KR101422652B1 - 음극 활물질의 제조방법 - Google Patents

음극 활물질의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101422652B1
KR101422652B1 KR1020120005459A KR20120005459A KR101422652B1 KR 101422652 B1 KR101422652 B1 KR 101422652B1 KR 1020120005459 A KR1020120005459 A KR 1020120005459A KR 20120005459 A KR20120005459 A KR 20120005459A KR 101422652 B1 KR101422652 B1 KR 101422652B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
active material
low
crystalline carbon
silicon oxide
Prior art date
Application number
KR1020120005459A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120093764A (ko
Inventor
장성균
장원석
한정민
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Publication of KR20120093764A publication Critical patent/KR20120093764A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101422652B1 publication Critical patent/KR101422652B1/ko

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47J—KITCHEN EQUIPMENT; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; APPARATUS FOR MAKING BEVERAGES
    • A47J37/00—Baking; Roasting; Grilling; Frying
    • A47J37/10—Frying pans, e.g. frying pans with integrated lids or basting devices
    • A47J37/101—Integrated lids
    • A47J37/103—Broiling- or heating-lids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47J—KITCHEN EQUIPMENT; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; APPARATUS FOR MAKING BEVERAGES
    • A47J27/00—Cooking-vessels
    • A47J27/002—Construction of cooking-vessels; Methods or processes of manufacturing specially adapted for cooking-vessels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S220/00—Receptacles
    • Y10S220/912—Cookware, i.e. pots and pans

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은, 결정성 카본계 물질의 코어(core)와, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 복합체 코팅층(composite coating layer)으로 이루어진 음극 활물질의 제조방법으로서, (a) 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료의 전구체에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 혼합한 후 정제하여 코팅용 혼합물을 준비하는 단계; (b) 상기 코팅용 혼합물을 결정성 카본계 물질과 혼합하여, 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어에 코팅용 원료 혼합물이 도포된 코어-쉘 전구체를 제조하는 단계; (c) 상기 코어-쉘 전구체를 소성하여 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료를 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 탄화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.

Description

음극 활물질의 제조방법 {Process for Preparation of Anode Active Material}
본 발명은 음극 활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료의 전구체에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 혼합한 후 정제하여 코팅용 혼합물을 준비하는 단계, 상기 코팅용 혼합물을 결정성 카본계 물질과 혼합하여 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어에 코팅용 원료 혼합물이 도포된 코어-쉘 전구체를 제조하는 단계, 상기 코어-쉘 전구체를 소성하여 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료를 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 탄화시키는 단계를 포함하는 과정에서 의해, 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어와, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 복합체 코팅층으로 이루어진 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 전류 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등이 사용되고 있고, 음극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 규소 화합물, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지는 다양한 문제점들을 내포하고 있는 바, 그 중의 일부는 음극의 제조 및 작동 특성과 관련한 문제점들이다.
우선, 음극의 제조와 관련하여, 음극 활물질로 많이 사용되는 탄소재료는 큰 소수성을 나타내므로, 전극 제조를 위한 슬러리의 준비 과정에서 친수성 용매와의 혼화성이 낮아 고형 성분들의 균일한 분산성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 음극 활물질의 이러한 소수성은 전지의 제조과정에서 극성이 큰 전해액의 함침을 어렵게 만들므로, 전해액의 함침 과정은 전지 제조공정의 일종의 병목 구간으로 작용하여 생산성을 크게 떨어뜨린다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 음극 또는 전해액 등에 계면활성제 등을 첨가제로서 포함시키는 방법이 제안되기도 하였으나, 상기 계면활성제는 전지의 작동 특성에 부작용을 유발하는 경우가 발생하므로 바람직하지 못하다.
