KR101426521B1 - Negative active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery including same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 상기 음극 활물질은 중공 및 상기 중공을 둘러싸며 외각을 형성하는 금속산화물 나노입자를 포함하는 중공형 마이크로 입자를 포함한다.
상기 중공형 마이크로 입자를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 리튬이온의 충방전시 리튬이온의 확산을 용이하게 하고, 내부 공간을 통해 전이금속산화물 입자의 부피 팽창을 제어하여 전극으로부터 활물질의 탈리를 막아 전지의 용량 특성 및 수명특성을 현저히 개선시킬 수 있다.
The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same, wherein the negative electrode active material includes hollow microparticles including hollow and metal oxide nanoparticles surrounding the hollow and forming an external angle.
The negative electrode active material for a lithium secondary battery including the hollow microparticles facilitates diffusion of lithium ions during charge and discharge of lithium ions and controls the volume expansion of the transition metal oxide particles through the internal space to prevent the active material from being separated from the electrode The capacity characteristics and lifetime characteristics of the battery can be remarkably improved.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a negative active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the negative active material and a lithium secondary battery including the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 충방전시 리튬이온의 확산을 용이하게 하고, 내부 공간을 통해 전이금속산화물 입자의 부피 팽창을 제어하여 전극으로부터 활물질의 탈리를 막아 전지의 용량 특성 및 수명특성을 현저히 개선시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery which can facilitate the diffusion of lithium ions during charging and discharging and controls the volume expansion of transition metal oxide particles through the internal space to prevent the active material from being separated from the electrode, To a negative electrode active material for a secondary battery and a lithium secondary battery including the same.

리튬 이차전지의 음극은 탄소계 재료 위주로 개발되어 왔으며, 흑연이 상용화되어 상업적으로 지속적으로 사용되고 있다. 흑연은 낮은 방전 전압과 적당한 용량(372 mAh/g)과 일정 수준 이상의 수명 등의 장점을 지니고 있으나, 전기 자동차 및 전력 저장용으로 사용되기에는 급속 충방전 시의 성능저하의 문제와 장수명의 한계점을 지니고 있다. 최근에는 음극 활물질로서 흑연보다 용량이 큰 주석 또는 실리콘계 복합물과 전이금속 산화물이 관심을 끌고 있다. The negative electrode of a lithium secondary battery has been developed mainly based on a carbon-based material, and graphite is commercialized and is continuously used commercially. Graphite has advantages such as low discharge voltage, moderate capacity (372 mAh / g) and a certain level of lifetime. However, in order to be used for electric vehicles and electric power storage, . In recent years, tin or silicon-based complexes and transition metal oxides having larger capacity than graphite as an anode active material have attracted attention.

현재의 흑연재료는 이론비 용량이 372mAh/g으로서 밀도가 2.62g/ml인 재료이지만, 근래 개발 중인 실리콘의 경우 이론용량 4200mAh/g의 현격히 높은 값을 가지며 밀도도 2.33g/ml이다. 하지만 리튬이온의 삽입과 탈리에 따른 급격한 부피변화(300%, Li2Si5)에 의한 크래킹(cracking)이 발생해 전극에서 탈리 및 SEI층의 파괴로 인한 계속적인 전해액과의 부반응으로 매우 열악한 수명 특성을 나타낸다. 전이금속 산화물을 부극 활물질로 사용하는 경우도 부피변화가 발생하여 짧은 수명 특성이 나타나지만 실리콘과 주석보다 가격이 저렴하고 상대적으로 합성이 쉬운 전이금속 산화물에 대한 연구결과가 나오고 있다. 산화철, 산화구리등의 입자의 표면에 탄소를 코팅하거나 그래핀 시트(graphene sheet)를 이용한 복합 재료에 대한 연구가 진행되었다. 다른 기술로서 입자의 구조를 제어하는 연구 또한 중점적으로 진행되고 있다. The current graphite material has a theoretical specific capacity of 372 mAh / g and a density of 2.62 g / ml. However, recently developed silicon has a remarkably high theoretical capacity of 4200 mAh / g and a density of 2.33 g / ml. However, due to the rapid volume change (300%, Li 2 Si 5 ) due to the insertion and desorption of lithium ions, cracking occurs, and due to the side reaction with the electrolyte due to the desorption of the electrode and the destruction of the SEI layer, Lt; / RTI > The use of transition metal oxides as negative active materials has also resulted in a study of transition metal oxides that are less expensive than silicon and tin and relatively easy to synthesize, although they exhibit short life characteristics due to volumetric changes. Research has been carried out on composite materials coated with carbon on the surfaces of particles such as iron oxide and copper oxide or using graphene sheets. Research on controlling the structure of particles as another technique has also been focused on.

따라서, 본 발명의 일 구현예는 충방전시 리튬이온의 확산을 용이하게 하고, 내부 공간을 통해 전이금속산화물 입자의 부피 팽창을 제어하여 전극으로부터 활물질의 탈리를 막아 전지의 용량 특성 및 수명특성을 현저히 개선시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Therefore, one embodiment of the present invention facilitates the diffusion of lithium ions during charging and discharging and controls the volume expansion of the transition metal oxide particles through the internal space to prevent the active material from being separated from the electrodes, A negative electrode active material for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 구현예는 또한 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a negative electrode and a lithium secondary battery including the negative electrode active material.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 중공 및 상기 중공을 둘러싸며, 외각을 형성하는 금속산화물 나노입자를 포함하는 중공형 마이크로 입자를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a negative active material for a lithium secondary battery comprising a hollow microparticle and a hollow microparticle surrounding the hollow and including metal oxide nanoparticles forming an external angle.

상기 금속 산화물은 Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 산화물일 수 있으며, 바람직하게는 상기 금속 산화물은 Fe2O3, Fe3O4, CuO, SiO2, SnO, SnO2, Ga2O3, ZrO2, MoO3, VO2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The metal oxide may be an oxide including a metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo and V. Preferably, the metal oxide is Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , it may be selected from CuO, SiO 2, SnO, SnO 2, Ga 2 O 3, ZrO 2, MoO 3, VO 2 , and mixtures thereof.

상기 금속 산화물은 0.01 내지 0.1㎛의 입자크기를 가질 수 있다.The metal oxide may have a particle size of 0.01 to 0.1 mu m.

상기 금속 산화물의 외각은 0.2 내지 0.5㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.The outer angle of the metal oxide may have an average thickness of 0.2 to 0.5 mu m.

상기 중공은 0.6 내지 2㎛의 직경을 가질 수 있다.The hollow may have a diameter of 0.6 to 2 탆.

상기 중공형 마이크로 입자는 단위 체적당 30 내지 50중량%의 로딩량(loading amount)으로 금속 산화물을 포함할 수 있다.The hollow microparticles may contain a metal oxide in a loading amount of 30 to 50% by weight per unit volume.

상기 중공형 마이크로 입자는 하이드로겔 고분자 입자 표면에 금속산화물 입자를 정전기적 인력에 의해 흡착시킨 후 열처리하여 하이드로겔 고분자 입자를 제거하여 제조되는 것일 수 있다. The hollow microparticles may be prepared by adsorbing the metal oxide particles on the surface of the hydrogel polymer particles by an electrostatic attraction and then heat-treating them to remove the hydrogel polymer particles.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 하이드로겔 고분자 입자를 팽창가능한 용매 중에 분산시켜 제조한 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액을, 금속산화물 입자를 분산매 중에 분산시켜 제조한 금속산화물 입자 함유 분산액과 혼합하여 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자를 제조하는 단계 및 상기 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자를 열처리하여 중공형 마이크로 입자를 제조하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a hydrogel polymer particle-containing dispersion prepared by dispersing hydrogel polymer particles in an expandable solvent is mixed with a metal oxide particle-containing dispersion prepared by dispersing metal oxide particles in a dispersion medium, Preparing composite particles of a gel polymer particle core / metal oxide shell, and heat-treating the composite particles of the hydrogel polymer particle core / metal oxide shell to prepare hollow microparticles. ≪ / RTI >

상기 하이드로겔 고분자는 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리아민, 2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. The hydrogel polymer may be selected from the group consisting of polymethacrylic acid, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyamine, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid and combinations thereof.

상기 팽창가능한 용매는 물, 알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The inflatable solvent may be selected from the group consisting of water, alcohols, and mixtures thereof.

상기 금속 산화물 입자는 하이드로겔 고분자와 20 내지 45mV의 제타 포텐셜 차를 갖는 것일 수 있다.The metal oxide particles may have a zeta potential difference of 20 to 45 mV with the hydrogel polymer.

상기 금속 산화물 입자 함유 분산액은 디알킬디메틸암모늄염, 이미다졸리움염, 알킬디메틸벤질암모늄염, 알킬메틸암모늄브로마이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 계면활성제를 더 포함할 수 있다.The metal oxide particle-containing dispersion may further comprise a surfactant selected from the group consisting of dialkyldimethylammonium salts, imidazolium salts, alkyldimethylbenzylammonium salts, alkylmethylammonium bromide, and mixtures thereof.

