KR20230102101A - Electrode active material including Ru for sodium secondary battery and sodium secondary battery comprising the same - Google Patents

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유준호
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Abstract

Ru를 함유하는 나트륨 이차전지용 전극 활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지를 제공한다. 상기 나트륨 이차전지용 양극활물질은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1] Nax[MyTm1-y-zRuz]O2-aAa
상기 화학식 1에서, M은 알칼리토금속 원소이고, TM은 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 또는 이들의 조합이고, A는 N, O, F 또는 S이고, 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, 그리고 0≤a≤0.5이다.
An electrode active material for a sodium secondary battery containing Ru and a sodium secondary battery including the same are provided. The cathode active material for a sodium secondary battery may be represented by Chemical Formula 1 below.
[Formula 1] Na x [M y Tm 1-yz Ru z ] O 2-a A a
In Formula 1, M is an alkaline earth metal element, TM is manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), or a combination thereof, A is N, O, F or S, , 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, and 0≤a≤0.5.

Description

Ru를 함유하는 나트륨 이차전지용 전극 활물질 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지 {Electrode active material including Ru for sodium secondary battery and sodium secondary battery comprising the same}Electrode active material for sodium secondary battery containing Ru and sodium secondary battery comprising the same {Electrode active material including Ru for sodium secondary battery and sodium secondary battery comprising the same}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로 구체적으로는 나트륨 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and specifically to a sodium secondary battery.

이차전지는 방전뿐 아니라 충전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말한다. 이차전지 중 대표적인 리튬 이차전지는 양극활물질에 포함된 리튬이온이 전해질을 거쳐 음극으로 이동한 후 음극활물질의 층상 구조 내로 삽입되며(충전), 이 후 음극활물질의 층상 구조 내로 삽입되었던 리튬 이온이 다시 양극으로 되돌아가는(방전) 원리를 통해 작동한다. 이러한 리튬 이차전지는 현재 상용화되어 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 소형전원으로 사용되고 있으며, 하이브리드 자동차 등의 대형 전원으로도 사용가능할 것으로 예측되고 있어, 그 수요가 증대될 것으로 예상된다.A secondary battery refers to a battery that can be used repeatedly because it can be charged as well as discharged. In a typical lithium secondary battery among secondary batteries, lithium ions included in the positive electrode active material move to the negative electrode through the electrolyte, and then are inserted into the layered structure of the negative electrode active material (charging). It works through the principle of returning to the anode (discharge). These lithium secondary batteries are currently commercialized and used as small power sources such as mobile phones and notebook computers, and are expected to be used as large power sources such as hybrid vehicles, and the demand for them is expected to increase.

그러나, 리튬 이차전지에서 양극활물질로 주로 사용되는 복합금속산화물은 리튬 등의 희소금속원소를 포함하고 있어, 수요증대에 부응하지 못할 염려가 있다. 이에 따라, 공급량이 풍부고 값싼 금속을 양극활물질로 사용하는 차세대 이차전지가 연구되고 있다. 이러한 차세대 이차전지의 일 예로서, 나트륨 이온을 사용하는 나트륨 이차전지가 연구되고 있고, 대한민국 공개특허 제2012-0133300호는 나트륨 이차전지 양극활물질로서 NaxMnPO4F(0 < x ≤2)을 개시하고 있다.However, since composite metal oxides, which are mainly used as cathode active materials in lithium secondary batteries, contain rare metal elements such as lithium, there is a concern that they may not be able to meet the increasing demand. Accordingly, a next-generation secondary battery using an abundant and cheap metal as a cathode active material is being studied. As an example of such a next-generation secondary battery, a sodium secondary battery using sodium ions is being studied, and Korean Patent Publication No. 2012-0133300 discloses Na x MnPO 4 F (0 < x ≤ 2) as a cathode active material for a sodium secondary battery. are starting

나트륨 이차전지는 비교적 크기가 큰 나트륨 이온의 삽입/탈리에 의해 충방전이 일어나므로, 충방전 시 활물질의 구조적 안정성이 유지되기 어려울 수 있다.Since the sodium secondary battery is charged and discharged by intercalation/deintercalation of relatively large sodium ions, it may be difficult to maintain structural stability of the active material during charging and discharging.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 충방전시 활물질의 구조적 안전성이 향상되어 수명특성이 개선된 이차전지를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a secondary battery with improved lifespan characteristics by improving the structural safety of an active material during charging and discharging.

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

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 하기 화학식 1로 나타낸 나트륨 이차전지용 양극활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides a cathode active material for a sodium secondary battery represented by Formula 1 below.

[화학식 1] [Formula 1]

Nax[MyTm1-y-zRuz]O2-aAa Na x [M y Tm 1-yz Ru z ]O 2-a A a

상기 화학식 1에서, M은 알칼리토금속 원소이고, TM은 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 또는 이들의 조합이고, A는 N, O, F 또는 S이고, 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, 그리고 0≤a≤0.5이다.In Formula 1, M is an alkaline earth metal element, TM is manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), or a combination thereof, A is N, O, F or S, , 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, and 0≤a≤0.5.

상기 나트륨 이차전지용 양극활물질은 hexagonal P2 구조를 가지며, 공간군은 P63/mmc일 수 있다.The cathode active material for a sodium secondary battery has a hexagonal P2 structure, and a space group may be P6 3 /mmc.

상기 M은 Mg일 수 있다. y는 0.15 내지 0.28일 수 있다. 상기 TM은 Mn일 수 있다. 상기 양극활물질로부터 Na이온의 삽입/탈리시 Ru는 4가로 고정될 수 있다. z는 0.1 내지 0.2일 수 있다. The M may be Mg. y may be 0.15 to 0.28. The TM may be Mn. When Na ions are inserted/deintercalated from the cathode active material, Ru may be fixed in a tetravalent state. z may be 0.1 to 0.2.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 나트륨 이차전지를 제공한다. 상기 나트륨 이차전지는 상기 화학식 1로 나타낸 양극활물질을 포함하는 양극; 상기 양극과 대향하여 배치되고, 음극활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되고 나트륨 이온을 전도하는 전해질을 포함한다. Another aspect of the present invention to achieve the above object provides a sodium secondary battery. The sodium secondary battery includes a cathode including the cathode active material represented by Chemical Formula 1; a negative electrode disposed facing the positive electrode and including a negative electrode active material; and an electrolyte disposed between the anode and the cathode and conducting sodium ions.