한편, 음극의 작동 특성과 관련하여, 탄소계 음극 활물질은 초기 충방전 과정(활성화 과정)에서 음극 활물질의 표면에 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 층(layer)이 형성되는 바, 그로 인해 초기 비가역이 유발됨은 물론, 계속적인 충방전 과정에서 SEI 층의 붕괴 및 재생 과정에서 전해액이 고갈되어 전지 용량이 감소하는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 SEI 층을 더욱 강한 결합으로 형성하거나, 산화물 층 등을 음극 활물질의 표면에 형성하는 다양한 시도가 있어 왔으나, 상기 산화물 층에 의한 전기전도도의 저하, 추가 공정에 의한 생산성 저하 등 상용화에 적용할 정도의 특성을 발휘하지는 못하고 있다.
더욱이, 큰 비극성의 음극 활물질에 물성이 다른 산화물 층을 형성하는 것은 용이하지 않으므로, 균일한 산화물 층의 형성을 위해서는 공정 비용의 상승이 불가피하다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
<선행문헌 목적>
일본공개특허공보 특개 2008-186732호
공개특허공보 제10-2010-0062083호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 음극 제조 과정의 다양한 문제점들과 전지의 작동 특성에 대한 많은 문제점들을 일거에 해결할 수 있는 독특한 구조의 음극 활물질, 즉, 결정성 카본계 코어에 특정한 복합체 코팅층을 형성한 구조의 음극 활물질을 개발하기에 이르렀고, 이러한 음극 활물질을 간소한 공정에 의해 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 새롭게 개발하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 음극 활물질의 제조방법은,
결정성 카본계 물질의 코어(core)와, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 복합체 코팅층(composite coating layer)으로 이루어진 음극 활물질의 제조방법으로서,
(a) 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료의 전구체에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 혼합한 후 정제하여 코팅용 혼합물을 준비하는 단계;
(b) 상기 코팅용 혼합물을 결정성 카본계 물질과 혼합하여, 결정성 카본계 물질의 코어에 코팅용 원료 혼합물이 도포된 코어-쉘 전구체를 제조하는 단계;
(c) 상기 코어-쉘 전구체를 소성하여 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료를 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 탄화시키는 단계;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
코어 성분인 결정성 카본계 물질과 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질은 큰 소수성을 나타낸다. 또한, 소성에 의해 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 변환되는 원료(저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료) 역시 일반적으로 소수성을 나타낸다. 따라서, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료와 이온의 흡장 및 방출이 가능한 상대적으로 친수성을 나타내는 산화규소를 결정성 카본계 물질과 그대로 혼합하면, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 원료와 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 균일한 혼합이 어려우므로, 이들의 균일 혼합물이 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어에 도포되어 있는 구조의 바람직한 코어-쉘 전구체를 제조하기 어렵다. 이로 인해, 소성 후에 얻어진 음극 활물질의 복합체 코팅층에서, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이 주성분인 도메인과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소가 주성분인 도메인이 나타나, 본 발명에서 소망하는 효과를 모두 발휘하기 어렵다.
반면에, 본 발명에 따르면, 우선, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료를 포함하는 용액에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 혼합한 후 정제하여 코팅용 혼합물을 준비하고, 이를 결정성 카본계 물질과 혼합하므로, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료와 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 균일한 코팅용 혼합물이 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어에 도포된 코어-쉘 전구체를 얻을 수 있다.
이렇게 얻어진 코어-쉘 전구체를 소성하면, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질, 및 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소 중에서 선택된 하나의 성분으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 나머지 성분으로 이루어진 필러(filler)가 포함되어 있는 구조의 복합체 코팅층이 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어를 감싸는 독특한 구조의 음극 활물질이 얻어질 수 있다.
일반적으로 카본계 물질은, 천연 흑연과 같이 층상 결정구조가 완전히 이루어진 그라파이트(graphite), 저결정성 층상 결정 구조(graphene structure; 탄소의 6각형 벌집 모양 평면이 층상으로 배열된 구조)를 갖는 소프트 카본(soft carbon), 및 이런 구조들이 비결정성 부분들과 혼합되어 있는 하드 카본(hard carbon)으로 분류된다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명의 코어 성분인 결정성 카본계 물질은 그라파이트, 또는 그라파이트와 저결정성 카본의 혼합물일 수 있고, 복합체 코팅층 성분들 중의 하나는 저결정성 카본, 비정질 카본, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료에 대한 전구체의 바람직한 예로는 피치 용액(pitch solution)을 들 수 있다. 일반적으로 피치는 석유계 피치와 석탄계 피치로 분류되므로, 상기 전구체는 석탄계 물질 또는 석유계 물질 또는 석유·석탄계 혼합 물질로부터 유래될 수 있다. 예를 들어, 석유계 피치는 원유를 정류하고 남은 고비점의 잔류물에서 불순물 성분을 정제하여 얻어지므로, 상기 피치 용액에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 혼합한 후 정제하여 균일성이 높은 코팅용 혼합물을 제조할 수 있다.
