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KR101718367B1 - 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법 - Google Patents

전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101718367B1
KR101718367B1 KR1020140081445A KR20140081445A KR101718367B1 KR 101718367 B1 KR101718367 B1 KR 101718367B1 KR 1020140081445 A KR1020140081445 A KR 1020140081445A KR 20140081445 A KR20140081445 A KR 20140081445A KR 101718367 B1 KR101718367 B1 KR 101718367B1
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KR
South Korea
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nanosilicon
conductive material
carbon
composite
mixture
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KR1020140081445A
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유시철
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주식회사 지엘비이
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Abstract

본 발명에 따른 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질은, 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3) 및 코크(4)를 포함하여 구성되며, 나노실리콘 입자들이 전도성 물질(3) 중에 분산되어 있고, 상기 나노실리콘(2)과 상기 전도성 물질(3)의 상대적인 중량비율은 1 : 0.3 ~ 1 : 5의 범위에 있다. 그리고 본 발명에 따른 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법은 나노 실리콘을 전도성 카본블랙이나 탄소나노튜브에 분산시킨 후 피치에 혼합하고 600~1500 oC에서 열처리하여 나노실리콘과 탄소의 복합체를 형성한 것으로, 복합체내의 나노실리콘이 전도체에 둘러싸여 부피팽창에 따른 수명저하를 현저히 개선하는 효과가 있다.

Description

전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법{Anode material for lithium ion secondary battery which is composed of carbon and nanosilicon diffused on the conducting material and the manufacturing method thereof}
본 발명은 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘의 부피팽창에 따른 실리콘계 음극의 수명 열화를 해결하기 위한 것이다. 특히 본 발명은 나노실리콘를 전도성 물질에 분산시키고 그 분산체를 탄소와 열처리하여 복합화시킴으로써 나노실리콘-탄소의 복합체 내에 존재하는 전도체로 인해 부피팽창 및 구조붕괴에 따른 실리콘의 사용할 수 없는 부분을 줄이는 획기적인 효과를 거둘 수 있다.
리튬이온 이차전지는 소형, 경량, 대용량 전지로서 1991년에 등장한 이래, 휴대기기의 전원으로서 널리 사용되었다. 최근 들어 전자, 통신, 컴퓨터 산업의 급속한 발전에 따라 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC등이 출현하여 눈부신 발전을 거듭하고 있으며, 이들 휴대용 전자정보통신기기들을 구동할 동력원으로서 리튬이온이차전지에 대한 수요가 나날이 증가하고 있다.
특히 최근에는 국제유가의 불안정, 지구온난화에 따른 세계 각국의 환경규제에 따라 친환경 자동차 시장이 급성장과 대형발전소에 의존한 발전/송배전 체계인 기존의 중앙집중형 대신에 분산형 발전 시스템 특별히 스마트 그리드(Smart Grid)시스템의 미래 도입가능성의 확대 등으로 에너지 저장용 2차전지의 개발 특히 고에너지 밀도의 전극 소재 개발이 매우 중요하게 되었다.
또한 휴대전화와 테블릿 PC, 노트북 PC, PDA등 휴대용 전자기기의 기능이 다양화되고 소형화 추세로 인해 사용전원인 배터리의 고에너지 밀도화가 요구되고 있다.
모바일 기기용 리튬이차전지의 음극재료는 흑연이 지속적으로 사용되어 왔으며, 특별히 천연흑연이 근래에 가격 장점 때문에 인조흑연을 대체해가고 있다. 하지만 흑연은 371mAh/g이라는 이론 용량 한계를 갖고 있어, 이러한 용량의 한계를 극복하고 고에너지 밀도화를 달성하기 위해서는 4200mAh/g의 큰 이론용량을 갖고 있는 실리콘 소재에 대한 연구가 집중되었지만, 실리콘 소재는 이론용량은 크지만 충전시에 부피가 4배까지 증가해 실리콘 내부의 응력이 균열을 일으켜 구조가 붕괴되는 현상이 일어나게 되는 단점이 있었다. 실리콘의 이러한 구조 붕괴는 전극의 전자 전달을 막아 전극 내 사용할 수 없는 공간이 발생하고 그 결과 실리콘의 용량 감소 및 수명의 저하가 문제가 되었다.
