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KR101875674B1 - Positive active material, method for prepare the same and sodium rechargeable battery including the same - Google Patents

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KR101875674B1
KR101875674B1 KR1020150167457A KR20150167457A KR101875674B1 KR 101875674 B1 KR101875674 B1 KR 101875674B1 KR 1020150167457 A KR1020150167457 A KR 1020150167457A KR 20150167457 A KR20150167457 A KR 20150167457A KR 101875674 B1 KR101875674 B1 KR 101875674B1
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김진홍
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 양극 활물질을 제공한다.
[화학식 1]
Na4MnxFe3 -x(PO4)2(P2O7)
여기서, x는 0<x<3이다.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a cathode active material comprising a compound represented by the following general formula (1).
[Chemical Formula 1]
Na 4 Mn x Fe 3 -x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )
Here, x is 0 < x < 3.

Description

양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지{POSITIVE ACTIVE MATERIAL, METHOD FOR PREPARE THE SAME AND SODIUM RECHARGEABLE BATTERY INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a positive electrode active material, a method for producing the same, and a sodium secondary battery including the same. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 나트륨 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material, a method for producing the same, and a sodium secondary battery including the same.

신재생 에너지의 개발 및 이산화탄소의 절감이 필수적인 가운데, 생산되는 에너지를 효율적으로 사용하기 위해서는 전력을 저장할 수 있는 이차전지의 기술 개발이 필수적이다. While the development of new and renewable energy and the reduction of carbon dioxide are essential, it is essential to develop a secondary battery capable of storing electric power in order to efficiently use the produced energy.

최근에는 대용량 및 전력 저장장치에 적용 가능한 형태로의 기술개발이 활발하게 진행되고 있으며, 그 중에서도 보다 많은 전력을 저렴한 비용으로 저장할 수 있는 나트륨 이차전지의 개발이 이루어지고 있다.In recent years, the development of a technology capable of being applied to a large-capacity and power storage device has been actively carried out. Among them, a sodium secondary battery capable of storing more power at a low cost has been developed.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 고전압, 고용량, 고효율 특성을 갖고 가격경쟁력이 우수한 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a cathode active material having high voltage, high capacity and high efficiency characteristics and excellent price competitiveness, a method for producing the same, and a secondary battery including the same.

본 발명의 일 구현예는, 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 양극 활물질을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a cathode active material comprising a compound represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Na4MnxFe3 -x(PO4)2(P2O7)Na 4 Mn x Fe 3 -x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

여기서, x는 0<x<3이다.Here, x is 0 < x < 3.

상기 x는 0<x≤2일 수 있다.X may be 0 < x &lt; = 2.

상기 화학식 1은 Na4Mn0 .3Fe2 .7(PO4)2(P2O7), Na4Mn0 .75Fe2 .25(PO4)2(P2O7), Na4MnFe2(PO4)2(P2O7), Na4Mn1 .5Fe1 .5(PO4)2(P2O7) 및 Na4Mn2Fe(PO4)2(P2O7) 중 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.Formula 1 Na 4 Mn 0 .3 Fe 2 .7 (PO 4) 2 (P 2 O 7), Na 4 Mn 0 .75 Fe 2 .25 (PO 4) 2 (P 2 O 7), Na 4 MnFe 2 (PO 4) 2 ( P 2 O 7), Na 4 Mn 1 .5 Fe 1 .5 (PO 4) 2 (P 2 O 7) and Na 4 Mn 2 Fe (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ).

또한, 본 발명의 다른 구현예는, 나트륨 전구체, 철 전구체, 망간 전구체 및 인산염 전구체를 혼합 및 건조하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 그리고 상기 제1 혼합물을 3단계에 걸쳐 소결하는 단계에 의해 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 수득하는 것인 양극 활물질 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a first mixture, comprising mixing and drying a sodium precursor, an iron precursor, a manganese precursor, and a phosphate precursor to produce a first mixture; And sintering the first mixture in three steps to obtain a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Na4MnxFe3 -x(PO4)2(P2O7)Na 4 Mn x Fe 3 -x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

여기서, 상기 x는 0 <x< 3이다.Here, x is 0 < x < 3.

상기 소결하는 단계는, 250~ 350℃ 의 아르곤 분위기 하에 1차 소결하는 단계, 및 550~ 650℃ 의 아르곤 분위기 하에 2차 소결하는 단계를 포함할 수 있다.The sintering step may include a first sintering step in an argon atmosphere at 250 to 350 ° C and a second sintering step in an argon atmosphere at 550 to 650 ° C.

상기 2차 소결된 상기 제1 혼합물을 탄소원과 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계, 및 상기 제2 혼합물을 550~ 650℃의 아르곤 분위기 하에 3차 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.Mixing the second sintered first mixture with a carbon source to prepare a second mixture, and subjecting the second mixture to a third sintering at 550 to 650 ° C under an argon atmosphere.

상기 1차 소결 및 상기 2차 소결은 상기 불활성 기체의 흐름(flow)이 있는 상태에서 수행할 수 있다.The first sintering and the second sintering may be performed in a state where the flow of the inert gas is present.

상기 3상기 1차 소결은 5~ 7시간 동안 수행하고, 상기 2차 소결은 11~ 13시간 동안 수행하고, 상기 3차 소결은 1~ 3시간동안 수행할 수 있다.The third sintering may be performed for 5 to 7 hours, the second sintering may be performed for 11 to 13 hours, and the third sintering may be performed for 1 to 3 hours.

상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물:상기 탄소원을 92~ 98: 8~ 2 중량 비율로 포함할 수 있다.The second mixture may include the first mixture: the carbon source in a weight ratio of 92: 98: 8-2.

상기 탄소원은 폴리비닐알코올, 폴리올레핀, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 전분, 그래뉴당, 아크릴로니트릴, 디비닐벤젠, 비닐아세테이트, 글루코오스, 아세트산셀룰로오스, 피로멜리트산, 아세톤 및 에탄올 중 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.The carbon source may be at least one selected from polyvinyl alcohol, polyolefin, polyacrylonitrile, cellulose, starch, granule, acrylonitrile, divinylbenzene, vinyl acetate, glucose, cellulose acetate, pyromellitic acid, acetone and ethanol have.