구체적으로, 이러한 피치 용액의 정제과정은 일부 물질을 첨가하여 350℃ ~ 700℃의 온도범위의 불활성 분위기에서 열처리를 통하여 상대적으로 비점이 낮은 탄화수소, 황 등의 불순물을 제거하여, 냉각 후 분쇄하는 과정을 포함하며, 이러한 과정을 통하여 상기 코팅용 혼합물을 얻을 수 있다.
특히, 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 친수성 물질을 피치 용액 단계에서 첨가하는 경우, 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소과 피치를 단순 혼합하는 경우에 비해 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 균일한 분산을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 피치 용액으로는 다양한 성상의 용액이 사용될 수 있는 바, 예를 들어, 점도가 낮은 액상 뿐만 아니라, 점도가 높아 실질적으로 고상인 용액도 사용될 수 있다. 경우에 따라서는, 고형분을 일부 포함하는 용액의 형태가 사용될 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명에서 복합체 코팅층을 형성하는 또 다른 성분인 상기 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질에 대해 상대적으로 높은 친수성과 극성을 나타내어, 합제 생성 또는 전해액 함침 면에서 향상된 특성을 제공한다.
상기 산화규소의 바람직한 예로는, SiOx의 화학식을 가지는 물질을 들 수 있다. SiO2의 경우, 예를 들어 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온의 흡장 및 방출을 거의 하지 않는다. 따라서, 상기 화학식에서 x는 0.1 < x < 1.5의 범위일 수 있으며, 산화규소의 구조를 유지하면서 이온의 흡장 및 방출이 원활하기 위해서는 x가 0.5 < x < 1.3의 범위인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 복합체 코팅층의 구조는 매트릭스와 필러가 어떠한 성분으로 이루어져 있는지에 따라 분류될 수 있다.
첫 번째 예시적인 구조에서, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 매트릭스에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 필러가 포함되어 있는 구조일 수 있다.
두 번째 예시적인 구조에서, 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 매트릭스에 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 필러가 포함되어 있는 구조일 수 있다.
상기 복합체 코팅층에서 매트릭스는 그것의 성분들이 서로 연속적인 상(phase)를 형성하고 있고, 필러는 그것의 성분들이 서로 독립적인 상을 형성하고 있으므로, 매트릭스 성분의 함량이 필러 성분의 함량보다 반드시 많은 것은 아니다.
복합체 코팅층에서 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 함량과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 함량은 본 발명에서 의도한 효과(상기에서 설명함)를 발휘할 수 있는 조건이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 하나의 바람직한 예로, 단계(c)의 탄화과정을 거친 복합체 코팅층에서, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 중량 기준으로 1 : 9 내지 9 : 1 의 비율로 혼합되어 있을 수 있다. 따라서, 카본의 제조 원료의 탄화과정에서 탄화수율이 50%일 경우, 단계(b)의 코팅용 혼합물에서 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료와 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 중량 기준으로 2 : 9 내지 18 : 1의 비율로 혼합되어 있을 수 있다.
이러한 복합체 코팅층의 양(코팅량)은 바람직하게는 음극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.5 ~ 20 중량%일 수 있다. 복합체 코팅층의 양이 너무 적거나 두께가 너무 얇으면 복합체 코팅층의 형성에 따른 효과를 기대하기 어려울 수 있고, 반대로 복합체 코팅층의 양이 너무 많거나 두께가 너무 두꺼우면 소망하는 코어 - 복합체 코팅층 구조의 형성이 어려울 수 있고 용량 저하가 초래될 수 있으므로 바람직하지 않다.
