KR20230115401A - SiOC for sodium ion battery and its manufacturing method, Anode material for sodium ion battery using this - Google Patents

SiOC for sodium ion battery and its manufacturing method, Anode material for sodium ion battery using this Download PDF

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KR20230115401A
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허몽영
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Abstract

본 발명은 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조 단계; 두 겹의 밀폐용기의 내부 용기에 상기 혼합물을 넣어 밀폐시키는 밀폐 단계; 상기 밀폐용기에 열을 가하여, 상기 혼합물이 기화에 의해 상기 내부 용기의 작은 틈을 통해 외부 용기로 이동하되 열분해가 이루어지도록 하여, 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조하는 가열 단계 및 상기 밀폐용기를 냉각시키고 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 확보하는 수거 단계를 포함하는 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법을 통해 제조된 실리콘옥시카바이드(SiOC)와 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재를 제공할 수 있다.
The present invention relates to a SiOC for a sodium ion battery, a manufacturing method thereof, and a negative electrode material for a sodium ion battery using the same. According to the present invention, a mixture preparation step of preparing a mixture by mixing silicon oil and silsesquioxane; A sealing step of putting the mixture into an inner container of a two-layered sealed container and sealing it; Heat is applied to the sealed container so that the mixture moves to the outer container through a small gap in the inner container by vaporization, but thermal decomposition is performed to produce silicon oxycarbide (SiOC) Heating step and cooling the sealed container It is possible to provide a SiOC manufacturing method for a sodium ion battery comprising a collection step of preparing and securing silicon oxycarbide (SiOC).
In addition, it is possible to provide silicon oxycarbide (SiOC) manufactured through the SiOC manufacturing method for sodium ion batteries and an anode material for sodium ion batteries using the same.

Description

나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재{SiOC for sodium ion battery and its manufacturing method, Anode material for sodium ion battery using this}SiOC for sodium ion battery and its manufacturing method, anode material for sodium ion battery using the same {SiOC for sodium ion battery and its manufacturing method, Anode material for sodium ion battery using this}

본 발명은 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물의 기화 및 열분해를 통해 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조함으로써, 구형 및 균일크기를 가질 수 있는 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재에 관한 것이다.The present invention relates to SiOC for sodium ion batteries, a method for manufacturing the same, and an anode material for sodium ion batteries using the same, and more specifically, vaporization and It relates to SiOC for sodium ion batteries, which can have a spherical shape and uniform size by producing silicon oxycarbide (SiOC) through thermal decomposition, a manufacturing method thereof, and an anode material for sodium ion batteries using the same.

최근 들어, 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 예를 들면, 휴대폰, 노트북 더 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구 및 개발이 점점 증대되고 있다. 특히 전기화학소자 중 이차배터리의 개발에 대한 관심이 증대되고 있다.In recent years, interest in energy storage technology has been increasing. For example, research and development of electrochemical devices are gradually increasing as the application fields are expanded to cell phones, laptop computers, and even electric vehicle energy. In particular, interest in the development of secondary batteries among electrochemical devices is increasing.

현재 사용되고 있는 이차배터리 중에서 나트륨이온 배터리는 종래의 리튬 이온 배터리와 유사한 작동 전압 및 높은 에너지 밀도를 가지면서도 나트륨의 풍부함으로 인해 차세대 에너지 저장장치로서 각광받고 있다.Among the secondary batteries currently used, sodium ion batteries are in the limelight as next-generation energy storage devices due to their abundance of sodium while having operating voltages and high energy densities similar to those of conventional lithium ion batteries.

한편, 태양광 및 풍력 등의 신재생에너지의 확대됨에 따라 대용량 전력저장장치의 수요가 급증하여 나트륨이온 배터리의 고용량 요구가 발생하고 있다.On the other hand, with the expansion of renewable energy such as solar and wind power, demand for large-capacity power storage devices is rapidly increasing, resulting in a demand for high-capacity sodium ion batteries.

이러한 요구에 따라, 나트륨이온 배터리의 용량을 결정 짓는 음극소재로 사용되고 있는 흑연의 이상적인 용량은 400mAh/g이하인 반면에, 인(P)의 경우 3000mAh/g 이상으로 매우 높아, 하드카본을 대체하는 소재로서 인(P)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 리튬이온의 저장성이 높은 실리콘의 경우에도 연구가 활발히 진행되고 있다.According to these demands, the ideal capacity of graphite used as an anode material that determines the capacity of a sodium ion battery is 400mAh/g or less, whereas phosphorus (P) has a very high capacity of 3000mAh/g or more, making it a material that replaces hard carbon. As such, research on phosphorus (P) is being actively conducted. Also, in the case of silicon with high lithium ion storage, research is being actively conducted.

