KR101264343B1 - Negative Active Material, Manufacturing Method thereof And Lithium Secondary Battery Comprising The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 등 대형 리튬 2차 전지용 음극 활물질로서 각광받고 있는 주석계 음극활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Sol-Gel법을 이용하여 균질한 화학성분 조성의 주석계 음극활물질 복합체를 제조하고, 주석계 금속이온재료 복합체의 종류와 함량의 조절, 환원제의 적용, 열처리 조건의 개발을 통하여 우수한 전지특성을 보이는 주석계 복합체인 Sn-Co-Fe-C를 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법은 간단한 방법으로 주석계 복합체 Sn-Co-Fe-C 음극활물질을 제조할 수 있으며 대량 생산이 용이하고 경제적일 뿐만 아니라, 본 발명의 Sn-Co-Fe-C 음극활물질을 적용한 리튬이차전지는 고출력, 고에너지 및 긴 수명 특성을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a tin-based negative electrode active material, which is in the spotlight as a negative electrode active material for a large lithium secondary battery such as an electric vehicle, and more particularly, a tin-based negative electrode active material having a homogeneous chemical composition The present invention provides a method for preparing a composite of Sn-Co-Fe-C, which is a tin-based composite having excellent battery characteristics by preparing a composite, controlling the type and content of the tin-based metal ion composite, applying a reducing agent, and developing heat treatment conditions. do. In addition, the manufacturing method according to the present invention can produce a tin-based composite Sn-Co-Fe-C anode active material in a simple manner and is easy to mass production and economical, Sn-Co-Fe-C anode of the present invention The lithium secondary battery using the active material provides high output, high energy and long life characteristics.

Description

음극 활물질. 그 제조방법 및 이를 구비한 리튬이차전지{Negative Active Material, Manufacturing Method thereof And Lithium Secondary Battery Comprising The Same}Negative electrode active material. The manufacturing method and a lithium secondary battery having the same {Negative Active Material, Manufacturing Method and And Lithium Secondary Battery Comprising The Same}

본 발명은 음극 활물질, 그 제조방법 및 이를 구비한 리튬이차전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 Sol-Gel법으로 합성된 주석계 복합체 Sn-Co-Fe-C를 포함하는 주석계 음극활물질, 그 제조방법 및 이를 구비한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery having the same, and more particularly, a tin-based negative electrode active material including a tin-based composite Sn-Co-Fe-C synthesized by a Sol-Gel method, and It relates to a manufacturing method and a lithium secondary battery having the same.

휴대폰, 노트북 PC와 같은 mobile IT의 전원으로써 사용하고 있는 리튬이차전지의 용도가 최근에는 전력 저장장치로 그 적용을 넓혀 나가고 있다. 그 중 지구온난화를 막기 위한 수단으로서 전기자동차 등 무공해 수송수단의 개발이 활발히 진행되고 있다. 기존 전기자동차의 성능을 보다 향상시키기 위해서는 고에너지를 가지는 전지와 이를 구성하는 전극물질의 개발이 필요하다. Lithium secondary batteries, which are being used as a power source for mobile IT such as mobile phones and notebook PCs, have recently been widely applied to power storage devices. Among them, the development of pollution-free transportation means such as electric vehicles is actively being promoted as means for preventing global warming. In order to further improve the performance of existing electric vehicles, it is necessary to develop a battery having high energy and an electrode material constituting the same.

리튬 이차 전지는 리튬금속을 이용한 이차전지뿐만 아니라 리튬이온 이차전지를 포함하는 광의의 개념으로서, 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 가장 주목받고 있는 전지이며, 전해질에 따라서 액체를 쓰는 액체형 전지, 액체와 고분자를 혼용해서 쓰는 겔형 폴리머 전지와 순수하게 고분자만을 사용하는 고체형 폴리머 전지로 구분하기도 한다. Lithium secondary battery is a broad concept that includes not only secondary battery using lithium metal but also lithium ion secondary battery, and has high voltage and high energy density. It is also divided into a gel polymer battery using a mixture of and a polymer and a solid polymer battery using pure polymers.

리튬이차전지의 핵심 구성 요소는 양극, 음극, 전해질, 분리막이다.The key components of a lithium secondary battery are the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte, and the separator.

리튬이차전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막(separator), 외장재 등으로 구성된다. 양극은 전류집전체에 양극활물질, 도전제와 결합제(binder) 등의 혼합물이 결착되어 구성된다. 양극활물질로는 LiCoO2 , LiMn2O4 , LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬 전이금속 화합물을 주로 사용하며, 이들 물질은 결정구조 내로 리튬이온이 삽입/탈리(intercalation/deintercalation) 할 수 있다.The lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, an exterior material, and the like. The anode is constituted by binding a mixture of a cathode active material, a conductive agent and a binder to the current collector. Lithium transition metal compounds such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 are mainly used as the positive electrode active material, and these materials may intercalate / deintercalate lithium ions into the crystal structure.

음극활물질은 리튬금속, 탄소 또는 흑연 등이 주로 사용되며 양극활물질과는 반대로 전기화학적 반응 전위가 낮다.Lithium metal, carbon, or graphite is mainly used as the negative electrode active material, and has a low electrochemical reaction potential as opposed to the positive electrode active material.

전해질은 주로 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 등의 극성 유기용매에 LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6 , LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬이온을 포함하는 염을 용해시켜 사용한다. The electrolyte is mainly composed of LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (Poly) in polar organic solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and methylethyl carbonate. A salt containing lithium ions such as SO 2 C 2 F 5 ) 2 is dissolved and used.

분리막은 양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 이온의 통로를 제공해주는 역할을 하고 다공성 폴리에틸렌 등 폴리올레틴계 폴리머를 주로 사용한다.The separator electrically isolates the anode and the cathode and serves as a pathway for the ion, and mainly uses a polyoletine-based polymer such as porous polyethylene.

외장재는 전지의 내용물을 보호하며 전지외부로 전기적 통로를 제공하며, 금속캔 또는 알루미늄과 몇 겹의 폴리머층으로 구성된 파우치 포장재를 주로 사용한다.The exterior material protects the contents of the battery and provides an electrical passage to the outside of the battery, and mainly uses a pouch packaging material composed of a metal can or aluminum and several layers of polymer layers.

리튬이차전지는 현존의 최고성능 이차전지임에도 불구하고 전자기기 측면에서는 보다 고성능의 전지를 필요로 하고 있다. 리튬이차전지의 고성능화는 양극과 음극의 특성 향상이 중요한 역할을 점하고 있는 바, 고성능의 음극재료의 개발은 중요한 과제이다. Lithium secondary batteries are still the highest performance secondary batteries available, but they require higher performance batteries in terms of electronics. High performance of lithium secondary batteries plays an important role in improving the characteristics of the positive electrode and the negative electrode, and the development of high performance negative electrode material is an important problem.

Sony(http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200502/05-006E/) 에서는 기계적 합금화를 하여 Sn-Co-C 복합체 음극활물질을 개발하고, 이를 적용한 리튬이차전지의 개발을 보고하였다. 본 전지의 Sn-Co-C 복합체 음극활물질의 비용량은 450 mAh/g 이었다.Sony (http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200502/05-006E/) developed a Sn-Co-C composite anode active material by mechanical alloying and developed a lithium secondary battery. Reported. The specific capacity of Sn-Co-C composite anode active material of this battery was 450 mAh / g.

Dahn 등(P. P. Ferguson, M. Rajora, R. A. Dunlap, and J. R. Dahn, Journal of The Electrochemical Society, 156 (3) (2009) A187-A191; P. P. Ferguson, Peng Liao, R. A. Dunlap, and J. R. Dahn, Journal of The Electrochemical Society, 156 (1) (2009) A13-A17)은 합금을 기계적 밀링법으로 제조하였으며, 탄소의 함량에 따른 비용량은 400~600 mAh/g으로 보고하였다.Dahn et al. (PP Ferguson, M. Rajora, RA Dunlap, and JR Dahn, Journal of The Electrochemical Society, 156 (3) (2009) A187-A191; PP Ferguson, Peng Liao, RA Dunlap, and JR Dahn, Journal of The Electrochemical Society, 156 (1) (2009) A13-A17), produced alloys by mechanical milling, and reported specific capacity according to carbon content of 400-600 mAh / g.

또한 Sn30(Co1 - xFex)30C40의 합금조성에 대한 결과에서 x = 0과 x = 0.5의 조성에서 비교적 우수한 400 mAh/g의 비용량이 100회 충방전까지 지속될 수 있음을 보고하였다.The results of the alloy composition of Sn 30 (Co 1 - x Fe x ) 30 C 40 show that the relatively high 400 mAh / g of cost can be sustained up to 100 times of charging / discharging at x = 0 and x = 0.5. Respectively.

Wang 등(Xiuyan Wang, Zhaoyin Wen, Bin Lin, Jiu Lin, Xiangwei, Wu, Xiaogang Xu, Journal of Power Sources, 184 (2008) 508-512)은 Sn-흑연-Ag 복합체를 기계적 밀링법으로 제조하였으며, 제조한 복합체는 Sn과 Ag4Sn과 흑연으로 구성되었으며, 리튬이차전지 음극활물질로서의 비용량은 초기 600 mAh/g을 나타내고 100회 충방전에서 400 mAh/g을 나타낼 수 있다고 보고하였다.Wang et al. (Xiuyan Wang, Zhaoyin Wen, Bin Lin, Jiu Lin, Xiangwei, Wu, Xiaogang Xu, Journal of Power Sources, 184 (2008) 508-512) prepared Sn-graphite-Ag composites by mechanical milling, The prepared composite was composed of Sn, Ag 4 Sn and graphite, and reported that the specific capacity as a lithium secondary battery negative electrode active material was initially 600 mAh / g and 400 mAh / g at 100 charge / discharge cycles.

