KR20230072752A - Cathode active material for zinc-ion secondary battery, zinc-ion secondary battery comprising same and method of manufacturing same - Google Patents

Cathode active material for zinc-ion secondary battery, zinc-ion secondary battery comprising same and method of manufacturing same Download PDF

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KR20230072752A
KR20230072752A KR1020210159297A KR20210159297A KR20230072752A KR 20230072752 A KR20230072752 A KR 20230072752A KR 1020210159297 A KR1020210159297 A KR 1020210159297A KR 20210159297 A KR20210159297 A KR 20210159297A KR 20230072752 A KR20230072752 A KR 20230072752A
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acid
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장덕례
우민홍
김수현
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한국생산기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a cathode active material for a zinc-ion secondary battery represented by the following formula 1: Na_xV_yO_z (0 < x <=2, 1 <= y <=6, 1 <= z <= 15). A cathode active material for a zinc-ion secondary battery, a zinc-ion secondary battery comprising the same, and a manufacturing method thereof according to the present invention may have a high specific capacity of the zinc ion secondary battery (battery capacity per unit weight (mAh/g)) and excellent performance by easily and simply manufacturing a cathode active material using a sol-gel synthesis method and applying the manufactured cathode active material for the zinc-ion secondary battery.

Description

아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지 및 그의 제조방법{CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR ZINC-ION SECONDARY BATTERY, ZINC-ION SECONDARY BATTERY COMPRISING SAME AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}Cathode active material for zinc ion secondary battery, zinc ion secondary battery including the same, and manufacturing method thereof

본 발명은 아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 졸-겔 합성법을 이용하여 쉽고, 간단하게 제조할 수 있는 아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention relates to a cathode active material for a zinc ion secondary battery, a zinc ion secondary battery including the same, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a cathode active material for a zinc ion secondary battery that can be easily and simply prepared using a sol-gel synthesis method. , To provide a zinc ion secondary battery including the same and a manufacturing method thereof.

수계 아연이차전지는 리튬 대비 7배 이상 저렴하면서도 높은 이론 용량(820 mAh/g)을 갖는 아연을 사용하며 전해질 용매로 물을 사용해 발화의 위험이 없다. 현재 국내외에서 주로 고용량 양극 물질을 개발하는 것에 관한 연구가 진행 중이며 한국 전력 연구원에서는 "차세대 ESS(Energy Storage System)용 이차전지"로 선정하여 2017년부터 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.Water-based zinc secondary batteries use zinc, which is more than 7 times cheaper than lithium and has a high theoretical capacity (820 mAh/g), and uses water as an electrolyte solvent, so there is no risk of ignition. Currently, research on developing high-capacity cathode materials is underway at home and abroad, and the Korea Electric Power Research Institute selected it as a "secondary battery for the next-generation ESS (Energy Storage System)" and research for commercialization is underway from 2017.

한편 수계 아연이차전지의 양극소재로 크게 망간기반 양극소재, 바나듐기반 양극소재, 프러시안블루 양극소재 등이 연구개발되고 있다. 많은 연구가 이루어진 MnO2 계열의 망간기반 양극소재는 계속적인 전기화학적 반응시 용량이 감소하며, Mn이 용출되는 현상이 발생하는 등의 문제를 가지고 있다. 따라서 양극소재에 관한 충분한 연구가 필요한 상황이다.Meanwhile, manganese-based cathode materials, vanadium-based cathode materials, and Prussian blue anode materials are being researched and developed as anode materials for aqueous zinc secondary batteries. The MnO 2 -based manganese-based cathode material, which has been extensively studied, has problems such as a decrease in capacity during continuous electrochemical reactions and a phenomenon in which Mn is eluted. Therefore, there is a need for sufficient research on cathode materials.

한국등록특허 제10-2145775호 (등록일자 2020.08.12)Korean Registered Patent No. 10-2145775 (registration date 2020.08.12)

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 졸-겔 합성법을 이용하여 쉽고, 간단하게 제조할 수 있는 아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, to provide a cathode active material for a zinc ion secondary battery that can be easily and simply prepared using a sol-gel synthesis method, a zinc ion secondary battery including the same, and a manufacturing method thereof. .

