KR20240129487A - Silicon carbon composite anode materials, manufacturing method thereof and secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 카본 복합체 음극활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 음극활물질은 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자;를 포함하고, 상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높다.The present invention relates to a silicon carbon composite negative electrode active material, a method for producing the same, and a secondary battery including the same. In one specific example, the negative electrode active material includes a primary particle including a first hollow core having a first hollow portion formed therein and nanosilicon particles filled in the first hollow portion; and a secondary particle including a second hollow core having a second hollow portion formed therein and one or more of the primary particles filled in the second hollow portion; wherein the second hollow core has a harder surface than the first hollow core.
Description
본 발명은 실리콘 카본 복합체 음극활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon carbon composite negative electrode active material, a method for producing the same, and a secondary battery including the same.
현재 화석에너지 사용으로 인한 이산화탄소 등의 온실가스 발생과 지구 온도 상승 문제가 심각한 상황이다. 세계 각국에서 이산화탄소의 배출 규제를 강화되고 있으며, 화석연료를 동력원으로 엔진을 구동하는 내연기관차를 대체하기 위해 전기를 동력원으로 하는 전기자동차 도입량이 가파르게 증가하는 추세이다.Currently, the problem of greenhouse gases such as carbon dioxide and rising global temperatures due to fossil fuel use is serious. Carbon dioxide emission regulations are being strengthened in countries around the world, and the introduction of electric vehicles that use electricity as a power source is rapidly increasing to replace internal combustion engine vehicles that use fossil fuels as a power source.
전기자동차에 전기를 공급하기 위해 사용되는 이차전지는 한번 사용하고 폐기하는 일차전지와 달리 충전을 통해 반복 사용이 가능한 전기자동차의 핵심 부품이다. 또한 이차전지는 전기자동차 외에도 노트북 PC, 모바일 기기, 도심항공교통(Urban Air Mobility, UAM) 수단으로 사용되는 수직이착륙 항공기 및 전기 저장 시스템 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 최근에는 산업 발전에 따라 고용량, 저중량 및 고효율성의 이차전지 요구가 증가하고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Secondary batteries, which are used to supply electricity to electric vehicles, are a key component of electric vehicles that can be reused through charging, unlike primary batteries that are used once and discarded. In addition to electric vehicles, secondary batteries are used in various fields such as notebook PCs, mobile devices, vertical takeoff and landing aircraft used as urban air mobility (UAM) means, and electric storage systems. Recently, with the development of industry, the demand for high-capacity, low-weight, and high-efficiency secondary batteries is increasing, and research on this is actively being conducted.
대표적인 이차전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지 및 리튬이온전지 등이 있다. 이 중에서 리튬이차전지는 충방전시 리튬이온(Li+)의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalation) 반응에 의해 전기에너지를 생산하는 것으로 경량성이 우수하면서 에너지 밀도가 높기 때문에 전기자동차 등 다양한 분야에 사용되고 있다.Representative secondary batteries include lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, and lithium-ion batteries. Among these, lithium secondary batteries produce electrical energy through the intercalation and deintercalation reactions of lithium ions (Li+) during charging and discharging. They are lightweight and have high energy density, so they are used in various fields such as electric vehicles.
리튬이차전지는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 배치된 전해질; 및 상기 전해질에 함침된 분리막;을 포함하며, 상기 양극과 음극은 각각 집전체 상에 형성된 활물질을 포함한다. 리튬이차전지의 양극활물질은 리튬 전이금속산화물 등을 포함하며, 리튬 이온 소스(source)로 리튬이온전지의 용량과 평균 전압을 결정하며, 음극활물질은 양극에서 방출된 상기 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 할 수 있다. 전해질은 전지 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 한다.A lithium secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode; an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode; and a separator impregnated with the electrolyte; wherein the positive electrode and the negative electrode each include an active material formed on a current collector. The positive electrode active material of the lithium secondary battery includes a lithium transition metal oxide, etc., and determines the capacity and average voltage of the lithium ion battery as a lithium ion source, and the negative electrode active material can store and release lithium ions released from the positive electrode and cause current to flow through an external circuit. The electrolyte acts as a medium to allow lithium ions to move between the positive electrode and the negative electrode inside the battery.
종래 리튬이온전지의 음극활물질로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 결정질계 카본재료 또는 비정질계 카본 재료가 사용되었다.Conventionally, crystalline carbon materials such as natural graphite or artificial graphite or amorphous carbon materials have been used as negative electrode active materials for lithium-ion batteries.
최근에는 음극활물질로 카본 대신 실리콘(Si)이 주목받고 있다. 종래 음극활물질로 사용되는 흑연(graphite)은 카본 원자 6개 당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘(Si)은 원자 1개당 리튬이온 4.4개를 저장할 수 있어 종래 흑연 대비 에너지 밀도가 높으며, 이론용량이 약 4,200mAh/g에 달하며, 충방전 속도가 매우 빠른 장점이 있어 주목받고 있다.Recently, silicon (Si) has been attracting attention as an anode material instead of carbon. While graphite, which is used as a conventional anode material, stores one lithium ion per six carbon atoms, silicon (Si) can store 4.4 lithium ions per atom, which is higher in energy density than conventional graphite, and has a theoretical capacity of approximately 4,200 mAh/g, and has the advantage of very fast charge/discharge speed, drawing attention.
그러나 실리콘 음극활물질은 구조적 안정성이 낮은 문제가 있다. 음극 소재는 리튬이온이 저장되는 과정에서 음극의 부피가 커지는 현상(리튬화)이 발생하게 되는데, 흑연이 약 10~20% 정도 부피가 커지는 반면, 실리콘(Si)은 실리콘 하나 당 4.4개의 리튬이온이 반응하여 Li22Si5 합금을 형성하여 4~5배에 달하는 큰 부피 팽창이 발생하게 된다. 특히 실리콘 음극활물질은 결정의 깨짐성이 높으며, 이로 인해 리튬이온전지의 충방전 반복시 실리콘계 음극활물질의 미분화(Pulverization, 입자의 균열, 파괴)가 나타나고 전류 집전체(Cu 극판)와의 전기적 분리가 일어나 급격한 에너지 용량 감소(capacity decay)가 발생하고 수명이 짧아지게 된다.However, silicon anode active materials have the problem of low structural stability. When lithium ions are stored in the anode material, the volume of the anode increases (lithiation). While graphite increases in volume by about 10-20%, in silicon (Si), 4.4 lithium ions react per silicon to form a Li 22 Si 5 alloy, resulting in a large volume expansion of 4-5 times. In particular, silicon anode active materials have high crystal brittleness, which causes pulverization (cracks and destruction of particles) of silicon-based anode active materials when lithium-ion batteries are repeatedly charged and discharged, and electrical separation from the current collector (Cu electrode plate) occurs, resulting in a rapid decrease in energy capacity (capacity decay) and a shortened lifespan.
이러한 실리콘 부피팽창에 따른 음극활물질의 깨짐을 방지하기 위해서는, 음극활물질 사이즈를 최적화하고, 음극활물질에 포함되는 최적의 실리콘 입자 개수의 제어가 요구되고 있다.In order to prevent breakage of the negative electrode active material due to such silicon volume expansion, optimization of the negative electrode active material size and control of the optimal number of silicon particles included in the negative electrode active material are required.
또한 실리콘 음극활물질은 충방전시 음극재(음극활물질)와 전해질 및 전극 사이의 계면 상태 변화가 발생해 효율이 빠르게 감소하는 문제가 있다. 이는 배터리 충전시 음극재 팽창으로 인해 실리콘 입자가 깨질 경우 수많은 리튬 트랩이 발생하기 때문이다. 좀 더 자세히는 실리콘 입자 팽창시 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층이 기계적 스트레스에 의해 쉽게 파괴되는데, 충방전동안 SEI층의 파괴와 재생성 과정이 반복되면 실리콘 외주면에 SEI층 생성량이 증가하게 되며, 이는 입자 사이의 간격을 떨어뜨리기 때문에 입자간 전기적 접촉이 약화되고 리튬 트랩 현상이 일어나게 된다. SEI층이란 전해질이 전극의 활물질과 반응시 활물질 외주면에 형성되는 보호막으로 전자이동도는 낮지만 리튬이온 전도성이 높아 전해질과 음극 소재 간에 리튬이온이 이동하는 통로이다. 흑연은 부피 변화가 작아 SEI층에 문제가 없지만 실리콘은 충전시 부피가 SEI층을 파괴할 정도로 팽창하기 때문에 실리콘 입자의 리튬화로 리튬을 소모시키고 가스가 발생하게 돼 SEI층은 점차 굳고 두꺼워지면서, 리튬이온이 전극에 접근하지 못하여 리튬의 산화-환원 반응을 제한시켜 배터리 수명을 단축시키는 문제가 일어난다.In addition, silicon anode active materials have a problem in that their efficiency rapidly decreases due to changes in the interface state between the anode material (anode active material) and the electrolyte and electrode during charge and discharge. This is because when the anode material expands during battery charging, numerous lithium traps are generated when the silicon particles break. More specifically, when the silicon particles expand, the SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer is easily destroyed by mechanical stress, and when the destruction and regeneration of the SEI layer are repeated during charge and discharge, the amount of SEI layer generated on the outer surface of the silicon increases, which reduces the gap between the particles, weakening the electrical contact between the particles and causing the lithium trap phenomenon. The SEI layer is a protective film formed on the outer surface of the active material when the electrolyte reacts with the active material of the electrode, and has low electron mobility but high lithium ion conductivity, acting as a passage through which lithium ions move between the electrolyte and the anode material. Graphite has a small volume change, so there is no problem with the SEI layer, but silicon expands to the point where it destroys the SEI layer when charging, so lithium is consumed by lithiation of silicon particles and gas is generated, and the SEI layer gradually hardens and thickens, preventing lithium ions from approaching the electrode and limiting the redox reaction of lithium, which shortens the battery life.
따라서, 실리콘 음극활물질의 구조적 안정성을 개선하여 이차전지 충방전시 실리콘 부피 팽창에 의한 음극활물질의 깨짐을 방지하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Therefore, active research is being conducted to improve the structural stability of silicon negative electrode active materials and prevent breakage of the negative electrode active materials due to silicon volume expansion during charging and discharging of secondary batteries.
또한 충방전시 실리콘의 부피팽창으로 인한 음극활물질의 파괴와 용량저하를 방지하기 위해 음극활물질 사이즈의 최적화가 요구되며, 음극활물질에 포함되는 최적의 실리콘 입자 수를 제어하기 위한 연구가 이루어지고 있다.In addition, in order to prevent destruction of the negative electrode active material and reduction in capacity due to volume expansion of silicon during charge and discharge, optimization of the size of the negative electrode active material is required, and research is being conducted to control the optimal number of silicon particles included in the negative electrode active material.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-2185490호(2020.12.02. 공고, 발명의 명칭: 규소산화물복합체를 포함하는 비수전해질 이차전지용 음극활물질 및 이의 제조방법)에 개시되어 있다.Background technology related to the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2185490 (published on December 2, 2020, title of the invention: Negative active material for non-aqueous electrolyte secondary battery containing silicon oxide composite and method for producing the same).
본 발명의 하나의 목적은 내구성 및 구조적 안정성이 우수한 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a silicon carbon composite negative electrode active material having excellent durability and structural stability.
본 발명의 다른 목적은 충방전시 리튬 이온 삽입에 의한 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한, 음극활물질의 파괴를 방지하고 용량 감소를 최소화하는 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a silicon carbon composite negative electrode active material that prevents destruction of the negative electrode active material and minimizes capacity reduction due to volume expansion of nanosilicon particles caused by lithium ion insertion during charge and discharge.
본 발명의 또 다른 목적은 음극활물질의 2차 입자 내부에 충전되는 1차 입자 수와, 상기 1차 입자 내부에 충전되는 나노실리콘 입자 수를 최적화하여, 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하고 전기적 특성이 우수한 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a silicon carbon composite negative electrode active material having excellent electrical properties, by optimizing the number of primary particles filled inside the secondary particles of the negative electrode active material and the number of nano-silicon particles filled inside the primary particles, thereby preventing destruction of the negative electrode active material due to volume expansion of the nano-silicon particles.
본 발명의 또 다른 목적은 고용량, 고출력 및 장수명 특성을 가지며 가역성과 초기 효율이 우수한 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a silicon carbon composite negative electrode active material having high capacity, high output and long life characteristics and excellent reversibility and initial efficiency.
본 발명의 또 다른 목적은 이차전지 음극 제조시 고함량으로 포함 가능한 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a silicon carbon composite negative electrode active material that can be included in a high content when manufacturing a secondary battery negative electrode.
본 발명의 또 다른 목적은 생산성 및 경제성이 우수한 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a silicon carbon composite negative electrode active material having excellent productivity and economic efficiency.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the silicon carbon composite negative electrode active material.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a secondary battery including the silicon carbon composite negative electrode active material.
본 발명의 하나의 관점은 실리콘 카본 복합체 음극활물질에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질은 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자;를 포함하고, 상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높다.One aspect of the present invention relates to a silicon carbon composite negative electrode material. In one specific example, the silicon carbon composite negative electrode material comprises: a primary particle comprising a first hollow core having a first hollow portion formed therein and nanosilicon particles filled in the first hollow portion; and a secondary particle comprising a second hollow core having a second hollow portion formed therein and one or more of the primary particles filled in the second hollow portion; wherein the second hollow core has a harder surface than the first hollow core.
한 구체예에서 상기 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는, 상기 나노실리콘 입자에 리튬이온이 삽입되어 형성되는, 팽창 나노실리콘 입자의 총 부피가 상기 제1 중공부의 부피 이하를 만족하도록 설정되고, 그리고 상기 제2 중공부에 충전되는 1차 입자의 수는, 상기 1차 입자의 총 부피가 상기 제2 중공부의 부피 이하를 만족하도록 설정될 수 있다.In one specific example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion may be set such that the total volume of expanded nanosilicon particles formed by inserting lithium ions into the nanosilicon particles is less than or equal to the volume of the first hollow portion, and the number of primary particles filled in the second hollow portion may be set such that the total volume of the primary particles is less than or equal to the volume of the second hollow portion.
한 구체예에서 상기 1차 입자는 반경이 각각 r1 및 r2인 제1 및 제2 나노실리콘 입자를 포함하되, 상기 제1 중공부에 충전되는 상기 제1 및 제2 나노실리콘 입자 수는 하기 식 1의 조건을 만족할 수 있다:In one specific example, the primary particle comprises first and second nanosilicon particles having radii of r 1 and r 2 , respectively, wherein the number of the first and second nanosilicon particles filled in the first hollow space can satisfy the condition of the following equation 1:
[식 1][Formula 1]
(상기 식 1에서, 상기 r1'는 제1 팽창 나노실리콘 입자의 반경 및 개수이며, 상기 r2'는 제2 팽창 나노실리콘 입자의 반경이고, 상기 R은 상기 제1 중공부의 반경이며, 상기 r1'및 r2'는, 각각 1.5874*r1 및 1.5874*r2 임).(In the above formula 1, the r 1 ' is the radius and the number of the first expanded nano-silicon particles, the r 2 ' is the radius of the second expanded nano-silicon particles, the R is the radius of the first hollow part, and the r 1 ' and r 2 ' are 1.5874*r 1 and 1.5874*r 2 , respectively).
한 구체예에서 상기 2차 입자는 반경이 각각 a1 및 a2인 1차 입자 (1) 및 (2)를 포함하되, 제2 중공부에 충전되는 1차 입자 (1) 및 (2)의 수는, 하기 식 2의 조건을 만족할 수 있다:In one specific example, the secondary particles include primary particles (1) and (2) having radii of a 1 and a 2 , respectively, wherein the number of primary particles (1) and (2) filled in the second hollow space can satisfy the condition of the following equation 2:
[식 2][Formula 2]
(상기 식 2에서, 상기 a1 및 n3는 1차 입자(1)의 반경 및 개수이며, 상기 a2 및 n4는 1차 입자(2)의 반경 및 개수이고, 상기 b는 제2 중공부의 반경임).(In the above formula 2, a 1 and n 3 are the radius and number of primary particles (1), a 2 and n 4 are the radius and number of primary particles (2), and b is the radius of the second hollow part).
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 미만이고, 그리고 상기 제2 중공코어는 상기 연필경도가 4H 이상일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a pencil hardness of less than 4H as measured according to ISO 15184, and the second hollow core may have a pencil hardness of 4H or greater.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 두께가 5~300nm이고, 상기 제1 중공부는 직경이 1~8㎛이며, 상기 나노실리콘 입자는 평균입경이 50~500nm이고, 상기 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는 50~10000개일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a thickness of 5 to 300 nm, the first hollow portion may have a diameter of 1 to 8 μm, the nanosilicon particles may have an average particle diameter of 50 to 500 nm, and the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion may be 50 to 10,000.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 두께가 5~500nm이고, 상기 제2 중공부는 직경이 3~25㎛이며, 상기 제2 중공부에 충전되는 상기 1차 입자 수는 5~500개일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a thickness of 5 to 500 nm, the second hollow portion may have a diameter of 3 to 25 μm, and the number of primary particles filled in the second hollow portion may be 5 to 500.
한 구체예에서 상기 음극활물질 전체 중량에 대하여, 상기 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량% 및 제2 중공코어 1~40 중량%를 포함할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material may include 25 to 80 wt% of the nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, and 1 to 40 wt% of the second hollow core, based on the total weight of the negative electrode active material.
한 구체예에서 상기 음극활물질은 상기 제2 중공코어 및 제1 중공코어를 1:0.5~1:6 중량비로 포함할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material may include the second hollow core and the first hollow core in a weight ratio of 1:0.5 to 1:6.
한 구체예에서 상기 음극활물질은 상기 제2 중공코어 외주면에 형성되는 제1 코팅레이어를 더 포함하고, 상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material further includes a first coating layer formed on an outer surface of the second hollow core, and the first coating layer may include at least one of a soft coating layer and a medium coating layer.
한 구체예에서 상기 1차 입자는 상기 나노실리콘 입자의 충전 밀도가 75% 이하일 수 있다.In one specific example, the primary particles may have a packing density of 75% or less of the nanosilicon particles.
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 상기 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어를 1:0.5~1:3 중량비로 포함할 수 있다.In one specific example, the first coating layer may include the soft coating layer and the medium coating layer in a weight ratio of 1:0.5 to 1:3.
본 발명의 다른 관점은 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질의 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질 제조방법은 나노실리콘 슬러리 및 소프트코팅재를 포함하는 혼합슬러리를 건조하여 건조분말을 제조하는 단계; 상기 건조분말과 소프트코팅재를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제1 혼합물 및 하드코팅재를 포함하는 제2 혼합물을 소성하여 제1 중간체를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 중간체는, 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자, 및 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고, 상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높다. Another aspect of the present invention relates to a method for producing the silicon carbon composite negative electrode active material. In one specific example, the method for producing the silicon carbon composite negative electrode active material includes: a step of drying a mixed slurry including a nano-silicon slurry and a soft coating material to produce a dry powder; a step of producing a first mixture including the dry powder and the soft coating material; and a step of sintering the first mixture and the second mixture including the hard coating material to produce a first intermediate; wherein the first intermediate includes primary particles including a first hollow core having a first hollow portion formed and nano-silicon particles filled in the first hollow portion, and secondary particles including a second hollow core having a second hollow portion formed and one or more of the primary particles filled in the second hollow portion, wherein the second hollow core has a harderness than the first hollow core.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 슬러리는, 제1 용제에 실리콘 원료분말 및 분산제를 투입하고 분산하여 분산물을 제조하고; 그리고 상기 분산물을 분쇄하는 단계;를 포함하여 제조되며, 상기 제1 용제는 물, 에탄올, 이소프로필알코올 및 수산화칼륨(KOH) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon slurry is manufactured including the steps of adding and dispersing a silicon raw material powder and a dispersant into a first solvent to manufacture a dispersion; and pulverizing the dispersion; wherein the first solvent may include at least one of water, ethanol, isopropyl alcohol, and potassium hydroxide (KOH).
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 미만이고, 그리고 상기 제2 중공코어는 상기 연필경도가 4H 이상일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a pencil hardness of less than 4H as measured according to ISO 15184, and the second hollow core may have a pencil hardness of 4H or greater.
한 구체예에서 상기 제2 혼합물은 850~1050℃에서 소성될 수 있다.In one specific example, the second mixture can be calcined at 850 to 1050°C.
한 구체예에서 상기 제1 중간체를 제조하는 단계는, 상기 제1 혼합물을 850~950℃에서 1차 소성하고, 그리고 상기 1차 소성된 제1 혼합물과 소프트코팅재를 포함하는 제2 혼합물을 950℃ 초과 1050℃ 이하에서 2차 소성하는 단계;를 포함하여 실시될 수 있다.In one specific example, the step of manufacturing the first intermediate may be performed including the steps of first firing the first mixture at 850 to 950°C, and second firing the second mixture including the first-fired first mixture and the soft coating material at a temperature higher than 950°C and lower than 1050°C.
한 구체예에서 상기 제1 중간체를 제조하는 단계 이후, 상기 제1 중간체의 외주면에 제1 코팅레이어를 형성하는 단계;를 더 포함하며, 상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 중 하나 이상을 포함하되, 상기 소프트 코팅레이어는 상기 제1 중간체와 소프트코팅재를 혼합하고 소성하는 단계;를 포함하여 형성되고, 그리고 상기 미디엄 코팅레이어는 상기 제1 중간체를 탄화수소 가스 분위기에서 열처리하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.In one specific example, after the step of manufacturing the first intermediate, the method further includes the step of forming a first coating layer on an outer surface of the first intermediate, wherein the first coating layer includes at least one of a soft coating layer and a medium coating layer, wherein the soft coating layer is formed by including the step of mixing and firing the first intermediate and a soft coating material, and the medium coating layer can be formed by including the step of heat-treating the first intermediate in a hydrocarbon gas atmosphere.
본 발명의 또 다른 관점은 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 이차전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 형성되는 전해질;을 포함하며, 상기 음극은 상기 음극활물질을 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a secondary battery including the silicon carbon composite negative electrode active material. In one specific example, the secondary battery includes a positive electrode; a negative electrode; and an electrolyte formed between the positive electrode and the negative electrode; wherein the negative electrode includes the negative electrode active material.
본 발명에 따른 음극활물질은 내구성 및 구조적 안정성이 우수하고, 충방전시 리튬 이온 삽입시 실리콘 부피 팽창에 의한, 음극활물질의 파괴를 방지하고, 용량 감소를 최소화하며, 음극활물질의 2차 입자 내부에 충전되는 1차 입자 수와, 상기 1차 입자 내부에 충전되는 나노실리콘 입자 수를 최적화하여, 충전시 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하고 전기적 특성이 우수하며, 이차전지 음극 제조시 고함량으로 포함 가능하고, 고용량, 고에너지밀도, 고출력 및 장수명 특성을 가지며 가역성과 초기 효율이 우수하고, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.The negative electrode active material according to the present invention has excellent durability and structural stability, prevents destruction of the negative electrode active material due to silicon volume expansion when lithium ions are inserted during charge and discharge, minimizes capacity decrease, optimizes the number of primary particles filled inside the secondary particles of the negative electrode active material and the number of nano-silicon particles filled inside the primary particles, thereby preventing destruction of the negative electrode active material due to nano-silicon particle volume expansion during charging, has excellent electrical characteristics, can be included in a high content when manufacturing a secondary battery negative electrode, and has high capacity, high energy density, high output, and long life characteristics, and can have excellent reversibility and initial efficiency, and excellent productivity and economy.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 음극활물질을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 음극활물질을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 음극활물질의 XRD 분석 그래프이다.Figure 1 illustrates a negative electrode active material according to one specific example of the present invention.
Figure 2 illustrates a negative active material according to another specific example of the present invention.
Figure 3 is an XRD analysis graph of the negative electrode active material of Example 1.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms described below are terms defined in consideration of their functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator, and therefore, their definitions should be made based on the contents of the entire specification explaining the present invention.
실리콘 카본 복합체 음극활물질Silicon carbon composite cathode active material
본 발명의 하나의 관점은 실리콘 카본 복합체 음극활물질에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 음극활물질을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 실리콘 카본 복합체 음극활물질(100)은 제1 중공부(16)가 형성된 제1 중공코어(14) 및 제1 중공부(16)에 충전된 나노실리콘 입자(12)를 포함하는 1차 입자(10); 및 제2 중공부(24)가 형성된 제2 중공코어(22) 및 제2 중공부(24)에 충전된 하나 이상의 1차 입자(10)를 포함하는 2차 입자(20);를 포함하고, 제2 중공코어(22)는 제1 중공코어(14) 보다 경도가 높다.One aspect of the present invention relates to a silicon carbon composite negative electrode active material. FIG. 1 illustrates a negative electrode active material according to one specific example of the present invention. Referring to FIG. 1, the silicon carbon composite negative electrode active material (100) includes a first hollow core (14) in which a first hollow portion (16) is formed and a primary particle (10) including nanosilicon particles (12) filled in the first hollow portion (16); and a second hollow core (22) in which a second hollow portion (24) is formed and a secondary particle (20) including one or more primary particles (10) filled in the second hollow portion (24); wherein the second hollow core (22) has a harder surface than the first hollow core (14).
