KR100762796B1 - Manufacturing Method of Negative Active Material For Lithium Secondary Battery And Lithium Secondary Battery Comprising The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고용량 특성의 실리콘(Si) 재료와 전도성고분자, 특히 폴리아닐린(PAn)를 혼합하고 불활성 분위기하에서 탄화시키는 방법으로 실리콘에 탄소가 도포된 리튬 이차 전지 음극 활물질을 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 상기 음극활 물질을 음극전극에 포함하여, 탄소 스폰지의 탄소망에 의하여 전자전도가 원활하고, 공극에 의하여 리튬이온의 전도가 원활할 뿐만 아니라 실리콘재료의 부피 팽창을 완충하여 전지의 성능이 향상된 리튬 이차 전지를 제공한다. The present invention provides a method of manufacturing a lithium secondary battery negative electrode active material coated with silicon by mixing a high capacity silicon (Si) material and a conductive polymer, in particular polyaniline (PAn) and carbonizing in an inert atmosphere. In addition, by including the negative electrode active material in the negative electrode, the electronic conductivity is smooth by the carbon network of the carbon sponge, the conduction of lithium ions by the pores smoothly, and buffer the volume expansion of the silicon material to buffer the performance of the battery Provided is an improved lithium secondary battery.

리튬 이차 전지, 음극 활물질, 실리콘, 전도성 고분자, 폴리아닐린 Lithium secondary battery, negative electrode active material, silicon, conductive polymer, polyaniline

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법 및 이를 구비한 리튬 이차 전지{Manufacturing Method of Negative Active Material For Lithium Secondary Battery And Lithium Secondary Battery Comprising The Same}Manufacturing method of negative electrode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery having same {Manufacturing Method of Negative Active Material For Lithium Secondary Battery And Lithium Secondary Battery Comprising The Same}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 구성도,1 is a block diagram of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention,

도 2a 내지 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질 입도 분석에 관한 분포도,2a to 2d are distribution charts for the particle size analysis of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질의 합성 및 탄화에 의한 입도 변화도,3 is a change in particle size due to the synthesis and carbonization of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention,

도 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질의 XRD 회절분석 결과도,Figure 4a and 4b is an XRD diffraction analysis of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention,

도 5a 내지 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질의 FESEM 결과도,5A through 5D are FESEM results of the negative active material according to the exemplary embodiment of the present invention.

도 6a 내지 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 비용량 및 수명특성에 관한 도,6A to 6C are views illustrating specific capacity and life characteristics of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention;

도 7a 내지 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 초기 충방전 특성에 관한 도,7A to 7C are diagrams illustrating initial charge and discharge characteristics of a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention;

도 8a 내지 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 탈도핑 및 FEC 첨가에 의한 초기 충방전 특성에 관한 도,8A to 8D are diagrams illustrating initial charge and discharge characteristics by de-doping and adding FEC of a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention;

도 9a 내지 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 GISOC 시험을 통한 전위 특성에 관한 도,9A to 9C are diagrams illustrating potential characteristics through a GISOC test of a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention;

도 10a 내지 10c는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 방전용량에 따른 비가역비용량 특성에 관한 도,10a to 10c is a view of the irreversible specific capacity characteristics according to the discharge capacity of the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention,

도 11a 내지 11c는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 충전용량에 따른 비저항 특성에 관한 도,11A to 11C are diagrams for specific resistance characteristics according to charge capacity of a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention;

도 12a 내지 12f는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지의 탈도핑 및 FEC 첨가에 의한 GISOC 시험 특성에 관한 도이다.12A to 12F are diagrams illustrating GISOC test characteristics by de-doping and adding FEC of a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention.

** 도면의 주요부호에 대한 설명*** Description of the main symbols in the drawings *

1: 리튬 이차 전지 2: 음극1: lithium secondary battery 2: negative electrode

3: 양극 4: 세퍼레이터3: anode 4: separator

5: 전지용기 6: 봉입부재5: battery container 6: sealing member

본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법 및 이를 구비한 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성 고분자, 바람직하게는 열경화 성 고분자, 특히 폴리아닐린(PAn) 및 실리콘을 혼합한 후 탄화시켜 물리, 전기화학적 특성이 우수한 음극 활물질을 제조하는 방법 및 상기 음극 활물질을 포함하여 이루어진 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery having the same. More specifically, a conductive polymer, preferably a thermosetting polymer, in particular polyaniline (PAn) and silicon is mixed and carbonized The present invention relates to a method for producing a negative electrode active material having excellent physical and electrochemical properties, and to a lithium secondary battery including the negative electrode active material.

최근 전자, 정보통신 산업의 발전은 전자기기의 휴대화, 소형화, 경량화, 고성능화를 통하여 급속한 성장을 보이고 있다. 따라서 이들 휴대용 전자기기의 전원으로 고성능의 리튬이차전지로 채용되고 있으며, 수요가 급증하고 있다. 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 이차 전지는 정보통신을 위한 휴대용 전자기기나 전기자전거, 전기자동차 등의 전원으로 필수적이다. 특히 이들의 제품성능이 핵심부품인 전지에 의해 좌우되므로 고성능 전지에 대한 요구는 대단히 크다. 전지에 요구되는 특성은 충방전 특성, 수명, 고율 특성과 고온에서의 안정성 등 여러 가지 측면이 있으며 가장 많이 사용되고 있는 것이 리튬 이차 전지이다. Recently, the development of the electronic and information communication industry is showing rapid growth through the portable, miniaturized, lightweight, and high-performance electronic devices. Therefore, high-performance lithium secondary batteries are employed as power sources for these portable electronic devices, and demand is increasing rapidly. Secondary batteries used with repeated charging and discharging are essential as power sources for portable electronic devices, electric bicycles, and electric vehicles for information and communication. In particular, since their product performance depends on batteries, which are core components, the demand for high performance batteries is very large. The characteristics required for the battery include various aspects such as charge and discharge characteristics, lifespan, high rate characteristics, and stability at high temperatures, and lithium secondary batteries are most commonly used.

리튬 이차 전지는 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 가장 주목받고 있는 전지이며 전해질에 따라서 액체를 쓰는 액체형 전지, 액체와 폴리머를 혼용해서 쓰는 젤형 폴리머 전지와 순수하게 고분자만을 사용하는 고체형 폴리머 전지로 구분하기도 한다.Lithium secondary batteries are the ones that are attracting the most attention because they have high voltage and high energy density. They are liquid type batteries using liquids according to electrolytes, gel polymer batteries using a mixture of liquids and polymers, and solid polymer batteries using pure polymers. It can also be distinguished.

리튬 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 격리막(separator), 외장재 등으로 주로 구성된다. 양극은 전류집전체에 양극 활물질, 도전제와 바인더(binder) 등의 혼합물이 결착되어 구성된다. 양극 활물질로는 LiCoO2 , LiMn2O4 , LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬 전이금속 화합물이 주로 사용된다. 이들 물질들은 결정구조 내로 리튬이온이 삽입/탈리(intercalation/deintercalation)가 되면서 진행되는 전기화학적 반응 전위가 높다. The lithium secondary battery is mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, a packaging material, and the like. The positive electrode is formed by binding a mixture of a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder to a current collector. As the positive electrode active material, lithium transition metal compounds such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 are mainly used. These materials have a high electrochemical reaction potential that proceeds as intercalation / deintercalation of lithium ions into the crystal structure occurs.

