다시 5mAcm-2의 전류밀도로 돌아왔을 때에도, 전지가 여전히 낮고 안정적인 과전압으로 구동된 것으로 나타났다. Referring to FIG. 8(b), in the case of DTNa symmetrical battery, it continues to be stably driven at current densities of 1, 2, 3, 5, 8, and 15mAcm -2 , and is driven again after 10 cycles at all current densities. Even when returning to a current density of 5mAcm -2 , it was found that the cell was still driven with a low and stable overvoltage.

이러한 결과는 본 발명의 제조방법에 따라 소듐 금속(100)의 표면에 인위적으로 형성해준 보호막(110)이 전지 구동 시에도 계속 유지되어 소듐 금속 표면에 덴트라이트 성장이 억제되었기 때문인 것으로 볼 수 있다.This result can be considered because the protective film 110 artificially formed on the surface of the sodium metal 100 according to the manufacturing method of the present invention is maintained even when the battery is driven, thereby suppressing the growth of dentrite on the surface of the sodium metal.

BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지의 50 사이클 충방전 후 표면 SEM 이미지 비교Comparison of surface SEM images after 50 cycles of charging and discharging of BNa symmetric cells and DTNa symmetric cells

실제 전지를 구동하였을 때, BNa 및 DTNa 시메트릭 전지 표면에서 덴트라이트의 성장 여부를 확인하기 위해, 1, 3, 5mAcm-2의 전류밀도 조건에서 50 사이클 동안 BNa 및 DTNa 시메트릭 전지를 충방전시킨 후, 표면 SEM 이미지를 관찰하였다.In order to check whether dentrites are grown on the surface of the BNa and DTNa symmetric battery when the actual battery is driven, the BNa and DTNa symmetric battery were charged and discharged for 50 cycles under current density conditions of 1, 3, 5 mAcm -2 . Then, the surface SEM image was observed.

도 9(a)를 참조하면, 표면 SEM 이미지로부터 BNa 전극 표면에 덴트라이트가 성장하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 저배율 이미지에서도 다공성의 조밀하지 않은 표면을 확인할 수 있다. 또한, 높은 전류밀도로 전지를 구동하였을 때, BNa 전극 표면의 다공성 구조가 점차 심해지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9( a ), it can be confirmed that dentrites are grown on the surface of the BNa electrode from the surface SEM image. In addition, the porous, non-dense surface can be seen even in the low magnification image. In addition, it can be seen that the porous structure on the surface of the BNa electrode gradually worsens when the battery is driven at a high current density.

즉, BNa 전지를 음극으로 사용하는 경우, 음극 표면에서 덴트라이트가 쉽게 성장하며, 전기화학적으로 활성이 없는 다량의 소듐을 만들어 낮은 쿨롱 효율과 수명 특성을 갖게 된다.That is, when a BNa battery is used as an anode, dentrites easily grow on the surface of the anode, and a large amount of electrochemically inactive sodium is produced to have low coulombic efficiency and lifespan characteristics.

반면, 도 9(b)를 참조하면, DTNa 전극 표면은 동일한 전류밀도 조건에서의 BNa 전극 표면보다 균일하고 밀도있게 소듐 금속이 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, referring to FIG. 9(b), it can be seen that the sodium metal is distributed more uniformly and densely on the surface of the DTNa electrode than on the surface of the BNa electrode under the same current density condition.

특히, 1mAcm-2의 전류밀도 조건에서 DTNa 전극 표면은 공극이 거의 없이 밀도 높게 축적되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 덴트라이트가 쉽게 성장할 수 없는 구조라는 증거가 되며, 보호막(110) 손상에 의한 추가적인 전해질 소모 및 전기화학적으로 활성이 없는 소듐이 형성되지 않음을 나타낸다.In particular, it can be seen that the DTNa electrode surface is densely accumulated with few voids under the current density condition of 1 mAcm -2 , which is evidence of a structure in which dentrite cannot easily grow, and additional damage caused by damage to the protective film 110 Electrolyte consumption and electrochemically inactive sodium is not formed.

