KR20210109692A - A new composite anode active material, lithium battery including the same, and method for preparing the material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신규한 복합 음극활물질, 이를 포함하는 이차전지, 및 상기 복합 음극활물질의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a novel composite anode active material, a secondary battery including the same, and a method for manufacturing the composite anode active material.
화석 연료로 인한 지구 환경오염 문제에 따라 이를 해결하고자 하는 노력의 일환으로 전기화학을 이용하는 발전, 축전 분야의 연구가 지금까지 많이 이루어져 왔다. As part of efforts to solve the global environmental pollution problem caused by fossil fuels, many studies have been conducted in the fields of power generation and electricity storage using electrochemistry.
특히, 이차전지는 PDA, 이동 전화, 노트북 컴퓨터 등 모바일 전자 기기의 개발 및 수요에 따라 에너지원으로서 수요가 급증하고, 또한 전 세계적인 자동차 연비 및 배기가스 관련 규제에 따른 전기차 시장의 급증에 따라 전기차용 이차전지, 에너지저장장치용 이차전지 등의 수요가 급증하여, 이차전지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이차전지 중에서도 용량 및 수명개선과 설계가 용이한 리튬 이온 전지에 관한 연구가 가장 활발하다. In particular, the demand for secondary batteries as an energy source is increasing rapidly due to the development and demand of mobile electronic devices such as PDAs, mobile phones, and notebook computers. As the demand for secondary batteries and secondary batteries for energy storage devices is rapidly increasing, research on secondary batteries is being actively conducted, and among secondary batteries, research on lithium ion batteries that are easy to design and improve capacity and lifespan is the most active.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 전해질을 포함하며, 첫 번째 충전 시 양극활물질로부터 나온 리튬 이온이 카본 입자와 같은 음극활물질 내 삽입되고, 방전 시 음극활물질로부터 탈리되어 다시 양극활물질로 삽입된다. 이와 같이 리튬 이온은 양극과 음극 두 전극 사이의 왕복으로 에너지를 전달하는 역할을 하므로, 리튬 이차전지는 충방전이 가능하다.In general, a lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and during the first charge, lithium ions from the positive electrode active material are inserted into the negative electrode active material such as carbon particles, and during discharging, they are desorbed from the negative electrode active material and inserted back into the positive electrode active material. As described above, since lithium ions play a role of transferring energy between the two electrodes in a reciprocating manner between the positive and negative electrodes, the lithium secondary battery can be charged and discharged.
통상적으로 상기 이차전지의 양극활물질로는 리튬 전이 금속 산화물을, 음극활물질로는 우수한 사이클 특성을 가지는 천연흑연 등의 카본계 물질이 사용된다. 최근 모바일 기기, 전기차 및 에너지저장장치 등의 고성능을 위하여는 종래의 이론 용량이 372mAh/g인 천연흑연 등 카본계 물질의 음극활물질보다 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 특성을 갖는 고용량, 장수명의 특성을 갖는 음극활물질을 갖는 리튬 이차전지가 요구되고 있다. In general, lithium transition metal oxide is used as the cathode active material of the secondary battery, and carbon-based materials such as natural graphite having excellent cycle characteristics are used as the anode active material. Recently, for high performance of mobile devices, electric vehicles, and energy storage devices, it exhibits higher energy density and operating potential than conventional anode active materials made of carbon-based materials such as natural graphite with a theoretical capacity of 372 mAh/g, has a longer cycle life, and has a self-discharge rate. There is a demand for a lithium secondary battery having a negative active material having a high capacity and a long lifespan with this low characteristic.
이러한 고용량의 이차전지의 음극활물질로 탄소/실리콘 복합체 등 실리콘 기반 복합 음극활물질 소재에 관한 연구가 활발하다(특허문헌 1, 2, 3). 그러나 특허문헌 1은 음극활물질 복합체에 실리콘 탄화물(SiCx)을 이용하며, 2개의 층, 즉 탄소계 입자, 비정질 실리콘 입자 및 피치 등 탄소 전구체를 소성하여 복합층을 형성한 후, 이 복합층위에 다시 탄소계 코팅층을 형성하는 것으로서, 성능을 좌우하는 0.01 내지 10㎛ 이하의 두께를 조절해야 하는 것으로 제조의 어려움이 예상된다. 또한, 특허문헌 2는 실리콘 복합체로서 실리콘 아산화물(SiOx)을 사용하고 있으나, 음극이 실리콘 아산화물을 포함하는 경우, 첫 충방전인 첫 사이클에서 리튬산화물 등이 형성되어 전기화학 이외에서 리튬이 소비되어 전지의 수명이 단축되는 단점이 있다. 특허문헌 3은 금속 질화물을 사용하여 고용량의 전지를 제조하고 있으나, 2개의 층, 즉 집전체 상에 탄소계 음극활물질 입자를 포함한 제1층과 상기 제1층 상에 형성되는 실리콘 나이트라이드을 포함하는 제2층으로 이루어지고, 두께에 따라 전지의 성능이 좌우되므로 고용량의 성능을 유지하기 위한 제조상 어려움이 예상된다. Research on silicon-based composite anode active materials such as carbon/silicon composites as anode active materials for such high-capacity secondary batteries is active (
따라서 위와 같은 문제를 해결하여 고용량, 장수명을 나타내면서도 제조가 간편한 음극활물질 및 리튬 이차전지 기술의 개발이 필요하다. Therefore, it is necessary to develop an anode active material and lithium secondary battery technology that is easy to manufacture while exhibiting high capacity and long life by solving the above problems.
특허문헌 1 : 국내특허공개공보 10-2019-0010250 Patent Document 1: Domestic Patent Publication No. 10-2019-0010250
특허문헌 2 : 국내특허공개공보 10-2014-0036494 Patent Document 2: Domestic Patent Publication No. 10-2014-0036494
특허문헌 3 : 국내특허공개공보 10-2017-0110840 Patent Document 3: Domestic Patent Publication No. 10-2017-0110840
본 발명의 일 양태는, 초기 방전용량, 초기효율 및 수명특성이 개선된 복합 음극활물질을 제공하고자 하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a composite anode active material having improved initial discharge capacity, initial efficiency and lifespan characteristics.
본 발명의 다른 양태는 상기 복합 음극활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the composite anode active material.
본 발명의 또 다른 양태는 상기 복합 음극활물질의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing the composite negative electrode active material.
본 발명은 일 양태에 따라, 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어부; 및 상기 코어부의 외부 적어도 한 곳에 복합체 입자를 포함하는 쉘부;를 포함하며, 상기 복합체 입자는, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질; 및 리튬과 반응하는 금속 질화물; 중에서 선택된 하나의 성분으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 나머지 성분으로 이루어진 필러(filler)가 포함되어 있는 구조로 이루어진 복합 음극활물질을 제공하는 것이다.According to one aspect, the present invention includes a core portion comprising a crystalline carbon-based material; and a shell part including composite particles on at least one outside of the core part, wherein the composite particles include at least one material selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon; and metal nitrides that react with lithium; To provide a composite anode active material having a structure in which a matrix composed of one component selected from among the other components includes a filler.