상기 나트륨 이차전지의 충방전시 양극활물질의 Ru는 4가로 고정되고, Tm3+/Tm 4+의 산화환원 및 O2-/O-의 산화환원이 이용될 수 있다.During charging and discharging of the sodium secondary battery, Ru of the cathode active material is fixed to tetravalent, and oxidation-reduction of Tm 3+ /Tm 4+ and oxidation-reduction of O 2- / O- may be used.

본 발명에 따르면, 나트륨 이차전지용 양극활물질에서 알칼리토금속은 전지 충방전 과정에서 나트륨 이온의 삽입/탈리가 일어날 때, TM의 산화수 변화에 따른 얀-텔러 변형(Jahn-teller distortion)을 줄일 수 있다. 또한, Ru는 충방전 동안 산화환원 반응에 참여하지 않고 +4가의 산화수를 유지하고 4d 전이금속으로 강한 인력을 가져 충전시에도 부분적 공유결합(partial covalent bonding)을 유지함에 따라, 알칼리토금속 즉, Mg가 나트륨층으로 이동하는 것을 저해할 수 있다. 그 결과, Tm 구체적으로 Mn의 뒤틀림이 억제되어 전지충방전 동안 구조적 안정성이 더 향상되고, 나아가 분극현상이 억제되어 나트륨의 삽입/탈리를 방해하지 않아 나트륨 이온의 확산계수가 향상되어, 높은 율속에서도 높은 용량유지율을 나타낼 수 있다.According to the present invention, the alkaline earth metal in the cathode active material for a sodium secondary battery can reduce Jahn-Teller distortion due to the change in the oxidation number of TM when intercalation/deintercalation of sodium ions occurs during charging and discharging of the battery. In addition, Ru does not participate in redox reactions during charging and discharging, maintains a +4 valent oxidation number, and has a strong attraction as a 4d transition metal, maintaining partial covalent bonding even during charging. As an alkaline earth metal, Mg may inhibit migration to the sodium layer. As a result, the distortion of Tm, specifically Mn, is suppressed to further improve structural stability during battery charging and discharging, and furthermore, the polarization phenomenon is suppressed so that the intercalation/desorption of sodium is not hindered and the diffusion coefficient of sodium ions is improved, even at high rates. It can show a high capacity retention rate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지를 나타낸 개략도이다.
도 2는 양극활물질 제조예 2에서 얻어진 양극활물질의 Rietveld refinement 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 양극활물질 제조예 2에서 얻어진 양극활물질의 SEM 사진 및 EDS 원소 맵핑 결과를 보여준다.
도 4는 전지 제조예 2와 전지 비교예에 따른 전지의 충방전 그래프이다.
도 5는 전지 제조예 2와 전지 비교예에 따른 전지의 GITT (galvanostatic intermittent titration technique) 결과 그래프 및 그에 따른 나트륨이온의 확산계수 계산 값을 나타낸다.
도 6은 전지 제조예와 전지 비교예에 따른 전지의 충방전 시 활물질의 Mn K edge 및 Ru K edge 에 대한 XANES 그래프이다.
도 7은 전지 제조예들 1 내지 3에 따른 전지의 충방전 그래프이다.
도 8은 전지 제조예 2와 4에 따른 전지의 충방전 그래프이다.
도 9는 전지 제조예 2와 전지 비교예에 따른 전지의 율 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the results of Rietveld refinement analysis of the positive electrode active material obtained in Preparation Example 2 of the positive electrode active material.
3 shows SEM pictures and EDS elemental mapping results of the positive electrode active material obtained in Preparation Example 2 of the positive electrode active material.
4 is a charge/discharge graph of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Battery Comparative Example.
5 shows a graph of GITT (galvanostatic intermittent titration technique) results of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Battery Comparative Example, and the calculated value of the diffusion coefficient of sodium ions accordingly.
6 is a XANES graph of Mn K edge and Ru K edge of an active material during charging and discharging of batteries according to Battery Preparation Example and Battery Comparative Example.
7 is a charge/discharge graph of batteries according to Battery Manufacturing Examples 1 to 3;
8 is a charge/discharge graph of batteries according to Battery Preparation Examples 2 and 4;
9 is a graph showing rate characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Battery Comparative Example.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numbers indicate like elements throughout the specification.

본 명세서에서, 어떤 층이 다른 층 "상"에 위치한다고 함은 이들 층들이 직접적으로 접해있는 것 뿐 아니라 이들 층들 사이에 또 다른 층(들)이 위치하는 것을 의미한다. In this specification, when a layer is “on” another layer, it means that the layers are directly adjacent to each other, as well as having another layer(s) between them.

나트륨 이차전지용 양극활물질Cathode active material for sodium secondary battery

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지용 양극활물질은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다. A cathode active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention may be represented by Chemical Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Nax[MyTm1-y-zRuz]O2-aAa Na x [M y Tm 1-yz Ru z ]O 2-a A a

상기 화학식 1에서, M은 알칼리토금속 원소이고, TM은 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 또는 이들의 조합이고, A는 N, O, F 또는 S이고, 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, 그리고 0≤a≤0.5이다.In Formula 1, M is an alkaline earth metal element, TM is manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), or a combination thereof, A is N, O, F or S, , 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, and 0≤a≤0.5.

상기 나트륨 이차전지용 양극활물질은 결정구조가 층상 P2 구조이고, 구체적으로는 hexagonal P2 구조를 가지며, 공간군은 P63/mmc이다. 이 층상구조는 나트륨층과 [MyTm1-y-zRuz]O2-aAa층이 교대로 반복적층되는 구조를 갖는다.The cathode active material for a sodium secondary battery has a crystal structure of a layered P2 structure, specifically a hexagonal P2 structure, and a space group of P6 3 /mmc. This layered structure has a structure in which sodium layers and [M y Tm 1-yz Ru z ]O 2-a A a layers are alternately stacked.