그러나, 충방전 사이클 동안 인(P)과 실리콘(Si)는 P, Si와 PxNay와 SixNay의 반복된 변화로 인한 부피가 팽창 및 축소의 반복으로 미세화되어 더 이상 충전이 안되는 단점을 가지고 있다. However, during charge and discharge cycles, phosphorus (P) and silicon (Si) have a disadvantage in that the volume due to repeated changes in P, Si, PxNay, and SixNay is refined due to repeated expansion and contraction, so that they can no longer be charged.

또한 나트륨 이온 배터리에 사용하는 하드카본은 기공을 크게 만들어야 되나, 균일하지 못한 기공사이즈로 인해, 저장용량이 작고, 비가역이 큰 단점을 가지고 있다. In addition, hard carbon used in sodium ion batteries should have large pores, but due to the non-uniform pore size, the storage capacity is small and the irreversibility is large.

또한 하드카본은 크기 및 형태가 매우 다양하고, 파쇄된 형태로 각이 저 있는 부분이 많이 있어, 전극 구성 시 전계가 집중되어 SEI 형성을 어렵게 하는 단점을 가지고 있다.In addition, hard carbon has a variety of sizes and shapes, and has many angular parts in a crushed form, which makes it difficult to form an SEI due to concentration of electric field during electrode configuration.

따라서, 완만한 형태로 형성되며 균일한 크기를 가져, 나트륨이온 배터리용 음극재로 사용되어 안정적인 충방전 성능을 나타낼 수 있는 소재에 대한 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to develop a material that is formed in a gentle shape and has a uniform size and can be used as an anode material for a sodium ion battery to exhibit stable charge and discharge performance.

한국등록특허 제10-0814540호 나트륨 이온 배터리 (등록일자, 2008.03.11)Korean Patent Registration No. 10-0814540 Sodium ion battery (registration date, 2008.03.11)

상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물의 기화 및 열분해를 통해 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조함으로써, 구형 및 균일크기를 가질 수 있는 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재를 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention prepares silicon oxycarbide (SiOC) through vaporization and thermal decomposition of a mixture of silicone oil and silsesquioxane using a two-layer airtight container, thereby producing a spherical and uniform size It is an object of the present invention to provide a SiOC for sodium ion batteries that can have, a manufacturing method thereof, and an anode material for sodium ion batteries using the same.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법은 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조 단계; 두 겹의 밀폐용기의 내부 용기에 상기 혼합물을 넣어 밀폐시키는 밀폐 단계; 상기 밀폐용기에 열을 가하여, 상기 혼합물이 기화에 의해 상기 내부 용기의 작은 틈을 통해 외부 용기로 이동하되 열분해가 이루어지도록 하여, 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조하는 가열 단계 및 상기 밀폐용기를 냉각시키고 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 확보하는 수거 단계를 포함하는 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법을 제공할 수 있다.In order to solve the above problems, a method for preparing SiOC for a sodium ion battery according to an embodiment of the present invention includes a mixture preparation step of preparing a mixture by mixing silicon oil and silsesquioxane; A sealing step of putting the mixture into an inner container of a two-layered sealed container and sealing it; Heat is applied to the sealed container so that the mixture moves to the outer container through a small gap in the inner container by vaporization, but thermal decomposition is performed to produce silicon oxycarbide (SiOC) Heating step and cooling the sealed container It is possible to provide a SiOC manufacturing method for a sodium ion battery comprising a collection step of preparing and securing silicon oxycarbide (SiOC).

또한 상기 실리콘오일은, 10 내지 10000 cps의 점도를 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the silicone oil is characterized in that it has a viscosity of 10 to 10000 cps.

또한 상기 혼합물 제조 단계는, 상기 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 6 내지 8 : 0.1 내지 3의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 한다.In the mixture preparation step, the silicone oil and silsesquioxane are mixed in a weight ratio of 6 to 8: 0.1 to 3.

또한 상기 가열 단계는, 600 내지 1200℃로 열을 가하는 것을 특징으로 한다.In addition, the heating step is characterized in that the heat is applied to 600 to 1200 ℃.

또한 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법을 통해 제조된 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제공할 수 있다.In addition, silicon oxycarbide (SiOC) manufactured through the SiOC manufacturing method for a sodium ion battery according to an embodiment of the present invention can be provided.

또한 본 발명의 실시예에 따른 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide an anode material for a sodium ion battery using silicon oxycarbide (SiOC) according to an embodiment of the present invention.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재는 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물의 기화 및 열분해를 통해 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물의 기화 및 열분해를 통해 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조함으로써, 구형 및 균일크기를 가질 수 있다.SiOC for a sodium ion battery and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention as described above, and a negative electrode material for a sodium ion battery using the same, vaporize a mixture of silicone oil and silsesquioxane using a two-layer airtight container and It can have a spherical shape and a uniform size by preparing silicon oxycarbide (SiOC) through vaporization and thermal decomposition of a mixture of silicon oil and silsesquioxane using a two-layer airtight container through thermal decomposition.