한 구체예에서 상기 음극활물질 전체 중량에 대하여, 상기 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량% 및 제2 중공코어 1~40 중량% 포함할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material may include 25 to 80 wt% of the nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, and 1 to 40 wt% of the second hollow core, based on the total weight of the negative electrode active material.
한 구체예에서 상기 음극활물질은 입자밀도가 1~3g/cm3 일 수 있다. 상기 조건에서 경량성과 출력이 우수할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material may have a particle density of 1 to 3 g/cm 3 . Under the above conditions, light weight and output may be excellent.
한 구체예에서 음극활물질은 평균입경이 5~30㎛일 수 있다. 상기 조건에서 상기 평균 입경 조건에서 고용량, 고출력 특성과 구조적 안정성이 우수하고, 충방전시 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하며 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 3~30㎛, 3~25㎛, 3~20㎛, 5~20㎛, 5~15㎛, 5~18㎛ 또는 6~12㎛ 일 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material may have an average particle size of 5 to 30 μm. Under the above conditions, the negative electrode active material may have excellent high-capacity, high-output characteristics and structural stability under the above average particle size conditions, may prevent destruction of the negative electrode active material due to volume expansion of the nano-silicon particles during charge and discharge, and may have excellent long-life characteristics. For example, the negative electrode active material may have an average particle size of 3 to 30 μm, 3 to 25 μm, 3 to 20 μm, 5 to 20 μm, 5 to 15 μm, 5 to 18 μm, or 6 to 12 μm.
1차 입자Primary particle
상기 1차 입자는 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함한다.The above primary particle includes a first hollow core having a first hollow portion formed therein and nanosilicon particles filled in the first hollow portion.
한 구체예에서 상기 1차 입자는 평균입경(d50)(또는 직경)이 1~8.5㎛ 일 수 있다. 상기 조건에서 충방전시 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 1차 입자의 파괴를 방지하고 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~6㎛, 1~5.5㎛, 1~4.5㎛ 또는 2~3㎛ 일 수 있다.In one specific example, the primary particles may have an average particle size (d50) (or diameter) of 1 to 8.5 μm. Under the above conditions, the primary particles may be prevented from being destroyed due to volume expansion of the nanosilicon particles during charging and discharging, and may have excellent long-life characteristics. For example, the diameter may be 1 to 6 μm, 1 to 5.5 μm, 1 to 4.5 μm, or 2 to 3 μm.
상기 제1 중공코어는 구형 또는 타원형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.The above first hollow core may be spherical or elliptical, for example, it may be spherical.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 후술할 소프트코팅재를 소성하여 형성된다. 상기 소프코팅재를 소성하여 제1 중공코어를 형성시, 이차전지 충전과정에서 상기 나노실리콘 입자에 리튬 이온이 삽입되어 팽창시 제1 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 손상을 방지하여, 용량 저하를 방지하고 장수명 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the first hollow core is formed by firing a soft coating material to be described later. When the first hollow core is formed by firing the soft coating material, when lithium ions are inserted into the nano-silicon particles during the secondary battery charging process and expand, the first hollow core (or negative electrode active material) is prevented from being broken or damaged, thereby preventing capacity reduction and providing excellent long-life characteristics.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 피치(pitch), 코크(coke) 및 기타 유기물로부터 형성된 카본 전구체 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 피치는 석유계 피치(pyrolysis fuel oil pitch) 및 석탄계 피치(coal tar pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the soft coating material may include one or more of carbon precursors formed from pitch, coke, and other organic materials. For example, the pitch may include one or more of pyrolysis fuel oil pitch and coal tar pitch.
한 구체예에서 상기 제1 중공부는 평균직경이 1~8㎛ 일 수 있다. 상기 조건에서 충방전시 나노실리콘 입자의 부피팽창에 의한 1차 입자의 파괴를 방지하며 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~6㎛, 1~5㎛, 1~4㎛ 또는 2~3㎛ 일 수 있다.In one specific example, the first hollow portion may have an average diameter of 1 to 8 μm. Under the above conditions, the destruction of the primary particles due to volume expansion of the nano-silicon particles during charging and discharging may be prevented, and long-life characteristics may be excellent. For example, the diameter may be 1 to 6 μm, 1 to 5 μm, 1 to 4 μm, or 2 to 3 μm.
예를 들면 상기 제1 중공부는 반경이 0.5~4㎛ 또는 1~1.5㎛ 일 수 있다.For example, the first hollow portion may have a radius of 0.5 to 4 μm or 1 to 1.5 μm.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 두께가 5~300nm 일 수 있다. 상기 조건에서 경도와 기계적 강도가 우수하여 나노실리콘 입자의 팽창에도 음극활물질의 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다. 예를 들면 5~250nm, 10~300nm 또는 10~50nm 일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a thickness of 5 to 300 nm. Under the above conditions, the hardness and mechanical strength are excellent, so that the cathode active material can be prevented from being broken or damaged even when the nanosilicon particles expand. For example, the thickness may be 5 to 250 nm, 10 to 300 nm, or 10 to 50 nm.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 밀도가 1.5g/cm3 이하일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 중공코어는 밀도가 0.3~1.5g/cm3 일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a density of 1.5 g/cm 3 or less. Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the first hollow core may have a density of 0.3 to 1.5 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 비표면적(BET)이 300m2/g 이상일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 비표면적(BET)이 300~2500m2/g일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a surface area (BET) of 300 m 2 /g or more. Under the above conditions, the structural stability may be excellent. For example, the surface area (BET) may be 300 to 2500 m 2 /g.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 순도(불순물 함량)가 1000ppm 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1000~5000ppm일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a purity (impurity content) of 1000 ppm or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, it may be 1000 to 5000 ppm.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 전기전도도(resistivity)가 50 μΩ·m 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 전기전도도(resistivity)가 50~300 μΩ·m 일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have an electrical conductivity (resistivity) of 50 μΩ·m or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, the electrical conductivity (resistivity) may be 50 to 300 μΩ·m.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 미만일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 제1 중공코어의 팽창을 완충하는 효과가 우수하여, 음극활물질의 파괴를 방지하며, 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 연필경도가 B 내지 3H, 또는 B 내지 1H 일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a pencil hardness of less than 4H as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the effect of buffering the expansion of the first hollow core due to the volume expansion of the nanosilicon particles is excellent, thereby preventing destruction of the negative electrode active material and providing excellent long-life characteristics. For example, the pencil hardness may be B to 3H, or B to 1H.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 음극활물질 전체중량에 대하여 1~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 음극활물질의 내구성 및 구조적 안정성이 우수하면서, 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~30 중량%, 1~25 중량%, 1~20 중량%, 1~15 중량%, 2~15 중량%, 3~15 중량% 또는 5~15 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the first hollow core may be included in an amount of 1 to 40 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. When included in the above range, the durability and structural stability of the negative electrode active material may be excellent, and the electrical characteristics may be excellent. For example, it may be included in an amount of 1 to 30 wt%, 1 to 25 wt%, 1 to 20 wt%, 1 to 15 wt%, 2 to 15 wt%, 3 to 15 wt%, or 5 to 15 wt%.
나노실리콘 입자Nanosilicon particles
상기 나노실리콘 입자는 고용량 및 고출력 특성을 확보하기 위해 포함된다. 한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 구형, 다면체형, 타원형 또는 부정형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.The above nanosilicon particles are included to secure high capacity and high output characteristics. In one specific example, the nanosilicon particles may be spherical, polyhedral, ellipsoidal or irregularly shaped. For example, it may be spherical.
종래에는 리튬이온 삽입에 의한 실리콘 팽창시 음극활물질의 파괴를 억제하기 위해 편상흑연을 투입하여 분쇄 및 소성하여 음극활물질을 제조하였다. 그러나 실리콘 및 편상흑연을 분쇄하는 과정에서 실리콘의 산화가 발생하게 되며, 음극활물질을 제조시 용량이 1,400mAh/g의 미만으로 현저히 감소하는 문제가 있었다. In the past, in order to suppress the destruction of the negative active material when the silicon expands due to lithium ion insertion, graphite was added and pulverized and calcined to manufacture the negative active material. However, in the process of pulverizing the silicon and graphite, oxidation of the silicon occurred, and there was a problem that the capacity significantly decreased to less than 1,400 mAh/g when manufacturing the negative active material.
반면, 본 발명 음극활물질은 특정 구조의 1차 입자 및 2차 입자 구조를 적용하여 편상흑연을 함유하지 않으면서 나노실리콘 입자의 팽창으로 인한 음극활물질의 파괴를 방지하여 고수명의 음극활물질의 제조가 가능하며, 2,000mAh/g 이상의 고용량 특성을 구현할 수 있다.On the other hand, the negative electrode active material of the present invention prevents destruction of the negative electrode active material due to expansion of nano-silicon particles without containing flake graphite by applying a specific structure of primary particles and secondary particles, thereby enabling the production of a long-life negative electrode active material, and can implement high-capacity characteristics of 2,000 mAh/g or more.
한 구체예에서 상기 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는, 상기 나노실리콘 입자에 리튬이온이 삽입시 형성되는, 팽창 나노실리콘 입자의 총 부피가 상기 제1 중공부 부피 이하를 만족하도록 설정될 수 있다. 상기와 같이 나노실리콘 입자 수를 설정시, 상기 나노실리콘 입자의 팽창에 의한 제1 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 파괴를 방지할 수 있다.In one specific example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion may be set such that the total volume of the expanded nanosilicon particles formed when lithium ions are inserted into the nanosilicon particles is less than or equal to the volume of the first hollow portion. When the number of nanosilicon particles is set as described above, the first hollow core (or negative electrode active material) can be prevented from being broken or destroyed due to the expansion of the nanosilicon particles.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 결정질의 특성이 비교적 높게 나타날 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may exhibit relatively high crystalline properties.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 X-선 회절(XRD) 스펙트럼에서 2θ값이 26~30˚, 47~50˚ 53~58˚, 68~72˚, 74~78˚ 및 88~90˚중 하나 이상의 영역에서 유효피크를 가질 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 고용량 및 고출력 특성을 확보하며, 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 감소할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may have effective peaks in one or more regions of 2θ values of 26 to 30˚, 47 to 50˚, 53 to 58˚, 68 to 72˚, 74 to 78˚, and 88 to 90˚ in an X-ray diffraction (XRD) spectrum. Under the above conditions, high-capacity and high-power characteristics of the nanosilicon particles are secured, and the breakage of the silicon particles during charge and discharge can be significantly reduced.
예를 들면, 상기 나노실리콘 입자는 상기 X선 회절 스펙트럼에서, 회절각도(2θ) 값이 27.5~28.5˚, 47.5~48.5˚, 56~57˚, 68~69.5˚, 75~76˚ 및 88~90˚ 영역에서 각각 유효피크를 가지며, 상기 유효피크는 각각 (111), (220), (311), (400), (331), (442) 결정면을 나타내는 것일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 고용량 및 고출력 특성을 확보하며, 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 감소할 수 있다. For example, the nano-silicon particles may have effective peaks in the X-ray diffraction spectrum at diffraction angles (2θ) of 27.5 to 28.5˚, 47.5 to 48.5˚, 56 to 57˚, 68 to 69.5˚, 75 to 76˚, and 88 to 90˚, respectively, and the effective peaks may represent crystal planes (111), (220), (311), (400), (331), and (442), respectively. Under the above conditions, the high-capacity and high-power characteristics of the nano-silicon particles can be secured, and the breakage of the silicon particles during charge and discharge can be significantly reduced.
예를 들면, 상기 나노실리콘 입자는 1.54~2.0 Å의 CuKα선을 사용한 X선 회절(XRD) 스펙트럼에서, (111)면에서의 회절각도(2θ) 값이 26~30˚ 및 (220)면 에서의 회절각도(2θ) 값이 47~50˚ 영역에서 각각 유효피크를 가질 수 있다.For example, the nanosilicon particles may have effective peaks in the range of 26 to 30˚ for the diffraction angle (2θ) value at the (111) plane and in the range of 47 to 50˚ for the diffraction angle (2θ) value at the (220) plane in an X-ray diffraction (XRD) spectrum using CuKα rays of 1.54 to 2.0 Å.
예를 들면, 상기 나노실리콘 입자는 1.54178 Å의 CuKα선을 사용하여 0.01°의 step size로 2θ를 10-70°에서 측정한 X선 회절(XRD) 스펙트럼에서, (111)면에서의 회절각도(2θ) 값이 26~30˚ 및 (220)면에서의 회절각도(2θ) 값이 47~50˚ 영역에서 각각 유효피크를 가질 수 있다.For example, in an X-ray diffraction (XRD) spectrum measured at 2θ of 10-70° with a step size of 0.01° using CuKα radiation of 1.54178 Å, the nanosilicon particles may have effective peaks in the range of 26 to 30° for the diffraction angle (2θ) value at the (111) plane and in the range of 47 to 50° for the diffraction angle (2θ) value at the (220) plane, respectively.
한 구체예에서 상기 나노 실리콘 입자는 (111)면 및 (220)면에서의 1.54~2.0Å의 CuKα선을 사용한 X선 회절각도(2θ)의 FWHM(Full width at half maximum, 반치전폭)가 각각 0.40° 내지 0.80° 범위, 보다 바람직하게는 0.52° 내지 0.68° 또는 0.59° 내지 0.71° 범위일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 고용량 및 고출력 특성을 확보하며, 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 감소할 수 있다.In one specific example, the nano silicon particles may have an FWHM (Full width at half maximum) of an X-ray diffraction angle (2θ) using CuKα rays of 1.54 to 2.0 Å at the (111) plane and the (220) plane in the range of 0.40° to 0.80°, more preferably in the range of 0.52° to 0.68° or 0.59° to 0.71°. Under the above conditions, the high-capacity and high-power characteristics of the nano silicon particles can be secured, and the breakage phenomenon of the silicon particles during charge and discharge can be significantly reduced.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 평균입경이 50~500nm일 수 있다. 다른 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 평균입경(50)이 500nm 이하, 보다 바람직하게는 160nm 내지 260nm, 180nm 내지 230nm, 190nm 내지 220nm, 또는 200nm 내지 220nm 범위일 수 있다. 또한 상기 나노실리콘 입자의 평균입경의 최대값(Dmax) 제어도 매우 중요한데, 예를 들면 Dmax 입경이 380nm 이하, 바람직하게는 320nm 내지 360nm의 범위일 수 있다. 보다 바람직하게는 300nm 내지 340nm의 범위일 수 있다. Dmax 값이 낮을수록 나노실리콘 슬러리의 점도가 높아질 수 있으며, 나노실리콘 슬러리의 점도를 6500cps 이하(25℃)로 제어할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may have an average particle diameter of 50 to 500 nm. In another specific example, the nanosilicon particles may have an average particle diameter (50) of 500 nm or less, more preferably 160 nm to 260 nm, 180 nm to 230 nm, 190 nm to 220 nm, or 200 nm to 220 nm. In addition, the control of the maximum value (Dmax) of the average particle diameter of the nanosilicon particles is also very important. For example, the Dmax particle diameter may be 380 nm or less, preferably 320 nm to 360 nm. More preferably, it may be 300 nm to 340 nm. The lower the Dmax value, the higher the viscosity of the nanosilicon slurry. The viscosity of the nanosilicon slurry can be controlled to 6500 cps or less (25° C.).
예를 들면 반경 r인 구형 나노실리콘 입자의 부피가 4배 팽창된 팽창 나노실리콘 입자는 반경 r'이 1.5874*r 일 수 있다. 상기 팽창 나노실리콘 입자의 반경 r'는, (4/3)*π*(r')3 = 4*(4/3)*π*(r)3의 관계를 이용하여 도출될 수 있다(r' = (3√4)*r 1.5874*r).For example, an expanded nanosilicon particle whose volume is expanded four times that of a spherical nanosilicon particle with a radius r may have a radius r' of 1.5874*r. The radius r' of the expanded nanosilicon particle can be derived using the relationship (4/3)*π*(r') 3 = 4*(4/3)*π*(r) 3 (r' = ( 3 √4)*r 1.5874*r).
또한 상기 제1 중공부 내부에 충전되는 나노실리콘 입자의 개수는, 육방조밀 또는 면심입방구조에서의 입자 충전율(π*(√3/2) 0.7405)을 고려하여 도출될 수 있다.In addition, the number of nanosilicon particles filled inside the first hollow space is the particle filling ratio (π*(√3/2)) in the hexagonal close-packed or face-centered cubic structure. It can be derived by considering 0.7405).
한 구체예에서 반경(r) 100nm인 나노실리콘 입자는 4배 팽창시 반경이 반경(r') 약 158nm (158.74nm) 일 수 있다. 다른 구체예에서 반경(r) 150nm인 나노실리콘 입자는 4배 팽창시 반경이 반경(r') 약 238nm (238.11nm) 일 수 있다.In one specific example, a nanosilicon particle having a radius (r) of 100 nm can have a radius of about 158 nm (158.74 nm) when expanded four-fold to a radius (r'). In another specific example, a nanosilicon particle having a radius (r) of 150 nm can have a radius of about 238 nm (238.11 nm) when expanded four-fold to a radius (r').
한 구체예에서 상기 1차 입자는, 반경이 각각 r1 및 r2인 제1 및 제2 나노실리콘 입자를 포함할 수 있다. 상기 r1 및 r2는 각각 동일하거나, 상이할 수 있다.In one specific example, the primary particle may include first and second nanosilicon particles having radii of r 1 and r 2 , respectively. The r 1 and r 2 may be the same or different, respectively.
한 구체예에서 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 상기 제1 및 제2 나노실리콘 입자 수는 하기 식 1의 조건을 만족할 수 있다:In one specific example, the number of the first and second nanosilicon particles filled in the first hollow portion of the first particle may satisfy the condition of the following equation 1:
[식 1][Formula 1]
(상기 식 1에서, 상기 r1'는 제1 팽창 나노실리콘 입자의 반경이며, 상기 r2'는 제2 나노실리콘 입자의 반경이고, 상기 R은 상기 제1 중공부의 반경이며, 상기 r1'및 r2'는, 각각 1.5874*r1 및 1.5874*r2 임).(In the above Equation 1, the r 1 ' is the radius of the first expanded nano-silicon particle, the r 2 ' is the radius of the second nano-silicon particle, the R is the radius of the first hollow part, and the r 1 ' and r 2 ' are 1.5874*r 1 and 1.5874*r 2 , respectively).
상기 식 1의 조건으로 제1 중공부에 충전되는 제1 및 제2 나노실리콘 입자 수를 설정시, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 상기 1차 입자의 제1 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 파괴를 방지할 수 있다.When the number of first and second nano-silicon particles filled in the first hollow portion is set under the condition of the above formula 1, the first hollow core (or negative electrode active material) of the first particle can be prevented from being broken or destroyed due to expansion of the nano-silicon particles.
한 구체예에서 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는 50~10000개 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이하고, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 제1 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는 150~10000개 일 수 있다. 예를 들면 150~8000개일 수 있다. 다른 예를 들면 150~6000개, 200~2000개 또는 200~1600 개일 수 있다.In one specific example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion of the primary particle may be 50 to 10,000. Under the above conditions, it is easy to control the number of nanosilicon particles, prevent destruction of the first hollow core due to expansion of the nanosilicon particles, and excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material may be achieved. For example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion of the primary particle may be 150 to 10,000. For example, it may be 150 to 8,000. For other examples, it may be 150 to 6,000, 200 to 2,000, or 200 to 1,600.
다른 예를 들면, 상기 제1 중공부는 평균직경이 2~4㎛(또는 반경 1~2㎛) 이며, 상기 제1 중공부에 충전되며, 평균입경(d50) 180~220nm(반경 90~110nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 280~320nm(반경 140~160nm)인 제2 나노실리콘 입자 수의 총 합은 150~5000개 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이하고, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 제1 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 중공부에 충전되는 반경 100nm(평균입경(d50) 200nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 반경 150nm(평균입경(d50) 300nm)인 제2 나노실리콘 입자 수의 총 합은 150~2000개, 200~2000개 또는 200~1600 개일 수 있다.As another example, the first hollow portion may have an average diameter of 2 to 4 μm (or a radius of 1 to 2 μm), and the total number of first nano-silicon particles having an average particle diameter (d50) of 180 to 220 nm (a radius of 90 to 110 nm) and second nano-silicon particles having an average particle diameter (d50) of 280 to 320 nm (a radius of 140 to 160 nm) filled in the first hollow portion may be 150 to 5,000. Under the above conditions, it is easy to control the number of nano-silicon particles, prevent destruction of the first hollow core due to expansion of the nano-silicon particles, and provide excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material. For example, the total number of first nano-silicon particles having a radius of 100 nm (average particle diameter (d50) of 200 nm) and second nano-silicon particles having a radius of 150 nm (average particle diameter (d50) of 300 nm) filled in the first hollow space may be 150 to 2,000, 200 to 2,000, or 200 to 1,600.
예를 들면 상기 평균직경이 2~4㎛(또는 반경 1~2㎛)인 제1 중공부에 충전되는 제1 나노실리콘 입자(반경 90~110nm)는 140~1300개 포함되고, 제2 나노실리콘 입자(반경 140~160nm)는 30~360개 포함될 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이하고, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 제1 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다.For example, the first hollow portion having the above average diameter of 2 to 4 μm (or radius of 1 to 2 μm) may contain 140 to 1,300 first nano-silicon particles (radius of 90 to 110 nm), and the second nano-silicon particles (radius of 140 to 160 nm) may contain 30 to 360. Under the above conditions, it is easy to control the number of nano-silicon particles, prevent destruction of the first hollow core due to expansion of the nano-silicon particles, and provide excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material.
한 구체예에서 상기 1차 입자는 상기 나노실리콘 입자의 충전 밀도가 75% 이하일 수 있다. 상기 나노실리콘 입자의 충전밀도는, 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자의 최대 수에 대한, 실제 충전되는 나노실리콘 입자수를 의미할 수 있다. 상기 충전밀도 조건에서 나노실리콘 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 충전밀도가 20~50%일 수 있다. 다른 예를 들면 충전밀도가 20~25%일 수 있다.In one specific example, the primary particle may have a packing density of 75% or less of the nanosilicon particles. The packing density of the nanosilicon particles may mean the number of nanosilicon particles actually filled with respect to the maximum number of nanosilicon particles filled in the first hollow space. Under the packing density condition, the negative electrode active material may be prevented from being destroyed by expansion of the nanosilicon particles, while exhibiting excellent high-capacity and high-output characteristics. For example, the packing density may be 20 to 50%. In another example, the packing density may be 20 to 25%.
한 구체예에서 상기 2차 입자는 상기 1차 입자의 충전 밀도가 75% 이하일 수 있다. 상기 2차 입자의 충전밀도는, 제2 중공부에 충전 가능한 1차 입자의 최대 수에 대한, 실제 충전되는 1차 입자의 수를 의미할 수 있다. 상기 충전밀도 조건에서 1차 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 충전밀도가 20~60%일 수 있다. 다른 예를 들면 충전밀도가 20~35%일 수 있다.In one specific example, the secondary particles may have a packing density of 75% or less of the primary particles. The packing density of the secondary particles may mean the number of primary particles actually packed relative to the maximum number of primary particles that can be packed in the second hollow space. Under the packing density conditions, the negative electrode active material may be prevented from being destroyed by expansion of the primary particles, while exhibiting excellent high-capacity and high-output characteristics. For example, the packing density may be 20 to 60%. In another example, the packing density may be 20 to 35%.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 상기 음극활물질 전체중량에 대하여 25~80 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 혼합성과 내구성이 우수하면서, 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 25~70 중량% 포함될 수 있다. 다른 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 25~65 중량%, 25~60 중량% 또는 30~50 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the nano-silicon particles may be included in an amount of 25 to 80 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. In the above content range, the negative electrode active material may have excellent mixing and durability, as well as excellent high-capacity and high-output characteristics. For example, the negative electrode active material may be included in an amount of 25 to 70 wt%. In another specific example, the negative electrode active material may be included in an amount of 25 to 65 wt%, 25 to 60 wt%, or 30 to 50 wt%.
2차 입자secondary particle
상기 2차 입자는, 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함한다.The above secondary particle includes a second hollow core having a second hollow portion formed therein and one or more of the above primary particles filled in the second hollow portion.
상기 제2 중공코어는 구형 또는 타원형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.The above second hollow core may be spherical or elliptical, for example, it may be spherical.
상기 제2 중공코어는 결정질의 특성이 비교적 높게 나타날 수 있다. 상기 조건에서 강도와 내구성이 우수할 수 있다.The above second hollow core may exhibit relatively high crystalline characteristics. Under the above conditions, the strength and durability may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 후술할 하드코팅재를 소성하여 형성된다. 상기 하드코팅재를 소성하여 제2 중공코어를 형성시, 상기 제2 중공코어의 결정성이 우수하고, 전기전도성, 경도 및 기계적 강도가 우수하며, 이차전지 충전과정에서 상기 나노실리콘 입자에 리튬 이온이 삽입되어 팽창시, 1차 입자 팽창에 의한 상기 제2 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 손상을 방지하여, 용량 저하를 방지하고 장수명 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core is formed by firing a hard coating material to be described later. When the second hollow core is formed by firing the hard coating material, the crystallinity of the second hollow core is excellent, and electrical conductivity, hardness, and mechanical strength are excellent. In addition, when lithium ions are inserted into the nano-silicon particles and expand during the secondary battery charging process, the second hollow core (or negative electrode active material) is prevented from being broken or damaged due to primary particle expansion, thereby preventing capacity reduction and having excellent long-life characteristics.
