KR101907240B1

KR101907240B1 - 전극재료의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 전극재료

Info

Publication number: KR101907240B1
Application number: KR1020147013836A
Authority: KR
Inventors: 치아친 장; 유춘 첸; 준웨이 후앙; 루시 리우; 리제인 허
Original assignee: 타이완 호펙스 케미칼스 엠에프지.컴퍼니, 리미티드
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2018-10-11
Also published as: JP6062445B2; KR20180110245A; US20140329149A1; WO2013059988A1; KR20140096076A; CN103283065A; CN103283065B; US9748558B2; JP2014534575A

Abstract

본 발명은 산성 도금조를 제공하는 단계; 이산화티타늄 분말, 금속염류 및 환원제를 상기 산성 도금조에 투입하여 전구물을 획득하는 단계; 및 상기 전구물을 열처리하여 전극재료를 획득하는 단계를 포함하는 전극재료의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법으로 제조된 전극재료를 배터리에 응용하면 배터리는 높은 전기용량을 지닐 수 있으며, 또한 긴 사용수명을 갖출 수 있다. 본 발명은 또한 코어는 이산화티타늄이고, 쉘은 환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류로서 상기 코어 표면에 피복되는 코어쉘 구조를 갖는 복수의 입자를 포함하는 전극재료에 관한 것이다.

Description

전극재료의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 전극재료{METHOD FOR PREPARING ELECTRODE MATERIALS AND ELECTRODE MATERIALS PRODUCE THEREFROM}

본 발명은 전극재료의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 리튬이온 이차전지용 음극재료의 제조방법에 관한 것이다.

현재 전자, 정보, 생물의학 등 설비 및 기재의 크기가 갈수록 경박단소화되고 있으며, 따라서 이에 대응하여 사용되는 배터리 역시 부피가 작고 장시간 사용해도 높은 전기 저장량과 높은 방전량을 유지하는 등의 장점이 요구되면서 이러한 특질의 수요에 부합되는 리튬이온 배터리(Lithium ion battery)가 점차 관련 학계와 업계의 중시를 받고 있다.

리튬이온 배터리의 주요 부재는 양극(LiCoO₂,LiMn₂O₄,LiFePO₄등), 전해액, 분리막, 및 음극(탄소계 재료 및 티타늄계 재료 등)을 포함한다. 리튬이온 배터리의 작업 원리는 리튬이온이 양, 음 두 전극 사이에서 삽입과 삽출 동작을 진행하면서 충방전을 완료하는 반응을 이용한 것으로, 또한 이러한 충방전 화학반응은 이하 각종 화학 반응식으로 귀납될 수 있다. 그 중 M은 Co, Ni, 또는 Mn이며, 충전 시 반응 방향은 우측을 향하고, 방전 시 반응 방향은 좌측을 향한다:

양극 반응: LiMO₂←→ Li(1-x)MO₂+ xLi⁺ + xe^-

음극 반응: C₆+ xLi⁺ + xe^- ←→ LixC₆

전반응: LiMO₂+ C₆←→ Li(1-x)MO₂+ LixC₆

최근 몇 년간, MoO₂, SnO₂, CoO₂, CuO, FeO, Li₄Ti₅O₁₂및 TiO₂ 등과 같은 각종 과도금속 산화물은 이미 리튬이온 배터리의 음극에 연구 응용되었다. 그 중, TiO₂와 Li₄Ti₅O₁₂등 티타늄계 재료는 이미 광범위하게 연구 응용되었으며, 이러한 재료의 결정체는 구조가 안정적이어서, 충방전으로 인한 부피 변화율이 매우 낮기 때문에(0.2% 미만), 따라서 반복수명이 대단히 우수하여(1500회 이상) 종래의 탄소계 재료를 대체하여 리튬이온 배터리의 음극재료로 사용할 경우, 안전성 방면의 문제를 해결할 수 있는 것으로 알려졌다. 그러나 도전성이 나쁘고 전기용량이 비교적 낮은 점은(약 180mAh/g) 리튬이온 배터리의 음극으로 사용할 경우 가장 극복해야 할 문제이다.

미국특허 제6007945호는 고체상 반응 수법을 이용하여 각기 다른 비율에 따라 TiO₂및 SnO₂를 리튬이온 배터리 음극재료에 혼합 응용하는 방법을 공개하였다. 내용 중 Ti 및 Sn 원자비가 각각 Ti₆Sn₅ 및 Ti₂Sn인 비율로 상업용 TiO₂및 SnO₂ 분말재료를 고르게 혼합하고, 혼합물을 1100℃에서 소결한 후 평균 입도가 약 15μm에 이르도록 분쇄한 다음, 이어서, 이 활성분말재료를 5wt%의 도전성 탄소(예를 들어 석유 코크스(fine petroleum coke)) 및 점착제(예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride))와 배합하여 고르게 슬러리 혼합하여 작업 전극을 제작하였으며, LiCoO₂를 상대전극으로 전기성 테스트를 실시한 결과, 원자비가 Ti₆Sn₅ 및 Ti₂Sn인 전극의 가역용량은 각각 1130mA/cm³ 및 1110mA/cm³(전극밀도는 모두 3.65g/cm³)이고, LiCoO₂ 전체 배터리의 최초 작업전압은 약 3.5V이며, 또한 50회 반복 후에도 3.2V의 안정적인 전압을 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

문헌 Materials Research Bulletin, 46(2011)492-500은, 고에너지 기계 볼밀링 방법을 이용하여, 자체 제조한 Li₄Ti₅O₁₂와 Sn을 고르게 혼합하여 신형 복합재료 -Sn/Li₄Ti₅O₁₂를 획득한다고 공개하였다. 작자는 고체상 반응법으로 정량의 유기 리튬염과 이산화티타늄을 고르게 혼합하고, 다양한 온도를 거쳐 소결한 후, Li, Ti, O 복합재료를 획득하였으며, 그 중 800℃로 소결하여 결정상이 비교적 순수한 Li₄Ti₅O₁₂를 획득한 다음, 화학반응법으로 SnCl₂·2H₂O 및 NaBH₄용제를 혼합하여 나노 Sn 분말을 획득하고, 마지막으로 Li₄Ti₅O₁₂와 Sn을 각기 다른 비율로 혼합하여 Sn/Li₄Ti₅O₁₂를 형성하였다. 그 결과, Li₄Ti₅O₁₂는 Sn이 충방전 시 부피가 과도하게 팽창하는 문제를 억제할 수 있고, Sn은 Li₄Ti₅O₁₂가 우수한 도전성을 지닐 수 있게 하고, Sn/Li₄Ti₅O₁₂가 양호한 반복 안정성 및 높은 정전용량을 가질 수 있게 하며, Li₄Ti₅O₁₂:Sn의 중량비가 70:30일 때, 1차 방전 용량은 321mAh/g이고, 또한 30번 반복 사용 후에도 여전히 300mAh/g을 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