상기와 같은 복합 음극활물질의 구조와 성분들에 의하여 종래 기술에서의 전지용량, 전지 수명, 음극활물질의 표면에서 리튬의 수지상 성장 등에 따른 단락 유발 가능성, 전지제조 공정상의 어려움 등의 문제를 해결할 수 있다.By the structure and components of the composite anode active material as described above, it is possible to solve problems such as the possibility of short circuit caused by the battery capacity, battery life, and dendrite growth of lithium on the surface of the anode active material in the prior art, and difficulties in the battery manufacturing process. .
즉, 셀부에 포함된 복합체 입자의 매트릭스 또는 필러로서 포함되는 금속 질화물은 음극 제조용 슬러리의 극성 용매와 높은 친화력으로 슬러리 내의 고형분의 분산성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 분산성의 향상은 음극 제조를 위하여 집전체에 도포 시에 상기 복합 음극활물질의 우수한 분포 균일성으로 연결되어 집전체와의 결합력이 약화되는 것을 최소화하여 활물질층과 집전체의 분리에 따른 내부저항의 문제 해결로 전극 특성을 우수하게 하는 효과가 있다. That is, the metal nitride contained as a matrix or filler of the composite particles included in the cell part can improve the dispersibility of the solid content in the slurry with high affinity with the polar solvent of the slurry for preparing the negative electrode, and this improvement in dispersibility is used for manufacturing the negative electrode. The effect of improving the electrode characteristics by solving the problem of internal resistance due to separation of the active material layer and the current collector by minimizing the weakening of the bonding force with the current collector by connecting to the excellent distribution uniformity of the composite negative electrode active material when applied to the whole there is
본 발명의 다른 양태에 따라, 양극활물질을 포함하는 양극; 상기의 복합 활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 전해질을 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다. According to another aspect of the present invention, a positive electrode comprising a positive electrode active material; a negative electrode including the composite active material; and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, (i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계; (ii) 상기 금속 질화물과 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과의 혼합으로 복합체 입자를 준비하는 단계; (iii) 상기 복합체 입자와 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 및 (iv) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계를 포함하거나, 또는 (i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계; (ii) 상기 금속 질화물, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질, 및 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 및 (iii) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계;를 포함하는 복합 음극활물질의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, the method comprising the steps of: (i) preparing metal nitride particles; (ii) preparing composite particles by mixing the metal nitride with one or more materials selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon; (iii) mixing the composite particles and a core material of a crystalline carbon-based material to obtain a mixture; and (iv) drying the mixture so that the composite particles are disposed on at least one outside of the crystalline carbon-based core part to form a cell part, or (i) preparing metal nitride particles; (ii) obtaining a mixture by mixing one or more materials selected from the group consisting of metal nitride, low crystalline carbon and amorphous carbon, and a core material of a crystalline carbon-based material; and (iii) drying the mixture so that the composite particles are disposed on at least one outside of the crystalline carbon-based core part to form a cell part;
결정성 카본계 물질을 포함하는 코어부; 및 상기 코어부의 외부 적어도 한 곳에 복합체 입자를 포함하는 쉘부;를 포함하며, 상기 복합체 입자는, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질 및 리튬과 반응하는 금속 질화물 중에서 선택된 하나의 성분으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 나머지 성분으로 이루어진 필러(filler)가 포함되어 있는 구조로 이루어진 복합 음극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 초기 방전용량, 초기효율, 및/또는 수명특성이 우수하고, 또한 복합 음극활물질과 이를 포함하는 리튬 이차전지의 제조가 용이하다. a core part comprising a crystalline carbon-based material; and a shell part including composite particles on at least one outside of the core part, wherein the composite particles are selected from one or more materials selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon and a metal nitride reacting with lithium A composite anode active material having a structure in which a filler composed of the remaining components is included in a matrix composed of components of , it is also easy to manufacture a composite negative electrode active material and a lithium secondary battery including the same.
도 1은 본 발명의 실시예 1~11과 비교예 1의 초기 충방전 용량을 나타내는 그래프이다.
도 2는 수명 평가 결과이다. 1 is a graph showing the initial charge/discharge capacity of Examples 1 to 11 and Comparative Example 1 of the present invention.
2 is a life evaluation result.
다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있으며, 또한 단수형은 특별히 문장에서 정의하지 않는 한 복수형도 포함된다. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with a meaning that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, and the singular form is a special sentence The plural is also included unless defined in
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에”, 또는 “상에” 있다고 할 때는 다른 부분의 바로 위뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. In the present specification, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is “on” or “on” another part, it includes the case where there is another part in the middle as well as directly on the other part.
또한, 본 명세서에서 “~ 상에” 또는 “~위에”라는 표현은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하고 중력과 관련된 상측의 의미가 아니다. In addition, in this specification, the expression "on" or "on" means located above or below the target part, and does not mean the upper side related to gravity.
이하, 본 발명의 일 구현 예에 따른 복합 음극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차전지, 및 상기 복합 음극활물질의 제조방법에 관하여 설명하기로 한다. 이는 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 본 발명이 제한되지 않으며, 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 범주에 의해 정의된다. Hereinafter, a composite negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, a lithium secondary battery including the same, and a method of manufacturing the composite negative electrode active material will be described. These are presented by way of example and not by way of limitation of the present invention, which is defined by the scope of the claims set forth below.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 양태인 복합 음극활물질은, 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어부; 및 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질 및 리튬과 반응하는 금속 질화물 중에서 선택된 하나의 성분으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 나머지 성분으로 이루어진 필러(filler)가 포함되어 있는 구조로 이루어져 있는 복합체 입자를 상기 코어부의 외부 적어도 한 곳에 포함하는 쉘부;를 포함한다. As described above, the composite anode active material according to an aspect of the present invention includes a core part including a crystalline carbon-based material; and a filler composed of the remaining components in a matrix composed of at least one material selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon and one component selected from a metal nitride reacting with lithium. and a shell portion including at least one exterior of the core portion comprising the composite particles formed therein.
상기 결정성 탄소계 물질을 함유한 코어부는 본 발명의 복합 음극활물질의 근간으로서 결정성 탄소계 물질의 전도성에 의한 전기전도 채널의 역할을 하며, 쉘부의 복합체 입자에 포함된 금속 질화물은 리튬과 반응에 의한 용량 확보 역할, 및 음극 제조 시 슬러리의 분산성 향상에 따른 집전체와의 결합력 향상으로 인한 수명개선 역할 등을 하게 되며, 쉘부의 복합체 입자에 포함된 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질은 상기 금속 질화물과 코어부의 결정성 탄소계 물질을 서로 연결해주어 상기와 같은 효과를 나타낼 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로 볼 수 있다. The core part containing the crystalline carbon-based material serves as an electrical conduction channel due to the conductivity of the crystalline carbon-based material as the basis of the composite negative electrode active material of the present invention, and the metal nitride contained in the composite particles of the shell part reacts with lithium A group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon contained in the composite particles of the shell part, etc. One or more materials selected from may be considered to serve to connect the metal nitride and the crystalline carbon-based material of the core part to each other to exhibit the above-described effect.
