KR20230060965A - Composite active material for negative electrode, method for manufacturing the same, negative electrode and secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복합 음극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 음극 및 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite negative active material, a method for preparing the same, and a negative electrode and a secondary battery including the same.
최근 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 전기 자동차 등 전지를 사용하는 전자기구의 급속한 보급에 수반하여 소형 경량이면서도 상대적으로 고용량인 이차전지의 수요가 급속히 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 경량이고 고에너지 밀도를 가지고 있어 휴대 기기의 구동 전원으로서 각광을 받고 있다. 이에 따라, 리튬 이차전지의 성능 향상을 위한 연구개발 노력이 활발하게 진행되고 있다.Recently, with the rapid spread of electronic devices using batteries such as mobile phones, notebook computers, and electric vehicles, the demand for small, lightweight, and relatively high-capacity secondary batteries is rapidly increasing. In particular, lithium secondary batteries are in the limelight as a driving power source for portable devices because they are lightweight and have high energy density. Accordingly, research and development efforts to improve the performance of lithium secondary batteries are being actively conducted.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막, 전해질, 유기 용매 등을 포함한다. 또한, 양극 및 음극은 집전체 상에 양극 활물질 또는 음극 활물질을 포함하는 활물질층이 형성될 수 있다. 상기 양극에는 일반적으로 LiCoO2, LiMn2O4 등의 리튬 함유 금속 산화물이 양극 활물질로 사용되며, 이에 따라 음극에는 리튬을 함유하지 않는 탄소계 활물질, 실리콘계 음 극 활물질이 음극 활물질로 사용되고 있다.In general, a lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, an electrolyte, an organic solvent, and the like. In addition, an active material layer including a positive electrode active material or a negative electrode active material may be formed on the current collector for the positive electrode and the negative electrode. In the cathode, a lithium-containing metal oxide such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 is generally used as a cathode active material, and accordingly, a carbon-based active material that does not contain lithium or a silicon-based cathode active material is used as an anode active material.
특히, 음극 활물질 중 실리콘계 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질에 비해 약 10배 정도의 높은 용량을 갖는 점에서 주목되고 있으며, 높은 용량으로 인해 얇은 전극으로도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 실리콘계 음극 활물질은 충방전에 따른 부피 팽창, 이로 인한 활물질 입자의 균열/손상, 이에 의한 수명 특성 저하의 문제로 인해 범용적으로 사용되지는 못하고 있다.In particular, among negative electrode active materials, silicon-based negative electrode active materials are attracting attention in that they have a capacity about 10 times higher than that of carbon-based negative electrode active materials, and have the advantage of being able to realize high energy density even with thin electrodes due to their high capacity. However, silicon-based negative active materials are not universally used due to problems such as volume expansion due to charging and discharging, cracking/damage of active material particles caused by this, and degradation of lifespan characteristics due to this.
특히, 상기 실리콘계 음극 활물질은 충방전에 따른 부피 팽창/수축으로 인해 활물질들간의 거리 증가, 전기적 단락이 발생하는 문제가 있으며, 이에 따라 전하의 이동 통로가 상실되고 리튬 이온이 고립되어 용량이 감소하고 수명 퇴화가 가속화될 수 있다.In particular, the silicon-based negative electrode active material has problems in that the distance between active materials increases and an electrical short occurs due to volume expansion/contraction caused by charging and discharging, and thus, the passage of charge is lost and lithium ions are isolated, resulting in a decrease in capacity Lifespan deterioration may be accelerated.
따라서, 실리콘계 음극 활물질의 높은 용량, 에너지 밀도를 구현하면서도, 수명 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지의 개발이 요구되는 실정이다. Therefore, there is a need to develop a secondary battery capable of improving lifespan characteristics while realizing high capacity and energy density of a silicon-based negative electrode active material.
한국등록특허 10-1906973호는 후처리 과정에서 리튬 소스 및 카본 소스를 첨가하여 표면에 LixSiyOz 상의 피막 및 카본 코팅층을 실리콘 표면에 형성시킴으로써, 실리콘 나노입자의 표면 산화를 방지하는 효과를 제공하는 기술을 개시하고 있으나, 도전성이 떨어지고, 볼밀 후 가열하는 공정이 추가로 필요한 단점이 있다.Korean Patent Registration No. 10-1906973 has the effect of preventing surface oxidation of silicon nanoparticles by adding a lithium source and a carbon source in the post-treatment process to form a film and a carbon coating layer on the surface of silicon on the surface However, it has a disadvantage in that conductivity is poor and a heating process is additionally required after ball milling.
본 발명의 일 과제는, 실리콘계 음극 활물질에, 도전재를 강하게 결합시킴으로써, 부피 팽창/수축에 따른 전기적 단락을 감소시켜, 수명 특성 및 초기 효율이 개선된 음극 활물질을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide an anode active material with improved lifespan characteristics and initial efficiency by reducing electrical shorts due to volume expansion/contraction by strongly bonding a conductive material to a silicon-based anode active material.
또한 본 발명의 다른 과제는 전술한 복합 음극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the above-described composite negative electrode active material.
또한 본 발명의 또 다른 과제는 전술한 복합 음극 활물질을 포함하는 음극 및 이차전지를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an anode and a secondary battery including the above-described composite anode active material.
본 발명은, 실리콘(Si) 입자; 상기 실리콘 입자의 표면에 형성되고, 탄소질을 포함하는 코팅층; 및 선형의 도전재를 포함하고, LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함하는 복합 음극 활물질을 제공한다. The present invention, silicon (Si) particles; a coating layer formed on the surface of the silicon particle and containing carbonaceous material; and a linear conductive material, and a composite negative active material including a Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 음극 활물질에 있어서, 상기 선형의 도전재는, 상기 코팅층에 부착되어 있되, 몸체의 일부분은 상기 코팅층과 이격되어 있다. In the composite negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, the linear conductive material is attached to the coating layer, but a part of the body is spaced apart from the coating layer.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 선형의 도전재는, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종이다.In one embodiment of the present invention, the linear conductive material is one or two selected from the group consisting of carbon nanotubes and carbon nanofibers.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 선형의 도전재는, 기상법 탄소 섬유(vapor grown carbon fiber, VGCF) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종이다.In one embodiment of the present invention, the linear conductive material is one or two selected from the group consisting of vapor grown carbon fiber (VGCF) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT).
본 발명의 일 실시예에서, 상기 선형의 도전재의 장축 방향 평균 길이는 1㎛ 이상이다. In one embodiment of the present invention, the average length of the long axis direction of the linear conductive material is 1 μm or more.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘 입자는 상기 복합 음극 활물질의 총 중량에 대하여, 50 중량% 내지 90 중량%이다. In one embodiment of the present invention, the silicon particles are 50% to 90% by weight based on the total weight of the composite negative electrode active material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 선형의 도전재는 상기 복합 음극 활물질의 총 중량에 대하여, 2 중량% 내지 30 중량%이다. In one embodiment of the present invention, the linear conductive material is 2% to 30% by weight based on the total weight of the composite negative electrode active material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 코팅층은 상기 실리콘 입자 표면의 일부분을 덮는 섬(island) 형태일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the coating layer may be in the form of an island covering a portion of the surface of the silicon particle.
또한 본 발명은, 실리콘, 탄소 전구체, 리튬 원료물질 및 선형의 도전재를 용기에 넣는 투입 단계; 및 상기 용기에 있는 혼합물을 볼밀하는 볼밀 단계를 포함하고, 상기 볼밀 단계는, 볼밀에 의해 탄소 전구체를 탄소질로 전환시켜 탄소질을 포함하는 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층에 상기 선형의 도전재가 부착되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합 음극 활물질의 제조방법을 제공한다. In another aspect, the present invention includes the steps of putting silicon, carbon precursor, lithium raw material and linear conductive material into a container; and a ball milling step of ball milling the mixture in the vessel, wherein the ball milling step converts the carbon precursor into carbonaceous material by a ball mill to form a coating layer containing carbonaceous material, and attaching the linear conductive material to the coating layer. It provides a method for producing a composite negative electrode active material characterized in that.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 볼밀 단계는 BPR(Ball-to-Powder weight Ratio)이 1:1 내지 내지 10:1이고, 회전속도가 50rpm 내지 500rpm 이며, 1시간 내지 36시간 동안 볼밀한다. In one embodiment of the present invention, the ball mill step has a ball-to-powder weight ratio (BPR) of 1:1 to 10:1, a rotational speed of 50 rpm to 500 rpm, and ball milling for 1 hour to 36 hours.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소 전구체는 글루코스(glucose), 수크로오스(Sucrose), 아라비아 고무(Gum Arabic), 타닌산(Tannic acid), 리그노술폰산염(lignosulfonate), 폴리아로마틱산화물(poly-aromtic oxide)을 포함하는 방향족 물질 산화물, 당류 및 폴리페놀, 석탄계 피치, 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이다.In one embodiment of the present invention, the carbon precursor is glucose, sucrose, gum arabic, tannic acid, lignosulfonate, poly-aromatic oxide oxide), at least one selected from the group consisting of saccharides and polyphenols, coal-based pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, furan resin, and polyimide resin.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 리튬 원료물질은 리튬메탈, 리튬산화물(Li2O, LiO2, Li2O2), 리튬수산화물(LiOH), 리튬카보네이트(Li2CO3) 및 리튬염화물(LiCl)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이다. In one embodiment of the present invention, the lithium raw material is lithium metal, lithium oxide (Li 2 O, LiO 2 , Li 2 O 2 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and lithium chloride ( LiCl) is one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 도전재는, 기상법 탄소 섬유(vapor grown carbon fiber, VGCF) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종이다.In one embodiment of the present invention, the conductive material is one or two selected from the group consisting of vapor grown carbon fiber (VGCF) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT).
본 발명의 일 실시예에서, 상기 도전재의 장축 방향 평균 길이는 1㎛ 이상이다.In one embodiment of the present invention, the average length of the long axis direction of the conductive material is 1 μm or more.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 투입 단계에서, 실리콘(Si)은 50 내지 90 중량부, 탄소 전구체는 3 내지 10 중량부, 리튬 원료물질은 3 내지 15 중량부, 도전재는 5 내지 30 중량부 투입된다. In one embodiment of the present invention, in the inputting step, silicon (Si) is 50 to 90 parts by weight, carbon precursor is 3 to 10 parts by weight, lithium raw material is 3 to 15 parts by weight, and the conductive material is 5 to 30 parts by weight. are put in
본 발명의 일 실시예에서, 상기 볼밀 단계는 불활성 분위기 하에서 수행된다. In one embodiment of the present invention, the ball mill step is performed under an inert atmosphere.