음극 활물질은 리튬금속, 탄소 또는 흑연 등이 주로 사용되며 양극 활물질과는 반대로 전기화학적 반응 전위가 낮다. 전해질은 주로 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 등의 극성 유기용매에 LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6 , LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬이온을 포함하는 염을 용해시켜 사용한다. Lithium metal, carbon or graphite is mainly used as the negative electrode active material and has a low electrochemical reaction potential as opposed to the positive electrode active material. The electrolyte is mainly composed of LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN ( A salt containing lithium ions such as SO 2 C 2 F 5 ) 2 is dissolved and used.

양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 이온의 통로를 제공해주는 역할을 하는 격리막은 다공성 폴리에틸렌 등 폴리올레틴계 폴리머를 주로 사용한다. 전지의 내용물을 보호하며 전지외부로 전기적 통로를 제공하는 외장재로는 금속캔 또는 알루미늄과 몇 겹의 폴리머층으로 구성된 포장재를 주로 사용한다.As the separator which electrically insulates the positive electrode and the negative electrode and provides a passage of ions, a polyoletin-based polymer such as porous polyethylene is mainly used. As an exterior material that protects the contents of the battery and provides an electrical passage to the outside of the battery, a metal can or a packaging material composed of aluminum and several layers of polymer layers is mainly used.

액체를 전해질로 쓰는 리튬이온 2차 전지는 과충전이나 기타 부주의한 사용으로 인해 화재나 폭발의 위험성을 갖고 있다. 이러한 안전성의 문제와 더욱 얇고 자유로운 형태의 전지를 제조하기 위해 폴리머를 전해질로 사용하는 리튬이온 폴리머 전지의 개발이 많이 진행되고 있다. 리튬이온 폴리머 전지는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 등의 고분자 물질들의 메트릭 스 내에 액체 전해질을 함침시킨 형태로 구성된다. 따라서, 액체 전해질의 누액 위험이 적고 금속캔 대신 알루미늄박과 폴리머층들로 구성된 포장재를 사용할 수 있어 얇으면서도 형태를 자유롭게 할 수 있는 이점을 갖게 되는 것이다.Lithium-ion secondary batteries that use liquids as electrolytes present a risk of fire or explosion due to overcharging or other careless use. In order to manufacture such a safety problem and a thinner and free battery, there are many developments of a lithium ion polymer battery using a polymer as an electrolyte. The lithium ion polymer battery is constructed by impregnating a liquid electrolyte in a matrix of polymer materials such as polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, and polyacrylonitrile. Therefore, there is less risk of leakage of the liquid electrolyte, and instead of a metal can, a packaging material composed of aluminum foil and polymer layers can be used, thereby having an advantage of being thin and free of shapes.

리튬 이차 전지는, 충전 및 방전의 반복적인 조작으로 직류전력을 저장하고, 필요에 따라서 외부로 직류를 공급할 수 있도록 하는 전지로서 사용되고 있다. 이러한 이차 전지는 양극과 음극이 전해액을 사이에 두고 동일한 케이싱내에 위치되며, 이들 전극은 외부부하와 연결됨으로 전류의 흐름이 이루어질 수 있는 구성을 갖는다. 이와 같은 작용을 위하여 상기한 양극과 음극에는, 외부회로로 전기 에너지를 발생시켜 내보내기 위한 화학물질로서의 기능을 하는 이른바 활물질이 코팅 또는 캐스팅된다. 이러한 활물질은 전극부재에 균일하게 도포되어야 전지의 성능을 향상시킬 수 있으므로 활물질의 도포는 전지의 성능에 많은 영향을 주며 활발한 연구가 진행되고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION A lithium secondary battery is used as a battery that stores DC power by repetitive operations of charging and discharging and can supply DC to the outside as needed. Such a secondary battery has a configuration in which a positive electrode and a negative electrode are positioned in the same casing with an electrolyte therebetween, and these electrodes are connected to an external load so that current can flow. To this end, the positive electrode and the negative electrode are coated or cast with a so-called active material which functions as a chemical substance for generating and exporting electrical energy to an external circuit. Since the active material may be uniformly applied to the electrode member to improve the performance of the battery, the application of the active material has a great effect on the performance of the battery and active research is being conducted.

음극재료는 비약적인 비용량의 향상이 진행되고 있다. 현재의 흑연재료는 이론비용량이 372 mAh/g 으로서 밀도가 2.62 g/ml인 재료이지만, 근래 개발 중인 실리콘의 경우 이론용량 4200 mAh/g의 현격히 높은 값을 가지며 밀도도 2.33 g/ml 이다. 리튬 인터컬레이션 전위 또한 흑연과 유사한 특징을 나타낸다. Significant improvements in the specific amount of the cathode material have been made. The current graphite material has a theoretical specific capacity of 372 mAh / g and a density of 2.62 g / ml. However, in the case of silicon under development, the graphite material has a significantly higher value of 4200 mAh / g and has a density of 2.33 g / ml. Lithium intercalation potential also shows similar characteristics as graphite.

그러나, 실리콘을 음극 활물질로 사용할 경우 전기전도도가 반도체 영역인 ~10-4 s/cm로서 낮고, 리튬 삽입으로 인하여 297 %(Li21Si5)까지 부피팽창이 일어나는 문제점을 안고 있다. However, when silicon is used as a negative electrode active material, the electrical conductivity is low as ˜10 −4 s / cm, which is a semiconductor region, and has a problem that volume expansion occurs up to 297% (Li 21 Si 5 ) due to lithium insertion.

또한, 최근에 리튬 이차 전지의 음극 재료로서, 흑연에 실리콘화합물의 분말을 단순히 혼합한 재료가 제안되고 있으나 단순히 혼합한 재료는 흑연과 실리콘화합물이 반드시 밀착되어 있지 않기 때문에, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 흑연이 팽창 및 수축했을 때에 규소화합물이 흑연으로부터 유리되며, 이 규소화합물 자체가 전자전도성이 낮기 때문에, 규소화합물이 음극 활물질로서 충분히 이용되지 않게 되어, 리튬 이차 전지의 사이클특성이 저하된다는 문제점이 있다.In addition, recently, as a negative electrode material of a lithium secondary battery, a material in which graphite is simply mixed with a silicon compound powder has been proposed, but since the graphite and silicon compound are not necessarily in close contact with each other, the charge and discharge cycle proceeds. Therefore, when the graphite expands and contracts, the silicon compound is released from the graphite, and since the silicon compound itself has low electron conductivity, the silicon compound is not sufficiently used as a negative electrode active material, and the cycle characteristics of the lithium secondary battery are deteriorated. have.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로,The present invention is to solve the above problems,

고용량 특성의 실리콘(Si) 재료와 보다 상세하게는 전도성 고분자, 바람직하게는 열경화성 고분자, 특히 폴리아닐린(PAn) 및 실리콘을 혼합하고 불활성 분위기하에서 탄화시키는 방법으로 실리콘에 탄소가 도포된 리튬 이차 전지 음극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Lithium secondary battery negative electrode active material coated with silicon by mixing a high capacity silicon (Si) material with a conductive polymer, preferably a thermosetting polymer, particularly polyaniline (PAn) and silicon and carbonizing in an inert atmosphere It is an object to provide a method for producing a.

