KR101261989B1 - Method of Producing Negative Electrode Materials of Lithium Seconary Battery Having Metal-Carbon Core-Shell Structures - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 전지용 음극 재료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 아크릴로니트릴계 공중합체, 금속 또는 금속 산화물 또는 금속 황화물, 용매 를 혼합한 용액 또는 용융 상태의 혼합물을 일정한 유속으로 공급하여 전압을 가하여 코어/쉘 복합체가 형성되고, 열처리하여 탄화시키는 과정을 포함한다.
이에 본 발명의 제조 과정은 종래 발명에 비하여 공정이 간소하여 나노 음극재의 대량 생산에 적합하며, 동일한 모노머인 아크릴로니트릴계 공중합체를 함유하는 코어와 쉘을 채택하여 이질감을 최소화하여 균일한 방사성의 극대화가 가능하다.
또한, 열적 안정성이 뛰어나 금속/금속 산화물/금속 황화물 물질의 부피 변화에 의한 분쇄에도 안정적인 거동이 유지 가능하며, 전기 방사 변수(유량, 코어와 쉘의 농도)를 조절하여 튜브 구명의 크기와 벽 두께의 조절이 가능하다.
The present invention relates to a method for producing a negative electrode material for a lithium battery, and more particularly, to supply a solution of a mixture of acrylonitrile-based copolymer, metal or metal oxide or metal sulfide, solvent or a mixture in a molten state at a constant flow rate Adding a core / shell composite is added, and heat treatment to carbonize.
Therefore, the manufacturing process of the present invention is simpler than the conventional invention, and is suitable for mass production of nano-cathode materials, and adopts a core and a shell containing the same monomer acrylonitrile-based copolymer to minimize heterogeneity and thus uniform radioactivity. Maximization is possible.
In addition, it has excellent thermal stability and can maintain stable behavior even when pulverizing due to the volume change of metal / metal oxide / metal sulfide materials.The size and wall thickness of tube life are controlled by adjusting the electrospinning parameters (flow rate, core and shell concentration). Can be adjusted.

Description

금속-탄소 코어-쉘 구조의 리튬 2차 전지용 음극 재료의 제조방법{Method of Producing Negative Electrode Materials of Lithium Seconary Battery Having Metal-Carbon Core-Shell Structures}Method of Producing Negative Electrode Materials of Lithium Seconary Battery Having Metal-Carbon Core-Shell Structures

본 발명은 금속-탄소의 코어 쉘 구조를 가지는 리튬 2차 전지용 음극 재료의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery having a metal-carbon core shell structure.

휴대용의 소형 전기 전자기기의 보급이 확산됨에 따라 니켈수소전지나 리튬이차전지라고 하는 신형의 이차전지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이 중 리튬이차전지는 흑연 등의 카본을 음극활물질로 하며 리튬이 포함되어 있는 산화물을 양극활물질로, 비수용매를 전해액으로 사용하는 전지이다. 리튬이 매우 이온화 경향이 큰 금속이기 때문에 고전압 발현이 가능하여 에너지 밀도가 높은 전지 개발이 이루어지고 있다. With the spread of portable electric and electronic devices, development of a new secondary battery, such as a nickel-metal hydride battery or a lithium secondary battery, is actively under way. The lithium secondary battery is a battery using carbon such as graphite as a negative electrode active material, an oxide containing lithium as a positive electrode active material, and a non-aqueous solvent as an electrolyte. Since lithium is a highly ionized metal, development of a battery with high energy density can be achieved because high voltage can be generated.

이에 사용되는 양극활물질로는 리튬을 함유하고 있는 리튬전이금속산화물이 주로 사용되고 있으며, 코발트계, 니켈계 및 코발트, 니켈, 망간이 공존하는 삼성분계 등의 층상계 리튬전이금속산화물이 90% 이상 사용되고 있다.Lithium transition metal oxides containing lithium are mainly used as the positive electrode active material used therein, and more than 90% of layered lithium transition metal oxides such as cobalt, nickel, and ternary systems in which cobalt, nickel, and manganese coexist are used have.

휴대용의 소형 전기 전자기기의 보급이 확산됨에 따라, 전지의 용량 및 수명 등의 성능의 획기적인 개선이 요구되고 있다. 설파이드를 활용한 양극, Si 혹은 Sn 등의 금속을 기반으로 한 음극 등을 개발함으로써 용량의 개선이 기대되지만, 양극재로 떠오르는 설파이드의 경우 치환에 의하여 황이 이동하는 경로를 통제하기 어렵고, 음극재인 실리콘 및 주석의 경우는 리튬-이온의 출입에 따라 결정 구조가 바뀌고, 이에 의하여 발생하는 부피 팽창으로 음극재 간의 전기적인 접촉이 깨지는 문제로 인하여 용량의 개선은 이루어지나, 수명 특성이 현저하게 떨어진다. 한편, 기존의 상용화된 흑연 등 탄소재료는 리튬-이온의 저장 능력은 떨어지는 반면, 부피 변화로 인한 수명 특성의 저하가 없기 때문에, 음극재의 경우 탄소 재료와 금속/금속 산화물을 결합하기 위한 시도가 많이 이루어져왔다. 그러나, 일반적으로 기상 증착과 같은 방법을 활용하면 용량 및 수명 특성은 개선되나, 공정이 복잡하고 고비용이 되고, 기존의 전기방사 공정 등을 통하여 탄화 전구체와 금속/금속산화물 나노입자를 섞어서 제조하는 경우, 공정은 간소화되지만, 나노입자의 뭉침 현상으로 인하여 수명 특성이 개선되지 못한다.As the spread of portable small electric electronic devices has spread, there has been a demand for dramatic improvements in performance such as battery capacity and lifespan. Capacity improvement is expected by developing anode based on sulfide, metal based on Si or Sn, etc. However, in the case of sulfide emerging as cathode material, it is difficult to control the route of sulfur movement by substitution, and silicon as anode material In the case of tin and tin, the crystal structure changes as the lithium-ion enters and exits, and the capacity is improved due to the problem of breaking the electrical contact between the negative electrode materials due to the volume expansion caused by the lithium-ion. On the other hand, conventional carbon materials such as graphite have a low storage capacity of lithium-ions, but there is no deterioration in life characteristics due to volume change. Therefore, in the case of negative electrode materials, there are many attempts to combine carbon materials with metal / metal oxides. Has been done. However, in general, the use of methods such as vapor deposition improves the capacity and life characteristics, but the process is complicated and expensive, and when the carbon precursor and the metal / metal oxide nanoparticles are mixed by the conventional electrospinning process, etc. , But the process is simplified, but the life characteristics are not improved due to the aggregation of nanoparticles.