상기 계면활성제는 금속 산화물 입자 100 중량부에 대하여 0.5 내지 1중량부로 포함될 수 있다.The surfactant may be included in an amount of 0.5 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide particles.

상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액은 하이드로겔 고분자 입자와 금속 산화물 입자가 1:10 내지 1:20의 중량비가 되도록 혼합될 수 있다.The hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion may be mixed such that the hydrogel polymer particles and the metal oxide particles are in a weight ratio of 1:10 to 1:20.

상기 제조방법은 상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액의 혼합공정시 pH를 6 내지 11로 조절하는 공정을 더 포함할 수 있다.The manufacturing method may further include a step of adjusting the pH to 6 to 11 during a mixing step of the hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion.

상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액의 혼합공정시 알코올을 더 첨가할 수 있다.An alcohol may be further added during the mixing step of the hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion.

상기 열처리 공정은 400 내지 700℃의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 400 to 700 ° C.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the above negative electrode active material for a lithium secondary battery.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the negative electrode.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.

상기 중공형 마이크로 입자를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 리튬이온의 충방전시 리튬이온의 확산을 용이하게 하고, 내부 공간을 통해 전이금속산화물 입자의 부피 팽창을 제어하여 전극으로부터 활물질의 탈리를 막아 전지의 용량 특성 및 수명특성을 현저히 개선시킬 수 있다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery including the hollow microparticles facilitates diffusion of lithium ions during charge and discharge of lithium ions and controls the volume expansion of the transition metal oxide particles through the internal space to prevent the active material from being separated from the electrode The capacity characteristics and lifetime characteristics of the battery can be remarkably improved.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 중공형 마이크로 입자를 포함하는 음극 활물질의 제조공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 2a는 제조예 1에서 침전중합 공정 직후 수득된 하이드로겔 고분자 입자에 대한 광학현미경(optical microscope, OM) 관찰 사진이고, 도 2b는 침전충합된 하이드로겔 고분자 입자에 대한 건조 공정 후 수득된 하이드로겔 고분자 입자에 대한 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 관찰 사진이며, 도 2c는 제조예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 입자에 대한 퓨리에 변환 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 관찰 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3e는 제조예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 입자의 팽창 거동을 광학현미경으로 관찰한 사진이고, 도 3f는 하이드로겔 고분자 입자의 제조시 pH에 따른 입경 변화를 관찰한 그래프이다.
도 4a는 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 광학현미경 관찰사진이고, 도 4b는 실시예 2에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자의 광학현미경 관찰사진이다.
도 5a는 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 SEM 관찰사진이고, 도 5b는 상기 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자의 표면에 대한 SEM 관찰사진이며, 도 5c는 상기 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자의 단면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리시 열중량분석(Thermal Gravimetry Analysis, TGA) 플롯을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이며,
도 7a 내지 도 7c는 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리 공정 중 200℃, 300℃ 및 400℃에서의 상기 복합입자의 단면을 집속 이온빔 주사 전자 현미경(Focused Ion Beam-scanning electronic microscopy, FIB-SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 8a는 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리 전 복합입자의 단면을 관찰한 투과전자현미경(transmission electronic microscopy, TEM) 사진이고, 도 8b는 열처리 후 복합입자의 단면을 관찰한 TEM 사진이며, 도 8c는 열처리 후 복합입자의 단면을 관찰한 FIB-SEM 사진이다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리 전/후 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 1에서 제조된 음극 활물질의 충방전 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 1에서 제조된 음극 활물질을 포함하는 전극의 가역적인 비용량 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 1에서 제조된 음극 활물질을 포함하는 전지의 다양한 율별에서의 비용량 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram schematically illustrating a process for producing a negative electrode active material including hollow microparticles according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2A is an optical microscope (OM) photograph of the hydrogel polymer particles obtained immediately after the precipitation polymerization process in Production Example 1, and FIG. 2B is a photograph of the hydrogel polymer particles obtained after the drying process for the precipitation- FIG. 2C is a scanning electron microscopy (SEM) observation image of the polymer particles. FIG. 2C is a graph showing the results of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) observation of the hydrogel polymer particles prepared in Production Example 1 Fig.
FIGS. 3A to 3E are photographs showing the expansion behavior of the hydrogel polymer particles prepared in Preparation Example 1 by an optical microscope, and FIG. 3F is a graph showing changes in particle diameter according to pH during the production of the hydrogel polymer particles.
4A is an optical microscope photograph of a composite particle comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1, and Fig. 4B is a photograph of a composite particle comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 2 2 is an optical microscope photograph of the composite particle.
FIG. 5A is a SEM photograph of a composite particle including a hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1, and FIG. 5B is a SEM image of a composite particle including the hydrogel polymer core / FIG. 5C is a SEM photograph of a section of the composite particle including the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell. FIG.
FIG. 6 is a graph showing a result of a thermal gravimetry analysis (TGA) plot of the composite particles including the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 during heat treatment,
7A to 7C are cross-sectional views of the composite particles at 200 DEG C, 300 DEG C, and 400 DEG C during the heat treatment process for the composite particles comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1, (FIB-SEM) using a microscope (Focused Ion Beam-scanning electronic microscopy).
FIG. 8A is a transmission electron microscopy (TEM) photograph showing a cross section of a composite particle including a hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 before heat treatment, and FIG. 8B is a cross- FIG. 8C is a FIB-SEM photograph of the cross-section of the composite particles after heat treatment. FIG.
FIG. 9 is a graph showing the X-ray diffraction (XRD) patterns observed for the composite particles comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 after heat treatment.
10 is a graph showing a result of evaluating charge-discharge characteristics of the negative electrode active material prepared in Example 1. FIG.
11 is a graph showing the results of evaluating the reversible capacitive characteristics of the electrode including the negative electrode active material prepared in Example 1. FIG.
12 is a graph showing the results of evaluating the non-capacity characteristics at various rates of the battery including the negative electrode active material prepared in Example 1. FIG.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 발명은 하이드로겔 고분자 입자 위에 나노사이즈의 전이금속산화물 입자를 전기적인 인력에 의해 흡착시킨 후 열처리를 통해 상기 하이드로겔 고분자를 제거하는 동시에 전이금속 산화물 나노입자끼리의 융착을 유도하여 금속산화물 나노입자가 중공(hollow)의 외각을 형성하는 중공형 마이크로 입자를 제조하고, 이를 리튬 이차 전지의 음극 활물질로 사용함으로써, 리튬이온의 충방전시 리튬이온의 확산을 용이하게 하고, 충방전에 따른 부피팽창을 억제하여 리튬 이차 전지의 용량특성 및 수명특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, nano-sized transition metal oxide particles are adsorbed on the hydrogel polymer particles by an electrical attraction, and then the hydrogel polymer is removed through heat treatment, and fusion of the transition metal oxide nanoparticles is induced to form metal oxide nanoparticles Hollow microparticles that form a hollow outer shell are prepared and used as an anode active material of a lithium secondary battery to facilitate diffusion of lithium ions during charging and discharging of lithium ions, To thereby improve the capacity characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery.

즉, 본 발명의 일 구현에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 중공 및 상기 중공을 둘러싸며 외각을 형성하는 금속산화물 나노입자를 포함하는 중공형 마이크로 입자를 포함한다. That is, an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a hollow microparticle including a hollow and metal oxide nanoparticles surrounding the hollow and forming an external angle.

상기 금속 산화물로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 동시에 제조시 사용되는 하이드로겔 고분자 입자와 40 내지 45의 제타포텐셜 차를 가져 하이드로겔 고분자 입자 표면에 대해 정전기적 흡착이 가능한 것으로서, Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는, Fe2O3, Fe3O4, CuO, SiO2, SnO, SnO2, Ga2O3, ZrO2, MoO3, VO2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.As the metal oxide, lithium ions can be reversibly intercalated / deintercalated, and at the same time, the hydrogel polymer particles used in the production and the zeta potential difference of 40 to 45 are electrostatically adsorbed on the surface of the hydrogel polymer particles An oxide containing a metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo and V can be used. Preferably, a material selected from the group consisting of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , CuO, SiO 2 , SnO 2 , Ga 2 O 3 , ZrO 2 , MoO 3 , VO 2 , have.

상기 금속 산화물은 0.01 내지 0.1㎛의 입자크기를 갖는 것이 바람직하고, 0.2 내지 0.05㎛의 입자크기를 갖는 것이 보다 바람직하다. 금속 산화물이 상기 범위내의 입자크기를 가질 때 밀도가 높은 금속산화물 쉘을 형성할 수 있다.The metal oxide preferably has a particle size of 0.01 to 0.1 mu m, more preferably 0.2 to 0.05 mu m. When the metal oxide has a particle size within the above range, a dense metal oxide shell can be formed.

상기 금속 산화물은 중공형 마이크로 입자 단위 체적당 30 내지 50중량%의 로딩량으로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위 내의 함량으로 포함될 때 구조적인 안정성을 효과적으로 유지할 수 있다.It is preferable that the metal oxide is included in a loading amount of 30 to 50 wt% per unit volume of the hollow microparticles. Structural stability can be effectively maintained when included in the above range of contents.

