KR101187347B1 - Anode of lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일측면에 의하면, 기판 상에 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 실리콘층 표면으로 전처리 가스를 공급하는 단계, 상기 실리콘층을 식각하여 서로 이격되어 있는 복수개의 실리콘 로드를 형성하는 단계, 전도성 용액으로 상기 실리콘 로드 간의 이격공간을 매립하는 단계 및 상기 전도성 용액을 건조시켜 상기 이격공간에 집전체를 형성하는 단계를 포함하는 리튬이차전지의 음극 형성방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판, 상기 기판의 일면에 서로 이격되어 형성된 복수의 실리콘 로드 및 상기 실리콘 로드 간의 이격공간를 매립하는 집전체를 포함하는 리튬이차전지의 음극이 제공된다. According to one aspect of the invention, forming a silicon layer on a substrate, supplying a pretreatment gas to the surface of the silicon layer, etching the silicon layer to form a plurality of silicon rods spaced apart from each other, conductive A method of forming a negative electrode of a lithium secondary battery is provided, the method including filling a spaced space between the silicon rods with a solution and drying the conductive solution to form a current collector in the spaced space.
According to another aspect of the invention, there is provided a negative electrode of a lithium secondary battery comprising a substrate, a plurality of silicon rods formed spaced apart from each other on one surface of the substrate and a current collector to fill the separation space between the silicon rods.
Description
본 발명은 리튬이차전지에 이용되는 음극(anode) 및 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 음극 활물질로 실리콘을 사용하여 용량이 높으면서도 사이클 수명 특성이 우수한 리튬이차전지용 음극 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode (anode) and a manufacturing method used for a lithium secondary battery, and more particularly to a negative electrode for a lithium secondary battery having a high capacity and excellent cycle life characteristics by using silicon as a negative electrode active material will be.
리튬이차전지는 전해질을 사이에 두고 분리막을 투과하여 이동하는 리튬 이온의 삽입(intercalation) 및 이탈(deintercalation)이 가역적으로 수행되는 양극(cathode) 및 음극(anode)으로 이루어진다. 리튬 이온은 유기 전해액 또는 고체전해질로 이루어진 전해질을 매개체로 양극과 음극 사이를 이동하게 되며, 이러한 리튬 이온이 양극 및 음극에 삽입 및 이탈되면서 전기에너지의 충방전이 일어나게 된다. The lithium secondary battery includes a cathode and an anode in which recalation and deintercalation of lithium ions moving through a separator are interposed between electrolytes. Lithium ions move between the positive electrode and the negative electrode through an electrolyte consisting of an organic electrolyte or a solid electrolyte, and the charge and discharge of electrical energy occurs as the lithium ions are inserted into and separated from the positive electrode and the negative electrode.
이러한 리튬이차전지는 최근 무선이동통신기, 노트북 등 소형 휴대용 전자제품의 개발에 수반되어 그 전원으로서 수요가 증가하고 있다. 이러한 용도에 사용되는 리튬이차전지는 높은 저장용량과 충방전에 따른 사이클(cycle) 특성이 뛰어날 것을 요구한다. Such lithium secondary batteries have recently been accompanied by the development of small portable electronic products such as wireless mobile communication devices, notebook computers, etc., and the demand for such power sources is increasing. Lithium secondary batteries used in such applications require high storage capacity and excellent cycle characteristics due to charge and discharge.
종래부터 양극에 사용되는 활물질로는 사이클 특성이 우수한 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni)을 포함하는 칼코게나이드(chalcogenide)계열의 복합산화물이 주로 이용되고 있다. Conventionally, as an active material used for a positive electrode, a chalcogenide-based composite oxide containing cobalt (Co), manganese (Mn), and nickel (Ni) having excellent cycle characteristics is mainly used.
또한 음극의 활물질로서는 초기에 금속 리튬이 이용되었다. 그러나 금속 리튬은 충방전 과정 중의 가역성이 떨어지며, 충전시 리튬이 수지상으로 성장하여 분리막을 뚫고 양극과 접촉함에 따라 내부단락 또는 전지의 폭발을 유도하는 문제점이 있었다. Moreover, metal lithium was initially used as an active material of a negative electrode. However, metal lithium is inferior in reversibility during charging and discharging, and when charging, lithium grows into resin and penetrates a separator and contacts an anode, thereby causing an internal short circuit or an explosion of a battery.
