KR101567884B1 - Anode structure for secondary battery and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고용량, 고효율 충방전 특성을 제공할 수 있는 이차 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 이차 전지용 음극의 제조 방법은, 음극 집전체의 상측에 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 실리콘층의 상측에 금속 캡핑층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 캡핑층에 의한 금속 유도 결정화에 따라 상기 실리콘층을 결정화하여 음극 활물질층을 형성하는 단계;를 포함한다.The present invention provides a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery capable of providing a high capacity, high efficiency charge / discharge characteristic. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, including: forming a silicon layer on a negative electrode collector; Forming a metal capping layer on the silicon layer; And crystallizing the silicon layer according to metal induced crystallization by the metal capping layer to form a negative active material layer.

Description

이차 전지용 음극 및 그 제조 방법{Anode structure for secondary battery and method of manufacturing the same}[0001] The present invention relates to a negative electrode for a secondary battery, and an anode structure for a secondary battery,

본 발명의 기술적 사상은 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고용량, 고효율 충방전 특성을 제공할 수 있는 이차 전지용 음극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a negative electrode for a secondary battery capable of providing high capacity and high efficiency charging / discharging characteristics, and a method of manufacturing the same.

최근 리튬 이차 전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등을 비롯한 휴대용 전자제품의 전원으로 사용될 뿐만 아니라 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicles, HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(plug-in HEV) 등의 중대형 전원으로 사용되는 등 응용 분야가 급속히 확대되고 있다. 이와 같은 응용분야의 확대 및 수요의 증가에 따라 전지의 외형적인 모양과 크기도 다양하게 변하고 있으며, 기존의 소형전지에서 요구되는 특성보다 더욱 우수한 용량, 수명, 및 안전성이 요구되고 있다.Recently, the lithium secondary battery has been used as a power source for portable electronic products including mobile phones and notebook computers, as well as being used as a medium and large power source for hybrid electric vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (plug-in HEV) Applications are rapidly expanding. As the application field is expanded and demand is increased, the external shape and size of the battery are variously changed, and capacity, lifetime, and safety are demanded more than those required in conventional small batteries.

리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalatino)가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 이러한 음극 및 양극에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 의한 산화 환원 반응에 의하여 전기가 생성되거나 소비된다. 종래의 리튬 이차 전지에 널리 사용되고 있는 음극 활물질인 흑연(graphite)은 층상 구조를 가지고 있어 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 매우 유용한 특징을 지닌다. 흑연은 이론적으로 372mAh/g의 용량을 나타내지만 최근의 고용량의 리튬 전지에 대한 수요가 증가함에 따라 흑연을 대체할 수 있는 새로운 전극이 요구되고 있다.The lithium secondary battery uses a material capable of intercalation and deintercalation of lithium ions as a cathode and an anode and generates electricity or consumes electricity by redox reaction by insertion and desorption of lithium ions at the cathode and anode do. Graphite, which is a negative electrode active material widely used in conventional lithium secondary batteries, has a layered structure and is very useful for insertion and desorption of lithium ions. Theoretically, graphite has a capacity of 372 mAh / g, but with the recent increase in demand for high capacity lithium batteries, a new electrode capable of replacing graphite is required.

1. 한국공개특허 제2009-0001752호 (2006.01.06. 공개)1. Korean Laid-Open Patent No. 2009-0001752 (Published on Jan. 2006, 2006) 2. 한국공개특허 제2005-0078392호 (2005.08.05. 공개)2. Korean Patent Publication No. 2005-0078392 (Published on August 5, 2005)

고용량의 음극 활물질로서, 실리콘(Si), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 알루미늄(Al) 등과 같이 리튬 이온과 전기화학적인 합금을 형성하는 전극 활물질에 대하여 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 실리콘, 주석, 안티몬, 알루미늄 등은 리튬과의 전기화학적 합금 형성을 통한 충전/방전시 부피가 증가/감소하는 특성을 갖고 있으며, 이러한 충방전에 따른 부피 변화는 실리콘, 주석, 안티몬, 알루미늄 등의 활물질을 도입한 전극에 있어서 전극 사이클 특성을 열화시키는 문제를 갖고 있다. 또한, 이러한 부피 변화는 전극 활물질 표면에 균열을 일으키고, 지속적인 균열 형성은 전극 표면의 미분화를 가져오게 되어 사이클 특성을 열화시키는 또 다른 요인으로 작용하게 된다.Researches for the commercialization of an electrode active material that forms an electrochemical alloy with lithium ions such as silicon (Si), tin (Sn), antimony (Sb), and aluminum (Al) as a high capacity negative electrode active material have been actively conducted . However, silicon, tin, antimony, aluminum and the like have the characteristics of increasing / decreasing the volume during charging / discharging through the formation of an electrochemical alloy with lithium. The volume change due to such charging / Has the problem that the electrode cycle characteristics are deteriorated in the electrode in which the active material is introduced. Also, such a change in volume causes cracks on the surface of the electrode active material, and continuous crack formation causes undifferentiation of the surface of the electrode, thereby deteriorating cycle characteristics.

이에 따라, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 고용량, 고효율 충방전 특성을 제공할 수 있는 이차 전지용 음극 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 이차 전지용 음극을 가지는 이차 전지를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a negative electrode for a secondary battery and a method of manufacturing the same, which can provide high capacity and high efficiency charge / discharge characteristics. According to another aspect of the present invention, there is provided a secondary battery having a negative electrode for a secondary battery.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these problems are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 관점에 따른 이차 전지용 음극의 제조 방법은, 음극 집전체 상에 실리콘층 및 결정화 유도층의 적층 구조를 형성하는 단계와, 상기 결정화 유도층에 의한 유도 결정화에 따라 상기 실리콘층을 결정화하여 음극 활물질층을 형성하는 단계를 포함한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery, comprising: forming a laminate structure of a silicon layer and a crystallization inducing layer on an anode current collector; crystallizing the silicon layer according to induction crystallization by the crystallization- Thereby forming a negative electrode active material layer.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 음극 활물질층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘층 및 상기 결정화 유도층을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.In the manufacturing method, the step of forming the negative electrode active material layer may include a step of heat-treating the silicon layer and the crystallization-inducing layer.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 상기 결정화 유도층의 융점(melting temperature, Tm)의 절반(0.5Tm) 이상이고 융점(Tm)보다 낮은 온도 범위에서 수행할 수 있다.In the above manufacturing method, the heat treatment may be performed at a temperature that is at least half (0.5T m ) of the melting temperature (T m ) of the crystallization inducing layer and lower than the melting point (T m ).