일반적으로 상기 코어부에 포함된 결정성 카본계 물질은 인조흑연, 천연흑연, 탄소섬유, 또는 메조카본마이크로비드(MCMB)의 결정질 카본계 물질을 포함할 수 있으며, 그라파이트, 그라피아트와 저결정성의 혼합물, 저결정성 카본, 비정질 카본 또는 저결정성 카본 및 비정질 카본의 혼합물일 수 있다. 상기 코어부의 형상은 완전 구형 또는 타원형 등의 넓은 범위의 구형일 수 있다. 상기 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어부 직경은 1 내지 80㎛ 일 수 있으며, 상기 범위에서 우수한 전기전도성 채널의 효과를 나타낼 수 있다.In general, the crystalline carbon-based material included in the core part may include a crystalline carbon-based material of artificial graphite, natural graphite, carbon fiber, or mesocarbon microbead (MCMB), and may include graphite, graphite and low crystallinity. It may be a mixture, low crystalline carbon, amorphous carbon or a mixture of low crystalline carbon and amorphous carbon. The shape of the core part may be a spherical shape in a wide range such as a perfect spherical shape or an elliptical shape. The diameter of the core including the crystalline carbon-based material may be 1 to 80 μm, and in the above range, an excellent electrically conductive channel effect may be exhibited.
상기 쉘부의 복합체 입자에 포함되는 금속 질화물은 리튬과 반응이 가능한 것으로서, 상기 금속은 실리콘, 주석, 게르마늄, 티타늄, 알루미늄 등이고, 바람직하게는 Si(실리콘)이며, 바람직한 금속 질화물은 실리콘 나이트라이드(SiNx)이다. The metal nitride contained in the composite particle of the shell part is capable of reacting with lithium, and the metal is silicon, tin, germanium, titanium, aluminum, etc., preferably Si (silicon), and the preferred metal nitride is silicon nitride (SiNx). )am.
상기 SiNx에서 x는 0.01 이상 0.5 이하이며, x가 0.01 이하보다 적으면 Si가 SiOx로 산화되어 초기 충전 시 리튬과의 반응에 의한 Li4SiO4와 같은 비가역상의 형성으로 실질적인 용량의 증가가 어렵고, x가 0.5보다 많으면 Si이 리튬과의 반응 기회가 적어져 리튬-실리콘 합금에 의한 초기 용량 증가의 효과를 보기 어렵다.In the SiNx, x is 0.01 or more and 0.5 or less, and when x is less than 0.01, Si is oxidized to SiOx, and it is difficult to increase the actual capacity due to the formation of an irreversible phase such as Li 4 SiO 4 by reaction with lithium during initial charging, When x is more than 0.5, the chance of Si reacting with lithium is reduced, so it is difficult to see the effect of increasing the initial capacity by the lithium-silicon alloy.
상기 쉘부의 복합 입자에 포함된 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질은 피치, 또는 코크스 일 수 있고, 상기 피치는 석유계 또는 석탄계로서 콜타르 피치, 석유 피치, 축합 다환 방향족 탄화수소 화합물의 중축합 또는 헤테로 원자 함유 축합 다환 방향족 탄화수소 화합물의 중축합으로 얻어지는 유기 합성 피치 등이며, 이에 한하지 않고 본 기술분야에서 사용이 가능한 모든 피치를 사용하는 것이 가능하다. At least one material selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon contained in the composite particles of the shell part may be pitch or coke, and the pitch is petroleum-based or coal-based coal tar pitch, petroleum pitch, condensed polycyclic aromatic It is an organic synthetic pitch obtained by polycondensation of a hydrocarbon compound or polycondensation of a hetero atom-containing condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compound, and the like.
본 발명의 복합 음극활물질의 구조는 위에서 본 바와 같이 결정성 카본계 물질의 코어부상의 한 곳 이상에 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질 및 리튬과 반응하는 금속 질화물 중에서 선택된 하나의 성분으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 나머지 성분으로 이루어진 필러(filler)가 포함되어 있는 구조로 이루어져 있는 복합체 입자가 형성되어 있는 구조이다. The structure of the composite anode active material of the present invention is, as seen above, in at least one material selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon at one or more places on the core of the crystalline carbon-based material, and a metal nitride reacting with lithium. It is a structure in which composite particles are formed having a structure in which a matrix composed of one selected component contains a filler composed of the remaining components.
이러한 구조는 상기에서 기재한 바와 같은 아래의 2가지 방법의 복합 음극활물질 제조방법으로 형성될 수 있다. Such a structure may be formed by the following two methods of manufacturing a composite negative electrode active material as described above.
우선, 첫 번째 방법은 (i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계; (ii) 상기 금속 질화물과 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과의 혼합으로 복합체 입자를 준비하는 단계; (iii) 상기 복합체 입자와 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 및 (iv) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계를 포함하는 방법이고, 두 번째 방법은 (i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계; (ii) 상기 금속 질화물, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질, 및 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 및 (iii) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계;를 포함하는 방법이다. First, the first method comprises the steps of (i) preparing metal nitride particles; (ii) preparing composite particles by mixing the metal nitride with one or more materials selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon; (iii) mixing the composite particles and a core material of a crystalline carbon-based material to obtain a mixture; and (iv) drying the mixture so that the composite particles are disposed on at least one outside of the crystalline carbon-based core part to form a cell part, and the second method is (i) preparing metal nitride particles to do; (ii) obtaining a mixture by mixing one or more materials selected from the group consisting of metal nitride, low crystalline carbon and amorphous carbon, and a core material of a crystalline carbon-based material; and (iii) drying the mixture so that the composite particles are disposed on at least one outside of the crystalline carbon-based core to form a cell part.
상기 첫 번째 및 두 번째 방법의 i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계는, 평균 입경 1㎛ 내지 10㎛의 벌크 금속 입자와 유기 용매의 혼합물을 밀링 공정으로 분쇄하고 건조하여 평균 입경 30nm 내지 250nm 크기의 금속 입자를 얻는 단계: 상기 얻어진 금속 입자와 유기 용매의 혼합물에 순도 99.9% 이상의 고순도 질소가스를 분당 5 내지 10L/min으로 0.5 내지 10시간 버블링하여 상기 금속 입자 표면을 질화물로 부분 치환하는 단계를 포함한다.In the first and second methods i) preparing the metal nitride particles, a mixture of bulk metal particles having an average particle diameter of 1 μm to 10 μm and an organic solvent is pulverized by a milling process and dried to have an average particle diameter of 30 nm to 250 nm Obtaining metal particles: Partially substituting the surface of the metal particles with nitride by bubbling high-purity nitrogen gas having a purity of 99.9% or more in the mixture of the obtained metal particles and an organic solvent at 5 to 10 L/min per minute for 0.5 to 10 hours include
이렇게 얻어진 금속 질화물(MNx)의 금속은 실리콘, 주석, 게르마늄, 티타늄, 알루미늄 등이고, 바람직하게는 실리콘이며, 바람직한 금속 질화물은 실리콘 나이트라이드(SiNx)이다. The metal of the thus obtained metal nitride (MNx) is silicon, tin, germanium, titanium, aluminum or the like, preferably silicon, and a preferable metal nitride is silicon nitride (SiNx).
