KR100828879B1 - Electrode active material and secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬과 반복적으로 충방전 가능한 금속 또는 준금속 코어층; 비정질 탄소층; 및 결정질 탄소층을 순차적으로 포함하는 전극활물질로서, 상기 금속 또는 준금속 코어층과 상기 비정질 탄소층 사이의 일부 내지 전부에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합이 형성된 것을 특징으로 하는 전극활물질 및 이를 사용한 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention is a metal or metalloid core layer capable of repeatedly charging and discharging lithium; Amorphous carbon layer; And an electrode active material sequentially comprising a crystalline carbon layer, wherein an electrode active material comprising a chemical bond between metal or metalloid and carbon is formed in part or all between the metal or metalloid core layer and the amorphous carbon layer. It provides a used lithium secondary battery.
본 발명의 전극활물질은 금속 또는 준금속 전극활물질의 장점인 높은 충방전 용량을 유지하면서, 금속 또는 준금속 코어층과 비정질 탄소층 사이의 일부 내지 전부에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합이 형성되어 리튬의 충방전 시 발생 가능한 코어층의 체적변화를 억제하고, 이로 인해 전지의 사이클 수명특성을 향상시킬 수 있다.In the electrode active material of the present invention, a chemical bond between metal or metalloid and carbon is formed in some or all of the metal or metalloid core layer and the amorphous carbon layer while maintaining a high charge / discharge capacity which is an advantage of the metal or metalloid electrode active material. Therefore, it is possible to suppress the volume change of the core layer that may occur during charge and discharge of lithium, thereby improving the cycle life characteristics of the battery.
전극활물질, 결정질 탄소층, 비정질 탄소층 Electrode active material, crystalline carbon layer, amorphous carbon layer
Description
도 1은 실시예 1에서 제조한 전극활물질 단면의 STEM HAADF 사진이다.1 is a STEM HAADF photograph of the cross-section of the electrode active material prepared in Example 1.
도 2는 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 TEM 사진이다.2 is a TEM photograph of the electrode active material prepared in Example 1.
도 3은 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 XPS의 결과이다.3 is a result of XPS of an electrode active material prepared in Example 1. FIG.
도 4는 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 FT-IR의 결과이다.4 is a result of FT-IR of the electrode active material prepared in Example 1. FIG.
본 발명은 전극활물질 및 상기 전극활물질을 사용한 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode active material and a secondary battery using the electrode active material.
리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다. Lithium secondary batteries are manufactured by using a material capable of inserting and desorbing lithium ions as a negative electrode and a positive electrode, and filling an organic or polymer electrolyte between a positive electrode and a negative electrode, and when lithium ions are inserted and desorbed from a positive electrode and a negative electrode. Electrical energy is generated by oxidation and reduction.
현재 리튬 이차 전지의 음극을 구성하는 전극활물질로는 탄소질 재료가 주로 사용되고 있다. 그러나, 리튬 이차 전지의 용량을 더욱 향상시키기 위해서는 고용 량의 전극활물질 사용이 필요하다.Currently, carbonaceous materials are mainly used as electrode active materials constituting the negative electrode of a lithium secondary battery. However, in order to further improve the capacity of the lithium secondary battery, the use of a high capacity electrode active material is required.
이러한 요구를 충족하기 위하여 탄소질 재료보다 높은 충방전 용량을 나타내고, 리튬과 전기 화학적으로 합금화 가능한 금속인 Si, Al 등을 전극활물질로 이용하는 예가 있다. 그러나, 이러한 금속계 전극활물질은 리튬의 충방전에 수반된 체적의 변화가 심하여 균열이 생기고 미분화되며, 따라서 이러한 금속계 전극활물질을 사용한 이차 전지는 충방전 사이클이 진행됨에 따라 용량이 급격하게 저하되고, 사이클 수명이 짧게 된다.In order to satisfy such a demand, there is an example of using a Si, Al, or the like, which is a metal that exhibits a higher charge / discharge capacity than a carbonaceous material and which can be electrochemically alloyed with lithium. However, such a metal-based electrode active material has a severe change in volume associated with lithium charging and discharging, resulting in cracking and micronization. Therefore, the capacity of the secondary battery using the metal-based electrode active material decreases rapidly as the charge-discharge cycle progresses, and the cycle Life is shortened.
일본공개특허공보 제2001-297757호에서는 리튬과 충방전 가능한 원소로 구성된 α상(예, Si)과 이 원소와 다른 원소 b와의 금속간 화합물 또는 고용체인 β상이 주가 되는 조직을 갖는 전극활물질을 제안하였다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-297757 proposes an electrode active material having a structure mainly composed of an α phase (for example, Si) composed of lithium and a chargeable and dischargeable element, and a β phase, which is an intermetallic compound or solid solution of this element with another element b. It was.
