KR101497824B1 - Electrode for a lithium secondary battery, method of forming the same and lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

리튬 이차 전지용 애노드는 실리콘 나노 분말, 탄소계 도전 물질 및 바인더로 이루어진 활물질체 및 상기 활물질체의 표면을 커버하는 크롬층을 포함한다. 상기 크롬층은 전기전도성을 높이고 전류 밀도를 증대시킬 수 있다. 상기 크롬층은 상기 활물질체 및 전해액 간의 직접적인 콘택을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 크롬층을 포함하는 애노드가 리튬 이차 전지에 적용될 경우, 상기 리튬 이차 전지는 안정적인 사이클 특성을 가질 수 있다.The anode for a lithium secondary battery includes an active material composed of a silicon nano powder, a carbon-based conductive material and a binder, and a chromium layer covering the surface of the active material. The chromium layer can increase the electrical conductivity and increase the current density. The chromium layer can suppress direct contact between the active material and the electrolytic solution. Therefore, when the anode including the chromium layer is applied to a lithium secondary battery, the lithium secondary battery may have stable cycle characteristics.

Description

리튬 이차 전지용 애노드, 이의 형성 방법 및 리튬 이차 전지{ELECTRODE FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY, METHOD OF FORMING THE SAME AND LITHIUM SECONDARY BATTERY}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an anode for a lithium secondary battery, a method for forming the anode, and a lithium secondary battery. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 리튬 이차 전지용 애노드, 상기 리튬 이차 전지용 애노드의 형성 방법 및 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전 및 방전이 가능한 이차 전지를 이루는 리튬 이차 전지용 애노드, 상기 애노드의 형성 방법 및 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to an anode for a lithium secondary battery, a method for forming the anode for the lithium secondary battery, and a lithium secondary battery, and more particularly to an anode for a lithium secondary battery constituting a secondary battery capable of charging and discharging, Battery.

리튬 이차 전지(Lithium secondary battery)는 전지 내에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 의하여 충전과 방전이 이루어지는 이차 전지의 일종으로, 충전 시에는 양극(cathode)에서 음극(anode) 쪽으로 리튬 이온이 이동하여 음극의 활물질에 삽입되며, 반대로 방전 시에는 음극에 삽입된 리튬 이온이 양극 쪽으로 이동하여 양극의 활물질에 삽입된다. 이러한 리튬 이차 전지는 에너지 밀도가 높고, 기전력이 크며, 고용량을 발휘할 수 있는 장점을 가지고 있어, 휴대전화, 노트북 등의 전원으로 많이 이용된다.Lithium secondary batteries are a type of secondary battery in which charging and discharging are performed by inserting and separating lithium ions in a battery. During charging, lithium ions move from the cathode to the anode, In contrast, during discharging, the lithium ions inserted into the negative electrode move toward the positive electrode and are inserted into the active material of the positive electrode. Such a lithium secondary battery has advantages of high energy density, large electromotive force, and high capacity, and is widely used as a power source for mobile phones and notebook computers.

상기 리튬 이차 전지는 통상 음극, 양극, 분리판 및 전해질로 구성된다. 음극과 양극은 상기와 같이 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 음극 활물질 및 양극 활물질을 포함한다. 분리판(separator)은 양극과 음극 사이에서 물리적인 전지 접촉을 방지한다. 대신 분리판을 통한 이온의 이동은 자유롭다. 전해액은 양극과 음극 사이에서 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 통로 역할을 한다.The lithium secondary battery is generally composed of a negative electrode, a positive electrode, a separator, and an electrolyte. The negative electrode and the positive electrode include a negative electrode active material and a positive electrode active material capable of inserting and desorbing lithium ions as described above. The separator prevents physical cell contact between the anode and cathode. Instead, the movement of the ions through the separator is free. The electrolyte serves as a passage through which ions can move freely between the anode and the cathode.

