KR101511694B1 - Anode active material of lithium rechargeable battery and process for preparing the same - Google Patents

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백창근
안지형
박세웅
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한화케미칼 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and to a method for manufacturing the same. Particularly, the present invention provides the negative electrode active material for a lithium secondary battery which is a silicon oxide complex including a carbon core layer in the fibrous shape formed by processes of formation of a carbon core material in a metal silicate material having nanopores in the fibrous shape, acid treatment, heat treatment, and reduction firing.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법 {ANODE ACTIVE MATERIAL OF LITHIUM RECHARGEABLE BATTERY AND PROCESS FOR PREPARING THE SAME}[0001] The present invention relates to an anode active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬 이차 전지용 음극활물질 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유질 형상의 탄소 코어층을 포함하는 막대형 형상 실리콘산화물 복합체인 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a method for producing the same, and more particularly, to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is a rod-shaped silicon oxide composite including a fibrous carbon core layer and a method for producing the same.

최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다.Recently, with regard to the tendency to miniaturize and lighten portable electronic devices, there is an increasing need for high performance and large capacity of batteries used as power sources for these devices.

전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용하여 전력을 발생시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학 전위(chemicalpotential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다. 상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션 /디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극의 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다. 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합 금속 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 연구되고 있다. The battery is a material that generates electricity by using a material capable of electrochemically reacting with the positive electrode and the negative electrode. A representative example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electrical energy by a change in chemical potential when the lithium ions are intercalated / deintercalated in the positive electrode and the negative electrode. The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium ions as an active material for the positive electrode and the negative electrode, and filling an organic electrolyte solution 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.

또한, 음극 활물질로는 리튬의 삽입 및 탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연 및 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 사용되었다. 그러나, 상기 탄소계 재료중 인조 흑연 또는 천연 흑연과 같은 흑연을 활물질로 극판을 제조할 경우 극판 밀도가 낮아져 극판의 단위 부피당 에너지 밀도 측면에서 용량이 낮은 문제점이 있다. 이에 따라, 현재 금속계 또는 금속간 화합물 (intermetallic compounds)이 음극 활물질로서 활발히 연구되고 있다. 일본 특허 공개평 10-223221호 공보에는, Al, Ge, Pb, Si, Sn, 및 Zn 중에서 선택되는 원소의 저급 결정 또는 비정질의 금속간 화합물을 음극에 이용한 리튬 이차 전지가 개시되어 있고, 상기 이차 전지는 고용량, 사이클 특성에 우수하다고 기재되어 있다. 그러나, 실제로 이러한 금속간 화합물의 저급 결정화 또는 비정질화는 매우 어렵다. 이러한 이유에서 상기 공보에 기재된 기술 내용으로부터, 고용량의 사이클 수명이 긴 리튬 이차전지의 실현이 곤란하다. 특히, 기존의 SnO 또는 SnO2 계의 음극 활물질은 비가역 용량이 전체 용량의 65% 이상을 차지할 뿐만 아니라, 수명 특성도 매우 나쁘다는 단점이 있다.Various types of carbon-based materials including artificial graphite, natural graphite, and hard carbon capable of inserting and desorbing lithium have been used as the negative electrode active material. However, when an electrode plate made of artificial graphite such as artificial graphite or natural graphite is used as an active material in the carbon-based material, the density of the electrode plate is lowered and the capacity is low in terms of energy density per unit volume of the electrode plate. Accordingly, metal or intermetallic compounds have been actively studied as an anode active material at present. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 10-223221 discloses a lithium secondary battery using a lower crystal of an element selected from Al, Ge, Pb, Si, Sn, and Zn or an amorphous intermetallic compound as an anode. It is described that the battery is excellent in high capacity and cycle characteristics. However, in practice, the lower crystallization or amorphization of such an intermetallic compound is very difficult. For this reason, it is difficult to realize a lithium secondary battery having a long cycle life with a high capacity from the technical content described in the above publication. In particular, the conventional SnO 2 or SnO 2 -based anode active material has a disadvantage that the irreversible capacity accounts for not less than 65% of the total capacity, and the life characteristics are also very poor.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 형상 나노 기공을 지닌 무기 금속 실리케이트 (sepiolite, palygorskite) 물질 내에 탄소 나노 섬유를 형성하고, 환원 소성 공정을 통해 섬유질 형상 탄소코어를 포함하는 막대형 실리콘 산화물 복합체인 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention relates to a method of forming carbon nanofibers in a sepiolite (palygorskite) material having shape nano pores, And a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is a silicon oxide composite, and a method for producing the same.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 섬유질 형상의 탄소 코어층을 포함하는 실리콘 산화물 복합체인 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is a silicon oxide composite including a fibrous carbon core layer.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 실리케이트 성분을 포함하는 막대형 다공성 무기산화물 기공내에 섬유질 형상 탄소 코어층을 형성하고, 실리케이트를 제외한 금속 성분을 산 처리를 통해 제거하며, 고온 환원 소성을 통해 형성된 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 실리콘 산화물 나노 기공내에 존재하는 탄소코어는 산화물에 뛰어난 전기적 전도성을 부여하며 또한 리튬 이온과의 반응시 실리콘 산화물 부피팽창을 완충 시켜주는 기능을 수행하여, 음극활물질의 고출력 및 장수명 특성을 부여하게 한다. 이를 통해 고용량, 고출력, 장수명 특성을 지닌 실리케이트를 포함하는 실리콘산화물/탄소 복합체 음극 활물질을 제공한다. The anode active material for a lithium secondary battery according to the present invention is characterized in that a fibrous carbon core layer is formed in a membrane-like porous inorganic oxide pore containing a silicate component, a metal component other than silicate is removed through an acid treatment, Core silicon oxide complex. Particularly, the carbon core existing in the silicon oxide nanopores imparts excellent electrical conductivity to the oxide and also functions to buffer the volume expansion of the silicon oxide upon reaction with lithium ions, thereby imparting high output and long life characteristics of the anode active material . Thereby providing a silicon oxide / carbon composite anode active material including a silicate having a high capacity, high output, and long life characteristics.

본 발명은 또한, 섬유질 형상의 기공을 갖고 실리케이트 성분을 포함하는 다공성 금속 산화물과, 탄소수 1 내지 18의 탄화수소 작용기를 포함하는 유기 화합물을 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 300 ℃ 이상에서 1차 열처리를 하여 탄소 코어를 형성하는 단계; 상기 탄소 코어가 형성된 복합체를 산 처리하는 단계; 및 상기 산 처리된 탄소 코어 복합체를 500 ℃ 이상에서 2차 열처리를 하는 단계;를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a porous metal oxide, comprising the steps of: mixing a porous metal oxide having fibrous pores and containing a silicate component with an organic compound comprising a hydrocarbon functional group having 1 to 18 carbon atoms; Subjecting the mixture to a first heat treatment at 300 ° C or higher to form a carbon core; Acid treatment of the composite on which the carbon core is formed; And subjecting the acid-treated carbon core composite to a secondary heat treatment at 500 ° C. or higher.