그러나, 상기한 종래의 방법에 의해서도 충분하고 양호한 사이클 수명 특성을 얻을 수 없어서 실용적인 리튬 이차 전지용 전극활물질로 사용할 수 없다는 문제점이 있다.However, there is a problem that the conventional method described above cannot obtain sufficient and good cycle life characteristics and thus cannot be used as a practical electrode active material for lithium secondary batteries.
본 발명은 리튬과 반복적으로 충방전 가능한 금속 또는 준금속 코어층; 비정질 탄소층; 및 결정질 탄소층을 순차적으로 포함하는 전극활물질로서, 상기 금속 또는 준금속 코어층과 상기 비정질 탄소층 사이의 일부 내지 전부에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합이 형성된 전극활물질을 사용함으로써, 리튬의 충방전시에 발생하는 금속과 같은 코어층의 체적 변화를 억제하여 높은 충방전 용량과 우수한 사이클 수명 특성을 갖는 전극활물질 및 이를 사용한 이차 전지를 제공하고자 한다.The present invention is a metal or metalloid core layer capable of repeatedly charging and discharging lithium; Amorphous carbon layer; And an electrode active material comprising a crystalline carbon layer sequentially, by using an electrode active material in which a chemical bond between metal or metalloid and carbon is formed in part or all between the metal or metalloid core layer and the amorphous carbon layer. An electrode active material having high charge and discharge capacity and excellent cycle life characteristics by suppressing a volume change of a core layer such as a metal generated during charge and discharge, and a secondary battery using the same.
본 발명은 리튬과 반복적으로 충방전 가능한 금속 또는 준금속 코어층; 비정질 탄소층; 및 결정질 탄소층을 순차적으로 포함하는 전극활물질로서, 상기 금속 또는 준금속 코어층과 상기 비정질 탄소층 사이의 일부 내지 전부에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합이 형성된 것을 특징으로 하는 전극활물질 및 이를 사용한 이차 전지를 제공한다. The present invention is a metal or metalloid core layer capable of repeatedly charging and discharging lithium; Amorphous carbon layer; And an electrode active material sequentially comprising a crystalline carbon layer, wherein an electrode active material comprising a chemical bond between metal or metalloid and carbon is formed in part or all between the metal or metalloid core layer and the amorphous carbon layer. Provided the secondary battery used.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 전극활물질은 금속 또는 준금속 코어층, 비정질 탄소층 및 결정질 탄소층을 순차적으로 포함한 구조, 즉 금속 또는 준금속 코어층; 상기 금속 또는 준금속 코어층의 표면에 피복된 비정질 탄소층; 및 상기 비정질 탄소층에 피복된 결정질 탄소층을 형성하고 있다. 또한, 금속 또는 준금속과 탄소 간에는 화학결합, 예를 들면 공유 결합성 화학결합을 형성하고 있고, 상기 화학결합은 상기 코어층과 비정질 탄소층 사이의 일부 또는 전부에 형성되어 있다. 일례로 코어층으로 실리콘이 적용된 경우, 실리콘과 탄소 간의 화학결합은 실리콘과 다른 첨가물 간의 화학결합보다 훨씬 강하기 때문에 리튬의 충방전 중에 결합이 끊어지지 않는다. 따라서 충방전시 발생 가능한 코어층의 부피 변화가 발생하더라도 코어층과 비정질 탄소층 사이의 전기적인 접촉이 유지되어, 본 발명의 전극활물질을 사용한 리튬 이차 전지는 높은 충방전 용량과 우수한 사이클 수명을 가질 수 있다.Electrode active material of the present invention is a structure comprising a metal or metalloid core layer, an amorphous carbon layer and a crystalline carbon layer sequentially, that is, a metal or metalloid core layer; An amorphous carbon layer coated on the surface of the metal or metalloid core layer; And a crystalline carbon layer coated on the amorphous carbon layer. In addition, a chemical bond, for example, a covalent bond is formed between the metal or the metalloid and carbon, and the chemical bond is formed in part or all between the core layer and the amorphous carbon layer. For example, when silicon is applied as the core layer, the bond between silicon and carbon is much stronger than that between silicon and other additives, and thus the bond is not broken during charge and discharge of lithium. Therefore, even if the volume change of the core layer that can occur during charging and discharging occurs, the electrical contact between the core layer and the amorphous carbon layer is maintained, the lithium secondary battery using the electrode active material of the present invention has a high charge and discharge capacity and excellent cycle life Can be.