이에 저장용량이 크고, 비가역이 작으며 전계가 집중되지 않아 SEI 형성이 용이할 수 있다.Accordingly, since the storage capacity is large, the irreversibility is small, and the electric field is not concentrated, SEI formation may be facilitated.

이에 따라, 나트륨이온 배터리의 안정적인 충방전 효율과 우수한 가역용량을 확인할 수 있다.Accordingly, stable charge and discharge efficiency and excellent reversible capacity of the sodium ion battery can be confirmed.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.
도 2는 도 1의 S200 단계와 S300 단계를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 도 2의 S200 단계와 S300 단계에서 혼합물이 공급되는 구조를 나타낸 모식도.
도 4는 실시예 1을 주사현미경으로 관찰한 이미지.
도 5는 실시예 2를 주사현미경으로 관찰한 이미지.
도 6은 도 4에서 관찰한 SiOC의 EDX 분석 결과.
도 7은 도 5에서 관찰한 SiOC의 EDX 분석 결과.
도 8은 실시예 3을 적용한 나트륨이온 배터리의 충방전 사이클 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 4를 적용한 나트륨이온 배터리의 충방전 사이클 결과를 나타낸 그래프.
1 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing SiOC for a sodium ion battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram for explaining steps S200 and S300 of FIG. 1;
3 is a schematic diagram showing a structure in which a mixture is supplied in steps S200 and S300 of FIG. 2;
Figure 4 is an image observed in Example 1 with a scanning microscope.
Figure 5 is an image observed in Example 2 with a scanning microscope.
6 is an EDX analysis result of SiOC observed in FIG. 4;
7 is an EDX analysis result of SiOC observed in FIG. 5;
8 is a graph showing the results of charge and discharge cycles of a sodium ion battery to which Example 3 is applied.
9 is a graph showing the results of charge and discharge cycles of a sodium ion battery to which Example 4 is applied.

본 발명은 다 양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the present invention can be applied with various changes and can have various forms, specific embodiments will be described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 등을 조합한 것이 존재함을 지정하려 는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성요소 등을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application 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, terms such as "comprise" or "having" are intended to designate that a combination of features, numbers, steps, components, etc. described in the specification exist, but one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition of combinations of steps, components, etc. is not precluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자 에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시 형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Here, repeated descriptions, well-known functions that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, and detailed descriptions of configurations are omitted. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

본 발명에서는 나트륨이온 배터리용 SiOC를 제조하는 데 있어, 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물의 기화 및 열분해가 이루어지도록 함으로써, 구형 및 균일크기를 갖는 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In the present invention, in manufacturing SiOC for sodium ion batteries, vaporization and thermal decomposition of a mixture of silicone oil and silsesquioxane are performed using a two-layer airtight container, thereby forming sodium ions having a spherical shape and uniform size. It is intended to provide a SiOC for a battery and a manufacturing method thereof.

또한 상기 나트륨이온 배터리용 SiOC를 음극재로 적용함으로써, 안정적인 충방전 효율과 우수한 가역용량을 가지는 나트륨이온 배터리를 확보하고자 한다.In addition, by applying SiOC for a sodium ion battery as an anode material, it is intended to secure a sodium ion battery having stable charge and discharge efficiency and excellent reversible capacity.

이하, 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, it will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 9 for explaining an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이고, 도 2는 도 1의 S200 단계와 S300 단계를 설명하기 위한 모식도이며, 도 3은 도 2의 S200 단계와 S300 단계에서 혼합물이 공급되는 구조를 나타낸 모식도이다.1 is a flowchart schematically showing a method for manufacturing SiOC for a sodium ion battery according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram for explaining steps S200 and S300 of FIG. 1, and FIG. 3 is step S200 of FIG. And a schematic diagram showing the structure in which the mixture is supplied in step S300.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법은 혼합물 제조 단계(S100), 밀폐 단계(S200), 가열 단계(S300) 및 수거 단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the SiOC manufacturing method for a sodium ion battery according to an embodiment of the present invention may include a mixture preparation step (S100), a sealing step (S200), a heating step (S300), and a collection step (S400). .

먼저, 혼합물 제조 단계(S100)는 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합하여 혼합물(M)을 제조할 수 있다.First, in the mixture preparation step (S100), a mixture (M) may be prepared by mixing silicone oil and silsesquioxane.

여기서 사용되는 실리콘오일은 실옥산 기반의 소재로, PDMS(polydimethysioxane), PHMS(Polyhexamethylsiloxane) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 그들의 혼합 형태일 수 있다.The silicone oil used herein is a siloxane-based material, and may be selected from the group consisting of polydimethysioxane (PDMS) and polyhexamethylsiloxane (PHMS), or a mixture thereof.

