KR101290659B1 - Preparation method of silicon oxide powder using thermal plasma, and the silicon oxide powder thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열플라즈마를 이용한 산화규소분말의 제조방법으로, 상세하게는 열플라즈마 제트를 이용하여 규소와 이산화규소 혼합 분말 또는 이산화규소 분말로 이루어진 펠렛을 용융 및 기화시키는 단계(단계 1); 열플라즈마 장치 내로 반응가스를 주입하여 기화된 가스 중 이산화규소를 산화규소(SiOx)(단, 0.5<x<1.5))로 환원시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 환원된 산화규소를 산화규소(SiOx) 분말로 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는 산화규소(SiOx) 분말의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 열플라즈마를 이용한 산화규소(SiOx)분말 제조방법은 열플라즈마 제트를 이용하여 단시간 안에 나노 크기의 산화규소 분말을 합성할 수 있으며, 고온의 플라즈마를 이용함으로써 기화가 용이하고, 공정효율이 좋으며, 공정조건의 제어가 쉬운 특징이 있다. 또한, 제조된 산화규소 분말을 리튬 이차전지의 음극활물질로 이용할 수 있다.The present invention is a method for producing a silicon oxide powder using a thermal plasma, in particular a step of melting and vaporizing a pellet consisting of silicon and silicon dioxide mixed powder or silicon dioxide powder using a thermal plasma jet (step 1); Injecting a reaction gas into the thermal plasma apparatus to reduce silicon dioxide in the vaporized gas to silicon oxide (SiO x ) (where 0.5 <x <1.5); And it provides a method for producing silicon oxide (SiO x ) powder comprising the step (step 3) of collecting the silicon oxide reduced in step 2 to silicon oxide (SiOx) powder. In the method for producing silicon oxide (SiO x ) powder using thermal plasma according to the present invention, a nano-sized silicon oxide powder can be synthesized in a short time using a thermal plasma jet, and easy to vaporize by using a high temperature plasma, and a process Good efficiency and easy control of process conditions. In addition, the prepared silicon oxide powder may be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery.

Description

열플라즈마를 이용한 산화규소분말의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 산화규소분말{Preparation method of silicon oxide powder using thermal plasma, and the silicon oxide powder thereby}Preparation method of silicon oxide powder using thermal plasma, and silicon oxide powder produced by the same {Preparation method of silicon oxide powder using thermal plasma, and the silicon oxide powder

본 발명은 열플라즈마를 이용하여 산화규소(SiOx)분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing silicon oxide (SiO x ) powder using thermal plasma.

최근 휴대용의 전자기기 및 통신기기의 현저한 발전으로 인하여 경제성, 기기의 소형화 및 경량화의 관점으로부터 고에너지 밀도를 갖는 2차전지가 요구되고 있다. 현재 리튬 2차 전지의 음극을 구성하는 전극활물질로는 탄소질 재료가 주로 사용되고 있으며, 양극활물질로는 코발트산 리튬이 이용되고 있다. 하지만 이와 같이 구성된 리튬이온 2차전지의 전지 용량은 이론 용량에 가까워지고 있으며, 앞으로 개량으로 고용량화하는데 한계가 있다.Recently, due to the remarkable development of portable electronic devices and communication devices, a secondary battery having a high energy density is required from the viewpoint of economical efficiency, miniaturization and light weight of the device. Currently, carbonaceous materials are mainly used as electrode active materials constituting the negative electrode of lithium secondary batteries, and lithium cobaltate is used as positive electrode active materials. However, the battery capacity of the lithium ion secondary battery configured as described is approaching the theoretical capacity, and there is a limit to increase the capacity in the future.

한편, 규소나 주석 등을 음극활물질로서 사용할 경우 전지의 고용량화가 가능하지만 충전 및 방전에 수반되는 팽창 및 수축 정도가 크기 때문에, 충전·방전에 수반하는 팽창수축에 의하여 활물질이 미분화하거나 음극 집전체로부터 분리되어 특성이 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 대체재료로서 산화규소가 주목받고 있다. On the other hand, when silicon or tin is used as the negative electrode active material, the battery can be increased in capacity, but since the expansion and contraction degree associated with charging and discharging is large, the active material is undifferentiated due to expansion and contraction associated with charging and discharging or from the negative electrode current collector. There is a problem in that the characteristics are separated. In order to solve these problems, silicon oxide is drawing attention as an alternative material.

산화규소는 통상적으로 진공응집법을 통하여 제조되고 있으며, 진공응집법이란 반응실 내에서 전기로를 이용하여 규소와 이산화규소를 혼합하여 가열하고, 증발된 기체를 응집실 내벽에 석출하여 산화규소를 제조하는 방법이다. 하지만, 진공응축법은 원료를 오랜 시간 동안 가열해야 하는 문제가 있고, 진공분위기에서 공정이 수행됨에 따라 연속공정이 어려운 문제로 인하여 제조효율이 낮다.Silicon oxide is generally manufactured by vacuum agglomeration, and vacuum agglomeration is a method of producing silicon oxide by mixing silicon and silicon dioxide by heating using an electric furnace in a reaction chamber, and depositing evaporated gas on the inner wall of the agglomeration chamber. to be. However, the vacuum condensation method has a problem that the raw material must be heated for a long time, and the manufacturing efficiency is low due to the problem that the continuous process is difficult as the process is performed in a vacuum atmosphere.

