KR101676085B1 - Silicon based anode active material and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘계 입자; 및 탄소 입자를 포함하며, 상기 탄소 입자는 평균 입경이 서로 다른 미립(微粒) 탄소 입자 및 조립(組粒) 탄소 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은, 실리콘계 입자, 및 평균 입경이 서로 다른 미립 및 조립 탄소 입자를 함께 포함함으로써. 실리콘계 입자와 탄소 입자와의 접촉성을 증가시킬 수 있고, 이로 인해 리튬 이차전지의 효율 및 수명 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a silicone-based particle; And carbon particles, wherein the carbon particles include fine carbon particles and granulated carbon particles having different average particle diameters.
The negative electrode active material according to an embodiment of the present invention includes both silicon-based particles and fine and assembled carbon particles having different average particle diameters. It is possible to increase the contact property between the silicon-based particles and the carbon particles, thereby further improving the efficiency and lifetime characteristics of the lithium secondary battery.
Description
본 발명은 실리콘계 음극 활물질에 관한 것으로, 보다 구체적으로 실리콘계 입자; 및 평균 입경이 서로 다른 미립(微粒) 탄소 입자 및 조립(組粒) 탄소 입자를 함께 포함하는 실리콘계 음극 활물질, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a silicon-based anode active material, and more specifically, to a silicon-based anode active material. And a silicon-based negative electrode active material including fine particle carbon particles and granulated carbon particles having different average particle diameters, and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 정보 통신 산업의 발전에 따라 전자 기기가 소형화, 경량화, 박형화 및 휴대화됨에 따라, 이러한 전자 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고에너지 밀도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 리튬 이차전지는 이러한 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 전지로서, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.BACKGROUND ART [0002] With the recent development of the information communication industry, as electronic devices have become smaller, lighter, thinner, and portable, there is a growing demand for higher energy density of batteries used as power sources for such electronic devices. Lithium secondary batteries are the ones that can best meet these demands, and researches on them are actively under way.
리튬 이차전지의 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연 또는 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다. 상기 탄소 계열 중 흑연은 리튬 전지의 에너지 밀도면에서 이점을 제공하며 또한 뛰어난 가역성으로 리튬 이차전지의 장수명을 보장하여 가장 널리 사용되고 있다. Various types of carbon-based materials including artificial graphite, natural graphite, or hard carbon capable of lithium insertion / removal have been applied to the anode active material of the lithium secondary battery. The carbon-based graphite provides advantages in terms of energy density of a lithium battery and is most widely used because it guarantees a long life of a lithium secondary battery with excellent reversibility.
그러나 흑연은 전극의 단위 부피당 에너지 밀도 측면에서 용량이 낮은 문제점이 있고, 높은 방전 전압에서는 사용되는 유기 전해액과의 부반응이 일어나기 쉬워, 전지의 오동작 및 과충전 등에 의해 발화 혹은 폭발의 위험성이 있다.However, graphite has a problem in that its capacity is low in terms of energy density per unit volume of electrodes, and a high side discharge voltage tends to cause a side reaction with the organic electrolytic solution to be used, and there is a risk of ignition or explosion due to malfunction or overcharge of the battery.
이에 실리콘(Si)과 같은 금속계 음극 활물질이 연구되고 있다. Si 금속계 음극 활물질은 약 4200mAh/g의 높은 리튬 용량을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 리튬과 반응 전후, 즉 충방전시 최대 300% 이상의 부피 변화를 야기한다. 이로 인하여, 전극 내의 도전성 네트워크가 손상되고 입자간 접촉 저항이 증가하여 전지 성능이 저하되는 현상이 있다. Accordingly, metal-based negative electrode active materials such as silicon (Si) have been studied. Si metal anode active material is known to exhibit a high lithium capacity of about 4200 mAh / g. However, it causes a volume change of up to 300% or more before and after the reaction with lithium, that is, during charging and discharging. As a result, there is a phenomenon that the conductive network in the electrode is damaged and the contact resistance between particles is increased, thereby deteriorating the performance of the cell.
이에 실리콘 음극 활물질 주변을 흑연계 입자가 둘러 쌓아 실리콘계 음극 활물질의 전도성을 향상시킨 전극이 연구된 바 있다.Accordingly, there has been studied an electrode in which a graphite particle surrounds a silicon anode active material to improve the conductivity of a silicon based anode active material.
그러나, 상기 음극 활물질의 경우 충반전시에 실리콘계 음극 활물질의 최대 300%에 이르는 부피 변화로 인하여 흑연계 입자와 실리콘계 입자 사이의 접촉성이 악화되면서 전지의 성능이 떨어지는 단점이 있다. 특히, 실리콘계 음극 활물질의 경우, 충방전시에 실리콘계 입자와 흑연 입자와의 단락이 심화되어 전지 성능 저하가 나타날 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
However, in the case of the negative electrode active material, the contact between the graphite-based particles and the silicon-based particles deteriorates due to the volume change of up to 300% of the silicon-based negative active material at the time of charge reversal. Particularly, in the case of a silicon-based negative active material, short-circuiting between the silicon-based particles and the graphite particles at the time of charging and discharging is intensified, and battery performance may be deteriorated.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 고안된 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art.
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 실리콘계 입자와 탄소 입자와의 혼합 음극 활물질을 사용하면서 종래의 충방전시 음극 활물질간의 접촉성 악화 및 단락 문제를 해결함으로써 이차전지의 효율 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 음극 활물질을 제공하는 것이다. The first technical problem to be solved by the present invention is to improve the efficiency and lifetime characteristics of the secondary battery by solving the problem of contact deterioration and short circuit between the anode active material during the conventional charge and discharge while using the mixed anode active material of silicon particles and carbon particles And a negative electrode active material.
