KR102661927B1 - Negative active material and negative electrode comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오목부, 및 상기 오목부 주위에 배치되며, 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부를 포함하는 제1 실리콘계 입자를 포함하는 음극 활물질 및 이를 포함하는 음극을 제공한다.The present invention provides a negative electrode active material including a recessed portion and first silicon-based particles including a skeleton portion disposed around the recessed portion and partitioning each of the recessed portions, and a negative electrode including the same.
Description
본 발명은 음극 활물질 및 이를 포함하는 음극에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material and a negative electrode containing the same.
전자, 통신 및 우주 산업이 발전됨에 따라, 에너지 동력원으로서 이차전지(secondary battery)의 수요가 급격히 증대되고 있다. 특히, 글로벌 친환경 정책의 중요성이 강조됨에 따라 전기 자동차 시장이 비약적으로 성장 중이며, 국내외에서 이차전지에 관한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.As the electronics, communications, and space industries develop, the demand for secondary batteries as an energy power source is rapidly increasing. In particular, as the importance of global eco-friendly policies is emphasized, the electric vehicle market is growing rapidly, and research and development on secondary batteries is being actively conducted at home and abroad.
이차전지는 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 분리막 및 전해질로 구성되며, 특히 리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고 고용량을 발휘할 수 있어 다양한 분야에 적용되고 있다. Secondary batteries generally consist of a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, a separator, and an electrolyte. In particular, lithium secondary batteries have high energy density and can exhibit high capacity, so they are applied in various fields.
음극을 구성하는 음극 활물질은 탄소계 물질 또는 산화실리콘 등의 물질이 사용되고 있다. 다만, 탄소계 물질의 경우 이론 용량이 약 400 mAh/g에 불과하여 용량이 작은 단점을 지닌다.As the negative electrode active material constituting the negative electrode, materials such as carbon-based materials or silicon oxide are used. However, in the case of carbon-based materials, the theoretical capacity is only about 400 mAh/g, which has the disadvantage of having a small capacity.
따라서, 음극 활물질로서 높은 이론 용량을 가지는 실리콘을 이용하여 탄소계 물질을 대체하려는 연구가 진행되었다. 다만, 실리콘 물질은 리튬 삽입에 의하여 약 300%까지 실리콘 부피가 팽창하며, 이로 인해 음극이 파괴되어 사이클 특성이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 사이클이 지속됨에 따라 상기 리튬 삽입에 의하여 부피 팽창이 지속적으로 발생하여, 도전재 및 집전체와의 접촉 손실, 또는 불안정한 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 형성과 같은 문제가 발생하였다. Therefore, research has been conducted to replace carbon-based materials using silicon, which has a high theoretical capacity, as a negative electrode active material. However, the volume of the silicon material expands by about 300% due to lithium insertion, which causes the cathode to be destroyed and the cycle characteristics to deteriorate. In addition, as the cycle continues, volume expansion continues to occur due to the lithium insertion, causing problems such as loss of contact with the conductive material and the current collector or the formation of an unstable solid electrolyte interphase (SEI).
본 발명은 실리콘계 활물질의 부피 팽창을 억제시키며, 수명 특성이 향상된 음극 활물질 및 이를 포함하는 음극을 제공한다.The present invention provides a negative electrode active material that suppresses volume expansion of a silicon-based active material and has improved lifespan characteristics, and a negative electrode containing the same.
본 발명에 따른 음극 활물질은 오목부, 및 상기 오목부 주위에 배치되며, 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부를 포함하는 제1 실리콘계 입자를 포함한다.The negative electrode active material according to the present invention includes first silicon-based particles that include a recessed portion and a skeleton portion disposed around the recessed portion and dividing each of the recessed portions.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 입자는 3 ㎛ 내지 15 ㎛의 직경을 가질 수 있다. In one embodiment of the present invention, the first silicon-based particles may have a diameter of 3 ㎛ to 15 ㎛.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 입자의 중심 방향으로의 상기 오목부의 깊이:상기 제1 실리콘계 입자의 직경은 0.01:1 내지 0.80:1의 비율을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the depth of the concave portion in the direction toward the center of the first silicon-based particle: The diameter of the first silicon-based particle may have a ratio of 0.01:1 to 0.80:1.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 입자의 면적에 대한 상기 오목부의 개구 면적의 비율은 20 % 내지 95 %일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ratio of the opening area of the concave portion to the area of the first silicon-based particle may be 20% to 95%.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 입자의 체적에 대한 상기 오목부의 체적 비율은 5 % 내지 80 %일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the volume ratio of the concave portion to the volume of the first silicon-based particle may be 5% to 80%.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 골격부는 분지된 구조를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the skeleton portion may include a branched structure.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 활물질은 하기 일반식 1을 만족할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first silicon-based active material may satisfy the following general formula 1.
[일반식 1][General Formula 1]
1 ≤ Y/X ≤ 801 ≤ Y/X ≤ 80
상기 일반식 1에서, X는 상기 제1 실리콘계 입자의 중심 방향으로의 상기 오목부의 깊이(nm)이며, Y는 상기 골격부의 폭 방향에서의 상기 골격부의 길이(nm)이다. In General Formula 1,
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 오목부 및 상기 골격부를 포함하며, 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛ 미만의 직경을 가지는 제2 실리콘계 입자를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it includes the concave portion and the skeleton portion, and may further include second silicon-based particles having a diameter of 0.1 ㎛ to less than 3 ㎛.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 실리콘계 입자는 상기 제1 실리콘계 입자의 상기 오목부 중 적어도 일부에 배치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the second silicon-based particle may be disposed in at least a portion of the concave portion of the first silicon-based particle.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 입자는 실리콘 입자 및 상기 실리콘 입자의 표면이 산화된 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first silicon-based particles may include silicon particles and silicon oxide in which the surface of the silicon particles is oxidized.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 입자는 1 nm 내지 500 nm의 직경을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the silicon particles may have a diameter of 1 nm to 500 nm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the silicon oxide may be represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
SiOx (0<x≤0.9)SiO x (0<x≤0.9)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실리콘계 입자는 상기 실리콘 산화물의 표면 중 적어도 일부에 탄소층이 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first silicon-based particle may have a carbon layer formed on at least a portion of the surface of the silicon oxide.
본 발명에 따른 음극은 음극 집전체, 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함하고, 상기 음극 활물질은 오목부, 및 상기 오목부 주위에 배치되며, 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부를 포함하는 제1 실리콘계 입자를 포함한다.A negative electrode according to the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material, and the negative electrode active material includes a concave portion and a surrounding portion of the concave portion. It is disposed in and includes first silicon-based particles including a skeleton portion that partitions each of the concave portions.
본 발명은 음극 활물질로서 오목부가 형성된 실리콘계 입자를 포함함으로써, 리튬 이온의 삽입에 따른 실리콘계 입자의 부피 팽창에 의한 영향이 감소될 수 있다. 이로 인해, 실리콘계 입자의 파괴 거동이 감소되며, 사이클이 증가함에 따라 실리콘계 입자가 미분화되는 현상이 최소화됨으로써, 상기 음극 활물질을 포함하는 이차 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다.The present invention includes silicon-based particles with concave portions formed as a negative electrode active material, so that the influence of volume expansion of the silicon-based particles due to insertion of lithium ions can be reduced. As a result, the destruction behavior of silicon-based particles is reduced, and the phenomenon of silicon-based particles being pulverized as the cycle increases is minimized, thereby improving the lifespan characteristics of a secondary battery containing the negative electrode active material.
또한, 본 발명의 실리콘계 입자는 복수개의 오목부 구조를 가짐으로써, 상기 실리콘계 입자의 표면적이 증가되어 이차 전지의 충방전 성능이 향상될 수 있고, 다양한 방향에서 발생될 수 있는 실리콘계 입자의 부피 팽창을 보다 효율적으로 감소시킬 수 있다. In addition, the silicon-based particles of the present invention have a plurality of concave structures, so that the surface area of the silicon-based particles can be increased, thereby improving the charging and discharging performance of the secondary battery, and reducing the volume expansion of the silicon-based particles that can occur in various directions. It can be reduced more efficiently.
또한, 본 발명의 실리콘계 입자는 분지된 골격부 구조를 가짐으로써, 기계적 특성이 향상되어 이차 전지의 제조 공정 또는 외부 충격에 의해 실리콘계 입자이 깨지는 현상을 최소화할 수 있다.In addition, the silicon-based particles of the present invention have a branched skeletal structure, thereby improving mechanical properties and minimizing the phenomenon of silicon-based particles breaking due to the manufacturing process of a secondary battery or external impact.