또한, DTNa 전극의 경우, 3, 5mAcm-2의 전류밀도에서도 표면은 비교적 조밀한 구조이며, 덴트라이트가 거의 확인되지 않았다.In addition, in the case of the DTNa electrode, even at a current density of 3, 5 mAcm -2 , the surface had a relatively dense structure, and almost no dentrite was observed.

BNa 시메트릭 전지 및 DTNa 시메트릭 전지의 EIS 분석 결과 비교Comparison of EIS analysis results of BNa symmetric cells and DTNa symmetric cells

BNa 및 DTNa 시메트릭 전지에 대해 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 분석을 진행한 결과 다음과 같은 결과가 도출되었다.As a result of EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) analysis of BNa and DTNa symmetric cells, the following results were obtained.

첫 번째로, BNa 시메트릭 전지의 경우 DTNa 시메트릭 전지보다 전해질 저항이 크게 측정되었다. 전해질 저항이란 전지 구동중 부반응으로 인한 염의 농도 저하, 전해질 자체의 수송 특성 등으로 정해지는 값으로, 도 10의 그래프에서 반원의 시작점이 이에 해당한다.First, in the case of the BNa symmetric battery, the electrolyte resistance was measured to be greater than that of the DTNa symmetric battery. Electrolyte resistance is a value determined by a decrease in salt concentration due to a side reaction during battery driving, transport characteristics of the electrolyte itself, and the like, and the starting point of a semicircle in the graph of FIG. 10 corresponds to this.

도 10(a) 및 (b)를 참조하면, BNa 시메트릭 전극의 전해질 저항은 13Ω, DTNa 시메트릭 전극의 전해질 저항은 10Ω 미만으로 확인된다. 본 분석에서는 동일한 농도 및 종류의 전해질을 사용했기 때문에, 이러한 결과의 차이는 보호막(110) 포함 여부에 의한 것으로 보인다. 10(a) and (b), the electrolyte resistance of the BNa symmetric electrode is 13Ω, and the electrolyte resistance of the DTNa symmetric electrode is confirmed to be less than 10Ω. Since the same concentration and type of electrolyte were used in this analysis, the difference in these results appears to be due to whether or not the protective layer 110 is included.

즉, DTNa 시메트릭 전극의 경우 보호막(110)이 전해질의 부반응을 억제하는 효과가 있으며, 이에 따라 염의 농도 감소가 적게 일어남을 의미한다.That is, in the case of the DTNa symmetric electrode, the protective film 110 has an effect of suppressing the side reaction of the electrolyte, which means that a decrease in the concentration of the salt is small accordingly.

두 번째로, BNa 및 DTNa 시메트릭 전지는 첫 사이클에서 차이를 보인다. 자세하게, DTNa 시메트릭 전지의 경우, 첫 사이클을 구동한 뒤 EIS를 측정한 결과, 굉장히 큰 반원을 그리는 것을 확인할 수 있다. 여기서 반원이 의미하는 것은 보호막(110)에서 이온이 전달되는데 걸리는 저항을 의미하며, DTNa 시메트릭 전지의 경우 상기 저항은 대략 40Ω 정도 되는 것으로 확인된다. 이에 반해, BNa 시메트릭 전지의 경우, 상기 저항은 5Ω 정도로 매우 낮게 측정되었다.Second, the BNa and DTNa symmetric cells show differences in the first cycle. In detail, in the case of the DTNa symmetric battery, it can be seen that a very large semicircle is drawn as a result of measuring the EIS after driving the first cycle. Here, the semicircle means the resistance required to transfer ions in the protective layer 110 , and in the case of the DTNa symmetric battery, it is confirmed that the resistance is about 40Ω. In contrast, in the case of the BNa symmetric battery, the resistance was measured to be very low, about 5Ω.