상기 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합은 전극활물질 100 중량부에 대 해 0.5~25 중량부 비율로 형성된 것이 바람직하다. 화학결합이 0.5 중량부 미만으로 형성된 경우에는 화학결합이 존재한다고 하더라도 상기 코어층과 비정질 탄소층 사이에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합이 충분히 이루어지지 않아 부피팽창에 따른 전기적 경로를 확보하기 어렵고, 코어층의 부피 팽창시 비정질 탄소층의 부피가 작아 부피 변화를 충분히 흡수할 수 없기 때문에 사이클 특성이 나빠진다. 한편, 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합은 그 결합력이 매우 강하기 때문에 리튬이 삽입된다 하더라도 반응하지 않으므로, 화학결합이 25 중량부 초과하여 형성된 경우는 비활성 부분이 크기 때문에 용량이 감소하는 단점이 있다. The chemical bond between the metal or metalloid and carbon is preferably formed in a proportion of 0.5 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material. If the chemical bond is less than 0.5 parts by weight, even if a chemical bond is present, it is difficult to secure an electrical path due to volume expansion because the chemical bond between the metal or metalloid and carbon is not sufficiently formed between the core layer and the amorphous carbon layer. When the volume of the core layer is expanded, the volume of the amorphous carbon layer is so small that the volume change cannot be sufficiently absorbed, resulting in poor cycle characteristics. On the other hand, since the chemical bond between metal or metalloid and carbon is very strong, even if lithium is inserted, it does not react. Therefore, when the chemical bond is formed by more than 25 parts by weight, the capacity is reduced because the inactive portion is large. .
본 발명에 있어서 상기 금속 또는 준금속 코어층을 구성하는 금속 또는 준금속의 예로서는 Si, Al, Sn, Sb, Bi, As, Ge, Pb 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 또는 준금속 또는 이의 합금을 들 수 있으나, 전기 화학적으로 리튬을 가역적으로 충방전시킬 수 있다면 특별히 제한하지는 않는다.In the present invention, examples of the metal or metalloid constituting the metal or metalloid core layer include metals or metalloids or alloys thereof including at least one selected from Si, Al, Sn, Sb, Bi, As, Ge, and Pb. Although it may be mentioned, it is not particularly limited as long as it can electrochemically recharge and discharge lithium.
비정질 탄소로는 석탄 타르 피치(coal tar pitch), 석유계 피치(petroleum pitch), 각종 유기 재료(organic material)를 원료로 하여 열처리하여 만든 탄소계 물질 등이 있다.Examples of amorphous carbon include a coal tar pitch, a petroleum pitch, and a carbon-based material made by heat treatment using various organic materials as raw materials.
결정질 탄소로는 흑연화도가 큰 천연 흑연, 인조 흑연 등이 있으며, 흑연계 재료의 예로는 MCMB(MesoCarbon MicroBead), 탄소 섬유(Carbon fiber), 천연 흑연(Natural graphite) 등이 있다.Crystalline carbon includes natural graphite and artificial graphite having a high degree of graphitization. Examples of the graphite-based material include MCMB (MesoCarbon MicroBead), carbon fiber, and natural graphite.
금속 또는 준금속 코어층: 비정질 탄소층: 결정질 탄소층 = 90~10 중량부: 0.1~50 중량부: 9~90 중량부인 것이 바람직하다. 금속 또는 준금속 코어층이 10 중 량부 미만이면 가역용량이 작아 고용량 전극활물질로서의 의미가 없어지고, 결정질 탄소층이 9 중량부 미만이면 충분한 전도성을 확보하기 어려우며, 비정질 탄소층이 0.1 중량부 미만이면 팽창억제에 충분한 역할을 하지 못하고 50 중량부 초과되면 용량저하 및 전도성 저하의 염려가 있기 때문이다.Metal or metalloid core layer: amorphous carbon layer: crystalline carbon layer = 90 to 10 parts by weight: 0.1 to 50 parts by weight: preferably 9 to 90 parts by weight. If the metal or metalloid core layer is less than 10 parts by weight, the reversible capacity is small, meaning as a high-capacity electrode active material, and if the crystalline carbon layer is less than 9 parts by weight, it is difficult to secure sufficient conductivity, and the amorphous carbon layer is less than 0.1 part by weight. This is because if it does not play a sufficient role in the expansion inhibition and exceeds 50 parts by weight, there is a fear of capacity decrease and conductivity decrease.