또한, 본 발명의 실리콘계 입자는 나노 크기의 실리콘 입자, 실리콘 산화물 및 탄소계 코팅층을 포함하는 복합체 형태를 가짐으로써, 종래 실리콘 산화물 대비 전기 전도도가 우수하며, 높은 실리콘 비율을 나타내어, 이차 전지의 용량을 증가시킬 수 있다. In addition, the silicon-based particles of the present invention have a composite form containing nano-sized silicon particles, silicon oxide, and a carbon-based coating layer, and thus have superior electrical conductivity compared to conventional silicon oxide and exhibit a high silicon ratio, increasing the capacity of secondary batteries. can be increased.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실리콘계 입자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 실리콘계 입자 및 제2 실리콘계 입자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 제조예 1의 음극 활물질 입자들의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1의 음극 활물질 입자들의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 비교예 2의 음극 활물질 입자들의 SEM 사진을 나타낸 것이다.Figure 1 schematically shows a first silicon-based particle according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 schematically shows first silicon-based particles and second silicon-based particles according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an SEM photograph of the negative electrode active material particles of Preparation Example 1.
Figure 4 shows an SEM photograph of the negative electrode active material particles of Comparative Example 1.
Figure 5 shows an SEM photograph of the negative electrode active material particles of Comparative Example 2.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 실시예들에 대한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예들은 본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 실시예들 이외에도 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상이 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다.The structural or functional descriptions of the embodiments disclosed in the present specification or application are merely illustrative for the purpose of explaining embodiments according to the technical idea of the present invention, and the embodiments according to the technical idea of the present invention are described in this specification. Alternatively, it may be implemented in various forms other than the embodiments disclosed in the application, and the technical idea of the present invention is not to be construed as being limited to the embodiments described in this specification or application.
또한, 본 명세서 또는 출원에 어떤 구성요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서 또는 출원에 기재된 구성요소의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 '약'이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.In addition, when it is said that a certain element is 'included' in this specification or application, this does not mean excluding other elements, but may further include other elements, unless specifically stated to the contrary. In addition, all numerical ranges representing physical property values, dimensions, etc. of components described in this specification or application should be understood as modified by the term 'about' in all cases unless otherwise specified.
또한, 본 명세서 또는 출원에서 "실리콘계"라 함은 약 50 중량% 이상의 실리콘을 포함하는 것을 의미한다.In addition, in this specification or application, “silicon-based” means containing about 50% by weight or more of silicon.
이하에서, 본 발명에 따른 음극 활물질 및 이를 포함하는 음극에 대하여 설명한다.Below, a negative electrode active material according to the present invention and a negative electrode containing the same will be described.
<음극 활물질> <Anode active material>
본 발명에 따른 음극 활물질은 제1 실리콘계 입자를 포함한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실리콘계 입자를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 상기 제1 실리콘계 입자(100)는 오목부(10) 및 상기 오목부(10)의 주위에 배치되며, 상기 오목부(10) 각각을 구획하는 골격부(20)를 포함한다.The negative electrode active material according to the present invention includes first silicon-based particles. Figure 1 schematically shows a first silicon-based particle according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the first silicon-based
상기 오목부(10)는 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 중심 방향으로 100 nm 내지 5 ㎛, 100 nm 내지 4 ㎛, 100 nm 내지 3 ㎛, 100 nm 내지 2 ㎛, 100 nm 내지 1 ㎛, 또는 100 nm 내지 900 nm의 깊이를 가질 수 있다. 상기 제1 실리콘계 입자(100)는 상기 깊이를 가지는 오목부(10)를 포함함으로써, 리튬 이온의 삽입에 따른 실리콘 입자의 부피 팽창을 상기 오목부(10)의 공간만큼 흡수할 수 있는 바, 실리콘계 입자 자체의 부피 팽창을 상당 부분 억제하여, 사이클이 증가함에 따라 상기 실리콘계 입자가 미분화되는 현상을 최소화할 수 있다.The concave portion 10 is 100 nm to 5 ㎛, 100 nm to 4 ㎛, 100 nm to 3 ㎛, 100 nm to 2 ㎛, 100 nm to 1 ㎛, or It may have a depth of 100 nm to 900 nm. The first silicon-based
상기 제1 실리콘계 입자(100)는 3 ㎛ 내지 15 ㎛, 3 ㎛ 내지 12 ㎛, 3 ㎛ 내지 10 ㎛, 3 ㎛ 내지 9 ㎛, 3 ㎛ 내지 8 ㎛, 또는 3 ㎛ 내지 7.5 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 상기 직경은 직경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 직경으로 정의할 수 있으며, 예를 들어, 상기 직경은 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제1 실리콘계 입자의 함량을 증가시킬 수 있고, 전극 압연 시 상기 제1 실리콘계 입자가 분쇄되는 현상을 최소화할 수 있다.The first silicon-based
상기 제1 실리콘계 입자의 중심 방향으로의 상기 오목부(10)의 깊이:상기 제1 실리콘계 입자(100)의 직경은 0.01:1 내지 0.80:1의 비율을 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 오목부(10)의 깊이:상기 제1 실리콘계 입자(100)의 직경은 0.10:1 내지 0.80:1, 0.10:1 내지 0.75:1, 0.20:1 내지 0.75:1, 0.20:1 내지 0.60:1, 또는 0.20:1 내지 0.50:1의 비율을 가질 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 기계적 강도 저하 없이 실리콘계 입자 자체의 부피 팽창을 상당 부분 억제할 수 있다.The depth of the concave portion 10 in the direction toward the center of the first silicon-based particle: The diameter of the first silicon-based
상기 오목부(10)는 제1 오목부(11) 및 상기 제1 오목부(11)에 인접한 제2 오목부(12)를 포함할 수 있다. 상기 제1 실리콘계 입자(100)는 상기 제1 오목부(11), 제2 오목부(12) 등 복수개의 오목부가 형성됨으로써, 다양한 방향에서 발생될 수 있는 실리콘계 입자의 부피 팽창을 보다 효율적으로 억제할 수 있다. The concave portion 10 may include a first
상기 제1 실리콘계 입자(100)의 면적에 대한 상기 오목부(10)의 개구 면적의 비율은 20 % 내지 95 %, 25 % 내지 95 %, 30 % 내지 95 %, 35 % 내지 95 %, 35 % 내지 90 %, 또는 40 % 내지 90 %일 수 있다. 상기 오목부(10)의 개구 면적의 비율이란 평면 상에서의, 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 면적에 대한 상기 오면부(10)의 개구 면적의 비를 의미한다. 상기 오목부(10)의 개구 면적 비율은 전자주사현미경(SEM)을 이용하여, 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 표면의 일부를 관찰한 후, 상기 표면 면적에 있어서의 상기 오목부(10)의 개구 면적의 비를 산출하여 구할 수 있다.The ratio of the opening area of the concave portion 10 to the area of the first silicon-based
상기 제1 실리콘계 입자(100)의 체적에 대한 상기 오목부(10)의 체적 비율은 5 % 내지 80 %, 7 % 내지 80 %, 10 % 내지 80 %, 15 % 내지 80 %, 18 % 내지 80 %, 20 % 내지 80 %, 또는 25 % 내지 80 %일 수 있다. 상기 오목부(10)의 체적 비율이란 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 가상 외형의 체적에 대한 상기 오목부(10)의 체적의 비를 의미한다. 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 가상 외형의 체적은 상기 오목부(10)가 존재하지 않는 경우의 체적, 즉 상기 오목부(10)의 공간이 메워진 상태로 가정한 경우를 의미한다. 상기 오목부(10)의 체적은 상기 제1 실리콘계 입자(100)를 용매에 침지했을 때의 증가된 중량과 상기 용매의 밀도로부터 산출하여 구할 수 있다. The volume ratio of the concave portion 10 to the volume of the first silicon-based
상기 범위를 만족하는 경우, 리튬 이온의 삽입에 따른 실리콘계 입자의 부피 팽창을 상당 부분 억제할 수 있고, 실리콘계 입자의 표면적이 증가되어 이차 전지의 수명 특성 및 충방전 성능이 향상될 수 있다.When the above range is satisfied, the volume expansion of the silicon-based particles due to insertion of lithium ions can be significantly suppressed, and the surface area of the silicon-based particles can be increased to improve the lifespan characteristics and charge/discharge performance of the secondary battery.
