KR101583639B1 - Anode active material, method for manufacturing the same and secondary battery comprising the same - Google Patents

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박경세
김소연
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Abstract

A negative electrode active material is provided. According to an embodiment, the negative electrode active material comprises: a crystalline carbon particle; a carbon coating layer having high surface roughness in comparison with the crystalline carbon particle; and a metal particle carried in the crystalline carbon layer. The present invention provides a negative electrode and a secondary battery, with improved capacity and cycle properties.

Description

음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지{ANODE ACTIVE MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Field of the Invention [0001] The present invention relates to an anode active material, a method for producing the same, and a secondary battery including the anode active material,

본 발명은 음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material, a method for producing the negative electrode active material, and a secondary battery including the same.

휴대용 전자기기가 경량화 및 고기능화 되어가고, 기기의 장시간 사용을 위해 구동전원의 출력특성은 점차 증가하고 있다. 이를 위해 다양한 종류의 이차전지, 즉, 납축전지, 니켈수소전지, 리튬이차전지가 사용되고 있는데, 이중 리튬이차전지는 작동전압이 높고 단위중량당 에너지밀도가 높다는 장점 때문에 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다.Portable electronic devices have become lighter and more sophisticated, and output characteristics of driving power sources are gradually increasing for long-time use of the devices. Various kinds of secondary batteries such as a lead-acid battery, a nickel-metal hydride battery and a lithium secondary battery are used. The lithium secondary battery is widely used in portable electronic devices because of its high operating voltage and high energy density per unit weight.

현재 리튬이차전지의 음극 활물질로는 층간물질인 흑연이 가장 널리 채용되고 있다. 흑연의 층간에 리튬이온이 가역적으로 삽입과 탈리가 가능하고, 이러한 삽입/탈리반응이 수백 또는 수천회 반복 가능하고, 가격도 상대적으로 저렴하여 음극활물질로 널리 사용되고 있으나, 이론용량이 372 mAh/g으로 한정된다.Currently, graphite, which is an interlayer material, is most widely used as an anode active material of a lithium secondary battery. Lithium ions can be reversibly intercalated and deintercalated in the interlayer of graphite. Such intercalation / deintercalation can be repeated hundreds or thousands of times and is relatively inexpensive and widely used as an anode active material. However, the theoretical capacity is 372 mAh / g .

음극 활물질의 용량을 향상시키고자 리튬 이온과 전기화학적으로 결합하여 화합물을 형성하는 금속 및 비금속 물질을 음극 활물질로 사용하기 위해 연구가 활발히 진행되고 있다. Research has been actively conducted to use metal and non-metal materials that form compounds by electrochemically bonding with lithium ions to improve the capacity of the negative electrode active material.

실리콘(Si)의 경우, 리튬과 반응하여 Li4Si 화합물을 가역적으로 형성할 수 있고, 이를 용량을 환산할 경우 약 4200 mAh/g을 나타내어 흑연보다 약 11배 높은 용량을 얻을 수 있다. 주석(Sn)의 경우는 리튬과 Li22Sn5의 화합물 형성이 가능하고 이론용량은 약 993 mAh/g을 나타내며 흑연 용량의 약 2.7배에 해당한다. 이외에도 안티몬(Sb), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi) 등 다양한 종류의 금속이 음극 활물질 후보로 연구되고 있다.In the case of silicon (Si), Li 4 Si compound can be reversibly formed by reacting with lithium, and when it is converted to a capacity, it is about 4200 mAh / g, which is about 11 times higher than that of graphite. In the case of tin (Sn), a compound of lithium and Li 22 Sn 5 can be formed. The theoretical capacity is about 993 mAh / g, which corresponds to about 2.7 times the capacity of graphite. In addition, various kinds of metals such as antimony (Sb), aluminum (Al), and bismuth (Bi) have been studied as candidates for negative electrode active materials.