또한, 상기 금속 산화물의 외각은 0.2 내지 0.5㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내일 때 리튬 이동의 이동도가 좋아져 고율 특성을 얻을 수 있다.In addition, the outer angle of the metal oxide may have an average thickness of 0.2 to 0.5 占 퐉. Within this range, the mobility of lithium movement is improved, and high-rate characteristics can be obtained.

상기 중공형 마이크로 입자내에 포함된 중공은 중공형 마이크로 입자를 음극 활물질로 적용시 충방전에 따른 활물질의 부피 팽창시 완충 역할을 하는 것으로, 0.6 내지 2㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 1.5㎛의 직경을 갖는 것이 좋다. 중공이 상기 범위내의 직경을 가질 때 높은 구조적 안정성을 나타낸다.The hollows contained in the hollow microparticles serve as a buffer when the hollow microparticles are applied to the negative electrode active material in the volume expansion of the active material upon charging and discharging. The hollow microparticles preferably have a diameter of 0.6 to 2 탆, Has a diameter of 1 to 1.5 mu m. And exhibits high structural stability when the hollow has a diameter within the above range.

또한, 상기 중공과 상기 금속산화물 미립자의 입경 비는 20:1 내지 30:1인 것이 바람직하다. The particle diameter ratio of the hollow and the metal oxide fine particles is preferably 20: 1 to 30: 1.

상기 중공형 마이크로 입자를 포함하는 음극 활물질은, 하이드로겔 고분자 입자를 팽창가능한 용매 중에 분산시켜 제조한 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액을, 금속산화물 입자를 분산매 중에 분산시켜 제조한 금속산화물 함유 분산액과 혼합하여 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자를 제조하는 단계 및 상기 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된다.The negative electrode active material containing the hollow microparticles may be prepared by mixing a hydrogel polymer particle dispersion prepared by dispersing hydrogel polymer particles in an expandable solvent with a metal oxide containing dispersion prepared by dispersing metal oxide particles in a dispersion medium Comprising the steps of: preparing composite particles of a hydrogel polymer particle core / metal oxide shell; and heat treating the composite particles of the hydrogel polymer particle core / metal oxide shell.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 중공형 마이크로 입자를 포함하는 음극 활물질의 제조공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 도 1을 참조하여 이하 각 단계별로 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 례일 뿐 본 발명이 도 1에 한정되는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram schematically illustrating a process for producing a negative electrode active material including hollow microparticles according to an embodiment of the present invention. FIG. Will be described in detail below with reference to FIG. FIG. 1 is only one example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to FIG.

먼저 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액을 금속산화물 입자 함유 분산액과 혼합하여 하이드로겔 고분자 입자(11) 코어/금속 산화물 입자(12)쉘의 복합 입자(10)를 제조한다(S1).First, the hydrogel polymer particle-containing dispersion is mixed with a metal oxide particle-containing dispersion to prepare a composite particle 10 of hydrogel polymer particle (11) core / metal oxide particle (12) shell (S1).

상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액은 하이드로겔 고분자 입자(11)를 팽창가능한 용매 중에 분산시켜 제조한다The hydrogel polymer particle-containing dispersion is prepared by dispersing hydrogel polymer particles (11) in an expandable solvent

상기 하이드로겔 고분자로는 pH에 따라 (+) 또는 (-)의 전하를 나타낼 수 있는 고분자라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로는 폴리메타크릴산(poly methacrylic acid), 폴리아크릴산(poly acrylic acid), 폴리아크릴아미드(poly acrylamide), 폴리아민 및 2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, AMPS)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.As the hydrogel polymer, any polymer capable of exhibiting (+) or (-) charge depending on pH can be used without particular limitation. Specific examples thereof include polyacrylic acid, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyamines and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid. 2-methyl-1-propanesulfonic acid, AMPS).

상기 하이드로겔 고분자를 이용한 입자의 제조는 침전 중합법 등 통상의 고분자 입자 제조방법에 따라 제조할 수 있다. 일례로 침전 중합법에 의해 하이드로겔 고분자 입자를 제조하는 경우, 아세토니트릴과 같은 유기용매를 물과 혼합하여 제조한 혼합용매 중에서 하이드로겔 고분자 형성용 모노머를 중합시켜 침전시킴으로써 제조할 수 있다. 하이드로겔 고분자의 종류에 따라 모노머를 선택하여 사용할 수 있으며, 구체적인 예로는 폴리메타크릴산 입자의 제조시 메타크릴산과 에틸렌글리콜디메타크릴레이트를 모노머로서 사용할 수 있다. 상기 중합시 중합개시제를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 중합개시제로는 소수성 개시제를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 벤조일 퍼옥시드, 라우릴 퍼옥시드, o-클로로벤조일 퍼옥시드, o-메톡시벤조일 퍼옥시드, t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, t-부틸 퍼옥시이소부티레이트, 1,1,3-3-테트라메틸부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, 디옥타노일 퍼옥시드, 디데카노일 퍼옥시드, 2,2-아조비스이오부티로니트릴, 2,2-아조비스(2-메틸부티로니트릴) 및 2,2-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이때 제조되는 하이드로겔 고분자 입자(11)의 크기는 상기 유기용매와 물의 혼합비 및 가교제의 함량에 의해 용이하게 제어될 수 있다.The preparation of the particles using the hydrogel polymer can be carried out according to a conventional polymer particle production method such as a precipitation polymerization method. For example, when the hydrogel polymer particles are prepared by the precipitation polymerization method, they can be prepared by polymerizing and polymerizing hydrogel polymer-forming monomers in a mixed solvent prepared by mixing an organic solvent such as acetonitrile with water. As a specific example, methacrylic acid and ethylene glycol dimethacrylate may be used as monomers in the production of polymethacrylic acid particles. As the polymerization initiator, a hydrophobic initiator may be used. Specific examples thereof include benzoyl peroxide, lauryl peroxide, o-chlorobenzoyl peroxide, o-methoxybenzoyl peroxide butylperoxy-2-ethylhexanoate, t-butylperoxyisobutyrate, 1,1,3,3-tetramethylbutylperoxy-2-ethylhexanoate, dioctanoylperoxide, dide Azo bis (2-methylbutyronitrile), and 2,2-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), which is a group consisting of 2,2-azobisisobutyronitrile, Can be used. At this time, the size of the hydrogel polymer particles 11 to be manufactured can be easily controlled by the mixing ratio of the organic solvent and water and the content of the crosslinking agent.

하이드로겔 고분자 입자(11)는 후속의 열처리 공정시 증발되어 중공을 형성하게 된다. 따라서 목적으로 하는 중공 크기에 따라 적절한 입자 크기를 갖는 상기 하이드로겔 고분자 입자(11)를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 (1) 내지 (5)마이크로미터의 입자크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. The hydrogel polymer particles 11 are evaporated during the subsequent heat treatment process to form a hollow. Therefore, it is preferable to use the hydrogel polymer particles 11 having an appropriate particle size according to the intended hollow size. Specifically, it is preferable to use those having particle sizes of (1) to (5) micrometer.

상기 하이드로겔 고분자 입자(11)는 분산매 중에 분산시켜 사용되는데, 이때 사용가능한 분산매로는 하이드로겔 고분자 입자가 팽창가능한 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 팽창 가능한 용매로는 물; 메탄올, 에탄올 등의 알코올; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The hydrogel polymer particles (11) are dispersed in a dispersion medium. The dispersion medium used herein is not particularly limited as long as the hydrogel polymer particles are expandable. Specifically, the swellable solvent includes water; Alcohols such as methanol and ethanol; And a mixture thereof can be used.

하이드로겔 고분자 입자(11)에 대한 금속 산화물 입자(12)의 흡착은 정전기적 인력에 의해 이루어지므로, 상기 하이드로겔 고분자 입자(11)가 적절한 하전을 띄도록 pH가 조절된 완충용액을 용매로서 사용할 수도 있다.Since the adsorption of the metal oxide particles 12 to the hydrogel polymer particles 11 is carried out by the electrostatic attraction force, the pH-adjusted buffer solution is used as a solvent so that the hydrogel polymer particles 11 have a proper charge It is possible.

상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 별도로, 금속산화물 입자를 분산매 중에 분산시켜 금속산화물 입자 함유 분산액을 제조한다.Separately from the hydrogel polymer particle-containing dispersion, metal oxide particles are dispersed in a dispersion medium to prepare a dispersion containing metal oxide particles.

상기 금속 산화물 입자(11)는 앞서 설명한 바와 동일하며, 하이드로겔 고분자 입자의 표면에 대한 흡착이 가능하도록 하이드로겔 고분자 입자의 표면전하에 따라 적절한 금속 산화물 나노입자를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 산화물 나노입자의 표면 포텐셜은 양이온 계면활성제를 사용함으로서 제어될 수 있다. 따라서, 양이온 계면활성제의 사용량을 조절하여 상기 금속 산화물 나노입자의 표면 포텐셜이 하이드로겔 고분자와 제타 포텐셜 차가 20 내지 45가 되도록 하는 것이 바람직하다. The metal oxide particles 11 are the same as those described above, and it is preferable to select and use appropriate metal oxide nanoparticles according to the surface charge of the hydrogel polymer particles so that adsorption to the surface of the hydrogel polymer particles is possible. Also, the surface potential of the metal oxide nanoparticles can be controlled by using a cationic surfactant. Therefore, it is preferable that the surface potential of the metal oxide nanoparticles is controlled so that the difference in zeta potential between the hydrogel polymer and the metal oxide nanoparticles becomes 20 to 45 by controlling the amount of the cationic surfactant.