이러한 문제점으로 인해 현재 가장 널리 사용되고 있는 음극 활물질로는 탄소계 물질이다. 탄소계 물질은 리튬의 삽입시 부피변화가 적고 가역성이 뛰어난 장점이 있다. 대표적인 탄소계 음극 활물질은 흑연으로서 리튬과 반응하여 LiC6를 형성한다. Due to these problems, the most widely used negative electrode active material is a carbon-based material. Carbonaceous materials have the advantage of low volume change and excellent reversibility when lithium is inserted. Representative carbon-based negative electrode active materials react with lithium as graphite to form LiC 6 .
그러나 이러한 탄소계 물질의 이론적인 비용량(specific capacity)이 높지 않으며, 예를 들어 흑연(graphite)의 경우에는 이론적인 비용량의 최대값이 372 Ah/kg에 불과하다. 따라서 보다 높은 용량을 가지는 전지를 제조하기 위해서는 비용량이 더 큰 음극 활물질의 개발이 필요하다. However, the theoretical specific capacity of such carbon-based materials is not high, and for graphite, for example, the maximum theoretical theoretical capacity is only 372 Ah / kg. Therefore, in order to manufacture a battery having a higher capacity, it is necessary to develop a negative active material having a higher specific capacity.
이러한 기술적 배경 하에서 새로운 음극 활물질로서 실리콘(Si), 주석(Sn), 비스무스(Bi) 등이 제안되고 있다. 이러한 재료들은 모두 탄소계 물질에 비해 높은 최대용량을 가지고 있다. 일예로서 실리콘은 리튬과 반응하여 Li21Si5를 형성하며, 이론적인 최대용량이 4010 Ah/kg으로서 흑연에 비해 10배 이상의 높은 값을 나타낸다. 따라서 이러한 재료들은 고용량 전지의 음극 활물질로의 활용 가능성이 높다. Under these technical backgrounds, silicon (Si), tin (Sn), bismuth (Bi) and the like have been proposed as new anode active materials. All of these materials have higher maximum capacities than carbonaceous materials. As an example, silicon reacts with lithium to form Li 2 1Si 5 , and the theoretical maximum capacity is 4010 Ah / kg, which is 10 times higher than graphite. Therefore, these materials are highly applicable to the negative electrode active material of a high capacity battery.
그러나 이러한 재료들은 모두 리튬과의 반응시에 높은 부피팽창을 수반한다. 즉 충전과정에서 종래의 탄소계 재료에 비해 더 많은 리튬 이온이 상기 재료에 삽입되게 되며, 이러한 리튬함량의 증가로 탄소계 재료에 비해 현저한 부피팽창을 일으키게 된다. However, all these materials involve high volume expansion upon reaction with lithium. That is, in the filling process, more lithium ions are inserted into the material than in the conventional carbon-based material, and the increase in lithium content causes significant volume expansion compared to the carbon-based material.
이러한 리튬의 삽입/이탈 과정에서의 극심한 부피의 변화는 전지 구동시 전극 자체에 높은 응력을 인가하게 된다. 따라서 전지의 사이클 특성이 나빠지게 될 뿐 아니라 전지 자체가 손상됨에 따라 수명이 현저하게 단축되는 문제가 있다. The extreme volume change during the insertion / extraction of lithium causes high stress on the electrode itself when the battery is driven. Therefore, there is a problem that not only the cycle characteristics of the battery is deteriorated but also the life is significantly shortened as the battery itself is damaged.
본 발명은 리튬과의 반응에 따른 응력을 완화함으로써 반복적인 충방전에도 안정적인 사이클 특성을 가지는 리튬이차전지의 음극 형성방법 및 그 방법에 의해 제조된 음극의 제공을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a method for forming a negative electrode of a lithium secondary battery having a stable cycle characteristics even after repeated charge and discharge by relieving the stress caused by the reaction with lithium and the negative electrode produced by the method.
또한 본 발명은 이러한 음극구조를 가지는 리튬이차전지의 제공을 또 다른 목적으로 한다. In addition, another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having such a negative electrode structure.
