KR100800968B1 - Method for Improvement of Performance of Si Thin Film Anode for Lithium Rechargeable Battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은, Si 계 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지에 있어서, 음극 집전체의 표면이 특정 몰포로지를 가지도록 표면처리하고, 바람직하게는 상기 표면처리 음극 집전체에 바이어스 전압을 인가한 상태에서 스퍼터링에 의해 음극 활물질로서의 실리콘 막을 증착하거나, 및/또는 상기 표면처리 음극 집전체와 실리콘 막 사이에 접착층을 개재함으로써, 음극 집전체와 활물질 사이의 결합력을 강화시켜 궁극적으로 충방전 사이클 특성을 향상시키는 방법을 제공한다.
In the lithium secondary battery using the Si-based negative electrode active material, the present invention provides a surface treatment such that the surface of the negative electrode current collector has a specific morphology, and preferably a state in which a bias voltage is applied to the surface-treated negative electrode current collector. Depositing a silicon film as a negative electrode active material by sputtering, and / or interposing an adhesive layer between the surface-treated negative electrode current collector and the silicon film, thereby enhancing the bonding force between the negative electrode current collector and the active material and ultimately improving the charge / discharge cycle characteristics. Provide a method.

Description

리튬 이차전지용 실리콘 박막 음극의 성능 개선 방법 {Method for Improvement of Performance of Si Thin Film Anode for Lithium Rechargeable Battery} Method for Improvement of Performance of Si Thin Film Anode for Lithium Rechargeable Battery}             

도 1a 및 1b는 실시예 2에서 스퍼터링에 의해 Si-wafer에 증착된 실리콘 박막의 표면 및 수직 단면에 대한 SEM 사진들이다;1A and 1B are SEM pictures of the surface and vertical cross section of a silicon thin film deposited on Si-wafer by sputtering in Example 2;

도 2a 및 2b는 실시예 2에서 스퍼터링시 바이어스 전압을 인가하여 Si-wafer에 증착된 실리콘 박막의 표면 및 수직단면에 대한 SEM 사진들이다.2A and 2B are SEM images of the surface and vertical section of the silicon thin film deposited on Si-wafer by applying a bias voltage during sputtering in Example 2. FIG.

도 3a 및 3b는 실시예 2에서 Ni 호일에 증착된 실리콘 박막의 표면 SEM 사진들이다;3A and 3B are surface SEM photographs of a silicon thin film deposited on Ni foil in Example 2;

도 4a 및 4b는 실시예 2에서 리튬 이차전지의 충방전 프로파일을 보여주는 그래프이다;4A and 4B are graphs showing charge and discharge profiles of lithium secondary batteries in Example 2;

도 5a ~ 5d는 실시예 3 및 비교예 1 ~ 3에서 Cu 호일의 표면에 대한 SEM 사진들이다;5A-5D are SEM pictures of the surface of Cu foil in Example 3 and Comparative Examples 1-3;

도 6은 실시예 3 및 비교예 1 ~ 3에서 제조된 리튬 이차전지의 충방전 사이클 특성을 보여주는 그래프이다;6 is a graph showing charge and discharge cycle characteristics of the lithium secondary batteries prepared in Example 3 and Comparative Examples 1 to 3;

도 7은 실시예 4에서 리튬 이차전지의 충방전 사이클 특성을 보여주는 그래프이다;7 is a graph showing charge and discharge cycle characteristics of a lithium secondary battery in Example 4;

도 8a 및 8b는 실시예 4에서 1 회 및 18 회 충방전 사이클 후의 실리콘 박막의 표면에 대한 SEM 사진들이다;8A and 8B are SEM images of the surface of the silicon thin film after one and eighteen charge and discharge cycles in Example 4;

도 9a 및 9b는 실시예 3에서 1 회 및 18 회 충방전 사이클 후의 실리콘 박막의 표면에 대한 SEM 사진들이다.
9A and 9B are SEM images of the surface of the silicon thin film after one and eighteen charge and discharge cycles in Example 3. FIG.

본 발명은 Si 계 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지의 충방전 사이클 특성을 향상시키기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극 집전체의 표면이 특정 몰포로지를 가지도록 표면처리하고, 바람직하게는 상기 표면처리 음극 집전체에 바이어스 전압을 인가한 상태에서 스퍼터링에 의해 음극 활물질로서의 실리콘 막을 증착하거나, 및/또는 상기 표면처리 음극 집전체와 실리콘 막 사이에 접착층을 개재함으로써, 음극 집전체와 활물질 사이의 결합력을 강화시켜 궁극적으로 충방전 사이클 특성을 향상시키는 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for improving the charge and discharge cycle characteristics of a lithium secondary battery using a Si-based negative electrode active material, and more particularly, the surface of the negative electrode current collector is surface-treated to have a specific morphology, preferably Between the negative electrode current collector and the active material by depositing a silicon film as a negative electrode active material by sputtering in a state where a bias voltage is applied to the surface-treated negative electrode current collector, and / or interposing an adhesive layer between the surface treated negative electrode current collector and the silicon film. It provides a way to enhance the binding force of the ultimately improve the charge and discharge cycle characteristics.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다. As the development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as energy sources is increasing rapidly. Among them, many researches have been conducted and commercialized and widely used for lithium secondary batteries with high energy density and discharge voltage. It is used.                         