또한, 나트륨 바나데이트를 포함하는 양극활물질을 적용함으로써, 전지의 비용량(단위 무게 당 전지 용량(mAh/g))이 높고, 성능이 우수한 아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, by applying a cathode active material containing sodium vanadate, a cathode active material for a zinc ion secondary battery having a high specific capacity (battery capacity per unit weight (mAh/g)) and excellent performance, a zinc ion secondary battery including the same And to provide a manufacturing method thereof.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by Chemical Formula 1 is provided.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

또한, 상기 화학식 1에서, x가 1이고, y가 1이고, z가 3일 수 있다.Also, in Chemical Formula 1, x may be 1, y may be 1, and z may be 3.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극; 및 수계 전해질;을 포함하는 아연이온 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a positive electrode including a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by Formula 1 below; cathode; And an aqueous electrolyte; there is provided a zinc ion secondary battery comprising a.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 바나듐 전구체, 나트륨 전구체, 유기산 및 용매를 포함하는 혼합 용액을 교반하여 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액을 1차 열처리하여 겔(gel) 전구체를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 겔 전구체를 2차 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 양극 활물질을 제조하는 단계;를 포함하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) preparing a precursor solution by stirring a mixed solution containing a vanadium precursor, a sodium precursor, an organic acid and a solvent; (b) preparing a gel precursor by first heat-treating the precursor solution; and (c) preparing a cathode active material represented by Chemical Formula 1 by subjecting the gel precursor to secondary heat treatment.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

또한, 상기 바나듐 전구체가 암모늄메타바나데이트(NH4VO3), 오산화바나듐(V2O5) 및 황산바나듐(VSO4) 또는 그의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the vanadium precursor may include at least one selected from the group consisting of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and vanadium sulfate (VSO 4 ) or hydrates thereof.

또한, 상기 나트륨 전구체가 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4), 아세트산나트륨(CH3COONa) 및 시트르산나트륨(Na2HC6H5O7)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the sodium precursor is sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium chloride (NaCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), sodium acetate (CH 3 COONa) and sodium citrate (Na 2 HC 6 H 5 O 7 ) may include one or more selected from the group consisting of.

또한, 상기 유기산이 시트르산(Citric acid), 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 수베르산(suberic acid), 아젤라산(azelaic acid), 및 세바식산(sebacic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the organic acid is citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid acid), suberic acid, azelaic acid, and sebacic acid.

또한, 용매가 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 디클로로벤젠 및 메틸렌클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the solvent may include at least one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, propanol, isopropanol, dichlorobenzene, and methylene chloride.

또한, 상기 단계 (a)가 30 내지 100℃의 온도에서 수행될 수 있다.In addition, the step (a) may be performed at a temperature of 30 to 100 ℃.

또한, 단계 (a)에서 상기 바나듐 전구체의 바나듐 이온이 4가 바나듐 이온(V4+)이 되는 것일 수 있다.In addition, in step (a), the vanadium ion of the vanadium precursor may become a tetravalent vanadium ion (V 4+ ).

또한, 단계 (b)의 상기 1차 열처리가 50 내지 300℃의 온도에서 수행될 수 있다.In addition, the first heat treatment of step (b) may be performed at a temperature of 50 to 300 ℃.

또한, 단계 (b)의 상기 1차 열처리로 상기 전구체 용액을 연소시킬 수 있다.In addition, the precursor solution may be burned by the first heat treatment in step (b).

또한, 단계 (c)의 상기 2차 열처리가 300 내지 600℃의 온도에서 수행되어, 상기 겔전구체가 소성될 수 있다.In addition, the secondary heat treatment of step (c) may be performed at a temperature of 300 to 600 ° C, so that the gel precursor may be calcined.

또한, 단계 (c)의 상기 2차 열처리가 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the secondary heat treatment of step (c) may be performed for 1 to 5 hours.