한편, 상기 음극을 구성하기 위한 탄소가 이용될 수 있다. 상기 탄소재료는 리튬의 층간 삽입/탈리 시에 부피 변화가 적고, 가역성이 뛰어나며, 가격이 상대적으로 저렴하여 리튬이온전지의 음극재료로 널리 사용되고 있다. 이러한 음극재료로 사용되는 탄소 재료는 그라파이트(graphite), 코크(coke), 파이버(fiber), 피치(pitch), 및 메조(meso) 탄소 등이 있다. 그러나, 상기 그라파이트는 단위질량당 충전용량에 이론적 한계(372 mAh g-1)가 있다. 따라서, 리튬이온전지의 에너지 밀도, 가역 용량 및 초기 충전효율과 같은 동작 특성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 음극 재료의 개발이 요구되고 있었다.On the other hand, carbon for constituting the negative electrode may be used. The carbon material is widely used as a negative electrode material for a lithium ion battery because it has less change in volume during intercalation / deintercalation of lithium, is excellent in reversibility, and is relatively inexpensive. Carbon materials used for such cathode materials include graphite, coke, fiber, pitch, and meso carbon. However, the graphite has a theoretical limit (372 mAh g < -1 >) to the charge capacity per unit mass. Therefore, there has been a demand for the development of a new anode material capable of greatly improving the operating characteristics such as the energy density, the reversible capacity and the initial charging efficiency of the lithium ion battery.

최근 상기한 문제점을 해결하기 위한 시도로 실리콘을 이용한 전극개발이 주목을 받고 있다. 실리콘은 그라파이트 전극 또는 다른 다양한 산화물, 질화물 재료 전극의 충전용량(charge capacity)보다 10배 이상 높은 이론적 단위질량당 충전용량(약 4,200 mAh g-1)을 가지기 때문에 리튬이온전지 분야에서 많은 관심을 가지고 있는 소재이다.Recently, development of electrodes using silicon has attracted attention as an attempt to solve the above problems. Silicon is of great interest in the field of lithium ion batteries because it has a theoretical capacity per unit of mass (about 4,200 mAh g <" 1 >) 10 times higher than the charge capacity of the graphite electrode or various other oxide, Is the material.

상기 실리콘을 음극 소재로 사용된 리튬 이차 전지의 충방전시, 리튬 이온이 실리콘과 반응하여 새로운 화합물을 만들어내는 alloying 반응을 하며, 역 방향으로는 반응이 발생하는 de-alloying 반응을 한다. 이는, 기존 음극 소재로 사용되는 탄소 계열의 애노드를 포함하는 리튬 이차 전지의 경우 상기 애노드의 층간 구조 사이에 리튬 이온의 삽입 탈리 반응과 다르다. 하지만 이러한 실리콘의 반응 때문에 실리콘 음극 소재는 리튬이온과의 반응 전후에 400% 이상의 큰 부피변화가 발생하여 실제 음극재료로의 적용에는 많은 제약이 따르게 된다. 즉, 상기 실리콘으로 이루어진 애노드의 부피가 크게 팽창하게 되면 격자 사이에 강한 기계적인 힘이 가해지게 되고 이는 결정격자 사이의 결합 또는 구조를 파괴할 수 있으며, 이는 결론적으로 리튬이온전지의 안정성 및 용량을 저하시키게 된다. When lithium is used as a negative electrode material in the lithium secondary battery, the lithium ion reacts with silicon to form a new compound, and in the opposite direction, a de-alloying reaction occurs. This is different from the intercalation reaction of lithium ions between the interlayer structure of the anode in the case of a lithium secondary battery including a carbon-based anode used as a conventional anode material. However, due to the silicon reaction, the silicon negative electrode material has a large volume change of 400% or more before and after the reaction with the lithium ion, so that there are many restrictions on the application to the actual negative electrode material. That is, when the volume of the anode made of silicon is greatly expanded, a strong mechanical force is applied between the lattices, which can destroy the bond or the structure between the crystal lattices. As a result, the stability and the capacity of the lithium- .

상기 실리콘 애노드의 문제점인 큰 부피 변화율을 줄여주기 위하여 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 중 하나가 실리콘 모노옥사이드 (SiOx)를 이용하는 것이다. 실리콘 모노옥사이드는 실리콘에 산소기가 붙어있는 형태이며 리튬과 반응시 리튬과 실리콘 사이의 주반응 외에도 기타 산화물이 생성되는 반응이 생겨난다. 이러한 부수적인 생성물들이 실리콘의 부피팽창을 완화시키는 역할을 함으로써 향상된 성능을 나타내고 있다. A lot of research has been carried out to reduce the large volume change rate which is a problem of the silicon anode, and one of them uses silicon monoxide (SiOx). Silicon monoxide is a form of silicon with oxygen attached to it, and when it reacts with lithium, a reaction occurs in which other oxides are formed besides the main reaction between lithium and silicon. These ancillary products exhibit improved performance by mitigating the volumetric expansion of silicon.