최근에는, 음극으로서 Li-Si계 활물질을 사용하는 리튬 이차전지가 많은 관심을 끌고 있다. 순수한 실리콘(Si)의 이론적 비용량(specific capacity)은 4200 mAh/g으로서 그라파이트 탄소의 372 mAh/g 보다 월등히 크다. 그러나, Si 는 계속적인 충방전 사이클 동안에 큰 부피 변화를 겪으며, 이는 기계적 및 전기적 열화를 초래하므로, 열악한 사이클 특성이 문제점으로 지적되어 왔다.Recently, a lithium secondary battery using a Li-Si-based active material as a negative electrode has attracted much attention. The theoretical specific capacity of pure silicon (Si) is 4200 mAh / g, much higher than 372 mAh / g of graphite carbon. However, Si suffers a large volume change during continuous charge and discharge cycles, which leads to mechanical and electrical degradation, and therefore poor cycle characteristics have been pointed out as a problem.

이러한 충방전 사이클 특성을 해결하기 위한 노력의 일환으로서, 일부 선행기술은, 구리 집전체의 표면을 거친 상태로 만들고 그 위에 비정질 실리콘 막을 증착한 새로운 구조의 전극을 제안하고 있다. 이러한 전극은 3000 mAh/g 이상의 높은 가역 용량을 보여주고 있지만, 사이클 특성의 개선에 대한 필요성은 여전히 존재한다.As part of an effort to solve these charge and discharge cycle characteristics, some prior art proposes a new structure electrode in which a surface of a copper current collector is roughened and an amorphous silicon film is deposited thereon. While these electrodes show high reversible capacities of 3000 mAh / g or more, there is still a need for improvements in cycle characteristics.

사이클 과정에서 용량이 저하되는 이유는 일반적으로 실리콘 막과 집전체 간의 전기적 접촉(electrical contact)의 손실로부터 초래되는 것으로 알려져 있다. 따라서, Li-Si계 음극으로 구성된 리튬 이차전지에서 실리콘 막과 집전체 간의 전기 접촉을 향상시키는 방법이 개발될 수 있다면, 우수한 충방전 사이클 특성을 가진 리튬 이차전지가 제조될 수 있을 것이다.
The reason for the decrease in capacity during the cycle is generally known to result from the loss of electrical contact between the silicon film and the current collector. Therefore, if a method of improving electrical contact between the silicon film and the current collector in a lithium secondary battery composed of a Li-Si-based negative electrode can be developed, a lithium secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics may be manufactured.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명의 목적은 Si 계 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지에서 충방전 사이클 특성을 개선하기 위한 방법을 제공하는 것이다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past. That is, an object of the present invention is to provide a method for improving charge and discharge cycle characteristics in a lithium secondary battery using a Si-based negative electrode active material.

본 발명자들은 Si 계 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에서 가장 문제시되고 있는 충방전시 실리콘 막과 음극 집전체 간의 전기적 접촉의 손실을 해결하기 위하여 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 음극 집전체가 특정 표면 몰포로지를 가지도록 처리되는 경우에 상기 전기적 접촉 손실을 크게 개선할 수 있다는 점과, 더욱이, 그렇게 표면 처리된 음극 집전체에 실리콘 막을 스퍼터링법에 의해 증착하는 과정에서 집전체에 바이어스 전압을 인가하거나, 및/또는 실리콘 막과 음극 집전체 사이에 접착층을 개재하는 것에 의해 전지의 충방전 사이클 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있다는 점을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
The inventors have conducted extensive research and various experiments to solve the loss of electrical contact between the silicon film and the negative electrode current collector during charging and discharging, which are the most problematic problems in a lithium secondary battery including a Si-based negative electrode active material. The electrical contact loss can be greatly improved when is treated to have a specific surface morphology, and furthermore, a bias voltage is applied to the current collector in the process of depositing a silicon film on the surface-treated negative current collector by sputtering. The present invention has been found to significantly improve the charge / discharge cycle characteristics of a battery by applying and / or interposing an adhesive layer between a silicon film and a negative electrode current collector, thereby completing the present invention.

따라서, Si 계 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지에 있어서, 본 발명에 따른 충방전 사이클 특성의 개선 방법은, 음극 집전체의 표면 전반에 걸쳐 5 ~ 100 ㎛ 크기의 입계(grain boundary)를 가지며 상기 입계들이 접하는 부위에 적어도 1 ㎛ 깊이 이상의 골이 형성되는 있는 표면 몰포로지를 가지도록 음극 집전체를 표면처리하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.Therefore, in the lithium secondary battery using the Si-based negative electrode active material, the method for improving the charge-discharge cycle characteristics according to the present invention has a grain boundary of 5 ~ 100 ㎛ size over the entire surface of the negative electrode current collector And surface treatment of the negative electrode current collector so as to have a surface morphology in which valleys of at least 1 μm or more are formed at the contact points of the grain boundaries.

본 발명자들의 실험에 따르면, 상기와 같은 표면 몰포로지를 가지는 음극 집전체는 그것의 표면에 실리콘 막을 증착하였을 때 실리콘 막과 음극 집전체의 접착력이 현저히 증가하여 충방전시 음극 활물질로서의 실리콘 막이 큰 부피 변화를 겪더라도 음극 집전체와의 전기적 접촉 손실이 적은 것으로 확인되었다. According to the experiments of the present inventors, the negative electrode current collector having the surface morphology as described above significantly increases the adhesion between the silicon film and the negative electrode current collector when the silicon film is deposited on its surface, so that the silicon film as the negative electrode active material during charge and discharge has a large volume. Even with the change, it was confirmed that the electrical contact loss with the negative electrode current collector is small.                     