또한, 상기 화학식 1에서, x가 1이고, y가 1이고, z가 3일 수 있다.Also, in Chemical Formula 1, x may be 1, y may be 1, and z may be 3.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 포함하는 양극을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 양극, 음극 및 수계 전해질을 사용하여 아연이온 이차전지를 제조하는 단계;를 포함하는 아연이온 이차전지의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) preparing a positive electrode including a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by Formula 1 below; and (b) preparing a zinc ion secondary battery using the positive electrode, the negative electrode, and the aqueous electrolyte.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

본 발명의 아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지 및 그의 제조방법은 졸-겔 합성법을 이용하여 양극활물질을 쉽고, 간단하게 제조할 수 있다.The cathode active material for a zinc ion secondary battery of the present invention, a zinc ion secondary battery including the same, and a manufacturing method thereof can easily and simply prepare the cathode active material using a sol-gel synthesis method.

또한 본 발명은 나트륨 바나데이트를 포함하는 양극활물질을 적용함으로써, 전지의 비용량(단위 무게 당 전지 용량(mAh/g))이 높고, 성능이 우수한 효과가 있다.In addition, the present invention has effects of high specific capacity (battery capacity per unit weight (mAh/g)) and excellent performance by applying a cathode active material containing sodium vanadate.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양극활물질의 XRD 분석 결과이다.
도 3은 소자실시예 1에 따른 전지의 aging 단계에서 충방전 특성 곡선이다.
도 4는 소자실시예 1에 따른 전지의 충방전 특성 곡선이다.
도 5는 소자실시예 1에 따른 전지의 수명 특성 곡선이다.
도 6은 소자실시예 1에 따른 전지의 쿨롱효율 특성을 나타낸 그래프이다.
Since these drawings are for reference in explaining exemplary embodiments of the present invention, the technical spirit of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a flowchart of a manufacturing method according to the present invention.
2 is an XRD analysis result of the cathode active material according to the present invention.
3 is a charge/discharge characteristic curve of a battery according to Device Example 1 in an aging stage.
4 is a charge/discharge characteristic curve of a battery according to Device Example 1;
5 is a lifespan characteristic curve of a battery according to Device Example 1;
6 is a graph showing coulombic efficiency characteristics of a battery according to Device Example 1;

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 도는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, but one or more other features or It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, or combinations thereof is not precluded.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Also, terms including ordinal numbers such as first and second to be used below may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when a component is referred to as being “formed” or “layered” on another component, it may be formed or laminated directly on the front or one side of the surface of the other component, but intermediate It should be understood that other components may be further present.

이하, 본 발명의 아연이온 이차전지용 양극활물질, 그를 포함하는 아연이온 이차전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the cathode active material for a zinc ion secondary battery of the present invention and a zinc ion secondary battery including the same will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 제공한다.The present invention provides a cathode active material for a zinc ion secondary battery represented by Formula 1 below.

[화학식 1] [Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

상기 화학식 1에서, x가 1이고, y가 1이고, z가 3일 수 있다. In Formula 1, x may be 1, y may be 1, and z may be 3.

또한 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극; 및 수계 전해질;을 포함하는 아연이온 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention is a positive electrode including a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by the following formula (1); cathode; And an aqueous electrolyte; it provides a zinc ion secondary battery comprising a.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

상기 양극이 도전재 및 바인더를 추가로 포함할 수 있다.The positive electrode may further include a conductive material and a binder.

상기 도전재가 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 및 그래핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The conductive material may include at least one selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, carbon nanotube, and graphene.

상기 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리프로필렌옥사이드(polypropyleneoxide), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리비닐리덴카보네이트(polyvinylidenecarbonate) 및 폴리비닐피롤리디논(polyvinyl pyrrolidinone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The binder is polyethyleneoxide, polyethyleneglycol, polyacrylonitrile, polyvinylchloride, polymethylmethacrylate, polypropyleneoxide, polydimethylsiloxane ( polydimethylsiloxane), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene carbonate, and polyvinyl pyrrolidinone.

상기 음극이 음극 활물질인 아연을 포함할 수 있다.The anode may include zinc as an anode active material.

상기 수계 전해질이 물, 아연을 포함하는 금속염 및 그라임계 유기용매를 포함할 수 있다. The aqueous electrolyte may include water, a metal salt including zinc, and a grime-based organic solvent.