Yang 등(Shoufeng Yang, Peter Y. Zavalij, M. Stanley Whittingham, Electrochemistry communications, 5 (2003) 587-590)은 두께 25~30 um의 주석 박막을 사용하여 리튬이차전지 음극으로서 충방전 시험한 결과 약 600 mAh/g의 비용량을 나타낼 수 있으나, 약 15회 이후 급속히 비용량이 감소함을 보고하였다.Yang et al. (Shoufeng Yang, Peter Y. Zavalij, M. Stanley Whittingham, Electrochemistry communications, 5 (2003) 587-590) were found to be charged and discharged as a lithium secondary battery negative electrode using a tin thin film having a thickness of 25 to 30 um. A specific amount of 600 mAh / g may be indicated, but the rapid decrease after about 15 times has been reported.

도칠훈 등(도칠훈 등, 음극 활물질. 그 제조법 및 이를 구비한 리튬 이차 전지, 대한민국특허, 등록 번호 10-0743053, 2007. 7. 20)은 기계적 볼밀링법으로 Cu6Sn5를 제조하고 리튬이차전지 음극활물질로 적용하였다. Cu6Sn5-흑연 복합전극은 550 mAh/g 의 비용량을 나타내지만 싸이클에 따라서 급속히 비용량이 감소하였고, 탄소도포 Cu6Sn5-흑연 복합체는 200 mAh/g의 비용량을 나타내며 싸이클 특성은 우수하였다. 양쪽의 경우 각각 싸이클 특성과 비용량의 문제점을 나타내었다.
Do Chil Hoon et al. (Do Chil Hoon et al., A negative electrode active material. A method for manufacturing the same and a lithium secondary battery having the same, Korean Patent No. 10-0743053, July 20, 2007) manufactured Cu 6 Sn 5 by a mechanical ball milling method and a lithium secondary battery It was applied as a negative electrode active material. The Cu 6 Sn 5 - graphite composite showed a specific capacity of 550 mAh / g, but the cost was rapidly decreased according to the cycle. The carbon coated Cu 6 Sn 5 - graphite composite showed a specific capacity of 200 mAh / g, . In both cases, problems of cycle characteristics and non-capacity were shown.

음극 재료는 비약적인 비용량의 향상이 진행되고 있다. 현재의 흑연재료는 이론비용량이 372 mAh/g 으로서 밀도가 2.2 g/ml인 재료이지만, 근래 개발 중인 주석의 경우 이론용량 990 mAh/g의 현격히 높은 값을 가지며 밀도도 7.30 g/ml 이다. 주석은 리튬과의 전기화학 반응 전위 또한 흑연과 유사한 특징을 나타낸다. 하지만 주석 재료의 경우 리튬 삽입으로 인하여 300 %(Li22Sn5)까지 부피팽창이 일어난다는 문제점을 가지고 있다.Significant improvements in the specific amount of the anode material have been made. The current graphite material is a material with a theoretical cost of 372 mAh / g and a density of 2.2 g / ml, but in the case of tin under development, it has a remarkably high value of 990 mAh / g and has a density of 7.30 g / ml. Tin exhibits electrochemical reaction potential with lithium as well as graphite-like characteristics. However, tin materials have a problem of volume expansion up to 300% (Li 22 Sn 5 ) due to lithium insertion.

주석계 음극활물질을 개발하는 기존의 방법은 고에너지 기계적 볼밀링법을 사용하는 것이 통상적인 방법으로서, 높은 기계적 에너지를 가하기 위하여 고속의 볼밀링 장치를 이용해야하고, 환원된 상태의 금속을 이용하여 합금화해야 하며, 균질한 화학 성분의 조성을 얻기에도 어려운 등 조건의 제약이 있어왔다.Conventional method for developing tin-based negative electrode active material is to use a high energy mechanical ball milling method, it is necessary to use a high-speed ball milling device to apply high mechanical energy, using a reduced metal There have been constraints on conditions, such as alloying and difficulty in obtaining a homogeneous chemical composition.

본 발명은 상기와 같은 주석계 재료의 문제와 기계적 볼밀링의 문제를 해결하고자 졸-겔법(Sol-Gel method)으로 비교적 공정이 간단하면서도, 금속이온화합물의 출발물질을 사용하여 충방전 비용량이 높고 싸이클 특성이 우수한 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질을 제조하고, 제조한 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질을 적용한 리튬이차전지를 개발하고자 하였다.The present invention is relatively simple in the sol-gel method (Sol-Gel method) in order to solve the problems of the tin-based material and the problem of mechanical ball milling as described above, the charge and discharge cost is high using the starting material of the metal ion compound Sn-Co-Fe-C composite anode active material having excellent cycle characteristics was prepared, and a lithium secondary battery using the prepared Sn-Co-Fe-C composite anode active material was developed.

상기의 코발트(Co)와 철(Fe) 및 흑연(C) 및 주석(Sn)을 복합화한 음극활물질은 싸이클에 따른 부피팽창을 완화할 수 있는 특징을 가지게 된다.The negative electrode active material in which cobalt (Co), iron (Fe), graphite (C), and tin (Sn) are combined has a characteristic of alleviating the volume expansion caused by the cycle.

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

주석금속염, 코발트금속염, 철금속염 및 흑연을 몰비로 조성물을 제조하고, 환원제 및 증류수와 함께 금속이온 복합 겔(gel)을 만든 후, 소성하여 Sn-Co-Fe-C 복합체 분말을 제조하는 방법을 제공한다.A method of preparing a composition using tin metal salt, cobalt metal salt, ferrous metal salt and graphite in a molar ratio, a metal ion composite gel with a reducing agent and distilled water, and then firing to prepare a Sn-Co-Fe-C composite powder to provide.

본 발명에서, 상기 주석금속염은 주석아세트산염(Sn(CH3COO)2), 주석질산염(Sn(NO3)2), 주석탄산염(SnCO3), 주석황산염(SnSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 특징이며, 상기 코발트금속염은 코발트아세트산염(Co(CH3COO)2), 코발트질산염(Co(NO3)2), 코발트탄산염(CoCO3), 코발트황산염(CoSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 특징이고, 상기 철금속염은 철아세트산염(Fe(CH3COO)2), 철질산염(Fe(NO3)2), 철탄산염(FeCO3), 철황산염(FeSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다.In the present invention, the tin metal salts (Sn (CH 3 COO) 2 ) tin acetate, tin nitrate (Sn (NO 3) 2) , tin carbonates (SnCO 3), selected from the group consisting of tin sulphate (SnSO 4) and that at least one member characterized in that, with the cobalt salt is cobalt acetate (Co (CH 3 COO) 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3) 2) , cobalt carbonate (CoCO 3), cobalt sulfate (CoSO 4) (Fe (CH 3 COO) 2 ), iron nitrate (Fe (NO 3 ) 2 ), ferric carbonate (FeCO 3 ), ferrous sulfate FeSO 4 ). The present invention also provides an anode active material comprising the same.

또한, 상기 주석금속염, 코발트금속염, 철금속염 및 흑연의 몰비는 자유롭게 선택할 수 있으며, 특히 1 : 1 : 1 : 5이 바람직하다. In addition, the molar ratio of the said tin metal salt, cobalt metal salt, ferrous metal salt, and graphite can be selected freely, and especially 1: 1: 1: 1 is preferable.

상기 환원제는 유기산이며, 시트릭 산(Citric acid) 또는 아스코빅 산(Ascorbic acid)으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택할 수 있고, 환원제의 양은 총 금속 이온의 몰수에 비교하여 1~2배를 사용하는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 제조방법을 제공한다.The reducing agent is an organic acid, can be selected from the group consisting of citric acid or ascorbic acid (at least one type), the amount of reducing agent is used 1 to 2 times compared to the number of moles of total metal ions. It provides a method for producing a negative electrode active material, characterized in that.

또한, 상기 금속이온 복합 수용액을 70~90℃로 교반하여 물의 증발과 함께 환원제/금속이온 복합 졸(metal ion sol)을 형성하며, 상기 졸을 100~120℃ 오븐에서 가열하여 환원제/금속이온 복합 겔(metal ion gel)을 형성하고, 상기 겔 분말을 소성 열처리하는 것을 특징으로 하는 음극활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the metal ion complex aqueous solution is stirred at 70 ~ 90 ℃ to form a reducing agent / metal ion sol with the evaporation of water, the sol is heated in a 100 ~ 120 ℃ oven reducing agent / metal ion complex It provides a method for producing a negative electrode active material, characterized in that to form a gel (metal ion gel), and calcining the gel powder.