본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
A second aspect of the present invention is to provide a negative electrode and a lithium secondary battery including the negative electrode active material.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘계 입자; 및 탄소 입자를 포함하며, 상기 탄소 입자는 평균 입경이 서로 다른 미립(微粒) 탄소 입자 및 조립(組粒) 탄소 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질을 제공한다. In order to solve the above-mentioned problems, And carbon particles, wherein the carbon particles include fine carbon particles and granulated carbon particles having different average particle diameters.
또한, 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다. The present invention also provides a negative electrode comprising the negative active material.
나아가, 본 발명은 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
Further, the present invention provides a lithium secondary battery including the negative electrode.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은, 실리콘계 입자, 및 평균 입경이 서로 다른 미립 및 조립 탄소 입자를 함께 포함함으로써, 실리콘계 입자와 탄소 입자와의 접촉성을 증가시킬 수 있고, 이로 인해 리튬 이차전지의 효율 및 수명 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
The negative electrode active material according to an embodiment of the present invention includes silicon-based particles and fine and coarse carbon particles having different average particle diameters together to increase the contact between the silicon-based particles and the carbon particles, The efficiency and lifetime characteristics of the battery can be further improved.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 음극(a), 충전시 음극(b) 및 방전시 음극(c)의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전시 음극의 개략도를 나타낸 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate exemplary embodiments of the invention and, together with the description of the invention, It should not be construed as limited.
1 shows a schematic view of a conventional negative electrode (a), a negative electrode (b) upon charging and a negative electrode (c) upon discharging.
FIG. 2 is a schematic view of a cathode at the time of discharging according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail in order to facilitate understanding of the present invention.
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 and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르는 음극 활물질은 실리콘계 입자; 및 탄소 입자를 포함하며, 상기 탄소 입자는 평균 입경이 서로 다른 미립(微粒) 탄소 입자 및 조립(組粒) 탄소 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The negative electrode active material according to one embodiment of the present invention includes silicon-based particles; And carbon particles, wherein the carbon particles include fine carbon particles and granulated carbon particles having different average particle diameters.
도 1의 (a) 내지 (c)는 종래의 음극(a), 충전시 음극(b) 및 방전시 음극(c)의 형태에 대한 개략도를 나타낸 것이다.1 (a) to 1 (c) are schematic diagrams showing the shapes of a conventional negative electrode a, a negative electrode b during charging, and a negative electrode c during discharging.
일반적으로, 실리콘계 입자를 포함하는 음극 활물질의 경우 전도성이 낮다는 단점이 있다. 이에, 도 1에 나타낸 바와 같이, 실리콘계 입자(110)와 탄소 입자(120)를 혼합함으로써 전도성을 향상시키는 방법이 연구되었다. 그러나, 도1의 (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 충방전시에 실리콘계 입자의 부피 변화로 인하여 실리콘계 입자와 탄소 입자와의 접촉성 악화로 인해 단락이 심화되는 문제가 발생할 수 있다. In general, the negative electrode active material containing silicon-based particles has a disadvantage of low conductivity. Thus, as shown in Fig. 1, a method of improving the conductivity by mixing the silicon particles 110 and the
이에, 본 발명에서는 도 2와 같이 실리콘계 입자(210), 및 평균 입경이 서로 다른 미립(230) 및 조립(220) 탄소 입자를 함께 포함함으로써. 실리콘계 입자와 탄소 입자와의 접촉성을 증가시켜 단락을 방지하여, 이로 인해 리튬 이차전지의 효율 및 수명 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. Accordingly, in the present invention, as shown in FIG. 2, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미립 탄소 입자의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 5 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 4 ㎛일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the fine carbon particles may be 1 μm to 5 μm, preferably 1 μm to 4 μm.
본 발명의 일 실시예에 따라 미립 탄소 입자의 평균 입경이 상기 범위 내의 평균 입경을 가질 경우, 상기 미립 탄소 입자들이 실리콘계 입자 및 조립 탄소 입자 사이에 균일하게 형성할 수 있어, 이로 인해 충방전 과정에서 실리콘계 입자 및 탄소 입자와의 접촉성을 향상시켜 충방전시 부피 팽창으로 인한 단락의 문제를 해결할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the average particle diameter of the fine carbon particles has an average particle size within the above range, the fine carbon particles can be uniformly formed between the silicon particles and the assembled carbon particles, The contactability with the silicon-based particles and the carbon particles can be improved and the problem of short-circuit due to volume expansion during charging and discharging can be solved.
또한, 상기 조립 탄소 입자의 평균 입경(D50)은 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.In addition, the average particle diameter (D 50 ) of the assembled carbon particles may be 10 μm to 30 μm, preferably 10 μm to 20 μm.