또한, 본 발명은 음극 집전체; 상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 전술한 복합 음극 활물질을 포함하는 음극재, 바인더 및 도전재를 포함하는 음극을 제공한다.In addition, the present invention is a negative electrode current collector; A negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector is provided, and the negative electrode active material layer provides a negative electrode including a negative electrode material including the above-described composite negative electrode active material, a binder, and a conductive material.
또한, 본 발명은 전술한 음극; 상기 음극과 대향하는 양극; 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention is the above-described negative electrode; an anode facing the cathode; a separator interposed between the cathode and the anode; And it provides a secondary battery comprising an electrolyte.
본 발명의 복합 음극 활물질은, 실리콘 입자 표면의 탄소질의 코팅층에, 선형의 도전재가 강하게 부착/결합되어 있되, 상기 도전재 몸체의 일부분이 상기 코팅층과 이격되어 있어, 복합 음극 활물질들 사이의 도전성 네트워크를 형성할 수 있고, 상기 도전성 네트워크 형성으로 인해 전기적 단락이 방지될 수 있으며, 음극의 수명 특성 및 저항이 저감된다.In the composite anode active material of the present invention, a linear conductive material is strongly attached/coupled to a carbonaceous coating layer on the surface of a silicon particle, but a part of the conductive material body is spaced apart from the coating layer, so that a conductive network between the composite anode active materials can be formed, electrical short circuit can be prevented due to the formation of the conductive network, and life characteristics and resistance of the negative electrode are reduced.
본 발명의 복합 음극 활물질의 제조방법은, 볼밀 단계의 단일 공정을 통해서 상기 복합 음극 활물질을 제조할 수 있어, 제조 비용 및 시간을 단축하는 효과가 있다. The manufacturing method of the composite negative electrode active material of the present invention can manufacture the composite negative electrode active material through a single process of a ball mill step, and thus has an effect of reducing manufacturing cost and time.
도 1은 실시예 1에 따른 복합 음극 활물질의 SEM 사진이다.
도 2는 비교예 2에 따른 음극 활물질의 SEM 사진이다.
도 3은 비교예 3에 따른 음극 활물질의 SEM 사진이다. 1 is a SEM picture of a composite anode active material according to Example 1.
2 is a SEM picture of an anode active material according to Comparative Example 2.
3 is a SEM picture of an anode active material according to Comparative Example 3.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Terms used in this specification are only used to describe exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, terms such as "comprise", "comprise" or "having" are intended to indicate that there is an embodied feature, number, step, component, or combination thereof, but one or more other features or It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof is not precluded.
본 명세서에서 평균 입경(D50)은 입자의 입경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도 의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.In the present specification, the average particle diameter (D 50 ) may be defined as a particle diameter corresponding to 50% of the cumulative volume in the particle diameter distribution curve of the particles. The average particle diameter (D50) can be measured using, for example, a laser diffraction method. The laser diffraction method is generally capable of measuring particle diameters of several millimeters in the submicron region, and can obtain results with high reproducibility and high resolution.
이하 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<복합 음극 활물질><Composite anode active material>
본 발명은 복합 음극 활물질에 관한 것이다. 상기 복합 음극 활물질은 리튬 이차전지에 바람직하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a composite negative electrode active material. The composite anode active material may be preferably used in a lithium secondary battery.
본 발명의 복합 음극 활물질은, 실리콘(Si) 입자; 상기 실리콘 입자의 표면에 형성되고, 탄소질을 포함하는 코팅층; 및 선형의 도전재를 포함하고, LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함한다. The composite anode active material of the present invention includes silicon (Si) particles; a coating layer formed on the surface of the silicon particle and containing carbonaceous material; and a linear conductive material, including a Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase.
실리콘계 음극 활물질은 충방전에 따른 리튬의 삽입/탈리에 따라 부피 팽창/수축으로 인한 수명 퇴화가 문제된다. 특히, 실리콘계 활물질이 충방전으로 인해 부피 팽창/수축이 일어날 경우, 활물질 간의 거리 증가로 인해 전기적 접촉성이 저하되고 전기적 단락이 발생하게 되며, 이에 따라 전하의 이동 통로가 상실되고 리튬 이온이 고립되는 등으로 음극의 빠른 수명 퇴화와 용량 감소를 야기할 수 있다.The silicon-based negative electrode active material has a problem of lifespan deterioration due to volume expansion/contraction due to intercalation/desorption of lithium during charging and discharging. In particular, when the volume expansion / contraction of the silicon-based active material occurs due to charging and discharging, the electrical contact is deteriorated and an electrical short circuit occurs due to the increase in the distance between the active materials, resulting in loss of charge passage and isolation of lithium ions. etc. can cause rapid life degradation and capacity reduction of the negative electrode.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 복합 음극 활물질은 실리콘 입자 표면의 탄소질의 코팅층에, 선형의 도전재가 강하게 부착/결합되어 있다. 이에 따라 선형의 도전재가 복합 음극 활물질들 사이의 도전성 네트워크를 형성할 수 있다. In order to solve this problem, in the composite anode active material of the present invention, a linear conductive material is strongly attached/bonded to a carbonaceous coating layer on the surface of a silicon particle. Accordingly, the linear conductive material may form a conductive network between the composite anode active materials.
본 발명에 일 실시예에 따른 따른 복합 음극 활물질에 있어서, 상기 선형의 도전재는, 상기 코팅층에 부착되어 있되, 몸체의 일부분은 상기 코팅층과 이격되어 있다. 따라서, 복합 음극 활물질을 구성하는 실리콘 입자가 충방전으로 인해 부피 팽창하여 복합 음극 활물질간의 간격이 멀어지더라도, 코팅층과 이격된 선형의 도전재가 인접한 복합 음극 활물질에 접촉된 상태를 유지하여, 상기 도전재의 도전성 네트워크 형성으로 인해 전기적 단락이 방지될 수 있으며, 음극의 수명 특성 및 저항 저감 측면에서 바람직하다. In the composite negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, the linear conductive material is attached to the coating layer, but a part of the body is spaced apart from the coating layer. Therefore, even if the silicon particles constituting the composite anode active material expand in volume due to charging and discharging and the distance between the composite anode active materials increases, the linear conductive material spaced apart from the coating layer remains in contact with the adjacent composite anode active material, thereby maintaining the conductivity. Due to the formation of a conductive network of the ash, an electrical short circuit can be prevented, which is preferable in terms of lifespan characteristics and resistance reduction of the negative electrode.
또한, 복합 음극 활물질이, 탄소질을 포함하는 경우에, 비결정성 탄소에서 발생하는 비가역 용량과, 탄소질에 포함된 산소 성분으로 인해 발생하는 비가역 용량에 의해 초기 효율이 낮아지는 문제가 있는데, 본 발명에 따른 복합 음극 활물질은, 리튬이 함유된 물질을 첨가하여, LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함함에 따라, 초기 효율을 개선시키는 효과도 있다. In addition, when the composite negative active material includes carbonaceous, there is a problem in that the initial efficiency is lowered due to the irreversible capacity generated from amorphous carbon and the irreversible capacity generated due to the oxygen component included in the carbonaceous material. The composite anode active material according to the present invention includes a Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase by adding a material containing lithium, so that the initial It also has the effect of improving efficiency.
상기 실리콘 입자는, 리튬의 삽입/탈리가 가능한 것으로서, 복합 음극 활물질의 코어 입자로 기능할 수 있다. The silicon particles are capable of intercalating/deintercalating lithium, and may function as core particles of a composite anode active material.
상기 실리콘 입자는 LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함할 수 있고, 상기 LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상의 일부는 실리콘 입자의 내부에, 일부는 실리콘 입자의 표면에, 또한 일부는 실리콘 입자와 탄소질을 포함하는 코팅층의 사이에 분포하는 것일 수 있다. The silicon particles may include a Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase, and the Li x Si y O Z [x>0, y >0, 0≤z≤2(x+4y)] may be partly distributed inside the silicon particles, partly on the surface of the silicon particles, and partly between the silicon particles and the coating layer containing carbonaceous material. there is.
본 발명의 복합 음극 활물질은, 비가역상(예를 들면, SiO2)의 비율을 낮추어 활물질의 효율을 증가시키기 위한 측면에서, 그 제조 과정에서 리튬 원료물질을 투입하는데, 이에 따라 본 발명의 복합 음극 활물질은 LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함하게 되는 것이다. In order to increase the efficiency of the active material by lowering the proportion of the non-reversible phase (eg, SiO 2 ) in the composite anode active material of the present invention, a lithium raw material is added during the manufacturing process. Accordingly, the composite anode active material of the present invention is used. The active material includes a phase of Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)].
상기 실리콘 입자의 평균 입경(D50)은 충방전 시의 활물질의 구조적 안정을 기하고, 도전재와의 병용 시에 전기적 접촉성을 보다 잘 유지할 수 있고, 입경이 과도하게 커짐에 따라 부피 팽창/수축 수준도 커지는 문제를 방지하며, 입경이 과도하게 낮아 분산이 어려워져서, 균일한 두께의 전극을 만드는 이후 공정이 어려워지거나, 초기 효율이 감소하는 문제를 방지하는 측면에서 0.5㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. The average particle diameter (D 50 ) of the silicon particles ensures structural stability of the active material during charging and discharging, better maintains electrical contact when used in combination with a conductive material, and expands volume as the particle diameter becomes excessively large. 0.5 μm to 10 μm is preferable in terms of preventing the problem of increasing the level of shrinkage, and preventing the problem of excessively low particle diameter, making it difficult to disperse, making the process after making a uniform thickness electrode difficult, or reducing the initial efficiency. It may be 1 μm to 5 μm.
상기 실리콘 입자는, 복합 음극 활물질의 총 중량에 대하여, 50 중량% 내지 90 중량%, 바람직하게는 60 중량% 내지 90 중량%, 더욱 바람직하게는 65 중량% 내지 90 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에 있을 경우 음극의 용량 향상 측면에서 바람직하며, 후술하는 선형 도전재에 의해 형성되는 도전성 네트워크가 원활한 수준으로 형성될 수 있으므로, 활물질의 부피 팽창에 따른 전기적 단락 방지 및 수명 특성 향상에 바람직하다. The silicon particles may be included in an amount of 50 wt% to 90 wt%, preferably 60 wt% to 90 wt%, and more preferably 65 wt% to 90 wt%, based on the total weight of the composite anode active material. When it is within the above range, it is preferable in terms of improving the capacity of the negative electrode, and since the conductive network formed by the linear conductive material described later can be formed at a smooth level, it is preferable to prevent electrical short circuit due to volume expansion of the active material and improve lifespan characteristics. .
상기 탄소질을 포함하는 코팅층은, 상기 실리콘 입자 상에 형성되며, 상기 실리콘 입자의 충방전에 의한 부피 팽창/수축이 적절하게 제어되도록 하고, 상기 선형의 도전재를 실리콘 입자에 부착시켜 선형의 도전재와 복합화될 수 있도록 한다. The coating layer containing carbonaceous is formed on the silicon particles, so that the volume expansion / contraction due to charging and discharging of the silicon particles is appropriately controlled, and the linear conductive material is attached to the silicon particles to conduct linear conduction. allow it to be combined with the material.
