KR101500983B1 - Manufacturing of nitrogen doped carbon coated Silicon based anode materials and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
질소 도핑된 탄소 코팅을 포함하는 실리콘계 음극활물질과 이를 포함하는 리튬이차전지가 제공된다.
본 발명에 따른 질소 도핑된 탄소 코팅을 포함하는 실리콘계 음극활물질은 질소를 다량 함유하고 있는 이온성 액체인 1-ethyl-3-methylimidazolium dicynamide와의 혼합과정 및 탄화과정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 우수한 방전용량 및 고출력 특성을 가지는 리튬이차전지를 제조할 수 있다.There is provided a silicon-based negative active material including a nitrogen-doped carbon coating and a lithium secondary battery comprising the same.
The silicon-based anode active material containing the nitrogen-doped carbon coating according to the present invention is characterized by being mixed and carbonized with 1-ethyl-3-methylimidazolium dicynamide, which is an ionic liquid containing a large amount of nitrogen. A lithium secondary battery having excellent discharge capacity and high output characteristics can be produced.
Description
본 발명은 전기전도도가 우수한 질소 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 음극활물질의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다. 본 발명은 보다 상세하게는 고용량을 가지는 음극소재인 실리콘계 입자와 질소를 다량 함유하고 있는 이온성액체를 혼합한 후 열처리를 통한 탄소화 공정을 통해 질소가 도핑된 탄소 코팅층을 실리콘계 입자 표면에 형성하게 함으로써 실리콘계 음극활물질을 제조하는 방법에 관한 것이며, 이에 따라 제조된 실리콘계 음극활물질을 리튬이차전지에 적용함으로써 고출력 특성 및 고용량을 구현하는 것이다.
The present invention relates to a method for producing a silicon-based anode active material including a nitrogen-doped carbon coating layer having excellent electrical conductivity, and a lithium secondary battery comprising the same. More particularly, the present invention relates to a method of forming a carbon-doped carbon coating layer on a surface of a silicon-based particle by mixing a silicon-based particle having a high capacity and an ionic liquid containing a large amount of nitrogen, followed by a carbonization process by heat treatment The present invention relates to a method for producing a silicon-based anode active material, and a silicon-based anode active material thus prepared is applied to a lithium secondary battery to realize a high output characteristic and a high capacity.
리튬이차전지는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션 (Intercalation) / 디인터칼레이션 (Deintercalation)될 때의 화학전위 (Chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 전지이다. 이러한 리튬이차전지는 리튬이온의 가역적인 인터칼레이션 / 디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극사이에 유기 전해질 또는 폴리머 전해질을 충전시켜 제조한다. 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 복합금속 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2 (0 < x < 1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들이 연구되고 있다.The lithium secondary battery is a battery that generates electrical energy by changing the chemical potential when the lithium ions are intercalated / deintercalated in the positive and negative electrodes. Such a lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode. As the cathode active material of the lithium secondary battery, a lithium composite metal compound is used. Examples of the lithium composite metal compound include LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1), LiMnO 2 Metal oxides are being studied.
리튬이차전지의 음극활물질로는 리튬의 인터칼레이션 / 디인터칼레이션이 가능한 흑연 등이 대표적으로 적용되어 왔다. 그러나, 이러한 흑연을 이용한 전극은 전하용량이 365 mAh/g (이론값: 372 mAh/g)으로 낮기 때문에, 우수한 용량 특성을 나타내는 리튬 차전지를 제공하는데 한계가 있었다.As an anode active material of a lithium secondary battery, graphite capable of intercalation / deintercalation of lithium has been typically used. However, since the graphite-based electrode has a low charge capacity of 365 mAh / g (theoretical value: 372 mAh / g), there is a limit in providing a lithium secondary battery exhibiting excellent capacity characteristics.
이에 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 또는 안티몬 (Sb)과 같은 무기물계 활물질이 연구되어 왔다. 이러한 무기물계 활물질, 특히, 실리콘계 음극 활물질은 매우 큰 리튬결합량 (이론적 최대치: Li4.4Si)을 나타낼 수 있고, 이는 약 4200 mAh/g의 이론적 용량에 근접한다.Accordingly, inorganic active materials such as silicon (Si), germanium (Ge), and antimony (Sb) have been studied. Such a mineral-based active material, in particular, a silicon-based negative electrode active material, can exhibit a very large amount of lithium bonding (theoretical maximum: Li 4.4 Si), approaching a theoretical capacity of about 4200 mAh / g.