이러한 복합체 코팅층의 형성을 위해 본 발명에서는, 단계(c)에서 코어-쉘 전구체를 소성한다. 상기 소성은 바람직하게는 불활성 분위기 또는 산소 결핍 분위기에서 600 ~ 2,000℃로 수행하며, 이러한 소성을 통해, 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 변환되지 않으면서, 비정질 카본의 제조 원료가 탄화되어 비정질 카본으로 변환되게 된다. 하나의 바람직한 예로, 상기 비정질 카본의 제조 원료는 20~80% 정도의 탄화수율을 가질 수 있으며, 이러한 탄화수율은 비정질 카본의 제조 원료의 조성에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.
본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 음극 활물질을 제공한다.
상기 방법으로 제조된 음극 활물질은, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 매트릭스/필러 구조의 복합체 코팅층이 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어에 코팅되어 있는 독특한 구조로 이루어져 있는 바, 종래기술에서 제기된 문제점들을 일거에 해결할 수 있다.
첫째, 복합체 코팅층에 매트릭스 또는 필러 성분으로 포함되어 있는 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 산화물의 분자 구조적 특성으로 인해 음극 제조용 슬러리에서 친수성 용매와 높은 친화성을 나타냄으로써 슬러리 내의 고형분의 분산성을 향상시킨다. 따라서, 이러한 슬러리를 집전체에 도포하여 음극을 제조할 때, 바인더 등의 성분들과 음극 활물질의 분포 균일성을 향상시키고, 그에 따라 우수한 전극 특성이 얻어질 수 있다.
상기 친수성 물질에 의한 균일도의 향상은 균일하지 못한 전극에서 나타나는 부분적인 집전체와의 결합력 약화 등을 최소화할 수 있으며, 근본적으로는 친수성 물질이 집전체 표면과의 친화도를 높여, 집전체와의 결합력도 향상시켜 줌으로써, 활물질 층과 집전체의 분리로 인한 내부 저항의 증가 문제도 해결한다.
마찬가지로, 복합체 코팅층에 포함된 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 음극 활물질의 적어도 일부에 친수성을 부여함으로써, 전극 제조과정에서 극성이 큰 전해액의 함침 시간을 크게 단축시키고, 그에 따라 전지의 생산성을 현저히 향상시킨다.
둘째, 복합체 코팅층에 매트릭스 또는 필러 성분으로 포함되어 있는 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 이온이 흡장 및 방출이 불가능한 물질이 포함됨으로써 유발될 수 있는 전기전도도의 저하 문제를 최소화할 수 있다.
또한, 코어인 결정성 카본계 물질은 리튬에 근접한 전위를 가지므로, 리튬 이차전지의 경우 리튬의 수지상(dendrite) 성장이 일어나는 경향이 있지만, 높은 산화환원 준위에서 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화물을 포함하는 친수성 물질이 결정성 카본계 물질의 표면에 코팅되어 있으므로, 이를 억제할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 음극 활물질을 포함하는 것으로 구성된 음극 합제를 제공한다.
본 발명에 따른 음극 합제에는 합체 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%의 범위에서 바인더가 포함되어 있고, 선택적으로 0 내지 20 중량%의 범위에서 도전재가 포함될 수 있다.
상기 바인더의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.
경우에 따라서는, 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
본 발명은 또한 상기 음극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 이차전지용 음극을 제공한다.
상기 음극은 음극 활물질과 바인더 등을 포함하는 음극 재료를 NMP 등의 용매에 첨가하여 슬러리를 제조하고, 이를 집전체 상에 도포하고 건조 및 압축하여 제작될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
본 발명은 또한 상기 음극을 포함하는 이차전지를 제공하며, 상기 전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 도포, 건조 및 도포하여 제작되며, 바인더, 도전재 등과 같이 앞서 음극의 구성과 관련하여 설명한 기타 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1 + xM1 - yM'yPO4 -zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더와 도전재 및 필요에 따라 첨가되는 성분들은 음극에서의 설명과 동일하다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다.