또한, 상기 음극활 물질을 음극전극에 포함하여, 탄소 스폰지의 탄소망에 의하여 전자전도가 원활하고, 공극에 의하여 리튬이온의 전도가 원활할 뿐만 아니라 실리콘재료의 부피 팽창을 완충하여 전지의 성능이 향상된 리튬 이차 전지를 제공 하는 것을 목적으로 한다.In addition, by including the negative electrode active material in the negative electrode, the electronic conductivity is smooth by the carbon network of the carbon sponge, the conduction of lithium ions by the pores smoothly, and buffer the volume expansion of the silicon material to buffer the performance of the battery It is an object to provide an improved lithium secondary battery.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,

전도성 고분자와 실리콘의 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 탄화로에서 탄화시켜 상기 실리콘 표면에 탄소가 도포되도록 하는 탄화단계;를 포함하여 이루어지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.Preparing a mixture of conductive polymer and silicon; And a carbonization step of carbonizing the mixture in a carbonization furnace to apply carbon to the silicon surface.

또한, 상기 전도성 고분자는 열경화성 고분자인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the conductive polymer provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the thermosetting polymer.

또한, 상기 전도성 고분자는 염산을 이용하여 도핑한 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the conductive polymer provides a method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that the doped with hydrochloric acid.

또한, 상기 혼합물을 제조하는 단계는, 상기 전도성 고분자의 모노머와 실리콘을 포함하는 혼합액을 제조한 후에 상기 모노머를 중합시키고 건조하여 전도성 고분자와 실리콘의 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.The preparing of the mixture may include preparing a mixed solution including the monomer and the silicon of the conductive polymer, polymerizing and drying the monomer to prepare a mixture of the conductive polymer and the silicon. It provides a method of manufacturing.

또한, 상기 탄화단계는 비활성가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the carbonization step provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that performed in an inert gas atmosphere.

또한, 상기 비활성가스는 아르곤(Ar) 가스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the inert gas provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the argon (Ar) gas.

또한, 상기 탄화단계는 900~1100℃의 범위내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the carbonization step provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that performed in the range of 900 ~ 1100 ℃.

또한, 상기 탄화단계 후에, 상기 탄소가 도포된 실리콘을 미세하게 분쇄하는 분쇄단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, after the carbonization step, it provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it further comprises a grinding step of finely pulverizing the carbon coated silicon.

또한, 상기 전도성고분자와 실리콘의 중량비는 20~70: 80~30의 범위내, 보다 바람직하게는 40~60: 60~40의 범위내인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the weight ratio of the conductive polymer and the silicon is in the range of 20 to 70: 80 to 30, more preferably in the range of 40 to 60: 60 to 40 provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery do.

또한, 상기 실리콘은 평균입경이 40㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the silicon provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the average particle diameter is 40㎛ or less.

또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PAn)인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the conductive polymer provides a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the polyaniline (PAn).

본 발명은 또한, 음극 활물질을 포함하는 음극과 양극 활물질을 포함하는 양극 및 이온전도체를 구비한 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 음극 활물질은 전도성고분자를 이용한 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 기재된 제조방법에 따라 제조된 음극 활물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery having a negative electrode including a negative electrode active material and a positive electrode and an ion conductor including a positive electrode active material, wherein the negative electrode active material is any one of claims 1 to 10 using a conductive polymer. It provides a lithium secondary battery comprising a negative electrode active material prepared according to the manufacturing method described in.

또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PAn)인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the conductive polymer provides a lithium secondary battery, characterized in that the polyaniline (PAn).

또한, 상기 음극은 도전재인 카본 블랙(Super P Black)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the negative electrode provides a lithium secondary battery, further comprising carbon black (Super P Black) as a conductive material.

또한, 상기 음극은 바인더인 카르복시메틸셀룰로스(CMC)와 구리집전체를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the negative electrode provides a lithium secondary battery, characterized in that the binder further comprises a carboxymethyl cellulose (CMC) and a copper current collector.

또한, 상기 이온전도체는 전해액 또는 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the ion conductor provides a lithium secondary battery, characterized in that the electrolyte or polymer electrolyte.

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

먼저, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 설명한다.First, the manufacturing method of the negative electrode active material for lithium secondary batteries according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법은, 전도성 고분자, 바람직하게는 열경화성 고분자, 특히 폴리아닐린(PAn)과 실리콘의 혼합물을 제조하는 단계, 및 상기 혼합물을 탄화로에서 탄화시켜 상기 실리콘 표면에 탄소가 도포되도록 하는 탄화단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the invention, the step of preparing a conductive polymer, preferably a thermosetting polymer, in particular a mixture of polyaniline (PAn) and silicon, and carbonizing the mixture in a carbonization furnace on the surface of the silicon Characterized in that it comprises a; carbonization step to be applied to the carbon.

상기 전도성 고분자는, 제한되지 않으나 열경화성 고분자인 것이 바람직하다. 특히, 폴리아닐린(PAn)이 좋다. 열경화성 고분자의 경우에는 열가소성 고분자에 비하여 탄화시 보다 다공성의 폼(Form)을 형성하는 특징을 가지며, 탄화과정에서 고분자의 용융이 없으므로 입자간의 연결(Aggromeration)이 일어나지 않아 별도의 분쇄공정을 가지지 않아도 되는 장점이 있다.The conductive polymer is not limited but is preferably a thermosetting polymer. In particular, polyaniline (PAn) is preferable. The thermosetting polymer has a feature of forming a more porous form when carbonizing than the thermoplastic polymer. Since there is no melting of the polymer during carbonization, no agglomeration occurs between particles, and thus no separate grinding process is required. There is an advantage.

상기 전도성 고분자의 예로, 폴리아닐린(PAn), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiophene) 등이 열거될 수 있다. 상기 전도성 고분자는 염산 등을 이용하여 도핑된 전도성 고분자일 수 있다.Examples of the conductive polymer may include polyaniline (PAn), polyacetylene (Polyacetylene), polypyrrole (polypyrrole), polythiophene (Polythiophene) and the like. The conductive polymer may be a conductive polymer doped with hydrochloric acid or the like.

상기 전도성 고분자와 실리콘을 고르게 혼합하는 방법은 제한되지 않으며, 다음의 방법으로 혼합할 수 있다.The method of evenly mixing the conductive polymer and the silicon is not limited and may be mixed by the following method.

우선, 전도성 고분자를 첨가하고 완전히 용해될 때까지 교반한다. 상기 용매는 제한되지 않으며 바람직하기로는 유기용매, 특히 물 또는 아세톤인 것이 바람직하다. 상기 교반시간은 제한되지 않으며 바람직하기로는 20분 ~ 2시간이 좋다.First, the conductive polymer is added and stirred until completely dissolved. The solvent is not limited and is preferably an organic solvent, in particular water or acetone. The stirring time is not limited and preferably 20 minutes to 2 hours.

상기 전도성 고분자와 실리콘의 중량비는 제한되지 않으나 20~70: 80~30의 범위내인 것이 바람직하며 특히 40~60: 60~40의 범위내인 것이 바람직하다. 후술할 실험 결과에 따르면, 약 50:50의 조성비에서 가장 우수하였다.The weight ratio of the conductive polymer and the silicon is not limited, but is preferably in the range of 20 to 70: 80 to 30, particularly preferably in the range of 40 to 60: 60 to 40. According to the experimental results to be described later, the best at a composition ratio of about 50:50.