상기 조립 탄소 입자의 평균 입경이 10 ㎛ 미만인 경우 미립 탄소 입자와의 크기 차이가 적어, 이종 탄소 입자의 혼합에 의한 전도성 향상 효과가 미미할 수 있고, 30 ㎛를 초과하는 경우 조립 탄소 입자의 지나친 입경 크기로 인한 율속 특성 저하의 문제 및 최적 밀도에 있어서 전극의 용량 저하 문제가 있을 수 있다.When the average particle diameter of the assembled carbon particles is less than 10 탆, the size difference with respect to the particulate carbon particles is small and the effect of improving the conductivity by mixing the heterogeneous carbon particles may be insignificant. When the average particle diameter is more than 30 탆, There may be a problem of lowering the speed-rate characteristic due to the increase of the capacitance and a problem of the capacity drop of the electrode at the optimum density.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에 있어서, 상기 미립 탄소 입자는 상기 탄소 입자 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 30 중량%, 바람직하게는 10 중량% 내지 20 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 미립 탄소 입자가 1 중량% 미만인 경우, 본 발명의 목적하는 실리콘계 입자 및 탄소 입자의 단락 방지 효과와 이차전지의 수명 특성 향상에 대한 효과가 미미할 수 있다. 한편, 상기 미립 탄소 입자가 30 중량%를 초과하는 경우, 미립 탄소 입자의 과다로 인하여 비표면적이 증가할 수 있고, 이로 인한 부반응 증가 및 수명 특성 열화 등을 초래할 수 있다.In the negative active material according to an embodiment of the present invention, the fine carbon particles may be contained in an amount of 1 wt% to 30 wt%, preferably 10 wt% to 20 wt% with respect to the total weight of the carbon particles. When the amount of the fine carbon particles is less than 1% by weight, the effects of preventing the short-circuiting of the desired silicon-based particles and carbon particles of the present invention and the lifetime characteristics of the secondary battery may be insignificant. On the other hand, if the amount of the fine carbon particles is more than 30% by weight, the specific surface area may increase due to excess of the fine carbon particles, which may result in an increase in side reaction and deterioration of the life characteristics.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에 있어서, 상기 조립 탄소 입자는 상기 탄소 입자 전체 중량에 대해 70 중량% 내지 99 중량%, 바람직하게는 80 중량% 내지 90 중량%인 것이 바람직하다. 상기 조립 탄소 입자가 상기 범위 내에 있는 경우, 실리콘계 음극 활물질의 전도성을 충분히 향상시킬 수 있다. In the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, the granulated carbon particles are preferably 70 wt% to 99 wt%, and preferably 80 wt% to 90 wt% with respect to the total weight of the carbon particles. When the assembled carbon particles are in the above range, the conductivity of the silicon based negative electrode active material can be sufficiently improved.
상기 조립 탄소 입자가 70 중량% 미만인 경우, 미립 탄소 입자의 과다로 인하여 비표면적이 증가할 수 있고, 이로 인한 부반응 증가 및 수명특성 열화 등을 초래할 수 있다. 한편, 상기 조립 탄소 입자가 99 중량%를 초과하는 경우, 혼합되는 미립 탄소의 양이 너무 적어 본 발명의 목적하는 실리콘계 입자 및 탄소 입자의 단락 방지 효과와 이차전지의 수명 특성 향상에 대한 효과가 미미할 수 있다.If the amount of the assembled carbon particles is less than 70% by weight, the specific surface area may increase due to excess of the fine carbon particles, which may result in an increase in side reaction and deterioration of lifetime characteristics. On the other hand, when the amount of the assembled carbon particles is more than 99% by weight, the amount of the mixed carbon particles is too small, so that the effect of preventing the short-circuiting of the intended silicone particles and carbon particles of the present invention and the lifetime characteristics of the secondary battery is insignificant .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미립 탄소 입자 및 조립 탄소 입자의 혼합비는 중량비로 1 : 4 내지 9인 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the mixture ratio of the fine carbon particles and the assembled carbon particles is preferably 1: 4 to 9 by weight.
상기 미립 탄소 입자가 상기 중량비보다 적을 경우, 본 발명의 목적하는 실리콘계 입자 및 탄소 입자의 단락 방지 효과와 이차전지의 수명 특성 향상에 대한 효과가 미미할 수 있고, 미립 탄소 입자가 상기 중량비보다 과잉으로 포함될 경우 비표면적이 증가할 수 있고, 이로 인한 부반응 증가 및 수명 특성 열화 등을 초래할 수 있다.When the above-mentioned fine carbon particles are smaller than the above-mentioned weight ratio, the effect of preventing the short-circuiting of the desired silicon-based particles and carbon particles of the present invention and the lifetime characteristics of the secondary battery may be insignificant, and when the fine carbon particles are excessively contained The specific surface area may increase, resulting in an increase in side reaction and deterioration in lifetime characteristics.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 입자는 인조 흑연, 천연 흑연, 메조카본, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀(graphene), 섬유상 탄소 및 표면 피복된 흑연 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon particles may be at least one selected from the group consisting of artificial graphite, natural graphite, mesocarbon, amorphous hard carbon, low crystalline soft carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, super P, graphene, , Fibrous carbon, and surface-coated graphite, or a mixture of two or more thereof.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미립 탄소 입자와 조립 탄소 입자는 서로 동일하거나 서로 상이할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fine carbon particles and the assembled carbon particles may be the same or different from each other.
또한, 상기 탄소 입자의 형태는 무정형, 인편상, 각형, 판상형, 구형, 섬유형, 점형 또는 이들의 혼합 형태인 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 미립 탄소 입자의 형태는 예를 들어 구형, 각형, 인편상, 판상형, 점형 또는 이들의 혼합 형태일 수 있고, 더욱 바람직하게는 구형, 점형, 인편상 또는 이들의 혼합 형태 일 수 있다. 또한, 상기 조립 탄소의 형태는 예를 들어, 무정형, 인편상, 판상형, 섬유형, 구형 또는 이들의 혼합 형태일 수 있고, 더욱 바람직하게는 구형, 인편상, 판상 또는 이들의 혼합 형태 일 수 있다.
The carbon particles may be in the form of amorphous, flaky, angular, plate-like, spherical, fiber-like, point-like, or a mixture thereof. Specifically, the shape of the fine carbon particles may be, for example, spherical, angular, scaly, plate-like, point-like, or a mixture thereof, more preferably spherical, . The shape of the assembled carbon may be, for example, an amorphous shape, a scaly shape, a plate shape, a fiber shape, a spherical shape or a mixture thereof, more preferably a spherical shape, a scaly shape, a plate shape, .
