KR20150047274A - Negative electrode active material for rechargeable lithium battery, method for preparing the same and rechargeable lithium battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용함에 따라, 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 나타내며, 그 결과 높은 에너지 밀도를 나타낸다.Recently, a lithium secondary battery, which is attracting attention as a power source for portable electronic devices, has a discharge voltage twice as high as that of a conventional battery using an alkaline aqueous solution, resulting in a high energy density.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1 -xCoxO2(0 < x < 1)등과 같이 리튬 이온의 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물이 주로 사용된다.The positive electrode active material of the lithium secondary battery is preferably made of lithium and a transition metal having a structure capable of intercalating lithium ions such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiNi 1 -x Co x O 2 (0 <x <1) Oxide is mainly used.
음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다. 상기 탄소 계열 중 흑연이 현재 가장 널리 사용되고 있다.As the anode active material, various types of carbon-based materials including artificial graphite, natural graphite, and hard carbon capable of lithium insertion / desorption have been applied. Graphite among the carbon series is currently the most widely used.
그러나 최근 휴대용 소형 전자기기의 기능이 다양해지고, 소형화 및 경량화가 진행됨에 따라, 리튬 이차 전지의 고용량화가 요구되고 있고, 이에 따라 리튬 이차전지의 음극활물질로 사용되고 있는 흑연의 이론 용량인 372 mAh/g보다 높은 이론 용량을 갖는 금속계 음극활물질 재료에 대한 관심이 높아지고 있다.However, recently, as the functions of portable electronic devices have been diversified and miniaturization and weight have been progressed, there has been a demand for higher capacity of lithium secondary batteries. Accordingly, the theoretical capacity of graphite used as a negative electrode active material of lithium secondary batteries is 372 mAh / g There is a growing interest in metal-based anode active material materials having a higher theoretical capacity.
특히, 실리콘계 금속 재료는 흑연에 비해 이론 용량이 10배 이상 높은 활물질 재료로서, 이에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그러나, 충전 과정에서 발생되는 실리콘 입자의 부피 팽창에 따른 체적 변화로 균열이 발생하고 그로 인한 활물질 간의 전도성 감소, 극판으로부터의 탈리, 및 전해액과의 지속적 반응 등으로 인하여 리튬 이차 전지의 수명 특성을 저하시키는 문제점이 있어 아직 상용화 수준에는 이르지 못하고 있다.
Particularly, the silicon-based metal material is an active material having a
부피팽창을 억제 시켜 수명 특성이 우수한 고용량 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. A negative electrode active material for a lithium rechargeable battery of high capacity which has excellent lifetime characteristics by suppressing volume expansion and a method of manufacturing the same.
또한, 이러한 음극 활물질을 이용하여 개선된 특성의 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다.
Further, there is a need to provide a lithium secondary battery having improved characteristics using such an anode active material.
본 발명의 일 구현예에서는, 인편상 흑연입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어; 및 상기 코어 표면에 위치하는 세라믹 코팅층;을 포함하는 탄소-금속 복합체 형태인 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다. In one embodiment of the present invention, a core comprising scaly graphite particles and a metal-based active material; And a ceramic coating layer disposed on the surface of the core. The present invention also provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is in the form of a carbon-metal composite.
상기 코어는 저결정성 탄소를 더 포함할 수 있다. The core may further comprise low-crystalline carbon.
상기 상기 저결정성 탄소는, 석유계 피치, 석탄계 피치, 메조페이스 피치, 중질유, 경질유, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 수크로오스(sucrose), 페놀수지(phenol resin), 퓨란수지(furan resin), 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 스티렌(styrene), 폴리이미드(polyimide), 에폭시(epoxy resin), 글루코오스(glucose), 또는 이들의 조합일 수 있다. The low crystalline carbon may be at least one selected from the group consisting of petroleum pitch, coal pitch, mesophase pitch, heavy oil, light oil, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC), sucrose, phenol resin, A furan resin, a furfuryl alcohol, a polyacrylonitrile, a cellulose, a styrene, a polyimide, an epoxy resin, a glucose, Or a combination thereof.
상기 저결정성 탄소의 함량은 활물질 전체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 50%일 수 있다. The content of the low-crystalline carbon may be 0.1 to 50% based on 100% by weight of the total active material.
상기 금속계 활물질은, 실리콘, 주석, 알루미늄, 바나듐, 마그네슘, 또는 안티몬 중 어느 하나의 금속; 이들의 하나 이상의 조합으로 이루어진 합금; 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 화합물; 또는 이들의 조합일 수 있다. The metal-based active material may be at least one selected from the group consisting of silicon, tin, aluminum, vanadium, magnesium, and antimony; An alloy of one or more of these; A compound selected from oxides, nitrides, carbides, or combinations of these metals; Or a combination thereof.
상기 인편상 흑연입자는 천연흑연, 인조흑연, 또는 이들의 조합일 수 있다. The scratched graphite particles may be natural graphite, artificial graphite, or a combination thereof.
상기 세라믹은 금속 산화물, 비금속 산화물, 복합금속산화물, 희토류 산화물, 할로겐족을 포함하는 화합물, 세라믹 전구체로부터 생성된 산화물, 또는 이들의 조합일 수 있다. The ceramic may be a metal oxide, a non-metal oxide, a composite metal oxide, a rare earth oxide, a compound containing a halogen group, an oxide produced from a ceramic precursor, or a combination thereof.
상기 세라믹 전구체는 지르코니아, 알루미늄, 폴리카보실란, 폴리실록센, 폴리실라잔 또는 이들의 조합일 수 있다. The ceramic precursor may be zirconia, aluminum, polycarbosilane, polysiloxane, polysilazane, or a combination thereof.
상기 세라믹은 SiO2, Al2O3, Li2Ti5O12, TiO2, CeO2, ZrO2, BaTiO3, Y2O3, MgO, CuO, ZnO, AlPO4, AlF, Si3N4, AlN, TiN, WC, SiC, TiC, MoSi2, Fe2O3, GeO2, Li2O, MnO, NiO, 제올라이트, 또는 이들의 조합일 수 있다. Said ceramic is SiO 2, Al 2 O 3, Li 2 Ti 5 O 12, TiO 2, CeO 2, ZrO 2, BaTiO 3, Y 2
상기 인편상 흑연입자의 평균 입경은 3 내지 100 ㎛일 수 있다. The average particle size of the scratched graphite particles may be 3 to 100 탆.
상기 금속계 활물질의 평균 입경은 0.03 내지 20 ㎛일 수 있다. The average particle size of the metal-based active material may be 0.03 to 20 탆.
상기 세라믹 코팅층은 세라믹 입자를 포함하고, 상기 세라믹 입자의 평균 입경은 10 내지 1000 ㎚일 수 있다. The ceramic coating layer may include ceramic particles, and the average particle size of the ceramic particles may be 10 to 1000 nm.