상기 금속염이 황산아연(ZnSO4), 질산아연(Zn(NO3)2), 염화아연(ZnCl2) 및 아연트리플레이트(Zn(CF3SO3)2) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal salt is at least one selected from the group consisting of zinc sulfate (ZnSO 4 ), zinc nitrate (Zn(NO 3 ) 2 ), zinc chloride (ZnCl 2 ) and zinc triflate (Zn(CF 3 SO 3 ) 2 ). can include

상기 그라임계 유기용매가 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME), 트리에틸렌글리콜디메틸에테르(Triglyme), 디에틸렌글리콜디메틸에테르(Diglyme) 및 에틸렌글리콜디메틸에테르(glyme)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The grime-based organic solvent contains at least one selected from the group consisting of tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), triethylene glycol dimethyl ether (Triglyme), diethylene glycol dimethyl ether (Diglyme) and ethylene glycol dimethyl ether (glyme) can do.

상기 아연이온 이차전지가 분리막을 추가로 포함할 수 있다.The zinc ion secondary battery may further include a separator.

상기 분리막이 필터페이퍼(filter paper), 글래스 파이버(glass fiber), 폴리올레핀(polyolefin) 고분자 막, 고분자-SiO2 유무기 막 및 친수성 고분자 소재 막으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The separation membrane may include at least one selected from the group consisting of filter paper, glass fiber, polyolefin polymer membrane, polymer-SiO 2 organic/inorganic membrane, and hydrophilic polymer material membrane.

도 1은 본 발명에 따른 아연이온 이차전지용 양극활물질의 제조방법의 순서도이다. 이하, 도 1을 참조하여 아연이온 이차전지용 양극활물질의 제조방법 및 그를 포함하는 아연이온 이차전지의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.1 is a flowchart of a method for manufacturing a cathode active material for a zinc ion secondary battery according to the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 1, a manufacturing method of a cathode active material for a zinc ion secondary battery and a manufacturing method of a zinc ion secondary battery including the same will be described in detail.

먼저, 바나듐 전구체, 나트륨 전구체, 유기산 및 용매를 포함하는 혼합 용액을 교반하여 전구체 용액을 제조한다(단계 a).First, a precursor solution is prepared by stirring a mixed solution including a vanadium precursor, a sodium precursor, an organic acid, and a solvent (step a).

상기 바나듐 전구체가 암모늄메타바나데이트(NH4VO3), 오산화바나듐(V2O5) 및 황산바나듐(VSO4) 또는 그의 수화물로 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 암모늄메타바나데이트(NH4VO3)를 포함할 수 있다. The vanadium precursor may include at least one selected from ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) and vanadium sulfate (VSO 4 ) or a hydrate thereof, preferably ammonium metavana date (NH 4 VO 3 ).

또한, 상기 나트륨 전구체가 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4), 아세트산나트륨(CH3COONa) 및 시트르산나트륨(Na2HC6H5O7) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 수산화나트륨(NaOH)을 포함할 수 있다. In addition, the sodium precursor is sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium chloride (NaCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), sodium acetate (CH 3 COONa) and sodium citrate (Na 2 HC 6 H 5 O 7 ) may include one or more selected from the group consisting of, preferably sodium hydroxide (NaOH).

상기 유기산이 시트르산(Citric acid), 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 수베르산(suberic acid), 아젤라산(azelaic acid), 및 세바식산(sebacic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 시트르산(Citric acid)을 포함할 수 있다.The organic acid is citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid , may include at least one selected from the group consisting of suberic acid, azelaic acid, and sebacic acid, preferably citric acid. .

용매가 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 디클로로벤젠 및 메틸렌클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 물을 포함할 수 있다.The solvent may include at least one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, propanol, isopropanol, dichlorobenzene, and methylene chloride, and may preferably include water.

상기 단계 (a)가 30 내지 100℃의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 60 내지 80℃의 온도에서 수행될 수 있다. The step (a) may be performed at a temperature of 30 to 100 °C, preferably at a temperature of 60 to 80 °C.