상기 나트륨 전구체는 Na4P2O7이고, 상기 인산염 전구체는 (NH4)2HPO4 및 (NH4)H2PO4 중 적어도 하나이고, 상기 철 전구체는 FeC2O4·2H2O이며, 상기 망간 전구체는 MnC2O4·2H2O일 수 있다.The sodium precursor is Na 4 P 2 O 7 , and the phosphate precursor is (NH 4 ) 2 HPO 4 And (NH 4 ) H 2 PO 4 , the iron precursor is FeC 2 O 4 .2H 2 O, and the manganese precursor may be MnC 2 O 4 .2H 2 O.

또한, 본 발명의 또 다른 구현예는, 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함하는 나트륨 이차전지를 제공한다.Yet another embodiment of the present invention provides a sodium secondary battery comprising a cathode comprising a cathode active material comprising a compound represented by the following formula (1), a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode .

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Na4MnxFe3 -x(PO4)2(P2O7)Na 4 Mn x Fe 3 -x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

여기서, x는 0<x<3이다.Here, x is 0 < x < 3.

상기 음극은 나트륨 금속, 나트륨 금속 기반의 합금 및 나트륨 삽입 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The negative electrode may comprise at least one of a sodium metal, an alloy based on a sodium metal, and a sodium intercalation compound.

상기 분리막은 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The separation membrane may include at least one of glass fiber, polyester, Teflon, and polytetrafluoroethylene (PTFE).

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지는 고전압, 고용량, 고효율 특성을 가진다.As described above, the cathode active material according to one embodiment of the present invention, the secondary battery including the same, the method of manufacturing the same, and the secondary battery including the same have high voltage, high capacity and high efficiency characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 양극 활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 양극 활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에서 제조된 양극 활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 양극 활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 양극 활물질의 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 양극 활물질의 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예 4에서 제조된 양극 활물질의 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 양극 활물질의 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17 내지 도 18은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압에 따른 캐패시터(dQ/dV) 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 수명 주기 그래프를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view of a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing XRD measurement results of the cathode active material prepared in Example 1 of the present invention.
3 is a graph showing XRD measurement results of the cathode active material prepared in Example 2 of the present invention.
4 is a graph showing XRD measurement results of the cathode active material prepared in Example 3 of the present invention.
5 is a graph showing XRD measurement results of the cathode active material manufactured in Example 4 of the present invention.
6 is a graph showing XRD measurement results of the cathode active material prepared in Example 5 of the present invention.
7 is a photograph showing SEM measurement results of the cathode active material prepared in Example 1 of the present invention.
8 is a photograph showing SEM measurement results of the cathode active material prepared in Example 2 of the present invention.
9 is a photograph showing SEM measurement results of the cathode active material prepared in Example 3 of the present invention.
10 is a photograph showing SEM measurement results of the cathode active material manufactured in Example 4 of the present invention.
11 is a photograph showing SEM measurement results of the cathode active material prepared in Example 5 of the present invention.
12 is a graph showing a result of measuring a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material prepared in Example 1 of the present invention.
13 is a graph showing a result of measuring a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material manufactured in Example 2 of the present invention.
14 is a graph showing a result of measuring a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material prepared in Example 3 of the present invention.
15 is a graph showing a result of measuring a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material manufactured in Example 4 of the present invention.
16 is a graph showing a result of measuring a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material manufactured in Example 5 of the present invention.
FIGS. 17 to 18 are graphs showing the results of measurement of a change in a capacitor (dQ / dV) according to a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material prepared in Examples 1 to 5 of the present invention.
19 is a graph showing a life cycle graph of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 of the present invention.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as &quot; comprising &quot;, it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 철(Fe), 망간(Mn) 및 인산염계 화합물을 모두 포함할 수 있다.The cathode active material according to an embodiment of the present invention may include all of iron (Fe), manganese (Mn), and phosphate compounds.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.The cathode active material according to one embodiment of the present invention includes a compound represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Na4MnxFe3 -x(PO4)2(P2O7)Na 4 Mn x Fe 3 -x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

여기서, x는 0<x<3이다.Here, x is 0 < x < 3.

화학식 1은 하기 화학식 2 내지 화학식 6 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.The formula (1) may be any one selected from the following formulas (2) to (6).

[화학식 2](2)

Na4Mn0 .3Fe2 .7(PO4)2(P2O7)Na 4 Mn 0 .3 Fe 2 .7 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

[화학식 3](3)

Na4Mn0 .75Fe2 .25(PO4)2(P2O7) Na 4 Mn 0 .75 Fe 2 .25 (PO 4) 2 (P 2 O 7)

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Na4MnFe2(PO4)2(P2O7)Na 4 MnFe 2 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Na4Mn1 .5Fe1 .5(PO4)2(P2O7) Na 4 Mn 1 .5 Fe 1 .5 (PO 4) 2 (P 2 O 7)

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Na4Mn2Fe(PO4)2(P2O7)Na 4 Mn 2 Fe (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )

본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 철(Fe)과 망간(Mn)을 모두 포함하는 인산염계 화합물로서, 철(Fe) 단독 기반의 인산염계 양극 활물질 혹은 망간(Mn) 단독 기반의 인산염계 양극 활물질과 비교할 때, 에너지 밀도가 높아 고전압용 이차전지에 사용 가능하고, 높은 용량을 가질 수 있다.The cathode active material according to one embodiment of the present invention is a phosphate compound containing both iron (Fe) and manganese (Mn), and is a phosphate based cathode active material based on iron (Fe) alone or a phosphate based Compared with the cathode active material, it has high energy density and can be used for a high voltage secondary battery and can have a high capacity.