이러한 본 발명의 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to those mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 기판 상에 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 실리콘층 표면으로 전처리 가스를 공급하는 단계, 상기 실리콘층을 식각하여 서로 이격되어 있는 복수개의 실리콘 로드를 형성하는 단계, 전도성 용액으로 상기 실리콘 로드 간의 이격공간을 매립하는 단계 및 상기 전도성 용액을 건조시켜 상기 이격공간에 집전체를 형성하는 단계를 포함하는 리튬이차전지의 음극 형성방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention for solving the above problems, forming a silicon layer on a substrate, supplying a pretreatment gas to the surface of the silicon layer, a plurality of silicon spaced apart from each other by etching the silicon layer A method of forming a negative electrode of a lithium secondary battery is provided, comprising: forming a rod, filling a space between the silicon rods with a conductive solution, and drying the conductive solution to form a current collector in the space.
이때 상기 이격공간은 상기 전도성 용액에 의해 일부가 매립될 수 있다.In this case, the separation space may be partially embedded by the conductive solution.
또한 상기 실리콘층을 형성하는 단계는 단결정 실리콘 웨이퍼를 적층하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, the forming of the silicon layer may include stacking a single crystal silicon wafer.
또 다른 예로서 상기 실리콘층을 형성하는 단계는 물리기상증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법으로 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. As another example, the forming of the silicon layer may include depositing polycrystalline silicon or amorphous silicon by physical vapor deposition or plasma chemical vapor deposition.
한편, 상기 전처리 가스는 탄화불소계 가스일 수 있으며, 일예로서 CF4, C2F6 또는 C3F8 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. On the other hand, the pretreatment gas may be a fluorocarbon gas, for example CF 4, C 2 F 6 or At least one of C 3 F 8 .
본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판, 상기 기판의 일면에 서로 이격되어 형성된 복수의 실리콘 로드 및 상기 실리콘 로드 간의 이격공간를 매립하는 집전체를 포함하는 리튬이차전지의 음극이 제공된다. According to another aspect of the invention, there is provided a negative electrode of a lithium secondary battery comprising a substrate, a plurality of silicon rods formed spaced apart from each other on one surface of the substrate and a current collector to fill the separation space between the silicon rods.
이때 상기 집전체는 상기 이격공간의 일부를 매립할 수 있으며 구리를 포함할 수 있다.In this case, the current collector may fill a part of the separation space and may include copper.
한편, 상기 기판은 폴리머 물질 또는 박판 형태의 금속을 포함할 수 있다.Meanwhile, the substrate may include a polymer material or a metal in a thin plate form.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 양극, 음극, 이온투과막을 포함하는 리튬이차전지로서 상기 음극은 기판, 상기 기판의 일면에 서로 이격되어 형성된 복수의 실리콘 로드 및 상기 실리콘 로드 간의 이격공간를 매립하는 집전체를 포함하는 리튬이차전지가 제공될 수 있다. According to another aspect of the present invention, a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, an ion permeable membrane, the negative electrode is a substrate, a plurality of silicon rods formed on one surface of the substrate spaced apart from each other and a space for filling the space between the silicon rods A lithium secondary battery including the whole may be provided.
본 발명에 따르는 음극구조를 사용한 리튬이차전지의 경우에는 실리콘을 음극 활물질로 사용함에 의해 발생되는 충방전시 부피변화에 의한 응력발생이 현저하게 완화됨에 따라 높은 저장용량과 동시에 안정한 충방전 사이클 특성을 나타내게 된다. 따라서 고용량 이면서 장시간의 수명을 가지는 리튬이차전지를 제조할 수 있다.In the case of the lithium secondary battery using the negative electrode structure according to the present invention, the stress caused by the volume change during charge and discharge generated by using the silicon as the negative electrode active material is remarkably alleviated, so that the charge and discharge cycle characteristics with high storage capacity and stable Will be displayed. Therefore, a lithium secondary battery having a high capacity and a long lifespan can be manufactured.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects, which are not mentioned above, will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음극의 제조방법을 단계별로 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 음극구조의 평면도이다.
도 7 내지 도 8은 충전 시 본 발명의 일실시예에 따른 음극에서의 리튬 이온의 삽입과정을 도시한 것이다.
도 9는 리튬 이온이 삽입된 음극구조의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예를 따르는 방법에 의해 형성된 실리콘 로드를 관찰한 결과이다.