하지만, 상기 실리콘계 음극 활물질은 리튬의 인터칼레이션 / 디인터칼레이션, 즉, 전지의 충방전시 큰 부피변화를 야기하여 활물질이 파쇄 (pulverization)될 수 있다. 그 결과, 음극활물질의 파쇄물들은 전류 집전체로부터 전기적으로 탈리될 수 있고, 이는 긴 사이클 하에서 비가역 용량 손실을 가져올 수 있다. 실리콘계 음극 활물질의 또 하나의 단점은 낮은 전기전도도이다. 이로 인해 실리콘계 음극 활물질은 출력 특성이 기존의 탄소소재의 음극활물질에 비해 떨어지는 문제가 있어 차세대 리튬이차전지 개발에 있어 이러한 문제점을 해결해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전기전도도가 우수하며, 기계적 물성이 뛰어난 탄소소재와 실리콘계 음극 물질의 복합화 또는 탄소표면 코팅을 도입해 실리콘계 음극활물질의 사이클 특성 및 출력 특성을 향상시키려 하였다. However, the silicon based negative electrode active material may cause pulverization of the active material due to intercalation / deintercalation of lithium, that is, a large volume change occurs during charging and discharging of the battery. As a result, the disruptions of the negative electrode active material can be electrically decoupled from the current collector, which can result in irreversible capacity loss under long cycles. Another disadvantage of the silicon based negative electrode active material is low electric conductivity. As a result, there is a problem that the output characteristic of the silicon-based anode active material is inferior to that of the conventional carbon-based anode active material, and this problem must be solved in the development of the next generation lithium secondary battery. In order to solve these problems, attempts were made to improve cycle characteristics and output characteristics of a silicon anode active material by incorporating a carbonaceous material having excellent electrical conductivity and excellent mechanical properties and a silicon anode material or a carbon surface coating.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0134793호에는 탄소가 코팅된 실리콘 나노입자 및 그 제조방법이 기재되어 있다. 구체적으로 상기 공개특허는 불산 용액 침지, 클로로포름 용액 침지, 및 초음파 처리를 거쳐 합성된 탄소가 코팅된 나노입자, 이의 제조방법에 관한 것이다. 그리나 이러한 탄소가 코팅된 실리콘 나노입자를 음극활물질로 사용하는 경우 용량 및 출력 특성 등이 미흡한 점이 있었다. 이에 본 발명자들은 이러한 미흡한 점을 개선하고자 본 발명을 완성하게 되었다.
Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0134793 discloses carbon-coated silicon nanoparticles and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to carbon-coated nanoparticles synthesized by immersing in a solution of a hydrofluoric acid solution, immersing in a chloroform solution, and ultrasonication, and a method for producing the same. However, when such carbon-coated silicon nanoparticles are used as an anode active material, the capacity and output characteristics are insufficient. Accordingly, the present inventors have completed the present invention in order to solve such a problem.
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 질소 함유 이온성액체의 탄화과정을 거쳐 처리된 질소 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 입자를 리튬이차전지의 음극활물질로 사용함으로써, 고용량의 실리콘계 음극의 장점을 가지면서 안정적인 사이클 특성을 확보하며, 우수한 전기전도도로 인해 향상된 출력특성을 얻는 데 있다.
It is an object of the present invention to solve the above problems by using a silicon-based particle containing a nitrogen-doped carbon coating layer treated through carbonization of a nitrogen-containing ionic liquid as an anode active material of a lithium secondary battery, To secure stable cycle characteristics and to obtain improved output characteristics due to excellent electrical conductivity.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 실리콘계 입자를 준비하는 단계; 상기 실리콘계 입자와 질소 도핑된 탄소 전구체를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 질소가 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 음극활물질을 제조하는 방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, Mixing the silicon-based particles with a nitrogen-doped carbon precursor; And a nitrogen-doped carbon coating layer including a step of heat-treating the mixture. The present invention also provides a method for producing a silicon-based negative electrode active material.