단계 (a)에서 상기 바나듐 전구체의 바나듐 이온이 4가 바나듐 이온(V4+)이 되는 단계일 수 있다.In step (a), the vanadium ion of the vanadium precursor may become a tetravalent vanadium ion (V 4+ ).

다음으로, 상기 졸(sol) 상태의 혼합물을 2차 열처리하여 겔(gel) 전구체를 제조한다(단계 b).Next, the mixture in the sol state is subjected to secondary heat treatment to prepare a gel precursor (step b).

단계 (b)의 상기 1차 열처리가 50 내지 300℃의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 100 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다. The first heat treatment of step (b) may be performed at a temperature of 50 to 300 °C, preferably at a temperature of 100 to 200 °C.

단계 (b)의 상기 1차 열처리로 상기 전구체 용액을 연소시킬 수 있다.The precursor solution may be burned by the first heat treatment in step (b).

마지막으로, 상기 겔 전구체를 3차 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 제조한다(단계 c).Finally, a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by Chemical Formula 1 is prepared by subjecting the gel precursor to a third heat treatment (step c).

단계 (c)의 상기 2차 열처리가 300 내지 600℃의 온도에서 수행되어, 상기 겔 전구체가 소성될 수 있고, 바람직하게는 350 내지 550℃의 온도에서 수행될 수 있다. The secondary heat treatment of step (c) may be performed at a temperature of 300 to 600 ° C, so that the gel precursor may be calcined, preferably at a temperature of 350 to 550 ° C.

단계 (c)의 상기 2차 열처리가 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 2 내지 4시간 동안 수행될 수 있다. The secondary heat treatment of step (c) may be performed for 1 to 5 hours, preferably for 2 to 4 hours.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

상기 화학식 1에서, x가 1이고, y가 1이고, z가 3일 수 있다.In Formula 1, x may be 1, y may be 1, and z may be 3.

또한 본 발명은 (a) 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 포함하는 양극을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 양극, 음극 및 수계 전해질을 사용하여 아연이온 이차전지를 제조하는 단계;를 포함하는 아연이온 이차전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a positive electrode including a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by Formula 1; and (b) preparing a zinc ion secondary battery using the positive electrode, the negative electrode, and the aqueous electrolyte.

[화학식 1][Formula 1]

NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)

[실시예] [Example]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereby.

[아연이온 이차전지용 양극 활물질][Cathode active material for zinc ion secondary battery]

실시예 1: 나트륨 바나데이트 양극활물질(NaVOExample 1: Sodium vanadate cathode active material (NaVO 33 ))

암모늄메타바나데이트(NH4VO3)와 시트릭산 및 수산화나트륨(NaOH)을 몰비로 1 : 0.75 : 1 로 증류수에 용해시켜 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액이 푸른빛이 될 때까지 60℃에서 뚜겅이 있는 유리용기에서 균일 혼합하여 졸(sol) 상태의 혼합물을 제조하였다. 이어서 물이 증발할 수 있도록 용기의 뚜껑을 열고 졸(sol) 상태의 혼합물을 100℃ 이상으로 온도를 승온시켜 연소하여 겔 전구체를 제조하였다. 다음으로 상기 겔 전구체를 500℃에서 3시간 동안 소성하여 아연이온 이차전지용 나트륨 바나데이트 양극활물질(NaVO3)을 제조하였다.A mixed solution was prepared by dissolving ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), citric acid, and sodium hydroxide (NaOH) in distilled water at a molar ratio of 1: 0.75: 1, and the mixed solution was heated at 60 ° C until it turned blue. A mixture in a sol state was prepared by uniform mixing in a glass container with a lid. Subsequently, the lid of the container was opened so that water evaporated, and the mixture in a sol state was heated to 100° C. or higher and burned to prepare a gel precursor. Next, the gel precursor was calcined at 500° C. for 3 hours to prepare a sodium vanadate cathode active material (NaVO 3 ) for a zinc ion secondary battery.