상기 제조 방법에 있어서, 상기 음극 활물질층은 결정질 실리콘 또는 결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 결합 구조를 포함할 수 있다.In the above manufacturing method, the negative electrode active material layer may include crystalline silicon or a combination structure of crystalline silicon and amorphous silicon.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 결정화 유도층은 Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd 또는 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The crystallization inducing layer may include at least one of Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd, have.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 음극 활물질층은 자신의 상면에 {111} 또는 {100} 우선 결정면을 가질 수 있다.In the above production method, the negative active material layer may have a {111} or {100} preferential crystal face on its upper surface.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 결정화 유도층의 물질이 혼합된 조직을 가질 수 있다.In the above manufacturing method, the negative electrode active material layer may have a structure in which silicon of the silicon layer and the material of the crystallization inducing layer are mixed.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 음극 집전체의 물질이 반응하여 형성된 금속 실리사이드를 포함할 수 있다.In the above manufacturing method, the negative active material layer may include a metal silicide formed by reacting silicon of the silicon layer and a material of the negative electrode collector.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 적층 구조를 형성하는 단계는, 상기 음극 집전체 상에 상기 실리콘층을 형성하는 단계와, 상기 실리콘층 상에 상기 결정화 유도층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the above manufacturing method, the step of forming the laminated structure may include the step of forming the silicon layer on the negative electrode collector, and the step of forming the crystallization inducing layer on the silicon layer.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 적층 구조를 형성하는 단계는, 상기 음극 집전체 상에 상기 결정화 유도층을 형성하는 단계와, 상기 결정화 유도층 상에 상기 실리콘층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the above manufacturing method, the step of forming the laminated structure may include the step of forming the crystallization-inducing layer on the negative electrode collector, and the step of forming the silicon layer on the crystallization-inducing layer.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 이차 전지는, 상술한 이차 전지용 음극을 포함한다.A secondary battery according to another aspect of the present invention includes the above-described negative electrode for a secondary battery.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 이차 전지용 음극은, 음극 집전체와, 상기 음극 집전체 상에 배치되고, 실리콘층 및 결정화 유도층을 포함하는 음극 활물질층을 포함한다. 상기 음극 활물질층 내 상기 실리콘층은 상기 결정화 유도층에 의한 유도 결정화에 의해 결정화된다.A negative electrode for a secondary battery according to still another aspect of the present invention includes a negative electrode collector and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode collector and including a silicon layer and a crystallization inducing layer. The silicon layer in the negative active material layer is crystallized by induction crystallization by the crystallization inducing layer.

상기 이차 전지용 음극에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 결정화 유도층의 물질이 혼합된 조직을 더 포함할 수 있다.In the negative electrode for a secondary battery, the negative electrode active material layer may further include a structure in which silicon of the silicon layer and the material of the crystallization inducing layer are mixed.

상기 이차 전지용 음극에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상의 상기 실리콘층, 상기 실리콘층 상의 상기 결정화 유도층을 포함할 수 있다.In the negative electrode for a secondary battery, the negative electrode active material layer may include the silicon layer on the negative electrode collector and the crystallization inducing layer on the silicon layer.

상기 이차 전지용 음극에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상의 상기 결정화 유도층층, 및 상기 결정화 유도층층 상의 상기 실리콘층을 포함할 수 있다.In the negative electrode for a secondary battery, the negative electrode active material layer may include the crystallization inducing layer on the negative electrode collector and the silicon layer on the crystallization inducing layer.

상기 이차 전지용 음극에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 음극 집전체의 물질이 반응하여 형성된 금속 실리사이드를 포함할 수 있다.In the negative electrode for a secondary battery, the negative active material layer may include a metal silicide formed by reacting silicon of the silicon layer and a material of the negative electrode collector.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 음극의 제조 방법에 따르면, 결정화 유도층에 의한 유도 결정화에 의하여 실리콘층을 결정화하여 음극 활물질층을 형성함으로써 경제적으로 고용량의 이차 전지를 제조할 수 있다.According to the method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, a crystalline silicon layer is crystallized by induction crystallization by a crystallization inducing layer to form a negative active material layer, thereby manufacturing a secondary battery with a high capacity economically.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질층을 포함하는 이차 전지는 이차 전지의 용량을 증가시키면서도 충방전 사이클이 증가하여도 충전 용량이 거의 감소되지 않아, 그 수명을 증가시킬 수 있다.The secondary battery including the negative electrode active material layer according to an embodiment of the present invention can increase the life of the secondary battery because the capacity of the secondary battery is increased and the charging capacity is hardly decreased even if the charging and discharging cycles are increased.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 양극을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 공정 별로 도시하는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 공정 별로 도시하는 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 음극 활물질층을 가지는 음극으로 구성된 이차전지에서, 충전 사이클에 따른 용량 변화를 측정한 그래프들이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 음극 활물질층에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 음극 활물질층의 주사전자현미경 사진 및 성분 분석표이다.
도 15는 도 14의 주사전자현미경 사진을 성분 별로 구분하여 나타낸 분석 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음극 활물질층의 X선 회절시험 결과이다.
1 is a schematic view showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view illustrating an anode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic perspective view illustrating a negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
5 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
9 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
12 is a graph illustrating a change in capacitance according to a charge cycle in a secondary battery comprising a negative electrode having a negative electrode active material layer manufactured according to embodiments of the present invention.
13 is a Raman spectrum analysis result of the anode active material layer manufactured according to the embodiments of the present invention.
14 is a scanning electron microscopic photograph and a component analysis table of the negative electrode active material layer produced according to the embodiments of the present invention.
FIG. 15 is a photograph showing the scanning electron microscope photographs of FIG. 14 classified by components.
16 is an X-ray diffraction test result of the anode active material layer produced according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. The scope of technical thought is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing depicted in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 도시하는 개략도이다.1 is a schematic view showing a secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 이차 전지(1)는 음극(120), 양극(130), 및 음극(120)과 양극(130) 사이에 개재된 분리막(140), 전지 용기(150) 및 봉입 부재(160)를 포함할 수 있다. 또한, 이차 전지(1)는 음극(120), 양극(130) 및 분리막(140)에 함침된 전해질(미도시)을 더 포함할 수 있다. 또한, 음극(120), 양극(130) 및 분리막(140)은 순차적으로 적층되고 나선형으로 권취된 상태로 전지 용기(150) 내에 수납될 수 있다. 전지 용기(150)는 봉입 부재(160)에 의하여 봉입될 수 있다.1, a secondary battery 1 includes a cathode 120, an anode 130, a separator 140 interposed between the cathode 120 and the anode 130, a battery container 150, and a sealing member 160 < / RTI > The secondary battery 1 may further include an electrolyte (not shown) impregnated into the cathode 120, the anode 130 and the separator 140. In addition, the cathode 120, the anode 130, and the separator 140 may be sequentially stacked and housed in the battery container 150 in a spirally wound manner. The battery container 150 can be sealed by the sealing member 160.

