KR20230032241A - Method for manufacturing pre-potassiated carbon, conducting agents or electrode materials for potassium-ion secondary battery manufactured thereby and potassium-ion secondary battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 칼륨(K) 금속과 탄소(C)의 비전기화학적 전칼륨화(pre-potassiation) 반응을 이용하여 전극 도전재 또는 전극 활물질로 사용이 가능한 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조 방법, 이에 의해 제조된 전칼륨화된 탄소를 포함하는 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질, 이를 포함하는 칼륨 이온 이차전지에 관한 것이다. The present invention uses a non-electrochemical pre-potassiation reaction of potassium (K) metal and carbon (C) to obtain pre-potassied carbon that can be used as an electrode conductive material or an electrode active material. It relates to a manufacturing method, a potassium ion secondary battery electrode conductive material or electrode active material comprising the pre-potassiumized carbon produced thereby, and a potassium ion secondary battery comprising the same.
이차전지는 화학에너지가 전기 에너지로 변환되는 방전과 역 방향인 충전 과정을 통하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지로, 최근 휴대용 전자 제품, 전기 자동차 등이 상용화됨에 따라, 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다. A secondary battery is a battery that can be used repeatedly through a charging process in the opposite direction to a discharge process in which chemical energy is converted into electrical energy. Recently, with the commercialization of portable electronic products and electric vehicles, the demand for secondary batteries is rapidly increasing. .
현재 상용화된 이차전지로는 주로 리튬 이온 이차전지가 사용되고 있으나, 주원료인 리튬 매장량이 한정되어 있어 가격이 비싸고, 이차전지 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. Currently, lithium ion secondary batteries are mainly used as commercially available secondary batteries, but due to limited reserves of lithium, which is a main raw material, the price is expensive and is not sufficient to meet the demand for secondary batteries.
따라서, 리튬 이온 이차전지를 대체할 수 있는 새로운 이차전지의 개발이 요구되고 있으며, 최근에는 리튬 대신 칼륨을 이용한 칼륨 이온 이차전지에 대한 연구개발이 활발하게 시도되고 있다.Therefore, the development of a new secondary battery that can replace the lithium ion secondary battery is required, and recently, research and development on a potassium ion secondary battery using potassium instead of lithium has been actively attempted.
칼륨의 매장량은 리튬보다 약 8배 풍부하고 가격도 1/10로 저렴할 뿐만 아니라, 리튬 대신 칼륨을 사용하면 양극의 집전체 소재를 구리에서 알루미늄으로 대체해 보다 경제적이고, 칼륨 이온 이차전지는 리튬 이온 이차전지의 제조공정을 그대로 따르기 때문에 제조 설비를 새로 갖출 필요가 없고, 제조 비용을 낮출 수 있으며 리튬 이온 이차전지보다 부하 특성이 향상될 수 있는 등의 장점을 가진다. Potassium reserves are about 8 times more abundant than lithium and the price is 1/10 cheaper. Using potassium instead of lithium makes it more economical by replacing copper with aluminum as the current collector material of the anode, and potassium ion secondary batteries are lithium ion Since the manufacturing process of the secondary battery is followed as it is, there is no need to newly equip manufacturing facilities, manufacturing cost can be reduced, and load characteristics can be improved compared to lithium ion secondary batteries.
그러나, 칼륨은 화학적으로 활성이 커서 물과 격렬하게 반응하는 등 안전성에 문제가 있고, 칼륨 금속을 전극으로 사용할 경우 전지 구동에 의하여 칼륨 수지상(dendrite)의 성장이 일어나 전지의 단락을 초래하는 문제가 발생한다. However, potassium is chemically active and has safety problems such as reacting violently with water. When potassium metal is used as an electrode, the growth of potassium dendrites occurs due to battery operation, resulting in a short circuit of the battery. Occurs.
한편, 종래 리튬 이온 이차전지의 전극 도전재로 널리 사용되며 가격이 저렴한 카본 블랙은 전기화학적으로 칼륨과 반응이 가능하지만 높은 초기 비가역으로 인해 카본 블랙 자체를 칼륨 이온 이차전지의 전극재로 적용하기에도 무리가 있다. On the other hand, carbon black, which is widely used as an electrode conductive material for conventional lithium-ion secondary batteries and is inexpensive, can react with potassium electrochemically, but due to its high initial irreversibility, carbon black itself is not suitable for application as an electrode material for potassium-ion secondary batteries. There is a group.