또한, 예를 들어 대한민국 공개특허 특2003-0055091에서는 일반식 SiOx (1≤x<1.6)인 산화규소의 입자들을 유기물 가스 또는 증기 분위기에서, 500 내지 1200 ℃의 온도로 열처리하여 도전성 산화규소 분말을 제조하는 방법과 이를 통하여 제조되는 도전성 산화규소 분말이 개시되어 있다.For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0055091 discloses conductive silicon oxide powder by heat-treating particles of silicon oxide having general formula SiO x (1 ≦ x <1.6) at a temperature of 500 to 1200 ° C. in an organic gas or vapor atmosphere. Disclosed is a method of preparing a conductive silicon oxide powder and a conductive silicon oxide powder produced therefrom.

대한민국 공개특허 특2003-0021123에서는 SiO 가스를 발생할 수 있는 원료 분말과 금속 리튬 또는 리튬 화합물을 혼합한 혼합물을 비활성 가스 분위기 또는 진공에서 8OO 내지 13OO ℃의 온도에서 가열하고 반응시켜 리튬을 포함하는 산화규소 분말을 제조하는 방법이 개시되어 있다.Korean Patent Laid-Open No. 2003-0021123 discloses a silicon oxide containing lithium by heating and reacting a mixture of a raw material powder capable of generating SiO gas and a metal lithium or lithium compound in an inert gas atmosphere or vacuum at a temperature of 8OO to 13OO ° C. A method of making a powder is disclosed.

대한민국 공개특허 10-2007-0104848에서는 이산화규소 분말과 금속 규소 분말을 혼합한 원료 분말을 불활성 가스 또는 감압하의 1100 내지 1450 ℃의 온도로 가열하여 일산화규소 가스를 발생시키고, 상기 일산화규소 가스를 석출시켜 산화규소 분말을 제조하는 방법이 개시되어 있다.In Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2007-0104848, a raw material powder mixed with silicon dioxide powder and a metal silicon powder is heated to an inert gas or a temperature of 1100 to 1450 ° C. under reduced pressure to generate silicon monoxide gas, and to precipitate the silicon monoxide gas. A method of making silicon oxide powder is disclosed.

미국특허 US 6,759,160 B2에서는 상압 비활성가스 분위기 또는 진공 분위기에서 1100 내지 1600 ℃의 온도로 적어도 이산화규소 분말을 포함하는 원료분말을 가열하여 가스화시키고, 산소가스를 연속적 또는 간헐적으로 주입하며, 가스 혼합물을 기판 표면으로 냉각시켜 석출하는 방법으로 산화규소 분말을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 하지만 상기 특허들에서는 단순 고온가열로 원료분말을 기화시킴으로써, 공정이 오랜시간 수행되어야 하는 문제가 있다.
In US Pat. No. 6,759,160 B2, a raw material powder containing at least silicon dioxide powder is gasified by heating at a temperature of 1100 to 1600 ° C. in an atmospheric pressure inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere, and oxygen gas is continuously or intermittently injected, and a gas mixture is substrated. A method of producing silicon oxide powder is disclosed by a method of cooling to a surface to precipitate. However, in the above patents, the raw material powder is vaporized by simple high temperature heating, so that the process has to be performed for a long time.

열플라즈마는 전자, 양성자, 중성자 등의 활성종으로 이루어진 수천K~수만K의 온도로 인하여 원료물질을 기화, 반응시킨 후 급냉을 통해 미립자를 얻는 공정에 이용되고 있으며, 분위기가스의 조성에 따라 반응의 방향이 결정된다. 또한 플라즈마의 발생가스, 반응가스 및 퍼지가스의 주입을 통해 산화, 환원, 질화 분위기 등 다양한 반응조건을 형성할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 장점에 의하여 열플라즈마는 소재 생산 및 공정 분야와 폐기물 처리 환경 분야 등에 다양하게 이용된다.
Thermal plasma is used in the process of vaporizing and reacting raw materials and obtaining fine particles through quenching due to the temperature of thousands of K to tens of thousands K consisting of active species such as electrons, protons and neutrons. The direction of is determined. In addition, there are advantages in that various reaction conditions such as oxidation, reduction, and nitriding atmosphere may be formed through injection of a plasma generating gas, a reaction gas, and a purge gas. Due to these advantages, the thermal plasma is widely used in the field of material production and processing, and the waste treatment environment.

이에 본 발명자들은 산화규소 분말을 빠르고 간단하게 제조할 수 있는 방법을 연구하던 중, 열플라즈마 제트를 이용하여 이산화규소를 용융 및 기화시키고 이를 산화규소로 환원시킴으로써 산화규소를 빠르게 제조할 수 있는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the present inventors are studying a method for producing silicon oxide powder quickly and simply, and a method for rapidly producing silicon oxide by melting and vaporizing silicon dioxide using a thermal plasma jet and reducing it to silicon oxide is disclosed. Developed and completed the present invention.