상기 실리콘계 입자는 Si, SiO 및 SiOx (1<x<2) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 입자는 평균 직경이 20nm 내지 20μm일 수 있다. The silicon-based particles may include at least one of Si, SiO, and SiOx (1 < x < 2). The silicon-based particles may have an average diameter of 20 nm to 20 mu m.
상기 질소 도핑된 탄소 전구체는 질소 함유 이온성 액체일 수 있다. 상기 질소함유 이온성 액체는 이미다졸리움계 이온성 액체일 수 있다. 상기 이미다졸리움계 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 이온을 포함할 수 있다. 상기 이미다졸리움계 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시아나미드일 수 있다. The nitrogen-doped carbon precursor may be a nitrogen-containing ionic liquid. The nitrogen-containing ionic liquid may be an imidazolium-based ionic liquid. The imidazolium-based ionic liquid may comprise a 1-ethyl-3-methylimidazolium ion. The imidazolium-based ionic liquid may be 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide.
상기 열처리 단계는 상기 질소 도핑된 탄소 전구체를 탄소화하여 상기 실리콘계 입자에 질소 도핑된 탄소를 코팅하기 위한 것일 수 있다. 상기 열처리 단계는 300℃ 내지 1000℃의 온도에서 수행될 수 있다. The heat treatment step may be for carbonizing the nitrogen-doped carbon precursor to coat the nitrogen-doped carbon with the silicon-based particles. The heat treatment step may be performed at a temperature of 300 ° C to 1000 ° C.
상기 혼합 단계에서 상기 질소 도핑된 탄소 전구체를 상기 실리콘계 입자 100중량부에 대하여 50 내지 300중량부로 첨가할 수 있다. 상기 혼합 단계에서 아세톤 및 에탄올 중 1종 이종의 유기 용매를 상기 실리콘계 입자 100중량부에 대하여 1 내지 100중량부로 더 첨가할 수 있다.In the mixing step, the nitrogen-doped carbon precursor may be added in an amount of 50 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the silicon-based particles. In the mixing step, 1 to 100 parts by weight of one kind of organic solvent selected from the group consisting of acetone and ethanol may be added to 100 parts by weight of the silicone-based particles.
본 발명은 또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실리콘계 음극활물질을 제조하는 방법에 의하여 제조된 실리콘계 음극활물질을 제공한다.The present invention also provides a silicon-based anode active material produced by the method for producing the silicon-based anode active material of the present invention.
본 발명은 또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 리튬이차전지의 음극활물질에 있어서, 상기 음극활물질은 질소 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극활물질을 제공한다. 상기 실리콘계 입자는 Si, SiO 및 SiOx (1<x<2) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 입자는 평균 직경이 20nm 내지 20μm일 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention also provides an anode active material for a lithium secondary battery, wherein the anode active material comprises a silicon-based particle including a nitrogen-doped carbon coating layer. The silicon-based particles may include at least one of Si, SiO, and SiOx (1 < x < 2). The silicon-based particles may have an average diameter of 20 nm to 20 mu m.
본 발명은 또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 음극활물질을 포함하는 음극을 제공한다. The present invention also provides a negative electrode comprising the negative active material of the present invention in order to achieve the above object.
본 발명은 또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 양극활물질을 포함하는 양극, 음극활물질을 포함하는 음극, 전해액 및 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 음극활물질은 본 발명에 따른 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.
The present invention also provides a lithium secondary battery comprising a cathode including a cathode active material, a cathode including the anode active material, an electrolyte, and a separator, wherein the anode active material comprises lithium Thereby providing a secondary battery.
본 발명은 질소 함유 이온성액체의 탄화과정을 거쳐 처리된 질소 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 입자를 리튬이차전지의 음극활물질로 사용한다. 이로써, 고용량의 실리콘계 음극의 장점을 가지면서 안정적인 사이클 특성을 확보하며, 우수한 전기전도도로 인해 출력특성의 향상이 가능하다.The present invention uses a silicon-based particle including a nitrogen-doped carbon coating layer treated through carbonization of a nitrogen-containing ionic liquid as an anode active material of a lithium secondary battery. As a result, stable cycle characteristics can be secured while having the advantages of a high-capacity silicon anode, and output characteristics can be improved due to excellent electrical conductivity.
도 1은 이온성 액체를 사용해 질소 도핑된 탄소 코팅된 실리콘계 입자를 제조하는 방법의 모식도이다.