이러한 실리콘소재의 단점을 극복하고 장점을 활용하기 위한 방법으로 실리콘을 흑연표면에 코팅하는 기술이 대한민국특허 제1219171호(특허출원번호 제10-2006-0061064호)에 개시되었으나, 표면 코팅 두께가 커지면 저항이 증가하므로 두께를 얇게 하여야 하고, 그 결과 수명유지를 위해서는 500 mAh/g이하의 용량 한계를 갖는 문제점이 있었다.
실리콘과 비정질 탄소의 복합화에 관해서는 대한민국특허 제595896호, 특허 제1365112호, 특허 제830612호, 특허출원 제10-2011-0097597호, 특허출원 제 10-2012-0048236호에 게시되어 있으나, 부피팽창을 억제하고 수명유지 특성을 갖기 위해서는 작은 양의 실리콘이 포함되어야 하며, 이는 실리콘의 전도성하락에 기인한다.
본 발명은, 상기와 같은 부피팽창에 따른 실리콘계 음극의 수명 열화를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명은 나노실리콘를 전도성 물질에 분산시키고 그 분산체를 탄소와 열처리하여 복합화시킴으로써 나노실리콘-탄소의 복합체 내에 존재하는 전도체로 인해 부피팽창 및 구조붕괴에 따른 실리콘의 사용할 수 없는 부분을 줄이는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은, 전도체와 복합체 내에 존재하는 비정질 카본으로 인해 부피팽창에 따른 구조붕괴를 억제하는 완충제 역할을 할 수 있도록 하며, 특히 나노실리콘을 카본블랙 또는 탄소나노튜브와 혼합하고 볼밀 작업을 수행해서 전도체 내에 나노실리콘을 분산시킨 후 피치와 혼합하여 500 ~ 1400 oC로 열처리함으로써, 탄소-나노실리콘 복합체를 제조한다.
본 발명은 수명특성이 현격히 개선된 리튬2차전지용 음극물질을 제공하는 것을 목적으로 할 뿐만 아니라, 이러한 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질은, 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3) 및 코크(4)를 포함하여 구성되며, 나노실리콘 입자들이 전도성 물질(3) 중에 분산되어 있고, 상기 나노실리콘(2)과 상기 전도성 물질(3)의 상대적인 중량비율은 1 : 0.3 ~ 1 : 5의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법은, 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3)을 혼합하여 나노실리콘(2)의 입자들이 전도성 물질(3) 중에 균질하게 분산된 제1혼합물을 만드는 제1단계; 및 상기 제1혼합물을 피치류 물질과 혼합한 후 500~1400 ℃에서 비활성 분위기에서 열처리하여 나노실리콘과 탄소의 복합체(1)를 제조하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법은, 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3)을 혼합하여 나노실리콘(2)의 입자들이 전도성 물질(3) 중에 균질하게 분산된 제1혼합물을 만드는 제1단계; 및 상기 제1혼합물을 고분자 물질과 혼합한 후 500~1400 ℃에서 비활성 분위기에서 열처리하여 나노실리콘과 탄소의 복합체(1)를 제조하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법은, 상기 제2단계에서 제조된 나노실리콘과 탄소의 복합체(1)에 천연흑연을 3 : 7 ~ 7 : 3의 중량비율로 혼합하는 제3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 상기 나노실리콘(2)은 입자의 크기가 10~500㎚의 범위에 있으며, 상기 전도성 물질(3)은 탄소나노튜브, 카본블랙, 그래핀 시트(graphene sheet), 분쇄된 카본류 등을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질에 의하면, 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체는 실리콘의 전도성을 잘 유지시켜 주고 넓은 표면적과 빈 공간을 형성 완충제 역할을 함으로서 리튬이온 이차전지의 수명을 획기적으로 향상시킬 수가 있다.
도1은 본 발명에 따른 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법과 그 시험방법을 순서도 형태로 정리한 것이다.
도2는 탄소-나노실리콘 복합체의 이상도이다.
도3은 본 발명의 실시예들(실시예1~4) 및 비교예에서 사용된 전도체 물질의 종류와 각 혼합물질들간의 조성비, 효율, 용량 및 수명을 정리한 표이다.
도4는 본 발명의 실시예1에 있어서 전도성 물질인 탄소나노튜브(3)에 분산된 나노실리콘(2)의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도5는 본 발명의 실시예1에 있어서 전도성 물질인 탄소나노튜브(3)에 나노실리콘 입자들(2)이 분산되어 있는 상태의 나노실리콘-탄소 복합체(1)의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도6은 본 발명의 실시예3에 있어서 전도성 물질에 분산된 나노실리콘(2)과 나노실리콘-탄소복합체(1)의 SEM 사진이다.
