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KR20170058673A - Active Materials For Na Secondary Batteries And Mehthods Thereof - Google Patents

Active Materials For Na Secondary Batteries And Mehthods Thereof Download PDF

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KR20170058673A
KR20170058673A KR1020150162560A KR20150162560A KR20170058673A KR 20170058673 A KR20170058673 A KR 20170058673A KR 1020150162560 A KR1020150162560 A KR 1020150162560A KR 20150162560 A KR20150162560 A KR 20150162560A KR 20170058673 A KR20170058673 A KR 20170058673A
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KR
South Korea
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present
sodium
active material
transition metal
buffer layer
Prior art date
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Application number
KR1020150162560A
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Korean (ko)
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최해영
이상민
노판진
박금재
최정희
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한국전기연구원
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Publication date
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Abstract

양호한 전기화학적 특성을 갖는 나트륨 2차 전지의 양극 활물질이 개시된다. 본 발명은 버퍼층이 코팅된 층상 구조의 나트륨 전이금속 산화물 분말; 희생양극물질; 및 도전재를 포함하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질을 제공한다. 본 발명에 따르면 초기 비가역성을 감소시키는 나트륨 2차전지용 양극 활물질을 제공할 수 있고, 공기 중에 노출 시에도 구조변화로 인한 전지의 사이클 특성이 저하되지 않는 나트륨 2차전지를 제공할 수 있게 된다.A positive electrode active material of a sodium secondary battery having good electrochemical characteristics is disclosed. The present invention relates to a layered sodium-transition metal oxide powder coated with a buffer layer; Sacrificial anode material; And a conductive material for a cathode active material for a sodium secondary battery. According to the present invention, it is possible to provide a cathode active material for a sodium secondary battery that reduces initial irreversibility and can provide a sodium secondary battery that does not deteriorate cycle characteristics of the battery due to structural changes even when exposed to air.

Figure P1020150162560
Figure P1020150162560

Description

나트륨 2차 전지용 양극 활물질 및 그 제조 방법{Active Materials For Na Secondary Batteries And Mehthods Thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positive active material for a sodium secondary battery,

본 발명은 나트륨 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양호한 전기화학적 특성을 갖는 나트륨 2차 전지의 양극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a sodium secondary battery, and more particularly, to a cathode active material of a sodium secondary battery having good electrochemical characteristics.

1990년대 이후 리튬 이차전지가 상용화되어, 소형 IT 기기, 전동공구 등에서 핵심 전원으로서 기능하고, 전기자동차 (EV, HEV, PHEV) 등의 전원으로 범위를 넓히고 있다. Lithium secondary batteries have been commercialized since the 1990s, functioning as core power sources for small IT equipment and power tools, and expanding the range of power sources for electric vehicles (EV, HEV, PHEV).

리튬 2차 전지의 주재료인 리튬 자원은 아르헨티나, 볼리비아, 칠레 등 남미대륙에 국한되어 있는데, 리튬 수요가 급증함에 따라 수급 불균형, 원재료 가격 상승, 리튬 보유국의 자원 무기화 등의 문제가 발생하고 있다. Lithium resources, the main material of lithium secondary batteries, are limited to the continental regions of South America, such as Argentina, Bolivia and Chile. As lithium demand soars, supply-demand imbalance, raw material price increases, and lithium-

이에 비하여, 나트륨은 매장량이 풍부하고 가격이 저렴해서 원료 수급 측면에서 매우 유리하다. On the other hand, sodium is rich in reserves and low in price, which is very advantageous in terms of raw material supply and demand.

나트륨 이온전지도 1970년대부터 연구가 시작되었으나, 리튬 전지가 먼저 상용화되어 관심을 끌지 못하다가 비리튬계 Post-Li 전지에 대한 필요성이 대두되어 나트륨이온전지에 대한 본격적인 연구가 진행되고 있다.Sodium-ion batteries have also been studied since the 1970's, but lithium batteries have not been commercialized before, and the need for non-lithium based Post-Li batteries has arisen and full-fledged research is underway on sodium ion batteries.