한편, 실리콘 소재의 낮은 전기전도성을 보완하기 위하여 실리콘 모노 옥사이드를 탄소소재로 합성하여 전지 수명 향상을 이루는 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만 실리콘 원자에 결합된 상기 산소기 및 탄소 소재의 합성으로 인해 리튬 이차 전지의 충전 용량이 감소하게 되는 문제가 있다.On the other hand, in order to improve the low electrical conductivity of silicon materials, many studies have been conducted to improve the battery life by synthesizing silicon monoxide with carbon materials. However, there is a problem that the charge capacity of the lithium secondary battery is reduced due to the synthesis of the oxygen group and the carbon material bonded to the silicon atom.

본 발명의 일 목적은 개선된 용량 및 수명을 갖는 리튬 이차 전지용 애노드를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an anode for a lithium secondary battery having an improved capacity and a long life.

본 발명의 다른 목적은 상기 리튬 이차 전지용 애노드의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the anode for a lithium secondary battery.

본 발명의 또 다른 목적은 용량 및 수명을 갖는 리튬 이차 전지용 애노드를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including an anode for a lithium secondary battery having a capacity and a life.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 애노드는 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 활물질체 및 상기 활물질체의 표면을 커버하는 크롬층을 포함한다. 여기서,상기 실리콘 산화물 분말은 실리콘 모노 옥사이드(silicon mono-oxide)로 이루어질 수 있다. 또한 상기 바인더는 polyvinylidene fluoride(PVDF)를 포함할 수 있다.An anode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes an active material composed of a silicon oxide powder, a graphite, and a binder, and a chromium layer covering a surface of the active material. Here, the silicon oxide powder may be a silicon mono-oxide. The binder may also include polyvinylidene fluoride (PVDF).

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 활물질체는 실리콘 산화물 박막 및 상기 실리콘 산화물 박막 상에 형성된 그라파이트 박막을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the active material may include a silicon oxide thin film and a graphite thin film formed on the silicon oxide thin film.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 애노드의 형성 방법에 있어서, 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 활물질체를 형성한다. 이후, 상기 활물질체의 표면에 크롬층을 형성한다. 여기서, 상기 크롬층은 이온빔 스퍼터링 공정을 통하여 형성될 수 있다.In the method of forming an anode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, an active material composed of silicon oxide powder, graphite, and a binder is formed. Thereafter, a chromium layer is formed on the surface of the active material. Here, the chromium layer may be formed through an ion beam sputtering process.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 활물질체는, 상기 실리콘 산화물 분말 및 상기 그라파이트를 혼합하여 복합체를 형성하고, 상기 복합체에 바인더를 추가함으로써 형성될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the active material may be formed by mixing the silicon oxide powder and the graphite to form a composite, and adding a binder to the composite.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 양극과 마주보도록 배치되며, 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 음극 활물질체 및 상기 활물질체의 표면을 커버하는 크롬층을 포함하는 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되며 전해질층을 포함할 수 있다.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a cathode including a cathode active material, an anode active material disposed to face the anode, the anode active material including silicon oxide powder, graphite, and a binder, and a chromium layer And an electrolyte layer interposed between the anode and the cathode.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 애노드는 활물질체의 표면을 커버링하는 크롬층을 구비한다. 여기서, 상기 크롬층은 상대적으로 높은 전기 전도도 및 전류 밀도를 갖는다. 따라서, 상기 크롬층을 갖는 리튬 이차 전지용 애노드가 리튬 이차 전지에 적용될 경우, 상기 리튬 이차 전지는 개선된 충전 용량을 가질 수 있다. An anode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a chromium layer covering a surface of an active material. Here, the chromium layer has relatively high electrical conductivity and current density. Accordingly, when the anode for a lithium secondary battery having the chromium layer is applied to a lithium secondary battery, the lithium secondary battery may have an improved charging capacity.