본 발명의 목적은, 기존의 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고 간단하고 효율적인 방법을 이용해 우수한 충전/방전 특성 및 초기효율을 나타내는 새로운 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질로 활용이 가능한 탄소계 소재를 비전기화학적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to use a new electrode conductive material or electrode active material for a potassium ion secondary battery that exhibits excellent charge/discharge characteristics and initial efficiency using a simple and efficient method without going through complicated and inefficient processes such as conventional chemical methods. It is to provide a method for non-electrochemically producing possible carbon-based materials.
본 발명의 다른 목적은, 상기 방법에 의하여 제조된 신규한 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질를 제공하고, 나아가, 이를 포함하는 칼륨 이온 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a novel electrode conductive material or electrode active material for a potassium ion secondary battery prepared by the above method, and further, to provide a potassium ion secondary battery including the same.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, (a) 칼륨(K) 및 탄소(C)의 혼합 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 혼합 분말에 기계적 에너지를 인가해 전칼륨화(pre-potassiation) 반응을 일으켜 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하는 단계;를 포함하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법을 제공한다. The present invention for solving the above problems, (a) preparing a mixed powder of potassium (K) and carbon (C); And (b) applying mechanical energy to the mixed powder to cause a pre-potassiation reaction to produce pre-potassied carbon. provides a way
또한, 상기 탄소는 흑연(Graphite)계 탄소, 카본 블랙(Carbon black)계 탄소, 활성카본(Activated carbon)계 탄소, 하드카본, 소프트카본 및 탄소 나노 구조체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조방법을 제공한다. In addition, the carbon is at least one selected from the group consisting of graphite-based carbon, carbon black-based carbon, activated carbon-based carbon, hard carbon, soft carbon, and carbon nanostructures. It provides a method for producing pre-potassied carbon.
또한, 상기 단계 (b)에서 고에너지 스펙스 밀(high-energy spex mill), 진동 밀(vibrotary-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill)로 기계적 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법을 제공한다.In addition, in step (b), a high-energy spex mill, a vibrotary-mill, a Z-mill, a planetary ball-mill or an attrition mill ( It provides a method for producing pre-potassiumized carbon, characterized in that by applying mechanical energy to the attrition-mill).
또한, 상기 단계 (b)에서 KxC (X=0.01 ~ 1)으로 표시되는 전칼륨화된 탄소를 제조하는 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법을 제공한다.In addition, it provides a method for producing all-potassiumized carbon, characterized in that for producing all-potassiumized carbon represented by K x C (X = 0.01 ~ 1) in the step (b).
또한, 상기 단계 (b)에서 평균 직경 1nm 이상 500μm 이하인 전칼륨화된 탄소 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법을 제공한다.In addition, it provides a method for producing pre-potassiumized carbon, characterized in that for producing a pre-potassiumized carbon powder having an average diameter of 1 nm or more and 500 μm or less in the step (b).
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 포함하는 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode conductive material or electrode active material for a potassium ion secondary battery including pre-potassied carbon prepared by the above manufacturing method in another aspect of the invention.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질을 포함하는 칼륨 이온 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a potassium ion secondary battery including the electrode conductive material or electrode active material for the potassium ion secondary battery in another aspect of the invention.
본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조방법에 의하면, 화학적 방법 등의 복잡하고 비효율적인 과정을 거치지 않고 간단한 고체 합성법인 볼밀링을 이용하여 간단하고 효율적으로 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조할 수 있다. According to the method for producing pre-potassinated carbon according to the present invention, it is pre-potassied simply and efficiently using ball milling, a simple solid synthesis method, without going through complicated and inefficient processes such as chemical methods. Carbon (pre-potassied carbon) can be produced.
또한, 상기 방법에 의해 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 칼륨 이온 이차전지의 전극 도전재 또는 전극 활물질로 사용할 경우, 높은 초기효율 및 용량을 유지하면서 우수한 사이클 수명을 가지는 칼륨 이온 이차전지 시스템을 구현할 수 있다.In addition, when the pre-potassinated carbon prepared by the above method is used as an electrode conductive material or an electrode active material of a potassium ion secondary battery, potassium ions having excellent cycle life while maintaining high initial efficiency and capacity A secondary battery system may be implemented.
도 1은 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조 방법의 각 단계를 순서대로 기재한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 전극 활물질로 포함하는 칼륨 이온 이차전지의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 전극 활물질로 포함하는 칼륨 이온 이차전지 음극의 개략도이다.
도 5는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 X-선 회절분석 특성 결과 그래프이다.
도 6은 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 전자 에너지 손실 분광학(EELS) 그래프이다.
도 7은 상기 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 고분해능 투과 전자 현미경(HR-TEM) 사진이다.
도 8a는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 칼륨 이온 이차전지용 전극으로 사용하였을 경우의 충방전 실험 결과 그래프이다.