상기 제2 중공부의 직경은 상기 제1 중공부의 직경 보다 크다.The diameter of the second hollow portion is larger than the diameter of the first hollow portion.
한 구체예에서 상기 제2 중공부는 평균직경이 3~25㎛ 일 수 있다. 상기 조건에서 상기 1차 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하며 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 중공부는 평균직경이 5~20㎛, 6~20㎛, 10~20㎛, 6~18㎛, 12~18㎛ 또는 14~18㎛ 일 수 있다.In one specific example, the second hollow portion may have an average diameter of 3 to 25 μm. Under the above conditions, the destruction of the negative electrode active material due to expansion of the primary particles may be prevented, and long-life characteristics may be excellent. For example, the second hollow portion may have an average diameter of 5 to 20 μm, 6 to 20 μm, 10 to 20 μm, 6 to 18 μm, 12 to 18 μm, or 14 to 18 μm.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 두께가 5~500nm 일 수 있다. 상기 조건에서 경도와 기계적 강도가 우수하여 나노실리콘 입자의 팽창에도 음극활물질의 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다. 예를 들면 5~250nm, 10~300nm 또는 10~50nm 일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a thickness of 5 to 500 nm. Under the above conditions, the hardness and mechanical strength are excellent, so that the cathode active material can be prevented from being broken or damaged even when the nanosilicon particles expand. For example, the thickness may be 5 to 250 nm, 10 to 300 nm, or 10 to 50 nm.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 밀도가 1.8~2.5g/cm3 일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 중공코어는 밀도가 1.8~2.1g/cm3 일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a density of 1.8 to 2.5 g/cm 3 . Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the second hollow core may have a density of 1.8 to 2.1 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 비표면적(BET)이 100m2/g 이하일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a BET surface area of 100 m 2 /g or less. Under the above conditions, the structural stability may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 순도(불순물 함량)가 100ppm 이하일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a purity (impurity content) of 100 ppm or less. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 전기전도도(resistivity)가 3~5 μΩ·m 일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have an electrical conductivity (resistivity) of 3 to 5 μΩ·m. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 이상일 수 있다. 상기 조건에서 제2 중공코어의 내구성과 강도가 우수하며, 상기 나노실리콘 입자에 리튬 이온이 삽입에 의해 1차 입자가 팽창하는 경우에도 상기 제2 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 손상을 방지하는 효과가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 중공코어는 연필경도가 4H~6H 일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a pencil hardness of 4H or higher as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the durability and strength of the second hollow core are excellent, and even when the primary particles expand due to the insertion of lithium ions into the nanosilicon particles, the effect of preventing breakage or damage to the second hollow core (or the negative electrode active material) may be excellent. For example, the second hollow core may have a pencil hardness of 4H to 6H.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 음극활물질 전체중량에 대하여 1~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 음극활물질의 내구성 및 구조적 안정성이 우수하면서, 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~35 중량%, 1~30 중량%, 1~25 중량%, 1~20 중량%, 1~15 중량%, 1~10 중량% 또는 5~15 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the second hollow core may be included in an amount of 1 to 40 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. When included in the above range, the durability and structural stability of the negative electrode active material may be excellent, and the electrical characteristics may be excellent. For example, it may be included in an amount of 1 to 35 wt%, 1 to 30 wt%, 1 to 25 wt%, 1 to 20 wt%, 1 to 15 wt%, 1 to 10 wt%, or 5 to 15 wt%.
한 구체예에서 상기 음극활물질은 상기 제2 중공코어 및 제1 중공코어를 1:0.5~1:6 중량비로 포함할 수 있다. 상기 중량비로 포함시 음극활물질의 내구성 및 구조적 안정성이 우수하면서, 장수명, 고출력 및 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 음극활물질은 상기 제2 중공코어 및 제1 중공코어를 1:1~1:5 중량비, 1:1.5~1:5 중량비, 1:2~1:4 또는 1:2~1:3 중량비로 포함할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material may include the second hollow core and the first hollow core in a weight ratio of 1:0.5 to 1:6. When included in the above weight ratio, the durability and structural stability of the negative electrode active material may be excellent, while long life, high output, and electrical characteristics may be excellent. For example, the negative electrode active material may include the second hollow core and the first hollow core in a weight ratio of 1:1 to 1:5, 1:1.5 to 1:5, 1:2 to 1:4, or 1:2 to 1:3.
한 구체예에서 상기 2차 입자는 반경이 각각 a1 및 a2인 1차 입자 (1) 및 (2)를 포함할 수 있다. 상기 1차 입자(1) 및 (2)의 반경 a1 및 a2는 동일하거나 상이할 수 있다.In one specific example, the secondary particles may include primary particles (1) and (2) having radii a 1 and a 2 , respectively. The radii a 1 and a 2 of the primary particles (1) and (2) may be the same or different.
한 구체예에서 상기 제2 중공부에 충전되는 1차 입자 (1) 및 (2)의 수는, 하기 식 2의 조건을 만족할 수 있다:In one specific example, the number of primary particles (1) and (2) filled in the second hollow portion may satisfy the condition of the following equation 2:
[식 2][Formula 2]
(상기 식 2에서, 상기 a1 및 n3는 1차 입자(1)의 반경 및 개수이며, 상기 a2 및 n4는 1차 입자(2)의 반경 및 개수이고, 상기 b는 제2 중공부의 반경임).(In the above formula 2, a 1 and n 3 are the radius and number of primary particles (1), a 2 and n 4 are the radius and number of primary particles (2), and b is the radius of the second hollow part).
상기 식 2의 조건으로 2차 입자의 제2 중공부에 충전되는 1차 입자(1) 및 (2)의 개수를 도출시, 1차 입자 팽창에 의한 제2 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 파괴를 방지할 수 있다.When the number of primary particles (1) and (2) filled in the second hollow portion of the secondary particle is derived under the condition of the above equation 2, the breakage or destruction of the second hollow core (or negative electrode active material) due to expansion of the primary particle can be prevented.
한 구체예에서 상기 제2 중공부에 충전되는 상기 1차 입자 수는 5~500개 일 수 있다. 상기 조건에서 고출력 및 장수명과 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 1차 입자 수는 5~300개, 예를 들면 100~300개 포함될 수 있다.In one specific example, the number of primary particles charged into the second hollow portion may be 5 to 500. Under the above conditions, high output, long life, and excellent electrical characteristics may be achieved. For example, the number of primary particles may be 5 to 300, for example, 100 to 300.
한 구체예에서 상기 제2 중공부는 평균직경이 6~18㎛이며, 상기 제2 중공부에는 평균입경(d50) 2~3㎛ (또는 반경 1.0~1.5㎛)인 1차 입자(1) 13~445개 및 평균입경(d50) 3~4㎛ (또는 반경 1.5~2.0㎛)인 1차 입자(2) 1~125개 포함될 수 있다. 상기 조건에서 1차 입자의 개수 제어가 용이하고, 1차 입자(또는 나노실리콘 입자) 팽창에 의한 제2 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow portion may have an average diameter of 6 to 18 μm, and the second hollow portion may contain 13 to 445 primary particles (1) having an average particle diameter (d50) of 2 to 3 μm (or a radius of 1.0 to 1.5 μm) and 1 to 125 primary particles (2) having an average particle diameter (d50) of 3 to 4 μm (or a radius of 1.5 to 2.0 μm). Under the above conditions, it is easy to control the number of primary particles, prevent destruction of the second hollow core due to expansion of the primary particles (or nanosilicon particles), and excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material may be achieved.
제1 코팅레이어1st coating layer
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 음극활물질을 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 음극활물질(200)(또는 2차 입자(20))는, 제2 중공코어(22) 외주면에 형성되는 제1 코팅레이어(30)를 더 포함할 수 있다.Figure 2 illustrates a negative electrode active material according to another specific example of the present invention. Referring to Figure 2, the negative electrode active material (200) (or secondary particle (20)) may further include a first coating layer (30) formed on the outer surface of the second hollow core (22).
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one specific example, the first coating layer may include at least one of a soft coating layer and a medium coating layer.
상기 미디엄 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 보다 경도가 높다.The above medium coating layer has a harder texture than the soft coating layer.
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 두께 5~100nm 일 수 있다. 상기 조건에서 상기 제2 중공코어(또는 음극활물질)의 팽창에 의한 깨짐과 파괴를 방지하며 고출력 및 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 5~90nm, 5~50nm, 10~80nm 또는 10~40nm 일 수 있다.In one specific example, the first coating layer may have a thickness of 5 to 100 nm. Under the above conditions, the second hollow core (or negative electrode active material) may be prevented from being broken or destroyed due to expansion, and may have excellent high output and long life characteristics. For example, the thickness may be 5 to 90 nm, 5 to 50 nm, 10 to 80 nm, or 10 to 40 nm.
소프트 코팅레이어Soft coating layer
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 소프트코팅재를 소성하여 제조될 수 있다. 한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 피치(pitch), 코크(coke) 및 기타 유기물로부터 형성된 카본 전구체 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 피치는 석유계 피치(pyrolysis fuel oil pitch) 및 석탄계 피치(coal tar pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific embodiment, the soft coating layer can be manufactured by firing a soft coating material. In one specific embodiment, the soft coating material can include one or more of a carbon precursor formed from pitch, coke, and other organic materials. For example, the pitch can include one or more of a pyrolysis fuel oil pitch and a coal tar pitch.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 B 내지 3H 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하여, 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 연필경도가 B 내지 1H 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a pencil hardness of B to 3H as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the destruction of the negative electrode active material due to volume expansion of the nanosilicon particles may be prevented, thereby providing excellent long-life characteristics. For example, the pencil hardness may be B to 1H.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 두께가 5~100nm 일 수 있다. 상기 조건에서 상기 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 팽창에 의한 제2 중공코어의 팽창을 완충하는 효과가 우수하여 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다. 예를 들면 두께 5~80nm, 5~60nm, 5~30nm 또는 5~20nm 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a thickness of 5 to 100 nm. Under the above conditions, the effect of buffering the expansion of the second hollow core due to the expansion of the primary particle (or nanosilicon particle) is excellent, thereby preventing breakage or damage. For example, the thickness may be 5 to 80 nm, 5 to 60 nm, 5 to 30 nm, or 5 to 20 nm.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 밀도가 1.5g/cm3 이하일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 소프트 코팅레이어는 밀도가 0.3 내지 1.5g/cm3 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a density of 1.5 g/cm 3 or less. Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the soft coating layer may have a density of 0.3 to 1.5 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 비표면적(BET)이 300m2/g 이상일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 비표면적(BET)이 300~2500m2/g일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a surface area (BET) of 300 m 2 /g or more. Under the above conditions, the structural stability may be excellent. For example, the surface area (BET) may be 300 to 2500 m 2 /g.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 순도(불순물 함량)가 1000ppm 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1000~5000ppm일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a purity (impurity content) of 1000 ppm or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, it may be 1000 to 5000 ppm.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 전기전도도(resistivity)가 50 μΩ·m 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 전기전도도(resistivity)가 50~300 μΩ·m 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have an electrical conductivity (resistivity) of 50 μΩ·m or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, the electrical conductivity (resistivity) may be 50 to 300 μΩ·m.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 상기 음극활물질 전체중량에 대하여 1~20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 팽창에 의한 제2 중공코어의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~15 중량%, 1~10 중량%, 2~8 중량% 또는 2~5 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may be included in an amount of 1 to 20 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. When included in the above range, the second hollow core may be prevented from being broken or destroyed due to the expansion of the primary particles (or nano-silicon particles), and capacity reduction may be minimized, thereby providing excellent long-life characteristics. For example, the soft coating layer may be included in an amount of 1 to 15 wt%, 1 to 10 wt%, 2 to 8 wt%, or 2 to 5 wt%.
미디엄 코팅레이어Medium coating layer
한 구체예에서 상기 미디엄(medium) 코팅레이어는 탄화수소 가스 및 카본 블랙(carbon black) 중 하나 이상을 열처리하여 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 탄화수소 가스는 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 펜탄(C5H12) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may be formed by heat treating at least one of a hydrocarbon gas and carbon black. For example, the hydrocarbon gas may include at least one of methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), and pentane (C 5 H 12 ).
상기 미디엄 코팅레이어는 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 조건에서 강도 및 내구성이 우수할 수 있다.The above medium coating layer may be amorphous or crystalline. Under the above conditions, the strength and durability may be excellent.
상기 미디엄 코팅레이어는 상기 소프트 코팅레이어 보다 경도가 높다.The above medium coating layer has a harder surface than the above soft coating layer.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 2H 이상 4H 미만일 수 있다. 상기 조건에서 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 부피 팽창에 의한, 제2 중공코어의 파괴를 방지하여, 장수명 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a pencil hardness of 2H or more and less than 4H as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the destruction of the second hollow core due to volume expansion of the primary particles (or nanosilicon particles) may be prevented, thereby providing excellent long-life characteristics.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 두께가 5~100nm 일 수 있다. 상기 조건에서 상기 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 팽창에 의한 제2 중공코어의 팽창을 완충하는 효과가 우수하여 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다. 예를 들면 두께 5~60nm, 5~30nm 또는 5~20nm 일 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a thickness of 5 to 100 nm. Under the above conditions, the effect of buffering the expansion of the second hollow core due to the expansion of the primary particle (or nanosilicon particle) is excellent, thereby preventing breakage or damage. For example, the thickness may be 5 to 60 nm, 5 to 30 nm, or 5 to 20 nm.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 밀도가 1.8g/cm3 미만일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 미디엄 코팅레이어는 밀도가 1.5 초과 1.7g/cm3 이하일 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a density of less than 1.8 g/cm 3 . Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the medium coating layer may have a density of greater than 1.5 and less than or equal to 1.7 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 비표면적(BET)이 100~200m2/g 이하일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a BET surface area of 100 to 200 m 2 /g or less. Under the above conditions, the structural stability may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 순도(불순물 함량)가 500ppm 이하일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a purity (impurity content) of 500 ppm or less. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 전기전도도(resistivity)가 20~40 μΩ·m 일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have an electrical conductivity (resistivity) of 20 to 40 μΩ·m. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 상기 음극활물질 전체중량에 대하여 1~20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 전기전도성이 우수하며, 상기 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 팽창에 의한 제2 중공코어의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~15 중량%, 1~10 중량%, 2~8 중량% 또는 2~5 중량% 포함될 수 있다. 다른 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 하드 코팅레이어 또는 미디엄 코팅레이어를 포함할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may be included in an amount of 1 to 20 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. When included in the above range, the electrical conductivity may be excellent, and the second hollow core may be prevented from being broken or destroyed due to the expansion of the primary particles (or nano-silicon particles), and the capacity reduction may be minimized, thereby providing excellent long-life characteristics. For example, the medium coating layer may be included in an amount of 1 to 15 wt%, 1 to 10 wt%, 2 to 8 wt%, or 2 to 5 wt%. In another specific example, the first coating layer may include a hard coating layer or a medium coating layer.
또한 상기 도 2를 참조하면, 음극활물질(200)의 제1 코팅레이어(30)는, 순차적으로 형성되는 소프트 코팅레이어(32) 및 미디엄 코팅레이어(34)를 포함할 수 있다.Also, referring to the above-described FIG. 2, the first coating layer (30) of the negative electrode active material (200) may include a soft coating layer (32) and a medium coating layer (34) that are formed sequentially.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 상기 제1 중공코어, 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 보다 결정성이 높을 수 있다. 상기 결정성은, 통상적인 XRD(X선 회절) 분석을 통해 확인할 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기전도도, 강도 및 고출력 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have higher crystallinity than the first hollow core, the soft coating layer, and the medium coating layer. The crystallinity can be confirmed through a conventional XRD (X-ray diffraction) analysis. Under the above conditions, the electrical conductivity, strength, and high-power characteristics of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 상기 제1 중공코어 및 소프트 코팅레이어 보다 결정성이 높을 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a higher crystallinity than the first hollow core and the soft coating layer.
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어를 1:0.5~1:3 중량비로 포함할 수 있다. 상기 범위로 포함시 전기전도성이 우수하며, 상기 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 팽창에 의한 제2 중공코어의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1:1~1:3 중량비 또는 1:1.5~1:2.5 중량비로 포함할 수 있다.In one specific example, the first coating layer may include a soft coating layer and a medium coating layer in a weight ratio of 1:0.5 to 1:3. When included in the above range, the electrical conductivity is excellent, and the second hollow core may be prevented from being broken or destroyed due to the expansion of the primary particles (or nano-silicon particles), and the capacity reduction may be minimized, so that the long-life characteristics may be excellent. For example, the weight ratio may be 1:1 to 1:3 or 1:1.5 to 1:2.5.
실리콘 카본 복합체 음극활물질 제조방법Method for manufacturing silicon carbon composite cathode active material
본 발명의 다른 관점은 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질의 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 음극활물질 제조방법은 (S10) 건조분말 제조단계; (S20) 제1 혼합물 제조단계; 및 (S30) 제1 중간체 제조단계;를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 음극활물질 제조방법은 (S10) 나노실리콘 슬러리 및 소프트코팅재를 포함하는 혼합슬러리를 건조하여 건조분말을 제조하는 단계; (S20) 상기 건조분말과 소프트코팅재를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및 (S30) 상기 제1 혼합물 및 하드코팅재를 포함하는 제2 혼합물을 소성하여 제1 중간체를 제조하는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing the silicon carbon composite negative electrode active material. In one specific example, the method for producing the negative electrode active material includes: (S10) a step of producing a dry powder; (S20) a step of producing a first mixture; and (S30) a step of producing a first intermediate. More specifically, the method for producing the negative electrode active material includes: (S10) a step of drying a mixed slurry including a nano-silicon slurry and a soft coating material to produce a dry powder; (S20) a step of producing a first mixture including the dry powder and the soft coating material; and (S30) a step of firing a second mixture including the first mixture and the hard coating material to produce a first intermediate.
상기 제1 중간체는, 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자, 및 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고, 상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높다.The first intermediate body includes a first hollow core having a first hollow portion formed therein and a primary particle including nanosilicon particles filled in the first hollow portion, and a second hollow core having a second hollow portion formed therein and a secondary particle including one or more of the first particles filled in the second hollow portion, wherein the second hollow core has a harderness than the first hollow core.
(S10) 건조분말 제조단계(S10) Dry powder manufacturing step
상기 단계는 나노실리콘 슬러리 및 소프트코팅재를 포함하는 혼합슬러리를 건조하여 건조분말을 제조하는 단계이다.The above step is a step of manufacturing a dry powder by drying a mixed slurry containing nanosilicon slurry and a soft coating material.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 슬러리는 나노실리콘 입자를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 나노실리콘 슬러리는, 제1 용제에 실리콘 원료분말 및 분산제를 투입하고 분산하여 분산물을 제조하고; 그리고 상기 분산물을 분쇄하여 나노실리콘 입자를 제조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.In one specific example, the nanosilicon slurry may include nanosilicon particles. In one specific example, the nanosilicon slurry may be manufactured by including the steps of adding and dispersing a silicon raw material powder and a dispersant into a first solvent to manufacture a dispersion; and then pulverizing the dispersion to manufacture nanosilicon particles.
한 구체예에서 상기 제1 용제는 물, 에탄올, 이소프로필알코올 및 수산화칼륨(KOH) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 제1 용제를 포함시 실리콘 원료분말이 산화되지 않으면서, 혼합성과 분산성이 우수할 수 있다.In one specific example, the first solvent may include one or more of water, ethanol, isopropyl alcohol, and potassium hydroxide (KOH). When the first solvent is included, the silicon raw material powder may have excellent mixing and dispersibility without being oxidized.
한 구체예에서 상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 니트릴 부타디엔 고무, 수소화 니트릴 부타디엔 고무, 스테아린산(stearic acid), 팔미트산(palmitic acid), 올레산(oleic acid) 및 라우르산(lauric acid) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 다른 예를 들면 상기 분산제는 스테아린산, 석유계 피치, 석탄계 피치, 코울타르, 글루코오스(Glucose), 수크로우스(Sucrose), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아크릴산(PAA) 및 폴리비닐알코올(PVA) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 분산제를 포함시 상기 실리콘 분말의 분산성이 우수하여 나노실리콘 입자를 포함하는 나노실리콘 슬러리를 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들면 스테아린산(stearic acid)을 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 분산제는 스테아린산(stearic acid) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)을 혼합하여 사용할 수 있다.In one specific example, the dispersant may include one or more of polyvinylpyrrolidone, nitrile butadiene rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, stearic acid, palmitic acid, oleic acid, and lauric acid. In another example, the dispersant may include one or more of stearic acid, petroleum pitch, coal pitch, coal tar, glucose, sucrose, polyimide, polyacrylic acid (PAA), and polyvinyl alcohol (PVA). When the dispersant is included, the dispersibility of the silicon powder is excellent, so that a nanosilicon slurry including nanosilicon particles can be easily prepared. For example, it may include stearic acid. For example, the dispersant can be used by mixing stearic acid and N-methylpyrrolidone (NMP).
한 구체예에서 상기 나노실리콘 슬러리는 실리콘 원료분말 100 중량부, 제1 용제 5~1500 중량부 및 분산제 0.1~30 중량부를 포함할 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 혼합성 및 분산성이 우수하며 나노실리콘 슬러리를 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들면 상기 나노실리콘 슬러리는 실리콘 원료분말 100 중량부 및 제1 용제 800~1000 중량부 및 분산제 0.5~25 중량부 포함할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon slurry may include 100 parts by weight of a silicon raw material powder, 5 to 1,500 parts by weight of a first solvent, and 0.1 to 30 parts by weight of a dispersant. Under the above conditions, the mixing and dispersibility of the nanosilicon particles are excellent, and the nanosilicon slurry may be easily manufactured. For example, the nanosilicon slurry may include 100 parts by weight of a silicon raw material powder, 800 to 1,000 parts by weight of a first solvent, and 0.5 to 25 parts by weight of a dispersant.
예를 들면 상기 제1 용제에 분산제를 전술한 함량으로 투입하여 혼합한 다음, 상기 실리콘 원료분말을 투입하고 혼합하여 분산물을 제조하고, 상기 분산물을 분쇄하여 나노실리콘 슬러리를 제조할 수 있다.For example, a dispersant may be added to the first solvent in the above-mentioned amount and mixed, then the silicon raw material powder may be added and mixed to prepare a dispersion, and the dispersion may be pulverized to prepare a nanosilicon slurry.
한 구체예에서 상기 분쇄는 밀링을 실시할 수 있다. 한 구체예에서 상기 밀링은 비즈밀(beads mill), 볼밀(ball-mill), 고에너지 볼 밀(high energy ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼 밀(stirred ball mill), 진동 밀(vibration mill) 등을 이용하여 수행될 수 있다.In one specific example, the grinding may be performed by milling. In one specific example, the milling may be performed using a beads mill, a ball mill, a high energy ball mill, a planetary mill, a stirred ball mill, a vibration mill, or the like.
예를 들면 상기 볼밀은 상기 실리콘 분말 및 기타 유기 성분과 반응하지 않는 화학적으로 불활성인 재질로 된 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 지르코니아(ZrO2)를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 볼밀은 평균 입경이 0.1~1mm 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자가 용이하게 제조될 수 있다.For example, the ball mill may be made of a chemically inert material that does not react with the silicon powder and other organic components. For example, it may include zirconia (ZrO 2 ). In one specific example, the ball mill may have an average particle diameter of 0.1 to 1 mm. Under the above conditions, nanosilicon particles can be easily manufactured.
예를 들면 실리콘 원료분말 대비 지르코니아 비드의 비율(Ball Per Ratio)은 실리콘 원료분말/지르코니아 비드= 1/3.5 내지 1/10 중량비 범위일 수 있다. 또한 상기 분산물 분산시, 분쇄기 내부의 로터의 회전속도는 2200rpm 내지 2600rpm의 범위일 수 있다.For example, the ratio of zirconia beads to silicon raw material powder (Ball Per Ratio) may be in the range of silicon raw material powder/zirconia beads = 1/3.5 to 1/10 in weight ratio. In addition, when dispersing the dispersion, the rotation speed of the rotor inside the grinder may be in the range of 2200 rpm to 2600 rpm.
한 구체예에서 상기 실리콘 원료분말은 평균입경(D50)이 0.3~3.5㎛일 수 있다. 상기 조건에서 혼합 및 분쇄가 용이하며, 원하는 평균입경의 나노실리콘 입자를 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들면 상기 실리콘 원료분말은 평균입경(D50)이 0.5~2.5㎛일 수 있다. 다른 예를 들면 0.3~1.8㎛일 수 있다.In one specific example, the silicon raw material powder may have an average particle size (D50) of 0.3 to 3.5 μm. Under the above conditions, mixing and grinding are easy, and nanosilicon particles having a desired average particle size can be easily manufactured. For example, the silicon raw material powder may have an average particle size (D50) of 0.5 to 2.5 μm. In another example, it may be 0.3 to 1.8 μm.