L.Ji 팀에서 단일 노즐 전기 방사를 이용하여 Si/C 복합 섬유를 제조하였으며, 같은 연구를 다수의 금속 또는 금속 산화물을 발명하였다(L. Ji et al. Electrochemistry communications 11(2009) 1146-1149). 이는 매트릭스로 탄화가 가능한 폴리아크리로니트릴을 사용하였고, 필러(filler)로 실리콘 파우더를 이용하였다. 그러나 실리콘 파우더 등의 일반적인 나노 입자는 분산에 문제가 있기 때문에 단일 노즐을 통해서는 분산이 잘 일어나기 어려우며, 전기 방사 공정의 특성 상 높은 전도도를 가진 물질이 표면으로 이끌리는 경향이 있기 때문에 나노 입자를 매트릭스 내에 속박시켜 안정화를 목적으로하는 탄소 복합화에 의한 효과가 떨어지는 문제가 있다.The Si / C composite fiber was prepared by the L.Ji team using single nozzle electrospinning and the same study invented a number of metals or metal oxides (L. Ji et al. Electrochemistry communications 11 (2009) 1146-1149). . It used polyacrylonitrile which can be carbonized as a matrix, and used silicon powder as a filler. However, general nanoparticles, such as silicon powder, are difficult to disperse through a single nozzle because of dispersion problems, and due to the nature of the electrospinning process, materials with high conductivity tend to be attracted to the surface. There is a problem in that the effect of carbon complexation for the purpose of stabilization by binding in the matrix is inferior.

또한 Y. Yu group에서 공축 전기 방사를 이용하여 주석 코어/탄소 쉘 구조를 제작하였다(Y.Yu et al. Angew. Chem. Int. Ed. 48(2009) 6485-6489). 상기 기술은 탄화가 가능한 폴리아크릴로니트릴을 이용하여 쉘을 제작하였고, 코어는 주석의 운반체로 미네랄 오일을 이용하였고, 이후 옥테인으로 제거하여 제조하였다. 그러나 코어 용액으로 사용되는 물질인 미네랄 오일은 점도의 제어가 너무 어렵고, 고분자 용액과 달리 쉘 용액이 부여하는 전단력의 전달이 어려울 뿐만 아니라, 옥테인으로 제거하는 추가 공정이 요구되고, 탄화 후 탄소 쉘의 균일도가 떨어져 대량화, 상업화에 불리하다.Tin core / carbon shell structures were also fabricated using coaxial electrospinning from the Y. Yu group (Y. Yu et al. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009) 6485-6489). The technique was made by using a carbonizable polyacrylonitrile, the core was prepared using a mineral oil as a carrier of tin, and then removed with octane. However, mineral oil, which is a substance used as a core solution, is too difficult to control the viscosity, and unlike the polymer solution, it is difficult to transfer the shear force imparted by the shell solution, and requires an additional process of removing it with octane, and carbon shell after carbonization. Uniformity is disadvantageous for massification and commercialization.

J.Cho 팀에서는 튜브의 형태를 템플릿으로 이용하여 실리콘 코어/탄소 쉘 구조를 제작하였다(J. Cho et al. Nano letters 8(2008) 3688-3691). 상기 기술은 SBA 튜브를 템플릿으로 하고, 함침(impregnation), 에칭 및 열처리를 포함하는 복잡한 공정을 통하여 제조한다. 그러나 이는 공정이 복잡하여 제조가 용이하지 않고, 전기화학적 특성이 지속적으로 감소함에 따라 대량화 및 상업화가 어려운 단점을 가진다. 종래 특허로 대한민국 등록특허 10-09180500000, 대한민국 공개 특허 10-2007-0109118, 대한민국 공개 특허 10-2007-0102881에서는 각각 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지, 금속 나노 결정 복합체를 포함하는 음극 활물질, 음극 활물지 및 그 제조방법과 관련된 특허도 있으나, 기존의 특허들은 음극 소재 자체의 특허이며, 동일한 모노머를 함유하는 코어와 쉘이 아니므로 이질감이 있으며, 금속/금속 산화물 활물질의 부피 변화에 의한 분쇄에도 안정적이지 못하다는 문제가 있다.
The J.Cho team fabricated a silicon core / carbon shell structure using the tube shape as a template (J. Cho et al. Nano letters 8 (2008) 3688-3691). The technique is based on an SBA tube as a template and manufactured through a complex process that includes impregnation, etching and heat treatment. However, this has a disadvantage in that the manufacturing process is not easy due to the complexity of the process, and the mass and commercialization are difficult as the electrochemical properties are continuously reduced. As a conventional patent, the Republic of Korea Patent Registration 10-09180500000, the Republic of Korea Patent Publication 10-2007-0109118, the Republic of Korea Patent Publication 10-2007-0102881, each of the negative electrode active material including a lithium secondary battery, a metal nanocrystal composite containing a negative electrode active material for a lithium secondary battery In addition, there are patents related to the negative electrode active paper and the manufacturing method thereof, but the existing patents are patents of the negative electrode material itself, there is a heterogeneity because it is not the core and shell containing the same monomer, and due to the volume change of the metal / metal oxide active material There is a problem that the grinding is not stable.