도 2는 질소 도핑된 탄소가 코팅된 실리콘계 입자의 FE-SEM 사진 (a), TEM사진 (b), XPS 분석결과 (c)를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 초기 충방전 곡선 (a), 1-C (1500mA/g)에서의 사이클 특성 (b), 전류조건에 따른 방전용량 비교 (c)를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 초기 충방전 후의 임피던스 결과 (a) 및 200사이클 후의 임피던스 결과 (b)를 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic diagram of a method for producing nitrogen-doped carbon-coated silicon-based particles using an ionic liquid.
Fig. 2 shows an FE-SEM photograph (a), a TEM photograph (b) and an XPS analysis result (c) of silicon-based particles coated with nitrogen doped carbon.
3 shows the initial charge-discharge curve (a), the cycle characteristics (b) at 1-C (1500 mA / g), and the discharge capacity comparison (c) according to current conditions of the examples and comparative examples according to the present invention.
Fig. 4 shows impedance results (a) after initial charging and discharging and impedance results (b) after 200 cycles in Examples and Comparative Examples according to the present invention.
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이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.The following examples are intended to illustrate the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention. Accordingly, equivalent inventions performing the same functions as the present invention are also within the scope of the present invention.
In addition, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, it is to be noted that the same constituent elements are denoted by the same reference numerals even though they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, Quot; may be "connected," "coupled," or "connected. &Quot;
상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명자는 제한된 출력 특성 및 방전용량을 개선하고, 따라서 리튬이차전지의 응용 범위를 확장하고자, 질소가 다량 함유된 이온성 액체의 탄화과정을 통해 제조된 질소 도핑된 탄소가 코팅된 실리콘계 음극활물질을 제공한다.
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive studies to improve the output characteristics and the discharge capacity of the lithium secondary battery, and to expand the application range of the lithium secondary battery, A carbon-coated silicon based negative electrode active material is provided.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 실리콘계 입자를 준비하는 단계; 상기 실리콘계 입자와 질소 도핑된 탄소 전구체를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 질소가 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 음극활물질을 제조하는 방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, Mixing the silicon-based particles with a nitrogen-doped carbon precursor; And a nitrogen-doped carbon coating layer including a step of heat-treating the mixture. The present invention also provides a method for producing a silicon-based negative electrode active material.
본 발명에서 상기 실리콘계 입자는 Si, SiO 및 SiOx (1<x<2) 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘계 입자는 평균 직경이 20nm 내지 20μm일 수 있다. In the present invention, the silicon-based particles may include at least one of Si, SiO, and SiOx (1 <x <2), and the silicon-based particles may have an average diameter of 20 nm to 20 μm.
본 발명에서 상기 질소 도핑된 탄소 전구체는 질소 함유 이온성 액체일 수 있다. 상기 질소함유 이온성 액체는 이미다졸리움계 이온성 액체일 수 있다. 상기 이미다졸리움계 이온성 액체는 바람직하게는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 이온을 포함하며, 더욱 바람직하게는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시아나미드이다.In the present invention, the nitrogen-doped carbon precursor may be a nitrogen-containing ionic liquid. The nitrogen-containing ionic liquid may be an imidazolium-based ionic liquid. The imidazolium-based ionic liquid preferably contains 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, more preferably 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide.
본 발명에 있어서, 열처리 단계는 상기 질소 도핑된 탄소 전구체를 탄소화하여 상기 실리콘계 입자에 질소 도핑된 탄소를 코팅하기 위한 것이며, 상기 열처리 단계는 바람직하게는 300℃ 내지 1000℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 범위를 벗어난 상태에서 열처리를 하게 되면, 실리콘계 입자 표면에 코팅층이 잘 형성되지 않아 원하는 효과를 얻을 수 없다.In the present invention, the heat treatment step is for carbonizing the nitrogen-doped carbon precursor to coat the nitrogen-doped carbon with the silicon-based particles, and the heat treatment step may be performed at a temperature of preferably 300 ° C. to 1000 ° C. have. If the heat treatment is performed outside the above range, the coating layer is not formed well on the surface of the silicon-based particles, and a desired effect can not be obtained.