도7은 본 발명의 실시예4에 있어서 전도성 물질인 카본블랙(3a)에 나노실리콘(2)이 분산되어 있는 상태를 보이는 SEM사진이다.
도8은 본 발명의 실시예4에 있어서 전도성 물질인 카본블랙(3a)에 나노실리콘(2)이 분산되어 있는 나노실리콘과 탄소 복합체(1)의 SEM사진이다.
도9는 비교예1에 따른 나노실리콘(2)과 탄소복합체(100)에 대한 SEM사진이다.
도10은 본 발명의 실시예1, 실시예2, 실시예3, 실시예4와 비교예1의 용량곡선을 대비하여 도시한 그래프이다.
도11은 본 발명의 실시예1, 실시예2, 실시예3, 실시예4 및 비교예1의 수명곡선들을 도시한 그래프이다.
이하 첨부한 도면들을 참고하여, 본 발명에 따른 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법의 구성 및 작용효과를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온이차전지용 음극활물질의 제조방법과 그 시험방법을 순서도 형태로 정리한 것이다. 도1을 참고하여, 본 발명의 음극활물질 제조방법에 관한 구성을 설명한다.
1. 전구체의 제조 (S1 단계)
우선, 나노실리콘과 전도성 물질을 볼밀(ball mill)로 혼합하여 나노실리콘이 전도성물질에 전체적으로 균질하게 분산되도록 한다. 볼 밀링은 소프트한 용기에 활물질과 볼(ball)의 비율을 1:1에서 1:50까지 섞어 혼합하고, 볼은 직경 0.1 ~ 3㎜로하고, 볼밀의 회전속도는 50 ~ 300 rpm으로 한다.
상기의 나노실리콘은 10 ~ 500nm의 크기로서 제조방식, 형태에는 제한받지 않으며, 상기의 전도성 물질로는 카본블랙류, 탄소나노튜브, 그래핀시트(graphene sheet), 분쇄된 카본류 등이 포함된다.
그리고 상기의 볼밀 용기로는 소프트한 재질의 HDPE, PE, PP, TEFLON 및 PTFE 등을 적용할 수 있다.
볼밀 후에는 전도성 물질 내에 나노실리콘이 균등하게 흡착되어 있어야 하며, 나노실리콘 입자가 서로 일정한 사이즈로 전도성 물질 내에 응집된 형태를 갖게 된다.
2. 나노실리콘, 전도체 혼합물과 카본 복합체의 제조 (S2 단계)
나노실리콘과 전도체의 혼합물를 피치류 또는 고분자류와 혼합한후 500 ~ 1400 oC에서 비활성 분위기에서 열처리하여 나노실리콘과 카본복합체를 제조한다.
상기의 피치류는 콜타르 피치, 석유계 피치(petroleum pitch)를 포함하고, 상기의 고분자류는 PVA, PVC, PVdF, PS 등을 포함한다.
상기의 전구체와 피치류 또는 고분자류와 혼합방식은 고상혼합과 액상혼합이 모두 가능하며, 액상혼합의 용매로는 물, 알콜류, NMP, 벤젠, 퀴놀린 등을 사용할 수 있다.
3. 전극 및 테스트용 전지의 제조 (S3 단계)
제조된 나노실리콘과 카본 복합체를 음극 활물질로 하고, 바인더로 PVdF, 도전제로 카본블랙(Super-P)을 사용하여 이들의 혼합비율을 60:25:15의 중량비율로 해서 음극을 제조하였다. 제조된 음극에 대극으로 리튬금속을 사용하고, 양 전극사이에 분리막을 사용하였으며, 전해액을 주입하여 파우치형 셀을 제조하여 테스트하였다.
상기에 사용가능한 전해액의 용매로는 에스테르(ester)로서, 예를 들면 에틸렌 카보네이트(ethylene carbornate)(EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)(PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate)(BC) 및 비닐렌 카보네이트(carbonate)(VC)등의 환상 카보네이트(carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate)(DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate)(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate)(EMC) 및 디프로필카보네이트(DPC)등의 비환상 카보네이트(carbonate), 포름산 메틸, 초산메틸(MA), 프로피온산 메틸(methyl)(MP) 및 프로피온산 에틸(ethyl)(MA)등의 지방족 카르본산 에스테르(ester), 부틸로 락톤(lactone)(GBL)등의 환상 카르본산 에스테르(ester)등을 들 수 있다. 이중에 특히 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC)의 환상 카보네이트와 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC)의 고리형 카보네이트의 혼합이 바람직하다.