도 11 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 실리콘 로드 및 집전체의 구조를 관찰한 결과이다.1 to 5 show step by step a method of manufacturing a negative electrode according to an embodiment of the present invention.
6 is a plan view of the cathode structure of FIG.
7 to 8 illustrate the insertion process of lithium ions in the negative electrode according to an embodiment of the present invention during charging.
9 is a plan view of a cathode structure in which lithium ions are inserted.
10 is a result of observing the silicon rod formed by the method according to an embodiment of the present invention.
11 to 12 are the results of observing the structure of the silicon rod and the current collector manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1 내지 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 음극의 제조방법이 도시되어 있다. 1 to 5 illustrate a method of manufacturing a negative electrode according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 음극을 형성하기 위한 기판(101)이 제공된다. 이때 제공되는 기판(101)은 탄성을 가진 유연성 재질을 가진 기판일 수 있으며, 폴리머 물질일 수 있다. 예를 들어, 폴리프로필렌(polyphenylene), 폴리이미드(polyimide), PDMS(polydimethylsiloxane) 및 폴리프로필렌 설파이드(polyphenylene sulfide) 중 어느 하나가 이용될 수 있다.Referring to FIG. 1, a
다른 예로서 기판(101)은 박판 형태의 금속일 수 있으며, 일예로서 전해동박이 사용될 수 있다. As another example, the
다음, 도 1과 같이 기판(101)의 일면 상에 실리콘층(102)을 형성한다. 이때 실리콘층(102)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘(amorphous silicon) 일 수 있다. Next, as shown in FIG. 1, the
실리콘층(102)이 단결정 실리콘의 경우에는 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판(101) 상의 일면에 직접 적층함으로써 형성할 수 있다. 이때 단결정 실리콘 웨이퍼는 일면이 폴리싱(polishing)되어 그 두께가 감소된 것일 수 있다. In the case where the
실리콘층(102)이 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘일 경우에는 스퍼터링과 같은 물리기상증착법(physical vapor deposition) 또는 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)이 이용하여 형성할 수 있다. When the
다음, 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 가스(103)를 실리콘층(102)의 표면으로 공급하는 가스공급단계를 수행한다. 이때 실리콘층(102)의 표면으로 공급되는 소정의 가스(103)를 전처리 가스로 명명할 수 있다. 이러한 전처리 가스는 실리콘층(102) 표면을 물리적 또는 화학적으로 개질시켜, 실리콘층(102) 표면의 일부에 후속하는 식각공정에서 특정한 식각 가스에 대해서 식각되지 않는 비식각 영역을 형성시킬 수 있다. Next, as shown in FIG. 2, a gas supply step of supplying a predetermined
이때 비식각 영역은 실리콘층(102)의 표면에 공급되는 전처리 가스(103)로부터 유래되는 비식각 물질(104)이 실리콘층(102)의 표면상에 형성된 영역 또는 공급되는 전처리 가스(103)와 실리콘층(102)의 표면이 물리적 또는 화학적으로 직접 반응하여 실리콘층(102) 자체가 식각공정 중 식각되지 않도록 개질된 영역일 수 있다. In this case, the non-etched region may include a region in which the non-etched
이때 이러한 표면개질에 의해 형성된 비식각 영역은 실리콘층(102)의 표면에 수백 나노미터 평균직경을 가지는 미세한 영역이 서로 무작위적으로 이격되어 분포될 수 있다. In this case, the non-etched regions formed by the surface modification may be distributed on the surface of the