문헌 Journal Alloys and Compounds, 462(2008)404-409는 화학증착법으로 Sn화합물을 Li₄Ti₅O₁₂에 증착한 후, 열처리를 거쳐 Li₄Ti₅O₁₂에 SnO₂가 피복된 복합재료를 획득하는 방안을 공개하였다. 먼저 각기 다른 비율의 SnCl₂·xH₂O를 알코올 용제에 용해시킨 후, 순서대로 Li₄Ti₅O₁₂및 NH₃·H₂O를 투입하여, Sn, O 화합물을 Li₄Ti₅O₁₂재료 표면에 증착하고, 이어서, 500℃에서 3시간 소결하여 Li₄Ti₅O₁₂-SnO₂ 복합재료를 획득하였다. 그 결과, 이러한 수법은 균일하게 SnO₂를 Li₄Ti₅O₁₂표면에 수식하고, 또한 양호한 반복 수명 안정성 및 전기 용량을 지니게 할 수 있으며, 표면에 5wt%의 nO₂가 수식된 Li₄Ti₅O₁₂의 1차 방전 용량은 443mAh/g이고, 42회 반복 후에도 여전히 189mAh/g을 유지하는 것으로 나타났다.

문헌 Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 20(2010)s267-s270은 졸겔법으로 SnO₂- Li₄Ti₅O₁₂복합재료를 제조하는 방안을 공개하였다. 작자는 먼저 정량의 테트라부틸 티타네이트(tetrabutyl titanate)를 무수에탄올에 용해시킨 후, 리튬 아세테이트(lithium acetate)를 함유한 에탄올 수용액에 첨가하여 고르게 교반한 다음, SnO₂분말을 첨가하고, 초음파 발진을 2-3시간 지속시킨 후 건조시키고, 마지막으로 500℃에서 4시간 동안 소결하여 SnO₂- Li₄Ti₅O₁₂복합재료를 획득하였다. 그 결과, SnO₂분말 바깥 둘레에 한 층의 비결정상 Li₄Ti₅O₁₂가 피복되어 코어쉘(core-shell) 구조를 형성하였으며, 이는 SnO₂가 충방전 과정에서 부피가 과도하게 팽창하는 것을 억제할 수 있고, 나아가 재료의 붕괴를 방지할 수 있으며, 또한 상기 복합재료는 최초 충방전 시 688.7mAh/g의 가역 전기용량을 구비하고, 또한 60회 반복 사용 후에도 여전히 93.4%를 유지할 수 있어, 높은 전기용량 및 높은 사용수명을 지닌 음극 재료인 것으로 나타났다.

전술한 문헌들을 살펴보면, 티타늄계 재료와 주석화물 합성은 이미 근래에 광범위하게 연구되었고, 이러한 복합재료는 두 재료의 장점을 결합할 수 있을 뿐만 아니라, 이 두 재료의 단점을 최소화할 수도 있어 반복수명이 우수하고, 높은 전기용량과 높은 안전성을 지닌 음극재료를 형성할 수 있다. 그러나 관련 문헌 데이터를 보면 그 공정 방법이 대부분 너무 복잡하고 원가가 비싸 상업화 양산에 적용하기가 어려우며, 따라서 개선의 필요가 있다.

이를 감안하여, 본 발명의 목적 중 하나는 즉 간단하면서 원가가 저렴한 조작 방법으로 높은 전기용량, 높은 사용수명 및 높은 안전성을 지닌 SnO₂/TiO₂고용체 재료를 제조하여, 대량 생산에 적용 가능하고, 리튬이온 배터리가 전기자동차의 보급에 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 전기자동차의 관련 산업 발전을 촉진시킬 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산성 도금조를 제공하는 단계; 이산화티타늄 분말, 금속염류 및 환원제를 상기 산성 도금조에 투입하여 전구물(precursor)을 획득하는 단계; 및 상기 전구물을 열처리하여 전극재료를 획득하는 단계를 포함하는 전극재료의 제조방법을 제공한다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 산성 도금조는 산 및 용제로 구성한다. 상기 산은 포름산, 벤조산, 황산, 염산, 붕소플루오르산, 초산, 질산 또는 그의 조합인 것이 바람직하다. 상기 용제는 물, 알칸류, 케톤류, 알데하이드류, 알코올류, 에테르류, 방향족 탄화수소, 등유 또는 그의 조합인 것이 바람직하다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 산성 도금조의 온도는 40℃~100℃이다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 이산화티타늄의 결정상은 금홍석, 예추석, 브루카이트 또는 그의 조합이다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 금속염류는 주석화물, 안티몬화물, 게르마늄화물 또는 그의 조합이다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 환원제는 설포요소, 황화나트륨, 티오황산나트륨, 티오노황산나트륨 또는 그의 조합이다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 방법은 열처리 단계 전에 건조 단계를 더 포함한다. 상기 건조단계는 60℃~20℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 이밖에, 상기 방법은 건조 단계 전에 세정 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 열처리는 200~1300℃에서 실시한다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 전극재료는 음극으로써 사용된다.

본 발명은 또한 코어는 이산화티타늄이고, 쉘은 환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류로서, 상기 코어 표면에 피복되는 코어쉘 구조를 갖는 복수의 입자를 포함하는 전극재료를 제공한다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 쉘은 SnO₂이다.

바람직한 일 실시방식에서, 상기 전극재료는 전술한 방법으로 제조된다.

이상으로 알 수 있듯이, 본 발명은 각 원료를 혼합한 후 건조시키고, 열처리를 거치기만 하면 원하는 전극재료를 획득할 수 있다. 따라서 본 발명의 공정은 조작이 상당히 간단하고 편리하며, 또한 특수한 설비가 필요 없어 대량 생산에 특히 적합하며, 업게 생산라인의 기획 및 수요에 매우 부합된다.