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 입자는 SiOx (여기서, 0≤x<2) 또는 하기 화학식 1의 실리콘계 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 Si 입자가 좋다: According to an embodiment of the present invention, the silicon-based particles may be SiOx (where 0? X <2) or a silicon-based compound of the following formula (1)
<화학식 1>≪ Formula 1 >
MySiMySi
상기 화학식 1에서, M은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Mg, Ca, B, P, Al, Ge, Sn, Sb, Bi 및 Li를 포함하는 어느 하나의 원소 또는 이들 중 2종 이상의 원소를 포함하고,M is at least one element selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, La, Hf, , Os, Mg, Ca, B, P, Al, Ge, Sn, Sb, Bi and Li, or two or more of these elements,
y는 0.001 내지 0.4이다.y is from 0.001 to 0.4.
상기 실리콘계 입자의 비표면적(BET-SSA)은 0.5 ㎡/g 내지 20 ㎡/g인 것이 바람직하다. 상기 실리콘계 입자의 비표면적이 0.5 ㎡/g 미만인 경우 탄소 입자와의 접촉성 향상 효과가 미미할 수 있고, 20 ㎡/g를 초과하는 경우 넓은 비표면적으로 인하여 전해액과의 부반응을 감소시키는데 어려울 수 있다. The silicon-based particles preferably have a specific surface area (BET-SSA) of 0.5 m 2 / g to 20 m 2 / g. If the specific surface area of the silicone-based particles is less than 0.5 m 2 / g, the effect of improving the contact with carbon particles may be insignificant. If the specific surface area exceeds 20 m 2 / g, it may be difficult to reduce side reactions with the electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 입자의 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller; BET)법으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 기공분포 측정기(Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini)를 사용하여 질소 가스 흡착 유통법에 의해 BET 6 점법으로 측정할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the specific surface area of the silicon-based particles can be measured by a BET (Brunauer-Emmett-Teller) method. For example, it can be measured by a BET 6-point method by a nitrogen gas adsorption / distribution method using a porosimetry analyzer (Bell Japan Inc, Belsorp-II mini).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 실리콘계 입자의 평균 입경(D50)은 0.01 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있다. In addition, the average particle diameter (D 50 ) of the silicon-based particles according to an embodiment of the present invention may be 0.01 μm to 20 μm, preferably 0.01 μm to 10 μm.
상기 실리콘계 입자의 평균 입경이 0.01 ㎛ 미만인 경우 음극 활물질 슬러리 내 분산이 어려울 수 있고, 평균 입경이 20 ㎛를 초과하는 경우, 리튬 이온의 충전에 의한 입자의 팽창이 심해져서 충방전이 반복됨에 따라 입자간 결착성과 입자와 집전체와의 결착성이 떨어지게 되어 수명 특성이 크게 감소될 수 있다.When the average particle diameter of the silicon-based particles is less than 0.01 탆, dispersion in the negative electrode active material slurry may be difficult. When the average particle diameter exceeds 20 탆, the particle expansion due to the charging of lithium ions becomes severe, The bondability between the particles and the current collector is deteriorated and the life characteristic can be greatly reduced.
본 발명에 있어서, 입자의 평균 입경은 입자의 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 입자의 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 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다. In the present invention, the average particle diameter of the particles can be defined as the particle diameter at the 50% of the particle diameter distribution of the particles. The average particle diameter (D 50 ) of the particles according to an embodiment of the present invention can be measured using, for example, a laser diffraction method. The laser diffraction method generally enables measurement of a particle diameter of several millimeters from a submicron region, resulting in high reproducibility and high degradability.
한편, 상기 실리콘계 입자 : 미립 및 조립 탄소 입자를 포함하는 탄소 입자의 혼합비는 중량비로 1 : 1 내지 50, 바람직하게는 1 : 10 내지 1 : 30인 것이 바람직하다. On the other hand, the mixing ratio of the silicon particles: carbon particles including fine particles and coarse carbon particles is preferably 1: 1 to 50, more preferably 1:10 to 1:30 in terms of weight ratio.
상기 탄소 입자의 함량이 상기 혼합비 미만이면 음극 활물질의 전기 전도도의 개선 효과가 미미할 수 있으며, 상기 혼합비를 초과하면 실리콘의 함량이 줄어들어 고용량화를 달성하기 어렵다.If the content of the carbon particles is less than the above mixing ratio, the effect of improving the electrical conductivity of the negative electrode active material may be insignificant. If the mixing ratio is exceeded, the content of silicon is decreased and it is difficult to achieve high capacity.
또한, 상기 실리콘계 입자는 상기 실리콘계 입자 표면에 탄소 코팅층이 포함된 실리콘계 입자일 수 있다.The silicon-based particles may be silicon-based particles containing a carbon coating layer on the surface of the silicon-based particles.
상기 탄소 코팅층을 형성하는 방법은 탄소 전구체를 사용하여 통상적인 코팅방법으로 제조할 수 있으며, 예를 들면 상기 실리콘계 입자를 탄소 전구체와 혼합한 후 열처리하여 실리콘계 입자의 외벽을 탄소로 코팅할 수 있다. The carbon coating layer may be formed by a conventional coating method using a carbon precursor. For example, the outer wall of the silicon-based particle may be coated with carbon by mixing the silicon-based particle with a carbon precursor and then performing heat treatment.