이에 본 발명자는 기존의 PMMA 또는 미네랄 오일을 이용하여 코어를 만드는 것에 문제가 있음을 밝혀내고, 적합한 코어의 물질로 스타이렌 및 아크릴로니트릴을 단위체로 하는 스타이렌 아크릴로니트릴(Styrene-acrylonitrile, SAN)을 금속,금속 산화물 또는 금속 황화물의 캐리어 및 코어로 사용하여 전기방사 중에 나타날 수 있는 두 용액 사이의 이질감을 최소화시킬 수 있고, 열안정성이 뛰어나 코어의 구조를 형성하면서 이는 결국 열분해되며, 공정 변수 제어를 통하여 균일하고 사이즈의 조절이 용이한 시스템을 개발하였다.The present inventors have found that there is a problem in making a core using existing PMMA or mineral oil, and styrene acrylonitrile (Styrene-acrylonitrile, SAN) using styrene and acrylonitrile as a unit of a suitable core material. ) Can be used as a carrier and core of metal, metal oxides or metal sulfides to minimize heterogeneity between the two solutions that may appear during electrospinning, and have good thermal stability, forming the core's structure, which eventually thermally decomposes, We developed a system that is uniform and easily adjustable in size through control.

이는 종래 기술의 문제점인 코어-쉘 구조 형성의 어려움, 균일성의 문제, 복잡한 공정의 문제들을 극복하기 위해 본 발명자들은 간단한 공정을 거치면서도 코어/쉘 구조의 형성이 완벽하고, 금속, 금속 산화물 또는 금속 황화물 나노 입자를 탄소 쉘이 균일한 두께로 싸고 있어 기계적인 우수성이 있는 리튬 이온 전지 재료를 제조하였다.In order to overcome the problems of core-shell structure formation, uniformity, and complex process problems of the prior art, the present inventors have completed the formation of a core / shell structure in a simple process, and have a metal, metal oxide, or metal structure. The sulfide nanoparticles were wrapped in a uniform thickness of a carbon shell to prepare a lithium ion battery material having mechanical superiority.

본 발명은 중착에 의한 제조에 비하여 긴 종횡비를 가지고 공정의 간소화를 통해 나노 음극재의 대량 생산에 적합하고, 같은 모노머를 함유하는 코어와 쉘을 채택하여 이질감을 최소화하여 균일한 방사성의 극대화가 가능하며, 열적 안정성이 뛰어난 SAN을 활용하여 안정화 공정에서 탄소 나노튜브구조의 형성을 도움으로써 금속/금속 산화물/금속 황화물 물질의 부피 변화에 의한 분쇄에도 안정적인 거동이 유지 가능하며, 전기 방사 변수(유량, 코어와 쉘의 농도)를 조절하여 튜브 구명의 크기와 벽 두께의 조절이 가능하다.The present invention is suitable for mass production of nano-cathode materials through the simplification of the process and has a long aspect ratio compared to the production by neutralization, and the core and the shell containing the same monomer can be adopted to minimize heterogeneity to maximize uniform radioactivity. By utilizing SAN, which has excellent thermal stability, it helps to form carbon nanotube structure in stabilization process, so that stable behavior can be maintained even when pulverization due to volume change of metal / metal oxide / metal sulfide material. And the shell concentration) to control the size and wall thickness of the tube life.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 시스템을 확장하여 금속, 금속 산화물 또는 금속 황화물 나노 입자인 코어와 탄소의 쉘의 결합인 코어/쉘 구조를 가진 리튬 이온 전지 음극재를 제조하는 방법에 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to expand the system to produce a lithium ion battery negative electrode material having a core / shell structure which is a combination of a shell of carbon and a core which is a metal, metal oxide or metal sulfide nanoparticle.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일양태에 따르면, 본 발명은 (i) 코어의 재료로 아크릴로니티릴계 공중합체 20-45 중량%, 쉘의 재료로 코어의 재료와 동일하지 않은 아크릴로니트릴계 공중합체 10-40 중량%, 금속 또는 금속 산화물 또는 금속 황화물 1-35 중량%, 용매 30-65 중량%을 혼합한 용액 또는 용융 상태의 혼합물을 공급하는 단계;According to one aspect of the invention, the invention provides (i) 20-45% by weight of acrylonitrile copolymer as the material of the core, and acrylonitrile copolymer 10-40 which is not the same as the material of the core as the material of the shell. Supplying a solution or mixture in a molten state of a mixture of wt%, metal or metal oxide or metal sulfide 1-35 wt%, and solvent 30-65 wt%;

(ii) 상기 혼합물에 전압을 가하여 코어/쉘 복합체가 형성되는 단계(ii) applying a voltage to the mixture to form a core / shell composite

(iii) 코어/쉘을 복합체를 700-3000℃로 열처리하여 탄화 및 흑연화 시키는 단계를 포함하는 리튬 전지용 음극 재료의 제조방법이다.(iii) a method for producing a negative electrode material for a lithium battery, comprising the step of carbonizing and graphitizing the core / shell composite at 700-3000 ° C.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조한 리튬 전지용 음극 재료를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a negative electrode material for a lithium battery produced by the above method.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조한 리튬전지용 음극 재료를 포함하는 리튬 전지를 제공한다.
According to still another aspect of the present invention, the present invention provides a lithium battery comprising a negative electrode material for a lithium battery produced by the above method.