나트륨 2차 전지는 리튬 2차 전지와 동일한 작동 원리, 유사한 구조로서 2차 전지로서의 가능성은 보였으나, 리튬이차전지의 특성에는 많이 못 미치고 있다. 그러나, 자원 수급이 용이하고, 낮은 코스트 등의 장점을 바탕으로 하여 에너지 저장 및 변환 디바이스로서 현재의 리튬 이차전지 시장의 한계를 극복 할 수 있는 혁신적인 대안이 될 수 있다. The sodium secondary battery has the same working principle as the lithium secondary battery, but has a similar structure. However, the secondary sodium secondary battery is far from the characteristics of the lithium secondary battery. However, it can be an innovative alternative to overcome the limitations of current lithium secondary battery market as an energy storage and conversion device based on advantages such as easy supply of resources and low cost.

나트륨 2차전지에서 양극 활물질로는 NaFePO4 등과 같은 산화물 계열의 물질과 Na3V2(PO4)3, NaFePO4 등의 폴리애니온(polyanion) 계열, NaxTiS2 등의 설파이드 계열, FeF3등의 플루오라이드 계열, NASICON 등의 포스페이트 계열의 물질이 사용되며, 음극 활물질로는 석유 코크스(petroleum cokes), 카본 블랙(carbon black), 하드 카본(hard carbon) 등의 소재가 알려져 있다.As the cathode active material in the sodium secondary battery, an oxide-based material such as NaFePO 4 and the like, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaFePO 4 Polyanion series such as Na x TiS 2 , sulfide series such as Na x TiS 2 , fluoride series such as FeF 3, and phosphate series materials such as NASICON are used. Examples of the anode active material include petroleum cokes, Carbon black, hard carbon, and the like are known.

이중 양극 활물질로는 층상 구조를 갖는 NaMnO2나 Nax[M1 1 -y- zM2 yM3 z]O2 + a (M=Fe, Mn, Cu 등)가 주로 사용되어 있는데, 이 구조는 충방전시 결정 내에서 Na 이온의 확산이 빠르고 쉽게 일어나기 때문에 전지의 성능이 양호한 결과를 보여준다. There are double positive electrode active material is a layered structure NaMnO 2 or Na x [M 1 1 -y- z M 2 y M 3 z] O 2 + a (M = Fe, Mn, Cu , etc.) is mainly used, the The structure shows good performance of the battery because the diffusion of Na ions occurs quickly and easily in the crystal during charging and discharging.

그러나, 전술한 층상 구조의 산화물은 공기중의 이산화탄소 및 수분과의 반응성이 높아 합성 후에도 주변 환경으로 인해 결정구조가 변화하여 전체적인 전지의 충방전 메커니즘에 좋지 않은 영향을 미친다. However, since the oxide of the layered structure has high reactivity with carbon dioxide and moisture in air, the crystal structure changes due to the surrounding environment even after synthesis, which adversely affects the charging / discharging mechanism of the whole battery.

또, 층상 구조를 갖는 산화물들은 예컨대 NaxMnO2 및 Nax[M1 1 -y- zM2 yM3 z]O2 + a 구조에서 Na의 조성이 1 이하로 구성이 되는데, 반쪽셀(half cell)일 경우에는 이러한 구조에서도 음극의 Na 금속에서 Na 이온이 충분히 공급이 되므로 사이클 진행 시 전지내의 Na 이온의 함량 변화가 미미하지만 완전지(full cell)로 제조시에는 음극쪽에는 Na 이온 소스가 없으므로 양극쪽에서 Na 이온이 음극으로 이동한 후 음극 쪽에서 SEI(solid electrolyte interface)를 형성하고 다시 양극 쪽으로 회수되어야 한다. 이 때, 초기에 양극에서 방출된 Na 이온 중 회수되는 이온의 양이 적어진 상태로 계속 충방전이 진행되므로 비가역성이 증가한다는 문제점을 갖는다.In addition, the oxide having a layered structure are for example, Na x MnO 2 and Na x [M 1 1 -y- z M 2 y M 3 z] O 2 + a In this structure there is composed of the following composition of Na 1, the half-cell (half cell), the Na ion in the negative electrode is sufficiently supplied even in such a structure. Therefore, the Na ion content in the cell during the cycle is insignificantly changed. However, in the case of the full cell, Since there is no source, after the Na ions migrate to the cathode on the anode side, SEI (solid electrolyte interface) is formed on the cathode side and then to the anode side. At this time, since the amount of ions recovered from the Na ions released from the anode is reduced in the initial stage, the charge and discharge are continued to increase the irreversibility.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 초기 비가역성을 감소시키는 나트륨 2차전지용 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art described above, it is an object of the present invention to provide a cathode active material for a sodium secondary battery which reduces initial irreversibility.