본 발명은 또한, 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the negative electrode active material.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 우수한 용량 및 고율 특성, 장수명 특성을 지닌다. 또한, 천연 다공성 무기산화물을 사용함으로써 저렴한 가격의 경제성과 대량생산이 가능하다는 장점을 지닌다.The negative active material for a lithium secondary battery of the present invention has excellent capacity, high rate characteristics, and long life characteristics. In addition, the use of natural porous inorganic oxide has the advantage of economical efficiency and mass production at low cost.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 탄소코어 실리콘 산화물 복합체의 개략적인 모식도이다. 막대형 실리콘 산화물 기공 내부에 탄소코어가 형성되어 있으며 여러 1차 입자가 한데 뭉쳐 2차 입자를 이루고 있는 형태를 나타낸다.
도2는 SEM 분석기를 통한 (a) 세피올라이트(Sepiolite) 다공성 금속 산화물, (b) 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체를 산처리 후 900도 열처리한 실리콘 산화물 복합체(실시예 1), (c) 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체를 산처리 후 1,100도 열처리한 실리콘 산화물 복합체(실시예 2), (d)는 상기 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체에서 실리콘 산화물을 HF를 이용하여 모두 제거한 후 탄소 코어물질만을 TEM을 통해 입자 형상 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도3은 실시 예 1에 의해 제조된 탄소코어 실리콘 산화물의 XRD 결정 분석결과를 나타낸 것이다. 상기 복합체에서 세피올라이트(Sepiolite) 결정성은 보이지 않으며, 매우 비정질의 결정구조를 보이고 2θ = 26.6, 27.6에서 알려지지 않은 조그만 결정 피크(peak)를 나타낸다.
도 4는 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체의 산처리 전/후 SEM-EDX를 이용한 성분 분석을 나타낸다. 산 처리 전에는 다량의 Mg 및 Al 성분이 검출되나, 산 처리 이후 Si 외에 대부분의 금속 성분이 제거 되었음을 보여준다.
도 5는 코인셀을 이용한 전기화학적 충/방전 평가 결과를 나타낸 것이다. 비교 예로 (a)에서 흑연의 충/방전 결과를 나타낸 것이다. 흑연은 320 mAh/g의 가역용량을 나타내는 반면, (b)에서 산처리 후900도 소성한 탄소코어 실리콘 산화물(실시예 1)은 대략 540 mAh/g, (c)에서 산처리 후 1,100도 소성한 탄소코어 실리콘 산화물(실시예 2)은 620 mAh/g 이상의 높은 가역용량을 나타내고 있음을 보여준다.
도 6은 900도 소성(실시예 1) 및 1,100도 소성(실시예2)을 통해 제조된 탄소코어 실리콘 산화물의 율별특성 평가결과를 나타낸 것이다(900-DCH: 900도 소성제품 방전용량, 900-CH: 900도 소성제품 충전용량, 1100-DCH: 1,100도 소성제품 방전용량, 1100-CH: 1,100도 소성제품 충전용량,). 여기서, 0.05 C에서 1 C까지 충전/방전속도를 증가하였을 경우 각 율별속도에서 900도 소성제품 대비 1,100도 소성제품의 충전 및 방전용량이 더 높은 것을 보여주고 있다. 또한 1,100 도 소성제품의 1 C 가역용량은 580 mAh/g 이상으로 0.1 C 가역용량 대비 92% 이상의 용량 유지율을 보이며 우수한 율별 특성을 나타냄을 보여준다.
1 is a schematic diagram of a carbon core silicon oxide composite prepared according to the present invention. The carbon core is formed inside the pores of the rod-shaped silicon oxide, and the primary particles form a secondary particle.
(B) a silicon oxide composite (Example 1) obtained by heat-treating a carbon core silicon oxide composite at 900 degrees after acid treatment, (c) a carbon core The silicon oxide composite is heat treated at a temperature of 1,100 ° C. after the silicon oxide complex is subjected to the acid treatment (Example 2). (D) In the carbon core silicon oxide composite, the silicon oxide is completely removed using HF, The results are as follows.
FIG. 3 shows the XRD crystal analysis results of the carbon core silicon oxide prepared in Example 1. FIG. Sepiolite crystallinity is not visible in the complex, and exhibits a very amorphous crystal structure and a small crystalline peak at 2θ = 26.6, 27.6.
Figure 4 shows the composition analysis of the carbon core silicon oxide complex using SEM-EDX before and after the acid treatment. A large amount of Mg and Al components were detected before the acid treatment, but most of the metal components were removed after the acid treatment except for Si.
FIG. 5 shows electrochemical charge / discharge evaluation results using a coin cell. Comparative Example (a) shows the charge / discharge results of graphite. Graphite shows a reversible capacity of 320 mAh / g, whereas in (b), the carbon core silicon oxide (Example 1) calcined at 900 ° C after the acid treatment has a calcining temperature of approximately 540 mAh / g, One carbon core silicon oxide (Example 2) shows a high reversible capacity of 620 mAh / g or more.
6 shows the evaluation results of the characteristics of the carbon core silicon oxide produced through the 900-degree calcination (Example 1) and the 1,100-degree calcination (Example 2) (900-DCH: 900- CH: Charging capacity of 900 degree fired product, 1100-DCH: 1,100 degree fired product discharge capacity, 1100-CH: 1,100 degree fired product charging capacity. Here, when the charge / discharge rate is increased from 0.05 C to 1 C, the charging and discharging capacity of the 1,100-degree fired product is higher than that of the 900-degree fired product at the angular rate. In addition, the 1 C reversible capacity of the 1,100-degree fired product showed a capacity retention ratio of more than 92% as compared with the 0.1 C reversible capacity at 580 mAh / g.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. In the present invention, the terms first, second, etc. are used to describe various components, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Moreover, the terminology used herein is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprising," "comprising," or "having ", and the like are intended to specify the presence of stated features, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, components, or combinations thereof.

또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다. Also in the present invention, when referring to each layer or element being "on" or "on" each layer or element, it is meant that each layer or element is formed directly on each layer or element, Layer or element may be additionally formed between each layer, the object, and the substrate.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 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.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. 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.

이하, 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법, 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 상세하게 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an anode active material for a lithium secondary battery of the present invention, a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the anode active material will be described in detail.

본 발명의 일구현에 따르면 고용량, 고율 특성, 및 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다. 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 섬유질 형상의 탄소 코어층을 포함하는 실리콘 산화물 복합체이다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode active material for a lithium secondary battery excellent in high capacity, high rate characteristics, and cycle life characteristics. The negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is a silicon oxide composite including a fibrous carbon core layer.

특히, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실리케이트 성분을 포함하고, 섬유질 형상 나노 기공을 지닌 막대형 금속 산화물(sepiolite, palygorskite)내에 섬유질 형상 탄소 나노섬유를 형성하여 뛰어난 전기적 전도성을 부여하고, 실리케이트를 제외한 금속 성분을 산 처리를 통해 제거하며, 1차 및 2차의 열처리 단계의 고온 환원 소성을 통해 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체를 제조함으로써 리튬과의 전기화학적 반응 활성도를 증가시켜 우수한 용량 및 출력특성을 나타내게 한다. 또한, 탄소코어 물질을 통해 리튬과의 반응에 의한 실리콘 산화물의 부피 팽창을 완충시키며 이는 수명 특성 개선을 부여한다. In particular, in order to accomplish the above object, the present invention provides a carbon nanofiber comprising fibrous carbon nanofibers formed in a sepiolite (palygorskite) containing a silicate component and having fibrous nanopores to impart excellent electrical conductivity, Is removed through acid treatment and the carbon core silicon oxide complex is produced through the high-temperature reduction and firing of the first and second heat treatment steps to increase the electrochemical reaction activity with lithium, . It also alleviates the volumetric expansion of the silicon oxide by reaction with lithium through the carbon core material, which gives improved life characteristics.