도 8b는 흑연, 비정질 탄소, 전칼륨화된 탄소를 칼륨 이온 이차전지용 전극으로 사용하였을 경우의 초기 용량 및 초기 효율을 비교한 도표이다.
도 9는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 칼륨 이차전지에서의 음극 활물질로 사용한 경우 사이클 특성 데이터를 보여주는 그래프이다.1 is a process flow chart sequentially describing each step of a method for producing pre-potassinated carbon according to the present invention.
2 is a conceptual diagram for explaining a method for producing pre-potassied carbon according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a potassium ion secondary battery including pre-potassied carbon as an electrode active material according to the present invention.
4 is a schematic diagram of a potassium ion secondary battery negative electrode including pre-potassinated carbon as an electrode active material according to the present invention.
5 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of pre-potassinated carbon.
6 is an electron energy loss spectroscopy (EELS) graph of pre-potassinated carbon.
7 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of the pre-potassinated carbon prepared above.
8A is a graph showing the results of a charge/discharge experiment when pre-potassinated carbon is used as an electrode for a potassium ion secondary battery.
8B is a chart comparing initial capacity and initial efficiency when graphite, amorphous carbon, and pre-potassiumized carbon are used as electrodes for a potassium ion secondary battery.
9 is a graph showing cycle characteristic data when pre-potassinated carbon is used as an anode active material in a potassium secondary battery.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be applied with various changes and can have various forms, so specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "having" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features or numbers However, it should be understood that it does not preclude the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조방법은, 도 1에 도시한 바와 같이, (a) 칼륨(K) 및 탄소(C)의 혼합 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 전칼륨화(pre-potassiation) 반응을 이용해 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하는 단계를 포함한다.As shown in FIG. 1, the method for producing pre-potassinated carbon according to the present invention includes the steps of (a) preparing a mixed powder of potassium (K) and carbon (C); and (b) applying mechanical energy to the mixed powder to produce pre-potassied carbon using a pre-potassiation reaction.
상기 단계 (a)에서는 화합물 제조를 위한 출발 원료 물질인 칼륨(K)과 탄소(C) 분말을 혼합해 혼합 분말을 제조하는 단계로서, 본 단계에서 혼합 분말 제조를 위해 사용하는 공법은, 칼륨(K)과 탄소(C) 분말을 균일하게 혼합할 수 있는 방법이기만 하다면 특별히 제한되지 않는다. In the step (a), a mixed powder is prepared by mixing potassium (K) and carbon (C) powder, which are starting raw materials for compound production, and the method used for preparing the mixed powder in this step is potassium ( K) and carbon (C) powder is not particularly limited as long as it is a method capable of uniformly mixing.
본 단계에서 혼합 분말 제조에 사용되는 상기 칼륨(K)은 분말 형태의 금속 칼륨은 물론, 포일(foil), 응집체 등의 형태를 가지는 금속 칼륨을 분쇄 등을 통해 미세화한 칼륨일 수 있으며, 일례로, 금속편 형태의 칼륨을 사용할 경우 그 크기는 1cm2 미만인 것이 바람직하다. The potassium (K) used in the preparation of the mixed powder in this step may be not only metallic potassium in powder form, but also potassium in the form of a foil, agglomerate, etc., which is refined through grinding or the like. , when using potassium in the form of a metal piece, its size is preferably less than 1 cm 2 .
또한, 본 단계 (a)에 투입되는 상기 탄소 분말을 이루는 탄소계 소재는 그 종류에 특별히 제한이 없으나, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 및 그래핀(Graphene) 등의 흑연(Graphite)계 탄소; 수퍼 피(Super P), 수퍼 씨(Super C), 아세틸렌 블랙(Acetylene black), 덴카 블랙(Denka black), 케첸 블랙(Ketjen black), 채널 블랙(Channel black), 퍼니스 블랙(Furnace black), 써말 블랙(Thermal black), 컨택트 블랙(Contact black), 램프 블랙(Lamp black) 등의 카본 블랙(Carbon black)계 탄소; 활성카본(Active carbon)계 탄소; 탄소 섬유(Carbon fiber), 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 풀러렌(Fullerene), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노 구조체; 하드 카본; 및 소프트 카본 등으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.In addition, the carbon-based material constituting the carbon powder introduced in this step (a) is not particularly limited in its type, but graphite-based carbon such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite and graphene; Super P, Super C, Acetylene black, Denka black, Ketjen black, Channel black, Furnace black, Thermal Carbon black-based carbon such as thermal black, contact black, and lamp black; Active carbon (Active carbon)-based carbon; carbon nanostructures such as carbon fibers, carbon nanotubes (CNTs), fullerenes, and graphene; hard carbon; And it may be one or a combination of two or more selected from soft carbon and the like.