본 발명의 목적은 열플라즈마를 이용한 산화규소(SiOx)분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing silicon oxide (SiOx) powder using a thermal plasma.

본 발명의 다른 목적은 열플라즈마를 이용하여 제조되는 산화규소(SiOx)분말을 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a silicon oxide (SiO x ) powder prepared by using a thermal plasma.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열플라즈마 제트를 이용하여 규소와 이산화규소 혼합 분말 또는 이산화규소 분말로 이루어진 펠렛을 용융 및 기화시키는 단계(단계 1); 열플라즈마 장치 내로 반응가스를 주입하여 기화된 가스 중 이산화규소를 산화규소(SiOx)(단, 0.5<x<1.5))로 환원시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 환원된 산화규소를 산화규소(SiOx) 분말로 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는 산화규소(SiOx) 분말의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of melting and vaporizing a pellet consisting of silicon and silicon dioxide mixed powder or silicon dioxide powder using a thermal plasma jet (step 1); Injecting a reaction gas into the thermal plasma apparatus to reduce silicon dioxide in the vaporized gas to silicon oxide (SiO x ) (where 0.5 <x <1.5); And it provides a method for producing silicon oxide (SiO x ) powder comprising the step (step 3) of collecting the silicon oxide reduced in step 2 to silicon oxide (SiO x ) powder.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되되, 입자형태와 와이어형태가 혼합되어 존재되는 것을 특징으로 하는 산화규소 분말을 제공한다.
In addition, the present invention provides a silicon oxide powder, which is prepared by the above method, characterized in that the particle form and the wire form is present in a mixture.

본 발명에 따른 열플라즈마를 이용한 산화규소(SiOx)분말의 제조방법은 열플라즈마 제트를 이용하여 단시간 안에 나노 크기의 산화규소 분말을 합성할 수 있으며, 고온의 플라즈마를 이용함으로써 기화가 용이하고, 공정효율이 좋으며, 공정조건의 제어가 쉬운 특징이 있으며, 상압조건에서 공정이 수행됨에 따라 연속공정이 가능한 효과가 있다. 또한, 제조된 산화규소 분말을 리튬 이차전지의 음극활물질로 이용할 수 있다.
The method for producing silicon oxide (SiO x ) powder using thermal plasma according to the present invention can synthesize nano-sized silicon oxide powder in a short time using a thermal plasma jet, and easy to vaporize by using a high temperature plasma, Process efficiency is good, there is a feature that easy to control the process conditions, there is an effect that the continuous process is possible as the process is performed under atmospheric pressure conditions. In addition, the prepared silicon oxide powder may be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery.

도 1은 열플라즈마 제트 발생장치를 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 산화규소 분말을 X-선 회절 분석한 그래프이고;
도 3은 본 발명에 따른 산화규소 분말의 투과전자현미경 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 산화규소 분말의 주사전자현미경 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 산화규소 분말의 제한시야 회절 분석 사진이고;
도 6은 본 발명에 따른 산화규소 분말을 에너지 분산 분광 분석한 그래프이고;
도 7은 본 발명에 따른 산화규소 분말을 X-선 광전자 분광 분석한 그래프이고;
도 8은 이산화규소가 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 산화규소가 생성되는 반응을 열역학적 평형조성 프로그램을 통해 분석한 그래프이다.
1 is a schematic view showing a thermal plasma jet generator;
2 is a graph obtained by X-ray diffraction analysis of silicon oxide powder according to the present invention;
3 is a transmission electron micrograph of the silicon oxide powder according to the present invention;
4 is a scanning electron micrograph of a silicon oxide powder according to the present invention;
5 is a limited field diffraction analysis photograph of the silicon oxide powder according to the present invention;
6 is a graph showing energy dispersion spectroscopic analysis of silicon oxide powder according to the present invention;
7 is a graph obtained by X-ray photoelectron spectroscopic analysis of silicon oxide powder according to the present invention;
FIG. 8 is a graph analyzing a reaction in which silicon oxide is produced by reacting silicon dioxide with hydrogen or carbon monoxide through a thermodynamic equilibrium composition program.

본 발명은 열플라즈마 제트를 이용하여 규소와 이산화규소 혼합 분말 또는 이산화규소 분말로 이루어진 펠렛을 용융 및 기화시키는 단계(단계 1); The present invention comprises the steps of melting and vaporizing a pellet consisting of silicon and silicon dioxide mixed powder or silicon dioxide powder using a thermal plasma jet (step 1);

열플라즈마 장치 내로 반응가스를 주입하여 기화된 가스 중 이산화규소를 산화규소(SiOx)(단, 0.5<x<1.5))로 환원시키는 단계(단계 2); 및 Injecting a reaction gas into the thermal plasma apparatus to reduce silicon dioxide in the vaporized gas to silicon oxide (SiO x ) (where 0.5 <x <1.5); And

상기 단계 2에서 환원된 산화규소를 산화규소(SiOx) 분말로 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는 산화규소(SiOx) 분말의 제조방법을 제공한다.
It provides a method for producing silicon oxide (SiO x ) powder comprising the step (step 3) of collecting the silicon oxide reduced in step 2 to the silicon oxide (SiO x ) powder.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail step by step.

