KR101480216B1 - Silicon oxide anode active material, method for preparing the same, and secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 산화물계 입자; 및 상기 실리콘 산화물계 입자의 표면에 형성된 카본 코팅층을 포함하는 음극활물질과 단일 공정(one-step)에 의한 이의 제조방법에 관한 것이며, 상기 음극활물질을 이용한 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon oxide-based particle; And a carbon coating layer formed on the surface of the silicon oxide-based particles. The present invention also relates to a secondary battery using the negative active material.

Description

실리콘 산화물계 음극활물질, 이의 제조방법 및 이를 이용한 이차전지{SILICON OXIDE ANODE ACTIVE MATERIAL, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a silicon oxide based anode active material, a method of manufacturing the same, and a secondary battery using the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 실리콘 산화물계 음극활물질과 이의 제조방법 및 상기 음극활물질을 이용하여 고용량인 동시에 충방전 특성 및 수명 특성이 우수한 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon oxide based negative electrode active material, a method for producing the same, and a secondary battery using the negative electrode active material and having a high capacity and excellent charge / discharge characteristics and life characteristics.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더, 노트북 PC, 나아가서는 전지 자동차의 에너지에 이르기까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발이 특히 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 용량 및 에너지 밀도를 향상시키기 위한 새로운 전극과 전지에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. The research and development of electrochemical devices is becoming more and more specific as the applications are expanded to cell phones, camcorders, notebook PCs and even the energy of battery automobiles. Among the electrochemical devices, development of rechargeable secondary batteries is of particular interest. In recent years, research and development of new electrodes and batteries are underway to improve capacity and energy density.

현재에는 리튬이차전지가 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 이차전지에 비해서 주목을 받고 있다. 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 훨씬 크기 때문이다.At present, lithium secondary batteries are attracting attention as compared with secondary batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries. This is because the operating voltage is high and the energy density is much larger.

일반적으로 리튬이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리(intercalation and deintercalation)가 가능한 물질을 음극과 양극으로 사용하고, 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다. 리튬이차전지는 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.Generally, a lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of intercalation and deintercalation of lithium ions as a cathode and an anode, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between an anode and a cathode. The lithium secondary battery generates electrical energy by an oxidation reaction and a reduction reaction when lithium ions are inserted and removed from the positive electrode and the negative electrode.

현재 리튬이차전지의 음극을 구성하는 음극활물질로는 충·방전 사이클의 수명이나 비용 면에서 유리한 탄소계 물질이 주로 사용되고 있다. 그러나, 탄소계 음극활물질은 이론용량의 상한이 약 372 mAh/g으로 제한되어 있어, 고용량 리튬이차전지에 적용하는 데는 한계가 있다.BACKGROUND ART [0002] Carbon-based materials, which are advantageous in terms of lifetime and cost of a charge / discharge cycle, are mainly used as an anode active material composing a cathode of a lithium secondary battery. However, since the upper limit of the theoretical capacity of the carbonaceous anode active material is limited to about 372 mAh / g, application to a high capacity lithium secondary battery is limited.

이러한 요구를 충족하기 위하여, 실리콘(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 납(Pd), 아연(Zn) 등의 금속 또는 준금속의 음극활물질로의 활용에 대하여 연구가 진행되고 있다. 이러한 재료는 탄소계 음극활물질보다 많은 리튬이온을 흡장, 방출할 수 있어 고용량 및 고에너지 밀도를 갖는 전지의 제조에 적합하다. 특히, 실리콘은 약 4,200 mAh/g 정도의 높은 이론용량을 갖는 재료이다.In order to meet such a demand, the use of a metal such as silicon (Si), tin (Sn), aluminum (Al), germanium (Ge), lead (Pd), zinc (Zn) Research is underway. Such a material can absorb and release more lithium ions than the carbon-based negative electrode active material, and is suitable for manufacturing a battery having a high capacity and a high energy density. Particularly, silicon is a material having a high theoretical capacity of about 4,200 mAh / g.

그러나, 실리콘 음극활물질의 경우, 충전에 의하여 부피가 약 300 % 이상 팽창한다. 또한, 이때 가해지는 기계적 응력으로 인하여 전극 내부와 표면에 크랙(crack)이 발생하고, 또한 방전에 의하여 리튬 이온이 방출되면 부피가 수축한다. 이와 같이 충방전 사이클을 반복하면 활물질이 집전체로부터 떨어지고, 실리콘 입자들 사이에 생기는 공간으로 인해 전기적 절연이 발생하여 전지 수명이 급격하게 저하될 수 있다. 이러한 활물질의 입도 변화는 전해액과의 계면반응에 의해서 더 심화되는 것으로 알려져 있다.However, in the case of a silicon anode active material, its volume expands by about 300% or more by charging. In addition, cracks are generated inside and on the surface of the electrode due to mechanical stress applied at this time, and when the lithium ions are discharged by discharge, the volume shrinks. If the charge / discharge cycle is repeated in this way, the active material is separated from the current collector, and electrical insulation is generated due to the space between the silicon particles, so that the life of the battery may be drastically deteriorated. It is known that the particle size change of the active material is further enhanced by the interfacial reaction with the electrolyte.

이에, 종래에는 다양한 방법을 통해 실리콘 음극활물질의 단점을 극복하고자 하였다. 예를 들어, 흑연 입자와 실리콘 입자 또는 리튬 분말을 혼합하여 음극 소재를 제조하는 방법, 범용 실리콘 분말을 질소 분위기에서 미분화하여 실리콘 미립자와 흑연을 혼합하는 방법, 졸-겔 방법으로 비정질 Si-C-O 음극 소재를 제조하는 방법 등이 있다.Thus, in the past, various attempts have been made to overcome the disadvantages of the silicon anode active material. For example, there are a method of producing a negative electrode material by mixing graphite particles and silicon particles or lithium powder, a method of micronizing the general-purpose silicon powder in a nitrogen atmosphere to mix silicon microparticles and graphite, a method of mixing amorphous Si- And a method of manufacturing a material.

그러나, 이들 방법은 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 이들 방법으로 제조된 음극활물질은 고율 충방전을 만족시킬 만큼 전기 전도도가 높지 않다. 또한, 연속적인 충방전 반응을 통한 활물질의 체적 변화로 인하여 구조 변화를 제어하기 어렵고, 활물질 및 집전체로부터 쉽게 박리되어 전지의 용량과 사이클 성능이 감소되는 문제가 여전히 있다.However, these methods are not only complicated in the production process, but also the negative electrode active materials produced by these methods are not high in electrical conductivity to satisfy a high rate charge / discharge. Further, it is difficult to control the structural change due to the volume change of the active material through the continuous charge / discharge reaction, and there is still a problem that the capacity and cycle performance of the battery are decreased because of easy separation from the active material and current collector.