본 단계 (a)에서 상기 탄소 분말은 혼합 분말 전체 중량 대비 96.8 wt% 내지 23.5 wt%로 투입되는 것이 바람직하다. 탄소 분말이 23.5 wt% 미만으로 포함되는 경우, 칼륨 금속의 양이 전체 중량에서 과도하게 되어, 후술할 단계 (b)에서 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하기에 바람직하지 않다. In this step (a), the carbon powder is preferably added in an amount of 96.8 wt% to 23.5 wt% based on the total weight of the mixed powder. When the carbon powder is included in less than 23.5 wt%, the amount of potassium metal becomes excessive in the total weight, and it is not preferable to prepare pre-potassied carbon in step (b) to be described later.
다음으로, 상기 단계 (b)는 전 단계에서 얻어진 기계적 에너지를 인가해 칼륨(K)과 탄소(C) 간의 전칼륨화(pre-potassiation)반응을 일으켜 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하는 단계이다.Next, in the step (b), the mechanical energy obtained in the previous step is applied to cause a pre-potassiation reaction between potassium (K) and carbon (C) to produce pre-potassied carbon. It is a step of manufacturing.
도 2는 본 단계 (b)에서 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.Figure 2 is a conceptual diagram for explaining a method for producing pre-potassied carbon in this step (b).
도 2를 참조하면, 칼륨(K)과 탄소(C) 분말을 포함하는 혼합 분말에, 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)으로 기계적 에너지를 인가해, 칼륨(K)과 탄소(C) 간의 부분적인 전칼륨화(pre-potassiation)반응을 일으켜 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 얻게 되며, 이러한 과정은 아래의 반응식으로 표현할 수 있다.Referring to FIG. 2, mechanical energy is applied to a mixed powder containing potassium (K) and carbon (C) powder by high energy mechanical milling (HEMM), and potassium (K) and carbon (C) powder are applied. ) causes a partial pre-potassiation reaction of the liver to obtain pre-potassinated carbon, and this process can be expressed by the reaction equation below.
<반응식><reaction formula>
xK + C → KxC (X=0.01 ~ 1) xK + C → K x C (X=0.01 ~ 1)
상기 반응식을 참조하면, 볼밀링을 이용한 고체 합성법에 의하여, 칼륨(K) 금속과 탄소를 첨가하여 전칼륨화 반응을 유도하여 전칼륨화된 탄소를 제조할 수 있다. 특히, 전칼륨화 반응을 유도하기 위해 간단한 공정의 볼밀링 법을 사용함으로써, 기존의 화학적 합성 방법을 수행하지 않고도 간단하고 효율적으로 복합체를 제조할 수 있다.Referring to the above reaction scheme, by a solid synthesis method using ball milling, potassium (K) metal and carbon may be added to induce a pre-potassium reaction to prepare all-potassiumized carbon. In particular, by using a ball milling method of a simple process to induce a pre-potassium reaction, the composite can be simply and efficiently prepared without performing a conventional chemical synthesis method.
상기 전칼륨화된 탄소는 이차전지에 적용하기 이전에 일부의 칼륨을 탄소가 포함하게 함으로 칼륨 이온 이차전지에 적용하였을 경우, 초기 충전 및 방전과정에서 높은 초기효율을 가지며 이는 무정형의 즉, 비정질 탄소의 가장 큰 문제점인 초기효율 문제점을 해소할 수 있으며, 더 나아가 현재 상용된 흑연보다 높은 가역용량으로 칼륨 이온 이차전지 음극 용량의 한계점을 해결 할 수 있다.The pre-potassiumized carbon has a high initial efficiency in the initial charge and discharge process when it is applied to a potassium ion secondary battery because the carbon contains some potassium before application to the secondary battery, which is amorphous, that is, amorphous carbon It can solve the biggest problem of initial efficiency, and furthermore, it can solve the limitation of the negative electrode capacity of potassium ion secondary battery with a higher reversible capacity than graphite currently commercially available.
본 단계 (b)에 있어서, 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon) 분말에 기계적 에너지를 가하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 전칼륨화(pre-potassiation) 반응을 위해 고에너지 볼밀링을 이용하는 것이 바람직하다. In this step (b), the method of applying mechanical energy to the pre-potassiated carbon powder is not particularly limited, but it is recommended to use high-energy ball milling for the pre-potassiation reaction. desirable.
참고로, 고에너지 볼밀링은 고회전력을 통한 높은 에너지를 반응물질에 가함으로써, 분말을 미립화시키는 것은 물론 분말 입자 간의 극대화된 확산력을 통해 반응물질에 화학 반응을 유도할 수 있다.For reference, high-energy ball milling can induce chemical reactions in reactants through maximized diffusivity between powder particles as well as atomization of powder by applying high energy through high torque to reactants.