도 1은 리튬이온 이차전지의 각 부재 및 그 설치 위치관계를 나타낸 설명도.
도 2는 실시예 1로 제조된 음극재료의 표면 형태를 나타낸 TEM(Transmission electron microscope)도.
도 3은 비교예 1로 제조된 음극재료의 표면 형태를 나타낸 TEM도.
도 4는 실시예 1-5와 비교예 1로 제조된 음극재료의 결정상 변화를 나타낸 XRD(X-ray Diffraction)도.
도 5는 Ti_xSn_1-xO₂고용체를 나타낸 XRD도로서, 논문 "H.Uchiyama, E. Hosono, H. Zhou, H. Imai, Solid State Ionics, 180 (2009) 956-960"에서 발췌한 것이다.
도 6은 반복수명 테스트도로서, 비교예 1과 실시예 1-5의 배터리 음극재료로 제조된 배터리에 50회 충/방전 테스트를 실시하였을 때, 각 회차에 획득된 방전 전기용량값을 나타낸 것이다.

본 발명은 간단한 전극재료의 제조방법을 제공하며, 이러한 방법으로 제조된 전극을 배터리에 응용하면 배터리가 높은 전기용량을 구비할 수 있고, 또한 긴 사용수명을 지닐 수 있다.

본 발명에서 제공하는 전극재료의 제조방법은: 산성 도금조를 제공하는 단계; 이산화티타늄 분말, 금속염류 및 환원제를 상기 산성 도금조에 투입하여 전구물을 획득하는 단계; 및 상기 전구물을 열처리하여 전극재료를 획득하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 사용되는 산성 도금조는 산 및 용제로 구성되며, 그 배합비는 본 분야의 기술자가 숙지하는 것이므로 여기서는 설명을 생략한다. 상기 산성 도금조는 상업적 경로를 통해 직접 획득하거나, 또는 조작자가 본 발명을 실행하고자 할 때, 자체적으로 기타 화학약품을 이용하여 배치할 수 있다. 본 발명에서, 상기 산은 포름산, 벤조산, 황산, 염산, 붕소플루오르산, 초산, 질산 또는 그의 조합을 포함하나 단 이에 국한되지 않으며, 그 중 붕소플루오르산인 것이 비교적 바람직하다.

용제의 경우, 물, 알킬류(예를 들어 에탄, 프로판 또는 펜탄), 케톤류(예를 들어 아세톤, 부타논, N-메틸-2-테트라하이드로피롤리디논), 알데하이드류(예를 들어: 부티르알데하이드), 알코올류(메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아밀알코올 또는 이소프로필알코올), 에테르류(예를 들어 디에틸 에테르), 방향족 탄화수소류(벤젠, 톨루엔 또는 디메틸벤젠), 등유 또는 그의 조합일 수 있으나, 단 이에 국한되지 않으며, 그 중 물이 비교적 바람직하다.

상기 산성 도금조의 온도는 즉 40℃~100℃인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 이산화티타늄의 결정상은 결코 어떠한 특수한 제한이 없으나, 단 바람직하게는 금홍석, 예추석, 브루카이트 또는 그의 조합인 것이 바람직하며, 그 중 또한 금홍석인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 금속염류는 주석화물, 안티몬화물, 게르마늄화물 또는 그의 조합일 수 있으나, 단 이에 국한되지 않는다. 상기 주석화물은 이염화주석, 사염화주석, 황산주석, 붕소플루오르화 주석 또는 그의 조합일 수 있고; 안티몬화물은 연화안티몬, 황산안티몬, 붕소플루오르화 안티몬 또는 그의 조합이며; 게르마늄화물의 예는 이염화 게르마늄, 사염화 게르마늄, 브롬화 게르마늄 또는 그의 조합일 수 있다.

상기 금속염류의 첨가량에는 특별한 제한이 없으며, 금속염류를 산성 도금조에 첨가한 후 획득된 금속이온의 농도가 포화농도 범위이내이기만 하면 모두 본 발명을 실시할 수 있다. 상기 산성 용액 중 금속이온의 농도는 0.01M~0.40M 사이인 것이 바람직하다.

본 발명을 실시할 때는 주로 이산화티타늄과 금속염류의 상대 용량을 고려하기 때문에, 산성 도금조가 사용하고자 하는 부피에는 결코 제한이 없다. 본 발명의 방법 중, 이산화티타늄과 상기 금속염류의 상대 용량은 조작자의 각종 고려 사항(예를 들어 선택 사용되는 이산화티타늄의 종류 및 그 표면적, 획득하고자 하는 음극재료의 효능, 재료사용 원가 등등)에 따라 차이가 있다. 따라서 이산화티타늄과 금속염류의 상대용량은 반드시 제한이 있는 것은 아니다. 그러나 조작자가 본 발명을 더욱 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 발명인은 이하 용량을 건의한다. 그램당 투입되는 이산화티타늄으로 추산하여, 상기 산성 도금조 중의 금속염류가 발생하는 금속이온의 양은 0.35M 이하인 것이 바람직하고, 0.10M-0.35M 사이가 더욱 바람직하며, 특히 0.20M-0.25M 사이인 것이 바람직하다.

이밖에, 반드시 재차 설명해야 할 점은, 상기 산성 도금조 중의 금속염류, 산, 용제의 종류의 선택과 그 첨가량은 모두 조작자의 원가에 대한 고려, 재료 선택의 간편성, 조작 편리성 또는 상기 전극재료가 조립되는 배터리로 하여금 어느 정도의 효과를 발휘할 수 있게 하는지 등에 의해 결정되므로, 따라서 제한을 둘 필요가 없다.

본 발명에서 사용되는 환원제는 특별한 제한이 없으며, 반응물 중의 금속이온이 환원되어 이산화티타늄 재료 표면에 증착되도록 할 수만 있다면 바로 적용할 수 있다. 예를 들어 설포요소, 황화나트륨, 티오황산나트륨, 티오노황산나트륨 또는 그의 조합일 수 있으며, 바람직한 일 실시방식 중, 상기 환원제는 티오노황산나트륨이다.

본 발명에서, 상기 열처리 단계 이전에 건조단계를 더 포함할 수 있으나, 열처리 환경의 온도가 실온보다 높기 때문에, 상기 환원제 및 산성 도금조의 제거를 가속화할 수 있다. 따라서 실무 조작 시, 일반적으로 상기 건조 처리를 상기 열처리와 함께 진행한다. 상기 건조 단계는 60℃~120℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 전구물 중의 불순물 수량을 감소시키기 위하여, 상기 건조단계 이전에 전구물을 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 열처리 단계는 일반적으로 200~1300℃에서 실시하는 것이 바람직하고 350~700℃가 더욱 바람직하며, 400~650℃인 것이 특히 바람직하다. 열처리 시간의 경우, 본 분야의 기술자라면 열처리 온도가 높을수록 필요한 시간이 더욱 짧아진다는 것을 알 것이며, 따라서, 열처리 시간은 주로 열처리 온도에 의해 결정된다. 일반적으로 열처리 시간은 10분~180분이 바람직하고, 10분~120분인 것이 더욱 바람직하다.