본 발명은 전지의 용량, 충방전 특성, 수명 특성을 향상시킬 수 있는 실리콘 산화물계 음극활물질과 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosed is a silicon oxide-based anode active material capable of improving the capacity, charge-discharge characteristics, and life characteristics of a battery, and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 음극활물질을 이용하는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a secondary battery using the negative electrode active material.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 불활성 가스 분위기 하에서 비수계 용매를 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제를 혼합한 후, 상온에서 반응시켜 킬레이트화된 실리콘 전구체를 형성하는 단계; 및 환원 가스와 불활성 가스의 혼합 가스 분위기 하에서 상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for forming a chelated silicon precursor by mixing a non-aqueous solvent with a silicon-containing reactant and a chelating agent under an inert gas atmosphere and reacting at a room temperature to form a chelated silicon precursor; And heat treating the precursor in a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas. The present invention also provides a method for producing a silicon oxide based negative electrode active material.

여기서, 상기 실리콘 함유 반응물은 할로겐화 실리콘 및 할로겐화 실란으로 이루어진 군에서 선택된다.Wherein the silicon containing reactant is selected from the group consisting of halogenated silicon and halogenated silane.

또한, 상기 킬레이트제는 카르복실기를 함유하는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 카르복실기를 함유하는 화합물은 시트르산(citric acid)인 것이 바람직하다.The chelating agent preferably includes a compound containing a carboxyl group, and the compound containing a carboxyl group is preferably citric acid.

상기 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제의 혼합비는 1 : 0.01 ~ 2의 몰비율인 것이 바람직하다.The mixing ratio of the silicon-containing reactant and the chelating agent is preferably 1: 0.01 to 2 molar ratio.

또, 상기 비수계 용매는 글리콜 에테르계 용매인 것이 바람직하다.It is preferable that the non-aqueous solvent is a glycol ether-based solvent.

상기 열처리 단계는 600 내지 1,100℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.And the heat treatment step is performed at a temperature of 600 to 1,100 ° C.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 실리콘 산화물계 음극 활물질을 제공한다.In addition, the present invention provides a silicon oxide-based anode active material produced by the above production method.

아울러, 본 발명은 상기 음극활물질을 포함하는 음극; 양극; 전해질; 및 분리막을 구비하는 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a negative electrode comprising the negative electrode active material; anode; Electrolyte; And a secondary battery.

본 발명에 따른 음극활물질의 제조방법은 단일공정(one-step)으로 공정이 매우 간단하며, 음극활물질의 제조시 형성되는 전구체는 공기 중에서 쉽게 다룰 수 있고, 물에 용이하게 용해될 수 있기 때문에, 균일한 혼합이 이루어지므로, 이차전지로의 응용성이 매우 크다. 이와 같이, 물, 알코올 등 공기 중에서 다루기 쉬운 저가 용매를 사용함으로써, 원가가 저렴하다.The process for preparing the negative electrode active material according to the present invention is very simple in a one-step process. Since the precursor formed in the production of the negative electrode active material can be easily handled in air and easily dissolved in water, Since uniform mixing is performed, application to a secondary battery is very high. As described above, the use of a low-cost solvent that is easy to handle in air, such as water or alcohol, is inexpensive.

또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 음극활물질은 1차 입자의 직경이 수십 나노미터를 가지는 나노 입자를 가지며, 2차 입자 직경이 수백 나노미터~수 마이크로미터를 가진다.In addition, the anode active material produced by the production method of the present invention has nanoparticles having a diameter of several tens of nanometers and a secondary particle diameter of several hundred nanometers to several micrometers.

또한, 본 발명의 음극활물질은 실리콘 입자 표면에 카본 코팅층이 형성됨으로써, 전해액과의 계면반응에 의한 전지의 용량 저하를 방지할 수 있고, 전기전도도를 향상시킬 수 있어, 따라서 전지의 충방전 특성 및 수명 특성도 향상될 수 있다.In addition, since the carbon coating layer is formed on the surface of the silicon particles of the negative electrode active material of the present invention, it is possible to prevent deterioration of the capacity of the battery due to the interface reaction with the electrolyte and to improve the electric conductivity, Life characteristics can also be improved.

도 1은 본 발명에 따른 음극활물질의 단면도이다.
도 2a는 실시예 1에서 제조된 음극활물질의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다.
도 2b는 실시예 1에서 제조된 음극활물질의 확대된 주사전자현미경 사진이다.
도 3a는 실시예 1에서 제조된 음극활물질의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이다.
도 3b는 실시예 1에서 제조된 음극활물질의 제한시야 전자회절(Selected area electron diffraction, SAED) 패턴을 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 음극의 충방전 그래프이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 음극의 충방전시 용량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 음극의 충방전 사이클 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 음극의 쿨롱 효율을 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional view of a negative electrode active material according to the present invention.
2A is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative electrode active material prepared in Example 1. FIG.
FIG. 2B is an enlarged scanning electron micrograph of the negative active material prepared in Example 1. FIG.
FIG. 3A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the negative electrode active material prepared in Example 1. FIG.
FIG. 3B is a photograph showing a selected area electron diffraction (SAED) pattern of the negative electrode active material prepared in Example 1. FIG.
4 is a graph showing charge and discharge of the negative electrode manufactured in Example 1. Fig.
5 is a graph showing a change in capacitance during charge and discharge of the negative electrode manufactured in Example 1. FIG.
6 is a graph showing the charge / discharge cycle performance of the negative electrode manufactured in Example 1. FIG.
7 is a graph showing the coulombic efficiency of the negative electrode prepared in Example 1. FIG.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 음극활물질은, 불활성 가스 분위기 하에서 비수계 용매에 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제를 혼합한 후, 상온에서 반응시켜 킬레이트화된 실리콘 전구체를 형성하는 단계; 및 환원 가스와 불활성 가스의 혼합 가스 분위기 하에서 상기 전구체를 환원 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조된다.The negative active material of the present invention may be prepared by mixing a non-aqueous solvent with a silicon-containing reactant and a chelating agent in an inert gas atmosphere, and then reacting at a room temperature to form a chelated silicon precursor; And subjecting the precursor to a reduction heat treatment in an atmosphere of a mixed gas of a reducing gas and an inert gas.

먼저, 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제를, 불활성 가스 분위기 하에서 비수계 용매에 첨가한 후, 상온에서 반응시켜 킬레이트화된 실리콘 전구체를 형성한다(이하, 'S100 단계').First, a silicon-containing reactant and a chelating agent are added to a non-aqueous solvent under an inert gas atmosphere, and then reacted at room temperature to form a chelated silicon precursor (hereinafter, step S100).

