KR100277792B1 - Anode Active Material for Lithium-Based Battery and Manufacturing Method Thereof - Google Patents

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Abstract

극판의 충진 밀도를 향상시킬 수 있으며, 고율 충방전 특성 및 수명 특성이 양호한 리튬 계열 전지용 음극 활물질을 제공하기 위한 것으로서, 비정질 탄소 전구체를 용매에 용해 또는 분산시켜서 비정질 탄소 전구체 용액을 제조하고, 이 용액을 사용하여 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자를 코팅 및 조립한 후, 구형화하여 이차 입자를 제조한다. 이어서, 이 이차 입자를 탄화시켜서 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자가 비정질 탄소로 코팅되어 있으며, 상기 비정질 탄소로 코팅된 일차 입자들이 조립되어 실질적으로 구형인 이차 입자를 형성하는 있는 리튬 계열 전지용 음극 활물질을 제공한다.The present invention provides an anode active material for lithium-based batteries that can improve the packing density of the electrode plate and has good high-rate charge-discharge characteristics and long-life characteristics. The amorphous carbon precursor solution is prepared by dissolving or dispersing an amorphous carbon precursor in a solvent. One or more crystalline carbon primary particles are coated and granulated using and then spherical to prepare secondary particles. Subsequently, the secondary particles are carbonized so that at least one crystalline carbon primary particle is coated with amorphous carbon, and the primary particles coated with the amorphous carbon are assembled to form a substantially spherical secondary particle to provide a negative electrode active material for a lithium-based battery. do.

Description

리튬 계열 전지용 음극 활물질 및 그 제조 방법Anode Active Material for Lithium-Based Battery and Manufacturing Method Thereof

산업상 이용 분야Industrial use field

본 발명은 리튬 계열 전지용 음극 활물질 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극판의 충진 밀도를 향상시킬 수 있으며, 고율 충방전 특성 및 수명 특성이 양호한 리튬 계열 전지용 음극 활물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium-based battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a negative electrode active material for a lithium-based battery and a method for manufacturing the same, which can improve the packing density of the electrode plate and have good high rate charge / discharge characteristics and lifetime characteristics. will be.

종래 기술Prior art

리튬 계열 전지, 그 중에서도 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지의 음극 활물질로서 주로 탄소 활물질이 사용되고 있다. 이 탄소 활물질은 크게 결정질 탄소 활물질과 비정질 탄소 활물질로 분류된다. 결정질 탄소 활물질로는 천연 흑연이 있으며, 핏치 등을 2000℃ 이상에서 고온 소성함으로써 얻어지는 인조 흑연이 있다. 비정질 탄소 활물질은 흑연화도가 낮거나 X선 회절에서 거의 회절선이 나타나지 않는 탄소 활물질로서, 석탄계 핏치 또는 석유계 핏치를 소성하여 얻는 소프트 카본, 페놀 수지 등의 고분자 수지를 소성하여 얻는 하드 카본 등이 있다.The carbon active material is mainly used as a negative electrode active material of a lithium type battery, especially a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery. This carbon active material is largely classified into a crystalline carbon active material and an amorphous carbon active material. The crystalline carbon active material includes natural graphite, and artificial graphite obtained by firing a pitch or the like at a high temperature of 2000 ° C or higher. An amorphous carbon active material is a carbon active material having low graphitization degree or almost no diffraction line in X-ray diffraction, and hard carbon obtained by firing polymer resins such as soft carbon and phenol resin obtained by firing coal pitch or petroleum pitch. have.

천연 흑연, 인조 흑연 등의 결정질 탄소 활물질을 전지에 적용하기 위해서는 분쇄, 분급 공정을 거치는데, 이때 결정질 탄소 활물질의 높은 결정화도로 인해 불가피하게 무정형 또는 판상의 활물질이 발생된다. 이 무정형 또는 판상의 결정질 탄소 활물질을 극판에 그대로 적용할 경우 그 형상으로 인해 낮은 탭 밀도를 나타낸다. 또한 활물질을 극판에 충진시킨 후 프레싱(pressing)할 때 무정형의 활물질 입자가 완전 배향함으로써 리튬 이온의 삽입, 탈리가 불리한 기저면(basal plane)만이 전해액 쪽으로 노출되어 고율 충방전 특성이 저하되고, 충방전시 극판의 부피 팽창 및 수축이 커켜서 수명 특성이 저하된다. 아울러, 결정질 탄소 활물질은 엣지 부분에 그래펜 시트(graphene sheet)가 잘 발달되어 전해액과의 부반응이 심하므로 높은 초기 효율이 요구되는 리튬 계열 이차 전지에 적용하기가 어렵다(Journal of Electrochemical Society 137 (1990) 2009).In order to apply crystalline carbon active materials such as natural graphite and artificial graphite to a battery, a pulverization and classification process is performed. At this time, an amorphous or plate-like active material is inevitably generated due to the high degree of crystallization of the crystalline carbon active material. When the amorphous or plate-like crystalline carbon active material is applied to the electrode plate as it is, its shape shows low tap density. In addition, when the active material is filled in the electrode plate and pressed, the amorphous active material particles are completely oriented so that only the basal plane, which is not suitable for insertion and desorption of lithium ions, is exposed to the electrolyte, thereby degrading high rate charge / discharge characteristics. The volumetric expansion and contraction of the pole plate increases, which degrades the life characteristics. In addition, the crystalline carbon active material is difficult to be applied to a lithium-based secondary battery that requires high initial efficiency because a graphene sheet is well developed at the edge portion and severe side reaction with the electrolyte is required (Journal of Electrochemical Society 137 (1990). ) 2009).