본 발명에 있어서, "코팅층"은, 탄소 전구체가 후술하는 볼밀 단계에 의해, 변환된 탄소질 성분을 포함하는 부분으로, 실리콘 입자의 일부 또는 전부를 덮는 층을 의미하고, 상기 코팅을 "피복"의 의미로 한정해서는 아니된다. In the present invention, the "coating layer" is a portion containing a carbonaceous component converted by a ball mill step to be described later in a carbon precursor, and means a layer covering some or all of the silicon particles, and the coating is "covered". should not be limited to the meaning of
상기 코팅층은, 선형의 도전재, 탄소 전구체 및 리튬 원료물질을 혼합하고, 볼밀하여 형성된다. 이들 혼합물들을 볼밀하는 과정에서, 볼(Ball)들의 충돌에 의해 국소적으로 매우 높은 에너지가 발생하여, LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상이 형성되고, 탄소 전구체가 탄소질 코팅층을 형성하게 되며, 선형의 도전재가 상기 코팅층에 강하게 부착된다. The coating layer is formed by mixing and ball milling a linear conductive material, a carbon precursor, and a lithium raw material. In the process of ball milling these mixtures, a very high energy is generated locally by the collision of balls, so that Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y )] phase is formed, the carbon precursor forms a carbonaceous coating layer, and the linear conductive material is strongly attached to the coating layer.
상기 코팅층은, 상기 복합 음극 활물질 총 중량에 대하여, 2 중량% 내지 30 중량%, 바람직하게는 3.5 중량% 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 범위일 때, 도전재의 몸체의 일부분이 상기 코팅층과 이격되면서도, 도전재를 코팅층에 충분히 부착시킬 수 있어 바람직하다. The coating layer may be included in an amount of 2 wt% to 30 wt%, preferably 3.5 wt% to 20 wt%, and more preferably 5 wt% to 10 wt%, based on the total weight of the composite negative electrode active material. When , it is preferable that the conductive material can be sufficiently attached to the coating layer while a part of the body of the conductive material is spaced apart from the coating layer.
상기 코팅층은 상기 실리콘 입자 표면의 전부를 덮을 수도 있으나, 섬(island) 형태와 같이 실리콘 입자의 일부분을 덮는 구조일 수도 있다. The coating layer may cover the entire surface of the silicon particle, or may have a structure covering a portion of the silicon particle, such as an island shape.
상기 도전재는, 선형의 도전재로서, 상기 코팅층에 부착되어 있되, 상기 도전재 몸체의 일부분은 상기 코팅층과 이격되어 있다. 상기 도전재 몸체의 일부분은 상기 코팅층과 이격되어 있고, 상기 도전재 몸체의 타부분은 상기 코팅층에 부착 또는 흡착되어 있을 수 있다. The conductive material is a linear conductive material and is attached to the coating layer, but a part of the conductive material body is spaced apart from the coating layer. A part of the conductive material body may be spaced apart from the coating layer, and another part of the conductive material body may be attached to or adsorbed to the coating layer.
여기서, 선형의 도전재란, 종횡비(aspect ratio, 장축의 길이/단축의 길이)가 10 이상을 가지는, 도전재를 의미하고, 구체적으로 상기 선형의 도전재는, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 혼합 물질일 수 있고, 바람직하게는 기상법 탄소 섬유(vapor grown carbon fiber, VGCF) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 혼합 물질일 수 있다. Here, the linear conductive material means a conductive material having an aspect ratio (long axis length/short axis length) of 10 or more. Specifically, the linear conductive material is made of carbon nanotubes and carbon nanofibers. It may be one or a mixture of two materials selected from the group, preferably a mixture of one or two materials selected from the group consisting of vapor grown carbon fiber (VGCF) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). can be material.
탄소나노튜브는, 합성방법에 따라 다른 형태의 탄소나노튜브가 형성되며, 흑연판이 말린 겹수에 따라 단일벽(single walled; SW), 이중벽(double walled: DW), 다중벽 탄소나노튜브(multi walled carbon nanotube; MWNT)로 분류된다. 단일벽 탄소나노튜브는 단순히 흑연판 한 층을 말아 놓은 구조로 직경은 0.5~3 nm이며 이중벽 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 두 층이 동심축을 이룬형태로 직경이 1.4~3 nm에 이른다. 다중벽 탄소나노튜브는 벽수가 3~15겹의 층을 이루며 직경은 5~100 nm에 이른다.Carbon nanotubes are formed in different shapes depending on the synthesis method, and depending on the number of layers of the graphite plate rolled, single walled (SW), double walled (DW), and multi walled carbon nanotubes carbon nanotube; MWNT). Single-walled carbon nanotubes are simply a rolled graphite layer with a diameter of 0.5 to 3 nm, and double-walled carbon nanotubes are two concentric single-walled carbon nanotubes with a diameter of 1.4 to 3 nm. Multi-walled carbon nanotubes have 3 to 15 layers of walls and have a diameter of 5 to 100 nm.
다중벽 탄소나노튜브와 기상법 탄소 섬유는 직경이 커서, 중량당 표면적이 작은 단점이 있지만, 격렬한 믹싱(Mixing) 후에도, 직선 형태를 유지할 수 있어, 전극막 사이의 수십 마이크로미터 단위의 긴 거리를 연결하여 전극막의 전체적인 전도성이 향상되는 장점이 있고, 다중벽 탄소나노튜브는 기상법 탄소 섬유보다 표면적이 넓고 쉽게 구부러지는 성질이 있어서, 복합 음극 활물질 표면을 덮기 용이하여 실리콘계 음극 활물질의 단점인 낮은 도전성을 보완할 수 있다. Multi-walled carbon nanotubes and gas-phase carbon fibers have the disadvantage of having a small surface area per weight due to their large diameter, but they can maintain a straight shape even after vigorous mixing, connecting long distances of several tens of micrometers between electrode films. This has the advantage of improving the overall conductivity of the electrode film, and multi-walled carbon nanotubes have a larger surface area than vapor-processed carbon fibers and are easily bendable, so it is easy to cover the surface of the composite anode active material, making up for the low conductivity, which is a disadvantage of silicon-based anode active materials. can do.
본 발명의 복합 음극 활물질에 있어서, 상기 선형의 도전재 몸체의 일부분은 상기 코팅층과 이격되어 외부로 노출되어 있으며, 상기 외부로 노출된 도전재 몸체의 일부분은, 도전재가 갖는 긴 섬유 길이, 유연성으로 인해 복합 음극 활물질 간의 전기적 접촉을 돕는 도전성 네트워크를 형성할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 복합 음극 활물질은 음극 내에서 활물질들이 충방전으로 인해 부피 팽창하더라도, 길이가 긴 도전재가 전기적 접촉을 안정적으로 유지시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 복합 음극 활물질은 활물질의 부피 팽창으로 인한 전기적 단락 발생, 이에 따른 활물질의 빠른 수명 퇴화를 효과적으로 방지하고, 음극의 수명 특성을 향상시킬 수 있고, 길이가 긴 도전재로 인한 활물질간의 전기적 접촉의 원활한 유지로 인해 저항 저감 및 효율 향상 측면에서도 바람직하다. In the composite anode active material of the present invention, a portion of the linear conductive material body is spaced apart from the coating layer and exposed to the outside, and the portion of the conductive material body exposed to the outside has a long fiber length and flexibility of the conductive material. As a result, a conductive network that helps electrical contact between the composite anode active materials can be formed. Accordingly, in the composite anode active material of the present invention, even if the active materials expand in volume due to charging and discharging in the anode, the long conductive material can stably maintain electrical contact. Therefore, the composite anode active material of the present invention can effectively prevent the occurrence of an electrical short due to the volume expansion of the active material and the rapid deterioration of the lifespan of the active material, improve the lifespan characteristics of the anode, and prevent electrical short-circuiting between the active materials due to the long conductive material. Due to the smooth maintenance of the contact, it is also desirable in terms of reducing resistance and improving efficiency.
또한 본 발명의 복합 음극 활물질은, 선형의 도전재가 상기 코팅층에 부착되어 있으므로, 단순히 활물질과 도전재를 혼합한 경우와 대비해 도전재가 활물질들 간에 균일하게 배치될 수 있으며, 음극 내에서 균일하고 안정적인 도전 네트워크를 형성할 수 있다. In addition, in the composite anode active material of the present invention, since the linear conductive material is attached to the coating layer, the conductive material can be uniformly distributed among the active materials, compared to a case where the active material and the conductive material are simply mixed, and the conductive material can be uniformly and stably conductive in the negative electrode. network can be formed.
상기 선형의 도전재의 장축 방향의 평균 길이는, 1㎛ 이상, 보다 바람직하게는 3 내지 30㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 15㎛ 이다. 상기 범위에 있을 때에, 활물질들 간의 전도성 네트워크를 원활하게 유지시켜 줄 수 있어 바람직하다.The average length of the linear conductive material in the major axis direction is 1 µm or more, more preferably 3 to 30 µm, still more preferably 5 to 15 µm. When in the above range, it is preferable to smoothly maintain a conductive network between active materials.
상기 선형의 도전재의 평균 길이는 다음과 같은 방법으로 측정할 수 있다. 도전재와 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 40:60의 중량비로 물에 첨가한 용액(고형분 함량은 용액 전체 중량을 기준으로 1중량%)을 물에 1,000배 희석시킨다. 이후, 상기 희석 용액 20ml을 필터에 필터링하고, 상기 도전재가 걸러진 필터를 건조한다. 상기 건조된 필터를 주사전자현미경(SEM)으로 100장 촬영하고 imageJ 프로그램을 이용하여 도전재 길이를 측정하고, 상기 길이의 평균값을 도전재의 평균 길이로 정의한다.The average length of the linear conductive material can be measured in the following way. A solution in which a conductive material and carboxymethylcellulose (CMC) are added to water in a weight ratio of 40:60 (solid content is 1% by weight based on the total weight of the solution) is diluted 1,000 times with water. Thereafter, 20 ml of the diluted solution is filtered through a filter, and the filter through which the conductive material is filtered is dried. 100 pictures of the dried filter are taken with a scanning electron microscope (SEM), the length of the conductive material is measured using the imageJ program, and the average value of the lengths is defined as the average length of the conductive material.
상기 선형의 도전재의 평균 직경은, 1 nm 내지 100 nm, 바람직하게는 3 nm 내지 50 nm일 수 있다. 상기 선형의 도전재의 평균 직경이 상기 범위에 있을 때에, 도전재의 끊어짐 방지 및 유연성 확보 측면에서 바람직하다. The average diameter of the linear conductive material may be 1 nm to 100 nm, preferably 3 nm to 50 nm. When the average diameter of the linear conductive material is within the above range, it is preferable in terms of preventing breakage of the conductive material and ensuring flexibility.