또한, 환원제/금속이온 복합 겔은 비활성(Ar) 또는 환원성 분위기 하에서 열처리하는 것이 특징이며, 열처리 시간과 온도는 1~5시간 및 500~1000℃의 범위이며 열처리 조건을 다단계로 할 수도 있고, 300℃에서 5시간 동안 소결한 후, 다시 550~950℃ 에서 3시간 열처리하는 것이다.In addition, the reducing agent / metal ion composite gel is characterized in that the heat treatment in an inert (Ar) or reducing atmosphere, the heat treatment time and temperature is in the range of 1 to 5 hours and 500 ~ 1000 ℃ and may be a multi-step heat treatment conditions, 300 After sintering at 5 ° C. for 5 hours, heat treatment is further performed at 550˜950 ° C. for 3 hours.

또한, 상기 음극활물질은 전술한 음극활물질인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the negative electrode active material provides a lithium secondary battery, characterized in that the above-described negative electrode active material.

또한, 상기 음극 활물질은 도전재인 카본 블랙(super p. black)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the anode active material provides a lithium secondary battery, characterized in that further comprises a carbon black (super p. Black) as a conductive material.

또한, 상기 음극 활물질은 바인더인 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the negative electrode active material provides a lithium secondary battery, further comprising a polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder.

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

본 발명에 따른 졸-겔법의 금속이온복합체로부터 제조한 주석계 금속-흑연 복합음극활물질 및 이를 이용한 리튬이차전지를 제조하고 물리적 및 전기화학적 특성을 분석한 결과, 주석이온 만으로 제조한 음극활물질에 비교하여 충방전 특성이 향상되었으며 우수한 싸이클 특성과 비용량, 충전 및 방전율 특성을 나타내어 리튬이차전지의 음극활물질로 유용하게 사용 될 수 있다.The tin-based metal-graphite composite anode active material prepared from the sol-gel method metal ion composite according to the present invention and a lithium secondary battery using the same were analyzed and compared with the negative electrode active material prepared only from tin ions. The charging and discharging characteristics are improved, and excellent cycle characteristics, specific capacity, charge and discharge rate characteristics can be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery.

본 금속이온복합체 음극활물질 제조방법은 고에너지의 기계적 밀링법과 비교하여 균질한 조성의 재료를 대량으로 용이하게 제조할 수 있다.The method for producing a negative electrode active material of the metal ion complex can easily produce a material having a homogeneous composition in a large amount compared to a mechanical milling method of high energy.

도 1은 본 발명에 따른 Sn-Co-Fe-C 복합체를 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조한 Sn-Co-Fe-C 복합체 분말의 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조한 Sn-Co-Fe-C 복합체 분말의 FE-SEM 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조한 Sn-Co-Fe-C 복합체 분말의 입도 분석 (PSA) 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조한 Sn-Co-Fe-C 복합체를 음극 활물질로 이용하여 제조한 동전형 전지의 0.1 C율에서 1~2회 및 0.2 C율에서 3회의 초기 충방전에 대한 전압과 전류의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 금속이온 재료의 조성 비율에 따른 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질을 이용하여 제조한 동전형 전지의 정전류ㆍ정전압 충방전 싸이클링한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 시트릭 산(citric acid)과 아스코빅 산(ascorbic acid) 등 환원제의 종류에 따른 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질을 이용하여 제조한 동전형 전지의 정전류ㆍ정전압 충방전 싸이클링한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 열처리 온도의 변화에 따른 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질을 이용하여 제조한 동전형 전지의 정전류ㆍ정전압 충방전 싸이클링한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질을 적용한 리튬이차전지의 구성 개략 단면도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a manufacturing process of a Sn-Co-Fe-C composite according to the present invention.
Fig. 2 shows X-ray diffraction (XRD) results of the Sn-Co-Fe-C composite powder prepared according to the present invention.
3 is an FE-SEM photograph of the Sn-Co-Fe-C composite powder prepared according to the present invention.
4 shows the particle size analysis (PSA) results of the Sn-Co-Fe-C composite powder prepared according to the present invention.
5 is a voltage for the initial charging and discharging of the coin cell prepared by using the Sn-Co-Fe-C composite prepared according to the present invention as a negative electrode active material 1 to 2 times at 0.1 C rate and 3 times at 0.2 C rate The change in overcurrent is shown.
6 shows the results of constant current / constant voltage charge / discharge cycling of a coin-type battery manufactured using a Sn-Co-Fe-C composite anode active material according to the composition ratio of the metal ion material.
FIG. 7 shows the constant current and constant voltage charge / discharge cycles of a coin-type battery prepared using a Sn-Co-Fe-C composite anode active material according to a type of reducing agent such as citric acid and ascorbic acid. The results are shown.
FIG. 8 shows the results of constant current / constant voltage charge / discharge cycling of a coin-type battery manufactured using a Sn-Co-Fe-C composite anode active material with a change in heat treatment temperature.
9 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery to which an anode active material according to an embodiment of the present invention is applied.

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

먼저, 본 발명에 따른 음극 활물질을 설명한다.First, a negative electrode active material according to the present invention will be described.

본 발명은 (1) 주석금속염과 코발트금속염 및 철금속염을 증류수에 용해시켜 제조한 금속염 수용액과 환원제를 혼합하는 공정;The present invention comprises the steps of: (1) mixing a metal salt aqueous solution and a reducing agent prepared by dissolving tin metal salts, cobalt metal salts and ferrous metal salts in distilled water;

(2) 상기 혼합물을 70~90℃에서 교반하여 환원제/금속이온 복합 졸(metal ion sol)을 형성하는 공정;(2) stirring the mixture at 70-90 ° C. to form a reducing agent / metal ion sol;

(3) 상기 졸을 100~120℃ 에서 가열하여 환원제/금속이온 복합 겔(metal ion gel)을 형성하는 공정; 및 (4) 상기 분말을 소성하는 공정; 을 포함하는 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질의 제조방법을 제공한다.(3) heating the sol at 100-120 ° C. to form a reducing agent / metal ion gel; And (4) calcining the powder; It provides a method for producing a Sn-Co-Fe-C composite anode active material comprising a.

본 발명에 있어서, 상기 (1) 공정에서 주석금속염은 주석아세트산염(Sn(CH3COO)2), 주석질산염(Sn(NO3)2), 주석탄산염(SnCO3), 주석황산염(SnSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하며, 상기 코발트금속염은 코발트아세트산염(Co(CH3COO)2), 코발트질산염(Co(NO3)2), 코발트탄산염(CoCO3), 코발트황산염(CoSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하고, 상기 철금속염은 철아세트산염(Fe(CH3COO)2), 철질산염(Fe(NO3)2), 철탄산염(FeCO3), 철황산염(FeSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.In the present invention, the tin metal salt in the step (1) is tin acetate (Sn (CH 3 COO) 2 ), tin nitrate (Sn (NO 3 ) 2 ), tin carbonate (SnCO 3 ), tin sulfate (SnSO 4 ) Is preferably at least one selected from the group consisting of, the cobalt metal salt is cobalt acetate (Co (CH 3 COO) 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt carbonate (CoCO 3 ), cobalt It is preferable that at least one selected from the group consisting of sulfate (CoSO 4 ), the iron metal salt is iron acetate (Fe (CH 3 COO) 2 ), iron nitrate (Fe (NO 3 ) 2 ), iron carbonate (FeCO 3 ), at least one member selected from the group consisting of iron sulfate (FeSO 4 ).

또한, 상기 주석금속염, 코발트금속염, 철금속염 및 흑연의 몰비는 자유롭게 선택할 수 있으며, 바람직하게는 주석금속염, 코발트금속염, 철금속염 및 흑연을 (1 : 1 : 1 : 5)의 몰비로 합성하는 것이 좋다. In addition, the molar ratio of the tin metal salt, cobalt metal salt, ferrous metal salt and graphite can be freely selected. Preferably, the synthesis of tin metal salt, cobalt metal salt, ferrous metal salt and graphite in a molar ratio of (1: 1: 1: 1: 1) is preferred. good.

상기 환원제는 유기산이며, 시트릭 산(Citric acid) 또는 아스코빅 산(Ascorbic acid) 중에서 선택되고, 환원제의 양은 총 금속 이온의 몰수에 비교하여 1~2 배를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 시트릭 산 : 총 금속이온을 1 : 1 의 몰비로 사용하는 것이 좋다.The reducing agent is an organic acid, is selected from citric acid or ascorbic acid, the amount of the reducing agent is preferably used 1 to 2 times compared to the number of moles of the total metal ions, more preferably It is recommended to use citric acid: total metal ions in a molar ratio of 1: 1.

또한, 상기 (2) 공정에서 환원제/금속이온 복합 수용액을 70~90℃ 에서 교반하여 환원제/금속이온 복합 졸을 제조하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 80℃로 가열하는 것이 좋다. 또한, 상기 (3) 공정에서 상기 졸을 100~120℃ 오븐에서 가열하여 환원제/금속이온 복합 겔을 형성하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 100℃ 로 가열하는 것이 바람직하다. In addition, in the step (2), it is preferable to prepare a reducing agent / metal ion composite sol by stirring the reducing agent / metal ion complex aqueous solution at 70 to 90 ° C., and more preferably heating to 80 ° C. In the step (3), the sol is preferably heated in an oven at 100 ° C. to 120 ° C. to form a reducing agent / metal ion composite gel, and more preferably at 100 ° C.