상기 나트륨 이차전지용 양극활물질은 전지 충방전 과정에서 나트륨 이온의 삽입/탈리가 일어날 때, Tm3+/Tm 4+의 산화환원과 더불어 O2-/O-의 산화환원을 이용할 수 있다. The cathode active material for a sodium secondary battery may utilize oxidation-reduction of O 2- / O- as well as oxidation-reduction of Tm 3+ /Tm 4+ when insertion/deintercalation of sodium ions occurs during charging and discharging of the battery.

상기 TM은 망간(Mn)일 수 있다. Mn은 다른 전이금속에 비하여 가격이 저렴하며, 우수한 열적안정성을 갖는 장점이 있다. 또한, Mn은 전지 충방전 과정에서 나트륨 이온의 삽입/탈리가 일어날 때, Mn3+ ↔ Mn4+으로 산화수가 변할 수 있다(충전시 산화수가 커지고 방전시 산화수가 작아짐). 이에 따라 용량이 증대될 수 있다.The TM may be manganese (Mn). Mn is inexpensive compared to other transition metals and has the advantage of having excellent thermal stability. In addition, Mn may change its oxidation number to Mn 3+ ↔ Mn 4+ when sodium ions are intercalated/deintercalated during charging and discharging of the battery (oxidation number increases during charging and decreases during discharging). Accordingly, the capacity may be increased.

상기 나트륨 이차전지용 양극활물질에서 알칼리토금속은 2가의 산화수를 갖는 금속으로 일 예로서, 마그네슘(Mg)일 수 있다. 상기 알칼리토금속은 TM의 위치에 치환될 수 있다. 알칼리토금속의 치환되는 정도 즉, y값은 0.15 내지 0.28 구체적으로는 0.17 내지 0.25 더 구체적으로는 0.18 내지 0.22일 수 있다. 그 결과, 전지 충방전 과정에서 나트륨 이온의 삽입/탈리가 일어날 때, TM의 산화수 변화에 따른 얀-텔러 변형(Jahn-teller distortion)을 줄일 수 있다. 이에 따라, 충방전시 안정적인 층상구조가 유지되어 가역적 상전이가 가능함에 따라 수명특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 전지의 충전말단 전압을 4V 이상으로 향상시켜 상기 활물질 내의 산소를 산화시키는 등, 산소 리독스 반응을 전지 충방전에 이용하는 경우에도 가역적 상전이가 가능할 수 있다. 그 결과, 전지의 용량이 크게 향상될 수 있다. In the cathode active material for a sodium secondary battery, the alkaline earth metal is a metal having a divalent oxidation number, and may be, for example, magnesium (Mg). The alkaline earth metal may be substituted at the position of TM. The degree of substitution of the alkaline earth metal, that is, the y value may be 0.15 to 0.28, specifically 0.17 to 0.25, and more specifically, 0.18 to 0.22. As a result, when intercalation/deintercalation of sodium ions occurs during battery charge/discharge processes, Jahn-Teller distortion caused by a change in oxidation number of TM can be reduced. Accordingly, a stable layered structure is maintained during charging and discharging, so that a reversible phase transition is possible, thereby improving lifespan characteristics. Accordingly, a reversible phase transition may be possible even when an oxygen redox reaction is used for charging and discharging the battery, such as oxidizing oxygen in the active material by increasing the charge end voltage of the battery to 4V or higher. As a result, the capacity of the battery can be greatly improved.

한편, 상기 활물질이 Ru를 포함하지 않는 경우에는 전지가 4V 이상에서 완전 충전된 상태일 때, 상기 알칼리토금속 즉, Mg는 나트륨층으로 이동하며 [MyTm1-y-zRuz]O2-aAa층에서 Tm 구체적으로 Mn의 뒤틀림이 일어날 수 있다. 이러한 불균형 때문에 분극현상이 생겨나, 나트륨의 삽입/탈리가 방해받을 수 있다. 그 결과, 충전말단과 방전초기에 전압곡선의 경로차가 커지는 현상 즉, 전압이력이 커지는 현상이 나타날 수 있다. 이 반응은 가역적이기는 하지만, 일부 알칼리토금속 즉, Mg가 나트륨층에 남아 용량 유지율을 감소시킬 수 있다.On the other hand, when the active material does not contain Ru, when the battery is fully charged at 4V or more, the alkaline earth metal, that is, Mg moves to the sodium layer and [M y Tm 1-yz Ru z ]O 2-a In the A a layer, distortion of Tm, specifically Mn, may occur. Because of this imbalance, polarization can occur, and intercalation/deintercalation of sodium can be hindered. As a result, a phenomenon in which the path difference of the voltage curve increases between the end of charge and the beginning of discharge, that is, the phenomenon of increase in voltage history may occur. Although this reaction is reversible, some alkaline earth metal, Mg, may remain in the sodium layer and reduce capacity retention.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 화학식 1에 따른 활물질은 Tm을 Ru로 치환하고, Ru는 충방전 동안 산화환원 반응에 참여하지 않고 +4가의 산화수를 유지하고 4d 전이금속으로 강한 인력을 가져 충전시에도 부분적 공유결합(partial covalent bonding)을 유지함에 따라, 알칼리토금속 즉, Mg가 나트륨층으로 이동하는 것을 저해할 수 있다. 그 결과, Tm 구체적으로 Mn의 뒤틀림이 억제되어 전지충방전 동안 구조적 안정성이 더 향상되고, 나아가 분극현상이 억제되어 나트륨의 삽입/탈리를 방해하지 않을 수 있다. 다시 말해서, Ru를 포함하는 경우 나트륨 이온의 확산계수가 Ru를 포함하지 않은 경우에 비해 향상되어, 높은 율속에서도 높은 용량유지율을 나타낼 수 있다. Ru의 치환되는 정도 즉, z값은 0.07 내지 0.24 구체적으로는 0.1 내지 0.2 더 구체적으로는 0.15 내지 0.23일 수 있다.However, in the active material according to Chemical Formula 1 according to an embodiment of the present invention, Tm is substituted with Ru, and Ru does not participate in redox reactions during charging and discharging, maintains a +4 valent oxidation number, and has a strong attractive force as a 4d transition metal to charge. As the partial covalent bonding is maintained even during the deposition, the movement of alkaline earth metal, that is, Mg, into the sodium layer may be inhibited. As a result, distortion of Tm, specifically Mn, is suppressed, thereby further improving structural stability during battery charging and discharging, and furthermore, polarization is suppressed, so that intercalation/deintercalation of sodium may not be hindered. In other words, when Ru is included, the diffusion coefficient of sodium ions is improved compared to when Ru is not included, so that a high capacity retention rate can be exhibited even at a high rate. The degree of substitution of Ru, that is, the z value may be 0.07 to 0.24, specifically 0.1 to 0.2, and more specifically, 0.15 to 0.23.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지를 나타낸 개략도이다. 1 is a schematic diagram showing a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 나트륨 이차전지(100)는 전술된 양극활물질을 포함하는 양극(10, 50), 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극(40, 60), 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 전해질 및 분리막(20)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a sodium secondary battery 100 includes positive electrodes 10 and 50 including the positive electrode active material described above, negative electrodes 40 and 60 opposite to the positive electrode, and disposed between the positive electrode and the negative electrode. It includes an electrolyte and a separator (20).

