KR20230072711A - 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법 및 이를 포함하는 음극재 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법 및 이를 포함하는 음극재 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법은,
코크스를 전 처리하는 제1단계; 전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 도금하는 제2단계; 전이금속이 도금된 코크스를 설정된 온도로 가열하여, 전이금속을 녹이고, 코크스 표면의 탄소성분이 녹은 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬되어, 코크스의 표면에 흑연결정을 만드는 제3단계; 및 상기 흑연결정이 표면에 만들어진 코크스를 에칭액에 넣어, 상기 흑연결정을 만들고 남은 잔여 전이금속을, 설정된 시간과 설정된 온도로 제거하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 사용하면, 비용량, 쿨롱효율, 충방전율이 모두 우수한 이차전지 음극재 활물질을 저렴하게 만들 수 있다.

Description

이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법 및 이를 포함하는 음극재 및 이를 포함하는 이차전지{Method for manufacturing highly crystalline coke for secondary battery negative active material, negative electrode material including same, and secondary battery including same}
본 발명은 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법 및 이를 포함하는 음극재 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하기도 하고, 방전되었을 때 외부의 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있는 전지로, 방전되어도 충전하여 반복 사용할 수 있는 전지다.
이차전지로, 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-금속수소 전지, 리튬이차전지, 레독스 플로우 전지, NaS 전지 등 많은 종류가 있다. 이 중 리튬이차전지는 에너지 밀도가 높고 자가 방전이 작아, 휴대폰, 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 본 발명은 이차전지 중 특히 리튬이차전지 음극재 제조에 적합한 기술로, 이하, 리튬이차전지를 예로 들어 설명한다.
리튬이차전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고, 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어, 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 하여, 양극에 있던 리튬이온이 빠져 나와 전해질을 통해 음극으로 가는 충전과, 그 반대인 경우 방전이 일어나게 한다.
양극은 알루미늄 포일(aluminum foil) 상에, 양극 활물질과 바인더 및 도전재 등의 첨가물을 용매에 분산시켜 제조한 양극 활물질 슬러리를, 도포한 후 용매를 건조시킴으로써 제조된다. 여기서, 양극재용 활물질로, LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4 등이 사용된다.
음극은 구리 포일(copper foil) 상에, 음극 활물질과 바인더 및 도전재 등의 첨가물을 용매에 분산시켜 제조한 음극 활물질 슬러리를, 도포한 후 용매를 건조시킴으로써 제조된다. 여기서, 음극재용 활물질로, 천연흑연과 인조흑연 등이 사용된다.
천연 흑연은 인조 흑연과 비교해서 저렴하고 흑연화도가 높아 리튬 이온을 많이 흡장 할 수 있어 전지의 대용량화에 유리하지만, 입자 모양이 비늘형태인 것이 많고 밀도가 낮기 때문에, 전극 밀도가 낮아 전지 용량을 키우기 어렵다.
인조 흑연은 2500℃ 이상의 고열로 흑연 결정 구조를 만들기 때문에, 천연흑연보다 안정된 결정 구조를 가지며, 리튬이온의 반복적인 충방전에도 결정구조의 변화가 작아, 천연 흑연 보다 2~3 배 수명이 길다. 그러나, 생산과정에서 고열이 필요하므로 제조비용이 높다.
한국등록특허(10-1564374)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법 및 이를 포함하는 음극재 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법은,
코크스를 전 처리하는 제1단계;
전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 도금하는 제2단계;
전이금속이 도금된 코크스를 설정된 온도로 가열하여, 전이금속을 녹이고, 코크스 표면의 탄소성분이 녹은 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬되어, 코크스의 표면에 흑연결정을 만드는 제3단계; 및
상기 흑연결정이 표면에 만들어진 코크스를 에칭액에 넣어, 상기 흑연결정을 만들고 남은 잔여 전이금속을, 설정된 시간과 설정된 온도로 제거하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은, 상술한 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법으로 제조된 음극재에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 상기 음극재를 포함하는 이차전지에 의해 달성된다.