그 후, 상기 용액에 실리콘을 첨가하여 교반한 후 건조하여 혼합물을 얻는다. 실리콘 입자의 평균입경은 제한되지 않으나 40 ㎛, 보다 바람직하기로는 1~20 ㎛가 좋다. 상기 교반시간은 제한되지 않으며 바람직하기로는 20분 ~ 2시간이 좋다.Thereafter, silicon is added to the solution, stirred, and dried to obtain a mixture. Although the average particle diameter of a silicon particle is not restrict | limited, 40 micrometers, More preferably, 1-20 micrometers is preferable. The stirring time is not limited and preferably 20 minutes to 2 hours.

보다 바람직하기로는, 상기 전도성 고분자의 모노머와 실리콘을 포함하는 혼합액을 제조한 후에 상기 모노머를 중합시키고 건조하여 전도성 고분자와 실리콘의 혼합물을 제조하는 것이 좋다. 상기 혼합액에는 도핑을 위해 염산이 포함될 수 있다.More preferably, after preparing a mixed solution containing the monomer and silicon of the conductive polymer, the monomer is polymerized and dried to prepare a mixture of the conductive polymer and silicon. The mixed solution may include hydrochloric acid for doping.

즉, 염산이 포함된 용매가 들어 있는 비이커에 실리콘(2~5㎛의 Atlantic equipment engineers)과 전도성 고분자 모노머를 넣고 교반하고, 본 발명의 기술분야에서 알려진 전도성 고분자의 중합방법에 따라, 중합개시제 또는 중합촉매제를 첨가하고 필요에 따라 열 또는 자외선을 조사하여 중합반응시킨다. 반응이 종료 후 증류수와 아세톤을 이용하여 수회 세척하고 100℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 전도성고분자-실리콘 혼합물을 제조할 수 있다. 상기 방법을 통하여 보다 고르게 혼합물이 형성될 수 있다. 상기 전도성 고분자와 실리콘의 중량비는 제한되지 않으나 20~70: 80~30의 범위내가 되도록 함이 바람직하며 특히 40~60: 60~40의 범위내인 것이 바람직하다. 후술할 실험 결과에 따르면, 약 50:50의 조성비에서 가장 우수하였다. 또한, 염산이 포함된지 않은 용매를 사용하여 염산 탈도핑된 전도성 고분자를 이용할 수 있으며 혹은 암모니아 수용액을 이용하여 중성이 될 때까지 세척하여 염산을 제거하여 염산 탈도핑된 전도성 고분자를 이용할 수 있다. That is, silicon (2-5 μm Atlantic equipment engineers) and a conductive polymer monomer are added to a beaker containing a solvent containing hydrochloric acid and stirred, and according to a polymerization method of a conductive polymer known in the art, a polymerization initiator or A polymerization catalyst is added and polymerization is carried out by irradiating heat or ultraviolet rays as necessary. After completion of the reaction, the mixture is washed several times with distilled water and acetone and dried in a vacuum oven at 100 ° C. for 24 hours to prepare a conductive polymer-silicon mixture. Through this method, the mixture can be formed more evenly. Although the weight ratio of the conductive polymer and the silicon is not limited, it is preferable to be in the range of 20 to 70: 80 to 30, particularly preferably in the range of 40 to 60: 60 to 40. According to the experimental results to be described later, the best at a composition ratio of about 50:50. In addition, a hydrochloric acid dedoped conductive polymer may be used using a solvent that does not contain hydrochloric acid, or the hydrochloric acid dedoped conductive polymer may be used by removing the hydrochloric acid by washing until it is neutral with an aqueous ammonia solution.

다음, 상기의 과정을 통해 제조된 전도성고분자-실리콘 혼합물을 탄화로에 넣고 탄화시켜 간단한 방법으로 실리콘 표면에 탄소가 도포된 음극 활물질을 제조할 수 있다. 상기 방법은 화학기상증착법이 기상으로 탄소재료를 실리콘 재료를 포함한 전기로 안으로 날려 보내야 하므로 증착이 균일하지 못하고, 대량으로 처리하기가 어려우며, 공정이 복잡한 단점이 있으나, 본 발명에 따른 탄화를 통한 제조방법은 탄화전에 미리 재료를 균일하게 혼합하여 탄화시키므로 재료가 균일하게 도포되고, 대량으로 제조하기가 용이하고 공정이 간단하여 제조가 용이한 장점이 있다.Next, the conductive polymer-silicon mixture prepared by the above process is put into a carbonization furnace and carbonized to prepare a negative electrode active material coated with carbon on the silicon surface by a simple method. In the above method, since the chemical vapor deposition method has to blow carbon material into an electric furnace including silicon material in the gas phase, deposition is not uniform, it is difficult to process in large quantities, and the process is complicated. The method is characterized in that the material is uniformly mixed before carbonization and carbonized, so that the material is uniformly applied, easy to manufacture in large quantities, and simple to manufacture, which is easy to manufacture.

상기 탄화단계는 비활성가스의 분위기하에서 수행하는 것이 바람직하며, 비활성가스로는 아르곤가스를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 탄화시간은 제 한되지 않으나 1 ~ 3시간이 바람직하며, 탄화 온도로는 900~ 1100℃, 특히 약 1000℃에서 수행하는 것이 바람직하다. The carbonization step is preferably carried out in an atmosphere of inert gas, it is particularly preferable to use argon gas as the inert gas. In addition, the carbonization time is not limited, but is preferably 1 to 3 hours, the carbonization temperature is preferably carried out at 900 ~ 1100 ℃, especially about 1000 ℃.

상기 탄화단계 이후에, 얻어진 실리콘 표면에 탄소가 도포된 음극 활물질을 유발을 이용하여 미세하게 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the carbonization step, it may further include the fine grinding of the negative electrode active material coated with carbon on the silicon surface obtained by using a mortar.

상기의 과정을 통해 제조된 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질의 물리적 특성을 측정하였으며 그 측정결과를 후술할 실시예 1 및 실험예 1에서 보다 상세하게 설명한다.Physical properties of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention prepared by the above process was measured and the measurement results will be described in more detail in Example 1 and Experimental Example 1 which will be described later.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질을 구비한 리튬 이차 전지를 상세히 설명한다.Hereinafter, a lithium secondary battery having a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 음극 활물질을 구비한 리튬 이차 전지는, 음극 활물질을 포함하는 음극과 양극 활물질을 포함하는 양극 및 이온전도체를 구비한 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 음극 활물질은 전술한 제조방법에 따라 제조된 음극 활물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 전술한 제조방법에 따라 제조된 음극 활물질을 제외한 나머지 구성은 본 기술분야에서 알려진 구성을 제한되지 않고 선택하여 적용할 수 있다. 바람직하기로는, 상기 음극은 도전재인 카본 블랙(Super P Black)을 더 포함할 수 있으며, 상기 음극은 바인더인 카르복시메틸셀룰로스(CMC) 와 구리집전체를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 이온전도체는 전해액 또는 고분자 전해질일 수 있다.A lithium secondary battery having a negative electrode active material according to the present invention is a lithium secondary battery having a negative electrode including a negative electrode active material and a positive electrode and an ion conductor including a positive electrode active material, wherein the negative electrode active material is prepared according to the above-described manufacturing method It characterized by comprising a negative electrode active material. Except for the negative active material manufactured according to the above-described manufacturing method, the remaining components can be selected and applied without limiting the configurations known in the art. Preferably, the negative electrode may further include carbon black (Super P Black) as a conductive material, and the negative electrode may further include a carboxymethyl cellulose (CMC) and a copper current collector as a binder. In addition, the ion conductor may be an electrolyte solution or a polymer electrolyte.