한 구체예에서 상기 실리콘 원료분말은 최대입경(Dmax)이 10㎛ 이하일 수 있다. 상기 조건에서 원하는 평균입경의 나노실리콘 입자를 용이하게 제조할 수 있다.In one specific example, the silicon raw material powder may have a maximum particle size (Dmax) of 10㎛ or less. Under the above conditions, nanosilicon particles having a desired average particle size can be easily manufactured.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 슬러리 중 실리콘 원료분말은 고형분 기준 6.5 내지 17.8 중량% 포함될 수 있다. 상기 조건에서 혼합성과 작업성이 우수할 수 있다.In one specific example, the silicon raw material powder in the nanosilicon slurry may be included in an amount of 6.5 to 17.8 wt% based on the solid content. Under the above conditions, the mixing property and workability may be excellent.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 슬러리는 점도가 2000~6500cps(25℃)일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 분말의 혼합성과 분산성이 우수하면서, 중공부 내부에 충전되는 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon slurry may have a viscosity of 2000 to 6500 cps (25°C). Under the above conditions, the mixing and dispersibility of the nanosilicon powder is excellent, and the number of nanosilicon particles filled inside the hollow portion can be easily controlled.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 평균입경이 50~500nm일 수 있다. 다른 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 평균입경(50)이 500nm 이하, 보다 바람직하게는 160nm 내지 260nm, 180nm 내지 230nm, 190nm 내지 220nm, 또는 200nm 내지 220nm 범위일 수 있다. 또한 상기 나노실리콘 입자의 평균입경의 최대값(Dmax) 제어도 매우 중요한데, 예를 들면 Dmax 입경이 380nm 이하, 바람직하게는 320nm 내지 360nm의 범위일 수 있다. 보다 바람직하게는 300nm 내지 340nm의 범위일 수 있다. Dmax 값이 낮을수록 나노실리콘 슬러리의 점도가 높아질 수 있으며, 나노실리콘 슬러리의 점도를 6500cps 이하(25℃)로 제어할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may have an average particle diameter of 50 to 500 nm. In another specific example, the nanosilicon particles may have an average particle diameter (50) of 500 nm or less, more preferably 160 nm to 260 nm, 180 nm to 230 nm, 190 nm to 220 nm, or 200 nm to 220 nm. In addition, the control of the maximum value (Dmax) of the average particle diameter of the nanosilicon particles is also very important. For example, the Dmax particle diameter may be 380 nm or less, preferably 320 nm to 360 nm. More preferably, it may be 300 nm to 340 nm. The lower the Dmax value, the higher the viscosity of the nanosilicon slurry. The viscosity of the nanosilicon slurry can be controlled to 6500 cps or less (25° C.).
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 구형, 다면체형, 타원형 또는 부정형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may be spherical, polyhedral, ellipsoidal or irregularly shaped. For example, they may be spherical.
상기 소프트코팅재는 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있다. 한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 피치(pitch), 코크(coke) 및 기타 유기물로부터 형성된 카본 전구체 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 피치는 석유계 피치(pyrolysis fuel oil pitch) 및 석탄계 피치(coal tar pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.The soft coating material may be the same as that described above. In one specific example, the soft coating material may include at least one of pitch, coke, and carbon precursors formed from other organic substances. For example, the pitch may include at least one of pyrolysis fuel oil pitch and coal tar pitch.
상기 소프트코팅재는 상기 제1 중공코어를 형성하며, 상기 나노실리콘 입자의 팽창시 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 전기적 특성이 우수할 수 있다.The above soft coating material forms the first hollow core and can have excellent electrical characteristics while preventing destruction of the negative electrode active material when the nanosilicon particles expand.
한 구체예에서 상기 혼합슬러리는 상기 나노실리콘 슬러리 70~99.9 중량% 및 소프트코팅재 0.1~30 중량% 포함할 수 있다. 상기 중량범위로 포함시 상기 혼합슬러리 구성 성분의 혼합성과 분산성이 우수할 수 있다.In one specific example, the mixed slurry may contain 70 to 99.9 wt% of the nanosilicon slurry and 0.1 to 30 wt% of the soft coating material. When included within the above weight range, the mixing and dispersibility of the components of the mixed slurry may be excellent.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 평균입경(d50)이 3nm~2.5㎛일 수 있다. 상기 조건에서 후술할 소성시 상기 제1 중공코어가 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들면 5~1000nm, 10~500nm 또는 15~200nm일 수 있다.In one specific example, the soft coating material may have an average particle size (d50) of 3 nm to 2.5 μm. Under the above conditions, the first hollow core may be easily formed during the firing described below. For example, the average particle size may be 5 to 1000 nm, 10 to 500 nm, or 15 to 200 nm.
상기 혼합슬러리의 건조를 통해 음극활물질의 분말 크기를 용이하게 조절할 수 있다. 예를 들면 상기 건조는 분무 건조기 등을 사용하여 건조할 수 있다. 예를 들면 상기 건조는 일류체 노즐, 이류체 노즐 또는 사류체 노즐을 구비한 분무 건조기를 이용하여 분무 건조를 실시할 수 있다.The powder size of the negative electrode active material can be easily controlled by drying the above-mentioned mixed slurry. For example, the drying can be performed using a spray dryer or the like. For example, the drying can be performed by spray drying using a spray dryer equipped with a one-fluid nozzle, a two-fluid nozzle, or a four-fluid nozzle.
한 구체예에서 상기 건조분말은 구형, 다면체형 또는 타원형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.In one specific example, the dry powder may be spherical, polyhedral or ellipsoidal, for example spherical.
한 구체예에서 상기 건조분말은 평균입경(또는 크기)이 0.1~15㎛일 수 있다. 상기 조건에서 혼합성과 성형성이 우수할 수 있다.In one specific example, the dry powder may have an average particle diameter (or size) of 0.1 to 15 μm. Under the above conditions, the mixing and molding properties may be excellent.
한 구체예에서 상기 혼합슬러리를 일류체 노즐을 이용하여 분무 건조시, 출구(Outlet) 온도를 70~130℃로 분무건조기를 셋팅하고, 공기 흐름량 650~850sccm 조건으로 실시하여 건조분말을 제조할 수 있으며, 상기 건조분말은 평균입경이 7~14㎛일 수 있다. 다른 구체예에서 상기 혼합슬러리를 사류체 노즐을 이용하여 분무 건조하여 건조분말을 제조할 수 있으며, 상기 건조분말은 평균입경이 0.1~8㎛ 일 수 있다.In one specific example, when the mixed slurry is spray-dried using a one-fluid nozzle, the spray dryer can be set to an outlet temperature of 70 to 130°C and an air flow rate of 650 to 850 sccm to manufacture a dry powder, and the dry powder can have an average particle size of 7 to 14 μm. In another specific example, the mixed slurry can be spray-dried using a four-fluid nozzle to manufacture a dry powder, and the dry powder can have an average particle size of 0.1 to 8 μm.
(S20) 제1 혼합물 제조단계(S20) First mixture manufacturing step
상기 단계는 상기 건조분말과 소프트코팅재를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계이다.The above step is a step of preparing a first mixture including the above dry powder and a soft coating material.
상기 소프트코팅재는 상기 제1 중공코어를 형성하며, 상기 나노실리콘 입자의 팽창시 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 전기적 특성이 우수할 수 있다.The above soft coating material forms the first hollow core and can have excellent electrical characteristics while preventing destruction of the negative electrode active material when the nanosilicon particles expand.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 피치(pitch), 코크(coke) 및 기타 유기물로부터 형성된 카본 전구체 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 피치는 석유계 피치(pyrolysis fuel oil pitch) 및 석탄계 피치(coal tar pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다. In one specific example, the soft coating material may include one or more of carbon precursors formed from pitch, coke, and other organic materials. For example, the pitch may include one or more of pyrolysis fuel oil pitch and coal tar pitch.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는, 상기 소프트코팅재 및 용제를 포함하는 소프트코팅액 형태로 적용할 수 있다.In one specific example, the soft coating material can be applied in the form of a soft coating liquid containing the soft coating material and a solvent.
한 구체예에서 상기 용제는 물, 에탄올계 용제, 아마이드계 용제, 에스테르계 용제 및 탄화수소계 용제 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 용제를 포함시 혼합성과 작업성이 우수할 수 있다. 상기 알코올계 용제로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 아마이드계 용제로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAC) 및 디메틸포름아미드(DMF) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 용제로는 톨루엔 및 크실렌 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the solvent may include at least one of water, an ethanol solvent, an amide solvent, an ester solvent, and a hydrocarbon solvent. When the solvent is included, the mixing property and workability may be excellent. The alcohol solvent may include at least one of methanol, ethanol, isopropanol, and butanol. The amide solvent may include at least one of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAC), and dimethylformamide (DMF). The hydrocarbon solvent may include at least one of toluene and xylene.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 평균입경(d50)이 5nm~10㎛일 수 있다. 상기 조건에서 제1 혼합물의 혼합성과 분산성이 우수하며, 소성시 제1 중공코어가 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들면 10nm~5㎛, 10nm~1㎛m, 10~500nm 또는 30nm~3㎛일 수 있다.In one specific example, the average particle size (d50) of the soft coating material may be 5 nm to 10 μm. Under the above conditions, the mixing and dispersibility of the first mixture is excellent, and the first hollow core can be easily formed during sintering. For example, it may be 10 nm to 5 μm, 10 nm to 1 μm, 10 to 500 nm, or 30 nm to 3 μm.
한 구체예에서 상기 제1 혼합물은 상기 건조분말 80~99 중량% 및 소프트코팅재 1~20 중량%를 포함할 수 있다. 상기 함량 조건으로 포함시, 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어와, 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자 구조가 용이하게 형성될 수 있다.In one specific example, the first mixture may include 80 to 99 wt% of the dry powder and 1 to 20 wt% of the soft coating material. When included under the above content conditions, a first hollow core having a first hollow portion formed therein and a primary particle structure including nanosilicon particles filled in the first hollow portion may be easily formed.
한 구체예에서 상기 제1 혼합물을 제조하는 단계 이후, 상기 제1 혼합물을 압축하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 혼합물을 10~60atm의 압력으로 일 방향으로 가압(또는 일축압축)하여 압축물을 제조할 수 있다. 상기 가압 조건으로 압축물을 제조시 음극활물질의 내부 공극량을 조절하여, 음극활물질의 전기적 특성과 장수명 및 용량 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, after the step of preparing the first mixture, the step of compressing the first mixture may be further included. For example, the first mixture may be pressurized (or uniaxially compressed) in one direction at a pressure of 10 to 60 atm to prepare a compressed product. When preparing a compressed product under the pressurizing conditions, the internal void volume of the negative electrode active material may be controlled, thereby improving the electrical characteristics, long life, and capacity characteristics of the negative electrode active material.
(S30) 제1 중간체 제조단계(S30) First intermediate manufacturing step
상기 단계는 상기 제1 혼합물 및 하드코팅재를 포함하는 제2 혼합물을 소성하여 제1 중간체를 제조하는 단계이다.The above step is a step of producing a first intermediate by firing a second mixture including the first mixture and a hard coating material.
예를 들면 상기 하드코팅재는 카본계 재료를 포함할 수 있다.For example, the hard coating material may include a carbon-based material.
한 구체예에서 상기 하드코팅재는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 이상일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 팽창시 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 고출력 특성 및 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 연필경도가 4H~6H 일 수 있다. 예를 들면 상기 하드코팅재는 상기 연필경도가 4H~6H인 카본계 재료를 포함할 수 있다.In one specific example, the hard coating material may have a pencil hardness of 4H or higher as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the nanosilicon particles may have excellent high output characteristics and electrical characteristics while preventing destruction of the negative electrode active material when expanded. For example, the pencil hardness may be 4H to 6H. For example, the hard coating material may include a carbon-based material having the pencil hardness of 4H to 6H.
예를 들면 상기 하드코팅재로 레몬에너지社의 NanoMollisAdamas 제품을 사용할 수 있다.For example, NanoMollisAdamas from Lemon Energy can be used as the hard coating material.
상기 하드코팅재는 비정질(amorphous)일 수 있다. 또한 상기 하드코팅재는 자기조립(self-assembled)으로 형성되며, 등방성(isotropic)이 우수하고, 열안정성이 우수하여 고온(약 3000℃)에서도 구조 변화가 발생하지 않는다.The above hard coating material may be amorphous. In addition, the above hard coating material is formed through self-assembly, has excellent isotropy and excellent thermal stability, so that no structural change occurs even at high temperatures (approximately 3000°C).
상기 하드코팅재는 높은 가스 불투과성(high-gas impermeability)을 가지며, 내화학성 및 전기전도성이 우수할 수 있다. 또한 상기 하드코팅재는 비산물이 없고(dust-free), 순도(불순물 함량)가 5ppm 이하 또는 2ppm 이하일 수 있다. 상기 조건에서 강도와 전기적 특성이 우수하면서, 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.The hard coating material may have high gas impermeability and excellent chemical resistance and electrical conductivity. In addition, the hard coating material may be dust-free and have a purity (impurity content) of 5 ppm or less or 2 ppm or less. Under the above conditions, the strength and electrical properties may be excellent, and the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 하드코팅재는, 상기 하드코팅재 및 용제를 포함하는 하드코팅액 형태로 적용할 수 있다.In one specific example, the hard coating material can be applied in the form of a hard coating liquid containing the hard coating material and a solvent.
한 구체예에서 상기 용제는 물, 에탄올계 용제, 아마이드계 용제, 에스테르계 용제 및 탄화수소계 용제 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 용제를 포함시 혼합성과 작업성이 우수할 수 있다. 상기 알코올계 용제로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 아마이드계 용제로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAC) 및 디메틸포름아미드(DMF) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 용제로는 톨루엔 및 크실렌 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the solvent may include at least one of water, an ethanol solvent, an amide solvent, an ester solvent, and a hydrocarbon solvent. When the solvent is included, the mixing property and workability may be excellent. The alcohol solvent may include at least one of methanol, ethanol, isopropanol, and butanol. The amide solvent may include at least one of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAC), and dimethylformamide (DMF). The hydrocarbon solvent may include at least one of toluene and xylene.
한 구체예에서 상기 하드코팅재는 전기전도도(resistivity)가 3~5 μΩ·m 일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the hard coating material may have an electrical conductivity (resistivity) of 3 to 5 μΩ·m. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 하드코팅재는 평균입경(d50)이 3nm~2.5㎛일 수 있다. 상기 조건에서 후술할 소성시 제2 중공코어를 포함하는 제1 중간체가 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들면 5~1000nm, 10~500nm 또는 15~200nm일 수 있다.In one specific example, the hard coating material may have an average particle size (d50) of 3 nm to 2.5 μm. Under the above conditions, a first intermediate body including a second hollow core can be easily formed during the firing described below. For example, it may be 5 to 1000 nm, 10 to 500 nm, or 15 to 200 nm.
한 구체예에서 상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물 70~99 중량% 및 하드코팅재 1~30 중량%를 포함할 수 있다. 상기 조건으로 포함시 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하는 제1 중간체가 용이하게 형성될 수 있다.In one specific example, the second mixture may include 70 to 99 wt% of the first mixture and 1 to 30 wt% of the hard coating material. When included under the above conditions, a first intermediate body including a second hollow core in which a second hollow portion is formed and a secondary particle including one or more of the primary particles filled in the second hollow portion can be easily formed.
상기 하드코팅재는 전술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.The hard coating material described above can be the same as that described above.
한 구체예에서 상기 제2 혼합물은 850~1050℃에서 소성될 수 있다. 상기 조건으로 소성시 제1 중간체가 용이하게 형성되며, 내구성 및 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 850~1050℃, 870~1050℃, 900~1000℃, 930~975℃ 또는 930~960℃에서 소성할 수 있다.In one specific example, the second mixture can be fired at 850 to 1050°C. When fired under the above conditions, the first intermediate is easily formed, and durability and long-life characteristics can be excellent. For example, the firing can be performed at 850 to 1050°C, 870 to 1050°C, 900 to 1000°C, 930 to 975°C, or 930 to 960°C.
예를 들면 상기 제2 혼합물의 소성은 불활성 가스 분위기에서 실시될 수 있다. 상기 불활성 가스는 질소를 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 소성된 소성물을 어트리션 밀, 에어 분급밀(air classifier mill, ACM), 제트밀(JET mill) 및 핀(Pin) 밀 등의 일반적인 건식 분쇄 공정을 진행 후 분급하여 제1 중간체를 제조할 수 있다.For example, the calcination of the second mixture can be performed in an inert gas atmosphere. The inert gas can include nitrogen. For example, the calcined calcined material can be classified after being subjected to a general dry grinding process such as an attrition mill, an air classifier mill (ACM), a jet mill, and a pin mill to produce a first intermediate.
한 구체예에서 상기 제1 중간체를 제조하는 단계는, 상기 제1 혼합물을 850~950℃에서 1차 소성하고, 그리고 상기 1차 소성된 제1 혼합물과 하드코팅재를 혼합하여 950℃ 초과 1050℃ 이하에서 2차 소성하는 단계;를 포함하여 실시될 수 있다. 상기 조건에서 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 구조의 제1 중간체가 용이하게 형성될 수 있다.In one specific example, the step of manufacturing the first intermediate may be performed including the steps of first firing the first mixture at 850 to 950° C., and then mixing the first mixture that has been first fired with a hard coating material and second firing the mixture at a temperature exceeding 950° C. and lower than 1050° C. Under the above conditions, the first intermediate having a structure including a second hollow core in which a second hollow portion is formed and secondary particles including one or more of the first particles filled in the second hollow portion can be easily formed.
예를 들면 상기 1차 소성 및 2차 소성은 불활성 가스 분위기에서 실시될 수 있다. 상기 불활성 가스는 질소를 포함할 수 있다. For example, the first firing and the second firing can be performed in an inert gas atmosphere. The inert gas can include nitrogen.
예를 들면 상기 1차 소성시 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자 구조가 형성되고, 상기 2차 소성시 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자 구조가 형성될 수 있다.For example, a primary particle structure including a first hollow core in which a first hollow portion is formed during the first sintering and nanosilicon particles filled in the first hollow portion can be formed, and a secondary particle structure including a second hollow core in which a second hollow portion is formed during the second sintering and one or more of the primary particles filled in the second hollow portion can be formed.
한 구체예에서 상기 2차 소성은 1차 소성보다 높은 온도에서 실시될 수 있다. 상기 조건에서 상기 1차 입자 및 2차 입자가 더 높은 강도로 형성되어 음극활물질의 내구성, 전기적 특성과, 장수명 특성 및 용량 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the secondary firing may be performed at a higher temperature than the primary firing. Under the above conditions, the primary particles and secondary particles may be formed with higher strength, so that the durability, electrical characteristics, long-life characteristics, and capacity characteristics of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 1차 소성된 제1 혼합물을 가압하여 제조된 압축물을 하드코팅재와 혼합한 제2 혼합물을 제조하고, 상기 제2 혼합물을 2차 소성할 수 있다. In one specific example, a second mixture may be prepared by mixing the compressed material produced by pressurizing the first mixture that has been first fired with a hard coating material, and the second mixture may be fired for the second time.
예를 들면 상기 1차 소성된 제1 혼합물을 10~60atm의 압력으로 일 방향으로 가압(또는 일축압축)하여 압축물을 제조할 수 있다. 상기 가압 조건으로 압축물을 제조시 음극활물질의 내부 공극량을 조절하여, 음극활물질의 전기적 특성과 장수명 및 용량 특성이 우수할 수 있다.For example, the first mixture that has been firstly calcined can be pressurized (or uniaxially compressed) in one direction at a pressure of 10 to 60 atm to produce a compressed product. When producing a compressed product under the pressurization conditions, the internal void volume of the negative electrode active material can be controlled, so that the electrical characteristics, long life, and capacity characteristics of the negative electrode active material can be excellent.
한 구체예에서 상기 제1 중간체는, 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자, 및 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함한다.In one specific example, the first intermediate body comprises a primary particle including a first hollow core having a first hollow portion formed therein and nanosilicon particles filled in the first hollow portion, and a secondary particle including a second hollow core having a second hollow portion formed therein and one or more of the primary particles filled in the second hollow portion.
상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높다.The above second hollow core has a harder surface than the first hollow core.
한 구체예에서 상기 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는, 상기 나노실리콘 입자에 리튬이온이 삽입시 형성되는, 팽창 나노실리콘 입자의 총 부피가 상기 제1 중공부 부피 이하를 만족하도록 설정될 수 있다. 상기와 같이 나노실리콘 입자 수를 설정시 나노실리콘 입자 팽창시 제1 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 파괴를 방지할 수 있다.In one specific example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion may be set such that the total volume of the expanded nanosilicon particles formed when lithium ions are inserted into the nanosilicon particles is less than or equal to the volume of the first hollow portion. When the number of nanosilicon particles is set as described above, the first hollow core (or negative electrode active material) can be prevented from being broken or destroyed when the nanosilicon particles expand.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 결정질의 특성이 비교적 높게 나타날 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may exhibit relatively high crystalline properties.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 X-선 회절(XRD) 스펙트럼에서 2θ값이 26~30˚, 47~50˚ 53~58˚, 68~72˚, 74~78˚ 및 88~90˚중 하나 이상의 영역에서 유효피크를 가질 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 고용량 및 고출력 특성을 확보하며, 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 감소할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may have effective peaks in one or more regions of 2θ values of 26 to 30˚, 47 to 50˚, 53 to 58˚, 68 to 72˚, 74 to 78˚, and 88 to 90˚ in an X-ray diffraction (XRD) spectrum. Under the above conditions, high-capacity and high-power characteristics of the nanosilicon particles are secured, and the breakage of the silicon particles during charge and discharge can be significantly reduced.
예를 들면, 상기 나노실리콘 입자는 상기 X선 회절 스펙트럼에서, 회절각도(2θ) 값이 27.5~28.5˚, 47.5~48.5˚, 56~57˚, 68~69.5˚, 75~76˚ 및 88~90˚ 영역에서 각각 유효피크를 가지며, 상기 유효피크는 각각 (111), (220), (311), (400), (331), (442) 결정면을 나타내는 것일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 고용량 및 고출력 특성을 확보하며, 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 감소할 수 있다. For example, the nano-silicon particles may have effective peaks in the X-ray diffraction spectrum at diffraction angles (2θ) of 27.5 to 28.5˚, 47.5 to 48.5˚, 56 to 57˚, 68 to 69.5˚, 75 to 76˚, and 88 to 90˚, respectively, and the effective peaks may represent crystal planes (111), (220), (311), (400), (331), and (442), respectively. Under the above conditions, the high-capacity and high-power characteristics of the nano-silicon particles can be secured, and the breakage of the silicon particles during charge and discharge can be significantly reduced.
예를 들면, 상기 나노실리콘 입자는 1.54~2.0 Å의 CuKα선을 사용한 X선 회절(XRD) 스펙트럼에서, (111)면에서의 회절각도(2θ) 값이 26~30˚ 및 (220)면 에서의 회절각도(2θ) 값이 47~50˚ 영역에서 각각 유효피크를 가질 수 있다.For example, the nanosilicon particles may have effective peaks in the range of 26 to 30˚ for the diffraction angle (2θ) value at the (111) plane and in the range of 47 to 50˚ for the diffraction angle (2θ) value at the (220) plane in an X-ray diffraction (XRD) spectrum using CuKα rays of 1.54 to 2.0 Å.
예를 들면, 상기 나노실리콘 입자는 1.54178 Å의 CuKα선을 사용하여 0.01°의 step size로 2θ를 10-70°에서 측정한 X선 회절(XRD) 스펙트럼에서, (111)면에서의 회절각도(2θ) 값이 26~30˚ 및 (220)면에서의 회절각도(2θ) 값이 47~50˚ 영역에서 각각 유효피크를 가질 수 있다.For example, in an X-ray diffraction (XRD) spectrum measured at 2θ of 10-70° with a step size of 0.01° using CuKα radiation of 1.54178 Å, the nanosilicon particles may have effective peaks in the range of 26 to 30° for the diffraction angle (2θ) value at the (111) plane and in the range of 47 to 50° for the diffraction angle (2θ) value at the (220) plane, respectively.