상기 금속계 활물질에 대한 인편상 흑연 입자의 중량비율은, 60/40 내지 99/1일 수 있다. The weight ratio of the flake graphite particles to the metal-based active material may be 60/40 to 99/1.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계; 상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계; 및 상기 코어 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하는 탄소-금속 복합체 형태인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a graphite core material, comprising the steps of: preparing a core material comprising scaly graphite particles and a metal-based active material; Mixing the prepared core material and assembling it into a spherical shape to prepare a core; And forming a ceramic coating layer on the surface of the core. The present invention also provides a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;는, 인편상 흑연 입자, 금속계 활물질, 및 저결정성 탄소를 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;일 수 있다. Preparing the core material comprising the flaky graphite particles and the metal-based active material, and preparing a core material including flake graphite particles, a metal-based active material, and low-crystalline carbon.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 기계적 혼합 방법을 이용할 수 있다. The step of preparing the core by mixing the prepared core materials into a spherical shape may be a mechanical mixing method.
상기 기계적 혼합 방법은, 로터 블레이드 밀링(rotor blade milling), 메카노퓨전 밀링(mechanofusion milling), 플래너터리 밀링(planetary milling), 세이프 밀링(shape milling), 수직 세이프 밀링(vertical shape milling), 노빌타 밀링(nobilta milling), 고속혼합(high speed mixing), 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 방법일 수 있다. The mechanical mixing method may be selected from the group consisting of rotor blade milling, mechanofusion milling, planetary milling, shape milling, vertical shape milling, Millimeter milling, high speed mixing, or a combination thereof.
상기 기계적 혼합 방법은, 500 내지 20000 rpm의 회전 속도 수행될 수 있다. The mechanical mixing method may be performed at a rotational speed of 500 to 20000 rpm.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 수소, 질소, 아르곤, 또는 이들의 혼합 가스 분위기에서 열처리하는 방법을 이용할 수 있다. The step of preparing the core by mixing the prepared core material and then assembling into a spherical shape may be a method of performing heat treatment in hydrogen, nitrogen, argon, or a mixed gas atmosphere thereof.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 600 내지 1500℃에서 수행될 수 있다. The step of mixing the prepared core material and assembling into a spherical shape to prepare a core may be performed at 600 to 1500 ° C.
상기 코어 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 단계;는, 제조된 코어 및 세라믹 입자를 기계적으로 혼합하는 방법에 의해 수행될 수 있다. The step of forming a ceramic coating layer on the surface of the core may be performed by a method of mechanically mixing the prepared core and ceramic particles.
상기 기계적 혼합 방법은, 로터 블레이드 밀링(rotor blade milling), 볼밀링(ball milling), 메카노퓨전 밀링(mechanofusion milling), 쉐이커 밀링(shaker milling), 플래너터리 밀링(planetary milling), 애트리터 밀링(attritor milling) 디스크 밀링 (disk milling), 세이프 밀링(shape milling), 수직 세이프 밀링(vertical shape milling), 나우타 밀링 (nauta milling), 노빌타 밀링(nobilta milling), 고속혼합(high speed mixing), 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 방법일 수 있다. The mechanical mixing method may be selected from the group consisting of rotor blade milling, ball milling, mechanofusion milling, shaker milling, planetary milling, such as attritor milling, disk milling, shape milling, vertical shape milling, nauta milling, nobilta milling, high speed mixing, Or a combination thereof.
상기 기계적 혼합 방법은 500 내지 7,000 rpm의 회전 속도 수행될 수 있다. The mechanical mixing method may be performed at a rotational speed of 500 to 7,000 rpm.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 음극; 양극; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode comprising a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention; anode; And an electrolyte.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.
음극 활물질의 부피 팽창을 억제시켜 수명 특성이 우수한 고용량 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.
It is possible to realize a high capacity lithium secondary battery having excellent lifetime characteristics by suppressing the volume expansion of the negative electrode active material.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 일 구현예에 따라 제조된 세라믹 코팅층을 포함하는 탄소-금속 복합체 형태의 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 개략 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 2에 따라 제조된 음극 활물질의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 음극 활물질의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 초기 3싸이클의 충방전 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 충방전 수명에 따른 용량 유지율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 스웰링 평가를 나타낸 그래프이다.1 is an exploded perspective view of a lithium secondary battery according to one embodiment.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material for a lithium secondary battery in the form of a carbon-metal composite including a ceramic coating layer produced according to an embodiment.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a negative electrode active material prepared according to Comparative Example 2. FIG.
FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of a negative electrode active material prepared according to Example 1. FIG.
5 is a graph showing charge / discharge curves of the initial three cycles of the lithium secondary battery produced according to Example 1 and Comparative Example 2. FIG.
6 is a graph showing the capacity retention rate of the lithium secondary battery manufactured according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 according to charge / discharge life span.
7 is a graph showing swelling evaluation of a lithium secondary battery manufactured according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.
본 명세서에서 평균 입경이란, D50의 입경을 의미한다. D50은 작은 입자순서로 입자의 누적 부피가 50부피%가 될 때의 입자 입경이다.
In the present specification, the average particle diameter means the particle diameter of D50. D50 is the particle size when the cumulative volume of the particles becomes 50% by volume in the small particle order.
본 발명의 일 구현예에서는, 인편상 흑연입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어; 및 상기 코어 표면에 위치하는 세라믹 코팅층;을 포함하는 탄소-금속 복합체 형태인 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a core comprising scaly graphite particles and a metal-based active material; And a ceramic coating layer disposed on the surface of the core. The present invention also provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is in the form of a carbon-metal composite.
상기 인편상 흑연입자와 금속계 활물질을 포함하는 코어 내부에 저결정성 탄소가 추가적으로 포함될 수 있다. Low-crystalline carbon may be additionally contained in the core including the scratched graphite particles and the metal-based active material.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 개략 단면도를 도 2에 나타내었다. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 음극 활물질은 인편상 흑연입자와 저결정성 탄소가 구형화로 결구된 상태일 수 있다. 상기 인편상 흑연입자와 저결성 탄소 사이사이에 금속 활물질이 분산되어 있을 수 있다. 또한, 구형화된 복합체 표면에 세라믹 코팅층이 위치할 수 있다. 다만, 이는 일 예시일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. Referring to FIG. 2, the anode active material according to an embodiment of the present invention may be in the state where the graphite particles and the low-crystallinity carbon are spheroidized. And the metal active material may be dispersed between the scratched graphite particles and the low-definition carbon. In addition, a ceramic coating layer may be placed on the surface of the spheroidized composite. However, the present invention is not limited thereto.
상기 금속계 활물질에 대한 인편상 흑연 입자의 중량비율은, 60/40 내지 99/1일 수 있다. 이러한 범위를 만족하는 경우, 충방전 시 입자 손상 최소화 및 전기 전도도 유지로 인해 리튬 이차 전지의 고용량 및 장수명을 구현할 수 있게 된다.The weight ratio of the flake graphite particles to the metal-based active material may be 60/40 to 99/1. When such a range is satisfied, it is possible to realize the high capacity and long life of the lithium secondary battery by minimizing the particle damage and maintaining the electric conductivity at the time of charging and discharging.