본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 화학식 1 내지 화학식 6의 화합물 외에 종래에 일반적으로 사용되는 인산염을 추가로 더 포함할 수 있다.The cathode active material according to one embodiment of the present invention may further include phosphates commonly used conventionally in addition to the compounds represented by Chemical Formulas 1 to 6.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 양극 활물질의 제조 방법은 나트륨 전구체, 철 전구체, 망간 전구체, 인산염 전구체, 및 탄소원을 혼합 및 건조하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 제1 혼합물을 1차 소결하는 단계; 상기 1차 소결된 혼합물을 펠릿화하는 단계; 상기 펠릿을 2차 소결하는 단계;를 통해 Na4MnxFe3-x(PO4)2(P2O7)로 표시되는 화합물을 형성한다. 상기 펠릿을 2차 소결하는 단계;이후에 상기 2차 소결된 펠릿과 탄소원을 혼합하여 3차 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for producing a cathode active material of the present invention comprises mixing and drying a sodium precursor, an iron precursor, a manganese precursor, a phosphate precursor, and a carbon source to prepare a first mixture; Sintering the first mixture; Pelletizing the primary sintered mixture; And then the second pellet is sintered to form a compound represented by Na 4 Mn x Fe 3-x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ). And then sintering the pellet, and then sintering the mixture by mixing the secondary sintered pellet with a carbon source.

이하, 각 단계에 대해 순서대로 상세하게 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail in order.

먼저, 나트륨 전구체, 철 전구체, 망간 전구체 및 인산염 전구체를 혼합 및 건조하여 제1 혼합물을 제조한다.First, a sodium precursor, an iron precursor, a manganese precursor, and a phosphate precursor are mixed and dried to prepare a first mixture.

나트륨 전구체는 Na4P2O7일 수 있고, 인산염 전구체는 (NH4)2HPO4, (NH4)H2PO4, 또는 이들의 조합일 수 있고, 철 전구체는 FeC2O4·2H2O, 망간 전구체는 MnC2O4·2H2O일 수 있다. 여기에 추가로 탄소원을 더 포함할 수 있으며, 탄소원으로는 글루코오스, 아세트산셀룰로오스, 피로멜리트산, 아세톤 및 에탄올 중 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 피로멜리트산을 사용하는 것이 바람직하다.The sodium precursor may be Na 4 P 2 O 7 and the phosphate precursor may be (NH 4 ) 2 HPO 4 , (NH 4 ) H 2 PO 4 , or a combination thereof, and the iron precursor may be FeC 2 O 4 .2H 2 O, and the manganese precursor may be MnC 2 O 4 .2H 2 O. In addition, it may further contain a carbon source. As the carbon source, any one or more selected from among glucose, cellulose acetate, pyromellitic acid, acetone and ethanol may be used, and pyromellitic acid is preferably used.

이렇게 제조한 제1 혼합물을 볼밀하여 파우더를 수득한다.The first mixture thus prepared is ball milled to obtain a powder.

볼밀은 건식 볼밀(dry ball-mill)을 수행하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 습식 볼밀(wet ball-mill)를 수행할 수도 있다.The ball mill is preferably a dry ball mill, but the present invention is not limited thereto, and a wet ball mill may be used.

이렇게 제1 혼합물의 볼밀을 통해 수득한 파우더를 불활성 기체 분위기 하에 250~ 350℃에서 1차 소결한다. The powder thus obtained through the ball mill of the first mixture is first sintered at 250 to 350 DEG C under an inert gas atmosphere.

여기서 불활성 기체는 질소(N), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 및 라돈(Rn) 중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 아르곤을 사용할 수 있으며, 1차 소결은 5~ 7시간 동안 수행할 수 있다. Here, the inert gas may be any one selected from nitrogen (N), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) and radon Can be used, and the first sintering can be performed for 5 to 7 hours.

다음으로, 1차 소결된 파우더를 불활성 기체 분위기 하에 550~ 650℃에서 2차 소결한다. Next, the first-sintered powder is secondarily sintered at 550 to 650 ° C under an inert gas atmosphere.

2차 소결에서 사용될 수 있는 불활성 기체 역시 질소(N), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 및 라돈(Rn) 중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 아르곤을 사용할 수 있으며, 2차 소결은 11~ 13시간 동안 수행할 수 있다.The inert gas usable in the secondary sintering may also be any one selected from nitrogen (N), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) and radon However, argon can be preferably used, and secondary sintering can be performed for 11 to 13 hours.

앞서 설명한 1차 소결 및 2차 소결은 불활성 기체의 흐름(flow)이 있는 상태에서 수행될 수 있는데, 이는 파우더에 포함되어 있는 철(Fe)의 산화를 방지하기 위함이다.The above-described primary sintering and secondary sintering can be performed with an inert gas flow in order to prevent the oxidation of iron (Fe) contained in the powder.

마지막으로, 2차 소결된 파우더를 탄소원과 혼합한 제2 혼합물을 불활성 기체 분위기 하에 550~ 650℃에서 3차 소결하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 제조한다.Finally, a second mixture obtained by mixing the second sintered powder with a carbon source is thirdly sintered at 550 to 650 ° C under an inert gas atmosphere to prepare a cathode active material according to an embodiment of the present invention.

여기서, 탄소원은 폴리비닐알코올, 폴리올레핀, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 전분, 그래뉴당, 아크릴로니트릴, 디비닐벤젠, 비닐아세테이트, 글루코오스, 아세트산셀룰로오스, 피로멜리트산, 아세톤 및 에탄올 중 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 피로멜리트산을 사용하는 것이 바람직하다.Here, the carbon source may be at least one selected from among polyvinyl alcohol, polyolefin, polyacrylonitrile, cellulose, starch, granule, acrylonitrile, divinylbenzene, vinyl acetate, glucose, cellulose acetate, pyromellitic acid, acetone and ethanol Can be used, and pyromellitic acid is preferably used.

제2 혼합물에서 파우더: 탄소원은 92~ 98: 8~ 2의 중량 비율로 혼합될 수 있다. In the second mixture, the powder: carbon source may be mixed in a weight ratio of 92 to 98: 8 to 2.

3차 소결에서 사용될 수 있는 불활성 기체 역시 질소(N), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 및 라돈(Rn) 중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 아르곤을 사용할 수 있으며, 3차 소결은 1~ 3시간 동안 수행할 수 있다.The inert gas usable in the third sintering may also be any one selected from nitrogen (N), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) and radon However, argon can be preferably used, and the third sintering can be performed for 1 to 3 hours.