이러한 용매에 용해하는 리튬염으로는 LiClO₄, LiBF₄,LiPF6, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCF3SO₃, LiCF3CO₂, Li(CF3SO₂)₂, LiAsF6, LiN(CF3SO₂)₂, LiB10Cl10, 저급 지방족 카르본산 리튬(Lithium), 클로로 보란 리튬(chloro borane Lithium), 사페닐 붕산리튬, 또는 LiN(CF3SO2)(C2F5SO2), LiN(CF3SO2)₂, LiN(C2F5SO2)2 및 LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)등의 이미드(imide)류를 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 본 발명의 효과를 손상시키지 않은 범위에서 임의로 조합하여 사용될 수 있다. 이중에 특히 LiPF6를 포함하는 것이 바람직하다.
상기의 분리막(세퍼레이터)은 다공성 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌계 혹은 폴리프로필렌계 폴리머를 주로 사용한다.
이하, 실시예들을 들어서 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예1>
(1) 볼밀 혼합체의 제조
100nm 크기의 나노실리콘 5g과 탄소나노튜브 5g를 혼합하고, 볼 200g을 HDPE 1L용기에 넣고, 100rpm 속도로 볼 밀링기에서 볼밀 혼합하였다. 볼밀 혼합후의 형상을 도4에 표시하였다. 탄소나노튜브(3)의 표면에 나노실리콘(2) 입자들이 골고루 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
(2) 나노실리콘과 탄소 복합체의 제조
콜타르 피치 20g을 적정한 양의 N-메틸피롤리돈(NMP)으로 녹인 후 그 녹인 용액 내에 상기에서 제조된 볼밀 혼합물 10g을 집어넣고 혼합하여 석영관에 넣고 1100oC에까지 승온하되, 승온 속도를 분당 4 oC로 하고 유지시간 1시간으로 하여 열처리한다. 이러한 과정을 거쳐서 나노실리콘과 탄소 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체에 대한 형상을 도5에 표시하였는데, 도5의 <b> 도면은 볼밀 혼합물에 탄소(4)가 전체적으로 덮여 있는 것을 보여준다.
(3) 나노실리콘과 탄소 복합체의 전기화학적 평가
제조된 나노실리콘과 카본 복합체를 음극 활물질로 하고, 바인더로 PVDF, 도전제로 카본블랙(Super-P)을 사용하여 60:25:15의 중량비율로 혼합함으로써 음극을 제조하였다.
이렇게 제조된 음극과, 리튬포일을 상대 전극으로 하여, 다공성 폴리에틸렌막(Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트와 디에틸 카보네이트가 부피비로 1:2로 혼합된 용매에 LiPF6가 1몰 농도로 녹아 있는 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 제조공정에 따라 파우치 전지를 제조하였다.
상기 제조된 전지를 충방전기를 사용하여 방전(discharge)시에는 0.01V까지 0.2C 정전류로 하고, 0.01V에서 0.05C 전류까지 정전압으로 방전(discharge)한 후에 2.0볼트까지 정전류로 충전(charge) 하여 25℃에서 전지용량 및 효율을 평가하였다.
수명특성은 방전, 충전시 정전류로 0.5C를 사용한 것외에는 위와 동일하게 테스트하였다. 충방전 곡선을 도10에 도시하고, 수명 곡선을 도11에 표시하였는데, 이때 전지의 용량은 733mAh, 효율은 72.6%, 수명은 30사이클까지 92.3%로 잘 유지되고 있음을 알 수 있다.
<실시예2>
(1) 전지의 제조
제조된 나노실리콘과 카본 복합체와 크기 10
Figure 112014061768670-pat00001
m 천연흑연을 50:50으로 음극 혼합하여 음극 활물질로 하고, 바인더로 PVDF, 도전제로 카본블랙(Super-P)를 사용하여 80:20으로 음극을 제조하였다. 제조된 음극을 상기의 실시예1의 전지 제조와 동일하게 용량 및 수명을 측정하여, 도10 및 도11에 표시하였다.