일반적으로 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다. 상기 탄소 계열 중 흑연은 리튬 대비 방전 전압이 -0.2 V로 낮아, 이 음극 활물질을 사용한 전지는 3.6 V의 높은 방전 전압을 나타내어, 리튬 전지의 에너지 밀도면에서 이점을 제공하며 또한 뛰어난 가역성으로 리튬 이차 전지의 장수명을 보장하여 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 흑연 활물질은 극판 제조시 흑연의 밀도(이론 밀도 2.2 g/cc)가 낮아 극판의 단위 부피당 에너지 밀도 측면에서는 용량이 낮은 문제점이 있고, 높은 방전 전압에서는 사용되는 유기 전해액과의 부반응이 일어나기 쉬워, 전지의 오동작 및 과충전 등에 의해 발화 혹은 폭발의 위험성이 있다. 이에 Si과 같은 금속계 활물질이 연구되고 있다. Si 금속계 음극 활물질은 Li4.4Si을 형성하여 약 4,200 mAh/g의 높은 리튬 용량을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 리튬과 반응 전후, 즉 충방전시 300% 이상의 부피 변화를 야기한다. 이로 인하여, 음극 활물질의 미분화(pulverization)가 발생하고, 미분화된 입자가 응집되는 현상이 발생하여, 음극 활물질이 전류 집전체로부터 전기적 탈리되는 현상을 야기한다. 이러한 전기적 탈락은 전지의 용량 유지율을 현저하게 감소시킨다. 따라서, 금속계 음극 활물질의 부피 변화를 억제하기 위하여, 탄소 및 Si 나노입자 복합체를 제조하여 음극 활물질로 사용하기 위한 많은 연구가 있었다. 상기 탄소 및 Si 나노입자 복합체에서 탄소가 전기적 전도체로서 역할을 하므로 용량 유지율을 향상시킬 수 있었다. In general, various types of carbon-based materials including artificial graphite, natural graphite, and hard carbon capable of lithium intercalation / deintercalation have been applied to the anode active material. The carbon-based graphite has a discharge voltage as low as -0.2 V compared to lithium, and the battery using the negative electrode active material exhibits a high discharge voltage of 3.6 V, thereby providing an advantage in terms of energy density of the lithium battery, And it is most widely used because it guarantees the long life of the battery. However, the graphite active material has a low density (theoretical density of 2.2 g / cc) of graphite in the production of electrode plates, and thus has a low capacity in terms of energy density per unit volume of the electrode plate, and a side reaction with an organic electrolyte used at high discharge voltage tends to occur, There is a risk of ignition or explosion due to malfunction or overcharge of the battery. Therefore, metal-based active materials such as Si have been studied. The Si metal anode active material is known to exhibit a high lithium capacity of about 4,200 mAh / g by forming Li 4.4 Si. However, it causes a volume change of more than 300% before and after the reaction with lithium, that is, during charging and discharging. As a result, pulverization of the negative electrode active material occurs and agglomeration of the undifferentiated particles occurs, causing the negative active material to be electrically removed from the current collector. Such electrical decoupling remarkably reduces the capacity retention rate of the battery. Accordingly, there have been many studies for preparing carbon and Si nanoparticle composites for use as negative electrode active materials in order to suppress the volume change of the metal-based negative electrode active material. In the carbon and Si nanoparticle composites, since the carbon acts as an electrical conductor, the capacity retention ratio can be improved.

그러나 비교적 우수한 용량 유지율을 얻기 위해서는 복합체에서 탄소 함량이 50 중량%를 넘는 과량이어야 함에 따라 용량이 저하 되는 문제가 있고, 이와 같이 탄소를 과량으로 포함시켜도 50 사이클 후의 용량이 1,500 mAh/g 미만으로 낮은 문제가 있었다. 부피 변화를 억제하기 위한 다른 방법으로는 음극 활물질로 1차원 형상 실리콘 나노 와이어에 대한 연구가 일부 있었다. Morales, A. M.; Lieber, C.M. Science, 1998, 279, 208에 기술된 레이저 어블레이션(laserablation) 시스템에 의해 제조된 Si 나노 와이어는 약 10-30 nm의 와이어 직경을 갖는다. 그러나 상기 나노 와이어의 1회 방전및 충전 용량은 각각 약 1,300 mAh/g 및 900 mAh/g으로, 용량이 다소 낮은 문제가 있다. 또 다른 방법으로는 기체 고상(VS) 주형을 사용하지 않고(vapor solid template-free) 성장시킨 50 nm 미만의 직경을 갖는 Si 나노 와이어가 보고되었다. 이 Si 나노 와이어는 2 V 내지 0 V 및 0.2 C에서 약 2,000 mAh/g의 가역 용량을 나타내었고, 10회 사이클까지 용량 감소가 없었다. 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid: VLS), 액상-액상고상(solution-liquid solid: SLS) 및 주형을 사용하지 않는 합성법에 의해 성장된 반도체 나노 와이어가 보고되었다. 그러나 이러한 방법으로 제조된 나노 와이어도 충분한 용량 유지율을 나타내기 어려웠다. However, in order to obtain a relatively good capacity retention rate, there is a problem that the carbon content of the composite should be over 50% by weight and the capacity is lowered. Even if the carbon content is excessively contained, the capacity after 50 cycles is as low as 1,500 mAh / g There was a problem. As another method for suppressing the volume change, there is a part of research on one-dimensional shape silicon nanowires as an anode active material. Morales, A. M .; Lieber, C.M. The Si nanowires fabricated by the laser ablation system described in Science, 1998, 279, 208 have wire diameters of about 10-30 nm. However, the discharge and charge capacities of the nanowires are about 1,300 mAh / g and 900 mAh / g, respectively, and the capacity is somewhat low. As another method, Si nanowires having a diameter of less than 50 nm grown by vapor solid-free template (VS) have been reported. The Si nanowires showed a reversible capacity of about 2,000 mAh / g at 2 V to 0 V and 0.2 C, and no capacity reduction until 10 cycles. Semiconductor nanowires grown by vapor-liquid-solid (VLS), liquid-liquid-solid (SLS) and template-free synthetic methods have been reported. However, the nanowires produced by this method were not able to exhibit sufficient capacity retention.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 섬유질 형상의 탄소 코어층을 포함하는 실리콘 산화물 복합체이며, 상기 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체는 막대형 형상을 갖는 것이다. 이때, 막대형 형상이라 함은 입자 직경에 비해 축 방향으로의 길이가 긴 형태를 의미하는 것이다. 이는 상대적으로 리튬 이온과의 반응을 위한 실리콘 산화물의 표면적을 증가시키고, 입자 충진 밀도를 증가시키는데 유리하다. 또한, 실리콘 산화물 입자내에 존재하는 섬유상 탄소 코어 물질은 뛰어난 전기적 전도성을 부여하고, 리튬과의 반응에서 실리콘 산화물의 부피 팽창을 완충시켜주는 역할을 수행하여 수명 및 고율 특성 개선 효과를 부여한다. The negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is a silicon oxide composite including a fibrous carbon core layer, and the carbon core silicon oxide composite has a rod-like shape. In this case, the rod-like shape means a shape having a longer length in the axial direction than the particle diameter. This is advantageous in increasing the surface area of silicon oxide for reaction with lithium ions and increasing the particle filling density. In addition, the fibrous carbon core material present in the silicon oxide particles imparts excellent electrical conductivity and functions to buffer the volume expansion of the silicon oxide in the reaction with lithium, thereby improving the lifetime and high-rate characteristics.