상기 금속 표면의 질화물 치환 정도를 나타내는 x는 0.01 이상 0.5 이하이다. x가 0.01 이하보다 적으면 Si가 SiOx로 산화되어 초기 충전 시 리튬과의 반응에 의한 Li4SiO4와 같은 비가역상의 형성으로 실질적인 용량의 증가가 어렵고, x가 0.5보다 많으면 Si이 리튬과의 반응 기회가 적어져 리튬-실리콘 합금에 의한 초기 용량 증가의 효과를 보기 어렵다.x representing the degree of nitride substitution on the metal surface is 0.01 or more and 0.5 or less. When x is less than 0.01, Si is oxidized to SiOx, and it is difficult to increase the actual capacity due to the formation of an irreversible phase such as Li 4 SiO 4 by reaction with lithium during initial charging. When x is more than 0.5, Si reacts with lithium The opportunity is small and it is difficult to see the effect of the initial capacity increase by the lithium-silicon alloy.
상기 첫 번째 방법의 (ii) 상기 금속 질화물과 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과의 혼합으로 복합체 입자를 준비하는 단계는 상기 (i) 단계에서 얻어진 금속 질화물, 및 저결정성 카본 또는 비정질 카본을 유기 용매에 혼합 후, 건조하여 복합성 입자를 수득하는 단계이다.(ii) preparing the composite particles by mixing the metal nitride with one or more materials selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon of the first method includes the metal nitride obtained in step (i), and This is a step of obtaining composite particles by mixing low-crystalline carbon or amorphous carbon with an organic solvent and drying the mixture.
상기 복합성 입자는 (i) 단계에서 얻어진 금속 질화물, 및 저결정성 카본 또는 비정질 카본을 유기 용매를 사용하지 않는 건식 혼합하여 얻을 수 있다. The composite particles may be obtained by dry mixing the metal nitride obtained in step (i) and low crystalline carbon or amorphous carbon without using an organic solvent.
상기 저결정성 카본 또는 비정질 카본은 피치, 또는 코크스 일 수 있고, 상기 피치는 석유계 또는 석탄계일 수 있다. The low-crystalline carbon or amorphous carbon may be pitch, or coke, and the pitch may be petroleum-based or coal-based.
상기 첫 번째 방법의 (iii) 상기 복합체 입자와 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계는 상기 (ii) 단계에서 얻어진 복합성 입자와 결정성 카본계 물질을 유기 용매를 사용하는 습식 혼합, 또는 유기 용매를 사용하지 않는 건식 혼합으로 혼합물을 얻는다. 습식 혼합과 건식 혼합을 모두 사용할 수 있으나, 바람직한 혼합 방식은 습식 혼합이다. 건식 혼합의 경우 쉘부의 복합체 입자와 코어부의 결정성 카본계 물질의 혼합 균일성이 떨어져 균일한 혼합이 이루어지는 습식 혼합에 비하여 용량 및 수명의 효과가 떨어질 수 있다. In the first method (iii) mixing the composite particles and the core material of the crystalline carbon-based material to obtain a mixture, the composite particles and the crystalline carbon-based material obtained in step (ii) are mixed with an organic solvent. The mixture is obtained by wet mixing, or dry mixing without using an organic solvent. Both wet mixing and dry mixing can be used, but the preferred mixing method is wet mixing. In the case of dry mixing, the mixing uniformity of the composite particles of the shell part and the crystalline carbon-based material of the core part may be deteriorated, so that the effect of capacity and life may be reduced compared to wet mixing in which uniform mixing is achieved.
또한, 상기 (ii) 및 (iii)의 유기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 시클로헥산올, 시클로헥사논, 메틸에틸케톤, 에틸렌글리콜, 디에틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 상기 단계 (ii) 및 (iii)의 유기 용매의 사용량은 각 단계의 고형분 100 중량부에 대하여 10 내지 90 중량%로 사용할 수 있다. In addition, the organic solvent of (ii) and (iii) is methanol, ethanol, propanol, isopropanol, cyclohexanol, cyclohexanone, methyl ethyl ketone, ethylene glycol, diethyl carbonate, tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide at least one selected from the group consisting of side (DMSO) and mixtures thereof. The amount of the organic solvent used in steps (ii) and (iii) may be 10 to 90% by weight based on 100 parts by weight of the solid content of each step.
상기 첫 번째 방법의 (iv) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계는 상기 (iii) 단계의 습식 또는 건식 혼합물을 건조하여 열처리 전 단계의 복합체를 얻은 후, 상기 열처리 전 단계의 복합체를 질소 또는 아르곤 분위기 하에서 800 내지 1200℃ 온도로 열처리하는 것을 포함하여 8 내지 15시간 처리하며, 상기 처리 시간은 상기 열처리 온도까지의 승온, 유지 및 열처리 후 복합체를 상온까지 냉각하는 시간을 포함한다. (iv) of the first method, the step of drying the mixture to form the cell part by placing the composite particles in at least one place outside the crystalline carbon-based core part is performed by drying the wet or dry mixture of step (iii) After obtaining the composite of the step before the heat treatment, the composite of the step before the heat treatment is treated for 8 to 15 hours, including heat treatment at a temperature of 800 to 1200° C. under a nitrogen or argon atmosphere, and the treatment time is a temperature increase to the heat treatment temperature It includes time to cool the composite to room temperature after maintenance and heat treatment.
상기 두 번째 방법의 (i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계는 상기 첫 번째 방법의 (i) 단계와 동일하고, (ii) 상기 금속 질화물, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질, 및 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계는 상기 첫 번째 방법의 (ii)와 (iii)을 분리하지 않고 바로 금속 질화물, 저결정성 카본 또는 비정질 카본, 및 결정성 카본계 물질을 모두 유기 용매에서 습식 혼합하거나 또는 유기 용매 없이 건식 혼합하여 혼합물을 얻는 단계이며, (iii) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계는 상기 첫 번째 방법의 (iv) 단계와 동일하다. The step of (i) preparing the metal nitride particles of the second method is the same as the step (i) of the first method, and (ii) one selected from the group consisting of metal nitride, low crystalline carbon and amorphous carbon The step of obtaining a mixture by mixing the above materials, and the core part material of the crystalline carbon-based material is not separated from (ii) and (iii) of the first method, but directly metal nitride, low-crystalline carbon or amorphous carbon; and wet mixing all of the crystalline carbon-based materials in an organic solvent or dry mixing without an organic solvent to obtain a mixture, (iii) drying the mixture to form the composite particles in at least one place outside the crystalline carbon-based core part The step of forming the cell part is the same as step (iv) of the first method.
상기 (ii) 단계의 유기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 시클로헥산올, 시클로헥사논, 메틸에틸케톤, 에틸렌글리콜, 디에틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 또한, 상기 단계 (ii)의 유기 용매의 사용량은 단계 (ii)의 고형분 100 중량부에 대하여 10 내지 90 중량%로 사용할 수 있다. The organic solvent of step (ii) is methanol, ethanol, propanol, isopropanol, cyclohexanol, cyclohexanone, methyl ethyl ketone, ethylene glycol, diethyl carbonate, tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO) and at least one selected from the group consisting of mixtures thereof. In addition, the amount of the organic solvent used in step (ii) may be 10 to 90% by weight based on 100 parts by weight of the solid content in step (ii).
상기 첫 번째 방법 및 두 번째 방법에서 금속 질화물의 사용량, 저결정성 카본 또는 비정질 카본의 사용량, 및 결정성 카본계 물질의 사용량은 아래와 같다. The amount of the metal nitride, the amount of low crystalline carbon or amorphous carbon, and the amount of the crystalline carbon-based material used in the first method and the second method are as follows.
