KR20130107892A - Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 기재는 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조방법, 그리고 이를 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.
The present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 리튬 이차 전지가 휴대용 전자기기뿐 아니라 전기자동차 등 중대형 리튬 이차 전지로 응용이 확대됨에 따라 고용량 및 충방전 출력 특성 향상이 요구되고 있다. Recently, as the application of lithium secondary batteries to medium and large-sized lithium secondary batteries such as electric vehicles as well as portable electronic devices, high capacity and charge / discharge output characteristics are required to be improved.
그러나 현재 상용화되어 있는 음극 활물질로서 흑연은 이론적 용량이 약 372 mAh/g으로 제한되어 있어 새로운 고용량 음극 활물질 개발이 시급한 실정이다.However, graphite as a commercially available negative active material is limited to a theoretical capacity of about 372 mAh / g, so it is urgent to develop a new high capacity negative active material.
흑연을 대체 할 수 있는 재료로서 종래부터 실리콘(Si) 이나 그 화합물이 검토되어 왔다. 실리콘은 리튬과의 화합물 형성 반응을 통해 리튬을 가역적으로 흡장 및 방출하며 이론적 최대 용량이 약 4200mAh/g(9800mAh/cc, 비중 2.23)으로서 흑연에 비해 매우 크기 때문에 고용량 음극 재료로 유망하다. As a material which can replace graphite, silicon (Si) or its compound has been studied conventionally. Silicon reversibly occludes and releases lithium through compound formation reaction with lithium and is promising as a high capacity cathode material because its theoretical maximum capacity is about 4200 mAh / g (9800 mAh / cc, specific gravity 2.23), which is much larger than graphite.
그러나 충전 및 방전시 리튬과의 반응에 의해서 부피 변화가 일어나며, 이로 인하여 실리콘 활물질 분말의 미분화 및 실리콘 활물질 분말과 집전체와의 전기적 접촉 불량이 발생한다. 이로 인해 전지의 충전 및 방전 사이클이 진행됨에 따라 전지 용량이 급격하게 감소되어 사이클 수명이 짧아지는 원인이 된다.However, during charging and discharging, a volume change occurs due to reaction with lithium, which causes micronization of the silicon active material powder and poor electrical contact between the silicon active material powder and the current collector. As a result, as the charge and discharge cycles of the battery proceed, the battery capacity is drastically reduced, which causes the cycle life to be shortened.
이에 따라 충방전 사이클 특성을 개선하기 위해 실리콘(Si) 또는 그 화합물 입자를 형성하거나, 이들 화합물 입자와 탄소와의 복합체 활물질을 이용하는 방법이 검토되어 왔다. 그러나 여전히 리튬 이차 전지용 음극 활물질로 사용하기에는 용량, 사이클 특성 및 출력 특성의 향상이 충분하지 않다.
Accordingly, in order to improve charge and discharge cycle characteristics, a method of forming silicon (Si) or a compound particle thereof or using a composite active material of these compound particles and carbon has been studied. However, there is still not enough improvement in capacity, cycle characteristics, and output characteristics for use as a negative electrode active material for lithium secondary batteries.
본 발명의 일 구현예는 충방전 용량이 크고, 사이클 수명 특성이 우수하며, 높은 전류밀도에서의 충방전 출력 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공하기 위한 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a negative active material for a lithium secondary battery having a large charge and discharge capacity, excellent cycle life characteristics, excellent charge and discharge output characteristics at a high current density.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing the negative electrode active material for a lithium secondary battery.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
Another embodiment of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode active material for the lithium secondary battery.
본 발명의 일 구현예는 하드 카본 및 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 코어 입자, 그리고 상기 코어 입자의 표면에 위치하는 쉘 층을 포함하고, 상기 쉘 층은 결정질 흑연 미립자, 그래핀, 카본블랙 및 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 탄소 미립자; 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.One embodiment of the present invention includes a core particle comprising at least one selected from hard carbon and soft carbon, and a shell layer located on the surface of the core particle, wherein the shell layer comprises crystalline graphite fine particles, graphene, carbon At least one carbon fine particle selected from black and carbon nanotubes; Silicon or silicon alloy fine particles; And it provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery containing amorphous or semi-crystalline carbon.
상기 코어 입자의 평균입경(D50)은 2 내지 20 ㎛일 수 있다. The average particle diameter (D50) of the core particles may be 2 to 20 ㎛.
상기 코어 입자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 5 내지 97 중량%로 포함될 수 있다.The core particles may be included in 5 to 97% by weight based on the total amount of the negative electrode active material.
상기 탄소 미립자는 0.003 내지 5 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. The carbon fine particles may have an average particle diameter (D50) of 0.003 to 5 ㎛.
상기 결정질 흑연 미립자는 인조 흑연, 천연 흑연 및 섬유상 탄소로부터 선택되는 적어도 하나를 분리 또는 분쇄하여 얻어질 수 있고, 구체적으로는 토상 흑연을 분리 또는 분쇄하여 얻어질 수 있다.The crystalline graphite fine particles may be obtained by separating or pulverizing at least one selected from artificial graphite, natural graphite and fibrous carbon, and specifically, may be obtained by separating or pulverizing soil graphite.
상기 탄소 미립자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.The carbon fine particles may be included in 1 to 90% by weight based on the total amount of the negative electrode active material.
상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 0.005 내지 2 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. The silicon or silicon alloy fine particles may have an average particle diameter (D50) of 0.005 to 2 ㎛.
상기 실리콘 합금 미립자는 입자 내에 Si상; 및 Si과 Li, Ge, Sn, Al, Sb, B, P, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, W 및 O로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물 상이 혼합되어 존재할 수 있다.The silicon alloy fine particles are Si phase in the particle; And Si, Li, Ge, Sn, Al, Sb, B, P, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd Compound phases comprising at least one element selected from Ag, Ta, W and O may be present in admixture.
상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.The silicon or silicon alloy fine particles may be included in 1 to 90% by weight based on the total amount of the negative electrode active material.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 5 내지 90 : 10 내지 95의 중량비로 혼합될 수 있다. The carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles may be mixed in a weight ratio of 5 to 90:10 to 95.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 수크로오스(sucrose), 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 퓨란 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리이미드, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 타르 및 저분자량 중질유로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 탄소 전구체로부터 형성될 수 있다.The amorphous or semicrystalline carbon may be sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyamide, furan resin, cellulose, styrene, polyyi It may be formed from a carbon precursor including at least one selected from the group consisting of mid, epoxy resin, vinyl chloride resin, coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesoface pitch, tar and low molecular weight heavy oil.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 93 중량%로 포함될 수 있다.The amorphous or semicrystalline carbon may be included in an amount of 1 to 93% by weight based on the total amount of the negative electrode active material.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 혼합물과, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 10 내지 95 : 5 내지 90의 중량비로 혼합될 수 있다.The mixture of the carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles and the amorphous or semicrystalline carbon may be mixed in a weight ratio of 10 to 95: 5 to 90.
상기 코어 입자의 평균입경(D50)과 상기 쉘 층의 두께의 비율은 17 내지 99.5 : 0.5 내지 83 일 수 있다.The ratio of the average particle diameter (D50) of the core particles and the thickness of the shell layer may be 17 to 99.5: 0.5 to 83.
상기 음극 활물질은 상기 쉘 층의 표면에 위치하고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층을 더 포함할 수 있고, 상기 코팅층의 두께는 0.01 내지 5 ㎛일 수 있다.The anode active material may further include a coating layer disposed on the surface of the shell layer and including the amorphous or semicrystalline carbon, and the thickness of the coating layer may be 0.01 to 5 μm.
상기 음극 활물질은 상기 쉘 층의 표면에 위치하고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소; 및 상기 결정질 흑연 미립자, 상기 그래핀, 상기 카본블랙 및 상기 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 상기 탄소 미립자를 포함하는 코팅층을 더 포함할 수 있고, 상기 코팅층의 두께는 0.01 내지 5 ㎛일 수 있다.The anode active material is located on the surface of the shell layer and the amorphous or semicrystalline carbon; And a coating layer including at least one carbon fine particle selected from the crystalline graphite fine particles, the graphene, the carbon black, and the carbon nanotubes, and the thickness of the coating layer may be 0.01 to 5 μm. .
상기 음극 활물질의 평균입경(D50)은 2 내지 40 ㎛일 수 있다. The average particle diameter (D50) of the negative electrode active material may be 2 to 40 ㎛.
상기 음극 활물질은 상기 하드 카본 및 상기 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 상기 코어 입자, 그리고 상기 코어 입자의 표면에 위치하는 상기 쉘 층을 포함하고, 상기 쉘 층은 상기 토상 흑연을 분리 또는 분쇄하여 얻어지는 상기 결정질 흑연 미립자; 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함할 수 있다.The negative electrode active material includes the core particle including at least one selected from the hard carbon and the soft carbon, and the shell layer located on the surface of the core particle, wherein the shell layer separates or grinds the earth graphite. The crystalline graphite fine particles obtained by The silicon or silicon alloy fine particles; And the amorphous or semicrystalline carbon.
상기 음극 활물질은 상기 하드 카본 및 상기 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 상기 코어 입자, 그리고 상기 코어 입자의 표면에 위치하는 상기 쉘 층을 포함하고, 상기 쉘 층은 상기 카본블랙; 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함할 수 있다.The negative electrode active material includes the core particle including at least one selected from the hard carbon and the soft carbon, and the shell layer located on a surface of the core particle, wherein the shell layer comprises the carbon black; The silicon or silicon alloy fine particles; And the amorphous or semicrystalline carbon.
본 발명의 다른 일 구현예는 하드 카본 및 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 코어 입자의 표면을, 결정질 흑연 미립자, 그래핀, 카본블랙 및 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 탄소 미립자; 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체의 혼합물로 코팅하여 복합 입자를 얻는 단계; 및 상기 복합 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the surface of the core particle including at least one selected from hard carbon and soft carbon may include at least one carbon fine particle selected from crystalline graphite fine particles, graphene, carbon black, and carbon nanotubes; Silicon or silicon alloy fine particles; And coating with a mixture of amorphous or semicrystalline carbon precursors to obtain composite particles; And heat treating the composite particles. The present invention also provides a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 음극 활물질의 제조 방법은 상기 복합 입자의 표면을 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the negative active material may further include coating the surface of the composite particle with the amorphous or semicrystalline carbon precursor.