이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 소듐 금속(100)의 표면에는 일정한 두께의 보호막(110)이 형성되었고, 전지 구동 초반에는 소듐 이온이 보호막(110)에 충분히 침투되지 않은 상태이므로 이온 전도성이 높지 않아 이온이 고분자 재질의 보호막(110)을 통과하여 소듐 금속에 도달하는데 큰 저항이 걸리지만, 일정 수준으로 충방전이 지속되면 소듐 이온이 보호막(110)에 침투되어 소듐 이온의 전도성이 향상된다는 것을 알 수 있다.From these results, the protective film 110 of a certain thickness is formed on the surface of the sodium metal 100 according to the present invention, and the sodium ions are not sufficiently penetrated into the protective film 110 at the beginning of battery operation, so the ion conductivity is not high. It takes a great deal of resistance for ions to pass through the protective film 110 made of a polymer material to reach the sodium metal, but when charging and discharging are continued at a certain level, sodium ions penetrate the protective film 110 and the conductivity of sodium ions is improved. can

마지막으로, BNa 시메트릭 전지는 1, 10, 50, 70, 90 사이클이 지남에 따라 소듐 금속과 전해질의 계면에 의한 저항이 점점 커지는 것으로 나타났다. 이로부터 전지 구동에 의해 소듐 금속 표면에는 지속적으로 덴트라이트가 생성되어 그 두께가 증가하고, 전기화학적으로 활성이 없는 소듐이 생기는 것을 확인할 수 있다.Finally, the BNa symmetric battery showed that the resistance due to the interface between the sodium metal and the electrolyte gradually increased as 1, 10, 50, 70, and 90 cycles passed. From this, it can be confirmed that dentrite is continuously generated on the surface of the sodium metal by driving the battery, and the thickness thereof increases, and sodium without electrochemical activity is generated.

반면에, DTNa 시메트릭 전지는 1, 10, 50, 70, 나아가 1800 사이클이 구동될 때까지 소듐 금속과 전해질 계면에 의한 저항이 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이는 본 발명의 소듐 금속 제조방법에 따라 소듐 금속 표면에 미리 형성해준 보호막(110)이 물리적으로 덴트라이트 형성을 억제해주고, 덴트라이트에 의해 쉽게 무너지지 않는 고분자층이라는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the DTNa symmetric battery, the resistance due to the sodium metal and electrolyte interface did not increase significantly until 1, 10, 50, 70, and even 1800 cycles were driven. It can be confirmed that the protective film 110 previously formed on the sodium metal surface according to the sodium metal manufacturing method of the present invention is a polymer layer that physically inhibits the formation of dentrites and is not easily collapsed by the dentrites.

앞에서 살펴본 본 발명에 따른 소듐 금속의 효과들을 정리하면 다음과 같다.The effects of the sodium metal according to the present invention discussed above are summarized as follows.

본 발명에 따른 소듐 금속(100)은 저렴한 유기용매인 1,4-디옥산을 소량 사용하여 소듐 금속 표면에 보호막(110)을 미리 형성하는 바, 그 공정이 매우 경제적이고 간편하다는 이점이 있으며, 특히, 간편한 공정으로 인해 대면적 합성이 용이해질 수 있다. 본 발명은 이러한 공정상의 이점 덕분에 대용량 에너지 저장장치에 활용할 때 경제적인 부담을 크게 줄일 수 있다.The sodium metal 100 according to the present invention uses a small amount of 1,4-dioxane, which is an inexpensive organic solvent, to form the protective film 110 on the sodium metal surface in advance, and has the advantage that the process is very economical and simple, In particular, large-area synthesis may be facilitated due to a simple process. The present invention can greatly reduce the economic burden when used in a large-capacity energy storage device thanks to such process advantages.

또한, 본 발명에 따른 소듐 금속(100)은 전지의 음극으로 활용되었을 때, 높은 전류밀도에서도 긴 수명 특성을 갖는 바, 대면적의 원통형 셀 또는 파우치 셀에서도 오랜 시간동안 전기화학적 성능을 유지하면서 안정적으로 구동될 수 있다.In addition, when the sodium metal 100 according to the present invention is used as a negative electrode of a battery, it has a long lifespan even at a high current density. can be driven by

또한, 본 발명에 따르면, 소듐 금속(100) 표면에는 보호막(110)이 100nm 내외의 매우 얇은 두께로 형성되므로, 완전지에서 활물질 외에 질량과 부피를 차지하는 불필요한 물질의 양이 크게 줄어들게 되어, 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다.In addition, according to the present invention, since the protective film 110 is formed on the surface of the sodium metal 100 to a very thin thickness of about 100 nm, the amount of unnecessary materials occupying mass and volume in addition to the active material in the complete paper is greatly reduced, so that high energy density can be obtained.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예 및 실험예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양하게 변경 및 수정되어 실시될 수 있다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various changes and modifications may be made within the scope without departing from the technical spirit of the present invention.