또한, 상기 크롬층은 부식을 억제할 수 기계적인 특성을 가지므로, 애노드 내의 활물질체 및 전해질과의 직접적인 접촉을 억제함으로써 전해질의 분해 및 반응을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 리튬층을 포함하는 애노드가 리튬 이차 전지에 적용될 경우, 상기 리튬 이차 전지는 안정적인 사이클 특성을 가질 수 있다.In addition, since the chromium layer has mechanical characteristics capable of suppressing corrosion, it is possible to suppress the decomposition and reaction of the electrolyte by suppressing direct contact with the active material and the electrolyte in the anode. Therefore, when the anode including the lithium layer is applied to a lithium secondary battery, the lithium secondary battery may have stable cycle characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 애노드를 설명하기 위한 EPMA로 측정한 이미지들이다.
도 2는 도1의 리튬 이차 전지용 애노드에 대한 전자 현미경 사진이다.
도 3은 크롬층을 이용하여 활물질체를 코팅하기 전의 애노드 및 크롬층을 코팅한 후의 애노드의 충전 용량에 관한 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 크롬층을 이용하여 활물질체를 코팅하기 전의 애노드 및 크롬층을 코팅한 후의 애노드의 충전용량에 관하여 전류 밀도 변화시 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 크롬층을 이용하여 활물질체를 코팅하기 전의 애노드 및 크롬층을 코팅한 후의 애노드의 임퍼던스에 관한 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
FIG. 1 is an image of an anode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention measured by EPMA.
2 is an electron micrograph of the anode for a lithium secondary battery of FIG. 1;
3 is a graph showing the cycle characteristics with respect to the charging capacity of the anode after coating the anode and the chromium layer before coating the active material with the chromium layer.
4 is a graph showing the cycle characteristics when the current density changes with respect to the charging capacity of the anode after coating the anode and the chromium layer before coating the active material with the chromium layer.
FIG. 5 is a graph showing the cycle characteristics of the anode on the anode after the anode and the chromium layer are coated before coating the active material with the chromium layer. FIG.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In the accompanying drawings, the sizes and the quantities of objects are shown enlarged or reduced from the actual size for the sake of clarity of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "comprising" and the like are intended to specify that there is a stated feature, step, function, element, or combination thereof, Quot; or " an " or < / RTI > combinations thereof.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
On the other hand, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

리튬 이차 전지용 애노드Anode for lithium secondary battery

본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지용 애노드는 활물질체 및 크롬층을 포함한다.An anode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes an active material and a chromium layer.

상기 활물질체는 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진다. The active material is composed of silicon oxide powder, graphite, and a binder.

상기 실리콘 산화물 분말은 예를 들면 실리콘 모노 옥사이드(silicon mono-oxide)로 이루어질 수 있다. 상기 활물질체가 실리콘 모노 옥사이드를 포함할 경우, 상기 실리콘 및 리튬이 반응할 경우 발생하는 생성물들이 실리콘의 부피팽창을 완화시키는 역할을 함으로써 개선된 축방전 성능을 가질 수 있다.The silicon oxide powder may be made of, for example, silicon mono-oxide. When the active material includes silicon monoxide, the products generated when the silicon and lithium react with each other may alleviate volumetric expansion of silicon, thereby having improved axial discharge performance.

상기 그라파이트는 결정질 구조를 갖는다. 예를 들면 상기 그라파이트는 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 가진다. 상기 그라파이가 상기 활물질체에 포함됨에 따라 상기 리튬 이차 전지용 애노드의 수명이 연장될 수 있으며, 또한 상기 활물질체의 전기전도도를 개선할 수 있다.The graphite has a crystalline structure. For example, the graphite has a hexagonal crystal structure. As the graphite is included in the active material, the lifetime of the anode for the lithium secondary battery can be prolonged and the electrical conductivity of the active material can be improved.

상기 바인더는 상기 실리콘 산화물 분말 및 그라파이트를 상호 연결한다. 상기 바인더의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF)를 들 수 있다.  The binder interconnects the silicon oxide powder and the graphite. An example of the binder is polyvinylidene fluoride (PVDF).

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 활물질체는 실리콘 산화물로 이루어진 실리콘 산화물 박막 및 상기 실리콘 산화물 박막 상에 형성된 그라파이트 박막으로 이루어진 다층 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the active material may have a multi-layer structure including a silicon oxide thin film made of silicon oxide and a graphite thin film formed on the silicon oxide thin film.

상기 크롬층은 상기 활물질체의 표면을 커버한다. 상기 크롬층은 상대적으로 우수한 전기 전도도 및 전기 전도도를 갖는다. 따라서, 상기 크롬층을 포함하는 리튬 이차 전지용 애노드는 감소된 임피던스를 가질 수 있다.The chromium layer covers the surface of the active material. The chromium layer has relatively good electrical conductivity and electrical conductivity. Accordingly, the anode for a lithium secondary battery including the chrome layer may have a reduced impedance.

나아가, 상기 크롬층을 포함하는 애노드 및 전해질을 포함하는 이차 전지에 적용할 경우 상기 크롬층은 상기 활물질체 및 전해질 간의 접촉을 억제함으로서 상기 전해질의 분해 및 반응이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 크롬층을 포함하는 애노드가 리튬 이차 전지에 적용될 경우, 상기 리튬 이차 전지는 안정적인 사이클 특성을 가질 수 있다.
Further, when the present invention is applied to a secondary battery including the anode and the electrolyte containing the chromium layer, the chromium layer suppresses contact between the active material and the electrolyte, so that decomposition and reaction of the electrolyte can be suppressed. Therefore, when the anode including the chromium layer is applied to a lithium secondary battery, the lithium secondary battery may have stable cycle characteristics.