그러면, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 포함하는 나트륨 이차전지에 대해서 상세하게 설명한다.Hereinafter, a sodium secondary battery including a cathode active material according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

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

도 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 분리막(4)을 포함한다. 1, a sodium secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention includes an anode 3, a cathode 2, and a separator 4.

양극(3), 음극(2) 및 분리막(4)이 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5) 내부에 수용될 수 있다. 전지케이스(5) 내부에는 유기전해액이 주입될 수 있고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 있다. 전지케이스(5)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 대형박막형일 수도 있다.The anode 3, the cathode 2, and the separator 4 may be wound or folded to be accommodated in the battery case 5. An organic electrolytic solution can be injected into the battery case 5 and is sealed with a cap assembly 6. The battery case 5 may have a cylindrical shape, a rectangular shape, a thin film shape, or the like, but is not limited thereto and may be a large thin film type.

양극(3) 및 음극(2) 사이에 분리막(4)이 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 나트륨 이차전지가 완성된다.A separator (4) is disposed between the anode (3) and the cathode (2) to form a battery structure. After the cell structure is laminated in the bi-cell structure, the cell structure is impregnated with the organic electrolyte solution, and the resultant product is received in the pouch and sealed, thereby completing the sodium secondary battery.

이하에서는, 각 구성에 대해서 상세하게 설명한다.Hereinafter, each configuration will be described in detail.

본 실시예에 따른 나트륨 이차전지(1)에서 음극(2)은 나트륨 금속, 나트륨 금속 기반의 함금, 나트륨 삽입 화합물(sodium intercalating compound) 또는 탄소계 재료를 포함할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 음극활물질로 사용될 수 있는 것으로서 나트륨을 포함하거나 나트륨을 흡장/방출할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 여기서, 나트륨 금속 기반의 합금으로는 예를 들어 알루미늄, 주석, 인듐, 칼슘, 티타늄, 바나듐 등과 나트륨의 합금을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. In the sodium secondary battery 1 according to the present embodiment, the cathode 2 may include, but is not necessarily limited to, a sodium metal, a sodium metal-based alloy, a sodium intercalating compound, or a carbon- Any material that can be used as an anode active material in the technical field includes sodium or can absorb / release sodium. The sodium metal-based alloy may include, but is not limited to, an alloy of aluminum, tin, indium, calcium, titanium, vanadium, etc. with sodium.

음극(2)은 일반적으로 3~ 500㎛ 두께의 금속 상태의 나트륨이 사용될 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The cathode 2 may be made of metal in a thickness of 3 to 500 μm and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

나트륨 금속 또는 나트륨 합금 이외의 음극 활물질을 이용하는 경우, 그래핀 구조를 가지는 탄소계 재료 등을 이용할 수 있다. 흑연, 흑연화탄소 등의 재료의 혼합 음극이나, 탄소계 재료와 금속 또는 합금과의 혼합음극, 복합음극을 사용할 수 있다. 탄소계 재료로서는, 나트륨 이온을 전기화학적으로 흡장방출할 수 있는 천연흑연, 인조흑연, 메소페이즈탄소, 팽창흑연, 탄소섬유, 기상성장법 탄소섬유, 피치계 탄소질재료, 니들코크스, 석유코크스, 폴리아크릴로나이트릴계 탄소섬유, 카본블랙 등의 탄소질재료, 또는 5원환 또는 6원환의 환식 탄화수소 또는 환식 함산소 유기화합물을 열분해에 의해서 합성한 비정질계 탄소재료, 등이 사용될 수 있다.When a negative electrode active material other than a sodium metal or a sodium alloy is used, a carbon-based material having a graphene structure or the like can be used. A mixed cathode of a material such as graphite and graphitic carbon, a mixed cathode of a carbon-based material and a metal or an alloy, and a composite cathode may be used. As the carbonaceous material, natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, expanded graphite, carbon fiber, vapor growth carbon fiber, pitch carbonaceous material, needle coke, petroleum coke, A carbonaceous material such as polyacrylonitrile-based carbon fiber or carbon black, or an amorphous carbon material synthesized by thermal decomposition of a cyclic hydrocarbon or a cyclic oxygen-containing organic compound of a 5-membered ring or a 6-membered ring.

분리막(4)은 양극(2)과 음극(3) 사이에 개재될 수 있으며, 나트륨전지의 사용 환경에 견딜 수 있는 조성이라면 한정되지 않고, 예를 들어 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름을 예시할 수 있으며, 이들을 2종 이상 병용하는 것도 가능하다.The separator 4 may be interposed between the anode 2 and the cathode 3. The separator 4 is not limited as long as it can withstand the use environment of the sodium battery. For example, a nonwoven fabric made of polypropylene or polyphenylene sulfide A nonwoven fabric such as a nonwoven fabric of polyethylene or polypropylene, or a porous film of an olefin resin, or a combination of two or more of them may be used.

분리막(4)은 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.The separator 4 may have a low resistance to ion movement of the electrolyte and an excellent ability to impregnate the electrolyte. For example, glass fiber, polyester, Teflon, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be nonwoven fabric or woven fabric.

전해액은 나트륨을 이온상태로 포함한 액체로서, 전해질이 되는 나트륨염을 용매에 용해한 것이다. The electrolyte is a liquid containing sodium in an ionic state, and the sodium salt as an electrolyte is dissolved in a solvent.

전해질로 사용되는 나트륨염은 NaClO4, NaPF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(CF3SO2)2, NaN(C2F5SO2)2, NaC(CF3SO2)3 등이 사용될 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 나트륨염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.Sodium salt used as an electrolyte is NaClO 4, NaPF 6, NaBF 4 , NaCF 3 SO 3, NaN (CF 3 SO 2) 2, NaN (C 2 F 5 SO 2) 2, NaC (CF 3 SO 2) 3 , etc. May be used, but are not necessarily limited thereto and can be used as sodium salts in the art.

전해질을 용해시키는 유기용매로는, 극성유기용매가 사용될 수 있다.As the organic solvent for dissolving the electrolyte, a polar organic solvent may be used.