또한 실리콘오일은 바람직하게 10 내지 10000 cps의 점도를 가질 수 있는데, 10cps 미만일 경우 상대적으로 낮은 온도에서도 휘발하여 내부 용기(10)에서 외부 용기(11)로 빠르게 빠져나와 원하는 구형 형태의 SiOC를 만들기 어렵고, 10000cps 초과일 경우 내부 용기(10)에서 외부 용기(11)로 빠져나오기 어렵기 때문이다.In addition, silicone oil may preferably have a viscosity of 10 to 10000 cps. If it is less than 10 cps, it volatilizes even at a relatively low temperature and quickly escapes from the inner container 10 to the outer container 11, making it difficult to make SiOC in a desired spherical shape. , This is because it is difficult to escape from the inner container 10 to the outer container 11 when it exceeds 10000cps.

또한 실세스퀴옥산은 화학식 [RSiO3/2]n(R = H, 알킬, 아릴 또는 알콕실)을 갖는 유기 규소 화합물로, Si-O-Si 결합과 사면체 Si 꼭지점이 있는 케이지형 또는 고분자 구조로 되어 있는 무색의 물질이다. 이러한 실세스퀴옥산은 무기 규산염 코어와 유기 외부를 특징으로 하며, 무기 규산염 코어는 강성과 열적 안정성을 갖고 있다. In addition, silsesquioxane is an organosilicon compound having the formula [RSiO 3/2 ] n (R = H, alkyl, aryl or alkoxyl), which has a cage-type or polymer structure with Si-O-Si bonds and tetrahedral Si vertices. It is a colorless substance made of These silsesquioxanes are characterized by an inorganic silicate core and an organic exterior, and the inorganic silicate core has rigidity and thermal stability.

이러한 실세스퀴옥산은 사다리 구조, 육면체 구조, 팔면체 구조 등을 가질 수 있는데, 이와 같은 실세스퀴옥산을 실리콘오일에 첨가함으로써 실리콘오일의 교차 결합(cross-linking) 과정 이후 기공을 형성하여 나트륨이온의 원활한 이동을 도울 수 있다. 즉 나트륨이온 배터리에 제조된 SiOC가 적용되면 고출력 특성, 안정적인 충방전 성능이 나타날 수 있도록 한다. 나아가 -O-C 구조가 증가하여 가역용량을 극대화 할 수 있다.Such silsesquioxane may have a ladder structure, a hexahedral structure, an octahedral structure, etc. By adding such silsesquioxane to silicone oil, pores are formed after the cross-linking process of silicone oil to form sodium ions. can help the smooth movement of In other words, when the manufactured SiOC is applied to a sodium ion battery, high power characteristics and stable charge/discharge performance can be obtained. Furthermore, the -O-C structure can be increased to maximize the reversible capacity.

보다 바람직한게, 실세스퀴옥산은 다팔면체 실세스퀴옥산(POSS)일 수 있으며, 다팔면체 실세스퀴옥산(POSS)은 세라믹 재료 및 나노복합체의 프리세라믹 폴리머 전구체이며, 다양한 치환기(R)가 Si 중심에 부착될 수 있다.More preferably, the silsesquioxane may be octahedral silsesquioxane (POSS), which is a preceramic polymer precursor of ceramic materials and nanocomposites, wherein various substituents (R) are can be attached to the Si center.

S100 단계는 상기와 같은 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 6 내지 8 : 0.1 내지 3의 중량비로 혼합하여 혼합물(M)을 제조할 수 있다.Step S100 may prepare a mixture (M) by mixing the silicone oil and silsesquioxane as described above in a weight ratio of 6 to 8: 0.1 to 3.

이때, 실세스퀴옥산이 실리콘오일 중량 대비 0.1 미만일 경우 나트륨이온 이동 효율이 저하될 수 있으며, 3 초과일 경우 오히려 SiOC 형성에 문제가 발생할 수 있다.At this time, when the amount of silsesquioxane is less than 0.1 relative to the weight of silicone oil, sodium ion transfer efficiency may decrease, and when it exceeds 3, problems may occur in forming SiOC.

밀폐 단계(S200)는, 도 2에 도시된 것과 같이, 두 겹의 밀폐용기(1)의 내부 용기(10)에 혼합물(M)을 넣어 밀폐시킬 수 있다. 이때, 내부용기(10)는 내부통과 내부뚜껑으로 구성되어 미세한 작은 틈이 있고, 외부용기(11)도 외부통과 외부뚜껑으로 구성되나, 외부통에 외부뚜껑이 닫히는 것으로 밀폐가 이루어질 수 있다. 즉, 외부용기(11)에 의해 밀폐가 이루어진다고 할 수 있다.In the sealing step (S200), as shown in FIG. 2, the mixture (M) may be put into the inner container 10 of the double-layered sealed container 1 to be sealed. At this time, the inner container 10 is composed of an inner cylinder and an inner lid with a fine small gap, and the outer container 11 is also composed of an outer cylinder and an outer lid, but the outer cylinder may be sealed by closing the outer lid. That is, it can be said that sealing is achieved by the outer container (11).