리튬 이차전지의 음극 활물질로서 금속 입자를 사용하는 것은 아래와 같은 단점을 내포하고 있다. 흑연의 경우 전기화학적으로 리튬 이온과 반응하여 화합물을 형성할 때, 약 1.1 내지 1.2배 정도의 부피팽창이 발생하나, 금속 입자가 리튬 이온과 전기화학적으로 결합하여 화합물을 형성할 때, 실리콘(Si)의 경우 최대 약 4.12 배까지 부피가 팽창하기 때문에 충방전 동안 부피팽창과 수축이 반복적으로 진행되어 결정구조를 변화시키고 입자 붕괴(crack)을 일으켜 용량이 점차 감소하게 된다.The use of metal particles as a negative electrode active material of a lithium secondary battery has the following disadvantages. When graphite is electrochemically reacted with lithium ions to form a compound, a volume expansion of about 1.1 to 1.2 times occurs. However, when metal particles are electrochemically combined with lithium ions to form a compound, silicon (Si ), The volume expands to a maximum of about 4.12 times, which causes volume expansion and contraction repeatedly during charging and discharging to change the crystal structure and cause particle collapse, and the capacity gradually decreases.

상기 종래 기술들은 결정질 탄소입자 표면에 금속입자를 위치시키기 위해 기계적인 혼합 등을 이용하였으며, 그 위에 비정질 탄소로 코팅하기 위해 고분자수지 등을 이용하여 코팅한 후 탄화과정을 거치기 위해 700℃이상에서 열처리하는 과정을 거친다. 이러한 과정을 통해 기계적인 작용에 의해 결정질 탄소가 물리적으로 영향을 받거나 고온 열처리과정에서 금속입자의 성장이 유도될 수 있어, 리튬이차전지 음극 활물질로서 사이클 수명에 영향을 줄 수 있다.The above conventional techniques use a mechanical mixing or the like to place metal particles on the surface of the crystalline carbon particles. The metal particles are coated on the surface of the crystalline carbon particles with a polymer resin for coating with amorphous carbon, and then subjected to a heat treatment at 700 ° C or higher . Through such a process, the crystalline carbon may be physically influenced by mechanical action, or the growth of metal particles may be induced during the heat treatment at a high temperature, which may affect cycle life as a negative electrode active material of a lithium secondary battery.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 용량 및 사이클 특성이 향상된 음극 활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a negative electrode active material having improved capacity and cycle characteristics and a method for producing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 용량 및 사이클 특성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a secondary battery having improved capacity and cycle characteristics.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing the same.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은 결정성 탄소 입자; 상기 결정성 탄소 입자에 비해 표면 거칠기가 크고, 상기 결정성 탄소 입자의 표면에 배치된 탄소 코팅층; 및 상기 탄소 코팅층에 담지된 금속 입자;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an anode active material comprising crystalline carbon particles; A carbon coating layer having a surface roughness larger than that of the crystalline carbon particles and disposed on the surface of the crystalline carbon particles; And metal particles supported on the carbon coating layer.

상기 결정성 탄소 입자는 마이크로 입자일 수 있다. 상기 마이크로 입자는 입자 크기가 수 마이크로미터(㎛) 내지 수백 마이크로미터인 입자이다. 비제한적인 일례에서, 상기 결정성 탄소 입자는 크기가 1 마이크로미터이상 내지 20 마이크로미터 이하일 수 있다. 결정성 탄소 입자의 크기가 커질수록 결정성 탄소 입자가 리튬이차전지의 충방전 과정에서 리튬이온에 대해 저항으로 작용할 수 있고, 리튬이차전지의 단위부피당 용량(mAh/L)을 저하시킬 수 있으므로, 다른 비제한적인 일례에서, 상기 결정성 탄소 입자의 크기는 10 마이크로미터 이하일 수 있고, 예를 들어, 5 마이크로미터 이상 내지 10 마이크로미터 이하일 수 있다.The crystalline carbon particles may be microparticles. The microparticles are particles having a particle size of several micrometers (占 퐉) to several hundreds of micrometers. In a non-limiting example, the crystalline carbon particles may have a size of greater than 1 micrometer to less than 20 micrometers. As the size of the crystalline carbon particles increases, the crystalline carbon particles can act as a resistance against lithium ions in the charging / discharging process of the lithium secondary battery, and the capacity (mAh / L) per unit volume of the lithium secondary battery can be lowered, In another non-limiting example, the size of the crystalline carbon particles may be less than 10 micrometers and may be, for example, greater than or equal to 5 micrometers and less than or equal to 10 micrometers.