유기용매로는 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 폴리에틸렌글리콜디메Examples of the organic solvent include dimethyl ether, diethyl ether, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, ethylene carbonate, propylenecarbonate, butylene carbonate, but are not limited to, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate,? -butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, Butyl ether, tetraglyme, diglyme, polyethylene glycol dime

틸에테르, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 2,2-디메틸테트라하이드로퓨란, 2,5-디메틸테트라하이드로퓨란, 시클로헥사논, 트리에틸아민, 트리페닐아민, 트리에텔포스핀옥사이드, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드,1,3-디옥솔란, 및 설포란(sulfolane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 유기용매를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 유기용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.Methyltetrahydrofuran, 2,2-dimethyltetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, cyclohexanone, triethylamine, triphenylamine, triethylphosphine oxide, But are not limited to, one or more organic solvents selected from the group consisting of acetonitrile, dimethylformamide, 1,3-dioxolane, and sulfolane, and if they can be used as organic solvents in the art Everything is possible.

양극(3)은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질, 도전재 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 집전체 위에 직접 코팅되어 있을 수 있다. In the anode 3, the cathode active material composition in which the cathode active material, the conductive material, and the solvent are mixed according to one embodiment of the present invention may be directly coated on the current collector.

양극 활물질 조성물의 도전재로는 고비표면적의 탄소재료, 예를 들면 카본블랙, 활성탄, 아세틸렌블랙, 흑연 미립자의 1종 이상이 포함될 수 있다. 또한, 기상성장 탄소, 또는 피치(석유, 석탄, 콜타르 등의 부생성물)를 고온에서 탄화시켜 제조한 섬유, 아크릴 섬유(Polyacrylonitrile)로부터 제조한 탄소섬유 등의 전기전도성 섬유도, 도전재로서 사용할 수 있다. 탄소섬유와 고비표면적의 탄소재료를 동시에 사용할 수 있다. 탄소섬유와 고비표면적의 탄소재료를 동시에 사용함에 의하여 전기전도성이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 양극의 충방전 범위에서 산화되어 용해하지 않는 재료이며, 양극활물질에 비하여 전기저항의 낮은 금속계 도전재를 사용할 수 있다. 예를 들어 티탄, 금 등의 내식성 금속, SiC나 WC등의 카바이드, Si3N4, BN등의 질화물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 도전재로 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다.As the conductive material of the positive electrode active material composition, one or more of high specific surface area carbon materials such as carbon black, activated carbon, acetylene black, and graphite fine particles may be included. Further, electroconductive fibers such as fibers produced by carbonizing vapor grown carbon or pitch (byproducts such as petroleum, coal, coal tar, etc.) at high temperature and carbon fibers prepared from acrylic fibers (polyacrylonitrile) have. Carbon fiber and a carbon material having a high specific surface area can be used simultaneously. The use of the carbon fiber and the carbon material having a high specific surface area simultaneously can further improve the electric conductivity. Further, a metal-based conductive material having a lower electrical resistance than that of the cathode active material can be used as a material which does not dissolve in the charge and discharge range of the anode. For example, a corrosion-resistant metal such as titanium or gold, a carbide such as SiC or WC, or a nitride such as Si 3 N 4 or BN, but the present invention is not limited thereto, and any material can be used as the conductive material.

양극 활물질 조성물의 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.As the solvent of the positive electrode active material composition, N-methylpyrrolidone, acetone or water may be used, but the present invention is not limited thereto.

양극의 집전체로는 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리, 금, 은, 백금, 알루미늄 합금 또는 스테인리스 등의 금속, 탄소 소재, 활성탄 섬유, 니켈, 알루미늄, 아연, 구리, 주석, 납 또는 이들 합금을 플라즈마 용사, 아크 용사함으로써 형성된 것, 고무 또는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(SEBS) 등 수지에 도전제를 분산시킨 도전성 필름 등을 사용할 수 있다. The collector of the positive electrode may be made of a metal such as nickel, aluminum, titanium, copper, gold, silver, platinum, aluminum alloy or stainless steel, carbon material, activated carbon fiber, nickel, aluminum, zinc, copper, tin, lead, A conductive film obtained by dispersing a conductive agent in a resin such as a rubber or a styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), or the like can be used.

집전체의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 박막상, 평판상, 메쉬상, 네트상, 펀칭상 또는 엠보싱상인 것 또는 이들을 조합한 것(예를 들면, 메쉬상 평판 등) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 집전체 표면에 에칭 처리에 의한 요철을 형성시킬 수 있다.The shape of the current collector is not particularly limited and may be, for example, a thin film, a flat plate, a mesh, a net, a punch or an embossed or a combination thereof (for example, a mesh plate or the like) have. For example, irregularities can be formed on the surface of the current collector by etching.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차전지는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있는데, 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량, 전기저장장치 등에 사용될 수 있다.The sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention may be used in all of the devices requiring a battery pack, for example, a notebook computer, a smart phone, an electric vehicle, Devices and the like.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 일 실시예 일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example 1:  One: NaNa 44 MnMn 00 .3.3 FeFe 22 .7.7 (( POPO 44 )) 22 (P(P 22 OO 77 )의 합성(x= 0.3)) &Lt; / RTI &gt; (x = 0.3)

Na4P2O7 6.286g, FeC2O4·2H2O 11.018g, MnC2O4·2H2O 1.218g, NH4H2PO4 5.272g 및 제1 혼합물 총 중량 대비 5중량%의 피로멜리트산(Pyromellitic acid)을 혼합한 제1 혼합물을 건식 볼밀하여 파우더를 수득하였다.Na 4 P 2 O 7 6.286g, FeC 2 O 4 · 2H 2 O 11.018g, MnC 2 O 4 · 2H 2 O 1.218g, NH 4 H 2 PO 4 pyromellitic acid and 5.272g of a first mixture of 5% by weight, based on the weight of the total of (Pyromellitic acid ) Was blended by dry ball milling to obtain a powder.