상기 금속 산화물 입자는 통상의 제조방법에 따라 제조할 수 있는데, 구체적으로는 상기 금속 산화물의 전구체를 폴리에틸렌글리콜과 물의 혼합용매 중에 용해시켜 제조한 용액을 질소 분위기하에서 과산화수소수와 반응시킴으로써 제조될 수 있다.The metal oxide particles can be prepared according to a conventional production method, specifically, by dissolving a precursor of the metal oxide in a mixed solvent of polyethylene glycol and water, and reacting the solution with hydrogen peroxide water under a nitrogen atmosphere .

이때, 상기 금속 산화물의 전구체로는 Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 알콕사이드, 수산화물, 수화물, 산화물, 질화물, 질산염, 탄산염, 황산염, 또는 염화물을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로는 황산제1철 7수염, 황산제2철 7수염, 염화제2철 6수염 등을 사용할 수 있다. The precursor of the metal oxide may be an alkoxide, a hydroxide, a hydrate, an oxide, a nitride, a nitrate, a carbonate, a sulfate, a metal, or the like including a metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Or chloride may be used. One of them may be used alone, or two or more of them may be used in combination. Specifically, ferrous sulfate heptahydrate, ferric sulfate heptahydrate, ferric chloride hexahydrate, and the like can be used.

상기 분산매로는 금속 산화물 입자가 하전을 띄도록 하는 용매라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 구체적으로 물, 알코올, 전해질 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The dispersion medium may be any solvent selected from the group consisting of water, alcohols, electrolytes, and mixtures thereof, so long as the metal oxide particles are charged.

금속 산화물 입자가 분산매 중에서 하전을 띄지 않을 경우, 계면 활성제를 사용하여 하전을 띄도록 할 수도 있다.If the metal oxide particles do not exhibit charge in the dispersion medium, it is possible to make the charge using a surfactant.

이때 사용가능한 계면활성제로는 디알킬디메틸암모늄염, 이미다졸리움염, 알킬디메틸벤질암모늄염, 알킬메틸암모늄브로마이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 세틸트리메틸암모늄브로마이드, n-도데실 피리디늄 클로라이드, 리니어 디아민, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The surfactant usable herein may be selected from the group consisting of dialkyldimethylammonium salts, imidazolium salts, alkyldimethylbenzylammonium salts, alkylmethylammonium bromides, and mixtures thereof. Specific examples thereof include cetyltrimethylammonium bromide, n -Dodecyl pyridinium chloride, linear diamine, and mixtures thereof.

상기에서 알킬은 C1 내지 C25의 알킬을 의미한다.In the above, alkyl means C1 to C25 alkyl.

상기 계면활성제는 금속 산화물 입자가 하전을 띄도록 하는 동시에 분산성을 높이는 역할을 하는 것으로, 상기 금속 산화물 입자 100 중량부에 대하여 100 내지 1000중량부로 사용되는 것이 나노입자의 분산도를 높이는 동시에 포텐셜차를 크게 하여 전기적인 흡착을 용이하게 할 수 있어 바람직하다.The surfactant serves to increase the dispersibility of the metal oxide particles and to increase the dispersibility of the metal oxide particles. When the surfactant is used in an amount of 100 to 1000 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide particles, So that the electrical adsorption can be facilitated.

상기에서 각각 제조된 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액을 혼합한다.The hydrogel polymer particle-containing dispersion prepared above and the metal oxide particle-containing dispersion are mixed.

상기 혼합 공정은 통상의 방법에 따라 실시할 수 있으여, 구체적으로는 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액 중에 금속 산화물 입자 함유 분산액을 적하하여 금속 산화물 입자(11)가 정전기적 인력에 의해 하이드로겔 고분자 입자(12) 표면에 흡착되도록 한다.The mixing process may be carried out according to a conventional method. More specifically, a dispersion containing metal oxide particles is dropped into the hydrogel polymer particle-containing dispersion to form the metal oxide particles 11 in the hydrogel polymer particles 12) surface.

상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액 혼합시 두 분산액의 혼합비는, 하이드로겔 고분자 입자(11)와 금속 산화물 입자(12)가 1:1 내지 1:2의 중량비로 혼합되도록 하는 양으로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 함량비 범위 내로 혼합될 때 가장 구조적인 특성이 강한 금속산화물 쉘을 얻을 수 있다.When mixing the hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion, the mixing ratio of the two dispersions is such that the hydrogel polymer particles 11 and the metal oxide particles 12 are mixed at a weight ratio of 1: 1 to 1: 2 . When mixed in the above-mentioned content ratio range, a metal oxide shell having a strongest structural characteristic can be obtained.

또한, 용액의 pH가 염기성으로 갈수록 겔 고분자 입자의 표면 전하는 더 강한 (-) 전하를 나타내기 때문에 강염기 분위기 하에서는 더 강한 흡착을 나타낼 수 있다. 이에 따라 고분자 하이드로겔 입자(11)에 대한 금속 산화물 입자(12)의 흡착을 증가시키기 위해 혼합 용액에 대해 NaOH와 같은 강염기성 용액을 첨가하여, pH를 6 내지 14, 보다 바람직하게는 11 내지 14로 조절하는 것이 바람직하다.In addition, since the surface charge of the gel polymer particles exhibits a stronger (-) charge as the pH of the solution becomes more basic, stronger adsorption can be exhibited in a strong base atmosphere. Accordingly, in order to increase the adsorption of the metal oxide particles 12 to the polymer hydrogel particles 11, a strongly basic solution such as NaOH is added to the mixed solution to adjust the pH to 6 to 14, more preferably 11 to 14 . ≪ / RTI >

혼합이 완료되면 에탄올 등의 알코올 첨가하여 금속 산화물 입자(12)가 흡착된 하이드로겔 고분자 입자(11)를 수축시켜 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자(10)를 제조한다.When the mixing is completed, alcohol such as ethanol is added to shrink the hydrogel polymer particles 11 on which the metal oxide particles 12 are adsorbed to produce the composite particles 10 of the hydrogel polymer particle core / metal oxide shell.

상기 알코올은 내부의 하이드로겔 입자의 수축을 돕는 작용을 하는 것으로, 복합입자가 분사되어 있는 용매 100 중량부에 대하여 100 내지 200의 중량부로 사용되는 것이 바람직하다.The alcohol serves to help shrinkage of the hydrogel particles therein, and is preferably used in an amount of 100 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent into which the composite particles are sprayed.

다음으로 상기에서 제조된 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자(10)를 열처리하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 중공형 마이크로입자(20)를 제조한다(S2).Next, the composite particles 10 of the hydrogel polymer particle core / metal oxide shell prepared above are heat-treated to produce hollow microparticles 20 containing metal oxide nanoparticles (S2).

상기 열처리 공정은 400 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 온도 범위에서 수행되는 경우 산화철의 결정상이 변하지 않아서 바람직하다. 이때 2 내지 5℃/m의 속도로 가열하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed at a temperature of 400 to 700 ° C. It is preferable that the crystal phase of the iron oxide is not changed when it is carried out in the above temperature range. At this time, it is preferable to heat at a rate of 2 to 5 占 폚 / m.

또한 상기 열처리 공정은 상기 온도 범위에서 3 내지 5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 시간 범위 내에서 수행되는 경우 금속산화물의 상이 변하지 않고 금속산화물 미립자끼리 융착할 수 있어서 바람직하다.It is preferable that the heat treatment process is performed for 3 to 5 hours in the temperature range. When the reaction is carried out within the above-mentioned time range, the metal oxide fine particles can be fused to each other without changing the phase of the metal oxide.

보다 바람직하게는 2 내지 5℃/min의 속도로 승온시켜 400 내지 500℃의 온도에서 4 내지 5시간 동안 열처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.More preferably 2 to 5 占 폚 / min, and the heat treatment process is performed at a temperature of 400 to 500 占 폚 for 4 to 5 hours.

또한 상기 열처리는 질소 등의 불활성 분위기하에서 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed in an inert atmosphere such as nitrogen.

상기 열처리 공정에 의해 중공(21)을 포함하며, 상기 외각을 금속 산화물 나노입자(22)가 둘러싼 중공형 마이크로입자(20)를 포함하는 음극 활물질이 제조된다. The anode active material including the hollow 21 by the heat treatment process and containing the hollow microparticles 20 surrounding the metal oxide nanoparticles 22 is manufactured.