이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 미국 특허 5,344,726호는 고결정성 탄소 물질의 표면에 비정질 탄소층을 입혀 전해액의 분해 반응을 억제시킴으로써 초기 충방전 효율을 증가시키는 방법을 제안한다. 그러나, 이 방법은 비정질 탄소층의 두께가 너무 얇아서 저가의 무정형 또는 판상 결정질 탄소 핵의 형상을 개선시키기가 어려워 여전히 극판의 충진 밀도를 향상시킬 수가 없다. 또한, 극판의 프레싱 공정에서 이 무정형 활물질의 핵인 고결정성 흑연이 완전 배향함으로써 고율 충방전 특성 및 수명 특성이 저하된다.In order to solve these problems, US Patent No. 5,344,726 proposes a method of increasing the initial charge and discharge efficiency by applying an amorphous carbon layer on the surface of the high crystalline carbon material to suppress the decomposition reaction of the electrolyte. However, this method is so thin that the thickness of the amorphous carbon layer makes it difficult to improve the shape of low-cost amorphous or plate-shaped crystalline carbon nuclei and still cannot improve the packing density of the electrode plate. In addition, in the pressing step of the electrode plate, the high crystalline graphite, which is the nucleus of the amorphous active material, is completely oriented, thereby degrading high rate charge and discharge characteristics and life characteristics.

미국 특허 5,401,598호는 핏치와 톨루엔의 혼합 용액에 흑연 분말을 넣고 끓임으로써 흑연 표면에 핏치를 도입한 후, 이를 성형, 탄화시켜 다층 구조의 탄소 활물질을 제조하는 방법을 제안한다. 이 활물질은 비정질 부분의 함량이 35부피% 이상이므로 과다한 비정질 탄소의 영향으로 전압 평탄성이 불량하다. 또한, 상기 발명에 따른 제조 방법은 비정질 탄소 전구체 벌크와 흑연계 입자의 혼합물을 탄화시킨 후 분쇄함으로써 비정질 탄소와 흑연 입자간의 계면이 표면으로 드러나게 되어 실질적으로는 비정질 탄소를 코팅하는 효과를 얻을 수 없으며, 전해액과의 부반응에 의한 초기 충방전 효율 저하를 초래한다.U.S. Patent 5,401,598 proposes a method of preparing a carbon active material having a multilayer structure by introducing a pitch into the graphite surface by boiling the graphite powder in a mixed solution of pitch and toluene, and then molding and carbonizing the pitch. Since the content of the amorphous portion is 35% by volume or more, the voltage flatness is poor due to the excessive amount of amorphous carbon. In addition, the manufacturing method according to the present invention by carbonizing and grinding the mixture of the amorphous carbon precursor bulk and the graphite particles, the interface between the amorphous carbon and the graphite particles is exposed to the surface can not substantially obtain the effect of coating the amorphous carbon. This leads to a decrease in initial charge and discharge efficiency due to side reaction with the electrolyte.

이외에도 활물질에 도전제를 첨가하는 방법, 도전성이 우수한 금속 피막을 형성할 수 있는 금속을 사용하여 복합 극판을 제조하는 방법, 두 종류 이상의 활물질을 혼합(mixing)하는 방법 등 극판의 충진 밀도, 고율 충방전 특성, 수명 특성을 향상시키기 위한 다양한 시도들이 있었지만 그 효과가 충분하지 않았다.In addition, the packing density of the electrode plate and the high rate filling method, such as a method of adding a conductive agent to the active material, a method of manufacturing a composite electrode plate using a metal capable of forming a metal film having excellent conductivity, and a method of mixing two or more active materials. Various attempts have been made to improve discharge characteristics and lifetime characteristics, but the effects have not been sufficient.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고율 충방전 특성 등의 전기화학적 특성의 저하없이도 극판의 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 리튬 계열 전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다.In order to solve this problem, an object of the present invention is to provide a negative electrode active material for a lithium-based battery that can improve the packing density of the electrode plate without deterioration of electrochemical properties such as high rate charge and discharge characteristics.

본 발명의 다른 목적은 전압 평탄성이 우수하면서도 고율 충방전 특성 및 수명 특성이 양호한 리튬 계열 전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a negative electrode active material for a lithium-based battery having excellent voltage flatness and good high rate charge / discharge characteristics and lifetime characteristics.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 음극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the negative electrode active material.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 단면도.1 is a cross-sectional view of a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.

도 2A는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 SEM 사진.Figure 2A is a SEM photograph of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.

도 2B는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질로 제조한 극판의 SEM 사진.Figure 2B is a SEM photograph of the electrode plate made of a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.

도 3A는 본 발명의 비교예에 따른 음극 활물질의 SEM 사진.3A is a SEM photograph of a negative electrode active material according to a comparative example of the present invention.

도 3B는 본 발명의 비교예에 따른 음극 활물질로 제조한 극판의 SEM 사진.Figure 3B is a SEM photograph of the electrode plate made of a negative electrode active material according to a comparative example of the present invention.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비정질 탄소 전구체를 용매에 용해 또는 분산시켜서 비정질 탄소 전구체 용액을 제조하고, 상기 비정질 탄소 전구체 용액으로 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자를 코팅 및 조립(造粒)한 후, 구형화하여 이차 입자를 제조한 후, 상기 구형화된 이차 입자를 탄화시킴으로써 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자가 비정질 탄소로 코팅되어 있으며, 상기 비정질 탄소로 코팅된 일차 입자들이 조립(造粒)되어 실질적으로 구형인 이차 입자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention to prepare an amorphous carbon precursor solution by dissolving or dispersing an amorphous carbon precursor in a solvent, and coating and assembling one or more crystalline carbon primary particles with the amorphous carbon precursor solution And then spheroidized to produce secondary particles, and then carbonizing the spherical secondary particles, one or more crystalline carbon primary particles are coated with amorphous carbon, and the primary particles coated with amorphous carbon are assembled (造粒). It provides a negative electrode active material for a lithium-based battery, characterized in that) to form a substantially spherical secondary particles.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