상기 골격부(20)는 분지된 구조를 포함할 수 있다. 상기 골격부(20)는 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향, 또는 제4 방향으로 분지된 구조를 포함할 수 있다. 상기 골격부(20)는 분지점을 중심으로 하여, 상기 제1 방향 내지 제4 방향 중 어느 한 방향으로 연장된 구조를 포함할 수 있다. 상기 골격부(20)가 분지된 구조를 가짐으로써, 기계적 특성이 향상되어 이차 전지의 제조 공정 또는 외부 충격에 의해 실리콘계 입장이 깨지는 현상을 최소화할 수 있다.The
상기 제1 실리콘계 입자(100)는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다.The first silicon-based
[일반식 1][General Formula 1]
1 ≤ X/Y ≤ 801 ≤ X/Y ≤ 80
상기 일반식 1에서, X는 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 중심 방향으로의 상기 오목부(10)의 깊이(nm)이며, Y는 상기 골격부(20)의 폭 방향에서의 상기 골격부의 길이(A, nm)이다. 상기 오목부(10)의 깊이는 복수의 오목부(10) 중 최대 깊이를 의미하며, 상기 골격부(20)의 길이(A)는 폭 방향에서의 인접한 오목부(10) 간의 최소 길이를 의미한다.In the general formula 1, Length (A, nm). The depth of the concave portion 10 refers to the maximum depth among the plurality of concave portions 10, and the length A of the
상기 일반식 1에서의 X/Y는 2 ≤ X/Y ≤ 80, 2 ≤ X/Y ≤ 75, 2 ≤ X/Y ≤ 70, 5 ≤ X/Y ≤ 70, 또는 10 ≤ X/Y ≤ 70을 만족할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 기계적 특성이 향상될 수 있고, 리튬 이온의 삽입에 따른 실리콘계 입자의 부피 팽창을 상당 부분 억제할 수 있다. X/Y in the general formula 1 is 2 ≤ X/Y ≤ 80, 2 ≤ X/Y ≤ 75, 2 ≤ X/Y ≤ 70, 5 ≤ can be satisfied. When the above range is satisfied, mechanical properties can be improved, and volume expansion of silicon-based particles due to insertion of lithium ions can be significantly suppressed.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 실리콘계 입자(100) 및 제2 실리콘계 입자(200)를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 음극 활물질은 상기 오목부 및 상기 골격부를 포함하며, 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛ 미만의 직경을 가지는 제2 실리콘계 입자(200)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 실리콘계 입자(200)는 0.2 ㎛ 내지 3 ㎛ 미만, 0.2 ㎛ 내지 2 ㎛, 0.2 ㎛ 내지 1 ㎛, 또는 0.3 ㎛ 내지 1 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 상기 직경은 상기 제1 실리콘계 입자의 직경 측정 방법과 동일한 방법으로 측정될 수 있다.Figure 2 schematically shows first silicon-based
상기 제2 실리콘계 입자(200)는 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 상기 오목부(10) 중 적어도 일부에 배치될 수 있다. 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 직경보다 작은 직경을 가지는 제2 실리콘계 입자(200)가 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 오목부(10)에 포함됨으로써, 리튬 충방전시에 제2 실리콘계 입자(200)의 부피 팽창이 발생하더라도, 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 오목부(10) 공간 내에서의 부피 팽창 억제가 가능하여, 상기 제2 실리콘계 입자의 구조 붕괴를 막을 수 있다. 또한, 상기 제2 실리콘계 입자(200)가 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 오목부(10)에 포함되는 경우, 동일 부피 대비 높은 실리콘 함량을 가질 수 있어, 이차 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.The second silicon-based particles 200 may be disposed in at least a portion of the concave portion 10 of the first silicon-based
상기 제1 실리콘계 입자(100)는 실리콘 입자 및 상기 실리콘 입자의 표면이 산화된 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 실리콘계 입자(100)는 상기 실리콘 입자 및 상기 실리콘 입자의 표면이 산화된 1차 입자 또는 상기 1차 입자가 응집된 2차 입자 형태일 수 있다.The first silicon-based
종래에는 실리콘 입자 및 실리콘 산화물을 물리적 또는 화학적으로 혼합하여 실리콘계 활물질을 제조함에 따라, 이차 전지의 충방전시 상기 실리콘 입자 및 상기 실리콘 산화물 사이의 경계에서 크랙이 발생하였다. 본 발명에 따른 제1 실리콘계 입자는 상기 실리콘 입자로부터 산화된 상기 실리콘 산화물을 포함함으로써, 상기 실리콘 입자 및 상기 실리콘 산화물 사이의 경계가 형성되는 것이 아닌, 상기 실리콘 산화물의 표면부로부터 중심을 향해 상기 실리콘 산화물의 농도가 감소하는 형태를 나타낼 수 있어, 충방전시 상기 실리콘 입자 및 상기 실리콘 산화물 사이의 경계에서 크랙 발생이 감소될 수 있다. Conventionally, as silicon-based active materials are manufactured by mixing silicon particles and silicon oxide physically or chemically, cracks occur at the boundary between the silicon particles and the silicon oxide during charging and discharging of a secondary battery. The first silicon-based particle according to the present invention includes the silicon oxide oxidized from the silicon particle, so that a boundary between the silicon particle and the silicon oxide is not formed, but the silicon is directed from the surface portion of the silicon oxide toward the center. Since the concentration of the oxide can decrease, the occurrence of cracks at the boundary between the silicon particles and the silicon oxide can be reduced during charging and discharging.
상기 실리콘 입자는 구형의 실리콘 나노 입자일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 1 nm 내지 500 nm, 1 nm 내지 400 nm, 10 nm 내지 400 nm, 10 nm 내지 350 nm, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 250 nm, 10 nm 내지 200 nm, 또는 10 nm 내지 150 nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 직경은 상기 제1 실리콘계 입자의 직경 측정 방법과 동일한 방법으로 측정될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 제조 경비가 크게 증가되지 않으며, 전지 용량 및 수명 특성이 향상될 수 있다.The silicon particles may be spherical silicon nanoparticles. The silicon particles are 1 nm to 500 nm, 1 nm to 400 nm, 10 nm to 400 nm, 10 nm to 350 nm, 10 nm to 300 nm, 10 nm to 250 nm, 10 nm to 200 nm, or 10 nm to 10 nm. It may have a diameter of 150 nm. The diameter may be measured by the same method as the diameter measurement method of the first silicon-based particle. When the above range is satisfied, manufacturing costs are not significantly increased, and battery capacity and lifespan characteristics can be improved.
상기 실리콘 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The silicon oxide may be represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
SiOx (0<x≤0.9)SiO x (0<x≤0.9)
상기 화학식 1에서 x가 상기 범위를 만족하는 경우, 리튬 이온이 산소와 반응하여 Li2O, Li-silicate (LixSiyOz)와 같은 비가역 생성물이 생성되는 것을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 음극 활물질과 반응한 리튬 이온이 전해질 또는 양극으로 돌아가지 못하고 음극 내부에 갇히게 되어 용량이 저감되는 문제를 최소화할 수 있다. 상기 제2 실리콘계 입자(200)도 전술한 실리콘 입자 및 상기 실리콘 입자의 표면이 산화된 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. In Formula 1, when x satisfies the above range, the generation of irreversible products such as Li 2 O and Li-silicate (Li x Si y O z ) by reacting lithium ions with oxygen can be minimized, thereby , it is possible to minimize the problem of capacity reduction due to lithium ions reacting with the negative electrode active material being trapped inside the negative electrode rather than returning to the electrolyte or positive electrode. The second silicon particles 200 may also include the above-described silicon particles and silicon oxide in which the surface of the silicon particles is oxidized.
상기 제1 실리콘계 입자(100)는 상기 실리콘 산화물의 표면 중 적어도 일부에 탄소층이 형성될 수 있다. 상기 탄소층은 상기 제1 실리콘계 입자(100)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 상기 탄소층은 상기 제2 실리콘계 입자(200)에도 형성될 수 있으며, 상기 제2 실리콘계 입자(200)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. The first silicon-based
상기 탄소층을 형성하기 위해 탄소질 도전재가 사용될 수 있다. 상기 탄소질 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 그래핀, 카본나노튜브, 및 전도성 고분자로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.A carbonaceous conductive material may be used to form the carbon layer. The carbonaceous conductive material may be one or more selected from natural graphite, artificial graphite, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, graphene, carbon nanotubes, and conductive polymers. .
상기 탄소질 도전재는 비정질 탄소일 수 있다. 상기 비정질 탄소는 다이아몬드 구조에 대응하는 탄소 및 그래파이트 구조에 대응하는 탄소가 불규칙하게 혼재된 무정형(amorphous) 구조를 의미할 수 있다. 상기 비정질 탄소 중 다이아몬드 구조에 대응하는 탄소 원자에 비율은 5 % 내지 70 %, 10 % 내지 70 %, 15 % 내지 70 %, 18 % 내지 70 %, 20 % 내지 70 %, 또는 30 % 내지 70 %일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 실리콘계 입자의 부피 팽창을 일부 억제하면서도 전기 전도도를 향상시킬 수 있어, 이차 전지의 용량 및 수명 특성이 향상될 수 있다. 다이아몬드 구조에 대응하는 탄소 원자 및 그래파이트 구조에 대응하는 탄소 원자의 비율은 TEM(Transmission electron microscope)를 이용한 전자에너지 손실 분광법(Electron Energy-Loss Spectroscopy)에 의해 산출이 가능하다.The carbonaceous conductive material may be amorphous carbon. The amorphous carbon may mean an amorphous structure in which carbon corresponding to a diamond structure and carbon corresponding to a graphite structure are irregularly mixed. The proportion of carbon atoms corresponding to the diamond structure among the amorphous carbon is 5% to 70%, 10% to 70%, 15% to 70%, 18% to 70%, 20% to 70%, or 30% to 70%. It can be. When the above range is satisfied, the volume expansion of the silicon-based particles can be partially suppressed while the electrical conductivity can be improved, and the capacity and lifespan characteristics of the secondary battery can be improved. The ratio of carbon atoms corresponding to the diamond structure and carbon atoms corresponding to the graphite structure can be calculated by Electron Energy-Loss Spectroscopy using a TEM (Transmission electron microscope).