상기 제조방법은 이온성 계면활성제의 농도에 따라 하이드로겔 코어 입자와 금속산화물 미립자간의 전기적인 세기를 용이하게 조절할 수 있으며, 이같은 전기적인 세기의 조절을 통해 흡착되는 미립자의 양, 즉 최종 중공구조의 두께를 조절 할 수 있다. The method of the present invention can easily adjust the electrical strength between the hydrogel core particles and the metal oxide fine particles according to the concentration of the ionic surfactant, and the amount of the fine particles adsorbed through the adjustment of the electrical strength, The thickness can be adjusted.

본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 음극을 갖는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention provides a lithium secondary battery having a negative electrode including the negative active material.

상기 리튬 이차 전지는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극에 함침된 전해질을 포함한다.The lithium secondary battery includes a negative electrode including the negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material, and an electrolyte impregnated into the negative electrode and the positive electrode.

상기 음극은 상기 음극 활물질과, 바인더 및 용매를 혼합하여 음극 형성용 슬러리를 제조한 후, 이를 집전체 상에 직접 도포하고 건조하여 제조하거나, 또는 상기 음극 형성용 슬러리를 별도의 지지체상에 캐스팅한 후, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 집전체 상에 라미네이팅하여 하여 제조할 수 있다.The negative electrode may be prepared by mixing the negative electrode active material, a binder and a solvent to prepare a slurry for forming an anode, directly applying the slurry on the current collector, and drying the slurry, or by casting the slurry for forming a negative electrode on a separate support And then laminating a film obtained by peeling from the support onto a current collector.

상기 음극 활물질은 앞서 설명한 바와 동일하며, 음극 형성용 조성물 총 중량에 대하여 60 내지 80중량%로 포함되는 것이 바람직하다.The negative electrode active material is the same as that described above, and it is preferable that the negative active material is contained in an amount of 60 to 80% by weight based on the total weight of the composition for forming a negative electrode.

상기 음극 형성용 조성물은 음극 활물질로서 상기 중공형 마이크로 입자와 함께 리튬 금속, 리튬과 합금화 가능한 금속물질, 전이 금속 산화물, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 리튬과 가역적으로 반응하여 화합물을 형성할 수 있는 물질, 또는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질 등 통상의 음극 활물질을 포함할 수도 있다. The composition for forming an anode is a negative electrode active material, which is used in combination with the hollow microparticles to form a lithium metal, a metal material that can be alloyed with lithium, a transition metal oxide, a material capable of doping and dedoping lithium, Or a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, and the like.

상기 바인더는 활물질의 페이스트화, 활물질간 상호 접착, 활물질과 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충 효과 등의 역할을 하는 것으로, 구체적으로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinyledene fluoride, PvdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride(VDF) and hexafluoropropylene(HFP)), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유성계 바인더; 또는 카복시메틸셀룰로우스(CMC), 스타이렌부타디엔러버(SBR) 등의 수계 바인더를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 수게 바인더를 사용하는 것이 좋다.The binder functions as a paste for the active material, mutual adhesion between the active materials, adhesion between the active material and the current collector, buffering effect on expansion and contraction of the active material, and the like. Specifically, polyvinylidene fluoride (PvdF) Polytetrafluoroethylene (PTFE), copolymers of vinylidene fluoride (VDF) and hexafluoropropylene (HFP), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate Planetary binders such as polymethylmethacrylate; Or an aqueous binder such as carboxymethylcellulose (CMC) or styrene-butadiene rubber (SBR) may be used, and it is preferable to use a binder.

상기 바인더는 음극 형성용 조성물 총 중량에 대하여 20 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. The binder is preferably contained in an amount of 20% by weight or less based on the total weight of the composition for forming a negative electrode.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 데칸(decane) 등을 사용할 수 있다. 이때, 상기 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용하는 수준으로 사용될 수 있다.As the solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, decane and the like can be used. At this time, the content of the cathode active material, the conductive agent, the binder and the solvent can be used at a level commonly used in a lithium secondary battery.

상기 음극 활물질 조성물은 필요한 경우 도전제를 더 함유할 수 있다. The negative electrode active material composition may further contain a conductive agent, if necessary.

상기 도전제는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하다. 구체적으로는 메조포러스 카본, 카본 나노 튜브, 카본 파이버, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소재료; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머 또는 이들의 혼합물 등의 도전성 재료를 사용할 수 있으며, 이중에서도, 비표면적이 커서 많은 반응 면적을 제공할 수 있는 다공질 구조를 갖는 탄소 재료를 사용하는 것이 바람직하다. The conductive agent is used for imparting conductivity to the electrode. Any conductive material can be used without causing any chemical change in the battery. Specific examples include carbon materials such as mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon fibers, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black and carbon fiber; Metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum and silver; A conductive polymer such as a polyphenylene derivative, or a mixture thereof. Among these, a carbon material having a porous structure capable of providing a large reaction area with a large specific surface area is preferably used.

상기 집전체는 활물질의 전기화학반응에 의해 생성된 전자를 모으거나 전기화학반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 하는 것으로, 구체적으로는 스테인레스강, 알루미늄, 니켈, 철, 구리, 티탄, 탄소, 도전성 수지 외에 구리나 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈 혹은 티탄을 처리시킨 것 등이 사용될 수 있다. 집전체의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 구체적으로 박형성, 판형상, 메쉬(그리드), 폼(스펀지) 형상을 들 수 있으며, 이중에서도 집전 효율이 보다 우수한 스폰지 형상을 사용하는 것이 좋다.The collector collects electrons generated by the electrochemical reaction of the active material or supplies electrons necessary for an electrochemical reaction. Specifically, the collector collects electrons generated by the electrochemical reaction of the active material such as stainless steel, aluminum, nickel, iron, copper, titanium, In addition to the resin, a surface of copper or stainless steel treated with carbon, nickel, or titanium may be used. The shape of the current collector is not particularly limited, and specifically, a thin shape, a plate shape, a mesh (grid) shape and a foam (sponge) shape may be mentioned.

상기 양극은 음극과 마찬가지로 양극 활물질, 바인더, 도전제 및 용매를 혼합하여 양극 형성용 슬러리를 제조한 후, 이를 집전체에 직접 도포하거나 또는 별도의 지지체상에 캐스팅하고, 이 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 알루미늄 집전체에 라미네이팅하여 제조할 수 있다.  The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material, a binder, a conductive agent and a solvent in the same manner as the negative electrode to prepare a slurry for forming the positive electrode and then applying the slurry directly to the current collector or cast on a separate support, And then laminating the film to an aluminum current collector.

상기 양극활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 리튬, 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.As the cathode active material, a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium (a lithiated intercalation compound) can be used. Concretely, at least one of lithium, cobalt, manganese, nickel, or a composite oxide of a metal and lithium in combination thereof can be used.

또한, 도전제, 바인더, 용매 및 집전체는 상기 음극에서 설명한 것과 동일한 예를 들 수 있다.The conductive agent, the binder, the solvent and the current collector may be the same as those described for the cathode.

상기 리튬 이차 전지에 충전되는 전해질로는 비수성 육기 용매에 리튬염이 용해된 비수성 전해질, 또는 공지된 고체 전해질 등이 사용 가능하다.As the electrolyte to be charged into the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous quasicone solvent, or a known solid electrolyte can be used.

상기 비수성 전해질에 있어서, 비수성 유기 용매로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있다. 이들을 1종 또는 2종 이상의 조합으로 사용할 수 있으며, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 사용하는 것이 바람직하다.In the non-aqueous electrolyte, the non-aqueous organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and? -Butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; Amides such as dimethylformamide and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more, and it is preferable to use a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate.

상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt may be LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCl, and LiI may be used. The concentration of the lithium salt is preferably in the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, so that it can exhibit excellent electrolyte performance and the lithium ion can effectively move.

상기 고체 전해질로는 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질 또는 LiI, Li3N등의 무기 고체 전해질이 사용될 수 있다.As the solid electrolyte, a gel polymer electrolyte in which an electrolyte is impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used.

상기와 같은 구성을 갖는 리튬 이차 전지는 음극과 양극 사이에 전자 전도를 차단하고, 리튬 이온을 전도할 수 있는 세퍼레이트를 더 포함할 수 있다.The lithium secondary battery having the above-described structure may further include a separator which intercepts electron conduction between the cathode and the anode and is capable of conducting lithium ions.

상기 세퍼레이터는 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한없이 사용가능하며, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수도 있다.For example, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or a multilayer film of two or more thereof may be used. The separator may be a polyethylene / polypropylene 2 Layered separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, a polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator, etc. may be used.