또한, 본 발명은 공기 중에 노출 시에도 구조변화로 인한 전지의 사이클 특성이 저하되지 않는 나트륨 2차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a sodium secondary battery which does not deteriorate cycle characteristics of a battery due to structural changes even when exposed to air.

또한, 본 발명은 전술한 나트륨 2차전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method for producing the above-described cathode active material for a sodium secondary battery.

또한 본 발명은 전술한 양극 활물질을 포함하는 나트륨 2차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a sodium secondary battery including the above-mentioned cathode active material.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 버퍼층이 코팅된 층상 구조의 나트륨 전이금속 산화물 분말; 희생양극물질; 및 도전재를 포함하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a layered sodium transition metal oxide powder coated with a buffer layer; Sacrificial anode material; And a conductive material for a cathode active material for a sodium secondary battery.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 희생양극물질은 Na 이온 소스를 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 희생양극물질은 Na 이온 소스를 방출하고 제거된다. 일례로서, 상기 희생양극물질은 NaN3를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the sacrificial anode material preferably includes a Na ion source. At this time, the sacrificial anode material releases a Na ion source and is removed. As an example, the sacrificial anode material may comprise NaN 3 .

본 발명에서 상기 나트륨 전이금속 산화물 분말은, NaMnO2또는 Nax[M1 1-y-zM2 yM3 z]O2+ a (여기서, M1,M2,M3는 전이 금속, x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0≤z<1, 0≤a<0.1)일 수 있다. In the present invention, the sodium transition metal oxide powder may be NaMnO 2 or Na x [M 1 1 -yz M 2 y M 3 z ] O 2+ a wherein M 1 , M 2 and M 3 are transition metals, x + y + z = 1, 0? x <1, 0? y <1, 0? z <1, 0? a <0.1).

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 버퍼층은 FePO4,FeP2O7,MnPO4CO3,FePO4F,Fe3(PO4)2(P2O7)및 M2 +α/2(P2O7)2(여기서, 2/3≤α≤7/8, M은 Fe 또는 Mn 이거나 Fe와 Mn의 비가 1:1인 것)으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 최소한 1종의 물질을 포함할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the buffer layer is made of FePO 4 , FeP 2 O 7 , MnPO 4 CO 3 , FePO 4 F, Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) and M 2 + P 2 O 7 ) 2 (wherein 2/3? 7/8, M is Fe or Mn, or a ratio of Fe and Mn is 1: 1) .

본 발명의 일측면에 따르면, 초기 비가역성을 감소시키는 나트륨 2차전지용 양극 활물질을 제공할 수 있게 된다. According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a cathode active material for a sodium secondary battery that reduces initial irreversibility.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 공기 중에 노출 시에도 구조변화로 인한 전지의 사이클 특성이 저하되지 않는 나트륨 2차전지를 제공할 수 있게 된다. In addition, according to another aspect of the present invention, it is possible to provide a sodium secondary battery which does not deteriorate the cycle characteristics of the battery due to structural changes even when exposed to air.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양극의 작동 원리를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 활물질의 투과전자현미경 관찰 결과를 도시한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 코인셀의 충방전 용량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 코인셀의 충방전 용량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 코인셀의 충방전 용량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a diagram schematically showing an operation principle of an anode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing a result of a transmission electron microscope observation of an active material produced according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a result of charge / discharge capacity measurement of a coin cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a charge / discharge capacity measurement result of a coin cell manufactured according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a charge / discharge capacity measurement result of a coin cell manufactured according to another embodiment of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

본 발명에서 양극 활물질은 층상 구조 산화물 분말 및 희생 양극을 포함한다. 본 발명에서 층상 구조 산화물은 전이금속을 포함하는 나트륨 산화물을 포함할 수 있다. 상기 나트륨 산화물은 바람직하게는 NaMnO2나 Nax[M1 1-y-zM2 yM3 z]O2+ a (M=Fe,Mn,Cu등의 전이 금속, x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0≤z<1, 0≤a<0.1) 구조의 활물질을 포함한다.In the present invention, the cathode active material includes a layered structure oxide powder and a sacrificial anode. In the present invention, the layered structure oxide may include a sodium oxide containing a transition metal. The sodium oxide is preferably a transition metal such as NaMnO 2 or Na x [M 1 1 -yz M 2 y M 3 z ] O 2 + a (M = Fe, Mn, Cu, 0? X <1, 0? Y <1, 0? Z <1, 0? A <0.1).