상기 결정성 탄소 입자는 흑연, 난흑연화 탄소(hard carbon), 이흑연화 탄소(soft carbon) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 탄소 동소체로 구성될 수 있다. The crystalline carbon particles may be composed of at least one carbon isotope selected from the group consisting of graphite, hard carbon, soft carbon, and mixtures thereof.

상기 탄소 코팅층은 결정성 탄소 입자에 비해 표면 거칠기가 클 수 있다. 상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소 코팅층일 수 있다. 탄소 코팅층은 상기 결정성 탄소 입자의 표면 전부 또는 일부를 덮고 있을 수 있다. The carbon coating layer may have a larger surface roughness than the crystalline carbon particles. The carbon coating layer may be an amorphous carbon coating layer. The carbon coating layer may cover all or part of the surface of the crystalline carbon particles.

탄소 코팅층의 두께를 특별히 제한되지 않으나, 비제한적인 일례에서, 상기 탄소 코팅층은 두께가 1 nm 이상 내지 900 nm 이하일 수 있다. The thickness of the carbon coating layer is not particularly limited, but in a non-limiting example, the carbon coating layer may have a thickness of 1 nm or more and 900 nm or less.

상기한 탄소 코팅층의 두께 범위 내에서 탄소 코팅층이 리튬이차전지의 충방전 과저에서 리튬이온에 대해 저항으로 작용하지 않을 수 있고, 리튬이차전지의 단위부피당 용량(mAh/L)를 최소화할 수 있다.Within the thickness range of the carbon coating layer, the carbon coating layer may not act as a resistance against lithium ions in the charge / discharge cycle of the lithium secondary battery, and the capacity (mAh / L) per unit volume of the lithium secondary battery may be minimized.

또한 상기한 탄소 코팅층의 두께 범위 내에서 탄소 코팅층에 의한 비가역반응의 증가를 억제할 수 있으므로, 리튬이차전지의 초기 비가역용량의 증가를 최소화할 수 있다.Also, since the increase of the irreversible reaction by the carbon coating layer can be suppressed within the thickness range of the carbon coating layer, the increase of the initial irreversible capacity of the lithium secondary battery can be minimized.

상기 금속 입자는 실리콘(Si), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐(In), 비소(As), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 셀레늄(Se), 인(P), 은(Ag), 황(S), 비스무스(Bi) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The metal particles may be selected from the group consisting of Si, Sn, Pb, In, As, Al, Sb, Se, (Ag), sulfur (S), bismuth (Bi), and alloys thereof.

상기 금속 입자는 나노 입자이다. 상기 금속 입자는 크기가 200 nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 입자는 크기가 2 nm 이상 내지 200 nm 이하이다. The metal particles are nanoparticles. The metal particles may have a size of 200 nm or less. For example, the metal particles have a size of 2 nm or more and 200 nm or less.

상기 금속 입자는 상기 결정질 탄소 입자 100 중량부에 대해 5 중량부 이상 내지 70 중량부 이하일 수 있다.The metal particles may be at least 5 parts by weight and not more than 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the crystalline carbon particles.

상기 금속 입자는 상기 탄소 코팅층의 표면에 배치될 수 있다.The metal particles may be disposed on the surface of the carbon coating layer.