본 발명에 있어서, 혼합 단계에서 상기 질소 도핑된 탄소 전구체를 상기 실리콘계 입자 100중량부에 대하여 50 내지 300중량부로 첨가할 수 있다. 상기 범위를 벗어난 범위로 상기 탄소 전구체를 상기 실리콘계 입자가 혼합하면, 실리콘계 입자 표면에 코팅층이 잘 형성되지 않아 원하는 효과를 얻을 수 없다.In the present invention, in the mixing step, the nitrogen-doped carbon precursor may be added in an amount of 50 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the silicon-based particles. When the silicon-based particles are mixed with the carbon precursor in the range out of the above-mentioned range, the coating layer is not formed well on the surface of the silicon-based particles, and a desired effect can not be obtained.
본 발명에 있어서, 상기 혼합 단계에서 아세톤 및 에탄올 중 1종 이종의 유기 용매를 상기 실리콘계 입자 100중량부에 대하여 1 내지 100중량부로 더 첨가할 수 있다. 이는 상기 탄소 전구체와 상기 실리콘계 입자의 혼합물의 분산도 및 점도를 적절히 조절하기 위한 것이다.
In the present invention, in the mixing step, 1 to 100 parts by weight of one kind of organic solvent selected from acetone and ethanol may be added to 100 parts by weight of the silicone-based particles. This is to appropriately control the degree of dispersion and viscosity of the mixture of the carbon precursor and the silicon-based particles.
본 발명의 실시예를 도 1를 참조하여 상세히 설명한다.An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to Fig.
도 1은 이온성 액체를 이용한 질소가 도핑된 카본 코팅층을 포함하는 실리콘 모노옥사이드 (SiO) 제조의 모식도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic diagram of the preparation of silicon monoxide (SiO) comprising a nitrogen-doped carbon coating layer using an ionic liquid.
본 실시예에서는 실시콘계 입자로서 상용 실리콘계 입자 (SiO, Sigma Aldrich사 제조)를 준비하였다. 그리고 질소 도핑된 탄소 전구체로서 질소가 다량 함유된 이온성액체 (IL: ionic liquid), 구체적으로 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시아나미드 (Merck사 제조)를 준비하였다. 상기 SiO 입자 0.6g와 IL 1.4g를 혼합하고, 교반하여 잘 섞어주었다. 상기 혼합물을 질소 기체 존재 하에서 300℃에서 1시간 열처리 후, 1000℃에서 1시간 동안 탄화과정을 거쳐 질소가 도핑된 탄소가 SiO에 코팅된 실리콘계 음극활물질 (N-C-SiO)를 제조하였다.In the present embodiment, commercially available silicone-based particles (SiO, manufactured by Sigma Aldrich) were prepared as conducting cone-based particles. An ionic liquid (IL: ionic liquid) containing a large amount of nitrogen as a nitrogen-doped carbon precursor, specifically, 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Merck) was prepared. 0.6 g of the SiO particles and 1.4 g of IL were mixed and stirred to mix well. The mixture was heat-treated at 300 ° C for 1 hour in the presence of nitrogen gas, and then carbonized at 1000 ° C for 1 hour to prepare a silicon-based negative active material (N-C-SiO) coated with SiO 2 on carbon doped with nitrogen.
본 발명의 실시예에서는 이온성 액체를 사용해 제조한 질소 도핑 탄소가 코팅된 실리콘계 입자의 제조 및 특성화를 진행했으며, 이를 음극소재로 적용하고, 리튬이차전지를 제조해 전기화학적 특성을 분석했다.In the examples of the present invention, the preparation and characterization of silicon-based particles coated with nitrogen-doped carbon prepared using an ionic liquid were carried out. The lithium-ion secondary battery was fabricated and applied to the anode material to analyze the electrochemical characteristics.
비교예1은 탄소 코팅을 하지 않은 상용 실리콘계 입자(SiO, Sigma Aldrich)을 사용해 리튬이차전지를 제조했다. In Comparative Example 1, a lithium secondary battery was produced using commercially available silicon-based particles (SiO, Sigma Aldrich) without carbon coating.