본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지는 전술한 음극 활물질 이외에도 본 발명의 기술분야에서 알려진 음극 활물질을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 즉 제한되지 않으나, 리튬금속, 탄소 또는 흑연 등을 더 포함할 수 있다. 음극 활물질은 자세히 전술하였으므로 설명을 생략한다.The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include a negative electrode active material known in the art, in addition to the above-described negative electrode active material. That is, although not limited, it may further include lithium metal, carbon or graphite. Since the negative electrode active material has been described above in detail, a description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시 형태인 리튬 이차 전지(1)를 나타낸 것이다. 리튬 이차 전지(1)는 음극(2), 전극(3), 상기 음극(2)과 양극(3) 사이에 배치된 세퍼레이터(4), 상기 음극(2), 양극(3) 및 세퍼레이터(4)에 함침된 이온전도체와, 전지 용기(5)와, 전지 용기(5)를 봉입하는 봉입부재(6)를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 도 1에 도시된 리튬 이차 전지의 형태는 원통형이나 이외에 원통형, 각형, 코인형, 또는 쉬트형 등의 다양한 형상으로 될 수 있다.1 shows a lithium secondary battery 1 which is an embodiment of the present invention. The lithium secondary battery 1 includes a negative electrode 2, an electrode 3, a separator 4 disposed between the negative electrode 2 and the positive electrode 3, the negative electrode 2, the positive electrode 3, and the separator 4. ), The ion conductor impregnated in the ()), the battery container (5), and the sealing member (6) for sealing the battery container (5) as a main portion. The shape of the lithium secondary battery illustrated in FIG. 1 may be in a cylindrical shape, but in addition, various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a sheet shape, and the like.

상기 양극(3)은 양극 활물질, 도전재 및 바인더로 이루어진 양극 합제를 구비하여 된 것이다. 양극 활물질로는 리튬을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션 할 수 있는 화합물로 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFeO2 , V2O5, TiS, MoS 등이 있다. The positive electrode 3 is provided with a positive electrode mixture composed of a positive electrode active material, a conductive material and a binder. The positive electrode active material is a compound capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium, such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, MoS, and the like.

세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 다공질 필름을 사용할 수 있다.As the separator, an olefin porous film such as polyethylene or polypropylene can be used.

상기 이온전도체는, 전해액으로 프로필렌 카보네이트(이하, PC), 에틸렌 카보네이트(이하 EC), 부틸렌 카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸 테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥솔란, 4-메틸디옥솔란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세토아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디메틸 카보네이트(이하, DMC), 에틸메틸 카보네이트(이하, EMC), 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸이소프로필 카보네이트, 에틸부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디이소프로필카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 등의 비프로톤성 용매, 또는 이들 용매 중 2종 이상을 혼합한 혼합 용매에, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6 , LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬염으로 이루어진 전해질 1종 또는 2종 이상을 혼합시킨 것을 용해한 것을 사용할 수 있다.The ion conductor may be propylene carbonate (hereinafter referred to as PC), ethylene carbonate (hereinafter referred to as EC), butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxane, and the like. Solan, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetoamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, dimethyl carbonate ( Hereinafter, DMC), ethyl methyl carbonate (hereinafter EMC), diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl butyl carbonate, dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, dimethyl ether LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (S) in an aprotic solvent such as or a mixed solvent of two or more of these solvents mixed. O 2 C 2 F 5) may be used that prepared by dissolving a mixture of the electrolyte alone or in combination of two or more made of a lithium salt of 2, and so on.

또한 상기 전해액 대신에 고분자 고체 전해질을 사용하여도 좋으며, 이 경우는 리튬이온에 대한 이온도전성이 높은 고분자를 사용하는 것이 바람직하고, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌이민 등을 사용할 수 있고, 또한 이것의 고분자에 상기 용매와 용질을 첨가하여 겔상으로 한 것을 사용할 수도 있다.In addition, a polymer solid electrolyte may be used instead of the electrolyte solution. In this case, it is preferable to use a polymer having high ion conductivity with respect to lithium ions, and polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethyleneimine and the like can be used. The solvent and the solute may be added to the polymer of to form a gel.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1><Example 1>

음극 활물질을 제조하기 위하여, 증류수와 염산 혼합용액이 들어 있는 비이커에 실리콘(2~5㎛의 Atlantic equipment engineers)과 아닐린(C6H7N, Aldrich) 단분자를 넣고 약 10분간 교반하여 아닐린 용액을 만들고, 미리 준비한 증류수와 황산의 혼합용액을 첨가하여 약 10분간 교반 후 증류수에 과산화이황산암모늄((NH4)2S2O8, Aldrich)을 용해시킨 용액을 제조하여 약 7시간동안 적하 교반시켜 반응시킨다. 이때 얼음을 이용하여 -5℃~0℃로 유지하였다. 반응이 종료 후 증류수와 아세톤을 이용하여 수회 세척하고 100℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 실리콘-폴리아닐린 복합물을 제조하였다. 실리콘과 폴리아닐린의 중량비는 70/30, 50/50 으로 제조하였다. 또한 70/30의 중량비로 제조한 실리콘-폴리아닐린 복합물 중 일부는 28% 암모니아수용액(NH4OH)을 이용하여 여액이 중성이 될 때까지 여러 번 증류수로 세척하여 염산의 탈도핑 과정을 거쳤다. 이렇게 제조한 혼합물을 아르곤가스 분위기의 탄화로에서 약 2시간 동안 1000 ℃로 탄화하고 냉각하였으며, 유발을 이용하여 미세하게 분쇄하였다. In order to prepare the negative electrode active material, a beaker containing distilled water and hydrochloric acid mixed solution was added with a single molecule of silicon (2-5 μm Atlantic equipment engineers) and aniline (C 6 H 7 N, Aldrich), followed by stirring for about 10 minutes. Then, a mixture of distilled water and sulfuric acid prepared in advance was added and stirred for about 10 minutes. Then, a solution in which ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 , Aldrich) was dissolved in distilled water was added dropwise for about 7 hours. To react. At this time, it was maintained at -5 ℃ ~ 0 ℃ using ice. After the reaction was completed, washed several times with distilled water and acetone and dried for 24 hours in a vacuum oven at 100 ℃ to prepare a silicone-polyaniline complex. The weight ratio of silicone and polyaniline was prepared in 70/30 and 50/50. In addition, some of the silicon-polyaniline composites prepared at a weight ratio of 70/30 were washed with distilled water several times until the filtrate was neutralized with 28% aqueous ammonia solution (NH 4 OH), followed by de-doping of hydrochloric acid. The mixture thus prepared was carbonized and cooled at 1000 ° C. for about 2 hours in an argon gas atmosphere carbonized furnace, and finely ground using mortar.

<실험예 1>Experimental Example 1

상기 방법으로 제조한 음극 활물질의 물리적 특성을 측정하기 위하여 제조된 활물질 입자의 평균입도를 분석하고(mastersizer, 0.3 ~ 300㎛, malvern, U.K.), XRD(Philips, PW1830, 0.04 2θ/sec, 10 ~ 120°), FESEM(Hitachi, s-4800)의 측정을 통하여 활물질의 구성과 형태의 물리적 특성을 확인하였다. To measure the physical properties of the negative electrode active material prepared by the above method, the average particle size of the prepared active material particles was analyzed (mastersizer, 0.3 to 300 μm, malvern, UK), and XRD (Philips, PW1830, 0.04 2θ / sec, 10 to 120 °), FESEM (Hitachi, s-4800) was measured to confirm the physical properties of the composition and form of the active material.