상기 금속계 활물질은 실리콘, 주석, 알루미늄, 바나듐, 마그네슘, 또는 안티몬 중 어느 하나의 금속; 이들의 하나 이상의 조합으로 이루어진 합금; 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 화합물; 또는 이들의 조합일 수 있다. 구체적으로는 Si, SiOx, Si-C 복합체, Si-Q 합금일 수 있고, 이 때, 상기 x는 0 < x < 2 범위의 정수일 수 있고, 상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합일 수 있으며, Si는 아니다. 상기 Q의 구체적인 원소로는, Ti, V, Al, Sn, 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 가장 구체적인 금속계 활물질은 Si 또는 이의 산화물인 SiOx(0.1≤x≤2)일 수 있다.The metal-based active material may be one selected from the group consisting of silicon, tin, aluminum, vanadium, magnesium, and antimony; An alloy of one or more of these; A compound selected from oxides, nitrides, carbides, or combinations of these metals; Or a combination thereof. Specifically, x may be an integer in the range of 0 < x < 2, and Q may be an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 to 16 Group element, a transition metal, a rare earth element, or a combination thereof, and is not Si. Specific examples of the above-mentioned Q include Ti, V, Al, Sn, or a combination thereof. The most specific metal-based active material may be Si or an oxide thereof SiOx (0.1? X? 2).
상기 인편상 흑연입자는 천연흑연, 인조흑연, 또는 이들의 조합일 수 있다. The scratched graphite particles may be natural graphite, artificial graphite, or a combination thereof.
상기 인편상 흑연입자와 금속계 활물질을 포함하는 코어 내부에 저결정성 탄소가 추가적으로 포함될 수 있이며, 이러한 경우 인편상 흑연입자와 금속계 활물질이 결착될 수 있도록 하여 조립화 및 형상 제어가 용이할 수 있다. 추가적으로, 전지의 충방전 시 비가역 반응을 감소시킬 수 있다. 또한, 저결정성 탄소재에 의해서 활물질 입자 간의 전기 전도성 및 전해질에 대한 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 활물질의 부피팽창을 완화시켜 줄 수 있다.Low-crystalline carbon may be additionally contained in the core including the scaly graphite particles and the metal-based active material. In this case, the graphite particles and the metal-based active material can be bound to each other, . In addition, the irreversible reaction can be reduced during charging and discharging of the battery. Further, the electrical conductivity between the active material particles and the electrochemical characteristics with respect to the electrolyte can be improved by the low-crystalline carbon material. In addition, the volume expansion of the active material can be alleviated.
상기 저결정성 탄소재는 석유계 피치, 석탄계 피치, 메조페이스 피치, 중질유, 경질유, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 수크로오스(sucrose), 페놀수지(phenol resin), 퓨란수지(furan resin), 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 스티렌(styrene), 폴리이미드(polyimide), 에폭시(epoxy resin), 글루코오스(glucose), 또는 이들의 조합일 수 있다.The low crystalline carbon material may be selected from the group consisting of petroleum pitch, coal pitch, mesophase pitch, heavy oil, light oil, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC), sucrose, phenol resin, furan resin, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, cellulose, styrene, polyimide, epoxy resin, glucose, or a mixture thereof. Lt; / RTI >
구체적으로 석유계 피치, 석탄계 피치, 페놀 수지, 중질유, 경질유, 또는 이들의 조합 일 수 있고, 더 구체적으로는 석유계 피치, 석탄계 피치 또는 이들의 조합 일 수 있다. Specifically, it may be a petroleum pitch, a coal pitch, a phenol resin, a heavy oil, a light oil, or a combination thereof. More specifically, it may be a petroleum pitch, a coal pitch or a combination thereof.
상기 저결정성 탄소의 함량은 활물질 전체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 50%일 수 있다. 이러한 범위를 만족하는 경우, 흑연입자와 금속계 활물질을 결착이 용이하며, 부반응이 감소할 수 있다. 또한, 활물질의 전도도가 개선될 수 있다. 또한, 리튬 이차 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다. The content of the low-crystalline carbon may be 0.1 to 50% based on 100% by weight of the total active material. When this range is satisfied, the graphite particles and the metal-based active material can be easily bound and the side reaction can be reduced. In addition, the conductivity of the active material can be improved. In addition, the lifetime characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
상기 탄소-금속 복합체(탄소-금속 조립 복합체)의 표면에 세라믹 코팅층을 형성시킴으로써 리튬 이차 전지의 고용량을 유지한 상태로 수명 특성을 향상 시킬 수 있다. By forming a ceramic coating layer on the surface of the carbon-metal composite (carbon-metal composite), it is possible to improve lifetime characteristics while maintaining a high capacity of the lithium secondary battery.
상기 세라믹 코팅층은 활물질 표면에 균일하게 코팅되어 단단한 코팅막을 형성하며, 이 코팅막은 탄소-금속 복합체의 충방전 시 발생하는 활물질의 팽창 및 수축을 억제 시켜 부피 팽창으로 인한 전극 파괴 및 변형 감소를 일으킬 수 있다. The ceramic coating layer is uniformly coated on the surface of the active material to form a hard coating film. This coating film inhibits the expansion and contraction of the active material generated during charging and discharging of the carbon-metal composite, have.
또한, 세라믹 코팅층은 표면 거칠기가 있어 충방전 시 팽창 및 수축이 일어나더라도 입자간 접촉 능력을 향상 시켜 활물질의 수명특성이 유지될 수 있다. Further, since the ceramic coating layer has a surface roughness, the lifetime characteristics of the active material can be maintained by improving the interfacial contact ability even when expansion and contraction occur during charging and discharging.
더욱이 상기 탄소-금속 복합체의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하게 되면 금속 활물질의 노출을 방지하여 전해질과의 부반응을 억제시켜 줌으로써 수명특성 향상뿐만 아니라 안전성 문제도 개선 시킬 수 있다.Further, when the ceramic coating layer is formed on the surface of the carbon-metal composite, exposure of the metal active material is prevented to suppress side reactions with the electrolyte, thereby improving not only the lifetime characteristics but also the safety problem.
상기 세라믹은 금속 산화물, 비금속 산화물, 복합금속산화물, 희토류 산화물, 할로겐족을 포함하는 화합물, 세라믹 전구체로부터 생성된 산화물, 또는 이들의 조합일 수 있다.The ceramic may be a metal oxide, a non-metal oxide, a composite metal oxide, a rare earth oxide, a compound containing a halogen group, an oxide produced from a ceramic precursor, or a combination thereof.
세라믹 전구체는 지르코니아, 알루미늄, 폴리카보실란, 폴리실록센, 폴리실라잔 또는 이들의 조합일 수 있다.The ceramic precursor may be zirconia, aluminum, polycarbosilane, polysiloxane, polysilazane, or a combination thereof.
상기 세라믹은 SiO2, Al2O3, Li2Ti5O12, TiO2, CeO2, ZrO2, BaTiO3, Y2O3, MgO, CuO, ZnO, AlPO4, AlF, Si3N4, AlN, TiN, WC, SiC, TiC, MoSi2, Fe2O3, GeO2, Li2O, MnO, NiO, 제올라이트, 또는 이들의 조합일 수 있다. Said ceramic is SiO 2, Al 2 O 3, Li 2 Ti 5 O 12, TiO 2, CeO 2, ZrO 2,
상기 세라믹의 함량은 탄소-금속 복합체의 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부일 수 있다. 세라믹이 상기 범위내로 포함되는 경우, 균일한 코팅층 형성이 가능하며, 부피 팽창 완화를 효과적으로 유지하여 수명특성을 향상 시킬 수 있으며, 상기 범위를 벗어날 경우 세라믹에 의한 용량 감소 및 다른 부반응에 의해 수명특성이 저하 될 수 있다.The content of the ceramics may be 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon-metal composite. When the ceramic is contained within the above range, a uniform coating layer can be formed, volume expansion can be effectively maintained, and lifetime characteristics can be improved. If the ceramic is out of the above range, Can be degraded.