여기서 두 겹의 밀폐용기(1)의 내부 용기(10)에는 미세한 틈이 있어, 가열퍼니스(2)에 의해 가열되어 내부 용기(10)에 있는 혼합물(M)이 기화되면, 내부 용기(10)에서 외부 용기(11)로 이동될 수 있도록 한다.Here, the inner container 10 of the two-layer airtight container 1 has a fine gap, and when the mixture M in the inner container 10 is vaporized by heating by the heating furnace 2, the inner container 10 to be moved to the outer container (11).

도 2를 참조하면, 가열 단계(S300)는 내부 용기(10) 내에 혼합물(M)을 넣은 밀폐용기(1)를 가열퍼니스(2)에 넣고 가열하여, 혼합물(M)에 열이 가해지도록 할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the heating step (S300), the airtight container 1 containing the mixture M in the inner container 10 is put into the heating furnace 2 and heated so that heat is applied to the mixture M. can

S300 단계를 통해 혼합물(M)이 기화되어 내부 용기(10)의 작은 틈을 통해 외부 용기(11)로 이동하고, 내부 용기(10)와 외부 용기(11) 사이의 공간에서 이동된 기화 상태의 혼합물(M)의 열분해가 이루어지도록 하여, 실리콘옥시카바이드(SiOC)가 제조될 수 있다.The mixture M is vaporized through step S300 and moves to the outer container 11 through a small gap of the inner container 10, and the vaporized state moved in the space between the inner container 10 and the outer container 11 Silicon oxycarbide (SiOC) may be produced by thermal decomposition of the mixture M.

내부 용기(10)보다 외부 용기(11)가 열원에 직접적으로 닿아 있기 때문에, 내부 용기(10)에서는 혼합물(M)의 기화가 이루어지고, 외부 용기(11)에서는 기화된 혼합물(M)의 열분해가 이루어질 수 있는 것이다.Since the outer container 11 is in direct contact with the heat source rather than the inner container 10, the mixture M is vaporized in the inner container 10, and the vaporized mixture M is thermally decomposed in the outer container 11. can be done.

이와 같이 작은 틈을 통해 기화된 혼합물(M)이 외부 용기(11)로 조금씩 이동되면서 열분해가 이루어짐에 따라, 구형 및 균일크기의 SiOC를 얻을 수 있다.As the vaporized mixture M is gradually moved to the external container 11 through the small gap and thermally decomposed, SiOC having a spherical shape and a uniform size can be obtained.

S300 단계는 600 내지 1200℃로 밀폐용기(1)를 가열하여 혼합물(M)에 열을 가할 수 있다.Step S300 may apply heat to the mixture (M) by heating the sealed container (1) to 600 to 1200 ℃.

S300 단계에서 가열온도가 600℃ 미만일 경우 혼합물(M)의 기화가 완전히 이루어지지 않아 반응 후에도 일부의 실리콘오일이 남아 있을 수 있으며, 1200℃ 초과일 경우 기화된 혼합물(M)이 빠르게 열분해되어 매우 작은 형태의 SiOC가 얻어딜 수 있다.In step S300, when the heating temperature is less than 600 ° C, the mixture (M) is not completely vaporized, so some silicone oil may remain after the reaction. SiOC in the form can be obtained.

또한 S300 단계는 혼합물(M)의 기화가 더 쉽게 이루어지도록 밀폐용기(1)의 압력을 진공으로 낮출 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In addition, step S300 may lower the pressure of the airtight container 1 to vacuum so that the mixture M is more easily vaporized, but is not limited thereto.

한편, S200 및 S300 단계에서는, 도 3에 나타난 바와 같이, S100 단계에서 제조된 혼합물(M)이 저장된 혼합물탱크(3)가 내부 용기(10)에 연결되어 있어, 혼합물(M)이 내부 용기(10)에 연속으로 공급될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.On the other hand, in steps S200 and S300, as shown in FIG. 3, the mixture tank 3 in which the mixture M prepared in step S100 is stored is connected to the inner container 10, so that the mixture M is the inner container ( 10) may be continuously supplied, but is not limited thereto.

수거 단계(S400)는 S300 단계 후 밀폐용기(1)를 상온으로 냉각시켜, 승화되도록 하여 고체의 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 수거해 확보할 수 있다.In the collection step (S400), after the step S300, the airtight container (1) is cooled to room temperature to sublimate to collect and secure solid silicon oxycarbide (SiOC).

즉, 냉각을 통해 기체의 SiOC를 고체의 SiOC로 변화시켜, 결정화된 SiOC를 수거하는 단계이다.That is, this is a step of changing gaseous SiOC into solid SiOC through cooling and collecting the crystallized SiOC.

여기서 수거된 SiOC는 구형 형태를 가지며 균일한 크기를 가질 수 있다.The SiOC collected here has a spherical shape and may have a uniform size.

또한 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법은 코팅 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.In addition, the SiOC manufacturing method for a sodium ion battery according to an embodiment of the present invention may further include a coating step (not shown).