상기 음극 활물질의 제조 방법은 상기 복합 입자의 표면을 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체; 및 상기 결정질 흑연 미립자, 상기 그래핀, 상기 카본블랙 및 상기 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 상기 탄소 미립자로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.Method for producing the negative electrode active material is a surface of the composite particles of the amorphous or semi-crystalline carbon precursor; And coating the at least one carbon fine particle selected from the crystalline graphite fine particles, the graphene, the carbon black, and the carbon nanotubes.
상기 열처리는 질소, 아르곤, 수소 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있고, 500 내지 2500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed under an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen or a mixed gas thereof, or under vacuum, and may be performed at a temperature of 500 to 2500 ° C.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극; 양극; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention is a negative electrode comprising the negative electrode active material; anode; And a lithium secondary battery comprising the electrolyte.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.
충방전 용량이 크고, 사이클 수명 특성이 우수하며, 높은 전류밀도에서의 충방전 출력 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.
A lithium secondary battery having a large charge and discharge capacity, excellent cycle life characteristics, and excellent charge and discharge output characteristics at a high current density can be implemented.
도 1은 일 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.
도 3은 또 다른 일 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.
도 4 내지 10은 각각 실시예 1 내지 7에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 11 및 12는 각각 비교예 1 및 2에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13은 실시예 1 내지 7에서 쉘 층의 형성에 사용된 실리콘 미립자의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 14는 실시예 3에 따른 음극 활물질 내의 실리콘 미립자의 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) Mapping 사진이다.
도 15는 실시예 1 내지 3 및 6에서 사용된 토상 흑연 미립자의 입도 분포도이다.
도 16은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.
도 17은 실시예 2 및 비교예 2에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.
도 18은 실시예 3 및 실시예 6에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.1 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to an embodiment.
2 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to another embodiment.
3 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to another embodiment.
4 to 10 are scanning electron microscope (SEM) photographs of negative electrode active materials according to Examples 1 to 7, respectively.
11 and 12 are scanning electron microscope (SEM) photographs of the negative electrode active materials according to Comparative Examples 1 and 2, respectively.
FIG. 13 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the silicon fine particles used for forming the shell layer in Examples 1 to 7. FIG.
14 is an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping photograph of silicon fine particles in a negative active material according to Example 3. FIG.
15 is a particle size distribution diagram of soil graphite fine particles used in Examples 1 to 3 and 6. FIG.
16 shows X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active materials according to Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
17 shows X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
18 shows X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active materials according to Example 3 and Example 6. FIG.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
일 구현예에 따른 음극 활물질은 도 1을 통하여 설명될 수 있다.The negative electrode active material according to one embodiment can be explained with reference to FIG.
도 1은 일 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to one embodiment.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 음극 활물질(1)은 코어 입자(2)와 상기 코어 입자(2)의 표면에 위치하는 쉘층으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 상기 쉘층은 상기 코어 입자(2)를 둘러싸는 형태일 수 있다.Referring to FIG. 1, the negative electrode
상기 코어 입자(2)는 하드 카본 및 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 하드 카본은 구체적으로 비정질 하드 카본일 수 있고, 상기 소프트 카본은 구체적으로 준결정질 또는 저결정질 소프트 카본일 수 있다.The
상기 쉘층은 탄소 미립자(3), 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자(4), 그리고 비정질 또는 준결정질 탄소(5)를 포함할 수 있다. 상기 비정질 또는 준결정질 탄소(5)는 상기 탄소 미립자(3)와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자(4)를 서로 결합시킬 수 있고, 상기 탄소 미립자(3)와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자(4)의 표면을 코팅할 수도 있다. 또한 상기 비정질 또는 준결정질 탄소(5)는 상기 탄소 미립자(3) 및 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자(4)와 상기 코어 입자(2)를 서로 결합시키면서 상기 코어 입자(2)의 표면을 코팅할 수도 있다.The shell layer may include
이때 상기 탄소 미립자(3)는 결정질 흑연 미립자, 그래핀, 카본블랙 및 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있고, 이들 중에서 좋게는 상기 결정질 흑연 미립자 및 상기 카본블랙으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. In this case, the
상기 코어 입자로 사용되는 하드 카본이나 소프트 카본은 음극재로 사용할 경우 전지의 출력특성은 좋으나, 초기 효율이 낮고, 리튬 이온의 저장 용량이 낮다.Hard carbon or soft carbon used as the core particles has good output characteristics of the battery when used as a negative electrode material, but has low initial efficiency and low storage capacity of lithium ions.
또한 상기 탄소 미립자를 음극재로 사용할 경우 높은 비표면적으로 인하여 초기 효율이 낮고, 작은 크기로 인해 전극 제조 공정 효율이 떨어져 우수한 초기 효율과 출력특성을 갖는 전극을 제조하는데 어려움이 있다.In addition, when the carbon fine particles are used as the negative electrode material, the initial efficiency is low due to the high specific surface area, and the electrode manufacturing process is poor due to the small size, making it difficult to manufacture an electrode having excellent initial efficiency and output characteristics.
또한 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자를 음극재로 사용할 경우 전지의 용량은 높으나, 초기 효율이 낮고, 부피 변화가 일어나며, 이로 인하여 실리콘 활물질 분말의 미분화 및 실리콘 활물질 분말과 집전체와의 전기적 접촉 불량이 발생할 수 있다. 이로 인해 전지의 충방전 사이클이 진행됨에 따라 전지 용량이 급격하게 감소되어 사이클 수명이 짧아지는 원인이 된다.In addition, when the silicon or silicon alloy fine particles are used as the negative electrode material, the capacity of the battery is high, but the initial efficiency is low, and the volume change occurs, which causes micronization of the silicon active material powder and poor electrical contact between the silicon active material powder and the current collector. Can be. As a result, as the charge and discharge cycle of the battery proceeds, the battery capacity is drastically reduced, which causes the cycle life to be shortened.
일 구현예에 따르면, 상기 하드 카본이나 상기 소프트 카본을 코어 입자로 사용하고 상기 코어 입자의 표면을 상기 탄소 미립자, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 그리고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소로 코팅하는 구조를 가짐으로써, 리튬 저장 용량이 크고, 용량 유지율이 높으며, 초기 효율이 향상되고, 충방전시 리튬 이온의 이동이 용이하여 출력특성이 우수하고, 높은 충방전 효율을 가질 수 있다.According to one embodiment, by using the hard carbon or the soft carbon as a core particle and having a structure for coating the surface of the core particle with the carbon fine particles, the silicon or silicon alloy fine particles, and the amorphous or semicrystalline carbon In addition, the lithium storage capacity is large, the capacity retention rate is high, the initial efficiency is improved, the lithium ion is easily moved during charging and discharging, and thus the output characteristics are excellent, and the charging and discharging efficiency may be high.
상기 코어 입자의 평균입경(D50)은 2 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 5 내지 15 ㎛ 일 수 있다. 상기 코어 입자가 상기 범위의 평균입경(D50)을 가질 경우 상기 탄소 미립자로 쉘층을 형성하기 위한 코팅이 잘 이루어지며, 이에 따라 고용량을 가지며 출력특성이 우수한 리튬 이차 전지에 유용하게 적용할 수 있다. 이때 상기 평균입경(D50)은 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%에 해당되는 입자의 지름을 의미한다.The average particle diameter (D50) of the core particles may be 2 to 20 ㎛, specifically 5 to 15 ㎛. When the core particles have an average particle diameter (D50) in the above range, the coating for forming the shell layer with the carbon fine particles is well made, and thus can be usefully applied to a lithium secondary battery having a high capacity and excellent output characteristics. At this time, the average particle diameter (D50) refers to the diameter of the particles corresponding to the
상기 하드 카본은 수크로오스(sucrose), 페놀 수지(phenol resin), 퓨란 수지(furan resin), 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리이미드(polyimide), 에폭시 수지(epoxy resin), 셀룰로오스(cellulose), 스티렌(styrene), 구연산, 스티아르산, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 전분, 글루코오스, 젤라틴 및 당류로부터 선택되는 적어도 하나의 탄소질 물질이 탄화되어 형성된 것을 사용할 수 있다. The hard carbon may be sucrose, phenol resin, furan resin, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyimide, epoxy resin. ), Cellulose, styrene, citric acid, stearic acid, polyvinylidene fluoride, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene At least one carbonaceous material selected from ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), starch, glucose, gelatin and saccharides may be used.
상기 소프트 카본은 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치 및 저분자량 중질유로부터 선택되는 적어도 하나의 탄소질 물질이 탄화되어 형성된 것을 사용할 수 있다.The soft carbon may be formed by carbonizing at least one carbonaceous material selected from polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesoface pitch, and low molecular weight heavy oil.
상기 코어 입자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 5 내지 97 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 20 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 상기 코어 입자가 상기 범위 내로 포함될 경우 상기 코어 입자 주위에 쉘층이 적절한 비율로 형성되어 우수한 출력특성을 나타낼 수 있으며, 용량을 향상시킬 수 있다. The core particles may be included in an amount of 5 to 97% by weight, and specifically 20 to 80% by weight, based on the total amount of the negative electrode active material. When the core particles are included in the above range, the shell layer may be formed at an appropriate ratio around the core particles to exhibit excellent output characteristics and to improve capacity.