상기 탄소층은 당류와 같은 탄소 전구체의 탄소화에 의해 형성된 것일 수 있다. 상기 당류는 탄소수 3 내지 6인 CnH2n인 사이클로알칸(cycloalkane) 고리를 포함하는 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 당류는 글루코오스, 프룩토오스, 갈락토오스, 수크로오스, 말토오스 및 락토오스로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.The carbon layer may be formed by carbonization of a carbon precursor such as saccharide. The saccharide may be a compound containing a C n H 2n cycloalkane ring having 3 to 6 carbon atoms. For example, the saccharide may be any one or more selected from the group consisting of glucose, fructose, galactose, sucrose, maltose, and lactose.
상기 탄소층의 두께는 1 nm 내지 10 nm, 1 nm 내지 9 nm, 1 nm 내지 8 nm, 2 nm 내지 8 nm, 2 nm 내지 7 nm, 또는 2 nm 내지 6 nm일 수 있다. 또한, 상기 탄소층 피복층은 상기 실리콘계 입자 표면적의 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 또는 95% 이상으로 형성될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 리튬 이온의 이동에 장애가 되지 않는 동시에 전기 전도도가 상승될 수 있다.The thickness of the carbon layer may be 1 nm to 10 nm, 1 nm to 9 nm, 1 nm to 8 nm, 2 nm to 8 nm, 2 nm to 7 nm, or 2 nm to 6 nm. Additionally, the carbon layer coating layer may be formed to cover 70% or more, 75% or more, 80% or more, 85% or more, 90% or more, or 95% or more of the surface area of the silicon-based particles. When the above range is satisfied, the movement of lithium ions is not hindered and the electrical conductivity can be increased.
본 발명에 따른 음극 활물질은 천연 흑연 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 천연 흑연 입자는 상기 천연 흑연 입자 상에 형성된 탄소층을 포함할 수 있다. 상기 탄소층은 상기 천연 흑연 입자의 미세 공극을 감소시키고, 전해액과의 부반응을 감소시킬 수 있으며, 구조 안정성을 향상시킬 수 있다. The negative active material according to the present invention may further include natural graphite particles. The natural graphite particles may include a carbon layer formed on the natural graphite particles. The carbon layer can reduce micropores of the natural graphite particles, reduce side reactions with the electrolyte solution, and improve structural stability.
상기 탄소층은 상기 천연 흑연 입자의 1 중량% 내지 10 중량%, 1 중량% 내지 9 중량%, 2 중량% 내지 9 중량%, 2 중량% 내지 8 중량%, 또는 3 중량% 내지 8 중량%으로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 천연 흑연 입자의 구조 안정성을 향상시키면서, 과도한 리튬 삽입 및 탈리 현상을 방지할 수 있다. The carbon layer is 1% to 10% by weight, 1% to 9% by weight, 2% to 9% by weight, 2% to 8% by weight, or 3% to 8% by weight of the natural graphite particles. may be included. When the above range is satisfied, the structural stability of the natural graphite particles can be improved while excessive lithium insertion and desorption phenomenon can be prevented.
상기 탄소층은 비정질 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소층은 피치, 레이온 및 폴리아크릴로니트릴계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 탄소층 전구체를 상기 천연 흑연 입자에 제공한 후, 이를 열처리함으로써 형성될 수 있다.The carbon layer may include amorphous carbon. For example, the carbon layer may be formed by providing at least one carbon layer precursor selected from the group consisting of pitch, rayon, and polyacrylonitrile-based resin to the natural graphite particles, and then heat-treating the natural graphite particles.
상기 천연 흑연 입자의 BET 비표면적은 1.0 m2/g 내지 5.0 m2/g, 1.2 m2/g 내지 5.0 m2/g, 1.2 m2/g 내지 4.8 m2/g, 1.5 m2/g 내지 4.8 m2/g, 또는 1.5 m2/g 내지 4.5 m2/g일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전해액과의 부반응을 방지하여 이차 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있고, 높은 출력 특성을 구현할 수 있다.The BET specific surface area of the natural graphite particles is 1.0 m 2 /g to 5.0 m 2 /g, 1.2 m 2 /g to 5.0 m 2 /g, 1.2 m 2 /g to 4.8 m 2 /g, 1.5 m 2 /g It may be from 4.8 m 2 /g, or from 1.5 m 2 /g to 4.5 m 2 /g. When the above range is satisfied, side reactions with the electrolyte can be prevented, the lifespan characteristics of the secondary battery can be improved, and high output characteristics can be realized.
상기 천연 흑연 입자의 구형화도는 0.6 내지 1, 0.7 내지 1, 0.8 내지 1, 0.9 내지 1, 또는 0.95 내지 1일 수 있다. 상기 구형화도는 공지의 구형화도 측정 방법을 사용하여 측정될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 입자 간 패킹이 원활해질 수 있고, 음극 제조 시 입자들이 받는 스트레스가 완화되어 스웰링 현상을 저감시킬 수 있다. The degree of sphericity of the natural graphite particles may be 0.6 to 1, 0.7 to 1, 0.8 to 1, 0.9 to 1, or 0.95 to 1. The degree of sphericity can be measured using a known sphericity measurement method. When the above range is satisfied, packing between particles can be smooth, and the stress on particles during production of an anode can be alleviated, thereby reducing the swelling phenomenon.
본 발명에 따른 음극 활물질은 인조 흑연 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 인조 흑연 입자는 1차 입자, 2차 입자, 또는 1차 입자 및 2차 입자의 혼합물일 수 있다. 상기 1차 입자는 응집되지 않은 단일 형태의 입자를 의미할 수 있다. 상기 2차 입자는 상기 1차 입자의 응집물을 의미할 수 있다. The negative electrode active material according to the present invention may further include artificial graphite particles. The artificial graphite particles may be primary particles, secondary particles, or a mixture of primary particles and secondary particles. The primary particle may refer to a single, non-agglomerated particle. The secondary particles may refer to aggregates of the primary particles.
상기 탄소층은 상기 인조 흑연 입자의 1 중량% 내지 10 중량%, 1 중량% 내지 9 중량%, 2 중량% 내지 9 중량%, 2 중량% 내지 8 중량%, 또는 3 중량% 내지 8 중량%으로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 인조 흑연 입자의 구조 안정성을 향상시키면서, 과도한 리튬 삽입 및 탈리 현상을 방지할 수 있다. The carbon layer is 1% to 10% by weight, 1% to 9% by weight, 2% to 9% by weight, 2% to 8% by weight, or 3% to 8% by weight of the artificial graphite particles. may be included. When the above range is satisfied, the structural stability of the artificial graphite particles can be improved while excessive lithium insertion and desorption phenomenon can be prevented.
상기 탄소층은 비정질 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소층은 피치, 레이온 및 폴리아크릴로니트릴계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 탄소층 전구체를 상기 천연 흑연 입자에 제공한 후, 이를 열처리함으로써 형성될 수 있다.The carbon layer may include amorphous carbon. For example, the carbon layer may be formed by providing at least one carbon layer precursor selected from the group consisting of pitch, rayon, and polyacrylonitrile-based resin to the natural graphite particles, and then heat-treating the natural graphite particles.
상기 천연 흑연 입자의 BET 비표면적은 0.5 m2/g 내지 3.0 m2/g, 0.5 m2/g 내지 2.5 m2/g, 0.5 m2/g 내지 2.0 m2/g, 0.5 m2/g 내지 1.8 m2/g, 또는 0.5 m2/g 내지 1.5 m2/g일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전해액과의 부반응을 방지하여 이차 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있고, 높은 출력 특성을 구현할 수 있다. The BET specific surface area of the natural graphite particles is 0.5 m 2 /g to 3.0 m 2 /g, 0.5 m 2 /g to 2.5 m 2 /g, 0.5 m 2 /g to 2.0 m 2 /g, 0.5 m 2 /g It may be from 1.8 m 2 /g, or from 0.5 m 2 /g to 1.5 m 2 /g. When the above range is satisfied, side reactions with the electrolyte can be prevented, the lifespan characteristics of the secondary battery can be improved, and high output characteristics can be realized.