천연 흑연을 함께 섞어 줌으로서 전지의 용량은 480mAh/g으로 줄었으나 수명은 30사이클까지 94.8%로 잘 유지됨을 볼 수 있다.
<실시예3>
(1) 볼밀 혼합체의 제조
탄소나노튜브 5.0g 대신에 2.5g을 사용한 것 외에는 실시예1과 동일하게 제조하였다.
(2) 나노실리콘과 탄소 복합체의 제조
콜타르 피치 12.5g을 사용한 것 외에는 실시예1과 동일하게 제조하였고, 그 탄소복합체의 입자 형상을 도6에 표시하였다. 탄소(4)가 볼밀혼합체(1)를 균등하게 덮고 있는 것을 볼 수 있다.
(3) 나노실리콘과 탄소 복합체의 전기화학적 평가
실시예1과 동일한 방식으로 전지를 제조하여 평가하였고, 충방전 곡선을 도10에 도시하고, 수명곡선을 도11에 표시하였는데, 이때 전지의 용량은 949 mAh이고, 효율은 78.1%로 나타났으며, 수명은 30사이클까지 79.8%를 유지하는 것으로 나타났다.
<실시예4>
(1) 볼밀 혼합체의 제조
탄소나노튜브 5.0g 대신에 카본블랙(Super P) 10g을 사용한 것 외에는 실시예1과 동일하게 제조하였다. 복합체의 표면형상은, 도7에서 볼 수 있듯이, 카본블랙(3a)과 나노실리콘(2)이 균등하게 분산되어 있는 것을 볼 수 있다.
(2) 나노실리콘과 탄소 복합체의 제조
콜타르 피치 15g을 사용하고 볼밀복합체 15g을 사용한 것 외에는 실시예1과 동일하게 제조하였는데, 이때의 탄소복합체의 형상을 도8에 표시하였다. 도8을 보면, 탄소(4)가 볼밀혼합체(1)를 균등하게 덮고 있는 것을 볼 수 있다.
(3) 나노실리콘과 탄소 복합체의 전기화학적 평가
실시예1과 동일한 방식으로 전지를 제조하여 평가하였고, 충방전 곡선을 도10에 도시하고, 수명 곡선을 도11에 표시하였다. 이 전지의 용량은 685mAh, 효율은 74.5%, 수명은 30사이클까지 77.6%를 유지하고 있음을 알 수 있다.
<비교예1>
(1) 나노실리콘과 탄소 복합체의 제조
나노실리콘과 탄소나노튜브의 볼밀 혼합 없이 콜타르 피치 25g을 NMP에 녹인 후 여기에 나노실리콘 5g을 넣어 실시예1과 동일한 방식으로 열처리 하였다. 도9에 그 표면 형상을 나타내었으며, 이 사진을 보면, 탄소 구조 내에 완전히 나노실리콘이 혼합되어 일반 코크의 구조와 동일하였다.
(2) 나노실리콘과 탄소 복합체의 전기화학적 평가
실시예 1과 동일한 방식으로 전지를 제조하여 평가하였고, 충방전 곡선을 도10에 도시하고, 수명곡선을 도11에 표시하였다. 이 전지의 용량은 699mAh, 효율은 72.7%, 수명은 30사이까지 63.7%로 실시예에 비교하여 유지율이 매우 낮았다.
표1에서 볼 수 있듯이 나노실리콘과 카본나노튜브 및 카본블랙을 볼밀 혼합할 경우에 수명특성이 현격히 향상됨을 알 수가 있으며 이는 카본나노튜브가 실리콘 소재의 전도성을 계속적으로 유지시켜 줌과 동시에 완충제 역할을 하고 있기 때문이다.