본 발명의 특징 및 장점은 다음과 같다.Features and advantages of the present invention are as follows.

(i) 본 발명은 리튬 전지용 음극 재료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 아크릴로니트릴계 공중합체, 금속 또는 금속 산화물 또는 금속 황화물, 용매를 혼합한 용액 또는 용융 상태의 혼합물을 일정한 유속으로 공급하여 전압을 가하여 코어/쉘 복합체가 형성되고, 열처리하여 탄화시키는 과정을 포함한다.(i) The present invention relates to a method for producing a negative electrode material for a lithium battery, and more particularly to a solution or a mixture of a mixture of acrylonitrile-based copolymers, metal or metal oxides or metal sulfides, solvents or molten state at a constant flow rate Supplying and applying a voltage to form a core / shell composite, and heat treating and carbonizing.

(ii) 본 발명은 종래 발명에 비하여 공정이 간소하여 나노 음극재의 대량 생산에 적합하다.(ii) The present invention has a simpler process compared to the conventional invention, and is suitable for mass production of nano-cathode materials.

(iii) 동일한 모노머인 아크릴로니트릴계 공중합체를 함유하는 코어와 쉘을 채택하여 이질감을 최소화하여 균일한 방사성의 극대화가 가능하다.(iii) The core and the shell containing the same monomer acrylonitrile-based copolymer is adopted to minimize heterogeneity and maximize uniform radioactivity.

(vi) 열적 안정성이 뛰어나 금속/금속 산화물 또는 금속 황화물 물질의 부피 변화에 의한 분쇄에도 안정적인 거동이 유지 가능하다.(vi) The thermal stability is excellent, and stable behavior can be maintained even by grinding due to the volume change of the metal / metal oxide or metal sulfide material.

(v) 전기 방사 변수(유량, 코어와 쉘의 농도)를 조절하여 튜브 구멍의 크기와 벽 두께의 조절이 가능하다.
(v) It is possible to control the size of the tube holes and the wall thickness by adjusting the electrospinning parameters (flow rate, core and shell concentration).

도 1은 코어/쉘 구조를 가진 나노 섬유를 제조하기 위한 공축 노즐 구조 및 두 용액이 혼합되는 것을 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명의 열처리 공정의 전체적인 개요를 보여주는 그림이다. x축은 시간이며, y축은 각 단계별 온도를 보여주며, 단계별 수행시키는 기체 조건을 그래프 하기에 기재하였다.
도 3은 열처리 공정에 따른 폴리아크릴로니트릴의 고리화 반응 및 탄화 과정을 거치는 과정에 의해 코어/쉘 구조 형성 및 PAN 미세 구조 변화 보여주는 그림이다.
도 4는 실리콘/탄소 복합 나노 섬유(좌측 패널) 및 산화 실리콘/탄소 복합 나노 섬유(우측 패널)의 구조를 보여주는 현미경 사진이다.
도 5는 복합 나노 섬유의 활용을 통해 이차 전지 음극재로 활용 시, 단일 노즐에 비해 안정적인 전기화학적 거동을 보이는지 확인하기 위한 것으로, 실리콘 코어/탄소 쉘 복합나노 섬유의 전기화학 특성의 개선 정도를 나타내었다. x축은 캐퍼시티로 단위는 mAh/g이고, y축은 전압으로 단위는 V이다.
도 6은 복합 나노 섬유의 활용을 통해 이차 전지 음극재로 활용 시, 단일 노즐에 비해 안정적인 전기화학적 거동을 보이는지 확인하기 위한 것으로, 단일 노즐을 사용하였을 때의 캐퍼시티 및 전압의 거동을 보여주는 나타내었다. x축은 캐퍼시티로 단위는 mAh/g이고, y축은 전압으로 단위는 V이다.
도 7은 난층 구조로부터 탄화 온도가 증가함(순서대로 800, 1000, 1200℃)에 따라 그래파이트(graphitic) 구조로 변형되며, 미세 구조가 성장하는 것을 보여주는 그림이다.
도 8은 탄화온도가 증가함에 따라 난층 구조에 의한 초기 비가역 용량이감소하는 것을 보여주는 그림으로, 800℃에서의 수치를 그래프화 하였다.
도 9는 탄화온도가 증가함에 따라 난층 구조에 의한 초기 비가역 용량이감소하는 것을 보여주는 그림으로, 1000℃에서의 수치를 그래프화 하였다.
도 10은 탄화온도가 증가함에 따라 난층 구조에 의한 초기 비가역 용량이감소하는 것을 보여주는 그림으로, 1200℃에서의 수치를 그래프화 하였다.
도 11은 탄화 과정에서 온도 조건에 따른 캐퍼시티 및 전압의 거동을 확인하기 위한 것으로, 800℃ 에서 탄화시켰을 때의 수치를 보여주는 그래프이다.
도 12는 탄화 과정에서 온도 조건에 따른 캐퍼시티 및 전압의 거동을 확인하기 위한 것으로, 1000℃ 에서 탄화시켰을 때의 수치를 보여주는 그래프이다.
도 13은 탄화 과정에서 온도 조건에 따른 캐퍼시티 및 전압의 거동을 확인하기 위한 것으로, 1200℃ 에서 탄화시켰을 때의 수치를 보여주는 그래프이다.
1 is a diagram showing a mixture of two solutions and a coaxial nozzle structure for producing a nanofiber having a core / shell structure.
Figure 2 is a diagram showing the overall overview of the heat treatment process of the present invention. The x-axis is time, the y-axis shows the temperature of each step, and the gas conditions to be performed step by step are described below.
3 is a view showing the core / shell structure formation and the PAN microstructure change by the process of the cyclization reaction and carbonization process of polyacrylonitrile according to the heat treatment process.
4 is a micrograph showing the structure of silicon / carbon composite nanofibers (left panel) and silicon oxide / carbon composite nanofibers (right panel).
FIG. 5 is a view to confirm that the electrochemical behavior of the silicon core / carbon shell composite nanofibers is improved when using the composite nanofibers as a secondary battery negative electrode material, to confirm that the electrochemical behavior is more stable than the single nozzle. It was. The x-axis is the capacity in mAh / g, the y-axis is the voltage in V.
FIG. 6 shows the stability of electrochemical behavior compared to a single nozzle when used as a secondary battery anode material through the use of composite nanofibers, and shows the behavior of capacity and voltage when a single nozzle is used. The x-axis is the capacity in mAh / g, the y-axis is the voltage in V.
7 is a graph showing that the microstructure grows and deforms into a graphite structure as the carbonization temperature increases from the egg structure to 800, 1000, and 1200 ° C. in order.
8 is a graph showing that the initial irreversible capacity due to the egg bed structure decreases as the carbonization temperature increases, and the numerical value at 800 ° C. is graphed.
9 is a graph showing that the initial irreversible capacity decreases due to the warm layer structure as the carbonization temperature is increased.
10 is a graph showing that the initial irreversible capacity decreases due to the egg layer structure as the carbonization temperature increases, and the numerical value at 1200 ° C. is graphed.
FIG. 11 is a graph for confirming the behavior of capacity and voltage according to temperature conditions during carbonization, and is a graph showing numerical values when carbonized at 800 ° C. FIG.
12 is a graph showing the values of carbonization at 1000 ° C. for confirming the behavior of capacity and voltage according to temperature conditions during carbonization.
13 is a graph for confirming the behavior of the capacity and voltage according to the temperature conditions during the carbonization process, a graph showing the value when carbonized at 1200 ℃.