경우에 따라서는, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머 중 대표적인 것으로 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등이 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은 유기용매 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다.
상기 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2) 2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 사용하는 중대형 전지팩을 제공한다.
중대형 전지팩의 경우, 소형 전지팩에 비해 고용량을 위한 목적에서 전지셀(단위전지)의 크기가 훨씬 크므로, 전해액의 함침 공정 등에 더욱 많이 소요된다. 따라서, 본 발명에서와 같이 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 음극은 이러한 함침 공정의 시간을 크게 단축시킬 수 있으므로, 매우 바람직하다.
이러한 전지팩의 바람직한 예로는 자동차용 또는 전력저장용 리튬이온 이차전지 팩을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이차전지를 단위전지로 사용하는 중대형 전지팩의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법은, 높은 균일성으로 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 복합체 코팅층이 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어 외면에 형성되어 있는 독특한 구조의 음극 활물질을 효과적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 실시예 등을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
저결정성 카본의 원료로서 탄화수율이 50%인 피치(Pitch)의 제조과정 중 피치의 전구체에 상대적으로 친수성이 높고 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가능한 물질로 평균 입경이 약 100 ㎚인 산화규소(SiO)를 투입한 후 정제 과정을 거쳐 피치/산화규소 복합물을 제조하였다. 이 때 피치와 산화규소의 비율은 피치 : 산화규소 = 8 : 1 중량비로 하였다. 이렇게 제조된 피치/산화규소 복합물(A)과 코어 재료로 평균 입경이 약 20 ㎛인 흑연(B)을 A : B = 9 : 91 중량비로 균일하게 혼합하였다. 이 혼합물을 질소 분위기의 전기 반응로에서 1200℃에서 2 시간 동안 열처리 하였다. 열처리하는 동안 피치가 연화(softening) 및 탄화되면서 산화규소와 복합체 형태로 흑연 표면을 피복함으로써 카본/산화규소 복합체가 피복된 코어-쉘 구조의 흑연계 음극 활물질이 제조되었다.
상기 음극 활물질을 활물질 : SBR : CMC = 97.0 : 1.5 : 1.5의 중량비가 되도록 하여 슬러리를 제조한 후, Cu-foil에 도포하여 전극을 준비하였다. 얻어진 전극을 공극율이 23%가 되도록 압연한 후 타발하여 coin형 half cell을 제조하였다. 상기 cell에서 대극(counter electrode)은 Li metal을 사용하였고, 전해액은 carbonate solvent에 LiPF6가 1M 녹아있는 전해액을 사용하였다.
<실시예 2>
상기 피치와 산화규소의 비율을 8 : 2 중량비로 한 것과, 피치/산화규소 복합물과 흑연의 비율을 10 : 90 중량비로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조한 후 coin형 half cell을 제조하였다.
<비교예 1>
피치의 제조과정 중 상기 산화규소를 투입하지 않고, 상기 흑연, 피치, 산화규소를 91 : 8 : 1 중량비로 동시에 혼합하였다. 이 혼합물을 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 분위기의 전기 반응로에서 열처리하여 음극 활물질을 제조한 후 coin형 half cell을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 산화규소(SiO) 대신 평균 입경이 약 100 ㎚인 이산화규소(SiO2)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조한 후 coin형 half cell을 제조하였다.
<비교예 3>
피치의 제조과정 중 상기 산화규소(SiO)를 투입하지 않아 코팅재로 피치만 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조한 후 coin형 half cell을 제조하였다.
<실험예 1>
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 전극을 사용하여 전해액 함침 특성을 평가하였다. 상기 전극을 공극율이 23%가 되도록 압연한 후, 상기 전극 표면에 carbonate solvent에 LiPF6가 1M 녹아있는 전해액을 1 마이크로리터(㎕) 떨어뜨리고 완전히 스며들 때까지의 시간을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112012004501399-pat00001
상기 표 1에서는 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2와 같이 카본/친수성 물질 복합체로 피복된 음극 활물질을 사용한 전극의 경우, 전해액 함침시간이 비교예 3과 같이 표면이 카본으로만 피복된 음극 활물질을 사용한 전극에 비해 월등히 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 음극 활물질 표면에 친수성 물질을 피복함으로써 극성이 큰 전해액이 입자 사이로 빠르게 침투할 수 있었기 때문이다.