우선 금속 질화물의 사용량은 금속 질화물, 저결정성 카본 또는 비정질 카본, 및 결정성 카본계 물질의 전체 혼합량 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량%이고, 바람직하게는 1 내지 50 중량%이다. First, the amount of the metal nitride used is 1 to 70% by weight, preferably 1 to 50% by weight, based on 100 parts by weight of the total mixing amount of the metal nitride, low crystalline carbon or amorphous carbon, and crystalline carbon-based material.
저결정성 카본 또는 비정질 카본의 사용량은 금속 질화물, 저결정성 카본 또는 비정질 카본, 및 결정성 카본계 물질의 전체 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량%이며, 바람직하게는 5 내지 40 중량%이다. The amount of low crystalline carbon or amorphous carbon used is 1 to 50 weight %, preferably 5 to 40 weight %, based on 100 parts by weight of the total mixture of metal nitride, low crystalline carbon or amorphous carbon, and crystalline carbon-based material. am.
결정성 카본계 물질의 사용량은 금속 질화물, 저결정성 카본 또는 비정질 카본, 및 결정성 카본계 물질의 전체 혼합물 100 중량부에 대하여 10 내지 95 중량%, 바람직하게는 20 내지 90 중량%이다. The amount of the crystalline carbon-based material used is 10 to 95% by weight, preferably 20 to 90% by weight, based on 100 parts by weight of the total mixture of the metal nitride, low-crystalline carbon or amorphous carbon, and the crystalline carbon-based material.
금속 질화물의 사용량, 저결정성 카본 또는 비정질 카본의 사용량, 및 결정성 카본계 물질의 사용량이 상기 범위를 벗어나는 경우, 전지의 용량 및 수명에 영향을 미친다.When the amount of metal nitride used, the amount of low crystalline carbon or amorphous carbon used, and the amount of the crystalline carbon-based material used is out of the above range, the capacity and lifespan of the battery are affected.
본 발명의 다른 양태는, 상기 복합 음극활물질을 포함하는 음극, 양극활물질을 포함하는 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a negative electrode including the composite negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material, and an electrolyte between the negative electrode and the positive electrode.
음극은 상기 복합 음극활물질, 바인더, 및 용매를 혼합하여 음극활물질 조성물로 제조될 수 있으며, 필요에 따라 도전재, 음극의 팽창을 억제하는 성분인 충진제, 점도 조절제, 접착 촉진제 등을 추가할 수 있다. The negative electrode may be prepared as a negative electrode active material composition by mixing the composite negative electrode active material, binder, and solvent, and if necessary, a conductive material, a filler that suppresses the expansion of the negative electrode, a viscosity modifier, an adhesion promoter, etc. may be added. .
상기 바인더의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오로라이드(PVdF), 셀룰로오즈, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC), 전분, 히드록시메틸셀룰로오즈. 재생 셀룰로오즈, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌. 다양한 공중합체 등이 사용될 수 있으며, 바인더의 사용량은 음극재 전체 기준으로 0 내지 20 중량%이다. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), cellulose, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxymethyl cellulose. Regenerated cellulose, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene. Various copolymers and the like may be used, and the amount of the binder used is 0 to 20% by weight based on the total amount of the negative electrode material.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 갖는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 그라파이트; 카본 블랙; 도전성 섬유; 금속 분말; 도전성 금속 분말; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재가 사용될 수 있다. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, and includes graphite; carbon black; conductive fiber; metal powder; conductive metal powder; A conductive material such as a polyphenylene derivative may be used.
상기 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다. The filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery, and may include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; A fibrous material such as glass fiber or carbon fiber is used.
상기 점도 조절제는 집전체 상에 음극활물질 조성물의 용이한 도포를 위한 점도를 조절하는 작용을 하는 것으로서 음극활물질 조성물 전체의 30 중량%까지 혼합이 가능하며, 카르복시메틸셀룰로오즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 사용된다. The viscosity modifier acts to adjust the viscosity for easy application of the anode active material composition on the current collector, and can be mixed up to 30% by weight of the total anode active material composition, and carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, etc. used
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 접착력 향상을 위한 것이고, 바인더 대비 10 중량%로 사용될 수 있으며, 옥살산, 아디프산, 포름산, 아크릴산 유도체 이타콘산 유도체 등이 사용된다.The adhesion promoter is for improving adhesion to the current collector, and may be used in an amount of 10% by weight relative to the binder, and oxalic acid, adipic acid, formic acid, acrylic acid derivatives, itaconic acid derivatives, and the like are used.
상기 용매는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 이소프로필알코올, 아세톤 또는 물일 수 있으며, 이들 용매를 단독 또는 2종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다. The solvent may be N-methylpyrrolidone, acetone, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, acetone, or water, and these solvents may be used alone or as a mixture of two or more.
상기 음극 제조에 사용되는 복합 음극활물질, 바인더, 도전재, 충진제, 용매 등의 사용량은 상기 범위내에서 리튬 이차전지 분야에서 사용되는 통상적인 사용량을 사용한다. The amount of the composite anode active material, binder, conductive material, filler, solvent, etc. used in the production of the anode is within the above range, and a typical amount used in the field of lithium secondary batteries is used.
음극은 상기 음극활물질 조성물을 집전체 상에 도포 건조하여 제작하며, 상기 집전체는 당해 전지에 화학적 반응을 일으키지 않으면서 도전성을 갖는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 티타늄, 은 등으로 표면 처리된 것 등이 사용된다. The negative electrode is manufactured by coating and drying the negative electrode active material composition on a current collector, and the current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical reaction in the battery, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, Copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. are used.
양극은 양극활물질, 도전재, 바인더, 용매 등을 혼합한 양극활물질 조성물을 집전체 상에 도포 건조하여 제작한다. The positive electrode is prepared by coating and drying a positive electrode active material composition in which a positive electrode active material, a conductive material, a binder, a solvent, etc. are mixed on a current collector.
상기 양극활물질은 특별히 한정되지 아니하나, 통상적으로 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있으며, LiCoO2 등의 Li/CO계 복합 산화물, LiNixCoyMn2O2등의 Li/Ni/Co/Mn계의 복합 산화물, LiNiO2등의 Li/Ni계 복합 산화물, LiMn2O4의 Li/Mn계의 복합 산화물 등을 들 수 있고, 이들의 단독 또는 2개 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The cathode active material is not particularly limited, but lithium transition metal oxide may be used in general, Li/CO-based composite oxide such as LiCoO 2 , Li/Ni/Co/Mn-based such as LiNi x Co y Mn 2 O 2 and a Li/Ni-based composite oxide such as LiNiO2, and a Li/Mn-based composite oxide such as LiMn2O4, and these may be used alone or in combination of two or more thereof.
상기 양극활물질 조성물의 도전재, 바인더, 용매 등은 상기 음극활물질 조성물의 도전재, 바인더, 용매와 동일하게 사용할 수 있으며, 상기 양극활물질 조성물에 포함되는 각 성분은 당업계의 통상의 비율로 사용된다. The conductive material, binder, solvent, etc. of the positive electrode active material composition may be used in the same manner as the conductive material, binder, and solvent of the negative electrode active material composition, and each component included in the positive electrode active material composition is used in a conventional ratio in the art. .