본 발명은 이차전지 음극재 활물질을 고결정성 코크스로 제조한다. 이를 위해, 코크스를 전 처리하고, 전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 도금하고, 전이금속이 도금된 코크스를 설정된 온도로 가열하여, 전이금속을 녹이고, 코크스 표면의 탄소성분이 녹은 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬되어, 코크스의 표면에 흑연결정을 만든다. 이렇게, 코크스 전체가 아닌 표면만을 흑연화하여 음극재 활물질을 제조하므로, 코크스 전체를 흑연화하는데 필요한 열처리 온도(2600~2800℃)를, 전이금속을 녹이는 온도(1600~1800℃)로 낮출 수 있어, 음극재 활물질을 제조하는 시간 및 비용을 대폭 줄일 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 흑연결정이 표면에 만들어진 코크스를 에칭액(etchant)에 넣어, 흑연결정을 만들고 남은 잔여 전이금속을, 설정된 시간과 설정된 온도 동안 에칭(etching)하여 제거한다. 따라서, 코크스의 흑연결정내로 리튬이온이 출입 시, 잔여 전이금속으로 인한 방해가 없어, 충전용량 및 충전속도를 대폭 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 제3단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 도 1의 제3단계 후에 코크스의 표면에 형성된 흑연결정의 층간 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 에너지 분산 분광계 지도 (EDS mapping)로, 도 4(a)는 잔여 니켈 성분이 제거되기 전 원소 분포를 나타내고, 도 4(b)는 잔여 니켈 성분이 제거된 후 원소 분포를 나타낸다.
도 5는 코크스의 표면에 흑연결정을 만들고 남은 잔여 니켈 성분을 제거하기 전과 후를 비교한, 라만 스펙트럼이다.
도 6은 코크스의 표면에 흑연결정을 만들고 남은 잔여 니켈 성분을 제거하기 전과 후, 비용량 및 쿨롱효율(Coulombic Efficienc)를 비교한 그래프다.
도 7은 코크스의 표면에 흑연결정을 만들고 남은 잔여 니켈 성분을 제거하기 전과 후의, 충방전율(C-rate, Current rate) 및 쿨롱효율(Coulombic Efficienc)를 비교한 그래프다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법을 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법은,
코크스를 전 처리하는 제1단계(S11);
전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 도금하는 제2단계(S12);
전이금속이 도금된 코크스를 설정된 온도로 가열하여, 전이금속을 녹이고, 코크스 표면의 탄소성분이 녹은 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬되어, 코크스의 표면에 흑연결정을 만드는 제3단계(S13); 및
상기 흑연결정이 표면에 만들어진 코크스를 에칭액에 넣어, 상기 흑연결정을 만들고 남은 잔여 전이금속을, 설정된 시간과 설정된 온도로 제거하는 제4단계(S14)로 구성된다.
이하 제1단계(S11)를 설명한다.
실시예
1) 5M HCl 수용액 100 ml에 10g 코크스를 넣은 후 30분 동안 자기 교반 한다.
2) 자기교반이 끝난 시료를 진공 증류를 통해 거른 후 증류수로 수차례 수세한다.
3) 수세가 끝난 시료를 80℃ 오븐에서 30분간 건조 한다.
4) 건조가 끝난 시료를 0.1M SnCl2 + 0.1M HCl 수용액 100ml 넣고 30분 동안 자기 교반 한다. (예민화 과정임)
5) 산 처리가 끝난 시료를 진공 증류를 통해 거른 후 증류수로 수차례 수세하여 중성화 시킨다.
6) 수세가 끝난 시료를 80℃ 오븐에서 20분 건조한다.
7) 건조가 끝난 시료를 0.0014 M PdCl2+0.25 M HCl 수용액에 넣고 30분 동안 자기 교반 한다. 이때, 팔라듐 촉매가 코크스의 표면에 첨착(添着)된다. 촉매의 첨착 정도는 코크스의 촉매 용액에 대한 담지시간에 의해 조절된다.
8) 첨착 처리가 끝난 시료를 진공 증류를 통해 거른 후 증류수로 수차례 수세 한다.
9) 수세가 끝난 시료를 80℃ 오븐에서 1시간동안 건조한다.
1)~9) 단계를 거쳐서, 코크스가 전 처리된다.