이차 전지(1)는 리튬을 매개체로 사용하는 리튬 이차 전지일 수 있고, 분리막(140)과 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있다. 또한, 이차 전지(1)는 형태에 따라 코인, 버튼, 시트, 실린더, 편평, 각형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 도 1에 도시된 이차 전지(1)는 실린더형 이차 전지를 예시적으로 도시한 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The secondary battery 1 may be a lithium secondary battery using lithium as a medium, and may be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery and a lithium polymer battery depending on the type of the separator 140 and the electrolyte. The secondary battery 1 can be classified into a coin, a button, a sheet, a cylinder, a flat, a square, and the like depending on the form, and can be divided into a bulk type and a thin type according to the size. The secondary battery 1 shown in FIG. 1 is an example of a cylindrical secondary battery, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

양극(130)과 음극(120)의 구조에 대해서는 각각 도 2 및 도 3을 참조하여 하기에 설명하기로 한다.The structures of the anode 130 and the cathode 120 will be described below with reference to FIGS. 2 and 3, respectively.

분리막(140)은 다공성을 가질 수 있고, 단일막 또는 2층 이상의 다중막으로 구성될 수 있다. 분리막(140)은 폴리머 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리비닐리덴 플루오라이드계, 폴리올레핀계 폴리머 등의 적어도 하나를 포함할 수 있다.The separation membrane 140 may have porosity and may be composed of a single membrane or multiple membranes of two or more layers. The separation membrane 140 may include a polymer material and may include at least one of, for example, a polyethylene-based, polypropylene-based, polyvinylidene fluoride-based, and polyolefin-based polymer.

음극(120), 양극(130), 및 분리막(140) 내에 함침된 전해질(미도시)은 비수성 용매(non-aqueous solvent)와 전해질 염을 포함할 수 있다. 상기 비수성 용매는 통상적인 비수성 전해액용 비수성 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 예를 들어 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매 또는 비양성자성 용매를 포함할 수 있다. 상기 비수성 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.The electrolyte (not shown) impregnated in the cathode 120, the anode 130, and the separator 140 may include a non-aqueous solvent and an electrolyte salt. The nonaqueous solvent is not particularly limited as long as it is used as a nonaqueous solvent for a conventional nonaqueous electrolytic solution, and examples thereof include carbonate solvents, ester solvents, ether solvents, ketone solvents, alcohol solvents, Solvent. The non-aqueous solvent may be used singly or in a mixture of one or more thereof. When one or more of the non-aqueous solvents are used in combination, the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the performance of the desired battery.

상기 전해질 염은 통상적인 비수 전해액용 전해질 염으로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 예를 들어 A+B- 의 구조식을 가지는 염일 수 있다. 여기에서, A+는 Li+, Na+, K+ 등의 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합을 포함하는 이온일 수 있다. 또한. B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, ASF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 - 등과 같은 음이온 또는 이들의 조합을 포함하는 이온일 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 염은 리튬계염일 수 있고, 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 이러한 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The electrolyte salt is not particularly limited as long as it is used as a conventional electrolyte salt for a non-aqueous electrolyte, and may be, for example, a salt having a structural formula of A + B - . Here, A + may be an ion including an alkali metal cation such as Li + , Na + , K + , or a combination thereof. Also. B - is PF 6 -, BF 4 -, Cl -, Br -, I -, ClO 4 -, ASF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2 ) 3 -, and the like, or a combination thereof. For example, the electrolyte salt may be lithium-based salts, such as LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6 , LiAsF 6, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, Li (CF 3 SO 2) 2 N, LiN (SO 3 C 2 F 5 ) 2, LiC 4 F 9 SO 3, LiClO 4, LiAlO 2, LiAlCl 4, LiN (C x F 2x +1 SO 2) (C y F2 y +1 SO 2) ( where , x and y are natural numbers), LiCl, LiI, and LiB (C 2 O 4 ) 2 . These electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more.

이 실시예의 변형된 예에 따르면, 분리막(140)이 생략되고 음극(120) 및 양극(130) 사이에 고체 전해질이 개재될 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질로는 Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-Ga2S3-GeS2, Li2S-Sb2S3-GeS2, Li2S-GeS2-P2S5, Li3 .25Ge0 .25P0 .75S4, Li4 .2Ge0 .8Ga0 .2S4 등과 같은 황화물계 글래스 또는 글래스-세라믹과, (La,Li)TiO3(LLTO), Li5La3Ta2O12, Li6La2CaTa2O12, Li6La2ANb2O12(A=Ca, Sr), Li2Nd3TeSbO12, Li3BO2 .5N0 .5, Li9SiAlO8 등과 같은 산화물계 글래스 또는 글래스-세라믹과, Li1 + xAlxGe2 -x(PO4)3, Li1 + xTi2 - xAlx(PO4)3, Li0.5Ti0.5Zr1.5(PO4)3, LiPON 등과 같은 인산염(phosphate)계 글래스 또는 글래스-세라믹 등을 포함할 수 있다.According to a modified example of this embodiment, the separation membrane 140 may be omitted and a solid electrolyte may be interposed between the cathode 120 and the anode 130. Examples of the solid electrolyte include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-Ga 2 S 3 -GeS 2 , Li 2 S-Sb 2 S 3 -GeS 2 , Li 2 S- Based glasses or glass-ceramics such as GeS 2 -P 2 S 5 , Li 3 .25 Ge 0 .25 P 0 .75 S 4 , Li 4 .2 Ge 0 .8 Ga 0 .2 S 4 , Li 2 Ti 3 O 3 (LLTO), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 6 La 2 CaTa 2 O 12 , Li 6 La 2 ANb 2 O 12 (A = Ca, Sr), Li 2 Nd 3 TeSbO 12 , Li 3 BO 2 .5 N 0 .5 , and Li 9 SiAlO 8, and an oxide-based glass or glass-ceramic such as Li 1 + x Al x Ge 2 -x (PO 4 ) 3 , Li 1 + x Ti 2 - x Based glasses or glass-ceramics such as Al x (PO 4 ) 3, Li 0.5 Ti 0.5 Zr 1.5 (PO 4 ) 3, LiPON and the like.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 양극(130)을 도시하는 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view illustrating an anode 130 for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 양극(130)은 양극 집전체(132) 및 양극 집전체(132) 상에 위치하는 양극 활물질층(134)을 포함한다. 양극 활물질층(134)은 양극 활물질(135) 및 양극 활물질(135)을 접착하는 양극 바인더(136)를 포함한다. 또한, 양극 활물질층(134)은 양극 전도체(137)를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 양극 활물질층(134)은 필러 또는 분산재와 같은 첨가재를 더 포함할 수 있다. 양극(130)은 양극 활물질(135), 양극 바인더(136), 및/또는 양극 전도체(137) 등을 용매 중에서 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조하여, 상기 양극 활물질 조성물을 양극 집전체(132) 상에 도포함으로서 형성될 수 있다.2, the anode 130 includes a cathode current collector 132 and a cathode active material layer 134 disposed on the cathode current collector 132. The positive electrode active material layer 134 includes a positive electrode active material 135 and a positive electrode binder 136 for bonding the positive electrode active material 135 thereto. In addition, the positive electrode active material layer 134 may further include a positive electrode conductor 137 selectively. Further, although not shown, the positive electrode active material layer 134 may further include an additive such as a filler or a dispersant. The anode 130 is formed by mixing the cathode active material 135, the anode binder 136, and / or the cathode conductor 137 in a solvent to prepare a cathode active material composition. The cathode active material composition is applied onto the cathode current collector 132 As shown in FIG.