이밖에, 건조를 거친 전구물이 열처리를 실시 시 산화되는 것을 방지하기 위하여, 상기 열처리는 불활성가스 분위기에서 실시하거나, 또는 소량의 가스 분위기가 존재하는 조건, 다시 말해, 가스 분위기의 기압치가 10^-2 토르(torr) 이하인 조건에서 실시하는 것이 바람직하다. 만약 불활성 가스 분위기에서 실시할 경우, 즉 상기 불활성 가스는 질소가스, 아르곤 가스, 헬륨가스, 이산화탄소, 이산화질소 또는 그의 조합에서 선택하는 것이 바람직하다. 물론, 상기 가스 분위기 내에는 가능한 한 습기와 산소가스가 존재하지 않도록 한다.

비록 앞에서 다양한 바람직한 조건의 예를 들었으나, 본 분야의 기술자라면 마지막으로 상기 전극재료를 획득할 수만 있다면, 즉 열처리 온도와 조작시간 역시 특정 수치 범위로 제한할 필요가 없다는 것을 이해할 것이다. 따라서 조작자는 그 설비 상의 제약과 시간 원가 등 요소에 따라 처리 시 취해야 할 온도와 시간을 고려할 수 있다.

전술한 방법을 통해 전기 용량이 높으면서 사용수명이 긴 전극재료를 제조할 수 있으며, 따라서 본 발명은 또한 코어쉘 구조를 지닌 복수의 입자를 포함하는 전극재료를 제공한다. 그 중 상기 코어는 이산화티타늄이고, 상기 쉘은 환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류로서, 상기 코어 표면에 피복된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 이산화티타늄의 결정상은 특수한 제한이 없으나, 단 금홍석, 예추석, 브루카이트 또는 그의 조합인 것이 바람직하고, 그 중 또한 금홍석인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서 말하는 "환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류"는, 금속염류가 환원 작용을 거친 후, 다시 열처리를 거쳐 획득되는 산물을 지칭하는 것으로, 금속, 금속화합물 또는 그 혼합물일 수 있다. 환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류는 금속, 금속화합물 또는 그 혼합물이며, 즉 그 반응환경에 따라 결정된다. 환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류의 구체적인 예는 주석금속, 게르마늄금속, 황화주석, 산화주석, 이산화안티몬 또는 산화 게르마늄을 포함하나, 단 이에 국한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 환원을 거친 후 다시 열처리를 거친 금속염류는 SnO₂이며, 다시 말해 상기 쉘은 SnO₂이다.

본 발명의 방법으로 제조되는 전극재료는 리튬이온 이차전지로 사용될 수 있는 이외에, 기타 전기화학장치로서도 사용될 수 있으며, 일반적으로 음극재료로 사용되는 것이 바람직하다. 본 발명의 전극재료는 뒤이어 획득되는 배터리로 하여금 높은 안전성, 높은 전기 용량, 낮은 전기용량 붕괴율, 긴 사용수명 및 높은 안정성 등의 장점을 구비할 수 있게 한다.

본 발명의 전극재료는 업계에서 이용하는 이하 수법을 거쳐 처리해야 리튬이온 배터리를 구성하는 전극 극편을 획득할 수 있으며, 따라서 본 발명의 전극재료는 음극 극편에 응용된다. 그 후, 음극 극편을 기타 부재와 결합하여 리튬이온 이차전지를 형성한다.

이하 리튬이온 이차전지의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 이는 단지 예시적으로 설명하기 위해 사용되는 것일 뿐, 결코 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 이해하여야 할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 리튬이온 이차전지(1)는 상부 쉘커버(11)와 하부 쉘커버(12)를 포함하며, 이들은 서로 접합되어 함께 하나의 밀폐 공간을 한정한다(도 1 중 미도시). 상기 리튬이온 배터리(1)는 상기 하부 쉘커버(12)를 향하는 방향으로 순서대로 배열 설치되는 스프링 심(spring shim)(13), 스테인리스강 원판(14), 음극극판(15), 분리막(16)과 양극 극판(17), 및 상기 밀폐공간 내에 충진되는 전해액(도 1 중 미도시)을 더 포함한다.

여기서 강조해야 할 점은, 본 발명의 경우, 현재 업계에 공지된 방식 또는 재질의 스프링 심, 스테인리스강 원판, 분리막, 양극극판, 및 전해액이라면 어느 것이든지 사용할 수 있으며, 상기 각 배터리부재의 종류, 제조방식 및 용량 등의 각종 변화는 본 업계에서 매우 숙지된 기술에 속하며, 다시 말해 본 업계에 종사하는 사람이라면 전문 소양 및 필요에 따라 상응하게 제어 관리할 수 있으므로, 본 출원에서는 간략하게만 서술하도록 하겠다.

음극극판은 본 발명의 음극재료를 도전재료, 점착제 및 용매와 함께 균일하게 혼합한 후 페이스트상을 획득한 다음, 이를 판상의 집전재에 도포하고(양면 또는 단면 도포 모두 가능하며, 본 발명의 실시에에서는 단면에 도포하였다), 건조 후 표면에 하나 또는 두 개의 코팅층이 형성된 집전재를 획득하며, 이밖에, 몰딩, 후속 제작되는 배터리의 전기용량 밀도를 높이고 상기 코팅층의 구조, 및 코팅층과 집전재 사이의 부착성을 강화하기 위하여 선택적으로 압력기를 통해 코팅층을 가압한 후 음극 극판을 형성할 수 있다. 주의해야 할 점은, 이산화티타늄 자체의 경도가 높기 때문에, 압력기의 손상을 방지하도록 압력기 롤러 재질을 신중히 선택하여야 한다.

상기 도전재료, 점착제, 용매, 및 집전재 등 재료의 종류, 용량, 형상 등등의 각종 변화는 본 업계의 종사자라면 전문 소양 및 필요에 따라 자체적으로 결정할 수 있다. 예를 들어 일반 실무 조작 시, 상기 도전재료는 카본블랙, 나노탄소섬유 등을 도전재료로 사용할 수 있으며, 그 용량은 통상적으로 음극재료, 도전재료와 점착제의 총중량의 0-20 중량% 정도를 차지한다. 그 중 상기 도전재료는 첨가하지 않아도 된다. 상기 코팅층의 두께는 즉 20-350μm인 것이 바람직하다.