본 발명에 따른 산화규소 분말 제조방법에 있어서, 단계 1은 열플라즈마 제트를 이용하여 규소와 이산화규소 혼합 분말 또는 이산화규소 분말로 이루어진 펠렛을 용융 및 기화시키는 단계로, 반응가스로 인한 환원 반응을 위하여 펠렛을 우선 용융 및 기화시키는 단계이다.In the method for producing silicon oxide powder according to the present invention, step 1 is a step of melting and vaporizing a pellet consisting of silicon and silicon dioxide mixed powder or silicon dioxide powder using a thermal plasma jet, for the reduction reaction due to the reaction gas The pellet is first melted and vaporized.

상기 열플라즈마(thermal plasma)는 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하는 플라즈마 토치에서 발생시킨 전자, 이온, 원자 및 분자로 구성된 이온화 기체로, 수천에서 수만 K에 이르는 초고온인 고속 제트이다. 본 발명의 일실시형태에 있어서, 상기 열플라즈마 제트는 도 1에 나타낸 바와 같이, 규소와 이산화규소 혼합분말 또는 이산화규소 분말로 이루어진 펠렛을 용융 및 기화시키기 위한 열원을 공급하는 토치부(1); 상기 토치부(1)로 전원을 공급하는 전원공급장치(2); 펠렛을 고정시키기 위한 도가니(3); 상기 도가니(3)를 고정시키되 이중관으로 수냉이 가능한 구리지지대(4); 배출가스 처리를 위한 블로워(5); 미량의 반응가스를 정확하게 주입하기 위한 유량조절기(mass flow controller, 6); 상기 토치부(1)로 플라즈마 발생가스를 공급하는 발생가스라인(7); 반응가스를 공급하는 반응가스라인(8); 및 반응분위기를 가압 분위기로 조성하기 위해 가스를 공급하는 퍼지가스라인(9)으로 구성되는 열플라즈마 장치를 이용하여 발생될 수 있다. 상기 토치부(1)는 텅스텐 음극봉과 양극노즐을 사용하고, 상기 양극노즐과 음극봉 사이에 플라즈마 발생가스를 주입하여 플라즈마 제트를 발생시킨다. 또한, 토치부(1)를 고온의 열로부터 보호하기 위하여 양쪽의 전극은 수냉식으로 냉각되며, 반응이 이루어지는 반응기는 창이 부착된 스테인리스 이중관으로 되어 있어 내부를 볼 수 있다. 상기 초고온의 열플라즈마를 이용함으로써 상기 단계 1의 펠렛 용융 및 기화가 종래의 단순가열 또는 연소 방법에 비하여 단시간에 수행될 수 있다. 반응기 내부로 산소가 유입되는 것을 방지하기 위하여 퍼지가스로 아르곤 가스를 주입하여 가압분위기 하에서 플라즈마 제트를 발생시키며, 도가니(3)에 가해질 수 있는 충격을 저감시키기 위하여 펠렛이 고정된 도가니(3)는 플라즈마 제트로 서서히 접근하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 도가니(3)는 고온의 열플라즈마 제트에 용융되지 않도록 녹는점이 높은 금속 또는 고온의 승화점을 갖는 승화성 물질로 제조된 것이 바람직하다.The thermal plasma is an ionizing gas composed of electrons, ions, atoms, and molecules generated by a plasma torch using a direct current arc or a high frequency inductively coupled discharge. In one embodiment of the present invention, the thermal plasma jet, as shown in Figure 1, the torch unit (1) for supplying a heat source for melting and vaporizing pellets made of silicon and silicon dioxide mixed powder or silicon dioxide powder; A power supply device 2 for supplying power to the torch unit 1; A crucible 3 for fixing the pellets; A copper support (4) for fixing the crucible (3) but capable of water cooling with a double pipe; A blower 5 for exhaust gas treatment; A mass flow controller 6 for accurately injecting a small amount of reaction gas; A generating gas line (7) for supplying a plasma generating gas to the torch unit (1); A reaction gas line 8 for supplying a reaction gas; And a purge gas line 9 for supplying gas to form the reaction atmosphere in a pressurized atmosphere. The torch unit 1 uses a tungsten cathode rod and an anode nozzle, and injects a plasma generating gas between the anode nozzle and the cathode rod to generate a plasma jet. In addition, in order to protect the torch part 1 from high temperature heat, both electrodes are cooled by water cooling, and the reactor in which the reaction takes place is made of a stainless steel double tube with a window, and the inside can be seen. By using the ultra-high temperature thermal plasma, the pellet melting and vaporization of the step 1 can be performed in a short time compared to the conventional simple heating or combustion method. In order to prevent the inflow of oxygen into the reactor, argon gas is injected into the purge gas to generate a plasma jet under a pressurized atmosphere, and the crucible (3) having pellets fixed to reduce the impact that may be applied to the crucible (3) is It is desirable to approach the plasma jet slowly. In addition, the crucible 3 is preferably made of a metal having a high melting point or a sublimable material having a high temperature sublimation point so as not to be melted in a high temperature thermal plasma jet.