이하 제2단계(S12)를 설명한다.
전이금속은, 니켈 또는, 니켈-코발트 합금 및 전이 금속 중 몇 종이다.
전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 단단하게 감싸기 위해, 전이금속을 단순한 흡착이나 부착 방식이 아닌 도금 방식을 사용한다.
그 이유는, 전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 단단하게 감싸고 있어야, 제3단계(S13)에서 전이금속이 도금된 코크스를 1600℃ 내지 1800℃의 온도로 가열하여, 코크스 표면의 탄소성분이 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬될 수 있어, 코크스의 표면에, 다수의 층으로 구성된, 평균높이 37.41Å 내지 341.47Å, 층간거리 3.36Å 내지 3.48Å 인 흑연결정이 견고하게 만들어질 수 있기 때문이다.
이렇게, 제3단계(S13)에서 평균높이 37.41Å 내지 341.47Å, 층간거리 3.36Å 내지 3.48Å로 다수의 층으로 구성된 흑연결정이 견고하게 만들어져 있어야, 제4단계(S14)에서 에칭액에 의해 잔여 전이금속이 제거된 자리에 빈 공간이 생기더라도, 흑연결정 구조가 무너지지 않고 버틸 수 있다.
전 처리된 코크스에 전이금속은 다음과 같은 3가지 무전해 도금 방식으로 도금된다. 니켈을 예로 들어 무전해 도금 방식을 설명한다.
실시예
1. 핫플레이트(hot-plate) 사용하여 도금액을 가열하되 초음파를 주지 않는 방식
1) 상용 도금액인 ENF-M, ENF-A을 사용하여 Ni 도금액을 제조한다.
2) 증류수 84 vol.%, ENF-M 10 vol.%, ENF-A 6 vol.% 의 조성으로 100ml 도금액을 제조한다.
3) 핫플레이트(hot-plate)로 중탕하여 도금액을 60℃ 또는, 70℃ 또는, 80℃까지 가열한다.
4) 도금액의 온도를 계속 유지 하며 전 처리한 코크스 분말을 도금액에 넣고 15분 동안 도금한다.
1)~4) 단계를 거쳐서, 전 처리된 코크스의 표면에 니켈이 도금된다.
2. 울트라배스(Ultra bath) 사용하여 도금액을 가열하고 초음파 처리하는 방식
1) 상용 도금액인 ENF-M, ENF-A을 사용하여 Ni 도금액을 제조한다.
2) 증류수 84 vol.%, ENF-M 10 vol.%, ENF-A 6 vol.% 의 조성으로 100 ml 도금액을 제조한다.
3) 울트라배스(Ultra bath)를 사용하여 도금액을 60℃까지 가열한다.
4) 도금액의 온도를 계속 유지 하며 전 처리한 코크스 분말을 도금액에 넣고 초음파를 가하며 도금한다.
1)~4) 단계를 거쳐서, 전 처리된 코크스의 표면에 니켈이 도금된다.
3. 핫플레이트(hot-plate) 사용하여 도금액을 가열하고 혼소닉(horn-sonic)으로 초음파 처리하는 방식
1) 상용 도금액인 ENF-M, ENF-A을 사용하여 Ni 도금액을 제조한다.
2) 증류수 84 vol.%, ENF-M 10 vol.%, ENF-A 6 vol.% 의 조성으로 100 ml 도금액을 제조한다.
3) 핫플레이트(hot-plate)를 사용하여 도금액을 80℃까지 가열한다.
4) 도금액의 온도를 계속 유지하며 전 처리한 코크스 분말을 도금액에 넣고 Horn type으로 15분간 초음파 처리하며 도금한다.
1)~4) 단계를 거쳐서, 전 처리된 코크스의 표면에 니켈이 도금된다.
이하 제3단계(S13)를 설명한다.
도 2(a)에 도시된 전이금속(metal)이 도금된 코크스(cokes)를 도 2(b)에 도시된 바와 같이 가열한다. 가열온도는 1600~1800℃이다. 이후, 전이금속인 니켈(녹는점: 1455℃) 또는 코발트(녹는점: 1495℃)가 용융되어 코크스 내부로 침투한다.