이러한 구성 요소를 가지는 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 형상은 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형, 각형 등 어느 형상이든지 가능하며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적용 분야에 맞도록 적절히 설계 적용한다.The shape of the lithium secondary battery according to the present invention having such components can be any shape such as a coin type, a button type, a sheet type, a laminate type, a cylindrical type, a flat type, a square type, and the like by a person skilled in the art Designed to fit properly.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는 중공형 마이크로 입자를 포함하는 음극 활물질을 포함함으로써, 리튬이온의 충방전시 리튬이온의 확산이 용이하고, 내부 공간을 통해 금속산화물 입자의 부피 팽창을 제어하여 전극으로부터 활물질의 탈리를 막을 수 있다. 그 결과 종래 그래파이트를 음극 활물질로 사용하는 리튬전지에 비해 전지의 용량 특성 및 수명특성을 현저히 개선시킬 수 있다.Since the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes the negative electrode active material including the hollow microparticles, the lithium ion can be easily diffused during charging and discharging of the lithium ion and the volume expansion of the metal oxide particles through the internal space So that the active material can be prevented from desorbing from the electrode. As a result, compared with the lithium battery using the graphite as the negative electrode active material, the capacity characteristics and life characteristics of the battery can be remarkably improved.

이에 따라 본 발명의 리튬 이차 전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 휴대형 정보 단말기, 캠코더 등의 휴대형 전자기기, 가정용 소형 전력저장 장치, 자동 이륜차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 널리 사용할 수 있다.Accordingly, the lithium secondary battery of the present invention can be widely used in portable electronic devices such as portable information terminals such as mobile phones and notebook computers, camcorders, small-sized power storage devices for household use, motorcycle, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

제조예 1: 폴리메타크릴산 입자의 제조Preparation Example 1: Preparation of polymethacrylic acid particles

침전중합법으로 폴리메타아크릴산 입자를 제조하였다. Polymethacrylic acid particles were prepared by precipitation polymerization.

상세하게는 아세토니트릴 68g에 정제수 12g을 첨가하여 제조한 용매를 메타크릴산 3.76g, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트(EGDMA) 0.24g 및 소수성개시제로서 2,2’-아조-비스-이소부티로니트릴 0.08g을 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 제조된 혼합용액을 250ml 용량의 반응기에 넣고, 80℃에서 40분동안 방치하였다. 결과로 생성된 입자를 에탄올로 수차례 세척한 후 25℃ 진공상태에서 건조하여 폴리메타크릴산 입자를 수득하였다.
Specifically, a solvent prepared by adding 12 g of purified water to 68 g of acetonitrile was added with 3.76 g of methacrylic acid, 0.24 g of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) and 0.22 g of 2,2'-azo-bis-isobutyronitrile To prepare a mixed solution. The resulting mixed solution was placed in a reactor having a capacity of 250 ml and allowed to stand at 80 DEG C for 40 minutes. The resulting particles were washed several times with ethanol and dried at 25 캜 under vacuum to obtain polymethacrylic acid particles.

제조예 2: 산화철 나노입자의 제조Production Example 2: Preparation of Iron Oxide Nanoparticles

폴리에틸렌글리콜 70g과 황산제1철 7수염 3g을 140ml의 정제수에 용해시켜 제조한 혼합용액을, 환류응축기와 질소퍼징 시스템 및 기계적 교반기가 구비된 250ml용량의 반응기에 넣은 후, 40% 과산화수소 0.6ml가 포함된 수용액을 첨가하고 50℃, pH13에서 6시간동안 반응시켰다. 이때 혼합용액의 pH는 3M 수산화나트륨 수용액으로 조절하였다. 결과로 수득된 자성유체(magnetic fluid)를 자석에 의해 가라앉혀 분리한 후 수차례 정제수로 정제하여 산화철 나노입자를 수득하였다.
A mixed solution prepared by dissolving 70 g of polyethylene glycol and 3 g of ferrous sulfate heptahydrate in 140 ml of purified water was placed in a 250 ml capacity reactor equipped with a reflux condenser, a nitrogen purging system and a mechanical stirrer, and then 0.6 ml of 40% hydrogen peroxide The aqueous solution was added and reacted at 50 ° C and pH 13 for 6 hours. At this time, the pH of the mixed solution was adjusted with a 3M aqueous solution of sodium hydroxide. As a result, the obtained magnetic fluid was separated and separated by a magnet, and then purified with purified water several times to obtain iron oxide nanoparticles.

실시예 1: 중공형 산화철 마이크로입자의 제조Example 1: Preparation of hollow iron oxide microparticles

상기 제조예 1에서 제조된 폴리메타크릴산 입자 0.2g을 pH 11 완충용액(pH buffer solution, Samchun Pure Chemical Co., LTD.) 200ml에 넣고 2시간동안 교반하여 폴리메타크릴산 입자 함유 분산액을 제조하였다. 이와 별도로 원형플라스크에 pH 11 완충용액 198ml 및 세틸트리메틸암모늄브로마이드 2g을 넣고 완전히 용해시켜 용액을 제조한 후 상기 실시예 1에서 제조한 산화철 나노입자 0.2g을 넣고 200rpm으로 교반하고 2시간동안 초음파 분산시켜 산화철 나노입자 함유 분산액을 제조하였다.0.2 g of the polymethacrylic acid particles prepared in Preparation Example 1 was added to 200 ml of a pH buffer solution (Samchun Pure Chemical Co., LTD.) And stirred for 2 hours to prepare a dispersion containing polymethacrylic acid particles Respectively. Separately, in a round flask, 198 ml of a pH 11 buffer solution and 2 g of cetyltrimethylammonium bromide were added and completely dissolved to prepare a solution. After 0.2 g of the iron oxide nanoparticles prepared in Example 1 was added, the mixture was stirred at 200 rpm and ultrasonically dispersed for 2 hours A dispersion containing iron oxide nanoparticles was prepared.

상기에서 제조된 폴리메타크릴산 입자 함유 분산액에 상기 산화철 나노입자 함유 분산액을 드로핑 펀넬을 이용하여 천천히 첨가하였다. 첨가가 완료되면, 에탄올 200ml를 넣어 산화철 나노입자가 흡착된 폴리메타크릴산 입자를 수축시켰다. 결과로 수득된 폴리메타크릴산 코어/산화철 쉘의 복합입자를 에탄올로 수차례 정제한 후, 25℃ 진공 상태에서 건조하였다. 건조된 입자를 질소분위기하에 500℃에서 5시간동안 열처리하여 중공형 산화철 마이크로 입자를 제조하였다. 상기 열처리시 상승온도는 분당 5℃로 하였다.
The dispersion containing the iron oxide nanoparticles was slowly added to the polymethacrylic acid particle-containing dispersion prepared above using a dripping funnel. When the addition was completed, 200 ml of ethanol was added to shrink the polymethacrylic acid particles adsorbed on the iron oxide nanoparticles. The resulting composite particles of the polymethacrylic acid core / iron oxide shell were purified several times with ethanol, and then dried under vacuum at 25 캜. The dried particles were heat-treated at 500 ° C for 5 hours in a nitrogen atmosphere to prepare hollow iron oxide microparticles. The rising temperature during the heat treatment was set at 5 캜 / minute.

실시예 2: 중공형 산화철 마이크로입자의 제조Example 2: Preparation of hollow iron oxide microparticles

상기 제조예 1에서 제조된 폴리메타크릴산 입자 0.2g을 pH 11 완충용액 200ml에 넣고 2시간동안 교반하여 폴리메타크릴산 입자 함유 분산액을 제조하였다. 이와 별도로 원형플라스크에 pH 11 완충용액 198ml 및 세틸트리메틸암모늄브로마이드 2g을 넣고 완전히 용해시켜 용액을 제조한 후 상기 실시예 1에서 제조한 산화철 나노입자 0.2g을 넣고 200rpm으로 교반하고 2시간동안 초음파 분산시켜 산화철 나노입자 함유 분산액을 제조하였다.0.2 g of the polymethacrylic acid particles prepared in Preparation Example 1 was added to 200 ml of a pH 11 buffer solution and stirred for 2 hours to prepare a polymethacrylic acid particle-containing dispersion. Separately, in a round flask, 198 ml of a pH 11 buffer solution and 2 g of cetyltrimethylammonium bromide were added and completely dissolved to prepare a solution. After 0.2 g of the iron oxide nanoparticles prepared in Example 1 was added, the mixture was stirred at 200 rpm and ultrasonically dispersed for 2 hours A dispersion containing iron oxide nanoparticles was prepared.

상기에서 제조된 폴리메타크릴산 입자 함유 분산액에 상기 산화철 나노입자 함유 분산액을 드로핑 펀넬을 이용하여 천천히 첨가하였다. 첨가가 완료되면, 에탄올 200ml를 넣어 산화철 나노입자가 흡착된 폴리메타크릴산 입자를 수축시켰다. 결과로 수득된 폴리메타크릴산 코어/산화철 쉘의 복합입자를 에탄올로 수차례 정제한 후, 25℃ 진공 상태에서 건조하였다. 건조된 입자를 질소분위기하에 500℃에서 5시간동안 열처리하여 중공형 산화철 마이크로 입자를 제조하였다. 상기 열처리시 상승온도는 분당 5℃로 하였다.
The dispersion containing the iron oxide nanoparticles was slowly added to the polymethacrylic acid particle-containing dispersion prepared above using a dripping funnel. When the addition was completed, 200 ml of ethanol was added to shrink the polymethacrylic acid particles adsorbed on the iron oxide nanoparticles. The resulting composite particles of the polymethacrylic acid core / iron oxide shell were purified several times with ethanol, and then dried under vacuum at 25 캜. The dried particles were heat-treated at 500 ° C for 5 hours in a nitrogen atmosphere to prepare hollow iron oxide microparticles. The rising temperature during the heat treatment was set at 5 캜 / minute.