상기 단계 1에서 열플라즈마를 발생시키기 위한 열플라즈마 발생가스로 아르곤, 질소 및 아르곤과 질소의 혼합가스 등이 이용될 수 있으며, 아르곤과 질소의 혼합가스를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 아르곤은 8족 원소로서 비교적 적은 에너지에 의해서도 전자의 방출이 용이하고, 다른 반응가스와 반응하지 않아 부산물이 발생하지 않는 특징이 있다. 또한, 상기 질소는 이원자 분자로써 가스화반응(2N → N2)에 의한 재결합 과정에서 발생하는 반응열로 규소와 이산화규소 혼합분말 펠렛의 증발에 필요한 열을 제공할 수 있다. 이에 따라, 아르곤과 질소의 혼합가스는 부산물을 발생시키지 않으면서, 더욱 고온의 플라즈마를 얻을 수 있다.Argon, nitrogen, and a mixed gas of argon and nitrogen may be used as the thermal plasma generating gas for generating thermal plasma in step 1, and it is preferable to use a mixed gas of argon and nitrogen. The argon is a Group 8 element, which is easy to emit electrons with relatively little energy, and does not react with other reaction gases, and thus does not generate by-products. In addition, the nitrogen may provide heat required for evaporation of the silicon and silicon dioxide mixed powder pellet as the reaction heat generated during the recombination process by the gasification reaction (2N → N 2 ) as the diatomic molecule. Accordingly, the mixed gas of argon and nitrogen can obtain a higher temperature plasma without generating byproducts.

상기 단계 1의 펠렛이 규소와 이산화규소의 혼합분말로 이루어진 경우, 상기 규소와 이산화규소는 0.5:1 ~ 4:1의 몰비로 혼합된다. 규소와 이산화규소가 고상에서 반응하여 일산화규소가 되는 과정은 끓는점이 낮아지면서 급격한 반응이 일어나게 된다. 규소와 이산화규소의 단일 반응인 경우에는, 더욱 높은 끓는점으로 인하여 반응이 쉽게 일어나지 않는다. 따라서 상기 규소와 이산화규소의 혼합이 상기 몰비를 벗어나는 비율로 수행되는 경우, 반응 중 규소 또는 이산화규소 중 한가지 성분만이 남게 되어 반응이 거의 일어나지 않게 되고, 이에 따라 규소와 이산화규소의 몰비에 관계없이 반응 결과물이 유사하게 생성되는 문제가 있다.
When the pellet of step 1 consists of a mixed powder of silicon and silicon dioxide, the silicon and silicon dioxide are mixed in a molar ratio of 0.5: 1 to 4: 1. The process of silicon and silicon dioxide reacting in the solid phase to become silicon monoxide causes a rapid reaction as the boiling point is lowered. In the case of a single reaction of silicon and silicon dioxide, the reaction does not easily occur due to the higher boiling point. Therefore, when the mixing of the silicon and silicon dioxide is carried out at a ratio outside the molar ratio, only one component of silicon or silicon dioxide is left during the reaction so that the reaction hardly occurs, and thus regardless of the molar ratio of silicon and silicon dioxide There is a problem that reaction products are similarly produced.

본 발명에 따른 산화규소 분말 제조방법에 있어서, 단계 2는 열플라즈마 장치 내로 반응가스를 주입하여 기화된 가스 중 이산화규소를 산화규소로 환원시키는 단계이다. 이때, 상기 단계 2의 반응가스는 수소 또는 일산화탄소가 이용될 수 있으며, 이산화규소와 상기 반응가스와의 반응에 의하여 이산화규소가 산화규소로 환원된다. 이때, 환원된 산화규소(SiOx)에서 x는 0.5<x<1.5의 범위이며, 수소나 일산화탄소의 유량조절을 통해 상기 x값을 조절할 수 있다.
In the silicon oxide powder manufacturing method according to the present invention, step 2 is a step of reducing the silicon dioxide in the vaporized gas to silicon oxide by injecting a reaction gas into the thermal plasma device. At this time, hydrogen or carbon monoxide may be used as the reaction gas of step 2, and silicon dioxide is reduced to silicon oxide by reaction of silicon dioxide and the reaction gas. In this case, in the reduced silicon oxide (SiO x ) x is in the range of 0.5 <x <1.5, it is possible to control the x value by adjusting the flow rate of hydrogen or carbon monoxide.

본 발명에 따른 산화규소 분말 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 환원된 산화규소를 산화규소(SiOx) 분말로 포집하는 단계이다. 상기 단계 3의 산화규소 분말 포집은 고온 기상상태인 산화규소를 냉각함으로써 수행되며, 15 내지 25 ℃의 냉각수로 급냉시키는 수냉법을 이용하여 산화규소를 냉각하고 산화규소 분말로 포집한다. 상기 온도의 냉각수로 기상상태인 산화규소를 냉각함으로써, 산화규소의 온도를 급감시킬 수 있으며, 이에 따라 산화규소 입자의 성장을 방지하여 나노크기의 산화규소 분말을 포집할 수 있다.
In the method for producing silicon oxide powder according to the present invention, step 3 is a step of collecting the silicon oxide reduced in step 2 into silicon oxide (SiO x ) powder. The silicon oxide powder collection of step 3 is performed by cooling silicon oxide in a high temperature gaseous state, and the silicon oxide powder is cooled and collected into silicon oxide powder using a water cooling method of quenching with 15 to 25 ° C. cooling water. By cooling the silicon oxide in a gaseous state with the cooling water at the above temperature, the temperature of the silicon oxide can be drastically reduced, thereby preventing the growth of the silicon oxide particles to capture nano-sized silicon oxide powder.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되되, 입자형태와 와이어 형태가 혼합되어 존재하는 산화규소 분말을 제공한다. In addition, the present invention provides a silicon oxide powder is prepared by the above production method, the particle form and the wire form is mixed.