양극 집전체(132)는 얇은 전도성 호일일 수 있고, 예를 들어 전도성 물질을 포함할 수 있다. 양극 집전체(132)는, 예를 들어 알루미늄, 니켈, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또는, 양극 집전체(132)는 전도성 금속을 포함하는 폴리머로 구성될 수 있다. 또는, 양극 집전체(132)는 음극 활물질을 압축하여 형성될 수 있다.The anode current collector 132 may be a thin conductive foil and may include, for example, a conductive material. The positive electrode collector 132 may include, for example, aluminum, nickel, or an alloy thereof. Alternatively, the cathode current collector 132 may be composed of a polymer containing a conductive metal. Alternatively, the positive electrode collector 132 may be formed by compressing the negative electrode active material.

양극 활물질(135)은, 예를 들어 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 사용할 수 있고, 리튬 이온을 가역적으로 삽입/탈리할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 양극 활물질(135)은 리튬 함유 전이금속 산화물, 리튬함유 전이금속 황화물 등을 포함할 수 있고, 예를 들어 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2 (0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 -yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 - yMnyO2 (여기에서, 0=Y<1), Li(NiaCobMnc)O4 (0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 - zCozO4 (여기에서, 0<Z<2), LiCoPO4, 및 LiFePO4 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The cathode active material 135 may include, for example, a cathode active material for a lithium secondary battery, and may include a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions. The positive electrode active material 135 may include a lithium-containing transition metal oxide, a lithium-containing transition metal sulfide, and the like, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (0 <a <1 , 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1 -y Co y O 2, LiCo 1 - y Mn y O 2, LiNi 1 - y Mn y O 2 where 0 = Y <1, Li (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2 - z Ni z O 4 , LiMn 2 - z Co z O 4 (where 0 <Z <2), LiCoPO 4 , and LiFePO 4 .

양극 바인더(136)는 양극 활물질(135)의 입자들을 서로 부착시키고, 또한 양극 활물질(135)을 양극 집전체(132)에 부착시키는 역할을 한다. 양극 바인더(136)는, 예를 들어 폴리머일 수 있고, 예를 들어 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔, 에폭시 수지 등일 수 있다.The positive electrode binder 136 serves to adhere the particles of the positive electrode active material 135 to each other and to adhere the positive electrode active material 135 to the positive electrode collector 132. The positive electrode binder 136 may be, for example, a polymer and may include, for example, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, polyvinylchloride, But are not limited to, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene, acrylated styrene- Epoxy resin and the like.

선택적으로, 양극 활물질(135)은 활물질층 표면에 코팅층이 부가된 결합 구조를 사용하거나 또는 활물질과 코팅층을 갖는 화합물을 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 또한, 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.Alternatively, the positive electrode active material 135 may use a bonding structure in which a coating layer is added to the surface of the active material layer, or a compound having an active material and a coating layer may be used. The coating layer may comprise at least one coating element compound selected from the group consisting of oxides, hydroxides of coating elements, oxyhydroxides of coating elements, oxycarbonates of coating elements, and hydroxycarbonates of coating elements. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. In addition, the coating element contained in the coating layer is selected from the group consisting of Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, Can be used.

양극 전도체(137)는 양극(130)에 전도성을 더 제공할 수 있고, 이차 전지(1)에 화학변화를 야기하지 않는 전도성 재료일 수 있고, 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속계 물질, 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 폴리머 물질 또는 이들의 혼합물을 포함하는 전도성 재료를 포함할 수 있다.The positive electrode conductor 137 may be a conductive material that can further provide conductivity to the anode 130 and does not cause chemical changes to the secondary battery 1 and may be made of a conductive material such as graphite, carbon black, acetylene black, Based conductive materials such as copper, nickel, aluminum, and silver, conductive polymer materials such as polyphenylene derivatives, or a mixture thereof.

그러나, 이러한 양극(130)의 구조 및 물질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, the structure and material of the anode 130 are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 음극(120)을 도시하는 개략적인 사시도이다.3 is a schematic perspective view showing a cathode 120 for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 음극(120)은 음극 집전체(121) 및 음극 집전체(121) 상에 위치하는 음극 활물질층(122)을 포함한다.3, the negative electrode 120 includes a negative electrode current collector 121 and a negative electrode active material layer 122 disposed on the negative electrode current collector 121.

음극 집전체(121)는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 구리, 니켈, 티타늄, 금, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 음극 집전체(121)는 호일을 부착하거나, 도금하거나 또는 증착하여 형성할 수 있다.The anode current collector 121 may include a conductive material and may include, for example, a metal, for example, copper, nickel, titanium, gold, or an alloy thereof. The anode current collector 121 can be formed by adhering, plating or vapor-depositing a foil.

음극 활물질층(122)은, 예를 들어 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함할 수 있고, 양극(130)으로부터 제공되는 리튬 이온을 가역적으로 삽입/탈리할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 일 예에서, 음극 활물질층(122)은 실리콘층을 포함하고, 선택적으로 결정화 유도층을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 실리콘층은 결정화 유도층의 유도 결정화에 의해 결정화될 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질층(122)은 음극 집전체(121) 상의 실리콘층, 실리콘층 상의 결정화 유도층을 포함할 수 있다. 다른 예로, 음극 활물질층(122)은 음극 집전체(121) 상의 결정화 유도층, 결정화 유도층 상의 실리콘층을 포함할 수 있다.The anode active material layer 122 may include, for example, a negative active material for a lithium secondary battery, and may include a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions provided from the positive electrode 130. In one example, the anode active material layer 122 includes a silicon layer, and may optionally further include a crystallization inducing layer. Here, the silicon layer can be crystallized by induction crystallization of the crystallization-inducing layer. For example, the anode active material layer 122 may include a silicon layer on the anode current collector 121 and a crystallization inducing layer on the silicon layer. As another example, the anode active material layer 122 may include a crystallization-inducing layer on the anode current collector 121, and a silicon layer on the crystallization-inducing layer.