상기 고에너지 볼밀링은 고에너지 스펙스 밀(high-energy spex mill), 진동 밀(vibrotary-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill), 어트리션 밀(attrition-mill) 등 고에너지 볼밀링을 위하여 사용되는 공지의 모든 볼밀링 장치에 의해 수행될 수 있다. 참고로, 통상적인 고에너지 볼밀링 과정에서는 볼밀링 동안에 온도가 200℃로 상승할 수 있으며, 압력도 6 GPa의 오더로 될 수 있다.The high-energy ball milling includes a high-energy spex mill, a vibrotary-mill, a Z-mill, a planetary ball-mill, and an attrition-mill. mill) can be performed by all known ball milling devices used for high-energy ball milling. For reference, in a typical high-energy ball milling process, the temperature may rise to 200° C. and the pressure may be on the order of 6 GPa during ball milling.
상기와 같이 고에너지 볼밀링을 이용한 고상 합성법을 사용하면, 기존의 화학적 합성 방법을 수행하지 않고도 간단하고 효율적으로 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조할 수 있다. 한편, 고에너지 볼 밀링을 이용한 고상 합성법을 통해 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하는 보다 구체적인 방법은 아래와 같다.As described above, if the solid-state synthesis method using high-energy ball milling is used, pre-potassinated carbon can be simply and efficiently produced without performing a conventional chemical synthesis method. Meanwhile, a more specific method for preparing pre-potassinated carbon according to the present invention through a solid phase synthesis method using high energy ball milling is as follows.
먼저, 균일하게 혼합된 칼륨 금속 조각 및 탄소 성분 분말을 원통형 바이얼에 볼과 함께 장입하여 고에너지 볼밀링기에 장착시킨 후 분당 500-2000회의 회전속도로 기계적 합성을 수행하여 전칼륨화된 탄소를 제조한다. 상기 볼 밀링은 1-24시간 동안 수행될 수 있다. 여기서, 볼과 혼합물의 무게비는 예컨대, 10:1~30:1로 유지하도록 하며, 산소 및 수분의 영향을 최대한 억제하기 위해서 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스(glove box) 내에서 기계적 합성을 준비한다.First, uniformly mixed potassium metal pieces and carbon component powders are loaded into a cylindrical vial together with balls, mounted in a high-energy ball mill, and mechanical synthesis is performed at a rotation speed of 500-2000 times per minute to obtain pre-potassiumized carbon. manufacture The ball milling may be performed for 1-24 hours. Here, the weight ratio of the ball and the mixture is maintained at, for example, 10: 1 to 30: 1, and mechanical synthesis is prepared in an argon gas atmosphere glove box to minimize the influence of oxygen and moisture.
상술한 제조방법에 의해 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon), 특히, 비정질의 탄소를 포함하는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)는 향상된 초기 효율 및 충전, 방전 특성을 가지므로 이차전지, 특히 칼륨 이온 이차전지의 전극 활물질 재료로 사용하는 것에 적합하다. 특히, 상기 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 포함하는 이차전지의 사이클 수명도 매우 우수하다.Pre-potassinated carbon prepared by the above-described manufacturing method, particularly pre-potassinated carbon including amorphous carbon, has improved initial efficiency and charging and discharging characteristics. Therefore, it is suitable for use as an electrode active material for secondary batteries, especially potassium ion secondary batteries. In particular, the cycle life of the secondary battery including the pre-potassinated carbon is also very excellent.
한편, 상기 전칼륨화된 탄소는 96.8 wt% 내지 23.5 wt%의 탄소를 포함하고, 평균 직경 1nm 이상 500μm 미만인 분말 형태를 가지는 것이 바람직하며, 비정질의 탄소 입자인 것이 바람직하다.On the other hand, the pre-potassium carbon is preferably in the form of a powder containing 96.8 wt% to 23.5 wt% of carbon and having an average diameter of 1 nm or more and less than 500 μm, and is preferably an amorphous carbon particle.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 포함하는 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode conductive material or electrode active material for a potassium ion secondary battery including pre-potassied carbon prepared by the above manufacturing method in another aspect of the invention.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 칼륨 이온 이차전지용 전극 도전재 또는 전극 활물질을 포함하는 칼륨 이온 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a potassium ion secondary battery including the electrode conductive material or electrode active material for the potassium ion secondary battery in another aspect of the invention.
도 3은 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 전극 활물질로 포함하는 칼륨 이온 이차전지의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a potassium ion secondary battery including pre-potassied carbon as an electrode active material according to the present invention.