본 발명에서 상기 활물질은 표면에 코팅된 버퍼층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 전이금속을 포함하는 인산화물 예컨대 FePO4,FeP2O7,MnPO4CO3,FePO4F,Fe3(PO4)2(P2O7),M2 +α/2(P2O7)2(여기서, 2/3≤α≤7/8, M은 Fe 또는 Mn 이거나 Fe와 Mn의 비가 1:1인 것)일 수 있다. In the present invention, the active material may include a buffer layer coated on the surface. The buffer layer may include a transition metal containing phosphorous such as FePO 4 , FeP 2 O 7 , MnPO 4 CO 3 , FePO 4 F, Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ), M 2 + 2 O 7 ) 2 (where 2/3? 7/8, where M is Fe or Mn or a ratio of Fe and Mn is 1: 1).

본 발명의 일실시예에서 상기 버퍼층이 코팅된 활물질은 다음의 방법에 의해 제조될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the buffer layer-coated active material can be prepared by the following method.

먼저, NaxMnO2또는 Nax[M1 1 -y- zM2 yM3 z]O2 + a 와 같은 나트륨 전이금속 산화물을 합성한다. 나트륨 전이금속 산화물의 합성에는 고상합성법, 수열합성법, 공침법 또는 졸-겔 합성법 등이 사용될 수 있다. First, the synthesis of sodium transition metal oxides such as Na x MnO 2 or Na x [M 1 1 -y- z M 2 y M 3 z] O 2 + a. The synthesis of the sodium transition metal oxide may be carried out by solid phase synthesis, hydrothermal synthesis, coprecipitation or sol-gel synthesis.

나트륨 전이금속 산화물이 준비된 후, 전이금속을 포함하는 인산화물의 전구체 예컨대 전이금속 산화물이 FePO4의 경우 Fe(NO3)3와 NH4H2PO4와 같은 전구물질이 준비된다. 상기 전구 물질을 탈이온화수나 에틸렌 카보네이트와 같은 용매로 용해하고, 제조된 나트륨 전이금속 산화물을 혼합한 후 교반한다. 적절한 교반을 거친 뒤 혼합 용액을 건조한 후 대략 400℃의 온도에서 열처리하여 버퍼층(FePO4)이 코팅된 전이금속 인산화물을 제조한다.After the sodium transition metal oxide is prepared, precursors such as Fe (NO 3 ) 3 and NH 4 H 2 PO 4 are prepared as precursors of the phosphate containing transition metal such as transition metal oxide FePO 4 . The precursor is dissolved in deionized water or a solvent such as ethylene carbonate, and the prepared sodium transition metal oxide is mixed and stirred. The mixed solution is dried after appropriately stirring and then heat-treated at a temperature of about 400 ° C. to prepare a transition metal phosphate coated with a buffer layer (FePO 4).

나트륨 2차전지의 나트륨 전이금속 산화물은 높은 용량을 가지나 전해액과 반응하여 사이클 특성이 나쁘다는 단점을 갖는다. 본 발명에서 상기 나트륨 전이 금속 산화물의 표면에 형성된 버퍼층은 나트륨 전이금속 산화물과 전해액과의 직접적인 반응을 제한한다. 또한, 버퍼층은 충전시 음극으로 유출된 Na 이온이 방전시 재유입될 때 버퍼층으로서 기능한다.The sodium transition metal oxide of the sodium secondary battery has a high capacity, but has a disadvantage in that the cycle characteristics are poor due to reaction with the electrolytic solution. In the present invention, the buffer layer formed on the surface of the sodium transition metal oxide limits the direct reaction between the sodium transition metal oxide and the electrolyte. Further, the buffer layer functions as a buffer layer when Na ions flowing out to the cathode at the time of charging are re-introduced at the time of discharge.

한편, 본 발명에서 상기 양극은 희생양극물질을 더 포함할 수 있다. 희생 양극 물질은 초기 충전시 Na 이온 소스로 작용한다. 또한, 본 발명에서 희생 양극 물질은 초기 충전시 Na 이온 소스로 작용하면서 잔류하지 않는 임의의 물질이 사용될 수 있다. 예컨대 상기 희생 양극 물질은 NaN3일 수 있다. NaN3는 충전시 Na 이온을 내놓고 기체(N2)로 기화됨으로써 희생 양극물질로 작용할 수 있다. 유사하게, Na2O및 Na2S도 희생양극물질로 사용될 수 있다.Meanwhile, in the present invention, the anode may further include a sacrificial anode material. The sacrificial anode material acts as a Na ion source during the initial charge. Also, in the present invention, the sacrificial anode material may be any material that does not remain while acting as a Na ion source at the time of initial charging. For example, the sacrificial anode material may be NaN 3 . NaN 3 can act as a sacrificial anode material by releasing Na ions upon charging and vaporizing with a gas (N 2 ). Similarly, Na 2 O and Na 2 S may also be used as sacrificial anodic materials.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양극의 작동 원리를 모식적으로 도시한 도면이다. FIG. 1 is a diagram schematically showing an operation principle of an anode according to an embodiment of the present invention.