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

본 발명은 (i) 코어의 재료로 아크릴로니티릴계 공중합체 20-45 중량%, 쉘의 재료로 코어의 재료와 동일하지 않은 아크릴로니트릴계 공중합체 10-40 중량%, 금속 또는 금속 산화물 또는 금속 황화물 1-35 중량%, 용매 30-65 중량%을 혼합한 용액 또는 용융 상태의 혼합물을 공급하는 단계;(I) 20-45% by weight of acrylonitrile copolymer as the material of the core, 10-40% by weight of acrylonitrile copolymer which is not the same as the material of the core as the material of the shell, metal or metal oxide Supplying a solution of a mixture of 1-35 wt% metal sulfide and 30-65 wt% solvent or a mixture in a molten state;

(ii) 상기 혼합물에 전압을 가하여 코어/쉘 복합체가 형성되는 단계;(ii) applying a voltage to the mixture to form a core / shell composite;

(iii) 코어/쉘을 복합체를 700-3000℃로 열처리하여 탄화 및 흑연화 시키는 단계를 포함하는 리튬 전지용 음극 재료의 제조방법이다.(iii) a method for producing a negative electrode material for a lithium battery, comprising the step of carbonizing and graphitizing the core / shell composite at 700-3000 ° C.

본 발명에서 코어 및 쉘의 구조를 이루는데 필요한 재료는 서로 다른 2종 이상의 아크릴로니트릴계 공중합체를 이용한다. 아크릴로나트릴계 공중합체는 스타이렌아크릴로니트릴(SAN), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 아크릴로니트릴 뷰타디엔 스타이렌(ABS), 아크릴로니트릴 스타이렌 아크릴레이트(ASA) 또는 아크릴로니트릴 뷰타디엔(NBR) 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, a material required to form the core and the shell structure uses two or more different acrylonitrile-based copolymers. Acrylonitrile copolymers include styrene acrylonitrile (SAN), polyacrylonitrile (PAN), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), acrylonitrile styrene acrylate (ASA) or acrylonitrile butyrate Diene (NBR) and the like, but is not necessarily limited thereto.

보다 바람직하게는 아크릴로니트릴계 공중합체는 스타이렌아크릴로니트릴(SAN) 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 이용하고, SAN은 코어의 재료로 PAN은 쉘의 재료로 사용한다. 보다 바람직하게는 스타이렌아크릴로니트릴은 20-45 중량 %, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 10-40 중량%을 혼합비로 한다. 가장 바람직하게는 스타이렌아크릴로니트릴 25-35 중량%, 폴리아크릴로니트릴 5-40 중량%이다.More preferably, the acrylonitrile-based copolymer uses styrene acrylonitrile (SAN) and polyacrylonitrile (PAN), and SAN is used as the core material and PAN is used as the shell material. More preferably, styrene acrylonitrile is 20-45 weight% and polyacrylonitrile (PAN) 10-40 weight% as a mixing ratio. Most preferably, 25-35% by weight of styreneacrylonitrile and 5-40% by weight of polyacrylonitrile.

SAN 및 PAN은 모두 동일한 탄소 모노머인 아크릴로니트릴을 포함하고 있다. 이중 SAN은 스타이렌을 포함하고 있어, 공중합체의 결합력이 약하여 400℃ 이상에서 열분해되는 특성을 가진다. SAN and PAN both contain acrylonitrile, the same carbon monomer. Since the SAN contains styrene, the cohesion of the copolymer is weak and has a property of thermal decomposition at 400 ℃ or more.