상기 쉘 층을 이루는 상기 탄소 미립자는 평균입경(D50)이 0.003 내지 5 ㎛, 구체적으로는 0.003 내지 3 ㎛, 더욱 구체적으로는 0.003 내지 2 ㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 범위의 평균입경(D50)을 가지는 탄소 미립자를 사용할 경우, 상기 탄소 미립자에 의하여 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 분산이 용이해져 우수한 사이클 특성을 나타낼 수 있으며, 다시 말하면, 상기 탄소 미립자에 의하여 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 부피 팽창을 완충시키는 효율이 높아지므로 우수한 용량유지율을 가질 수 있다. 또한 충방전시 리튬 이온의 확산 거리가 짧아져 내부에서의 확산이 용이함에 따라 고율 특성이 향상되며, 다시 말하면, 상기 탄소 미립자의 흑연층 사이로 리튬 이온의 삽입 및 탈리 반응이 빠르게 일어나므로 우수한 출력특성을 나타낼 수 있다. The carbon fine particles constituting the shell layer may use an average particle diameter (D50) of 0.003 to 5 ㎛, specifically 0.003 to 3 ㎛, more specifically 0.003 to 2 ㎛. When using carbon fine particles having an average particle diameter (D50) of the above range, the carbon fine particles facilitate the dispersion of the silicon or silicon alloy fine particles can exhibit excellent cycle characteristics, that is, the silicon by the carbon fine particles Alternatively, since the efficiency of buffering the volume expansion of the silicon alloy fine particles increases, it may have an excellent capacity retention rate. In addition, as the diffusion distance of lithium ions is shortened during charging and discharging, high rate characteristics are improved as diffusion is easy inside. In other words, the insertion and desorption reactions of lithium ions are rapidly generated between the graphite layers of the carbon fine particles. Can be represented.
상기 탄소 미립자로 사용되는 상기 결정질 흑연 미립자는 인조 흑연, 천연 흑연 및 섬유상 탄소로부터 선택되는 적어도 하나를 분리 또는 분쇄하여 얻어진 것을 사용할 수 있으며, 이들 중에서 좋게는 천연 흑연을 분리 또는 분쇄하여 얻어진 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는 상기 천연 흑연 종류 중 토상 흑연을 분리 또는 분쇄하여 얻어진 것을 사용할 수 있다.The crystalline graphite fine particles used as the carbon fine particles may be those obtained by separating or pulverizing at least one selected from artificial graphite, natural graphite and fibrous carbon, and among them, those obtained by separating or pulverizing natural graphite may be used. have. Specifically, one obtained by separating or pulverizing soil graphite can be used among the above kinds of natural graphite.
상기 천연 흑연은 크게 토상 흑연과 인상 흑연으로 구분되며, 상기 토상 흑연은 미정질(microcrystalline) 흑연으로도 불릴 수 있다. 상기 토상 흑연은 미세 입자가 뭉쳐져 있는 상태로서 뭉쳐진 흑연 덩어리는 약 0.1 내지 50 ㎛의 평균입경(D50)을 가지며, 상기 인상 흑연은 인편상의 넓적한 판상 입자가 여러 겹 겹쳐진 상태로서 약 100 내지 200 ㎛의 평균입경(D50)을 가진다. 또한 토상 흑연과 인상 흑연을 밀링 공정에 의해 분쇄할 경우, 토상 흑연은 "분쇄"라는 용어를 사용하고 있으나 그 구조상 뭉쳐진 상태를 "분리"하는 개념에 가까운 것으로서 분쇄 후 흑연 결정성이 유지되나, 인상 흑연은 넓적한 판상 입자를 분쇄하는 것으로서 분쇄 과정에서 결정성이 낮아질 수 있는 점에서 서로 구분된다.The natural graphite is largely divided into soil graphite and impression graphite, and the soil graphite may also be referred to as microcrystalline graphite. The earth graphite is a state in which fine particles are aggregated, and the aggregated graphite mass has an average particle diameter (D50) of about 0.1 to 50 μm. It has an average particle diameter (D50). In addition, when the ground graphite and the impression graphite are pulverized by the milling process, the soil graphite uses the term "pulverization", but the structure is close to the concept of "separating" the aggregated state. Graphite is distinguished from each other in that the crystallinity may be lowered in the crushing process as the crushed flat plate particles.
상기 분쇄는 통상의 밀링 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 밀링 공정은 구체적으로 볼 밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 진동 밀(vibration mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 로터 밀(rotor mill) 등의 밀링 장치를 이용하여 수행할 수 있다.The grinding may be performed by a conventional milling process. Specifically, the milling process may include a ball mill, an attention mill, a vibration mill, a disk mill, a jet mill, a rotor mill, and the like. Can be carried out using a milling apparatus.
상기 분쇄를 위한 분쇄 속도(rpm) 및 분쇄 시간은 밀링 장치의 유형, 처리하고자 하는 물질의 함량 등에 따라 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 조절 가능하다.The grinding speed (rpm) and grinding time for the grinding may be appropriately adjusted by those skilled in the art according to the type of milling apparatus, the content of the material to be treated and the like.
상기 섬유상 탄소는 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 탄소나노튜브 및 기상성장 탄소섬유(VGCF)로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다.The fibrous carbon may be at least one selected from polyacrylonitrile-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, carbon nanotubes, and vapor-grown carbon fibers (VGCF).
상기 섬유상 탄소의 직경은 1 내지 1000 nm 이고, 길이는 0.5 내지 20 um 일 수 있다.The fibrous carbon may have a diameter of 1 to 1000 nm and a length of 0.5 to 20 um.
상기 결정질 흑연 미립자는 무정형, 인편상, 판상, 구형 및 섬유형으로부터 선택되는 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.The crystalline graphite fine particles may have at least one shape selected from amorphous, flaky, plate, spherical and fibrous.
상기 결정질 흑연 미립자는 라만 스펙트럼에서 1580㎝-1의 피크강도(I1580)에 대한 1360㎝-1의 피크강도(I1360)의 비(I1360/I1580)가 0.1 내지 0.5 일 수 있으며, 구체적으로는 0.1 내지 0.3 일 수 있다. 상기 피크강도의 비(I1360/I1580)를 통하여 흑연 미분 입자의 표면 결정성을 알 수 있는 바, 피크강도의 비(I1360/I1580)가 상기 범위 내인 경우 결정성이 우수하게 유지되어 초기 충방전 효율이 우수하다.The crystalline graphite fine particles may be non-(I 1360 / I 1580) of 0.1 to 0.5 of the peak intensity (I 1360) of 1360㎝ -1 to a peak intensity (I 1580) of one 1580㎝ -1 in Raman spectrum, specifically It may be from 0.1 to 0.3. In this case, the ratio of the peak intensity (I 1360 / I 1580) to find the surface crystallinity of the graphite fine particles bar, the ratio of the peak intensity (I 1360 / I 1580), which through is within the range of crystallinity is excellently maintained The initial charge and discharge efficiency is excellent.
상기 탄소 미립자로 사용되는 상기 그래핀은 흑연의 기계적 박리법 및 흑연의 화학적 박리법으로부터 선택되는 적어도 하나의 방법으로 얻어진 것을 사용할 수 있다.The graphene used as the carbon fine particles may be one obtained by at least one method selected from mechanical peeling of graphite and chemical peeling of graphite.
상기 탄소 미립자로 사용되는 상기 카본블랙은 탄화수소를 불완전 연소시켜 제조하는 방법, 및 탄화수소의 열분해 방법으로부터 선택되는 적어도 하나의 방법으로 얻어진 것을 사용할 수 있다.The carbon black used as the fine carbon particles may be one obtained by at least one method selected from a method of producing a hydrocarbon by incomplete combustion and a pyrolysis method of a hydrocarbon.
상기 탄소 미립자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 90 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 5 내지 70 중량%로 포함될 수 있다. 상기 탄소 미립자가 상기 범위 내로 포함될 경우 상기 코어 입자 주위에 상기 탄소 미립자가 적절한 비율로 쉘층을 형성하여 우수한 출력특성을 나타낼 수 있으며, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 부피 팽창을 적절히 완충시켜 우수한 사이클 특성을 나타낼 수 있다.The carbon fine particles may be included in an amount of 1 to 90% by weight, and specifically 5 to 70% by weight, based on the total amount of the negative electrode active material. When the carbon fine particles are included in the above range, the carbon fine particles may form a shell layer at an appropriate ratio around the core particles to exhibit excellent output characteristics, and may properly buffer the volume expansion of the silicon or silicon alloy fine particles to provide excellent cycle characteristics. Can be represented.
상기 쉘 층을 이루는 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 0.005 내지 2 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있고, 구체적으로는 0.005 내지 1 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자가 상기 범위의 평균입경(D50)을 가질 경우 사이클 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.The silicon or silicon alloy fine particles constituting the shell layer may have an average particle diameter (D50) of 0.005 to 2 ㎛, specifically, may have an average particle diameter (D50) of 0.005 to 1 ㎛. When the silicon or silicon alloy fine particles have an average particle diameter (D50) in the above range, it is possible to implement a lithium secondary battery having improved cycle life characteristics.
상기 실리콘 합금 미립자는 입자 내에 Si상; 및 Si과 Li, Ge, Sn, Al, Sb, B, P, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, W 및 O로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물 상이 혼합되어 존재할 수 있다. The silicon alloy fine particles are Si phase in the particle; And Si, Li, Ge, Sn, Al, Sb, B, P, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd Compound phases comprising at least one element selected from Ag, Ta, W and O may be present in admixture.
상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 90 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 5 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자가 상기 범위 내로 포함될 경우 상기 코어 입자 주위에 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자가 적절한 비율로 쉘층을 형성하여 우수한 출력특성을 나타낼 수 있으며, 용량을 향상시킬 수 있다. The silicon or silicon alloy fine particles may be included in 1 to 90% by weight, specifically, 5 to 80% by weight based on the total amount of the negative electrode active material. When the silicon or silicon alloy fine particles are included in the range, the silicon or silicon alloy fine particles may form a shell layer at an appropriate ratio around the core particles, thereby exhibiting excellent output characteristics and improving capacity.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 5 내지 90 : 10 내지 95의 중량비로 혼합될 수 있고, 구체적으로는 20 내지 80 : 20 내지 80의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자가 상기 비율로 혼합될 경우 용량 증가가 크며, 상기 탄소 미립자에 의한 부피 팽창의 완충 효율이 증가하여 사이클 수명 특성이 향상될 수 있다.The carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles may be mixed in a weight ratio of 5 to 90:10 to 95, and specifically, may be mixed in a weight ratio of 20 to 80:20 to 80. When the carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles are mixed in the ratio, the capacity increase is large, and the buffer life efficiency of the volume expansion caused by the carbon fine particles is increased, thereby improving cycle life characteristics.