상기 선형의 도전재의 평균 직경은 다음과 같은 방법으로 측정할 수 있다. 도전재와 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 40:60의 중량비로 물에 첨가한 용액(고형분 함량은 용액 전체 중량을 기준으로 1중량%)을 물에 1,000배 희석시킨다. 상기 희석 용액을 TEM 그리드에 1 방울 떨어뜨리고, TEM 그리드를 건조시킨다. 상기 건조된 TEM 그리드를 TEM 장비(제품명: H7650, 제조사: Hitachi)로 관찰하여 상기 도전재의 평균 직경을 측정한다. The average diameter of the linear conductive material can be measured in the following way. A solution in which a conductive material and carboxymethylcellulose (CMC) are added to water in a weight ratio of 40:60 (solid content is 1% by weight based on the total weight of the solution) is diluted 1,000 times with water. One drop of the diluted solution is applied to the TEM grid, and the TEM grid is dried. The dried TEM grid is observed with a TEM device (product name: H7650, manufacturer: Hitachi) to measure the average diameter of the conductive material.
상기 선형의 도전재의 평균 길이: 평균 직경의 비율은, 구체적으로 60:1 이상일 수 있고, 100:1 내지 500:1; 1500:1 내지 5,000:1일 수 있으며, 상기 범위에 있을 때 도전재가 높은 전도성을 갖고, 끊어짐 현상이 방지되며 유연성을 향상시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다.The ratio of the average length of the linear conductive material to the average diameter may be, specifically, 60:1 or more, 100:1 to 500:1; It may be 1500: 1 to 5,000: 1, and when the conductive material is in the above range, it is preferable in terms of having high conductivity, preventing breakage, and improving flexibility.
상기 선형의 도전재는 상기 복합 음극 활물질의 총 중량에 대하여, 2 중량% 내지 30 중량%, 바람직하게는 3.5 중량% 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 범위에 있을 때 도전성 네트워크의 형성을 균일하게 형성하면서도, 활물질이 응집되는 현상을 방지할 수 있다. The linear conductive material may be included in an amount of 2 wt% to 30 wt%, preferably 3.5 wt% to 20 wt%, and more preferably 5 wt% to 10 wt%, based on the total weight of the composite anode active material, When it is within the above range, it is possible to prevent aggregation of the active material while uniformly forming a conductive network.
<복합 음극 활물질의 제조방법><Method of manufacturing composite anode active material>
또한, 본 발명은 전술한 복합 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for preparing the composite anode active material described above.
구체적으로, 본 발명의 복합 음극 활물질의 제조방법은, 실리콘, 탄소 전구체, 리튬 원료물질 및 선형의 도전재를 용기에 넣는 투입 단계; 및 상기 용기에 있는 혼합물을 볼밀하는 볼밀 단계를 포함하고, 상기 볼밀 단계는, 볼밀에 의해 탄소 전구체를 탄소질로 전환시켜 탄소질을 포함하는 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층에 상기 도전재가 부착되도록 하는 것을 특징으로 한다. Specifically, the manufacturing method of the composite anode active material of the present invention includes the steps of putting silicon, a carbon precursor, a lithium raw material, and a linear conductive material into a container; And a ball milling step of ball milling the mixture in the container, wherein the ball milling step converts the carbon precursor into carbonaceous by a ball mill to form a coating layer containing carbonaceous, and attaching the conductive material to the coating layer. to be characterized
본 발명의 복합 음극 활물질의 제조방법에 따르면, 단일 공정으로 LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함하고, 실리콘 입자 상에 탄소질을 포함하는 코팅층이 형성된 형태의 복합 음극 활물질이 제조될 수 있다.According to the manufacturing method of the composite negative electrode active material of the present invention, a single process includes a Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase, and on silicon particles A composite negative electrode active material in which a coating layer containing carbonaceous material is formed may be prepared.
또한 상기 제조방법에 따르면, 상기 선형의 도전재가 상기 코팅층에 부착되되, 상기 선형의 도전재 몸체의 일부분이 코칭층과 이격되어 복합 음극 활물질 외부에 노출될 수 있다. 외부에 노출된 도전재 몸체의 일부분은 복합 음극 활물질 간의 전기적 접촉성을 향상시키는 도전성 네트워크를 형성할 수 있다. 상기 코팅층에 이격되지 않은 도전재 몸체의 타부분은 상기 코팅층에 부착 및 고정될 수 있으므로, 복합 음극 활물질 간의 도전성 네트워크가 보다 안정적이고 균일한 수준으로 존재하도록 할 수 있다. 이에 따라 실리콘 입자를 활물질로 사용함에 따른 부피 팽창 문제, 이로 인한 전기적 단락과 수명 저하 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. Also, according to the manufacturing method, the linear conductive material may be attached to the coating layer, and a part of the linear conductive material body may be spaced apart from the coaching layer and exposed to the outside of the composite anode active material. A portion of the conductive material body exposed to the outside may form a conductive network that improves electrical contact between the composite anode active materials. Since the other portion of the conductive material body that is not spaced apart from the coating layer may be attached to and fixed to the coating layer, a conductive network between composite anode active materials may exist at a more stable and uniform level. Accordingly, it is possible to effectively prevent the problem of volume expansion due to the use of silicon particles as an active material, and the resulting electrical short circuit and reduction in lifespan.
본 발명의 복합 음극 활물질의 제조방법은, 실리콘, 탄소 전구체, 리튬 원료물질 및 선형의 도전재를 용기에 넣는 투입 단계를 포함한다. The manufacturing method of the composite negative electrode active material of the present invention includes a step of putting silicon, a carbon precursor, a lithium raw material, and a linear conductive material into a container.
이때, 상기 실리콘은 50 내지 90 중량부, 바람직하게는 60 내지 90 중량부, 더욱 바람직하게는 65 내지 90 중량부로 투입될 수 있다. In this case, the silicon may be added in an amount of 50 to 90 parts by weight, preferably 60 to 90 parts by weight, and more preferably 65 to 90 parts by weight.
상기 탄소 전구체는 3 내지 10 중량부, 바람직하게는 4 내지 8 중량부, 더욱 바람직하게는 4.5 내지 7.5 중량부로 투입될 수 있다. The carbon precursor may be added in an amount of 3 to 10 parts by weight, preferably 4 to 8 parts by weight, and more preferably 4.5 to 7.5 parts by weight.
상기 리튬 원료물질은 3 내지 20 중량부, 바람직하게는 도전재는 5 내지 15 중량부, 더욱 바람직하게는 7 내지 12 중량부로 투입될 수 있다.The lithium raw material may be added at 3 to 20 parts by weight, preferably at 5 to 15 parts by weight, and more preferably at 7 to 12 parts by weight of the conductive material.
상기 선형의 도전재는, 5 내지 30 중량부, 바람직하게는 6 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게는 7 내지 15 중량부로 투입될 수 있다. 상기 선형의 도전재는, 상기 볼밀 단계에서, 볼(Ball)들의 충돌에 의해 국소적으로 매우 높은 에너지가 발생하여, 탄소질 층에 강하게 부착된다. 상기 선형의 도전재의 장축 방향의 평균 길이는, 1㎛ 이상, 보다 바람직하게는 3 내지 30㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 15㎛일 수 있으며, 상기 볼밀 단계에서 상기 선형의 도전재의 일부는 분쇄되어 그 길이가 짧아질 수 있으므로, 이를 감안하여, 상기 원료 투입 단계에서 투입되는 선형의 도전재의 장축 방향의 평균 길이는 5㎛ 이상인 것을 투입하는 것이 바람직하다. The linear conductive material may be added in an amount of 5 to 30 parts by weight, preferably 6 to 20 parts by weight, and more preferably 7 to 15 parts by weight. In the ball mill step, the linear conductive material is strongly attached to the carbonaceous layer by locally generating very high energy due to collision of balls. The average length of the linear conductive material in the long axis direction may be 1 μm or more, more preferably 3 to 30 μm, and even more preferably 5 to 15 μm, and in the ball mill step, a part of the linear conductive material is pulverized Since the length may be shortened, in consideration of this, it is preferable to insert those having an average length of 5 μm or more in the long axis direction of the linear conductive material introduced in the raw material input step.
상기 탄소 전구체는, 볼밀 과정을 통해 실리콘 입자의 일부 또는 전부에 탄소질을 포함하는 코팅층을 형성시키기 위한 것으로, 상세하게는 글루코스(glucose), 수크로오스(Sucrose), 아라비아 고무(Gum Arabic), 타닌산(Tannic acid), 리그노술폰산염(lignosulfonate), 폴리아로마틱산화물(poly-aromtic oxide)을 포함하는 방향족 물질 산화물, 당류 및 폴리페놀, 석탄계 피치, 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 글루코스(glucose), 수크로오스(Sucrose)일 수 있다. The carbon precursor is for forming a coating layer containing carbonaceous on some or all of the silicon particles through a ball mill process, and specifically, glucose, sucrose, gum Arabic, tannic acid ( tannic acid), lignosulfonate, aromatic substance oxides including poly-aromatic oxide, sugars and polyphenols, coal-based pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch , may be at least one selected from the group consisting of furan resin and polyimide resin, preferably glucose and sucrose.
상기 리튬 원료물질은 비가역상(예를 들면, SiO2)의 비율을 낮추어 활물질의 효율을 증가시키기 위한 측면에서 투입되는데, 볼밀 과정 중 볼들의 충격 에너지에 의해 반응하여 LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상의 물질이 형성된다. The lithium raw material is added in order to increase the efficiency of the active material by lowering the ratio of the non-reversible phase (eg, SiO 2 ), and reacts by the impact energy of the balls during the ball mill process to form Li x Si y O Z [x >0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase material is formed.
상기 리튬 원료물질은 리튬메탈, 리튬산화물(Li2O, LiO2, Li2O2), 리튬수산화물(LiOH), 리튬카보네이트(Li2CO3) 및 리튬염화물(LiCl)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 바람직하게는 리튬산화물(Li2O, LiO2, Li2O2)일 수 있다. The lithium raw material is 1 selected from the group consisting of lithium metal, lithium oxide (Li 2 O, LiO 2 , Li 2 O 2 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and lithium chloride (LiCl). It may be species or a mixture of two or more species, preferably lithium oxide (Li 2 O, LiO 2 , Li 2 O 2 ).
상기 실리콘 입자 및 도전재의 종류, 특징 등은 전술하였다. The types and characteristics of the silicon particles and conductive material have been described above.