양극anode

양극은 양극 집전체(50) 및 이의 상부에 배치된 양극활물질층(10)을 구비할 수 있다. 상기 양극 집전체(50)는 Al, Ni, 스테인레스 등의 도전체일 수 있다.The cathode may include a cathode current collector 50 and a cathode active material layer 10 disposed thereon. The cathode current collector 50 may be a conductor such as Al, Ni, or stainless.

상기 양극활물질층(10)은 양극활물질, 도전재, 및 바인더를 혼합하여 양극재료를 얻은 후, 상기 양극재료를 상기 양극 집전체(50) 상에 코팅하여 형성할 수 있다. 상기 양극활물질은 위에서 설명한 화학식 1로 나타낸 조성을 갖는 입자들일 수 있다. The positive electrode active material layer 10 may be formed by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to obtain a positive electrode material, and then coating the positive electrode material on the positive electrode current collector 50 . The cathode active material may be particles having a composition represented by Chemical Formula 1 described above.

상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 상기 도전재는 상기 양극활물질 100 중량부에 대해 2 내지 20 중량부로 함유될 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 상기 양극활물질 100 중량부에 대해 2 내지 20 중량부로 함유될 수 있다. The conductive material may be a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, cokes, carbon black, carbon nanotubes, or graphene. The conductive material may be contained in an amount of 2 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material. The binder is a thermoplastic resin, for example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene, a vinylidene fluoride copolymer, hexafluoropropylene, and/or a polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene. can include The binder may be contained in an amount of 2 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.

양극재료를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 가압 성형, 또는 유기 용매등을 사용하여 페이스트를 만든 후 이 페이스트를 집전체 상에 도포하고 프레스하여 고착화하는 방법을 사용할 수 있다. 유기 용매는 N,N-디메틸아미노프로필아민, 디에틸트리아민 등의 아민계; 에틸렌옥시드, 테트라히드로푸란 등의 에테르계; 메틸에틸케톤 등의 케톤계; 아세트산메틸 등의 에스테르계; 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 등의 비양성자성 극성 용매 등일 수 있다. 페이스트를 양극 집전체 상에 도포하는 것은 예를 들면, 그라비아 코팅법, 슬릿다이 코팅법, 나이프 코팅법, 스프레이 코팅법을 사용하여 수행할 수 있다.Applying the cathode material on the cathode current collector may use pressure molding or a method of making a paste using an organic solvent, etc., and then applying the paste on the current collector and press to fix it. Organic solvents include amines such as N,N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; ketone systems such as methyl ethyl ketone; esters such as methyl acetate; and an aprotic polar solvent such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Applying the paste on the positive electrode current collector may be performed using, for example, a gravure coating method, a slit die coating method, a knife coating method, or a spray coating method.

음극cathode

음극은 음극 집전체(60) 및 이의 상부에 배치된 음극활물질층(40)을 구비할 수 있다. 상기 음극 집전체(60)는 구리호일 수 있다.The negative electrode may include an anode current collector 60 and an anode active material layer 40 disposed thereon. The anode current collector 60 may be copper foil.

상기 음극활물질층(40)은 음극활물질을 포함하는데, 이 음극활물질은 나트륨 이온을 삽입/탈리하거나 변환(conversion) 반응을 일으킬 수 있는 나트륨 금속, 나트륨합금, 금속산화물, 금속불화물, 금속황화물, 및 천연 흑연, 인조흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료 등을 사용하여 형성할 수도 있다. 상기 음극활물질이 나트륨 금속호일인 경우, 상기 음극 집전체는 생략될 수도 있다.The anode active material layer 40 includes an anode active material, which includes sodium metal, sodium alloy, metal oxide, metal fluoride, metal sulfide, and It may be formed using carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, cokes, carbon black, carbon nanotubes, and graphene. When the anode active material is sodium metal foil, the anode current collector may be omitted.

상기 음극활물질층(40)은 도전재 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다. 이 때, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 코크스류, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그라핀 등의 탄소 재료일 수 있다. 바인더는 열가소성 수지 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지, 및/또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지를 포함할 수 있다.The anode active material layer 40 may further include a conductive material and/or a binder. In this case, the conductive material may be a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, cokes, carbon black, carbon nanotubes, or graphene. The binder is a thermoplastic resin, for example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene, vinylidene fluoride copolymer, hexafluoropropylene, and/or a polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene. can include

전해질electrolyte

전해질은 나트륨 이온의 염과 유기용매의 혼합물일 수 있다.The electrolyte may be a mixture of a salt of sodium ions and an organic solvent.