시험에 1: 하이드로겔 고분자 입자의 평가Test 1: Evaluation of Hydrogel Polymer Particles

제조예 1에서의 하이드로겔 고분자 입자 제조시, 침전중합 공정 직후 및 건조 공정 후 수득된 하이드로겔 고분자 입자를 광학 현미경(optical microscope, OM)을 사용하여 관찰하였다. 또한 제조예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 입자에 대해 퓨리에 변환 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 하였다, 그 결과를 도 2a 내지 도 2c에 각각 나타내었다.In the preparation of the hydrogel polymer particles in Production Example 1, the hydrogel polymer particles obtained immediately after the precipitation polymerization process and after the drying process were observed using an optical microscope (OM). The hydrogel polymer particles prepared in Preparation Example 1 were subjected to Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results are shown in FIGS. 2A to 2C, respectively.

도 2a 내지 도 2c로부터 알 수 있듯이, 구형의 가교된 하이드로겔 고분자 입자의 형성을 확인하고 FT-IR을 통해 제조된 물질이 MAA와 EGDMA가 공중합된 물질임을 확인할 수 있다.As can be seen from FIGS. 2A to 2C, it was confirmed that spherical cross-linked hydrogel polymer particles were formed, and that the material prepared through FT-IR was a copolymer of MAA and EGDMA.

상기 제조예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 입자의 팽창 거동을 광학현미경(OM)으로 관찰하고, 그 결과를 도 3a 내지 도 3e에 나타내었다.The expansion behavior of the hydrogel polymer particles prepared in Preparation Example 1 was observed with an optical microscope (OM), and the results are shown in Figs. 3A to 3E.

도 3a 내지 도 3e로부터 알 수 있듯이, 용매의 pH의 감소에 따라 하이드로겔 고분자 입자의 직경이 감소됨을 확인할 수 있다.As can be seen from FIGS. 3A to 3E, it can be confirmed that the diameter of the hydrogel polymer particles decreases as the pH of the solvent decreases.

또한, 하이드로겔 고분자 입자의 제조시 적정한 염산수용액, 수산화나트륨 수용액 혹은 pH 완충액(pH3, pH5, pH7, pH9, pH11)를 첨가하여 pH를 다양하게 변화시키며, pH에 따른 하이드로겔 고분자 입자의 입경 변화를 관찰하였다. 그 결과를 도 3f에 나타내었다.The pH of the hydrogel polymer particles is varied by adding an appropriate aqueous hydrochloric acid solution, aqueous sodium hydroxide solution or pH buffer solution (pH 3, pH 5, pH 7, pH 9, pH 11) to vary the pH of the hydrogel polymer particles Respectively. The results are shown in FIG.

도 3f로부터 pH 3에서 5 사이에서 급격한 입자사이즈의 변화를 확인할 수 있었고 pH7부터 pH11까지의 직경의 변화는 상대적으로 급격하지 않)음을 확인할 수 있다.
From FIG. 3f, it is possible to confirm a rapid particle size change between pH 3 and 5, and the change in diameter from pH 7 to pH 11 is relatively unstable.

시험예 2: 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자 및 이로부터 제조된 중공형 마이크로 입자의 평가Test Example 2: Evaluation of Composite Particles Containing Hydrogel Polymer Core / Nano Iron Oxide Shell and Hollow Microparticles Prepared Therefrom

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 각각의 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자를 광학 현미경(OM)으로 관찰하고 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 각각 나타내었다.Composite particles comprising the respective hydrogel polymer core / nano iron oxide shells prepared in Examples 1 and 2 were observed with an optical microscope (OM), and the results are shown in FIGS. 4A and 4B, respectively.

도 4a 및 도 4b에 나타난 바와 같이 고분자 코어에 산화철 나노입자가 흡착되어 형성된 코어-쉘 구조와 용매의 pH의 낮아짐에 따라 수축한 입자의 표면에 밀도높에 형성된 산화철 쉘을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 4A and 4B, a core-shell structure formed by adsorbing iron oxide nanoparticles on a polymer core and an iron oxide shell formed on the surface of shrunken particles at a high density can be confirmed by lowering the pH of the solvent.

상기 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자 및 그 표면과 단면을 SEM으로 관찰하고 그 결과를 도 5a 내지 도 5c에 각각 나타내었다.The composite particles comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 and the surface and cross section thereof were observed by SEM and the results are shown in Figs. 5A to 5C, respectively.

도 5a 내지 도 5c에 나타난 바와 같이, 코어-쉘 구조의 형성과 울퉁불퉁한 표면이 형성함을 알 수 있다.As shown in FIGS. 5A to 5C, it can be seen that the formation of the core-shell structure and the formation of a rugged surface are observed.

실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대해 질소 분위기하에 30℃에서부터 900℃까지 5℃/min의 속도로 가열하면서 열중량 분석(Thermal Gravimetry Analysis, TGA) 플롯을 관찰하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.The composite grains comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 were subjected to a thermal gravimetry analysis (TGA) plot while heating at 30 ° C to 900 ° C at a rate of 5 ° C / min under a nitrogen atmosphere. Were observed. The results are shown in Fig.

측정 결과, 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자는 350℃까지는 열처리 온도가 증가함에 따라 질량%가 서서히 감소하였으나, 350 내지 450℃부근에서 급격한 질량감소가 나타났다가 450℃ 이후에서는 거의 일정한 질량%를 나타내었다. 금속 산화물 입자가 흡착되지 않은 제조예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자의 TGA 플롯이 450℃에서 0질량%를 나타내는 것으로부터, 450℃에서 하이드로겔 고분자가 모두 제거되었으며, 450℃ 이후의 질량%는 금속 산화물 입자의 질량%임을 알 수 있다(450℃에서의 Fe3O4 함량: 23.2 질량%). As a result of measurement, the mass percentage of the composite particles including the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 decreased gradually as the heat treatment temperature was increased up to 350 ° C., but the mass decrease was abruptly observed at about 350 to 450 ° C. Showed almost constant mass% after 450 ° C. Since the TGA plot of the hydrogel polymer prepared in Production Example 1 in which metal oxide particles were not adsorbed exhibits 0 mass% at 450 ° C, all of the hydrogel polymer was removed at 450 ° C, and the mass% (Fe 3 O 4 content at 450 ° C: 23.2% by mass).

상기 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리 공정 중 200℃, 300℃ 및 400℃에서의 상기 복합입자의 단면을 집속 이온빔 주사 전자 현미경(Focused Ion Beam-scanning electronic microscopy, FIB-SEM)으로 관찰하고, 그 결과를 도 7a 내지 도 7c에 각각 나타내었다.The cross section of the composite particles at 200 ° C, 300 ° C and 400 ° C during the heat treatment process for the composite particles comprising the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 was measured using a Focused Ion Beam scanning electron microscopy (FIB-SEM), and the results are shown in Figs. 7A to 7C, respectively.

도 7a 내지 도 7c로부터 고분자상의 분해가 내부에서부터 일어난다는 것을 알 수 있다.From Figs. 7A to 7C, it can be seen that decomposition of the polymer phase takes place from the inside.

또한, 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리 전 복합입자의 단면을 투과 전자 현미경(transmission electronic microscopy, TEM)으로 관찰하였으며, 또한 열처리 후 복합입자의 단면을 TEM 및 FIB-SEM으로 각각 관찰하였다. 그 결과를 도 8a 내지 도 8c에 나타내었다.In addition, the cross section of the composite particles including the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 before heat treatment was observed by transmission electron microscopy (TEM), and after the heat treatment, Sections were observed with TEM and FIB-SEM, respectively. The results are shown in Figs. 8A to 8C.

도 8a 내지 도 8c로부터 열처리 후 중공 구조를 형성함을 알 수 있다.8A to 8C show that after the heat treatment, the hollow structure is formed.

또한, 실시예 1에서 제조된 하이드로겔 고분자 코어/나노 산화철 쉘을 포함하는 복합입자에 대한 열처리 전/후 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴을 관찰하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. In addition, X-ray diffraction (XRD) patterns of the composite particles including the hydrogel polymer core / nano iron oxide shell prepared in Example 1 were observed and the results are shown in FIG. 9 .

도 9에서 A는 열처리 전, B는 열처리 후 복합입자의 XRD 패턴이다.9, A is the XRD pattern of the composite particles after the heat treatment, and B is the XRD pattern of the composite particles after the heat treatment.

도 9로부터 열처리 후에도 결정성이 불변함을 알 수 있다.
It can be seen from Fig. 9 that the crystallinity is constant even after the heat treatment.