상기 비정질 탄소층은 탄소의 층간 거리 d002가 0.34nm 이상이고 두께가 5nm 이상인 것이 바람직하다. 본 발명의 전극활물질은 충방전이 가능한 금속 또는 준금속 코어층과 비정질 탄소층 사이에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 강한 화학결합을 형성하여, 비정질 탄소층은 금속 또는 준금속 코어층의 충방전 중에 유발되는 부피 팽창에도 전기적인 접촉을 유지하게 한다. 이때, 탄소의 층간 거리 d002가 0.34nm 미만이면, 탄소는 결정성이 우수하기 때문에 비정질 탄소층으로 분류할 수 없을 뿐만 아니라 결정성이 높아 코어층의 금속 또는 준금속과 화학결합을 하기 어려워진다. 비정질 탄소층의 두께가 5nm 미만이면 충방전시 발생하는 부피 변화에 따른 응력에 의해 금속 또는 준금속과 비정질 탄소 사이의 화학적 결합은 유지되지만, 비정질 탄소층 내에서의 결합이 끊어져 사이클 특성이 나빠지기 때문에 비정질 탄소층의 두께는 5nm 이상이 바람직하다.The amorphous carbon layer preferably has an interlayer distance d002 of carbon of 0.34 nm or more and a thickness of 5 nm or more. The electrode active material of the present invention forms a strong chemical bond between the metal or metalloid core and the amorphous carbon layer and the metal or metalloid and carbon, so that the amorphous carbon layer during charge and discharge of the metal or metalloid core layer It maintains electrical contact with the resulting volume expansion. At this time, when the interlayer distance d002 of carbon is less than 0.34 nm, carbon cannot be classified into an amorphous carbon layer because of its excellent crystallinity, and its crystallinity is high, making it difficult to chemically bond with the metal or metalloid of the core layer. If the thickness of the amorphous carbon layer is less than 5 nm, the chemical bond between the metal or the metalloid and the amorphous carbon is maintained by the stress due to the volume change generated during charging and discharging, but the bond in the amorphous carbon layer is broken, resulting in poor cycle characteristics. Therefore, the thickness of the amorphous carbon layer is preferably 5 nm or more.
상기 결정질 탄소층은 탄소의 층간거리 d002가 0.3354 nm 이상 0.35 nm 이하인 것이 바람직하다. 상기 하한값은 이론적으로 가능한 흑연의 최저 층간 거리로 그 미만은 실존하지 않으며, 상한값을 초과하는 층간 거리를 갖는 탄소는 전도성이 좋지 않아 피복층의 전도성도 낮아짐으로써 원활한 리튬 충방전 특성을 얻을 수 없다.The crystalline carbon layer preferably has an interlayer distance d002 of carbon of 0.3354 nm or more and 0.35 nm or less. The lower limit is theoretically the lowest possible interlayer distance of graphite, and the lower limit does not exist, and carbon having an interlayer distance exceeding the upper limit does not have good conductivity and thus lowers conductivity of the coating layer, thereby preventing smooth lithium charge and discharge characteristics.
또한, 결정질 탄소층의 두께는 특별히 제한하지는 않으나 1 미크론 이상 10 미크론 이하가 좋다. 층의 두께가 1 미크론 미만인 경우에는 입자간의 충분한 전도성을 확보하기 어렵고, 15 미크론 초과인 경우에는 전극활물질 중에 함유된 탄소질의 비율이 높아져 높은 충방전 용량을 얻을 수 없다.The thickness of the crystalline carbon layer is not particularly limited but is preferably 1 micron or more and 10 microns or less. If the thickness of the layer is less than 1 micron, it is difficult to secure sufficient conductivity between the particles. If the thickness is more than 15 microns, the proportion of carbonaceous contained in the electrode active material becomes high, and thus high charge and discharge capacity cannot be obtained.
본 발명의 전극활물질을 제조하는 방법은, 리튬과 반복적으로 충방전 가능한 금속 또는 준금속 코어층; 비정질 탄소층; 및 결정질 탄소층을 순차적으로 포함하는 전극활물질을 제공하는 제1단계; 및 상기 전극활물질을 600~1600℃에서 열처리하는 제2단계를 포함하여 이루어진다.Method for producing an electrode active material of the present invention, a metal or metalloid core layer that can be repeatedly charged and discharged with lithium; Amorphous carbon layer; And a first step of providing an electrode active material sequentially comprising a crystalline carbon layer; And a second step of heat treating the electrode active material at 600 to 1600 ° C.
열처리 온도가 600℃ 미만이면 코어층의 금속 또는 준금속과 비정질 탄소가 화학결합을 하지 않아 탄화물이 형성되지 않으며, 1600℃ 초과이면 형성되는 탄화물의 양이 많아지는 문제가 있다.If the heat treatment temperature is less than 600 ° C., metals or metalloids of the core layer and amorphous carbon do not chemically bond, and thus carbides are not formed. If the heat treatment temperature is more than 1600 ° C., there is a problem in that the amount of carbides is increased.