이때, 상기 산화규소 분말 중 입자형태의 입경은 25 내지 45nm이고, 와이어형태의 입경은 150 내지 350 nm이다.
In this case, the particle size of the silicon oxide powder in the form of a particle is 25 to 45nm, the particle size of the wire form is 150 to 350nm.

본 발명에 따른 산화규소 분말은 리튬이차전지의 음극활물질로 사용될 수 있으며, 상기 산화규소 분말을 음극활물질로 사용할 경우 전지의 고용량화를 달성함과 동시에 종래의 충전 및 방전에 수반되는 팽창 및 수축 문제, 활물질의 미분화 및 활물질이 음극 집전체로부터 분리되는 문제점을 해소하여 특성이 우수한 이차전지를 제조할 수 있다.
Silicon oxide powder according to the present invention can be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, when using the silicon oxide powder as a negative electrode active material to achieve high capacity of the battery and at the same time the expansion and contraction problems associated with conventional charging and discharging, A secondary battery having excellent characteristics can be manufactured by solving the problem of micronization of the active material and separation of the active material from the negative electrode current collector.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> 열플라즈마를 이용한 산화규소 분말의 제조Example 1 Preparation of Silicon Oxide Powder Using Thermal Plasma

도 1에 나타낸 직류 열플라즈마 제트 장치를 이용하여 산화규소 분말을 합성하였다. 직류 열플라즈마 장치의 전원은 11.7 kW의 조건에서 작동하였으며, 15 L/min의 아르곤 가스와 3 L/min의 질소가스가 혼합되어 토치의 플라즈마 가스 주입부로 들어간 후 방전되어서 플라즈마 제트가 발생하였다. 자세한 운전 조건을 하기 표 1에 나타내었다.
Silicon oxide powder was synthesize | combined using the direct current thermal plasma jet apparatus shown in FIG. The power of the DC thermal plasma apparatus was operated at 11.7 kW, and 15 L / min of argon gas and 3 L / min of nitrogen gas were mixed into the plasma gas injector of the torch and discharged to generate a plasma jet. Detailed operating conditions are shown in Table 1 below.

운전조건Operating condition 플라즈마 전력Plasma power 300 A, 39 V (11.7 kW)300 A, 39 V (11.7 kW) 플라즈마 발생가스Plasma generating gas 아르곤 15L/min , 질소 3L/minArgon 15L / min, Nitrogen 3L / min 반응가스Reaction gas 수소 0.5 L/minHydrogen 0.5 L / min 퍼지가스Purge gas 아르곤 20L/minArgon 20L / min 펠렛 조성Pellet composition 규소:이산화규소=2:1Silicon: Silicon dioxide = 2: 1

규소와 이산화규소 분말이 상기 표 1의 조성으로 혼합되어 제조된 펠렛을 텅스텐 재질의 도가니에 담은 후 구리 지지대에 올려놓았다. 상기 구리 지지대는 상하로 높이 조절이 가능하며 이를 이용하여 상기 발생된 플라즈마 제트에 펠렛이 담긴 도가니를 접근시켰다. 도가니의 열충격을 막으면서 펠렛이 완전 용융된 후 기화시키기 위하여 토치에서 약 80 mm 떨어진 곳에서 약 5분간 도가니를 예열시켰으며, 그 후 도가니의 위치를 토치로부터 약 40 mm 떨어진 곳까지 올려주면 펠렛의 급격한 기화가 시작된다. 이와 동시에 0.5 L/min의 유량으로 수소를 반응기 안으로 공급하여 기상상태인 이산화규소와 반응을 일으켜 산화규소로의 환원을 수행하였고, 환원된 산화규소는 이중관 반응기를 냉각시킴으로써 반응기 벽을 통해 포집되었다.
The pellet prepared by mixing silicon and silicon dioxide powder in the composition of Table 1 was placed in a tungsten crucible and placed on a copper support. The copper support can be adjusted in height up and down using this to approach the crucible containing the pellet to the generated plasma jet. The crucible was preheated for about 5 minutes at about 80 mm away from the torch to vaporize the pellet after it was completely melted to prevent thermal shock of the crucible. After that, the crucible was raised to about 40 mm away from the torch. Rapid vaporization begins. At the same time, hydrogen was supplied into the reactor at a flow rate of 0.5 L / min to react with silicon dioxide in the gaseous state to reduce the silicon oxide, and the reduced silicon oxide was collected through the reactor wall by cooling the double tube reactor.

<실험예 1> X-선 회절 분석Experimental Example 1 X-ray Diffraction Analysis

산화규소 분말의 결정성을 알아보기 위하여 실시예 1의 산화규소 분말을 X-선 회절 분석하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.In order to determine the crystallinity of the silicon oxide powder, the silicon oxide powder of Example 1 was analyzed by X-ray diffraction, and the results are shown in FIG. 2.