상기 혼합물에는 아크릴계니트릴계 공중합체 및 금속 또는 금속 산화물 또는 금속 황화물이 포함된다. 금속에는 실리콘(Si), 주석(Sn), 저머늄(Ge), 안티몬(Sb), 타이타늄(Ti), 인듐(In), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 바나듐(V) 및 이들로 구성된 합금이고, 금속 산화물 및 황화물에는 상기 금속들이 포함된 금속 산화물 및 금속 황화물을 포함하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
The mixture includes an acrylonitrile-based copolymer and a metal or metal oxide or metal sulfide. Metals include silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), antimony (Sb), titanium (Ti), indium (In), copper (Cu), zirconium (Zr), cobalt (Co), iron ( Fe), nickel (Ni), manganese (Mn), zinc (Zn), calcium (Ca), vanadium (V) and alloys thereof. Metal oxides and sulfides include metal oxides and metal sulfides containing the above metals. Including but not limited to.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 반응에 사용되는 용매는 극성 용매이다. 상기 극성 용매에는 DMF, DMSO, HMPA, Dioxane, THF, MeCN, 아세톤, DCM, EA, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 포름산, HF 또는 암모니아이 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 상기 극성 용매는 DMF, DMSO, HMPA, Dioxane, THF, MeCN, 아세톤, DCM, EA의 극성 비양성자성 용매를 이용하며, 가장 바람직하게는 DMF를 사용한다.According to a preferred embodiment of the invention, the solvent used in the reaction is a polar solvent. The polar solvent includes, but is not limited to, DMF, DMSO, HMPA, Dioxane, THF, MeCN, acetone, DCM, EA, water, methanol, ethanol, propanol, formic acid, HF or ammonia. More preferably, the polar solvent uses a polar aprotic solvent of DMF, DMSO, HMPA, Dioxane, THF, MeCN, acetone, DCM, EA, and most preferably DMF.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (ii)의 상기 유속은 0.1-3 ml/h이다. 보다 바람직하게는 상기 유속은 0.5-1.5 ml/h이다. According to a preferred embodiment of the present invention, the flow rate of step (ii) is 0.1-3 ml / h. More preferably the flow rate is 0.5-1.5 ml / h.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 전압은 0.001-50 kV에서 실시한다. 보다 바람직하게는 상기 전압은 10-25 kV에서 실시한다.According to a preferred embodiment of the invention, the voltage is carried out at 0.001-50 kV. More preferably the voltage is at 10-25 kV.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 혼합물에 이타코닉 산 또는 메타아크릴레이트를 추가적으로 첨가한다. 이타코닉 산 또는 메타아크릴레이트는 탄화 과정 시 쉘의 구조를 보다 균일하게 하고 사이즈 조절을 용이하게 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, itaconic acid or methacrylate is additionally added to the mixture. Itaconic acid or methacrylate makes the structure of the shell more uniform and facilitates size control during the carbonization process.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 300℃ 이상의 열처리 단계는 질소 혹은 아르곤 등 비활성 기체(inert gas) 존재 하에서 수행한다. 보다 바람직하게는 상기 열처리 단계는 700-2000℃에서 수행한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment step of 300 ℃ or more is carried out in the presence of an inert gas (nitrogen or argon). More preferably the heat treatment step is carried out at 700-2000 ° C.

상기 비활성 기체에는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈으로 구성되며, 보다 바람직하게는 상기 비활성 기체는 아르곤의 존재 하에서 수행한다. The inert gas is composed of helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, more preferably the inert gas is carried out in the presence of argon.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 리튬 전지용 음극 재료의 제조 방법을 통해 제조한 리튬 전지용 음극 재료를 제공한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the present invention provides a negative electrode material for a lithium battery prepared by the method for producing a negative electrode material for a lithium battery.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 리튬 전지용 음극 재료의 제조 방법을 이용하여 제조한 리튬 전지용 음극 재료를 포함하는 리튬 전지를 제공한다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the present invention provides a lithium battery comprising a negative electrode material for a lithium battery manufactured using the method for producing a negative electrode material for a lithium battery.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명하겠으며, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail through specific examples, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1 :  One : 공축Coaxial 전기 방사 공정에 의한 코어/쉘 나노 섬유의 제조 Preparation of Core / Shell Nanofibers by Electrospinning Process

본 발명에서는 쉘 부분을 탄소 음극재의 전구체인 폴리아크릴로니트릴(PAN, 분자량 200,000 Misui chemical) 을, 코어로는 같은 단위체인 아크릴로니트릴을 단위체로 하면서도 열안정성이 뛰어나 구조를 형성하되 결국 열분해 되는 공중합체인 스타이렌 아크릴로니트릴(SAN, 분자량 120,000, 제일모직)을 캐리어로 하여 전기화학적으로 우수한 Si, SnO2, Sn 등의 나노입자를 분산시키기 위한 용도로 활용하였으며, 두 용액은 모두 같은 용매인 N, N-디메틸포름아미드에 용해시켰다(도 1).In the present invention, the shell portion is a polyacrylonitrile (PAN, molecular weight 200,000 Misui chemical), which is a precursor of a carbon anode material, and acrylonitrile, which is the same unit as a core, as a unit, while having excellent thermal stability, thereby forming a structure but eventually thermally decomposing copolymerization. The chain styrene acrylonitrile (SAN, molecular weight 120,000, Cheil Industries) was used as a carrier to disperse nanoparticles such as Si, SnO 2 and Sn which are excellent in electrochemical properties. , N-dimethylformamide was dissolved (FIG. 1).