코팅 단계는 수거된 SiOC의 표면에 탄소를 코팅할 수 있다. 이는 SiOC의 표면에 탄소를 코팅하여, 나트륨이온 배터리의 음극재로 사용될 경우, 전자이동이 더욱 원활하게 이루어지도록 하기 위한 것이다.The coating step may coat the surface of the collected SiOC with carbon. This is to coat the surface of SiOC with carbon so that when it is used as an anode material for a sodium ion battery, electron migration is more smoothly performed.

코팅 단계는 SiOC에 메탄과 아르곤을 흘려주어 탄소 코팅을 진행할 수 있는데, SiOC에 900 내지 1100℃에서 메탄을 0.3 내지 0.7L/min의 속도로, 아르곤을 0.8 내지 1.2L/min의 속도로 15 내지 25분간 공급하여 탄소 코팅을 진행할 수 있다. 그러나, 코팅방법과 조건은 이에 한정되지는 않고, 용이하게 변경될 수 있다.In the coating step, carbon coating may be performed by flowing methane and argon into SiOC. Methane is applied to SiOC at a rate of 0.3 to 0.7 L/min and argon at a rate of 15 to 15 to 1.2 L/min at 900 to 1100 ° C. Carbon coating can be performed by supplying for 25 minutes. However, the coating method and conditions are not limited thereto and can be easily changed.

다만, 상기에서 메탄의 공급속도가 0.7L/min을 초과하거나, 아르곤 없이 메탄만 공급될 경우, 탄소 코팅층이 너무 두꺼워져 흑연소재와 차이가 없어질 수 있다.However, in the case where the supply rate of methane exceeds 0.7 L/min or only methane is supplied without argon, the carbon coating layer becomes too thick, and thus there may be no difference from the graphite material.

또한 메탄의 공급속도가 0.3L/min 미만일 경우 탄소 코팅이 바람직하게 이루어지지 않을 수 있다.Also, when the supply rate of methane is less than 0.3 L/min, carbon coating may not be preferably performed.

상기와 같은 제조방법을 통해 제조된 나트륨이온 배터리용 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제공할 수 있다.It is possible to provide silicon oxycarbide (SiOC) for a sodium ion battery manufactured through the above manufacturing method.

본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 실리콘옥시카바이드(SiOC)는 구형의 형태를 가지며, 균일한 크기를 가질 수 있다.Silicon oxycarbide (SiOC) for sodium ion batteries according to an embodiment of the present invention has a spherical shape and may have a uniform size.

이에 실리콘옥시카바이드(SiOC)는 나트륨이온 배터리용 음극재에 적용될 시, 균일한 구형의 형태로 인한 균일 전계값으로 인해 SEI 형성 시 소모되는 Na을 억제시켜 Na과 Si의 결합이 일어나 에너지 저장 가능성을 가질 수 있다.Accordingly, when silicon oxycarbide (SiOC) is applied to an anode material for a sodium ion battery, it suppresses Na consumed during SEI formation due to a uniform electric field value due to its uniform spherical shape, resulting in a combination of Na and Si, which increases the possibility of energy storage. can have

따라서, 본 발명의 실리콘옥시카바이드(SiOC)가 적용된 나트륨이온 배터리용 음극재는 초기 충전용량 및 방전용량이 높고 초기 효율이 우수하며, 가역용량 또한 우수할 수 있다.Therefore, the anode material for a sodium ion battery to which silicon oxycarbide (SiOC) of the present invention is applied may have high initial charge capacity and discharge capacity, excellent initial efficiency, and excellent reversible capacity.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 나트륨이온 배터리용 SiOC 및 그 제조방법, 이를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재는 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물(M)의 기화 및 열분해를 통해 두 겹의 밀폐용기를 이용하여 실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합한 혼합물(M)의 기화 및 열분해를 통해 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조함으로써, 구형 및 균일크기를 가질 수 있다.As described above, the SiOC for sodium ion batteries according to an embodiment of the present invention, the manufacturing method thereof, and the anode material for sodium ion batteries using the same are a mixture of silicone oil and silsesquioxane using a two-layer airtight container. Through vaporization and thermal decomposition of (M), silicon oxycarbide (SiOC) is produced through vaporization and thermal decomposition of a mixture (M) in which silicon oil and silsesquioxane are mixed using a two-layer airtight container, thereby producing a spherical and uniform shape. can have a size.

이에 저장용량이 크고, 비가역이 작으며 전계가 집중되지 않아 SEI 형성이 용이할 수 있다.Accordingly, since the storage capacity is large, the irreversibility is small, and the electric field is not concentrated, SEI formation may be facilitated.

이에 따라, 나트륨이온 배터리의 안정적인 충방전 효율과 우수한 가역용량을 확인할 수 있다.Accordingly, stable charge and discharge efficiency and excellent reversible capacity of the sodium ion battery can be confirmed.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only to illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

또한, 이하에서 설명하는 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경하여 구현할 수 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.In addition, the embodiments of the present invention described below may be implemented by various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention, and such implementations are of the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiments. If you are an expert, it is easy to implement.