리튬 이차 전지용 애노드의 형성 방법Method for forming anode for lithium secondary battery

본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 애노드의 형성 방법에 있어서, 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 활물질체를 형성한다. 상기 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더는 예를 들면 4.5:4.5:1의 중량비로 조절될 수 있다. 상기 실리콘 산화물 분말은 실리콘 나노 옥사이드를 포함할 수 있다.In the method for forming an anode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, an active material composed of a silicon oxide powder, a graphite, and a binder is formed. The silicon oxide powder, the graphite and the binder may be adjusted to a weight ratio of 4.5: 4.5: 1, for example. The silicon oxide powder may include silicon nano-oxide.

보다 구체적으로 실리콘 모노 옥사이드에 그라파이트를 1:1 질량비롤 혼합한다. 여기서, 상기 혼합 공정은 예를 들면 볼밀 공정을 포함할 수 있다. 상기 볼밀 공정은 1,200rpm 회전 속도로 30분간 진행되어 복합체를 형성할 수 있다. 이어서, 상기 복합체 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF)와 같은 바인더를 용매로 혼합하여 슬러리를 형성한다. 이후, 상기 슬러리를 구리 호일 위에 캐스팅한 후, 상기 캐스팅된 물질을 진공 오븐 내에 건조하여 활물질체를 형성한다. 여기서, 상기 활물질체에 포함된 상기 실리콘 산화물 분말, 탄소계 도전 물질 및 바인더는 각각 4.5 : 4.5 : 1의 질량비로 조절할 수 있다. More specifically, the graphite is mixed with the silicon monoxide at a ratio of 1: 1 by mass. Here, the mixing process may include, for example, a ball mill process. The ball milling process may be conducted at a rotational speed of 1,200 rpm for 30 minutes to form a composite. Subsequently, the composite and a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) are mixed with a solvent to form a slurry. Thereafter, the slurry is cast on a copper foil, and then the cast material is dried in a vacuum oven to form an active material. Here, the silicon oxide powder, the carbon-based conductive material, and the binder contained in the active material may be adjusted to a mass ratio of 4.5: 4.5: 1.

이어서, 상기 활물질체의 표면에 크롬층을 코팅한다. 여기서, 상기 크롬층은 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering) 공정을 통하여 형성될 수 있다. Next, a chromium layer is coated on the surface of the active material. Here, the chromium layer may be formed through an ion beam sputtering process.

상기 이온빔 스퍼터링 공정에 있어서, 진공으로 유지되는 챔버 내에서, 독립적으로 제어가능한 에너지 및 플럭스 밀도를 갖는 이옴빔을 크롬으로 이루어진 타겟을 향하여 경사지게 입사시켜, 상기 타겟의 표면으로부터 크롬 이온을 방출시킨다. 상기 방출된 크롬 이온이 활물질체의 표면에 응착하게 된다. 따라서, 이온빔 스퍼터링 공정을 통하여 상기 크롬층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
In the ion beam sputtering process, an ohmic beam having independently controllable energy and flux density is inclinedly incident on a target made of chromium in a vacuum maintained chamber to release chromium ions from the surface of the target. The released chromium ions adhere to the surface of the active material. Accordingly, the thickness of the chromium layer can be easily controlled through the ion beam sputtering process.

리튬 이차 전지Lithium secondary battery

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 전해질층을 포함한다. A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a cathode, a cathode, and an electrolyte layer.

상기 양극은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함한다. 이러한 양극 활물질은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiCrO2, LiMn2O4 등과 같은 전지반응에 사용되는 리튬을 함유하고 있는 전이금속 산화물(lithiated cathode)이 될 수 있다. 또한 양극부에 포함되는 양극 활물질은 환경 친화적이고, 코발트(Co)와 같은 희귀 금속을 사용하지 않고, 대신에 매장량이 풍부한 철을 함유하여 원료의 가격도 매우 저렴하고, 전지 용량에도 크게 기여하는 장점이 있는 리튬 철인산화물(Lithium Iron Phosphate, LiFePO4)이 될 수 있다. The positive electrode includes a positive electrode active material capable of inserting and desorbing lithium ions. Such a cathode active material may be a lithiated cathode containing lithium used for a cell reaction such as LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiCrO2, LiMn2O4 and the like. In addition, the cathode active material contained in the anode portion is environmentally friendly, and does not use a rare metal such as cobalt (Co). Instead, it contains iron rich in reserves, so that the cost of raw materials is very low, (Lithium Iron Phosphate, LiFePO4). ≪ / RTI >

상기 음극은 상기 양극과 마주보도록 배치된다. 상기 음극은 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 활물질체 및 상기 활물질체의 표면을 커버하는 크롬층을 포함한다. The negative electrode is disposed to face the positive electrode. The negative electrode includes an active material composed of silicon oxide powder, graphite and a binder, and a chromium layer covering the surface of the active material.