상기 인편상 흑연입자의 평균 입경은 3 내지 100 ㎛ 일 수 있다. The average particle size of the scratched graphite particles may be 3 to 100 탆.
상기 금속계 활물질의 평균 입경은 0.03 내지 20 ㎛ 일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다. The average particle size of the metal-based active material may be 0.03 to 20 탆. However, the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 세라믹 코팅층은 세라믹 입자를 포함하고, 상기 세라믹 입자의 평균 입경은 10 내지 1000 ㎚ 일 수 있다.
Also, the ceramic coating layer may include ceramic particles, and the average particle size of the ceramic particles may be 10 to 1000 nm.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계; 상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계; 및 상기 코어 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하는 탄소-금속 복합체 형태인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a graphite core material, comprising the steps of: preparing a core material comprising scaly graphite particles and a metal-based active material; Mixing the prepared core material and assembling it into a spherical shape to prepare a core; And forming a ceramic coating layer on the surface of the core. The present invention also provides a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;는 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 혼합하여, 100 내지 1000 rpm의 회전 속도로 기계적 혼합하여 코어 재료를 준비하는 단계일 수 있다. Preparing the core material comprising the flaky graphite particles and the metal-based active material, mixing the flake graphite particles and the metal-based active material, and mechanically mixing them at a rotation speed of 100 to 1000 rpm to prepare the core material .
보다 구체적으로, 상기 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;는, 인편상 흑연 입자, 금속계 활물질, 및 저결정성 탄소를 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;일 수 있다. 즉, 선택적으로 상기 저결정성 탄소를 추가적으로 포함할 수 있다. More specifically, the step of preparing the core material comprising the scaly graphite particles and the metal-based active material may include the steps of preparing a core material comprising graphite particles, a metal-based active material, and low-crystalline carbon . That is, it may optionally further comprise the low crystalline carbon.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 기계적 혼합 방법을 이용할 수 있다. The step of preparing the core by mixing the prepared core materials into a spherical shape may be a mechanical mixing method.
상기 기계적 혼합 방법은, 로터 블레이드 밀링(rotor blade milling), 메카노퓨전 밀링(mechanofusion milling), 플래너터리 밀링(planetary milling), 세이프 밀링(shape milling), 수직 세이프 밀링(vertical shape milling), 노빌타 밀링(nobilta milling), 고속혼합(high speed mixing), 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 방법에 의해 수행될 수 있다.The mechanical mixing method may be selected from the group consisting of rotor blade milling, mechanofusion milling, planetary milling, shape milling, vertical shape milling, Or may be performed by any of the following methods: milling (nobilta milling), high speed mixing, or a combination thereof.
상기 기계적 혼합 방법은 500 내지 20000 rpm의 회전 속도로 기계적 혼합하는 방법을 이용할 수 있다.The mechanical mixing method may be a mechanical mixing method at a rotating speed of 500 to 20000 rpm.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 수소, 질소, 아르곤, 또는 이들의 혼합 가스 분위기에서 열처리하는 방법을 이용할 수 있다. The step of preparing the core by mixing the prepared core material and then assembling into a spherical shape may be a method of performing heat treatment in hydrogen, nitrogen, argon, or a mixed gas atmosphere thereof.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 600 내지 1500℃에서 열처리하는 방법을 이용할 수 있다. 상기 범위는 저결정성 탄소재를 포함하는 인편상 흑연입자와 금속계 활물질의 조립 복합체의 효과적인 제조를 위한 범위일 수 있다. The step of preparing the core by mixing the prepared core material and assembling into a spherical shape may be a method of heat treatment at 600 to 1500 ° C. The range may be for effective manufacture of an assembled composite of scaly graphite particles and a metal-based active material comprising a low crystalline carbon material.
상기 코어 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 단계;는, 제조된 코어 및 세라믹 입자를 기계적으로 혼합하는 방법에 의해 수행될 수 있다. The step of forming a ceramic coating layer on the surface of the core may be performed by a method of mechanically mixing the prepared core and ceramic particles.
상기 기계적 혼합 방법은 로터 블레이드 밀링(rotor blade milling), 볼밀링(ball milling), 메카노퓨전 밀링(mechanofusion milling), 쉐이커 밀링(shaker milling), 플래너터리 밀링(planetary milling), 애트리터 밀링(attritor milling) 디스크 밀링 (disk milling), 세이프 밀링(shape milling), 수직 세이프 밀링(vertical shape milling), 나우타 밀링 (nauta milling), 노빌타 밀링(nobilta milling), 고속혼합(high speed mixing), 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 방법에 의해 수행될 수 있다. The mechanical mixing method may be selected from the group consisting of rotor blade milling, ball milling, mechanofusion milling, shaker milling, planetary milling, attritor milling, disk milling, shape milling, vertical shape milling, nauta milling, nobilta milling, high speed mixing, or the like. Or a combination of these.
상기 기계적 혼합 방법은 500 내지 7,000 rpm의 회전 속도 수행될 수 있다. The mechanical mixing method may be performed at a rotational speed of 500 to 7,000 rpm.
상기 범위는 효과적인 세라믹 코팅층의 형성을 위한 적합한 범위일 수 있다.The range may be a suitable range for the formation of an effective ceramic coating layer.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법에 따라 제조된 음극 활물질을 포함하는 음극; 양극 활물질을 포함하는 양극; 선택적으로, 상기 음극과 양극 사이에 존재하는 세퍼레이터; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode comprising a negative electrode active material prepared according to the method for manufacturing the negative electrode active material for a lithium secondary battery; A cathode comprising a cathode active material; A separator existing between the cathode and the anode; And a lithium secondary battery comprising the electrolyte.
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The lithium secondary battery can be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery depending on the type of the separator and electrolyte used. The lithium secondary battery can be classified into a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, Depending on the size, it can be divided into bulk type and thin type. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 리튬 이차 전지(100)는 원통형으로, 음극(112), 양극(114) 및 상기 음극(112)과 양극(114) 사이에 배치된 세퍼레이터(113), 상기 음극(112), 양극(114) 및 세퍼레이터(113)에 함침된 전해질(미도시), 전지 용기(120), 그리고 상기 전지 용기(120)를 봉입하는 봉입 부재(140)를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 이러한 리튬 이차 전지(100)는, 음극(112), 세퍼레이터(113) 및 양극(114)을 차례로 적층한 다음 스피럴 상으로 권취된 상태로 전지 용기(120)에 수납하여 구성된다.1 is an exploded perspective view of a lithium secondary battery according to one embodiment. 1, the lithium
상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다.The negative electrode includes a current collector and a negative active material layer formed on the current collector, and the negative active material layer includes a negative active material.