도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 산화규소 분말은 결정질의 규소와 비정질의 SiOx인 것을 확인할 수 있었고, 회절선의 폭을 측정하여 결정크기를 알 수 있는 c.s 계산값은 7 nm인 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 2, it was confirmed that the silicon oxide powder of Example 1 was crystalline silicon and amorphous SiO x , and the cs calculated value of the crystal size was 7 nm by measuring the width of the diffraction line. Can be.

<실험예 2> 미세구조 분석Experimental Example 2 Microstructure Analysis

(1)투과전자현미경 분석(1) transmission electron microscope analysis

산화규소분말의 미세구조를 분석하기 위하여 실시예 1의 산화규소 분말을 투과전자현미경으로 관찰하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to analyze the microstructure of the silicon oxide powder, the silicon oxide powder of Example 1 was observed with a transmission electron microscope, and the results are shown in FIG. 3.

도 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 산화규소 분말 입자를 투과전자현미경으로 관찰하였을 때, 하나의 입자 내에서는 결정질과 비정질이 혼합되어 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 산화규소 분말 전체를 관찰하였을 때, 입자형태와 나노와이어 형태가 혼합되어 존재하는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 산화규소 분말이 결정질의 규소와 비정질의 SiOx가 혼합된 형태로 제조된 것을 알 수 있으며, 제조된 나노 분말은 입자형태 및 나노와이어 형태가 혼합된 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 3, when the silicon oxide powder particles of Example 1 were observed with a transmission electron microscope, it can be seen that crystalline and amorphous mixtures exist in one particle. In addition, when observing the entire silicon oxide powder, it can be seen that the particle form and the nanowire form are present in a mixture. Through this, it can be seen that the silicon oxide powder according to the present invention was prepared in the form of a mixture of crystalline silicon and amorphous SiO x , it was confirmed that the prepared nano powder is mixed in the form of particles and nanowires.

(2)주사전자현미경 분석(2) Scanning electron microscope analysis

산화규소분말의 미세구조를 분석하기 위하여 실시예 1의 산화규소 분말을 주사전자현미경으로 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to analyze the microstructure of the silicon oxide powder, the silicon oxide powder of Example 1 was observed with a scanning electron microscope, and the results are shown in FIG. 4.

도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 산화규소 분말은 입자형태와 나노와이어 형태가 혼합되어 존재하는 것을 알 수 있으며, 상기 입자형태의 입경은 수십 nm이고, 와이어 형태의 입경은 수백 nm인 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 산화규소 분말이 수십 nm 크기의 입자형태 및 수백 nm 크기의 나노와이어 형태가 혼합되어 제조되는 것을 확인하였다.
As shown in Figure 4, it can be seen that the silicon oxide powder of Example 1 is present in the form of a mixture of particles and nanowires, the particle size of the particle shape is several tens nm, the particle size of the wire shape is several hundred nm. Able to know. Through this, it was confirmed that the silicon oxide powder according to the present invention is prepared by mixing tens of nm particle size and several hundred nm size nanowire form.

<실험예 3> 제한시야 회절 분석(Selected area (electron) diffraction)<Experiment 3> Selected area (electron) diffraction

산화규소 분말의 결정성을 분석하기 위하여 실시예 1의 산화규소 분말을 제한시야 회절 분석하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.In order to analyze the crystallinity of the silicon oxide powder, the silicon oxide powder of Example 1 was limited field diffraction analysis, the results are shown in FIG.

도 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 산화규소 분말 전체를 관찰하였을 때, 규소의 결정면이 관찰되었다. 또한, 산화규소 분말의 나노와이어 부분만을 따로 관찰하였을 때, 결정면이 관찰되지 않아 나노와이어 부분은 비정질인 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 산화규소 분말의 입자형태 부분은 결정형 규소이며, 와이어형태 부분은 비정질 SiOx인 것을 확인하였다.
As shown in Fig. 5, when the entire silicon oxide powder of Example 1 was observed, the crystal plane of silicon was observed. In addition, when observing only the nanowire portion of the silicon oxide powder separately, it can be seen that the crystal plane is not observed and the nanowire portion is amorphous. Through this, it was confirmed that the particulate form of the silicon oxide powder according to the present invention is crystalline silicon, and the wire form part is amorphous SiO x .

<실험예 4> 에너지 분산 분광 분석Experimental Example 4 Energy Dispersive Spectroscopy

산화규소 분말의 조성 분석을 위하여 실시예 1의 산화규소 분말을 에너지 분산 분광 분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.In order to analyze the composition of the silicon oxide powder, the silicon oxide powder of Example 1 was subjected to energy dispersion spectroscopic analysis, and the results are shown in FIG. 6.

도 6에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 산화규소 분말은 규소(Si)와 산소(O) 원자로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 산화규소 분말은 다른 불순물을 포함하지 않고 고순도 나노분말로 제조된 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 6, it turns out that the silicon oxide powder of Example 1 is comprised from the silicon (Si) and oxygen (O) atom. Through this, it was confirmed that the silicon oxide powder according to the present invention was made of high purity nano powder without containing other impurities.