실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제는 상기 비수계 용매에 용해시켜 분산시킴으로써, 전체적으로 균일하게 반응이 일어날 수 있다. 이러한 비수계 용매는 글리콜 에테르계 용매인 것이 바람직한데, 상기 글리콜 에테르계 용매의 예로는 1,2-디메톡시 에탄(1,2-dimethoxy ethane), 에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노프로필에테르, 디에틸렌글리콜 모노이소프로필에테르, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노이소부틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노벤질에테르, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 메틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 에틸렌글리콜 모노메틸에테르아세테이드, 에틸렌글리콜 모노에틸에테르 아세테이트 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.By reacting the silicon-containing reactant and the chelating agent in the nonaqueous solvent, the reaction can be uniformly performed as a whole. The non-aqueous solvent is preferably a glycol ether solvent. Examples of the glycol ether solvent include 1,2-dimethoxy ethane, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, Ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monoisopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, Diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, Ether, triethylene glycol ethylene glycol moiety N-methyl ether acetate, ethylene glycol monoethyl ether acetate, and the like, but are not limited thereto.

이러한 글리콜 에테르계 용매의 함량은 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제를 용이하게 용해시킬 수 있으면 특별히 한정되지 않는다.The content of the glycol ether solvent is not particularly limited as long as it can easily dissolve the silicon-containing reactant and the chelating agent.

상기 실리콘 함유 반응물은 실리콘(Si)을 공급할 수 있는 화합물이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 할로겐화 실리콘, 할로겐화실란 등이 있고, 구체적으로 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4), 트리클로로실란, 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 일례에 따르면, Si 함유 반응물로 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)를 사용할 수 있다.The silicon-containing reactant is not particularly limited as long as it is a compound capable of supplying silicon (Si), and examples thereof include halogenated silicon and halogenated silane. Specific examples thereof include silicon tetrachloride (SiCl 4 ), trichlorosilane, But is not limited thereto. According to one example of the present invention, silicon tetrachloride (SiCl 4 ) can be used as the Si-containing reactant.

상기 실리콘 함유 반응물과 킬레이트제는 상온에서 킬레이트 반응을 하여 킬레이트 화합물이 생성된다. 상기 킬레이트 반응은 상온에서 이루어지므로, 매우 간단하게 수행될 수 있는 장점이 있다.The silicon-containing reactant and the chelating agent undergo a chelating reaction at room temperature to produce a chelate compound. Since the chelating reaction is performed at room temperature, there is an advantage that it can be performed very simply.

또한, 본 발명에서 사용 가능한 킬레이트제는 상기 실리콘 함유 반응물의 실리콘 양이온에 배위결합하여 킬레이트 화합물을 형성할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 상기 킬레이트제로는 카르복실기를 함유하는 화합물인 것이 바람직하다.The chelating agent usable in the present invention is not particularly limited as long as it is capable of coordinating with the silicon cations of the silicon-containing reactant to form a chelate compound. The chelating agent is preferably a compound containing a carboxyl group.

구체적으로, 상기 카르복실기를 함유하는 화합물의 예로는 시트르산(citric acid), 숙신산(succinic acid), 타르타르산(tartaric acid), 말레산(maleic acid), 푸마르산(fumaric acid), 에틸렌디아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid) 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다. Specifically, examples of the compound containing a carboxyl group include citric acid, succinic acid, tartaric acid, maleic acid, fumaric acid, ethylenediaminetetraacetic acid (ethylenediaminetetraacetic acid ), But the present invention is not limited thereto.

발명의 일례에 따르면, 상기 S100 단계에서는 실리콘 함유 반응물인 실리콘 테트라클로라이드와 킬레이트제인 시트르산을 혼합하여 킬레이트된 실리콘을 액상에서 유도할 수 있다. 구체적으로, 실리콘 테트라클로라이드의 Si4+와 시트르산의 카르복실기(-COOH)가 반응하여 킬레이트 화합물인 분자레벨의 Si-citrate와 HCl이 형성된다.According to an embodiment of the present invention, in step S100, chelated silicon may be induced in a liquid phase by mixing silicon tetrachloride, which is a silicon-containing reagent, and citric acid, a chelating agent. Specifically, Si 4+ of silicon tetrachloride reacts with the carboxyl group (-COOH) of citric acid to form Si-citrate and HCl at the molecular level, which is a chelate compound.

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여기서, 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제의 혼합 비율은 특별히 한정되지 않으나, 실리콘 함유 반응물 : 킬레이트제 = 1 : 0.01 ~ 2의 몰 비율일 경우, 킬레이트 화합물을 형성할 수 있고, 1 ~ 30 nm로 두께 조절된 카본층이 형성되므로, 부피팽창의 억제효과에 의한 전극의 안정성과 수명에 효과적이다.Here, the mixing ratio of the silicon-containing reactant and the chelating agent is not particularly limited, but a chelate compound can be formed when the molar ratio of the silicon-containing reactant: chelating agent is 1: 0.01 to 2, The carbon layer is formed, so that it is effective for the stability and lifetime of the electrode due to the effect of inhibiting the volume expansion.

상기 S100 단계는 불활성 가스 분위기 하에서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 불활성 가스의 예로는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.The step S100 is preferably performed under an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include, but are not limited to, nitrogen gas, argon gas, and helium gas.

한편, 본 발명에 따른 음극활물질의 제조방법은 상기 S100 단계 후, 글리콜 에테르 용매, 미반응 할로겐 이온 및 부생성물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 S100 단계를 거친 반응 생성물을 승온하여 건조시키면, 글리콜 에테르계 용매, 미반응 할로겐 및 부생성물이 증발되어 제거되고, 전구체만 얻게 된다.Meanwhile, the method of manufacturing an anode active material according to the present invention may include a step of removing the glycol ether solvent, the unreacted halogen ion and by-products after the step S100. For example, when the reaction product obtained in the step S100 is heated and dried, the glycol ether solvent, the unreacted halogen and the by-product are evaporated and removed, and only the precursor is obtained.

그런 다음, 환원 가스(H2)와 불활성 가스의 혼합 가스 분위기 하에서 상기 S100 단계에서 형성된 전구체를 환원 열처리한다(이하, 'S200 단계').Then, the precursor formed in the step S100 is subjected to a reduction heat treatment (hereinafter, step S200) in an atmosphere of a mixed gas of a reducing gas (H 2 ) and an inert gas.