상기 음극 집전체는 대략 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제작된다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 구리, 니켈 또는 스테인리스 스틸을 사용한다. 이러한 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is manufactured to a thickness of approximately 3 to 500 μm. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the surface of copper, nickel, stainless steel, aluminum, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel The surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used, and preferably copper, nickel or stainless steel is used. The negative electrode current collector may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven fabric, and the like.

음극 집전체의 표면을 처리하여 미세한 요철을 형성하는 방법은 당업계에 공지되어 있지만, 본 발명에서와 같은 특정 표면 몰포로지를 형성하여 Si 계 음극 활물질의 충방전 사이클 특성을 개선한 예는 아직껏 확인되지 않았다. 더욱이, 종래기술에서와 같이 미세한 요철이 형성되도록 표면을 처리하여도 본 발명의 표면 몰포로지를 가지지 못하는 경우에는 충방전 사이클 특성이 떨어짐을 이후 설명하게 될 실시예 및 비교예에서 확인할 수 있다. It is known in the art to process the surface of the negative electrode current collector to form fine concavities and convexities, but examples of improving the charge / discharge cycle characteristics of the Si-based negative active material by forming a specific surface morphology as in the present invention are still confirmed. It wasn't. Furthermore, even when the surface is treated to form fine concavities and convexities as in the prior art, when the surface morphology of the present invention does not have a charge and discharge cycle characteristic, it can be confirmed in Examples and Comparative Examples to be described later.

상기 Si 계 음극 활물질로는 비정질 실리콘 또는 나노 결정성 실리콘이 바람직할 수 있다. 또한, Si 자체의 부피 팽창을 완화시키고 실리콘의 전기전도도를 향상시키기 위해 다른 원소를 첨가하여 합금 형태의 구조를 형성할 수 있다. 이때 첨가될 수 있는 원소로는, 예를 들어, 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn), 몰리브데늄(Mo), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등을 들 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 둘 또는 그 이상이 함께 사용될 수도 있다. As the Si-based anode active material, amorphous silicon or nanocrystalline silicon may be preferable. In addition, other elements can be added to form alloy-like structures to mitigate the volume expansion of Si itself and to improve the electrical conductivity of silicon. At this time, as an element that can be added, for example, zirconium (Zr), titanium (Ti), iron (Fe), vanadium (V), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), chromium ( Cr), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), tungsten (W), tin (Sn), silver (Ag), aluminum (Al), and the like. Two or more of may be used together.                     

본 발명에서 입계의 크기는 상기에서 정의한 바와 같이 5 ~ 100 ㎛이며, 입계 크기가 너무 작으면, 입계를 통한 자가 조직화(self organized) 미세 원주형 구조(micro columnar structure)의 형성이 유도되기 어려워지므로, Li과 Si의 반응에서 발생되는 음극 활물질의 부피팽창시 응력의 분산이 어려워지는 문제점이 발생한다. 반대로, 입계의 크기가 너무 크면, 증착된 음극 활물질이 Li과 반응시 커다랗게 형성된 입계 내에서의 응력 분산 및 완화 효과가 저하되는 문제점이 발생할 수 있으므로, 바람직하지 않다.In the present invention, the size of the grain boundary is 5 to 100 μm as defined above, and if the grain size is too small, it is difficult to induce the formation of a self-organized micro columnar structure through the grain boundary. , A problem arises in that stress dispersion becomes difficult during volume expansion of the negative electrode active material generated in the reaction of Li and Si. On the contrary, if the size of the grain boundary is too large, a problem may occur in that the stress dispersing and relaxation effect in the grain boundary formed when the deposited anode active material reacts with Li is large.

또한, 입계들이 접하는 부위에 형성되는 골의 깊이가 상기에서 정의된 바와 같이 1 ㎛ 이상이며, 깊이가 너무 작으면, Li과 Si의 반응시 Si의 부피 팽창으로 인해 발생되는 크랙의 형성 과정에 있어서, 입계들이 접하는 골을 따라 크랙이 유도되기 어렵거나 또는 입계를 통한 자가 조직화된 미세 구조 형성의 유도가 어려워지는 문제점이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.In addition, if the depth of the bone formed at the site where the grain boundaries are in contact with is 1 ㎛ or more as defined above, if the depth is too small, in the process of forming cracks caused by the volume expansion of Si during the reaction of Li and Si However, it is not preferable because cracks may be difficult to induce along the valleys in which the grain boundaries meet, or induction of self-organized microstructure formation through the grain boundaries may be difficult.

음극 집전체 표면에서 상기와 같은 표면 몰포로지를 형성하는 처리방법은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 습식법에 의한 화학적 또는 전기적 에칭, 건식법에 의한 반응성 가스 또는 이온 에칭 등을 들 수 있다.The method of forming the surface morphology on the surface of the negative electrode current collector may be various, and examples thereof include chemical or electrical etching by a wet method, reactive gas or ion etching by a dry method, and the like.

하나의 예로서, 화학적 에칭의 경우, 음극 집전체로서 Cu 또는 Ni을 사용할 때, 에칭제로서 FeCl3/HCl/H2O의 혼합물(비율 = 1 : 8.5 : 33.7 (부피%))을 바람직하게 사용할 수 있다. 에칭 시간은 음극 집전체의 종류, 에칭제의 종류 등 다양한 요소에 의해 달라질 수 있으므로, 이러한 요소들을 고려하여 상기와 같은 표면 몰 포로지가 형성될 수 있는 조건에서 결정할 수 있다.As an example, in the case of chemical etching, when using Cu or Ni as the negative electrode current collector, a mixture of FeCl 3 / HCl / H 2 O (ratio = 1: 8.5: 33.7 (vol.%)) Is preferably used as the etchant. Can be used. Since the etching time may vary depending on various factors such as the type of the negative electrode current collector and the type of the etchant, it may be determined under such a condition that the surface morphology may be formed in consideration of these factors.