상기 쉘 층을 이루는 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 수크로오스(sucrose), 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 퓨란 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리이미드, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 타르 및 저분자량 중질유로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 탄소 전구체로부터 형성된 것을 사용할 수 있다.The amorphous or semicrystalline carbon constituting the shell layer may include sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyamide, furan resin, One formed from a carbon precursor comprising at least one selected from cellulose, styrene, polyimide, epoxy resin, vinyl chloride resin, coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesoface pitch, tar and low molecular weight heavy oil can be used.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 93 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 15 내지 75 중량%로 포함될 수 있다. 상기 비정질 또는 준결정질 탄소가 상기 범위 내로 포함될 경우 상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자를 충분히 결합함에 따라 고용량의 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. The amorphous or semicrystalline carbon may be included in an amount of 1 to 93% by weight, specifically, 15 to 75% by weight based on the total amount of the negative electrode active material. When the amorphous or semicrystalline carbon is included in the above range, the lithium secondary battery having a high capacity may be realized by sufficiently combining the carbon fine particles with the silicon or silicon alloy fine particles.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 혼합물과, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 10 내지 95 : 5 내지 90의 중량비로 혼합될 수 있고, 구체적으로는 20 내지 80 : 20 내지 80의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 비율로 혼합될 경우 용량 증가가 크며, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자와 상기 탄소 미립자의 결합 정도가 우수하며, 상기 쉘 층과 상기 코어 입자와의 접착성이 향상될 수 있다. The mixture of the carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles and the amorphous or semicrystalline carbon may be mixed in a weight ratio of 10 to 95: 5 to 90, specifically, in a weight ratio of 20 to 80: 20 to 80. Can be. When mixed in the ratio, the capacity increase is large, the bonding degree of the silicon or silicon alloy fine particles and the carbon fine particles is excellent, the adhesion of the shell layer and the core particles can be improved.
상기 코어 입자의 평균입경(D50)과 상기 쉘 층의 두께의 비율은 17 내지 99.5 : 0.5 내지 83 일 수 있고, 구체적으로는 30 내지 90 : 70 내지 10 일 수 있다. 상기 범위의 비율로 이루어진 음극 활물질은 고용량을 가질 수 있고 우수한 고율 출력 특성을 나타낼 수 있다. The ratio of the average particle diameter (D50) of the core particles and the thickness of the shell layer may be 17 to 99.5: 0.5 to 83, specifically 30 to 90: 70 to 10. The negative electrode active material having a ratio in the above range may have a high capacity and exhibit excellent high rate output characteristics.
상기 음극 활물질(1)은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The negative electrode
상기 코어 입자의 표면을, 상기 탄소 미립자, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 그리고 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체의 혼합물로 코팅하여 복합 입자를 얻은 후, 상기 복합 입자를 열처리하여 상기 음극 활물질을 제조할 수 있다.The surface of the core particles may be coated with a mixture of the carbon fine particles, the silicon or silicon alloy fine particles, and an amorphous or semi-crystalline carbon precursor to obtain composite particles, and then the composite particles may be heat-treated to prepare the negative electrode active material. .
상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체는 수크로오스(sucrose), 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 퓨란 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리이미드, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 타르 및 저분자량 중질유로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. The amorphous or semi-crystalline carbon precursor may be sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyamide, furan resin, cellulose, styrene, At least one selected from polyimide, epoxy resin, vinyl chloride resin, coal pitch, petroleum pitch, mesoface pitch, tar and low molecular weight heavy oil can be used.
상기 복합 입자를 얻기 위한 코팅 방법은, 전단력을 줄 수 있는 블레이드(blade), 메카노-퓨전 등의 기계화학적(mechanochemical) 방법을 사용할 수 있고, 또한 분무 건조법(spray dry)이나 에멀젼법(emulsion)을 사용할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The coating method for obtaining the composite particles may be a mechanochemical method such as a blade, mechano-fusion, etc. which can give a shear force, and also spray drying or emulsion method May be used, but is not limited thereto.
일 예로, 상기 코어 입자, 상기 탄소 미립자, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 그리고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 로터 블레이드 밀(rotor blade mill)에 투입함으로써, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체의 연화점 이상의 온도에서 강한 기계적 전단력을 부여하여 코팅할 수 있다. For example, the core particles, the carbon fine particles, the silicon or silicon alloy fine particles, and the amorphous or semi-crystalline carbon precursor are introduced into a rotor blade mill, so that the temperature of the softening point of the amorphous or semi-crystalline carbon precursor is higher. It can be coated by giving a strong mechanical shear force at.
상기 열처리는 질소, 아르곤, 수소 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen or a mixed gas thereof, or under a vacuum.
또한 상기 열처리는 500 내지 2500 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 700 내지 1800 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리가 상기 온도 범위에서 수행될 경우 상기 하드 카본의 미세 기공이 유지되고 상기 소프트 카본의 결정성이 유지되어 용량 및 출력특성이 우수하며, 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체의 탄화가 충분히 일어날 수 있다.In addition, the heat treatment may be carried out at a temperature of 500 to 2500 ℃, specifically, may be carried out at a temperature of 700 to 1800 ℃. When the heat treatment is performed in the temperature range, the fine pores of the hard carbon are maintained, the crystallinity of the soft carbon is maintained, so that the capacity and output characteristics are excellent, and carbonization of the amorphous or semicrystalline carbon precursor may occur sufficiently.
다른 일 구현예에 따른 음극 활물질은 도 2 및 도 3을 통하여 설명될 수 있다.The negative electrode active material according to another embodiment may be described with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이고, 도 3은 또 다른 일 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to another embodiment, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to another embodiment.
도 2를 참고하면, 음극 활물질(10)은 코어 입자(2), 상기 코어 입자(2)의 표면에 위치하는 쉘층, 그리고 상기 쉘층의 표면에 위치하는 코팅층(6)으로 이루어질 수 있다. 도 3을 참고하면, 음극 활물질(20)은 코어 입자(2), 상기 코어 입자(2)의 표면에 위치하는 쉘층, 그리고 상기 쉘층의 표면에 위치하는 코팅층(7)으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 상기 쉘층은 상기 코어 입자(2)를 둘러싸는 형태일 수 있고, 상기 코팅층(6, 7)은 상기 쉘층을 둘러싸는 형태일 수 있다.Referring to FIG. 2, the negative electrode
상기 쉘층은 탄소 미립자(3), 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자(4), 그리고 비정질 또는 준결정질 탄소(5)를 포함할 수 있다. The shell layer may include
상기 코어 입자와 상기 쉘층에 대한 내용은 전술한 바와 같다.Details of the core particles and the shell layer are as described above.
상기 코팅층(6)은 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함할 수 있다. 또한 상기 코팅층(7)은 상기 탄소 미립자와 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함할 수 있다. The
상기 탄소 미립자와 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 전술한 바와 같다.The carbon fine particles and the amorphous or semicrystalline carbon are as described above.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자를 상기 비정질 또는 준결정질 탄소로 결합하면서 상기 코어 입자의 표면에 코팅하여 쉘층이 형성되는 경우, 용량이 향상될 수 있다. 또한 상기 비정질 또는 준결정질 탄소가 상기 쉘층에 더욱 코팅되거나, 상기 탄소 미립자와 상기 비정질 또는 준결정질 탄소가 상기 쉘층에 더욱 코팅될 경우, 흑연 가장자리 면과 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자 표면의 노출이 감소되고 하드 카본 또는 소프트 카본의 코어 입자 표면의 노출이 감소되어 초기 충방전 효율이 향상될 수 있으며, 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 부피 팽창을 적절히 완충시켜 사이클 수명 특성이 향상될 수 있다.When the carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles are coated with the amorphous or semicrystalline carbon and coated on the surface of the core particles to form a shell layer, the capacity may be improved. In addition, when the amorphous or semicrystalline carbon is further coated on the shell layer, or when the carbon fine particles and the amorphous or semicrystalline carbon are further coated on the shell layer, the exposure of the graphite edge surface and the surface of the silicon or silicon alloy fine particles is reduced and hard. Exposure of the surface of the core particles of carbon or soft carbon may be reduced to improve initial charge and discharge efficiency, and the cycle life characteristics may be improved by appropriately buffering the volume expansion of the silicon or silicon alloy fine particles.
상기 코팅층(6, 7)의 두께는 0.01 내지 5 ㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 0.1 내지 3 ㎛ 일 수 있다. 상기 코팅층의 두께가 상기 범위로 형성될 경우 흑연 가장자리 면과 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 표면의 노출이 감소되며, 하드 카본 또는 소프트 카본의 코어 입자 표면의 노출이 감소되어 초기 충방전 효율이 증가하고, 출력특성이 우수하며, 고용량을 가지는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. The coating layers 6 and 7 may have a thickness of 0.01 to 5 μm, specifically 0.1 to 3 μm. When the thickness of the coating layer is formed in the above range, the exposure of the graphite edge surface and the surface of the silicon or silicon alloy fine particles is reduced, and the exposure of the core particle surface of the hard carbon or soft carbon is reduced, thereby increasing initial charge and discharge efficiency, The output characteristics are excellent and a lithium secondary battery having a high capacity can be realized.
상기 음극 활물질(10)은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 상기 코어 입자의 표면을, 상기 탄소 미립자, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 그리고 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체의 혼합물로 코팅하여 복합 입자를 얻은 후, 상기 복합 입자의 표면을 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체로 코팅한 후, 상기 코팅된 복합 입자를 열처리하여 상기 음극 활물질을 제조할 수 있다.The negative electrode
또한 상기 음극 활물질(20)은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 상기 코어 입자의 표면을, 상기 탄소 미립자, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 그리고 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체의 혼합물로 코팅하여 복합 입자를 얻은 후, 상기 복합 입자의 표면을 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체와 상기 탄소 미립자로 코팅한 후, 상기 코팅된 복합 입자를 열처리하여 상기 음극 활물질을 제조할 수 있다.In addition, the negative electrode
상기 탄소 미립자, 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 그리고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체는 전술한 바와 같으며, 상기 열처리의 분위기 및 온도 또한 전술한 바와 같다. The carbon fine particles, the silicon or silicon alloy fine particles, and the amorphous or semicrystalline carbon precursor are as described above, and the atmosphere and temperature of the heat treatment are also as described above.
도 1 내지 3을 통하여 예시된 일 구현예에 따른 음극 활물질의 형상은 구형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The shape of the negative active material according to the exemplary embodiment illustrated through FIGS. 1 to 3 may be spherical, but is not limited thereto.