상기 점착제의 경우, 상기 전해액에 대하여 화학 안정성 및 전기화학적으로 높은 전압 안정성을 구비한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 그 용량은 통상적으로 음극재료의 1-10 중량% 정도인 것이 바람직하다. 점착제는 불소계 중합물(업계에서 통상적으로 사용되는 것은 폴리비닐레덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, 약칭 PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)), 폴리엔류(업계에서 통상적으로 사용되는 것은 폴리에틸렌(Polyethylene, 약칭 PE)), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, 약칭 PVA), 스티렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber, 약칭 SBR), 및 섬유소류(업계에서 통상적으로 사용되는 것은 카복시메틸셀룰로오스(Carboxymethylceluulose)) 등에서 선택할 수 있으며, 또한 이들을 혼합하여 사용할 수도 있다.

용매의 경우, 일반적으로 물, N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 에탄올, 이소프로필알코올 등과 같은 알코올류, 또는 이러한 용매를 혼용할 수 있다. 그 중 특히 물 및 N-메틸피롤리돈, 특히 N-메틸피롤리돈이 가장 흔히 사용된다. 용매의 종류와 용량 제어에 관하여, 본 업계에는 이미 매우 많은 변화가 있어왔고 아울러 공지의 기술이기도 하므로, 본 분야의 기술자라면 그 전문 소양 및 필요에 따라 상응하게 변화를 줄 수 있으며, 따라서 여기서는 설명을 생략한다.

상기 집전재의 경우, 구리, 니켈 등 재질을 선택할 수 있으며, 형상 방면에서는 결코 제한을 두지 않아 통상적으로 얇은 형태, 예를 들어 포일 형상, 그물 형상 등이다. 그 크기(예를 들어 길이, 폭, 두께, 사용 중량 등)는 즉 제작하고자 하는 음극극판의 크기에 따라 결정하며, 두께는 즉 5-20μm인 것이 바람직하다.

상기 양극극판의 제작 방식은 상기 음극극판과 유사하며, 다른 점은 양극재료로 상기 음극재료를 대체하였다는데 있다.

상기 양극재료의 원료는 리튬의 과도금속 산화물로서, 예를 들어 화합물은 LiM_(1-x)M'_xO₂(식 중 수치 x는 1이하) 또는 LiM_(2-y)M'_yO₄(식 중 수치 y는 2 이하)이며, M 및 M'은 각각 다음과 같이 구성되는 그룹: 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 또는 주석(Sn) 중에서 선택되고, 또한 M과 M'은 중 적어도 하나는 과도금속이다. 그 제조방식은 중국의 중남대학 출판사에서 출판된 <<리튬이온전지>>(2002년 5월 제1판) 중 제3장의 관련 내용을 참조할 수 있다. 또한, 상기 양극재료의 원료는 두 종류 이상의 리튬의 과도금속 산화물을 포함하거나, 또는 배터리 설계의 필요에 따라 탄산리튬 등 기타 화학물질을 더 포함할 수도 있다. 또한 양극극판은 직접적으로 한 장의 리튬호일일 수도 있다.

분리막(15)의 주요 작용은 절연, 배터리 단락을 방지하여 안전성을 향상시키고, 이온을 양극과 음극 극판 사이에 관통시키는 것이다. 본 출원에 적용되는 분리막은 형태에 있어서는 특별한 제한이 없고, 예를 들어 일반적으로 본 분야의 실무에 흔히 사용되는 부직포 또는 다공성 박막 등 고체상이거나, 또는 겔상이면 모두 가능하다. 재질 방면은 즉 주로 폴리올레핀류 고분자 화합물(polyolefine)로서, 특히 폴리프로필렌/폴리에틸렌(PP/PE), 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌(PP/PE/PP)등 혼합물이며, 그 중 PP/PE/PP의 재질이 비교적 보편적이다.

본 발명에 적용되는 전해액은 비수계에 속하며, 전해액은 비수계 용매와 상기 용매에 분산되어 있는 전해질로 구성된다. 적용되는 전해질은 본 분야에서 흔히 사용되는 육불화인신리튬(LiPF₆), 플루오르붕산리튬(LiBF₄), 비스트리플루오로메탄설폰이미드 리튬LiN(CF₃SO₂)₂트리플루오로메틸황산 리튬(LiCF₃SO₃) 등 리튬염, 또는 이들의 조합이며, 그 중 LiPF₆, LiBF₄ 및 이들의 혼합에서 선택하는 것이 바람직하다. 전해액 중 전해질 농도는 본 발명에서는 0.1~2.0M을 건의하며, 0.5~1.2M인 것이 바람직하다.

전해액 중의 비수계 용매는 형태적으로는 고체상, 겔, 또는 액상의 각종 형식 모두 사용 가능하다. 액상 비수계 용매의 경우, 본 분야에서 자주 사용되는 것, 예를 들어 탄산에스테르류(에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate) 또는 메틸에틸 카보네이트(methylethyl carbonate) 등), 퓨란류( 예를 들어 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 등), 에테르류(디에틸 에테르(diethyl ether) 등), 황화에테르류(예를 들어 메틸 설포란(methyl-sulfolane)등), 니트릴류(예를 들어 아세토니트릴(acetonitrile), 프로판니트릴(propanenitrile) ), 또는 이들의 조합 등을 선택할 수 있다.

고체상 비수계 용매의 경우, 그 재질은 고분자 화합물일 수 있으며, 예를 들어 에테르계 고분자(예를 들어 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide) 및 그 가교체 등), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate) 고분자, 폴리아크릴레이트(polyacrylate)계 고분자, 플루오르계 고분자 화합물(예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드; PVDF) 및 비닐리덴 플루오라이드(vinylidene fluoride)-헥사플루오로 프로필렌(hexafluoro propylene) 공중합체), 또는 이들의 조합에서 선택할 수 있다.

전해질의 종류에는 특별한 제한이 없으며, 예를 들어 리튬염(예를 들어 LiPF₆, LiBF₄, LiN(CF₃SO₂)₂, LiCF₃SO₃)일 수 있고, 또한 그 농도 범위는 0.1~1.5M을 건의하며, 0.5~1.2M인 것이 바람직하다.