이때 이러한 전처리 가스로는 탄화불화계의 가스일 수 있으며, 예를 들어 CF4 C2F6 , 또는 C3F8 중 어느 하나 이상일 수 있다. 예를 들어 실리콘층(102)의 표면에 탄화불화계 가스인 CF4를 소정의 시간 동안 직접 실리콘층(102) 상부로 불어넣는 단계에서 CF4 가스로부터 유래되는 물질을 포함하는 미세한 크기의 입자가 실리콘층(102)의 표면상에 형성될 수 있다. 이때 상기 입자(104)는 후속하는 실리콘층(102)을 식각하는 단계에서 식각되지 않는 물질로서 탄화불소계 가스가 실리콘층(102)의 표면에서 환원되어 형성되는 탄소입자 또는 탄소를 포함하는 화합물 입자일 수 있다. In this case, the pretreatment gas may be a fluorocarbon gas, for example CF 4 C 2 F 6 , or At least one of C 3 F 8 . For example, in the step of blowing CF 4 , which is a fluorocarbon gas, directly onto the
또는 CF4 가스가 공급되는 동안 실리콘층(102)의 표면이 CF4 가스와 반응하여 실리콘층(102) 표면의 일부영역이 비식각 영역으로 개질될 수 있다.Alternatively, the surface of the
전처리 가스(103)를 실리콘층(102) 상부로 공급하는 단계가 완료된 후 이어지는 식각공정에서 실리콘층(102)을 식각하면, 식각공정의 결과로서 실리콘층(102)의 일부만 식각되어 도 3에 도시된 것과 같이 막대기 형상의 실리콘 로드(105)가 형성된다. After the step of supplying the
즉, 비식각 영역, 일예로서 비식각 물질(104)이 형성된 영역은 식각과정에서 식각되지 않으므로 식각과정에서 일종의 마스크 역할을 수행하게 된다. 따라서 도 3과 같이 비식각 영역은 식각되지 않고 그 외의 영역에서 실리콘층(102)이 식각됨에 따라 막대기 형상의 실리콘 로드(105)가 형성되게 될 수 있다. That is, the non-etched region, for example, the region in which the
이때 식각 가스는 탄화불화계의 가스일 수 있으며, 예를 들어 CF4 C2F6, 또는 C3F8 중 어느 하나 이상일 수 있다.In this case, the etching gas may be a fluorocarbon gas, for example CF 4 C 2 F 6, or At least one of C 3 F 8 .
도 10에는 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 전처리 가스 및 식각 가스로 CF4 가스를 사용하여 형성한 실리콘 로드(105)의 관찰 결과가 나타나 있다. 이때 전처리 가스의 압력은 30mTorr 였으며, 식각 공정은 플라즈마 가속전압을 -600V 인가하여 120분간 수행되었다.10 shows the observation result of the
실리콘 로드(105)는 실리콘층(102) 표면에 형성된 비식각 영역의 분포가 실리콘층(102)에 전사되어 형성되며, 구체적으로 도 3과 같이 서로 이격공간(D1)을 두고 복수개로 형성된다. 따라서 실리콘층(102) 표면상에 비식각 영역의 분포를 적절하게 조절할 경우 이에 대응하여 실리콘 로드(105) 단면적의 크기 또는 실리콘 로드(105)간의 간격(D1)을 제어할 수 있다. The
이때 비식각 영역(104)의 분포를 조절하기 위해 공급되는 전처리 가스의 종류, 유량, 압력, 실리콘층(102)의 온도 등이 적절하게 선택될 수 있다. In this case, the type of pretreatment gas, flow rate, pressure, and temperature of the
한편, 실리콘층(102) 표면으로 전처리 가스를 공급하는 단계와 실리콘층(102)을 식각하는 단계는 동일한 식각챔버 내에서 연속적으로(in-situ)로 수행될 수 있다. On the other hand, supplying the pretreatment gas to the surface of the
즉, 실리콘층(102)이 형성된 기판(101)을 소정의 진공도를 가지는 식각챔버 내로 도입한 후 소정의 압력을 가지는 전처리 가스를 적절한 시간동안 실리콘층(102)의 표면으로 불어 넣는 가스공급단계를 수행한다. That is, the gas supply step of introducing the
다음, 가스공급단계가 완료되면 상기 식각챔버 내에서 바로 플라즈마를 발생시켜 실리콘층(102)의 식각공정을 수행한다. Next, when the gas supply step is completed, the plasma is immediately generated in the etching chamber to perform the etching process of the
전처리 가스 및 식각 가스로는 모두 탄화불소계 가스를 이용할 수 있으며, 동일한 가스를 사용할 수 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 이종의 가스를 이용하는 것도 가능하다. As the pretreatment gas and the etching gas, both fluorocarbon-based gas may be used, and the same gas may be used, but the present invention is not limited thereto, and a heterogeneous gas may be used.
