다결정질 음극 활물질 및 그 제조 방법
Polycrystalline Anode Active Material and the Preparation Method Thereof
특허 요약
본 발명은 제1 금속의 산화물의 조성을 갖는 제1 결정자(crystallite) 및 제2 금속의 산화물의 조성을 갖는 제2 결정자(crystallite)를 포함하는 다결정질(polycrystalline) 음극 활물질로서, 상기 제1 결정자와 상기 제2 결정자의 결정 입계(grain boundary)는 상기 제1 금속의 원자와 상기 제2 금속의 원자를 연결하는 산소 원자를 따라 형성되어 있는 것인, 다결정질 음극 활물질에 관한 것이다.
청구항
번호청구항
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청구항 17에 있어서,상기 이차전지는 1.0 A/g의 전류 밀도에서 방전시킬 때 1 사이클 방전 용량 대비, 1000 사이클 방전 용량 보존율이 80% 이상인 것인, 이차전지.

1

제1 금속의 산화물의 조성을 갖는 제1 결정자(crystallite); 및제2 금속의 산화물의 조성을 갖는 제2 결정자(crystallite);를 포함하는 다결정질(polycrystalline) 음극 활물질로서,상기 제1 결정자와 상기 제2 결정자의 결정 입계(grain boundary)는 상기 제1 금속의 원자와 상기 제2 금속의 원자를 연결하는 산소 원자를 따라 형성되어 있는 것이고,상기 음극 활물질은 상기 제1 금속의 원자 및 상기 제2 금속의 원자를 1:1 내지 4:1의 몰비로 포함하는 것이며,상기 제1 금속은 니오븀을 포함하고,상기 제2 금속은 몰리브덴을 포함하는 것인, 다결정질 음극 활물질.

2

청구항 1에 있어서,상기 결정 입계는 상기 제1 결정자 및 상기 제2 결정자 중의 적어도 하나에 유래하는 격자 뒤틀림(lattice distortion)을 포함하는 것인, 다결정질 음극 활물질.

3

청구항 1에 있어서,상기 결정 입계는 상기 산소 원자에 유래하는 산소-공공(空孔) 위치(oxygen-vacancy site)를 포함하는 것인, 다결정질 음극 활물질.

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청구항 1에 있어서,상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 각각 독립적으로 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이며, 서로 상이한 것인, 다결정질 음극 활물질.

5

청구항 1에 있어서,상기 제1 결정자 및 상기 제2 결정자는 각각 독립적으로 사방정계 및 단사정계의 적어도 하나의 결정계의 구조를 갖는 것이며, 서로 상이한 것인, 다결정질 음극 활물질.

6

청구항 1에 있어서,상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)이 10 내지 30 ㎛인 것인, 다결정질 음극 활물질.

7

i) 졸-겔법을 이용하여 제1 금속 및 제2 금속을 함유하는 분말을 형성하는 단계;ii) 상기 분말을 1차 열처리하여서 제1 금속의 산화물의 조성을 갖는 제1 결정자를 형성시키는 단계; 및iii) 상기 ii) 단계의 생성물을 상기 1차 열처리 온도보다 높은 온도에서 2차 열처리하여서 제2 금속의 산화물의 조성을 갖는 제2 결정자를 형성시키는 단계;를 포함하는, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 7에 있어서,상기 i) 단계는 (a) 제1 금속의 전구체 화합물 및 제2 금속의 화합물을 유기 용매에 혼합하고 교반하여 졸을 형성하는 단계;(b) 상기 졸로부터 상기 유기 용매를 증발시켜 겔을 형성하는 단계; 및(c) 상기 겔을 건조시켜 상기 제1 금속 및 제2 금속을 함유하는 분말을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 8에 있어서,상기 (b) 단계는 30 내지 60 ℃에서 수행되고, 상기 (c) 단계는 80 내지 120 ℃에서 수행되는 것인, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 7에 있어서,상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 각각 독립적으로 니오븀, 몰리브덴 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이며, 서로 상이한 것인, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 7에 있어서,상기 1차 열처리 및 상기 2차 열처리는 각각 350 내지 550 ℃ 또는 600 내지 800 ℃의 구간의 온도에서 수행되는 것인, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 7에 있어서,상기 음극 활물질은 상기 제1 금속의 원자 및 상기 제2 금속의 원자를 1:4 내지 4:1의 몰비로 포함하는 것인, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 7에 있어서,상기 다결정질 음극 활물질의 제조 방법은, 상기 음극 활물질에 기공을 발생시키는 단계 또는 상기 음극 활물질을 나노 구조(nano-structure)화시키는 단계를 포함하지 않는 것인, 다결정질 음극 활물질의 제조 방법.

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청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 다결정질 음극 활물질을 포함하는 음극.

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청구항 14에 있어서,음극 집전체; 및상기 음극 집전체의 적어도 일면에 상기 음극 활물질을 도포하여 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극.

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청구항 15에 있어서,상기 음극 활물질층의 두께는 1 내지 10 ㎛인, 음극.

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청구항 14에 따른 음극을 포함하고,리튬 이온 또는 칼륨 이온에 의해서 충방전이 이루어지는, 이차전지.

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청구항 17에 있어서,상기 이차전지는 전류 밀도를 0.05 A/g 에서 1.0 A/g으로 증가시키면서 방전시킬 때, 방전 용량 보존율(capacity retention ratio)이 50% 이상인 것인, 이차전지.