상기 S200 단계는 상기 환원열처리를 통해 전구체(예컨대, Si-citrate)의 Si4+가 부분 환원되어 실리콘 산화물(SiOx)이 생성된다. 또한, 일부 탄소 및 산소는 이산화탄소나 일산화탄소로 산화되어 증발됨으로써, 생성된 실리콘 산화물 입자의 표면에 카본만이 잔류하게 되어, 표면에 카본이 코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질을 얻을 수 있다. 상기 실리콘 산화물(SiOx)의 산소 함량 x는 0 < x ≤ 2 것이 바람직하다.In step S200, Si 4+ of the precursor (for example, Si-citrate) is partially reduced through the reduction heat treatment to produce silicon oxide (SiO x ). In addition, some carbon and oxygen are oxidized to carbon dioxide or carbon monoxide and evaporated, so that only carbon remains on the surface of the produced silicon oxide particles, so that a silicon oxide based negative electrode active material coated with carbon on its surface can be obtained. The oxygen content x of the silicon oxide (SiO x ) is preferably 0 < x? 2.

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상기 열처리 온도는 특별히 한정되지 않으나, 시트레이트를 분해하여 카본을 형성시키고, 입경의 성장을 억제하면서도 바람직한 구조를 이루기 위해서 600 내지 1,100℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.The heat treatment temperature is not particularly limited, but it is preferable to carry out the heat treatment at a temperature in the range of 600 to 1,100 DEG C in order to form a carbon layer by decomposing the citrate and to suppress the growth of the grain size and to obtain a preferable structure.

또한, 상기 열처리 시간은 특별히 한정되지 않으나, 0.5내지 12시간 내에서 실시하는 것이 바람직하다.The heat treatment time is not particularly limited, but is preferably performed within 0.5 to 12 hours.

본 발명의 음극활물질의 제조방법은 실리콘 산화물을 제조함과 동시에, 카본이 코팅되는 단일 공정(one-step)으로 공정이 매우 간단하며, 음극활물질의 제조시 형성되는 전구체는 공기 중에서 쉽게 다룰 수 있고, 물에 용이하게 용해될 수 있기 때문에, 균일한 혼합이 이루어지므로, 이차전지로의 응용성이 매우 크다.The process for preparing the negative electrode active material of the present invention is very simple because it is a one-step process for preparing silicon oxide and coating carbon, and the precursor formed in the production of the negative electrode active material can be easily handled in the air , Since they can be easily dissolved in water, uniform mixing is performed, so that the applicability to a secondary battery is very high.

상기와 같이 제조된 음극활물질(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘산화물계 입자(11) 및 상기 실리콘산화물계 입자의 표면에 형성된 카본 코팅층(12)을 포함한다. The negative electrode active material 10 thus prepared includes silicon oxide particles 11 and a carbon coating layer 12 formed on the surface of the silicon oxide particles as shown in FIG.

상기 카본 코팅층(12)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 1 nm ~ 30 nm 인 것이 바람직하다.The thickness of the carbon coating layer 12 is not particularly limited, but is preferably 1 nm to 30 nm.

또한, 상기 음극활물질(10)의 직경은 특별히 한정되지 않으나, 1차 입자의 직경은 수 나노미터 ~ 수십 나노미터를 가지는 나노 입자이며, 1차 입자들이 뭉쳐 수백 나노미터~수십 마이크로미터 직경을 가지는 2차 입자를 형성한다.Although the diameter of the negative electrode active material 10 is not particularly limited, the diameter of the primary particles is nanoparticles having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers. The primary particles are aggregated and have a diameter of several hundred nanometers to tens of micrometers Thereby forming secondary particles.

카본 코팅층(12)이 실리콘산화물계 입자의 표면에 형성됨으로써, 향상된 전기전도도를 제공할 수 있고, 전지의 충방전시 실리콘산화물계 입자(11)가 리튬과 반응시 발생하는 부피 변화를 수용할 수 있으며, 전해액과의 계면 반응을 차단시킬 수 있어, 전지의 충방전 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 음극활물질은 공기 중에서 안정적이면서, 물, 알코올 등의 용매에서의 분산성이 우수하기 때문에, 공기 중에서 물, 알코올 등의 용매를 이용하여 음극 슬러리를 제조할 수 있다.Since the carbon coating layer 12 is formed on the surface of the silicon oxide-based particles, it is possible to provide an improved electric conductivity, and the silicon oxide-based particles 11 can receive a change in volume that occurs when the silicon oxide- And the interfacial reaction with the electrolytic solution can be blocked, so that the charge / discharge performance of the battery can be improved. In addition, since the negative electrode active material is stable in air and has excellent dispersibility in a solvent such as water and alcohol, it is possible to produce negative electrode slurry in air using a solvent such as water or alcohol.

상기와 같은 본 발명의 음극활물질은 결정질 또는 비정질이다. 상기 비정질 음극활물질을 이차전지에 적용할 경우, 전지의 충방전시 결정구조 변화 스트레인이 작기 때문에, 전지의 수명이 향상될 수 있다.
The negative electrode active material of the present invention as described above is crystalline or amorphous. When the amorphous negative electrode active material is applied to a secondary battery, the life of the battery can be improved because the crystal structure change strain is small during charging and discharging of the battery.

<이차 전지><Secondary Battery>

본 발명에서 음극은 당 분야에서 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 음극활물질에, 바인더 및 용매, 필요에 따라 도전재, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 전극을 제조할 수 있다.In the present invention, the cathode can be produced by a conventional method known in the art. For example, a slurry is prepared by mixing and stirring a binder and a solvent, and if necessary, a conductive material and a dispersant in the negative electrode active material of the present invention, applying the slurry to a current collector of a metallic material, .

상기 음극의 제조시 사용 가능한 용매의 비제한적인 예로는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidon, NMP), 디메틸 포름아미드(DMF), 물 등이 있다. 이들 중 N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidon, NMP) 또는 물을 용매로 사용하는 것이 바람직하다.Non-limiting examples of the solvent that can be used in the production of the negative electrode include dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) . Of these, N-methyl pyrrolidone (NMP) or water is preferably used as a solvent.

사용 가능한 바인더의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenedifluoride, PVdF), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide, PAI), 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA), 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose, CMC), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTEE), 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴니트릴 등이 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Non-limiting examples of usable binders include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyamide-imide (PAI), polyacrylic acid (PAA), styrene-butadiene rubber rubber, SBR, carboxymethylcellulose (CMC), polytetrafluoroethylene (PTEE), polyvinyl acetate, polyethylene oxide, polypyrrolidone, polyvinyl alcohol, and polyacrylonitrile. These may be used alone or in combination of two or more.