상기 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체의 평균 직경은 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 50 nm, 좀더 바람직하게는 20 내지 40 nm가 될 수 있다. 또한, 상기 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체의 길이는 100 nm 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 10 ㎛, 좀더 바람직하게는 3 ㎛ 내지 8 ㎛가 될 수 있다. The average diameter of the carbon core silicon oxide complex may be 5 to 100 nm, preferably 10 to 50 nm, more preferably 20 to 40 nm. Further, the length of the carbon core silicon oxide composite may be 100 nm to 20 탆, preferably 1 탆 to 10 탆, more preferably 3 탆 to 8 탆.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질에서 상기 실리콘 산화물 복합체는 SiOx (0≤x≤2)로 표시되는 성분을 포함하는 것일 수 있다. In the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, the silicon oxide composite may include a component represented by SiO x (0? X ? 2).

또한, 상기 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체의 결정화도는 도 3에 나타낸 바와 같이, XRD 결정 분석시 2θ(two theta) = 26-27 및 27-28에서 결정 피크(peak)를 갖고, 2θ(two theta) = 21-22 및 35-36에서 브로드(broad)한 형태의 SiO2 관련 결정 피크(peak)를 갖는 것일 수 있다. Further, as shown in FIG. 3, the crystallinity of the carbon core silicon oxide composite has a crystal peak at 2 theta = 26-27 and 27-28 in XRD crystal analysis, and 2 theta = 21-22, and 35-36, which have broad crystal form SiO 2- related crystal peaks.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질에서 탄소 코어층은 평균 직경 2 nm 이하 또는 0.01 nm 내지 2 nm이며, 길이는 10 nm 내지 10 ㎛이다.In the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, the carbon core layer has an average diameter of 2 nm or less or 0.01 nm to 2 nm and a length of 10 nm to 10 mu m.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질에서 탄소 함량은 전체 중량에 대하여 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1.5 내지 8 중량%, 좀더 바람직하게는 2 내지 5 중량%로 포함할 수 있다. In the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, the carbon content may be 1 to 10 wt%, preferably 1.5 to 8 wt%, more preferably 2 to 5 wt%, based on the total weight.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 사이클 수명 특성 및 고율특성이 우수하다. 특히, 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 실리콘 산화물의 높은 리튬 충전용량 특성과 실리콘 산화물 기공내에 존재하는 탄소 코어물질을 통한 우수한 전기적 전도성, 또한 리튬 충전시의 실리콘 산화물의 부피팽창을 탄소 코어물질이 완충 시켜 부피팽창에 따른 실리콘 산화물의 물리적 충격을 완화시켜 주는 기능을 갖게 된다. 이를 통해 기존 흑연 음극 활물질 대비 우수한 충/방전용량, 그리고 실리콘 음극활물질 대비 우수한 율별 특성 및 수명특성을 갖는다.
The negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention has excellent cycle life characteristics and high rate characteristics. In particular, the anode active material for a lithium secondary battery according to the present invention has a high lithium charge capacity characteristic of silicon oxide, excellent electrical conductivity through a carbon core material existing in silicon oxide pores, and volume expansion of silicon oxide upon lithium charging, And has the function of buffering the physical impact of the silicon oxide due to the volume expansion. As a result, it has excellent charge / discharge capacity and excellent characteristics and life characteristics compared to the conventional graphite negative electrode active material.

한편, 본 발명의 다른 일구현예 따르면 상술한 바와 같은 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 섬유질 형상의 기공을 갖고 실리케이트 성분을 포함하는 다공성 금속 산화물과, 탄소수 1 내지 18의 탄화수소 작용기를 포함하는 유기 화합물을 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 300 ℃ 이상에서 1차 열처리를 하여 탄소 코어를 형성하는 단계; 상기 탄소 코어가 형성된 복합체를 산 처리하는 단계; 및 상기 산 처리된 탄소 코어 복합체를 500 ℃ 이상에서 2차 열처리를 하는 단계;를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing the negative electrode active material for a lithium secondary battery as described above. The method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of mixing a porous metal oxide having fibrous pores and containing a silicate component with an organic compound containing a hydrocarbon functional group having 1 to 18 carbon atoms; Subjecting the mixture to a first heat treatment at 300 ° C or higher to form a carbon core; Acid treatment of the composite on which the carbon core is formed; And subjecting the acid-treated carbon core composite to a secondary heat treatment at 500 ° C or higher.

본 발명에서는 섬유질 형상 나노기공을 지닌 금속실리케이트 물질내에 탄소 코어물질을 형성, 산 처리, 열처리 및 환원소성 공정을 통해 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제조할 수 있다. In the present invention, an anode active material for a lithium secondary battery having excellent cycle life characteristics can be produced through formation of a carbon core material in a metal silicate material having fibrous nano pores, acid treatment, heat treatment, and reduction and firing.

상기 다공성 금속 산화물은 섬유질 형상 나노 기공을 지닌 실리케이트 성분을 포함하는 것으로, Si, Mg, Sn, 및 Al으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 성분을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 다공성 금속 산화물은 SiOx (0<x≤2), SnOx' (0<x'≤2), MgOx" (0<x"≤2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함한다.The porous metal oxide includes a silicate component having fibrous nanopores, and may include at least one metal component selected from the group consisting of Si, Mg, Sn, and Al. Also, the porous metal oxide is selected from the group consisting of SiO x (0 <x ≦ 2), SnO x ' (0 ≦ x ≦ 2), MgO x " (0 ≦ x" ≦ 2) .

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질 제조 방법에서, 상기 다공성 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 물질일 수 있다In the method for preparing an anode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, the porous metal oxide may be a material having a composition represented by the following Chemical Formula 1

[화학식 1][Chemical Formula 1]

MgaMbSicOd Mg a M b Si c O d

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

M은 Al, K, Ca, Be 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이며, M is selected from the group consisting of Al, K, Ca, Be, and combinations thereof,

a, b, c, d는 0.1<a≤6, 0.01<b<0.5, 0.1<c≤10, d≥2c를 만족하는 것이며, 바람직하게는 0.5<a≤4, 0.01<b<0.1, 0.5<c≤6, d≥2c가 될 수 있다.a, b, c, and d satisfy the following conditions: 0.1 <a? 6, 0.01 <b <0.5, 0.1 <c? 10 and d? 2c, < c? 6, d? 2c.