<실험예 2>
실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 coin형 half cell을 사용하여 충방전 특성을 평가하였다. 구체적으로, 충전 시 0.1C의 전류밀도로 5 mV까지 CC 모드 충전 후, CV 모드로 5 mV로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.01C가 되면 충전을 완료하였다. 방전 시 0.1C의 전류밀도로 1.5V까지 CC 모드로 방전을 완료하여 첫 번째 사이클 충방전 용량과 효율을 얻어다. 이후, 전류 밀도만 0.5C로 변경하고 나머지는 위와 같은 조건으로 충방전을 50회 반복하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112012004501399-pat00002
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2와 같이 친수성 물질로 산화규소(SiO)가 포함된 복합체로 피복된 음극 활물질의 경우, 50회 충방전 후 용량 유지율이, 비교예 2와 같이 친수성 물질로 이산화규소(SiO2)를 사용한 경우에 비해 뛰어난 것을 확인할 수 있고, 효율 또는 이산화규소를 사용한 경우보다 높다. 이는 이산화규소를 사용하는 경우 리튬과 비가역 반응을 하는 산소 함량이 높아 효율이 떨어지고, 이때 생성된 리튬 산화물이 음극 활물질 표면의 저항을 높였기 때문이다.
또한, 실시예 1 및 2의 경우, 50회 충방전 후 용량 유지율이 비교예 3과 같이 표면이 카본으로만 피복된 음극 활물질에 비해 월등히 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 이는 SEI와 같은 기능을 가지는 친수성 물질이 카본을 경유하여 코어 재료와 강한 결합을 형성함으로써 반복적인 충방전 과정에서 SEI 층의 붕괴를 억제할 수 있기 때문이다, 또한, 충방전 전압이 높은 재료가 피복됨으로써 리튬 석출이 방지되고 이온전도도가 향상되기 때문이다.
그러나 비교예 1과 같이 친수성 물질을 피치 제조과정 중 투입하지 않고 흑연 및 피치와 단순 혼합하여 사용한 경우에는, 친수성 물질이 흑연 표면에 균일하게 분포하지 않고 뭉쳐서 전체적으로 전극이 불균일하게 되고, 이로 인해 50회 충방전 후 용량 유지율이 실시예에 비하여 낮은 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 결정성 카본계 물질의 코어(core)와, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 복합체 코팅층(composite coating layer)으로 이루어진 음극 활물질의 제조방법으로서,
    (a) 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료의 액상의 전구체 용액에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 혼합한 후 정제하여 코팅용 혼합물을 준비하는 단계;
    (b) 상기 코팅용 혼합물을 결정성 카본계 물질과 혼합하여, 결정성 카본계 물질을 포함하는 코어에 코팅용 원료 혼합물이 도포된 코어-쉘 전구체를 제조하는 단계;
    (c) 상기 코어-쉘 전구체를 소성하여 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료를 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 탄화시키는 단계;
    를 포함하고, 상기 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 제조 원료의 전구체는 피치 용액이고,
    상기 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소는 SiOx(상기 식에서, x는 0.5 < x < 1.3이다)의 화학식을 가지며,
    상기 단계(c)의 탄화과정을 거친 복합체 코팅층에서, 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질과 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소를 포함하는 친수성 물질은 중량 기준으로 1 : 9 내지 9 : 1의 비율로 혼합되어 있고,
    상기 복합체 코팅층의 양은 음극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.5 ~ 20 중량%인 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 코팅은 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질, 및 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소 중에서 선택된 하나의 성분으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 나머지 성분으로 이루어진 필러가 포함되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 결정성 카본계 물질은 그라파이트 및 저결정성 카본 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전구체는 석탄계 물질 또는 석유계 물질 또는 석유·석탄계 혼합 물질로부터 유래되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 소성은 불활성 분위기 또는 산소 결핍 분위기에서 600 ~ 2,000℃로 수행되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 코팅층은 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 매트릭스에 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 필러가 포함되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 코팅층은 이온의 흡장 및 방출이 가능한 산화규소의 매트릭스에 저결정성 카본 및 비정질 카본으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질의 필러가 포함되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항 내지 제 3 항, 및 제 5 항, 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 음극 활물질.