수득한 파우더를 아르곤 분위기 하에 300℃에서 6시간 동안 1차 소결 후 펠레타이징(pelletizing)하고, 아르곤 분위기 하에 600℃에서 12시간 동안 2차 소결을 수행하였다.The obtained powder was firstly sintered at 300 DEG C for 6 hours under an argon atmosphere, then pelletized, and secondary sintering was performed at 600 DEG C for 12 hours under an argon atmosphere.

2차 소결이 완료된 파우더/ 피로멜리트산을 95:5 중량%로 혼합하여 제2 혼합물을 제조하고, 제2 혼합물을 아르곤 분위기 하에 600℃에서 2시간 동안 3차 소결을 수행하여 Na4Mn0 .3Fe2 .7(PO4)2(P2O7)를 합성하였다.The second mixture was prepared by mixing the powder / pyromellitic acid with the second sintered powder at a ratio of 95: 5 wt%, and the second mixture was sintered at 600 ° C for 2 hours under an argon atmosphere to obtain Na 4 Mn 0 . 3 Fe 2 .7 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) was synthesized.

실시예Example 2:  2: NaNa 44 MnMn 00 .75.75 FeFe 22 .25.25 (( POPO 44 )) 22 (P(P 22 OO 77 )의 합성(x= 0.75)) &Lt; / RTI &gt; (x = 0.75)

실시예 2에 따른 Na4Mn0 .75Fe2 .25(PO4)2(P2O7)는 실시예 1과 비교하여, FeC2O4·2H2O를 9.182g, MnC2O4·2H2O를 3.045g로 제1 혼합물의 혼합량을 달리한 것 이 외에는 실시예 1과 동일하게 실험을 수행하여 Na4Mn0 .75Fe2 .25(PO4)2(P2O7)를 합성하였다.Embodiment Na 4 Mn 0 .75 Fe 2 .25 (PO 4) 2 according to Example 2 (P 2 O 7) in Example 1 as compared to, FeC 2 O 4 · 2H 2 O to 9.182g, MnC 2 O 4 · 2H 2 O with a 3.045g of carrying out experiments in the same manner as in example 1 except that this one, unlike the mixing amount of the first mixture Na 4 Mn 0 .75 Fe 2 .25 (PO 4) 2 (P 2 O 7) Were synthesized.

실시예Example 3:  3: NaNa 44 MnFeMnFe 22 (( POPO 44 )) 22 (P(P 22 OO 77 )의 합성(x= 1)) (X = 1)

실시예 3에 따른 Na4MnFe2(PO4)2(P2O7)는 실시예 1과 비교하여, Na4P2O7 4.490g, FeC2O4·2H2O 5.771g, MnC2O4·2H2O 2.871g, NH4H2PO4 3.766g로 제1 혼합물의 혼합량을 달리한 것 이 외에는 실시예 1과 동일하게 실험을 수행하여 Na4MnFe2(PO4)2(P2O7)를 합성하였다.The Na 4 MnFe 2 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) according to Example 3 has a higher boiling point than the Na 4 P 2 O 7 Same as 4.490g, FeC 2 O 4 · 2H 2 O 5.771g, MnC 2 O 4 · 2H 2 O 2.871g, Example 1 is to a different blending amount of the first mixture with NH 4 H 2 PO 4 3.766g, except Na 4 MnFe 2 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) was synthesized.

실시예Example 4:  4: NaNa 44 MnMn 1One .5.5 FeFe 1One .5.5 (( POPO 44 )) 22 (P(P 22 OO 77 )의 합성(x= 1.5)) &Lt; / RTI &gt; (x = 1.5)

실시예 4에 따른 Na4Mn1 .5Fe1 .5(PO4)2(P2O7)는 실시예 1과 비교하여, FeC2O4·2H2O 6.121g, MnC2O4·2H2O 6.091g로 제1 혼합물의 혼합량을 달리한 것 이 외에는 실시예 1과 동일하게 실험을 수행하여 Na4Mn1 .5Fe1 .5(PO4)2(P2O7)를 합성하였다.Example 4 Na 4 Mn 1 .5 according to the Fe 1 .5 (PO 4) 2 (P 2 O 7) , as compared to Example 1, FeC 2 O 4 · 2H 2 O 6.121g, MnC 2 O 4 · in the same manner as in example 1 with the 2H 2 O 6.091g to a different blending amount of the first mixture, except that the experiment with Na 4 Mn 1 .5 Fe 1 .5 (PO 4) 2 (P 2 O 7) synthesis of Respectively.

실시예Example 5:  5: NaNa 44 MnMn 22 FeFe (( POPO 44 )) 22 (P(P 22 OO 77 )의 합성(x= 2)) &Lt; / RTI &gt; (x = 2)

실시예 5에 따른 Na4Mn2Fe(PO4)2(P2O7)는 실시예 3과 비교하여, FeC2O4·2H2O 2.886g, MnC2O4·2H2O 5.742g로 제1 혼합물의 혼합량을 달리한 것 이 외에는 실시예 1과 동일하게 실험을 수행하여 Na4Mn2Fe(PO4)2(P2O7)를 합성하였다.Embodiment Na 4 Mn 2 Fe (PO 4 ) according to Example 5 2 (P 2 O 7), as compared to Example 3, FeC 2 O 4 · 2H 2 O 2.886g, MnC 2 O 4 · 2H 2 O 5.742g Na 2 Mn 2 Fe (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the amount of the first mixture was varied.

이하에서는, 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질의 특성에 대해 평가한 결과에 대해서 상세하게 설명한다.Hereinafter, the evaluation results of the characteristics of the cathode active material prepared in Examples 1 to 5 will be described in detail.

먼저 도 2 내지 도 6을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 XRD 측정 결과에 대해 살펴본다.First, referring to FIG. 2 to FIG. 6, the XRD measurement result of the cathode active material according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2 내지 도 6은 각각 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.FIGS. 2 to 6 are graphs showing XRD measurement results of the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 of the present invention, respectively.