상기 섬유질 형상 나노 기공을 지닌 실리케이트 성분을 포함하는 다공성 금속 산화물은 세피올라이트(sepiolite), 팰리고르스카이트(palygorskite), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이다. 특히, 세피올라이트(sepiolite) 조성은 Mg4Si6O15(OH)2ㆍ6H2O이며, 물질 구조는 오르쏘옴빅(Orthorhombic) 2/m2/m2/m를 지닌다. 예컨대, 세피올라이트(sepiolite)는 막대형 형상을 지니며, 입자 내부에 축을 따라 나노크기의 기공이 형성 되어 있으며, 기공크기는 대략 3.6 Å × 10.6 Å이고, 세피올라이트 입자 직경은 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 50 nm, 좀더 바람직하게는 20 내지 40 nm이며, 길이는 100 nm 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 좀더 바람직하게는 3 ㎛ 내지 8 ㎛를 지닌다. The porous metal oxide comprising a silicate component having fibrous nanopores is selected from the group consisting of sepiolite, palygorskite, and mixtures thereof. In particular, the sepiolite composition is Mg 4 Si 6 O 15 (OH) 2 .6H 2 O and the material structure is Orthorhombic 2 / m 2 / m 2 / m. For example, sepiolite has a rod-like shape, nano-sized pores are formed along the axis inside the particle, pore size is about 3.6 占 占 10.6 占 and the sepiolite particle diameter is 5 to 100 nm, preferably 10 to 50 nm, more preferably 20 to 40 nm, and the length is 100 nm to 20 탆, preferably 1 탆 to 10 탆, more preferably 3 탆 to 8 탆.

상기 다공성 금속 산화물은 30 내지 500 m2/g, 바람직하게는 100 내지 400 m2/g, 좀더 바람직하게는 200 내지 300 m2/g의 비표면적을 갖는 것일 수 있다. The porous metal oxide may have a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g, preferably 100 to 400 m 2 / g, more preferably 200 to 300 m 2 / g.

또한, 상기 다공성 금속 산화물의 결정화도는 세피올라이트(sepiolite), 팰리고르스카이트(palygorskite) 등이 갖는 고유 패턴을 나타내며, 복잡한 결정 형태에 따라 다수의 결정 피크를 나타낼 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물의 결정화도는 도 3에 나타낸 바와 같이, XRD 결정 분석시 2θ(two theta) = 10-11, 13-15, 27-28, 30-31, 34.5-35.5, 36.5-37.5, 39-40 사이에 주 피크(peak)를 갖는 것이 될 수 있다. In addition, the crystallinity of the porous metal oxide shows a unique pattern of sepiolite, palygorskite, and the like, and a large number of crystal peaks can be exhibited depending on the complex crystal form. As shown in FIG. 3, the crystallinity of the porous metal oxide was determined by XRD crystal analysis at two theta = 10-11, 13-15, 27-28, 30-31, 34.5-35.5, 36.5-37.5, 40 &lt; / RTI &gt;

본 발명의 일 구현예에서 상기 다공성 금속 산화물과, 탄소수 1 내지 18의 탄화수소 작용기를 포함하는 유기 화합물과 혼합하여 탄소 코어물질을 형성할 수 있다. 이때, 상기 유기 화합물에서 탄화수소 작용기는 메틸기, 에틸기, 부틸기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 될 수 있다. 상기 유기 화합물로는 예컨대, 수크로오스(Sucrose), 전분(starch), 아스코르브산(ascorbic acid) 등을 1종 이상 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a carbon core material may be formed by mixing the porous metal oxide with an organic compound containing a hydrocarbon functional group having 1 to 18 carbon atoms. Here, the hydrocarbon functional group in the organic compound may be selected from the group consisting of a methyl group, an ethyl group, a butyl group, and a combination thereof. Examples of the organic compound include sucrose, starch, ascorbic acid, and the like.

또한, 상기 유기 화합물은 다공성 금속 산화물 100 중량부에 대하여 10 내지 400 중량부, 바람직하게는 50 내지 200 중량부, 좀더 바람직하게는 60 내지 150 중량부로 첨가될 수 있다. The organic compound may be added in an amount of 10 to 400 parts by weight, preferably 50 to 200 parts by weight, more preferably 60 to 150 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous metal oxide.

본 발명의 일 구현예에서는 상기 다공성 금속 산화물에 탄소 나노 코어 물질을 형성하기 위하여, 탄소수 1 내지 18의 탄화수소 작용기를 포함하는 유기 화합물을 수용액 상 또는 기상에서 혼합 후 300 ℃ 이상에서 1차 열처리 공정을 통해 고온 환원 소성을 수행할 수 있다. 상기 1차 열처리 공정을 통해 다공성 금속 산화물의 코어층에 탄소 나노 섬유를 형성할 수 있다. 다만, 상기 1차 열처리 공정은 실리콘 마그네슘(MgSiO3)가 형성되지 않도록 하기 위해서, 950 ℃ 이하로 소성하는 것이 바람직하다. 또한, 메탄, 에탄, 프로판 등의 유기 기체를 상기 다공성 금속 산화물에 투과시키며 고온 환원 소성 과정을 통해 제조할 수 있다. 상기 1차 열처리 공정은 300 ℃ 이상 또는 300 ℃ 내지 950 ℃, 바람직하게는 400 ℃ 이상 내지 900 ℃ 이하에서 수행할 수 있다. In an embodiment of the present invention, in order to form a carbon nanocom material on the porous metal oxide, an organic compound containing a hydrocarbon functional group having 1 to 18 carbon atoms is mixed in an aqueous solution or a vapor phase and then subjected to a first heat treatment High-temperature reduction firing can be performed. The carbon nanofibers can be formed in the core layer of the porous metal oxide through the first heat treatment process. However, in the primary heat treatment step, it is preferable to sinter at 950 ° C or lower in order to prevent formation of silicon magnesium (MgSiO 3 ). In addition, an organic gas such as methane, ethane, or propane may be passed through the porous metal oxide and may be produced through a high-temperature reduction-firing process. The primary heat treatment may be performed at a temperature of 300 ° C or higher or 300 ° C to 950 ° C, preferably 400 ° C or higher and 900 ° C or lower.

이와 같이 1차 열처리 공정을 수행한 후에 얻어진 소성 물질, 즉, 탄소 코어가 형성된 복합체는 산 처리 공정을 통해 Mg, Al, Ti, Fe 등의 금속 성분을 제거하는 단계를 포함한다. 특히, 상기 탄소 코어가 형성된 복합체는 산 용액 등에 함침하여 Mg, Al등의 금속성분을 제거할 수 있다. 이때, 상기 산 용액으로는 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 과염소산(HClO4) 등을 1종 이상 사용할 수 있다. The fired material obtained after the first heat treatment process, that is, the composite having formed the carbon core, includes a step of removing metal components such as Mg, Al, Ti, and Fe through an acid treatment process. In particular, the composite having the carbon core formed thereon can be impregnated with an acid solution or the like to remove metal components such as Mg and Al. At this time, one or more of hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), perchloric acid (HClO 4 ) and the like may be used as the acid solution.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 산 처리된 탄소 코어 복합체는 500 ℃ 이상에서 2차 열처리 공정의 고온 소성을 수행할 수 있다. 상기 2차 열처리 공정을 통해 탄소 섬유 자체 및 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체 전체의 결정성을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 2차 열처리 단계의 고온 환원 소성 온도는 500 ℃ 이상 또는 500 ℃ 내지 2,000 ℃, 바람직하게는 700 ℃ 이상 내지 1,500 ℃ 이하로 수행할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the acid-treated carbon core composite may be subjected to high-temperature firing in a second heat treatment process at 500 ° C or higher. Through the second heat treatment process, the crystallinity of the entire carbon fiber itself and the carbon core silicon oxide complex can be increased. The high-temperature reduction calcination temperature in the second heat treatment step may be 500 ° C or higher, or 500 ° C to 2,000 ° C, preferably 700 ° C or higher to 1,500 ° C or lower.