상기 활물질체는 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진다. 상기 실리콘 산화물 분말은 예를 들면 실리콘 모노 옥사이드(silicon mono-oxide)로 이루어질 수 있다. 상기 활물질체가 실리콘 모노 옥사이드를 포함할 경우, 상기 실리콘 모노 옥사이드 및 리튬이 반응할 경우 발생하는 생성물들이 실리콘의 부피팽창을 완화시키는 역할을 함으로써 개선된 축방전 성능을 가질 수 있다.The active material is composed of silicon oxide powder, graphite, and a binder. The silicon oxide powder may be made of, for example, silicon mono-oxide. When the active material includes silicon monoxide, the products generated when the silicon monoxide and lithium react with each other may alleviate the volumetric expansion of silicon, thereby having improved axial discharge performance.

상기 그라파이트는 결정질 구조를 갖는다. 예를 들면 상기 그라파이트는 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 가진다. 상기 그라파이가 상기 활물질체에 포함됨에 따라 상기 리튬 이차 전지용 애노드의 수명이 연장될 수 있으며, 또한 상기 활물질체의 전기전도도를 개선할 수 있다.The graphite has a crystalline structure. For example, the graphite has a hexagonal crystal structure. As the graphite is included in the active material, the lifetime of the anode for the lithium secondary battery can be prolonged and the electrical conductivity of the active material can be improved.

상기 바인더는 상기 실리콘 산화물 분말 및 그라파이트를 상호 연결한다. 상기 바인더의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF)를 들 수 있다.  The binder interconnects the silicon oxide powder and the graphite. An example of the binder is polyvinylidene fluoride (PVDF).

상기 크롬층은 상기 활물질체의 표면을 커버링한다. 상기 크롬층은 상대적으로 우수한 전기전도도 및 전류 밀도를 가질 수 있다.The chromium layer covers the surface of the active material. The chrome layer may have relatively good electrical conductivity and current density.

나아가, 상기 크롬층을 포함하는 애노드 및 전해질을 포함하는 이차 전지에 적용할 경우 상기 크롬층은 상기 활물질체 및 전해질 간의 접촉을 억제함으로서 상기 전해질의 분해 및 반응이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 크롬층을 포함하는 애노드가 리튬 이차 전지에 적용될 경우, 상기 리튬 이차 전지는 안정적인 사이클 특성을 가질 수 있다.Further, when the present invention is applied to a secondary battery including the anode and the electrolyte containing the chromium layer, the chromium layer suppresses contact between the active material and the electrolyte, so that decomposition and reaction of the electrolyte can be suppressed. Therefore, when the anode including the chromium layer is applied to a lithium secondary battery, the lithium secondary battery may have stable cycle characteristics.

상기 전해질층은 상기 양극 및 음극 사이에 개재된다. 상기 전해질층은 전해액을 포함한다. 상기 전해액의 예로는 비수성 유기 용매가 될 수 있으며, 여기에 리튬염이 포함될 수 있다. 상기 비수성 유기 용매는 환상 또는 비환상 카보네이트, 지방족 카르복실산 에스테르 등이 단독 또는 2종 이상이 혼합되어 있는 것을 이용할 수 있다.
The electrolyte layer is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The electrolyte layer includes an electrolytic solution. Examples of the electrolytic solution may be a non-aqueous organic solvent, and a lithium salt may be included therein. As the non-aqueous organic solvent, a cyclic or acyclic carbonate, an aliphatic carboxylic acid ester or the like may be used, or a mixture of two or more thereof may be used.