상기 음극 활물질은 전술한 바와 같다.The negative electrode active material is as described above.
상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수 있다.The negative electrode active material layer also includes a binder, and may further include a conductive material.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the anode active material particles to each other and to adhere the anode active material to the current collector. Typical examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, Such as polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers comprising ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, Styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used for imparting conductivity to the electrode. Any material can be used as long as it does not cause any chemical change in the battery. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, , Carbon-based materials such as carbon fibers; Metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal-based materials such as metal fibers; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or a mixture thereof may be used.
상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The current collector may be a copper foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foil, a copper foil, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof.
상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. The anode includes a current collector and a cathode active material layer formed on the current collector.
상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1 - bRbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bRbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 및 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bRbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 -αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 -αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcO2 -αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcO2 -αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5 및 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5 및 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiTO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.As the cathode active material, a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium (a lithiated intercalation compound) can be used. Concretely, it is possible to use at least one of complex oxides of cobalt, manganese, nickel or a combination of metals and lithium, and specific examples thereof include compounds represented by any one of the following formulas. Li a A 1 - b R b D 2 wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8 and 0? B? 0.5; Li a E 1 - b R b O 2 - c D c , wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, and 0 ≤ c ≤ 0.05; LiE 2 - b R b O 4 - c D c where 0? B? 0.5, 0? C? 0.05; Li a Ni 1 -b- c Co b R c D α where 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2; Li a Ni 1 - b - c Co b R c O 2 - ? Z ? Wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Co b R c O 2 - ? Z 2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1-bc Mn b R c D ? Wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b R c O 2 - ? Z ? Where the 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b R c O 2 - ? Z 2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni b E c G d O 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, and 0.001 ≤ d ≤ 0.1; Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, and 0.001 ≤ e ≤ 0.1; Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a MnG b O 2 wherein, in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1; Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiTO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); And LiFePO 4.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; Z는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn or a combination thereof; R is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element or a combination thereof; D is O, F, S, P or a combination thereof; E is Co, Mn or a combination thereof; Z is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn or a combination thereof; T is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu or a combination thereof.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a compound having a coating layer may be mixed with the compound. The coating layer may comprise, as a coating element compound, an oxide, a hydroxide of a coating element, an oxyhydroxide of a coating element, an oxycarbonate of a coating element, or a hydroxycarbonate of a coating element. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. The coating layer may contain Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof. The coating layer forming step may be any coating method as long as it can coat the above compound by a method that does not adversely affect physical properties of the cathode active material (for example, spray coating, dipping, etc.) by using these elements, It will be understood by those skilled in the art that a detailed description will be omitted.
상기 양극 활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다.The cathode active material layer also includes a binder and a conductive material.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the positive electrode active material particles to each other and to adhere the positive electrode active material to the current collector. Typical examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl Polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-acrylonitrile, styrene-butadiene rubber, Butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like, but not limited thereto.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is used for imparting conductivity to the electrode. Any conductive material can be used without causing any chemical change in the battery. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Metal powders such as black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, and silver, metal fibers, and the like, and conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used alone or in combination.
상기 전류 집전체로는 Al을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.As the current collector, Al may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 음극과 상기 양극은 각각 활물질, 도전재 및 결착제를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The negative electrode and the positive electrode are prepared by mixing an active material, a conductive material and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying the composition to a current collector. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein. As the solvent, N-methylpyrrolidone or the like can be used, but it is not limited thereto.
상기 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다. The electrolyte includes a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. As the non-aqueous organic solvent, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvent may be used. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate (MEC) EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC) may be used. As the ester solvent, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, 1,1-dimethyl ethyl acetate, methyl propionate , Ethyl propionate,? -Butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone and the like can be used. Examples of the ether solvent include dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, and tetrahydrofuran. As the ketone solvent, cyclohexanone may be used have. As the alcoholic solvent, ethyl alcohol, isopropyl alcohol and the like can be used. As the aprotic solvent, R-CN (R is a C2 to C20 linear, branched or cyclic hydrocarbon group, An amide such as nitriles such as dimethylformamide, and dioxolanes such as 1,3-dioxolane, sulfolanes, and the like can be used.
상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.The non-aqueous organic solvent may be used alone or in admixture of one or more. If the non-aqueous organic solvent is used in combination, the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the desired cell performance. .
또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. In the case of the carbonate-based solvent, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. In this case, when the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of about 1: 1 to about 1: 9, the performance of the electrolytic solution may be excellent.
상기 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 상기 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 약 1:1 내지 약 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.The non-aqueous organic solvent may further include the aromatic hydrocarbon-based organic solvent in the carbonate-based solvent. In this case, the carbonate-based solvent and the aromatic hydrocarbon-based organic solvent may be mixed in a volume ratio of about 1: 1 to about 30: 1.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 1의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.The aromatic hydrocarbon-based organic solvent may be an aromatic hydrocarbon-based compound represented by the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C1 내지 C10의 알킬기, C1 내지 C10의 할로알킬기 또는 이들의 조합이다.In Formula 1, R 1 to R 6 are each independently hydrogen, halogen, a C1 to C10 alkyl group, a C1 to C10 haloalkyl group, or a combination thereof.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, 자일렌 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The aromatic hydrocarbon-based organic solvent is selected from the group consisting of benzene, fluorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 1,4-difluorobenzene, 1,2,3- , 1,2,4-trifluorobenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 1,2,3-trichlorobenzene, 4-trichlorobenzene, iodobenzene, 1,2-diiodobenzene, 1,3-diiodobenzene, 1,4-diiodobenzene, 1,2,3-triiodobenzene, 1,2,4 - triiodobenzene, toluene, fluorotoluene, 1,2-difluorotoluene, 1,3-difluorotoluene, 1,4-difluorotoluene, 1,2,3-trifluorotoluene, 1,2,4-trifluorotoluene, chlorotoluene, 1,2-dichlorotoluene, 1,3-dichlorotoluene, 1,4-dichlorotoluene, 1,2,3-trichlorotoluene, 1,2,4 - trichlorotoluene, iodotoluene, 1,2-diiodotoluene, 1,3-diiodotoluene, 1,4-diiodotol Ene, 1,2,3-tree-iodo toluene, 1,2,4-iodo toluene, xylene, or may be a combination thereof.
상기 비수성 전해질은 전지 수명을 향상시키기 위하여 비닐렌 카보네이트 또는 하기 화학식 2의 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다.The non-aqueous electrolyte may further include vinylene carbonate or an ethylene carbonate-based compound represented by the following formula (2) to improve battery life.
[화학식 2](2)
상기 화학식 2에서, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이며, 상기 R7과 R8중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이다.Wherein R 7 and R 8 are each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ) or a C1 to C5 fluoroalkyl group, and at least one of R 7 and R 8 Is a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ) or a C1 to C5 fluoroalkyl group.
상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 상기 비닐렌 카보네이트 또는 상기 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 사용하는 경우 그 사용량을 적절하게 조절하여 수명을 향상시킬 수 있다.Representative examples of the ethylene carbonate-based compound include, for example, difluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, dichloroethylene carbonate, bromoethylene carbonate, dibromoethylene carbonate, nitroethylene carbonate, cyanoethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, . When the vinylene carbonate or the ethylene carbonate compound is further used, the amount of the vinylene carbonate or the ethylene carbonate compound can be appropriately controlled to improve the life.