한편, 본 발명의 또다른 일구현예 따르면 상술한 바와 같은 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극 및 전해질을 포함한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the negative electrode active material as described above. The lithium secondary battery of the present invention includes a cathode including a cathode active material, a cathode including the anode active material, and an electrolyte.

상기 음극은 본 발명에 따른 음극 활물질과, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조한 다음, 구리 집전체 상에 직접 코팅 및 건조하여 제조한다. 또는 상기 음극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 알루미늄 집전체 상에 라미네이션하여 제조가 가능하다. 이때 도전재는 카본 블랙, 흑연, 금속 분말을 사용하며, 결합제는 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물이 가능하다. 또한 용매는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 데칸 등을 사용한다. 이때 양극 활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용하는 수준으로 사용된다. The negative electrode is prepared by preparing the negative electrode active material composition by mixing the negative active material according to the present invention, the conductive material, the binder and the solvent, and then directly coating and drying the copper negative electrode active material on the copper current collector. Or by casting the negative electrode active material composition on a separate support, then peeling the support from the support, and laminating the resulting film on an aluminum current collector. The conductive material may be carbon black, graphite, metal powder, and the binder may include vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene And mixtures thereof. Further, N-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, decane and the like are used as the solvent. At this time, the content of the cathode active material, the conductive material, the binder and the solvent is used at a level normally used in a lithium secondary battery.

상기 양극은 음극과 마찬가지로 양극 활물질, 결합제 및 용매를 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 제조하며, 이를 알루미늄 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 제조한다. 이때 양극 활물질 조성물에는 필요한 경우에는 도전재를 더욱 함유하기도 한다. 상기 양극 활물질로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 재료가 사용되고, 대표적으로, 상기 양극 활물질로는 금속 산화물, 리튬 복합 금속 산화물, 리튬 복합 금속 황화물 및 리튬 복합 금속 질화물 등이 사용된다. The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material, a binder and a solvent in the same manner as the negative electrode to produce an anode active material composition. The positive electrode active material film is directly coated on the aluminum current collector or cast on a separate support, Laminated. At this time, the cathode active material composition may further contain a conductive material if necessary. As the cathode active material, a material capable of intercalating / deintercalating lithium is used. Typically, metal oxides, lithium composite metal oxides, lithium composite metal sulfides, and lithium composite metal nitrides are used as the cathode active material do.

상기 세퍼레이터는 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 일예로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다. The separator may be polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or a multilayer film of two or more thereof. The separator may be a polyethylene / polypropylene double-layer separator, It is needless to say that a mixed multilayer film such as a polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, a polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator and the like can be used.

상기 리튬 이차 전지에 충전되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등이 사용 가능하며, 리튬 염이 용해된 것을 사용한다. 상기 비수성 전해질의 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류 아세토니트릴 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있다. 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다. 이때 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
As the electrolyte to be charged into the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt dissolved therein may be used. The solvent of the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but cyclic carbonate dimethyl carbonate such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and the like, chain carbonate such as methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate, methyl acetate, Esters such as ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and? -Butyrolactone; alcohols such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, Ethers such as furane; nitriles such as acetonitrile; amides such as dimethylformamide; and the like. These may be used singly or in combination. Particularly, a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate can be preferably used. As the electrolyte, a gel polymer electrolyte obtained by impregnating a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile with an electrolytic solution, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used. Wherein the lithium salt is selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCl, and LiI.

이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
Best Mode for Carrying Out the Invention Hereinafter, the function and effect of the present invention will be described in more detail through specific examples of the present invention. It is to be understood, however, that these embodiments are merely illustrative of the invention and are not intended to limit the scope of the invention.

<실시예><Examples>

실시예 1Example 1

섬유상 나노 기공을 지닌 다공성 무기금속 산화물인 세피올라이트(sepiolite) 기공내에 탄소 나노 코어를 형성시키고, 산처리 및 고온 환원 소성을 거쳐 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체를 제조하였다. Carbon core silicon oxide composites were prepared by forming carbon nanocores in sepiolite pores, which are porous inorganic metal oxides having fibrous nanopores, followed by acid treatment and high temperature reduction calcination.

먼저, 세피올라이트(sepiolite)를 물에 분산시키고 유기 작용기인 수크로오스(Sucrose)를 혼합하였다. 상기 세피올라이트(sepiolite) 조성은 Mg4Si6O15(OH)2ㆍ6H2O을 지니며 오르쏘옴빅(Orthorhombic) 2/m2/m2/m 구조를 지닌다. 상기 세피올라이트는 막대형 형상을 지니며, 입자 내부에 섬유상 나노 기공이 입자 축을 따라 형성되어 있으며, 기공크기는 대략 3.6 Å × 10.6 Å, 입자 크기는 평균직경 20 nm 내지 40 nm, 길이 3 ㎛ 내지 8 ㎛를 지닌 것이었다. 이때, 세피올라이트(sepiolite) 입자 형상은 도 2(a)에 나타낸 바와 같다. First, sepiolite was dispersed in water and sucrose, an organic functional group, was mixed. The sepiolite composition has Mg 4 Si 6 O 15 (OH) 2 .6H 2 O and Orthorhombic 2 / m 2 / m 2 / m structure. The sepiolite has a rod-like shape, and fibrous nanopores are formed along the particle axis within the particle, and the pore size is about 3.6 Å × 10.6 Å, the particle size is 20 nm to 40 nm in average diameter, To 8 mu m. At this time, the sepiolite particle shape is as shown in Fig. 2 (a).

여기서, 상기 수크로오스(Sucrose) 무게 함량은 세피올라이트 무게 대비 60 wt%으로 혼합하였다. 혼합된 세피올라이트/수크로오스 혼합 용액을 오븐에서 건조하고, N2 분위기에서 700 ℃에서 5 시간 동안 1차 열처리 공정을 통해 환원 소결하였다. 소결된 탄소/세피올라이트 복합체를 산 용액에 함침하여 Mg, Al 성분을 제거한 후, 900 ℃에서 5 시간 동안 2차 열처리 공정으로 소결하였다.
Here, the weight of the sucrose was 60 wt% based on the weight of the sepiolite. The mixed sepiolite / sucrose mixed solution was dried in an oven and reduced and sintered in a N 2 atmosphere at 700 ° C. for 5 hours through a first heat treatment process. The sintered carbon / sepiolite composite was impregnated with acid solution to remove Mg and Al components and then sintered at 900 ° C for 5 hours in a secondary heat treatment process.