이러한 실리콘 로드(105)간의 이격공간(D1)은 음극 활물질인 실리콘 로드(105)가 리튬 이온과 반응하여 리튬-실리콘 화합물을 형성하는 경우에 발생되는 부피팽창을 수용하는 공간을 이용될 수 있다. 이에 대해서는 음극의 충전과정에서의 반응형태를 기술하는 부분에서 더욱 구체적으로 설명될 것이다.The space D1 between the
이러한 실리콘 로드(105)의 형성이 완료되면, 도 4와 같이 전도성 용액(106)을 이용하여 실리콘 로드(105)의 이격공간을 매립한다.When the formation of the
이때 전도성 용액(106)은 일예로서 미세한 크기의 도전체가 용매에 분산되어 있는 분산형 잉크일 수 있다. 또 다른 예로서 유기금속착화합물이 용매에 완전히 용해되어 있는 용액형 잉크일 수 있다.In this case, the
이러한 전도성 용액(106)에 포함된 도전체는 후속하는 건조과정에서 집전체를 이루게 되며, 이때 도전체로는 리튬과 반응하지 않는 금속, 예를 들어 구리(Cu) 또는 은(Ag) 일 수 있다.The conductor included in the
분산형 잉크의 경우 도전체는 도전체 입자를 포함할 수 있다. 이러한 도전체 입자로는 금속입자, 예를 들어 구리 또는 은 입자를 포함할 수 있다. 이때 입자는 그 형태가 예를 들어 분말, 플레이트, 비드, 섬유, 볼 형태를 가질 수 있으며, 또한 직경이 10~100nm 범위에 있는 나노입자일 수 있다.In the case of a dispersible ink, the conductor may include conductor particles. Such conductor particles may include metal particles, for example copper or silver particles. In this case, the particles may be in the form of powder, plate, beads, fibers, balls, for example, and may also be nanoparticles having a diameter in the range of 10 to 100 nm.
용액형 잉크의 경우 용매 내에 유기금속 형태로 존재하는 유기금속착화합물을 포함하며, 이때 금속은 구리 혹은 은을 포함할 수 있다. The solution ink includes an organometallic complex compound present in the form of an organometallic in a solvent, wherein the metal may include copper or silver.
이때 상술한 잉크들의 용매로서 물, 유기용매 또는 물에 하나 이상의 유기용매가 포함된 것일 수 있다.In this case, as the solvent of the above-described inks, water, an organic solvent, or water may include one or more organic solvents.
이러한 전도성 용액(106)을 이용하여 이격공간(D1)을 매립하는 방식은 잉크의 물성이나 기판의 형태에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 잉크젯 분사법, 스핀 코팅법, 딥 코팅법 등이 이용될 수 있다. The method of filling the space D1 using the
일예로서, 잉크젯 분사법을 이용하는 경우 잉크젯 분사기를 이용하여 도 3과 같이 실리콘 로드(105)가 형성된 구조물 상부로 전도성 용액(106)을 분사하여 실리콘 로드(105) 사이의 공간을 매립할 수 있다. For example, in the case of using the inkjet injection method, the space between the
이러한 전도성 용액(106)을 실리콘 로드(105) 사이에 매립한 후에 열처리를 통해 건조하여 전도성 용액(106)의 용매를 비산시켜 제거함으로써 도 5에 도시된 바와 같이 고상의 전도체로 이루어진 집전체(108)를 형성하게 된다. The
예를 들어, 전도성 용액(106)이 구리입자 또는 구리착화합물이 포함되는 경우, 건조 과정에서 용매가 완전히 비산되면 구리입자 또는 구리착화합물이 서로 응집된 형태로 집전체(108)를 형성하게 된다. For example, when the
이때 상기 열처리로는 열처리로에서의 어닐링 또는 급속열처리(rapid thermal annealing)와 같은 방법이 이용될 수 있다.In this case, a method such as annealing or rapid thermal annealing in the heat treatment furnace may be used.