상기 리튬염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 상기 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 들 수 있으며, 이들을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt is dissolved in the non-aqueous organic solvent to act as a source of lithium ions in the battery to enable operation of a basic lithium secondary battery, and a material capable of promoting the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode to be. The lithium salt Representative examples are LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6 , LiAsF 6, LiC 4 F 9 SO 3, LiClO 4, LiAlO 2, LiAlCl 4, LiN (C x F 2x + 1 SO 2) (C y F 2y +1 SO 2) (where, x and y are natural numbers), LiCl, LiI, LiB ( C 2 O 4) 2 ( lithium bis oxalate reyito borate (lithium bis (oxalato) borate; LiBOB) , or in a combination thereof The concentration of the lithium salt is preferably within the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity Can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can effectively migrate.
상기 세퍼레이터(113)는 음극(112)과 양극(114)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 세퍼레이터가 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.The
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following embodiments are only examples of the present invention and the present invention is not limited to the following embodiments.
실시예Example 1 One
(리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조)(Preparation of negative electrode active material for lithium secondary battery)
인편상 흑연입자(평균입경(D50): 54㎛)와 금속계 활물질인 나노 실리콘(평균입경(D50): 30nm) 및 저결정성 탄소 전구체인 석유계 피치를 60:10:30의 중량비로 혼합한 다음, 로터 블레이드 밀링 15,000rpm으로 5분간 회전시켜 구형 조립화하여 질소 분위기하에서 1,100℃의 온도로 열처리 하고 분급하여 저결정성 탄소가 포함된 탄소-금속 조립 복합체를 제조하였다. (Average particle size (D50): 54 mu m), a metal-based active material, nanosilicon (average particle size (D50): 30 nm) and a petroleum pitch as a low crystalline carbon precursor were mixed at a weight ratio of 60:10:30 Then, the mixture was spherically granulated by rotating at a rotor blade milling speed of 15,000 rpm for 5 minutes and then heat-treated at a temperature of 1,100 ° C. under a nitrogen atmosphere and classified to prepare a carbon-metal granulated composite containing low-crystalline carbon.
이후 탄소-금속 조립 복합체 및 TiO2 세라믹(평균입경(D50): 30nm)을 100:2의 중량비로 혼합한 다음, 고속 교반기에서 2000rpm으로 20분간 기계적 혼합 처리하여 세라믹이 코팅된 탄소-금속 조립 복합체 활물질을 제조하였다.
Then, a carbon-metal composite and a TiO 2 ceramic (average particle size (D50): 30 nm) were mixed at a weight ratio of 100: 2 and mechanically mixed at 2000 rpm for 20 minutes in a high- To prepare an active material.
(음극의 제조)(Preparation of negative electrode)
상기 제조된 음극 활물질과 바인더로 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 및 증점제로 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)를 96:2:2의 질량비로 혼합한 후 이온이 제거된 증류수에 분산시켜 음극 활물질층 조성물을 제조하였다. Styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were mixed at a mass ratio of 96: 2: 2 and dispersed in deionized water to prepare an anode active material layer composition Respectively.
상기 조성물을 Cu-호일 집전체에 도포한 후, 건조 및 압연하여 전극 밀도 1.50±0.05 g/cm3의 음극을 준비하였다.
The composition was coated on a Cu-foil current collector, dried and rolled to prepare a cathode having an electrode density of 1.50 +/- 0.05 g / cm < 3 >.
(리튬 이차 전지 제작)(Production of lithium secondary battery)
상기 음극을 작동전극으로 하고, 리튬 금속을 대극(counter electrode)으로 사용하여, 코인 타입의 2032 반쪽 전지를 제작하였다. 이 때, 작용극과 대극 사이에 다공질 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 세퍼레이터를 삽입하고, 전해액으로는 에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸카보네이트(DEC) 및 플루오르에틸렌카보네이트(FEC)의 혼합 부피비가 5:70:25인 혼합 용액에 1.5M 농도의 LiPF6가 용해된 것을 사용하였다.
A coin type 2032 half cell was fabricated by using the negative electrode as the working electrode and the lithium metal as the counter electrode. At this time, a separator made of a porous polypropylene film was inserted between the working electrode and the counter electrode, and a mixed volume ratio of ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC) and fluoroethylene carbonate (FEC) 25 in which 1.5 M LiPF 6 was dissolved was used.
실시예Example 2 2
TiO2대신 SiO2 세라믹(평균입경(D50): 10nm) 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질, 및 음극을 제조하고, 리튬 이차 전지를 제작하였다.
A negative electrode active material and a negative electrode were prepared in the same manner as in Example 1 except that an SiO 2 ceramic (average particle diameter (D 50 ): 10 nm) was used in place of TiO 2 to prepare a lithium secondary battery.
비교예Comparative Example 1 One
인편상 흑연입자(평균입경(D50): 54㎛) 및 금속계 활물질인 나노 실리콘(평균입경(D50): 30nm) 및 저결정성 탄소 전구체인 석유계 피치를 60:10:30의 중량비로 혼합한 다음, 질소 분위기하에서 1,100℃의 온도로 열처리 하고 분급하여 세라믹 코팅을 하지 않은 탄소-금속 복합체를 제조하였다. (Average particle size (D50): 54 占 퐉), a metal-based active material, nano silicon (average particle size (D50): 30 nm) and a petroleum pitch as a low crystalline carbon precursor were mixed at a weight ratio of 60:10:30 Next, the carbon-metal composite was heat-treated at a temperature of 1,100 ° C under a nitrogen atmosphere and classified to prepare a ceramic-uncoated carbon-metal composite.
상기 음극 활물질 조성물의 제조 과정을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하고, 리튬 이차 전지를 제작하였다.
A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except for the production process of the negative electrode active material composition, and a lithium secondary battery was produced.
비교예Comparative Example 2 2
인편상 흑연입자(평균입경(D50): 54㎛) 및 금속계 활물질인 나노 실리콘(평균입경(D50): 30nm) 및 저결정성 탄소 전구체인 석유계 피치를 60:10:30의 중량비로 혼합한 다음, 로터 블레이드 밀링 15,000rpm으로 5분간 회전시켜 구형 조립화하여 질소 분위기하에서 1,100℃의 온도로 열처리 하고 분급하여 탄소-금속 조립 복합체를 제조하였다. (Average particle size (D50): 54 占 퐉), a metal-based active material, nano silicon (average particle size (D50): 30 nm) and a petroleum pitch as a low crystalline carbon precursor were mixed at a weight ratio of 60:10:30 Then, the mixture was spherically granulated by rotating at a rotor blade milling speed of 15,000 rpm for 5 minutes, and then heat-treated at a temperature of 1,100 ° C under a nitrogen atmosphere and classified to prepare a carbon-metal granulated composite.
상기 음극 활물질 조성물의 제조 과정을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하고, 리튬 이차 전지를 제작하였다.
A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except for the production process of the negative electrode active material composition, and a lithium secondary battery was produced.