상기 나트륨 이온의 염은 NaClO4, NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, 저급 지방족 카르복실산나트륨염, NaAlCl4 등일 수 있고, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다. 이들 중에서도 불소를 포함하는 전해질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 유기 용매로는, 예를 들면 프로필렌카르보네이트, 에틸렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트, 이소프로필메틸카르보네이트, 비닐렌카르보네이트, 4-트리플루오로메틸-1,3-디옥솔란-2-온, 1,2-디(메톡시카르보닐옥시)에탄 등의 카르보네이트류; 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디메톡시프로판, 펜타플루오로프로필메틸에테르, 2,2,3,3-테트라플루오로프로필디플루오로메틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 포름산메틸, 아세트산메틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 아세토니트릴, 부티로니트릴 등의 니트릴류; N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 3-메틸-2-옥사졸리돈 등의 카르바메이트류; 술포란, 디메틸술폭시드, 1,3-프로판술톤 등의 황 함유 화합물; 또는 상기한 유기 용매에 추가로 불소 치환기를 도입한 것을 사용할 수 있다. The sodium ion salt may be NaClO 4 , NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN(SO 2 CF 3 ) 2 , lower aliphatic carboxylic acid sodium salt, NaAlCl 4 , etc. A mixture of two or more of may be used. Among these, it may be preferable to use an electrolyte containing fluorine. As an organic solvent, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, 4- carbonates such as trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one and 1,2-di(methoxycarbonyloxy)ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropylmethyl ether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyldifluoromethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydro ethers such as furan; esters such as methyl formate, methyl acetate, and γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; amides such as N,N-dimethylformamide and N,N-dimethylacetamide; carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethylsulfoxide, and 1,3-propanesultone; Alternatively, a fluorine substituent may be introduced into the organic solvent described above.

이와는 달리, 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 고체 전해질로는 폴리에틸렌옥시드계의 고분자 화합물, 폴리오르가노실록산쇄 또는 폴리옥시알킬렌쇄 중 적어도 1종 이상을 포함하는 고분자 화합물 등의 유기계 고체 전해질일 수 있다. 또한, 고분자 화합물에 비수전해액을 담지한, 이른바 겔 타입의 전해질을 이용할 수도 있다. 한편, Na2S-SiS2, Na2S-GeS2, NaTi2(PO4)3, NaFe2(PO4)3, Na2(SO4)3, Fe2(SO4)2(PO4), Fe2(MoO4)3 등의 무기계 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 이들 고체 전해질을 이용하여 이차 전지의 안전성을 보다 높일 수 있는 경우가 있다. 또한, 고체 전해질이 후술하는 세퍼레이터의 역할을 하는 경우도 있고, 그 경우에는 세퍼레이터를 필요로 하지 않는 경우도 있다.Alternatively, a solid electrolyte may be used. The solid electrolyte may be an organic solid electrolyte such as a polyethylene oxide polymer compound, a polymer compound containing at least one of a polyorganosiloxane chain and a polyoxyalkylene chain. In addition, a so-called gel-type electrolyte in which a non-aqueous electrolyte is supported on a polymer compound can also be used. On the other hand, Na 2 S-SiS 2 , Na 2 S-GeS 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 , NaFe 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 (SO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 2 (PO 4 ), and inorganic solid electrolytes such as Fe 2 (MoO 4 ) 3 may also be used. There are cases in which the safety of a secondary battery can be further enhanced by using these solid electrolytes. In addition, there are cases where the solid electrolyte serves as a separator described later, and in that case, there are cases where a separator is not required.

분리막separator

분리막(20)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 질소 함유 방향족 중합체 등의 재질로 이루어지는 다공질 필름, 부직포, 직포 등의 형태를 가지는 재료일 수 있다. 분리막(20)의 두께는, 전지의 부피 에너지 밀도가 높아지고, 내부 저항이 작아진다는 점에서, 기계적 강도가 유지되는 한 얇을수록 바람직하다. 분리막(20)의 두께는, 일반적으로 5 내지 200 ㎛ 정도일 수 있고, 더 구체적으로는 5 내지 40 ㎛일 수 있다.The separator 20 may be a material having a form such as a porous film made of a material such as a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluororesin, or a nitrogen-containing aromatic polymer, a nonwoven fabric, or a woven fabric. The thickness of the separator 20 is preferably thinner as long as mechanical strength is maintained in that the volumetric energy density of the battery increases and the internal resistance decreases. The thickness of the separator 20 may be generally about 5 to 200 μm, and more specifically, about 5 to 40 μm.

이차 전지의 제조 방법Manufacturing method of secondary battery

양극, 분리막, 및 음극을 순서대로 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하고, 전극군에 비수전해액을 함침시킴으로써 이차 전지를 제조할 수 있다. 이와는 달리, 양극, 고체 전해질, 및 음극을 적층하여 전극군을 형성한 후 필요하다면 전극군을 말아서 전지캔에 수납하여 이차 전지를 제조할 수 있다.A secondary battery may be manufactured by forming an electrode group by sequentially stacking a positive electrode, a separator, and a negative electrode, rolling the electrode group if necessary, storing it in a battery can, and impregnating the electrode group with a non-aqueous electrolyte. Alternatively, after forming an electrode group by stacking a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, the secondary battery may be manufactured by rolling the electrode group and storing it in a battery can, if necessary.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred experimental examples are presented to aid understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

[실험예들; Examples][Experiments; Examples]

<제조예들><Production Examples>

양극활물질 제조예들 1 내지 4 : Na0.6[MgyMn1-y-zRuz]O2 Cathode Active Material Preparation Examples 1 to 4 : Na 0.6 [Mg y Mn 1-yz Ru z ] O 2

몰비에 맞는 Na2CO3 (열처리시 유실 대비 5mol% 추가), MgO, Mn2O3 및 RuO2를 에탄올을 분산매로 하여 380 rpm의 속도에서 6시간동안 고-에너지 볼밀링(high-energy ballmilling)을 진행하고, 이렇게 얻어진 분산액을 완전 건조시켰다. 상기 방법으로 얻어진 분말을 펠렛화한 이후 900℃에서 12시간동안 산소 분위기에서 열처리를 진행하였다. 이후 분말을 잘 갈아주어 Na0.6[MgyMn1-y-zRuz]O2의 조성을 갖는 양극활물질 분말을 얻었다.High-energy ball milling for 6 hours at a speed of 380 rpm using Na 2 CO 3 (adding 5 mol% compared to loss during heat treatment), MgO, Mn 2 O 3 and RuO 2 according to the molar ratio with ethanol as a dispersing medium ), and the obtained dispersion was completely dried. After pelletizing the powder obtained by the above method, heat treatment was performed at 900° C. for 12 hours in an oxygen atmosphere. Thereafter, the powder was ground well to obtain a cathode active material powder having a composition of Na 0.6 [Mg y Mn 1-yz Ru z ] O 2 .