또한, 상기 (4) 공정의 겔 전구체는 주석(Sn), 코발트(Co), 철(Fe)의 용이한 환원을 위해 비활성 또는 환원성 분위기 하에서 열처리하는 것이 바람직하다.In addition, the gel precursor of step (4) is preferably heat-treated in an inert or reducing atmosphere for easy reduction of tin (Sn), cobalt (Co), iron (Fe).

또한, 상기 (4) 공정에서 겔 전구체의 열처리 시간 및 온도는 바람직하게는 250-350℃에서 3-5시간 동안 소결한 후, 다시 550℃, 750℃, 950℃ 에서 3시간 열처리하는 것이 좋은데, 이는 열처리 온도가 낮은 경우에는 결정성 물질이 형성되기 어렵게 되기 때문이다.In addition, in the step (4), the heat treatment time and temperature of the gel precursor are preferably sintered at 250-350 ° C. for 3-5 hours, and then heat-treated again at 550 ° C., 750 ° C., and 950 ° C. for 3 hours. This is because when the heat treatment temperature is low, it becomes difficult to form a crystalline material.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조한 Sn-Co-Fe-C 복합체를 음극활물질로 이용한 전극 및 상기 전극을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.The present invention also provides an electrode using the Sn-Co-Fe-C composite prepared by the above method as a negative electrode active material, and a lithium secondary battery comprising the electrode.

본 발명에 있어서, 리튬이차전지는 통상적인 방법에 따라 주석계 복합체Sn-Co-Fe-C를 결합제인 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 및 도전재인 카본블랙(super p. black)을 메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone) 분산매와 혼합하여 전극 슬러리를 제조하고, 전류 집전체에 도포하고 건조한 후 압착함으로써 전극을 제조할 수 있다.In the present invention, the lithium secondary battery is a polyvinylidene fluoride (PVDF) of the tin-based composite Sn-Co-Fe-C as a binder and carbon black (super p. Black) of the conductive material according to a conventional method methylpyrrole An electrode slurry may be prepared by mixing with a donor (NMP, N-methylpyrrolidone) dispersion medium, applying the same to a current collector, drying, and compressing the electrode slurry.

상기와 같은 전극 제조방법은 당 분야에서 알려져 있는 통상의 방법을 이용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.The electrode manufacturing method as described above may use a conventional method known in the art, it is not particularly limited.

또한, 본 발명에 따른 음극 활물질은 이온의 삽입/탈리(insertion/desertion) 현상을 이용한 전지라면 제한되지 않고 음극 활물질로 적용될 수 있다.In addition, the negative electrode active material according to the present invention may be applied to the negative electrode active material without limitation as long as it is a battery using an insertion / desertion phenomenon of ions.

상기의 과정을 통해 제조된 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 재료의 물리적 특성을 측정하였으며 그 측정결과를 후술할 실시예 및 실험예에서 보다 상세하게 설명한다.Physical properties of the material prepared according to the embodiment of the present invention manufactured by the above process was measured and the measurement results will be described in more detail in Examples and Experimental Examples to be described below.

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

본 발명에 따른 음극 활물질을 구비한 리튬이차전지는, 음극 활물질을 포함하는 음극과 양극 활물질을 포함하는 양극 및 이온전도체를 구비한 리튬이차전지에 있어서, 상기 음극활물질은 주석(Sn), 코발트(Co), 철(Fe), 흑연(C)의 복합체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. In a lithium secondary battery having a negative electrode active material according to the present invention, a lithium secondary battery having a negative electrode including a negative electrode active material and a positive electrode and an ion conductor including a positive electrode active material, the negative electrode active material is tin (Sn), cobalt ( Co), iron (Fe), characterized in that it comprises a composite of graphite (C).

주석계 복합체 Sn-Co-Fe-C를 제외한 나머지 구성은 본 기술 분야에서 알려진 구성을 제한되지 않고 선택하여 적용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 음극은 도전재인 카본 블랙(Super P Black)을 더 포함할 수 있으며, 상기 음극은 결합제인 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)와 집전체를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 이온전도체는 전해액 또는 고분자 전해질일 수 있다.Except for the tin-based composite Sn-Co-Fe-C, other configurations can be selected and applied without limitation to those known in the art. Preferably, the negative electrode may further include carbon black (Super P Black) as a conductive material, and the negative electrode may further include a polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder and a current collector. In addition, the ion conductor may be an electrolyte solution or a polymer electrolyte.

본 발명의 일실시예에 따른 리튬이차전지는 전술한 음극 활물질 이외에도 본 발명의 기술분야에서 알려진 음극 활물질을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 즉 제한되지 않으나, 리튬금속, 난흑연화성 탄소, 이흑연화성 탄소, 천연흑연, 인조흑연 등을 더 포함할 수 있다. 또한 활성탄소를 더 사용할 수도 있다. The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include a negative electrode active material known in the art, in addition to the above-described negative electrode active material. But not limited to, lithium metal, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, natural graphite, artificial graphite, and the like. Further, activated carbon may be further used.

도 9는 본 발명의 실시 형태인 리튬이차전지(1)를 나타낸 것이다. 리튬이차전지(1)는 음극(2), 전극(3), 상기 음극(2)과 양극(3) 사이에 배치된 세퍼레이터(4), 상기 음극(2), 양극(3) 및 세퍼레이터(4)에 함침된 이온전도체와, 전지 용기(5)와 전지 용기(5)를 봉입하는 봉입부재(6)를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 도 6에 도시된 리튬이차전지의 형태는 원통형이나 이외에 원통형, 각형, 코인형, 또는 쉬트형 등의 다양한 형상으로 될 수 있다.9 shows a lithium secondary battery 1 which is an embodiment of the present invention. The lithium secondary battery 1 includes a negative electrode 2, an electrode 3, a separator 4 disposed between the negative electrode 2 and the positive electrode 3, the negative electrode 2, the positive electrode 3, and the separator 4. ) And the sealing member 6 which encloses the battery container 5 and the battery container 5 as a main part is comprised. The shape of the lithium secondary battery illustrated in FIG. 6 may be in various shapes such as cylindrical, square, square, coin, or sheet.

상기 양극(3)은 양극 활물질, 도전재 및 바인더로 이루어진 양극 합제를 구비하여 된 것이다. 양극 활물질로는 리튬을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션 할 수 있는 화합물로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiFeO4, LiNiVO4, LiNi1 /2Mn1 /2O2 등이 있으며 제한되지 않는다.The anode (3) is provided with a cathode mixture composed of a cathode active material, a conductive material and a binder. The positive electrode active material is a compound capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium. LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiFeO 4 , LiNiVO 4 , the LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , etc. are not limited.

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

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

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

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

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

(a) Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 복합음극활물질의 제조(a) Preparation of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA Composite Cathode Active Material

주석아세트산염(4.7360 g, 0.02 mole), 코발트아세트산염(4.9816 g, 0.02 mole), 철아세트산염(3.4786 g, 0.02 mole) 및 흑연(1.2011 g, 0.1 mole, 리튬이차전지용 흑연재료)을 (1 : 1 : 1 : 5) 몰비로 정량하여 소량의 증류수에 용해시킨 후, 시트릭 산(citric acid)을 총 금속이온에 대해 1몰 비율(11.5272 g, 0.06 mole)을 혼합하여 총 용액의 양이 20 ml 정도가 되도록 한 다음 80℃ 에서 서서히 30분 동안 교반하여 졸을 만들고, 100℃ 에서 농축하여 환원제/금속이온 복합 겔을 제조하고, 상기 겔을 아르곤 분위기 튜브형 소성로에서 300℃ 로 5시간 소결한 후, 다시 550℃ 에서 3시간 동안 열처리 하여 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 음극활물질을 제조하였다.(도 1 참조).
여기서, Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 를 의미를 살펴보면, '(1115)'의 의미는 Sn, Co, Fe, C의 몰비가 1:1:1:5임을 의미하며, '55O' 의 의미는 열처리 온도를 550℃에서 수행함을 의미하며, 'CA'의 의미는 환원제로 'Citric Acid'가 사용됨을 의미한다. 후술할 실시예에서도 위와 같은 의미로 사용될 것이며, 'AA'는 환원제로 'Ascobic Acid'가 사용됨을 의미한다.
Tin acetate (4.7360 g, 0.02 mole), cobalt acetate (4.9816 g, 0.02 mole), iron acetate (3.4786 g, 0.02 mole) and graphite (1.2011 g, 0.1 mole, graphite material for lithium secondary battery) : 1: 1: 5) Determine the molar ratio and dissolve in a small amount of distilled water, and then mix the citric acid with 1 mole ratio (11.5272 g, 0.06 mole) to the total metal ions. 20 ml and then stirred slowly at 80 ° C. for 30 minutes to form a sol, concentrated at 100 ° C. to prepare a reducing agent / metal ion complex gel, and the gel was sintered at 300 ° C. for 5 hours in an argon atmosphere tubular kiln. Thereafter, heat treatment was performed again at 550 ° C. for 3 hours to prepare a tin composite Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA anode active material (see FIG. 1).
Here, referring to the meaning of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA, the meaning of '(1115)' means that the molar ratio of Sn, Co, Fe, C is 1: 1: 1: 5, '55O' means that the heat treatment temperature is carried out at 550 ℃, 'CA' means that 'Citric Acid' is used as the reducing agent. In the embodiments to be described later it will be used in the same sense as above, 'AA' means that 'Ascobic Acid' is used as the reducing agent.