실험결과, 본 발명에 따른 음극활물질은 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 PAn의 함량에 따라 평균 입도가 약 1.2㎛, 10㎛로 증가 하였으며 탈도핑 유무에 따라 약 10㎛, 12㎛로 입도의 차이를 나타내었다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 70/30의 함량에서 실리콘에 PAn이 코팅되어 입도가 커지다 다시 탄화과정을 거치면서 PAn이 수축하여 다소 작아지는 것을 확인할 수 있었다. As a result, the negative electrode active material according to the present invention has an average particle size increased to about 1.2㎛, 10㎛ according to the content of PAn as shown in Figures 2a to 2d and the particle size of about 10㎛, 12㎛ depending on the presence or absence of doping The difference is shown. In addition, as shown in FIG. 3, it was confirmed that PAn is coated on the silicon at a content of 70/30, and thus the particle size is increased, and the PAn shrinks slightly while undergoing carbonization again.

도 4a 및 도 4b에 도시된 XRD 회절분석결과는 결정질 실리콘의 특징적인 peak들을 확인 할 수 있다. 그러나 그림의 intensity 값을 로그 scale로 나타내면 도 4b에서와 같이 탄소재료의 공존을 용이하게 확인할 수 있다. 2θ 값이 20도인 영역에서 저결정성의 탄소가 Si의 특성 peak와 함께 나타남을 알 수 있다. 평균 면간거리는 1.54056Å의 λ값을 적용하면 4.037Å으로 흑연화도 0의 저결정성을 나타내었다. XRD diffraction analysis results shown in Figures 4a and 4b can confirm the characteristic peaks of the crystalline silicon. However, when the intensity value of the figure is expressed on a log scale, the coexistence of the carbon material can be easily confirmed as shown in FIG. 4B. It can be seen that low crystalline carbon appears with the characteristic peak of Si in the region where the 2θ value is 20 degrees. The average interplanar spacing was 4.037Å when the lambda value of 1.54056Å was applied, indicating low crystallinity of zero graphitization degree.

도 5a 내지 도 5d에 도시된 SEM 분석 결과와 같이 PAn의 탈도핑 유무와 관계없이 탄소가 실리콘 표면에 도포되는 것을 확인할 수 있었으며, 함량이 증가할수록 탄소의 양이 증가하는 것을 확인하였다. 도 5a는 탄화되지 않은 실리콘의 형성을 나타낸 것이다. 그리고 도 5b 및 5c는 PAn 30 중량%를 사용한 재료의 탈도핑 유무에 따른 실리콘 표면 형상이며, 그림 5d는 PAn 50 wt.%를 사용한 재료의 실리콘 표면 형상을 나타내었다. 도시된 바와 같이 탄소재료가 실리콘 표면을 감싸고 있음을 확인할 수 있다. As shown in the SEM analysis results shown in FIGS. 5A to 5D, it was confirmed that carbon was applied to the silicon surface regardless of PA doping or not, and the amount of carbon increased as the content was increased. 5A shows the formation of non-carbonized silicon. 5b and 5c show silicon surface shapes with and without de-doping of materials using 30 wt% PAn, and FIG. 5d shows silicon surface shapes of materials using 50 wt.% PAn. As shown, it can be seen that the carbon material surrounds the silicon surface.

<실시예 2><Example 2>

본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 제조는 다음과 같다. 전극의 제작은 실시예 1로부터 제조된 음극활물질 92 중량%와 결합제인 CMC(carboxymethyl cellulose 1.2 중량%용액) 4 중량%를 먼저 혼합하여 고속 교반하고(6000 rpm) SBR(styrene butadiene rubber 40 중량%용액) 4 중량%를 첨가하여 9000 rpm으로 다시 교반하여 음극 합제를 제조하고, 구리 집전체에 도포하여 110 ℃ 건조기에서 30분간 건조하였다. 제조한 음극을 트윈롤러(twin roller)을 이용하여 전극 밀도 1.5~1.6 g/cm3로 압착하고 60 ℃에서 24 시간 진공건조 후 실험에 사용하였다. 시험용 전지의 제작은 작동전극(working electrode)로 Si-C 극판을 사용 하였고, 리튬금속(Li metal)을 상대전극(counter electrode)으로 이용하여 코인형 전지(cell)를 제작하였다. 전해액은 1.0 M LiPF6 + EC:DMC:EMC:PC (4:3:3:1 부피비)와 Fluoro Ethylene Carbonate(FEC) 5 중량%를 첨가한 전해액을 사용하였다. 상기 제조된 리튬 이차 전지는 24 시간 상온에서 에이징(aging)을 행하였다.Preparation of a lithium secondary battery according to the present invention is as follows. The electrode was prepared by first mixing 92 wt% of the negative electrode active material prepared in Example 1 with 4 wt% of a binder (CMC (carboxymethyl cellulose 1.2 wt% solution), followed by high speed stirring (6000 rpm), and then 40 wt% solution of styrene butadiene rubber (SBR). 4% by weight was added and stirred again at 9000 rpm to prepare a negative electrode mixture, which was applied to a copper current collector and dried in a 110 ° C. dryer for 30 minutes. The prepared negative electrode was pressed at an electrode density of 1.5 to 1.6 g / cm 3 using a twin roller, and used in an experiment after vacuum drying at 60 ° C. for 24 hours. The fabrication of the test cell used Si-C electrode plate as the working electrode, A coin cell was fabricated using lithium metal as a counter electrode. Electrolyte is 1.0 M LiPF 6 + Electrolyte solution to which EC: DMC: EMC: PC (4: 3: 3: 1 volume ratio) and 5% by weight of Fluoro Ethylene Carbonate (FEC) was added was used. The prepared lithium secondary battery was aged at room temperature for 24 hours.

<비교예>Comparative Example

본 발명에 따른 음극활물질과 순수 실리콘 활물질과의 비교를 위하여 실리콘을 활물질로 단독 사용하여 Si/Li cell을 제작하고 cycle 시험 및 GISOC 시험을 행하였다. 전지의 제조는 전술한 실시예 2의 방법으로 제조하였다.  In order to compare the negative electrode active material and the pure silicon active material according to the present invention, a Si / Li cell was manufactured using silicon alone as an active material, and a cycle test and a GISOC test were performed. The battery was manufactured by the method of Example 2 described above.

<실험예 2>Experimental Example 2

상기 실험예 2 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이차 전지를 cycle 시험 및 GISOC 시험을 통하여 시간에 따른 전위의 변화와 용량 특성 및 초기 충방전 특성을 분석하였다. Cycle 특성은 Si 단독 및 Si-PAn 각각의 조성별로 제조한 활물질을 이용하여 Si|Li 및 Si-C|Li 전지를 제조하고 C/10 시간율의 전류로 0~3V 전위범위에 대해 20회 충방전 하였다. The lithium secondary batteries prepared according to Experimental Example 2 and Comparative Example were analyzed for change in potential over time, capacity characteristics, and initial charge / discharge characteristics through cycle tests and GISOC tests. Cycle characteristics were determined using Si | active material manufactured by Si alone and Si-PAn. Li and Si-C | A Li battery was prepared and charged and discharged 20 times over a voltage range of 0 to 3 V at a current of C / 10 hours.