본 발명의 복합 음극 활물질의 제조방법은, 상기 실리콘, 탄소 전구체, 리튬 원료물질 및 선형의 도전재의 혼합 물질들을 볼밀하는 단일 공정을 통해, 도전성 네트워크 형성을 위한 선형의 도전재를 코팅층에 부착시킬 수 있고, 이에 따라 실리콘 입자를 활물질로 사용함에 따른 부피 팽창 문제, 이로 인한 전기적 단락과 수명 저하 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 상기 볼밀 단계 외에 별도의 열처리 단계를 거치지 않아도 되므로, 제조 단가를 감축할 수 있는 이점이 있다. In the manufacturing method of the composite anode active material of the present invention, a linear conductive material for forming a conductive network can be attached to the coating layer through a single process of ball milling the mixed materials of the silicon, carbon precursor, lithium raw material, and linear conductive material. Accordingly, it is possible to effectively prevent the volume expansion problem due to the use of silicon particles as an active material, and the resulting electrical short circuit and lifespan reduction problems. In addition, since there is no need to go through a separate heat treatment step in addition to the ball mill step, there is an advantage in that the manufacturing cost can be reduced.
상기 투입 단계에 따라, 용기 내에 실리콘, 탄소 전구체, 리튬 원료물질 및 도전재가 투입되면, 상기 용기에 직경 0.5 내지 10mm의 볼을 넣고, 불활성 가스로 용기 내부를 충전할 수 있고, 볼밀 단계는 불활성 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다. 상기 볼은 지르코니아 볼을 사용할 수 있다. According to the input step, when silicon, carbon precursor, lithium raw material and conductive material are put into the container, a ball having a diameter of 0.5 to 10 mm may be put into the container, and the inside of the container may be filled with an inert gas, and the ball mill step may be performed with an inert gas It can be performed under an atmosphere. As the ball, a zirconia ball may be used.
상기 볼밀을 불활성 분위기 하에서 진행하는 이유는 실리콘 및 탄소 전구체와 산소와의 접촉을 차단시켜, 실리콘 표면에 실리카가 형성되는 것을 방지하고, 탄소가 산화되어 탄소산화물이 생성되는 것을 방지하기 위함이다. 불활성 분위기는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스, 크립톤 가스 또는 크세논 가스 등을 이용하는 것이 바람직하다.The reason why the ball mill is performed under an inert atmosphere is to block contact between silicon and carbon precursors and oxygen, to prevent formation of silica on the surface of silicon, and to prevent oxidation of carbon to produce carbon oxides. As the inert atmosphere, nitrogen gas, argon gas, helium gas, krypton gas, or xenon gas is preferably used.
하나의 구체적 예에서, 플래내터리 믹서(Planetary mixer)를 이용하여 볼밀 단계를 수행할 수 있다. In one specific example, the ball mill step may be performed using a planetary mixer.
상기 볼밀 단계에 있어서, BPR(Ball-to-Powder weight Ratio)은 1:1 내지 내지 10:1, 바람직하게는 2:1 내지 10:1, 더욱 바람직하게는 3:1 내지 8:1일 수 있다. In the ball mill step, the ball-to-powder weight ratio (BPR) may be 1:1 to 10:1, preferably 2:1 to 10:1, and more preferably 3:1 to 8:1. there is.
또한 상기 볼밀 단계에서의 회전속도는 50rpm 내지 500rpm, 바람직하게는 60rpm 내지 300rpm, 더욱 바람직하게는 75rpm 내지 200rpm일 수 있다.In addition, the rotational speed in the ball mill step may be 50 rpm to 500 rpm, preferably 60 rpm to 300 rpm, and more preferably 75 rpm to 200 rpm.
또한, 상기 볼밀을 수행하는 시간은, 1시간 내지 36시간, 바람직하게는 2시간 시간 내지 24시간, 더욱 바람직하게는 3시간 내지 12시간일 수 있다. In addition, the time for performing the ball mill may be 1 hour to 36 hours, preferably 2 hours to 24 hours, more preferably 3 hours to 12 hours.
<음극><cathode>
또한, 본 발명은 전술한 복합 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다.In addition, the present invention provides an anode including the composite anode active material described above.
구체적으로, 본 발명의 음극은 음극 집전체; 상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 음극재, 바인더 및 도전재를 포함하며, 상기 음극재는 전술한 복합 음극 활물질을 포함한다.Specifically, the negative electrode of the present invention is a negative electrode current collector; An anode active material layer formed on the anode current collector is included, the anode active material layer includes an anode material, a binder, and a conductive material, and the anode material includes the composite anode active material described above.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로 상기 음극 집전체는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The anode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. Specifically, the negative electrode current collector may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, aluminum-cadmium alloy, and the like. there is.
상기 음극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다.The negative current collector may typically have a thickness of 3 to 500 μm.
상기 음극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 상기 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector may form fine irregularities on the surface to enhance bonding strength of the negative electrode active material. For example, the negative current collector may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous material, foam, or non-woven fabric.
상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상에 형성된다.The anode active material layer is formed on the anode current collector.
상기 음극 활물질층은 음극재 및 바인더를 포함할 수 있으며, 상기 음극재는 전술한 복합 음극 활물질을 포함한다.The anode active material layer may include an anode material and a binder, and the anode material includes the aforementioned composite anode active material.
상기 복합 음극 활물질은 음극 내에 포함되어 우수한 용량 특성을 발휘할 수 있으며, 이에 포함되는 도전재에 의해 음극의 수명 특성 향상에 기여할 있고, LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상으로 인해 전지의 초기 효율이 향상된다. The composite negative electrode active material can be included in the negative electrode and exhibit excellent capacity characteristics, and can contribute to improving the lifespan characteristics of the negative electrode by the conductive material included therein, and Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤ z≤2(x+4y)] phase improves the initial efficiency of the battery.
상기 복합 음극 활물질의 설명은 전술하였다.The composite anode active material has been described above.
상기 음극재는 전술한 복합 음극 활물질과 함께, 탄소계 활물질을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 충방전에 따른 부피 팽창 정도가 낮은 탄소계 활물질에 의해 전체 음극재의 부피 팽창 정도를 낮출 수 있고, 상기 복합 음극 활물질 내의 선형의 도전재로 인한 도전성 네트워크가 탄소계 활물질을 감싸도록 할 수 있어 저항 및 효율 개선에 더욱 바람직하다.The anode material may further include a carbon-based active material together with the composite anode active material described above, and thus the degree of volume expansion of the entire anode material may be lowered by the carbon-based active material having a low degree of volume expansion during charging and discharging. The conductive network due to the linear conductive material in the negative electrode active material can surround the carbon-based active material, which is more desirable for improving resistance and efficiency.
상기 탄소계 활물질은 인조 흑연, 천연 흑연, 하드카본, 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀 및 섬유상 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 인조 흑연 및 천연 흑연으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.The carbon-based active material may include at least one selected from the group consisting of artificial graphite, natural graphite, hard carbon, soft carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, super P, graphene, and fibrous carbon, preferably Preferably, it may include at least one selected from the group consisting of artificial graphite and natural graphite.
상기 탄소계 활물질의 평균 입경(D50)은 충방전 시에 구조적 안정성을 기하고 전해액과의 부반응을 줄이는 측면에서 5㎛ 내지 35㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 20㎛일 수 있다.The average particle diameter (D 50 ) of the carbon-based active material may be 5 μm to 35 μm, preferably 10 μm to 20 μm, in terms of structural stability during charging and discharging and reducing side reactions with the electrolyte.
구체적으로, 상기 음극재는 용량 특성 및 사이클 특성을 동시에 개선시키는 측면에서 상기 복합 음극 활물질과 상기 탄소계 활물질을 모두 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 음극재는 상기 복합 음극 활물질 및 상기 탄소 계 활물질을 5:95 내지 30:70의 중량비, 바람직하게는 10:90 내지 20:80의 중량비로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 범위일 때 용량 및 사이클 특성의 동시 향상 측면에서 바람직하다.Specifically, the negative electrode material preferably uses both the composite negative active material and the carbon-based active material in terms of simultaneously improving capacity characteristics and cycle characteristics. : 95 to 30:70 in weight ratio, preferably 10:90 to 20:80 is preferably included. When the above range is preferred in terms of simultaneous improvement of capacity and cycle characteristics.
상기 음극재는 음극 활물질층 내에 80중량% 내지 99중량%, 바람직하게는 90중량% 내지 98.5중량%로 상기 음극 활물질층에 포함될 수 있다.The negative electrode material may be included in the negative electrode active material layer in an amount of 80% to 99% by weight, preferably 90% to 98.5% by weight in the negative electrode active material layer.
상기 음극 활물질층은 바인더를 포함한다.The negative active material layer includes a binder.
상기 바인더는 전극 접착력을 더욱 향상시키고 활물질의 부피 팽창/ 수축에 충분한 저항력을 부여할 수 있다는 측면에서, 스티렌부타디엔 고무(SBR: styrene butadiene rubber), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(acrylonitrile butadiene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 플루 오르 고무(fluoro rubber), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산(PAA: polyacrylic acid), 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol), 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile) 및 폴리아크 릴 아미드(PAM: polyacryl amide)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 바인더는 높은 강도를 가지며, 실리콘계 음극 활물질의 부피 팽창/수축에 대한 우수한 저항성을 가지고, 우수한 유연성을 바인더에 부여하 여 전극의 뒤틀림, 휘어짐 등을 방지할 수 있다는 측면에서 폴리아크릴산을 포함하는 것이 바람직하다.In terms of further improving electrode adhesion and imparting sufficient resistance to volume expansion/contraction of the active material, the binder is styrene butadiene rubber (SBR), acrylonitrile butadiene rubber, and acrylic rubber (acrylic rubber), butyl rubber, fluoro rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl alcohol (PVA) , polyacrylic acid (PAA), polyethylene glycol (PEG: polyethylene glycol), polyacrylonitrile (PAN: polyacrylonitrile), and polyacrylamide (PAM: polyacryl amide). can Preferably, the binder has high strength, has excellent resistance to volume expansion / contraction of the silicon-based negative electrode active material, and provides excellent flexibility to the binder to prevent distortion and bending of the electrode. It is preferable to include
상기 바인더는 음극 활물질층 내에 0.5중량% 내지 10중량로 포함될 수 있으며, 상기 범위에 있을 때 활물질의 부피 팽창을 보다 효과적으로 제어할 수 있다는 측면에서 바람직하다.The binder may be included in an amount of 0.5% to 10% by weight in the negative electrode active material layer, and when it is within the above range, it is preferable in terms of more effectively controlling the volume expansion of the active material.