상기 탄소 코팅층은 제1 영역과 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 영역은 단위면적 당 상기 금속 입자의 함량이 상기 제2 영역에 비해 높을 수 있다.The carbon coating layer may include a first region and a second region, and the first region may have a higher content of the metal particles per unit area than the second region.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법은, 결정성 탄소 입자와 유기 화합물을 제1 교반하고, 제1 교반물을 열처리하여 탄소계 음극 활물질 전구체를 제조하는 단계; 및 탄소계 음극 활물질 전구체와 금속계 음극 활물질 전구체를 제2 교반하고, 제2 교반물에 환원제를 첨가하는 단계;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an anode active material, the method comprising: mixing a crystalline carbon particle and an organic compound in a first agitation step, and heat-treating the first agitated material to prepare a carbon-based anode active material precursor; step; And a step of secondly stirring the carbon-based anode active material precursor and the metal-based anode active material precursor, and adding a reducing agent to the second agitated product.

상기 유기 화합물은 유기 고분자 화합물일 수 있다. 비제한적인 일례로, 상기 유기 고분자 화합물은 비닐계 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀계 수지, 피치, 타르계 수지 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.The organic compound may be an organic polymer compound. As a non-limiting example, the organic polymer compound includes a vinyl resin, a cellulose resin, a phenol resin, a pitch, a tar resin or a mixture thereof.

상기 탄소계 음극 활물질 전구체는, 상기 결정성 탄소 입자의 표면에 상기 결정성 탄소 입자에 비해 표면 거칠기가 큰 상기 탄소 코팅층이 위치하는 구조를 가질 수 있다. 상기 탄소계 음극 활물질 전구체는 상기 결정성 탄소 입자의 표면의 전부를 상기 결정성 탄소 입자에 비해 표면 거칠기가 큰 상기 탄소 코팅층이 덮고 있는 구조를 가질 수 있다.The carbon-based anode active material precursor may have a structure in which the carbon coating layer having a surface roughness larger than that of the crystalline carbon particles is positioned on the surface of the crystalline carbon particles. The carbon-based anode active material precursor may have a structure in which the entire surface of the crystalline carbon particles is covered with the carbon coating layer having a larger surface roughness than the crystalline carbon particles.

상기 금속계 음극 활물질 전구체는, 금속 염화물(chloride), 금속 질산염(nitrate), 금속 황산염(sulphate), 금속 요오드화물(iodide), 금속 아세트화물(acetate) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. The metal-based anode active material precursor may be a metal chloride, a metal nitrate, a metal sulfate, a metal iodide, a metal acetate, or a mixture thereof.

상기 환원제는 NaBH4, NaAlH4, LiBH4, LiAlH4, 히드라진(hydrazine), 알데히드(aldehyde), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 폴리올(polyol) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. The reducing agent may be NaBH 4 , NaAlH 4 , LiBH 4 , LiAlH 4 , hydrazine, aldehyde, methanol, ethanol, polyol or a mixture thereof.

상기 음극 활물질의 제조 방법은, 여과 및 세척 공정을 통해 잔류 환원제를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다. The method for manufacturing the negative electrode active material may further include removing the residual reducing agent through filtration and washing processes.

본 발명은 또한, 상기한 음극 활물질을 포함하는 이차전지를 제공한다. 이차전지는 양극, 음극, 상기 양극과 음극의 사이에 배치된 분리막을 포함하고, 상기 음극은 상기한 음극 활물질을 포함한다. 비제한적인 일례에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다. The present invention also provides a secondary battery comprising the above-mentioned negative electrode active material. The secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the negative electrode includes the negative electrode active material. In a non-limiting example, the secondary battery may be a lithium secondary battery.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 실시예들은 적어도 다음과 같은 효과를 발휘할 수 있다.Embodiments of the present invention can exhibit at least the following effects.