[실시예][Example]

[실시예 1][Example 1]

점도가 1000cps인 실리콘오일 30g과 실세스퀴옥산 5g을 혼합하여 내부용기에 넣고 닫은 후 내부용기를 외부용기에 넣어 밀폐하였다. 그 다음 700℃로 가열되어 있는 가열퍼니스에 밀폐용기를 넣고 20분 정도 기다린 후 상온으로 냉각시켰다. 밀폐용기를 열어 외부용기 안에 형성된 SiOC를 수거하는 것으로 제조하였다.30 g of silicone oil having a viscosity of 1000 cps and 5 g of silsesquioxane were mixed, put into an inner container, closed, and then put into an outer container to seal the inner container. Then, the airtight container was placed in a heating furnace heated to 700° C., waited for about 20 minutes, and then cooled to room temperature. It was prepared by opening the sealed container and collecting the SiOC formed in the outer container.

[실시예 2][Example 2]

점도가 1000cps인 실리콘오일 30g과 실세스퀴옥산 5g을 혼합하여 내부용기에 넣고 닫은 후 내부용기를 외부용기에 넣어 밀폐하였다. 그 다음 1000℃로 가열되어 있는 가열퍼니스에 밀폐용기를 넣고 20분 정도 기다린 후 상온으로 냉각시켰다. 밀폐용기를 열어 외부용기 안에 형성된 SiOC를 수거하는 것으로 제조하였다.30 g of silicone oil having a viscosity of 1000 cps and 5 g of silsesquioxane were mixed, put into an inner container, closed, and then put into an outer container to seal the inner container. Then, the airtight container was placed in a heating furnace heated to 1000° C., waited for about 20 minutes, and then cooled to room temperature. It was prepared by opening the sealed container and collecting the SiOC formed in the outer container.

[실시예 3][Example 3]

실시예 1에서 제조된 SiOC 분말을 미리 가열된 수평형 화학증착반응기에 넣고, 1000℃에서 메탄 0.5L/min, 아르곤 1L/min으로 20분간 흘려주어 탄소 코팅을 실시한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.The SiOC powder prepared in Example 1 was put into a preheated horizontal chemical vapor deposition reactor and flowed at 1000 ° C. with 0.5 L / min of methane and 1 L / min of argon for 20 minutes to perform carbon coating. prepared in the same way.

[실시예 4][Example 4]

실시예 4에서 제조된 SiOC 분말을 미리 가열된 수평형 화학증착반응기에 넣고, 1000℃에서 메탄 0.5L/min, 아르곤 1L/min으로 20분간 흘려주어 탄소 코팅을 실시한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.The SiOC powder prepared in Example 4 was put into a preheated horizontal chemical vapor deposition reactor and flowed at 1000 ° C. with 0.5 L / min of methane and 1 L / min of argon for 20 minutes to perform carbon coating. prepared in the same way.

[실험예 1] SiOC 분석[Experimental Example 1] SiOC analysis

본 발명의 SiOC의 특성을 확인하기 위하여, 실시예 1과 2를 주사현미경(SEM)으로 관찰하고, EDX 분석을 수행하였다. 그 결과는 도 4 내지 도 7과 같다.In order to confirm the characteristics of the SiOC of the present invention, Examples 1 and 2 were observed with a scanning microscope (SEM), and EDX analysis was performed. The results are shown in FIGS. 4 to 7 .

도 4는 실시예 1을 주사현미경으로 관찰한 이미지이고, 도 5는 실시예 2를 주사현미경으로 관찰한 이미지이다.4 is an image of Example 1 observed with a scanning microscope, and FIG. 5 is an image of Example 2 observed with a scanning microscope.

도 6은 도 4에서 관찰한 SiOC의 EDX 분석 결과이고, 도 7은 도 5에서 관찰한 SiOC의 EDX 분석 결과이다.6 is an EDX analysis result of SiOC observed in FIG. 4, and FIG. 7 is an EDX analysis result of SiOC observed in FIG.

도 4 내지 도 7을 보면 알 수 있듯이, 실시예 1과 2 모두 SiOC가 구형의 형태를 가지며 균일한 크기로 형성된 것을 확인할 수 있었다.As can be seen from FIGS. 4 to 7, it was confirmed that the SiOC of Examples 1 and 2 had a spherical shape and was formed in a uniform size.

[실험예 2] 나트륨이온 배터리 성능 평가[Experimental Example 2] Sodium ion battery performance evaluation

본 발명의 SiOC가 적용된 나트륨이온 배터리의 성능을 평가하기 위해, 실시예 3과 4로 음극을 제조한 후, 제조된 음극이 적용된 나트륨이온 배터리의 전기화학적 특성을 측정하였다. In order to evaluate the performance of the sodium ion battery to which the SiOC of the present invention is applied, after preparing negative electrodes in Examples 3 and 4, the electrochemical characteristics of the sodium ion battery to which the prepared negative electrode was applied were measured.