필요에 따라, 상기 음극 활물질층은 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 음극에 도전성을 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이 좋다. 구체적으로 상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 도전성 섬유, 플루오로카본, 알루미늄 분말, 니켈 분말, 산 화아연, 티탄산 칼륨, 산화 티탄 및 폴리페닐렌 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종일 수 있으며, 바람직하게는 높은 도전성을 구현하기 위한 측면에서 카 본 블랙을 포함할 수 있다.If necessary, the negative electrode active material layer may further include a conductive material. The conductive material may be used to improve the conductivity of the negative electrode, and preferably has conductivity without causing chemical change. Specifically, the conductive material is natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, thermal black, conductive fiber, fluorocarbon, aluminum powder, nickel powder, zinc oxide, It may be at least one selected from the group consisting of potassium titanate, titanium oxide, and polyphenylene derivatives, and may preferably include carbon black in order to realize high conductivity.
상기 도전재는 상기 음극 활물질층 내에 0.5중량% 내지 10중량로 포함될 수 있다.The conductive material may be included in an amount of 0.5% to 10% by weight in the negative electrode active material layer.
상기 음극 활물질층은 상술한 선형의 도전재 등으로 인해 음극재의 성분들에 대한 전기적 접촉성을 높이기 위한 측면에서 30㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 40㎛ 내지 80㎛일 수 있다.The negative electrode active material layer may have a thickness of 30 μm to 100 μm, preferably 40 μm to 80 μm, in order to increase electrical contact with components of the negative electrode material due to the aforementioned linear conductive material.
상기 음극은 상기 음극 집전체 상에 음극재, 바인더 및 도전재를 음극 슬러리 형성용 용매에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하고, 상기 음극 슬러리를 상기 음극 집전체 상에 코팅한 다음, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The negative electrode is prepared by dispersing an anode material, a binder, and a conductive material on the negative electrode current collector in a solvent for forming the negative electrode slurry to prepare a negative electrode slurry, coating the negative electrode slurry on the negative electrode current collector, and then drying and rolling It can be.
상기 음극 슬러리 형성용 용매는 성분들의 분산을 용이하게 하는 측면에서, 증류수, 에탄올, 메탄올 및 이소프로필 알코올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 증류수를 포함할 수 있다.The solvent for forming the anode slurry may include at least one selected from the group consisting of distilled water, ethanol, methanol, and isopropyl alcohol, preferably distilled water, in order to facilitate dispersion of components.
<이차전지><Secondary Battery>
본 발명은 전술한 음극을 포함하는 이차전지, 구체적으로는 리튬 이 차전지를 제공한다.The present invention provides a secondary battery, specifically a lithium secondary battery, including the negative electrode described above.
구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지는 전술한 음극; 상기 음극에 대향하는 양극; 상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함한다.Specifically, the secondary battery according to the present invention includes the aforementioned negative electrode; an anode facing the cathode; a separator interposed between the cathode and the anode; and electrolytes.
상기 양극은 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 형성되는 양극 활 물질층을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a positive electrode current collector; A cathode active material layer formed on the cathode current collector may be included.
상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로 상기 음극 집전체는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The positive current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. Specifically, the negative electrode current collector may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like. there is.
상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다.The cathode current collector may typically have a thickness of 3 to 500 μm.
상기 양극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 상기 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The positive electrode current collector may form fine irregularities on the surface to enhance bonding strength of the negative electrode active material. For example, the negative current collector may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous material, foam, or non-woven fabric.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함할 수 있다.The cathode active material layer may include a cathode active material.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄으로 이루어진 적어도 1종의 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 복합 산화물, 바람직하게는 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이 금속 복합 산화물을 포함할 수 있다.The cathode active material is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, and specifically, a lithium transition metal composite oxide containing lithium and at least one transition metal composed of nickel, cobalt, manganese, and aluminum, Preferably, a transition metal including nickel, cobalt, and manganese and a lithium transition metal composite oxide including lithium may be included.
보다 구체적으로, 상기 리튬 전이금속 복합 산화물로는 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2-zNizO4(여기에서, 0<Z<2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(여기에서, 0<Y1<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(여기에서, 0<Y2<1), LiMn2-z1Coz1O4(여기에서, 0<Z1<2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NipCoqMnr1)O2(여기에서, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1) 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(여기에서, 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M)산화물 (예를 들면, Li(Nip2Coq2Mnr3MS2)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, p2, q2, r3 및 s2는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0<p2<1, 0<q2<1, 0<r3<1, 0<s2<1, p2+q2+r3+s2=1이다)등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다. 이중에서도 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 상기 리튬 전이금속 복합 산화물은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, 리튬 니켈-망간-코발트 산화물(예를 들면, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2 또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등), 또는 리튬 니켈코발트알루미늄 산화물(예를 들면, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2 등) 등일 수 있으며, 리튬 전이금속 복합 산화물을 형성하는 구성원소의 종류 및 함량비 제어에 따른 개선 효과의 현저함을 고려할 때 상기 리튬 전이금속 복합 산화물은 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2 또는 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.More specifically, the lithium transition metal composite oxide includes lithium-manganese oxide (eg, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.), lithium-cobalt oxide (eg, LiCoO 2 , etc.), lithium-nickel based oxides (eg, LiNiO 2 , etc.), lithium-nickel-manganese based oxides (eg, LiNi 1-Y Mn Y O 2 (where 0<Y<1), LiMn 2-z Ni z O 4 (here, 0<Z<2), etc.), lithium-nickel-cobalt-based oxide (eg, LiNi 1-Y1 Co Y1 O 2 (here, 0<Y1<1), etc.), lithium-manganese -Cobalt-based oxides (eg, LiCo 1-Y2 Mn Y2 O 2 (where 0<Y2<1), LiMn 2-z1 Co z1 O 4 (where 0<Z1<2), etc.), lithium -Nickel-manganese-cobalt-based oxide (eg, Li(Ni p Co q Mn r1 ) O 2 (here, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+ r1=1) or Li(Ni p1 Co q1 Mn r2 )O 4 (where 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2), etc.), or Lithium-nickel-cobalt-transition metal (M) oxide (e.g., Li(Ni p2 Co q2 Mn r3 M S2 )O 2 where M is Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg and It is selected from the group consisting of Mo, and p2, q2, r3 and s2 are atomic fractions of independent elements, respectively, 0 <p2 <1, 0 <q2 <1, 0 <r3 <1, 0 <s2 <1, p2 +q2+r3+s2=1) and the like) and the like, and any one or two or more of these compounds may be included. Among them, in that the capacity characteristics and stability of the battery can be improved, the lithium transition metal composite oxide is LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , lithium nickel-manganese-cobalt oxide (eg, Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 )O 2 or Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 , etc.), or lithium nickel cobalt aluminum oxide (eg For example, it may be Li (Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 ) O 2 , etc.), and considering the remarkable effect of improving the type and content ratio control of the constituent elements forming the lithium transition metal composite oxide, the lithium transition metal Complex oxides are Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 )O 2 or Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 And the like, any one or a mixture of two or more of them may be used.
상기 양극 활물질은 양극 활물질의 충분한 용량 발휘 등을 고려하여 양극 활물질층 내에 80중량% 내지 99중량%, 바람직하게는 92중량% 내지 98.5중량%로 포함될 수 있다.The positive electrode active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight, preferably 92% to 98.5% by weight in the positive electrode active material layer in consideration of exhibiting sufficient capacity of the positive electrode active material.
상기 양극 활물질층은 전술한 양극 활물질과 함께 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer may further include a binder and/or a conductive material together with the positive electrode active material.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결착과 집전체에 대한 결착에 조력하는 성분이며, 구체적으로 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르 복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴 리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필 렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무 및 불소 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드를 포 함할 수 있다.The binder is a component that assists in the binding of the active material and the conductive material and the binding to the current collector, specifically polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose Composed of rose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber and fluororubber. It may include at least one selected from the group, preferably polyvinylidene fluoride.
상기 바인더는 양극 활물질 등 성분 간 결착력을 충분히 확보하는 측면에서 양극 활물질층 내에 1중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 1.2중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다.The binder may be included in an amount of 1% to 20% by weight, preferably 1.2% to 10% by weight in the positive electrode active material layer in order to sufficiently secure binding force between components such as the positive electrode active material.
상기 도전재는 이차전지에 도전성을 보조 및 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 상기 도전재는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 및 폴리페 닐렌 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있으며, 바람직하 게는 도전성 향상 측면에서 카본 블랙을 포함할 수 있다.The conductive material may be used to assist and improve the conductivity of a secondary battery, and is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change. Specifically, the conductive material is graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; conductive tubes such as carbon nanotubes; metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and polyphenylene derivatives, and may include at least one selected from the group consisting of, preferably, carbon black in terms of improving conductivity.
상기 도전재는 전기 전도성을 충분히 확보하는 측면에서 양극 활물질층 내에 1중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 1.2중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다.The conductive material may be included in an amount of 1 wt% to 20 wt%, preferably 1.2 wt% to 10 wt%, in the cathode active material layer in order to sufficiently secure electrical conductivity.
상기 양극 활물질층의 두께는 30㎛ 내지 400㎛, 바람직하게는 50㎛ 내지 110㎛일 수 있다.The thickness of the cathode active material layer may be 30 μm to 400 μm, preferably 50 μm to 110 μm.
상기 양극은 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질 및 선택적으로 바인더, 도전재 및 양극 슬러리 형성용 용매를 포함하는 양극 슬러리를 코팅한 다음, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode may be prepared by coating a positive electrode slurry including a positive electrode active material and optionally a binder, a conductive material, and a solvent for forming the positive electrode slurry on the positive electrode current collector, followed by drying and rolling.
상기 양극 슬러리 형성용 용매는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기 용매를 포함할 수 있으며, 상기 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전 재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 슬러리 형성용 용매는 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함 하는 고형분의 농도가 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게 70 중량% 내지 90 중량 %가 되도록 상기 양극 슬러리에 포함될 수 있다.The solvent for forming the positive electrode slurry may include an organic solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and may be used in an amount that provides a desired viscosity when including the positive electrode active material, and optionally a binder and a conductive material. can For example, the solvent for forming the positive electrode slurry is such that the concentration of the solid content including the positive electrode active material and optionally the binder and the conductive material is 50% to 95% by weight, preferably 70% to 90% by weight, so that the positive electrode slurry can be included in
상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제 조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레 이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확 보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수 도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.The separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ion movement, and can be used without particular limitation as long as it is normally used as a separator in a lithium secondary battery. Excellent is desirable. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these A laminated structure of two or more layers of may be used. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, and the like may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be selectively used in a single layer or multilayer structure.