[아연이온 이차전지][Zinc ion secondary battery]

소자실시예 1: 나트륨 바나데이트 양극활물질(NaVODevice Example 1: Sodium vanadate cathode active material (NaVO 33 ) 포함 전지) containing cells

실시예 1에 따른 아연이온 이차전지용 나트륨 바나데이트 양극활물질(NaVO3) 80 wt%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 10 wt%, 도전재로 Super-P와 MWCNT 무게비로 8:2로 혼합한 후 10 wt%를 넣고, 혼합하여 슬러리를 제조하였다. SUS foil 상에 상기 슬러리를 코팅하고, 110 ℃에서 12시간 동안 진공 건조하여 양극을 제조하고, 음극으로는 아연 포일(Zn foil) 1 cm2을 준비하였다.80 wt% of sodium vanadate cathode active material (NaVO 3 ) for a zinc ion secondary battery according to Example 1, 10 wt% of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, 8 as a weight ratio of Super-P and MWCNT as a conductive material : After mixing at 2, 10 wt% was added and mixed to prepare a slurry. The slurry was coated on SUS foil, and vacuum dried at 110 °C for 12 hours to prepare a positive electrode, and a 1 cm 2 zinc foil was prepared as a negative electrode.

상기 양극, 상기 음극, 분리막 필터페이퍼(100 μm filter paper) 및 수계 전해질(3M ZnSO4 + 0.5wt% TEGDME in 증류수)을 사용하여 아연이온 이차전지를 제조하였다. A zinc ion secondary battery was manufactured using the positive electrode, the negative electrode, separator filter paper (100 μm filter paper), and an aqueous electrolyte (3M ZnSO 4 + 0.5 wt% TEGDME in distilled water).

[시험예] [Test Example]

시험예 1: 아연이온 이차전지의 특성 분석Test Example 1: Analysis of characteristics of zinc ion secondary battery

도 2는 본 발명에 따른 양극활물질(실시예 1)의 XRD 분석 결과이다. 2 is an XRD analysis result of the cathode active material (Example 1) according to the present invention.

도 2를 참조하면, 암모늄바나데이트와 시트릭산 및 수산화나트륨으로부터 제조된 실시예 1에 따른 바나듐 화합물은 보고된 XRD 패턴(JCPDS #32-1198)의 NaVO3와 일치함을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 2 , it was confirmed that the vanadium compound according to Example 1 prepared from ammonium vanadate, citric acid, and sodium hydroxide was consistent with NaVO 3 of the reported XRD pattern (JCPDS # 32-1198).

시험예 2: 아연이온 이차전지의 특성 분석Test Example 2: Analysis of characteristics of zinc ion secondary battery

도 3은 소자실시예 1에 따른 전지의 aging 단계에서 충방전 특성 곡선(0.5C 충전 및 방전)이다. 또한 도 4는 소자실시예 1에 따른 전지의 충방전 특성 곡선(0.5C 충전 및 방전)이고, 도 5는 소자실시예 1에 따른 전지의 수명 특성 곡선(1C 충전/방전)이고, 도 6은 소자실시예 1에 따른 전지의 쿨롱효율 특성(1C 충전/방전)을 나타낸 그래프이다.3 is a charge/discharge characteristic curve (0.5 C charge and discharge) of a battery according to Device Example 1 in an aging stage. 4 is a charge/discharge characteristic curve (0.5C charge and discharge) of a battery according to Device Example 1, FIG. 5 is a lifespan characteristic curve (1C charge/discharge) of a battery according to Device Example 1, and FIG. It is a graph showing the coulombic efficiency characteristics (1C charge/discharge) of the battery according to Device Example 1.

도 3을 참조하면, 양극활물질로 사용된 나트륨바나데이트(NaVO3)는 바나듐이 4가로 만들어져 있어 이를 초기 충전반응에 의해 모두 산화시키는 과정인 Aging 과정을 거치게 되며, 이러한 초기 Aging에 따른 전지의 충방전 곡선을 도시하였다. 그 결과 0.5C 전류밀도에서 초기 방전용량이 약 250mAh/g을 얻을 수 있었다. Referring to FIG. 3, sodium vanadate (NaVO 3 ) used as a cathode active material is made of tetravalent vanadium and undergoes an aging process, which is a process of oxidizing all of them by an initial charging reaction, and charging of the battery according to this initial aging Discharge curves are plotted. As a result, an initial discharge capacity of about 250mAh/g was obtained at a current density of 0.5C.