이와 같은 표면 몰포로지를 가지는 음극 집전체에 활물질로서 실리콘 막을 증착하여 리튬 이차전지용 음극을 제조하게 되는데, 실리콘 막의 증착 방법으로는 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 스퍼터링, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PECVD), 진공증착(vacuum evaporation) 등을 들 수 있다. 바람직하게는 스퍼터링 법을 사용할 수 있다. 실리콘 막의 두께는 음극 활물질로서의 적정한 작용을 담보하기 위하여 대략 0.5 ~ 10 ㎛ 인 것이 바람직하다.A silicon film is deposited as an active material on an anode current collector having such a surface morphology to manufacture a cathode for a lithium secondary battery. However, the method of depositing a silicon film is not limited to the following, for example, sputtering or LPCVD (Low Pressure) Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PECVD), vacuum evaporation, and the like. Preferably, sputtering method can be used. The thickness of the silicon film is preferably about 0.5 to 10 mu m in order to ensure proper function as the negative electrode active material.

바람직한 하나의 예로서, 상기 스퍼터링에 의해 실리콘 막을 증착할 때, 음극 집전체에 바이어스 전압을 인가하여 실리콘 막과 음극 집전체의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 바이어스 전압은 대략 - 25 ~ - 200 V의 범위에 있는 것이 바람직하다. As a preferred example, when depositing a silicon film by the sputtering, a bias voltage may be applied to the negative electrode current collector to further improve the bonding force between the silicon film and the negative electrode current collector. The bias voltage is preferably in the range of approximately -25 to -200V.

스퍼터링 시 바이어스 전압의 인가에 의해 음극 집전체에 대한 실리콘 막의 접착력이 증가하는 것은, 바이어스 전압 인가하에서의 스퍼터링 동안에 들뜬(energetic) 이온들에 의한 피폭(bombardment)으로 실리콘 막과 음극 집전체 간의 강화된 상호혼합 반응(intermixing reaction)과 관련이 있을 수 있다.The increase in adhesion of the silicon film to the negative electrode current collector by the application of a bias voltage during sputtering is an enhanced mutual interaction between the silicon film and the negative electrode current collector due to bombardment by energetic ions during sputtering under bias voltage application. It may be related to an intermixing reaction.

바람직한 또다른 예로서, 실리콘 막과 음극 집전체의 계면에 접착층을 더 포함하도록 구성할 수 있다. 상기 접착층의 두께는 음극으로서의 작용을 손상시키지 않는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 대략 50 ~ 500 Å의 범위에 있다. As another preferred example, it may be configured to further include an adhesive layer at the interface between the silicon film and the negative electrode current collector. The thickness of the adhesive layer is not particularly limited as long as it does not impair the function of the negative electrode, but is preferably in the range of approximately 50 to 500 kPa.                     

본 발명자들의 실험에 따르면, 상기와 같은 표면처리된 음극 집전체와 실리콘 막 사이에 접착층을 개재한 음극을 사용하여 구성된 리튬 이차전지는 수회의 충방전 사이클 후 실리콘 막에 독특한 표면 몰포로지를 형성하는 것으로 확인되었다. 이에 대한 구체적인 내용은 이후의 실시예 4에 설명되어 있으며, 이러한 현상으로 인해 충방전 사이클 특성이 현저히 향상되는 것으로 추측된다. According to the experiments of the present inventors, a lithium secondary battery constructed using a negative electrode having an adhesive layer between a surface-treated negative electrode current collector and a silicon film as described above forms a unique surface morphology in the silicon film after several charge and discharge cycles. It was confirmed that. Details of this are described in Example 4 below, and it is assumed that the charge and discharge cycle characteristics are remarkably improved due to this phenomenon.

상기 접착층은 음극의 작용에 영향을 미치지 않으면서 실리콘 막의 성분과 음극 집전체의 성분 모두에 대해 우수한 화학적 친화성(chemical affinity)을 갖는 물질로 이루어져 있다. 예를 들어, 음극 집전체로서 Cu 또는 Ni이 사용될 때, 접착층은 특히 바람직하게는 지르코늄 박막일 수 있다. The adhesive layer is made of a material having excellent chemical affinity for both the component of the silicon film and the component of the negative electrode current collector without affecting the action of the negative electrode. For example, when Cu or Ni is used as the negative electrode current collector, the adhesive layer may be particularly preferably a zirconium thin film.

이상의 설명과 같이, 본 발명은 (a) 특정 표면 몰포로지가 형성되도록 음극 집전체의 표면을 처리하고, 바람직하게는 (b) 상기 표면처리된 음극 집전체에 실리콘 막을 스퍼터링에 의해 증착할 때 음극 집전체에 바이어스 전압을 인가하거나, 또는 (c) 음극 집전체와 실리콘 막 사이에 접착층을 형성함으로써, 실리콘 막과 음극 집전체 간의 결합력을 강화시켜, 궁극적으로 충방전 사이클 특성을 향상시키고 있다. 그러나, 상기 3 가지의 요소를 모두 포함하는 경우에, 본 발명이 소망하는 더욱 우수한 효과가 얻어질 수 있음은 물론이다. As described above, the present invention is directed to (a) treating the surface of the negative electrode current collector so that a specific surface morphology is formed, and preferably (b) depositing a silicon film on the surface treated negative electrode current collector by sputtering. By applying a bias voltage to the current collector or (c) forming an adhesive layer between the negative electrode current collector and the silicon film, the bonding force between the silicon film and the negative electrode current collector is strengthened, and ultimately, the charge and discharge cycle characteristics are improved. However, of course, in the case of including all three elements described above, the superior effect desired by the present invention can be obtained.