비정질 탄소 전구체로는 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 석탄계 오일, 석유계 중질유 또는 페놀 수지, 퓨란 수지, 폴리이미드 수지 등의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 보다 고용량이면서 작은 비가역 용량을 나타내도록 석탄계 핏치, 석유계 핏치를 사용하는 것이 바람직하며, 이때 석탄계 핏치 또는 석유계 핏치, 고분자 수지를 톨루엔, 테트라하이드로퓨란 등에 용해, 추출시켜서 얻은 톨루엔 또는 테트라하이드로퓨란 용해성 핏치를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the amorphous carbon precursor, a polymer resin such as coal pitch, petroleum pitch, coal oil, petroleum heavy oil or phenol resin, furan resin or polyimide resin can be used. It is preferable to use coal pitch or petroleum pitch to have a higher capacity and a small irreversible capacity. At this time, toluene or tetrahydrofuran solubility obtained by dissolving and extracting coal pitch or petroleum pitch and polymer resin in toluene, tetrahydrofuran, etc. It is more preferable to use pitch.

비정질 탄소 전구체를 용해 또는 분산시키는 용매로는 유기 용매, 무기 용매 등을 사용할 수 있으며, 그 예로서 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 헥산, 사이클로헥산, 물 등을 들 수 있다. 경우에 따라서는 이들의 혼합물을 사용하여도 무방하다.As a solvent for dissolving or dispersing the amorphous carbon precursor, an organic solvent, an inorganic solvent, or the like can be used, and examples thereof include toluene, tetrahydrofuran, benzene, methanol, ethanol, hexane, cyclohexane, water, and the like. In some cases, a mixture thereof may be used.

결정질 탄소 일차 입자로는 저가의 무정형 또는 판상의 결정질 탄소 입자를 사용할 수 있으며, 그 외에도 판상, 린편상, 구형 또는 섬유형의 탄소 입자를 단독 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 물론 이 결정질 탄소로는 천연 흑연, 인조 흑연 모두 사용할 수 있다. 결정질 탄소 일차 입자의 평균 크기는 0.1-30㎛인 것이 바람직하다.As the crystalline carbon primary particles, inexpensive amorphous or plate-like crystalline carbon particles may be used. In addition, plate-like, lean flake, spherical or fibrous carbon particles may be used alone or in combination of two or more. Of course, as this crystalline carbon, both natural graphite and artificial graphite can be used. The average size of the crystalline carbon primary particles is preferably 0.1-30 μm.

비정질 탄소 전구체 용액으로 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자를 코팅, 조립(造粒)하는 공정은 결정질 탄소 일차 입자를 비정질 탄소 전구체 용액으로 혼합 조립(mixing and agglomeration)시키거나, 결정질 탄소 일차 입자에 비정질 탄소 전구체 용액을 분무 건조(spray drying)하거나, 분무 열분해(spray pyrolysis)함으로써 실시된다. 이어서, 구형화된 이차 입자를 700-1400℃에서 탄화시켜 도 1에서 보이는 바와 같이 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자(1)가 비정질 탄소(2)로 코팅되어 있으며, 상기 비정질 탄소로 코팅된 일차 입자들이 조립(造粒)되어 실질적으로 구형인 이차 입자를 형성하고 있는 활물질을 제공한다. 상기 비정질 탄소로 코팅된 결정질 탄소 일차 입자들 사이에는 마이크로포러스 채널(microporoschannel)(3)이 형성될 수 있다.The process of coating and assembling one or more crystalline carbon primary particles with an amorphous carbon precursor solution involves mixing and agglomeration of the crystalline carbon primary particles with an amorphous carbon precursor solution, or the amorphous carbon precursor to the crystalline carbon primary particles. The solution is spray dried or spray pyrolysis. Subsequently, the spherical secondary particles are carbonized at 700-1400 ° C. so that at least one crystalline carbon primary particle 1 is coated with amorphous carbon 2 as shown in FIG. 1, and the primary particles coated with amorphous carbon are An active material which is granulated to form substantially spherical secondary particles is provided. A microporos channel 3 may be formed between the crystalline carbon primary particles coated with amorphous carbon.

이 음극 활물질의 입경은 5-100㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10-65㎛이다. 입경이 100㎛ 초과인 경우 바람직한 극판 충진 밀도를 나타내기가 어렵고, 입경이 5㎛ 미만인 경우 전해액과 바람직하지 않은 부반응을 발생시킬 우려가 있다.It is preferable that the particle size of this negative electrode active material is 5-100 micrometers, More preferably, it is 10-65 micrometers. If the particle size is more than 100 μm, it is difficult to exhibit a preferable electrode plate filling density, and if the particle size is less than 5 μm, there is a fear of causing undesirable side reactions with the electrolyte.

이 음극 활물질의 비표면적은 0.5-6㎡/g인 것이 바람직하다. 비표면적이 6㎡/g 초과인 경우 전해액과 바람직하지 않은 부반응을 발생시킬 우려가 있으며, 0.5㎡/g 미만인 경우 전해액과 접촉하는 면적이 좁아서 충방전 반응이 용이하지 않다.It is preferable that the specific surface area of this negative electrode active material is 0.5-6 m <2> / g. If the specific surface area is more than 6 m 2 / g, there is a risk of causing undesirable side reactions with the electrolyte, if less than 0.5 m 2 / g, the area in contact with the electrolyte is narrow, the charge and discharge reaction is not easy.