한 구체예에서 상기 나노 실리콘 입자는 (111)면 및 (220)면에서의 1.54~2.0Å의 CuKα선을 사용한 X선 회절각도(2θ)의 FWHM(Full width at half maximum, 반치전폭)가 각각 0.40° 내지 0.80° 범위, 보다 바람직하게는 0.52° 내지 0.68° 또는 0.59° 내지 0.71° 범위일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 고용량 및 고출력 특성을 확보하며, 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 감소할 수 있다.In one specific example, the nano silicon particles may have an FWHM (Full width at half maximum) of an X-ray diffraction angle (2θ) using CuKα rays of 1.54 to 2.0 Å at the (111) plane and the (220) plane in the range of 0.40° to 0.80°, more preferably in the range of 0.52° to 0.68° or 0.59° to 0.71°. Under the above conditions, the high-capacity and high-power characteristics of the nano silicon particles can be secured, and the breakage phenomenon of the silicon particles during charge and discharge can be significantly reduced.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 평균입경이 50~500nm일 수 있다. 다른 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 평균입경(50)이 500nm 이하, 보다 바람직하게는 160nm 내지 260nm, 180nm 내지 230nm, 190nm 내지 220nm, 또는 200nm 내지 220nm 범위일 수 있다. 또한 상기 나노실리콘 입자의 평균입경의 최대값(Dmax) 제어도 매우 중요한데, 예를 들면 Dmax 입경이 380nm 이하, 바람직하게는 320nm 내지 360nm의 범위일 수 있다. 보다 바람직하게는 300nm 내지 340nm의 범위일 수 있다. Dmax 값이 낮을수록 나노실리콘 슬러리의 점도가 높아질 수 있으며, 나노실리콘 슬러리의 점도를 6500cps 이하(25℃)로 제어할 수 있다.In one specific example, the nanosilicon particles may have an average particle diameter of 50 to 500 nm. In another specific example, the nanosilicon particles may have an average particle diameter (50) of 500 nm or less, more preferably 160 nm to 260 nm, 180 nm to 230 nm, 190 nm to 220 nm, or 200 nm to 220 nm. In addition, the control of the maximum value (Dmax) of the average particle diameter of the nanosilicon particles is also very important. For example, the Dmax particle diameter may be 380 nm or less, preferably 320 nm to 360 nm. More preferably, it may be 300 nm to 340 nm. The lower the Dmax value, the higher the viscosity of the nanosilicon slurry. The viscosity of the nanosilicon slurry can be controlled to 6500 cps or less (25° C.).
예를 들면 반경 r인 구형 나노실리콘 입자의 부피가 4배 팽창된 팽창 나노실리콘 입자는 반경 r'이 1.5874*r 일 수 있다. 상기 팽창 나노실리콘 입자의 반경 r'는, (4/3)*π*(r')3 = 4*(4/3)*π*(r)3의 관계를 이용하여 도출될 수 있다(r' = (3√4)*r 1.5874*r).For example, an expanded nanosilicon particle whose volume is expanded four times that of a spherical nanosilicon particle with a radius r may have a radius r' of 1.5874*r. The radius r' of the expanded nanosilicon particle can be derived using the relationship (4/3)*π*(r') 3 = 4*(4/3)*π*(r) 3 (r' = ( 3 √4)*r 1.5874*r).
또한 상기 중공부 내부에 충전되는 나노실리콘 입자의 개수는, 육방조밀 또는 면심입방구조에서의 입자 충전율(π*(√3/2) 0.7405)을 고려하여 도출될 수 있다.In addition, the number of nanosilicon particles filled inside the hollow space is the particle filling ratio (π*(√3/2)) in the hexagonal close-packed or face-centered cubic structure. It can be derived by considering 0.7405).
한 구체예에서 반경(r) 100nm인 나노실리콘 입자는 4배 팽창시 반경이 반경(r') 약 158nm (158.74nm) 일 수 있다. 다른 구체예에서 반경(r) 150nm인 나노실리콘 입자는 4배 팽창시 반경이 반경(r') 약 238nm (238.11nm) 일 수 있다.In one specific example, a nanosilicon particle having a radius (r) of 100 nm can have a radius of about 158 nm (158.74 nm) when expanded four-fold to a radius (r'). In another specific example, a nanosilicon particle having a radius (r) of 150 nm can have a radius of about 238 nm (238.11 nm) when expanded four-fold to a radius (r').
한 구체예에서 상기 1차 입자는 반경이 각각 r1 및 r2인 제1 및 제2 나노실리콘 입자를 포함할 수 있다. 상기 r1 및 r2는 각각 동일하거나, 상이할 수 있다.In one specific example, the primary particle may include first and second nanosilicon particles having radii of r 1 and r 2 , respectively. The r 1 and r 2 may be the same or different, respectively.
한 구체예에서 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 상기 제1 및 제2 나노실리콘 입자 수는 하기 식 1의 조건을 만족할 수 있다:In one specific example, the number of the first and second nanosilicon particles filled in the first hollow portion of the first particle may satisfy the condition of the following equation 1:
[식 1][Formula 1]
(상기 식 1에서, 상기 r1'는 제1 팽창 나노실리콘 입자의 반경이며, 상기 r2'는 제2 나노실리콘 입자의 반경이고, 상기 R은 상기 제1 중공부의 반경이며, 상기 r1'및 r2'는, 각각 1.5874*r1 및 1.5874*r2 임).(In the above Equation 1, the r 1 ' is the radius of the first expanded nano-silicon particle, the r 2 ' is the radius of the second nano-silicon particle, the R is the radius of the first hollow part, and the r 1 ' and r 2 ' are 1.5874*r 1 and 1.5874*r 2 , respectively).
상기 식 1의 조건으로 제1 중공부에 충전되는 제1 및 제2 나노실리콘 입자 수를 설정시, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 1차 입자의 제1 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 파괴를 방지할 수 있다.When the number of first and second nano-silicon particles filled in the first hollow portion is set under the condition of the above formula 1, the first hollow core (or negative electrode active material) of the primary particle can be prevented from being broken or destroyed due to expansion of the nano-silicon particles.
한 구체예에서 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는 50~10000개 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이하고, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 제1 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는 150~10000개 일 수 있다. 예를 들면 150~8000개일 수 있다. 다른 예를 들면 150~6000개, 200~2000개 또는 200~1600 개일 수 있다.In one specific example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion of the primary particle may be 50 to 10,000. Under the above conditions, it is easy to control the number of nanosilicon particles, prevent destruction of the first hollow core due to expansion of the nanosilicon particles, and excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material may be achieved. For example, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion of the primary particle may be 150 to 10,000. For example, it may be 150 to 8,000. For other examples, it may be 150 to 6,000, 200 to 2,000, or 200 to 1,600.
다른 예를 들면, 상기 제1 중공부는 평균직경이 2~4㎛(또는 반경 1~2㎛) 이며, 상기 제1 중공부에 충전되며, 평균입경(d50)이 180~220nm(반경 90~110nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 280~320nm(반경 140~160nm)인 제2 나노실리콘 입자 수의 총 합은 150~5000개 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이하고, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 제1 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 중공부에 충전되는 반경 100nm(평균입경(d50) 200nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 반경 150nm(평균입경(d50) 300nm)인 제2 나노실리콘 입자 수의 총 합은 150~2000개, 200~2000개 또는 200~1600 개일 수 있다.As another example, the first hollow portion may have an average diameter of 2 to 4 μm (or a radius of 1 to 2 μm), and the total number of first nano-silicon particles having an average particle diameter (d50) of 180 to 220 nm (a radius of 90 to 110 nm) and second nano-silicon particles having an average particle diameter (d50) of 280 to 320 nm (a radius of 140 to 160 nm) filled in the first hollow portion may be 150 to 5,000. Under the above conditions, it is easy to control the number of nano-silicon particles, prevent destruction of the first hollow core due to expansion of the nano-silicon particles, and provide excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material. For example, the total number of first nano-silicon particles having a radius of 100 nm (average particle diameter (d50) of 200 nm) and second nano-silicon particles having a radius of 150 nm (average particle diameter (d50) of 300 nm) filled in the first hollow space may be 150 to 2,000, 200 to 2,000, or 200 to 1,600.
예를 들면 상기 평균직경이 2~4㎛(또는 반경 1~2㎛)인 제1 중공부에 충전되는 제1 나노실리콘 입자(반경 90~110nm, 평균입경(d50) 180~220nm)는 140~1300개 포함되고, 제2 나노실리콘 입자(반경 140~160nm, 평균입경(d50) 280~320nm)는 30~360개 포함될 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 개수 제어가 용이하고, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 제1 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다.For example, the first hollow portion having the average diameter of 2 to 4 μm (or radius of 1 to 2 μm) may contain 140 to 1,300 first nano-silicon particles (radius of 90 to 110 nm, average particle diameter (d50) of 180 to 220 nm), and the second nano-silicon particles (radius of 140 to 160 nm, average particle diameter (d50) of 280 to 320 nm) may contain 30 to 360. Under the above conditions, it is easy to control the number of nano-silicon particles, prevent destruction of the first hollow core due to expansion of the nano-silicon particles, and provide excellent high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 음극활물질(또는 제1 중간체) 전체중량에 대하여 1~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 음극활물질의 내구성 및 구조적 안정성이 우수하면서, 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~30 중량%, 1~25 중량%, 1~20 중량%, 1~15 중량%, 2~15 중량%, 3~15 중량% 또는 5~15 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the first hollow core may be included in an amount of 1 to 40 wt% based on the total weight of the negative electrode active material (or the first intermediate). When included in the above range, the durability and structural stability of the negative electrode active material may be excellent, and the electrical characteristics may be excellent. For example, it may be included in an amount of 1 to 30 wt%, 1 to 25 wt%, 1 to 20 wt%, 1 to 15 wt%, 2 to 15 wt%, 3 to 15 wt%, or 5 to 15 wt%.
한 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 상기 음극활물질(또는 제1 중간체) 전체중량에 대하여 25~80 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 혼합성과 내구성이 우수하면서, 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 25~70 중량% 포함될 수 있다. 다른 구체예에서 상기 나노실리콘 입자는 25~65 중량%, 25~60 중량% 또는 30~50 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the nano-silicon particles may be included in an amount of 25 to 80 wt% based on the total weight of the negative active material (or the first intermediate). In the above content range, the negative active material may have excellent mixing and durability, as well as excellent high-capacity and high-output characteristics. For example, the amount may be included in an amount of 25 to 70 wt%. In another specific example, the nano-silicon particles may be included in an amount of 25 to 65 wt%, 25 to 60 wt%, or 30 to 50 wt%.
한 구체예에서 상기 1차 입자는 상기 나노실리콘 입자의 충전 밀도가 75% 이하일 수 있다. 상기 나노실리콘 입자의 충전밀도는, 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자의 최대 수에 대한, 실제 충전되는 나노실리콘 입자수를 의미할 수 있다. 상기 충전밀도 조건에서 나노실리콘 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 충전밀도가 20~50%일 수 있다. 다른 예를 들면 충전밀도가 20~25%일 수 있다.In one specific example, the primary particle may have a packing density of 75% or less of the nanosilicon particles. The packing density of the nanosilicon particles may mean the number of nanosilicon particles actually filled with respect to the maximum number of nanosilicon particles filled in the first hollow space. Under the packing density condition, the negative electrode active material may be prevented from being destroyed by expansion of the nanosilicon particles, while exhibiting excellent high-capacity and high-output characteristics. For example, the packing density may be 20 to 50%. In another example, the packing density may be 20 to 25%.
한 구체예에서 상기 2차 입자는 상기 1차 입자의 충전 밀도가 75% 이하일 수 있다. 상기 1차 입자의 충전밀도는, 상기 2차 입자의 제2 중공부에 충전되는 1차 입자의 최대 수에 대한, 실제 충전되는 1차 입자의 수를 의미할 수 있다. 상기 충전밀도 조건에서 1차 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하면서, 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 충전밀도가 20~60%일 수 있다. 다른 예를 들면 충전밀도가 20~35%일 수 있다.In one specific example, the secondary particles may have a packing density of 75% or less of the primary particles. The packing density of the primary particles may mean the number of primary particles actually packed with respect to the maximum number of primary particles packed in the second hollow portion of the secondary particles. Under the packing density conditions, the negative electrode active material may be prevented from being destroyed by expansion of the primary particles, while exhibiting excellent high-capacity and high-output characteristics. For example, the packing density may be 20 to 60%. In another example, the packing density may be 20 to 35%.
상기 2차 입자는, 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함한다.The above secondary particle includes a second hollow core having a second hollow portion formed therein and one or more of the above primary particles filled in the second hollow portion.
상기 제2 중공코어는 구형 또는 타원형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.The above second hollow core may be spherical or elliptical, for example, it may be spherical.
상기 제1 중공코어는 후술할 소프트코팅재를 소성하여 형성된다.The above first hollow core is formed by firing a soft coating material to be described later.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 피치(pitch), 코크(coke) 및 기타 유기물로부터 형성된 카본 전구체 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 피치는 석유계 피치(pyrolysis fuel oil pitch) 및 석탄계 피치(coal tar pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the soft coating material may include one or more of carbon precursors formed from pitch, coke, and other organic materials. For example, the pitch may include one or more of pyrolysis fuel oil pitch and coal tar pitch.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 미만일 수 있다. 상기 조건에서 상기 1차 입자(또는 나노실리콘 입자)의 부피 팽창에 의한 제1 중공코어(또는 음극활물질)의 파괴를 방지하여, 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 연필경도가 B 내지 3H, 또는 B 내지 1H 일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a pencil hardness of less than 4H as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the first hollow core (or negative electrode active material) may be prevented from being destroyed due to volume expansion of the primary particles (or nanosilicon particles), thereby providing excellent long-life characteristics. For example, the pencil hardness may be B to 3H, or B to 1H.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 비표면적(BET)이 300m2/g 이상일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 비표면적(BET)이 300~2500m2/g일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a surface area (BET) of 300 m 2 /g or more. Under the above conditions, the structural stability may be excellent. For example, the surface area (BET) may be 300 to 2500 m 2 /g.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 순도(불순물 함량)가 1000ppm 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1000~5000ppm일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have a purity (impurity content) of 1000 ppm or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, it may be 1000 to 5000 ppm.
한 구체예에서 상기 제1 중공코어는 전기전도도(resistivity)가 50 μΩ·m 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 전기전도도(resistivity)가 50~300 μΩ·m 일 수 있다.In one specific example, the first hollow core may have an electrical conductivity (resistivity) of 50 μΩ·m or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, the electrical conductivity (resistivity) may be 50 to 300 μΩ·m.
상기 제2 중공부의 직경은 상기 제1 중공부의 직경 보다 크다.The diameter of the second hollow portion is larger than the diameter of the first hollow portion.
한 구체예에서 상기 제2 중공부는 평균직경이 3~25㎛ 일 수 있다. 상기 조건에서 상기 1차 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 파괴를 방지하며 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 중공부는 평균직경이 5~20㎛, 6~20㎛, 10~20㎛, 6~18㎛, 12~18㎛ 또는 14~18㎛ 일 수 있다.In one specific example, the second hollow portion may have an average diameter of 3 to 25 μm. Under the above conditions, the destruction of the negative electrode active material due to expansion of the primary particles may be prevented, and long-life characteristics may be excellent. For example, the second hollow portion may have an average diameter of 5 to 20 μm, 6 to 20 μm, 10 to 20 μm, 6 to 18 μm, 12 to 18 μm, or 14 to 18 μm.
예를 들면 상기 제2 중공부는 반경이 1.5~12.5㎛, 2~10㎛, 3~9㎛ 또는 7~9㎛ 일 수 있다.For example, the second hollow portion may have a radius of 1.5 to 12.5 μm, 2 to 10 μm, 3 to 9 μm, or 7 to 9 μm.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 두께가 5~500nm 일 수 있다. 상기 조건에서 경도와 기계적 강도가 우수하여 상기 1차 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다. 예를 들면 5~250nm, 10~300nm 또는 10~50nm 일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a thickness of 5 to 500 nm. Under the above conditions, the hardness and mechanical strength are excellent, so that the negative electrode active material can be prevented from being broken or damaged due to the expansion of the primary particles. For example, the thickness may be 5 to 250 nm, 10 to 300 nm, or 10 to 50 nm.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 4H 이상일 수 있다. 상기 조건에서 제2 중공코어의 내구성과 강도가 우수하며, 상기 나노실리콘 입자에 리튬 이온이 삽입에 의해 1차 입자가 팽창하는 경우에도 상기 제2 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 손상을 방지하는 효과가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 중공코어는 연필경도가 4H~6H 일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a pencil hardness of 4H or higher as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the durability and strength of the second hollow core are excellent, and even when the primary particles expand due to the insertion of lithium ions into the nanosilicon particles, the effect of preventing breakage or damage to the second hollow core (or the negative electrode active material) may be excellent. For example, the second hollow core may have a pencil hardness of 4H to 6H.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 밀도가 1.8~2.5g/cm3 일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 중공코어는 밀도가 1.8 내지 2.1g/cm3 일 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a density of 1.8 to 2.5 g/cm 3 . Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the second hollow core may have a density of 1.8 to 2.1 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 비표면적(BET)이 100m2/g 이하일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a BET surface area of 100 m 2 /g or less. Under the above conditions, the structural stability may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 순도(불순물 함량)가 100ppm 이하일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have a purity (impurity content) of 100 ppm or less. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 전기전도도(resistivity)가 3~5 μΩ·m 일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow core may have an electrical conductivity (resistivity) of 3 to 5 μΩ·m. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 제2 중공코어는 음극활물질(또는 제1 중간체) 전체중량에 대하여 1~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 음극활물질의 내구성 및 구조적 안정성이 우수하면서, 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~35 중량%, 1~30 중량%, 1~25 중량%, 1~20 중량%, 1~15 중량%, 1~10 중량% 또는 5~15 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the second hollow core may be included in an amount of 1 to 40 wt% based on the total weight of the negative electrode active material (or the first intermediate). When included in the above range, the durability and structural stability of the negative electrode active material may be excellent, and the electrical characteristics may be excellent. For example, it may be included in an amount of 1 to 35 wt%, 1 to 30 wt%, 1 to 25 wt%, 1 to 20 wt%, 1 to 15 wt%, 1 to 10 wt%, or 5 to 15 wt%.
한 구체예에서 상기 음극활물질(또는 제1 중간체)은 상기 제2 중공코어 및 제1 중공코어를 1:0.5~1:6 중량비로 포함할 수 있다. 상기 중량비로 포함시 음극활물질의 내구성 및 구조적 안정성이 우수하면서, 장수명, 고출력 및 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 음극활물질은 상기 제2 중공코어 및 제1 중공코어를 1:1~1:5 중량비, 1:1.5~1:5 중량비, 1:2~1:4 또는 1:2~1:3 중량비로 포함할 수 있다.In one specific example, the negative electrode active material (or the first intermediate) may include the second hollow core and the first hollow core in a weight ratio of 1:0.5 to 1:6. When included in the weight ratio, the durability and structural stability of the negative electrode active material may be excellent, while long life, high output, and electrical characteristics may be excellent. For example, the negative electrode active material may include the second hollow core and the first hollow core in a weight ratio of 1:1 to 1:5, 1:1.5 to 1:5, 1:2 to 1:4, or 1:2 to 1:3.
한 구체예에서 상기 2차 입자는 반경이 각각 a1 및 a2인 1차 입자 (1) 및 (2)를 포함할 수 있다. 상기 1차 입자(1) 및 (2)의 반경 a1 및 a2는 동일하거나 상이할 수 있다.In one specific example, the secondary particles may include primary particles (1) and (2) having radii a 1 and a 2 , respectively. The radii a 1 and a 2 of the primary particles (1) and (2) may be the same or different.
한 구체예에서 상기 제2 중공부에 충전되는 1차 입자 (1) 및 (2)의 수는, 하기 식 2의 조건을 만족할 수 있다:In one specific example, the number of primary particles (1) and (2) filled in the second hollow portion may satisfy the condition of the following equation 2:
[식 2][Formula 2]
(상기 식 2에서, 상기 a1 및 n3는 1차 입자(1)의 반경 및 개수이며, 상기 a2 및 n4는 1차 입자(2)의 반경 및 개수이고, 상기 b는 제2 중공부의 반경임).(In the above formula 2, a 1 and n 3 are the radius and number of primary particles (1), a 2 and n 4 are the radius and number of primary particles (2), and b is the radius of the second hollow part).
상기 식 2의 조건으로 2차 입자의 제2 중공부에 충전되는 1차 입자(1) 및 (2)의 개수를 도출시, 1차 입자 팽창에 의한 제2 중공코어(또는 음극활물질)의 깨짐 또는 파괴를 방지할 수 있다.When the number of primary particles (1) and (2) filled in the second hollow portion of the secondary particle is derived under the condition of the above equation 2, the breakage or destruction of the second hollow core (or negative electrode active material) due to expansion of the primary particle can be prevented.
한 구체예에서 상기 제2 중공부에 충전되는 상기 1차 입자 수는 5~500개 일 수 있다. 상기 조건에서 고출력 및 장수명과 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 1차 입자 수는 5~300개, 예를 들면 100~300개 포함될 수 있다.In one specific example, the number of primary particles charged into the second hollow portion may be 5 to 500. Under the above conditions, high output, long life, and excellent electrical characteristics may be achieved. For example, the number of primary particles may be 5 to 300, for example, 100 to 300.
한 구체예에서 상기 제2 중공부는 직경이 6~18㎛(반경 3~9㎛)이며, 상기 제2 중공부에는 평균입경(d50) 2~3㎛ (또는 반경 1~1.5㎛)인 1차 입자(1) 13~445개 및 평균입경(d50) 3~4㎛ (또는 반경 1.5~2.0㎛)인 1차 입자(2) 1~125개 포함될 수 있다. 상기 조건에서 1차 입자의 개수 제어가 용이하고, 1차 입자 팽창에 의한, 제2 중공코어의 파괴를 방지하며, 음극활물질의 고용량 및 고출력 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the second hollow portion may have a diameter of 6 to 18 μm (radius 3 to 9 μm), and the second hollow portion may contain 13 to 445 primary particles (1) having an average particle diameter (d50) of 2 to 3 μm (or a radius of 1 to 1.5 μm) and 1 to 125 primary particles (2) having an average particle diameter (d50) of 3 to 4 μm (or a radius of 1.5 to 2.0 μm). Under the above conditions, it is easy to control the number of primary particles, the destruction of the second hollow core due to expansion of the primary particles is prevented, and the high-capacity and high-output characteristics of the negative electrode active material may be excellent.
(S40) 제1 코팅레이어 형성단계(S40) First coating layer formation step
한 구체예에서 제1 중간체를 제조하는 단계(S30) 이후, (S40) 상기 제1 중간체의 외주면에 제1 코팅레이어를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one specific example, after the step (S30) of manufacturing the first intermediate, the method may further include the step (S40) of forming a first coating layer on the outer surface of the first intermediate.
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one specific example, the first coating layer may include at least one of a soft coating layer and a medium coating layer.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 상기 제1 중간체와 소프트코팅재를 혼합하고 소성하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may be formed by including a step of mixing and firing the first intermediate and the soft coating material.
한 구체예에서 상기 소성은 850~975℃에서 실시될 수 있다. 상기 조건에서 제1 중간체의 외주면에 상기 소프트 코팅레이어가 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들면 860~975℃ 또는 900~960℃에서 소성할 수 있다.In one specific example, the firing can be performed at 850 to 975°C. Under the above conditions, the soft coating layer can be easily formed on the outer surface of the first intermediate. For example, the firing can be performed at 860 to 975°C or 900 to 960°C.
한 구체예에서 상기 소프트코팅재는 피치(pitch), 코크(coke) 및 기타 유기물로부터 형성된 카본 전구체 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 피치는 석유계 피치(pyrolysis fuel oil pitch) 및 석탄계 피치(coal tar pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the soft coating material may include one or more of carbon precursors formed from pitch, coke, and other organic materials. For example, the pitch may include one or more of pyrolysis fuel oil pitch and coal tar pitch.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 소프트코팅재 및 용제를 포함하는 소프트코팅액을 도포 및 소성하여 형성할 수 있다.In one specific example, the soft coating layer can be formed by applying and firing a soft coating liquid containing a soft coating material and a solvent.
한 구체예에서 상기 용제는 물, 에탄올계 용제, 아마이드계 용제, 에스테르계 용제 및 탄화수소계 용제 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 용제를 포함시 혼합성과 작업성이 우수할 수 있다. 상기 알코올계 용제로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 아마이드계 용제로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAC) 및 디메틸포름아미드(DMF) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 용제로는 톨루엔 및 크실렌 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the solvent may include at least one of water, an ethanol solvent, an amide solvent, an ester solvent, and a hydrocarbon solvent. When the solvent is included, the mixing property and workability may be excellent. The alcohol solvent may include at least one of methanol, ethanol, isopropanol, and butanol. The amide solvent may include at least one of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAC), and dimethylformamide (DMF). The hydrocarbon solvent may include at least one of toluene and xylene.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 B 내지 3H 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 음극활물질의 부피 팽창을 완충하는 효과가 우수하며, 하드한 특성의 중공코어의 파괴를 방지하여, 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 연필경도가 B 내지 1H 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a pencil hardness of B to 3H as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the effect of buffering the volume expansion of the negative electrode active material due to the volume expansion of the nanosilicon particles is excellent, and the destruction of the hard hollow core is prevented, so that the long-life characteristics may be excellent. For example, the pencil hardness may be B to 1H.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 밀도가 1.5g/cm3 이하일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 소프트 코팅레이어는 밀도가 0.3 내지 1.5g/cm3 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a density of 1.5 g/cm 3 or less. Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the soft coating layer may have a density of 0.3 to 1.5 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 비표면적(BET)이 300m2/g 이상일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 비표면적(BET)이 300~2500m2/g일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a surface area (BET) of 300 m 2 /g or more. Under the above conditions, the structural stability may be excellent. For example, the surface area (BET) may be 300 to 2500 m 2 /g.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 순도(불순물 함량)가 1000ppm 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1000~5000ppm일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a purity (impurity content) of 1000 ppm or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, it may be 1000 to 5000 ppm.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 전기전도도(resistivity)가 50 μΩ·m 이상일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다. 예를 들면 전기전도도(resistivity)가 50~300 μΩ·m 일 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have an electrical conductivity (resistivity) of 50 μΩ·m or more. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent. For example, the electrical conductivity (resistivity) may be 50 to 300 μΩ·m.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 두께가 5~100nm 일 수 있다. 상기 조건에서 상기 나노실리콘 입자의 팽창에 의한 음극활물질의 부피 팽창을 완충하는 효과가 우수하고, 음극활물질의 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may have a thickness of 5 to 100 nm. Under the above conditions, the effect of buffering the volume expansion of the negative electrode active material due to the expansion of the nanosilicon particles is excellent, and the breakage or damage of the negative electrode active material can be prevented.