상기 전해질은 비수계 유기 용매와 금속염을 포함할 수 있으며, 상기 비수계 용매로는 N-메틸피롤리돈, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 에틸메틸 카르보네이트, 감바부틸로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시퓨란(THF), 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸술폭사이드, 1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥산, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소한, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 에탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르복실레이트 유도체, 테트라하이드로퓨란 유도체, 에테르, 피로피온산 에틸, 프로피온산 메틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있다. 상기 금속염은 상기 비수계 용매에 용해되기 좋은 물질로서 리튬염을 사용할 수 있고, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 등이 사용될 수 있다. The electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt. Examples of the non-aqueous solvent include N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl. Methyl carbonate, gambabutyrolactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxyfuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-di Oxolane, 4-methyl-1,3-dioxane, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxohan, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxy ethane, Aprotic organic compounds such as dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carboxylate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, ethyl pyropionate, and methyl propionate Solvents may be used. The metal salt may be a lithium salt as a material easily soluble in the non-aqueous solvent, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2 )2NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenyl borate, and the like can be used.
또한, 전해질에는 필요에 따라 충방전 특성, 난연성 특성, 불연성 특성, 또는 고온 보존 특성의 향상을 위한 물질을 첨가할 수 있다. In addition, a material for improving charge/discharge characteristics, flame retardancy characteristics, nonflammability characteristics, or high temperature storage characteristics may be added to the electrolyte as needed.
위와 같이 제작된 리튬 이차전지는 소형 및 중대형 전지팩에 사용될 수 있다. The lithium secondary battery manufactured as described above can be used in small and medium-sized battery packs.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 복합 음극활물질의 제조방법은 위에서 본 바와 같다.A method of manufacturing a composite negative electrode active material according to another aspect of the present invention is as described above.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하거나, 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들에 의하여 제한 되는 것이 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples, but the following Examples are provided to illustrate or specifically describe the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
또한, 여기서 기재되지 않은 내용은 이 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다. In addition, since the contents not described herein can be sufficiently inferred by those skilled in the art, the description thereof will be omitted.
복합 음극활물질의 제조에 대한 실시예 1 내지 11 및 비교예 1Examples 1 to 11 and Comparative Example 1 for the preparation of a composite negative electrode active material
<실시예 1><Example 1>
평균 입경이 1㎛ 크기의 실리콘 입자 20%를 이소 프로필알코올 용매와 함께 비드 밀을 통해 24시간 가공하였다. 가공 후 FE-SEM 분석을 통해 평균 입경 100㎚ 크기의 나노 실리콘 입자를 제조하였다.20% of silicon particles having an average particle size of 1 μm were processed through a bead mill together with an isopropyl alcohol solvent for 24 hours. After processing, nano-silicon particles having an average particle diameter of 100 nm were prepared through FE-SEM analysis.
제조된 나노 실리콘과 이소 프로필알코올 혼합물에 고순도 질소가스를 분당 10L 유량으로 1시간 동안 버블링하여 실리콘 표면을 질화물로 부분 치환하였다.The silicon surface was partially replaced with nitride by bubbling high-purity nitrogen gas to the prepared mixture of nano silicon and isopropyl alcohol at a flow rate of 10 L per minute for 1 hour.
제조된 나노 실리콘 질화물(SiNx)은 XRD 분석을 통해 질화물로 치환된 양을 분석하였으며, 상기 실리콘 질화물(SiNx)의 x가 0.1이었다. The amount of the prepared nano silicon nitride (SiNx) substituted with nitride was analyzed through XRD analysis, and x of the silicon nitride (SiNx) was 0.1.
상기 제조된 실리콘 질화물과 이소 프로필알코올의 혼합물에 Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃) 및 천연흑연을 혼합한 다음, 이 혼합물에 이소프로필알콜을 추가로 넣고 1시간 동안 습식 혼합하였다. Rutger's petroleum pitch (softening point 250° C.) and natural graphite were mixed with the prepared mixture of silicon nitride and isopropyl alcohol, and then isopropyl alcohol was added to the mixture and wet-mixed for 1 hour.
상기 제조된 실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치, 및 천연흑연의 사용량 총합 100 중량부를 기준으로 실리콘 질화물 5중량%, Rutger사 석유계 피치 20중량%, 및 천연흑연 75중량%를 사용하고, 상기 이소 프로필알코올의 사용 총량은 상기 실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치, 및 천연흑연의 고형분 총량 기준 50%를 사용하였다.5% by weight of silicon nitride, 20% by weight of Rutger's petroleum pitch, and 75% by weight of natural graphite based on 100 parts by weight of the total amount of the prepared silicon nitride, Rutger's petroleum pitch, and natural graphite, and the iso The total amount of propyl alcohol used was 50% based on the total solid content of the silicon nitride, Rutger's petroleum-based pitch, and natural graphite.
혼합이 완료된 복합물은 오븐에서 6시간 건조하여 열처리 전단계의 복합체를 얻었다.The mixed composite was dried in an oven for 6 hours to obtain a composite before heat treatment.
상기 복합체는 열처리로를 이용하여 1,000℃까지의 승온, 1,000℃에서의 유지, 및 상온으로의 냉각을 포함하여 10시간 동안 질소 분위기에서 열처리를 하였다. The composite was heat-treated in a nitrogen atmosphere for 10 hours, including raising the temperature to 1,000°C using a heat treatment furnace, maintaining at 1,000°C, and cooling to room temperature.
상기 공정을 통해 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였고, 하기 방법으로 코인셀 제조, 초기 방전용량 및 효율 측정, 수명특성 평가를 실시하였다.A silicon nitride-carbon composite negative active material was prepared through the above process, and coin cell manufacturing, initial discharge capacity and efficiency measurement, and lifespan characteristic evaluation were performed by the following method.
<실시예 2> <Example 2>
평균 입경 100㎚ 크기의 제조된 나노 실리콘과 이소 프로필알코올 혼합물에 고순도 질소가스를 분당 5L 유량으로 1시간 동안 버블링하여 실리콘 표면을 질화물로 부분 치환하였다. 제조된 나노 실리콘 질화물은 XRD 분석을 통해 질화물로 치환된 양을 분석하였으며, 상기 실리콘 질화물(SiNx)의 x가 0.05이었다. 나노 실리콘 질화물 부분 치환 방법 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.The silicon surface was partially replaced with nitride by bubbling high-purity nitrogen gas to the prepared mixture of nano silicon and isopropyl alcohol having an average particle size of 100 nm at a flow rate of 5 L per minute for 1 hour. The amount of the prepared nano silicon nitride substituted with nitride was analyzed through XRD analysis, and x of the silicon nitride (SiNx) was 0.05. A silicon nitride-carbon composite anode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except for the nano silicon nitride partial substitution method.