용량 및 사이클 특성이 향상된 음극 활물질 및 이차전지를 제공할 수 있다.It is possible to provide a negative electrode active material and a secondary battery with improved capacity and cycle characteristics.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effects according to the present invention are not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 전자현미경 사진이다.
도 3은 흑연 입자의 전자 현미경 사진이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 공정의 개략적인 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는 코인셀의 충방전 전압-용량 곡선이다.
도 7 내지 도 9는 비교예들에 따른 음극 활물질들을 포함하는 코인셀의 충방전 전압-용량 곡선이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질들을 포함하는 코인셀과 일 비교예에 따른 음극 활물질을 포함하는 코인셀의 충방전 사이클 특성 비교 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.
1 is a schematic cross-sectional view of an anode active material according to an embodiment of the present invention.
2 is an electron micrograph of an anode active material according to an embodiment of the present invention.
3 is an electron micrograph of graphite particles.
FIGS. 4 to 5 are schematic cross-sectional views of a process for producing a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
6 is a charge-discharge voltage-capacity curve of a coin cell including a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 are charge-discharge voltage-capacity curves of a coin cell including negative electrode active materials according to comparative examples.
10 is a graph showing a comparison of charge-discharge cycle characteristics of a coin cell including a negative active material according to an embodiment of the present invention and a negative active material according to a comparative example.
11 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being 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 scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification. The dimensions and relative sizes of layers and regions in the figures may be exaggerated for clarity of illustration.

이하, 도면과 실험예들을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings and experimental examples.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of an anode active material according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 음극 활물질(100)은 결정성 탄소 입자(101), 탄소 코팅층(102) 및 금속 입자(103)을 포함한다. 탄소 코팅층(102)은 결정성 탄소 입자(101)의 표면에 배치되고, 금속 입자(103)는 탄소 코팅층(102)에 담지된다. 금속 입자(103)는 탄소 코팅층(102)의 표면에 주로 배치될 수 있다. 1, the negative electrode active material 100 includes a crystalline carbon particle 101, a carbon coating layer 102, and metal particles 103. As shown in Fig. The carbon coating layer 102 is disposed on the surface of the crystalline carbon particles 101 and the metal particles 103 are supported on the carbon coating layer 102. The metal particles 103 may be disposed mainly on the surface of the carbon coating layer 102.

결정성 탄소 입자(101)는 층상 또는 다공성의 탄소물질로서, 리튬 이온이 결정성 탄소 입자의 층간 또는 기공 내부에 가역적으로 삽입 또는 탈리가 가능한 재료일 수 있다. 일례로, 결정성 탄소 입자(101)는 흑연, 난흑연화 탄소(hard carbon), 이흑연화 탄소(soft carbon) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 탄소 동소체로 구성될 수 있다. 흑연은 천연흑연과 인조흑연을 모두 포함한다. The crystalline carbon particles 101 may be a layered or porous carbon material, and lithium ions may be reversibly intercalated or deintercalated into intercalation or pore spaces of the crystalline carbon particles. For example, the crystalline carbon particles 101 may be composed of at least one carbon isotope selected from the group consisting of graphite, hard carbon, soft carbon, and mixtures thereof. Graphite includes both natural graphite and artificial graphite.

결정성 탄소 입자(101)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 일례로, 구형, 타원형, 판상형, 원기둥형 등을 들 수 있다. 상기 결정성 탄소 입자는 마이크로 입자일 수 있다. 상기 마이크로 입자는 입자 크기가 수 마이크로미터(㎛) 내지 수백 마이크로미터인 입자이다. 비제한적인 일례에서, 상기 결정성 탄소 입자는 크기가 1 마이크로미터이상 내지 20 마이크로미터 이하일 수 있다. 다른 비제한적인 일례에서, 상기 결정성 탄소 입자는 크기가 5 마이크로미터 이상 내지 10 마이크로미터 이하일 수 있다.The shape of the crystalline carbon particles 101 is not particularly limited, and examples thereof include spherical, elliptical, plate-like, cylindrical, and the like. The crystalline carbon particles may be microparticles. The microparticles are particles having a particle size of several micrometers (占 퐉) to several hundreds of micrometers. In a non-limiting example, the crystalline carbon particles may have a size of greater than 1 micrometer to less than 20 micrometers. In another non-limiting example, the crystalline carbon particles may have a size of greater than or equal to 5 micrometers and less than or equal to 10 micrometers.