예를 들어, 이러한 결정화 유도층은 유도 결정화를 위한 금속, 예컨대 Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd 또는 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 음극 활물질층(122)은 하기에 설명하는 금속 유도 결정화(metal induced crystallization, MIC) 방법에 의하여 형성된 층일 수 있다. 이와 같이 결정화 유도층이 금속을 포함하는 경우, 실리콘층 상의 결정화 유도층은 금속 캡핑층으로 불리고, 음극 집전체(121)와 실리콘층 사이에 개재된 결정화 유도층은 금속 개재층으로 불릴 수도 있다.For example, the crystallization-inducing layer may be formed of at least one of a metal for induction crystallization, such as Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, One can be included. In this case, the anode active material layer 122 may be a layer formed by a metal induced crystallization (MIC) method described below. When the crystallization-inducing layer includes a metal, the crystallization-inducing layer on the silicon layer is referred to as a metal capping layer, and the crystallization-inducing layer interposed between the anode current collector 121 and the silicon layer may be referred to as a metal intervening layer.

결정화 유도는 일반적인 열처리법를 비롯하여 급속가열 열처리법, 전기자기장 환경에서의 열처리, 레이져, 이온빔의 직접적인 주사에 의해서 이루어질 수 있다. Crystallization induction can be achieved by a general heat treatment, rapid thermal annealing, heat treatment in an electromagnetic field environment, direct injection of laser and ion beam.

음극 활물질층(122)은 결정질 실리콘 또는 결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 결합 구조를 포함할 수 있다. 또한, 음극 활물질층(122)은 이 실리콘의 금속 유도 결정화를 유도하는 금속, 예를 들어 알루미늄을 포함할 수 있다. 또한, 음극 활물질층(122)은 음극 집전체(121)를 구성하는 금속과 상기 실리콘이 반응하여 형성된 금속 실리사이드, 예를 들어 구리 실리사이드 등을 더 포함할 수 있다.The anode active material layer 122 may include crystalline silicon or a combination structure of crystalline silicon and amorphous silicon. In addition, the anode active material layer 122 may include a metal, such as aluminum, which induces metal induced crystallization of the silicon. The anode active material layer 122 may further include a metal silicide formed by reacting the metal constituting the anode current collector 121 with the silicon, for example, copper silicide.

음극 활물질층(122)은 소정의 결정면을 가지는 실리콘을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속 유도 결정화법에 의하여 결정화된 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 결정화된 실리콘은 우선 결정면을 갖는 다결정 실리콘일 수 있다. 이 실시예에서, 우선 결정면이란 음극 활물질층(123) 내 실리콘이 특정 결정면으로 우선적으로 결정화되어 다른 결정면보다 상대적으로 많이 존재함을 의미하며, 우선 배향성과 유사한 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘은 음극 활물질층(122)의 상면에, {111} 또는 {100} 결정면을 우선적으로 가질 수 있고, 이러한 경우 {111} 또는 {100} 우선 결정면을 갖는다고 할 수 있다. 이와 같이, 음극 활물질층(122)의 상면에, {111} 또는 {100} 결정면을 갖는 경우, 음극 활물질층(122)의 측면에 {110} 결정면을 가질 수 있다. 실리콘의 경우, {110} 결정면이 {100} 결정면이나 또는 {111} 결정면에 비하여 리튬 삽입이 우선시 될 수 있으며, 이에 따라 부피가 팽창될 수 있다. 즉, {110} 결정면을 가지는 측면으로 리튬 삽입 및 탈리에 의한 부피 변화가 발생할 수 있다.The anode active material layer 122 may include silicon having a predetermined crystal plane, and may include silicon crystallized by, for example, a metal induced crystallization method. The crystallized silicon may first be polycrystalline silicon having a crystal plane. In this embodiment, firstly, the crystal plane means that silicon in the anode active material layer 123 is preferentially crystallized to a specific crystal plane and exists relatively more than other crystal planes, and may have a similar meaning to the orientation property. For example, the silicon may preferentially have a {111} or {100} crystal plane on the upper surface of the anode active material layer 122, and in this case, it may have a {111} or {100} preferential crystal plane. As described above, when the upper surface of the negative electrode active material layer 122 has a {111} or {100} crystal plane, it may have a {110} crystal plane on the side surface of the negative electrode active material layer 122. In the case of silicon, the lithium insertion may be preferentially given to the {110} crystal plane as compared with the {100} crystal plane or the {111} crystal plane, and thereby the volume may be expanded. That is, a volume change due to lithium insertion and desorption may occur at a side having a {110} crystal plane.

대안적으로, 음극 활물질층(122)의 상면에 {110} 결정면을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.Alternatively, the case of having the {110} crystal face on the upper surface of the anode active material layer 122 is included in the technical idea of the present invention.

본 명세서에서, {100}, {110}, 및 {111}은 결정의 대표 평면을 표시하는 것으로서, {100}은 (100), (-100), (010), (0-10), (001), 및 (00-1) 등을 포함할 수 있고, {111}은 (111), (-111), (1-11), (11-1), (-1-11), (-11-1), (1-1-1), 및 (-1-1-1) 등을 포함할 수 있고, {110}은 (110), (1-10), (-110), (-1-10), (101), (10-1), (-101), (-10-1), (011), (01-1), (0-11), 및 (0-1-1) 등을 포함할 수 있다.In this specification, {100}, {110}, and {111} denote representative planes of crystals, and {100} denotes (100), (-100), (010) (111), (111), (111), (1-11), (11-1), (-1-11) (110), (1-10), (110), (- 110), (1-11) 1-10), (101), (10-1), (-101), (-10-1), (011), (01-1) ), And the like.

음극 활물질층(122)의 전기 전도도를 증가시키기 위하여, 음극 활물질층(122)은 II족, III족, V족, 및 VI족 불순물 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 이를 위하여, 음극 활물질층(122)에 II족, III족, V족, 및 VI족 불순물 중 적어도 어느 하나를 도핑하여 구현할 수 있다.In order to increase the electrical conductivity of the negative electrode active material layer 122, the negative electrode active material layer 122 may further include at least one of Group II, Group III, Group V, and Group VI impurities. For this purpose, the anode active material layer 122 may be doped with at least one of Group II, Group III, Group V, and Group VI impurities.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 음극(120)을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 음극(120)을 제조하는 방법을 공정 별로 도시하는 단면도들이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a cathode 120 of a secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention. 5 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the cathode 120 of the secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, 음극 집전체(121)를 제공하고, 음극 집전체(121) 상에 실리콘층(124)을 형성한다(S110).4 and 5, the anode current collector 121 is provided and the silicon layer 124 is formed on the anode current collector 121 (S110).

음극 집전체(121)는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 구리, 니켈, 티타늄, 금, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The anode current collector 121 may include a conductive material and may include, for example, a metal, for example, copper, nickel, titanium, gold, or an alloy thereof.