상기 이차전지(1)는 양극(12), 음극(11) 및 상기 양극(12)과 상기 음극(11) 사이에 배치된 세퍼레이터(13)를 포함할 수 있다. 상기 이차전지(1)는 전해질(미도시), 전지 용기(14), 및 상기 전지 용기(14)를 봉입하는 봉입부재(15)를 더 포함할 수 있다. 이러한 이차전지(1)는 상기 양극(12), 상기 음극(11) 및 상기 세퍼레이터(13)를 차례로 적층한 후, 권취된 상태로 상기 전지용기(14)에 수납하여 제조될 수 있다.The
도 4는 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 전극 활물질로 포함하는 칼륨 이온 이차전지 음극의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a potassium ion secondary battery negative electrode including pre-potassinated carbon as an electrode active material according to the present invention.
상기 음극(11)은 집전체(111) 및 상기 집전체(111) 상에 형성된 활물질층(112)을 포함할 수 있다. 상기 활물질층(112)은 본 발명에 따른 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 포함한다. 상기 음극(11)은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)등 의 비수용성 바인더 또는 폴리에틸렌이민, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아크릴릭애씨드(PAA), 카복시메틸셀룰로스(CMC), 스티렌-부타디엔 레버(SBR) 등의 수용성 바인더를 추가로 포함할 수 있다.The
이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete, and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
<실시예> <Example>
(1) 칼륨 금속과 탄소의 전칼륨화 반응(pre-potassiation)을 통한 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조(1) Preparation of pre-potassied carbon through pre-potassiation of potassium metal and carbon
크기 1 cm2 미만의 칼륨 포일(foil) 조각과 탄소(Super P) 분말을 몰 비 0.2 : 1으로 섞은 후, 지름 5.5 cm, 높이 9 cm의 SKD11 재질의 원통형 바이얼에 3/8인치 크기의 볼과 함께 장입하여 볼밀기(vibrating mill, spex 8000)에 장착시킨 후 분당 900회의 회전속도로 기계적 합성을 수행하였다. After mixing a piece of potassium foil with a size of less than 1 cm 2 and carbon (Super P) powder at a molar ratio of 0.2:1, a 3/8-inch 3/8-inch vial was placed in a cylindrical vial made of SKD11 with a diameter of 5.5 cm and a height of 9 cm. After being charged with balls and attached to a ball mill (vibrating mill, spex 8000), mechanical synthesis was performed at a rotational speed of 900 times per minute.
이때, 볼과 분말과의 무게 비는 20:1로 유지하였으며 산소 및 수분의 영향을 최대한 억제하기 위해서 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스 내에서 기계적 합성을 준비하였다. 상기 기계적 합성을 3시간 수행하여 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하였다.At this time, the weight ratio between the ball and the powder was maintained at 20:1, and mechanical synthesis was prepared in an argon gas atmosphere glove box in order to suppress the influence of oxygen and moisture as much as possible. The mechanical synthesis was performed for 3 hours to prepare pre-potassinated carbon.
제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)는 칼륨의 몰 비율에 의해 KxC (X=0.01 ~ 1)로 합성될 수 있으며, 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 칼륨 이차전지의 전극재료로 사용하였을 경우, 대표적인 탄소계 음극(흑연)의 단점인 낮은 가역용량 및 초기효율의 문제점을 극복하여 흑연보다 높은 용량 및 초기효율을 구현할 수 있다. 본 연구의 일 실시예에서 사용하는 물질은 칼륨과 탄소 성분을 포함하는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 제조를 위하여, 칼륨 금속 및 탄소 분말을 적절한 몰 비율로 함께 제조하여 사용한다.The prepared pre-potassinated carbon can be synthesized as K x C (X = 0.01 ~ 1) by the molar ratio of potassium, and the pre-potassied carbon is converted to potassium secondary When used as an electrode material for a battery, higher capacity and initial efficiency than graphite can be realized by overcoming the problems of low reversible capacity and initial efficiency, which are disadvantages of a typical carbon-based negative electrode (graphite). Materials used in one embodiment of this study are used by preparing potassium metal and carbon powder together in an appropriate molar ratio in order to manufacture pre-potassied carbon containing potassium and carbon components.
도 5는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 X-선 회절분석 특성 결과 그래프이다. 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)는 칼륨과 탄소 간의 결합과 관련된 피크가 나타나지 않았으며, 비정질 재료의 X-선 회절분석 결과를 보였다.5 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of pre-potassinated carbon. The prepared pre-potassinated carbon did not show a peak related to the bonding between potassium and carbon, and showed the result of X-ray diffraction analysis of an amorphous material.