바인더의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 음극활물질들을 강하게 결합시키기 위해 음극 100 중량부에 대하여 약 3 내지 40 중량부 범위인 것이 바람직하다.The content of the binder is not particularly limited, but it is preferably about 3 to 40 parts by weight relative to 100 parts by weight of the negative electrode in order to strongly bond the negative electrode active materials.

또한, 상기 도전재로는 일반적으로 카본블랙(carbon black)을 사용할 수 있다. 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열(Chevron Chemical Company 또는 Gulf Oil Company 제품 등), 케트젠블랙(Ketjen Black) EC 계열(Armak Company 제품 등), 불칸(Vulcan)XC-72(Cabot Company 제품 등) 및 수퍼 P(MMM사 제품) 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다.As the conductive material, carbon black may be generally used. Commercially available products such as acetylene black series (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company products), Ketjen Black EC series (Armak Company products, etc.), Vulcan XC-72 (Cabot Company products), and Super P (manufactured by MMM).

이러한 도전재는 사용시 전지의 사이클수명을 향상시킬 수 있지만 전지의 용량을 저하시킬 수도 있다. 이러한 점 때문에 도전재의 함량은 음극 전체 100 중량부에 대하여 약 10 내지 40 중량부인 것이 바람직하다.Such a conductive material may improve the cycle life of the battery when used, but it may lower the capacity of the battery. For this reason, the content of the conductive material is preferably about 10 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the whole cathode.

금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 음극활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있으면서 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이라면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로는, 구리, 니켈, 스테인레스 등에 의해서 제조되는 메쉬(mesh), 호일(foil), 부직포 등이 있다. 이들 중 두께가 약 8 ㎛ 이상인 동박이 바람직하다.The collector of the metal material is a metal having high conductivity, and any material can be used as long as the slurry of the negative electrode active material can be easily adhered, and is not reactive in the voltage range of the battery. Typical examples thereof include a mesh, a foil, and a nonwoven fabric made of copper, nickel, stainless steel or the like. Among these, a copper foil having a thickness of about 8 탆 or more is preferable.

슬러리를 집전체에 도포하는 방법도 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 닥터 블레이드, 침지, 솔칠 등의 방법으로 도포할 수 있다. 도포량도 특별히 제한되지 않지만, 용매나 분산매를 제거한 후에 형성되는 활물질 층의 두께가 보통 0.005 내지 5 ㎜, 바람직하게는 0.01 내지 2 ㎜가 되는 정도의 양이 바람직하다.The method of applying the slurry to the current collector is also not particularly limited. For example, it can be applied by a method such as doctor blade, dipping, and brushing. The amount to be applied is not particularly limited, but it is preferable that the thickness of the active material layer formed after removal of the solvent or the dispersion medium is in the range of usually 0.005 to 5 mm, preferably 0.01 to 2 mm.

용매 또는 분산매를 제거하는 방법도 특별히 제한되지 않지만, 응력집중이 발생하여 활물질 층에 균열이 발생하거나, 활물질층이 집전체로부터 박리되지 않는 정도의 속도 범위 내에서, 가능하면 신속하게 용매 또는 분산매가 휘발되도록 조정하여 제거하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 비제한적인 예로 50 내지 200℃의 진공오븐에서 0.5 내지 3일 동안 건조할 수 있다.The method of removing the solvent or the dispersion medium is not particularly limited. However, it is preferable that the solvent or the dispersion medium is dispersed in the range of the speed as fast as the stress concentration occurs and cracks are generated in the active material layer or the active material layer is not peeled from the current collector It is preferable to use a method of removing and adjusting to be volatilized. And may be dried in a vacuum oven at 50-200 [deg.] C for 0.5-3 days, without limitation.

본 발명의 전극활물질은 전기 화학 반응을 하는 모든 소자에 이용될 수 있다. 예를 들어, 모든 종류의 일차 전지, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등이 있는데, 이 중 이차 전지가 바람직하다. The electrode active material of the present invention can be used in all devices that perform electrochemical reactions. For example, there are all kinds of primary batteries, secondary batteries, fuel cells, solar cells or capacitors, among which secondary batteries are preferable.

본 발명의 이차 전지는 본 발명의 전극활물질을 사용하여 제조한 전극을 포함하여 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고 전해액을 투입하여 제조할 수 있다. 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬-공기 이차전지, 소튬 이온 이차전지, 소듐 폴리머 이차 전지 또는 소듐-공기 이차전지, 실리콘-공기 이차전지 등을 포함한다. The secondary battery of the present invention can be manufactured by a conventional method known in the art including an electrode manufactured using the electrode active material of the present invention. For example, a porous separator may be interposed between the anode and the cathode, and an electrolytic solution may be added to the separator. The secondary battery includes a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery or a lithium-air secondary battery, a lithium ion secondary battery, a sodium polymer secondary battery, a sodium-air secondary battery, and a silicon-air secondary battery.

본 발명의 이차전지에 적용될 양극은 특별히 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 양극활물질이 양극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 양극활물질로는 종래 이차전지의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용될 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 LiMxOy(M = Co, Ni, Mn, CoaNibMnc)와 같은 리튬 전이금속 복합산화물(예를 들면, LiMn2O4 등의 리튬 망간 복합산화물, LiNiO2 등의 리튬 니켈 산화물, LiCoO2 등의 리튬 코발트 산화물 및 이들 산화물의 망간, 니켈, 코발트의 일부를 다른 전이금속 등으로 치환한 것 또는 리튬을 함유한 산화바나듐 등) 또는 올리빈 화합물(예를 들면, LiMPO4 (M = Fe, Mn, Co, Ni 또는 이들의 혼합물)) 등이 있다. 바람직하게는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li1 +x(NiaCobMnc)O2(0<x<1, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - YCoYO2, LiCo1-YO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1 - YMnYO2 (여기에서, 0≤Y≤1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), Li1 + xMn2 - ZMZO4 (여기에서, 0<x<1, M= Fe, Mn, Co, Ni, Cr, Al, Zn, Zr, Ti, Cs, 0<Z<2), LiM1 - xNxPO4L(M = Fe, Mn, Co, Ni, N = Fe, Mn, Co, Ni 등), 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 양극 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.The positive electrode to be applied to the secondary battery of the present invention is not particularly limited, and the positive electrode active material may be bonded to the positive electrode current collector according to a conventional method known in the art. As the cathode active material, a conventional cathode active material that can be used for a cathode of a conventional secondary battery can be used, and examples thereof include LiM x O y (M = Co, Ni, Mn, Co a Ni b Mn c ) Lithium manganese composite oxides such as LiMn 2 O 4 , lithium nickel oxides such as LiNiO 2 , lithium cobalt oxides such as LiCoO 2 , and manganese, nickel, and cobalt of these oxides, (For example, LiMPO 4 (M = Fe, Mn, Co, Ni, or a mixture thereof)) or the like. Preferably LiCoO 2, LiNiO 2, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4, Li 1 + x (Ni a Co b Mn c) O 2 (0 <x <1, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1 - Y Co Y O 2, LiCo 1-Y O 2, LiCo 1 - Y Mn Y O 2, LiNi 1 - Y Mn Y O 2 ( here in, 0≤Y≤1), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), Li 1 + x Mn 2 - Z M Z O 4 ( here, 0 <x <1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Cr, Al, Zn, Zr, Ti, Cs, 0 <Z <2), LiM 1 - x N x PO 4 L (M = Fe, Mn, Co, Ni, N = Fe, Mn, Co, Ni etc.), or a mixture thereof. Non-limiting examples of the positive electrode current collector include foil produced by aluminum, nickel, or a combination thereof.