상기 탄소 코팅층은 예를 들어 핏치(pitch) 또는 탄화수소계 물질 등을 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 물질로는 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol)이나 페놀계 수지 등을 예로 들 수 있다.The carbon coating layer may include, for example, a pitch or a hydrocarbon-based material. Examples of the hydrocarbon-based material include furfuryl alcohol and phenol-based resins.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 코팅층에 포함된 탄소 코팅량은 상기 실리콘계 입자 총중량에 대해 1 중량% 내지 30 중량%의 양으로 사용할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon coating amount contained in the carbon coating layer may be used in an amount of 1 wt% to 30 wt% with respect to the total weight of the silicon based particles.
상기 탄소 코팅량이 1 중량% 미만으로 사용되는 경우, 균일한 코팅층이 형성되지 않아 전기 전도성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 추가적인 비가역 반응이 발생하여 용량 감소 및 초기효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다.If the carbon coating amount is less than 1 wt%, a uniform coating layer may not be formed and electrical conductivity may be lowered. If the carbon coating amount is more than 30 wt%, additional irreversible reaction may occur, There may be a problem of decrease.
또한, 탄소 코팅층을 형성하는 용매는 예를 들어 테트라하이드로퓨란(THF), 알코올 등을 사용할 수 있으며, 열처리 온도는 예를 들어 300 ℃ 내지 1400 ℃의 온도 범위에서 수행하여 코팅할 수 있다.
For example, tetrahydrofuran (THF), alcohol, or the like can be used as the solvent for forming the carbon coating layer, and the heat treatment can be carried out at a temperature ranging from 300 ° C to 1400 ° C, for example.
또한, 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다. The present invention also provides a negative electrode comprising the negative active material.
나아가, 본 발명은 양극, 상기 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 리튬염이 용해되어 있는 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. Further, the present invention provides a lithium secondary battery comprising a cathode, a cathode, a separator interposed between the cathode and the anode, and an electrolyte in which the lithium salt is dissolved.
상기에서 제조된 음극 활물질은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 제조방법으로 음극을 제조할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에 바인더와 용매, 필요에 따라 도전제와 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 집전체에 도포하고 압축하여 음극을 제조할 수 있다. The negative electrode active material prepared above may be produced by a method commonly used in the art. For example, a negative electrode may be manufactured by preparing a slurry by mixing and stirring a binder and a solvent, if necessary, a conductive agent and a dispersant in an anode active material according to an embodiment of the present invention, applying the slurry to a current collector, .
상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 물 등을 사용할 수 있다.Examples of the binder include polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, Polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) Sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, poly acrylic acid, and polymers in which hydrogen is substituted with Li, Na, or Ca, or Various kinds of binder polymers such as various copolymers can be used. As the solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, water and the like can be used.
상기 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 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; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. The conductive agent is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing any chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, panes black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
상기 분산제는 수계 분산제 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다. The dispersing agent may be an aqueous dispersing agent or an organic dispersing agent such as N-methyl-2-pyrrolidone.
상술한 음극 제조와 마찬가지로, 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 집전체에 직접 코팅하거나, 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 금속 집전체에 라미네이션하여 양극을 제조할 수 있다. The cathode active material, the conductive agent, the binder and the solvent are mixed to prepare a slurry, which is directly coated on the metal current collector or cast on a separate support, and the cathode active material film, which is peeled from the support, The positive electrode can be manufactured by lamination to the current collector.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), Li[NixCoyMnzMv]O2(상기 식에서, M은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; 0.3 ≤x<1.0, 0≤y, z≤0.5, 0≤v≤0.1, x+y+z+v=1이다), Li(LiaMb -a- b'M'b')O2-cAc(상기 식에서, 0≤a≤0.2, 0.6≤b≤1, 0≤b'≤0.2, 0≤c≤0.2이고; M은 Mn과, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하며; M'는 Al, Mg 및 B로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이다.) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 - 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 - 0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 - 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. Wherein the cathode active material is at least one selected from the group consisting of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), Li [Ni x Co y Mn z Mv] O 2 (Li a M b -a (Li a M b -a ) wherein x < = x < - b 'M' b ') O 2-c a c ( wherein, 0≤a≤0.2, 0.6≤b≤1, 0≤b'≤0.2, 0≤c≤0.2 and; M is Mn and, Ni M, at least one selected from the group consisting of Al, Mg and B, A is at least one selected from the group consisting of P, F, S, and N), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + y Mn 2-y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Formula LiNi 1 - y M y O 2 ( where, the M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, y = 0.01 - 0.3 Im) Ni site type lithium nickel oxide which is represented by; Formula LiMn 2 - y M y O 2 ( where, M = Co, Ni, Fe , Cr, and Zn, or Ta, y = 0.01 - 0.1 Im) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where, M = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like. However, the present invention is not limited to these.