도 6은 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 전자 에너지 손실 분광학(EELS) 그래프이다. 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)는 270 내지 360 eV의 에너지 영역에서 탄소계 재료의 고유 결합인 π*와 σ* 결합이 286, 293 eV에서 각각 나타났으며, 칼륨의 L3, L2-edge에 해당하는 결합이 298, 300 eV에서 각각 나타났다. 또한, 289 eV에서 나타나는 K-C 결합 피크를 통해 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)는 칼륨과 탄소 간의 특정 결합이 존재하는 것을 알 수 있다.6 is an electron energy loss spectroscopy (EELS) graph of pre-potassinated carbon. In the pre-potassinated carbon produced, π* and σ* bonds, which are inherent bonds of carbon-based materials, appeared at 286 and 293 eV, respectively, in the energy range of 270 to 360 eV, and L 3 of potassium , bonds corresponding to the L 2 -edge appeared at 298 and 300 eV, respectively. In addition, it can be seen that a specific bond between potassium and carbon exists in the pre-potassinated carbon prepared through the KC bonding peak appearing at 289 eV.
도 7은 상기 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)의 고분해능 투과 전자 현미경(HR-TEM) 사진이다. 도 7을 참고하면 상기 제조방법을 통해 비정질의 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)가 제조되었음을 확인할 수 있으며, EDS mapping 사진을 통해 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)가 칼륨 및 탄소 성분과 함께 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다.7 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of the pre-potassinated carbon prepared above. Referring to FIG. 7 , it can be confirmed that amorphous pre-potassinated carbon was manufactured through the above manufacturing method, and the pre-potassied carbon manufactured through the EDS mapping picture is potassium And it can be seen that it is uniformly distributed with the carbon component.
(2) 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 포함하는 칼륨 이온 이차전지의 초기 효율 특성, 사이클 특성의 평가(2) Evaluation of initial efficiency characteristics and cycle characteristics of a potassium ion secondary battery containing pre-potassinated carbon.
도 8a는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 칼륨 이온 이차전지용 전극으로 사용하였을 경우의 충방전 실험 결과 그래프이다. 도 8a의 청색 그래프는 본 발명의 일 실시예인 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)와 동일한 조건에서 볼밀링만 진행한 탄소(비정질 탄소)의 충방전 결과이다. 도 8a의 적색 그래프는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 이용한 경우에 있어서의 제 1사이클에 대한 충전 및 방전 거동을 각각 보여주는 그래프이다. 제 1사이클의 충전 및 방전 용량이 336 mAh/g와 406 mAh/g을 나타내며, 초기 사이클의 효율은 약 120.7%정도를 나타내었다. 이는 동일한 방법으로 제조된 비정질 탄소의 충전 및 방전 용량 490 mAh/g와 175 mAh/g, 초기 사이클의 효율인 35.7%와 비교하여 향상된 결과를 보였다. 8A is a graph showing the results of a charge/discharge experiment when pre-potassinated carbon is used as an electrode for a potassium ion secondary battery. The blue graph of FIG. 8A shows the charging and discharging results of carbon (amorphous carbon) subjected to only ball milling under the same conditions as pre-potassied carbon, which is an embodiment of the present invention. The red graph of FIG. 8A is a graph showing charge and discharge behaviors for the first cycle in the case of using pre-potassinated carbon. The charge and discharge capacities of the first cycle were 336 mAh/g and 406 mAh/g, and the efficiency of the initial cycle was about 120.7%. This shows improved results compared to the charge and discharge capacities of 490 mAh/g and 175 mAh/g, and the efficiency of the initial cycle of 35.7% of the amorphous carbon prepared by the same method.
도 8b는 흑연, 비정질 탄소, 전칼륨화된 탄소를 칼륨 이온 이차전지용 전극으로 사용하였을 경우의 초기 용량 및 초기 효율을 비교한 도표이다. 제조된 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)는 기존의 탄소계 음극 소재인 흑연에 비해 상당히 높은 용량 및 초기 효율을 값을 보였다.FIG. 8B is a graph comparing initial capacity and initial efficiency when graphite, amorphous carbon, and all-potassiumized carbon are used as electrodes for a potassium ion secondary battery. The prepared pre-potassinated carbon showed significantly higher capacity and initial efficiency than graphite, a conventional carbon-based anode material.