도 1의 (a)를 참조하면, 양극의 활물질은 버퍼층이 코팅된 나트륨 전이금속 산화물(10A)와 희생양극물질(20A)의 혼합물을 포함하고 있다. 예시적으로, 본 예에서 상기 나트륨 전이금속 산화물(활물질)의 조성은 Na2/3Fe1/3Mn2/3O2이고, 버퍼층의 조성은 FePO4이다. Referring to FIG. 1 (a), the anode active material includes a mixture of a sodium transition metal oxide 10A coated with a buffer layer and a sacrificial anode material 20A. Illustratively, in this example, the composition of the sodium transition metal oxide (active material) is Na 2/3 Fe 1/3 Mn 2/3 O 2 and the composition of the buffer layer is FePO 4 .

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 초기 충전시, NaN3희생양극물질(20A)은 음극으로 Na 이온을 공급하고 그 자리에 공극(Vacancy; 20B)를 생성한다. 또한, 초기 충전시 상기 나트륨 전이금속 산화물(10B)의 표면 버퍼층은 내부로부터 빠져 나오는 Na 이온을 고용하여 (Na, Fe)PO4화합물 조성을 가질 수 있다. 또한 나트륨 전이금속 산화물(10B)의 내부는 표면 버퍼층으로부터의 Fe와 내부의 Mn이 고용된 Fe-Mn-O 화합물 조성을 가질 수 있다. 이에 따라, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 나트륨 전이금속 산화물(10B)은 표면으로부터 내부에 이르기까지 경사 조성을 갖는 화합물 형태로 존재하게 된다. As shown in Fig. 1 (b), at the time of initial charging, the NaN 3 sacrificial anode material 20A supplies Na ions to the cathode and creates a vacancy 20B in its place. Also, at the initial charging, the surface buffer layer of the sodium transition metal oxide 10B may have a (Na, Fe) PO 4 compound composition by solving Na ions exiting from the inside. Further, the inside of the sodium transition metal oxide 10B may have a Fe-Mn-O compound composition in which Fe from the surface buffer layer and Mn inside are dissolved. Thus, as shown in Fig. 1 (b), the sodium transition metal oxide 10B exists in the form of a compound having an inclined composition from the surface to the inside.

본 발명에서, 희생양극물질(20A)로부터 공급되는 Na 이온의 일부는 음극으로 이동하는 한편, 다른 일부는 표면 버퍼층에 고용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 희생음극물질은 버퍼층에 고용되는 Na 이온을 빠른 시간에 포화 상태에 도달하게 할 수 있다. In the present invention, a part of the Na ions supplied from the sacrificial anode material 20A may migrate to the cathode while the other part may be dissolved in the surface buffer layer. Accordingly, in the present invention, the sacrificial anode material can cause Na ions dissolved in the buffer layer to reach the saturation state quickly.

도 1의 (c)는 방전시의 양극의 활물질 상태를 모식적으로 도시한 도면이다. Fig. 1 (c) is a view schematically showing the active material state of the anode at the time of discharge.

도면을 참조하면, 음극으로부터 공급된 Na 이온은 상기 나트륨 전이금속 산화물(10C)의 표면 버퍼층을 거쳐 내부로 유동하게 된다. 이 때, 공급된 Na 이온 중 일부는 상기 나트륨 전이금속 산화물(10C)의 표면에서 반응하여 초기 충전시 표면 버퍼층의 Na 농도가 보다 풍부한 상태로 된다. 추가적으로 공급된 Na 이온은 전이금속 산화물(10C) 내부에서 고용된다. Referring to the drawing, Na ions supplied from the cathode are caused to flow inward through the surface buffer layer of the sodium transition metal oxide (10C). At this time, some of the supplied Na ions react on the surface of the sodium transition metal oxide (10C), so that the Na concentration of the surface buffer layer becomes rich during initial charging. Additional Na ions are incorporated within the transition metal oxide (10C).