(b) Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 재료를 이용한 리튬이차전지의 제조(b) Fabrication of lithium secondary battery using Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA material

음극활물질로서 상기 실시예 1a에서 제조한 주석 복합체인 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 음극활물질 1.4 g과 결합제로 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 0.3 g과 도전재로 카본 블랙(super p. black) 0.3 g을 메틸피롤리돈(NMP, 10 ml) 분산매와 함께 혼합하여 전지용 음극슬러리를 제조하였다. 각각의 조성은 활물질 : 도전재 : 결합제 = 70 : 15 : 15 중량비율로 하였다.1.4 g of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA anode active material, a tin composite prepared in Example 1a as a negative electrode active material, 0.3 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and carbon black as a conductive material (super p. black) 0.3 g was mixed with a methylpyrrolidone (NMP, 10 ml) dispersion medium to prepare a battery negative electrode slurry. Each composition was made into the active material: conductive material: binder = 70: 15: 15 weight ratio.

제조한 음극합제슬러리를 10 um 두께의 Cu 호일(foil)에 도포하고 100℃ 로 4시간 이상 건조시켜 음극활물질 전극을 제조하였다.The prepared negative electrode mixture slurry was applied to a 10 μm thick Cu foil and dried at 100 ° C. for 4 hours or more to prepare a negative electrode active material electrode.

합성한 재료의 충방전 특성을 알아보기 위해 리튬 호일(foil)을 상대 전극으로 적용한 동전형 전지(coin cell)를 제작하였다. 분리막은 다공질의 폴리프로필렌 필름(Celgard 3501)을 사용하였고 전해액은 (주)테크노세미켐의 1.2M LiPF6 + EC/EMC(1/1 vol.%) + VC 2%를 사용하였다.In order to examine the charge and discharge characteristics of the synthesized material, a coin cell using a lithium foil as a counter electrode was fabricated. The separator was made of porous polypropylene film (Celgard 3501) and the electrolyte was 1.2M LiPF 6 from Techno Semichem. + EC / EMC (1/1 vol.%) + VC 2%.

<실시예 2><Example 2>

(a) Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA 복합음극활물질의 제조(a) Preparation of Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA Composite Cathode Active Material

주석아세트산염, 코발트아세트산염, 철아세트산염 및 흑연의 몰비가 (1 : 1 : 1 : 5)인 것에서 (1 : 1 : 1 : 0)으로 바꾸어서 흑연을 사용하지 않은 것 이외에는 실시예 1a와 동일하게 Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA를 제조하였다.Same as Example 1a except that the molar ratio of tin acetate, cobalt acetate, iron acetate and graphite was changed from (1: 1: 1: 1: 5) to (1: 1: 1: 1) and no graphite was used. Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA was prepared.

(b) Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA 재료를 이용한 리튬이차전지의 제조(b) Fabrication of lithium secondary battery using Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA material

Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA를 Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA로 바꾸어서 리튬이차전지를 제조한 것 이외에는 실시예 1b와 동일하다.It is the same as Example 1b except having replaced the Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA with Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA, and manufactured the lithium secondary battery.

<실시예 3><Example 3>

(a) Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA 복합음극활물질의 제조(a) Preparation of Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA Composite Cathode Active Material

주석아세트산염, 코발트아세트산염, 철아세트산염 및 흑연의 몰비가 (1 : 1 : 1 : 5)인 것에서 (3 : 0 : 0 : 0)으로 바꾸어서 주석만을 사용한 것 이외에는 실시예 1-(a)와 동일하게 Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA를 제조하였다.Example 1- (a) except that the molar ratio of tin acetate, cobalt acetate, iron acetate and graphite was changed from (1: 1: 1: 1: 5) to (3: 10: 0: 0) and only tin was used. In the same manner as in Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA was prepared.

(b) Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA 재료를 이용한 리튬이차전지의 제조(b) Fabrication of lithium secondary battery using Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA material

Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA를 Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA로 바꾸어서 리튬이차전지를 제조한 것 이외에는 실시예 1b와 동일하다.
It is the same as Example 1b except having manufactured the lithium secondary battery by changing Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA into Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA.

<실시예 4><Example 4>

(a) Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA 복합음극활물질의 제조(a) Preparation of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA Composite Cathode Active Material

주석아세트산염(4.7360 g, 0.02 mole), 코발트아세트산염(4.9816 g, 0.02 mole), 철아세트산염(3.4786 g, 0.02 mole) 및 흑연(1.2011 g, 0.1 mole, 리튬이차전지용 흑연재료)을 (1 : 1 : 1 : 5) 몰비로 정량하여 소량의 증류수에 용해시킨 후, 아스코빅 산(Ascorbic acid)을 총 금속이온에 대해 2몰 비율(21.1344 g, 0.12 mole)을 혼합하여 총 용액의 양이 20 ml 정도가 되도록 한 다음 80℃ 에서 서서히 30분 동안 교반하여 졸을 만들고, 100℃에서 농축하여 환원제/금속이온 복합 겔을 제조하고, 상기 겔을 아르곤 분위기 튜브형 소성로에서 300℃ 로 5시간 소결한 후, 다시 550℃ 에서 3시간 동안 열처리 하여 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA 음극활물질을 제조하였다.(도 1 참조).Tin acetate (4.7360 g, 0.02 mole), cobalt acetate (4.9816 g, 0.02 mole), iron acetate (3.4786 g, 0.02 mole) and graphite (1.2011 g, 0.1 mole, graphite material for lithium secondary battery) : 1: 1: 5) Determine the molar ratio and dissolve it in a small amount of distilled water. Then, ascorbic acid is mixed with 2 mole ratio (21.1344 g, 0.12 mole) to the total metal ions. 20 ml and then stirred at 80 ° C. for 30 minutes to form a sol, concentrated at 100 ° C. to prepare a reducing agent / metal ion complex gel, and the gel was sintered at 300 ° C. for 5 hours in an argon atmosphere tubular kiln. Thereafter, heat treatment was performed again at 550 ° C. for 3 hours to prepare a tin composite Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA anode active material (see FIG. 1).

(b) Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA 재료를 이용한 리튬이차전지의 제조(b) Fabrication of lithium secondary battery using Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA material

음극활물질로서 상기 실시예 4a에서 제조한 주석 복합체인 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA 음극활물질 1.4 g과 결합제로 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 0.3 g과 도전재로 카본 블랙(super p. black) 0.3 g을 메틸피롤리돈(NMP, 10ml) 분산매와 함께 혼합하여 전지용 음극슬러리를 제조하였다. 각각의 조성은 활물질 : 도전재 : 결합제 = 70 : 15 : 15 중량비율로 하였다.1.4 g of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA anode active material, a tin composite prepared in Example 4a, 0.3 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and carbon black as a negative electrode active material (super p. black) 0.3 g was mixed with a methylpyrrolidone (NMP, 10ml) dispersion medium to prepare a battery negative electrode slurry. Each composition was made into the active material: conductive material: binder = 70: 15: 15 weight ratio.

제조한 음극합제슬러리를 10 um 두께의 Cu호일(foil)에 도포하고 100℃로 4시간 이상 건조시켜 음극활물질 전극을 제조하였다.The prepared negative electrode mixture slurry was applied to a 10 μm thick Cu foil and dried at 100 ° C. for at least 4 hours to prepare a negative electrode active material electrode.

합성한 재료의 충방전 거동을 알아보기 위해 리튬 호일(foil)을 상대전극으로 적용한 동전형 전지(coin cell)를 제작하였다. 분리막은 다공질의 폴리프로필렌 필름(Celgard 3501)을 사용하였고 전해액은 (주)테크노세미켐의 1.2M LiPF6 + EC/EMC(1/1 vol.%) + VC 2%를 사용하였다.In order to examine the charge and discharge behavior of the synthesized material, a coin cell was fabricated using lithium foil as a counter electrode. The separator was made of porous polypropylene film (Celgard 3501) and the electrolyte was 1.2M LiPF 6 from Techno Semichem. + EC / EMC (1/1 vol.%) + VC 2%.

<실시예 5><Example 5>

(a) Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA 복합음극활물질의 제조(a) Preparation of Sn-Co-Fe-C (1115) -750-AA Composite Cathode Active Material

주석아세트산염(4.7360 g, 0.02 mole), 코발트아세트산염(4.9816 g, 0.02 mole), 철아세트산염(3.4786 g, 0.02 mole) 및 흑연(1.2011 g, 0.1 mole, 리튬이차전지용 흑연재료)을 (1 : 1 : 1 : 5) 몰비로 정량하여 소량의 증류수에 용해시킨 후, 아스코빅 산(Ascorbic acid)을 총 금속이온에 대해 2몰 비율(21.1344 g, 0.12 mole)을 혼합하여 총 용액의 양이 20 ml 정도가 되도록 한 다음 80℃에서 서서히 30분 동안 교반하여 졸을 만들고, 100℃ 에서 농축하여 환원제/금속이온 복합 겔을 제조하고, 상기 겔을 아르곤 분위기 튜브형 소성로에서 300℃ 로 5시간 소결한 후, 다시 750℃ 에서 3시간 동안 열처리 하여 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA 음극활물질을 제조하였다.(도 1 참조).Tin acetate (4.7360 g, 0.02 mole), cobalt acetate (4.9816 g, 0.02 mole), iron acetate (3.4786 g, 0.02 mole) and graphite (1.2011 g, 0.1 mole, graphite material for lithium secondary battery) : 1: 1: 5) Determine the molar ratio and dissolve it in a small amount of distilled water. Then, ascorbic acid is mixed with 2 mole ratio (21.1344 g, 0.12 mole) to the total metal ions. 20 ml of the mixture was then stirred slowly at 80 ° C. for 30 minutes to form a sol, and concentrated at 100 ° C. to prepare a reducing agent / metal ion complex gel, and the gel was sintered at 300 ° C. for 5 hours in an argon atmosphere tubular kiln. Thereafter, heat treatment was further performed at 750 ° C. for 3 hours to prepare a tin composite Sn-Co-Fe-C (1115) -750-AA anode active material (see FIG. 1).