상기 전해액은 비수 용매와 전해질 염을 포함할 수 있다.The electrolytic solution may include a non-aqueous solvent and an electrolyte salt.

비수 용매는 통상적으로 비수 전해액용 비수 용매로 사용하고 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르 또는 케톤 등을 사용할 수 있는데, 카보네이트 용매를 사용하는 것이 바람직하다.The nonaqueous solvent is not particularly limited as long as it is used as a nonaqueous solvent for a nonaqueous electrolyte solution, and a cyclic carbonate, a linear carbonate, a lactone, an ether, an ester or a ketone may be used, and a carbonate solvent is preferably used.

상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플로로 에틸렌 카보네이트(FEC), 부틸렌 카보네이트(BE) 등이 있고, 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 메틸프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 상기 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 상기 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄 등이 있다. 또한, 상기 에스테르의 예로는 n-메틸아세테이트, n-에틸아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 이들 비수 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC) and butylene carbonate (BE). Examples of the linear carbonate include diethyl carbonate (DEC) (DMC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), and methyl propyl carbonate (MPC). Examples of the lactone include gamma butyrolactone (GBL), and examples of the ether include dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane . Examples of the esters include n-methyl acetate, n-ethyl acetate, methyl propionate, methyl pivalate and the like, and the ketone is polymethyl vinyl ketone. These non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more.

전해질 염은 통상 비수 전해질용 전해질 염으로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 전해질 염의 비제한적인 예로는 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+와 같은 알칼리금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)2 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이다. 특히, 리튬 염이 바람직하다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상으로 혼합하여 사용할 수 있다.The electrolyte salt is not particularly limited as long as it is usually used as an electrolyte salt for a nonaqueous electrolyte. Non-limiting examples of the electrolyte salt is A + B - A salt of the structure, such as, A + is included in the ion consisting of alkali metal cations or a combination thereof, such as Li +, Na + B - is PF 6 -, BF 4 -, Cl -, Br - , I -, ClO 4 -, AsF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2) 2 - &lt; / RTI &gt; or a combination thereof. In particular, a lithium salt is preferable. These electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more.

본 발명의 이차전지는 분리막을 포함할 수 있다. 사용 가능한 분리막은 특별히 제한이 없으나, 다공성 분리막이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 또는 폴리올레핀계 다공성 분리막 등이 있다.The secondary battery of the present invention may include a separator. The separating membrane that can be used is not particularly limited, but a porous separating membrane is preferable, and examples thereof include a polypropylene-based, polyethylene-based, or polyolefin-based porous separating membrane.

본 발명의 이차 전지는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin) 등이 될 수 있다.
The secondary battery of the present invention is not limited in outer shape, but may be cylindrical, square, pouch type, coin or the like using a can.

이하, 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예, 비교예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. However, the following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

1-1. 1-1. 음극활물질의Negative active material 제조 Produce

아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서 1,2-디메톡시 에탄(1,2-dimethoxy ethane)에 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4) 및 시트르산(citric acid)을 1:0.1의 몰 비율로 첨가하여 혼합하였다. 혼합용액을 교반하여 상온 킬레이트 반응을 유도하였다. Silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and citric acid were added to 1,2-dimethoxyethane at a molar ratio of 1: 0.1 in an argon (Ar) gas atmosphere. The mixed solution was stirred to induce the chelating reaction at room temperature.

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반응 종결 후, 반응생성물을 진공 오븐에서 50℃로 24시간 동안 가열하여, 1,2-디메톡시 에탄 및 HCl을 증발, 건조시켜 Si-citrate 전구체를 얻었다. 얻어진 Si-citrate 전구체를 혼합가스(H2/Ar) 분위기 하에서 900℃로 5시간 동안 열처리하여 카본이 코팅된 실리콘 산화물을 얻었다. 이때, 상기 열처리를 통해 전구체의 Si4+가 부분 환원되어 실리콘산화물(SiOx)이 생성됨과 동시에, Si-citrate 전구체의 citrate가 분해되면서, CO, CO2, H2O로 산화되어 제거되고, 카본만 생성된 실리콘산화물 표면에 남음으로써, 카본이 코팅된 실리콘 산화물 음극활물질을 단일 공정(one-step)으로 얻었다.After completion of the reaction, the reaction product was heated in a vacuum oven at 50 DEG C for 24 hours to evaporate 1,2-dimethoxyethane and HCl and dry to obtain a Si-citrate precursor. The obtained Si-citrate precursor was heat-treated at 900 ° C for 5 hours in a mixed gas (H 2 / Ar) atmosphere to obtain carbon-coated silicon oxide. At this time, the Si 4+ of the precursor is partially reduced through the heat treatment to generate silicon oxide (SiO x ), and the citrate of the Si-citrate precursor is decomposed and oxidized to CO, CO 2 and H 2 O, Carbon-only silicon oxide was left on the surface of the resulting silicon oxide to obtain a carbon-coated silicon oxide anode active material in a one-step process.

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상기에서 얻은 음극활물질의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진 및 투과전자현미경 사진을 각각 도 2 및 3에 나타내었다. 도 2에서 음극활물질이 직경이 30 내지 60nm인 구형의 1차 입자들이 뭉쳐 400 내지 600 nm 직경을 가지는 구형의 2차 입자를 형성하는 것임을 알 수 있었다.A scanning electron microscope (SEM) photograph and a transmission electron microscope photograph of the negative electrode active material obtained above are shown in FIGS. 2 and 3, respectively. In FIG. 2, it was found that the spherical primary particles having a diameter of 30 to 60 nm aggregated to form spherical secondary particles having a diameter of 400 to 600 nm.