또한 도 4를 참조하면, 양극활물질 나트륨바나데이트(NaVO3)를 적용하여 제조된 양극과 아연금속 음극 및 (3M ZnSO4 + 0.5% TEGDME)가 용해된 수계전해질을 적용한 전지(소자실시예 1)에서 0.5C 전류밀도에서 충전과 방전 곡선이다. 아연이온 이차전지용 양극소재로써 나트륨바나데이트 양극소재는 0.5C 전류밀도에서 250mAh/g 이상의 높은 비용량 값을 얻을 수 있었다. Referring also to FIG. 4, a battery using a positive electrode and a zinc metal negative electrode prepared by applying sodium vanadate (NaVO 3 ) as a positive electrode active material and an aqueous electrolyte in which (3M ZnSO 4 + 0.5% TEGDME) is dissolved (Device Example 1) are the charge and discharge curves at 0.5C current density. As a cathode material for a zinc ion secondary battery, the sodium vanadate cathode material was able to obtain a high specific capacity value of 250mAh/g or more at a current density of 0.5C.

또한 도 5를 참조하면, 나트륨바나데이트 양극소재를 적용한 아연이온 이차전지(소자실시예 1)의 전류밀도 1C 에서 충전과 방전을 반복한 수명특성 결과를 보면 나트륨 바나데이트 양극소재는 아연이온 이차전지의 양극소재로써 가역성이 우수하여 100사이클 동안 용량저하 없이 용량이 유지되어 수명특성이 우수함을 확인할 수 있었다.In addition, referring to FIG. 5, when looking at the life characteristics of repeated charging and discharging at a current density of 1C of a zinc ion secondary battery (device example 1) to which the sodium vanadate cathode material is applied, the sodium vanadate cathode material is a zinc ion secondary battery As a cathode material of , it was confirmed that the reversibility was excellent and the capacity was maintained without a decrease in capacity for 100 cycles, and the lifespan characteristics were excellent.

또한 도 6을 참조하면, 1C 전류밀도에서 충전에 대한 방전용량 비를 나타내는 쿨롱효율에 대한 그래프이다. 초기 10사이클 이내 쿨롱효율이 100보다 낮지만 사이클이 진행됨에 따라 쿨롱효율이 100 근처의 값을 나타내므로, 충전된 용량이 모두 방전되는 것을 확인할 수 있었다.Referring also to FIG. 6, it is a graph of coulombic efficiency showing the ratio of discharge capacity to charge at 1C current density. Although the coulombic efficiency was lower than 100 within the initial 10 cycles, as the cycle progressed, the coulombic efficiency showed a value near 100, so it was confirmed that all the charged capacity was discharged.

따라서, 본 발명은 간단한 졸-겔 합성법으로 제조된 나트륨 바나데이트 양극활물질(NaVO3)을 아연이온 이차전지에 적용함으로써, 아연이온 이차전지의 비용량이 높고, 사이클 특성이 안정적이며 우수한 충전 및 방전 성능을 나타냄을 알 수 있었다.Therefore, the present invention applies a sodium vanadate cathode active material (NaVO 3 ) prepared by a simple sol-gel synthesis method to a zinc ion secondary battery, so that the zinc ion secondary battery has high specific capacity, stable cycle characteristics, and excellent charge and discharge performance It was found that the

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (16)