(b) Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA 재료를 이용한 리튬이차전지의 제조(b) Fabrication of Lithium Secondary Battery Using Sn-Co-Fe-C (1115) -750-AA Material

열처리 온도를 750℃ 로 바꾸어서 리튬이차전지를 제조한 것 이외에는 실시예 4b와 동일하다.It is the same as Example 4b except having manufactured the lithium secondary battery by changing the heat processing temperature to 750 degreeC.

<실시예 6><Example 6>

(a) Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA 복합음극활물질의 제조(a) Preparation of Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA Composite Cathode Active Material

주석아세트산염(4.7360 g, 0.02 mole), 코발트아세트산염(4.9816 g, 0.02 mole), 철아세트산염(3.4786 g, 0.02 mole) 및 흑연(1.2011 g, 0.1 mole, 리튬이차전지용 흑연재료)을 (1 : 1 : 1 : 5) 몰비로 정량하여 소량의 증류수에 용해시킨 후, 아스코빅 산(ascorbic acid)을 총 금속이온에 대해 2몰 비율(21.1344 g, 0.12 mole)을 혼합하여 총 용액의 양이 20 ml 정도가 되도록 한 다음 80℃에서 서서히 30분 동안 교반하여 졸을 만들고, 100℃에서 농축하여 환원제/금속이온 복합 겔을 제조하고, 상기 겔을 아르곤 분위기 튜브형 소성로에서 300℃ 로 5시간 소결한 후, 다시 950℃ 에서 3시간 동안 열처리 하여 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA 음극활물질을 제조하였다.(도 1 참조).Tin acetate (4.7360 g, 0.02 mole), cobalt acetate (4.9816 g, 0.02 mole), iron acetate (3.4786 g, 0.02 mole) and graphite (1.2011 g, 0.1 mole, graphite material for lithium secondary battery) : 1: 1: 5) Determine the molar ratio and dissolve in a small amount of distilled water, and then mix ascorbic acid with 2 mole ratio (21.1344 g, 0.12 mole) to the total metal ions. 20 ml and then stirred slowly at 80 ° C. for 30 minutes to form a sol, concentrated at 100 ° C. to prepare a reducing agent / metal ion complex gel, and the gel was sintered at 300 ° C. for 5 hours in an argon atmosphere tubular kiln. Thereafter, heat treatment was performed again at 950 ° C. for 3 hours to prepare a tin composite Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA anode active material (see FIG. 1).

(b) Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA 재료를 이용한 리튬이차전지의 제조(b) Fabrication of Lithium Secondary Battery Using Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA Material

열처리 온도를 950℃ 로 바꾸어서 리튬이차전지를 제조한 것 이외에는 실시예 4b와 동일하다.
It is the same as Example 4b except having manufactured the lithium secondary battery by changing the heat processing temperature to 950 degreeC.

<실험예><Experimental Example>

합성한 주석 복합체인 Sn-Co-Fe-C 음극활물질의 결정구조와 표면형상을 XRD와 FE-SEM을 통해 확인하였다. XRD 분석은 X`pert PRO MPD Philips를 이용하여 수행하였고, FE-SEM 분석은 Hitachi S-4800을 이용하여 수행하였다.The crystal structure and surface morphology of the synthesized Sn-Co-Fe-C anode active material were confirmed by XRD and FE-SEM. XRD analysis was performed using X`pert PRO MPD Philips, and FE-SEM analysis was performed using Hitachi S-4800.

제작한 동전형 전지(coin cell)를 토요(Toyo)사의 Toscat-3000 series를 이용하여 충방전 시험을 진행하였다.The prepared coin cell was subjected to a charge-discharge test using a Toscat-3000 series manufactured by Toyo Co., Ltd.

실제 리튬이차전지에서 음극활물질은 최초의 충전에서 전위가 감소하는 방향이며, 이에 따라서 본 발명에서는 전위가 감소하여 음극으로서 전기가 충전되는 과정을 충전으로 나타내었다.In the actual lithium secondary battery, the negative electrode active material is in a direction in which the potential decreases in the initial charging, and accordingly, in the present invention, charging is described as a process of charging electricity as a negative electrode due to a decrease in potential.

제조한 리튬이차전지의 싸이클에 따른 비용량과 충전율 및 방전율 특성을 나타내기 위하여 아래의 충방전 방법을 사용하였다.The following charge / discharge method was used to demonstrate the capacity, charge rate, and discharge rate characteristics of the lithium secondary battery according to the cycle.

1~2회 과정의 충전은 0.1 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.01 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 0.1 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.One to two times of charging was performed at a constant current up to 0.005 V at a current of 0.1 C rate, and at a constant voltage from 0.005 V to 0.01 C at a current. Discharged.

3~30회 과정의 충전은 0.2 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.02 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 0.2 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The charging process of 3 ~ 30 times was charged with constant current up to 0.005 V at a current of 0.2 C rate, and was charged with constant voltage from a current of 0.005 V to 0.02 C rate, and the discharge was carried out by constant current method up to 1.5 V at a current of 0.2 C rate. Discharged.

31~35회 과정의 충전은 0.5 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.05 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 0.5 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The 31 ~ 35 cycles of charging were performed at a constant current up to 0.005 V at a current of 0.5 C, and at a constant voltage from 0.005 V to 0.05 C at a constant current. Discharged.

36~40회 과정의 충전은 1 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.1 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 1 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.36-40 cycles of charging were performed at a constant current up to 0.005 V at a current of 1 C rate, and at a constant voltage from 0.005 V to 0.1 C at a current. Discharged.

41~45회 과정의 충전은 2 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.2 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 2 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The 41 ~ 45 cycles of charging were performed at a constant current up to 0.005 V at a current of 2 C, and at a constant voltage up to 0.2 C at a current of 0.005 V. Discharged.

46~50회 과정의 충전은 3 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.3 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 3 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The charge of 46 ~ 50 times was charged with constant current up to 0.005 V at 3 C current, and was charged with constant voltage from 0.005 V to 0.3 C current, and the discharge was carried out with constant current up to 1.5 V at 3 C current. Discharged.

51~55회 과정의 충전은 5 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.5 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 5 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The 51 ~ 55 cycles of charging were performed at a constant current up to 0.005 V at a current of 5 C, and at a constant voltage from 0.005 V to 0.5 C at a constant current. Discharged.

56~60회 과정의 충전은 10 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 1 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 10 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The 56 ~ 60 cycles of charging were performed at constant current up to 0.005 V at a current of 10 C, and at a constant voltage from 0.005 V to 1 C at a constant current. Discharged.

61~65회 과정의 충전은 0.2 C율의 전류로 0.005 V까지 정전류로 충전하고, 0.005 V에서 0.02 C율의 전류까지 정전압으로 충전 하였으며, 방전은 0.2 C율의 전류로 1.5 V까지 정전류 방법으로 방전하였다.The 61 ~ 65 cycles were charged with a constant current up to 0.005 V at a current of 0.2 C rate, and were charged with a constant voltage from a current of 0.005 V to 0.02 C at a constant voltage. Discharged.

충방전 특성의 평가 결과는 다음과 같다.The evaluation results of charge / discharge characteristics are as follows.

앞서 기술한 바와 같이 주석(Sn)의 높은 이론용량에도 불구하고 상용화되지 못하는 이유는 충방전의 진행에 따라 리튬 이온이 삽입하고 탈리할 때 부피팽창이 수반되고 싸이클 특성이 저하되기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 졸-겔법을 이용하여 충방전 용량이 높고 싸이클 특성이 우수한 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C 음극활물질을 제조하였다.As described above, despite the high theoretical capacity of tin (Sn), it is not commercialized because the lithium ion is inserted and desorbed with the progress of charging and discharging accompanied by the volume expansion and the cycle characteristics are deteriorated. In order to solve this problem, Sn-Co-Fe-C anode active material having a high charge / discharge capacity and excellent cycle characteristics was prepared by sol-gel method.