양극 제조예들 1 내지 4Anode Preparation Examples 1 to 4

상기 양극활물질 제조예에서 얻어진 양극활물질, 바인더인 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 및 도전재인 Super P를 중량비 8 : 1 : 1로 정량 후, NMP을 이용하여 슬러리 제작, 닥터블레이드를 이용하여 100 um의 두께로 집전체인 Al foil에 도포하고, 이후 80 ℃에서 12시간 동안 건조하여 양극을 얻었다.After quantifying the positive electrode active material obtained in the positive electrode active material preparation example, PVDF (Polyvinylidene fluoride) as a binder, and Super P as a conductive material in a weight ratio of 8: 1: 1, slurry was prepared using NMP, and a doctor blade was used to obtain a thickness of 100 um. It was applied to Al foil, which is a current collector, and then dried at 80 ° C. for 12 hours to obtain a positive electrode.

전지 제조예들 1 내지 4Battery Manufacturing Examples 1 to 4

글러브 박스 내에서 상기 양극 제조예에 따른 양극을 사용하고, 금속 나트륨을 음극으로 사용하였고, 유리 필터를 분리막으로 사용하고, 전해질로서 0.5M NaPF6와 유기용매로서 프로필렌 카보네이트(PC)와 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)를 98:2의 부피비로 함유하는 비수전해액을 사용하여 R2032 코인형 전지를 제조하였다.In a glove box, the anode according to the cathode preparation example was used, metal sodium was used as a cathode, a glass filter was used as a separator, 0.5M NaPF 6 as an electrolyte and propylene carbonate (PC) and fluoroethylene as an organic solvent An R2032 coin-type battery was prepared using a non-aqueous electrolyte solution containing carbonate (FEC) in a volume ratio of 98:2.

하기 표 1은 양극활물질, 양극, 및 전지 제조예들 1 내지 4에서의 양극활물질 조성을 나타낸다.Table 1 below shows the composition of the cathode active material, the cathode, and the cathode active material in Examples 1 to 4 of the battery.

활물질 조성active material composition Na0.6[MgyMn1-y-zRuz]O2 Na 0.6 [Mg y Mn 1-yz Ru z ] O 2 yy 1-y-z1-y-z zz 양극활물질 제조예 1Cathode active material preparation example 1 양극
제조예 1
anode
Preparation Example 1
전지
제조예 1
battery
Preparation Example 1
Na0.6[Mg0.15Mn0.65Ru0.2]O2 Na 0.6 [Mg 0.15 Mn 0.65 Ru 0.2 ] O 2 0.150.15 0.650.65 0.20.2
양극활물질 제조예 2Cathode active material preparation example 2 양극
제조예 2
anode
Preparation Example 2
전지
제조예 2
battery
Preparation Example 2
Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2 Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ] O 2 0.20.2 0.60.6 0.20.2
양극활물질 제조예 3Cathode active material preparation example 3 양극
제조예 3
anode
Preparation Example 3
전지
제조예 3
battery
Preparation Example 3
Na0.6[Mg0.28Mn0.52Ru0.2]O2 Na 0.6 [Mg 0.28 Mn 0.52 Ru 0.2 ] O 2 0.280.28 0.520.52 0.20.2
양극활물질 제조예 4Cathode Active Material Production Example 4 양극
제조예 4
anode
Production Example 4
전지
제조예 4
battery
Production Example 4
Na0.6[Mg0.2Mn0.7Ru0.1]O2 Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.7 Ru 0.1 ] O 2 0.20.2 0.70.7 0.10.1

<비교예들><Comparative Examples>

양극활물질 비교예 : Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2 Comparative Example of Cathode Active Material : Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2

몰비에 맞는 Na2CO3 (열처리시 유실 대비 5% 추가), MgO, 및 Mn2O3를 사용한 것을 제외하고는 양극활물질 제조예와 동일한 방법을 사용하여 Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 조성을 갖는 양극활물질 분말을 얻었다.Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ]O 2 was obtained by using the same method as in the positive electrode active material preparation example, except for using Na 2 CO 3 (added 5% compared to loss during heat treatment), MgO, and Mn 2 O 3 according to the molar ratio. A positive electrode active material powder having a composition was obtained.

양극 비교예Anode Comparative Example

상기 양극활물질 비교예에서 얻어진 양극활물질을 사용한 것을 제외하고는 상기 양극 제조예와 동일한 방법을 사용하여 양극을 얻었다.A positive electrode was obtained in the same manner as in the positive electrode preparation example, except that the positive electrode active material obtained in the positive electrode active material comparative example was used.

전지 제조예Battery manufacturing example

상기 양극 비교예에서 얻어진 양극을 사용한 것을 제외하고는 상기 전지 제조예와 동일한 방법을 사용하여 전지를 얻었다.A battery was obtained in the same manner as in Battery Preparation Example, except that the positive electrode obtained in the positive electrode comparative example was used.

도 2는 양극활물질 제조예 2에서 얻어진 양극활물질의 Rietveld refinement 분석 결과를 보여주는 그래프이다.2 is a graph showing the results of Rietveld refinement analysis of the positive electrode active material obtained in Preparation Example 2 of the positive electrode active material.

도 2를 참조하면, 양극활물질 제조예 2에서 얻어진 양극활물질 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2은 공간군 P63/mmc의 육방구조를 가지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be seen that the cathode active material Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ] O 2 obtained in Preparation Example 2 of the cathode active material has a hexagonal structure of space group P6 3 /mmc.

도 3은 양극활물질 제조예 2에서 얻어진 양극활물질의 SEM 사진 및 EDS 원소 맵핑 결과를 보여준다.3 shows SEM pictures and EDS elemental mapping results of the positive electrode active material obtained in Preparation Example 2 of the positive electrode active material.

도 3을 참조하면, Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2 활물질 내에서 나트륨 및 전이금속들은 입자 내에 균일하게 퍼진 것이 확인되며, 이는 물질 합성 간 원소 도핑이 잘 이루어진 것을 의미할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it is confirmed that sodium and transition metals are uniformly spread in the particles in the Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ]O 2 active material, which may mean that element doping between materials is well performed.

도 4는 전지 제조예 2와 전지 비교예에 따른 전지의 충방전 그래프이다. 구체적으로 충전은 4.5V까지 0.05C로 수행하고, 방전은 1.5V까지 0.05C로 수행하였다.4 is a charge/discharge graph of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Battery Comparative Example. Specifically, charging was performed at 0.05C to 4.5V, and discharging was performed at 0.05C to 1.5V.