비교예2에서는 상용 실리콘계 입자와 수크로오스 (Sucrose)를 혼합한 후 탄화과정을 거친 뒤 얻은 질소 도핑이 되지 않은 탄소가 코팅된 실리콘계 음극활물질을 제조했으며, 이를 이용해 리튬이차전지를 제조했다. 비교예2의 경우 상용 실리콘계 입자 0.6g과 7.0g의 수크로오스 (Sigma Aldrich사 제조)를 혼합 후 질소 기체 존재 하에서 1000℃에서 1시간 열처리를 통해 질소 도핑이 되지 않은 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 입자를 제조하였다.
In Comparative Example 2, a silicon-based negative electrode active material coated with carbon which was obtained by mixing commercial silicon-based particles and sucrose, followed by carbonization, which was not doped with nitrogen, was prepared. In the case of Comparative Example 2, 0.6 g of commercial silicone-based particles and 7.0 g of sucrose (manufactured by Sigma Aldrich) were mixed and heat-treated at 1000 ° C for 1 hour in the presence of nitrogen gas to prepare silicon- Respectively.
도 2(a)는 질소 도핑된 탄소 코팅층이 포함된 실리콘계 입자 (본 발명의 실시예)의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. FIG. 2 (a) is a scanning electron microscope (SEM) image of a silicon-based particle (an embodiment of the present invention) containing a nitrogen-doped carbon coating layer.
도 2(a)를 참조하면, 탄화 과정 후에도 마이크로 크기의 입자 모폴로지가 그대로 유지되는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 2 (a), it can be seen that the micro-sized particle morphology remains after the carbonization process.
도 2(b)는 질소 도핑 탄소 코팅층의 두께를 명확히 알아보기 위해 투과전자현미경(TEM)을 통해 관찰한 이미지이다. FIG. 2 (b) is an image observed through a transmission electron microscope (TEM) to clearly observe the thickness of the nitrogen-doped carbon coating layer.
도 2(b)를 참조하면, 20~30nm의 코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 2 (b), it was confirmed that a coating layer of 20 to 30 nm was formed.
도 2(c)는 질소 도핑 탄소 코팅층의 화학적 특성을 보다 명확히 설명하기 위해, X-레이 광전자 현미경(XPS)을 사용하여 이를 분석하였다. 2 (c) was analyzed using an X-ray photoelectron microscope (XPS) to more clearly illustrate the chemical properties of the nitrogen-doped carbon coating layer.
도 2(c) 를 참조하면, 질소 도핑의 유무를 설명하기 위하여, 본 발명자는 N1s 스펙트럼에 주목하였다. 도 1(c)에 도시한 바와 같이 400.6eV의 피크(C=N)와 398.3eV의 피크(C-N)를 통해 질소가 도핑된 탄소의 존재를 확인하였다.
Referring to FIG. 2 (c), in order to explain the presence or absence of nitrogen doping, the present inventor paid attention to the N1s spectrum. As shown in Fig. 1 (c), the existence of nitrogen-doped carbon was confirmed through a peak of 400.6 eV (C = N) and a peak of CN of 398.3 eV (CN).
상기 본원발명의 실시예 및 비교예 1과 2에서의 실리콘계 음극활물질의 전기화학적 성능을 동전 형태의 단전지를 제조하여 측정하였다. 실리콘계 음극 제조를 위하여, 먼저 상기 실리콘계 음극활물질을 포함하는 실리콘계 음극입자, Super-P 및 폴리아크릴산(PAA, Mw = 3,000,000, Sigma Aldrich)을 무게비로 60:20:20으로 혼합하고 탈이온수에 분산시킨 슬러리를 구리 호일에 캐스팅하고 이를 120도에서 2시간 이상 건조해 전극을 제조했다. The electrochemical performance of the silicon-based negative active material in Examples of the present invention and Comparative Examples 1 and 2 was measured by preparing a coin-shaped unit cell. To prepare a silicon-based anode, silicon-based anode particles including the silicon-based anode active material, Super-P and polyacrylic acid (PAA, Mw = 3,000,000, Sigma Aldrich) were mixed at a weight ratio of 60:20:20 and dispersed in deionized water The slurry was cast on a copper foil and dried at 120 ° C for at least 2 hours to prepare an electrode.