상기 제조방법에서 제1단계의 전극활물질은, 리튬과 반복적으로 충방전 가능한 금속 또는 준금속의 표면에 비정질 탄소층을 CVD, PVD 등의 박막 증착 공정으로 직접 피복하거나, 피치(pitch) 또는 각종 유기재료 등의 전구체를 피복한 후 열처리를 하여 비정질 탄소층을 피복하는 단계; 및 결정질의 탄소질 재료를 함유한 슬러리를 코팅, 건조하여 결정질 탄소층을 형성하는 단계에 의하여 제조할 수 있다.In the manufacturing method, the electrode active material of the first step may be formed by directly coating an amorphous carbon layer on a surface of a metal or metalloid that can be repeatedly charged and discharged with lithium by a thin film deposition process such as CVD or PVD, or by pitch or various organic materials. Coating an amorphous carbon layer by coating a precursor such as a material and then performing heat treatment; And coating and drying the slurry containing the crystalline carbonaceous material to form a crystalline carbon layer.
또한, 상기 제1단계의 전극활물질은, 코어층을 형성하는 금속 또는 준금속과 결정질 탄소를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물을 볼밀과 Mechano Fusion 장치를 이용하여 기계적 합금(Mechanical Alloying)하여 금속 또는 준금속 코어층 표면에 비정질 탄소층과 결정질 탄소층을 동시에 형성시키는 단계를 포함하여 제조할 수 있다. 이때 기계적 합금(Mechanical Alloying)은 기계적인 힘을 가해서 균일한 조성의 합금을 만드는 것이다.In addition, the electrode active material of the first step, the step of providing a mixture by mixing the crystalline carbon and metal or metalloid forming the core layer; And mechanically alloying the mixture using a ball mill and a Mechano Fusion device to simultaneously form an amorphous carbon layer and a crystalline carbon layer on the surface of the metal or metalloid core layer. Mechanical alloying (Mechanical Alloying) is to create an alloy of uniform composition by applying a mechanical force.
상기 금속 또는 준금속과 결정질 탄소의 혼합은 금속 또는 준금속: 결정질 탄소 = 90~10 중량부: 10~90 중량부의 비로 혼합할 수 있다.The metal or metalloid and the crystalline carbon may be mixed in a ratio of metal or metalloid: crystalline carbon = 90 to 10 parts by weight: 10 to 90 parts by weight.
본 발명에서 전극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전극활물질에 바인더와 용매, 필요에 따라 도전제, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 전극을 제조할 수 있다.Electrodes in the present invention can be prepared by conventional methods known in the art. For example, a slurry may be prepared by mixing and stirring a binder and a solvent, a conducting agent, and a dispersant in an electrode active material of the present invention, and then applying the same to a current collector of a metal material, compressing, and drying the electrode. have.
전극활물질에 대하여 바인더는 1~10 중량비로, 도전제는 1~30 중량비로 적절히 사용할 수 있다.The binder can be suitably used in an amount of 1 to 10 by weight and the conductive agent in an amount of 1 to 30 by weight based on the electrode active material.
사용 가능한 바인더의 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 등이 있다.Examples of binders that can be used include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and the like.
도전제로는 일반적으로 카본블랙 (carbon black)을 사용할 수 있고, 현재 도전제로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다.Generally, carbon black may be used as the conductive agent, and acetylene black series (such as a Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company) may be used as a commercially available product. Ketjen Black EC series (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company) and Super P (MMM) There is this.
용매로는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있으며, 이들 용매는 단독으로 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 전극활물질, 코어-쉘 구조의 바인더, 도전재를 용해 및 분산시킬 수 있는 정도이면 충분하다.Examples of the solvent include organic solvents such as NMP (N-methyl pyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), acetone, and dimethyl acetamide or water, and these solvents may be used alone or in combination of two or more thereof. . The amount of the solvent is sufficient to dissolve and disperse the electrode active material, the core-shell binder, and the conductive material in consideration of the coating thickness of the slurry and the production yield.
금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 전극활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로, 알루미늄, 구리, 금, 니켈 혹은 알루미늄 합금 혹은 이들의 조합에 의해서 제조되는 메쉬 (mesh), 호일 (foil)등이 있다.The current collector of the metal material is a metal having high conductivity, and any metal can be used as long as the slurry of the electrode active material can be easily adhered and is not reactive in the voltage range of the battery. Representative examples include meshes, foils, and the like, which are manufactured by aluminum, copper, gold, nickel or an aluminum alloy or a combination thereof.
슬러리를 집전체에 도포하는 방법도 특별히 제한하지 않는다. 예컨대, 닥터블레이드, 침지, 솔칠 등의 방법으로 도포할 수 있으며, 도포량도 특별히 제한하지 않지만, 용매나 분산매를 제거한 후에 형성되는 활물질 층의 두께가 보통 0.005~5㎜, 바람직하게는 0.05~2㎜ 범위가 되는 정도의 양이 바람직하다. The method of applying the slurry to the current collector is also not particularly limited. For example, it can be applied by a method such as doctor blade, dipping, brushing, and the like, but the coating amount is not particularly limited, but the thickness of the active material layer formed after removing the solvent or the dispersion medium is usually 0.005-5 mm, preferably 0.05-2 mm. The amount of the range which becomes a range is preferable.