도 2는 아스코빅 산을 이용하여 열처리 온도를 550℃, 750℃, 950℃으로 하여 제조한 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA, Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA, Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA복합체 음극활물질의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
JCPDS 분석을 통해 550℃에서 열처리한 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA는 CoSn, Fe, 흑연(C)이 공존한다는 것을 확인하였으며, 750℃에서 열처리한 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA는 Fe3SnC 의 존재가 확인되었고, 950℃로 열처리한 Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA의 경우 Fe3SnC 의 존재가 확인되었으나, Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA 보다 결정성이 더 높았다. 하기의 표 1에 열처리 온도별 Sn-Co-Fe-C(1115)-AA 재료의 결정상을 나타내었다.
FIG. 2 shows Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA and Sn-Co-Fe-C (1115)-prepared using ascorbic acid at a heat treatment temperature of 550 ° C, 750 ° C, and 950 ° C. XRD patterns of 750-AA and Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA composite anode active materials are shown.
JCPDS analysis confirmed that the tin composite Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA, which was heat treated at 550 ° C, coexisted with CoSn, Fe, and graphite (C), and the tin composite Sn- heat treated at 750 ° C. Co-Fe-C (1115) -750-AA confirmed the presence of Fe 3 SnC, and in the case of Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA heat-treated at 950 ° C, the presence of Fe 3 SnC was confirmed. However, the crystallinity was higher than that of Sn-Co-Fe-C (1115) -750-AA. Table 1 below shows the crystal phases of Sn-Co-Fe-C (1115) -AA materials according to heat treatment temperatures.

실시예Example 음극활물질Anode active material 음극활물질 중의 결정상Crystal phase in anode active material 실시예 4Example 4 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AASn-Co-Fe-C (1115) -550-AA Fe, C, CoSn등Fe, C, CoSn, etc. 실시예 5Example 5 Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AASn-Co-Fe-C (1115) -750-AA Fe3SnC, C 등Fe3SnC, C, etc. 실시예 6Example 6 Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AASn-Co-Fe-C (1115) -950-AA Fe3SnC, C 등Fe3SnC, C, etc.

도 3은 열처리 온도에 따른 Sn-Co-Fe-C 복합체의 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다. 합성한 주석 복합체 Sn-Co-Fe-C의 입자크기는 20~30 um 정도이며, 크게는 70~80 um정도의 크기도 소량 포함되어 있다.Figure 3 shows the FE-SEM picture of the Sn-Co-Fe-C composite according to the heat treatment temperature. The particle size of the synthesized tin composite Sn-Co-Fe-C is about 20 to 30 um, and a small amount of about 70 to 80 um is included.

도 4는 각 재료의 입도를 분석한 결과이다. 하기의 표 2에 Sn-Co-Fe-C(1115)-AA 재료의 열처리 온도별 입도를 나타내었다.
4 is a result of analyzing the particle size of each material. Table 2 below shows particle sizes of Sn-Co-Fe-C (1115) -AA materials according to heat treatment temperature.

(단위 : um)(Unit: um) 조성     Furtherance D(10)D (10) d(50)d (50) d(90)d (90) 실시예4Example 4 SnCoFeC(1115)-550-AASnCoFeC (1115) -550-AA 5.95.9 21.121.1 61.961.9 실시예5Example 5 SnCoFeC(1115)-750-AASnCoFeC (1115) -750-AA 7.37.3 22.722.7 58.258.2 실시예6Example 6 SnCoFeC(1115)-950-AASnCoFeC (1115) -950-AA 7.77.7 27.227.2 90.790.7

전반적인 입도의 범위는 D(50)이 약 25 um 정도이며, D(10) 및 D(90)은 각각 7 um 및 80 um 정도이다. The overall particle size ranges from about 25 μm for D (50) and about 7 μm and 80 μm for D (10) and D (90), respectively.

도 5 ~ 도 8은 상기의 발명에 따라 제조한 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 도이다.5 to 8 are views showing charge and discharge characteristics of the lithium secondary battery manufactured according to the above invention.

본 발명에서 제시한 실시예의 결과는 최적화 되지 않았으므로, 본 발명의 영역 범위에서 기술향상에 의한 성능 향상은 본 발명의 범주에 속하는 것으로 볼 수 있다.Since the results of the embodiments presented in the present invention are not optimized, improvements in performance due to technical improvements within the scope of the present invention can be seen as falling within the scope of the present invention.

도 5는 시트릭 산(citric acid)/금속이온 복합 졸의 몰비가 1 : 1이고 550℃에서 열처리한 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 음극활물질을 사용한 전지(실시예 1)의 전압과 전류를 나타낸 것이다.
Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 음극활물질의 초기충전 비용량은 1503 mAh/g 이었으며, 초기방전 비용량은 642 mAh/g으로 나타났다.
FIG. 5 shows a battery using a Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA anode active material having a molar ratio of citric acid / metal ion composite sol of 1: 1 and heat-treated at 550 ° C. (Example 1 ) Shows the voltage and current.
The initial charge specific capacity of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA anode active material was 1503 mAh / g, and the initial discharge specific capacity was 642 mAh / g.

도 6은 금속이온복합체의 조성을 달리하여 시트릭 산을 사용하고 550℃에서 열처리하여 제조한 Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA(실시예 3), Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1), Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA(실시예 2)의 3종류 음극활물질을 이용하여 제조한 리튬이차전지의 음극활물질 충방전 특성으로서 충전 및 방전과정의 비용량을 싸이클 수에 대하여 나타낸 것이다. FIG. 6 shows Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA (Example 3) and Sn-Co-Fe-C prepared by using a citric acid and heat-treated at 550 ° C. by varying the composition of the metal ion complex. (1115) -550-CA (Example 1) and Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA (Example 2) Charge and Discharge of Anode Active Materials of Lithium Secondary Batteries Prepared Using Three Cathode Active Materials As a characteristic, the specific amount of the charging and discharging process is shown with respect to the number of cycles.

제 1차 방전 비용량이 Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA(실시예 3) 및 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1)는 640 mAh/g 이었고 Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA(실시예 2)는 430 mAh/g을 나타내었다. Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1)와 Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA(실시예 2)는 동일한 금속 조성비율에서 흑연 유무의 차이가 있는데 흑연이 있는 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA의 경우 보다 높은 비용량을 발현하였으며 비용량의 차이는 있으나, 사이클 특성이 유사하고 충전 및 방전율 특성은 거의 같은 경향을 나타내었다. 3 C율의 방전용량은 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1)과 Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA(실시예 2)의 경우 각각 268 mAh/g과 189 mAh/g이며, 0.2 C율의 율특성 시험 후 방전용량은 각각 403 mAh/g과 295 mAh/g으로서, 0.2 C율에 대한 3 C율의 방전용량 비율은 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1) 및 Sn-Co-Fe-C(1110)-550-CA(실시예 2)의 경우 각각 67 %와 64 %로 유사하였다.The primary discharge specific capacity is 640 mAh / g for Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA (Example 3) and Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA (Example 2) showed 430 mAh / g. Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) and Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA (Example 2) have no difference in graphite presence at the same metal composition ratio. In the case of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA with graphite, the specific specific amount was higher than that of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA, but the cycle characteristics were similar and the charge and discharge rate characteristics were almost the same. . Discharge capacities of 3C rate were 268 for Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) and Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA (Example 2), respectively. mAh / g and 189 mAh / g, and the discharge capacity after the rate characteristic test of 0.2 C rate was 403 mAh / g and 295 mAh / g, respectively, and the ratio of discharge capacity of 3 C rate to 0.2 C rate was Sn-Co- For Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) and Sn-Co-Fe-C (1110) -550-CA (Example 2), they were similar at 67% and 64%, respectively.

Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA(실시예 3)와 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1)는 순수 주석과 금속-흑연 복합체의 차이인데 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1)는 Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA(실시예 3)에 비해 싸이클 특성이 보다 우수하고, Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA(실시예 1)의 65회까지 충방전에서의 비용량은 400 mAh/g을 나타내었고, Sn-Co-Fe-C(3000)-550-CA(실시예 3)는 300 mAh/g 정도의 비용량을 나타내었다.Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA (Example 3) and Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) are the differences between pure tin and metal-graphite composites. Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) has better cycle characteristics than Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA (Example 3), and The specific capacity of the Co-Fe-C (1115) -550-CA (Example 1) up to 65 cycles was 400 mAh / g, and the Sn-Co-Fe-C (3000) -550-CA (Example 3) showed specific capacity of about 300 mAh / g.

도 7은 졸-겔법에서 유기산을 시트릭 산과 아스코빅 산으로 적용하여 제조한 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA와 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA의 싸이클 수에 따른 충전 및 방전 비용량을 나타낸 것이다.7 shows Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA and Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA prepared by applying an organic acid to citric acid and ascorbic acid in the sol-gel method. It shows the charge and discharge specific capacity according to the number of cycles.

시트릭 산을 사용한 경우에 비해 아스코빅 산을 사용한 경우 상대적으로 낮은 비용량을 나타내었고, 싸이클 특성과 충전 및 방전율 특성은 동일한 결과를 나타내었다. 65회 충방전의 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 및 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA의 방전 비용량은 400 mAh/g 및 300 mAh/g을 나타내었다.The use of ascorbic acid showed a relatively low specific capacity compared to the case of using citric acid, and cycle characteristics and charge and discharge rate characteristics showed the same results. The discharge specific capacities of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA and Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA at 65 charge / discharge cycles are 400 mAh / g and 300 mAh / g. It was.

도 8은 동일한 금속이온 복합체를 아스코빅 산 조건에서 열처리 온도를 550℃, 750℃, 950℃로 바꾸어 제조한 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA, Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA, Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA 음극활물질의 충방전 특성으로서 방전 비용량과 Ah 효율을 싸이클 수에 대하여 나타낸 것이다.FIG. 8 shows Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA and Sn-Co-Fe-C prepared by changing the same metal ion composite by heat treatment at 550 ° C., 750 ° C., and 950 ° C. under ascorbic acid conditions. (1115) -750-AA, Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA The discharge specific amount and the Ah efficiency are shown as the number of cycles as charge / discharge characteristics of the negative electrode active material.