리튬 이차전지용 애노드의 평가Evaluation of anode for lithium secondary battery

실리콘 모노 옥사이드에 그라파이트를 1200rpm으로 30분간 볼밀 공정을 수행하여 같은 질량비율로 혼합시켜 복합체를 형성하였다. 상기 복합체를 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 9대 1의 질량비로 활물질체를 형성하였다. 상기 활물질체를 대상으로 이온빔 스퍼터링 공정을 통하여 상기 활물질체 상에 크롬층을 형성하여 리튬 이차 전지용 애노드를 제조하였다. 또한, 상기 리튬 이차 전지용 전극을 음극으로, 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2) 물질을 음극으로, 폴리프로필렌 물질을 분리판으로, LiPF6이 포함되고 EC 및 EMC가 1:1의 비율로 혼합된 전해액으로 코인셀을 제작하였다. The silicon monoxide was subjected to a ball milling process at 1200 rpm for 30 minutes to mix graphite at the same mass ratio to form a composite. The composite was used as a binder to form an active material at a mass ratio of 9: 1 with polyvinylidene fluoride (PVDF). A chromium layer was formed on the active material through an ion beam sputtering process on the active material to prepare an anode for a lithium secondary battery. Further, the lithium secondary cell electrode as the negative electrode, lithium cobalt oxide (LiCoO2) the substance as the cathode, poly propylene material as the distribution plate, containing the LiPF 6, and the EC and EMC 1: coin in the electrolyte are mixed in the ratio of 1 Cells were fabricated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 애노드를 설명하기 위한 EPMA로 측정한 이미지들이다.FIG. 1 is an image of an anode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention measured by EPMA.

도 1을 참조하면, 그라파이트가 합성된 실리콘 모노옥사이드층의 상부 표면에 크롬층이 균일하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be seen that a chromium layer is uniformly formed on the upper surface of the silicon monoxide layer in which the graphite is synthesized.

도 2는 도1의 리튬 이차 전지용 애노드에 대한 전자 현미경 사진이다.2 is an electron micrograph of the anode for a lithium secondary battery of FIG. 1;

도 2를 참조하면, 실리콘 모노옥사이드층 위에 탄소 소재인 그라파이트층이 형성되고, 상기 그라파이트층 상에 크롬층이 형성되어 있다. 상기 크롬층은 약 40nm의 두께로 균일하게 형성되어 있다. Referring to FIG. 2, a carbon graphite layer is formed on a silicon monoxide layer, and a chromium layer is formed on the graphite layer. The chromium layer is uniformly formed to a thickness of about 40 nm.

도 3은 도1의 리튬 이차 전지용 애노드에 대한 전자 현미경 사진이다.3 is an electron micrograph of the anode for a lithium secondary battery of FIG. 1;

도 3을 참조하면, 실리콘 모노옥사이드 표면에 결정질 구조를 갖는 그라파이트가 코팅되어 그라파이트 박막을 이루며 상기 그라파이트 박막 상에 크롬층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 3, graphite having a crystalline structure was coated on the surface of the silicon monoxide to form a graphite thin film, and a chromium layer was formed on the graphite thin film.

도 3은 크롬층을 이용하여 활물질체를 코팅하기 전의 애노드 및 크롬층을 코팅한 후의 애노드의 충전 용량에 관한 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the cycle characteristics with respect to the charging capacity of the anode after coating the anode and the chromium layer before coating the active material with the chromium layer.

도 3을 참조하면, 전기화학 분석을 통해 사이클 특성을 나타낸 것으로 총 100 사이클 동안의 특성을 비교하였다. 이때, 전류 속도는 0.1 C-rate로 조절되었다.Referring to FIG. 3, cyclic characteristics are shown through electrochemical analysis, and characteristics for a total of 100 cycles are compared. At this time, the current speed was adjusted to 0.1 C-rate.

본 발명과 같이 크롬층이 형성된 음극이 그렇지 않은 애노드에 비하여 충전 용량이 전반적으로 높은 것을 알 수 있다. 특히, 100 사이클까지의 충전 용량 유지율과 관련하여, 크롬층이 형성된 음극이 75%의 유지율을 갖는 반면에, 크롬층이 형성되지 않는 활물질체로 이루어진 음극은 69%로 나타내여, 크롬층이 형성된 음극을 포함하는 리튬 이차 전기가 개선된 싸이클 특성을 가짐을 확인할 수 있다. It can be seen that the cathode in which the chromium layer is formed has a higher charging capacity than the anode in which the chromium layer is formed, as in the present invention. In particular, with respect to the charge retention rate up to 100 cycles, the negative electrode having the chromium layer had a retention rate of 75%, while the negative electrode made of the active material having no chromium layer showed 69% Can be confirmed to have improved cycle characteristics.

도 4는 크롬층을 이용하여 활물질체를 코팅하기 전의 애노드 및 크롬층을 코팅한 후의 애노드의 충전용량에 관하여 전류 밀도 변화시 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the cycle characteristics when the current density changes with respect to the charging capacity of the anode after coating the anode and the chromium layer before coating the active material with the chromium layer.