경우에 따라서는, 음극 집전체에 접착층을 형성한 후 열처리를 행하여 상기 음극 집전체와 접착층 간의 결합력을 더욱 증진시킬 수도 있다. 상기 열처리는 음극 집전체와 접착층 간의 계면 반응을 유발하는 바, 이는 음극 집전체의 일부 성분이 접착층으로 확산되고, 반대로 접착층의 일부 성분이 음극 집전체로 확산됨으로 써 친화력의 증대에 따라 결합력이 증가하게 된다. 상기 열처리는 예를 들어 100 ~ 400 ℃에서 10 초 ~ 30 분 간 행할 수 있다.In some cases, after the adhesive layer is formed on the negative electrode current collector, heat treatment may be performed to further enhance the bonding force between the negative electrode current collector and the adhesive layer. The heat treatment causes an interfacial reaction between the negative electrode current collector and the adhesive layer, which means that some components of the negative electrode current collector are diffused into the adhesive layer, and conversely, some components of the adhesive layer are diffused into the negative electrode current collector, thereby increasing the bonding force as the affinity increases. Done. The heat treatment can be performed, for example, for 10 seconds to 30 minutes at 100 to 400 ° C.

본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 처리 또는 제조된 음극과, 양극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해질으로 구성된 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention also relates to a lithium secondary battery composed of a negative electrode treated or prepared by the above method, a positive electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.The positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler may be further added to the mixture.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. The positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ㎛. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. The current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

양극 활물질로서의 상기 리튬 전이금속 산화물은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO 2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi 1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; 또는 Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The lithium transition metal oxide as the positive electrode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2, and the like; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cu 2 V 2 O 7 and the like; Ni-site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 , wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, or Ga, and x = 0.01 to 0.3; Formula LiMn 2-x M x O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (wherein M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Or Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like, but are not limited thereto.

상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 ~ 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive agent is typically added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Such a conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. Examples of the conductive agent include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 ~ 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸 렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive agent to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, Polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluororubber, various copolymers, and the like.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛ 이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator is interposed between the cathode and the anode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the membrane is generally 0.01 ~ 10 ㎛ ㎛, thickness is generally 5 ~ 300 ㎛. As such a separator, for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte consists of a nonaqueous electrolyte and lithium. As the nonaqueous electrolyte, a nonaqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.

상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.As said non-aqueous electrolyte, N-methyl- 2-pyrrolidinone, a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyl Low lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxolon, aceto Nitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative Aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolytes include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3 N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4 , Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.

또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우 에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.In addition, for the purpose of improving charge / discharge characteristics, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, etc. Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. It may be. In some cases, in order to impart nonflammability, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.

이상은 본 발명에 따른 알루미늄계 양극 집전체를 사용하여 구성될 수 있는 전지의 구성요소들에 대한 예시적인 설명이며, 경우에 따라서는 구성요소들의 일부가 제외되거나 치환되거나 기타의 구성요소가 추가될 수도 있다.
The above is an exemplary description of the components of the battery that can be configured using the aluminum-based positive electrode current collector according to the present invention, in which case some of the components are excluded or substituted or other components are to be added. It may be.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

2.4 M의 HCl 수용액에 FeCl3 을 0.4 M의 최종 농도로 혼합한 에칭액을 사용하여 Ni 호일의 표면을 약 1 분간 에칭함으로써 표면처리를 행하였다. 그렇게 표면처리된 Ni 호일 집전체 상에 직경 2" Si 타겟 (99.99%)으로부터 r.f. 마그네트론 스퍼터링에 의해 5000 Å의 Si 박막을 형성하였다. 스퍼터링은, 2 × 10-6 Torr로 진공 펌핑한 후 아르곤 가스를 주입하여 5 mTorr로 설정한 챔버에서 수행하였다.Using the etching liquid mixture of FeCl 3 in 2.4 M HCl aqueous solution in a final concentration of about 0.4 M by etching for one minute surface of the Ni foil was subjected to a surface treatment. A 5000 mm3 Si thin film was formed from a 2 "diameter Si target (99.99%) by rf magnetron sputtering on the so-treated Ni foil current collector. The sputtering was performed by argon gas after vacuum pumping to 2 x 10 -6 Torr. Was performed in a chamber set to 5 mTorr.

상기 Si 박막 전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여, 순수한 Li 호일을 양극으로 사용하고, 전해액으로서 에틸렌 카르보네이트(EC)/디에틸렌 카르보네이트(DEC)의 혼합 용매(부피비 = 1 : 1)에 1 M LiPF6를 첨가한 혼합액을 사용하여, 2 개의 2016 코인 전지를 제조하였다. 이들 전지는 아르곤 분위기의 글로브 박스 안에 서 조립하였고, 30 ℃에서 100 ㎂/cm2 전류를 사용하여 0 ~ 1.2 V로 30 회 이상 충방전 실험을 실시하였다. 그 결과 우수한 충방전 사이클 특성이 확인되었다.
In order to confirm the electrochemical properties of the Si thin film electrode, pure Li foil was used as an anode, and a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) / diethylene carbonate (DEC) as an electrolyte (volume ratio = 1: 1) to use the mixture was added a 1 M LiPF 6, was prepared in two 2016 coin cell. These batteries were assembled in an argon glove box and subjected to more than 30 charge and discharge experiments at 0-1.2 V using 100 mA / cm 2 current at 30 ° C. As a result, excellent charge and discharge cycle characteristics were confirmed.