또한, 도 3에서는 음극활물질이 약 30 내지 60 ㎚의 직경을 가지는 구형의 실리콘 산화물 분말 1차 입자가 관찰되었다. SAED(Selected area electron diffraction) 패턴에서 보는 바와 같이, 결정구조에 의한 회절이 관찰되지 않고 원형 패턴만 관찰되었는데, 이는 제조된 실리콘산화물 음극활물질이 비정질임을 나타낸다.In Fig. 3, spherical silicon oxide powder primary particles having a diameter of about 30 to 60 nm were observed as the negative electrode active material. As shown in the SAED (Selected Area Electron Diffraction) pattern, no diffraction due to the crystal structure was observed and only a circular pattern was observed, indicating that the prepared silicon oxide anode active material was amorphous.

1-2. 이차전지의 제조1-2. Manufacture of Secondary Battery

실시예 1-1에서 제조된 음극활물질, 도전재로서 카본 도전재, 바인더로서 폴리아크릴산(polyacrylic acid)을 70 : 15 : 15의 중량 비율로 혼합하고, 이들을 용매인 물에 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 제조된 음극 슬러리를 구리 집전체에 도포한 다음, 도포된 음극 슬러리를 60 ℃에서 건조시킨 후, 110 ℃에서 12시간 동안 건조시켜 음극을 제조하였다.A negative electrode active material prepared in Example 1-1, a carbon conductive material as a conductive material, and polyacrylic acid as a binder were mixed in a weight ratio of 70: 15: 15, and these were added to water as a solvent to prepare an anode slurry Respectively. The prepared negative electrode slurry was applied to a copper current collector, and then the coated negative electrode slurry was dried at 60 캜 and dried at 110 캜 for 12 hours to prepare a negative electrode.

에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC) 및 디에틸카보네이트(diethylene carbonate, DEC)를 30 : 70의 부피 비율로 혼합한 후, 여기에 1M의 LiPF6 및 트리스(2-메톡시에톡시)비닐실란 [tris(2-methoxyethoxy)vinylsilane] 10 중량%를 첨가하여 비수 전해액을 제조하였다.Ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 30:70, and 1 M of LiPF 6 and tris (2-methoxyethoxy) vinylsilane [tris (2-methoxyethoxy) vinylsilane] was added thereto to prepare a nonaqueous electrolytic solution.

상기와 같이 제조된 음극을 작업전극으로 사용하고, 리튬 금속을 상대 전극으로 사용하였으며, 양(兩) 전극 사이에 분리막 폴리프로필렌을 개재(介在)시킨 후, 상기에서 제조된 비수 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 완성하였다.
The negative electrode prepared as described above was used as a working electrode, lithium metal was used as a counter electrode, a separator polypropylene was interposed between both electrodes, and the nonaqueous electrolyte solution prepared above was injected to form lithium The secondary battery was completed.

<실험예 1><Experimental Example 1>

실시예 1에서 제조된 리튬이차전지에 대해, 0.01 ~ 2V 구간에서 충방전을 실시하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The lithium secondary battery manufactured in Example 1 was charged and discharged in the range of 0.01 to 2 V, and the results are shown in FIG.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 충전시(cathodic process) 약 0.27 ~ 0.01V에서 평탄면(plateau)이 관찰되었다. 이는 비정질 음극활물질에 리튬이 삽입되는 과정에 따른 것이다. 한편, 방전시(anodic process) 약 0.3 ~ 0.4V의 넓은(broad) 피크 모양이 관찰되었다. 이는 LiXSi의 비정질 음극활물질로부터 리튬이 탈착되는 과정에 따른 것이다. 이와 같이 전반적으로 넓은 피크 모양이 관찰되는 것으로 보아, 실시예 1-1에서 제조된 음극활물질은 비정질임을 알 수 있으며, 이는 투과전자현미경 분석 결과와 동일하였다.
As can be seen in FIG. 4, a plateau was observed at about 0.27 to 0.01 V during the cathodic process. This is due to the process of inserting lithium into the amorphous anode active material. On the other hand, a broad peak shape of about 0.3 to 0.4 V was observed during the anodic process. This is due to the process in which lithium is desorbed from the amorphous anode active material of Li X Si. As a result, it was found that the anode active material prepared in Example 1-1 was amorphous, which was the same as the transmission electron microscopic analysis result.

<실험예 2><Experimental Example 2>

실시예 1에서 제조된 리튬이차전지에 대해, 0.045A/g의 전류로 0.01 ~ 2V 구간에서 정전류-정전압(CC-CV) 방식으로 충전과 방전을 실시하였고, 측정 결과를 도 5 내지 7에 나타내었다.The lithium secondary battery manufactured in Example 1 was charged and discharged in a constant current-constant voltage (CC-CV) manner at a current of 0.045 A / g in a range of 0.01 to 2 V, and the measurement results are shown in FIGS. .

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1-1에서 제조된 음극은 1회 충전 시 정전류-정전압(CC-CV) 방식으로 0.01V까지 전압을 낮추어 유지하면서 전류를 인가할 때, 실리콘 산화물 음극활물질과 리튬과의 반응으로 리튬산화물(Li2O), 리튬실리케이트 (LiySiOx), 실리콘 (Si)이 형성되고 전해질 분해반응에 의한 SEI (solid electrolyte interphase)층이 형성되는 비가역적 용량이 발생한다. 2회 싸이클부터 1회 싸이클보다 방전용량이 증가하는 것으로 관찰되었다. 이는 2회 싸이클 방전시 리튬과의 얼로잉 반응에 대한 전극의 활성화가 증가하였고, 1회 싸이클 충전시 비가역적으로 생성된 리튬산화물(Li2O) 와 리튬실리케이트(LiySiOx)에 의해 실리콘과 리튬간 얼로이 반응시 발생하는 부피 변화를 수용하는 효과를 보이기 때문으로 사료된다. 이로 인해, 20 싸이클까지 방전용량이 잘 유지되는 것을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 5, when the negative electrode manufactured in Example 1-1 was applied with current while keeping the voltage down to 0.01 V by a constant current-constant voltage (CC-CV) method during one charging, The irreversible capacity in which lithium oxide (Li 2 O), lithium silicate (Li y SiO x ) and silicon (Si) are formed by the reaction of the active material with lithium and a solid electrolyte interphase (SEI) layer is formed by the electrolyte decomposition reaction Occurs. It has been observed that the discharge capacity increases from one cycle to two cycles. This results in an increase in the activation of the electrode for the alloying reaction with lithium during the cycle discharge of two cycles, and the lithium oxide (Li 2 O) and lithium silicate (Li y SiO x ) irreversibly generated in one cycle charging And the volume change occurring during lithium interloan reaction. It can be seen that the discharge capacity is maintained well up to 20 cycles.