상기 천연 흑연 입자의 구형화도는 0.65 내지 1, 0.68 내지 1, 0.7 내지 1, 0.8 내지 1, 또는 0.9 내지 1일 수 있다. 상기 구형화도는 공지의 구형화도 측정 방법을 사용하여 측정될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 입자 간 패킹이 원활해질 수 있고, 음극 제조 시 입자들이 받는 스트레스가 완화되어 스웰링 현상을 저감시킬 수 있다. The degree of sphericity of the natural graphite particles may be 0.65 to 1, 0.68 to 1, 0.7 to 1, 0.8 to 1, or 0.9 to 1. The degree of sphericity can be measured using a known sphericity measurement method. When the above range is satisfied, packing between particles can be smooth, and the stress on particles during production of an anode can be alleviated, thereby reducing the swelling phenomenon.
<음극 활물질의 제조방법> <Method for manufacturing negative electrode active material>
본 발명에 따른 음극 활물질의 제조방법은 (a) 실리콘 입자 및 비드를 용매에 투입 후 밀링하여 제1 실리콘 슬러리를 제조하는 단계, (b) 상기 제1 실리콘 슬러리를 탄소계 고분자 용액에 투입 후 교반하여 제2 실리콘 슬러리를 제조하는 단계, 및 (c) 상기 제2 실리콘 슬러리를 1,000 ℃ 내지 1,500 ℃ 온도 범위 및 비활성 분위기하에 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. The method for producing a negative electrode active material according to the present invention includes the steps of (a) adding silicon particles and beads to a solvent and milling them to produce a first silicon slurry, (b) adding the first silicon slurry to a carbon-based polymer solution and stirring it. It may include preparing a second silicon slurry, and (c) heat treating the second silicon slurry in a temperature range of 1,000°C to 1,500°C and in an inert atmosphere.
상기 (a) 단계에서 상기 실리콘 입자는 구형의 실리콘 나노 입자일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 0.5 nm 내지 500 nm, 1 nm 내지 400 nm, 10 nm 내지 400 nm, 10 nm 내지 350 nm, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 250 nm, 10 nm 내지 200 nm, 또는 10 nm 내지 150 nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 직경은 직경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 직경으로 정의할 수 있으며, 예를 들어, 상기 직경은 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전지 용량 및 수명 특성이 향상될 수 있다.In step (a), the silicon particles may be spherical silicon nanoparticles. The silicon particles are 0.5 nm to 500 nm, 1 nm to 400 nm, 10 nm to 400 nm, 10 nm to 350 nm, 10 nm to 300 nm, 10 nm to 250 nm, 10 nm to 200 nm, or 10 nm to 10 nm. It may have a diameter of 150 nm. The diameter can be defined as a diameter corresponding to 50% of the volume accumulation in the diameter distribution curve. For example, the diameter can be measured using a laser diffraction method. When the above range is satisfied, battery capacity and life characteristics can be improved.
상기 비드는 산화 지르코늄볼(YTZ)일 수 있다. 상기 산화 지르코늄볼은 0.01 mm 내지 1 mm, 0.05 mm 내지 1 mm, 0.05 mm 내지 0.5 mm, 또는 0.05 mm 내지 0.3 mm의 직경을 가질 수 있다. 상기 용매는 특별히 제한되지 않으나 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)일 수 있다. 상기 실리콘 입자 및 비드는 상기 용매 총 중량 기준 10 중량% 내지 50 중량%, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 35 중량%, 또는 15 중량% 내지 35 중량%로 포함되어 밀링 공정이 진행될 수 있다. The beads may be zirconium oxide balls (YTZ). The zirconium oxide ball may have a diameter of 0.01 mm to 1 mm, 0.05 mm to 1 mm, 0.05 mm to 0.5 mm, or 0.05 mm to 0.3 mm. The solvent is not particularly limited, but may be isopropyl alcohol. The silicon particles and beads are included in an amount of 10% to 50% by weight, 10% to 40% by weight, 10% to 35% by weight, or 15% to 35% by weight based on the total weight of the solvent, so that the milling process is performed. You can.
상기 (a) 단계는 45 ℃ 이하의 온도 조건에서 밀링 공정이 진행될 수 있다. 상기 온도 조건을 만족함으로써, 산화 반응이 억제된 실리콘계 활물질을 제조할 수 있다. 필요에 따라, 상기 밀링 공정에서 상기 용매를 추가 투입할 수도 있다. In step (a), the milling process may be performed under temperature conditions of 45°C or lower. By satisfying the above temperature conditions, a silicon-based active material with suppressed oxidation reaction can be manufactured. If necessary, the solvent may be additionally added in the milling process.
상기 (b) 단계에서 상기 탄소계 고분자 용액에 의해 상기 실리콘계 활물질 표면에 탄소층이 형성될 수 있다. In step (b), a carbon layer may be formed on the surface of the silicon-based active material by the carbon-based polymer solution.
상기 (b) 단계 후, (b-1) 상기 제2 실리콘 슬러리를 800 bar 내지 1,200 bar 압력 조건에서 균질화하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 균질화하는 단계에 의해 상기 제2 실리콘 슬러리와 상기 탄소계 고분자 용액과의 혼련성이 향상될 수 있다.After step (b), (b-1) may include the step of homogenizing the second silicon slurry under pressure conditions of 800 bar to 1,200 bar. The homogenization step may improve kneading between the second silicon slurry and the carbon-based polymer solution.
또한, 상기 (b-1) 단계 후, (b-2) 상기 제2 실리콘 슬러리를 분무 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 분무 건조 단계에 의해 실리콘계 탄소 고분자 전구체를 제조할 수 있고, 상기 전구체를 제조함에 따라 음극 활물질의 밀도를 향상시킬 수 있다. Additionally, after step (b-1), (b-2) may include spray drying the second silicon slurry. A silicon-based carbon polymer precursor can be manufactured through the spray drying step, and the density of the negative electrode active material can be improved by manufacturing the precursor.
상기 (c) 단계의 열처리에 의해 실리콘 산화물의 표면에 탄소 코팅층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 (c) 단계에 의해 용매가 증발될 수 있고, 상기 실리콘계 입자에서 상기 용매가 증발된 공간에는 오목부가 형성될 수 있다. A carbon coating layer may be formed on the surface of the silicon oxide by the heat treatment in step (c). Additionally, the solvent may be evaporated in step (c), and a concave portion may be formed in the space where the solvent is evaporated from the silicon-based particles.
<음극><Cathode>
본 발명에 따른 음극은 음극 집전체, 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함하고, 상기 음극 활물질은 오목부, 및 상기 오목부 주위에 배치되며, 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부를 포함하는 제1 실리콘계 입자를 포함한다. A negative electrode according to the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material, and the negative electrode active material includes a concave portion and a surrounding portion of the concave portion. It is disposed in and includes first silicon-based particles including a skeleton portion that partitions each of the concave portions.
상기 음극 활물질 및 상기 제1 실리콘계 입자는 전술한 음극 활물질 및 제1 실리콘계 입자와 동일한 것일 수 있다.The negative electrode active material and the first silicon-based particles may be the same as the negative electrode active material and the first silicon-based particles described above.
상기 음극 집전체는 이차 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the secondary battery. For example, it can be used on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. In addition, the bonding power of the negative electrode active material can be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
상기 음극 활물질층은 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 상기 음극 활물질에 포함된 입자들을 결착시켜 성형체를 유지하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 바인더는 비수계 바인더 또는 수계 바인더를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 비수계 바인더인 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있고, 또한 수계 바인더인 아크릴로나이트릴-부타디엔고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 수계 바인더는 비수계 바인더에 비해 경제적, 친환경적이고, 작업자의 건강에도 무해하며, 비수계 바인더에 비하여 결착 효과가 우수하므로, 동일 체적당 활물질의 비율을 높일 수 있어 고용량화가 가능하며, 수계 바인더로는 구체적으로 스티렌-부타디엔 고무가 사용될 수 있다.The negative electrode active material layer may further include a binder. The binder may be used to maintain the molded body by binding particles included in the negative electrode active material. The binder may be a non-aqueous binder or an aqueous binder. For example, the non-aqueous binders such as polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride. (PVdF), polyethylene, or polypropylene can be used, and any one selected from the group consisting of acrylonitrile-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, and acrylic rubber, which are water-based binders, or a mixture of two or more of these can be used. You can. The aqueous binder is more economical and environmentally friendly than the non-aqueous binder, is harmless to the health of workers, and has a superior binding effect compared to the non-aqueous binder, so the ratio of active materials per same volume can be increased, enabling high capacity. Specifically, styrene-butadiene rubber may be used.