전해액은 즉 전해질을 상기 액상 비수계 용매에 용해시킴으로써 획득할 수 있다. 그러나 고체상 비수계 용매를 사용할 경우, 먼저 유기용제(예를 들어 알킬류, 케톤류, 알코올류, 에테르류, 벤젠, 톨루엔, 디메틸페닐, 등유 또는 이들 중 하나의 조합)를 사용하여 먼저 전해질 및 상기 고체상 비수게 용매를 용해시키고 고르게 혼합한 다음, 가열하여 유기용제를 증발시켜 전해액을 획득한다.

각종 응용예에서, 본 출원이 선택한 전해액 성분은 농도가 1M인 LiPF₆전해액이며, 그 용매부분은 즉 중량비 1:1로 혼합한 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트를 사용하였고, 분리막(16)은 PP/PE/PP 재질을 사용하였으며, 양극극판(17)은 즉 리튬호일이다.

본 발명의 기술특징은 이미 발명의 설명 중에서 구체적으로 서술하였고, 기타 각종 재료와 배합 방법은 종래의 기술에 속하므로, 본 분야의 기술자라면 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 이하 실시예의 방식을 통해 본 발명의 특징과 장점을 예시한다.

또한, 특별한 설명이 없는 한, 이하 실시에와 비교예 중의 각 재료의 혼합 및 후속되는 각종 테스트와 평가는 모두 상온 상압 환경에서 실시된다.

실시예:

<배터리 음극 재료>

(1) 산: 붕소플루오르산, Panreac, 순도 35.0%.

(2) 용제: 물

(3) 이산화티타늄: 밍위(明昱) 과기주식유한공사.

(4) 금속염류: Sn(BF₄)₂, Acoros순도 50.0%.

(5) 환원제: Na₂S₂O₄밍위 과기주식유한공사, 순도 98.2%.

(6) 도전재료: 카본블랙, TIMCAL사 제조, 모델번호: Super-S.

<음극극판>

(7) 용매: N-메틸-2-테트라하이드로피롤리디논(NMP, C₅H₉NO)Aldrich사 제조, 순도 99.5%.

(8) 점착제: PVDF, Solef사 제조, 모델번호 6020, 분자량은 약 304000.

(9) 집전재: 동박, Nippon foil사 제조, 두께 15μm.

<전해액>

(10) 전해질: LiPF₆, Ferro사 제조, 순도 99.0%.

(11) 용매: 에틸렌 카보네이트 및 디메틸 카보네이트, Ferro사 제조, 순도는 모두 99.0%.

<기타 배터리 부재>

(12) 상부 쉘커버와 하부 쉘커버: 하오쥐(浩聚) 실업유한공사 제조, 모델번호 2032.

(13) 스프링 심: 하오쥐실업 유한공사 제조.

(14) 스테인리스강 원판: 하오쥐실업 유한공사 제조.

(15) 분리막: Celgard사 제조, 모델번호 Celgard 2300.

(16) 양극극판: 리튬호일, FMC사 제조, 순도 99.9%, 직경 1.65cm인 원판.

실시예 1: 본 발명의 음극재료의 제조

47.3mL의 붕소플루오르산을 485.8mL의 물과 혼합한 후, 온도를 60℃로 높여 산성 도금조를 얻는다. 이어서, 온도를 110℃로 설정하고 2시간 경과후 수분 제거 처리를 거친 75g의 금홍석상 이산화티타늄, 49.3mL의 붕소플로우르화주석 및 17.41g의 티오노황산나트륨을 순서대로 첨가하여 30분 동안 고르게 혼합하여 전구물을 획득한다. 투입되는 그램당 이산화티타늄으로 추산하여, 상기 산성 도금조 중의 금속이온량은 0.0018몰이다.

이어서, 상기 전구물을 추출하여 수차례 세정한 후, 온도를 100℃로 설정한 건조기로 옮겨 건조시켜 고체상 건조물을 획득한다. 상기 건조물을 도가니 내에 넣은 후, 온도가 450℃로 설정되고 질소가스가 충만한 고온로로 옮겨 열처리를 실시하며, 120분 경과 후, 이를 자연적으로 온도를 낮춘 후 꺼내어 전극재료를 획득한다. 여기서는 상기 전극재료를 리튬이온 이차전지의 음극재료로써 사용한다.

실시예 2: 본 발명의 음극재료의 제조

열처리 온도를 500℃로 변경한 이외에, 나머지 제조 방법은 실시예 1과 동일하다.

실시예 3: 본 발명의 음극재료의 제조

열처리 온도를 600℃로 변경한 이외에, 나머지 제조 방법은 실시예 1과 동일하다.

실시예 4: 본 발명의 음극재료의 제조

이산화 티타늄의 양을 37.5g으로 변경하고, 열처리 온도를 500℃로 변경한 이외에, 나머지 제조 방법은 실시예 1과 동일하다. 투입되는 그램당 이산화티타늄으로 추산하여, 상기 산성 도금조 중의 금속이온량은 0.0036몰이다.

실시예 5: 본 발명의 음극재료의 제조

이산화 티타늄의 양을 37.5g으로 변경하고, 열처리 온도를 600℃로 변경한 이외에, 나머지 제조 방법은 실시예 1과 동일하다. 투입되는 그램당 이산화티타늄으로 추산하여, 상기 산성 도금조 중의 금속이온량은 0.0036몰이다.

비교예 1: 종래의 음극재료의 제조

75g의 금홍석상 이산화티타늄을 110℃에서 2시간 동안 수분 제거 처리를 거쳐 종래의 음극재료를 획득한다.

TEM 및 XRD 분석결과

앞에서 획득한 음극재료를 투과형 전자현미경(Transmission electron microscopy TEM) 및 X광 분말 회절분석기(X-ray diffraction, XRD, 미국 Rigaku사 제조, 모델번호 ATX-E)를 통해 TEM 및 XRD 분석을 실시하였다. 측정 결과는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같다.

도 2 및 도 3은 각각 실시예 1 및 비교에 1로 제조된 음극재료의 표면형태를 나타낸 TEM도이다. 상기 결과는, 실시예 1과 비교예 1로 획득된 음극재료의 표면 형태에 뚜렷한 차이가 있음을 나타내었다. 본 발명의 실시예 1의 음극재료 표면형태는 원주상이고, 비교예의 음극재료의 표면형태는 즉 침상이다. 이러한 차이는 사용되는 금속염류 중의 금속이온이 환원된 후, 이산화티타늄 표면에 부착되고, 다시 열처리를 거친 후에 형성됨에 따른 것이라 추측되며, 이는 또한 본 발명의 전극재료가 코어쉘 구조를 지니는 것을 증명한다. 상기 코어는 이산화티타늄이고, 쉘은 SnO₂이다. 이밖에, 실시예 2-5로 제조된 음극재료는 그 표면형태가 도 3과 비교적 유사할 것이다.