[실시예 2]Example 2

스퍼터링 과정에서 바이어스 전압의 인가에 따른 효과를 확인하기 위하여, (a) 스퍼터링에 의해 Si-wafer에 Si 박막을 증착하는 실험, 및 (b) 상기에서와 같이 - 100 V의 직류 바이어스 전압을 인가하면서 스퍼터링하여 Si-wafer에 Si 박막을 증착하는 실험을 실시하였다. In order to confirm the effect of applying the bias voltage in the sputtering process, (a) the deposition of the Si thin film on the Si-wafer by sputtering, and (b) as described above while applying a DC bias voltage of-100 V The sputtering was carried out to deposit an Si thin film on Si-wafer.

도 1a 및 1b에는 상기 실험(a)에서 얻어진 Si 박막의 표면(도 1a)과 수직 단면(도 1b)의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진들이 개시되어 있고, 도 2a 및 2b에는 상기 실험(b)에서 얻어진 Si 박막의 표면(도 2a)과 수직 단면(도 2b)의 SEM 사진들이 개시되어 있다.1A and 1B show scanning electron microscopy (SEM) images of the surface (FIG. 1A) and the vertical cross section (FIG. 1B) of the Si thin film obtained in the above experiment (a), and FIGS. 2A and 2B show the experiment (b). SEM images of the surface (FIG. 2A) and the vertical cross section (FIG. 2B) of the Si thin film obtained in FIG.

실험(a)의 Si 박막은 거친 표면 몰포로지와 단면상으로 원주형 구조(columnar structure)를 보여주고 있음에 반하여, 실험(b)의 Si 박막은 바이어스 전압의 인가로 인해 더욱 매끄러운 증착 표면을 가짐을 알 수 있다. The Si thin film of Experiment (a) showed a columnar structure with a rough surface morphology and cross section, whereas the Si thin film of Experiment (b) had a smoother deposition surface due to the application of bias voltage. It can be seen.

이들 Si 박막들에 대해 실시예 1에서와 같이 충방전 실험을 행하였다. 1 회 충방전 사이클 후의 Si 박막(실험 (a))의 표면 SEM 사진이 도 3a에 개시되어 있고, 충방전 프로파일을 보여주는 그래프가 도 4a에 도시되어 있다. 또한, 1 회 충방전 사이클 후의 Si 박막(실험 (b))의 표면 SEM 사진이 도 3b에 개시되어 있고, 충방전 프로파일을 보여주는 그래프가 도 4b에 도시되어 있다. 이들을 비교할 때, 실험(b)의 Si 박막을 사용한 리튬 이차전지는 도 4b에서 보는 바와 같이 상대적으로 낮은 초기 비가역 용량과 상대적으로 높은 충방전 사이클 특성을 보여 주었다. 이는 도 3a 및 3b의 SEM 사진들의 결과로부터 추측할 때, 바이어스 전압의 인가에 의한 Si 박막의 접착력 증가에 주로 기인한 것으로 보인다.
Charge and discharge experiments were performed on these Si thin films as in Example 1. A surface SEM photograph of the Si thin film (experiment (a)) after one charge and discharge cycle is shown in FIG. 3A, and a graph showing the charge and discharge profile is shown in FIG. 4A. In addition, a SEM image of the surface of the Si thin film (experiment (b)) after one charge and discharge cycle is shown in FIG. 3B, and a graph showing the charge and discharge profile is shown in FIG. 4B. In comparison, the lithium secondary battery using the Si thin film of Experiment (b) showed relatively low initial irreversible capacity and relatively high charge / discharge cycle characteristics as shown in FIG. 4B. Inferred from the results of the SEM photographs of FIGS. 3A and 3B, it appears to be mainly due to the increase in adhesion of the Si thin film by application of a bias voltage.

[실시예 3]Example 3

Ni 호일 대신에 Cu 호일을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu 호일을 표면처리 하였고, 실시예 2와 동일한 방법으로 - 100V의 직류 바이어스 전압을 인가하여 실험을 반복하였다. The Cu foil was surface-treated in the same manner as in Example 1 using Cu foil instead of Ni foil, and the experiment was repeated by applying a DC bias voltage of −100 V in the same manner as in Example 2.

에칭된 Cu 호일의 표면에 대한 SEM 사진이 도 5a에 개시되어 있고,그러한 Cu 호일을 사용하여 제작된 전지에 대한 충방전 사이클 특성이 도 6에 도시되어 있다.
A SEM photograph of the surface of the etched Cu foil is shown in FIG. 5A, and the charge and discharge cycle characteristics for a cell fabricated using such Cu foil is shown in FIG. 6.

[비교예 1-3]Comparative Example 1-3

에칭을 하지 않았거나(비교예 1), 또는 FeCl3/HCl/H2O 에칭액 대신에 하기 표 1에서와 같은 에칭액을 사용하고 에칭 시간을 달리하였다(비교예 2 및 3)는 점을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 실험을 반복하였다.Except for the fact that no etching was performed (Comparative Example 1), or an etching solution as shown in Table 1 was used instead of the FeCl 3 / HCl / H 2 O etching solution, and the etching time was changed (Comparative Examples 2 and 3). Was repeated the experiment in the same manner as in Example 3.