용매 또는 분산매를 제거하는 방법도 특별히 제한하지 않지만, 응력집중이 발생하여 활물질 층에 균열이 발생하거나, 활물질층이 집전체로부터 박리되지 않는 정도의 속도범위 내에서, 가능하면 신속하게 용매 또는 분산매가 휘발되도록 조정하여 제거하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 비제한적인 예로 50~200℃의 진공오븐에서 0.5~3일 동안 건조할 수 있다.The method of removing the solvent or the dispersion medium is not particularly limited, but the solvent or the dispersion medium may be used as quickly as possible within the speed range in which stress concentration occurs and cracks occur in the active material layer or the active material layer does not peel off from the current collector. It is preferable to use a method of adjusting to remove to volatilize. As a non-limiting example it may be dried for 0.5 to 3 days in a vacuum oven at 50 ~ 200 ℃.
본 발명의 이차 전지는 상기 본 발명의 전극활물질을 사용한 것을 특징으로 하며, 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고 전해액을 투입하여 제조할 수 있다. 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함한다.The secondary battery of the present invention is characterized by using the electrode active material of the present invention, it can be produced by a conventional method known in the art. For example, a porous separator may be inserted between the positive electrode and the negative electrode to add an electrolyte solution. Secondary batteries include lithium ion secondary batteries, lithium polymer secondary batteries or lithium ion polymer secondary batteries.
전해액은 비수 용매와 전해질 염을 포함할 수 있다. The electrolyte may include a nonaqueous solvent and an electrolyte salt.
비수 용매는 통상 비수 전해액용 비수 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 또는 케톤을 사용할 수 있다.The nonaqueous solvent is not particularly limited as long as it is normally used as a nonaqueous solvent for nonaqueous electrolyte, and cyclic carbonate, linear carbonate, lactone, ether, ester or ketone can be used.
상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 있고, 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 상기 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 상기 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄 등이 있다. 또한 상기 에스테르의 예로는 n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 이들 비수 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like. Examples of the linear carbonate include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) and dipropyl carbonate. (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), and the like. Examples of the lactone include gamma butyrolactone (GBL), and examples of the ether include dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, and the like. There is this. In addition, examples of the ester include n-methyl acetate, n-ethyl acetate, methyl propionate, methyl pivalate, and the like. The ketone includes polymethylvinyl ketone. These nonaqueous solvents can be used individually or in mixture of 2 or more types.
전해질 염은 통상 비수 전해액용 전해질 염으로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 전해질 염의 비제한적인 예는 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온 을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이다. 특히, 리튬 염이 바람직하다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The electrolyte salt is not particularly limited as long as it is usually used as an electrolyte salt for nonaqueous electrolyte. Electrolytic salt, non-limiting example, A + B - A salt of the structure, such as, A + comprises a Li +, Na +, an alkali metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as K + B - is PF 6 - , BF 4 -, Cl -, Br -, I -, ClO 4 -, AsF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2 ) 3 - and a salt containing the same anion ion or a combination thereof. In particular, lithium salts are preferred. These electrolyte salts can be used individually or in mixture of 2 or more types.
본 발명의 이차 전지는 분리막을 포함할 수 있다. 사용 가능한 분리막은 특별한 제한이 없으나, 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 또는 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 있다.The secondary battery of the present invention may include a separator. The separator can be used is not particularly limited, it is preferable to use a porous separator, non-limiting examples include a polypropylene-based, polyethylene, or polyolefin-based porous separator.
본 발명의 리튬 이차 전지는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention is not limited in appearance, but may be cylindrical, square, pouch type, or coin type using a can.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present invention and the present invention is not limited by the following examples.
(실시예 1 ~ 5)(Examples 1 to 5)
Si과 천연 흑연을 50 중량부: 50 중량부로 혼합하고 직경이 5mm 스텐인레스 볼과 분말의 비가 중량부 3: 1이 되게 한 후 Hosokawa Micron사의 Mechano Fusion장치를 이용하여 분당 600회의 회전속도로 30분간 Mechanical Alloying을 수행하여 전극활물질을 제조하였다. 이후, Si와 탄소 간의 화학결합을 형성하기 위하여 아르곤(Ar) 분위기의 1100 ℃에서 30분(실시예 1), 1시간(실시예 2), 1시간 30분(실시 예 3), 2시간(실시예 4), 3시간(실시예 5) 동안 각각 열처리하였다. 50 parts by weight of Si and natural graphite are mixed by 50 parts by weight, and the ratio of 5 mm stainless steel balls to powder is 3: 3 parts by weight. Alloying was performed to prepare an electrode active material. Then, 30 minutes (Example 1), 1 hour (Example 2), 1 hour 30 minutes (Example 3), 2 hours (at 1100 ° C. in an argon (Ar) atmosphere to form a chemical bond between Si and carbon) Example 4) and heat treatment for 3 hours (Example 5), respectively.