도 2(b) 및 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 코크스 표면의 탄소성분이 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬된다. 그러면, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 코크스 표면에 얇은 두께를 가진 흑연결정이 만들어진다. 그리고, 전이금속은 코크스 내부로 침투한다. 도 2(b)에 도시된 검은색 화살표는 전이금속으로 침투하는 탄소성분을 나타내고, 도 2(c)에 도시된 검은색 화살표는 전이금속으로부터 이탈하는 탄소성분을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 코크스 표면에 만들어진 흑연결정은 다수의 층으로 구성된다. Lc 는 흑연결정의 평균높이, d002는 층간거리를 나타낸다.
Figure pat00001
K : Scherrer 상수 (K=0.89)
β : 반가폭(radian)
θ : XRD 측정시 최대 피크에서의 각
λ : XRD 측정시 사용파장 1.542 Å
Figure pat00002
λ : XRD 측정시 사용파장 1.542 Å
θ : XRD 측정시 최대 피크에서의 각
Lc 값이 클수록 흑연결정이 더 많은 층으로 이루어지며, d002 값이 작을수록 층간거리가 더 작아진다. 본 발명에서 만들고자 하는 고결정성 코크스가 되려면, 코크스의 표면에 형성된 흑연결정의 Lc 값이 클수록, d002 값은 작을수록 좋다. 이는 열처리 온도와 열처리 시간으로 조절가능하다.
실시예
전이금속이 도금된 코크스를 1600℃ 내지 1800℃의 온도로 가열하여, 코크스 표면의 탄소성분이 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬된다. 이로 인해, 코크스의 표면에, 다수의 층으로 구성된, 평균높이 37.41Å 내지 341.47Å, 층간거리 3.36Å 내지 3.48Å 인 흑연결정이 만들어진다.
이하 제4단계(S14)를 설명한다.
실시예
니켈 에칭액 200ml에, 흑연결정이 표면에 만들어진 코크스 0.3~1g을 넣는다. 히팅맨틀(heating mantle) 안에서, 니켈 에칭액의 온도를 40~60℃로 유지한 상태로, 30 내지 120분 동안 잔여 니켈 성분을 서서히 제거한다. 이 정도 온도 범위 및 제거 시간에서 니켈 성분 전체가 한꺼번에 서서히 녹아서 제거된다. 따라서, 흑연결정의 공간 사이사이에 박혀 있는 덜 녹은 니켈 성분이 빠르게 빠져나가면서 흑연결정과 충돌하여 흑연결정을 손상시키는 것을 막을 수 있다.
이는, 비록 제3단계(S13)에서 흑연결정 구조가 견고하게 만들어져 있다고 해도, 니켈 성분 충돌에 의한 흑연결정 손상은 막을 수 없으므로, 니켈 성분을 제거하기 위한 온도 범위 및 제거 시간은 매우 중요하다.
이러한 온도 범위 및 제거 시간은, 니켈 이외의 다른 전이금속을 사용할 경우 다르게 조절될 수 있다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이 녹색으로 표시된 잔여 니켈 성분이 제거되어, 도 4(b)와 같이 파란색으로 표시된 탄소 성분만 남는다. 또는, 도 5에 도시된 라만 스펙트럼을 보아도, 잔여 니켈 성분이 제거된 것을 알 수 있다. 니켈 에칭액으로 상용제품을 사용한다. (TRANSENE CO, INC. 판매 제품)
측정결과, 잔여 니켈 성분이 제거되기 전 라만 스펙트럼의 ID/IG 값은 0.25로 측정되고, 잔여 니켈 성분이 제거된 후 라만 스펙트럼의 ID/IG 값은 0.01로 측정됐다. 이는, 음극재용 활물질에서 불순물로 작용하는 잔여 니켈 성분이 제거됨으로 인해, 음극재용 활물질의 결함이 25배 낮아진 것을 의미한다.