상기 분리막은 종래 분리막으로 사용되는 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포, 폴리머 분리막 기재의 적어도 한 면 이상에 세라믹을 코팅하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The separator may be a conventional porous polymer film used as a conventional separator, for example, a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene / butene copolymer, an ethylene / hexene copolymer, and an ethylene / methacrylate copolymer The prepared porous polymer film can be used alone or in a laminated form. The porous nonwoven fabric can be used as a porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene terephthalate fiber or the like having high melting point, But is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 전해액에 있어서, 전해질로 포함될 수 있는 리튬염은 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다. In the electrolyte solution used in the embodiment of the present invention, the lithium salt that can be included as the electrolyte may be used without limitation as long as it is commonly used in an electrolyte for a secondary battery. Examples of the anion of the lithium salt include F - Cl -, I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3 ) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - can be used.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 전해액에 있어서, 전해액에 포함되는 유기 용매로는 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트(fluoro-ethylene carbonate), 디메틸술폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 술포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트, 테트라하이드로퓨란, 메틸 포르메이트(methyl formate), 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 이소프로필 아세테이트(isopropyl acetate), 이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate), 메틸 프로피오네이트(methyl propionate), 에틸 프로피오네이트(ethyl propionate), 프로필 프로피오네이트(propyl propionate), 부틸 프로피오네이트(butyl propionate), 메틸 부틸레이트(methyl butylate) 및 에틸 부틸레이트(ethyl butylate)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. In the electrolyte solution used in the embodiment of the present invention, the organic solvent contained in the electrolytic solution may be any of those conventionally used, and examples thereof include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl But are not limited to, carbonate, methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, fluoro-ethylene carbonate, dimethylsulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, Methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, isopropyl acetate, isoamyl acetate, methyl propionate (methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl propionate, ethyl propionate, It is possible to use any one selected from the group consisting of propyl propionate, butyl propionate, methyl butylate and ethyl butylate, or a mixture of two or more thereof have.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌카보네이트 및 프로필렌카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. In particular, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates in the carbonate-based organic solvent, can be preferably used because they have high permittivity as a high-viscosity organic solvent and dissociate the lithium salt in the electrolyte well. To such a cyclic carbonate, dimethyl carbonate and diethyl When a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate such as carbonate is mixed in an appropriate ratio, an electrolyte having a high electric conductivity can be prepared, and thus it can be more preferably used.
선택적으로, 본 발명에 따라 저장되는 전해액은 통상의 전해액에 포함되는 과충전 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다. Alternatively, the electrolytic solution stored in accordance with the present invention may further include an additive such as an overcharge inhibitor or the like contained in an ordinary electrolytic solution.
양극과 음극 사이에 분리막을 배치하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체를 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스 또는 알루미늄 파우치에 넣은 다음, 전해질을 주입하면 이차전지가 완성된다. 또는 상기 전극 조립체를 적층한 다음, 이를 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하면 리튬 이차전지가 완성된다.A separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode assembly. The electrode assembly is inserted into a cylindrical battery case, a prismatic battery case, or an aluminum pouch, and then an electrolyte is injected. Alternatively, the electrode assembly is laminated, then impregnated with the electrolytic solution, and the resulting product is sealed in a battery case to complete the lithium secondary battery.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only in a battery cell used as a power source of a small device but also as a unit cell in a middle- or large-sized battery module including a plurality of battery cells. Preferable examples of the above medium and large-sized devices include, but are not limited to, electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, electric power storage systems, and the like.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
실시예Example
<음극 활물질의 제조>≪ Preparation of negative electrode active material &
실시예Example 1 One
평균 입경(D50)이 5 ㎛인 Si 입자(a); 및 평균 입경(D50)이 20 ㎛인 조립 흑연 입자 및 평균 입경(D50)이 3.8 ㎛인 미립 흑연 입자를 중량비로 80:20으로 혼합한 흑연 입자(b)를 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다. 이때, 상기 Si 입자(a) 및 흑연 입자(b)의 혼합비는 5:95 중량비였다.
Si particles (a) having an average particle diameter (D 50 ) of 5 탆; And graphite particles (b) in which incorporated graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 20 μm and fine graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 3.8 μm were mixed at a weight ratio of 80:20 were mixed to prepare an anode active material . At this time, the mixing ratio of the Si particles (a) and the graphite particles (b) was 5:95 by weight.
실시예Example 2 2
평균 입경(D50)이 5 ㎛인 Si 입자(a); 및 평균 입경(D50)이 20 ㎛인 조립 흑연 입자 및 평균 입경(D50)이 5 ㎛인 미립 흑연 입자를 중량비로 80:20으로 혼합한 흑연 입자(b)를 혼합하여 음극 활물질을 제조하였다. 이때, 상기 Si 입자(a) 및 흑연 입자(b)의 혼합비는 5:95 중량비였다.
Si particles (a) having an average particle diameter (D 50 ) of 5 탆; And graphite particles (b) in which incorporated graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 20 μm and fine graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 5 μm were mixed at a weight ratio of 80:20 were mixed to prepare an anode active material . At this time, the mixing ratio of the Si particles (a) and the graphite particles (b) was 5:95 by weight.
비교예Comparative Example 1 One
상기 흑연 입자(b)로 평균 입경(D50)이 20 ㎛인 조립 흑연 입자만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that only the granulated graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 20 탆 were used as the graphite particles (b).
비교예Comparative Example 2 2
상기 흑연 입자(b)로 평균 입경(D50)이 5.5 ㎛인 미립 흑연 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1 except that fine graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 5.5 μm were used as the graphite particles (b).
비교예Comparative Example 3 3
상기 흑연 입자(b)로 평균 입경(D50)이 0.5 ㎛인 미립 흑연 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that fine graphite particles having an average particle diameter (D 50 ) of 0.5 탆 were used as the graphite particles (b).
<코인형 반쪽 전지의 제조>≪ Preparation of coin-shaped half-cell &
실시예Example 3 3
상기 실시예 1에서 제조된 음극 활물질, 아세틸렌 블랙을 도전제 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 바인더로 사용하여, 70:10:20의 중량비로 혼합하고, 이들을 용매인 N-메틸-2-피롤리돈에 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 구리 집전체의 일면에 30 ㎛의 두께로 코팅하고, 건조 및 압연한 후 일정 크기로 펀칭하여 음극을 제조하였다. The negative electrode active material prepared in Example 1, acetylene black, a conductive agent and polyvinylidene fluoride as a binder were mixed at a weight ratio of 70:10:20, and these were mixed in a solvent N-methyl-2-pyrrolidone To prepare a slurry. The prepared slurry was coated on one side of the copper current collector to a thickness of 30 탆, dried and rolled, and then punched to a predetermined size to prepare a negative electrode.