X-선 회절 분석을 실시했더니 활물질중의 결정질 탄소 입자의 (002) 플레인 층간 거리(d2)는 3.35-3.4Å이었으며, 바인더 역할을 하는 비정질 탄소의 (002) 플레인 층간 거리(d2)는 3.4-3.7Å이었다.X-ray diffraction analysis showed that the (002) plane interlayer distance (d 2 ) of the crystalline carbon particles in the active material was 3.35-3.4 Å, and the (002) plane interlayer distance (d 2 ) of the amorphous carbon serving as a binder was 3.4-3.7 kPa.

본 발명에 따른 활물질에서 비정질 탄소의 함량은 전체 활물질의 5-50중량%인 것이 바람직하다. 비정질 탄소의 함량이 5중량% 미만인 경우 결정질 탄소의 형상을 바람직하게 개선하기가 어렵고, 50중량% 초과인 경우 과다한 비정질 탄소로 인해 전압 평탄성이 불량해질 수 있다.The content of amorphous carbon in the active material according to the present invention is preferably 5-50% by weight of the total active material. If the content of amorphous carbon is less than 5% by weight, it is difficult to preferably improve the shape of the crystalline carbon, and if it is more than 50% by weight, the voltage flatness may be poor due to excessive amorphous carbon.

제조된 활물질은 구형의 활물질로서, 극판의 충진 밀도를 향상시킬 수 있으며, 극판의 프레싱 공정시 고결정성 고배향성 탄소 입자의 랜덤 배향을 유도하여 리튬 이온의 삽입, 탈리시 극판의 일방향으로의 부피 팽창 및 수축을 최소화할 수 있다. 아울러, 비정질 탄소가 코팅된 결정질 탄소 일차 입자들 사이에 형성된 마이크로포러스 채널이 충방전시 전해액의 함침을 용이하게 하여 전지의 고율 충방전 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The prepared active material is a spherical active material, which can improve the packing density of the electrode plate, and induces random orientation of highly crystalline, highly oriented carbon particles during the pressing process of the electrode plate, thereby expanding the volume of the electrode plate in one direction during the insertion and removal of lithium ions. And shrinkage can be minimized. In addition, the microporous channel formed between the amorphous carbon-coated crystalline carbon primary particles facilitates the impregnation of the electrolyte during charge and discharge, thereby improving the high rate charge and discharge characteristics and the life characteristics of the battery.

본 기술 분야의 당업자는 상기 본 발명의 음극 활물질을 사용하여 공지된 전지 제조 방법에 따라 용이하게 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등 리튬 계열 전지를 제조할 수 있다.Those skilled in the art can easily produce a lithium-based battery, such as a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, according to a known battery manufacturing method using the negative electrode active material of the present invention.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following presents a preferred embodiment to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

석탄계 핏치를 테트라하이드로퓨란으로 처리하여 테트라하이드로퓨란 불용성 성분을 제거하고, 가용성 성분만으로 구성된 테트라하이드로퓨란 가용성 핏치를 제조하였다. 테트라하이드로퓨란에 석탄계 핏치를 용해시켜 제조한 용액(고형분 30%), 즉 비정질 탄소 전구체 용액을 준비하였다. 분말 조립기(Agglomaster AGM-2, Hosokawa Micron사)에 입경이 약 5㎛인 판상 인조 흑연 300g을 투입한 후 열풍 입구 온도를 60℃로 설정하고 펄스 제트(pulse jet) 분산을 부가하면서 전동 조립에 적합한 유동층을 형성시켰다. 상기한 바와 같이 판상 인조 흑연을 건조시킨 후 준비해 놓은 비정질 탄소 전구체 용액 500g을 이류체(二流體) 노즐에 의해 유동하고 있는 판상 인조 흑연 분체에 약 13g/min의 속도로 분무 공급하였다. 이때, 판상 인조 흑연과 비정질 탄소 전구체의 중량비는 5:2로 하였다. 이어서 원판 회전수를 500rpm으로 행하여 비정질 탄소 전구체 용액이 코팅된 상태의 판상 인조 흑연 입자들을 회전하는 원판 상에서 굴리므로써 이 입자들이 다수개 모여 결합된 후 구형화되어 이차 입자가 형성되었다. 이와 같이 구형화된 물질을 건조시킨 후 1000℃에서 2시간 열처리하여 전지용 활물질을 제조하였다.The coal-based pitch was treated with tetrahydrofuran to remove the tetrahydrofuran insoluble component and a tetrahydrofuran soluble pitch composed only of the soluble component was prepared. A solution prepared by dissolving a coal-based pitch in tetrahydrofuran (solid content 30%), that is, an amorphous carbon precursor solution was prepared. 300 g of plate-shaped artificial graphite having a particle diameter of about 5 μm was introduced into a powder granulator (Agglomaster AGM-2, Hosokawa Micron), and the hot air inlet temperature was set to 60 ° C., and a pulse jet dispersion was added. The fluidized bed was formed. As described above, 500 g of the amorphous carbon precursor solution prepared after drying the plate-shaped artificial graphite was sprayed and supplied to the plate-shaped artificial graphite powder flowing through the two-fluid nozzle at a rate of about 13 g / min. At this time, the weight ratio of plate-shaped artificial graphite and amorphous carbon precursor was 5: 2. Subsequently, the plate rotation speed was performed at 500 rpm to roll the plate-shaped artificial graphite particles coated with the amorphous carbon precursor solution on the rotating plate, whereby a plurality of these particles were collected and combined to form a secondary particle. The spherical material was dried and heat-treated at 1000 ° C. for 2 hours to prepare a battery active material.