한 구체예에서 상기 소프트 코팅레이어는 상기 음극활물질 전체중량에 대하여 1~20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 전기전도성이 우수하며, 나노실리콘 입자 팽창에 의한 음극활물질의 부피 팽창을 완충하는 효과가 우수하며, 음극활물질의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~15 중량%, 1~10 중량%, 1~7 중량%, 1~6 중량%, 1~5 중량% 또는 2~5 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the soft coating layer may be included in an amount of 1 to 20 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. When included in the above range, the electrical conductivity is excellent, the effect of buffering the volume expansion of the negative electrode active material due to the expansion of nano-silicon particles is excellent, the breakage and destruction of the negative electrode active material is prevented, and capacity reduction is minimized, so that the long-life characteristics can be excellent. For example, it may be included in an amount of 1 to 15 wt%, 1 to 10 wt%, 1 to 7 wt%, 1 to 6 wt%, 1 to 5 wt%, or 2 to 5 wt%.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 상기 제1 중간체를 탄화수소 가스 분위기에서 열처리하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may be formed including a step of heat treating the first intermediate in a hydrocarbon gas atmosphere.
한 구체예에서 상기 미디엄(medium) 코팅레이어는 탄화수소 가스 및 카본 블랙(carbon black) 중 하나 이상을 열처리하여 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 탄화수소 가스는 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 펜탄(C5H12) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may be formed by heat treating at least one of a hydrocarbon gas and carbon black. For example, the hydrocarbon gas may include at least one of methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), and pentane (C 5 H 12 ).
예를 들면 상기 열처리는 850~970℃에서 실시할 수 있다. 상기 조건에서 미디엄 코팅레이어가 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들면 890~910℃일 수 있다.For example, the above heat treatment can be performed at 850 to 970°C. Under the above conditions, a medium coating layer can be easily formed. For example, it can be 890 to 910°C.
한 구체예에서 상기 열처리는 진공 조건에서 실시될 수 있다. 상기 조건에서 상기 탄화수소 가스의 확산이 용이하여 균일한 미디엄 코팅레이어가 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 열처리는 10-1~10-6 torr의 진공 조건에서 실시될 수 있다.In one specific example, the heat treatment may be performed under vacuum conditions. Under the conditions, the hydrocarbon gas can easily diffuse, thereby forming a uniform medium coating layer. For example, the heat treatment may be performed under vacuum conditions of 10 -1 to 10 -6 torr.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 ISO 15184에 의거하여 측정된 연필경도가 2H 이상 4H 미만일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 부피 팽창에 의한 음극활물질의 부피 팽창을 완충하는 효과가 우수하며, 하드한 특성의 중공코어의 파괴를 방지하여, 장수명 특성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a pencil hardness of 2H or more and less than 4H as measured according to ISO 15184. Under the above conditions, the effect of buffering the volume expansion of the negative electrode active material due to the volume expansion of the nanosilicon particles is excellent, and the destruction of the hard hollow core is prevented, so that the long-life characteristics can be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 두께가 5~100nm 일 수 있다. 상기 조건에서 나노실리콘 입자의 팽창에도 음극활물질의 깨짐 또는 손상을 방지할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a thickness of 5 to 100 nm. Under the above conditions, the cathode active material may be prevented from being broken or damaged even when the nanosilicon particles expand.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 밀도가 1.8g/cm3 미만일 수 있다. 상기 조건에서 경량성 및 구조적 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 미디엄 코팅레이어는 밀도가 1.5 초과 1.7g/cm3 이하일 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a density of less than 1.8 g/cm 3 . Under the above conditions, the light weight and structural stability may be excellent. For example, the medium coating layer may have a density of greater than 1.5 and less than or equal to 1.7 g/cm 3 .
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 비표면적(BET)이 100~200m2/g 이하일 수 있다. 상기 조건에서 구조적 안정성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a BET surface area of 100 to 200 m 2 /g or less. Under the above conditions, the structural stability may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 순도(불순물 함량)가 500ppm 이하일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have a purity (impurity content) of 500 ppm or less. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 전기전도도(resistivity)가 20~40 μΩ·m 일 수 있다. 상기 조건에서 음극활물질의 전기 전도성이 우수할 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may have an electrical conductivity (resistivity) of 20 to 40 μΩ·m. Under the above conditions, the electrical conductivity of the negative electrode active material may be excellent.
한 구체예에서 상기 미디엄 코팅레이어는 상기 음극활물질 전체중량에 대하여 1~20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 전기전도성이 우수하며, 나노실리콘 입자 팽창시 음극활물질의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~15 중량%, 2~10 중량%, 1~5 중량% 또는 3~5 중량% 포함될 수 있다.In one specific example, the medium coating layer may be included in an amount of 1 to 20 wt% based on the total weight of the negative electrode active material. When included in the above range, the electrical conductivity is excellent, and the negative electrode active material may be prevented from being broken or destroyed when the nanosilicon particles expand, and the capacity reduction may be minimized, thereby providing excellent long-life characteristics. For example, the medium coating layer may be included in an amount of 1 to 15 wt%, 2 to 10 wt%, 1 to 5 wt%, or 3 to 5 wt%.
예를 들면 상기 제1 코팅레이어는 상기 제1 중간체의 외주면에 소프트(또는 미디엄) 코팅레이어를 형성하고; 그리고 상기 소프트(또는 미디엄) 코팅레이어 외주면에 미디엄(또는 소프트) 코팅레이어를 형성하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.For example, the first coating layer may be formed by including the steps of forming a soft (or medium) coating layer on the outer surface of the first intermediate body; and forming a medium (or soft) coating layer on the outer surface of the soft (or medium) coating layer.
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어를 1:0.5~1:3 중량비로 포함할 수 있다. 상기 범위로 포함시 전기전도성이 우수하며, 나노실리콘 입자 팽창시 음극활물질의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1:1~1:3 중량비 또는 1:1.5~1:2.5 중량비로 포함할 수 있다.In one specific example, the first coating layer may include a soft coating layer and a medium coating layer in a weight ratio of 1:0.5 to 1:3. When included in the above range, the electrical conductivity is excellent, and the cathode active material may be prevented from breaking and breaking when the nanosilicon particles expand, and the capacity reduction may be minimized, so that the long-life characteristics may be excellent. For example, the weight ratio may be 1:1 to 1:3 or 1:1.5 to 1:2.5.
한 구체예에서 상기 제1 코팅레이어는 순차적으로 형성되는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어를 포함할 수 있다.In one specific example, the first coating layer may include a soft coating layer and a medium coating layer that are formed sequentially.
실리콘 카본 복합체 음극활물질을 포함하는 이차전지Secondary battery containing silicon carbon composite negative electrode material
본 발명의 또 다른 관점은 상기 실리콘 카본 복합체 음극활물질을 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 이차전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 형성되는 전해질;을 포함하며, 상기 음극은 상기 음극활물질을 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a secondary battery including the silicon carbon composite negative electrode active material. In one specific example, the secondary battery includes a positive electrode; a negative electrode; and an electrolyte formed between the positive electrode and the negative electrode; wherein the negative electrode includes the negative electrode active material.
상기 이차전지는 리튬이차전지를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 리튬이차전지는 양극활물질을 포함하는 양극; 상기 양극과 이격 배치되며, 상기 음극활물질을 포함하는 음극; 상기 음극 및 양극 사이에 배치되는 전해질; 및 상기 음극 및 양극 사이에 배치되어 상기 음극 및 양극의 전기적 단락을 방지하는 분리막;을 포함할 수 있다.The secondary battery may include a lithium secondary battery. In one specific example, the lithium secondary battery may include a cathode including a cathode active material; an anode spaced apart from the cathode and including the anode active material; an electrolyte disposed between the cathode and the anode; and a separator disposed between the cathode and the anode to prevent electrical short-circuiting between the cathode and the anode.
한 구체예에서 상기 양극 및 음극은 각각 전극판(집전체)의 일면에 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조될 수 있다.In one specific example, the positive and negative electrodes can be manufactured by applying a mixture including an active material, a conductive material, and a binder to one surface of each electrode plate (current collector), and then drying and pressing.
한 구체예에서 양극 전극판 및 음극 전극판은 각각 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the positive electrode plate and the negative electrode plate may each include one or more of copper, stainless steel, aluminum, nickel, and titanium.
다른 예를 들면 상기 음극 전극판은 니켈 폼(foam), 구리 폼, 전도성 금속이 코팅된 폴리이미드 필름(polyimide film) 또는 이들의 조합일 수 있다.As another example, the cathode electrode plate may be nickel foam, copper foam, a polyimide film coated with a conductive metal, or a combination thereof.
또 다른 예를 들면 상기 음극 전극판은 구리 박, 탄소 코팅된 구리 박, 표면 거칠기가 5nm 이상인 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 니켈 코팅된 철(Fe) 박 및 1~50 ㎛ 크기의 홀이 형성된 구리 박 등을 포함할 수 있다.As another example, the cathode electrode plate may include a copper foil, a carbon-coated copper foil, a copper foil having a surface roughness of 5 nm or more, a nickel foil, a stainless steel foil, a nickel-coated iron (Fe) foil, and a copper foil having holes formed therein with a size of 1 to 50 μm.
한 구체예에서 상기 양극활물질은 금속 및 리튬의 복합 산화물을 포함할 수 있다. 상기 금속은 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 리튬-니켈 산화물, 리튬-니켈-코발트 산화물, 리튬-니켈- 코발트-망간 산화물, 리튬-니켈-코발트-알루미늄 산화물 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the cathode active material may include a composite oxide of a metal and lithium. The metal may include at least one of cobalt (Co), manganese (Mn), aluminum (Al), and nickel (Ni). For example, it may include at least one of lithium-nickel oxide, lithium-nickel-cobalt oxide, lithium-nickel-cobalt-manganese oxide, and lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide.
한 구체예에서 상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 카본 섬유, 금속계 섬유, 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨, 산화 티탄 및 폴리페닐렌계 화합물 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the conductive material may include one or more of natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, carbon fibers, metal fibers, fluorinated carbon, aluminum, nickel powder, zinc oxide, potassium titanate, titanium oxide, and polyphenylene compounds.
한 구체예에서 상기 바인더는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 스티렌계 고무 및 불소계 고무 등을 포함할 수 있다.In one specific example, the binder may include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), styrenic rubber, and fluorine rubber.
한 구체예에서 상기 분리막은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 분리막은 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 분리막은 부직포 또는 직포 형태일 수 있다. 상기 분리막은 평균 기공 직경이 0.01~10㎛인 다공성이며, 상기 분리막은 두께가 5~500㎛ 일 수 있다.In one specific example, the separator may be a conventional one. For example, the separator may include one or more of polyester, polyethylene, polypropylene, and polytetrafluoroethylene (PTFE). The separator may be in the form of a nonwoven fabric or a woven fabric. The separator is porous with an average pore diameter of 0.01 to 10 μm, and the separator may have a thickness of 5 to 500 μm.
한 구체예에서 상기 전해질은 비수성 유기용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 비수성 유기용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계 및 케톤계 용매 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one specific example, the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a lithium salt. For example, the non-aqueous organic solvent may include one or more of a carbonate-based, ester-based, ether-based, and ketone-based solvent. The carbonate-based solvent may include one or more of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylmethyl carbonate (EMC), ethylpropyl carbonate (EPC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC).
상기 에스테르계 용매는 부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤(valerolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트 및 n-프로필 아세테이트 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 에테르계 용매는 디부틸 에테르 등을 포함할 수 있다. 상기 케톤계 용매는 폴리메틸비닐 케톤을 포함할 수 있다.The ester solvent may include at least one of butyrolactone, decanolide, valerolactone, caprolactone, n-methyl acetate, n-ethyl acetate, and n-propyl acetate. The ether solvent may include dibutyl ether, etc. The ketone solvent may include polymethylvinyl ketone.
상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있다. 예를 들면 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4 및 LiAlCl4 중 하나 이상 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The above lithium salt can act as a source of lithium ions in the battery. For example, the lithium salt may include, but is not limited to, one or more of LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiAlO 4 , and LiAlCl 4 .
한 구체예에서 상기 전해질은 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐 에틸렌 카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 모노플루오로에틸렌카보네이트(monofluoroehtylene carbonate), 디플루오로에틸렌카보네이트(difluoroehtylene carbonate) 및 무수 숙신산(succinic anhydride), 1,3-프로판 설톤(1,3-propane sultone) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.In one specific example, the electrolyte may further include one or more of vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, monofluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, succinic anhydride, and 1,3-propane sultone.
한 구체예에서 상기 리튬이차전지는 각형 전지, 원통형 전지 및 파우치형 전지 등을 포함할 수 있다.In one specific example, the lithium secondary battery may include a square battery, a cylindrical battery, and a pouch-type battery.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, these are presented as preferred examples of the present invention and cannot be interpreted as limiting the present invention in any way. Contents not described herein can be sufficiently technically inferred by those skilled in the art, so their description will be omitted.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
실시예 1Example 1
(1) 나노실리콘 슬러리 제조: 실리콘 원료분말 100 중량부, 분산제(스테아린산) 0.1 중량부 및 제1 용제(에탄올) 900 중량부를 포함하는 분산물을 제조하고, 상기 분산물을 밀링 분쇄하여, 평균입경(d50) 200nm(반경 100nm)인 나노실리콘 슬러리(25℃ 점도 4320cPs)를 제조하였다.(1) Preparation of nanosilicon slurry: A dispersion containing 100 parts by weight of silicon raw material powder, 0.1 parts by weight of dispersant (stearic acid), and 900 parts by weight of first solvent (ethanol) was prepared, and the dispersion was milled to prepare a nanosilicon slurry (viscosity at 25°C of 4320 cPs) having an average particle size (d50) of 200 nm (radius of 100 nm).
(2) 혼합슬러리 및 건조분말 제조: 상기 나노실리콘 슬러리와 소프트코팅재(평균입경(d50) 0.01~0.5㎛인 피치 포함)를 포함하는 혼합슬러리를 제조하였다. 그 다음에 상기 혼합슬러리를 회전 분무건조기를 이용하여 디스크 회전수(20,000~30,000rpm) 조건으로 건조하여 건조분말을 제조하였다.(2) Preparation of mixed slurry and dry powder: A mixed slurry containing the above nano-silicon slurry and a soft coating material (including a pitch with an average particle size (d50) of 0.01 to 0.5 μm) was prepared. Then, the mixed slurry was dried using a rotary spray dryer at a disk rotation speed (20,000 to 30,000 rpm) to prepare a dry powder.
(3) 제1 혼합물 제조: 상기 건조분말 및 소프트코팅재(평균입경(d50) 0.01~0.5㎛인 피치 포함)를 포함하는 제1 혼합물을 제조하였다.(3) Preparation of first mixture: A first mixture containing the above dry powder and soft coating material (including a pitch having an average particle size (d50) of 0.01 to 0.5 ㎛) was prepared.
(4) 제1 중간체 및 음극활물질 제조: 상기 제1 혼합물을 850~950℃에서 1차 소성하였다. 그 다음에 상기 1차 소성된 제1 혼합물을 10~30atm으로 일 방향으로 가압(또는 일축압축)하여 압축물을 제조하였다. 그 다음에 상기 압축물과, 하드코팅재(ISO 15184 기준 연필경도 4~6H 및 평균입경(d50) 0.05~0.5㎛인 카본계 재료(레몬에너지社의 NanoMollisAdamas))를 포함하는 제2 혼합물을 제조하고, 상기 제2 혼합물을 960~1050℃에서 2차 소성하여 제1 중간체를 제조하였다. 그리고 상기 제1 중간체를 해쇄 및 분급하여 음극활물질을 제조하였다.(4) Preparation of first intermediate and negative electrode active material: The first mixture was first fired at 850 to 950°C. Then, the first mixture that was first fired was pressurized in one direction at 10 to 30 atm (or uniaxially compressed) to prepare a compressed material. Then, a second mixture including the compressed material and a hard coating material (carbon material having a pencil hardness of 4 to 6H and an average particle size (d50) of 0.05 to 0.5 μm (NanoMollisAdamas of Lemon Energy Co., Ltd.) according to ISO 15184) was prepared, and the second mixture was secondarily fired at 960 to 1050°C to prepare a first intermediate. Then, the first intermediate was pulverized and classified to prepare a negative electrode active material.
상기 음극활물질은 제1 중공부가 형성되는 제1 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 1.3g/cm3) 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성되는 제2 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 4H~6H 및 밀도 1.8~2.1g/cm3) 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자;를 포함하였다.The above negative active material includes a first hollow core (
상기 나노실리콘 입자는, 평균입경(d50)이 200nm(반경 100nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 300nm(반경 150nm)인 제2 나노실리콘 입자를 포함하였다.The above nanosilicon particles included first nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 200 nm (radius 100 nm) and second nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 300 nm (radius 150 nm).
상기 1차 입자는, 제1 중공부의 반경이 1㎛(1000nm, 평균직경 2㎛)인 1차 입자(1) 및 제1 중공부 반경이 1.5㎛(1500nm)인 1차 입자(2)를 포함하였다. 또한, 상기 1차 입자(1)는 반경(a1)이 1020nm, 상기 1차 입자(2)는 반경(a2)이 1520nm 이고, 상기 2차 입자는 제2 중공부의 반경(b)은 3㎛(평균직경 6㎛) 이었다.The above primary particles included a primary particle (1) having a first hollow portion with a radius of 1 µm (1000 nm, average diameter 2 µm) and a primary particle (2) having a first hollow portion with a radius of 1.5 µm (1500 nm). In addition, the primary particle (1) had a radius (a 1 ) of 1020 nm, the primary particle (2) had a radius (a 2 ) of 1520 nm, and the secondary particle had a second hollow portion with a radius (b) of 3 µm (average diameter 6 µm).
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량% 및 제2 중공코어 1~40 중량%를 포함하였다.The above negative active material contained 25 to 80 wt% of nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, and 1 to 40 wt% of the second hollow core.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1의 제1 혼합물을 850~945℃에서 1차 소성하고, 상기 1차 소성된 제1 혼합물과, 하드코팅재(ISO 15184 기준 연필경도 4~6H 및 평균입경(d50) 0.05~0.5㎛인 카본계 재료(레몬에너지社의 NanoMollisAdamas))를 포함하는 제2 혼합물을 955~1050℃에서 2차 소성하여 제1 중간체를 제조하고, 상기 제1 중간체를 해쇄 및 분급하여 음극활물질을 제조하였다.The first mixture of the above Example 1 was first fired at 850 to 945°C, and the second mixture containing the first-fired first mixture and a hard coating material (carbon-based material having an ISO 15184 pencil hardness of 4 to 6H and an average particle size (d50) of 0.05 to 0.5 μm (NanoMollisAdamas of Lemon Energy Co., Ltd.)) was secondarily fired at 955 to 1050°C to produce a first intermediate, and the first intermediate was pulverized and classified to produce a negative electrode active material.
상기 음극활물질은 제1 중공부가 형성되는 제1 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 1.3g/cm3) 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성되는 제2 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 4H~6H 및 밀도 1.8~2.1g/cm3) 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자;를 포함하였다.The above negative active material includes a first hollow core (
상기 나노실리콘 입자는, 평균입경(d50)이 200nm(반경 100nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 300nm(반경 150nm)인 제2 나노실리콘 입자를 포함하였다.The above nanosilicon particles included first nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 200 nm (radius 100 nm) and second nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 300 nm (radius 150 nm).
상기 1차 입자는, 제1 중공부의 반경이 1㎛(1000nm, 평균직경 2㎛)인 1차 입자(1) 및 제1 중공부 반경이 1.5㎛(1500nm)인 1차 입자(2)를 포함하였다. 또한, 상기 1차 입자(1)는 반경(a1)이 1020nm, 상기 1차 입자(2)는 반경(a2)이 1520nm 이고, 상기 2차 입자는 제2 중공부의 반경(b)은 5㎛(평균직경 10㎛) 이었다.The above primary particles included a primary particle (1) having a first hollow portion with a radius of 1 µm (1000 nm, average diameter 2 µm) and a primary particle (2) having a first hollow portion with a radius of 1.5 µm (1500 nm). In addition, the primary particle (1) had a radius (a 1 ) of 1020 nm, the primary particle (2) had a radius (a 2 ) of 1520 nm, and the secondary particle had a second hollow portion with a radius (b) of 5 µm (
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량% 및 제2 중공코어 1~40 중량%를 포함하였다.The above negative active material contained 25 to 80 wt% of nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, and 1 to 40 wt% of the second hollow core.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1의 제1 혼합물을 20atm 압력으로 일 방향으로 압축하여 압축물을 제조하였다. 그 다음에 상기 압축물과 하드코팅재(ISO 15184 기준 연필경도 4~6H 및 평균입경(d50) 0.05~0.5㎛인 카본계 재료(레몬에너지社의 NanoMollisAdamas))를 포함하는 제2 혼합물을 900~1050℃에서 소성하여 제1 중간체를 제조하고, 상기 제1 중간체를 해쇄 및 분급하여 음극활물질을 제조하였다.The first mixture of the above Example 1 was compressed in one direction at a pressure of 20 atm to produce a compressed material. Then, a second mixture including the compressed material and a hard coating material (carbon material having a pencil hardness of 4 to 6H and an average particle size (d50) of 0.05 to 0.5 ㎛ (NanoMollisAdamas, Lemon Energy Co., Ltd.) according to ISO 15184) was calcined at 900 to 1050°C to produce a first intermediate, and the first intermediate was pulverized and classified to produce a negative electrode active material.
상기 음극활물질은 제1 중공부가 형성되는 제1 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 1.3g/cm3) 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성되는 제2 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 4H~6H 및 밀도 1.8~2.1g/cm3) 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자;를 포함하였다.The above negative active material includes a first hollow core (
상기 나노실리콘 입자는, 평균입경(d50)이 200nm(반경 100nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 300nm(반경 150nm)인 제2 나노실리콘 입자를 포함하였다.The above nanosilicon particles included first nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 200 nm (radius 100 nm) and second nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 300 nm (radius 150 nm).
상기 1차 입자는, 제1 중공부의 반경이 1㎛(1000nm, 평균직경 2㎛)인 1차 입자(1) 및 제1 중공부 반경이 1.5㎛(1500nm)인 1차 입자(2)를 포함하였다. 또한, 상기 1차 입자(1)는 반경(a1)이 1020nm, 상기 1차 입자(2)는 반경(a2)이 1520nm 이고, 상기 2차 입자는 제2 중공부의 반경(b)은 7㎛(평균직경 14㎛) 이었다.The above primary particles included a primary particle (1) having a first hollow portion with a radius of 1 µm (1000 nm, average diameter 2 µm) and a primary particle (2) having a first hollow portion with a radius of 1.5 µm (1500 nm). In addition, the primary particle (1) had a radius (a 1 ) of 1020 nm, the primary particle (2) had a radius (a 2 ) of 1520 nm, and the secondary particle had a second hollow portion with a radius (b) of 7 µm (
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량% 및 제2 중공코어 1~40 중량%를 포함하였다.The above negative active material contained 25 to 80 wt% of nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, and 1 to 40 wt% of the second hollow core.
실시예 4Example 4
상기 실시예 1의 제1 중간체에 소프트코팅재(평균입경(d50) 0.01~0.5㎛인 피치 포함)를 혼합하고, 불활성 가스 분위기에서 850~975℃에서 소성하여 상기 제1 중간체(또는 제2 중공코어) 외주면에 제1 코팅레이어(소프트 코팅레이어)를 형성하여 음극활물질을 제조하였다.A soft coating material (including a pitch having an average particle diameter (d50) of 0.01 to 0.5 μm) was mixed into the first intermediate of the above Example 1, and calcined at 850 to 975°C in an inert gas atmosphere to form a first coating layer (soft coating layer) on the outer surface of the first intermediate (or the second hollow core), thereby manufacturing a negative electrode active material.
