원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 양극활물질
Method for manufacturing layered structure cathode active material for sodium secondary batteries by element substitution and cathode active material manufactured by this method
특허 요약
본 발명은 금속산화물 분말에서 치환하는 금속산화물 전구체 함량을 조절하여 추가적인 공정 없이 합성단계에서 양극활물질 제조 후 향상된 전기화학 성능을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 양극활물질에 관한 것이다. 본 발명은 고상합성법을 이용한 양극활물질의 제조 공정으로 합성한 원소 치환을 통한 향상된 성능을 가진 P2형 층상구조로써, 원소 치환이 용이하며, 원소 치환에 따른 양극활물질의 구조 제어가 가능하여 기존의 양극활물질에 비해 안정된 전기화학적 성능을 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한 충전과정에서 지속적인 나트륨 이온의 탈리에 따른 구조 붕괴에도 고전압 영역대에서 비교적 안정한 구조를 유지함에 따라 우수한 수명특성도 함께 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 고상합성법을 이용한 원소 치환이 용이한 공정으로, 금속산화물 분말에서 치환하는 금속산화물 전구체 함량을 조절하여 추가적인 공정 없이 합성단계에서 양극활물질 제조 후 향상된 전기화학 성능을 구현할 수 있는 효과가 있다. 따라서 본 발명에 따라 제조된 나트륨 이차전지는 장기 수명특성을 필요로 하는 자동차용 전지 또는 대용량의 에너지 저장 시스템 등에 응용이 가능할 것으로 기대된다.
청구항
번호청구항
10

제1항에 있어서,상기 하소 단계(S600)에서, 하소한 펠릿(pellet)은 하기 [화학식 1]로 표기되는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.[화학식 1]Na0.7Ni0.2Co0.2Mn0.6-xMxO2 (M=Al, Fe, Ti, Mg, 또는 Mo, 0≤x≤0.1)

1

나트륨 전구체와 금속산화물 전구체를 매질과 혼합 및 분쇄하여 금속산화물 분말을 제조하는 혼합 및 분쇄 단계(S100);상기 금속산화물 분말을 가열 교반을 통해 매질을 증발시킨 후 합성된 금속산화물 분말을 포집하는 건조 단계(S200);포집한 금속산화물 분말을 성형수단을 이용하여 펠릿(pellet)을 성형하는 1차 성형 단계(S300);1차 성형한 펠릿(pellet)을 1차 열처리하여 고상합성하는 소결 단계(S400);1차 열처리한 펠릿(pellet)을 분쇄후, 성형수단을 이용하여 재성형하는 2차 성형 단계(S500); 및2차 성형한 펠릿(pellet)을 2차 열처리하여 고상합성하는 하소 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

2

제1항에 있어서,상기 혼합 및 분쇄 단계(S100)에서, 나트륨 전구체는 Na2CO3, NaNO3, NaOH으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

3

제1항에 있어서, 상기 혼합 및 분쇄 단계(S100)에서, 금속산화물 전구체는 Co3O4, Ni(OH)2, Mn2O3 또는 Al2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

4

제1항에 있어서, 상기 혼합 및 분쇄 단계(S100)에서, 매질은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤 또는 헥센으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

5

제1항에 있어서,상기 건조 단계(S200)에서, 금속산화물 분말은 85±2℃로 가열 교반하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

6

제1항에 있어서,상기 1차 성형 단계(S300)에서, 포집한 금속산화물 분말은 10±2 MPa, 20±2 sec의 조건으로 가압하여 펠릿(pellet) 형상으로 성형하는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

7

제1항에 있어서,상기 소결 단계(S400)에서, 1차 성형한 펠릿(pellet)은 500~600℃에서 4±0.5시간 동안 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

8

제1항에 있어서,상기 2차 성형 단계(S500)에서, 재성형은 분쇄한 1차 펠릿(pellet)을 10±2 MPa, 40±4 sec의 조건으로 가압하여 펠릿(pellet) 형상으로 성형하는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

9

제1항에 있어서,상기 하소 단계(S600)에서, 2차 성형한 펠릿(pellet)을 800~900℃에서 15±1시간 동안 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

11

제10항에 있어서,상기 하소 단계(S600)에서, 하소한 펠릿(pellet)은 P2형 층상구조인 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질의 제조방법.

12

청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 양극활물질로서, 하기 [화학식 1]로 표기되는 것을 특징으로 하는 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질.[화학식 1]Na0.7Ni0.2Co0.2Mn0.6-xMxO2 (M=Al, Fe, Ti, Mg, 또는 Mo, 0≤x≤0.1)

13

청구항 12의 원소 치환을 통한 나트륨 이차전지용 층상구조 양극활물질을 포함하는 양극재를 구비한 이차전지.