결합제로서 폴리비닐리덴 플루오라이드를 N-메틸 피롤리돈에 용해시킨 용액에 상기 활물질을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 구리 호일 집전체에 캐스팅하여 음극 극판을 제조하였다. 이 극판을 작용극으로 하고, 리튬 금속 호일을 대극으로 하며, 1M LiPF6를 용해시킨 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합물을 전해액으로 하는 리튬 이차 전지를 제조한 후 그 성능을 테스트하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.A slurry was prepared by mixing the active material in a solution in which polyvinylidene fluoride was dissolved in N-methyl pyrrolidone as a binder. This slurry was cast on a copper foil current collector to prepare a negative electrode plate. A lithium secondary battery was prepared using this electrode plate as a working electrode, a lithium metal foil as a counter electrode, a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate in which 1M LiPF 6 was dissolved as an electrolyte, and then tested for performance thereof. 1 is shown.

실시예 2Example 2

판상 인조 흑연 대신 입경이 약 18㎛인 천연 흑연 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.It carried out similarly to Example 1 except having used natural graphite particle | grains whose particle diameter is about 18 micrometers instead of plate-shaped artificial graphite.

실시예 3Example 3

판상 인조 흑연 대신 입경이 약 18㎛인 천연 흑연 입자와 입경이 약 6㎛인 판상 인조 흑연이 4:1 중량비로 혼합된 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixture of natural graphite particles having a particle diameter of about 18 μm and plate artificial graphite having a particle size of about 6 μm was used in a 4: 1 weight ratio instead of the plate-shaped artificial graphite.

실시예 4Example 4

판상 인조 흑연 대신 입경이 약 18㎛인 천연 흑연 입자와 입경이 약 5㎛인 무정형 인조 흑연이 4:1 중량비로 혼합된 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was performed except that a mixture of natural graphite particles having a particle size of about 18 μm and amorphous artificial graphite having a particle size of about 5 μm was used instead of plate-shaped artificial graphite in a 4: 1 weight ratio.

실시예 5Example 5

판상 인조 흑연 대신 입경이 약 18㎛인 천연 흑연 입자와 입경이 약 6㎛인 판상 인조 흑연이 3:2 중량비로 혼합된 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixture of natural graphite particles having a particle size of about 18 μm and plate artificial graphite having a particle size of about 6 μm was used in a 3: 2 weight ratio instead of the plate-shaped artificial graphite.

실시예 6Example 6

판상 인조 흑연 대신 입경이 약 18㎛인 천연 흑연 입자와 입경이 약 6㎛인 판상 인조 흑연이 4:1 중량비로 혼합된 혼합물을 사용하고, 투입된 결정질 탄소 입자와 비정질 탄소 전구체의 중량비를 5:1로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Instead of the plate-shaped artificial graphite, a mixture of natural graphite particles having a particle diameter of about 18 μm and plate-shaped artificial graphite having a particle diameter of about 6 μm in a 4: 1 weight ratio was used, and the weight ratio of the injected crystalline carbon particles and the amorphous carbon precursor was 5: 1. It carried out similarly to Example 1 except having set to.

실시예 7Example 7

판상 인조 흑연 대신 입경이 약 18㎛인 천연 흑연 입자와 입경이 약 6㎛인 판상 인조 흑연이 4:1 중량비로 혼합된 혼합물을 사용하고, 석탄계 핏치 대신 페놀 수지를 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하였다.Example 6, except that a mixture of natural graphite particles having a particle diameter of about 18 μm and plate artificial graphite having a particle diameter of about 6 μm was used in a 4: 1 weight ratio instead of plate-shaped artificial graphite, and phenol resin was used instead of coal-based pitch. The same procedure was followed.

실시예 8Example 8

석탄계 핏치 대신 나프타 크래킹 중질유(PFO, 삼성종합화학)를 사용하고, 용매로서 테트라하이드로퓨란 대신 톨루엔을 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하였다.Naphtha cracking heavy oil (PFO, Samsung General Chemical) was used instead of the coal-based pitch, and the same procedure as in Example 6 was carried out except that toluene was used instead of tetrahydrofuran as a solvent.

비교예 1Comparative Example 1

판상 인조 흑연 분말을 활물질로 하여 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 극판 및 전지를 제조하였다.A plate and a battery were manufactured using the same method as in Example 1 using plate-like artificial graphite powder as an active material.

비교예 2Comparative Example 2

입경이 약 18㎛인 린편상 천연 흑연 분말을 활물질로 하여 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 극판 및 전지를 제조하였다.A pole plate and a battery were manufactured using the same method as in Example 1 using a lean piece natural graphite powder having a particle diameter of about 18 μm as an active material.

비교예 3Comparative Example 3

입경이 약 18㎛인 천연 흑연 및 입경이 약 6㎛인 판상 인조 흑연의 3:2 중량비의 혼합물 100g을, 비정질계 탄소 전구체인 페놀 수지 20g을 테트라하이드로퓨란에 녹인 혼합 용액(농도: 20%)에 넣은 후 환류 반응시키고, 여과시켰다. 얻어진 분말을 1000℃에서 2시간 동안 탄화시켜 결정질계 탄소 코어와 비정질계 탄소 쉘을 가진 탄소 활물질을 얻었다. 이 활물질을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 극판 및 전지를 제조하였다.A mixed solution of 100 g of a 3: 2 weight ratio mixture of natural graphite having a particle diameter of about 18 μm and plate-shaped artificial graphite having a particle size of about 6 μm, and 20 g of a phenol resin, an amorphous carbon precursor, dissolved in tetrahydrofuran (concentration: 20%) It was added to the mixture and refluxed and filtered. The obtained powder was carbonized at 1000 ° C. for 2 hours to obtain a carbon active material having a crystalline carbon core and an amorphous carbon shell. Using this active material, a plate and a battery were manufactured using the same method as in Example 1.