에칭액Etching solution 에칭 시간Etching time 표면 SEM 사진Surface SEM photo 실시예 3Example 3 FeCl3+ HCl + H2OFeCl 3 + HCl + H 2 O 1 min1 min 도 5a5a 비교예 1Comparative Example 1 -- 00 도 5b5b 비교예 2Comparative Example 2 HNO3 + H2OHNO 3 + H 2 O 3 min3 min 도 5cFig 5c 비교예 3Comparative Example 3 FeCl3+ H2OFeCl 3 + H 2 O 5 min5 min 도 5d5d

에칭된 Cu 호일의 각각의 표면에 대한 SEM 사진들이 도 5b ~ 5d에 개시되어 있다. 주목할 점은 실시예 3의 Cu 호일의 표면 몰포로지(도 5a)가 비교예 1 ~ 3의 그것(도 5b ~ 5d)과 큰 차이를 보인다는 사실이다. 즉, 실시예 3의 Cu 호일 표면에서는 입계 부위가 다소 넓게 그리고 깊게 현상되어 있는 것을 확인할 수 있다.SEM photographs of each surface of the etched Cu foil are disclosed in FIGS. 5B-5D. It is noted that the surface morphology of the Cu foil of Example 3 (FIG. 5A) differs greatly from that of Comparative Examples 1-3 (FIGS. 5B-5D). That is, it can be confirmed that the grain boundary portion is developed somewhat broadly and deeply on the surface of the Cu foil of Example 3.

또한, 비교예 1 ~ 3의 전지들에 대한 충방전 사이클 특성은 실시예 3의 결과와 함께 도 6의 그래프가 도시되어 있다. 이들 결과로부터 전지의 충방전 사이클 특성은 Cu 기재의 표면 몰포로지와 깊은 연관성을 가지며, 실시예 3의 전지에서 특히 우수한 결과를 보임을 알 수 있다.In addition, the charge and discharge cycle characteristics of the batteries of Comparative Examples 1 to 3 is shown in the graph of Figure 6 with the results of Example 3. These results show that the charge / discharge cycle characteristics of the battery have a deep correlation with the surface morphology of the Cu substrate, and show particularly excellent results in the battery of Example 3.

Cu 기재의 표면 거칠기의 사이클 특성의 향상에 대한 영향은 충방전 동안에 미세 원주형 구조(micro columnar structure)의 형성으로부터 초래된다. 에칭에 의한 Cu 기재의 적절한 표면 처리는 우수한 자가 조직화(self-organized) 미세 원주형 구조의 Si 박막을 제공하므로, 충방전 사이클 동안에 부피의 변화에 의해 야기되는 응력과 인장력을 줄여주게 된다. 따라서, 도 6에서 보는 바와 같이, 실시예 3의 전지는 비교예 1 ~ 3의 전지에 비해 우수한 용량 보존력을 보여준다.
The influence on the improvement of the cycle characteristics of the surface roughness of the Cu substrate results from the formation of the micro columnar structure during charge and discharge. Proper surface treatment of the Cu substrate by etching provides a thin film of excellent self-organized microcircular structure, thereby reducing stress and tensile forces caused by changes in volume during charge and discharge cycles. Thus, as shown in Figure 6, the battery of Example 3 shows an excellent capacity storage capacity compared to the batteries of Comparative Examples 1 to 3.

[실시예 4] Example 4                     

실시예 3에서 에칭된 Cu 호일의 표면에 r.f 마그네트론 스퍼터링 방법으로 기판에 - 100 V의 직류 바이어스 전압을 인가하여 Zr 층을 100 Å로 증착한 후 그 위에 Si 박막을 증착하였다는 점을 제외하고는 실시예 3에서와 동일한 방법으로 실험을 반복하였다.Except that the Zr layer was deposited to 100 kHz by applying a direct current bias voltage of-100 V to the substrate by the rf magnetron sputtering method on the surface of the Cu foil etched in Example 3, and then a Si thin film was deposited thereon. The experiment was repeated in the same manner as in Example 3.

도 7에는 본 실시예에서 제조된 전지의 사이클 특성이 실시예 3의 전지에 대한 결과와 함께 도시되어 있는 바, Zr 층을 Cu 호일과 Si 박막 사이에 개재함으로써, 충방전 사이클 특성이 더욱 증가하였음을 알 수 있다.7 shows the cycle characteristics of the battery prepared in this example together with the results for the battery of Example 3, the charge and discharge cycle characteristics were further increased by interposing the Zr layer between the Cu foil and the Si thin film. It can be seen.