탄소 코팅층(102)은 결정성 탄소 입자(101)에 비해 표면 거칠기가 클 수 있다. 탄소 코팅층(102)의 거친 표면은 결정질 탄소 입자(101)에 비해 큰 비표면적을 제공한다. 탄소 코팅층(102)의 거친 표면은 금속 입자(103)가 결착될 수 있는 사이트(site)를 제공한다. 탄소 코팅층(102)의 거친 표면은 금속 입자(103)에 강한 결착력을 제공한다. 이에 대해서는, 이하에서 도 2 및 도 3을 참고하여 상세히 설명하기로 한다. The surface roughness of the carbon coating layer 102 may be larger than that of the crystalline carbon particles 101. The rough surface of the carbon coating layer 102 provides a larger specific surface area than the crystalline carbon particles 101. The rough surface of the carbon coating layer 102 provides a site where the metal particles 103 can bind. The rough surface of the carbon coating layer 102 provides a strong binding force to the metal particles 103. This will be described below in detail with reference to FIG. 2 and FIG.

탄소 코팅층(102)은 전해질의 분해를 억제할 수 있는 비정질 탄소 코팅층일 수 있다. 비정질 탄소 코팅층은 전해질의 분해를 억제하여 높은 효율의 이차전지를 제공할 수 있다.The carbon coating layer 102 may be an amorphous carbon coating layer capable of suppressing the decomposition of the electrolyte. The amorphous carbon coating layer suppresses the decomposition of the electrolyte and can provide a secondary cell of high efficiency.

탄소 코팅층(102)은 결정성 탄소 입자(101)의 표면 전부를 덮고 있을 수 있다. 다시 말하면, 결정질 탄소 입자(101)와 탄소 코팅층(102)은 코어-쉘(core-shell) 구조로 형성될 수 있다. 코어-쉘 구조는 결정질 탄소 입자(101)과 전해질의 반응을 최소화 내지 방지할 수 있다. The carbon coating layer 102 may cover the whole surface of the crystalline carbon particles 101. In other words, the crystalline carbon particles 101 and the carbon coating layer 102 may be formed in a core-shell structure. The core-shell structure can minimize or prevent the reaction of the crystalline carbon particles 101 with the electrolyte.

탄소 코팅층(102)의 두께는 리튬 이온의 투과가 가능한 범위 내에서 결정될 수 있고, 특별히 한정되지 않는다. 비제한적인 일례에서, 탄소 코팅층(102)의 두께는 수 나노미터 이상 내지 수백 나노미터의 범위일 수 있고, 구체적으로, 1 nm 이상 내지 900 nm 이하의 범위 내에서 결정될 수 있다.The thickness of the carbon coating layer 102 can be determined within a range in which lithium ions can permeate, and is not particularly limited. In a non-limiting example, the thickness of the carbon coating layer 102 may be in the range of more than a few nanometers to a few hundred nanometers, specifically, in the range of 1 nm or more and 900 nm or less.

탄소 코팅층(102)은 유기 화합물을 열처리하여 탄화시키는 방법 등을 이용하여 결정질 탄소 입자(101)의 표면에 형성할 수 있다. 제조 방법에 대해서는 이하에서 구체적으로 설명하기로 한다. The carbon coating layer 102 can be formed on the surface of the crystalline carbon particles 101 by a method of carbonizing the organic compound by heat treatment or the like. The manufacturing method will be described in detail below.