활물질Active material 극판Plate 평균 입경(㎛)Average particle size (㎛) 비표면적(㎡/g)Specific surface area (㎡ / g) d2(Å)d 2 (Å) Lc(Å)Lc (Å) 극판밀도(g/㏄)(압력:1톤/㎠)Plate density (g / ㏄) (pressure: 1 ton / ㎠) 실시예 1Example 1 20.120.1 1.91.9 3.3683.368 905905 1.71.7 실시예 2Example 2 53.153.1 2.12.1 3.3613.361 15981598 1.61.6 실시예 3Example 3 38.438.4 2.52.5 3.3603.360 610610 1.71.7 실시예 4Example 4 47.847.8 2.72.7 3.3643.364 690690 1.61.6 실시예 5Example 5 35.435.4 1.21.2 3.3643.364 810810 1.61.6 실시예 6Example 6 27.827.8 3.73.7 3.3613.361 10351035 1.71.7 실시예 7Example 7 54.254.2 6.76.7 3.3613.361 715715 1.61.6 실시예 8Example 8 43.143.1 1.51.5 3.3603.360 10101010 1.51.5 비교예 1Comparative Example 1 6.26.2 15.215.2 3.3653.365 408408 1.91.9 비교예 2Comparative Example 2 18.218.2 12.112.1 3.3563.356 20202020 2.02.0 비교예 3Comparative Example 3 19.219.2 5.35.3 3.3573.357 20402040 1.91.9 전지 특성Battery characteristics 방전 용량(㎃h/g)Discharge capacity (h / g) 효율(%)efficiency(%) 고율 특성(1C 용량)High rate characteristic (1C capacity) 수명 특성(50회, %)Life span characteristics (50 times,%) 실시예 1Example 1 345345 89.189.1 340340 9292 실시예 2Example 2 353353 90.190.1 345345 9393 실시예 3Example 3 352352 90.690.6 340340 9292 실시예 4Example 4 345345 88.088.0 338338 9191 실시예 5Example 5 351351 91.491.4 345345 9393 실시예 6Example 6 352352 90.190.1 342342 9090 실시예 7Example 7 355355 8686 348348 9191 실시예 8Example 8 351351 9292 345345 9393 비교예 1Comparative Example 1 340340 8080 270270 8585 비교예 2Comparative Example 2 335335 8383 250250 8484 비교예 3Comparative Example 3 320320 8787 295295 8686

표 1에서 보이는 바와 같이, 실시예 1-8의 활물질은 비표면적이 1.5-6㎡/g 정도로 비교예 1-2(12-15㎡/g)에 비해 작은 값을 나타내며, 입경은 25㎛ 이상으로 비교예 1-2에 비해 상당히 큰 값을 나타내므로 실시예 1-8에 따른 활물질의 형상이 구형임을 짐작할 수 있다. 프레싱 공정 후의 극판 밀도를 살펴보면, 비교예 1-3의 경우 고결정성 활물질 입자의 완전 배향에 따른 극판 밀도의 급증 현상이 나타났으나, 실시예 1-8에서는 이러한 현상이 나타나지 않았음을 알 수 있다.As shown in Table 1, the active material of Example 1-8 has a specific surface area of about 1.5-6 m 2 / g, showing a smaller value as compared to Comparative Example 1-2 (12-15 m 2 / g), the particle diameter is 25㎛ or more As it represents a significantly larger value than Comparative Example 1-2, it can be estimated that the shape of the active material according to Example 1-8 is spherical. Looking at the electrode plate density after the pressing process, it can be seen that in Comparative Examples 1-3, the electrode plate density increased due to the perfect orientation of the highly crystalline active material particles, but this phenomenon did not appear in Example 1-8. .

도 2A에 나타낸 실시예 3의 활물질은 구형이나 도 3A에 나타낸 비교예 2의 활물질은 린편상임을 알 수 있다. 또한, 도 2B의 실시예 3에 따른 극판과 도 3B의 비교예 2에 따른 극판은 상당히 다른 표면 상태를 나타냄을 알 수 있다. 이와 같이 실시예에 따른 활물질은 구형이므로 극판 충진 밀도가 높으며, 프레싱 공정시 완전 배향을 나타내는 비교예에 따른 활물질과는 달리, 결정성 탄소 입자의 랜덤 배향을 유도하여 고율 충방전 특성 및 수명 특성이 양호한 전지를 제공할 수 있다. 그 증거로서 표 1의 결과를 보면, 실시예 1-8의 전지가 비교예 1-2에 비해 우수한 고율 특성 및 수명 특성을 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 활물질의 향상된 고율 충방전 특성 및 수명 특성은 일차 입자들 사이에 형성된 마이크로포러스 채널에 의한 용이한 전해액 함침에도 일부 기인하는 것으로 생각된다. 여기서, 수명 특성은 50사이클 충방전 후의 용량을 초기 용량에 대한 퍼센트 비율로 나타낸 것이다.It is understood that the active material of Example 3 shown in FIG. 2A is spherical, but the active material of Comparative Example 2 shown in FIG. 3A is lean. In addition, it can be seen that the electrode plate according to Example 3 of FIG. 2B and the electrode plate according to Comparative Example 2 of FIG. 3B exhibit significantly different surface states. As described above, the active material according to the embodiment is spherical, so the electrode plate has a high packing density, and unlike the active material according to the comparative example, which exhibits perfect orientation during the pressing process, high-rate charge and discharge characteristics and lifetime characteristics are induced by inducing random orientation of crystalline carbon particles. A good battery can be provided. As a proof, the results of Table 1 show that the battery of Example 1-8 shows superior high rate characteristics and lifespan characteristics compared to Comparative Example 1-2. In addition, the improved high rate charge and discharge characteristics and lifespan characteristics of the active material according to the present invention are considered to be attributable in part to the easy electrolyte impregnation by the microporous channel formed between the primary particles. Here, the life characteristics represent the capacity after 50 cycles of charge and discharge as a percentage of the initial capacity.