1M의 리튬 헥사플로로포스페이트 (LiPF6)를 염과 5 중량%의 플루오로에틸렌 카보네이트(PANAX E-TEC, 한국)가 함유된 에틸렌 카보네이트(EC)와 디에틸 카보에니트(DEC) 혼합액(1:1=v/v)을 이용한 전해액과, 폴리프로필렌 세퍼레이터(Celgard 2400)를 각각 전해액과 세퍼레이터로 사용하였다. 상대전극으로는 리튬 포일(Hosen, Japan)을 사용했다. 모든 전극에 대한 활성 물질의 일반적인 로딩양은 1mg/cm2 수준이었다. 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added to a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and diethylcarbonate (DEC) (1) containing 5% by weight of fluoroethylene carbonate (PANAX E-TEC, : 1 = v / v) and a polypropylene separator (Celgard 2400) were used as an electrolytic solution and a separator, respectively. Lithium foil (Hosen, Japan) was used as a counter electrode. The typical loading of active material for all electrodes was 1 mg / cm 2 .
상기 내용에 의해 제조된 단전지에 대하여, 정전류 측정법 (galvanostatic) 방식을 통해 전기화학적 특성분석을 진행하였다. The electrochemical characteristics of the single cells produced according to the above-mentioned contents were analyzed through a galvanostatic method.
도 3(a)에 도시된 바와 같이 0.1C (150mA/g) 정전류 조건에서 초기 충방전 을 구동한 결과, 실시예, 비교예 1, 비교예 2의 초기 방전용량이 순서대로 1258, 1429, 1495mAh/g으로 나타났다. 또한 초기 충방전 효율의 경우, 51.0, 71.4, 72.9%로 실시예의 경우가 가장 우수한 효율을 가지는 것으로 나타났다. 이는 본 발명에 따른 질소 도핑 탄소의 경우 우수한 전기전도로 인해 우수한 방전용량과 효율을 가지는 것으로 판단된다. As shown in FIG. 3 (a), the initial charge and discharge were driven under a constant current of 0.1 C (150 mA / g). As a result, the initial discharge capacities of Examples, Comparative Examples 1 and 2 were 1258, 1429 and 1495 mAh / g. Also, the initial charge / discharge efficiency was 51.0, 71.4, and 72.9%, respectively. It is considered that the nitrogen-doped carbon according to the present invention has excellent discharge capacity and efficiency due to excellent electrical conduction.
도 3(b)는 1C (1500mA/g)의 정전류 조건에서의 사이클 특성을 도시하였으며, 실시예의 경우가 가장 높은 방전 용량을 가지며 우수한 사이클 유지 특성을 보여주는 것을 확인하였다. FIG. 3 (b) shows the cycle characteristics at a constant current of 1 C (1500 mA / g). In the case of the example, the discharge capacity was the highest and the cycle holding characteristics were excellent.
도 3(c)에서 도시된 바와 같이, 전류 밀도를 0.2C에서 2C로 증가시키며 방전 용량을 측정한 결과 실시예의 경우 2C (3000mA/g)의 높은 구동 전류 조건에서 732.3 mAh/g의 큰 방전용량이 구현되는 것을 보였다. 이는 현재 상용화되어 있는 흑연 음극이 보여주는 방전용량에 비해 2배에 달하는 높은 용량 값이다.As shown in FIG. 3 (c), the current density was increased from 0.2 C to 2 C, and the discharge capacity was measured. As a result, it was found that the discharge capacity of 732.3 mAh / g at the high driving current condition of 2C (3000 mA / Has been implemented. This is twice as high as the discharge capacity of a commercial graphite anode.
도 4(d)는 본 발명에 따른 질소 도핑 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 음극의 계면 안정화 특성을 확인 하기 위해 수행한 임피던스 분석 결과이다. 실시예의 경우, 전극의 계면 저항을 의미하는 반원의 크기가 초기 충방전 후와 200사이클 후에도 크게 증가 하지 않았음을 확인할 수 있다. 이에 반해 비교예 2의 경우 200사이클 진행 후 계면저항 값이 크게 증가 할 뿐 아니라, 실시예의 경우에 비해 큰 계면 저항을 나타내고 있다. 이는 본 발명에 따른 질소 도핑 탄소 코팅층의 도입으로 실리콘계 음극의 계면이 안정화된 것으로 판단된다. FIG. 4 (d) is a result of impedance analysis performed to confirm the interfacial stability characteristics of the silicon-based anode including the nitrogen-doped carbon coating layer according to the present invention. In the case of the embodiment, it can be seen that the size of the semicircle indicating the interface resistance of the electrode did not greatly increase after the initial charge-discharge and after 200 cycles. On the other hand, in the case of Comparative Example 2, the interfacial resistance value greatly increased after 200 cycles, and the interfacial resistance was larger than that of the Example. It is considered that the introduction of the nitrogen-doped carbon coating layer according to the present invention stabilizes the interface of the silicon-based anode.