도 6a 내지 도 6c에 Si 단독 및 폴리아닐린(PAn) 함량에 대한 Si| Li Si-C|Li 전지 사이클 특성을 나타내었다. 충방전 시험결과로부터 용량변화를 확인하면 폴리아닐린(PAn)의 함량이 증가할수록 전지의 용량이 다소 증가하는 것을 확인하였다. 6a to 6c for Si alone and polyaniline (PAn) content | Li and Si-C | Li battery cycle characteristics are shown. When the capacity change was confirmed from the charge and discharge test results, it was confirmed that the capacity of the battery was slightly increased as the content of polyaniline (PAn) increased.

도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 폴리아닐린(PAn) 함량 증가에 따른 초기 충방전 용량을 분석한 결과 함량에 따라 2.25~1949 mAh/g의 초기 충전 비용량을 보였으며, 방전 용량은 0.46~204.87 mAh/g의 비용량 값을 보였다. As shown in FIGS. 7A to 7C, the initial charge and discharge capacity of the polyaniline (PAn) content was analyzed. As a result, the initial charge specific capacity was 2.25 to 1949 mAh / g, and the discharge capacity was 0.46 to. A specific capacity value of 204.87 mAh / g was shown.

그리고 도 8a 내지 도 8d에 탈도핑 및 전해액 중 플루오르로 치환된 EC(이하 FEC) 첨가시 전기화학적 특성에 어떠한 영향을 주는지 확인하기 위한 70/30 조성의 활물질에 대한 시험결과를 나타내었다. 탈도핑에 의한 충방전 용량 변화는 1337 mAh/g의초기 충전 비용량과 370 mAh/g의 방전 비용량이 나타났고, FEC 첨가시 충방전 용량 변화는 1759 mAh/g의 초기 충전 비용량과 127 mAh/g의 방전 비용량이 나타났으나 오히려 사이클 특성은 저하되는 것을 확인하였다. 8A to 8D show test results for active materials having a composition of 70/30 to confirm the effects of dedoping and addition of fluorine-substituted EC (hereinafter referred to as FEC) in the electrolyte. Changes in charge and discharge capacity due to de-doping resulted in an initial charge cost of 1337 mAh / g and a discharge cost of 370 mAh / g, and changes in charge and discharge capacity when FEC was added and an initial charge cost of 1759 mAh / g and 127 mAh. The discharge specific capacity of / g appeared, but rather the cycle characteristics were confirmed to be lowered.

GISOC 시험을 통해 Si 및 PAn의 함량증가에 따른 Si| Li Si-C|Li 전지 초기 충방전 특성을 분석한 결과를 도 9a 내지 도 11c에 나타내었다. 각 그림은 전위-시간 변화도, 충전 및 방전 비용량과 비가역 비용량의 관계도 및 비용량에 따른 비저항의 변화를 나타내었다. 도 10의 결과에서 시험용 전지의 가역 비용량 범위는 Si 100 중량%의 경우 약 49.3 mAh/g으로 나타났으며, PAn 30 중량% 에서는 약 148 mAh/g, PAn 50 중량% 에서는 약 414 mAh/g의 결과를 보였다. 각 가역범위에 대한 초기 충방전의 intercalation 효율 IIE(Initial Intercalation Efficiency)는 27.8 %, 55.08 %, 75.73 %로 나타났으며, 표면 비가역 비용량 IICs(Initial irreversible capacity by the surface)은 1.41 mAh/g, 46.61 mAh/g, 35.35 mAh/g을 나타내었다. Si 와 PAn의 중량 비율이 70/30의 경우 50/50에 비해 탄소재료의 함량이 낮으며, 충전과정 중 탄소와 실리콘에 충전이 진행되고, 실리콘의 팽창으로 인하여 재료 입자가 전도 패스(path)에서 이격될 가능성이 높다. 이러한 가정은 전술한 GISOC 충방전 결과에서 확인할 수 있다. Si 와 PAn의 비율이 50/50의 경우 탄소재료와 실리콘재료에 대한 가역 충방전 영역이 각각 나타나는데 비해 70/30의 경우 탄소재료의 가역 비용량 범위는 148 mAh/g으로 확인되지만 실리콘의 영역은 충전의 진행에 비해 가역용량이 도리어 감소하는 경향을 나타내었다. Si| Li Si-C|Li 전지의 GISOC 시험에서 각 step별 충전의 종지로부터 구한 비저항을 도 11a 내지 11c에 나타내었다. 충전의 초기에는 비저항이 높게나왔으나, 리튬 삽입의 진행에 따라 저항이 급격히 감소하여 수렴하였다. 100/0, 70/30, 50/50 중량%의 실리콘과 PAn 함량에 따른 각 전지의 평균 비저항은 3.01 ohm*g, 2.61 ohm*g, 2.72 ohm*g 으로 유지하였다. Si with increasing content of Si and PAn through GISOC test | Li and Si-C | The results of analyzing the initial charge and discharge characteristics of the Li battery are shown in FIGS. 9A to 11C. Each figure shows the potential-time gradient, the relationship between the charge and discharge capacities and the irreversible specific capacities, and the specific resistance change with the specific capacities. In the results of FIG. 10, the reversible specific capacity of the test battery was about 49.3 mAh / g for Si 100 wt%, about 148 mAh / g for 30 wt% PAn, and about 414 mAh / g 50 wt% PAn. Showed the results. The initial intercalation efficiency (IIE) of initial charge and discharge for each reversible range was 27.8%, 55.08%, 75.73%, and the initial irreversible capacity by the surface (IICs) was 1.41 mAh / g, 46.61 mAh / g and 35.35 mAh / g. When the weight ratio of Si and PAn is 70/30, the content of carbon material is lower than that of 50/50, and carbon and silicon are charged during the filling process, and the material particles are conductive path due to the expansion of silicon. Are likely to be separated from This assumption can be confirmed from the GISOC charge and discharge results described above. In the case of 50/50 ratio of Si and PAn, the reversible charge / discharge area of carbon material and silicon material appears respectively. Reversible capacity tended to decrease compared to the progress of charging. Si | Li and Si-C | Specific resistances obtained from the end of charging for each step in the GISOC test of the Li battery are shown in FIGS. 11A to 11C. In the initial stage of charging, the resistivity was high, but as the lithium insertion progressed, the resistance rapidly decreased and converged. The average resistivity of each battery according to the content of silicon and PAn of 100/0, 70/30, 50/50 wt% was maintained at 3.01 ohm * g, 2.61 ohm * g, and 2.72 ohm * g.