상기 음극 활물질의 평균입경(D50)은 2 내지 40 ㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 5 내지 30 ㎛ 일 수 있다. 상기 음극 활물질이 상기 범위의 평균입경(D50)을 가질 경우 우수한 전극 제조 공정 효율과 전극밀도를 얻을 수 있다.The average particle diameter (D50) of the negative electrode active material may be 2 to 40 ㎛, specifically, may be 5 to 30 ㎛. When the negative electrode active material has an average particle diameter (D50) in the above range it can be obtained an excellent electrode manufacturing process efficiency and electrode density.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 그리고 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including a cathode including a cathode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, a cathode including the anode active material, and an electrolyte solution .
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해액의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The lithium secondary battery can be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery according to the type of the separator and electrolyte used. The lithium secondary battery can be classified into a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, Depending on the size, it can be divided into bulk type and thin type. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.
상기 음극은 전술한 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 음극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다. The negative electrode may be prepared by mixing the above-described negative electrode active material, a binder and optionally a conductive material to prepare a composition for forming the negative electrode active material layer, and then applying the composition to the negative electrode current collector.
상기 바인더로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈/스티렌-부타디엔러버, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose / styrene-butadiene rubber, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene Polypropylene and the like can be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 바인더는 음극 활물질층 형성용 조성물 총량에 대하여 1 내지 30 중량%로 혼합될 수 있다. The binder may be mixed in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the composition for forming the negative electrode active material layer.
상기 도전재로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, and specifically includes graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys 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 도전재는 음극 활물질층 형성용 조성물 총량에 대하여 0.1 내지 30 중량%로 혼합될 수 있다. The conductive material may be mixed in an amount of 0.1 to 30% by weight based on the total amount of the composition for forming the negative electrode active material layer.
상기 음극 집전체는 3 내지 500 ㎛의 두께일 수 있다. 상기 음극 집전체의 예로는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The negative electrode current collector may have a thickness of 3 to 500 mu m. Examples of the negative electrode current collector may include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like on the surface of aluminum or stainless steel. The negative electrode current collector may have fine irregularities on its surface to increase the adhesive force of the negative electrode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.
상기 양극은 양극 활물질을 포함하며, 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈로부터 선택되는 적어도 1종과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The positive electrode includes a positive electrode active material, and as the positive electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium (lithiated intercalation compound) may be used. Concretely, at least one of complex oxides of at least one kind selected from cobalt, manganese and nickel and lithium can be used.
상기 양극 역시 음극과 마찬가지로 상기 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 이 조성물을 알루미늄 등의 양극 집전체에 도포하여 제조할 수 있다.The positive electrode may also be prepared by mixing the positive electrode active material, the binder and optionally a conductive material to form a composition for forming a positive electrode active material layer, and then applying the composition to a positive electrode current collector such as aluminum.
상기 전해액은 리튬염; 및 비수성 유기 용매, 유기 고체 전해액, 무기 고체 전해액 등이 사용된다.The electrolytic solution is a lithium salt; And non-aqueous organic solvents, organic solid electrolytes, inorganic solid electrolytes, and the like.
상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다. The lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 ,
상기 비수성 유기 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부티로 락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭사이드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 술포란, 메틸 술포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리돈, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등이 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, But are not limited to, ricifrcr, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, An ether, a methyl ethyl pyrophosphate, an ethyl propionate, a methyl ethyl ketone derivative, a methyl ethyl ketone derivative, a methyl ethyl ketone derivative, Etc. may be used.
상기 유기 고체 전해액으로는 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolytic solution include a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene and an ionic dissociation group And the like can be used.
상기 무기 고체 전해액으로는 Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다. As the inorganic solid electrolytic solution, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 - Nitrides, halides and sulfates of Li such as LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.
상기 전해액은 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수 있다.For the purpose of improving the charge-discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolyte solution is preferably used in the form of a solution containing at least one member selected from the group consisting of pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexaphosphoric triamide, N, N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, etc. may be added.
또한 불연성을 부여하기 위하여 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.Further, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride, ethylene trifluoride or the like may be further added to impart nonflammability, or a carbon dioxide gas may be further added to improve high-temperature storage characteristics.
리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수 있다. 이러한 세퍼레이터로는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터의 공극 직경은 0.01 내지 10 ㎛ 이고 두께는 5 내지 300 ㎛ 일 수 있다. Depending on the type of the lithium secondary battery, a separator may exist between the positive electrode and the negative electrode. As such a separator, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength can be used. The pore diameter of the separator may be 0.01 to 10 mu m and the thickness may be 5 to 300 mu m.
상기 세퍼레이터는 구체적으로, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유, 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 전해액으로 폴리머 등의 고체 전해액이 사용되는 경우 고체 전해액이 분리막을 겸할 수도 있다.
The separator specifically includes an olefin-based polymer such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity; A sheet or a nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like can be used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolytic solution, the solid electrolytic solution may also serve as a separation membrane.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
실시예Example 1 One
평균입경(D50)이 9㎛인 하드 카본 35 중량%, 평균입경(D50)이 1.7㎛인 토상 흑연 15 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 20 중량%, 그리고 석유계 피치 30 중량%를 로터 블레이드 밀(rotor blade mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 하드 카본의 표면이 상기 토상 흑연, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 13.4㎛인 음극 활물질을 제조하였다.35% by weight of hard carbon having an average particle diameter (D50) of 9 μm, 15% by weight of earthy graphite having an average particle diameter (D50) of 1.7 μm, 20% by weight of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and
실시예Example 2 2
평균입경(D50)이 11㎛인 소프트 카본 35 중량%, 평균입경(D50)이 1.7㎛인 토상 흑연 20 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 25 중량%, 그리고 석유계 피치 20 중량%를 로터 밀(rotor mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 소프트 카본의 표면이 상기 토상 흑연, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 14.1㎛인 음극 활물질을 제조하였다. 35% by weight of soft carbon having an average particle diameter (D50) of 11 μm, 20% by weight of earthy graphite having an average particle diameter (D50) of 1.7 μm, 25% by weight of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and
실시예Example 3 3
평균입경(D50)이 9㎛인 하드 카본 30 중량%, 카본블랙 15 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 30 중량%, 그리고 석유계 피치 25 중량%를 로터 밀(rotor mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 하드 카본의 표면이 상기 카본블랙, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 제1 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 제1 복합 입자 분말 80 중량%, 평균입경(D50)이 1.7㎛인 토상 흑연 10 중량%, 그리고 석유계 피치 10 중량%를 혼합기에 투입하여, 상기 제1 복합 입자 분말의 표면이 상기 토상 흑연 및 상기 석유계 피치로 코팅된 제2 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 제2 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 15㎛인 음극 활물질을 제조하였다.30 wt% of hard carbon having an average particle diameter (D50) of 9 µm, 15 wt% of carbon black, 30 wt% of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and 25 wt% of petroleum pitch mill) (rotated at 5000 to 20000 rpm in a few seconds to several minutes) to obtain a first composite particle powder having a surface of the hard carbon coated with a mixture of the carbon black, the silicon fine particles, and the petroleum pitch. 80% by weight of the obtained first composite particle powder, 10% by weight of earthy graphite having an average particle diameter (D50) of 1.7 μm, and 10% by weight of petroleum pitch were added to the mixer, and the surface of the first composite particles powder was And a second composite particle powder coated with the petroleum pitch. The obtained second composite particle powder was heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour at an elevated temperature rate of 5 ° C./min in argon atmosphere, and then cooled to prepare a negative electrode active material having an average particle diameter (D50) of 15 μm.
실시예Example 4 4
평균입경(D50)이 11㎛인 소프트 카본 30 중량%, 카본블랙 25 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 20 중량%, 그리고 석유계 피치 25 중량%를 로터 밀(rotor mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 소프트 카본의 표면이 상기 카본블랙, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 14.4㎛인 음극 활물질을 제조하였다. 30 wt% of soft carbon having an average particle diameter (D50) of 11 µm, 25 wt% of carbon black, 20 wt% of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and 25 wt% of a petroleum pitch are rotor mills. mill) (rotated at 5000 to 20000 rpm in a few seconds to several minutes) to obtain a composite particle powder having a surface of the soft carbon coated with a mixture of the carbon black, the silicon fine particles, and the petroleum pitch. The obtained composite particle powder was heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour at an elevated temperature rate of 5 ° C./min in argon atmosphere, and then cooled to prepare a negative electrode active material having an average particle diameter (D50) of 14.4 μm.
실시예Example 5 5
평균입경(D50)이 11㎛인 소프트 카본 30 중량%, 그래핀 25 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 20 중량%, 그리고 석유계 피치 25 중량%를 로터 밀(rotor mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 하드 카본의 표면이 상기 토상 흑연, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 14.2㎛인 음극 활물질을 제조하였다.Rotor mill (30 wt% of soft carbon having an average particle diameter (D50) of 11 µm, 25 wt% of graphene, 20 wt% of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and 25 wt% of a petroleum pitch) mill) (rotated at 5000 to 20000 rpm in a few seconds to several minutes) to obtain a composite particle powder having a surface of the hard carbon coated with a mixture of the earthy graphite, the silicon fine particles, and the petroleum pitch. The obtained composite particle powder was heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour at an elevated temperature rate of 5 ° C./min in argon atmosphere, and then cooled to prepare a negative electrode active material having an average particle diameter (D50) of 14.2 μm.
실시예Example 6 6
평균입경(D50)이 11㎛인 소프트 카본 30 중량%, 그래핀 25 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 20 중량%, 그리고 석유계 피치 25 중량%를 로터 밀(rotor mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 하드 카본의 표면이 상기 토상 흑연, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 제1 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 제1 복합 입자 분말 80 중량%, 평균입경(D50)이 1.7㎛인 토상 흑연 10 중량%, 그리고 석유계 피치 10 중량%를 혼합기에 투입하여, 상기 제1 복합 입자 분말의 표면이 상기 석유계 피치로 코팅된 제2 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 제2 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 15.5㎛인 음극 활물질을 제조하였다.Rotor mill (30 wt% of soft carbon having an average particle diameter (D50) of 11 µm, 25 wt% of graphene, 20 wt% of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and 25 wt% of a petroleum pitch) mill) (rotated at 5000 to 20000 rpm in seconds to minutes) to obtain a first composite particle powder having a surface of the hard carbon coated with a mixture of the earthy graphite, the silicon fine particles, and the petroleum pitch. 80% by weight of the obtained first composite particle powder, 10% by weight of earthy graphite having an average particle diameter (D50) of 1.7 μm, and 10% by weight of petroleum pitch were added to the mixer, and the surface of the first composite particle powder was petroleum-based. A pitch-coated second composite particle powder was obtained. The obtained second composite particle powder was heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour at an elevated temperature rate of 5 ° C./min in argon atmosphere, and then cooled to prepare a negative electrode active material having an average particle diameter (D50) of 15.5 μm.