상기 바인더는 음극 활물질층 제조용 슬러리 총 중량 대비 0.1 중량% 내지 10 중량%, 0.1 중량% 내지 8 중량%, 0.1 중량% 내지 7 중량%, 0.1 중량% 내지 6 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 음극 활물질의 상대적인 함량 감소로 인한 체적당 용량의 저하 없이 바인더로서의 효과가 우수할 수 있다. The binder is present in an amount of 0.1% to 10% by weight, 0.1% to 8% by weight, 0.1% to 7% by weight, 0.1% to 6% by weight, or 0.1% to 5% by weight, based on the total weight of the slurry for producing the negative electrode active material layer. It can be included as a %. When the above range is satisfied, the effect as a binder can be excellent without a decrease in capacity per volume due to a decrease in the relative content of the negative electrode active material.
상기 음극 활물질층은 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 이차 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등을 들 수 있다. 상기 도전재는 음극 활물질층 제조용 슬러리 총 중량 대비 0.1 중량% 내지 10 중량%, 0.1 중량% 내지 8 중량%, 0.1 중량% 내지 7 중량%, 0.1 중량% 내지 6 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 활물질의 상대적인 함량 감소로 인한 체적당 용량의 저하 없이 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. The negative electrode active material layer may further include a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the secondary battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Alternatively, conductive materials such as polyphenylene derivatives may be mentioned. The conductive material is used in an amount of 0.1% to 10% by weight, 0.1% to 8% by weight, 0.1% to 7% by weight, 0.1% to 6% by weight, or 0.1% to 5% by weight, based on the total weight of the slurry for producing the negative electrode active material layer. It can be included as a %. When the above range is satisfied, electrical conductivity can be improved without a decrease in capacity per volume due to a decrease in the relative content of the active material.
<이차 전지> <Secondary battery>
본 발명에 따른 이차 전지는 음극, 양극, 및 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재된 분리막을 포함할 수 있다.The secondary battery according to the present invention may include a negative electrode, a positive electrode, and a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode.
상기 음극은 전술한 음극과 동일한 것일 수 있다.The cathode may be the same as the cathode described above.
상기 양극은 당해 분야에 알려져 있는 일반적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질에 용매, 바인더, 도전재, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 양극 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다.The anode can be manufactured by general methods known in the art. For example, a positive electrode can be manufactured by mixing and stirring a positive electrode active material with a solvent, binder, conductive material, and dispersant to prepare a slurry, which is then applied to a positive electrode current collector, compressed, and dried.
상기 양극 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 양극 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로서, 이차 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 양극 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수 있다. 상기 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 가능하며, 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.The positive electrode current collector is a highly conductive metal to which the slurry of the positive electrode active material can easily adhere, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the secondary battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or the surface of aluminum or stainless steel treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. Additionally, the adhesion of the positive electrode active material can be increased by forming fine irregularities on the surface of the positive electrode current collector. The positive electrode current collector can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics, and may have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 알루미늄과 같은 1종 이상의 금속과 리튬을 포함하는 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다.The positive electrode active material is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, and may specifically include a lithium composite metal oxide containing lithium and one or more metals such as cobalt, manganese, nickel, or aluminum. there is.
구체적으로, 상기 리튬 복합금속 산화물은 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2-zNizO4(여기에서, 0<Z<2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(여기에서, 0<Y1<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(여기에서, 0<Y2<1), LiMn2-z1Coz1O4(여기에서, 0<Z1<2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NipCoqMnr1)O2(여기에서, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1) 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(여기에서, 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M) 산화물 (예를 들면, Li(Nip2Coq2Mnr3MS2)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, p2, q2, r3 및 s2는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0<p2<1, 0<q2<1, 0<r3<1, 0<s2<1, p2+q2+r3+s2=1이다) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다. 이중에서도 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 상기 리튬 복합금속 산화물은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, 리튬 니켈망간코발트 산화물(예를 들면, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, 또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등), 또는 리튬 니켈코발트알루미늄 산화물(예를 들면, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2 등) 등일 수 있으며, 리튬 복합금속 산화물을 형성하는 구성원소의 종류 및 함량비 제어에 따른 개선 효과의 현저함을 고려할 때 상기 리튬 복합금속 산화물은 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2, 또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.Specifically, the lithium composite metal oxide is lithium-manganese-based oxide (for example, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.), lithium-cobalt-based oxide (for example, LiCoO 2 , etc.), lithium-nickel-based oxide (for example, For example, LiNiO 2 etc.), lithium-nickel-manganese oxide (for example, LiNi 1-Y Mn Y O 2 (here, 0<Y<1), LiMn 2-z Ni z O 4 (here , 0<Z<2), etc.), lithium-nickel-cobalt-based oxide (e.g., LiNi 1-Y1 Co Y1 O 2 (where 0<Y1<1), etc.), lithium-manganese-cobalt-based Oxides (for example, LiCo 1-Y2 Mn Y2 O 2 (where 0<Y2<1), LiMn 2-z1 Co z1 O 4 (where 0<Z1<2), etc.), lithium-nickel- Manganese-cobalt oxide (for example, Li(Ni p Co q Mn r1 )O 2 (where 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1 ) or Li(Ni p1 Co q1 Mn r2 )O 4 (where 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2), etc.), or lithium-nickel -Cobalt-transition metal (M) oxide (e.g., Li(Ni p2 Co q2 Mn r3 M S2 )O 2 (where M is composed of Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg and Mo) selected from the group, and p2, q2, r3 and s2 are each independent atomic fractions of elements, 0 < p2 < 1, 0 < q2 < 1, 0 < r3 < 1, 0 < s2 < 1, p2 + q2+ r3+s2=1), etc., and any one or two or more of these compounds may be included. Among these, in that the capacity characteristics and stability of the battery can be improved, the lithium composite metal oxide is LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , lithium nickel manganese cobalt oxide (for example, Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , or Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 etc.), or lithium nickel cobalt aluminum oxide (for example, Li(Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 )O 2 etc.), etc., and considering the remarkable improvement effect due to control of the type and content ratio of the constituent elements forming the lithium composite metal oxide, the lithium composite metal oxide is Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li (Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 )O 2 , or Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 , etc., and any one or a mixture of two or more of these may be used. there is.
상기 용매는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있으며, 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 상기 바인더, 상기 도전재를 용해 및 분산시킬 수 있는 정도이면 충분하다.The solvent includes organic solvents such as NMP (N-methyl pyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), acetone, dimethyl acetamide, or water, and these solvents can be used alone or in a mixture of two or more types. . The amount of the solvent used is sufficient to dissolve and disperse the positive electrode active material, the binder, and the conductive material in consideration of the slurry application thickness and manufacturing yield.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산(poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.The binder is polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, poly Vinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), alcohol Various types of binder polymers can be used, such as ponified EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, poly acrylic acid, polymers whose hydrogen is substituted with Li, Na, or Ca, or various copolymers. there is.
상기 도전재는 이차 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 않는다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 상기 양극 슬러리 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 20 중량%의 양으로 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the secondary battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, Paneth black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. The conductive material may be used in an amount of 1% to 20% by weight based on the total weight of the positive electrode slurry.
상기 분산제는 수계 분산제 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다.The dispersant may be an aqueous dispersant or an organic dispersant such as N-methyl-2-pyrrolidone.
상기 분리막은 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재될 수 있다. 상기 분리막은 음극과 양극 간 전기적 단락을 방지하고, 이온의 흐름이 발생되도록 구성된다. 상기 분리막은 다공성 고분자 필름 또는 다공성 부직포를 포함할 수 있다. 여기서, 다공성 고분자 필름은 에틸렌(ethylene) 중합체, 프로필렌(propylene) 중합체, 에틸렌/부텐(ethylene/butene) 공중합체, 에틸렌/헥센(ethylene/hexene) 공중합체, 및 에틸렌/메타크릴레이트(ethylene/methacrylate) 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자를 포함한 단일층 혹은 다중층으로 구성될 수 있다. 다공성 부직포는 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 섬유를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것이 아니며, 실시 형태에 따라 분리막은 세라믹(ceramic)을 포함한 고내열성 분리막(CCS; Ceramic Coated Separator)일 수 있다. The separator may be interposed between the cathode and the anode. The separator is configured to prevent electrical short-circuiting between the cathode and the anode and to generate a flow of ions. The separator may include a porous polymer film or a porous non-woven fabric. Here, the porous polymer film is ethylene polymer, propylene polymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate. ) It may be composed of a single layer or multiple layers containing polyolefin-based polymers such as copolymers. The porous nonwoven fabric may include high melting point glass fibers and polyethylene terephthalate fibers. However, it is not limited to this, and depending on the embodiment, the separator may be a highly heat-resistant separator (CCS; Ceramic Coated Separator) containing ceramic.