  14. 제 13 항에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
  15. 제 14 항에 따른 이차전지용 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제 16 항에 따른 이차전지를 단위전지로 사용하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
KR1020120005459A 2011-02-15 2012-01-18 음극 활물질의 제조방법 KR101422652B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20110013068 2011-02-15
KR1020110013068 2011-02-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120093764A KR20120093764A (ko) 2012-08-23
KR101422652B1 true KR101422652B1 (ko) 2014-07-24

Family

ID=46673005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120005459A KR101422652B1 (ko) 2011-02-15 2012-01-18 음극 활물질의 제조방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8968933B2 (ko)
EP (1) EP2650950B1 (ko)
KR (1) KR101422652B1 (ko)
CN (1) CN103329313B (ko)
WO (1) WO2012111918A2 (ko)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012096472A2 (ko) * 2011-01-11 2012-07-19 주식회사 엘지화학 음극 활물질의 제조방법
KR101422650B1 (ko) * 2011-01-11 2014-07-24 주식회사 엘지화학 음극 활물질의 제조방법
CN103339764B (zh) * 2011-02-15 2015-12-09 株式会社Lg化学 制备负极活性材料的方法
WO2014054792A1 (ja) * 2012-10-05 2014-04-10 ソニー株式会社 活物質、活物質の製造方法、電極および二次電池
KR101560454B1 (ko) * 2012-10-16 2015-10-15 주식회사 엘지화학 규소 산화물―탄소 복합체 및 이의 제조방법
WO2014084610A1 (ko) * 2012-11-30 2014-06-05 주식회사 엘지화학 음극 활물질용 복합체 및 이의 제조방법
US9806335B2 (en) 2012-11-30 2017-10-31 Lg Chem, Ltd. Composite including conductive material and binder on surface of (semi) metal oxide and method of preparing anode slurry including the same
US9590238B2 (en) 2012-11-30 2017-03-07 Lg Chem, Ltd. Composite for anode active material and method of preparing the same
WO2014204141A1 (ko) * 2013-06-19 2014-12-24 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 음극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차전지 및 상기 음극활물질의 제조방법
JP6268049B2 (ja) * 2014-06-23 2018-01-24 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極材及び非水電解質二次電池並びに負極活物質粒子の製造方法
JP2017130274A (ja) * 2016-01-18 2017-07-27 東ソー株式会社 リチウム二次電池用負極材およびその製造方法、リチウム二次電池
JP2017134937A (ja) * 2016-01-26 2017-08-03 東ソー株式会社 リチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法
CN114788049A (zh) 2019-11-06 2022-07-22 纳诺格拉夫公司 包含乱层碳涂层的热歧化阳极活性材料
CN117730433A (zh) * 2022-04-11 2024-03-19 宁德新能源科技有限公司 硅碳复合材料、用于制备硅碳复合材料的方法、负极极片及电化学装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1140158A (ja) * 1997-05-19 1999-02-12 Toyo Tanso Kk リチウムイオン二次電池負極用炭素材料及びその負極用炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池
KR100589309B1 (ko) * 2001-03-02 2006-06-14 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조 방법
JP2008186732A (ja) * 2007-01-30 2008-08-14 Nippon Carbon Co Ltd リチウム二次電池用負極活物質、それを使用した負極及び製造方法
KR20100062083A (ko) * 2008-12-01 2010-06-10 삼성에스디아이 주식회사 음극활물질, 이를 구비하는 음극 및 리튬이차전지

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100315232B1 (ko) * 1999-02-24 2001-11-26 김순택 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그 제조 방법
KR100529069B1 (ko) * 1999-12-08 2005-11-16 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법