도 9는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 칼륨 이온 이차전지에서의 음극 활물질로 사용한 경우 사이클 특성 데이터를 보여주는 그래프로서 본 발명의 제일 실시예인 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 음극 활물질 재료로 사용한 칼륨 이차전지의 경우, 0V 내지 2V의 반응 전위에서 수 사이클에 대해서도 용량변화 없이 우수한 수명특성을 보인다.9 is a graph showing cycle characteristic data when pre-potassinated carbon is used as an anode active material in a potassium ion secondary battery. In the case of a potassium secondary battery using as an anode active material, excellent life characteristics are exhibited without change in capacity even for several cycles at a reaction potential of 0V to 2V.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 이차전지 특히 칼륨 이온 이차전지의 음극 물질로 사용하여, 초기 충전 및 방전 시 음극에서 발생하는 음극물질의 초기 비가역 용량을 줄여 초기 효율을 크게 향상시킬 수 있다.As described above, in the present invention, pre-potassinated carbon is used as a negative electrode material for a secondary battery, particularly a potassium ion secondary battery, and the initial irreversible capacity of the negative electrode material generated at the negative electrode during initial charge and discharge can greatly improve the initial efficiency.
또한, 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 이차전지 특히 칼륨이온 이차전지의 전극 도전재로 사용 가능하다. 기존에 사용되는 도전재(카본 블랙)를 칼륨 이온 이차전지의 도전재로 사용시, 초기 충전 및 방전 시 큰 초기 비가역 용량으로 낮은 초기효율을 보인다. 이를 대신하여 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 도전재로 사용하면 초기 비가역 용량을 크게 줄여 초기 효율을 크게 향상시킬 수 있다. In addition, pre-potassinated carbon can be used as an electrode conductive material of a secondary battery, particularly a potassium ion secondary battery. When a conventionally used conductive material (carbon black) is used as a conductive material for a potassium ion secondary battery, it shows low initial efficiency with a large initial irreversible capacity during initial charging and discharging. Instead, if pre-potassied carbon is used as a conductive material, the initial irreversible capacity can be greatly reduced and the initial efficiency can be greatly improved.
이에 따라 이차전지 특히 칼륨 이온 이차전지 전극에서 가장 중요시되는 초기 효율을 확보할 수 있고, 용량과 사이클 수명도 향상할 수 있다. 나아가, 상기 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)가 사용되는 이차전지, 특히 칼륨 이온 이차전지는 대표적인 탄소계 음극(흑연)보다 높은 용량, 초기 효율 및 우수한 싸이클 특성을 나타낸다.Accordingly, it is possible to secure initial efficiency, which is considered most important in a secondary battery, in particular, a potassium ion secondary battery electrode, and also improve capacity and cycle life. Furthermore, a secondary battery using the pre-potassinated carbon, particularly a potassium ion secondary battery, exhibits higher capacity, initial efficiency, and excellent cycle characteristics than typical carbon-based negative electrodes (graphite).
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
1: 칼륨 이온 이차전지
11: 음극
12: 양극
13: 세퍼레이터
14: 전지 용기
15: 봉입부재
111: 집전체
112: 활물질층1: potassium ion secondary battery 11: negative electrode
12: anode 13: separator
14: battery container 15: sealing member
111: current collector 112: active material layer
Claims (9)
(b) 상기 혼합 분말에 기계적 에너지를 인가해 전칼륨화(pre-potassiation) 반응을 일으켜 전칼륨화된 탄소(pre-potassiated carbon)를 제조하는 단계;를 포함하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법.(a) preparing a mixed powder of potassium (K) and carbon (C); and
(b) applying mechanical energy to the mixed powder to cause a pre-potassiation reaction to produce pre-potassied carbon; .
상기 탄소는 흑연(Graphite)계 탄소, 카본 블랙(Carbon black)계 탄소, 활성카본(Activated carbon)계 탄소, 하드카본, 소프트카본 및 탄소 나노 구조체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법.According to claim 1,
The carbon is characterized in that at least one selected from the group consisting of graphite-based carbon, carbon black-based carbon, activated carbon-based carbon, hard carbon, soft carbon, and carbon nanostructures. Method for producing prepotassiumized carbon.
상기 단계 (b)에서 고에너지 스펙스 밀(high-energy spex mill), 진동 밀(vibrotary-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill)로 기계적 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법.According to claim 1,
In step (b), a high-energy spex mill, a vibrotary-mill, a Z-mill, a planetary ball-mill or an attrition-mill A method for producing pre-potassiumized carbon, characterized in that by applying mechanical energy to the mill).
상기 단계 (b)에서 KxC (X= 0.01 ~ 1)으로 표시되는 전칼륨화된 탄소를 제조하는 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법.According to claim 1,
Method for producing all-potassiumized carbon, characterized in that for producing all-potassiumized carbon represented by K x C (X = 0.01 to 1) in the step (b).
상기 단계 (b)에서 평균 직경 1nm 이상 500μm 이하인 전칼륨화된 탄소 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 전칼륨화된 탄소의 제조방법.According to claim 1,
Method for producing pre-potassiumized carbon, characterized in that for producing a pre-potassiumized carbon powder having an average diameter of 1 nm or more and 500 μm or less in the step (b).
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