도 4를 참조하면, 양극 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 양극 활물질을 포함한 전지 비교예의 경우 204 mAh g-1의 방전용량을 보였으나, 양극 활물질 제조예 2에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 양극 활물질을 포함한 전지 제조예 2의 경우 210 mAh g-1의 방전용량을 보였다.Referring to FIG. 4, in the case of a comparative battery including a positive electrode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2 according to Comparative Positive Active Material Example, a discharge capacity of 204 mAh g -1 was shown, but according to Preparation Example 2 of positive electrode active material In the case of Battery Preparation Example 2 including the cathode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ]O 2 , a discharge capacity of 210 mAh g -1 was shown.

여기서, Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 양극 활물질을 포함한 전지 제조예 2의 경우, Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 양극 활물질을 포함한 전지 비교예에 비하여, 충전시 전압 증가 경로와 방전시 전압 감소 경로가 상이한 정도가 줄어든 것, 즉, 히스테리시스(hysteresis)가 감소한 것을 알 수 있다.Here, in the case of Battery Preparation Example 2 including the cathode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ]O 2 , compared to the battery Comparative Example including the cathode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ]O 2 , the charging voltage It can be seen that the degree of difference between the increasing path and the voltage decreasing path during discharge is reduced, that is, hysteresis is reduced.

또한, 충전시 약 50mAh g-1까지의 충전용량은 Mn의 산화수가 증가함(+3에서 +4로)에 의한 것이고, 이 후 약 4V 이상에서 나타내는 두번째 플래투(plateau)에서는 산소의 산화수가 증가하는(-2에서 -1로) 것으로 추정되었다.In addition, the charge capacity of up to about 50 mAh g -1 during charging is due to the increase in the oxidation number of Mn (from +3 to +4), and then at the second plateau shown at about 4V or higher, the oxidation number of oxygen It was estimated to increase (from -2 to -1).

도 5는 전지 제조예 2와 전지 비교예에 따른 전지의 GITT (galvanostatic intermittent titration technique) 결과 그래프 및 그에 따른 나트륨이온의 확산계수 계산 값을 나타낸다.5 shows a graph of galvanostatic intermittent titration technique (GITT) results of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Battery Comparative Example, and a sodium ion diffusion coefficient calculation value accordingly.

도 5를 참조하면, 나트륨이온의 확산계수는 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 양극 활물질의 경우, Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 양극 활물질에 비하여, 더 높게 특히, 충전말단과 방전초기에 훨씬 높게 나타났다. 이는 전지충방전 시 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 양극 활물질 내에서 나트륨 이온의 삽입/탈리가 더 양호하게 일어남을 의미할 수 있다.Referring to FIG. 5, the diffusion coefficient of sodium ions is higher in the case of the cathode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ] O 2 than that of the cathode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2 . It was much higher at the end of charge and at the beginning of discharge. This may mean that intercalation/deintercalation of sodium ions in the cathode active material of Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ]O 2 occurs better during charging and discharging of the battery.

도 6은 전지 제조예와 전지 비교예에 따른 전지의 충방전 시 활물질의 Mn K edge 및 Ru K edge 에 대한 XANES 그래프이다.6 is a XANES graph of Mn K edge and Ru K edge of an active material during charging and discharging of batteries according to Battery Preparation Example and Battery Comparative Example.

도 6을 참조하면, 전지 비교예의 경우 충방전 과정에서 양극 활물질 Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 Mn은 4.5V까지 충전하였을 때 Mn의 산화수는 +4에 이르고 1.5V까지 방전하였을 때 Mn의 산화수는 +3에 가까워지는 것으로 이해되었다. 전지 제조예의 경우 충방전 과정에서 양극 활물질 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 Mn 또한 4.5V까지 충전하였을 때 Mn의 산화수는 +4에 이르고 1.5V까지 방전하였을 때 Mn의 산화수는 +3에 가까워지는 것으로 이해되었다. 그러나, 양극 활물질 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 Mn의 초기산화수는 Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 Mn의 초기 산화수 대비 낮았다.Referring to FIG. 6, in the case of the battery comparative example, Mn of the positive electrode active material Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2 in the charging and discharging process reached +4 when charged to 4.5V and Mn reached +4 when discharged to 1.5V. The oxidation number of is understood to be close to +3. In the case of battery manufacturing example, Mn of the cathode active material Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ] O 2 in the charging and discharging process also reaches +4 when charged to 4.5V, and the oxidation number of Mn reaches +4 when discharged to 1.5V. was understood to be close to 3. However, the initial oxidation number of Mn in the cathode active material Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ]O 2 was lower than the initial oxidation number of Mn in Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ]O 2 .

한편, 전지 제조예의 경우 충방전 과정에서 양극 활물질 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 Ru의 산화수는 +4가로 고정된 것을 확인하였다.Meanwhile, in the case of Battery Manufacturing Example, it was confirmed that the oxidation number of Ru of the cathode active material Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 ]O 2 was fixed to +4 during the charging and discharging process.

도 7은 전지 제조예들 1 내지 3에 따른 전지의 충방전 그래프이다. 구체적으로 충전은 4.5V까지 0.05C로 수행하고, 방전은 1.5V까지 0.05C로 수행하였다.7 is a charge/discharge graph of batteries according to Battery Manufacturing Examples 1 to 3; Specifically, charging was performed at 0.05C to 4.5V, and discharging was performed at 0.05C to 1.5V.

도 7을 참조하면, 약 50 mAh g-1에 이르기까지 나타나는 Mn 리독스(redox) 및 그 이후의 산소 리독스에 따라 용량이 차이가 나지만, Mg의 몰수가 0.15 내지 0.28인 전지 제조예들 1 내지 3에서 모두 산소 리독스에 의한 고용량을 보였다. Referring to FIG. 7, although the capacity varies depending on the Mn redox that appears up to about 50 mAh g -1 and the oxygen redox thereafter, Battery Manufacturing Examples 1 in which the number of moles of Mg is 0.15 to 0.28 3 to 3 showed high capacity due to oxygen redox.

도 8은 전지 제조예 2와 4에 따른 전지의 충방전 그래프이다. 구체적으로 충전은 4.5V까지 0.05C로 수행하고, 방전은 1.5V까지 0.05C로 수행하였다.8 is a charge/discharge graph of batteries according to Battery Preparation Examples 2 and 4; Specifically, charging was performed at 0.05C to 4.5V, and discharging was performed at 0.05C to 1.5V.