상기 음극활물질은 제1 중공부가 형성되는 제1 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 1.3g/cm3) 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성되는 제2 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 4H~6H 및 밀도 1.8~2.1g/cm3) 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하고, 상기 제2 중공코어의 외주면에 형성된 제1 코팅레이어(두께 10~25nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 0.3~1.5g/cm3인 소프트 코팅레이어)를 포함하는 2차 입자;를 포함하였다.The above negative active material includes a first hollow core (
상기 나노실리콘 입자는, 평균입경(d50)이 200nm(반경 100nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 300nm(반경 150nm)인 제2 나노실리콘 입자를 포함하였다.The above nanosilicon particles included first nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 200 nm (radius 100 nm) and second nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 300 nm (radius 150 nm).
상기 1차 입자는, 제1 중공부의 반경이 1㎛(1000nm, 평균직경 2㎛)인 1차 입자(1) 및 제1 중공부 반경이 1.5㎛(1500nm)인 1차 입자(2)를 포함하였다. 또한, 상기 1차 입자(1)는 반경(a1)이 1020nm, 상기 1차 입자(2)는 반경(a2)이 1520nm 이고, 상기 2차 입자는 제2 중공부의 반경(b)은 9㎛(평균직경 18㎛) 이었다.The above primary particles included a primary particle (1) having a first hollow portion with a radius of 1 µm (1000 nm, average diameter 2 µm) and a primary particle (2) having a first hollow portion with a radius of 1.5 µm (1500 nm). In addition, the primary particle (1) had a radius (a 1 ) of 1020 nm, the primary particle (2) had a radius (a 2 ) of 1520 nm, and the secondary particle had a second hollow portion with a radius (b) of 9 µm (average diameter 18 µm).
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량%, 제2 중공코어 1~40 중량% 및 제1 코팅레이어(소프트 코팅레이어) 1~20 중량%를 포함하였다.The above negative active material contained 25 to 80 wt% of nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, 1 to 40 wt% of the second hollow core, and 1 to 20 wt% of the first coating layer (soft coating layer).
실시예 5Example 5
상기 실시예 1의 제1 중간체에 소프트코팅재(평균입경(d50) 0.01~0.5㎛인 피치 포함)를 혼합하고, 불활성 가스 분위기에서 850~975℃에서 소성하여 상기 제1 중간체(또는 제2 중공코어) 외주면에 소프트 코팅레이어를 형성하였다. A soft coating material (including a pitch with an average particle diameter (d50) of 0.01 to 0.5 μm) was mixed into the first intermediate of the above Example 1, and calcined at 850 to 975°C in an inert gas atmosphere to form a soft coating layer on the outer surface of the first intermediate (or the second hollow core).
그 다음에, 상기 소프트 코팅레이어가 형성된 제1 중간체를 챔버에 투입하고 10-2~10-6 torr의 진공 조건에서 탄화수소 가스(CH4)를 0.2L/cc의 유량으로 20분 동안 공급하면서 900℃에서 열처리하여, 상기 탄화수소 가스의 열분해에 의해 상기 소프트 코팅레이어의 외주면에 미디엄 코팅레이어를 형성하여 음극활물질을 제조하였다.Next, the first intermediate having the soft coating layer formed thereon was introduced into a chamber and heat-treated at 900°C while supplying hydrocarbon gas (CH 4 ) at a flow rate of 0.2 L/cc for 20 minutes under vacuum conditions of 10 -2 to 10 -6 torr, thereby forming a medium coating layer on the outer surface of the soft coating layer by thermal decomposition of the hydrocarbon gas, thereby manufacturing a negative electrode active material.
상기 음극활물질은 제1 중공부가 형성되는 제1 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 1.3g/cm3) 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자; 및 제2 중공부가 형성되는 제2 중공코어(두께 20nm, ISO 15184 기준 연필경도 4H~6H 및 밀도 1.8~2.1g/cm3) 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하고, 상기 제2 중공코어의 외주면에 형성된 제1 코팅레이어(두께 10~25nm, ISO 15184 기준 연필경도 B~1H 및 밀도 0.3~1.5g/cm3인 소프트 코팅레이어, 및 두께 5~20nm, ISO 15184 기준 연필경도 2H~3H 및 밀도 1.5~1.7g/cm3인 미디엄 코팅레이어가 순차적으로 형성됨)를 포함하는 2차 입자;를 포함하였다.The above negative active material comprises a first hollow core (
상기 나노실리콘 입자는, 평균입경(d50)이 200nm(반경 100nm)인 제1 나노실리콘 입자 및 평균입경(d50)이 300nm(반경 150nm)인 제2 나노실리콘 입자를 포함하였다.The above nanosilicon particles included first nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 200 nm (radius 100 nm) and second nanosilicon particles having an average particle diameter (d50) of 300 nm (radius 150 nm).
상기 1차 입자는, 제1 중공부의 반경이 1㎛(1000nm, 평균직경 2㎛)인 1차 입자(1) 및 제1 중공부 반경이 1.5㎛(1500nm)인 1차 입자(2)를 포함하였다. 또한, 상기 1차 입자(1)는 반경(a1)이 1020nm, 상기 1차 입자(2)는 반경(a2)이 1520nm 이고, 상기 2차 입자는 제2 중공부의 반경(b)은 3㎛(평균직경 6㎛) 이었다.The above primary particles included a primary particle (1) having a first hollow portion with a radius of 1 µm (1000 nm, average diameter 2 µm) and a primary particle (2) having a first hollow portion with a radius of 1.5 µm (1500 nm). In addition, the primary particle (1) had a radius (a 1 ) of 1020 nm, the primary particle (2) had a radius (a 2 ) of 1520 nm, and the secondary particle had a second hollow portion with a radius (b) of 3 µm (average diameter 6 µm).
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자 25~80 중량%, 제1 중공코어 1~40 중량%, 제2 중공코어 1~40 중량% 및 제1 코팅레이어(소프트 코팅레이어 1~10 중량% 및 미디엄 코팅레이어 1~10 중량%)를 포함하였다.The above negative electrode active material contained 25 to 80 wt% of nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of a first hollow core, 1 to 40 wt% of a second hollow core, and a first coating layer (1 to 10 wt% of a soft coating layer and 1 to 10 wt% of a medium coating layer).
(1) 1차 입자에 충전되는 제1 및 제2 나노실리콘의 입자 개수 도출(1) Derivation of the number of particles of first and second nanosilicon charged to the primary particle
한편, 상기 실시예 1~5에서 상기 1차 입자의 제1 중공부에 충전되는 상기 제1 나노실리콘 입자 및 제2 나노실리콘 입자의 수(n1, n2)는, 하기 식 1의 조건을 만족하였다:Meanwhile, in the above examples 1 to 5, the number (n 1 , n 2 ) of the first nano-silicon particles and the second nano-silicon particles filled in the first hollow space of the first particle satisfied the condition of the following equation 1:
[식 1][Formula 1]
(상기 식 1에서, 상기 r1'는 제1 팽창 나노실리콘 입자의 반경이며, 상기 r2'는 제2 팽창 나노실리콘 입자의 반경이고, 상기 R은 상기 제1 중공부의 반경이며, 상기 r1'및 r2'는, 각각 1.5874*r1 및 1.5874*r2 임).(In the above formula 1, the r 1 ' is the radius of the first expanded nano-silicon particle, the r 2 ' is the radius of the second expanded nano-silicon particle, the R is the radius of the first hollow part, and the r 1 ' and r 2 ' are 1.5874*r 1 and 1.5874*r 2 , respectively).
제조예 1~3Manufacturing examples 1-3
상기 식 1에 따라서, 상기 1차 입자의 제1 중공부 반경(R)을 각각 1㎛, 1.5㎛ 및 2㎛로 적용시 상기 1차 입자에 충전되는 반경(r1) 100nm(팽창시 반경(r1') 158nm)인 제1 나노실리콘 입자의 수(n1)와, 반경(r2) 150nm(팽창시 반경(r2') 238nm)인 제2 나노실리콘 입자의 수(n2)를 하기 표 1에 나타내었다.According to the above Equation 1, when the first hollow radius (R) of the primary particle is applied as 1 ㎛, 1.5 ㎛, and 2 ㎛, respectively, the number (n 1 ) of the first nanosilicon particles having a radius (r 1 ) of 100 nm (radius (r 1 ') upon expansion is 158 nm) filled in the primary particle, and the number (n 2 ) of the second nanosilicon particles having a radius (r 2 ) of 150 nm (radius (r 2 ') upon expansion is 238 nm) are shown in Table 1 below.
상기 표 1의 결과를 참조하면, 상기 제1 중공부의 반경(R)이 1~2㎛(직경 2~4㎛)인 1차 입자는, 반경 100nm인 제1 나노실리콘 입자 126~1014개 및 반경 150nm인 제2 나노실리콘 입자 37~296개(총 합 163~1310개)를 충전하는 경우, 상기 나노실리콘 입자의 4배 팽창시에도 1차 입자(제1 중공코어)의 깨짐이나 파괴가 발생하지 않음을 알 수 있었다.Referring to the results in Table 1 above, it was found that when the first hollow core primary particle having a radius (R) of 1 to 2 μm (diameter of 2 to 4 μm) is filled with 126 to 1,014 first nano-silicon particles having a radius of 100 nm and 37 to 296 second nano-silicon particles having a radius of 150 nm (total of 163 to 1,310 particles), the primary particle (first hollow core) does not break or break even when the nano-silicon particles expand four times.
이를 통해 상기 실시예 1~5는 제1 중공부의 반경이 1㎛(1000nm)인 1차 입자(1)는 제1 나노실리콘 입자(반경 100nm) 126개 및 제2 나노실리콘 입자(반경 150nm) 37개가 충전(총 합 163개)되고, 그리고 제1 중공부 반경이 1.5㎛(1500nm)인 1차 입자(2)는 제1 나노실리콘 입자(반경 100nm) 427개 및 제2 나노실리콘 입자(반경 150nm) 125개가 충전(총 합 552개)되는 경우, 상기 나노실리콘 입자의 4배 팽창시에도 1차 입자(제1 중공코어)의 깨짐이나 파괴가 발생하지 않음을 알 수 있었다.Through this, it was found that in the above Examples 1 to 5, when the primary particle (1) having a first hollow portion with a radius of 1 ㎛ (1000 nm) is filled with 126 first nano-silicon particles (radius 100 nm) and 37 second nano-silicon particles (radius 150 nm) (total of 163 particles), and the primary particle (2) having a first hollow portion with a radius of 1.5 ㎛ (1500 nm) is filled with 427 first nano-silicon particles (radius 100 nm) and 125 second nano-silicon particles (radius 150 nm) (total of 552 particles), no breakage or destruction of the primary particle (first hollow core) occurs even when the nano-silicon particles expand four times.
(2) 제2 중공부에 충전되는 1차 입자 (1) 및 (2)의 개수 도출(2) Derivation of the number of primary particles (1) and (2) charged into the second cavity
상기 실시예 1~5에서 상기 2차 입자의 제2 중공부에 충전되는 1차 입자 (1) 및 (2)의 수는, 하기 식 2의 조건을 만족하였다: In the above examples 1 to 5, the number of primary particles (1) and (2) filled in the second hollow space of the secondary particles satisfied the condition of the following equation 2:
[식 2][Formula 2]
(상기 식 2에서, 상기 a1 및 n3는 1차 입자(1)의 반경 및 개수이며, 상기 a2 및 n4는 1차 입자(2)의 반경 및 개수이고, 상기 b는 제2 중공부의 반경임).(In the above formula 2, a 1 and n 3 are the radius and number of primary particles (1), a 2 and n 4 are the radius and number of primary particles (2), and b is the radius of the second hollow part).
상기 식 2에 따라서, 상기 실시예 1~5의 2차 입자에 포함되는 반경 반경(a1) 1020nm인 1차 입자(1) 수와, 반경(a2) 1520nm인 1차 입자(2) 수를 하기 표 2에 나타내었다. 상기 표 2에서, 상기 PNR은 패킹밀도(packing number raito)로서, 하기 계산식으로 도출하였다:According to the above formula 2, the number of primary particles ( 1 ) having a radius (a 1 ) of 1020 nm and the number of primary particles (2) having a radius (a 2 ) of 1520 nm included in the secondary particles of Examples 1 to 5 are shown in Table 2 below. In Table 2 above, the PNR is a packing density (packing number raito) and was derived by the following calculation formula:
[계산식][Calculation formula]
PNR = n1*(a1/b)3 + n2*(a2/b)3 PNR = n 1 *(a 1 /b) 3 + n 2 *(a 2 /b) 3
(상기 계산식에서, 상기 b는 상기 제2 중공부의 반경이다).(In the above calculation formula, b is the radius of the second hollow part).
상기 표 2의 결과를 참조하면, 제2 중공부의 반경이 3~9㎛인 실시예 1~5의 2차 입자는, 반경(a1) 1020nm인 1차 입자(1) 7~221개와, 반경(a2) 1520nm인 1차 입자(2) 2~61개(총 합이 9개 내지 281개의 1차 입자)를 충전하는 경우, 나노실리콘 입자의 4배 팽창시에도 2차 입자(제2 중공코어)의 깨짐이나 파괴가 발생하지 않음을 알 수 있었다.Referring to the results in Table 2 above, it was found that when the secondary particles of Examples 1 to 5 having a radius of the second hollow core of 3 to 9 ㎛ were filled with 7 to 221 primary particles (1) having a radius (a 1 ) of 1020 nm and 2 to 61 primary particles ( 2 ) having a radius (a 2 ) of 1520 nm (a total of 9 to 281 primary particles), the secondary particles (second hollow cores) did not break or break even when the nanosilicon particles expanded four times.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1의 건조 분말 만을 불활성 가스 분위기에서 900~1050℃에서 소성하여 소성분말을 제조하였다. 그 다음에 상기 소성분말과 소프트코팅재(평균입경(d50) 3~5㎛인 피치 포함)를 혼합하고 850~975℃에서 소성하여 제1 코팅레이어(소프트 코팅레이어)를 형성하여 중간성형체(음극활물질)를 제조하고, 상기 중간성형체를 해쇄 및 분급하였다.Only the dry powder of the above Example 1 was calcined at 900 to 1050°C in an inert gas atmosphere to produce calcined powder. Then, the calcined powder and a soft coating material (including a pitch having an average particle diameter (d50) of 3 to 5 μm) were mixed and calcined at 850 to 975°C to form a first coating layer (soft coating layer), thereby producing an intermediate molded body (negative electrode active material), and the intermediate molded body was pulverized and classified.
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자를 포함하는 코어부 및 상기 코어부의 외주면에 형성되는 제1 코팅레이어(두께 10~20nm, ISO 15184 기준 연필경도 B 및 밀도 1.5g/cm3인 소프트 코팅레이어)를 포함하였다.The above negative active material includes a core portion including nano-silicon particles and a first coating layer (a soft coating layer having a thickness of 10 to 20 nm, a pencil hardness of B according to ISO 15184, and a density of 1.5 g/cm 3 ) formed on an outer surface of the core portion.
상기 음극활물질은 나노실리콘 입자 25~80 중량% 및 제1 코팅레이어 20~75 중량%를 포함하였다.The above negative active material contained 25 to 80 wt% of nanosilicon particles and 20 to 75 wt% of the first coating layer.
실험예Experimental example
(1) 나노실리콘 입자의 (111)면 결정립값, 산화율 및 비표면적 측정: 상기 실시예 및 비교예 음극활물질 중 나노실리콘 입자 (111)면의 결정립값, 산화율 및 비표면적을 측정하였다. 구체적으로 결정립값은 상기 실시예 및 비교예 나노실리콘 입자에 대하여 CuKα선을 이용한 X-선 회절 분석시 (111)면의 회절 피크의 반가폭(FWMH)을 이용한 결정립 계산값(K=9, sherrer equation)으로 계산하였다. 상기 나노실리콘 입자의 산화율은 측정장비(LECO社, 0NH 836 series)를 이용하여 산소비율을 측정하였으며, 비표면적은 BET 측정장비(Micromeritics社, Tristar II 3920)를 이용하여 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.(1) Measurement of the (111) plane crystal grain value, oxidation rate, and specific surface area of nanosilicon particles: The crystal grain value, oxidation rate, and specific surface area of the (111) plane of the nanosilicon particles among the negative electrode materials of the examples and comparative examples were measured. Specifically, the crystal grain value was calculated using the crystal grain calculation value (K=9, Sherrer equation) using the full width at half maximum (FWMH) of the (111) plane diffraction peak during X-ray diffraction analysis using CuKα rays for the nanosilicon particles of the examples and comparative examples. The oxidation rate of the nanosilicon particles was measured using a measuring device (LECO, 0NH 836 series) to measure the oxygen ratio, and the specific surface area was measured using a BET measuring device (Micromeritics, Tristar II 3920). The results are shown in Table 3 below.
상기 표 3의 결과를 참조하면, 실시예 1~5는 비교예 1 보다 나노 실리콘 입자의 결정성이 높으며, 산화도가 낮아 고출력 및 장수명 특성이 우수한 것을 알 수 있었다.Referring to the results in Table 3 above, it was found that Examples 1 to 5 had higher crystallinity of nano silicon particles and lower oxidation levels than Comparative Example 1, resulting in superior high output and long life characteristics.
또한 나노 실리콘 입자에 있어서 리튬 이온의 결합 및 탈리시에 가역적으로 물리적인 팽창 및 수축 현상이 발생하기 위해서는 실리콘 입자의 크기가 작을수록 좋으나(실리콘 입자의 크기가 작으면, XRD의 2θ 데이터에서 Si 111방향의 주요 피크 반폭치가 커지고, Shererr의 결정 계산식에서, K=9인 경우에 계산된 결정립 크기가 작아진다.), 실리콘의 크기를 작게 하면 할수록 실리콘 원료의 분쇄 시간이 증가되어 실리콘의 산화도가 증가되는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 나노 실리콘 입자의 크기를 적정하게 결정하고 제조를 진행하여, 나노 실리콘의 산화도 범위를 제어하는 것이 중요하다. In addition, in order for reversible physical expansion and contraction to occur in nano silicon particles upon binding and debinding of lithium ions, the smaller the size of the silicon particles, the better (if the size of the silicon particles is smaller, the full width at half maximum in the Si 111 direction in the 2θ data of XRD becomes larger, and the calculated crystal grain size when K = 9 in Shererr's crystal calculation formula becomes smaller). However, as the size of the silicon decreases, the grinding time of the silicon raw material increases, which may lead to a problem in that the oxidation degree of the silicon increases. Therefore, it is important to appropriately determine the size of the nano silicon particles and proceed with manufacturing to control the oxidation degree range of the nano silicon.
즉, 본 발명에서는 나노 실리콘 입자의 평균입경(d50)이 실리콘 음극의 산화도 범위를 만족하도록 범위를 결정한다. 또한 이 경우에 나노 실리콘 입자의 수축/팽창이 가역적이 된다. 따라서 실시예의 음극 활물질을 적용한 리튬 아온 이차 전지의 평가에서 안정적인 전기화학적 특징을 확보할 수 있다.That is, in the present invention, the average particle diameter (d50) of the nano silicon particles is determined to satisfy the oxidation range of the silicon anode. In addition, in this case, the shrinkage/expansion of the nano silicon particles becomes reversible. Therefore, in the evaluation of a lithium ion secondary battery using the anode active material of the embodiment, stable electrochemical characteristics can be secured.
상기 나노 실리콘 입자는 (111)면에서의 CuKα선을 사용한 X선 회절각도(2θ)의 FWMH가 0.40° 내지 0.80° 범위, 보다 바람직하게는 0.52° 내지 0.68° 또는 0.59° 내지 0.71° 범위일 수 있다.The above nano silicon particles may have an FWMH of an X-ray diffraction angle (2θ) using CuKα rays on the (111) plane in the range of 0.40° to 0.80°, more preferably in the range of 0.52° to 0.68° or 0.59° to 0.71°.
본 발명 고온 소성 후 나노 실리콘 입자의 상기 FWMH이 상기 설정된 범위를 만족하는 경우, 나노 실리콘 입자의 새로운 노출면이 충분하게 억제되어 충방전시 실리콘 입자의 깨짐 현상이 현저하게 줄어들게 된다. 그러나 실시예는 높은 충전/방전 효율의 진행이 가능하게 되어, 실리콘 음극의 수명 특성이 매우 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 상기와 같은 나노 실리콘 입자를 사용한 실리콘/탄소 복합체의 용량이 1,300 내지 1,400mAh/g의 범위를 초과하는 고용량의 실리콘 음극 즉, 리튬 이온 이차 전지용 음극 활물질을 제조할 수 있음을 알 수 있었다.In the present invention, when the FWMH of the nano silicon particles after high-temperature sintering satisfies the above-set range, the new exposed surface of the nano silicon particles is sufficiently suppressed, so that the phenomenon of silicon particle breakage during charge and discharge is significantly reduced. However, it was found that the embodiment enabled high charge/discharge efficiency to proceed, and thus the life characteristics of the silicon anode were greatly improved. In addition, it was found that the capacity of the silicon/carbon composite using the nano silicon particles as described above can produce a high-capacity silicon anode exceeding the range of 1,300 to 1,400 mAh/g, that is, an anode active material for a lithium ion secondary battery.
(2) 음극활물질 XRD 피크 분석: 상기 실시예 및 비교예 중 대표적으로 실시예 1 음극활물질의 중공코어 및 소프트 코팅레이어에 대하여 XRD 피크를 분석하여 그 결과를 하기 도 3에 나타내었다.(2) Analysis of XRD peaks of negative electrode active material: Among the above examples and comparative examples, XRD peaks were analyzed for the hollow core and soft coating layer of the negative electrode active material of Example 1, and the results are shown in Figure 3 below.
상기 도 3은 실시예 1 음극활물질의 제1 중공코어 및 제2 중공코어의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, XRD 그래프의 1차 peak intensity에서 실시예 1의 제1 중공코어는 1차 피크가 C(002) 결정면에서 2θ = 23˚에서 형성되는 반면, 실시예 1의 제2 중공코어는 1차 피크가 그래파이트(graphite)에 가까운 값인 2θ = 25˚ 부근에서 형성되며, 이를 통해 상기 제2 중공코어는 제1 중공코어보다 결정성이 높음을 알 수 있었다.The above FIG. 3 shows the XRD analysis results of the first hollow core and the second hollow core of the negative electrode active material of Example 1. Referring to the above FIG. 3, in the first peak intensity of the XRD graph, the first peak of the first hollow core of Example 1 is formed at 2θ = 23˚ on the C (002) crystal plane, whereas the first peak of the second hollow core of Example 1 is formed at around 2θ = 25˚, which is a value close to graphite. Through this, it was found that the second hollow core has higher crystallinity than the first hollow core.
또한 상기 도 3에서 2차 peak intensity에서 2차 피크는 C(100) 결정면에서 2θ = 43˚ 부근에서 나타나며, 상기 제2 중공코어는 제1 중공코어에 비해 결정성이 높음을 알 수 있었다. 이를 통해 결정성이 높은 제2 중공코어는 제1 중공코어에 비해 경도가 높고 막질이 단단하게 형성되며, 카본의 전기전도성이 더 높은 것을 알 수 있었다.In addition, in the second peak intensity in the above Fig. 3, the second peak appears at around 2θ = 43˚ on the C(100) crystal plane, and it was found that the second hollow core has higher crystallinity than the first hollow core. Through this, it was found that the second hollow core with higher crystallinity has higher hardness, a more solid film, and higher electrical conductivity of carbon than the first hollow core.
(3) 전기 화학 평가(1)(3) Electrochemical evaluation (1)
(3-1) 리튬이온전지(반쪽 코인형 전지) 제조: 상기 실시예 및 비교예 음극활물질을 이용하여 반쪽 CR2032 코인 셀을 제조하였다. 구체적으로, 상기 실시예 및 비교예 음극활물질 96.99 중량%, 도전재(Oscial, Tuball, Graphene carbon nanotube) 0.11 중량%, CMC(carboxy methyl cellulose) 1.65 중량% 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 1.25 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 그 다음에, 상기 제조된 혼합물 10.1 중량% 및 용량 364mAh/g인 상용 천연흑연 89.9 중량%를 혼합하여, 약 450mAh/g의 용량을 갖는 음극 슬러리를 제조하였다. 이어서, 음극용 집전체 상에 상기 제조된 슬러리를 코팅/건조한 후, 이어서 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 음극은 로딩량 6.5±0.5mg/cm2이고, 전극 밀도 1.60~1.65g/cc이었다.(3-1) Manufacturing of lithium ion battery (half coin-type battery): Half CR2032 coin cells were manufactured using the negative electrode active materials of the examples and comparative examples. Specifically, 96.99 wt% of the negative electrode active materials of the examples and comparative examples, 0.11 wt% of a conductive material (Oscial, Tuball, Graphene carbon nanotube), 1.65 wt% of CMC (carboxy methyl cellulose), and 1.25 wt% of styrene butadiene rubber (SBR) were mixed to prepare a mixture. Then, 10.1 wt% of the manufactured mixture and 89.9 wt% of commercial natural graphite having a capacity of 364 mAh/g were mixed to prepare a negative electrode slurry having a capacity of about 450 mAh/g. Then, the manufactured slurry was coated/dried on a negative electrode current collector, and then rolled to manufacture a negative electrode. The above cathode had a loading of 6.5±0.5 mg/cm 2 and an electrode density of 1.60 to 1.65 g/cc.