도 4는 실시예 1-5와 비교예 1로 제조된 음극재료의 결정상 변화를 나타낸 XRD도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1-5와 비교예 1의 XRD 스펙트럼은 약간 차이가 있다. 실시에 1-5의 파봉은 비교에 1에 비해 모두 변위가 발생하였으며, 이러한 결과는 문헌 Solid State Ionics, 180 (2009) 956-960의 결과와 부합된다.(도 5 참조). 상기 문헌은 본문에서 참고문헌에 포함시켰다. 상기 문헌은 Ti_xSn_1-xO₂고용체(x는 0-1.0)의 XRD 스펙트럼이 x량의 변화에 따라 파봉 변위가 발생하고, Sn량이 증가하면 파봉이 비교적 작은 각도로 이동하게 된다고 지적하였는데, 이는 도 4의 결과와 부합되며, 본 발명으로 제조된 전극재료가 고용체 복합재료임을 증명한다.

응용예: 본 발명의 리튬이온 이차전지의 제조

실시예 1-5와 비교예 1로 제조된 음극재료를 각자 카본블랙(즉 도전재료), PVDF(즉 점착제)와 함께 중량비가 60: 20: 20인 비율로 섞어 고체 조성물을 획득하고, 이어서 고체 조성물의 20 중량%의 N-메틸-2-테트라하이드로피롤리디논(NMP, C₅H₉NO)을 취해 상기 고체 조성물과 고르게 혼합하여 페이스트상을 형성한다.

각 페이스트상을 동박의 일면에 도포하고, 이어서 250μm의 스크래퍼로 편평하게 스크래핑한 후, 상기 동박과 상기 페이스트상의 총 두께를 250μm에 이르도록 한 다음, 110로 설정된 건조기(카이치(凱錡) 건조기전 유한공사 제조)에 넣고, 잔류된 NMP를 제거하여 2시간 경과 후, 극판을 획득한다. 다시 정제기(disc refiner)로 직경이 16mm인 원판으로 재단하며, 이는 즉 후속되는 도 1에 도시된 리튬이온 이차전지(1)의 음극 극판(15)을 각각 제조하는데 제공될 수 있다.

도 1을 참조하면, 각 음극극판(15)에 상부 쉘커버(11), 하부 쉘커버(12), 스프링 심(13), 스테인리스강 원판(14), 분리막(16), 양전극판(17) 및 전해액(1M의 LiPF₆전해액, 그 용매부분은 즉 중량비를 1: 1로 혼합한 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트를 사용한다)을 준비하고, 물과 산소 함량이 10ppm 이하이면서 배터리 커버밀봉기(하오쥐실업 유한공사 제조)가 설치된 글러브박스(Unilab Mbraum사 제조, 모델번호 Proj-4189) 내에서 상기 부재들을 도 1에 도시된 배열 방식으로 조립하고, 상기 배터리 커버밀봉기로 밀봉하여(그 밀폐성을 보장하도록), 각각 동전 형태의 배터리를 획득하며, 이것이 바로 획득하고자 하는 리튬이온 이차전지이다.

효과 테스트:

각 실시예/비교예의 방법으로 획득된 음극재료로 제조된 리튬이온 이차전지에 대하여 각각 이하 각종 효과 테스트를 실시하였다:

초기 충/방전 테스트:

충방전 테스트기(대만 쟈요우(佳優) 과기공사 제조, 모델번호 BAT-750B)를 통해 0.326mA·cm^-2(약 0.1C)의 전류로, 기기에 상기 배터리 회로전압이 0.1V가 나타날 때까지 각 리튬이온 이차전지에 정전류 충전을 실시하여 상기 배터리의 최초 충전 전기용량 수치를 획득하였다. 5분 후, 0.326mA·cm^-2의 전류로 각 배터리에 회로전압이 3.0V에 이를 때까지 정전류 방전을 실시하여 상기 배터리의 최초 방전 전기용량 수치를 획득하였으며, 이어서 이하 공식으로 각 배터리의 초기 충방전 효율을 계산하였다.

또한, 각 배터리의 최초 충전 전기용량 수치로, 상기 배터리 중 음극극판 내의 이산화티타늄 중량을 나누어도 평균 "본 발명의 각 실시예 및 비교예의 방법을 통해 획득된 배터리 음극재료" 1g이 획득할 수 있는 해당 배터리의 충/방전 전기용량(단위 mAh/g)을 구할 수 있다. 각 실시예/비교예에 대응하여 획득된 초기 충/방전 효율(단위 %), 및 충/방전 전기용량(단위 mAh/g)는 모두 표 1에 열거하였다.

50회 충/방전 테스트

본 테스트의 조작방법은 전술한 "초기 충/방전 테스트"를 50회 지속하고, 매 회 충/방전 테스트가 완료되면 다시 50분간 중지한 후 다시 1회 실시함으로써 상기 배터리의 총 50회 충방전 전기용량 수치를 획득하였다. 주의해야 할 점은, 이산화티타늄 재료는 약 50회 충방전 시 전기용량이 비로소 안정되는 추세를 보였으며, 따라서 50회 방전 전기용량 수치는 이하 공식에 따라 각 배터리의 반복 특성을 계산하였다.

또한, 각 배터리의 50회차 방전 전기용량 수치로 상기 배터리 중 음극극판 내의 이산화티타늄 중량을 나누어도 평균 상기 음극재료 1g으로 획득할 수 있는 해당 배터리의 50회차 방전 전기용량(단위 mAh/g)을 구할 수 있다. 각 실시예/비교예 및 후속 제조로 획득되는 배터리에 따라, 이들의 20회차 방전 전기용량과 반복 특성(단위 %) 등 수치는 모두 표 1에 열거하였다.