본 발명에서 희생양극물질로부터 공급되는 Na 이온이 나트륨 전이금속 산화물의 표면에 고용되게 함으로써 방전시 음극으로부터 유입되는 Na 이온이 나트륨 전이금속 산화물(10B) 내부로 원활하게 유동 할 수 있게 한다. In the present invention, Na ions supplied from the sacrificial anode material are solidified on the surface of the sodium transition metal oxide, so that Na ions introduced from the cathode can smoothly flow into the sodium transition metal oxide 10B during discharge.

이에 따라, 제공된 희생양극물질은 버퍼층과 Na 이온의 반응으로 인한 충방전 용량의 차이를 감소시키며 충방전 가역성을 향상시킬 수 있다. Accordingly, the provided sacrificial anode material can reduce the difference in charge / discharge capacity due to the reaction between the buffer layer and Na ions, and can improve charge / discharge reversibility.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일측면에 따르면 활물질은 버퍼층이 코팅된 나트륨 전이금속 산화물을 포함하는데 버퍼층은 전해액과의 반응을 억제하기 위한 층으로서 작용한다. 이 때, 본 발명의 활물질은 도입된 버퍼층과 Na 이온의 반응에 의한 초기 충전 용량의 감소를 억제하기 위하여 희생양극물질을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 희생양극물질은 초기 충방전시 용량의 차이를 감소시키는 동시에 충방전 사이클의 가역성을 보장한다. As described above, according to one aspect of the present invention, the active material includes a sodium transition metal oxide coated with a buffer layer, and the buffer layer functions as a layer for suppressing the reaction with the electrolyte. At this time, the active material of the present invention may include a sacrificial anode material in order to suppress a decrease in the initial charge capacity due to the reaction of the introduced buffer layer and Na ions. Also, in the present invention, the sacrificial anode material reduces the difference in capacity at the time of initial charge-discharge and ensures the reversibility of the charge-discharge cycle.

또한, 본 발명의 일측면에 따르면, 초기 충전에 의해 소실된 희생양극물질의 공극은 활물질의 반응 표면적을 증가시키는 결과를 나으며 그 결과 충방전 용량이 증가될 수 있게 된다.Also, according to an aspect of the present invention, the void of the sacrificial anode material lost by the initial charging results in increasing the reactive surface area of the active material, and as a result, the charge / discharge capacity can be increased.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

<버퍼층의 코팅>&Lt; Coating of buffer layer &

FePO4 버퍼층이 코팅된 Na0.7MnO2분말을 제조하였다. 분말은 다음의 방법으로 제조되었다. Na 0.7 MnO 2 powder coated with FePO 4 buffer layer was prepared. The powder was prepared in the following manner.

우선 Na0 .7MnO2분말을 준비하였다. Na0 .7MnO2분말은 NaCO3및 Mn3O4분말을 칭량, 혼합 및 분쇄하여 900도 대기 중에서 10시간 열처리하여 제조하였다. First it was prepared Na 0 .7 MnO 2 powder. Na 0 .7 MnO 2 powders were weighed, mixed and pulverized NaCO 3 and Mn 3 O 4 powder was prepared in 900 for 10 hours to heat treatment in air.

준비된 분말의 표면에 FePO4버퍼층을 형성하였다. 버퍼층의 형성을 위하여 Fe 전구체로는 Fe(NO3)3를 사용하였고, P 전구체로는 NH4H2PO4를 사용하였다. Fe(NO3)3및 NH4H2PO4를 탈이온화수에 용해하고 Na0 .7MnO2분말을 투입하여 교반하였다. 이 때, 원료 물질은 Na0.7MnO2:FePO4가 중량비로 19:1이 되도록 배합하였다.An FePO 4 buffer layer was formed on the surface of the prepared powder. For the formation of the buffer layer, Fe (NO 3 ) 3 was used as the Fe precursor and NH 4 H 2 PO 4 was used as the P precursor. Fe (NO 3 ) 3 and NH 4 H 2 PO 4 were dissolved in deionized water and Na 0 .7 MnO 2 powder was added and stirred. At this time, the raw material was blended so that the ratio of Na 0.7 MnO 2 : FePO 4 was 19: 1 by weight.

이어서, 드라이 오븐에서 충분한 시간 동안 건조하였다. 이어서, 얻어진 건조 분말을 400℃의 온도에서 열처리하였다. Then, it was dried in a dry oven for a sufficient time. Then, the obtained dried powder was heat-treated at a temperature of 400 ° C.