실험예Experimental Example
평가 1: 주사 전자 현미경(Evaluation 1: Scanning electron microscope ( ScanningScanning ElectronElectron MicroscopeMicroscope , , SEMSEM ) 사진) Picture
도 3은 비교예 2에 따른 음극 활물질의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진이다.3 is an SEM photograph showing the surface state of the negative electrode active material according to Comparative Example 2. Fig.
도 4는 실시예 1에 따른 음극 활물질의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진이다.4 is a SEM photograph showing the surface state of the negative electrode active material according to Example 1. Fig.
도 3 및 도 4를 참고하면 실시예 1에 따른 음극 활물질의 경우, 표면에 세라믹이 균일하게 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
Referring to FIGS. 3 and 4, it can be seen that the negative active material according to Example 1 has a uniform coating of ceramic on its surface.
평가 2: 리튬 이차 전지의 초기 Evaluation 2: Initial of lithium secondary battery 충방전Charging and discharging 특성 평가 Character rating
상기 실시예 1 및 비교예 2에 따라 각각 제작된 리튬 이차 전지를 0.005 V(0.01C)를 컷-오프(cut-off) 전압으로 설정하고, CC-CV 모드로 0.1C rate로 충전한 후 에서 CC 모드로 1.5V까지 0.1C rate로 방전하면서, 충방전을 반복하여 3회 사이클 진행 후 용량 및 효율을 측정하였다. 그 결과를 하기 도 5에 나타내었다.The lithium secondary batteries fabricated according to Example 1 and Comparative Example 2 were set to a cut-off voltage of 0.005 V (0.01 C), charged in a CC-CV mode at 0.1 C rate, The battery was discharged at 0.1 C rate up to 1.5 V in the CC mode, and the charge and discharge were repeated to measure the capacity and efficiency after three cycles. The results are shown in Fig.
구체적으로, 도 5는 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 초기 3싸이클의 충방전 곡선을 보여주는 그래프이다. 도 5를 참고하면, 비교예 2에 따른 전지에 비하여 실시예 1에 따른 용량 유지가 향상됨을 확인할 수 있다.
Specifically, FIG. 5 is a graph showing charge / discharge curves of the initial three cycles of the lithium secondary battery manufactured according to Example 1 and Comparative Example 2. FIG. Referring to FIG. 5, it can be seen that the capacity maintenance according to Example 1 is improved as compared with the battery according to Comparative Example 2.
평가 3: 리튬 이차 전지의 Evaluation 3: Lithium secondary battery 충방전Charging and discharging 수명 특성 평가 Evaluation of life characteristics
상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 각각 제작된 리튬 이차 전지를 0.005 V(0.01C)를 컷-오프(cut-off) 전압으로 설정하고, CC-CV 모드로 0.5C rate로 충전한 후 에서 CC 모드로 1.5V까지 0.5C rate로 방전하면서, 충방전을 반복하여 50회 사이클 진행 후 용량 유지율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타내었다.The lithium secondary batteries fabricated according to Examples 1, 2, and 1 and Comparative Example 2 were set to a cut-off voltage of 0.005 V (0.01 C) After the battery was charged at 0.5C rate, the battery was discharged at 0.5C rate up to 1.5V in the CC mode, and the capacity retention rate was measured after 50 cycles of charging and discharging. The results are shown in Table 1 and FIG.
도 6은 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 충방전 수명에 따른 용량 유지율을 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing the capacity retention rate of the lithium secondary battery manufactured according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 according to charge / discharge life span.
표 1 및 도 6을 참고하면, 비교예 1과 비교예 2에 따른 리튬 이차 전지에 비하여, 실시예 1 과 실시예 2에 따른 리튬 이차 전지가 사이클 반복에 따른 용량 유지율이 더 높게 유지됨을 알 수 있다.
Referring to Table 1 and FIG. 6, it can be seen that the capacity retention ratio of the lithium secondary battery according to Example 1 and Example 2 is higher than that of the lithium secondary battery according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 have.
평가 4: 음극의 두께 팽창 특성 평가Evaluation 4: Evaluation of Thickness Expansion Characteristics of Cathode
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 음극 활물질을 작동전극으로 하고 코인 타입의 2032 반쪽 전지를 제작하였다. 제작한 전지를 0.1C로 충방전을 3회 실시한 후, 다시 충전하여 만충전된 상태의 전지를 분해하였다. 이를 DEC(diethyl carbonate)로 세척하여 충전된 음극 전극과 초기 전극의 두께를 측정한 후, 하기 계산식 1로 스웰링(swelling)을 평가하였다. A coin type 2032 half-cell was fabricated using the negative electrode active material prepared in Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 as the working electrode. The prepared battery was charged and discharged three times at 0.1 C, and then charged again to decompose the fully charged battery. After washing with DEC (diethyl carbonate) to measure the thickness of the charged cathode and the initial electrode, swelling was evaluated according to the following equation (1).
[계산식 1][Equation 1]
스웰링(swelling)(%)= (충전된 음극 전극의 두께-Cu foil 두께)/(초기 음극 전극의 두께-Cu foil 두께)*100Swelling (%) = (thickness of charged cathode electrode - fo foil thickness) / (thickness of initial cathode electrode - fo foil thickness) * 100
그 결과를 표 2 및 도 7에 나타내었다.
The results are shown in Table 2 and Fig.
도 7은 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 스웰링 평가를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing swelling evaluation of a lithium secondary battery manufactured according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
표 2 및 도 7을 참고하면, 비교예 1과 비교예 2에 따른 음극에 비하여, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 음극의 두께 변화가 감소됨을 확인할 수 있다. Referring to Table 2 and FIG. 7, it can be seen that the change in the thickness of the negative electrode according to Examples 1 and 2 is reduced compared to the negative electrode according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
즉, 일 구현예에 따른 음극 활물질을 적용할 경우, 파우치 셀 설계가 용이할 뿐만 아니라, 충방전시 수명 특성이 향상될 수 있다.That is, when the anode active material according to one embodiment is applied, the design of the pouch cell is not only easy, but also the lifetime characteristics during charging and discharging can be improved.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
100: 리튬 이차 전지 112: 음극
113: 세퍼레이터 114: 양극
120: 전지 용기 140: 봉입 부재100: lithium secondary battery 112: cathode
113: separator 114: positive electrode
120: battery container 140: sealing member
Claims (24)
상기 코어 표면에 위치하는 세라믹 코팅층;
을 포함하는 탄소-금속 복합체 형태인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
A core comprising flaky graphite particles and a metal-based active material; And
A ceramic coating layer positioned on the core surface;
And a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 코어는 저결정성 탄소를 더 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the core further comprises low-crystallinity carbon.
상기 상기 저결정성 탄소는,
석유계 피치, 석탄계 피치, 메조페이스 피치, 중질유, 경질유, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 수크로오스(sucrose), 페놀수지(phenol resin), 퓨란수지(furan resin), 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 스티렌(styrene), 폴리이미드(polyimide), 에폭시(epoxy resin), 글루코오스(glucose), 또는 이들의 조합인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
3. The method of claim 2,
The low-crystallinity carbon may be, for example,
(PU), petroleum pitch, coal pitch, mesophase pitch, heavy oil, light oil, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC), sucrose, phenol resin, furan resin, Lithium secondary, which is a furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, cellulose, styrene, polyimide, epoxy resin, glucose, or a combination thereof. Anode active material for batteries.