또한, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 이차전지 제조 시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.In addition, the electrolyte used in the present invention includes an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, and a molten inorganic electrolyte that can be used in the manufacture of a secondary battery. It is not.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 감마-부티로락톤, ε-카프로락톤 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르 또는 테트라히드로 퓨란 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논 등의 케톤계 용매; 벤젠, 플루오로벤젠 등 의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 메틸 에틸카보네이트(MEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알 코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기 이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메 틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란 (sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카 보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사 슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.The organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, examples of the organic solvent include ester-based solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, gamma-butyrolactone, and ε-caprolactone; ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone solvents such as cyclohexanone; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; carbonate solvents such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC); alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C2 to C20 straight-chain, branched or cyclic hydrocarbon group, and may include a double-bonded aromatic ring or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Or sulfolane (sulfolane) and the like may be used. Of these, carbonate-based solvents are preferred, and cyclic carbonates (eg, ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ionic conductivity and high permittivity that can improve the charge and discharge performance of batteries, and low-viscosity linear carbonates A mixture of compounds (e.g., ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate) is more preferred. 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 electrolyte may be excellent.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 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 may be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN( C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 , and the like may be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so excellent electrolyte performance can be exhibited, and lithium ions can move effectively.
상기 이차전지는 통상의 이차전지의 제조방법에 따라, 상술한 음극과 양극 사이에 분리막을 개재시킨 후, 전해액을 주입하여 제조될 수 있다.The secondary battery may be manufactured according to a conventional secondary battery manufacturing method by injecting an electrolyte solution after interposing a separator between the above-described negative electrode and positive electrode.
본 발명에 따른 이차전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하며, 특히 중대형 전지모듈의 구성 전지로서 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 상기와 같은 이차전지를 단위 전지로 포함하는 중대형 전지모듈을 제공한다.The secondary battery according to the present invention is useful for portable devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, and electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEVs), and is particularly preferable as a battery component of a medium or large-sized battery module. can be used Accordingly, the present invention also provides a medium or large-sized battery module including the above secondary battery as a unit battery.
이러한 중대형 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전 력저장장치 등과 같이 고출력, 대용량이 요구되는 동력원에 바람직하게 적용될 수 있다.Such medium- or large-sized battery modules can be preferably applied to power sources requiring high output and large capacity, such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, and power storage devices.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
실시예 1Example 1
밀폐 용기에, 평균 입경(D50)이 1㎛인 실리콘 입자 1.4g, 평균 길이 8㎛의 VGCF 0.1g, 평균 길이 8㎛의 다중벽 탄소나노튜브 0.1g, sucrose 0.12g 및 Li2O 0.18g의 혼합물을 지르코니아 재질의 밀폐 용기에 투입하였다. 직경이 5mm 인 지르코니아 볼 5.7g(상기 혼합물 중량의 3배)을 상기 밀폐 용기에 함께 투입하고, 아르곤 가스로 충전되어 있는 글러브박스 안에서 밀폐 용기를 열었다가 잠그는 방식으로 밀폐 용기 내부를 아르곤 가스로 충전하였다. 그 후, 상기 밀폐 용기를 planetary mixer를 이용하여 강하게 흔들어주는 방식으로 150 rpm의 속도로 12시간 동안 볼밀하여 복합 음극 활물질을 제조하였다. In an airtight container, 1.4 g of silicon particles with an average particle diameter (D 50 ) of 1 µm, 0.1 g of VGCF with an average length of 8 µm, 0.1 g of multi-walled carbon nanotubes with an average length of 8 µm, 0.12 g of sucrose and 0.18 g of Li 2 O The mixture was put into an airtight container made of zirconia. 5.7 g of zirconia balls with a diameter of 5 mm (three times the weight of the mixture) are put into the airtight container, and the airtight container is filled with argon gas by opening and closing the airtight container in a glove box filled with argon gas. did Thereafter, the airtight container was ball milled at a speed of 150 rpm for 12 hours by vigorously shaking the container using a planetary mixer to prepare a composite negative active material.
용매인 증류수에, 상기 복합 음극 활물질, PAA 바인더 및 superC(카본블랙) 도전재를 8:1:1의 중량비율로 혼합하여 음극 슬러리 제조하고, 상기 음극 슬러리를 블레이드 타입의 코팅 기계인 매티스 코터를 이용하여 20㎛ 두께의 구리 포일에 균일한 두께로 코팅한 후 80℃에서 건조하여 음극(음극의 두께: 57㎛, 면적 1.4875㎠, 원형)을 제작하였다.Anode slurry was prepared by mixing the composite anode active material, PAA binder, and superC (carbon black) conductive material in a weight ratio of 8: 1: 1 in distilled water as a solvent, and the anode slurry was prepared using a blade-type coating machine, a Mattis coater After coating to a uniform thickness on a copper foil having a thickness of 20 μm using a copper foil, it was dried at 80° C. to prepare a negative electrode (thickness of the negative electrode: 57 μm, area 1.4875 cm 2 , circular shape).
실시예 2Example 2
밀폐 용기에, 평균 입경(D50)이 1㎛인 실리콘 입자 1.5g, 평균 길이 8㎛의 VGCF 0.1g, 평균 길이 8㎛의 다중벽 탄소나노튜브 0.1g, sucrose 0.15g 및 Li2O 0.15g의 혼합물을 지르코니아 재질의 밀폐 용기에 투입하였다. 직경이 5mm 인 지르코니아 볼 6g(상기 혼합물 중량의 3배)을 상기 밀폐 용기에 함께 투입하고, 아르곤 가스로 충전되어 있는 글러브박스 안에서 밀폐 용기를 열었다가 잠그는 방식으로 밀폐 용기 내부를 아르곤 가스로 충전하였다. 그 후, 상기 밀폐 용기를 planetary mixer를 이용하여 강하게 흔들어주는 방식으로 150 rpm의 속도로 24시간 동안 볼밀하여 복합 음극 활물질을 제조하였다. In an airtight container, 1.5 g of silicon particles with an average particle diameter (D 50 ) of 1 μm, 0.1 g of VGCF with an average length of 8 μm, 0.1 g of multi-walled carbon nanotubes with an average length of 8 μm, 0.15 g of sucrose and 0.15 g of Li 2 O The mixture was put into an airtight container made of zirconia. 6 g of zirconia balls having a diameter of 5 mm (three times the weight of the mixture) were put into the airtight container, and the airtight container was opened and closed in a glove box filled with argon gas to fill the inside of the airtight container with argon gas. . Thereafter, the airtight container was ball-milled at a speed of 150 rpm for 24 hours by vigorously shaking the container using a planetary mixer to prepare a composite negative active material.
용매인 증류수에, 상기 복합 음극 활물질, PAA 바인더 및 superC(카본블랙) 도전재를 6:2:2의 중량비율로 혼합하여 음극 슬러리 제조하고, 상기 음극 슬러리를 블레이드 타입의 코팅 기계인 매티스 코터를 이용하여 20㎛ 두께의 구리 포일에 균일한 두께로 코팅한 후 80℃에서 건조하여 음극(음극의 두께: 57㎛, 면적 1.4875㎠, 원형)을 제작하였다.A negative electrode slurry was prepared by mixing the composite negative electrode active material, PAA binder, and superC (carbon black) conductive material in a weight ratio of 6: 2: 2 in distilled water as a solvent, and the negative electrode slurry was prepared using a blade-type coating machine, a Mattis coater After coating to a uniform thickness on a copper foil having a thickness of 20 μm using a copper foil, it was dried at 80° C. to prepare a negative electrode (thickness of the negative electrode: 57 μm, area 1.4875 cm 2 , circular shape).
비교예 1Comparative Example 1
복합 음극 활물질의 원료 물질로서, Si 1.8g, sucrose 0.27g을 밀폐 용기에 넣고(리튬 원료물질 및 도전재 투입하지 아니함), 이후 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. As raw materials for the composite negative electrode active material, 1.8 g of Si and 0.27 g of sucrose were placed in an airtight container (lithium raw material and conductive material were not added), and then a negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 1.
비교예 2Comparative Example 2
복합 음극 활물질의 원료 물질로서, Si 1.8g, sucrose 0.15g 및 Li2O 0.2g을 밀폐 용기에 넣고(도전재 투입하지 아니함), 이후 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. As raw materials for the composite negative electrode active material, 1.8 g of Si, 0.15 g of sucrose, and 0.2 g of Li 2 O were placed in an airtight container (no conductive material was added), and then a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1.
비교예 3Comparative Example 3
밀폐 용기에, Si 1.5g, VGCF 0.15g 및 탄소나노튜브 0.15g을 넣고, 분쇄하여 실리콘 입자와 도전재의 혼합된 활물질을 준비하였다. 상기 도전재가 혼합된 음극 활물질, PAA 바인더 및 superC(카본블랙) 도전재를 8:1:1의 중량비율로 혼합하여 음극 슬러리 제조하고, 이후 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. In an airtight container, 1.5 g of Si, 0.15 g of VGCF, and 0.15 g of carbon nanotubes were put, and pulverized to prepare a mixed active material of silicon particles and a conductive material. A negative electrode slurry was prepared by mixing the negative electrode active material mixed with the conductive material, the PAA binder, and the superC (carbon black) conductive material in a weight ratio of 8:1:1, and then a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1.
<주사전자현미경 분석><Scanning electron microscope analysis>
상기 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 따른 음극 활물질의 SEM 사진을 도 1 내지 도 3에 각 나타내었다. SEM images of the anode active materials according to Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 are shown in FIGS. 1 to 3, respectively.
도 1을 참조하면, 실시예 1에서 제조된 복합 음극 활물질은, 실리콘 입자의 표면이 탄소질에 의해 덮여 있는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브나 기상법 탄소 섬유가 실리콘 입자 표면에 부착되어 있다. Referring to FIG. 1 , in the composite anode active material prepared in Example 1, it can be observed that the surface of the silicon particle is covered with carbonaceous material. In addition, carbon nanotubes or vapor-processed carbon fibers are attached to the surface of the silicon particles.
도 2를 참조하면, 비교예 2에서 제조된 음극 활물질은, 음극 활물질 제조를 위한 원료의 투입 시, 탄소나노튜브나 기상법 탄소 섬유를 첨가하지 않아, 이들을 관찰할 수 없다. Referring to FIG. 2 , in the anode active material prepared in Comparative Example 2, carbon nanotubes or vapor-processed carbon fibers were not added when raw materials for preparing the anode active material were added, so they could not be observed.
도 3을 참조하면, 비교예 3에서 제조된 음극 활물질은, 음극 활물질 제조를 위한 원료의 투입 시, 탄소 원료 및 리튬 원료를 첨가하지 않았기 때문에, 실리콘 입자의 표면이 깨끗하고, 탄소나노튜브나 기상법 탄소 섬유가 실리콘 입자에 부착되지 않은 형태로, 독립적으로 존재하는 것을 관찰할 수 있다. Referring to FIG. 3, in the negative electrode active material prepared in Comparative Example 3, since carbon and lithium sources were not added when the raw materials for preparing the negative electrode active material were added, the surface of the silicon particles was clean, and the carbon nanotube or vapor phase method was used. It can be observed that the carbon fibers exist independently in a form that is not attached to the silicon particles.