실시예 2Example 2

2차 열처리 공정을 1,100 ℃로 소결한 것을 달리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 산화물 /탄소 코어 복합체를 제조하였다.
A silicon oxide / carbon core composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that the second heat treatment step was sintered at 1,100 ° C.

비교예 1Comparative Example 1

수크로오스(Sucrose)를 사용한 탄소 코어층을 형성하지 않고 별도의 소결 공정을 수행하지 않은 다공성 무기금속 산화물인 세피올라이트(sepiolite) 제품을 준비하였다.
A sepiolite product, which is a porous inorganic metal oxide which is not subjected to a separate sintering process without forming a carbon core layer using sucrose, was prepared.

비교예 2Comparative Example 2

기존에 리튬이차전지 음극활물질로 사용되고 있는 흑연 제품(Graphite)을 준비하였다.
A graphite product (graphite), which has been used as an anode active material for a lithium secondary battery, was prepared.

<시험예><Test Example>

실시예 1~2의 실리콘 산화물/탄소 코어 복합체와 비교예 1의 세피올라이트(sepiolite) 및 비교예 2의 흑연 제품(Graphite)에 대하여 다음과 같이 물성 평가를 수행하였다.
The properties of the silicon oxide / carbon core composite of Examples 1 and 2, the sepiolite of Comparative Example 1 and the graphite product of Comparative Example 2 were evaluated as follows.

투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope) 분석Transmission Electron Microscope (TEM) analysis

실시예 1에서 제조된 실리콘 산화물/탄소 코어 복합체 물질내에 존재하는 탄소 나노섬유를 확인하기 위해 HCl 및 HF 용액 처리를 통해 탄소를 제외한 모든 금속성분을 제거하였고, 상기 제조된 탄소 물질을 TEM 을 통해 입자 형상 분석하여 도 2(c)에 나타내었다. 상기 실리콘 산화물/탄소 코어 복합체내에 존재하는 탄소 나노섬유는 두께 1 nm 이하로 결을 따라 뭉쳐있는 형상을 지니고 있음을 보여주고 있다.
In order to identify carbon nanofibers present in the silicon oxide / carbon core composite material prepared in Example 1, all metal components other than carbon were removed through treatment with HCl and HF solutions, The shape analysis is shown in Fig. 2 (c). The carbon nanofibers present in the silicon oxide / carbon core composite have a shape having a thickness of 1 nm or less and aggregated along the texture.

X선 회절(XRD, X-ray Diffraction) 분석X-ray diffraction (XRD, X-ray diffraction) analysis

실시예 1에서 제조된 실리콘 산화물/탄소 코어 복합체를 XRD를 통해 결정 분석한 결과를 도3에 나타내었고, 비교예 1의 세피올라이트(sepiolite)에 대한 분석 결과를 함께 나타내었다. 여기서, 비교예 1의 세피올라이트와는 달리 실시예 1의 탄소코어 실리콘 산화물 복합체는 대체적으로 비정질 구조를 지니며 2θ = 26-27 및 27-28에서 SiO2와 관련된 결정 피크(peak)이 존재함을 보여주고 있다.
The results of crystal analysis of the silicon oxide / carbon core composite prepared in Example 1 through XRD are shown in FIG. 3, and the results of sepiolite analysis of Comparative Example 1 are also shown. Here, unlike the sepiolite of Comparative Example 1, the carbon core silicon oxide composite of Example 1 has an amorphous structure in general and a crystal peak related to SiO 2 exists at 2 ? = 26-27 and 27-28 .

전기화학적 충방전 평가Electrochemical charge / discharge evaluation

실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 음극 활물질을 사용하여, 다음과 같은 방법으로 리튬이차전지 음극 활물질로서 충전 및 방전 평가를 통해 전기화학적 특성을 평가하였다. Using the negative electrode active material prepared according to Example 1 and Comparative Example 2, electrochemical characteristics were evaluated by charging and discharging evaluation as a lithium secondary battery negative electrode active material in the following manner.

전극물질은 상기 제조된 음극활물질(Graphite, Sepiolite/C_700℃, Sepiolite/C_900℃ 각각), 도전제, 바인더 및 NMP를 이용하여 슬러리(slurry)를 만들고, Cu 집전체에 캐스팅을 한 후 건조 및 압연을 실시하였다. The slurry was prepared by using the prepared anode active material (Graphite, Sepiolite / C_700 ° C, Sepiolite / C_900 ° C), a conductive agent, a binder and NMP, casting the Cu current collector, Respectively.

전극 조성은 음극활물질 : 도전제 : 바인더 순으로 75: 5: 20이며, 도전제는 카본블랙을 사용하고, 바인더는 PVdF를 사용하였다. 대극으로 리튬을 이용하며, 전해액은 1.2M LiPF6 EC/DMC = 5/5 (by volume) 조성을 사용하였다. The electrode composition was 75: 5: 20 in the order of the negative electrode active material: conductive agent: binder, using carbon black as the conductive agent and PVdF as the binder. Lithium was used as the counter electrode, and the electrolyte used was 1.2M LiPF6 EC / DMC = 5/5 (by volume) composition.

리튬 대극, 음극 전극, PE 분리막을 스택킹하고 전해액을 함유하여 코인셀을 만들고 충전 및 방전 평가를 진행하였다. Stacking of a lithium counter electrode, a cathode electrode, and a PE separator, a coin cell containing an electrolytic solution was prepared, and charging and discharging were evaluated.

충/방전 평가는 600 mAh/g 기준으로 0.05 C에서 1 C까지 각 율 별에서 3회씩 0.01V - 1.5V vs. Li/Li+ 영역에서 실시하였다.
The charge / discharge evaluation was 0.01V - 1.5V vs. 3 times at each rate from 0.05 C to 1 C based on 600 mAh / g. Li / Li &lt; + &gt;

한편, 실시예 1~2에서 제조된 탄소 코어 실리콘 산화물 복합체의 전기화학적 충/방전 평가 결과를 도 5 및 도 6에서 나타내었다. 비교예 2의 흑연 음극활물질에 대한 충/방전 평가를 동일한 전위 영역에서 진행하였고, 도 5(a)에 나타내었다. 도 5(b) 및 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 2의 탄소코어 실리콘 산화물 복합체 음극활물질의 0.05 C 가역 용량은 각각 540 mAh/g 및 620 mAh/g 이상으로, 비교예 2의 흑연 음극 활물질 가역용량인 320 mAh/g에 비해 두 배 가량 높게 나타낸다. 또한, 도 6에서 실시예 2의 실리콘 산화물 복합체의 각 율별 가역 용량을 나타내며 1 C 가역 용량은 580 mAh/g이상으로, 0.05 C 가역용량 대비 93% 이상의 매우 우수한 율별 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한, 각 율별에서 싸이클에 따른 가역용량 유지율도 매우 우수하게 보여지고 있다.On the other hand, electrochemical charge / discharge evaluation results of the carbon core silicon oxide composites prepared in Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 5 and 6. The charge / discharge evaluation of the graphite negative electrode active material of Comparative Example 2 proceeded in the same potential region and is shown in Fig. 5 (a). As shown in Figs. 5 (b) and 5 (c), the 0.05 C reversible capacities of the carbon core silicon oxide composite negative electrode active materials of Examples 1 and 2 were 540 mAh / g and 620 mAh / 2 graphite anode active material is about twice as high as the reversible capacity of 320 mAh / g. In FIG. 6, the reversible capacity of the silicon oxide composite of Example 2 is shown, and the reversible capacity at 1 C is 580 mAh / g or more, which is excellent at 93% or more of the reversible capacity at 0.05 C . In addition, the rate of reversible capacity retention according to cycles at each rate is also seen to be very good.