실시예Example 7 7
평균입경(D50)이 9㎛인 하드 카본 30 중량%, 그래핀 15 중량%, 평균입경(D50)이 30 내지 40 nm인 실리콘 미립자 30 중량%, 그리고 석유계 피치 25 중량%를 로터 밀(rotor mill)(수초 내지 수분에 5000 내지 20000 rpm으로 회전됨)에 투입하여, 상기 하드 카본의 표면이 상기 토상 흑연, 상기 실리콘 미립자 및 상기 석유계 피치의 혼합물로 코팅된 제1 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 제1 복합 입자 분말 90 중량% 및 석유계 피치 10 중량%를 혼합기에 투입하여, 상기 제1 복합 입자 분말의 표면이 상기 석유계 피치로 코팅된 제2 복합 입자 분말을 얻었다. 얻어진 제2 복합 입자 분말을 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1000℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 13.9㎛인 음극 활물질을 제조하였다.30 wt% of hard carbon having an average particle diameter (D50) of 9 µm, 15 wt% of graphene, 30 wt% of silicon fine particles having an average particle diameter (D50) of 30 to 40 nm, and 25 wt% of a petroleum pitch (rotor mill) mill) (rotated at 5000 to 20000 rpm in seconds to minutes) to obtain a first composite particle powder having a surface of the hard carbon coated with a mixture of the earthy graphite, the silicon fine particles, and the petroleum pitch. 90 wt% of the obtained first composite particle powder and 10 wt% of petroleum pitch were fed to the mixer to obtain a second composite grain powder having the surface of the first composite grain powder coated with the petroleum pitch. The obtained second composite particle powder was heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour at an elevated temperature rate of 5 ° C./min in argon atmosphere, and then cooled to prepare a negative electrode active material having an average particle diameter (D50) of 13.9 μm.
비교예Comparative Example 1 One
평균입경(D50)이 9㎛인 하드 카본 음극 활물질.A hard carbon anode active material having an average particle diameter (D50) of 9 µm.
비교예Comparative Example 2 2
평균입경(D50)이 11㎛인 소프트 카본 음극 활물질.
A soft carbon anode active material having an average particle diameter (D50) of 11 µm.
평가 1: 음극 활물질의 주사전자현미경(Evaluation 1: Scanning electron microscope of negative electrode active material SEMSEM ) 사진 분석) Photo analysis
실시예 1 내지 7과 비교예 1 및 2에서 제조된 음극 활물질 각각의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 4 내지 12에 나타내었다. Scanning electron microscope (SEM) photographs of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 4 to 12.
도 4 내지 10은 각각 실시예 1 내지 7에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 11 및 12는 각각 비교예 1 및 2에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.4 to 10 are scanning electron microscope (SEM) pictures of the negative electrode active materials according to Examples 1 to 7, respectively, and FIGS. 11 and 12 are scanning electron microscope (SEM) pictures of the negative electrode active materials according to Comparative Examples 1 and 2, respectively.
도 4 내지 12를 참고하면, 실시예 1 내지 7의 경우 하드 카본 또는 소프트 카본인 코어 입자의 표면에 탄소 미립자, 실리콘 미립자, 그리고 석유계 피치를 탄화하여 얻은 준결정질 탄소가 코팅되어 쉘층을 형성하는 코어-쉘 구조를 가짐을 확인할 수 있으며, 비교예 1 및 2의 경우 코팅된 쉘 층 없이 각각 코어 입자만 존재함을 확인할 수 있다.4 to 12, in Examples 1 to 7, the surface of the core particles, which are hard carbon or soft carbon, is coated with carbon microparticles, silicon microparticles, and semicrystalline carbon obtained by carbonizing a petroleum pitch to form a shell layer. It can be seen that it has a core-shell structure, and in Comparative Example 1 and 2 it can be seen that only the core particles are present without a coated shell layer, respectively.
도 13은 실시예 1 내지 7에서 쉘 층의 형성에 사용된 실리콘 미립자의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.FIG. 13 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the silicon fine particles used for forming the shell layer in Examples 1 to 7. FIG.
도 13을 참고하면, 코어 입자의 표면에 위치하는 쉘 층을 이루는 실리콘 미립자는 약 30 내지 40 nm 크기를 가짐을 알 수 있다. Referring to FIG. 13, it can be seen that the silicon fine particles constituting the shell layer located on the surface of the core particle have a size of about 30 to 40 nm.
평가 2: 음극 활물질의 Evaluation 2: of the negative electrode active material EDSEDS (( energyenergy dispersivedispersive X- X- rayray spectroscopyspectroscopy ) ) MappingMapping 분석 analysis
도 14는 실시예 3에 따른 음극 활물질 내의 실리콘 미립자의 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) Mapping 사진이다. 14 is an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping photograph of silicon fine particles in a negative active material according to Example 3. FIG.
도 14을 참고하면, EDS Mapping 분석에 의해 실시예 3에서 제조된 음극 활물질에서 실리콘 미립자가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the silicon fine particles are uniformly distributed in the negative electrode active material prepared in Example 3 by EDS Mapping analysis.
평가 3: 탄소 미립자의 입도 분포 분석Evaluation 3: Analysis of Particle Size Distribution of Carbon Particles
실시예 1 내지 3 및 6에서 음극 활물질 제조시 쉘 층 또는 코팅층의 형성에 사용된 토상 흑연 미립자의 입도 분포를 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정법으로 측정하여, 그 결과를 도 15에 나타내었다. In Examples 1 to 3 and 6, the particle size distribution of the earth graphite fine particles used to form the shell layer or the coating layer when preparing the negative electrode active material was measured by laser diffraction scattering particle size distribution measurement method, and the results are shown in FIG. 15.
도 15는 실시예 1 내지 3 및 6에서 사용된 토상 흑연 미립자의 입도 분포도이다. 15 is a particle size distribution diagram of soil graphite fine particles used in Examples 1 to 3 and 6. FIG.
도 15를 참고하면, 실시예 1 및 2에서의 쉘 층과 실시예 3 및 6에서의 코팅층 형성시 0.003 내지 5 ㎛의 평균입경(D50)을 가진 토상 흑연 미립자가 사용되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15, it can be seen that soil graphite particles having an average particle diameter (D50) of 0.003 to 5 μm were used in forming the shell layers in Examples 1 and 2 and the coating layers in Examples 3 and 6.
평가 4: 음극 활물질의 입도 분포 분석Evaluation 4: particle size distribution analysis of the negative electrode active material
실시예 1 내지 7과 비교예 1 및 2에서 제조된 음극 활물질의 입도 분포를 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정법으로 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The particle size distributions of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by laser diffraction scattering particle size distribution measurement method, and the results are shown in Table 1 below.
상기 표 1을 참고하면, 소프트 카본 또는 하드 카본으로만 이루어진 비교예 1 내지 2의 음극 활물질의 경우와 대비하여, 실시예 1 내지 7의 음극 활물질의 평균입경(D50)이 더욱 증가함을 확인할 수 있다. 이는, 실시예 1 내지 7의 음극 활물질이 비교예 1 및 2에 사용된 활물질 입자 표면이 탄소 미립자, 실리콘 미립자 및 준결정질 탄소로 구성된 쉘층으로 코어-쉘 구조를 형성한 것에 기인한다. Referring to Table 1, compared with the case of the negative electrode active material of Comparative Examples 1 to 2 made of only soft carbon or hard carbon, it can be seen that the average particle diameter (D50) of the negative electrode active material of Examples 1 to 7 further increases. have. This is due to the fact that the surface of the active material particles used in Comparative Examples 1 and 2 in the negative electrode active materials of Examples 1 to 7 formed a core-shell structure with a shell layer composed of carbon fine particles, silicon fine particles and semicrystalline carbon.
평가 5: 음극 활물질의 X-선 Evaluation 5: X-ray of anode active material 회절diffraction 패턴 분석 Pattern analysis
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 음극 활물질의 결정성을 X-선 회절 패턴 분석기를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 16에 나타내었다.Crystallinity of the negative active materials prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured using an X-ray diffraction pattern analyzer, and the results are shown in FIG. 16.
도 16은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.16 shows X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active materials according to Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
도 16을 참고하면, 실시예 1에 있어서 흑연의 주 피크인 (002) 피크가 나타난 것을 확인할 수 있으며, 이는 비정질의 하드 카본으로만 이루어진 경우에 비하여 결정성이 우수한 결정질 흑연 미립자로 코팅된 구조를 가진 것에 기인한다. 또한 실시예 1의 경우 비교예 1의 경우와 비교하여 실리콘의 주 피크인 (111) 피크가 나타난 것을 확인할 수 있으며, 이는 실리콘이 음극 활물질의 쉘 층에 존재하는 것에 기인한다.Referring to FIG. 16, it can be seen that the peak (002), which is the main peak of graphite, was shown in Example 1, which is a structure coated with crystalline graphite fine particles having excellent crystallinity as compared with the case of only amorphous hard carbon. Due to having. In addition, in the case of Example 1, it can be seen that the (111) peak, which is the main peak of silicon, appeared in comparison with the case of Comparative Example 1, which is due to the presence of silicon in the shell layer of the negative electrode active material.
또한 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 음극 활물질의 결정성을 X-선 회절 패턴 분석기를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 17에 나타내었다.In addition, the crystallinity of the negative electrode active material prepared in Example 2 and Comparative Example 2 was measured using an X-ray diffraction pattern analyzer, the results are shown in FIG.