조작 방법		이산화 티타늄	열처리 온도	도금조 중 이산화티타늄 용량	1^st 방/충전 전기용량	초기 방전 효율	5^th방전 전기용량	50^th방전 전기용량	50^th 반복 특성
비교예1		금홍석상	무	무	191.2/652.6	29.3	150.3	127.0	84.5
실 시 예	1	금홍석상	450℃	75	273.6/683.3	40.0	251.4	174.1	69.3
	2	금홍석상	500℃	75	310.8/677.7	45.9	284.8	216.2	75.9
	3	금홍석상	600℃	75	346.8/718.1	48.3	295.0	197.3	66.9
	4	금홍석상	500℃	37.5	312.1/622.1	50.2	389.2	320.8	82.4
	5	금홍석상	600℃	37.5	391.5/728.9	53.7	400.4	345.4	86.3

표 2 중 표 1에 표시된 각 실시예의 최초 방전 전기용량(표 2에서는 "1^st방전전기용량"으로 표시), 5회차 방전 전기용량(표 2 중 "5^th방전전기용량"으로 표시), 50회차 방전 전기용량(표 2 중 "50^th방전 전기용량"으로 표시), 방전효율, 50회차 반복특성(표 2중 "50^th반복특성"으로 표시)을 열거하였다. 동일한 이산화티타늄을 사용한 비교예와 상대되는 차이는 데이터 중에 "+"가 표시된 것은 즉 상기 테스트 항목 중 상기 실시예로 획득된 테스트 수치가 해당 비교예보다 높음을 나타낸다.

	1^st방전 전기용량	5^st방전 전기용량	50^th방전 전기용량	초기방전 효율	50^th 반복특성
비교예1	-	-	-	-	-
실시예1	+82.4	101.1	+47.1	+10.7	-15.2
실시예2	+119.6	134.5	+89.2	+16.6	-8.6
실시예3	+155.6	144.7	+70.3	+19.0	-17.6
실시예4	+120.9	238.9	+193.8	+20.9	-2.1
실시예5	+200.3	250.1	+218.4	+24.4	+1.8

이상의 여러 실시예의 테스트 결과(표 1 및 표 2)를 통해, 본 발명의 방법으로 획득된 배터리 음극재료는 처리를 거치지 않은 금홍석 이산화티타늄에 비해, 최초 방전 전기용량, 50회차 방전 전기용량, 방전효율을 막론하고 모두 더욱 우수하게 표현되었으며, 또한 50회차 반복 특성 역시 상당한 안정성을 지닌다는 것을 알 수 있다.

상기 배터리를 선택하여, 이들의 50회 방전 전기용량 수치를 도 6에 도시된 결과로 정리하였으며, 이를 통해서도 역시 각 배터리의 반복 수명의 우열을 이해할 수 있다. 도 6을 통해 알 수 있듯이, 50회 반복 테스트를 거쳐, 실시예 1-5로 제조된 음극재료를 조립하여 획득된 배터리는 방전 전기용량이 모두 비교적 클 뿐만 아니라, 각 회의 충방전 전기용량 표현에 있어서, 비록 쇠퇴하는 정황이 비교예 1보다 약간 뚜렷하지만 여전히 일정한 수준을 유지할 수 있으며, 따라서 실시에 1-5로 구성된 배터리는 효과면에서 더욱 안정적인 표현을 나타내었고, 아울러 더욱 긴 사용수명을 구비할 수 있는 것으로 추측된다.

이상의 설명으로 알 수 있듯이, 본 발명의 음극재료는 더 나아가 음극극판으로 제조할 경우, 그에 대응하여 획득되는 리튬이온 이차전지는 높은 방전 전기용량을 구비할 수 있으며, 나아가 연속적으로 오랫동안 전기에너지를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 오래 사용한 상태에서 상기 배터리는 여전히 높은 방전 전기용량을 유지할 수 있어 그 사용수명이 향상된다. 또한, 상기 음극재료에 사용된 것은 안전성이 매우 높은 이산화티타늄 재료이기 때문에, 각 특질이 모두 시장 수요에 대단히 부합된다.

결론적으로, 본 발명의 방법은 조작이 매우 간편하여 특수한 기재 또는 재료가 필요하지 않으며, 또한 제조된 음극재료는 순화를 더 거치지 않고 즉시 사용 가능하여 제작 원가를 대폭 절감할 수 있다. 따라서 본 발명의 방법은 낮은 원가를 고려하여, 적당한 음극재료를 제조한 후 다시 안전성이 높고 방전용량이 크면서, 사용수명이 긴 배터리를 제작할 수 있어, 제조업체는 방대한 상업적 이익을 창출할 수 있다.

기타 실시방식

본 명세서에 게시된 모든 특징은 어떠한 임의의 방식을 사용하여 결합할 수 있다. 본 명세서에 게시된 특징은 동일하거나 상등하거나 또는 유사한 목적의 특징으로 대체할 수 있다. 따라서 특별히 강조한 부분을 제외하고, 본 명세서에 게시된 특징은 일련의 상등하거나 유사한 특징 중의 일 실시예이다.

이밖에, 본 명세서에 게시된 내용에 따라, 본 분야의 기술자라면 본 발명의 기본 특징에 의거하여 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고, 상이한 사용 방법과 상황에 따라 적당한 변경과 수식을 용이하게 실시할 수 있으며, 따라서 기타 실시방식 역시 청구항의 보호범위에 포함된다.

1: 리튬이온 이차전지 11: 상부 쉘커버
12: 하부 쉘커버 13: 스프링 심
14: 스테인리스강 원판 15: 음극극판
16: 분리막 17: 양극극판

Claims

산성 도금조를 제공하는 단계;
이산화티타늄 분말, 금속염류 및 환원제를 상기 산성 도금조에 투입하여 전구물을 획득하는 단계; 및
상기 전구물을 열처리하여 전극재료를 획득하는 단계;를 포함하는 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 산성 도금조는 산 및 용제로 구성되는 전극재료의 제조방법.
제 2항에 있어서,
상기 산은 포름산, 벤조산, 황산, 염산, 붕소플루오르산, 초산, 질산 또는 그의 조합인 전극재료의 제조방법.
제 2항에 있어서,
상기 용제는 물, 알칸류, 케톤류, 알데하이드류, 알코올류, 에테르류, 방향족 탄화수소, 등유 또는 그의 조합인 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 산성 도금조의 온도는 40℃~100℃인 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 이산화티타늄의 결정상은 금홍석, 예추석, 브루카이트 또는 그의 조합인 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 금속염류는 주석화물, 안티몬화물, 게르마늄화물 또는 그의 조합인 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 환원제는 설포요소, 황화나트륨, 티오황산나트륨, 티오노황산나트륨 또는 그의 조합인 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
열처리 단계 전에 건조 단계를 더 포함하는 전극재료의 제조방법.
제 9항에 있어서,
상기 건조는 60℃~20℃에서 실시되는 전극재료의 제조방법.
제 9항에 있어서,
건조 단계 전에 세정 단계를 더 포함하는 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 열처리는 400~1300℃에서 실시되는 전극재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 전극재료는 음극으로써 사용되는 전극재료의 제조방법.
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