도 5 내지 7에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1-1에서 제조된 음극은 초기 충전 용량이 약 950 mAh/g이고, 초기 방전 용량이 약 476 mAh/g로, 초기 쿨롱효율이 약 50.1%로 낮았으나, 2~5회 사이클에서는 약 520 내지 598 mAh/g의 방전 용량을 유지하면서 쿨롱효율은 2 사이클 이후부터 약 90.7% 이상으로 증가하여 20 사이클까지 98%로 유지되는 것으로 보아 리튬의 삽입-탈리 과정이 가역적인 반응을 하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 최대 방전용량 대비 용량 유지율이 88%로 높았다.As can be seen from Figs. 5 to 7, the negative electrode prepared in Example 1-1 had an initial charge capacity of about 950 mAh / g, an initial discharge capacity of about 476 mAh / g, an initial coulombic efficiency of about 50.1% But the coulombic efficiency was increased to about 90.7% or more from the second cycle and maintained at 98% up to 20 cycles while maintaining the discharge capacity of about 520 to 598 mAh / g in the second to fifth cycles. As a result, It can be seen that the desorption process is reversible. Also, the capacity retention ratio was 88% higher than the maximum discharge capacity.

종래의 음극활물질은 리튬의 삽입 및 탈리시 일어나는 음극활물질의 부피 변화 및 입자 부서짐 현상으로 인해서 음극활물질의 표면적이 증가하여 음극활물질이 전해질과 접하는 계면이 증가함으로써, 전해질의 환원 분해 반응이 활발히 일어난다. 따라서 비가역적 SEI 형성이 심화되어 추가적인 충전 용량이 생성되고 입자부서짐에 의한 전기적 절연이 발생하기 때문에, 10회 싸이클 내로 성능퇴화가 급격히 일어난다.In the conventional negative electrode active material, the surface area of the negative electrode active material increases due to the volume change of the negative electrode active material and the particle brittle phenomenon occurring when the lithium is inserted and removed, so that the interface of the negative electrode active material with the electrolyte increases, so that the reduction decomposition reaction of the electrolyte occurs actively. Therefore, degradation of performance occurs rapidly in 10 cycles because irreversible SEI formation is intensified and additional charging capacity is generated and electrical insulation is caused by particle brittleness.

그러나, 본 발명의 음극활물질은 1회 사이클 이후, 특히 20회 사이클 까지는 초기 방전용량 대비 유지율이 약 88%이었으며, 쿨롱효율은 약 98%로 유지되었다. 이로부터 본 발명에 따른 음극활물질의 경우, 반복적인 충방전을 실시하더라도 실리콘산화물계 입자 표면에 형성된 카본 코팅층으로 인해, 이차전지의 사이클 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.However, the retaining ratio of the negative electrode active material of the present invention after the first cycle, particularly 20 cycles, was about 88% of the initial discharge capacity, and the coulomb efficiency was maintained at about 98%. From the above, it was found that the cycle performance of the secondary battery can be improved due to the carbon coating layer formed on the surface of the silicon oxide particles even when the negative active material according to the present invention is repeatedly charged and discharged.

10: 음극활물질
11: 실리콘산화물계 입자
12: 카본 코팅층
10: anode active material
11: Silicon oxide-based particles
12: Carbon coating layer

Claims (13)

불활성 가스 분위기 하에서 비수계 용매에 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제를 혼합한 후, 상온에서 반응시켜 킬레이트화된 실리콘 전구체를 형성하는 단계; 및
환원 가스와 불활성 가스의 혼합가스 분위기 하에서 상기 전구체를 900 내지 1100 ℃에서 환원 열처리하여 실리콘 산화물계 입자(SiOx, 0<x≤2)를 형성하면서, 상기 실리콘 산화물계 입자의 표면에 상기 전구체의 킬레이트제 성분이 분해되어 카본 코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
Mixing a non-aqueous solvent with a silicon-containing reactant and a chelating agent in an inert gas atmosphere, and then reacting at a room temperature to form a chelated silicon precursor; And
The precursor is subjected to reduction heat treatment at 900 to 1100 캜 in a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas to form silicon oxide particles (SiO x , 0 < x? 2) Decomposing the chelating agent component to form a carbon coating layer;
Based negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 함유 반응물은 할로겐화 실리콘 및 할로겐화 실란으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon-containing reactant is selected from the group consisting of halogenated silicon and halogenated silane.
제1항에 있어서,
상기 킬레이트제는 카르복실기를 함유하는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the chelating agent comprises a compound containing a carboxyl group.
제3항에 있어서,
상기 카르복실기를 함유하는 화합물은 시트르산(citric acid)을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the carboxyl group-containing compound comprises citric acid. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 실리콘 함유 반응물 및 킬레이트제의 혼합비가 1 : 0.01 ~ 2의 몰 비율인 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixing ratio of the silicon-containing reactant and the chelating agent is in a molar ratio of 1: 0.01 to 2. The method for producing a silicon oxide based anode active material according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 비수계 용매는 글리콜 에테르계 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the non-aqueous solvent comprises a glycol ether-based solvent.
삭제delete 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조되어, 실리콘 산화물계 입자(SiOx, 0<x≤2) 및 상기 실리콘 산화물계 입자의 표면에 형성된 카본 코팅층을 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질.A method for producing a silicon oxide-based particle (SiO x , 0 < x? 2) and a silicon coating layer formed on the surface of the silicon oxide-based particle, which is produced by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, Oxide based negative electrode active material. 삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 실리콘 산화물계 입자(SiOx, 0<x≤2)는 결정질 (crystalline) 또는 비정질 (amorphous)인 실리콘 산화물계 음극활물질.
9. The method of claim 8,
Wherein the silicon oxide-based particles (SiO x , 0 < x? 2) are crystalline or amorphous.
제8항에 기재된 실리콘 산화물계 음극활물질을 포함하는 음극;
양극;
전해질; 및
분리막
을 구비하는 이차전지.
A negative electrode comprising the silicon oxide based negative electrode active material according to claim 8;
anode;
Electrolyte; And
Membrane
And a secondary battery.
제11항에 기재된 실리콘 산화물계 음극활물질을 포함하는 음극;
양극;
전해질; 및
분리막
을 구비하는 이차전지.
A negative electrode comprising the silicon oxide based negative electrode active material according to claim 11;
anode;
Electrolyte; And
Membrane
And a secondary battery.
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