시험예Test Example 3: 전기화학적 특성 평가  3: Electrochemical Characterization

리튬 이차 전지의 제조Manufacture of lithium secondary battery

음극 활물질로서 상기 실시예에서 제조된 중공형 산화철 마이크로 입자를, 도전성 물질로서 수퍼 P카본을, 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC, Daicel Fine Chem Co.사제) 및 스티렌부타디엔 고무(SBR, Zeon Co.)를 60:20:10:10의 중량비로 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하고, 이를 Cu 포일에 도포, 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다.The hollow iron oxide microparticles prepared in the above examples were used as the negative electrode active material, Super P carbon as the conductive material, carboxymethyl cellulose (CMC, manufactured by Daicel Fine Chem Co.) and styrene butadiene rubber (SBR, Zeon Co.) Were mixed at a weight ratio of 60: 20: 10: 10 to prepare a negative electrode active material slurry, which was then applied to a Cu foil, dried and rolled to produce a negative electrode.

전해액으로는 1M LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트 및 디에틸카보네이트의 혼합 용매(1:1 부피비, Techno Semichem Co., Ltd.사제)를 사용하였으며, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 사용하였다. As the electrolyte, a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (1: 1 by volume, manufactured by Techno Semichem Co., Ltd.) in which 1 M LiPF 6 was dissolved was used, and a porous polyethylene membrane (Celgard 2300, Thickness: 25 mu m) was used as a separator.

상기 준비된 음극 및 전해액을 사용하고, 두께 1mm의 리튬 포일을 대극으로 사용하여 2032 코인 타입의 전지를 제조하였다.A 2032 coin type cell was prepared using the prepared negative electrode and the electrolyte solution and using lithium foil having a thickness of 1 mm as a counter electrode.

상기와 같이 제조된 전지에 대하여 30℃, 0.02 V 내지 3 V의 전위 영역에서 0.05C로 2회 충방전하여 화성(formation)단계를 거친 후, 0.1C로 100회 충방전시 충방전 특성 및 사이클 수명 특성을 측정을 하였다. 그 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다.The battery thus prepared was charged and discharged twice at 0.05 C in a potential range of 0.02 V to 3 V at 30 캜 and subjected to a formation step. After charging and discharging at a rate of 100 C at 0.1 C, Life characteristics were measured. The results are shown in Fig. 10 and Fig.

도 10 및 도 11의 결과로부터 수명특성이 우수함을 알 수 있다. From the results shown in Figs. 10 and 11, it can be seen that the life characteristics are excellent.

또한, 고율 특성 평가를 위해 0.05C로 2회 충방전하여 화성 단계를 거친 후, 0.1C로 10회, 0.2C로 10회 및 0.5C로 10회 충방전하여 그 특성을 확인하였다. 그 결과를 도 12에 나타내었다.After charging and discharging at 0.05 C for evaluation of high rate characteristics, the characteristics were confirmed by charging and discharging 10 times at 0.1 C, 10 times at 0.2 C and 10 C at 0.5 C, respectively. The results are shown in Fig.

도 12의 결과로부터 고율 특성이 우수함을 알 수 있다. From the results of FIG. 12, it can be seen that the high-rate characteristics are excellent.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.

Claims (20)

중공 및
상기 중공을 둘러싸며 외각을 형성하는 금속산화물 나노입자
를 포함하는 중공형 마이크로 입자를 포함하고,
상기 중공형 마이크로 입자는 하이드로겔 고분자 입자를 포함하는 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속산화물 입자를 포함하는 금속산화물 입자 함유 분산액을 혼합한 후 열처리하여 형성되고,
상기 금속산화물 입자 함유 분산액은 디알킬디메틸암모늄염, 이미다졸리움염, 알킬디메틸벤질암모늄염, 알킬메틸암모늄브로마이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 계면활성제를 더 포함하고,
상기 금속산화물 입자는 상기 하이드로겔 고분자 입자와 20 내지 40mV의 제타 포텐셜 차를 갖는 것인
리튬 이차 전지용 음극 활물질.
Hollow and
The metal oxide nanoparticles surrounding the hollow and forming an outer angle
And a hollow microparticle comprising the hollow microparticles,
The hollow microparticles are formed by mixing a hydrogel polymer particle-containing dispersion containing hydrogel polymer particles and a metal oxide particle-containing dispersion containing metal oxide particles, followed by heat treatment,
The metal oxide particle-containing dispersion further comprises a surfactant selected from the group consisting of dialkyldimethylammonium salts, imidazolium salts, alkyldimethylbenzylammonium salts, alkylmethylammonium bromide, and mixtures thereof,
Wherein the metal oxide particles have a zeta potential difference of 20 to 40 mV with the hydrogel polymer particles
Negative electrode active material for lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물은 Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 산화물인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide is an oxide including a metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Si, Sn, Ga, Zr, Mo and V.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물은 Fe2O3, Fe3O4, CuO, SiO2, SnO, SnO2, Ga2O3, ZrO2, MoO3, VO2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide is selected from the group consisting of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , CuO, SiO 2 , SnO, SnO 2 , Ga 2 O 3 , ZrO 2 , MoO 3 , VO 2 , Negative active material.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물은 0.01 내지 0.1㎛의 입자크기를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide has a particle size of 0.01 to 0.1 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물의 외각은 0.2 내지 0.5㎛의 평균 두께를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein an outer angle of the metal oxide has an average thickness of 0.2 to 0.5 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 중공은 0.6 내지 2㎛의 직경을 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
And the hollow has a diameter of 0.6 to 2 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 중공형 마이크로 입자는 단위 체적당 30 내지 50중량%의 로딩량으로 금속 산화물을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the hollow microparticles contain a metal oxide in a loading amount of 30 to 50% by weight per unit volume of the negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 중공형 마이크로 입자는 하이드로겔 고분자 입자 표면에 금속산화물 입자를 정전기적 인력에 의해 흡착시킨 후 열처리에 의해 하이드로겔 고분자 입자를 제거하여 제조되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The hollow microparticles are prepared by adsorbing metal oxide particles on the surface of hydrogel polymer particles by electrostatic attraction and then removing the hydrogel polymer particles by heat treatment.
하이드로겔 고분자 입자를 팽창가능한 용매 중에 분산시켜 제조한 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액을, 금속산화물 입자를 분산매 중에 분산시켜 제조한 금속산화물 입자 함유 분산액과 혼합하여 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자를 제조하는 단계 및
상기 하이드로겔 고분자 입자 코어/금속 산화물 쉘의 복합 입자를 열처리하여 중공형 마이크로 입자를 제조하는 단계
를 포함하고,
상기 금속산화물 입자 함유 분산액은 디알킬디메틸암모늄염, 이미다졸리움염, 알킬디메틸벤질암모늄염, 알킬메틸암모늄브로마이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 계면활성제를 더 포함하는 것인
리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
A dispersion of hydrogel polymer particles prepared by dispersing hydrogel polymer particles in an expandable solvent is mixed with a dispersion of metal oxide particles prepared by dispersing metal oxide particles in a dispersion medium to form a composite of hydrogel polymer particle core / Producing particles; and
A step of heat treating the composite particles of the hydrogel polymer particle core / metal oxide shell to prepare hollow micro particles
Lt; / RTI >
Wherein the metal oxide particle-containing dispersion further comprises a surfactant selected from the group consisting of dialkyldimethylammonium salts, imidazolium salts, alkyldimethylbenzylammonium salts, alkylmethylammonium bromides, and mixtures thereof.
A method for producing a negative electrode active material for lithium secondary batteries.
제9항에 있어서,
상기 하이드로겔 고분자는 폴리메타크릴산, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리아민 및 2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the hydrogel polymer is selected from the group consisting of polymethacrylic acid, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyamine, and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid.
제9항에 있어서,
상기 팽창가능한 용매는 물, 알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the expandable solvent is selected from the group consisting of water, alcohols, and mixtures thereof.
제9항에 있어서,
상기 금속 산화물 입자는 하이드로겔 고분자와 20 내지 40mV의 제타 포텐셜 차를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the metal oxide particles have a zeta potential difference of 20 to 40 mV with the hydrogel polymer.
삭제delete 제9항에 있어서,
상기 계면활성제는 금속 산화물 입자 100 중량부에 대하여 0.5 내지 1중량부로 사용되는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the surfactant is used in an amount of 0.5 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide particles.
제9항에 있어서,
상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액은 하이드로겔 고분자 입자와 금속 산화물 입자가 1:10 내지 1:20의 중량비가 되도록 혼합되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion are mixed so that the hydrogel polymer particles and the metal oxide particles are in a weight ratio of 1:10 to 1:20.
제9항에 있어서,
상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액의 혼합공정시 pH를 6 내지 11로 조절하는 공정을 더 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Further comprising the step of adjusting the pH to 6 to 11 during a mixing step of the hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion.
제9항에 있어서,
상기 하이드로겔 고분자 입자 함유 분산액과 금속 산화물 입자 함유 분산액의 혼합공정시 알코올을 더 첨가하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the alcohol is further added in the mixing step of the hydrogel polymer particle-containing dispersion and the metal oxide particle-containing dispersion liquid.
제9항에 있어서,
상기 열처리 공정은 400 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 400 to 700 ° C.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극.9. An anode for a lithium secondary battery comprising the anode active material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8. 제19항에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차 전지.20. A lithium secondary battery comprising a negative electrode according to claim 19.
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