금속 입자(103)는 이차전지의 충전 과정에서 리튬 이온과 반응하여 리튬-금속 합금을 형성하고 이차전지의 방전 과정에서 리튬 이온의 탈리로 금속 입자(103)로 전환될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 비제한적인 일례로서, 실리콘(Si), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐(In), 비소(As), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 셀레늄(Se), 인(P), 은(Ag), 황(S), 비스무스(Bi) 및 이들의 합금 등일 수 있다.The metal particles 103 are not particularly limited as long as they are capable of reacting with lithium ions in the charging process of the secondary battery to form a lithium-metal alloy and can be converted into metal particles 103 by the elimination of lithium ions during the discharge process of the secondary battery (Si), tin (Sn), lead (Pb), indium (In), arsenic (As), aluminum (Al), antimony (Sb), selenium (Se), phosphorous ), Silver (Ag), sulfur (S), bismuth (Bi), alloys thereof, and the like.

금속 입자(103)는 크기는 2 nm 이상 내지 200 nm 이하이다. 금속 입자(103)는 2 nm 이상 내지 200 nm 이하의 크기에서 이차전지의 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 금속 입자(103)의 크기가 200 nm를 초과하는 경우, 이차전지의 충방전 과정에서 금속 입자(103)에 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 다시 말하면, 금속 입자(103)의 크기가 200 nm를 초과하는 경우, 이차전지의 충방전 과정에서 금속 입자(103)가 분쇄될 수 있다. 금속 입자(103)의 분쇄는 이차전지의 사이클 특성을 감소시킬 수 있다. The metal particles 103 have a size of 2 nm or more and 200 nm or less. The metal particles 103 can improve the cycle characteristics of the secondary battery at a size of 2 nm or more and 200 nm or less. Specifically, when the size of the metal particles 103 exceeds 200 nm, cracks may be generated in the metal particles 103 during the charge and discharge of the secondary battery. In other words, when the size of the metal particles 103 exceeds 200 nm, the metal particles 103 can be pulverized during charging and discharging of the secondary battery. The pulverization of the metal particles 103 can reduce the cycle characteristics of the secondary battery.

금속 입자(103)의 함량은 결정질 탄소 입자(101) 100 중량부에 대해 5 중량부 이상 내지 70 중량부 이하의 범위 내에서 결정될 수 있다. The content of the metal particles 103 may be determined in a range of 5 parts by weight or more and 70 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the crystalline carbon particles (101).

금속 입자(103)는 탄소 코팅층(102)에 담지되며, 주로 탄소 코팅층(102)의 거친 표면에 배치될 수 있다. 탄소 코팅층(102)의 거친 표면과 금속 입자(103) 사이의 물리적인 상호인력(interaction)은 금속 입자(103)가 탄소 코팅층(102)에 강하게 결착될 수 있도록 할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 전자 현미경 사진이다. 도 3은 흑연 입자의 전자현미경 사진이다. The metal particles 103 are carried on the carbon coating layer 102, and can be disposed mainly on the rough surface of the carbon coating layer 102. The physical mutual interaction between the rough surface of the carbon coating layer 102 and the metal particles 103 may allow the metal particles 103 to be strongly bonded to the carbon coating layer 102. [ 2 is an electron micrograph of an anode active material according to an embodiment of the present invention. 3 is an electron micrograph of graphite particles.

구체적으로, 도 2는 흑연 입자의 표면에 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 탄소 코팅층의 표면에 주석(Sn) 나노 입자가 결착된 음극 활물질의 전자 현미경 사진이고, 도 3은 흑연 입자의 전자 현미경 사진이다.Specifically, FIG. 2 is an electron micrograph of a negative electrode active material having a carbon coating layer formed on the surface of graphite particles and tin (Sn) nanoparticles bound to the surface of the carbon coating layer, and FIG. 3 is an electron micrograph .