JP2004119176A (ja) * 2002-09-26 2004-04-15 Toshiba Corp 非水電解質二次電池用負極活物質及び非水電解質二次電池
WO2004055925A1 (ja) * 2002-12-17 2004-07-01 Mitsubishi Chemical Corporation 非水系電解液二次電池用負極およびそれを用いた非水系電解液二次電池
KR20040082803A (ko) * 2003-03-20 2004-09-30 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법
US7618678B2 (en) * 2003-12-19 2009-11-17 Conocophillips Company Carbon-coated silicon particle powders as the anode material for lithium ion batteries and the method of making the same
JP4954865B2 (ja) * 2004-04-23 2012-06-20 エルジー・ケム・リミテッド 改善された電気化学特性を有する負極活物質及びこれを含む電気化学素子
KR100738054B1 (ko) * 2004-12-18 2007-07-12 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조 방법 및 이를 채용한 음극과 리튬전지
US8216719B2 (en) * 2006-02-13 2012-07-10 Hitachi Maxell Energy, Ltd. Non-aqueous secondary battery and method for producing the same
CN100413127C (zh) * 2006-04-07 2008-08-20 清华大学 一种核壳结构的碳质锂离子电池负极材料及其制备方法
KR101377331B1 (ko) * 2006-11-10 2014-03-25 도까이 카본 가부시끼가이샤 리튬이온 2차 전지용 음극재와 그 제조 방법
KR101451801B1 (ko) * 2007-02-14 2014-10-17 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조 방법 및 이를 채용한 음극과 리튬전지
KR100899551B1 (ko) * 2007-10-02 2009-05-26 한국전기연구원 고효율 장수명 리튬이차전지용 음극, 전극 제조방법 및리튬이차전지
KR101502897B1 (ko) * 2007-12-28 2015-03-17 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질용 복합물, 이를 포함하는 음극 활물질 및 리튬전지
KR101422650B1 (ko) * 2011-01-11 2014-07-24 주식회사 엘지화학 음극 활물질의 제조방법
WO2012096472A2 (ko) * 2011-01-11 2012-07-19 주식회사 엘지화학 음극 활물질의 제조방법
CN103339764B (zh) * 2011-02-15 2015-12-09 株式会社Lg化学 制备负极活性材料的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1140158A (ja) * 1997-05-19 1999-02-12 Toyo Tanso Kk リチウムイオン二次電池負極用炭素材料及びその負極用炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池
KR100589309B1 (ko) * 2001-03-02 2006-06-14 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조 방법
JP2008186732A (ja) * 2007-01-30 2008-08-14 Nippon Carbon Co Ltd リチウム二次電池用負極活物質、それを使用した負極及び製造方法
KR20100062083A (ko) * 2008-12-01 2010-06-10 삼성에스디아이 주식회사 음극활물질, 이를 구비하는 음극 및 리튬이차전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120093764A (ko) 2012-08-23
EP2650950A2 (en) 2013-10-16
WO2012111918A3 (ko) 2012-12-20
US20130244106A1 (en) 2013-09-19
CN103329313B (zh) 2015-12-02
WO2012111918A2 (ko) 2012-08-23
CN103329313A (zh) 2013-09-25
US8968933B2 (en) 2015-03-03
EP2650950B1 (en) 2017-03-15
EP2650950A4 (en) 2015-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101422652B1 (ko) 음극 활물질의 제조방법
KR101334594B1 (ko) 음극 활물질 및 이를 이용한 이차전지
KR101422650B1 (ko) 음극 활물질의 제조방법
KR101334609B1 (ko) 음극 활물질 및 이를 이용한 이차전지
KR101422648B1 (ko) 음극 활물질의 제조방법
KR101333553B1 (ko) 음극 활물질의 제조방법
KR101334615B1 (ko) 음극 활물질 및 이를 이용한 이차전지
KR101334612B1 (ko) 음극 활물질 및 이를 이용한 이차전지
KR101613089B1 (ko) 양극 합제의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차전지
KR20130037245A (ko) 다공성 도전재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170717

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180619

Year of fee payment: 5