여기서, 나트륨이온 배터리의 음극은 실시예 3과 4에서 제조된 SiOC 80중량%, 아세틸렌 블랙 10중량%과 폴리아크릴에시드 바인더 10중량%를 용매에 혼합하여 음극 슬러리를 제조한 후 구리호일 집전체에 코팅하는 것으로 제조하였고, 양극은 나트륨 금속을 사용하였다.Here, the negative electrode of the sodium ion battery was prepared by mixing 80% by weight of SiOC, 10% by weight of acetylene black, and 10% by weight of polyacrylic acid binder in a solvent to prepare a negative electrode slurry prepared in Examples 3 and 4, and then It was prepared by coating, and sodium metal was used as the anode.

전해질로는 에틸렌카보네이트/디에틸카보네이트/프로필렌카보네이트 용액의 부피비(vol%)를 1:1:1로 한 용액에 1M의 NaOClO4를 혼합하여 사용하였다.As an electrolyte, 1M NaOClO 4 was mixed with a solution in which the volume ratio (vol %) of the ethylene carbonate/diethyl carbonate/propylene carbonate solution was 1:1:1.

상기와 같이 제조된 나트륨이온 배터리의 충방전 사이클을 측정하였고, 그 결과는 도 8 및 도 9와 같다.The charge and discharge cycles of the sodium ion battery prepared as described above were measured, and the results are shown in FIGS. 8 and 9.

도 8은 실시예 3을 적용한 나트륨이온 배터리의 충방전 사이클 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 실시예 4를 적용한 나트륨이온 배터리의 충방전 사이클 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of charge and discharge cycles of the sodium ion battery to which Example 3 is applied, and FIG. 9 is a graph showing the results of charge and discharge cycles to the sodium ion battery to which Example 4 is applied.

도 8 및 도 9에서 확인할 수 있듯이, 실시예 3과 4 모두 초기 충전용량 및 방전용량이 높고, 초기 효율이 우수하며, 100사이클 이후 용량이 초기 60%로 수준으로 유지되어 우수한 가역용량을 가지는 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in FIGS. 8 and 9, both Examples 3 and 4 have high initial charge and discharge capacities, excellent initial efficiency, and excellent reversible capacity as the capacity is maintained at the initial level of 60% after 100 cycles. I was able to confirm.

이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술 하였는바, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As above, specific parts of the contents of the present invention have been described in detail, and for those skilled in the art, these specific descriptions are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be clear. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

M: 혼합물
1: 밀폐용기
10: 내부 용기
11: 외부 용기
2: 가열퍼니스
3: 혼합물탱크
M: mixture
1: sealed container
10: Inner container
11: outer container
2: heating furnace
3: mixture tank

Claims (5)

실리콘오일과 실세스퀴옥산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조 단계;
두 겹의 밀폐용기의 내부 용기에 상기 혼합물을 넣어 밀폐시키는 밀폐 단계;
상기 밀폐용기에 열을 가하여, 상기 혼합물이 기화에 의해 상기 내부 용기의 작은 틈을 통해 외부 용기로 이동하되 열분해가 이루어지도록 하여, 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 제조하는 가열 단계 및
상기 밀폐용기를 냉각시키고 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 확보하는 수거 단계를 포함하는 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법.
A mixture preparation step of preparing a mixture by mixing silicone oil and silsesquioxane;
A sealing step of putting the mixture into an inner container of a two-layered sealed container and sealing it;
A heating step of producing silicon oxycarbide (SiOC) by applying heat to the airtight container so that the mixture moves to an outer container through a small gap in the inner container by vaporization and is thermally decomposed; and
SiOC manufacturing method for a sodium ion battery comprising a collection step of cooling the sealed container and securing silicon oxycarbide (SiOC).
제1항에 있어서,
상기 실리콘오일은,
10 내지 10000 cps의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법.
According to claim 1,
The silicone oil,
SiOC manufacturing method for sodium ion batteries, characterized in that it has a viscosity of 10 to 10000 cps.
제1항에 있어서,
상기 가열 단계는,
600 내지 1200℃로 열을 가하는 것을 특징으로 하는 나트륨이온 배터리용 SiOC 제조방법.
According to claim 1,
In the heating step,
SiOC manufacturing method for a sodium ion battery, characterized in that by applying heat to 600 to 1200 ℃.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 한의 제조방법을 통해 제조된 실리콘옥시카바이드(SiOC).
Silicon oxycarbide (SiOC) manufactured through the manufacturing method of any one of claims 1 to 3.
제4항의 실리콘옥시카바이드(SiOC)를 이용한 나트륨이온 배터리용 음극재.
An anode material for a sodium ion battery using the silicon oxycarbide (SiOC) of claim 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100814540B1 (en) 2001-04-06 2008-03-17 발렌스 테크놀로지, 인코포레이티드 Sodium Ion Batteries

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