실리콘층(124)은 비정질(amorphous) 실리콘을 포함하거나 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘층(124)은 스퍼터링(Sputtering) 등의 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하거나, 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 등의 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성할 수 있다. 실리콘층(124)은 음극 집전체(121)와 전기 전도성이 유지되도록 적절한 범위의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 실리콘층(124)은 저항 증가를 제어하기 위해 300 미크론 이하의 두께를 가질 수 있지만, 이러한 범위에 이 실시예의 범위가 제한되는 것은 아니다.The silicon layer 124 may comprise amorphous silicon or may comprise polycrystalline silicon. The silicon layer 124 may be formed using a physical vapor deposition method such as sputtering or a chemical vapor deposition method such as PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) or LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) Chemical Vapor Deposition). The silicon layer 124 may have an appropriate thickness to maintain electrical conductivity with the anode current collector 121. For example, the silicon layer 124 may have a thickness of 300 microns or less to control the increase in resistance, but the range of this embodiment is not limited in this range.

도 4 및 도 6을 참조하면, 실리콘층(124) 상에 금속 캡핑층(125)을 형성한다(S120). Referring to FIGS. 4 and 6, a metal capping layer 125 is formed on the silicon layer 124 (S120).

금속 캡핑층(125)은 Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd 또는 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 캡핑층(125)은 가열 증발법, 스퍼터링(Sputtering) 등의 물리적 기상 증착법, 또는 PECVD 및 LPCVD 등의 화학적 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속 캡핑층(125)은 결정화가 일어나는 실리콘층(124)의 두께의 약 10% 이하의 두께를 가질 수 있다. 금속 캡핑층(125)의 두께가 이 보다 두꺼워지면 결정화 동안 실리사이드 형성 비중이 높아져 리튬과 반응할 수 있는 실리콘의 양이 감소될 우려가 있다. 다만, 열처리 조건 등의 변화를 통해서 이러한 범위 외로 실리콘층(124)의 두께를 제어할 수도 있다.The metal capping layer 125 may include at least one of Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd or Pt. The metal capping layer 125 may be formed by a physical vapor deposition method such as a thermal evaporation method, a sputtering method, or a chemical vapor deposition method such as PECVD and LPCVD. For example, the metal capping layer 125 may have a thickness of about 10% or less of the thickness of the silicon layer 124 where crystallization occurs. If the thickness of the metal capping layer 125 is thicker than that, the specific gravity of silicide formation during crystallization becomes high, and the amount of silicon capable of reacting with lithium may be reduced. However, it is also possible to control the thickness of the silicon layer 124 outside such a range through changes in heat treatment conditions and the like.

도 4 및 도 7을 참조하면, 금속 캡핑층(125)에 의한 금속 유도 결정화에 따라 실리콘층(124)을 결정화하여 음극 활물질층(122, 도 3 참조)을 형성한다(S130). 상기 음극 활물질층을 형성하는 단계는 실리콘층(124) 및 금속 캡핑층(125)을 열처리하여 수행될 수 있다. 열처리 온도는 금속 캡핑층(125)의 융점(melting temperature, Tm)의 절반(0.5Tm) 이상이고 융점(Tm)보다 낮은 온도 범위에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 캡핑층(125)이 알루미늄인 경우, 열처리 온도는 300℃ 이상 600℃ 미만의 온도 범위일 수 있다. 상기 결정화 단계는 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 7, the silicon layer 124 is crystallized by metal induced crystallization by the metal capping layer 125 to form a negative electrode active material layer 122 (see FIG. 3) (S130). The step of forming the negative electrode active material layer may be performed by heat-treating the silicon layer 124 and the metal capping layer 125. The heat treatment temperature may be carried out in a temperature range lower than half (0.5T m) or more and the melting point (T m) of the melting point (melting temperature, T m) of the metal capping layer 125. For example, when the metal capping layer 125 is aluminum, the heat treatment temperature may range from 300 ° C to less than 600 ° C. The crystallization step may be performed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(1)의 음극(120)을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 음극(120)을 제조하는 방법을 공정 별로 도시하는 단면도들이다.8 is a flowchart showing a method of manufacturing the cathode 120 of the secondary battery 1 according to another embodiment of the present invention. 9 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the cathode 120 of the secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention.

도 8 및 도 9를 참조하면, 음극 집전체(121)를 제공하고, 음극 집전체(121) 상에 금속 개재층(126)을 형성한다(S210). 금속 개재층(126)은 상술한 금속 캡핑층(125)과 동일하거나 유사할 수 있다.8 and 9, an anode current collector 121 is provided, and a metal intervening layer 126 is formed on the anode current collector 121 (S210). The metal intervening layer 126 may be the same as or similar to the metal capping layer 125 described above.

도 8 및 도 10을 참조하면, 금속 개재층(126) 상에 실리콘층(127)을 형성한다(S220). 실리콘층(127)은 비정질(amorphous) 실리콘을 포함하거나 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘층(127)은 상술한 실리콘층(124)과 동일하거나 유사할 수 있다.Referring to FIGS. 8 and 10, a silicon layer 127 is formed on the metal intervening layer 126 (S220). The silicon layer 127 may comprise amorphous silicon or may comprise polycrystalline silicon. The silicon layer 127 may be the same or similar to the silicon layer 124 described above.