도 8a 및 8b에는 본 실시예의 전지에 대한 1 회 충방전 사이클 및 18 회 충방전 사이클 후의 Si 박막의 SEM 사진이 각각 개시되어 있다. 이와 대비하여, 도 9a 및 9b에는 실시예 3의 전지에 대한 1 회 충방전 사이클 및 18 회 충방전 사이클 후의 Si 박막의 SEM 사진이 각각 개시되어 있다. 도 8b와 9b를 비교하여 보면, 18 회 충방전 사이클 후 이들 전극 모두에서 크랙이 형성되는 것은 확인되지만, 구조적인 측면에서 큰 차이를 보이고 있다. 즉, 도 8b는, 도 1a에서 보는 바와 같은 Cu 기재의 입계 프로파일을 따라 폭이 넓은 갭(wide gap)들이 형성되어 있고, 그러한 넓은 갭들로 둘러싸인 다수의 섬(island)들 내에 다시 좁은 갭(narrow gap)들이 형성되어 있어서, 전체적으로 좁은 갭들에 의해 작고 균일한 크기의 미세한 섬들이 형성되어 있는 구조를 보여주고 있다. 이렇게 형성된 미세한 원주형 구조는 도 7에서 보는 바와 같이 충방전 사이클 동안에 안정한 것으로 나타냈다. 이는 Cu 집전체와 Si 박막 사이에 접착층으로서 Zr 층을 개재함으로써 Si이 Cu 기재에 강력하게 접착될 수 있기 때문에 가능하다. 이와 비교하여, 도 9b는 섬들과 크랙들이 무 질서하게 분포되어 있고 섬들이 상대적으로 큰 크기를 가지는 구조를 보여주고 있다. 더욱이, 일부 섬들이 Cu 기재로부터 탈리된 것을 확인할 수 있다. 따라서, Si 박막과 Cu 기재의 계면에 Zr 접착층을 도입함으로써 충방전 사이클 동안에 용량이 서서히 감소되는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있음을 알 수 있다.
8A and 8B show SEM images of the Si thin film after one charge and discharge cycle and 18 charge and discharge cycles, respectively, for the battery of this example. In contrast, FIGS. 9A and 9B disclose SEM images of the Si thin film after one charge and discharge cycle and 18 charge and discharge cycles for the battery of Example 3, respectively. Comparing FIGS. 8B and 9B, cracks are formed in all of these electrodes after 18 charge / discharge cycles, but there is a big difference in terms of structure. That is, FIG. 8B shows wide gaps formed along the grain boundary profile of the Cu substrate as shown in FIG. 1A and narrows again in a number of islands surrounded by such wide gaps. gaps are formed, showing a structure in which fine islands of small and uniform size are formed by narrow gaps as a whole. The fine columnar structure thus formed was shown to be stable during the charge and discharge cycle as shown in FIG. 7. This is possible because Si can be strongly adhered to the Cu substrate by interposing a Zr layer as an adhesive layer between the Cu current collector and the Si thin film. In comparison, FIG. 9B illustrates a structure in which islands and cracks are randomly distributed and islands have a relatively large size. Moreover, it can be seen that some islands have detached from the Cu substrate. Therefore, it can be seen that the introduction of the Zr adhesive layer at the interface between the Si thin film and the Cu substrate can fundamentally solve the problem of the capacity gradually decreasing during the charge and discharge cycle.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면, 음극 활물질로서의 실리콘 막과 집전체 사이의 결합력이 강화되어 충방전 과정에서 전기적 접촉 손실이 최소화될 수 있으므로, 충방전 사이클 특성이 매우 우수한 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.As described above, according to the method of the present invention, since the bonding force between the silicon film and the current collector as the negative electrode active material can be enhanced to minimize the electrical contact loss during the charge and discharge process, a lithium secondary battery having excellent charge and discharge cycle characteristics It can manufacture.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (10)

Si 계 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지에 있어서, Cu 또는 Ni의 음극 집전체의 표면 전반에 걸쳐 5 ~ 100 ㎛ 크기의 입계(grain boundary)를 가지며 상기 입계들이 접하는 부위에 적어도 1 ㎛ 깊이 이상의 골이 형성되는 있는 표면 몰포로지를 가지도록 음극 집전체를 표면처리하고, 상기 표면처리된 음극 집전체에 접착층으로서 지르코늄 박막을 형성한 후, 그 위에 음극 활물질로서의 실리콘 막을 증착하는 과정을 포함하는 것으로 구성된, 리튬 이차전지의 충방전 사이클 특성의 개선 방법.In a lithium secondary battery using a Si-based negative electrode active material, a grain boundary having a size of 5 to 100 μm over the entire surface of a negative electrode current collector of Cu or Ni, and a valley having a depth of at least 1 μm or more in contact with the grain boundaries And surface treating the negative electrode current collector to have the surface morphology formed thereon, forming a zirconium thin film as an adhesive layer on the surface-treated negative electrode current collector, and then depositing a silicon film as a negative electrode active material thereon. To improve the charge and discharge cycle characteristics of a lithium secondary battery. 제 1 항에 있어서, 상기 표면처리는 습식법에 의한 화학적 또는 전기적 에칭이나 건식법에 의한 반응성 가스 또는 이온 에칭으로 행하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the surface treatment is performed by chemical or electrical etching by wet method or reactive gas or ion etching by dry method. 제 2 항에 있어서, 화학적 에칭의 경우, 에칭제로서 FeCl3/HCl/H2O의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein in the case of chemical etching a mixture of FeCl 3 / HCl / H 2 O is used as the etchant. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 표면처리된 음극 집전체에 접착층을 형성한 후, 상기 음극 집전체에 바이어스 전압을 인가한 상태에서 스퍼터링에 의해 음극 활물질로서의 실리콘 막을 상기 접착층 위에 증착하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein after forming an adhesive layer on the surface-treated negative electrode current collector, a silicon film as a negative electrode active material is deposited on the adhesive layer by sputtering while a bias voltage is applied to the negative electrode current collector. . 제 7 항에 있어서, 상기 음극 집전체에 접착층을 형성한 후 열처리를 행하여 음극 집전체와 접착층 간의 결합력을 더욱 강화하는 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the adhesive layer is formed on the negative electrode current collector and then heat treated to further strengthen the bonding force between the negative electrode current collector and the adhesive layer. 제 8 항에 있어서, 상기 열처리는 100 ~ 400 ℃에서 10 초 ~ 30 분 간 행하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 8, wherein the heat treatment is performed at 100 to 400 ° C. for 10 seconds to 30 minutes. 제 1 항에 따른 방법으로 처리 또는 제조된 음극과, 양극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해질을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a negative electrode treated or prepared by the method according to claim 1, a positive electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.
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