도 2 내지 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질은 불순물이 없는 Na4Mn0 .3Fe2 .7(PO4)2(P2O7), Na4Mn0 .75Fe2 .25(PO4)2(P2O7), Na4MnFe2(PO4)2(P2O7), Na4Mn1 .5Fe1 .5(PO4)2(P2O7), 및 Na4Mn2Fe(PO4)2(P2O7) 화합물이 각각 합성된 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIGS. 2 to 6, the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 were Na 4 Mn 0 .3 Fe 2 .7 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) without impurities, Na 4 Mn 0 .75 Fe 2 .25 (PO 4) 2 (P 2 O 7), Na 4 MnFe 2 (PO 4) 2 (P 2 O 7), Na 4 Mn 1 .5 Fe 1 .5 (PO 4) 2 (P 2 O 7 ), and Na 4 Mn 2 Fe (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) were synthesized, respectively.

그러면, 도 7 내지 도 11을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 SEM 측정 결과에 대해 살펴본다.7 to 11, SEM measurement results of the cathode active material according to an embodiment of the present invention will be described.

도 7 내지 도 11은 각각 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질의 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.7 to 11 are photographs showing SEM measurement results of the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 of the present invention, respectively.

도 7 내지 도 11에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질은 대략 300~ 500nm 정도의 입자 크기를 가지는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIGS. 7 to 11, it was confirmed that the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 had a particle size of about 300 to 500 nm.

다음으로, 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질의 전기화학적 특성에 대해 평가한 결과에 대해서 상세하게 설명한다.Next, the evaluation results of the electrochemical characteristics of the cathode active material prepared in Examples 1 to 5 will be described in detail.

본 발명의 실시예에 따른 양극 활물질의 전기화학적 특성에 대해 평가하기 위해, 2032 코인 셀(2032 type coin cell)에 음극으로 나트륨 금속(Na metal), 분리막은 유리 섬유 분리막(glass fiber separator), 전해액은 NaBF4, NaClO4 또는 NaPF6를 1몰 포함하는 에틸렌카르보네이트(ethylene carbonate) 및 프로필렌카르보네이트(propylene carbonate)의 1:1 비율 혼합물을 사용하였으며, 양극으로는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5의 물질을 각각 포함시켜 실험을 수행하였다.In order to evaluate the electrochemical characteristics of the cathode active material according to the embodiment of the present invention, 2032 type coin cells were coated with sodium metal as a negative electrode, glass fiber separator as a separator, A 1: 1 mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate containing 1 mole of NaBF 4 , NaClO 4 or NaPF 6 was used, and as a positive electrode, &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt;

먼저 도 12 내지 도 16을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 포함하는 나트륨 이차전지의 산화환원 구간의 전압을 측정한 결과에 대해서 살펴본다.12 to 16, the results of measurement of the voltage of the redox section of the sodium secondary battery including the cathode active material according to an embodiment of the present invention will be described.

도 12 내지 도 16은 각각 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. FIGS. 12 to 16 are graphs showing the results of measurement of voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 of the present invention. FIG.

도 12 내지 도 16에 나타난 바와 같이, 망간(Mn)의 양이 증가할수록 3.8~ 4V 근처에서의 양극 활물질의 산화환원 반응이 증가하여 높은 에너지 밀도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIGS. 12 to 16, it was confirmed that as the amount of manganese (Mn) increases, the redox reaction of the cathode active material in the vicinity of 3.8 V to 4 V increases and thus has a high energy density.

다음으로, 도 17 내지 도 18을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 포함하는 나트륨 이차전지의 전압에 따른 캐패시터(capacitor)를 측정한 결과에 대해서 살펴본다.17 to 18, the results of measurement of a capacitor according to a voltage of a sodium secondary battery including a cathode active material according to an embodiment of the present invention will be described.

도 17 내지 도 18은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 전압에 따른 캐패시터(dQ/dV) 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.FIGS. 17 to 18 are graphs showing the results of measurement of a change in a capacitor (dQ / dV) according to a voltage of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active material prepared in Examples 1 to 5 of the present invention.

도 17 내지 도 18에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 나트륨 이차전지에서의 각 철 이온(Fe2+/ Fe3+) 및 망간 이온(Mn2+/ Mn3+)의 증감을 확인할 수 있었다.As shown in FIGS. 17 to 18, the increase and decrease in the iron ions (Fe2 + / Fe3 +) and the manganese ions (Mn2 + / Mn3 +) in the sodium secondary battery according to the present example were confirmed.

다음으로, 도 19를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 포함하는 나트륨 이차전지의 수명 주기에 대해서 살펴본다.Next, the life cycle of the sodium secondary battery including the cathode active material according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 19는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조한 나트륨 이차전지의 수명 주기 그래프를 나타낸 그래프이다.19 is a graph showing a life cycle graph of a sodium secondary battery manufactured using the cathode active materials prepared in Examples 1 to 5 of the present invention.

본 실시예에 따른 나트륨 이차전지의 수명 주기를 측정하기 위해 0.2C rate로 충전 및 방전을 시행하였으며, 도 19에 나타난 바와 같이 100 사이클(cycle)까지도 나트륨 이차전지의 용량이 잘 유지되고 있는 것을 확인할 수 있었다.In order to measure the life cycle of the sodium secondary battery according to the present embodiment, charging and discharging were carried out at 0.2 C rate, and it was confirmed that the capacity of the sodium secondary battery was maintained well up to 100 cycles as shown in FIG. I could.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지는 고전압, 고용량, 고효율 특성을 가질 수 있다.As described above, the cathode active material according to one embodiment of the present invention, the secondary battery including the same, the method of manufacturing the same, and the secondary battery including the same can have high voltage, high capacity, and high efficiency characteristics.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

1: 나트륨 이차 전지 2: 음극
3: 양극 4: 분리막
5: 전지케이스 6: 캡 어셈블리
1: sodium secondary battery 2: negative electrode
3: anode 4: membrane
5: Battery case 6: Cap assembly

Claims (15)