도 8 및 도 11을 참조하면, 금속 개재층(126)에 의한 금속 유도 결정화에 따라 실리콘층(127)을 결정화하여 음극 활물질층(122, 도 3 참조)을 형성한다(S230). 상기 음극 활물질층을 형성하는 단계는 실리콘층(127)을 열처리하여 수행될 수 있다. 열처리 온도 및 분위기는 전술한 도 4 내지 도 7의 실시예를 참조할 수 있다.Referring to FIGS. 8 and 11, the silicon layer 127 is crystallized by metal induced crystallization by the metal intervention layer 126 to form a negative electrode active material layer 122 (see FIG. 3) (S230). The step of forming the negative electrode active material layer may be performed by heat treating the silicon layer 127. The heat treatment temperature and atmosphere may refer to the embodiments of Figs. 4 to 7 described above.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 음극 활물질층의 실험예에 대한 결과를 검토하기로 한다. 상기 음극 활물질층은 도 4 내지 도 7을 참조하여 상술한 방법으로 제조되었다. 구체적으로, 구리로 구성된 음극 집전체 상에 비정질 실리콘층을 형성하고, 상기 비정질 실리콘층 상에 알루미늄을 포함하는 금속 캡핑층을 형성하였다. 이어서, 550℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 비정질 실리콘층의 금속 유도 결정화를 수행하였다. 또한, 비교예로서, 다른 샘플을 350℃에서 60분 동안 열처리하였다.Hereinafter, results of an experimental example of a negative electrode active material layer manufactured according to an embodiment of the present invention will be discussed. The negative electrode active material layer was prepared by the method described above with reference to Figs. Specifically, an amorphous silicon layer was formed on an anode current collector made of copper, and a metal capping layer containing aluminum was formed on the amorphous silicon layer. Then, the amorphous silicon layer was heat-treated at 550 DEG C for 30 minutes to perform metal induced crystallization of the amorphous silicon layer. As a comparative example, another sample was heat-treated at 350 DEG C for 60 minutes.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음극 활물질층을 가지는 음극으로 구성된 이차전지에서, 충전 사이클에 따른 용량 변화를 측정한 그래프들이다. 도 12(a) 금속 유도 결정화를 수행하기 전의 음극 활물질층에 대한 결과를 나타내고, 도 12(b)는 금속 유도 결정화를 수행한 후의 음극 활물질층에 대한 결과를 나타낸다.FIG. 12 is a graph illustrating a change in capacitance according to a charge cycle in a secondary battery comprising a negative electrode having a negative electrode active material layer manufactured according to an embodiment of the present invention. Fig. 12 (a) shows the results for the negative electrode active material layer before metal induced crystallization, and Fig. 12 (b) shows the results for the negative electrode active material layer after metal induced crystallization.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 금속 유도 결정화를 수행하기 전에는, 초기 충전 용량이 약 1500 μAh/cm2 로 나타났으나, 충방전 싸이클이 증가됨에 따라서 충전 용량이 급격하게 감소되었다. 반면, 금속 유도 결정화를 수행한 후에는 초기 충전 용량이 약 950 μAh/cm2 로 금속 유도 결정화를 수행하기 전에 비하여 감소하였으나, 충방전 사이클이 증가하여도 충전 용량이 거의 감소되지 않고, 50회의 충방전 시 약 800 μAh/cm2 로 유지되었다. 이러한 결과는, 본 발명에 따라 제조된 이차 전지가 충방전 싸이클에 따른 충전 용량 특성이 매우 우수함을 나타낸다.Referring to FIGS. 12A and 12B, the initial charge capacity was about 1500 μAh / cm 2 before metal induced crystallization, but the charge capacity sharply decreased as the charge / discharge cycle increased. On the other hand, after the metal induced crystallization, the initial charge capacity was reduced to about 950 μAh / cm 2 before metal induced crystallization, but the charge capacity was hardly reduced even when the charge / discharge cycle was increased. The discharge was maintained at about 800 μAh / cm 2 . These results indicate that the secondary battery according to the present invention has a very excellent charging capacity characteristic in accordance with the charge-discharge cycle.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음극 활물질층에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과이다. (a), (c), (e)는 금속 개재층을 포함하는 경우이고, (b), (d), (f)는 금속 캡핑층을 포함하는 경우이다. (a), (b)는 금속 유도 결정화를 수행하기 전의 경우이고, (c), (d)는 약 350℃에서 약 60분 동안 금속 유도 결정화를 수행한 경우이고, (e), (f)는 약 550℃에서 약 30분 동안 금속 유도 결정화를 수행한 경우이다.13 is a Raman spectrum analysis result of the negative electrode active material layer manufactured according to an embodiment of the present invention. (b), (d), and (f) illustrate the case where a metal capping layer is included. (e), (f) and (d) show the case where the metal induced crystallization is carried out at about 350 ° C. for about 60 minutes, Is a case where metal induced crystallization is performed at about 550 DEG C for about 30 minutes.

도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, 금속 유도 결정화를 수행하기 전에는 비정질 실리콘의 피크가 나타나며, 결정질 실리콘의 피크는 나타나지 않는다.13 (a) and 13 (b), a peak of amorphous silicon appears before the metal induced crystallization, and no peak of crystalline silicon appears.

도 13(c) 및 도 13(d)를 참조하면, 350℃에서 금속 유도 결정화를 수행한 후에는 금속 개재층을 포함하는 경우에는 비정질 실리콘 피크가 나타나고 결정질 실리콘 피크는 나타나지 않으며, 금속 캡핑층을 포함하는 경우에는 결정질 실리콘 피크가 나타난다. 따라서, 금속 캡핑층에 의한 금속 유도 결정화가 금속 개재층에 의한 금속 유도 결정화에 비하여 더 용이함을 알 수 있다.Referring to FIGS. 13 (c) and 13 (d), after the metal induced crystallization at 350 ° C., the amorphous silicon peak appears and the crystalline silicon peak does not appear when the metal intervening layer is included, A crystalline silicon peak appears. Therefore, it can be seen that the metal induced crystallization by the metal capping layer is easier than the metal induced crystallization by the metal intervening layer.

도 13(e) 및 도 13(f)를 참조하면, 550℃에서 금속 유도 결정화를 수행한 후에는 금속 개재층을 포함하는 경우에는 비정질 실리콘 피크와 결정질 실리콘 피크가 함께 나타나고, 금속 캡핑층을 포함하는 경우에는 더 큰 결정질 실리콘 피크가 나타난다. 따라서, 금속 캡핑층에 의한 금속 유도 결정화가 금속 개재층에 의한 금속 유도 결정화에 비하여 더 용이함을 알 수 있다. 또한, 350℃에 비하여 550℃에서 금속 유도 결정화가 더 용이하게 수행됨을 알 수 있다.13 (e) and FIG. 13 (f), after the metal induced crystallization at 550 ° C., the amorphous silicon peak and the crystalline silicon peak appear together when the metal intervening layer is included, A larger crystalline silicon peak appears. Therefore, it can be seen that the metal induced crystallization by the metal capping layer is easier than the metal induced crystallization by the metal intervening layer. In addition, it can be seen that the metal induced crystallization is more easily performed at 550 캜 than at 350 캜.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음극 활물질층의 주사전자현미경 사진 및 성분 분석표이다. 도 15는 도 14의 주사전자현미경 사진을 성분 별로 구분하여 나타낸 분석 사진이다.14 is a scanning electron microscope photograph and a component analysis table of a negative electrode active material layer manufactured according to an embodiment of the present invention. FIG. 15 is a photograph showing the scanning electron microscope photographs of FIG. 14 classified by components.

도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 음극 활물질층은, 금속 캡핑층을 구성하는 알루미늄, 비정질 실리콘층을 구성하는 실리콘, 및 음극 집전체를 구성하는 구리가 혼합된 조직을 가진다. 또한, 상기 음극 활물질층은 구리 실리사이드를 포함한다.14 and 15, the anode active material layer has a structure in which aluminum constituting the metal capping layer, silicon constituting the amorphous silicon layer, and copper constituting the anode current collector are mixed. Further, the negative active material layer includes copper silicide.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음극 활물질층의 X선 회절시험 결과이다. 도 16에서, 그래프 (d)는 결정화 처리 이전의 시편에 대한 피크이며, 그래프 (e)는 결정화 이후의 시편에 대한 피크를 나타낸다. 두 결과로부터, 금속 유도 결정화에 의해서 실리콘은 (111) 우선 결정면을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이로부터, 금속 유도 결정화를 통하여 {111} 면을 우선 결정면으로 하는 실리콘을 포함하는 음극 활물질층을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.16 is an X-ray diffraction test result of the anode active material layer produced according to an embodiment of the present invention. In Fig. 16, graph (d) is the peak for the specimen before the crystallization treatment, and graph (e) shows the peak for the specimen after crystallization. From the two results, it can be seen that the metal induced crystallization has silicon (111) preferential crystal face. From this, it can be seen that a negative electrode active material layer containing silicon having a {111} plane as a crystal plane first can be obtained through metal induced crystallization.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.