하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질.
[화학식 1]
NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
A cathode active material for a zinc ion secondary battery represented by Formula 1 below.
[Formula 1]
Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
x가 1이고, y가 1이고, z가 3인 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
In Formula 1,
A cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that x is 1, y is 1, and z is 3.
하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 포함하는 양극;
음극; 및
수계 전해질;을
포함하는 아연이온 이차전지.
[화학식 1]
NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
A positive electrode including a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery represented by Formula 1 below;
cathode; and
water-based electrolyte;
A zinc ion secondary battery comprising:
[Formula 1]
Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
(a) 바나듐 전구체, 나트륨 전구체, 유기산 및 용매를 포함하는 혼합 용액을 교반하여 전구체 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액을 1차 열처리하여 겔(gel) 전구체를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 겔 전구체를 2차 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 양극 활물질을 제조하는 단계;를
포함하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
[화학식 1]
NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
(a) preparing a precursor solution by stirring a mixed solution containing a vanadium precursor, a sodium precursor, an organic acid and a solvent;
(b) preparing a gel precursor by first heat-treating the precursor solution; and
(c) preparing a positive electrode active material represented by Formula 1 by subjecting the gel precursor to a second heat treatment;
Method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery comprising:
[Formula 1]
Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
제4항에 있어서,
상기 바나듐 전구체가 암모늄메타바나데이트(NH4VO3), 오산화바나듐(V2O5) 및 황산바나듐(VSO4) 또는 그의 수화물로 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
A cathode for a zinc ion secondary battery, characterized in that the vanadium precursor contains at least one selected from ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) and vanadium sulfate (VSO 4 ) or a hydrate thereof Methods for manufacturing active materials.
제4항에 있어서,
상기 나트륨 전구체가 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4), 아세트산나트륨(CH3COONa) 및 시트르산나트륨(Na2HC6H5O7) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
The sodium precursor is sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium chloride (NaCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), sodium acetate (CH 3 COONa) and sodium citrate (Na 2 HC 6 H 5 O 7 ) Method for producing a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of.
제4항에 있어서,
상기 유기산이 시트르산(Citric acid), 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 수베르산(suberic acid), 아젤라산(azelaic acid), 및 세바식산(sebacic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
The organic acid is citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid , Suberic acid (suberic acid), azelaic acid (azelaic acid), and sebacic acid (sebacic acid) a manufacturing method of a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery characterized in that it comprises at least one member selected from the group consisting of.
제4항에 있어서,
상기 용매가 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 디클로로벤젠 및 메틸렌클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
Method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that the solvent comprises at least one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, propanol, isopropanol, dichlorobenzene and methylene chloride.
제4항에 있어서,
상기 단계 (a)가 30 내지 100℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
Method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that the step (a) is carried out at a temperature of 30 to 100 ℃.
제4항에 있어서,
단계 (a)에서 상기 바나듐 전구체의 바나듐 이온이 4가 바나듐 이온(V4+)이 되는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
In step (a), the vanadium ion of the vanadium precursor is a tetravalent vanadium ion (V 4+ ) Manufacturing method of a positive electrode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that.
제4항에 있어서,
단계 (b)의 상기 1차 열처리가 50 내지 300℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
The method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that the primary heat treatment of step (b) is performed at a temperature of 50 to 300 ° C.
제4항에 있어서,
단계 (b)의 상기 1차 열처리로 상기 전구체 용액을 연소시키는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
A method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that the precursor solution is burned by the primary heat treatment of step (b).
제4항에 있어서,
단계 (c)의 상기 2차 열처리가 300 내지 600℃의 온도에서 수행되어, 상기 겔 전구체가 소성되는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
The secondary heat treatment of step (c) is performed at a temperature of 300 to 600 ° C., characterized in that the gel precursor is calcined.
제4항에 있어서,
단계 (c)의 상기 2차 열처리가 1 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
A method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that the secondary heat treatment of step (c) is performed for 1 to 5 hours.
제4항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
x가 1이고, y가 1이고, z가 3인 것을 특징으로 하는 아연이온 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
According to claim 4,
In Formula 1,
A method for producing a cathode active material for a zinc ion secondary battery, characterized in that x is 1, y is 1, and z is 3.
(a) 하기 화학식 1로 표시되는 아연이온 이차전지용 양극 활물질을 포함하는 양극을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 양극, 음극 및 수계 전해질을 사용하여 아연이온 이차전지를 제조하는 단계;를
포함하는 아연이온 이차전지의 제조방법.
[화학식 1]
NaxVyOz (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
(a) preparing a cathode including a cathode active material for a zinc ion secondary battery represented by Chemical Formula 1; and
(b) preparing a zinc ion secondary battery using the anode, cathode, and aqueous electrolyte;
A method for manufacturing a zinc ion secondary battery comprising:
[Formula 1]
Na x V y O z (0<x≤2, 1≤y≤6, 1≤z≤15)
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