상기 저결정성 탄소의 함량은 활물질 전체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 50%인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
3. The method of claim 2,
Wherein the low crystalline carbon content is 0.1 to 50% based on 100% by weight of the total active material.
상기 금속계 활물질은,
실리콘, 주석, 알루미늄, 바나듐, 마그네슘, 또는 안티몬 중 어느 하나의 금속; 이들의 하나 이상의 조합으로 이루어진 합금; 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 이들의 조합에서 선택되는 화합물; 또는 이들의 조합인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The metal-
Silicon, tin, aluminum, vanadium, magnesium, or antimony; An alloy of one or more of these; A compound selected from oxides, nitrides, carbides, or combinations of these metals; Or a combination thereof.
상기 인편상 흑연입자는 천연흑연, 인조흑연, 또는 이들의 조합인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the scratched graphite particles are natural graphite, artificial graphite, or a combination thereof.
상기 세라믹은 금속 산화물, 비금속 산화물, 복합금속산화물, 희토류 산화물, 할로겐족을 포함하는 화합물, 세라믹 전구체로부터 생성된 산화물, 또는 이들의 조합인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the ceramic is a metal oxide, a non-metal oxide, a composite metal oxide, a rare earth oxide, a compound containing a halogen group, an oxide produced from a ceramic precursor, or a combination thereof.
상기 세라믹 전구체는 지르코니아, 알루미늄, 폴리카보실란, 폴리실록센, 폴리실라잔 또는 이들의 조합인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
8. The method of claim 7,
Wherein the ceramic precursor is zirconia, aluminum, polycarbosilane, polysiloxane, polysilazane, or a combination thereof.
상기 세라믹은 SiO2, Al2O3, Li2Ti5O12, TiO2, CeO2, ZrO2, BaTiO3, Y2O3, MgO, CuO, ZnO, AlPO4, AlF, Si3N4, AlN, TiN, WC, SiC, TiC, MoSi2, Fe2O3, GeO2, Li2O, MnO, NiO, 제올라이트, 또는 이들의 조합인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Said ceramic is SiO 2, Al 2 O 3, Li 2 Ti 5 O 12, TiO 2, CeO 2, ZrO 2, BaTiO 3, Y 2 O 3, MgO, CuO, ZnO, AlPO 4, AlF, Si 3 N 4 , AlN, TiN, WC, SiC, TiC, MoSi 2, Fe 2 O 3, GeO 2, Li 2 O, MnO, NiO, zeolite, or a combination thereof that would negative active material.
상기 인편상 흑연입자의 평균 입경은 3 내지 100 ㎛인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
And the average particle size of the scratched graphite particles is 3 to 100 탆.
상기 금속계 활물질의 평균 입경은 0.03 내지 20 ㎛인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal-based active material has an average particle diameter of 0.03 to 20 占 퐉.
상기 세라믹 코팅층은 세라믹 입자를 포함하고, 상기 세라믹 입자의 평균 입경은 10 내지 1000 ㎚인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the ceramic coating layer comprises ceramic particles, and the average particle diameter of the ceramic particles is 10 to 1000 nm.
상기 금속계 활물질에 대한 인편상 흑연 입자의 중량비율은,
60/40 내지 99/1인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The weight ratio of the flaky graphite particles to the metal-
60/40 to 99/1. ≪ / RTI >
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계; 및
상기 코어 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 단계;
를 포함하는 탄소-금속 복합체 형태인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
Preparing a core material comprising flake graphite particles and a metal-based active material;
Mixing the prepared core material and assembling it into a spherical shape to prepare a core; And
Forming a ceramic coating layer on the core surface;
Wherein the negative electrode active material is a carbon-metal composite material.
상기 인편상 흑연 입자 및 금속계 활물질을 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;는,
인편상 흑연 입자, 금속계 활물질, 및 저결정성 탄소를 포함하는 코어 재료를 준비하는 단계;인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Preparing a core material comprising the scaly graphite particles and the metal-based active material,
Preparing a core material containing scaly graphite particles, a metal-based active material, and low-crystalline carbon.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 기계적 혼합 방법을 이용하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
And mixing the prepared core material and then assembling into a spherical shape to prepare a core, wherein a mechanical mixing method is used.
상기 기계적 혼합 방법은,
로터 블레이드 밀링(rotor blade milling), 메카노퓨전 밀링(mechanofusion milling), 플래너터리 밀링(planetary milling), 세이프 밀링(shape milling), 수직 세이프 밀링(vertical shape milling), 노빌타 밀링(nobilta milling), 고속혼합(high speed mixing), 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 방법인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
In the mechanical mixing method,
But are not limited to, rotor blade milling, mechanofusion milling, planetary milling, shape milling, vertical shape milling, nobilta milling, High speed mixing, or a combination thereof. The method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
상기 기계적 혼합 방법은, 500 내지 20000 rpm의 회전 속도 수행되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the mechanical mixing method is performed at a rotating speed of 500 to 20000 rpm.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는,
수소, 질소, 아르곤, 또는 이들의 혼합 가스 분위기에서 열처리하는 방법을 이용하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Mixing the prepared core material and assembling the core material into a sphere to prepare a core,
And a heat treatment is performed in a hydrogen, nitrogen, argon, or mixed gas atmosphere thereof.
상기 준비된 코어 재료를 혼합한 후 구형으로 조립하여 코어를 제조하는 단계;는, 600 내지 1500℃에서 수행되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the core material is mixed with the core material and assembled into a spherical shape to produce a core, the method being performed at a temperature of 600 to 1500 占 폚.
상기 코어 표면에 세라믹 코팅층을 형성시키는 단계;는,
제조된 코어 및 세라믹 입자를 기계적으로 혼합하는 방법에 의해 수행되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Forming a ceramic coating layer on the core surface,
And then mechanically mixing the prepared core and ceramic particles. The method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
상기 기계적 혼합 방법은,
로터 블레이드 밀링(rotor blade milling), 볼밀링(ball milling), 메카노퓨전 밀링(mechanofusion milling), 쉐이커 밀링(shaker milling), 플래너터리 밀링(planetary milling), 애트리터 밀링(attritor milling) 디스크 밀링 (disk milling), 세이프 밀링(shape milling), 수직 세이프 밀링(vertical shape milling), 나우타 밀링 (nauta milling), 노빌타 밀링(nobilta milling), 고속혼합(high speed mixing), 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 방법인 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
22. The method of claim 21,
In the mechanical mixing method,
Such as rotor blade milling, ball milling, mechanofusion milling, shaker milling, planetary milling, attritor milling disc milling, or any combination thereof, such as disk milling, shape milling, vertical shape milling, nauta milling, nobilta milling, high speed mixing, Wherein the negative electrode active material is one method.
상기 기계적 혼합 방법은 500 내지 7,000 rpm의 회전 속도 수행되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
22. The method of claim 21,
Wherein the mechanical mixing method is performed at a rotating speed of 500 to 7,000 rpm.
양극; 및
전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지.A negative electrode comprising the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1;
anode; And
A lithium secondary battery comprising: an electrolyte;
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