도 2는 제조된 활물질의 투과전자현미경 관찰 결과를 도시한 사진이다. 도 2의 (a)는 활물질의 투과전자현미경인데, 입자 표면에 형성된 코팅층을 확인할 수 있다. 또한, 도 2의 (b) 내지 (f)는 도 2의 사진의 위치에 대응하여 Na, Mn, Fe, P 및 O의 분포를 나타낸 분석 결과인데, 이들 도면으로부터 표면에 Fe 및 P의 존재를 확인할 수 있으며, 이로부터 분말 표면에 FePO4코팅층이 형성되었음을 알 수 있다. 2 is a photograph showing a result of a transmission electron microscope observation of the produced active material. FIG. 2 (a) is a transmission electron microscope of the active material, and a coating layer formed on the particle surface can be confirmed. 2 (b) to 2 (f) show the results of analysis showing the distribution of Na, Mn, Fe, P and O corresponding to the position of the photograph of FIG. 2. From these figures, It can be seen from this that the FePO 4 coating layer is formed on the powder surface.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

버퍼층이 코팅되지 않은 Na0 .7MnO2분말을 활물질로 하고, 도전재(슈퍼 P 블랙) 및 바인더(PVDF)를 NMP 용매에 용해하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 알루미늄 호일에 도포하여 φ14 mm인 원형모양으로 펀칭하여 양극을 제조하였다. A slurry was prepared by dissolving a conductive material (Super P black) and a binder (PVDF) in an NMP solvent with Na 0 .7 MnO 2 powder not coated with a buffer layer as an active material. The slurry thus prepared was applied to an aluminum foil and punched into a circular shape of? 14 mm to prepare a positive electrode.

대극(보조 전극)으로 Na 금속판을 사용하여 2032 코인셀 형태의 하프셀을 제조하였다. 분리막으로는 글라스 파이버를 사용하였고, 전해액으로는 EC/PC가 부피비로 1:1이고 5wt% FEC가 첨가된 용매에 NaClO4을 용해한 1M NaClO4용액을 사용하였다.A 2032 coin cell type half cell was fabricated using a Na metal plate as the counter electrode (auxiliary electrode). Glass fiber was used as a separator, and a 1M NaClO 4 solution in which EC / PC was 1: 1 in volume ratio and NaClO 4 was dissolved in a solvent containing 5 wt% FEC was used as an electrolyte.

제조된 코인셀의 충방전 특성 및 사이클 특성을 평가하였다. 측정 장비로는 원아텍(Won a-tech.)사의 WBCS 3000 Battery Cycler System를 사용하였고, 충방전 컷-오프 전압은 2~3.8V, 정전류 밀도는 0.05C, 5~10mAh/g로 하였다.The charge and discharge characteristics and cycle characteristics of the prepared coin cell were evaluated. The WBCS 3000 Battery Cycler System manufactured by Won a-tech Co., Ltd. was used as a measuring device, and the charge-discharge cut-off voltage was 2 to 3.8 V, the constant current density was 0.05 C, and 5 to 10 mAh / g.

도 3은 본 실시예에 따라 제조된 코인셀의 충방전 용량 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing a result of charge / discharge capacity measurement of a coin cell manufactured according to the present embodiment.

도 3을 참조하면, 최초 사이클(1st cycle)에서 충전 용량(적색 도트)이 방전 용량(청색 도트) 보다 작으며, 초기 사이클에서는 높은 쿨롱 효율을 나타내지만 이후 사이클에서 감소함을 알 수 있다. 또한, 도 3으로부터 사이클을 거듭할수록 충방전 용량이 점차 감소함을 보여주고 있다. 즉 본 실시예에 따라 제조된 코인셀은 초기 용량 및 비가역이 좋으나 사이클이 진행될수록 수명이 떨어지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the charge capacity (red dot) is smaller than the discharge capacity (blue dot) in the first cycle and shows high Coulomb efficiency in the initial cycle, but decreases in the subsequent cycle. It is also shown from Fig. 3 that the charge / discharge capacity gradually decreases as the cycle is repeated. That is, it can be seen that the coin cell manufactured according to this embodiment has a good initial capacity and irreversible capacity, but the life span decreases as the cycle progresses.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

FePO4 버퍼층이 코팅된 Na0 .7MnO2분말을 양극 활물질로 한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 하프셀을 제조하였다. 실시예 1과 마찬가지로 제조된 코인셀의 충방전 특성 및 사이클 특성을 평가하였다.A half cell was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the Na 0 .7 MnO 2 powder coated with the FePO 4 buffer layer was used as the cathode active material. The charge / discharge characteristics and cycle characteristics of the prepared coin cell were evaluated in the same manner as in Example 1.