<실험예 5> X-선 광전자 분광 분석 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)Experimental Example 5 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

산화규소 분말의 성분비를 확인하기 위하여 실시예 1의 산화규소 분말을 X-선 광전자 분광 분석을 하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.In order to confirm the component ratio of the silicon oxide powder, the silicon oxide powder of Example 1 was subjected to X-ray photoelectron spectroscopic analysis, and the results are shown in FIG. 7.

X-선 광전자 분광 분석은 원자 내에서의 전자의 결합에너지가 계산하며, 상기 결합에너지는 원자에 따라 고유한 값을 갖는다. 따라서, X-선 광전자 분광 분석을 통하여 광전자의 스펙트럼을 관측함으로써 화학적 결합 상태 및 구성원소를 정량 분석할 수 있다. 이를 바탕으로 분석한 결과 도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 산화규소 분말은 SiO1.33 인 것을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 산화규소 분말은 산화규소 분말은 규소와 이산화규소가 반응하거나, 이산화규소로부터 산화규소로 환원되어 제조된 것을 확인하였다.
X-ray photoelectron spectroscopy is calculated by the binding energy of electrons in an atom, and the binding energy has a unique value depending on the atom. Therefore, by observing the spectra of the photoelectron through the X-ray photoelectron spectroscopic analysis it is possible to quantitatively analyze the chemical bonding state and the element. As a result of the analysis based on this, as shown in FIG. 7, it can be seen that the silicon oxide powder of Example 1 is SiO 1.33 , and the silicon oxide powder according to the present invention is a silicon oxide powder in which silicon and silicon dioxide react or It was confirmed that it was prepared by reduction from silicon to silicon oxide.

<실험예 6> 열역학적 평형조성 분석Experimental Example 6 Analysis of Thermodynamic Equilibrium Composition

이산화규소가 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 산화규소가 생성되는 반응을 열역학적 평형조성 프로그램(factsage)을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도8에 나타내었다.The reaction in which silicon dioxide reacts with hydrogen or carbon monoxide to produce silicon oxide was analyzed using a thermodynamic equilibrium program, and the results are shown in FIG. 8.

도 8에 나타낸 바와 같이, 이산화규소가 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 산화규소(SiOx)가 생성되는 것을 알 수 있다. 이때, 약 2000 ℃의 온도에서 이산화규소의 분율이 낮아짐과 동시에 산화규소가 생성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명의 제조방법에 따라 산화규소가 생성되는 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 8, it can be seen that silicon dioxide (SiO x ) is produced by the reaction of silicon dioxide with hydrogen or carbon monoxide. At this time, it can be seen that the silicon dioxide is produced at the same time the fraction of silicon dioxide is lowered at a temperature of about 2000 ℃. Through this, it was confirmed that the silicon oxide is produced in accordance with the production method of the present invention.

1 : 토치부
2 : 전원공급장치
3 : 도가니
4 : 구리지지대
5 : 블로워
6 : 유량조절기
7 : 발생가스라인
8 : 반응가스라인
9 : 퍼지가스라인
1: torch
2: power supply
3: crucible
4: copper support
5: blower
6: flow controller
7: generated gas line
8: reaction gas line
9: purge gas line

Claims (8)

아르곤 15L/min, 및 질소 3L/min를 발생가스로 이용하여 열플라즈마 제트를 발생시킨 후, 2:1의 몰비로 혼합된 규소와 이산화규소 혼합 분말로 이루어진 펠렛을 구리 재질의 지지대로 고정된 텅스텐재질의 도가니에 장입하고, 퍼지가스로서 20 L/min 유량의 아르곤이 주입되는 분위기 하에서 상기 도가니를 발생된 열플라즈마제트로 이송하여 상기 혼합 분말을 용융 및 기화시키는 단계(단계 1);
열플라즈마 장치 내로 반응가스로서 수소를 0.5 L/min 의 유량으로 주입하여 기화된 가스 중 이산화규소를 산화규소(SiOx)(단, 0.5<x<1.5)로 환원시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 환원된 산화규소를 15 내지 25℃의 냉각수로 급냉시켜 산화규소(SiOx) 분말로 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는 산화규소(SiOx) 분말의 제조방법.
After generating a thermal plasma jet using 15 L / min of argon and 3 L / min of nitrogen as a generating gas, tungsten was fixed to a support made of copper by pellets made of silicon and silicon dioxide mixed powder mixed in a 2: 1 molar ratio. Charging the crucible with a material and transferring the crucible to the generated thermal plasma jet under an atmosphere in which argon at a flow rate of 20 L / min is injected as a purge gas to melt and vaporize the mixed powder (step 1);
Injecting hydrogen as a reaction gas into the thermal plasma apparatus at a flow rate of 0.5 L / min to reduce silicon dioxide in the vaporized gas to silicon oxide (SiO x ) (where 0.5 <x <1.5) (step 2); And
Method for producing a silicon oxide powder (SiO x), a step (Step 3) for rapid cooling by a silicon oxide reduced at the second step 15 to the cooling water of 25 ℃ collection of silicon oxide (SiO x) powder.
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