Claims (10)

이차 전지의 음극을 구성하며, 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막을 포함하는, 소듐 금속.
[구조식 1]
Figure pat00006
A sodium metal constituting the negative electrode of a secondary battery, and including a protective film formed of a compound represented by the following Structural Formula 1 on one surface.
[Structural Formula 1]
Figure pat00006
제1항에 있어서,
상기 보호막은, 상기 일면 상에 균일하게 형성된, 소듐 금속.
According to claim 1,
The protective film is uniformly formed on the one surface, sodium metal.
양극 및 음극;
상기 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막; 및
전해액을 포함하고,
상기 음극은, 소듐 금속; 및
상기 소듐 금속의 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막을 포함하는, 이차 전지.
[구조식 1]
Figure pat00007
positive and negative electrodes;
a separator disposed between the anode and the cathode; and
containing an electrolyte;
The negative electrode, sodium metal; and
A secondary battery comprising a protective film formed of a compound represented by the following Structural Formula 1 on one surface of the sodium metal.
[Structural Formula 1]
Figure pat00007
제3항에 있어서,
상기 보호막은, 상기 일면 상에 균일하게 형성된, 이차 전지.
4. The method of claim 3,
The protective film is uniformly formed on the one surface, the secondary battery.
제3항에 있어서,
상기 양극은, 소듐 전이금속 산화물계, 소듐 전이금속 황화물계, 소듐 전이금속 불화물계, 탄소-황 담지체 및 촉매를 담지한 카본 페이터 중에서 하나 이상을 포함하는, 이차 전지.
4. The method of claim 3,
The positive electrode, a secondary battery comprising at least one of a sodium transition metal oxide-based, sodium transition metal sulfide-based, sodium transition metal fluoride-based, carbon-sulfur support and a catalyst-supported carbon catalyst.
제3항에 있어서,
상기 전해질은, 소듐염; 및
카보네이트 계열 및 에테르 계열 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 유기용매를 포함하는, 이차 전지.
4. The method of claim 3,
The electrolyte, sodium salt; and
A secondary battery comprising an organic solvent consisting of at least one of a carbonate series and an ether series.
(a) 소듐 금속을 준비하는 단계;
(b) 상기 소듐 금속을 1,4-디옥산 용매에 소정 시간동안 담그는 단계; 및
(c) 1,4-디옥산 용매로부터 소듐 금속을 건져낸 후 건조시키는 단계를 포함하고,
상기 (a) 내지 (c) 단계를 거쳐 제조된 소듐 금속은 이차 전지의 음극을 구성하며, 일면에 아래 구조식 1로 표기되는 화합물로 형성된 보호막을 포함하는, 소듐 금속의 제조방법.
[구조식 1]
Figure pat00008
(a) preparing sodium metal;
(b) immersing the sodium metal in a 1,4-dioxane solvent for a predetermined time; and
(c) drying the sodium metal from the 1,4-dioxane solvent,
The sodium metal prepared through the steps (a) to (c) constitutes the negative electrode of the secondary battery, and includes a protective film formed of a compound represented by the following Structural Formula 1 on one surface.
[Structural Formula 1]
Figure pat00008
제7항에 있어서,
상기 보호막은, 상기 일면 상에 균일하게 형성된, 소듐 금속의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The protective film is uniformly formed on the one surface, a method of manufacturing sodium metal.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계는, 상기 소듐 금속을 고르게 펴서 준비하는 것을 특징으로 하는, 소듐 금속의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step (a), the method for producing sodium metal, characterized in that preparing the sodium metal evenly.
제7항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 소듐 금속에 의해 상기 1,4-디옥산 용매의 고리 열림 중합반응이 진행되는 것을 특징으로 하는, 소듐 금속의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The (b) step, the method for producing a sodium metal, characterized in that the ring opening polymerization of the 1,4-dioxane solvent by the sodium metal proceeds.
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