상기 제조된 음극의 대극으로 리튬 금속 양극(두께 300㎛, MTI), 전해액 및 분리막(폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 포함)을 사용하여 통상의 방법으로 CR2032 반쪽 코인셀을 제조하였다. 상기 전해액은 1M LiPF6를 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합 용매(EMC 및 EC = 5:5 부피비)에 용해시킨 다음, 비닐렌 카보네이트(VC) 및 플루오로에틸렌카보네이트(FEC)를 첨가하여(혼합용매 94.5 중량%, 비닐렌 카보네이트 0.5 중량% 및 플루오로 에틸렌 카보네이트 5 중량% 포함) 제조하였다.A CR2032 half coin cell was manufactured by a conventional method using a lithium metal anode (thickness 300 μm, MTI) as a counter electrode of the manufactured negative electrode, an electrolyte, and a separator (including polypropylene and polyethylene). The electrolyte was manufactured by dissolving 1 M LiPF 6 in a mixed solvent of ethyl methyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) (EMC and EC = 5:5 by volume ratio), and then adding vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC) (containing 94.5 wt% of the mixed solvent, 0.5 wt% of vinylene carbonate, and 5 wt% of fluoroethylene carbonate).
(3-2) 충방전 특성 평가: 상기 (3-1)에서 제조된 반쪽 코인셀을 상온(25℃)에서 20 시간 이상 에이징(aging)한 후, 전기화학 평가를 진행하였다. 극판의 음극활물질 기준 용량은 450mAh/g을 기준 용량으로 하였고, 측정온도 45℃이었다. 0.005V~1.5V의 작동 전압 구간에서 1회 사이클의 화성 공정을 진행하였고, 충전/방전시 전류는 1회 싸이클에서는 0.1C로 측정하였다. 이어서 0.2C 용량을 기준으로 2회 사이클을 진행한 후, 2회 사이클의 0.2C 용량을 기준으로 충전/방전시 0.5C의 전류를 인가하여 50회 싸이클 수명 평가를 측정하였다. 이때 충전 컷오프 전류(cut-off current)는 0.005C로 설정하였고, 방전 컷오프(cut-off) 전압은 1.0V로 설정하였다.(3-2) Charge/discharge characteristic evaluation: After aging the half coin cell manufactured in (3-1) at room temperature (25°C) for more than 20 hours, an electrochemical evaluation was performed. The reference capacity of the negative active material of the electrode plate was 450 mAh/g, and the measurement temperature was 45°C. One cycle of the formation process was performed in the operating voltage range of 0.005 V to 1.5 V, and the current during charge/discharge was measured at 0.1 C in the first cycle. Then, two cycles were performed based on the 0.2 C capacity, and a current of 0.5 C was applied during charge/discharge based on the 0.2 C capacity of the second cycle to measure the lifespan after 50 cycles. At this time, the charge cut-off current was set to 0.005 C, and the discharge cut-off voltage was set to 1.0 V.
상기 전기화학 평가를 통해, 상기 실시예 및 비교예의 음극의 용량(mAh/g), 음극판의 용량(mAh/g)과, 충전/방전 효율성(%) 및 용량유지율을 평가를 통해 수명(%)을 평가하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.Through the above electrochemical evaluation, the capacity (mAh/g) of the negative electrode of the above examples and comparative examples, the capacity (mAh/g) of the negative electrode plate, the charge/discharge efficiency (%), and the capacity retention rate were evaluated to evaluate the lifespan (%), and the results are shown in Table 4 below.
(3-3) 팽창 특성 평가: 상기 (3-1)에서 제조된 실시예 및 비교예 반쪽 코인 셀에 대하여, 충방전에 따른 음극활물질의 팽창율을 평가하였다. 팽창율 평가는 상기 반쪽 코인 셀의 음극의 초기 전극 두께를 기준으로 하였다. 상기 반쪽 코인 셀을 0.5C 전류로 충전/방전을 50cycle을 실시한 다음, 0.5C 전류로 충전하였다. 그 다음에, 상기 음극의 두께를 측정하고, 초기 음극 두께를 기준으로 한 두께 증가율을 측정하여 표 4에 그 결과를 나타내었다. (3-3) Evaluation of expansion characteristics: For the half coin cells of examples and comparative examples manufactured in (3-1) above, the expansion rate of the negative electrode active material according to charge and discharge was evaluated. The evaluation of the expansion rate was based on the initial electrode thickness of the negative electrode of the half coin cell. The half coin cell was charged/discharged at 0.5 C current for 50 cycles, and then charged at 0.5 C current. Then, the thickness of the negative electrode was measured, and the thickness increase rate based on the initial negative electrode thickness was measured, and the results are shown in Table 4.
상기 두께 측정은 사이클 완료 후에 코인 셀을 해체하고, DMC 용매를 이용하여 충분하게 염(salt)을 포함한 전극 표면 이물질을 세정한 후에 측정기기(마이크로미터)를 이용하여 측정하였다.The above thickness measurement was performed using a measuring device (micrometer) after disassembling the coin cell after completing the cycle and sufficiently cleaning the electrode surface foreign substances including salt using DMC solvent.
상기 표 4의 결과를 참조하면, 실시예 1~5는 비교예 1 보다 충/방전 효율성이 우수하고, 장수명 특성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 1~5의 음극활물질은, 비교예 1 보다 충방전시 부피 변화량이 낮았으며, 이를 통해 리튬이온 삽입/탈리 반응시 음극활물질의 깨짐과 파괴를 방지하고, 용량 저하를 최소화하여 장수명 특성이 우수함을 알 수 있었다.Referring to the results in Table 4 above, it was found that Examples 1 to 5 had better charge/discharge efficiency and longer life characteristics than Comparative Example 1. In addition, the negative active materials of Examples 1 to 5 had lower volume changes during charge/discharge than Comparative Example 1, and through this, it was found that the negative active materials were prevented from breaking and destruction during lithium ion insertion/desorption reactions, and capacity reduction was minimized, resulting in better long life characteristics.
(3-4) 임피던스 평가: 상기 (3-1)에서 제조된 실시예 및 비교예 반쪽 전지를 0.5C/0.01C 컷오프(cutoff 충전), 1.5V 방전 조건 및 SOC(충전상태, state of charge) 100% 조건으로 충전 및 방전을 실시하여, EIS(electrochemical impedance spectroscopy)법으로 임피던스(전하전송저항(Rct) 값)를 측정하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.(3-4) Impedance evaluation: The half cells of the examples and comparative examples manufactured in (3-1) above were charged and discharged under the conditions of 0.5 C/0.01 C cutoff (cutoff charge), 1.5 V discharge, and 100% SOC (state of charge), and the impedance (charge transfer resistance (Rct) value) was measured using the EIS (electrochemical impedance spectroscopy) method. The results are shown in Table 5 below.
상기 표 5를 참조하면, 상기 실시예 1~5는 비교예 1에 비해 음극활물질의 임피던스 값이 낮았으며, 특히, 전하전송저항(Rct) 값이 현저히 낮은 것을 알 수 있었다.Referring to Table 5 above, it was found that the negative electrode active material impedance values of Examples 1 to 5 were lower than those of Comparative Example 1, and in particular, the charge transfer resistance (Rct) values were significantly lower.
(4) 전기 화학 평가(2)(4) Electrochemical evaluation (2)
(4-1) 리튬이차전지(1.0Ah 파우치형 풀 셀) 제조: 상기 실시예 및 비교예 음극활물질을 이용하여 파우치형 풀 셀을 제조하였다. 구체적으로 상기 실시예 및 비교예의 음극 활물질 96.99 중량%, 도전재(Oscial, Tuball, Graphene carbon nanotube) 0.11 중량%, CMC(carboxy methyl cellulose) 1.65 중량% 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 1.25 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 그 다음에, 상기 제조된 혼합물 10.1 중량% 및 용량 364mAh/g인 상용 천연흑연 89.9 중량%를 혼합하여, 약 550mAh/g의 용량을 갖는 음극 슬러리를 제조하였다. 이어서, 음극용 집전체 상에 상기 제조된 슬러리를 코팅/건조한 후, 이어서 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 음극의 로딩량은 6.5±0.5mg/cm2이었고, 전극 밀도 1.55~1.60g/cc이었다.(4-1) Manufacturing of lithium secondary battery (1.0 Ah pouch-type full cell): A pouch-type full cell was manufactured using the negative electrode active materials of the examples and comparative examples. Specifically, 96.99 wt% of the negative electrode active materials of the examples and comparative examples, 0.11 wt% of a conductive material (Oscial, Tuball, Graphene carbon nanotube), 1.65 wt% of CMC (carboxy methyl cellulose), and 1.25 wt% of styrene-butadiene rubber (SBR) were mixed to manufacture a mixture. Then, 10.1 wt% of the manufactured mixture and 89.9 wt% of commercial natural graphite having a capacity of 364 mAh/g were mixed to manufacture a negative electrode slurry having a capacity of about 550 mAh/g. Then, the manufactured slurry was coated/dried on a negative electrode current collector, and then rolled to manufacture a negative electrode. The loading amount of the above cathode was 6.5±0.5 mg/cm 2 and the electrode density was 1.55 to 1.60 g/cc.
그 다음에, 상기 제조된 음극의 대극으로 양극(NCM811)을 사용하고, 전해액 및 분리막(폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 포함)을 사용하여 통상의 방법으로 1.0Ah 용량의 pouch cell을 제조하였다.Next, a pouch cell with a capacity of 1.0 Ah was manufactured using a cathode (NCM811) as a counter electrode of the manufactured cathode, an electrolyte, and a separator (including polypropylene and polyethylene) in a conventional manner.
상기 전해액은 1M LiPF6를 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합 용매(EMC 및 EC = 5:5 부피비)에 용해시킨 다음, 비닐렌 카보네이트(VC) 및 플루오로에틸렌카보네이트(FEC)를 첨가하여(혼합용매 96.5 중량%, 비닐렌 카보네이트 0.5 중량% 및 플루오로 에틸렌 카보네이트 3 중량% 포함) 제조하였다.The above electrolyte was prepared by dissolving 1 M LiPF 6 in a mixed solvent of ethyl methyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) (EMC and EC = 5:5 by volume ratio), and then adding vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC) (containing 96.5 wt% of the mixed solvent, 0.5 wt% of vinylene carbonate, and 3 wt% of fluoroethylene carbonate).
(4-2) 충방전 특성 평가: 상기 (4-1)에서 제조된 풀 셀을 상온(25℃)에서 20시간 이상 에이징(aging)한 후, 상온에서 전기화학 평가를 진행하였다. 구체적으로 상기 실시예 및 비교예 풀 셀에 대하여 2.75V 내지 4.25V의 작동 전압 구간에서, 1회 사이클의 0.1C충전/0.1C방전의 화성 공정을 진행하였다. 충전시 전류는 1회 싸이클에서는 0.1C 및 컷오프 전류(cut-off current)를 0.005C로 측정하였다. 이어서 0.2C충전, 컷오프(cut-off) 0.01C/0.1C 방전의 표준 공정을 기준으로 2회 사이클을 진행한 후, 2회 사이클의 0.2C 방전 용량을 기준으로 충전시 0.5C/컷오프(cut-off) 0.02C의 충전 전류를 인가하고, 1.0C/4.2V cutoff의 조건으로 250회 싸이클 수명(용량유지율)을 측정하여 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.(4-2) Charge/discharge characteristic evaluation: After aging the full cell manufactured in (4-1) above at room temperature (25°C) for more than 20 hours, an electrochemical evaluation was performed at room temperature. Specifically, for the full cells of the examples and comparative examples, a formation process of 0.1C charge/0.1C discharge for one cycle was performed in the operating voltage range of 2.75 V to 4.25 V. The current during charging was measured as 0.1C and the cut-off current was 0.005C for one cycle. Then, two cycles were performed based on the standard process of 0.2C charge, cut-off 0.01C/0.1C discharge, and then a charge current of 0.5C/cut-off 0.02C was applied during charging based on the 0.2C discharge capacity of the two cycles, and the 250-cycle life (capacity retention rate) was measured under the condition of 1.0C/4.2V cutoff. The results are shown in Table 6 below.
상기 표 6의 결과를 참조하면, 상기 실시예 1~5의 풀 셀은 비교예 1 보다 충방전 효율성 및 장수명 특성이 우수한 것을 알 수 있었다.Referring to the results in Table 6 above, it was found that the full cells of Examples 1 to 5 had superior charge/discharge efficiency and longer life characteristics than Comparative Example 1.
(5) 단일극판 셀의 팽창 특성 평가: 상기 실시예 및 비교예에 대하여, 충방전에 따른 음극활물질의 팽창율을 평가하였다. 구체적으로 NCM622를 사용하여 양극 극판을 제작하고, 상기 실시예 1~5 및 비교예 1에서 제조된 음극활물질을 이용하여, 전류밀도 3.2mA/cm2 및 압연밀도 1.55g/cc로 조건으로 음극 극판을 제작한 다음, 이들을 이용하여 양극과 음극이 한 면식 맞대어 있는 단일극판 셀을 제조하였다.(5) Evaluation of expansion characteristics of single-electrode plate cell: For the above examples and comparative examples, the expansion rate of the negative electrode active material according to charge and discharge was evaluated. Specifically, a positive electrode plate was manufactured using NCM622, and a negative electrode plate was manufactured using the negative electrode active materials manufactured in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 under the conditions of a current density of 3.2 mA/cm 2 and a rolling density of 1.55 g/cc. Then, a single-electrode plate cell in which the positive and negative electrodes are in contact with each other on one side was manufactured using these.
그 다음에, 상기 단일극판 셀을 0.1C/0.1C 전류로 충전/방전을 1회 실시하고, 0.25C/0.25C 1회 진행으로 화성공정 및 표준공정을 실시하였다. 이어서 0.6C, 2.65V 컷오프(cutoff) 충전 및 0.6C, 4.2V 컷오프(cutoff) 방전하는 과정을 1사이클로 하여, 50 사이클까지 운전을 진행하였다.Next, the single-pole plate cell was charged/discharged once with a current of 0.1C/0.1C, and then subjected to the formation process and standard process by performing one 0.25C/0.25C process. Then, the process of charging at 0.6C, 2.65V cutoff and discharging at 0.6C, 4.2V cutoff was performed as one cycle, and operation was performed up to 50 cycles.
그 다음에, 상기 실시예 1~5 및 비교예 1의 단일극판 셀 중 음극의 초기 두께와, 1 사이클, 30 사이클 및 50 사이클 운전 후의 음극의 두께를 각각 측정한 다음, 초기 음극 두께를 기준으로 1 사이클, 30 사이클 및 50 사이클 운전시의 두께 증가율을 각각 측정하였다. 또한 상기 단일극판 셀에 대하여 1사이클 운전시의 충전/방전 효율성(%)을 측정하여 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.Next, the initial thickness of the negative electrode of the single-electrode plate cells of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 and the thickness of the negative electrode after 1 cycle, 30 cycles and 50 cycles of operation were measured, respectively, and then the thickness increase rate during 1 cycle, 30 cycles and 50 cycles of operation was measured based on the initial negative electrode thickness. In addition, the charge/discharge efficiency (%) during 1 cycle of operation of the single-electrode plate cells was measured, and the results are shown in Table 7 below.
상기 표 7의 결과를 참조하면, 상기 실시예 1~5는 비교예 1 보다 단일극판 셀의 충방전시의 두께(부피) 변화량이 낮은 것을 알 수 있었다.Referring to the results in Table 7 above, it was found that the thickness (volume) change during charge and discharge of the single-electrode cell in Examples 1 to 5 was lower than that in Comparative Example 1.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to embodiments. Those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in modified forms without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated by the claims, not the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the present invention.
10: 1차 입자 12: 나노실리콘 입자
14: 제1 중공코어 16: 제1 중공부
20: 2차 입자 22: 제2 중공코어
24: 제2 중공부 30: 제1 코팅레이어
32: 하드 코팅레이어 34: 미디엄 코팅레이어
100, 200: 음극활물질10: Primary particle 12: Nanosilicon particle
14: 1st hollow core 16: 1st hollow part
20: Secondary particle 22: Secondary hollow core
24: Second hollow section 30: First coating layer
32: Hard coating layer 34: Medium coating layer
100, 200: Negative active material
Claims (19)
제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자;를 포함하고,
상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높은 것인, 음극활물질.
A primary particle comprising a first hollow core having a first hollow portion formed therein and nanosilicon particles filled in the first hollow portion; and
A second hollow core having a second hollow portion formed therein and a secondary particle including one or more of the primary particles filled in the second hollow portion;
A negative electrode active material, wherein the second hollow core has a harder surface than the first hollow core.
상기 제2 중공부에 충전되는 1차 입자의 수는, 상기 1차 입자의 총 부피가 상기 제2 중공부의 부피 이하를 만족하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 음극활물질.
In the first paragraph, the number of nanosilicon particles filled in the first hollow portion is set so that the total volume of the expanded nanosilicon particles formed by inserting lithium ions into the nanosilicon particles is less than or equal to the volume of the first hollow portion, and
A negative electrode active material, characterized in that the number of primary particles filled in the second hollow portion is set so that the total volume of the primary particles is less than or equal to the volume of the second hollow portion.
상기 제1 중공부에 충전되는 상기 제1 및 제2 나노실리콘 입자 수(n1, n2)는 하기 식 1의 조건을 만족하는 음극활물질:
[식 1]
(상기 식 1에서, 상기 r1'는 제1 팽창 나노실리콘 입자의 반경이며, 상기 r2'는 제2 팽창 나노실리콘 입자의 반경이고, 상기 R은 상기 제1 중공부의 반경이며,
상기 r1'및 r2'는, 각각 1.5874*r1 및 1.5874*r2 임).
In the second paragraph, the primary particle comprises first and second nanosilicon particles having radii of r 1 and r 2 , respectively,
The number of the first and second nano-silicon particles (n 1 , n 2 ) filled in the first hollow space is a negative electrode active material satisfying the condition of the following equation 1:
[Formula 1]
(In the above formula 1, the r 1 ' is the radius of the first expanded nanosilicon particle, the r 2 ' is the radius of the second expanded nanosilicon particle, and the R is the radius of the first hollow part,
The above r 1 'and r 2 ' are 1.5874*r 1 and 1.5874*r 2 , respectively.
제2 중공부에 충전되는 1차 입자 (1) 및 (2)의 수는, 하기 식 2의 조건을 만족하는 음극활물질:
[식 2]
(상기 식 2에서, 상기 a1 및 n3는 1차 입자(1)의 반경 및 개수이며, 상기 a2 및 n4는 1차 입자(2)의 반경 및 개수이고, 상기 b는 제2 중공부의 반경임).
In the third paragraph, the secondary particles include primary particles (1) and (2) having radii of a 1 and a 2 , respectively,
The number of primary particles (1) and (2) charged in the second hollow space is a negative electrode active material satisfying the condition of the following equation 2:
[Formula 2]
(In the above formula 2, a 1 and n 3 are the radius and number of primary particles (1), a 2 and n 4 are the radius and number of primary particles (2), and b is the radius of the second hollow part).
상기 제2 중공코어는 상기 연필경도가 4H 이상인, 음극활물질.
In the first paragraph, the first hollow core has a pencil hardness of less than 4H as measured according to ISO 15184, and
The above second hollow core is a negative electrode active material having a pencil hardness of 4H or higher.
상기 나노실리콘 입자는 평균입경이 50~500nm이고, 상기 제1 중공부에 충전되는 나노실리콘 입자 수는 50~10000개인, 음극활물질.
In the first paragraph, the first hollow core has a thickness of 5 to 300 nm, and the first hollow portion has a diameter of 1 to 8 μm.
The above nano-silicon particles have an average particle diameter of 50 to 500 nm, and the number of nano-silicon particles filled in the first hollow space is 50 to 10,000, which is a negative electrode active material.
상기 제2 중공부에 충전되는 상기 1차 입자 수는 5~500개인, 음극활물질.
In the first paragraph, the second hollow core has a thickness of 5 to 500 nm, and the second hollow portion has a diameter of 3 to 25 μm.
A negative electrode active material, wherein the number of primary particles charged in the second hollow space is 5 to 500.
In the first paragraph, a negative electrode active material comprising 25 to 80 wt% of the nanosilicon particles, 1 to 40 wt% of the first hollow core, and 1 to 40 wt% of the second hollow core relative to the total weight of the negative electrode active material.
In the first paragraph, the negative electrode active material is a negative electrode active material comprising the second hollow core and the first hollow core in a weight ratio of 1:0.5 to 1:6.
상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 중 하나 이상을 포함하는, 음극활물질.
In the first paragraph, the negative active material further includes a first coating layer formed on the outer surface of the second hollow core,
A negative electrode active material, wherein the first coating layer comprises at least one of a soft coating layer and a medium coating layer.
In the first paragraph, the primary particle is a negative electrode active material having a packing density of the nanosilicon particles of 75% or less.
In claim 10, the first coating layer is a negative electrode active material comprising the soft coating layer and the medium coating layer in a weight ratio of 1:0.5 to 1:3.
상기 건조분말과 소프트코팅재를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 제1 혼합물 및 하드코팅재를 포함하는 제2 혼합물을 소성하여 제1 중간체를 제조하는 단계;를 포함하는 음극활물질 제조방법이며,
상기 제1 중간체는, 제1 중공부가 형성된 제1 중공코어 및 상기 제1 중공부에 충전된 나노실리콘 입자를 포함하는 1차 입자, 및 제2 중공부가 형성된 제2 중공코어 및 상기 제2 중공부에 충전된 하나 이상의 상기 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고,
상기 제2 중공코어는 제1 중공코어 보다 경도가 높은 것인, 음극활물질 제조방법.
A step of manufacturing a dry powder by drying a mixed slurry containing nanosilicon slurry and a soft coating material;
A step of preparing a first mixture comprising the above dry powder and a soft coating material; and
A method for producing a negative electrode active material, comprising: a step of producing a first intermediate by firing a second mixture including the first mixture and a hard coating material;
The first intermediate body comprises a primary particle including a first hollow core having a first hollow portion formed therein and nanosilicon particles filled in the first hollow portion, and a secondary particle including a second hollow core having a second hollow portion formed therein and one or more of the first particles filled in the second hollow portion.
A method for manufacturing a negative electrode active material, wherein the second hollow core has a harder surface than the first hollow core.
상기 분산물을 분쇄하는 단계;를 포함하여 제조되며,
상기 제1 용제는 물, 에탄올, 이소프로필알코올 및 수산화칼륨(KOH) 중 하나 이상 포함하는, 음극활물질 제조방법.
In the 13th paragraph, the nanosilicon slurry is prepared by adding and dispersing silicon raw material powder and a dispersant into a first solvent to prepare a dispersion; and
It is manufactured including the step of crushing the above dispersion;
A method for producing a negative electrode active material, wherein the first solvent comprises at least one of water, ethanol, isopropyl alcohol, and potassium hydroxide (KOH).
상기 제2 중공코어는 상기 연필경도가 4H 이상인, 음극활물질 제조방법.
In claim 13, the first hollow core has a pencil hardness of less than 4H as measured according to ISO 15184, and
A method for manufacturing a negative electrode active material, wherein the second hollow core has a pencil hardness of 4H or higher.
A method for manufacturing a negative electrode active material in claim 13, wherein the second mixture is calcined at 850 to 1050°C.
상기 제2 혼합물을 850~950℃에서 1차 소성하고, 그리고
상기 1차 소성된 제2 혼합물과 하드코팅재를 혼합하여 950℃ 초과 1050℃ 이하에서 2차 소성하는 단계;를 포함하여 실시되는 음극활물질 제조방법.
In the 13th paragraph, the step of manufacturing the first intermediate is,
The above second mixture is first calcined at 850 to 950°C, and then
A method for manufacturing a negative electrode active material, comprising: a step of mixing the first-fired second mixture and a hard coating material and firing the second mixture at a temperature exceeding 950°C and lower than 1050°C.
상기 제1 코팅레이어는 소프트 코팅레이어 및 미디엄 코팅레이어 중 하나 이상을 포함하되,
상기 소프트 코팅레이어는 상기 제1 중간체와 소프트코팅재를 혼합하고 소성하는 단계;를 포함하여 형성되고, 그리고
상기 미디엄 코팅레이어는 상기 제1 중간체를 탄화수소 가스 분위기에서 열처리하는 단계;를 포함하여 형성되는, 음극활물질 제조방법.
In the 13th paragraph, after the step of manufacturing the first intermediate, a step of forming a first coating layer on the outer surface of the first intermediate is further included;
The above first coating layer comprises at least one of a soft coating layer and a medium coating layer,
The above soft coating layer is formed by including a step of mixing and firing the first intermediate and the soft coating material; and
A method for manufacturing a negative electrode active material, wherein the above medium coating layer is formed, including a step of heat-treating the first intermediate in a hydrocarbon gas atmosphere.
음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 형성되는 전해질;을 포함하며,
상기 음극은 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 따른 음극활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
anode;
cathode; and
An electrolyte formed between the positive and negative electrodes;
A secondary battery, characterized in that the negative electrode comprises a negative electrode active material according to any one of claims 1 to 12.
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