상기 양극, 상기 음극 및 상기 분리막은 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding), 또는 지그재그 스태킹(Zigzag stacking) 공정에 의해 전극 조립체로 제조될 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체는 전해액과 함께 제공되어 본 발명에 따른 이차 전지로 제조될 수 있다. 상기 이차 전지는 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형, 및 코인(coin)형 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The anode, the cathode, and the separator may be manufactured into an electrode assembly by a winding, lamination, folding, or zigzag stacking process. Additionally, the electrode assembly can be provided with an electrolyte solution and manufactured into a secondary battery according to the present invention. The secondary battery may be any one of a cylindrical, prismatic, pouch, or coin type using a can, but is not limited thereto.
상기 전해액은 비수 전해액일 수 있다. 상기 전해액은 리튬염과 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 디프로필 카보네이트(DPC), 비닐렌 카보네이트(VC), 디메틸 설포사이드(dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메톡시에탄(dimethoxyethane), 디에톡시에탄(diethoxyethane), 설포란(sulfolane), 감마-부티로락톤(gamma-butyrolactone), 프로필렌 설파이드(propylene sulfide), 또는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte. The electrolyte solution may include lithium salt and an organic solvent. The organic solvent includes propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate (MPC), dipropyl carbonate (DPC), Vinylene carbonate (VC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, sulfolane, gamma-butyrolactone ), propylene sulfide, or tetrahydrofuran.
본 발명은 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 상기 배터리 모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.The present invention can provide a battery module including the secondary battery as a unit cell. The battery module can be used as a power source for medium to large-sized devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.
예를 들어, 상기 중대형 디바이스는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle; EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle; PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the medium to large-sized device includes a power tool that is powered by an omni-electric motor and moves; Electric vehicles, including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), etc.; Electric two-wheeled vehicles, including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); electric golf cart; Examples include, but are not limited to, power storage systems.
이하에서, 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 다음의 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 다음의 실시예 및 비교예에 의해 한정되는 것은 아니다.Below, the present invention will be described in more detail based on examples and comparative examples. However, the following examples and comparative examples are only examples to explain the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following examples and comparative examples.
제조예 - 음극 활물질 제조Manufacturing Example - Preparation of negative electrode active material
제조예 1Manufacturing Example 1
입자의 크기가 약 800 nm인 실리콘과 입자의 크기가 약 0.1 mm인 지르코니아 비드(YTZ)를 이소프로필알코올 용매에 투입하였다. 이후, 45℃ 이하 온도로 유지하면서 9시간 동안 밀링하여, 입자의 크기가 약 100 nm인 금속 실리콘의 고형분 함량이 30 중량%인 제1 실리콘 슬러리를 제조하였다.Silicon with a particle size of approximately 800 nm and zirconia beads (YTZ) with a particle size of approximately 0.1 mm were added to an isopropyl alcohol solvent. Thereafter, the mixture was milled for 9 hours while maintaining the temperature below 45°C to prepare a first silicon slurry having a solid content of 30% by weight of metallic silicon with a particle size of approximately 100 nm.
상기 제1 실리콘 슬러리를 균질화 반응기(2,500 rpm)에서 10분간 교반한 후, PVP(polyvinyl pyrrolidone)를 투입하였으며, 상기 균질화 반응기에서 10분간 재교반하여 제2 실리콘 슬러리를 제조하였다.After stirring the first silicon slurry for 10 minutes in a homogenization reactor (2,500 rpm), polyvinyl pyrrolidone (PVP) was added, and the second silicon slurry was prepared by stirring again in the homogenization reactor for 10 minutes.
상기 제2 실리콘 슬러리를 고압 균질기(High pressure homogenizer)에서 1,000 bar 압력하에 균질화 공정을 2회 실시하였다. 이후, 상기 제2 실리콘 슬러리를 100℃ 온도, 0.5Mpa 압력, 및 3 L/h 유속 조건으로 분무 건조하였다. 이후, 1,200℃ 질소조건에서 열처리하여 음극 활물질을 제조하였다.The second silicon slurry was subjected to a homogenization process twice under a pressure of 1,000 bar in a high pressure homogenizer. Thereafter, the second silicon slurry was spray-dried at a temperature of 100°C, a pressure of 0.5Mpa, and a flow rate of 3 L/h. Afterwards, a negative electrode active material was manufactured by heat treatment at 1,200°C under nitrogen conditions.
제조예 2Production example 2
제조예 1에서 입자의 크기가 약 100 nm인 금속 실리콘인 대신 입자의 크기가 약 80 nm인 금속 실리콘인 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 공정에 의해 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared through the same process as Preparation Example 1, except that instead of using metallic silicon with a particle size of about 100 nm, it was made of metallic silicon with a particle size of about 80 nm.
제조예 3Production example 3
제조예 1에서 3 L/h 유속 조건으로 분무 건조하는 대신 2 L/h 유속 조건으로 분무 건조하는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 공정에 의해 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared through the same process as Preparation Example 1, except that instead of spray drying at a flow rate of 3 L/h in Preparation Example 1, it was spray-dried at a flow rate of 2 L/h.
제조예 4Production example 4
제조예 1에서 3 L/h 유속 조건으로 분무 건조하는 대신 4 L/h 유속 조건으로 분무 건조하는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 공정에 의해 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared through the same process as Preparation Example 1, except that instead of spray drying at a flow rate of 3 L/h in Preparation Example 1, it was spray-dried at a flow rate of 4 L/h.
실시예Example
실시예 1Example 1
<음극 제조><Cathode manufacturing>
제조예 1의 음극 활물질:도전재(Super-P):바인더(SBR-CMC)를 8:1:1의 중량비로 N-메틸 피롤리돈 용매 중에서 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이후, 상기 슬러리를 구리 박막에 도포한 후, 진공 오븐에서 80℃ 온도 조건하에 8시간 동안 건조하여 음극을 제조하였다.A slurry was prepared by mixing the negative electrode active material of Preparation Example 1: conductive material (Super-P): binder (SBR-CMC) in N-methyl pyrrolidone solvent at a weight ratio of 8:1:1. Afterwards, the slurry was applied to a copper thin film and dried in a vacuum oven at 80°C for 8 hours to prepare a cathode.
<코인형 하프셀 제조><Coin type half cell manufacturing>
상기 제조된 음극의 반대극(양극)으로서 두께 0.3 mm의 금속 리튬박을 사용하였으며, 분리막은 두께 0.1 mm의 폴리프로필렌 시트를 사용하였다. 전해액으로 에틸렌카보네이트:에틸메틸카보네이트를 3:7의 체적비로 혼합한 용매에 LiPF6 1M을 용해한 것을 사용하여, 코인형 하프셀을 제조하였다.Metal lithium foil with a thickness of 0.3 mm was used as a counter electrode (anode) to the cathode prepared above, and a polypropylene sheet with a thickness of 0.1 mm was used as a separator. A coin-type half-cell was manufactured using 1M LiPF 6 dissolved in a solvent mixed with ethylene carbonate and ethylmethyl carbonate at a volume ratio of 3:7 as an electrolyte.
실시예 2Example 2
실시예 1에서 제조예 1의 음극 활물질 대신 제조예 2의 음극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 코인형 하프셀을 제조하였다. A coin-type half-cell was manufactured through the same process as Example 1, except that the negative electrode active material of Preparation Example 2 was used instead of the negative electrode active material of Preparation Example 1.
실시예 3Example 3
실시예 1에서 제조예 1의 음극 활물질 대신 제조예 3의 음극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 코인형 하프셀을 제조하였다. A coin-type half-cell was manufactured through the same process as Example 1, except that the negative electrode active material of Preparation Example 3 was used instead of the negative electrode active material of Preparation Example 1.
실시예 4Example 4
실시예 1에서 제조예 1의 음극 활물질 대신 제조예 4의 음극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 코인형 하프셀을 제조하였다. A coin-type half-cell was manufactured through the same process as Example 1, except that the negative electrode active material of Preparation Example 4 was used instead of the negative electrode active material of Preparation Example 1.
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1에서 제조예 1의 음극 활물질 대신 대주전자재료社 DMSO-H85 실리콘산화물 복합재(도 4에 도시)를 음극 활물질로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 코인형 하프셀을 제조하였다.In Example 1, a coin-type half-cell was manufactured through the same process as Example 1, except that Daejoo Electronic Materials' DMSO-H85 silicon oxide composite (shown in FIG. 4) was used as the negative electrode active material instead of the negative electrode active material of Preparation Example 1. was manufactured.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1에서 제조예 1의 음극 활물질 대신 BTR社 실리콘카바이드 복합재(도 5에 도시)를 음극 활물질로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 코인형 하프셀을 제조하였다.A coin-type half-cell was manufactured in the same process as Example 1, except that BTR's silicon carbide composite (shown in FIG. 5) was used as the negative electrode active material instead of the negative electrode active material of Preparation Example 1.