표 1에서 보이는 바와 같이, 결정질 탄소 입자간에 비정질 탄소를 도입한 실시예 1-8이 비교예 1-2에 비해 충방전 효율 역시 우수함을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that Example 1-8, in which amorphous carbon is introduced between crystalline carbon particles, also has better charge and discharge efficiency than Comparative Example 1-2.

또한, 비교예 3의 경우, 비정질 피막 도입으로 효율 향상은 이룰 수 있었으나, 고율 특성 개선은 불가능하였으며 실시예 1-8이 비교예 3에 비해 우수한 충방전 특성을 보임을 알 수 있다.In addition, in the case of Comparative Example 3, the efficiency was improved by introduction of an amorphous coating, but it was impossible to improve the high-rate characteristics, and it can be seen that Examples 1-8 showed better charge and discharge characteristics than Comparative Example 3.

실시예 5, 비교예 2 및 비교예 3에서 제조한 활물질의 구조를 알기 위해 시차열분석(DTA)을 실시하였다. 승온 범위는 200-1000℃, 승온 속도는 10℃/분, 공기 분위기에서 시차열분석을 실시한 결과를 보면 실시예 5의 경우에는 700℃를 경계로 700℃ 이하에 비정질로 생각되는 피크 1개와 700℃ 이상에 결정질 피크로 생각되는 피크 1개가 존재하는 것으로 보아 조립-복합화 물질이 결정-비정질 복합 구조로 합성되었음을 확인할 수 있었다. 시차열분석 결과를 표 2에 나타내었다.Differential thermal analysis (DTA) was performed to know the structures of the active materials prepared in Example 5, Comparative Example 2 and Comparative Example 3. The temperature range is 200-1000 ° C, the temperature increase rate is 10 ° C / min, and the results of differential thermal analysis in an air atmosphere show that in Example 5, one peak and 700 which are considered to be amorphous below 700 ° C at the boundary of 700 ° C It was confirmed that one of the peaks thought to be crystalline peaks above 占 폚 showed that the granulated-composite material was synthesized into a crystalline-amorphous composite structure. The differential thermal analysis results are shown in Table 2.

제1 피크 위치(℃)First peak position (° C.) 제2 피크 위치(℃)2nd peak position (° C) 피크 갯수Number of peaks 실시예 5Example 5 674674 790790 22 비교예 2Comparative Example 2 -- 860860 1One 비교예 3Comparative Example 3 -- 848848 1One

표 2에서 보이는 바와 같이, 효율, 고율 및 수명 특성까지 전충방전 특성이 우수한 본 발명에 따른 음극 활물질의 경우 1000℃ 이하에서의 DTA 발열 피크가 2개가 존재함을 알 수 있다. 이는 탄화 공정후 잔존하는 비정질 탄소부가 린편상 또는 판상 결정 탄소의 랜덤 배향을 유지시켜 주고, 구형의 활물질 형상을 가능케 하는 것이다. 따라서, 시차열 분석시 피크가 비정질, 결정질로서 두 개가 존재하는 활물질이 본 발명의 효과를 극대화할 수 있는 활물질임을 알 수 있다.As shown in Table 2, it can be seen that there are two DTA exothermic peaks at 1000 ° C. or less in the negative electrode active material according to the present invention having excellent charge and discharge characteristics up to efficiency, high rate, and lifetime characteristics. This allows the amorphous carbon portion remaining after the carbonization process to maintain the random orientation of the lean flake or plate crystal carbon and enable the spherical active material shape. Accordingly, it can be seen that the active material having two peaks as amorphous and crystalline in the differential thermal analysis is an active material capable of maximizing the effect of the present invention.

본 발명에 따른 활물질은 구형이므로 극판 충진 밀도를 향상시킬 수 있고, 고결정성 고배향성 탄소 입자의 랜덤 배향이 유도되어 충방전시 극판의 일방향으로의 부피 팽창 및 수축을 최소화함으로써 전지의 수명 특성이 향상된다. 또한, 극판의 프레싱 공정시 무정형 또는 판상 활물질의 완전 배향을 억제함으로써 극판 밀도의 급증을 방지할 수 있다.Since the active material according to the present invention is spherical, the electrode plate density can be improved, and random orientation of highly crystalline high-orientation carbon particles is induced, thereby minimizing volume expansion and contraction in one direction of the electrode plate during charging and discharging, thereby improving battery life characteristics. do. In addition, by suppressing the perfect orientation of the amorphous or plate-like active material in the pressing step of the electrode plate, it is possible to prevent the sudden increase in the electrode plate density.

또한, 적정량의 비정질 탄소로 결정질 탄소를 코팅함으로써 전압 평탄성이 우수하며, 활물질 입자에 마이크로포러스 채널을 형성함으로써 전해액의 함침이 용이하여 고율 충방전 특성이 우수한 전지를 제공할 수 있다.In addition, by coating crystalline carbon with an appropriate amount of amorphous carbon, it is excellent in voltage flatness, and by forming a microporous channel in the active material particles, it is easy to impregnate the electrolyte solution, thereby providing a battery having excellent high rate charge / discharge characteristics.

아울러, 적정 입도 이하의 사용이 불가능한 결정질 탄소 입자를 적정 입도로 제어할 수 있으므로 생산성을 높이며, 활물질 제조 비용을 절감할 수 있다.In addition, since the crystalline carbon particles, which cannot be used below the appropriate particle size, can be controlled to an appropriate particle size, the productivity can be increased and the cost of manufacturing the active material can be reduced.