공축 전기방사 공정을 활용하여 코어를 Si 5 중량% +SAN 30 중량% in DMF, shell을 PAN 20 중량% in DMF 용액으로 하여 전압 18 kV, 방사거리 15 cm, 코어 유속 0.5 ml/h, 쉘 유속 1 ml/h로 방사한 코어/쉘 전구체와 Si 5 중량%+ PAN 20 중량% in DMF 용액을 이용하여 15 kV, 방사거리 10 cm, 유속 0.5 ml/h 하에서 제조한 솔리드 전구체를 각각 공기 분위기 하에서 270-300℃ 에서 1 시간 동안 안정화, N2 분위기 하에서 1000℃ 에서 1 시간 동안 열처리하여 Si/C 복합 나노 섬유를 제조하였다(도 2). 하기 표 1에서 전기방사 공정 조건을 기재하였다.
Utilizing the coaxial electrospinning process, the core is Si 5 wt% + SAN 30 wt% in DMF, the shell is PAN 20 wt% in DMF solution, voltage 18 kV, spinning distance 15 cm, core flow rate 0.5 ml / h, shell flow rate Solid precursors prepared at 15 kV, spinning distance 10 cm and flow rate 0.5 ml / h using a core / shell precursor spun at 1 ml / h and a 5 wt% Si + 20 wt% in DMF solution were prepared under an air atmosphere. Si / C composite nanofibers were prepared by stabilizing at 270-300 ° C. for 1 hour and heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour under N 2 atmosphere (FIG. 2). Table 1 below describes the electrospinning process conditions.

Figure 112011063722455-pat00001
Figure 112011063722455-pat00001

제조된 복합나노섬유와 PVDF(바인더 폴리머), 아세틸렌 블랙(AB, 필러)을 각 9:0.5:0.5로 전극을 구성하여 Li 금속을 카운터 전극으로 하여 0.01-1.5 V 전압 구간에 대하여 200 mA/g의 전류밀도로 전기화학 특성 평가를 수행하였다.(도 5).
The composite nanofibers, PVDF (binder polymer) and acetylene black (AB, filler) were fabricated at 9: 0.5: 0.5 and 200 mA / g for 0.01-1.5 V voltage range using Li metal as a counter electrode. Evaluation of electrochemical properties was carried out with a current density of (Fig. 5).

실시예Example 2 : 열처리 공정에 의한 탄화 과정 2: carbonization process by heat treatment process

쉘 고분자인 PAN이 열에 의하여 고리 및 상호 네트워크를 형성함으로써 그래핀 층이 미스매치된 난층(turbostratic) 구조를 형성하고, 캐리어인 SAN의 제거를 위하여 연속적인 한 번의 열처리 공정을 거쳤다. 270-300℃에 해당하는 안정화 공정으로부터 PAN의 아크릴로니트릴은 탈수소화 반응 및 나이트릴 간의 고리화 반응(-C≡N에서 -C=N-C로 변환)에 의한 래더(ladder)가 형성되고, SAN은 용융된 채 구조를 형성하고 있으며, 안정화 공정 이후 탄화 공정에 이르러, SAN은 400℃ 이상에서 열분해가 시작되고, PAN은 700℃ 이상에서 탄화가 진행된다(도 3). 열처리 온도에 따라 탄화 PAN의 미세 구조가 변화하므로 이에 따른 용량의 제어가 가능하며, 가스 분위기에 따라 나노입자의 상이 금속/금속 산화물로 변화하므로, 전기화학 특성을 제어할 수 있었다.PAN, which is a shell polymer, forms a ring and interconnection network by heat to form a mismatched structure of a graphene layer, and undergoes one continuous heat treatment process to remove the carrier, SAN. From the stabilization process corresponding to 270-300 ° C., acrylonitrile of PAN forms a ladder by dehydrogenation reaction and cyclization reaction between nitriles (conversion from -C≡N to -C = NC), and SAN Silver forms a molten structure, and after the stabilization process, the carbonization process is started, and the SAN starts pyrolysis at 400 ° C. or higher, and the PAN carbonizes at 700 ° C. or higher (FIG. 3). Since the microstructure of the PAN carbide is changed according to the heat treatment temperature, the capacity can be controlled according to the heat treatment temperature, and since the phase of the nanoparticles is changed to the metal / metal oxide according to the gas atmosphere, the electrochemical characteristics can be controlled.

하기 표 2에서 수치로 보여주는 바와 같이, 700℃ 이상에서 진행되는 탄화 온도의 제어에 따라 미세 구조의 불완전성이 개선되며, 결정립의 크기 및 두께가 800℃에서 각각 1.28 nm와 1.16 nm, 1000℃에서 4.54 nm와 1.56 nm, 1200℃에서 각각 5.83 nm와 1.73 nm로 성장하였다(도 7).
As shown in the following Table 2, the microstructure incompleteness is improved according to the control of the carbonization temperature that proceeds at 700 ℃ or more, the size and thickness of the grains at 1.28 nm, 1.16 nm, and 1000 ℃ at 800 ℃, respectively At 4.54 nm, 1.56 nm, and 1200 ° C., they grew to 5.83 nm and 1.73 nm, respectively (FIG. 7).

Figure 112011063722455-pat00002
Figure 112011063722455-pat00002

이와 같은 미세 구조의 변화로 인하여 결정립 내부 혹은 결정립 사이의 공간이 좁아져, 전체적인 리튬 이온의 저장 능력인 초기 용량은 800℃에서 850 mAh/g, 1000℃에서 720 mAh/g, 1200℃에서 460 mAh/g으로 감소하지만, 초기 가역 용량은 각 51, 54, 62%로 증가하였다(도 8 내지 도 10).
Due to such a microstructure change, the space between the grains and between the grains is narrowed, and the initial capacity of the overall storage capacity of lithium ions is 850 mAh / g at 800 ° C, 720 mAh / g at 1000 ° C, and 460 mAh at 1200 ° C. Although decreased to / g, the initial reversible dose increased to 51, 54, 62% respectively (Figs. 8-10).