도 17은 실시예 2 및 비교예 2에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.17 shows X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
도 17을 참고하면, 실시예 2에 있어서 흑연의 주 피크인 (002) 피크가 나타난 것을 확인할 수 있으며, 이는 준결정질의 소프트 카본으로만 이루어진 비교예 2의 경우에 비하여 실시예 2의 경우 결정성이 우수한 결정질 흑연 미립자로 코팅된 구조를 가진 것에 기인한다. 또한 실시예 2의 경우 비교예 2의 경우와 비교하여 실리콘의 주 피크인 (111) 피크가 나타난 것을 확인할 수 있으며, 이는 실리콘이 음극 활물질의 쉘 층에 존재하는 것에 기인한다.Referring to FIG. 17, it can be seen that the (002) peak, which is the main peak of graphite, was shown in Example 2, which is more crystalline in Example 2 than in Comparative Example 2, which is composed of only semicrystalline soft carbon. It is due to having a structure coated with good crystalline graphite fine particles. In addition, in the case of Example 2, it can be seen that the (111) peak, which is the main peak of silicon, is displayed as compared with the case of Comparative Example 2, which is due to the presence of silicon in the shell layer of the negative electrode active material.
실시예 3 및 실시예 6에서 제조된 음극 활물질의 결정성을 X-선 회절 패턴 분석기를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 18에 나타내었다.Crystallinity of the negative electrode active materials prepared in Examples 3 and 6 was measured using an X-ray diffraction pattern analyzer, and the results are shown in FIG. 18.
도 18은 실시예 3 및 실시예 6에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.18 shows X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active materials according to Example 3 and Example 6. FIG.
도 18을 참고하면, 실시예 3 및 실시예 6 모두 흑연의 주 피크인 (002) 피크와 실리콘의 주 피크인 (111) 피크가 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 흑연과 실리콘이 하드 카본 또는 소프트 카본 코어 입자 표면에 존재하는 것에 기인한다.
Referring to FIG. 18, in Example 3 and Example 6, it can be seen that the (002) peak, which is the main peak of graphite, and the (111) peak, which is the main peak of silicon, exist, and the graphite and silicon are hard carbon or soft. This is due to the presence on the surface of the carbon core particles.
(테스트용 셀의 제조)(Manufacture of Test Cell)
상기 실시예 1 내지 7에서 제조된 각각의 음극 활물질, 카본 블랙, 그리고 CMC/SBR(카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버)을 80:5:15의 중량비로 증류수에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 호일 상에 코팅한 후, 건조 및 압착하여 각각의 음극을 제조하였다.Each negative electrode active material, carbon black, and CMC / SBR (carboxymethyl cellulose / styrene-butadiene rubber) prepared in Examples 1 to 7 were mixed in distilled water at a weight ratio of 80: 5: 15 to prepare a negative electrode slurry. Each negative electrode slurry was coated on a copper foil, followed by drying and pressing to prepare each negative electrode.
상기 비교예 1 내지 2에서 제조된 각각의 음극 활물질, 및 CMC/SBR(카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버)을 95:5의 중량비로 증류수에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 호일 상에 코팅한 후, 건조 및 압착하여 각각의 음극을 제조하였다.Each negative electrode active material prepared in Comparative Examples 1 and 2 and CMC / SBR (carboxymethyl cellulose / styrene-butadiene rubber) were mixed in distilled water at a weight ratio of 95: 5 to prepare a negative electrode slurry. Each negative electrode slurry was coated on a copper foil, followed by drying and pressing to prepare each negative electrode.
상기 각각의 음극과 리튬 금속을 양극으로 하여, 음극과 양극 사이에 분리막인 셀가드를 개재하여 적층시켜 전극 조립체를 제조하였다. 이후 디에틸 카보네이트(DEC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합 용매(DEC:EC = 1:1)에 1M의 LiPF6을 용해시킨 전해액을 첨가하여 테스트용 셀을 제작하였다.Each of the negative electrode and the lithium metal was used as the positive electrode, and the electrode assembly was manufactured by laminating the negative electrode and the positive electrode through a cell guard as a separator. Thereafter, an electrolytic solution in which 1 M of LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of diethyl carbonate (DEC) and ethylene carbonate (EC) (DEC: EC = 1: 1) was added to prepare a test cell.
평가 6: 초기 Evaluation 6: initial 충방전Charging and discharging 특성 분석 Character analysis
상기 제조된 테스트용 셀을 이용하여 다음과 같은 방법으로 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2에 따른 초기 충방전 특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. Using the prepared test cell was evaluated the initial charge and discharge characteristics according to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 2 in the following manner, the results are shown in Table 2 below.
실시예 1 내지 7에 따라 제조된 셀의 경우, 충전은 0.2mA/cm2의 전류밀도로 CC/CV 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.02V로 유지하였으며 전류가 0.02mA일 때 충전을 종료하였다. 방전은 0.2mA/cm2의 전류밀도로 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 2V로 유지하였다.For cells prepared according to Examples 1-7, charging was done in CC / CV mode with a current density of 0.2 mA / cm 2 , the termination voltage was maintained at 0.02 V and charging was terminated when the current was 0.02 mA. . Discharge was performed in CC mode with a current density of 0.2 mA / cm 2 , and the termination voltage was maintained at 2V.
비교예 1 내지 2에 따라 제조된 셀의 경우, 충전은 0.2mA/cm2의 전류밀도로 CC/CV 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.01V로 유지하였으며 전류가 0.02mA일 때 충전을 종료하였다. 방전은 0.2mA/cm2의 전류밀도로 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 2V로 유지하였다.
For the cells prepared according to Comparative Examples 1 and 2, charging was performed in CC / CV mode with a current density of 0.2 mA / cm 2 , the termination voltage was maintained at 0.01 V, and charging was terminated when the current was 0.02 mA. . Discharge was performed in CC mode with a current density of 0.2 mA / cm 2 , and the termination voltage was maintained at 2V.
상기 표 2를 통하여, 실리콘 미립자가 쉘 층에 존재하는 코어-쉘 구조의 음극 활물질을 사용한 실시예 1 내지 7의 경우, 쉘 층이 존재하지 않는 비교예 1 및 2의 경우와 대비하여, 초기 가역용량 및 초기 효율이 증가함을 확인할 수 있다. Through Table 2, in the case of Examples 1 to 7 using the negative electrode active material of the core-shell structure in which the silicon fine particles are present in the shell layer, compared to the case of Comparative Examples 1 and 2 in which the shell layer does not exist, the initial reversible It can be seen that the capacity and initial efficiency are increased.
이로부터, 일 구현예에 따른 음극 활물질을 사용한 경우, 코팅되는 탄소 미립자와 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자에 의해 높은 용량을 나타내며, 비정질 또는 준결정질 탄소에 의해 하드 카본 또는 소프트 카본의 다공성 표면뿐만 아니라 탄소 미립자의 가장자리 면과 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자가 노출되는 것을 감소시켜 초기 효율이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있음을 알 수 있다.From this, in the case of using the negative electrode active material according to one embodiment, it exhibits a high capacity by the carbon fine particles and silicon or silicon alloy fine particles to be coated, the carbon fine particles as well as the porous surface of the hard carbon or soft carbon by amorphous or semicrystalline carbon It can be seen that it is possible to implement a lithium secondary battery having excellent initial efficiency by reducing the exposed surface of the edge and the silicon or silicon alloy fine particles.
평가 7: 고율 충전(리튬 삽입) 특성 분석Evaluation 7: Characterization of High Rate Charging (Lithium Insertion)
상기 제조된 테스트용 셀을 이용하여 다음과 같은 방법으로 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2에 따른 고율 충전 특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. Using the prepared test cell was evaluated the high rate charging characteristics according to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 2 in the following manner, the results are shown in Table 3 below.
실시예 1 내지 7에 따라 제조된 셀의 경우, 충전은 전류밀도 50 내지 1300 mA/g 범위에서 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.02V로 유지하였으며, 방전은 50 mA/g의 전류밀도에서 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 2V로 유지하였다.For cells prepared according to Examples 1-7, charging was done in CC mode in the current density range of 50 to 1300 mA / g, the termination voltage was maintained at 0.02 V, and the discharge was at a current density of 50 mA / g. It was performed in CC mode and the termination voltage was kept at 2V.
비교예 1 내지 2에 따라 제조된 셀의 경우, 충전은 전류밀도 50 내지 1300 mA/g 범위에서 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.01V로 유지하였으며, 방전은 50 mA/g의 전류밀도에서 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 2V로 유지하였다.In the case of cells prepared according to Comparative Examples 1 and 2, charging was performed in CC mode in the current density range of 50 to 1300 mA / g, the termination voltage was maintained at 0.01 V, and the discharge was performed at the current density of 50 mA / g. It was performed in CC mode and the termination voltage was kept at 2V.
상기 표 3을 통하여, 실리콘 미립자가 쉘 층에 존재하는 코어-쉘 구조의 음극 활물질을 사용한 실시예 1 내지 7의 경우 쉘 층이 존재하지 않는 비교예 1 및 2의 경우와 대비하여 고율 충전 특성이 우수함을 확인할 수 있다.Through Table 3, in the case of Examples 1 to 7 using the core-shell structure negative electrode active material in which the silicon fine particles are present in the shell layer, the high rate charging characteristics are compared with those of Comparative Examples 1 and 2 in which the shell layer does not exist. It can be confirmed that excellent.
이로부터, 고율 충전시 리튬의 확산거리가 짧고 높은 충전 용량을 가지는 실리콘 미립자에 의하여 높은 충전 용량을 발휘할 수 있음에 따라, 고율 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. From this, high charge capacity can be exhibited by the silicon fine particles having a short diffusion distance of lithium and high charge capacity during high rate charging, thereby realizing a lithium secondary battery having excellent high rate characteristics.
평가 8: 사이클 수명 특성 분석Evaluation 8: Cycle Life Characterization
상기 제조된 테스트용 셀을 이용하여 다음과 같은 방법으로 상기 실시예 1 내지 7에 따른 사이클 수명 특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. The cycle life characteristics according to Examples 1 to 7 were evaluated in the following manner using the prepared test cell, and the results are shown in Table 4 below.
충전은 0.2mA/cm2의 전류밀도로 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.02V로 유지하였다. 방전은 0.2mA/cm2의 전류밀도로 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 2V로 유지하였다.Charging was performed in CC mode at a current density of 0.2 mA / cm 2 , and the termination voltage was maintained at 0.02V. Discharge was performed in CC mode with a current density of 0.2 mA / cm 2 , and the termination voltage was maintained at 2V.