본 발명에 따르면 이온성 액체의 탄화과정을 통해 얻은 질소 도핑된 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘계 입자는 우수한 전기전도도로 인해 도핑이 되지 않은 일반 탄소 코팅으로 제조된 입자에 비해 우수한 방전용량 및 향상된 출력특성을 가질 수 있다. 특히 2C-rate(3000mA/g)의 높은 충방전 구동 전류 조건에서도 732.3mAh/g의 우수한 방전용량을 구현할 수 있다.According to the present invention, the silicon-based particles containing the nitrogen-doped carbon coating layer obtained through the carbonization process of the ionic liquid have superior discharge capacity and improved output characteristics compared to the particles made of the non- Lt; / RTI > Especially, high discharge capacity of 732.3mAh / g can be realized even at high charge / discharge drive current of 2C-rate (3000mA / g).
이는 실리콘계 음극활물질이 가지는 고용량을 우수한 전기전도성을 가지는 질소 도핑 탄소 코팅층의 도입으로 구현할 수 있다는 것이 본 발명의 효과이다. 따라서, 본 발명은 단순한 혼합과정 및 탄화과정을 통해 우수한 방전용량특성 및 출력특성이 향상된 실리콘계 음극활물질의 제조가 가능함으로써, 차세대 리튬이차전지 소재로의 가능성을 제시한다.This is an advantage of the present invention that a high capacity of the silicon anode active material can be realized by introducing a nitrogen-doped carbon coating layer having excellent electrical conductivity. Accordingly, the present invention enables the production of a silicon-based anode active material having improved discharge capacity characteristics and output characteristics through a simple mixing process and a carbonization process, thereby suggesting the possibility of a next-generation lithium secondary battery material.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.It is to be understood that the terms "comprises", "comprising", or "having" as used in the foregoing description mean that the constituent element can be implanted unless specifically stated to the contrary, But should be construed as further including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (17)
상기 실리콘계 입자와 질소 도핑된 탄소 전구체를 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하며, 상기 질소 도핑된 탄소 전구체는 질소 함유 이온성 액체이며,
상기 질소 함유 이온성 액체는 상기 열처리하는 단계에서 탄화되어 상기 실리콘계 입자 표면에 질소가 도핑된 탄소 코팅층이 형성되는 것을 특징을 하는 실리콘계 음극활물질을 제조하는 방법.
Preparing silicon-based particles;
Mixing the silicon-based particles with a nitrogen-doped carbon precursor;
And heat treating the mixture, wherein the nitrogen-doped carbon precursor is a nitrogen-containing ionic liquid,
Wherein the nitrogen-containing ionic liquid is carbonized in the heat-treating step to form a carbon coating layer doped with nitrogen on the surface of the silicon-based particles.
The method of producing a silicon-based anode active material according to claim 1, wherein the silicon-based particles comprise at least one of Si, SiO, and SiOx (1 <x <2).
The method of producing a silicon based negative active material according to claim 1, wherein the silicon-based particles have an average diameter of 20 nm to 20 μm.
The method of claim 1, wherein the nitrogen-containing ionic liquid is an imidazolium-based ionic liquid.
6. The method of claim 5, wherein the imidazolium-based ionic liquid comprises 1-ethyl-3-methylimidazolium ions.
6. The method of producing a silicon-based anode active material according to claim 5, wherein the imidazolium-based ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide.
The method of claim 1, wherein the annealing step is performed at a temperature of 300 ° C to 1000 ° C.
The method of claim 1, wherein in the mixing step, the nitrogen-doped carbon precursor is added in an amount of 50 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the silicon-based particles.
The method of claim 1, wherein 1 to 100 parts by weight of one kind of organic solvent selected from the group consisting of acetone and ethanol is added to 100 parts by weight of the silicon-based particles in the mixing step.
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