비용량(specific capacity)
도 6을 참조하면, 50mA/g에서 사이클 테스트를 진행할 결과, 비용량(specific capacity)은, 잔여 니켈 성분을 제거하지 않은 경우 보다, 니켈 성분이 제거된 후 경우가 약 50mAh/g(250mAh/g-200mAh/g) 정도 큰 것을 알 수 있다. 이는, 사이클 테스트 횟수가 늘어나도(0->80사이클) 마찬가지다.
그 이유는, 표면에 흑연결정 구조를 가진 고결정성 코크스를 음극재용 활물질로 사용할 때, 잔여 니켈 성분이 불순물로 작용하게 되는 데, 이러한 잔여 니켈 성분이 제거됨으로 인해, 고결정성 코크스의 표면 흑연결정내로 리튬이온이, 잔여 전이금속이 차지했던 자리로 들어갈 수 있기 때문이다.
또한, 리튬이온이 들어갈 수 있는 공간의 입구가 잔여금속이 제거된 만큼 커져, 리튬이온이 빠른 속도로 코크스의 표면 흑연결정내로 출입할 수 있어, 충방전 속도가 향상된다.
쿨롱효율(Coulombic Efficienc)
도 6 및 도 7을 참조하면, 잔여 니켈 성분이 제거된 경우나 제거되지 않은 경우 모두, 쿨롱효율(Coulombic Efficienc)은 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이는, 니켈 성분을 제거하든 안하든, 기본적으로 표면에 흑연결정 구조를 가진 고결정 코크스를, 음극재용 활물질로 사용한 이차전지의 특성이라 할 수 있다.
충방전율(C-rate, Current rate)
도 7을 참조하면, 단위 무게당 충전 전류가 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2000mA/g로 커질수록, 잔여 니켈 성분이 제거된 경우나 제거되지 않은 경우 모두, 이차전지의 비용량(specific capacity)이 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나, 단위 무게당 충전 전류를 다시 50mA/g로 줄이면, 잔여 니켈 성분이 제거된 경우나 제거되지 않은 경우 모두, 이차전지의 비용량(specific capacity)이 다시 제자리로 복귀하는 것을 알 수 있다. 이는, 가혹한 고 전류 충전조건에서도, 음극재 활물질용 고결정성 코크스의 표면에 형성된 흑연결정 구조가 거의 손상되지 않음을 의미한다.
그 이유는, 제3단계(S13)에서 평균높이 37.41Å 내지 341.47Å, 층간거리 3.36Å 내지 3.48Å 로 흑연결정이 견고하게 만들어졌기 때문이다. 또한, 제4단계(S14)에서 니켈 성분을 제거하기 위한 에칭액의 온도 범위 및 제거 시간을 제어하여, 덜 녹은 니켈 성분이 빠르게 빠져나가면서 흑연결정과 충돌하여 흑연결정을 손상시키는 것을 막았기 때문이다.

Claims (6)

  1. 코크스를 전 처리하는 제1단계;
    전 처리된 코크스의 표면에 전이금속을 도금하는 제2단계;
    전이금속이 도금된 코크스를 설정된 온도로 가열하여, 전이금속을 녹이고, 코크스 표면의 탄소성분이 녹은 전이금속으로 침투 및 이탈하는 것을 반복하면서 정렬되어, 코크스의 표면에 흑연결정을 만드는 제3단계; 및
    상기 흑연결정이 표면에 만들어진 코크스를 에칭액에 넣어, 상기 흑연결정을 만들고 남은 잔여 전이금속을, 설정된 시간과 설정된 온도로 제거하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    코크스를 산 처리한 후 촉매를 첨착하되, 촉매의 첨착 정도는 코크스의 촉매 용액에 대한 담지시간에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 전이금속은, 니켈 또는, 니켈-코발트 합금 및 전이 금속 중 몇 종인 것을 특징으로 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 전이금속은, 상기 촉매가 첨착된 코크스의 표면에 무전해 도금되는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법.
  5. 제1항의 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법으로 제조된 음극재.
  6. 제5항의 음극재를 포함하는 이차전지.
KR1020210159231A 2021-11-18 2021-11-18 이차전지 음극재 활물질용 고결정성 코크스 제조방법 및 이를 포함하는 음극재 및 이를 포함하는 이차전지 KR20230072711A (ko)

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