하기 용량 유지율(%)은 1st 사이클 방전용량에 대한 30th 사이클 방전용량의 백분율로 계산된다.
The following capacity retention rate is calculated as a percentage of 30 th cycle discharge capacity to 1 st cycle discharge capacity.
상기 표 4를 통하여, 하드 카본 또는 소프트 카본인 코어 입자 표면에 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자, 탄소 미립자, 그리고 비정질 또는 준결정질 탄소로 이루어진 쉘 층이 존재하는 코어-쉘 구조의 음극 활물질을 사용할 경우, 우수한 사이클 수명 특성을 가짐을 확인할 수 있다.Through Table 4, when using a core-shell structure negative electrode active material having a shell layer made of silicon or silicon alloy fine particles, carbon fine particles, and amorphous or semi-crystalline carbon on the surface of the core particles that are hard carbon or soft carbon, It can be seen that the cycle life characteristics.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
1, 10, 20: 음극 활물질
2: 코어 입자
3: 탄소 미립자
4: 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자
5: 비정질 또는 준결정질 탄소
6, 7: 코팅층1, 10, 20: negative electrode active material
2: core particle
3: carbon fine particles
4: silicon or silicon alloy fine particles
5: amorphous or semicrystalline carbon
6, 7: coating layer
Claims (28)
상기 코어 입자의 표면에 위치하는 쉘 층
을 포함하고,
상기 쉘 층은 결정질 흑연 미립자, 그래핀, 카본블랙 및 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 탄소 미립자; 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는
리튬 이차 전지용 음극 활물질.
A core particle comprising at least one selected from hard carbon and soft carbon, and
Shell layer located on the surface of the core particles
/ RTI >
The shell layer may include at least one carbon fine particle selected from crystalline graphite fine particles, graphene, carbon black, and carbon nanotubes; Silicon or silicon alloy fine particles; And containing amorphous or semicrystalline carbon
Negative electrode active material for lithium secondary battery.
상기 코어 입자의 평균입경(D50)은 2 내지 20 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The average particle diameter (D50) of the core particles is 2 to 20 ㎛ negative electrode active material for a secondary battery.
상기 코어 입자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 5 내지 97 중량%로 포함되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The core particle is a lithium secondary battery negative electrode active material is contained in 5 to 97% by weight based on the total amount of the negative electrode active material.
상기 탄소 미립자는 0.003 내지 5 ㎛의 평균입경(D50)을 가지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The carbon fine particles are a negative active material for a lithium secondary battery having an average particle diameter (D50) of 0.003 to 5 ㎛.
상기 결정질 흑연 미립자는 인조 흑연, 천연 흑연 및 섬유상 탄소로부터 선택되는 적어도 하나를 분리 또는 분쇄하여 얻어지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
Said crystalline graphite fine particles are obtained by separating or pulverizing at least one selected from artificial graphite, natural graphite and fibrous carbon.
상기 결정질 흑연 미립자는 토상 흑연을 분리 또는 분쇄하여 얻어지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
Said crystalline graphite fine particles are negative electrode active materials for lithium secondary batteries obtained by separating or pulverizing soil graphite.
상기 탄소 미립자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 90 중량%로 포함되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The carbon fine particles are 1 to 90% by weight based on the total amount of the negative electrode active material negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 0.005 내지 2 ㎛의 평균입경(D50)을 가지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The silicon or silicon alloy fine particles are a negative active material for a lithium secondary battery having an average particle diameter (D50) of 0.005 to 2 ㎛.
상기 실리콘 합금 미립자는 입자 내에 Si상; 및 Si과 Li, Ge, Sn, Al, Sb, B, P, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, W 및 O로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물 상이 혼합되어 존재하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The silicon alloy fine particles are Si phase in the particle; And Si, Li, Ge, Sn, Al, Sb, B, P, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd A negative electrode active material for a lithium secondary battery in which a compound phase including at least one element selected from Ag, Ta, W, and O is mixed.
상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 90 중량%로 포함되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The silicon or silicon alloy fine particles are 1 to 90% by weight based on the total amount of the negative electrode active material negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자는 5 내지 90 : 10 내지 95의 중량비로 혼합되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles are mixed in a weight ratio of 5 to 90: 10 to 95 negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 수크로오스(sucrose), 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 퓨란 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리이미드, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 타르 및 저분자량 중질유로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 탄소 전구체로부터 형성되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The amorphous or semicrystalline carbon may be sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile, polyamide, furan resin, cellulose, styrene, polyyi A negative electrode active material for a lithium secondary battery formed from a carbon precursor comprising at least one selected from mead, epoxy resin, vinyl chloride resin, coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesophase pitch, tar, and low molecular weight heavy oil.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 93 중량%로 포함되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The amorphous or semi-crystalline carbon is 1 to 93% by weight based on the total amount of the negative electrode active material negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 탄소 미립자와 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자의 혼합물과, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 10 내지 95 : 5 내지 90의 중량비로 혼합되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The negative electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the mixture of the carbon fine particles and the silicon or silicon alloy fine particles and the amorphous or semicrystalline carbon are mixed in a weight ratio of 10 to 95: 5 to 90.
상기 코어 입자의 평균입경(D50)과 상기 쉘 층의 두께의 비율은 17 내지 99.5 : 0.5 내지 83 인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The ratio of the average particle diameter (D50) of the core particles and the thickness of the shell layer is 17 to 99.5: 0.5 to 83 negative electrode active material for a lithium secondary battery.
상기 음극 활물질은
상기 쉘 층의 표면에 위치하고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층을 더 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The negative active material is
The negative active material for a lithium secondary battery further comprises a coating layer on the surface of the shell layer and containing the amorphous or semi-crystalline carbon.
상기 코팅층의 두께는 0.01 내지 5 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
17. The method of claim 16,
The thickness of the coating layer is a negative active material for a lithium secondary battery of 0.01 to 5 ㎛.
상기 음극 활물질은
상기 쉘 층의 표면에 위치하고 상기 비정질 또는 준결정질 탄소; 및 상기 결정질 흑연 미립자, 상기 그래핀, 상기 카본블랙 및 상기 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 상기 탄소 미립자를 포함하는 코팅층
을 더 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The negative active material is
The amorphous or quasicrystalline carbon located on the surface of the shell layer; And a coating layer comprising at least one carbon fine particle selected from the crystalline graphite fine particles, the graphene, the carbon black, and the carbon nanotubes.
A negative electrode active material for a lithium secondary battery further comprising.
상기 코팅층의 두께는 0.01 내지 5 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
19. The method of claim 18,
The thickness of the coating layer is a negative active material for a lithium secondary battery of 0.01 to 5 ㎛.
상기 음극 활물질의 평균입경(D50)은 2 내지 40 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
An average particle diameter (D50) of the negative electrode active material is a negative active material for a lithium secondary battery having a 2 to 40 ㎛.
상기 음극 활물질은
상기 하드 카본 및 상기 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 상기 코어 입자, 그리고
상기 코어 입자의 표면에 위치하는 상기 쉘 층을 포함하고,
상기 쉘 층은 상기 토상 흑연을 분리 또는 분쇄하여 얻어지는 상기 결정질 흑연 미립자; 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는
리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The negative active material is
The core particle comprising at least one selected from the hard carbon and the soft carbon, and
The shell layer located on the surface of the core particles,
The shell layer may include the crystalline graphite fine particles obtained by separating or grinding the earth graphite; The silicon or silicon alloy fine particles; And the amorphous or semicrystalline carbon
Negative electrode active material for lithium secondary battery.
상기 음극 활물질은
상기 하드 카본 및 상기 소프트 카본으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 상기 코어 입자, 그리고
상기 코어 입자의 표면에 위치하는 상기 쉘 층을 포함하고,
상기 쉘 층은 상기 카본블랙; 상기 실리콘 또는 실리콘 합금 미립자; 및 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는
리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The negative active material is
The core particle comprising at least one selected from the hard carbon and the soft carbon, and
The shell layer located on the surface of the core particles,
The shell layer is the carbon black; The silicon or silicon alloy fine particles; And the amorphous or semicrystalline carbon
Negative electrode active material for lithium secondary battery.
상기 복합 입자를 열처리하는 단계
를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
The surface of the core particle including at least one selected from hard carbon and soft carbon may include at least one carbon fine particle selected from crystalline graphite fine particles, graphene, carbon black and carbon nanotubes; Silicon or silicon alloy fine particles; And coating with a mixture of amorphous or semicrystalline carbon precursors to obtain composite particles; And
Heat treating the composite particles
And a negative electrode active material for lithium secondary batteries.
상기 음극 활물질의 제조 방법은
상기 복합 입자의 표면을 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체로 코팅하는 단계
를 더 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
24. The method of claim 23,
Method for producing the negative electrode active material
Coating the surface of the composite particle with the amorphous or semicrystalline carbon precursor
The manufacturing method of the negative electrode active material for lithium secondary batteries containing further.
상기 음극 활물질의 제조 방법은
상기 복합 입자의 표면을 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체; 및 상기 결정질 흑연 미립자, 상기 그래핀, 상기 카본블랙 및 상기 탄소나노튜브로부터 선택되는 적어도 하나의 상기 탄소 미립자로 코팅하는 단계
를 더 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
24. The method of claim 23,
Method for producing the negative electrode active material
A surface of the composite particle is an amorphous or semicrystalline carbon precursor; And coating with the at least one carbon fine particle selected from the crystalline graphite fine particles, the graphene, the carbon black, and the carbon nanotubes.
The manufacturing method of the negative electrode active material for lithium secondary batteries containing further.
상기 열처리는 질소, 아르곤, 수소 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
24. The method of claim 23,
The heat treatment is a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery is carried out under an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen or a mixed gas thereof, or under a vacuum.
상기 열처리는 500 내지 2500 ℃의 온도에서 수행되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
24. The method of claim 23,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500 to 2500 ° C.
양극; 및
전해액
을 포함하는 리튬 이차 전지. A negative electrode comprising the negative electrode active material of any one of claims 1 to 22;
anode; And
Electrolyte
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