1: 이차 전지 120: 음극
121: 음극 집전체 122: 음극 활물질층,
124: 실리콘층 125: 금속 캡핑층
126: 금속 개재층 127: 실리콘층
130: 양극 132: 양극 집전체
134: 양극 활물질층 135: 양극 활물질
136: 양극 바인더 137: 양극 전도체
140: 분리막 150: 전지 용기
160: 봉입 부재
1: secondary battery 120: cathode
121: negative electrode current collector 122: negative electrode active material layer,
124: silicon layer 125: metal capping layer
126: metal interposition layer 127: silicon layer
130: positive electrode 132: positive electrode collector
134: positive electrode active material layer 135: positive electrode active material
136: positive electrode binder 137: positive electrode conductor
140: separator 150: battery container
160: sealing member

Claims (16)

음극 집전체 상에 실리콘층 및 결정화 유도층의 적층 구조를 형성하는 단계; 및
상기 결정화 유도층에 의한 유도 결정화에 따라 상기 실리콘층을 결정화하여 음극 활물질층을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 음극 활물질층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘층 및 상기 결정화 유도층을 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 열처리하는 단계는 상기 결정화 유도층의 융점(melting temperature, Tm)의 절반(0.5Tm) 이상이고 융점(Tm)보다 낮은 온도 범위에서 수행하고,
상기 결정화 유도층의 최대 두께는 상기 실리콘층의 두께의 10%이고,
상기 음극 활물질층은, 상면에 {111} 또는 {100} 우선 결정면을 가지고, 측면에 {100} 우선 결정면을 가지는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
Forming a laminated structure of a silicon layer and a crystallization inducing layer on an anode current collector; And
Crystallizing the silicon layer in accordance with induction crystallization by the crystallization inducing layer to form a negative electrode active material layer;
Lt; / RTI &gt;
The step of forming the negative electrode active material layer may include a step of heat-treating the silicon layer and the crystallization-inducing layer,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature in a range of not less than half (0.5Tm) of the melting point (Tm) of the crystallization inducing layer and lower than the melting point (Tm)
The maximum thickness of the crystallization inducing layer is 10% of the thickness of the silicon layer,
Wherein the negative active material layer has a {111} or {100} preferential crystal face on its upper face and a {100} preferred crystal face on its side face.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 결정질 실리콘 또는 결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 결합 구조를 포함하는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the negative electrode active material layer comprises crystalline silicon or a combination structure of crystalline silicon and amorphous silicon.
제 1 항에 있어서,
상기 결정화 유도층은 Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd 또는 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the crystallization inducing layer comprises at least one of Ni, Pd, Ti, Ag, Au, Al, Sn, Sb, Cu, Co, Mo, Tr, Ru, Rh, Cd or Pt. .
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 결정화 유도층의 물질이 혼합된 조직을 가지는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the anode active material layer has a structure in which silicon of the silicon layer and a material of the crystallization inducing layer are mixed.
제 1 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 음극 집전체의 물질이 반응하여 형성된 금속 실리사이드를 포함하는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the anode active material layer comprises a metal silicide formed by reacting silicon of the silicon layer and a material of the anode current collector.
제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조를 형성하는 단계는,
상기 음극 집전체 상에 상기 실리콘층을 형성하는 단계; 및
상기 실리콘층 상에 상기 결정화 유도층을 형성하는 단계를 포함하는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein forming the laminated structure comprises:
Forming the silicon layer on the negative electrode collector; And
And forming the crystallization-inducing layer on the silicon layer.
제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조를 형성하는 단계는,
상기 음극 집전체 상에 상기 결정화 유도층을 형성하는 단계; 및
상기 결정화 유도층 상에 상기 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하는, 이차 전지용 음극의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein forming the laminated structure comprises:
Forming the crystallization inducing layer on the negative electrode collector; And
And forming the silicon layer on the crystallization-inducing layer.
제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 및 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 제조 방법에 따라 형성된 이차 전지용 음극을 포함하는, 이차 전지.A secondary battery comprising a negative electrode for a secondary battery formed according to the manufacturing method of any one of claims 1, 4, 5, and 7 to 10. 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 및 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 제조 방법에 따라 형성된 이차 전지용 음극으로서, 상기 이차 전지용 음극은,
음극 집전체; 및
상기 음극 집전체 상에 배치되고, 실리콘층 및 결정화 유도층을 포함하는 음극 활물질층;을 포함하고,
상기 음극 활물질층 내 상기 실리콘층은 상기 결정화 유도층에 의한 유도 결정화에 의해 결정화된, 이차 전지용 음극.
A negative electrode for a secondary battery formed by the manufacturing method according to any one of claims 1, 4, 5, and 7 to 10,
Cathode collector; And
And a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode collector and including a silicon layer and a crystallization inducing layer,
Wherein the silicon layer in the negative active material layer is crystallized by induction crystallization by the crystallization inducing layer.
제 12 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 결정화 유도층의 물질이 혼합된 조직을 더 포함하는, 이차 전지용 음극.
13. The method of claim 12,
Wherein the anode active material layer further comprises a structure in which silicon of the silicon layer and a material of the crystallization inducing layer are mixed.
제 12 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상의 상기 실리콘층, 상기 실리콘층 상의 상기 결정화 유도층을 포함하는, 이차 전지용 음극.
13. The method of claim 12,
Wherein the negative electrode active material layer comprises the silicon layer on the negative electrode collector and the crystallization-inducing layer on the silicon layer.
제 12 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상의 상기 결정화 유도층, 및 상기 결정화 유도층 상의 상기 실리콘층을 포함하는, 이차 전지용 음극.
13. The method of claim 12,
Wherein the negative electrode active material layer includes the crystallization inducing layer on the negative electrode collector and the silicon layer on the crystallization inducing layer.
제 12 항에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 실리콘층의 실리콘과 상기 음극 집전체의 물질이 반응하여 형성된 금속 실리사이드를 포함하는, 이차 전지용 음극.
13. The method of claim 12,
Wherein the negative active material layer comprises a metal silicide formed by reacting silicon of the silicon layer and a material of the negative electrode collector.
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