전극활물질 평가를 위하여, 상기 제조된 전극활물질 100 중량부에 바인더로서 PVDF를 7 중량부, 도전제로서 아세틸렌블랙을 15 중량부, 용매로서 NMP를 넣어 혼합하여 균일한 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 20마이크로의 동박에 30 ㎛의 균일한 두계로 코팅한 후, 건조, 압연하고 펀칭(punching)하여 음극을 제조하였다. To evaluate the electrode active material, a uniform slurry was prepared by mixing 7 parts by weight of PVDF as a binder, 15 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and NMP as a solvent to 100 parts by weight of the prepared electrode active material. The slurry was coated on a 20 micron copper foil with a uniform thickness of 30 μm, and then dried, rolled and punched to prepare a negative electrode.
전해액은 에틸렌 카보네이트(EC): 에틸메틸카보네이트(EMC)= 1: 2(v: v)의 조성을 갖는 비수 용매에 LiPF6를 1M 농도가 되도록 용해하여 제조하였다.The electrolyte was prepared by dissolving LiPF 6 in a non-aqueous solvent having a composition of ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 1: 2 (v: v) to a concentration of 1 M.
상기 제조된 전극을 음극으로 사용하고 counter 전극으로 금속 리튬을 사용하였으며, 양 전극 사이에 폴리올레핀계 분리막을 개재시킨 후 상기 전해액을 주입하여 코인형 전지를 제조하였다.The prepared electrode was used as a negative electrode and metal lithium was used as a counter electrode. A coin-type battery was manufactured by interposing a polyolefin-based separator between both electrodes and injecting the electrolyte solution.
(실시예 6 ~ 10)(Examples 6 to 10)
실시예 1에서 열처리 온도를 1000 ℃ (실시예 6), 900 ℃ (실시예 7), 800 ℃ (실시예 8), 700 ℃ (실시예 9), 600 ℃ (실시예 10)로 하여 2시간동안 열처리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 전극활물질 및 전지를 제조하였다.In Example 1, the heat treatment temperature was set to 1000 ° C. (Example 6), 900 ° C. (Example 7), 800 ° C. (Example 8), 700 ° C. (Example 9), and 600 ° C. (Example 10). Except that the heat treatment during, the electrode active material and the battery was prepared in the same manner as in Example 1.
(실시예 11)(Example 11)
평균 반경이 20 ㎛인 실리콘에 피치를 중량비 10: 5로 혼합 후, 아르곤 분위기에서 800 ℃로 열처리하여 전극활물질을 제조하였다. 이후 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 전극활물질을 사용하여 코인형 전지를 제조하였다.The pitch was mixed in a weight ratio of 10: 5 to silicon having an average radius of 20 μm, and then heat-treated at 800 ° C. in an argon atmosphere to prepare an electrode active material. Thereafter, a coin-type battery was manufactured using the electrode active material prepared in the same manner as in Example 1.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
실시예 1에서 열처리를 하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 전극활물질 및 전지를 제조하였다.Except not performing heat treatment in Example 1, an electrode active material and a battery were prepared in the same manner as in Example 1.
(실험결과) (Experiment result)
도 1은 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 단면을 STEM HAADF으로 관찰한 사진이다. 흰색의 입자는 실리콘이며, 실리콘 주위의 검은 물결 무늬는 결정질 탄소층이다. 실리콘 주위를 탄소층이 둘러싸고 있는 구조를 관찰할 수 있으며, 금속 또는 준금속 코어층을 결정질 탄소층이 둘러싸고 있는 모습을 나타내고 있었다.Figure 1 is a photograph of the cross section of the electrode active material prepared in Example 1 by STEM HAADF. The white particles are silicon, and the black waves around the silicon are crystalline carbon layers. The structure in which the carbon layer surrounds the silicon can be observed, and the crystalline carbon layer surrounds the metal or metalloid core layer.