Claims (14)

하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자가 비정질 탄소로 코팅되어 있으며, 상기 비정질 탄소로 코팅된 일차 입자들이 조립(造粒)되어 실질적으로 구형인 이차 입자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질.At least one crystalline carbon primary particle is coated with amorphous carbon, the primary particles coated with the amorphous carbon are assembled to form a substantially spherical secondary particles, lithium-based battery negative electrode active material. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 탄소로 코팅된 일차 입자들 사이에는 마이크로포러스채널(microporoschannel)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein a microporos channel is formed between the primary particles coated with the amorphous carbon. 제 1항에 있어서, 상기 음극 활물질은 시차열분석(differential thermal analysis) 발열 피크가 1000℃ 이하에서 두 개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the negative active material has two or more differential thermal analysis exothermic peaks at 1000 ° C. or less. 제 1항에 있어서, 상기 결정질 탄소 일차 입자의 형상은 무정형, 판상, 린편상, 구형, 섬유형 또는 이들의 혼합 형태이며, 상기 결정질 탄소 일차 입자는 X-선 회절 분석시 (002) 플레인 층간 거리(d2)가 3.35-3.4Å이고 상기 비정질 탄소는 X-선 회절 분석시 (002) 플레인 층간 거리(d2)가 3.4-3.7Å인 리튬 계열 전지용 음극 활물질.The method of claim 1, wherein the shape of the crystalline carbon primary particles is amorphous, plate-like, lean piece, spherical, fibrous or a mixture thereof, the crystalline carbon primary particles are (002) plane interlayer distance during X-ray diffraction analysis (d 2 ) is 3.35-3.4 Å and the amorphous carbon has a (002) plane interlayer distance (d 2 ) of 3.4-3.7 Å in an X-ray diffraction analysis. 제 1항에 있어서, 상기 음극 활물질 이차 입자의 입경은 5-100㎛이며, 비표면적은 0.5-6㎡/g인 리튬 계열 전지용 음극 활물질.The negative electrode active material of claim 1, wherein the negative electrode active material secondary particles have a particle size of 5-100 μm and a specific surface area of 0.5-6 m 2 / g. 제 1항에 있어서, 상기 결정질 탄소 일차 입자의 평균 크기는 0.1-30㎛인 리튬 계열 전지용 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the average size of the crystalline carbon primary particles is 0.1-30 μm. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 탄소의 함량은 전체 활물질의 5-50중량%인 리튬 계열 전지용 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the amorphous carbon content is 5-50% by weight of the total active material. 비정질 탄소 전구체를 용매에 용해, 용융, 연화(softening) 또는 분산시켜서 비정질 탄소 전구체 용액을 제조하는 공정과;Preparing an amorphous carbon precursor solution by dissolving, melting, softening or dispersing the amorphous carbon precursor in a solvent; 상기 비정질 탄소 전구체 용액으로 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자를 코팅 및 조립(造粒)한 후, 구형화하여 이차 입자를 제조하는 공정; 및Coating and granulating one or more crystalline carbon primary particles with the amorphous carbon precursor solution, and then spheroidizing to prepare secondary particles; And 상기 구형화된 이차 입자를 탄화시키는 공정을 포함하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.Method for producing a negative active material for a lithium-based battery comprising the step of carbonizing the spherical secondary particles. 제 8항에 있어서, 상기 비정질 탄소 전구체는 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 석탄계 오일, 석유계 중질유 및 고분자 수지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.The method of claim 8, wherein the amorphous carbon precursor is selected from the group consisting of coal-based pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil and polymer resin. 제 8항에 있어서, 상기 용매는 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 헥산, 사이클로헥산 및 물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.The method of claim 8, wherein the solvent is selected from the group consisting of toluene, tetrahydrofuran, benzene, methanol, ethanol, hexane, cyclohexane, and water. 제 8항에 있어서, 상기 코팅 및 조립은 결정질 탄소 일차 입자를 비정질 탄소 전구체 용액으로 혼합 조립(mixing and agglomeration)시키거나, 결정질 탄소 입자에 비정질 탄소 전구체 용액을 분무 건조(spraying drying)시키거나, 분무 열분해(drying pyrolysis)시킴으로써 실시되는 것인 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.The method of claim 8, wherein the coating and granulation comprises mixing and agglomeration of the crystalline carbon primary particles into an amorphous carbon precursor solution, or spray drying or spraying an amorphous carbon precursor solution onto the crystalline carbon particles. A method for producing a negative electrode active material for a lithium-based battery, which is carried out by pyrolysis. 제 8항에 있어서, 상기 탄화 공정의 온도는 700-1400℃인 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.The method of claim 8, wherein the carbonization process has a temperature of 700-1400 ° C. 10. 제 8항에 있어서, 상기 탄화 공정 전 또는 소정의 크기를 가지는 활물질을 선별하기 위해 분쇄 및/또는 분급 공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.The method of claim 8, further comprising a pulverization and / or classification step for screening the active material having a predetermined size or before the carbonization process. 비정질 탄소 전구체를 용매에 용해, 용융, 연화(softening) 또는 분산시켜서 비정질 탄소 전구체 용액을 제조하는 공정; 및Dissolving, melting, softening or dispersing the amorphous carbon precursor in a solvent to prepare an amorphous carbon precursor solution; And 상기 비정질 탄소 전구체 용액으로 하나 이상의 결정질 탄소 일차 입자를 코팅 및 조립(造粒), 구형화하여 이차 입자를 제조하는 공정을 포함하는 리튬 계열 전지용 음극 활물질 제조 방법.A method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium-based battery, comprising the steps of coating, granulating, and spheroidizing one or more crystalline carbon primary particles with the amorphous carbon precursor solution to produce secondary particles.
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