도 4는 본 실시예에 따라 제조된 코인셀의 충방전 용량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing a result of charge / discharge capacity measurement of a coin cell manufactured according to the present embodiment.

본 실시예에서는 사이클 특성은 도 3보다 향상되었으나, 여전히 저조한 초기 비가역성을 나타냄을 알 수 있다.In the present embodiment, the cycle characteristics are improved as compared with those in FIG. 3, but still show poor initial irreversibility.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

FePO4버퍼층이 코팅된 Na0 .7MnO2분말과 NaN3희생양극물질의 중량비가 9:1이 되도록 칭량하여 활물질을 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하프셀을 제조하였다. 실시예 1과 마찬가지로 제조된 코인셀의 충방전 특성 및 사이클 특성을 평가하였다.A half cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the active material was weighed so that the weight ratio of the Na 0 .7 MnO 2 powder coated with the FePO 4 buffer layer to the NaN 3 sacrificial anode material was 9: 1. The charge / discharge characteristics and cycle characteristics of the prepared coin cell were evaluated in the same manner as in Example 1.

도 5는 본 실시예에 따라 제조된 코인셀의 충방전 용량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a result of charge / discharge capacity measurement of a coin cell manufactured according to the present embodiment.

도 5를 참조하면, 실시예 1 및 2에 비하여 초기 충전 및 방전 용량의 차이가 현격히 감소하여 비가역성이 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 사이클이 반복됨에 따라 충방전 용량이 일정한 수준을 유지하고 있음을 알 수 있으며, 사이클에 무관하게 쿨롱 효율이 일정한 수준으로 유지되고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the difference between the initial charging and discharging capacities is significantly reduced as compared with Embodiments 1 and 2, and the irreversibility is remarkably improved. Also, it can be seen that the charge / discharge capacity is maintained at a constant level as the cycle is repeated, and the Coulomb efficiency is maintained at a constant level regardless of the cycle.

Claims (6)

버퍼층이 코팅된 층상 구조의 나트륨 전이금속 산화물 분말;
희생양극물질; 및
도전재를 포함하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질.
A layered sodium transition metal oxide powder coated with a buffer layer;
Sacrificial anode material; And
A cathode active material for a sodium secondary battery comprising a conductive material.
제1항에 있어서,
상기 희생양극물질은 Na 이온 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the sacrificial anode material comprises a Na ion source.
제1항에 있어서,
상기 희생양극물질은 Na 이온 소스를 방출하고 제거되는 것을 특징으로 하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the sacrificial anode material releases and is removed from the Na ion source.
제3항에 있어서,
상기 희생양극물질은 NaNO3를 포함하는 것을 특징으로 하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질.
The method of claim 3,
Wherein the sacrificial anode material comprises NaNO 3 .
제1항에 있어서,
상기 나트륨 전이금속 산화물 분말은,
NaMnO2또는 Nax[M1 1 -y- zM2 yM3 z]O2 + a (여기서, M1,M2,M3는 전이 금속, x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0≤z<1, 0≤a<0.1)인 것을 특징으로 하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질.
The method according to claim 1,
The sodium transition metal oxide powder,
NaMnO 2 or Na x [M 1 1 -y- z M 2 y M 3 z] O 2 + a ( where, M 1, M 2, M 3 is a transition metal, x + y + z = 1 , 0≤x Lt; 1, 0? Y <1, 0? Z <1, 0? A <0.1).
제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 FePO4,FeP2O7,MnPO4CO3,FePO4F,Fe3(PO4)2(P2O7)및 M2 +α/2(P2O7)2(여기서, 2/3≤α≤7/8, M은 Fe 또는 Mn 이거나 Fe와 Mn의 비가 1:1인 것)으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나트륨 2차전지용 양극 활물질.
The method according to claim 1,
The buffer layer is FePO 4, FeP 2 O 7, MnPO 4 CO 3, FePO 4 F, Fe 3 (PO 4) 2 (P 2 O 7) , and M 2 + α / 2 (P 2 O 7) 2 ( wherein, 2/3?? 7/8, M is Fe or Mn, or a ratio of Fe and Mn is 1: 1). Active material.
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