도 8을 참조하면, Ru의 몰수가 0.1과 0.2일 때 히스터레시스 감소 폭에 약간의 차이가 나지만 모든 범위에서 감소효과가 나타난 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, when the number of moles of Ru is 0.1 and 0.2, there is a slight difference in the hysteresis reduction range, but it can be seen that the reduction effect is shown in all ranges.

도 9는 전지 제조예 2와 전지 비교예에 따른 전지의 율 특성을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing rate characteristics of batteries according to Battery Preparation Example 2 and Battery Comparative Example.

도 9를 참조하면, 양극 활물질 비교예에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.8]O2의 양극 활물질을 포함한 전지 비교예에 대비하여, 양극 활물질 제조예 2에 따른 Na0.6[Mg0.2Mn0.6Ru0.2]O2의 양극 활물질을 포함한 전지 제조예 2의 경우 Ru의 도핑으로 0.05C 대비 5C에서의 용량 유지율이 18 퍼센트에서 35 퍼센트로 향상되는 등, 높은 율속에서도 안정적인 용량 유지율을 보여주는 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 9 , Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.8 ] O 2 according to Preparation Example 2 of the positive electrode active material, Na 0.6 [Mg 0.2 Mn 0.6 Ru 0.2 In the case of battery preparation example 2 including a cathode active material of ]O 2 , it was confirmed that the capacity retention rate at 5C compared to 0.05C was improved from 18% to 35% by doping with Ru, showing a stable capacity retention rate even at high rates.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. this is possible

Claims (14)

하기 화학식 1로 나타낸 나트륨 이차전지용 양극활물질;
[화학식 1]
Nax[MyTm1-y-zRuz]O2-aAa
상기 화학식 1에서, M은 알칼리토금속 원소이고, TM은 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 또는 이들의 조합이고, A는 N, O, F 또는 S이고, 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, 그리고 0≤a≤0.5이다.
A cathode active material for a sodium secondary battery represented by Formula 1 below;
[Formula 1]
Na x [M y Tm 1-yz Ru z ]O 2-a A a
In Formula 1, M is an alkaline earth metal element, TM is manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), or a combination thereof, A is N, O, F or S, , 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, and 0≤a≤0.5.
청구항 1에서,
상기 나트륨 이차전지용 양극활물질은 hexagonal P2 구조를 가지며, 공간군은 P63/mmc인 나트륨 이차전지용 양극활물질.
In claim 1,
The cathode active material for a sodium secondary battery has a hexagonal P2 structure, and the space group is P6 3 /mmc.
청구항 1에서,
상기 M은 Mg인 나트륨 이차전지용 양극활물질.
In claim 1,
Wherein M is Mg, a cathode active material for a sodium secondary battery.
청구항 1에서,
y는 0.15 내지 0.28인 나트륨 이차전지용 양극활물질.
In claim 1,
y is a cathode active material for a sodium secondary battery of 0.15 to 0.28.
청구항 1에서,
상기 TM은 Mn인 나트륨 이차전지용 양극활물질.
In claim 1,
The TM is a cathode active material for a sodium secondary battery of Mn.
청구항 1에서,
상기 양극활물질로부터 Na이온의 삽입/탈리시 Ru는 4가로 고정되는 나트륨 이차전지용 양극활물질.
In claim 1,
A cathode active material for a sodium secondary battery in which Ru is tetravalently fixed when Na ions are inserted/deintercalated from the cathode active material.
청구항 1에서,
z는 0.1 내지 0.2인 나트륨 이차전지용 양극활물질.
In claim 1,
z is a cathode active material for a sodium secondary battery of 0.1 to 0.2.
하기 화학식 1로 나타낸 양극활물질을 포함하는 양극;
상기 양극과 대향하여 배치되고, 음극활물질을 포함하는 음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되고 나트륨 이온을 전도하는 전해질을 포함하는 나트륨 이차전지;
[화학식 1]
Nax[MyTm1-y-zRuz]O2-aAa
상기 화학식 1에서, M은 알칼리토금속 원소이고, TM은 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 또는 이들의 조합이고, A는 N, O, F 또는 S이고, 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, 그리고 0≤a≤0.5이다.
A positive electrode including a positive electrode active material represented by Formula 1 below;
a negative electrode disposed facing the positive electrode and including a negative electrode active material; and
a sodium secondary battery disposed between the positive electrode and the negative electrode and including an electrolyte conducting sodium ions;
[Formula 1]
Na x [M y Tm 1-yz Ru z ]O 2-a A a
In Formula 1, M is an alkaline earth metal element, TM is manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), or a combination thereof, A is N, O, F or S, , 0.5≤a≤0.7, 0.1≤x≤0.3, 0.05≤z≤0.25, and 0≤a≤0.5.
청구항 8에서,
상기 나트륨 이차전지의 충방전시 양극활물질의 Ru는 4가로 고정되고, Tm3+/Tm 4+의 산화환원 및 O2-/O-의 산화환원이 이용되는 나트륨 이차전지.
In claim 8,
A sodium secondary battery in which Ru of the positive electrode active material is fixed to tetravalent during charging and discharging of the sodium secondary battery, and oxidation-reduction of Tm 3+ /Tm 4+ and oxidation-reduction of O 2- / O- are used.
청구항 8에서,
상기 양극활물질은 hexagonal P2 구조를 가지며, 공간군은 P63/mmc인 나트륨 이차전지.
In claim 8,
The cathode active material has a hexagonal P2 structure, and the space group is P6 3 /mmc sodium secondary battery.
청구항 8에서,
상기 M은 Mg인 나트륨 이차전지.
In claim 8,
The M is a sodium secondary battery of Mg.
청구항 8에서,
y는 0.15 내지 0.28인 나트륨 이차전지.
In claim 8,
y is a sodium secondary battery of 0.15 to 0.28.
청구항 8에서,
상기 TM은 Mn인 나트륨 이차전지.
In claim 8,
The TM is a sodium secondary battery of Mn.
청구항 8에서,
z는 0.1 내지 0.2인 나트륨 이차전지.
In claim 8,
z is a sodium secondary battery of 0.1 to 0.2.
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