에틸렌카보네이트 및 디에틸카보네이트를 30:70의 중량비로 혼합하여 제조된 유기 용매 및 1.0M의 LiPF6를 포함하는 혼합 용매에, 전해액 총중량을 기준으로, 플루오로에틸렌 카보네이트 10 중량%를 첨가하여 비수성 전해액을 제조하였다. 10% by weight of fluoroethylene carbonate was added to a mixed solvent comprising an organic solvent prepared by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate at a weight ratio of 30:70 and 1.0 M of LiPF 6 based on the total weight of the electrolytic solution, Thereby preparing an electrolytic solution.
상대 전극(counter electrode)으로 리튬 금속 호일(foil)을 사용하였으며, 양 전극 사이에 폴리올레핀 분리막을 개재시킨 후 상기 전해액을 주입하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
A lithium metal foil was used as a counter electrode. A polyolefin separator was interposed between both electrodes, and the electrolyte was injected into the coin type half cell.
실시예Example 4 4
음극 활물질로서, 상기 실시예 1에서 제조된 음극 활물질을 사용하는 대신 실시예 2에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
A coin-shaped half-cell was prepared in the same manner as in Example 3, except that the negative electrode active material prepared in Example 2 was used instead of the negative active material prepared in Example 1 as the negative electrode active material.
비교예Comparative Example 4 내지 6 4 to 6
음극 활물질로서, 상기 실시예 1에서 제조된 음극 활물질을 사용하는 대신 비교예 1 내지 3에서 제조된 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
A coin-shaped half-cell was prepared in the same manner as in Example 2, except that the negative electrode active material prepared in Comparative Examples 1 to 3 was used as the negative electrode active material instead of the negative active material prepared in Example 1 above.
실험예Experimental Example 1 : 수명 특성 및 용량 특성 분석 1: Analysis of life characteristics and capacity characteristics
상기 실시예 3과 4, 및 비교예 4 내지 6에서 제조된 코인형 반쪽 전지의 충방전 사이클에 따른 용량 특성 및 수명 특성을 알아보기 위해, 실시예 3과 4, 및 비교예 4 내지 6에서 제조된 코인형 반쪽전지를 23℃에서 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 5mV, 0.005C까지 0.1C로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건에서 1.5 V 까지 0.1C로 방전하고, 용량을 측정하였다.In order to examine the capacity characteristics and lifespan characteristics of the coin-type half-cells manufactured in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 4 to 6 according to the charging and discharging cycles, in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 4 to 6 The coin-shaped half-cell was charged to 5 mV at a constant current / constant voltage (CC / CV) condition at 23 ° C and 0.1 C to 0.005 C at a temperature of 23 ° C. and discharged at 0.1 C to 1.5 V under a constant current (CC) .
이후에는 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 5mV, 0.005C까지 0.5C로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건에서 1.0V까지 0.5C로 방전하여 1 내지 50 사이클로 반복 실시하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Thereafter, the battery was charged at 0.5 C to 5 mV and 0.005 C at a constant current / constant voltage (CC / CV) condition, and discharged at 0.5 C to 1.0 V under a constant current (CC) condition. The results are shown in Table 1 below.
-수명 특성: (49번째 사이클 방전 용량/첫번째 사이클 방전 용량)×100- Life characteristics: (49th cycle discharge capacity / first cycle discharge capacity) 100
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, Si 입자, 및 평균 입경이 서로 다른 미립 및 조립 탄소 입자를 함께 포함하는 탄소 입자를 혼합한 음극 활물질을 사용한 실시예 3과 4의 이차전지가, 실리콘 입자 및 조립 탄소 입자만을 포함한 탄소 입자와 혼합한 비교예 4에 비해 용량 특성 및 효율 특성은 유사하나, 이차전지의 수명 특성이 약 10% 정도 향상됨을 확인할 수 있다. As can be seen from the above Table 1, the secondary batteries of Examples 3 and 4 using the negative electrode active material obtained by mixing Si particles and carbon particles together with fine granules and assembled carbon particles having different average particle sizes, The capacity characteristics and the efficiency characteristics are similar to those of Comparative Example 4, which is mixed with the carbon particles containing only the assembled carbon particles, but the lifetime characteristics of the secondary battery are improved by about 10%.
또한, 평균 입경이 5 ㎛ 이하인 미립 탄소 입자를 사용한 실시예 3 및 4는 평균 입경이 5.5 ㎛인 미립 탄소 입자를 사용한 비교예 5에 비해 수명 특성이 약 8% 정도 증가하였고, 0.5 ㎛인 미립 탄소 입자를 사용한 비교예 6 에 비해 효율 특성 및 수명 특성이 약 10% 이상의 증가율을 보였다. Further, in Examples 3 and 4 using fine carbon particles having an average particle diameter of 5 占 퐉 or less, the lifetime characteristics were increased by about 8% as compared with Comparative Example 5 using fine carbon particles having an average particle diameter of 5.5 占 퐉, The efficiency and lifetime characteristics showed an increase rate of about 10% or more as compared with Comparative Example 6 using particles.