도 4를 참조하면, 0.1 C-rate 외의 속도에 대한 용량 변화를 알기 위해서 5 사이클 마다 전류 속도를 변화시켜 주면서 용량 측정이 측정되었다. 즉, 0.1 C-rate 외에도 0.2 C-rate, 0.5 C-rate, 1.0 C-rate의 속도로 5 사이클 마다 전류 속도를 변경하는 측정 조건에서 크롬층이 코팅된 애노드가 크롬층이 코팅되지 않은 애노드보다 우수한 충전 용량을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 이는 크롬층이 상대적으로 높은 전기 전도도를 갖기 때문이다.Referring to FIG. 4, the capacitance measurement was measured while varying the current rate every five cycles in order to know the capacitance change with respect to the speed other than 0.1 C-rate. That is, in the measurement condition that the current rate is changed every 5 cycles at a rate of 0.2 C-rate, 0.5 C-rate, and 1.0 C-rate in addition to the 0.1 C-rate, the anode coated with the chromium layer It can be seen that it has excellent charge capacity. This is because the chromium layer has a relatively high electrical conductivity.

도 5는 크롬층을 이용하여 활물질체를 코팅하기 전의 애노드 및 크롬층을 코팅한 후의 애노드의 임퍼던스에 관한 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the cycle characteristics of the anode on the anode after the anode and the chromium layer are coated before coating the active material with the chromium layer. FIG.

1 사이클, 5 사이클, 10 사이클이 진행된 후의 크롬층이 코팅된 애노드과 크롬층이 코팅되지 애노드의 임피던스 분석 값을 비교해본 결과 크롬층이 코팅된 애노드가 상대적으로 낮은 임피던스(전기 저항)를 가짐을 확인할 수 있다. 상기 크롬층이 코팅된 애노드가 보다 안정적인 반응을 진행하고 있다고 볼 수 있다.Comparing the impedance analysis values of the anode coated with the chromium layer and the anode coated with the chromium layer after 1 cycle, 5 cycles, and 10 cycles, it was confirmed that the anode coated with the chromium layer had a relatively low impedance (electric resistance) . It can be seen that the anode coated with the chromium layer proceeds more stable reaction.

Claims (8)

실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 활물질체; 및
상기 활물질체의 표면을 커버하는 크롬층을 포함하는 리튬 이차 전지용 애노드.
An active material composed of a silicon oxide powder, a graphite and a binder; And
And a chromium layer covering the surface of the active material.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 산화물 분말은 실리콘 모노 옥사이드(silicon mono-oxide)로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 애노드.The anode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the silicon oxide powder is made of silicon mono-oxide. 제1항에 있어서, 상기 바인더는 polyvinylidene fluoride(PVDF)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 애노드.The anode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the binder comprises polyvinylidene fluoride (PVDF). 제1항에 있어서, 상기 활물질체는 실리콘 산화물 박막 및 상기 실리콘 산화물 박막 상에 형성된 그라파이트 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 애노드.The anode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the active material comprises a silicon oxide thin film and a graphite thin film formed on the silicon oxide thin film. 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 활물질체를 형성하는 단계;
상기 활물질체의 표면에 크롬층을 형성하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 애노드의 제조 방법.
Forming an active material composed of a silicon oxide powder, a graphite and a binder;
And forming a chromium layer on the surface of the active material.
제5항에 있어서, 상기 크롬층을 코팅하는 단계는 이온빔 스퍼터링 공정을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 애노드의 제조 방법.6. The method of claim 5, wherein the step of coating the chromium layer is performed by an ion beam sputtering process. 제5항에 있어서, 상기 활물질체를 형성하는 단계는
상기 실리콘 산화물 분말 및 상기 그라파이트를 혼합하여 복합체를 형성하는 단계; 및
상기 복합체에 바인더를 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 애노드의 제조 방법.
6. The method of claim 5, wherein forming the active material comprises:
Mixing the silicon oxide powder and the graphite to form a composite; And
And adding a binder to the composite. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
양극 활물질을 포함하는 양극;
상기 양극과 마주보도록 배치되며, 실리콘 산화물 분말, 그라파이트 및 바인더로 이루어진 음극 활물질체 및 상기 활물질체의 표면을 커버하는 크롬층을 포함하는 음극; 및
상기 양극 및 음극 사이에 개재되며 전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
A cathode comprising a cathode active material;
A negative electrode disposed to face the positive electrode and including a negative electrode active material composed of silicon oxide powder, graphite, and a binder, and a chromium layer covering a surface of the active material; And
And an electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode.
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