Sn-Co-Fe-C(1115)-550-AA의 초기 비용량은 500 mAh/g이고 65회의 비용량은 290 mAh/g을 나타내며, 10 C율의 방전용량은 130 mAh/g으로서 방전율 특성시험 후의 0.2 C 방전용량의 44 % 수준이었다.The initial specific capacity of Sn-Co-Fe-C (1115) -550-AA is 500 mAh / g, 65 times of specific capacity is 290 mAh / g, and the discharge capacity at 10 C rate is 130 mAh / g. It was 44% of the 0.2 C discharge capacity after the test.

Sn-Co-Fe-C(1115)-750-AA는 초기 비용량이 290 mAh/g이며 10 C율에서는 130 mAh/g으로서 65회 0.2 C 방전용량 220 mAh/g의 59 % 수준이었다.Sn-Co-Fe-C (1115) -750-AA had an initial specific capacity of 290 mAh / g and 130 mAh / g at 10 C, which was 59% of the 65-time 0.2 C discharge capacity of 220 mAh / g.

Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA는 초기 비용량이 360 mAh/g이며 10 C율에서는 180 mAh/g으로서 65회 0.2C 방전용량 290 mAh/g의 62 % 수준이었다.Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA had an initial specific capacity of 360 mAh / g and 180 mAh / g at 10 C, which was 62% of the 65-time 0.2C discharge capacity of 290 mAh / g.

상기의 결과로부터 비용량, 사이클 특성, 충전 및 방전율 특성을 종합하여 Sn-Co-Fe-C(1115)-950-AA가 가장 좋은 결과를 나타내었다.From the above results, Sn-Co-Fe-C (1115) -950-AA showed the best result by combining specific capacity, cycle characteristics, charge and discharge rate characteristics.

실시예 1에서 실시예 6까지 나타낸 6종의 주석계 금속이온복합체 중에서 흑연과 금속복합조성을 사용한 실시예 1의 Sn-Co-Fe-C(1115)-550-CA 음극활물질이 제 1차 방전과정에서 640 mAh/g의 비용량을 나타내었고, 60~65회 0.2 C율의 충방전에서 400 mAh/g의 비용량을 나타내었으며, 55~60회 10 C율에서는 200 mAh/g을 나타내었다.The first discharging process of the Sn-Co-Fe-C (1115) -550-CA anode active material of Example 1 using graphite and a metal composite composition among six tin-based metal ion composites shown in Examples 1 to 6 The specific capacity was 640 mAh / g at, and the specific capacity was 400 mAh / g at the charge and discharge of 0.2 C at 60 to 65 times, and 200 mAh / g at 10 C at 55 to 60 times.

** 도면의 주요부호에 대한 설명**
1: 리튬이차전지 2: 음극
3: 양극 4: 세퍼레이터
5: 전지용기 6: 봉입부재
** Description of the major symbols in the drawings **
1: lithium secondary battery 2: negative electrode
3: anode 4: separator
5: Battery container 6: Sealing member

Claims (15)

(1) 주석금속염, 코발트금속염, 철금속염 및 흑연을 증류수에 용해시켜 제조한 금속염 수용액과 환원제를 혼합하는 공정;
(2) 상기 혼합물을 70~90℃에서 교반하여 환원제/금속이온 복합 졸(metal ion sol)을 형성하는 공정;
(3) 상기 졸을 100~120℃ 에서 가열하여 환원제/금속이온 복합 겔(metal ion gel)을 형성하는 공정; 및
(4) 상기 환원제/금속이온 복합체를 소성 열처리하는 공정;을 포함하는 Sn-Co-Fe-C 복합체 음극활물질의 제조방법.
(1) mixing a metal salt aqueous solution prepared by dissolving tin metal salt, cobalt metal salt, ferrous metal salt and graphite in distilled water and a reducing agent;
(2) stirring the mixture at 70-90 ° C. to form a reducing agent / metal ion sol;
(3) heating the sol at 100-120 ° C. to form a reducing agent / metal ion gel; And
(4) a method of producing a Sn-Co-Fe-C composite anode active material comprising a; heat-treating the reducing agent / metal ion composite.
제1항에 있어서, 상기 (1) 공정에서, 상기 주석금속염은 주석아세트산염(Sn(CH3COO)2), 주석질산염(Sn(NO3)2), 주석탄산염(SnCO3), 주석황산염(SnSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.The tin metal salt according to claim 1, wherein the tin metal salt is tin acetate (Sn (CH 3 COO) 2 ), tin nitrate (Sn (NO 3 ) 2 ), tin carbonate (SnCO 3 ), tin sulfate (SnSO 4 ) The production method, characterized in that at least one member selected from the group consisting of. 제 1항에 있어서, 상기 (1) 공정에서, 상기 코발트금속염은 코발트아세트산염(Co(CH3COO)2), 코발트질산염(Co(NO3)2), 코발트탄산염(CoCO3), 코발트황산염(CoSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.The cobalt metal salt of claim 1, wherein the cobalt metal salt is cobalt acetate (Co (CH 3 COO) 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt carbonate (CoCO 3 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ) The production method, characterized in that at least one member selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 (1) 공정에서, 상기 철금속염은 철아세트산염(Fe(CH3COO)2), 철질산염(Fe(NO3)2), 철탄산염(FeCO3), 철황산염(FeSO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.According to claim 1, wherein in the step (1), the ferrous metal salt is iron acetate (Fe (CH 3 COO) 2 ), iron nitrate (Fe (NO 3 ) 2 ), iron carbonate (FeCO 3 ), iron sulfate (FeSO 4 ) The production method, characterized in that at least one member selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 흑연은 천연흑연, 인조흑연, 소프트카본, 하드카본, 카본블랙, CNT(carbon nano tube), 및 fullerene 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the graphite is at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, soft carbon, hard carbon, carbon black, carbon nanotube (CNT), and fullerene. 제 1항에 있어서, 상기 (1) 공정에서, 상기 주석금속염, 상기 코발트금속염, 상기 철금속염 및 흑연의 몰비는 1 : 1 : 1 : 5 인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein in the step (1), the molar ratio of the tin metal salt, the cobalt metal salt, the ferrous metal salt, and graphite is 1: 1: 1: 1. 제 1항에 있어서, 상기 공정의 환원제는 시트릭 산(Citric acid) 또는 아스코빅 산(Ascorbic acid) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the reducing agent of the process is selected from citric acid or ascorbic acid. 제 1항에 있어서, 상기 (1) 공정에서 환원제의 사용량은 총 금속이온의 몰수에 대하여 1~2배가 사용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the amount of reducing agent used in the step (1) is 1 to 2 times the number of moles of the total metal ions. 제 1항에 있어서, 상기 (4) 공정에서 겔 전구체는 아르곤 기체 분위기 하에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the gel precursor in the step (4) is heat-treated under an argon gas atmosphere. 제 1항에 있어서,
상기 (4) 공정에서 상기 환원제/금속이온 복합 겔은 250~350℃ 에서 3-5시간 동안 소결한 후, 다시 550~950℃ 에서 3시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (4), the reducing agent / metal ion composite gel is sintered at 250 to 350 ° C. for 3-5 hours, and then heat-treated again at 550 to 950 ° C. for 3 hours.
리튬 이차 전지에 사용되는 음극활물질에 있어서,
Sn-Co-Fe-C 복합체를 포함하되, 상기 Sn-Co-Fe-C 복합체는 졸-겔의 화학적 방법으로 균일하게 혼합된 후, 250~350℃에서 3-5시간 동안 소결하고 다시 550~950℃ 에서 3시간 열처리한 것을 특징으로 하는 음극활물질.
In the negative electrode active material used in the lithium secondary battery,
Sn-Co-Fe-C composite, including the Sn-Co-Fe-C composite is uniformly mixed by the sol-gel chemical method, and then sintered at 250 ~ 350 ℃ for 3-5 hours and again 550 ~ Cathode active material, characterized in that the heat treatment for 3 hours at 950 ℃.
삭제delete 음극활물질을 포함하는 음극과 양극 활물질을 포함하는 양극 및 이온전도체를 구비한 리튬이차전지에 있어서,
Sn-Co-Fe-C 복합체를 음극활물질로 포함하되, 상기 Sn-Co-Fe-C 복합체는 졸-겔의 화학적 방법으로 균일하게 혼합된 후, 250~350℃ 에서 3-5시간 동안 소결하고 다시 550~950℃ 에서 3시간 열처리한 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
In a lithium secondary battery provided with a negative electrode including a negative electrode active material and a positive electrode and a positive electrode containing a positive electrode active material,
Sn-Co-Fe-C composites as a negative electrode active material, the Sn-Co-Fe-C composites are uniformly mixed by a sol-gel chemical method, and then sintered at 250 ~ 350 ℃ for 3-5 hours Lithium secondary battery characterized in that the heat treatment again at 550 ~ 950 ℃ for 3 hours.
제13항에 있어서, 상기 음극은 도전재로서 카본 블랙을 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium secondary battery according to claim 13, wherein the negative electrode uses carbon black as a conductive material. 제13항에 있어서, 상기 음극은 결합제인 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
The lithium secondary battery of claim 13, wherein the negative electrode comprises polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder.
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