1: 나노실리콘-카본 복합체 2: 나노실리콘(nano silicon)
3: 카본나노튜브(carbon nanotube) 3a: 카본블랙
4: 코크(coke)
10: 나노실리콘와 카본나노튜브의 밀 혼합체 입자
100: 나노실리콘과 탄소의 복합체 입자

Claims (7)

  1. 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3)을 혼합하여 나노실리콘(2)의 입자들이 전도성 물질(3) 중에 균질하게 분산된 제1혼합물을 만드는 제1단계; 및
    상기 제1혼합물을 피치류 물질과 혼합한 후 500~1400 ℃에서 비활성 분위기에서 열처리하여 나노실리콘과 탄소의 복합체(1)를 제조하는 제2단계;를 포함하며,
    상기 제1단계는 볼밀(ball mill)에 의해서 상기 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3)을 혼합하되, 볼밀 작업은 합성수지 재질의 용기에 상기 나노실리콘 및 전도성 물질을 투입한 상태에서 상기 나노실리콘(2) 및 전도성 물질(3)의 양에 대해 1~50배의 중량비율로 볼들을 투입하여 진행하고,
    이때 상기 나노실리콘(2)은 입자의 크기가 10~500㎚의 범위에 있으며, 상기 전도성 물질(3)은 탄소나노튜브 또는 카본블랙이고,
    상기 볼밀 속의 볼들의 직경은 0.1~3㎜이고, 상기 볼밀의 회전속도는 50~300rpm이며,
    상기 제1단계의 볼밀 작업 후에는 상기 전도성 물질에 나노실리콘이 균등하게 흡착되어 있으며, 나노실리콘 입자가 일정한 사이즈로 상기 전도성 물질내에 응집된 형태를 갖게 되고,
    상기 피치류 물질은 콜타르 피치 및 석유계 피치를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는, 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
  2. 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3)을 혼합하여 나노실리콘(2)의 입자들이 전도성 물질(3) 중에 균질하게 분산된 제1혼합물을 만드는 제1단계; 및
    상기 제1혼합물을 고분자 물질과 혼합한 후 500~1400 ℃에서 비활성 분위기에서 열처리하여 나노실리콘과 탄소의 복합체(1)를 제조하는 제2단계;를 포함하며,
    상기 제1단계는 볼밀(ball mill)에 의해서 상기 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3)을 혼합하되, 볼밀 작업은 합성수지 재질의 용기에 상기 나노실리콘 및 전도성 물질을 투입한 상태에서 상기 나노실리콘(2) 및 전도성 물질(3)의 양에 대해 1~50배의 중량비율로 볼들을 투입하여 진행하고,
    이때 상기 나노실리콘(2)은 입자의 크기가 10~500㎚의 범위에 있으며, 상기 전도성 물질(3)은 탄소나노튜브 또는 카본블랙이고,
    상기 볼밀 속의 볼들의 직경은 0.1~3㎜이고, 상기 볼밀의 회전속도는 50~300rpm이며,
    상기 제1단계의 볼밀 작업 후에는 상기 전도성 물질에 나노실리콘이 균등하게 흡착되어 있으며, 나노실리콘 입자가 일정한 사이즈로 상기 전도성 물질내에 응집된 형태를 갖게 되고,
    상기 고분자 물질은 폴리비닐알콜(PVA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF) 및 폴리스티렌(PS)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는, 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2단계에서 제조된 나노실리콘과 탄소의 복합체(1)에 천연흑연을 3 : 7 ~ 7 : 3의 중량비율로 혼합하는 제3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 나노실리콘(2)과 전도성 물질(3) 및 코크(4)를 포함하여 구성되며, 나노실리콘 입자들이 전도성 물질(3) 중에 분산되어 있고, 코크(4)가 상기 나노실리콘과 전도성 물질의 복합물을 둘러싸고 있으며,
    상기 나노실리콘(2)과 상기 전도성 물질(3)의 상대적인 중량비율은 1 : 0.3 ~ 1 : 5의 범위에 있으며,
    상기 나노실리콘(2)은 입자의 크기가 10~500㎚의 범위에 있으며, 상기 전도성 물질(3)은 탄소나노튜브 또는 카본블랙이고,
    상기 나노실리콘은 상기 전도성 물질에 균등하게 흡착되어 있으며, 나노실리콘 입자가 일정한 사이즈로 상기 전도성 물질내에 응집된 형태로 존재하고,
    상기 코크(4)는, 상기 나노실리콘과 전도성 물질의 혼합물을 피치류 물질 또는 고분자류 물질과 혼합한 후 500~1400℃의 온도에서 비활성 분위기에서 열처리함으로써 생성된 것이고,
    상기 피치류 물질은 콜타르 피치 및 석유계 피치를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 물질이고, 상기 고분자류 물질은 폴리비닐알콜(PVA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF) 및 폴리스티렌(PS)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는, 전도성 물질에 분산된 나노실리콘과 탄소의 복합체로 구성된 리튬이온 이차전지용 음극활물질.
  7. 삭제
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