도 2는 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 TEM 사진이다. 좌측은 실리콘이며, 우측은 탄소층이었다. 실리콘은 TEM 상에서 규칙적인 실리콘 원자의 배열을 잘 보여주고 있으며, 우측 하단의 TEM SADP(Selected Area Diffraction Pattern)에서 규칙적인 점으로 나타나 결정질 상태임을 알 수 있었다. 또한 우측은 d001면이 규칙적이지 않은 탄소층이며, 우측 하단의 TEM SADP에서 여러 개의 환으로 나타나 비정질 탄소층임을 알 수 있었다. 비정질 탄소층은 도 2에서 약 10 nm 이었다. 2 is a TEM photograph of the electrode active material prepared in Example 1. The left side was silicon, and the right side was a carbon layer. Silicon shows a regular arrangement of silicon atoms on the TEM, and it appears that it is a crystalline state as a regular point in the TEM SADP (Selected Area Diffraction Pattern) at the bottom right. In addition, the d001 plane is an irregular carbon layer on the right side, and it can be seen that it is an amorphous carbon layer as a plurality of rings in the TEM SADP on the lower right side. The amorphous carbon layer was about 10 nm in FIG.
도 3은 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 XPS 관찰 결과이다. 도 3에 의하면, 실리콘과 실리콘 간의 화학결합, 실리콘과 산소 간의 화학결합, 및 실리콘과 탄소 간의 화학결합이 존재함을 알 수 있었다. 3 is an XPS observation result of the electrode active material prepared in Example 1. 3, it can be seen that there is a chemical bond between silicon and silicon, a chemical bond between silicon and oxygen, and a chemical bond between silicon and carbon.
도 4는 실시예 1에서 제조한 전극활물질의 FT-IR 관찰 결과이다. 900 cm-1 근처에서 실리콘과 탄소 간의 화학결합을 확인할 수 있었다. 따라서, 도 3과 도 4의 결과로서 도 1에서 관찰한 실리콘층과 비정질 탄소층 사이의 일부에 결정질 실 리콘과 비정질 탄소 간의 화학적 결합이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.4 is an FT-IR observation result of the electrode active material prepared in Example 1. The chemical bond between silicon and carbon was found around 900 cm -1 . Therefore, as a result of FIGS. 3 and 4, a portion of the silicon layer and the amorphous carbon layer observed in FIG. It was confirmed that a chemical bond was formed between the crystalline silicon and the amorphous carbon.
또한, 실시예 1 ~ 11과 비교예에서 제조한 전지를 사용하여 초기 용량, 50사이클 용량/1사이클 용량비, 초기 사이클 효율, 및 50사이클 후 두께/충방전 전의 두께 비를 측정하였고, 이들을 표 1에 나타내었다.In addition, the batteries prepared in Examples 1 to 11 and Comparative Examples were used to measure initial capacity, 50 cycle capacity / 1 cycle capacity ratio, initial cycle efficiency, and thickness ratio after 50 cycles before thickness / charging and discharging. Shown in
표 1를 살펴보면, 실시예 1 ~ 11은 비교예에 비하여 초기 용량은 비슷한 값을 나타내었다. 그러나, 50사이클 용량/1사이클 용량의 비를 보면 실시예 1 ~ 11은 91.1 ~ 93.4 %로 비교예의 88.9 %에 비하여 사이클 특성이 매우 개선되었음을 알 수 있다. 또한, 첫번째 사이클 효율은 비교예의 경우 76 %이나, 실시예 1 ~ 11은 82 ~ 84.5 %로 향상되었다.Looking at Table 1, Examples 1 to 11 showed similar initial capacities compared to Comparative Examples. However, when looking at the ratio of 50 cycle capacity / 1 cycle capacity, it can be seen that Examples 1 to 11 are 91.1 to 93.4% and the cycle characteristics are significantly improved compared to 88.9% of the Comparative Example. In addition, the first cycle efficiency was 76% in the comparative example, but Examples 1 to 11 were improved to 82 to 84.5%.
또한, 실시예 1 ~ 11은 50 사이클 후 부피 팽창율이 303 ~ 371 %로 비교예의 650 %에 비하여 매우 작게 팽창하였음을 알 수 있었다.In addition, in Examples 1 to 11, the volume expansion ratio was 303 to 371% after 50 cycles, which is very small compared to 650% of the comparative example.
본 발명의 전극활물질은 금속 또는 준금속 전극활물질의 장점인 높은 충방전 용량을 유지하면서, 금속 또는 준금속 코어층과 비정질 탄소층 사이의 일부 내지 전부에 금속 또는 준금속과 탄소 간의 화학결합이 형성되어 리튬의 충방전 시 발생 가능한 코어층의 체적변화를 억제하며, 이로 인해 전지의 사이클 수명특성을 향상시킬 수 있다.In the electrode active material of the present invention, a chemical bond between metal or metalloid and carbon is formed in part or all between the metal or metalloid core layer and the amorphous carbon layer while maintaining a high charge and discharge capacity which is an advantage of the metal or metalloid electrode active material. Therefore, it is possible to suppress the volume change of the core layer that may occur during charge and discharge of lithium, thereby improving the cycle life characteristics of the battery.
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