따라서, 실시예 1의 실리콘산화물/탄소 코어 복합체 음극활물질이 기존에 사용되는 비교예 2의 흑연 음극활물질 가역용량보다 높은 고용량 특성을 지님을 알 수 있다. 특히, 도 3의 XRD 분석 결과로부터 고온 환원소성 및 이종금속 제거를 통해 탄소 코어 비결정 실리콘산화물을 제조하여 전기화학적 활성을 매우 증가시키고 충/방전 용량이 증가하였음을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen that the silicon oxide / carbon composite anode active material of Example 1 has a high capacity characteristic higher than the reversible capacity of the graphite anode active material of Comparative Example 2 used in the prior art. In particular, from the results of the XRD analysis of FIG. 3, it can be seen that amorphous silicon oxide of carbon core was produced by high-temperature reduction calcination and removal of dissimilar metals, thereby increasing electrochemical activity and increasing charge / discharge capacity.

Claims (20)

섬유질 형상의 탄소 코어층을 포함하는 실리콘 산화물 복합체인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.A negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is a silicon oxide composite comprising a fibrous carbon core layer. 제1항에 있어서,
상기 실리콘 산화물 복합체는 막대형 형상을 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon oxide composite has a rod-like shape.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 산화물 복합체의 평균 직경은 5 내지 100 nm이고, 길이는 100 nm 내지 20 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon oxide composite has an average diameter of 5 to 100 nm and a length of 100 nm to 20 占 퐉 for a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 산화물 복합체는 SiOx(식중, 0<x≤2)로 표시되는 성분을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon oxide composite comprises a component represented by SiO x (where 0 <x? 2).
제1항에 있어서,
상기 실리콘 산화물은 결정화도가 XRD 결정 분석시 2θ = 26-27 및 27-28에서 결정 피크(peak)와, 2θ(two theta)= 21-22 및 35-36에서 결정 피크를 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The silicon oxide has a crystal peak at a crystal peak at 2? = 26-27 and 27-28 and a crystal peak at 2? (Two theta) = 21-22 and 35-36 in the analysis of XRD crystal by the anode active material for a lithium secondary battery .
제1항에 있어서
상기 탄소 코어층은 평균직경 2 nm 이하인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1, wherein
Wherein the carbon core layer has an average diameter of 2 nm or less.
제1항에 있어서
상기 음극 활물질은 탄소를 전체 중량에 대하여 1 내지 10 중량%로 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1, wherein
Wherein the negative electrode active material comprises carbon in an amount of 1 to 10 wt% based on the total weight of the negative electrode active material.
섬유질 형상의 기공을 갖고 실리케이트 성분을 포함하는 다공성 금속 산화물과, 탄소수 1 내지 18의 탄화수소 작용기를 포함하는 유기 화합물을 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 300 ℃ 이상에서 1차 열처리를 하여 탄소 코어를 형성하는 단계;
상기 탄소 코어가 형성된 복합체를 산 처리하는 단계; 및
상기 산 처리된 탄소 코어 복합체를 500 ℃ 이상에서 2차 열처리를 하는 단계;
를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
Mixing a porous metal oxide having fibrous pores and containing a silicate component with an organic compound containing a hydrocarbon functional group having 1 to 18 carbon atoms;
Subjecting the mixture to a first heat treatment at 300 ° C or higher to form a carbon core;
Acid treatment of the composite on which the carbon core is formed; And
Subjecting the acid-treated carbon core composite to a secondary heat treatment at 500 ° C or higher;
And a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 Si, Mg, Sn, 및 Al으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 성분을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous metal oxide comprises at least one metal component selected from the group consisting of Si, Mg, Sn, and Al.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 SiOx (0<x≤2), SnOx' (0<x'≤2), MgOx" (0<x"≤2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 성분을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous metal oxide is selected from the group consisting of SiO x (0 <x ≦ 2), SnO x ' (0 ≦ x ≦ 2), MgO x " (0 ≦ x" ≦ 2) By weight based on the weight of the negative electrode active material.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법:
[화학식 1]
MgaMbSicOd
상기 화학식 1에서,
M은 Al, K, Ca, Be 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이며,
a, b, c, d는 0.1<a≤4 0.01<b<0.5, 0.1<c≤10, d≥2c를 만족하는 것임.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous metal oxide has a composition represented by the following formula (1): < EMI ID =
[Chemical Formula 1]
Mg a M b Si c O d
In Formula 1,
M is selected from the group consisting of Al, K, Ca, Be, and combinations thereof,
a, b, c, and d satisfy 0.1 <a≤4 0.01 <b <0.5, 0.1 <c≤10, and d≥2c.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 세피올라이트(sepiolite), 팰리고르스카이트(palygorskite), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous metal oxide is selected from the group consisting of sepiolite, palygorskite, and mixtures thereof.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 평균 직경 5 내지 100 nm, 길이는 100 nm 내지 20 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous metal oxide has an average diameter of 5 to 100 nm and a length of 100 nm to 20 탆.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 30 내지 500 m2/g의 비표면적을 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the porous metal oxide has a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g.
제8항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 결정화도가 XRD 결정 분석시 2θ = 10-11, 13-15, 27-28, 30-31, 34.5-35.5, 36.5-37.5, 39-40 사이에 주 피크(peak)를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The porous metal oxide has a main peak between 2? = 10-11, 13-15, 27-28, 30-31, 34.5-35.5, 36.5-37.5, and 39-40 in the XRD crystal analysis A method for producing an anode active material for lithium secondary batteries.
제8항에 있어서,
상기 탄화수소 작용기는 메틸기, 에틸기, 부틸기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the hydrocarbon functional group is selected from the group consisting of a methyl group, an ethyl group, a butyl group, and combinations thereof.
제8항에 있어서,
상기 유기 화합물은 다공성 금속 산화물 100 중량부에 대하여 10 내지 400 중량부로 첨가되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the organic compound is added in an amount of 10 to 400 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous metal oxide.
제8항에 있어서,
상기 1차 열처리 공정은 400 ℃ 내지 900 ℃에서 실시하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the first heat treatment step is performed at a temperature of 400 ° C to 900 ° C.
제8항에 있어서,
상기 2차 열처리 공정은 700 ℃ 내지 1,500 ℃에서 실시하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the second heat treatment step is performed at 700 ° C to 1,500 ° C.
양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극 및 전해질을 포함하고, 상기 음극 활물질은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 음극 활물질인 것인 리튬 이차 전지.
A lithium secondary battery comprising: a cathode including a cathode active material; a cathode including the anode active material; and an electrolyte, wherein the anode active material is the anode active material according to any one of claims 1 to 7.
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