이때 집전체(108)는 실리콘 로드(105) 사이의 이격공간(D1)의 일부를 채울 수 있다. 즉, 상기 이격공간(D1)내에서 기판(101)으로부터 실리콘 로드(105)의 연장방향으로 일부까지만 집전체(108)가 매립되고 그 상부공간은 빈 공간으로 남겨둘 수 있다. In this case, the
이때 하부공간을 매립하는 집전체(108)는 전도체로서 전자의 이동경로를 제공하는 역할과 함께 실리콘 로드(105)가 안정적으로 기립할 수 있도록 지지하는 지지체로서의 역할도 수행한다. In this case, the
집전체(108)가 매립되지 않은 상부공간은 리튬 이온과 실리콘 로드(105)의 반응으로 인해 발생되는 부피팽창을 수용하는 공간으로 이용될 수 있다. 즉, 리튬이차전지의 충전 시 전해질을 통해 이동한 리튬 이온이 실리콘 로드(105)와 반응하여 리튬-실리콘 금속간화합물(Li21Si5)을 형성함에 따라 부피팽창이 일어나게 된다. 이때 실리콘 로드(105)의 측면방향(즉, 실리콘 로드(105)의 연장방향의 수직한 방향)으로의 부피팽창은 빈 공간으로의 부피팽창이므로 이러한 부피팽창을 방해하는 반력에 따른 응력의 발생 가능성이 현저하게 낮아지게 된다.The upper space where the
도 6에는 도 5에 도시된 음극구조의 평면도가 도시되어 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예를 따르는 음극(100)은 기판(101), 기판의 일면에 서로 이격되어 형성된 복수의 실리콘 로드(105) 및 실리콘 로드(105) 간의 이격공간(D1)을 매립하는 집전체(108)를 포함함을 알 수 있다. FIG. 6 is a plan view of the cathode structure shown in FIG. 5. 5 and 6, the
도 7 및 도 8에는 본 발명에 따른 음극을 구비한 리튬이차전지에 있어서, 충전시 음극 활물질의 반응 양상을 도시하였다. 7 and 8 illustrate the reaction pattern of the negative electrode active material during charging in the lithium secondary battery having the negative electrode according to the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 음극을 구비한 리튬이차전지의 충전시 양극(미도시)로부터 이탈한 리튬 이온(701)은 전해질(미도시)을 매개체로 분리막(702)을 투과하여 음극 쪽으로 이동된다. Referring to FIG. 7,
음극 쪽으로 이동해온 리튬 이온(701)은 음극 활물질인 실리콘 로드(105)와 반응하여 도 8에 도시된 것과 같이, 리튬-실리콘 금속간화합물(105a)를 형성하게 된다. 이때 집전체(108)는 리튬과 반응하지 않는 물질, 예를 들어 구리로 구성되어 있으므로 실리콘 로드(105)중 집전체(108)에 의해 매립된 영역이 아닌 상부영역만 리튬 이온(701)과 반응하게 된다. The
이러한 반응으로 인하여 실리콘 로드(105)의 상부영역은 도 8에 도시된 바와 같이 부피팽창이 발생된다. 이러한 부피팽창된 음극구조의 평면도를 도 9에 도시하였다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 반응에 의해 형성된 리튬-실리콘 금속간화합물(105a)간의 이격공간(D2)은 반응 전 실리콘 로드(105)간의 이격공간(D1)에 비해 감소하게 된다.Due to this reaction, volume expansion occurs in the upper region of the
이때 도 9에 도시된 바와 같이 이격공간(D2)이 0 보다 큰 값을 가질 경우에는 리튬-실리콘 금속간화합물(105a)간에 접촉이 없는 경우에 해당되며 따라서 이 경우에는 부피팽창에 따른 응력발생인 실질적으로 일어나지 않게 된다. In this case, as shown in FIG. 9, when the separation space D2 has a value greater than 0, it corresponds to a case in which there is no contact between the lithium-
경우에 따라 상술한 부피팽창에 의해 리튬-실리콘 금속간화합물(105a)간의 접촉이 발생되어 이격공간(D2)이 0이 될 수 있다. 그러나 이러한 경우에도 이격공간(D1)에 해당되는 만큼 팽창된 부피가 수용됨에 따라 부피팽창에 따른 응력이 그 만큼 감소하게 된다. In some cases, the contact between the lithium-
이러한 본 발명에 따른 음극구조에 의할 시 충전시 발생되는 음극 활물질인 실리콘의 급격한 팽창이 발생되더라도 이에 따른 응력발생이 현저하게 감소하게 되며 따라서 반복적인 충방전에 의하더라도 안정적은 사이클 특성을 가지게 된다.According to the negative electrode structure according to the present invention, even if a sudden expansion of the silicon, the negative electrode active material generated during charging, the stress is significantly reduced accordingly, and thus has a stable cycle characteristics even by repeated charging and discharging .