도 12a 내지 도 12f에 70/30조성의 활물질에 대한 탈도핑 및 전해액 중 FEC 첨가에 따른 충전 및 방전 비용량과 비가역 비용량의 관계도를 도시하였다. 탈도핑 후의 가역 비용량 범위는 약 169 mAh/g으로 나타났으며, FEC의 첨가 전해액 사용시 가역 비용량 범위는 약 194.8 mAh/g으로 나타났다. 가역범위에 대한 초기 충방전의 intercalation 효율 IIE는 탈도핑후 70.9 %, FEC 첨가후 71.42 %로 나타났으며, 표면 비가역 비용량은 각각 11.3 mAh/g 및 30.2 mAh/g을 나타내었다. 그리고 충전에 대한 평균 비저항은 탈도핑후 1.99 ohm*g, FEC 첨가후 2.98 ohm*g을 나타내었다. Si와 PAn 함량별 GISOC 특성을 종합하여 하기의 표 1에 나타내었다. 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 음극활물질 및 전지의 경우 실리콘 단독재료에 비해 현저히 특성이 향상됨을 알 수 있다.12A to 12F illustrate the relationship between charge and discharge specific amounts and irreversible specific amounts according to de-doping and addition of FEC to an active material of 70/30 composition. The reversible specific capacity range after undoping was about 169 mAh / g, and the reversible specific capacity range was about 194.8 mAh / g when FEC addition electrolyte was used. The intercalation efficiency IIE of initial charge and discharge for the reversible range was 70.9% after dedoping and 71.42% after FEC addition. The surface irreversible specific capacities were 11.3 mAh / g and 30.2 mAh / g, respectively. The average resistivity for charging was 1.99 ohm * g after undoping and 2.98 ohm * g after FEC addition. The GISOC characteristics according to Si and PAn contents are summarized in Table 1 below. As shown, the negative electrode active material and the battery according to the present invention can be seen that the properties are significantly improved compared to the silicon single material.

표 1. Si-C|Li Cell의 GISOC 특성Table 1. Si-C | GISOC Characteristics of Li Cell

Si-PAn중 PAn t량 (중량%) PAn t content in Si-PAn (wt%) 전해질Electrolyte 도핑유무Doping 가역비용량 (mAh/g)Reversible Specific Capacity (mAh / g) 초기 인터컬레이션 효율 (IIE) (%)Initial Intercalation Efficiency (IIE) (%) 초기 비가역 비용량(IICs) (mAh/g)Initial irreversible specific capacities (IICs) (mAh / g) 비저항 (ohm*g)Resistivity (ohm * g) 00 EE 4949 27.8027.80 1.411.41 3.013.01 3030 EE DD 148148 55.0855.08 46.6146.61 2.612.61 3030 EE UU 169169 70.9070.90 11.2911.29 1.991.99 3030 E-FE-F DD 195195 71.4271.42 30.1630.16 2.982.98 5050 EE DD 414414 75.7375.73 35.3535.35 2.722.72 [E] : 1M LiPF6/EC:EMC:DMC:PC(4:3:3:1), [E-F] : 1M LiPF6/EC:EMC:DMC:PC (4:3:3:1) with FEC(5중량%) [D] :도핑, [U] : 비(非)도핑[E]: 1M LiPF6 / EC: EMC: DMC: PC (4: 3: 3: 1), [EF]: 1M LiPF6 / EC: EMC: DMC: PC (4: 3: 3: 1) with FEC ( 5% by weight) [D]: doping, [U]: non-doping

실리콘과 폴리아닐린(PAn) 등의 전도성 고분자를 이용하여 음극 활물질을 개량 개발하고 물리적 특성 및 전기 화학적 특성을 분석한 결과, 실리콘 재료에 폴리아닐린(PAn) 등의 전도성 고분자를 도포 후 탄화시킨 본 발명에 따른 음극 활물질은 XRD 회절분석을 통하여 실리콘에 탄소가 도포된 것을 확인할 수 있었으며, 전기화학적 실험 결과 리튬 이차 전지의 음극활물질로 탁월한 것을 알 수 있다. According to the present invention, a negative electrode active material was developed using conductive polymers such as silicone and polyaniline (PAn), and physical and electrochemical properties were analyzed. It was confirmed that the negative electrode active material was coated with silicon through XRD diffraction analysis, and the electrochemical experiments showed that the negative electrode active material was excellent as a negative electrode active material of a lithium secondary battery.

또한, 본 발명에 따른 음극 활물질을 구비한 리튬 이차 전지는 탄소 스폰지의 탄소망에 의하여 전자전도가 원활하고, 공극에 의하여 리튬이온의 전도가 원활할 뿐만 아니라 실리콘재료의 부피 팽창을 완충하여 전지의 성능이 현저히 향상된다. In addition, the lithium secondary battery having the negative electrode active material according to the present invention has a smooth electron conduction by the carbon network of the carbon sponge, the conduction of lithium ions by the pores smoothly, and buffer the volume expansion of the silicon material to buffer the battery The performance is significantly improved.

Claims (17)

전도성 고분자의 모노머와 실리콘을 포함하는 혼합액을 제조한 후에 상기 모노머를 중합시키고 건조하여 전도성 고분자와 실리콘의 혼합물을 제조하는 단계; 및Preparing a mixture of a conductive polymer monomer and silicon, and then polymerizing and drying the monomer to prepare a mixture of the conductive polymer and silicon; And 상기 혼합물을 탄화로에서 탄화시켜 상기 실리콘 표면에 탄소가 도포되도록 하는 탄화단계;를 포함하여 이루어지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.And carbonizing the mixture in a carbonization furnace so that carbon is coated on the surface of the silicon. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 열경화성 고분자인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the conductive polymer is a thermosetting polymer. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 염산을 이용하여 도핑한 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the conductive polymer is doped with hydrochloric acid. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 탄화단계는 비활성가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the carbonization step is performed in an inert gas atmosphere. 제1항에 있어서, 상기 비활성가스는 아르곤(Ar) 가스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the inert gas is an argon (Ar) gas. 제1항에 있어서, 상기 탄화단계는 900~1100℃의 범위내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the carbonization step is performed in a range of 900 to 1100 ° C. 6. 제1항에 있어서, 상기 탄화단계 후에, 상기 탄소가 도포된 실리콘을 미세하게 분쇄하는 분쇄단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, further comprising a grinding step of grinding the carbon-coated silicon finely after the carbonization step. 제1항에 있어서, 상기 전도성고분자: 실리콘의 중량비는 20~70: 80~30의 범위내인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the weight ratio of the conductive polymer: silicon is in the range of 20 to 70:80 to 30. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자와 실리콘의 중량비는 40~60: 60~40의 범위내인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the weight ratio of the conductive polymer and the silicon is in the range of 40 to 60: 60 to 40. 제1항에 있어서, 상기 실리콘은 평균입경이 40㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the silicon has an average particle diameter of 40 μm or less. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PAn)인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.12. The method of claim 1, wherein the conductive polymer is polyaniline (PAn). 13. 음극 활물질을 포함하는 음극과 양극 활물질을 포함하는 양극 및 이온전도체를 구비한 리튬 이차 전지에 있어서, In a lithium secondary battery provided with a negative electrode containing a negative electrode active material and a positive electrode containing a positive electrode active material and an ion conductor, 상기 음극 활물질은 전도성고분자를 이용한 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 기재된 제조방법에 따라 제조된 음극 활물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The negative electrode active material is a lithium secondary battery comprising a negative electrode active material prepared according to the manufacturing method of any one of claims 1 to 10 using a conductive polymer. 제13항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PAn)인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery of claim 13, wherein the conductive polymer is polyaniline (PAn). 제13항에 있어서, 상기 음극은 도전재인 카본 블랙(Super P Black)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery of claim 13, wherein the anode further comprises carbon black (Super P Black) as a conductive material. 제13항에 있어서, 상기 음극은 바인더인 카르복시메틸셀룰로스(CMC)와 구리집전체를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery of claim 13, wherein the anode further comprises a carboxymethyl cellulose (CMC) and a copper current collector as a binder. 제13항에 있어서, 상기 이온전도체는 전해액 또는 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지. The lithium secondary battery of claim 13, wherein the ion conductor is an electrolyte or a polymer electrolyte.
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