<실시예 3> <Example 3>
평균 입경 100㎚ 크기의 제조된 나노 실리콘과 이소 프로필알코올 혼합물에 고순도 질소가스를 분당 10L 유량으로 5시간 동안 버블링하여 실리콘 표면을 질화물로 부분 치환하였으며, 상기 실리콘 질화물(SiNx)의 x가 0.5이었다. 제조된 나노 실리콘 질화물은 XRD 분석을 통해 질화물로 치환된 양을 분석하였다. 나노 실리콘 질화물 부분 치환 방법 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.The silicon surface was partially substituted with nitride by bubbling high-purity nitrogen gas to the prepared mixture of nano silicon and isopropyl alcohol having an average particle size of 100 nm at a flow rate of 10 L per minute for 5 hours, and the silicon nitride (SiNx) x was 0.5 . The amount of the prepared nano silicon nitride substituted with the nitride was analyzed through XRD analysis. A silicon nitride-carbon composite anode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except for the nano silicon nitride partial substitution method.
<실시예 4><Example 4>
평균 입경이 1㎛ 크기의 실리콘 입자 20%를 이소 프로필알코올 용매와 함께 비드 밀을 통해 72시간 가공하였다. 가공 후 FE-SEM 분석을 통해 평균 입경 50㎚ 크기의 나노 실리콘 입자를 제조하였다.20% of silicon particles having an average particle size of 1 μm were processed for 72 hours through a bead mill together with an isopropyl alcohol solvent. After processing, nano silicon particles having an average particle diameter of 50 nm were prepared through FE-SEM analysis.
평균 입경 50㎚ 크기의 나노 실리콘 제조방법 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.A silicon nitride-carbon composite negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except for the method for preparing nano silicon having an average particle size of 50 nm.
<실시예 5><Example 5>
평균입경이 1㎛ 크기의 실리콘 입자 20%를 이소 프로필알코올 용매와 함께 비드 밀을 통해 8시간 가공하였다. 가공 후 FE-SEM 분석을 통해 평균 입경 200㎚ 크기의 나노 실리콘 입자를 제조하였다.20% of silicon particles having an average particle diameter of 1 μm were processed through a bead mill together with an isopropyl alcohol solvent for 8 hours. After processing, nano-silicon particles having an average particle diameter of 200 nm were prepared through FE-SEM analysis.
평균 입경 200㎚ 크기의 나노실리콘 제조방법 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.A silicon nitride-carbon composite negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except for the method for preparing nano-silicon having an average particle size of 200 nm.
<실시예 6> <Example 6>
실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃), 및 천연흑연의 사용량을 각각 10중량%, 20중량% 및 70중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.Silicon nitride-carbon in the same manner as in Example 1, except that silicon nitride, Rutger's petroleum pitch (softening point 250° C.), and natural graphite were used in 10 wt%, 20 wt% and 70 wt%, respectively. A composite negative electrode active material was prepared.
<실시예 7><Example 7>
실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃), 및 천연흑연의 사용량을 각각 20중량%, 20중량% 및 60중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.Silicon nitride-carbon in the same manner as in Example 1, except that silicon nitride, Rutger's petroleum-based pitch (softening point 250° C.), and natural graphite were used in 20 wt%, 20 wt% and 60 wt%, respectively. A composite negative electrode active material was prepared.
<실시예 8><Example 8>
실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃), 및 천연흑연의 사용량을 각각 50중량%, 20중량% 및 30중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.Silicon nitride-carbon in the same manner as in Example 1, except that silicon nitride, Rutger's petroleum-based pitch (softening point 250° C.), and natural graphite were used in 50 wt%, 20 wt% and 30 wt%, respectively. A composite negative electrode active material was prepared.
<실시예 9><Example 9>
실리콘 질화물 분말을 실시예 1과 같이 제조하고, Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃)는 제트밀 분쇄를 통해 평균 입경 4㎛ 크기의 분말로 제조하였다.Silicon nitride powder was prepared as in Example 1, and Rutger's petroleum-based pitch (softening point 250° C.) was prepared as a powder having an average particle size of 4 μm through jet mill grinding.
상기 제조된 실리콘 질화물, 분말 형태의 석유계 피치, 및 천연흑연의 총합 100 중량부를 기준으로 상기 제조된 실리콘 질화물 5중량%, 상기 분말 형태의 석유계 피치 20중량% 및 상기 천연흑연 75중량%를 Shape Mill에 넣고 10분 동안 건식 혼합하여 복합물을 얻었다. 상기 얻어진 복합물은 열처리 전단계의 복합체를 얻기 위한 건조의 전처리 단계 없이 바로 실시예 1과 동일한 열처리 과정으로 처리하여 실리콘 질화물 복합체를 얻었다. 5% by weight of the prepared silicon nitride, 20% by weight of the petroleum-based pitch in the powder form, and 75% by weight of the natural graphite based on 100 parts by weight of a total of 100 parts by weight of the prepared silicon nitride, powdered petroleum-based pitch, and natural graphite Put in a shape mill and dry-mixed for 10 minutes to obtain a composite. The obtained composite was directly treated with the same heat treatment process as in Example 1 without a pre-treatment step of drying to obtain a composite before heat treatment to obtain a silicon nitride composite.
상기 얻어진 실리콘 질화물 복합체를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.A silicon nitride-carbon composite negative active material was prepared in the same manner as in Example 1 using the obtained silicon nitride composite.
<실시예 10><Example 10>
실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃), 및 천연흑연의 사용량을 각각 5중량%, 10중량% 및 85중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.Silicon nitride-carbon in the same manner as in Example 1, except that silicon nitride, Rutger's petroleum pitch (softening point 250° C.), and natural graphite were used in 5 wt%, 10 wt% and 85 wt%, respectively. A composite negative electrode active material was prepared.
<실시예 11><Example 11>
실리콘 질화물, Rutger사 석유계 피치 (연화점 250℃), 및 천연흑연의 사용량을 각각 5중량%, 30중량% 및 65중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.Silicon nitride-carbon in the same manner as in Example 1, except that silicon nitride, Rutger's petroleum pitch (softening point 250° C.), and natural graphite were used in 5 wt%, 30 wt%, and 65 wt%, respectively. A composite negative electrode active material was prepared.
<비교예 1><Comparative Example 1>
평균 입경이 1㎛ 크기의 실리콘 입자 20%를 이소 프로필알코올 용매와 함께 비드 밀을 통해 24시간 가공하였다. 가공 후 FE-SEM 분석을 통해 평균 입경 100㎚ 크기의 나노 실리콘 입자를 제조하였다.20% of silicon particles having an average particle size of 1 μm were processed through a bead mill together with an isopropyl alcohol solvent for 24 hours. After processing, nano-silicon particles having an average particle diameter of 100 nm were prepared through FE-SEM analysis.
제조된 나노 실리콘은 건조 오븐에서 일반 공기 분위기 하에서 1시간 건조하였다. 이를 통해 나노 실리콘 표면이 산화물로 치환된 실리콘 아산화물(SiOx)을 제조하였으며, 상기 실리콘 아산화물(SiOx)의 x는 0.1이었다. The prepared nano-silicon was dried in a drying oven under a general air atmosphere for 1 hour. Through this, a silicon suboxide (SiOx) in which the nano-silicon surface was substituted with an oxide was prepared, and x of the silicon suboxide (SiOx) was 0.1.
상기 실리콘 아산화물로 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 아산화물-탄소 복합 음극활물질을 제조하였다.A silicon suboxide-carbon composite negative active material was prepared in the same manner as in Example 1 using the silicon suboxide.