실험예Experiment example
실험예 1 - SEM 분석Experimental Example 1 - SEM Analysis
제조예 1의 음극 활물질에 대하여 전자주사현미경(SEM) 분석을 실시한 결과를 도 3에 나타내었다. 또한, 비교예 1, 2의 음극 활물질에 대하여 전자주사현미경(SEM) 분석을 실시한 결과를 도 4 및 도 5에 각각 나타내었다. The results of scanning electron microscopy (SEM) analysis on the negative electrode active material of Preparation Example 1 are shown in FIG. 3. In addition, the results of scanning electron microscopy (SEM) analysis on the negative electrode active materials of Comparative Examples 1 and 2 are shown in Figures 4 and 5, respectively.
도 3 내지 5를 참조하면, 제조예 1의 음극 활물질은 오목부와 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 비교예 1, 2의 음극 활물질에서는 오목부를 확인할 수 없었다.Referring to Figures 3 to 5, it was confirmed that the negative electrode active material of Preparation Example 1 had a concave portion and a skeleton portion dividing each of the concave portions. In contrast, no concave portion could be confirmed in the negative electrode active materials of Comparative Examples 1 and 2.
실험예 2 - 방전용량 유지율Experimental Example 2 - Discharge capacity maintenance rate
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 각각의 코인형 하프셀을 0.1C의 정전류로 전압이 0.01V가 될 때까지 충전하고, 0.1C의 정전류로 전압이 1.5V가 될 때까지 방전하는 과정을 3회 실시하여 전지의 안정화 공정을 진행하였다.Each of the coin-type half cells manufactured in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 were charged at a constant current of 0.1C until the voltage reached 0.01V, and then charged at a constant current of 0.1C until the voltage reached 1.5V. The discharging process was performed three times to proceed with the battery stabilization process.
이후, 상기 각각의 코인형 하프셀을 0.5C의 정전류로 전압이 0.01V가 될 때까지 충전하고, 0.5C의 정전류로 전압이 1.0V가 될 때까지 방전하는 과정을 50회 실시하였으며, 50번째 충방전 후 1번째 대비 방전용량의 유지율을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, each coin-type half cell was charged at a constant current of 0.5C until the voltage reached 0.01V, and discharged at a constant current of 0.5C until the voltage reached 1.0V. The process was performed 50 times, and the 50th The maintenance rate of discharge capacity compared to the first time after charging and discharging was measured, and the results are shown in Table 1 below.
실험예 3 - 스웰링 비율Experimental Example 3 - Swelling Ratio
상기 실험예 2에 따른 충방전 과정에서의 스웰링 비율을 하기 식 1에 의해 측정 및 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The swelling ratio during the charging and discharging process according to Experimental Example 2 was measured and calculated according to Equation 1 below, and the results are shown in Table 1 below.
[식 1][Equation 1]
스웰링 비율(%) = [(t2-t1)/t1] × 100Swelling ratio (%) = [(t2-t1)/t1] × 100
(상기 식 1에서, t1은 1번째 충방전 수행 전 음극의 두께, t2는 50번째 충방전 후 음극의 두께이다.)(In Equation 1 above, t1 is the thickness of the cathode before the 1st charge and discharge, and t2 is the thickness of the cathode after the 50th charge and discharge.)
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 4는 비교예 1 내지 2 대비 높은 방전용량 유지율을 나타내며, 사이클 후 음극의 두께 변화가 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 실리콘계 입자가 오목부를 포함함에 따라, 리튬 이온의 삽입에 따른 실리콘계 입자의 부피 팽창이 억제될 수 있고, 사이클이 증가함에 따라 실리콘계 입자가 미분화되는 현상이 최소화되어, 이차 전지의 방전용량 유지율이 증가됨으로써, 음극의 스웰링 비율이 감소될 수 있다. As can be seen in Table 1, Examples 1 to 4 showed a higher discharge capacity maintenance rate than Comparative Examples 1 to 2, and it was confirmed that the change in the thickness of the cathode after cycling was significantly reduced. This is because the silicon-based particles according to the present invention include concave portions, the volume expansion of the silicon-based particles due to insertion of lithium ions can be suppressed, and the phenomenon of silicon-based particles being finely divided as the cycle increases is minimized, thereby reducing the discharge of the secondary battery. By increasing the capacity retention rate, the swelling rate of the cathode can be reduced.
10: 오목부
11: 제1 오목부
12: 제2 오목부
20: 골격부
100: 제1 실리콘계 입자
200: 제2 실리콘계 입자10: recess
11: first concave portion
12: second concave portion
20: skeleton part
100: first silicon-based particle
200: second silicon-based particle
Claims (14)
상기 오목부 주위에 배치되며, 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부를 포함하는 제1 실리콘계 입자를 포함하며,
상기 오목부 및 상기 골격부를 포함하며, 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛ 미만의 직경을 가지는 제2 실리콘계 입자를 더 포함하는 음극 활물질.recess; and
It is disposed around the concave portions and includes first silicon-based particles including a skeleton portion that partitions each of the concave portions,
A negative electrode active material including the concave portion and the skeleton portion, and further comprising second silicon-based particles having a diameter of 0.1 ㎛ to less than 3 ㎛.
상기 제1 실리콘계 입자는 3 ㎛ 내지 15 ㎛의 직경을 가지는 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the first silicon-based particles have a diameter of 3 ㎛ to 15 ㎛.
상기 제1 실리콘계 입자의 중심 방향으로의 상기 오목부의 깊이:상기 제1 실리콘계 입자의 직경은 0.01:1 내지 0.80:1의 비율을 갖는 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the depth of the concave portion in the direction toward the center of the first silicon-based particle:the diameter of the first silicon-based particle has a ratio of 0.01:1 to 0.80:1.
상기 제1 실리콘계 입자의 면적에 대한 상기 오목부의 개구 면적의 비율은 20 % 내지 95 %인 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the ratio of the opening area of the concave portion to the area of the first silicon-based particle is 20% to 95%.
상기 제1 실리콘계 입자의 체적에 대한 상기 오목부의 체적 비율은 5 % 내지 80 %인 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the volume ratio of the concave portion to the volume of the first silicon-based particle is 5% to 80%.
상기 골격부는 분지된 구조를 포함하는 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the skeleton portion includes a branched structure.
상기 제1 실리콘계 입자는 하기 일반식 1을 만족하는 것인 음극 활물질:
[일반식 1]
1 ≤ X/Y ≤ 80
상기 일반식 1에서, X는 상기 제1 실리콘계 입자의 중심 방향으로의 상기 오목부의 깊이(nm)이며, Y는 상기 골격부의 폭 방향에서의 상기 골격부의 길이(nm)이다. According to paragraph 1,
The first silicon-based particle is a negative electrode active material that satisfies the following general formula 1:
[General Formula 1]
1 ≤ X/Y ≤ 80
In General Formula 1,
상기 제2 실리콘계 입자는 상기 제1 실리콘계 입자의 상기 오목부 중 적어도 일부에 배치된 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
The second silicon-based particle is a negative electrode active material disposed in at least a portion of the concave portion of the first silicon-based particle.
상기 제1 실리콘계 입자는 실리콘 입자 및 상기 실리콘 입자의 표면이 산화된 실리콘 산화물을 포함하는 것인 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the first silicon-based particles include silicon particles and silicon oxide in which the surface of the silicon particles is oxidized.
상기 실리콘 입자는 1 nm 내지 500 nm의 직경을 가지는 것인 음극 활물질.According to clause 10,
A negative electrode active material wherein the silicon particles have a diameter of 1 nm to 500 nm.
상기 실리콘 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것인 음극 활물질:
[화학식 1]
SiOx (0<x≤0.9)According to clause 10,
The silicon oxide is a negative electrode active material represented by the following formula (1):
[Formula 1]
SiO x (0<x≤0.9)
상기 제1 실리콘계 입자는 상기 실리콘 산화물의 표면 중 적어도 일부에 탄소층이 형성된 것인 음극 활물질.According to clause 10,
The first silicon-based particle is a negative electrode active material in which a carbon layer is formed on at least a portion of the surface of the silicon oxide.
상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하며,
상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함하고,
상기 음극 활물질은 오목부, 및 상기 오목부 주위에 배치되며, 상기 오목부 각각을 구획하는 골격부를 포함하는 제1 실리콘계 입자를 포함하며, 상기 오목부 및 상기 골격부를 포함하며, 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛ 미만의 직경을 가지는 제2 실리콘계 입자를 더 포함하는 것인 음극.
negative electrode current collector; and
It includes a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material,
The negative electrode active material includes a first silicon-based particle including a concave portion and a framework disposed around the concave portion and dividing each of the concave portions, and includes the concave portion and the framework portion, and has a thickness of 0.1 ㎛ to 3 ㎛. A negative electrode further comprising second silicon-based particles having a diameter of less than 20%.
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