따라서, 본 발명에 따라 Si 입자, 및 평균 입경이 서로 다른 미립 및 조립 탄소 입자를 함께 포함하는 탄소 입자를 혼합한 음극 활물질은 단일 탄소 입자를 사용한 경우에 비해 수명 특성이 우수하고, 특히 미립 탄소 입자의 평균 입경이 1 내지 5 ㎛인 경우, 상기 범위를 벗어나는 미립 탄소를 사용한 경우에 비해 용량 특성, 효율 특성은 동등 또는 그 이상이면서, 특히 수명 특성이 약 7 내지 10% 정도 향상되었음을 확인 할 수 있었다.Therefore, according to the present invention, the negative electrode active material obtained by mixing Si particles and carbon particles containing fine particulate and coarse carbon particles having different average particle diameters together is superior in life characteristic compared with the case of using single carbon particles, It was confirmed that the capacity characteristics and the efficiency characteristics were equal to or more than those of the case of using the fine carbon particles out of the above range and the lifetime characteristics were improved by about 7 to 10% .
따라서, 상기 우수한 용량 특성, 효율 특성 및 수명 특성을 갖는 본 발명의 음극 활물질은 이차전지에 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the negative electrode active material of the present invention having excellent capacity characteristics, efficiency characteristics, and life characteristics can be usefully used in a secondary battery.
110 : 실리콘계 입자
120 : 탄소 입자
210: 실리콘계 입자
220 : 조립 탄소 입자
230 : 미립 탄소 입자110: Silicon-based particles
120: carbon particles
210: Silicon-based particles
220: assembled carbon particles
230: fine carbon particles
Claims (18)
상기 탄소 입자는 평균 입경이 서로 다른 미립(微粒) 탄소 입자 및 조립(組粒) 탄소 입자를 포함하며,
상기 미립 탄소 입자의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 5 ㎛이며,
상기 조립 탄소 입자의 평균 입경(D50)은 10 ㎛ 내지 30 ㎛이고,
상기 미립 탄소 입자 및 조립 탄소 입자의 혼합비는 중량비로 1 : 4 내지 9인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
Silicon-based particles; And carbon particles,
The carbon particles include fine carbon particles and granulated carbon particles having different average particle diameters,
The average particle diameter (D 50 ) of the fine carbon particles is 1 탆 to 5 탆,
The mean particle diameter (D 50 ) of the assembled carbon particles is 10 탆 to 30 탆,
Wherein the mixture ratio of the fine carbon particles to the assembled carbon particles is 1: 4 to 9 by weight.
상기 실리콘계 입자 : 탄소 입자의 혼합비는 중량비로 1 : 1 내지 50인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the mixing ratio of the silicon-based particles to the carbon particles is 1: 1 to 50 by weight.
상기 미립 탄소는 탄소 입자 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 30 중량%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the fine carbon particles are contained in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the carbon particles.
상기 실리콘계 입자의 평균 입경(D50)은 0.01 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the average particle diameter (D 50 ) of the silicon-based particles is 0.01 μm to 20 μm.
상기 실리콘계 입자의 평균 입경(D50)은 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 음극 활물질.
8. The method of claim 7,
Wherein the average particle size (D 50 ) of the silicon-based particles is 0.01 μm to 10 μm.
상기 실리콘계 입자의 비표면적(BET-SSA)은 0.5 ㎡/g 내지 20 ㎡/g인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon-based particles have a specific surface area (BET-SSA) of 0.5 m 2 / g to 20 m 2 / g.
상기 실리콘계 입자는 SiOx (0≤x<2) 또는 하기 화학식 1의 실리콘계 화합물인 것을 특징으로 하는 음극 활물질:
<화학식 1>
MySi
상기 화학식 1에서, M은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Mg, Ca, B, P, Al, Ge, Sn, Sb, Bi 및 Li를 포함하는 어느 하나의 원소 또는 이들 중 2종 이상의 원소를 포함하고,
y는 0.001 내지 0.4이다.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon-based particles are SiOx (0? X <2) or a silicon-based compound represented by the following formula (1):
≪ Formula 1 >
MySi
M is at least one element selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, La, Hf, , Os, Mg, Ca, B, P, Al, Ge, Sn, Sb, Bi and Li, or two or more of these elements,
y is from 0.001 to 0.4.
상기 탄소 입자는 인조 흑연, 천연 흑연, 메조카본, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀(graphene), 섬유상 탄소 및 표면 피복된 흑연 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The carbon particles may be selected from the group consisting of artificial graphite, natural graphite, mesocarbon, amorphous hard carbon, low crystalline soft carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, super P, graphene, fibrous carbon and surface- Or a mixture of two or more thereof.
상기 미립 탄소의 형태는 구형, 각형, 인편상, 판상형, 점형 또는 이들의 혼합 형태인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the shape of the fine carbon is spherical, angular, flaky, plate-like, point-like, or a mixed form thereof.
상기 조립 탄소의 형태는 무정형, 인편상, 판상형, 섬유형, 구형 또는 이들의 혼합 형태인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the shape of the assembled carbon is amorphous, scaly, plate-like, fibrous, spherical, or mixed form thereof.
상기 실리콘계 입자는 표면에 탄소 코팅층이 포함된 실리콘계 입자인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon-based particles are silicon-based particles having a carbon coating layer on the surface thereof.
상기 탄소 코팅층에 포함된 탄소 코팅량은 실리콘계 입자 총중량에 대해 1 중량% 내지 30 중량%인 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
15. The method of claim 14,
Wherein the carbon coating amount contained in the carbon coating layer is 1 to 30 wt% based on the total weight of the silicon based particles.
상기 탄소 코팅층은 핏치(pitch) 또는 탄화수소계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
15. The method of claim 14,
Wherein the carbon coating layer comprises a pitch or a hydrocarbon-based material.
An anode comprising the anode active material of claim 1.
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