코인셀(전지)의 제조Manufacturing of coin cell (battery)
실리콘 질화물-탄소 복합 음극활물질 : 바인더를 97 : 3의 비율로 초순수에서 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때 상기 바인더는 CMC와 SBR를 1:1의 비율로 사용하였다. 슬러리를 구리 호일에 균일하게 도포하고, 80℃ 오븐에서 2시간 건조 후, 롤 프레스로 110℃ 진공 오븐에서 약 12시간 동안 추가 건조하여 음극판을 제조하였다.A slurry was prepared by mixing silicon nitride-carbon composite negative electrode active material: binder in ultrapure water at a ratio of 97:3. At this time, as the binder, CMC and SBR were used in a ratio of 1:1. The slurry was uniformly coated on a copper foil, dried in an oven at 80° C. for 2 hours, and further dried in a vacuum oven at 110° C. using a roll press for about 12 hours to prepare a negative electrode plate.
상기 제조된 음극판, 상대 전극으로 리튬 호일, 다공성 폴리에틸렌막을 세퍼레이터로, 그리고 에틸린카보네이트(ethylene carbonate)와 디에틸카보네이트(diethyl carbonate; DEC)를 3:7의 부피비로 혼합한 용매에 LiPF6가 1.3M 농도로 녹아 있고 플루오로-에틸렌 카보네이트(Fluoro-Ethylene carbonate; FEC)가 전체 전해액 대비 10중량%로 함유된 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려진 제조 공정에 따라 CR2016 코인형 반쪽 셀을 제조하였다.LiPF6 was 1.3M in a solvent in which the prepared negative electrode plate, lithium foil as a counter electrode, a porous polyethylene film as a separator, and ethylene carbonate and diethyl carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 3:7 A CR2016 coin-type half cell was prepared according to a commonly known manufacturing process using a liquid electrolyte solution dissolved in concentration and containing 10% by weight of fluoro-ethylene carbonate (FEC) relative to the total electrolyte solution.
코인셀의 초기 방전용량 및 효율 측정Measurement of initial discharge capacity and efficiency of coin cells
25℃에서 0.1C rate의 전류로 전지 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지는 정전류를 인가하였고 전지 전압이 0.01V에 이르면 전류가 0.01C rate에 이를 때까지 정전압을 인가하여 충전하였다. 방전 시에 전압이 1.5V(vs.Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다.At 25°C, a constant current was applied until the battery voltage reached 0.01V (vs. Li) at a current of 0.1C rate, and when the battery voltage reached 0.01V, a constant voltage was applied until the current reached a rate of 0.01C to charge. At the time of discharging, it was discharged at a constant current of 0.1C rate until the voltage reached 1.5V (vs.Li).
코인셀의 수명특성 평가Evaluation of the lifespan characteristics of coin cells
25℃에서 0.5C rate의 전류로 전지 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류를 인가하여 충전하였고 전지 전압이 0.01V(vs. Li)에 이르면 전류가 0.01C rate에 이를 때까지 정전압을 인가하여 충전하였다. 방전 시에 전압이 1.5V에 이를 때까지 0.5C rate의 정전류로 방전하는 사이클을 50회 반복하였다.At 25°C, a constant current was applied until the battery voltage reached 0.01V (vs. Li) at a current of 0.5C rate, and when the battery voltage reached 0.01V (vs. Li), the battery was charged until the current reached 0.01C rate. It was charged by applying a constant voltage. The cycle of discharging at a constant current of 0.5C rate was repeated 50 times until the voltage reached 1.5V during discharging.
상기 실시예 1 내지 11의 SiNx의 x범위, Si 입자의 평균직경(D50, 평균 입경), SiNx의 함량, 피치 코팅 방식, 및 피치 함량, 그리고 비교예 1의 SiOx의 x범위, Si 평균직경(D50), SiNx의 함량, 피치 코팅 방식, 및 피치 함량을 아래 표 1에 정리하였다. The x range of SiNx of Examples 1 to 11, the average diameter of Si particles (D50, average particle diameter), the content of SiNx, the pitch coating method, and the pitch content, and the x range of SiOx of Comparative Example 1, the average diameter of Si ( D50), SiNx content, pitch coating method, and pitch content are summarized in Table 1 below.
표 1Table 1
아래 표 2에는 상기 표 1에 따른 초기 방전용량, 초기효율 및 50 Cycle 후 용량 유지율(전지 수명)을 도시하였다. Table 2 below shows the initial discharge capacity, the initial efficiency, and the capacity retention rate (battery life) after 50 cycles according to Table 1 above.
표 2Table 2
상기 표 2로부터 본 발명의 금속 질화물을 포함하는 복합 음극활물질에 관한 실시예 1 내지 11은 실리콘 아산화물을 포함하는 음극활물질인 비교예 1에 비하여 용량(초기 방전용량), 초기효율, 및/또는 전지 수명(50Cycle 후의 용량 유지율)이 개선되거나 유사한 것을 알 수 있어, 본 발명의 음극활물질은 전지 음극재로서의 사용이 가능하고, 우수한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. From Table 2, Examples 1 to 11 of the composite anode active material containing a metal nitride of the present invention have capacity (initial discharge capacity), initial efficiency, and/or compared to Comparative Example 1, which is an anode active material containing silicon suboxide. It can be seen that the battery life (capacity retention rate after 50 cycles) is improved or similar, so that the anode active material of the present invention can be used as a battery anode material and exhibits excellent effects.
Claims (26)
(i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계;
(ii) 상기 금속 질화물과 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과의 혼합으로 복합체 입자를 준비하는 단계;
(iii) 상기 복합체 입자와 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 및
(iv) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항의 복합 음극활물질의 제조방법As a method of manufacturing the composite negative active material of claim 1,
(i) preparing metal nitride particles;
(ii) preparing composite particles by mixing the metal nitride with one or more materials selected from the group consisting of low-crystalline carbon and amorphous carbon;
(iii) mixing the composite particles and a core material of a crystalline carbon-based material to obtain a mixture; and
(iv) drying the mixture so that the composite particles are disposed on at least one outside of the crystalline carbon-based core part to form a cell part;
(i) 금속 질화물 입자를 준비하는 단계;
(ii) 상기 금속 질화물, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질, 및 결정성 카본계 물질의 코어부 물질을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 및
(iii) 상기 혼합물을 건조시켜 상기 결정성 카본계 코어부 외부의 적어도 한 곳에 상기 복합체 입자가 배치되어 셀부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항의 복합 음극활물질의 제조방법As a method for producing the composite negative electrode active material of claim 1,
(i) preparing metal nitride particles;
(ii) obtaining a mixture by mixing at least one material selected from the group consisting of metal nitride, low-crystalline carbon and amorphous carbon, and a core material of a crystalline carbon-based material; and
(iii) drying the mixture so that the composite particles are disposed on at least one outside of the crystalline carbon-based core part to form a cell part;
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KR1020200024127A KR20210109692A (en) | 2020-02-27 | 2020-02-27 | A new composite anode active material, lithium battery including the same, and method for preparing the material |
PCT/KR2020/005441 WO2021172657A1 (en) | 2020-02-27 | 2020-04-24 | Novel composite anode active material, lithium battery comprising same, and method for preparing composite anode active material |
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