비교예Comparative example 1: 실리콘/탄소의 단일 노즐의 제조 1: Preparation of a Single Nozzle of Silicon / Carbon

Si/C에 대하여 전기화학 특성 평가한 바는 PAN 20 중량% + SAN 5 중량% 에 대하여 단일 노즐을 통하여 제조한 나노 섬유의 전기화학 특성 평가와 비교하였다(도 6). Electrochemical properties of Si / C were compared with those of nanofibers prepared through a single nozzle for 20% by weight of PAN + 5% by weight of SAN (FIG. 6).

비교예Comparative example 2: 탄소  2: carbon 쉘의Shell 음극부로의To the cathode 특성을 확인하기 위한 전기화학적 특성 Electrochemical Properties to Identify Properties

쉘 부 역시 음극재의 활물질이 되므로, 온도 변화에 따라 전기화학 특성을 제어할 수 있음을 보이기 위하여 중공 탄소나노 섬유의 열처리 온도에 대해서도 전기화학 특성을 평가하였다(도 11 내지 도 13).
Since the shell part also becomes the active material of the negative electrode material, the electrochemical properties were also evaluated for the heat treatment temperature of the hollow carbon nanofibers to show that the electrochemical properties can be controlled according to the temperature change (FIGS. 11 to 13).

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (11)

(i) 코어의 재료로 아크릴로니티릴계 공중합체 20-45 중량%, 쉘의 재료로 코어의 재료와 동일하지 않은 아크릴로니트릴계 공중합체 10-40 중량%, 금속 또는 금속 산화물 또는 금속 황화물 1-35 중량%, 용매 30-65 중량%을 혼합한 용액 또는 용융 상태의 혼합물을 공급하는 단계;
(ii) 상기 혼합물에 전압을 가하여 코어/쉘 복합체가 형성되는 단계
(iii) 코어/쉘를 복합체를 700-3000℃로 열처리하여 탄화 및 흑연화시키는 단계를 포함하는 리튬 전지용 음극 재료의 제조방법.
(i) 20-45% by weight of acrylonitrile-based copolymer as the material of the core, 10-40% by weight of acrylonitrile-based copolymer not equal to the material of the core as the material of the shell, metal or metal oxide or metal sulfide 1 Feeding -35% by weight, a mixture of 30-65% by weight of a solvent or a mixture in a molten state;
(ii) applying a voltage to the mixture to form a core / shell composite
(iii) a method of producing a negative electrode material for a lithium battery, comprising the step of carbonizing and graphitizing the composite with a core / shell at 700-3000 ° C.
청구항 1에 있어서, 상기 코어 또는 쉘의 재료인 아크릴로니트릴계 공중합체는 스타이렌아크릴로니트릴(SAN), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 아크릴로니트릴 뷰타디엔 스타이렌(ABS), 아크릴로니트릴 스타이렌 아크릴레이트(ASA) 또는 아크릴로니트릴 뷰타디엔(NBR) 중 각각 독립적으로 서로 다른 2종을 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
The acrylonitrile-based copolymer as a material of the core or shell is styrene acrylonitrile (SAN), polyacrylonitrile (PAN), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), acrylonitrile A method comprising selecting two different kinds of styrene acrylate (ASA) or acrylonitrile butadiene (NBR) independently of each other.
청구항 1에 있어서, 상기 금속은 실리콘(Si), 주석(Sn), 저머늄(Ge), 안티몬(Sb), 타이타늄(Ti), 인듐(In), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 바나듐(V) 및 이들로 구성된 합금이고, 금속 산화물 및 황화물에는 상기 금속들이 포함된 금속 산화물 및 금속 황화물인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the metal is silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), antimony (Sb), titanium (Ti), indium (In), copper (Cu), zirconium (Zr), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), manganese (Mn), zinc (Zn), calcium (Ca), vanadium (V) and alloys thereof, and metal oxides and sulfides containing these metals. A metal oxide and a metal sulfide.
청구항 1에 있어서, 상기 용매는 극성 용매인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the solvent is a polar solvent.
청구항 4에 있어서, 상기 극성 용매는 DMF, DMSO, HMPA, Dioxane, THF, MeCN, 아세톤, DCM, EA, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 포름산, HF 또는 암모니아인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 4, wherein the polar solvent is DMF, DMSO, HMPA, Dioxane, THF, MeCN, Acetone, DCM, EA, Water, Methanol, Ethanol, Propanol, Formic Acid, HF or Ammonia.
청구항 1에 있어서, 상기 공급은 0.1-3 ml/h인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the feed is 0.1-3 ml / h.
청구항 1에 있어서, 상기 전압은 0.01-50 kV인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the voltage is 0.01-50 kV.
청구항 1에 있어서, 상기 혼합물에 이타코닉 산 또는 메타아크릴레이트를 공중합체로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the mixture comprises itaconic acid or methacrylate as a copolymer.
청구항 1에 있어서, 상기 열처리 단계는 질소 또는 비활성 기체 존재 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the heat treatment step is performed in the presence of nitrogen or an inert gas.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조한 리튬 전지용 음극 재료.
The negative electrode material for lithium batteries manufactured using the method of any one of Claims 1-9.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조한 리튬 전지용 음극 재료를 포함하는 리튬 전지.
The lithium battery containing the negative electrode material for lithium batteries manufactured using the method of any one of Claims 1-9.
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