<코인형 하프셀의 제조><Manufacture of coin type half cell>
실시예 1에서 제조된 음극, 대극으로서 리튬 메탈 박막(1.7671㎠, 원형)을 사용하고, 상기 음극과 대극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 전해액을 주입하여 코인형의 하프-셀(half-cell) 이차전지를 제조하였다. 상기 전해질로는 에틸메틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)를 부피비 7:3으로 혼합한 용액에, 0.5중량%로 비닐렌 카보네이트(VC)를 용해시키고, LiPF6을 1M 농도로 용해시킨 것을 사용하였다.A coin-type half-cell (half- cell) A secondary battery was manufactured. As the electrolyte, 0.5% by weight of vinylene carbonate (VC) was dissolved in a solution of ethyl methyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) mixed at a volume ratio of 7: 3, and LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M. used
실시예 2, 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 음극을 사용하여, 상기와 동일한 방법으로 코인형 하프셀을 제조하였다. Using the negative electrodes prepared in Example 2 and Comparative Examples 1 to 3, coin-type half cells were manufactured in the same manner as described above.
<초기 효율 평가><Evaluation of initial efficiency>
실시예 1 내지 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 각 하프-셀들에 대해, 전기화학 충방전기를 이용하여, 초기 효율을 평가하였다.For each of the half-cells manufactured in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3, initial efficiencies were evaluated using an electrochemical charge/discharger.
상온에서 CC-CV 모드로 0.1C으로 5mV가 될 때까지 방전하고, 0.005C가 되는 시점에서 방전을 종료하였다. 0.1C의 정전류로 1.5V까지 충전하고, 1회 충방전 실험을 진행하였을 시의 초기 효율을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.Discharge was performed at room temperature in CC-CV mode at 0.1 C until 5 mV was reached, and discharging was terminated at the time of reaching 0.005 C. After charging up to 1.5V with a constant current of 0.1C and performing a single charge/discharge experiment, the initial efficiency was measured, and the results are shown in Table 1.
<용량 유지율 평가><Evaluation of capacity retention rate>
실시예 1 내지 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 각 하프-셀들에 대해, 전기화학 충방전기를 이용하여, 사이클 용량 유지율을 평가하였다.For each of the half-cells manufactured in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3, the cycle capacity retention rate was evaluated using an electrochemical charger and discharger.
1번째 사이클은 0.1C로 충방전하였고, 2번째 사이클부터는 0.5C로 충방전을 수행하였다(방전 조건: CC/CV, 5mV cut-off 전류 0.02C), 충전 조건: CC, 1.0V cut-off)The first cycle was charged/discharged at 0.1C, and from the second cycle, charged/discharged at 0.5C (discharge condition: CC/CV, 5mV cut-off current 0.02C), charging condition: CC, 1.0V cut-off )
용량 유지율은 아래와 같이 계산하였다.The capacity retention rate was calculated as follows.
용량 유지율(%)={(N번째 사이클에서의 충전 용량)/(1번째 사이클에서의 충전 용량)} Х 100Capacity retention rate (%)={(Charging capacity in the Nth cycle)/(Charging capacity in the 1st cycle)}
(상기 식 중, N은 1 이상의 정수)(In the above formula, N is an integer greater than or equal to 1)
10번째 사이클 용량 유지율(%)을 하기 표 1에 나타내었다. The 10th cycle capacity retention rate (%) is shown in Table 1 below.
상기 표 1을 참조하면, 리튬 원료물질을 투입하지 않은 비교예 1 및 비교예 3의 전지는, 실시예 1과 대비하여 초기 효율 및 용량 유지율이 현저히 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 본 발명의 복합 음극 활물질의 제조에 있어서, 리튬 원료물질의 첨가에 따른 비가역상의 감소 때문인 것으로 보인다. Referring to Table 1, the batteries of Comparative Example 1 and Comparative Example 3 in which the lithium raw material was not added showed significantly lower initial efficiency and capacity retention rate compared to Example 1. This seems to be due to the reduction of the irreversible phase according to the addition of the lithium raw material in the preparation of the composite negative electrode active material of the present invention.
또한, 선형의 도전재를 첨가하지 않은, 비교예 2는 실시예와 대비해 용량 유지율이 불량한 것으로 나타났다. 이는 본 발명의 복합 음극 활물질이, 실리콘 활물질의 충방전으로 인한 부피 팽창/수축에 대해 활물질간의 전기적 단락을 방지하고, 음극 내에 도전성 네트워크를 안정적으로 형성할 수 있어 음극 및 이차전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있기 때문인 것으로 해석된다.In addition, Comparative Example 2, in which the linear conductive material was not added, was found to have a poor capacity retention rate compared to Example. This means that the composite anode active material of the present invention can prevent electrical shorts between active materials against volume expansion/contraction due to charging and discharging of the silicon active material, and can stably form a conductive network in the anode, thereby improving the lifespan of the anode and secondary battery. interpreted as being able to
또한, 실리콘 입자와 도전재를 단순 혼합한 비교예 3은 실시예 1과 동일한 도전재가 포함되어 있지만, 상기 도전재가 활물질간의 도전성 네트워크를 충분히 형성하지 못하기 때문에, 실시예 1과 대비해 초기 효율 및 용량 유지율이 떨어지는 것으로 보인다. In addition, Comparative Example 3, in which silicon particles and a conductive material are simply mixed, contains the same conductive material as Example 1, but since the conductive material does not sufficiently form a conductive network between active materials, compared to Example 1, the initial efficiency and capacity The retention rate appears to be declining.
또한, 실시예 1과 비교해, 복합 음극 활물질의 제조 시, Li20 및 선형 도전재(VGCF, 다중벽 탄소나노튜브)의 함량비를 약간 낮추고, 음극 슬러리의 제조 시 도전재(카본블랙)의 함량비를 2배 증가하여 제조한 실시예 2는, 실시예 1과 비교해 전지의 초기 효율이 약간 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 Li2O의 투입 비율이 약간 낮아져, 비가역상의 감소 효과가 상대적으로 작게 나타났기 때문인 것으로 보인다. 한편 실시예 2는 음극 슬러리의 제조 시 도전재의 함량이 실시예 1과 비교해 2배이지만, 복합 음극 활물질에 투입되는 선형 도전재가 감소한 효과 때문에, 용량 유지율이 소폭 증가하는 데에 그친 것으로 평가된다. In addition, compared to Example 1, the content ratio of Li 2 O and linear conductive material (VGCF, multi-walled carbon nanotubes) was slightly lowered in the preparation of the composite negative electrode active material, and the conductive material (carbon black) in the preparation of the negative electrode slurry Example 2 prepared by increasing the content ratio by 2 times showed a slight decrease in the initial efficiency of the battery compared to Example 1, which is because the input ratio of Li 2 O was slightly lowered, so the effect of reducing the irreversible phase was relatively small. It appears that this is because On the other hand, in Example 2, the content of the conductive material is doubled compared to Example 1 when preparing the negative electrode slurry, but the capacity retention rate is only slightly increased due to the effect of reducing the linear conductive material added to the composite negative electrode active material.
Claims (18)
상기 실리콘 입자의 표면에 형성되고, 탄소질을 포함하는 코팅층; 및
선형의 도전재를 포함하고,
LixSiyOZ [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)]상을 포함하는 복합 음극 활물질.
silicon (Si) particles;
a coating layer formed on the surface of the silicon particle and containing carbonaceous material; and
Including a linear conductive material,
A composite negative active material comprising a Li x Si y O Z [x>0, y>0, 0≤z≤2(x+4y)] phase.
The composite anode active material of claim 1, wherein the linear conductive material is attached to the coating layer, and a part of the body is spaced apart from the coating layer.
The composite anode active material according to claim 1, wherein the linear conductive material is one or two selected from the group consisting of carbon nanotubes and carbon nanofibers.
The composite anode active material according to claim 1, wherein the linear conductive material is one or two selected from the group consisting of vapor grown carbon fiber (VGCF) and multi-walled carbon nanotube (MWCNT).
The composite anode active material according to claim 1, wherein the linear conductive material has an average length in a major axis direction of 1 μm or more.
The composite anode active material of claim 1 , wherein the silicon particles are present in an amount of 50% to 90% by weight based on the total weight of the composite anode active material.
The composite anode active material of claim 1 , wherein the linear conductive material is present in an amount of 2% to 30% by weight based on the total weight of the composite anode active material.
The composite anode active material of claim 1 , wherein the coating layer has an island shape covering a portion of the surface of the silicon particle.
상기 용기에 있는 혼합물을 볼밀하는 볼밀 단계를 포함하고,
상기 볼밀 단계는, 볼밀에 의해 탄소 전구체를 탄소질로 전환시켜 탄소질을 포함하는 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층에 상기 도전재가 부착되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합 음극 활물질의 제조방법.
An input step of putting silicon, a carbon precursor, a lithium raw material, and a linear conductive material into a container; and
A ball mill step of ball milling the mixture in the container,
In the ball mill step, a carbon precursor is converted into carbonaceous by a ball mill to form a coating layer containing carbonaceous material, and the conductive material is attached to the coating layer.
10. The method of claim 9, wherein the ball mill step has a ball-to-powder weight ratio (BPR) of 1:1 to 10:1, a rotational speed of 50 rpm to 500 rpm, and ball milling for 1 hour to 36 hours. Method for producing a composite anode active material to be.
10. The method of claim 9, wherein the carbon precursor is glucose, sucrose, gum arabic, tannic acid, lignosulfonate, poly-aromatic oxide Composite anode, characterized in that at least one selected from the group consisting of aromatic substance oxides, sugars and polyphenols, coal-based pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, furan resin and polyimide resin. Methods for manufacturing active materials.
10. The method of claim 9, wherein the lithium source material is lithium metal, lithium oxide (Li 2 O, LiO 2 , Li 2 O 2 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and lithium chloride (LiCl) Method for producing a composite negative electrode active material, characterized in that one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.
10. The composite anode active material of claim 9, wherein the linear conductive material is one or two selected from the group consisting of vapor grown carbon fiber (VGCF) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). manufacturing method.
10. The method of claim 9, wherein the linear conductive material has an average length in a major axis direction of 1 μm or more.
10. The method of claim 9, wherein, in the inputting step, 50 to 90 parts by weight of silicon, 3 to 10 parts by weight of carbon precursor, 3 to 15 parts by weight of lithium raw material, and 5 to 30 parts by weight of conductive material are added. Method for producing a composite anode active material to be.
10. The method of claim 9, wherein the ball milling step is performed under an inert atmosphere.
negative current collector; A negative electrode comprising a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material layer includes the composite negative electrode active material of claim 1.
a negative electrode according to claim 17; an anode facing the cathode; a separator interposed between the cathode and anode; and a lithium secondary battery comprising an electrolyte.
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