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예들을 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, experimental examples are provided to help the understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
실험예 1Experimental Example 1
도 11a는 본 발명의 실시예를 따르는 방법에 의해 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 실리콘 로드(105)를 관찰한 결과이며, 도 11b는 실리콘 로드(105) 사이의 이격공간을 은을 포함하는 집전체(108)로 매립한 후의 관찰 결과이다. 이때 전처리 가스 및 식각 가스는 모두 CF4 가스를 이용하였다.FIG. 11A is a result of observing a
도 11b의 집전체(108)는 은을 포함하는 전도성 용액을 스핀코팅법을 이용하여 형성한 것이었으며, 스핀코팅이 완료된 후 급속열처리를 이용하여 경화처리 하였다. The
도 11a에 나타낸 것과 같이 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 실리콘 로드(105)는 약 490nm의 높이를 가지며 서로 무작위적으로 이격되어 분포되어 있음을 알 수 있다. 한편, 도 11b에 나타낸 것과 같이 실리콘 로드(105) 사이의 공간은 은을 포함하는 집전체(108)에 의해 거의 대부분 매립되었음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 11A, the
실험예 2Experimental Example 2
도 12a는 실험예 1과 마찬가지로 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 CF4를 전처리 가스 및 식각 가스로 사용하여 형성한 실리콘 로드(105)를 관찰한 결과이며, 도 12b는 은을 포함하는 전도성 용액을 잉크젯 분사법으로 분사한 후 열처리로에서 어닐링 처리하여 형성한 집전체(108)를 관찰한 결과이다. FIG. 12A is a result of observing a
실험예 1과 마찬가지로 미세하게 형성된 실리콘 로드(105) 간의 간격이 집전체(108)에 의해 거의 매립되어 있음을 알 수 있다. As in Experimental Example 1, it can be seen that the gap between the minutely formed
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.The foregoing description of specific embodiments of the invention has been presented for purposes of illustration and description. Therefore, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention in combination with the above embodiments. Do.
101: 기판 102: 실리콘층
103: 전처리 가스 201: 비식각 물질
105: 실리콘 로드 106: 전도성 용액
108: 집전체 101: substrate 102: silicon layer
103: pretreatment gas 201: non-etched material
105: silicon rod 106: conductive solution
108: whole house
Claims (11)
상기 실리콘층 표면으로 전처리 가스를 공급하는 단계;
상기 실리콘층을 식각하여 서로 이격되어 있는 복수개의 실리콘 로드를 형성하는 단계;
전도성 용액으로 상기 실리콘 로드 간의 이격공간을 매립하는 단계; 및
상기 전도성 용액을 건조시켜 상기 이격공간에 집전체를 형성하는 단계;
를 포함하는 리튬이차전지의 음극 형성방법.Forming a silicon layer on the substrate;
Supplying a pretreatment gas to the silicon layer surface;
Etching the silicon layer to form a plurality of silicon rods spaced apart from each other;
Filling gaps between the silicon rods with a conductive solution; And
Drying the conductive solution to form a current collector in the separation space;
A method of forming a negative electrode of a lithium secondary battery comprising a.
상기 기판의 일면에 서로 이격되어 형성된 복수의 실리콘 로드; 및
상기 실리콘 로드 간의 이격공간를 매립하는 집전체;
를 포함하는 리튬이차전지의 음극.Board;
A plurality of silicon rods formed spaced apart from each other on one surface of the substrate; And
A current collector filling a space between the silicon rods;
A negative electrode of the lithium secondary battery comprising a.
기판;
상기 기판의 일면에 서로 이격되어 형성된 복수의 실리콘 로드; 및
상기 실리콘 로드 간의 이격공간를 매립하는 집전체;
를 포함하는 리튬이차전지.In a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, an ion permeable membrane, the negative electrode is
Board;
A plurality of silicon rods formed spaced apart from each other on one surface of the substrate; And
A current collector filling a space between the silicon rods;
Lithium secondary battery comprising a.
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PHYSICA STATUS SOLIDI (A), 2010 |
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