하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 양극 활물질.
[화학식 1]
Na4MnxFe3-x(PO4)2(P2O7)
여기서, x는 0.3≤x≤0.75이다.
1. A cathode active material comprising a compound represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Na 4 Mn x Fe 3-x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )
Here, x is 0.3? X? 0.75.
제1항에서,
상기 화학식 1은 Na4Mn0.3Fe2.7(PO4)2(P2O7), 및 Na4Mn0.75Fe2.25(PO4)2(P2O7) 중 선택된 어느 하나 이상인 양극 활물질.
The method of claim 1,
(1) is at least one selected from the group consisting of Na 4 Mn 0.3 Fe 2.7 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ), and Na 4 Mn 0.75 Fe 2.25 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ).
삭제delete 나트륨 전구체, 철 전구체, 망간 전구체, 인산염 전구체, 및 탄소원을 혼합 및 건조하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
상기 제1 혼합물을 1차 소결하는 단계;
상기 1차 소결된 혼합물을 펠릿화하는 단계;
상기 펠릿을 2차 소결하는 단계;
에 의해 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 수득하는 것인 양극 활물질 제조 방법:
[화학식 1]
Na4MnxFe3-x(PO4)2(P2O7)
여기서, 상기 x는 0.3≤x≤0.75이다.
Preparing a first mixture by mixing and drying a sodium precursor, an iron precursor, a manganese precursor, a phosphate precursor, and a carbon source;
Sintering the first mixture;
Pelletizing the primary sintered mixture;
Secondary sintering the pellet;
To obtain a compound represented by the following formula (1): &lt; EMI ID =
[Chemical Formula 1]
Na 4 Mn x Fe 3-x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )
Here, x is 0.3? X? 0.75.
삭제delete 제4항에서,
상기 1차 소결하는 단계는 250~ 350℃ 의 아르곤 분위기 하에서 수행하는 것이고,
상기 2차 소결하는 단계는 550~ 650℃ 의 아르곤 분위기 하에서 수행하는 것인,
양극 활물질의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The first sintering step is performed in an argon atmosphere at 250 to 350 ° C,
Wherein the second sintering step is performed under an argon atmosphere at 550 to 650 ° C.
A method for producing a cathode active material.
제4항에서,
상기 펠릿을 2차 소결하는 단계;이후에
상기 2차 소결된 펠릿과 탄소원을 혼합하여 3차 소결하는 단계;를 더 포함하고,
상기 3차 소결하는 단계는 550~ 650℃의 아르곤 분위기 하에서 수행하는 것인,
양극 활물질의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Second sintering the pellets, and thereafter
Further comprising a third sintering step of mixing the carbon source with the second sintered pellets,
Wherein the third sintering step is performed under an argon atmosphere at 550 to 650 ° C.
A method for producing a cathode active material.
제4항에서,
상기 1차 소결 및 상기 2차 소결은 불활성 기체의 흐름(flow)이 있는 상태에서 수행하는 양극 활물질 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the first sintering and the second sintering are performed in a state in which there is flow of an inert gas.
제7항에서,
상기 1차 소결은 5~ 7시간 동안 수행하고,
상기 2차 소결은 11~ 13시간 동안 수행하고,
상기 3차 소결은 1~ 3시간동안 수행하는 양극 활물질 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The primary sintering is performed for 5 to 7 hours,
The second sintering is performed for 11 to 13 hours,
Wherein the third sintering is performed for 1 to 3 hours.
제7항에서,
상기 2차 소결된 펠릿과 탄소원을 혼합하여 3차 소결하는 단계;는
상기 펠릿:상기 탄소원을 92~ 98: 8~ 2 중량 비율로 혼합하는 양극 활물질 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Mixing and sintering the secondary sintered pellets with a carbon source;
Wherein the pellet is mixed with the carbon source in a weight ratio of 92 to 98: 8 to 2.
제7항에서,
상기 탄소원은 폴리비닐알코올, 폴리올레핀, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 전분, 그래뉴당, 아크릴로니트릴, 디비닐벤젠, 비닐아세테이트, 글루코오스, 아세트산셀룰로오스, 피로멜리트산, 아세톤 및 에탄올 중 선택된 어느 하나 이상인 양극 활물질 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon source is at least one selected from polyvinyl alcohol, polyolefin, polyacrylonitrile, cellulose, starch, granule, acrylonitrile, divinylbenzene, vinyl acetate, glucose, cellulose acetate, pyromellitic acid, acetone, A method for manufacturing an active material.
제4항에서,
상기 나트륨 전구체는 Na4P2O7이고,
상기 인산염 전구체는 (NH4)2HPO4 및 (NH4)H2PO4 중 적어도 하나이고,
상기 철 전구체는 FeC2O4·2H2O이며,
상기 망간 전구체는 MnC2O4·2H2O인 나트륨 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The sodium precursor is Na 4 P 2 O 7 ,
The phosphate precursor is at least one of (NH 4 ) 2 HPO 4 and (NH 4 ) H 2 PO 4 ,
The iron precursor is FeC 2 O 4 .2H 2 O,
Wherein the manganese precursor is MnC 2 O 4 .2H 2 O. The method for producing a cathode active material for a sodium secondary battery according to claim 1,
하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 양극 활물질을 포함하는 양극,
음극, 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치된 전해질을 포함하는 나트륨 이차전지:
[화학식 1]
Na4MnxFe3-x(PO4)2(P2O7)
여기서, x는 0.3≤x≤0.75이다.
A positive electrode comprising a positive electrode active material comprising a compound represented by the following formula (1)
Cathode, and
And an electrolyte disposed between the anode and the cathode, the sodium secondary battery comprising:
[Chemical Formula 1]
Na 4 Mn x Fe 3-x (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 )
Here, x is 0.3? X? 0.75.
제13항에서,
상기 화학식 1은 Na4Mn0.3Fe2.7(PO4)2(P2O7), 및 Na4Mn0.75Fe2.25(PO4)2(P2O7) 중 선택된 어느 하나 이상인 나트륨 이차전지.
The method of claim 13,
Wherein the formula 1 is at least one selected from Na 4 Mn 0.3 Fe 2.7 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ), and Na 4 Mn 0.75 Fe 2.25 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ).
제13항에서,
상기 음극은 나트륨 금속, 나트륨 금속 기반의 합금 및 나트륨 삽입 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 나트륨 이차전지.

The method of claim 13,
Wherein the negative electrode comprises at least one of a sodium metal, an alloy based on a sodium metal, and a sodium insertion compound.

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