도 2 및 도 3을 참조하면, 탄소 코팅층은 흑연 입자에 비해 거친 표면을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 탄소 코팅층의 거친 표면은 주석 나노 입자에 강한 결착력을 제공한다. 반면에, 흑연 입자의 표면은 탄소 코팅층에 비해 표면이 매끄러움을 확인할 수 있다. 흑연 입자의 매끄러운 표면과 주석 나노 입자 간의 물리적 상호 결합력은 탄소 코팅층의 거친 표면과 주석 나노 입자 간의 물리적 상호 결합력에 비해 상당히 낮다. 따라서, 흑연 입자의 매끄러운 표면에는 주석 나노 입자가 결착되기 어렵고, 이차전지의 충방전 과정에서 주석 나노 입자가 흑연 입자의 표면으로부터 떨어져 나갈 수 있다. 이러한 현상은 이차전지의 사이클 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 용량 저하를 유발한다. Referring to FIGS. 2 and 3, it can be seen that the carbon coating layer has rough surfaces as compared with graphite particles. The rough surface of the carbon coating layer provides strong adhesion to the tin nanoparticles. On the other hand, the surface of the graphite particles can be confirmed to be smooth as compared with the carbon coating layer. The physical mutual binding force between the smooth surface of the graphite particles and the tin nanoparticles is significantly lower than the physical mutual binding force between the rough surface of the carbon coating layer and the tin nanoparticles. Therefore, the tin nano-particles are hardly adhered to the smooth surface of the graphite particles, and the tin nano-particles can be separated from the surface of the graphite particles in the charge-discharge process of the secondary battery. This phenomenon not only degrades the cycle characteristics of the secondary battery but also causes a reduction in capacity.

반면에, 거친 표면을 가진 탄소 코팅층은 충방전 과정에서도 주석 나노 입자에 강한 결착력을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 음극 활물질을 음극에 사용한 이차전지는 흑연을 음극 활물질로 사용한 이차전지에 비해서 사이클 특성 및 용량 특성이 향상될 수 있다. On the other hand, a carbon coating with a rough surface can provide strong adhesion to the tin nanoparticles even during charging and discharging. Therefore, the secondary battery using the negative electrode active material of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention as a negative electrode may have improved cycle characteristics and capacity characteristics as compared with a secondary battery using graphite as a negative active material.

이하, 음극 활물질(100)의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the negative electrode active material 100 will be described in detail.

도 4 내지 도 5는 음극 활물질(100)의 제조 공정의 개략적인 단면도들이다. FIGS. 4 to 5 are schematic cross-sectional views of a manufacturing process of the negative electrode active material 100. FIG.

도 4는 결정성 탄소 입자(101)의 표면에 유기 화합물 코팅층(106)을 형성하는 단계를 개략적으로 도시하고 있다. 도 5는 결정성 탄소 입자(101)의 표면에 탄소 코팅층(102)을 형성하는 단계를 개략적으로 도시하고 있다.4 schematically shows the step of forming the organic compound coating layer 106 on the surface of the crystalline carbon particles 101. In FIG. 5 schematically shows the step of forming the carbon coating layer 102 on the surface of the crystalline carbon particles 101. As shown in FIG.

도 4 및 도 5를 참고하면, 결정성 탄소 입자(101)의 표면에 유기 화합물 코팅층(106)을 형성하는 단계는, 결정성 탄소 입자(101)와 유기 화합물을 제1 교반하는 단계;와 제1 교반물을 열처리하는 단계;를 포함한다. 4 and 5, the step of forming the organic compound coating layer 106 on the surface of the crystalline carbon particles 101 may include a first step of stirring the crystalline carbon particles 101 and an organic compound, 1 < / RTI >

결정성 탄소 입자(101)는 전술한 바 있으므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다. Since the crystalline carbon particles 101 have been described above, a detailed description thereof will be omitted.

유기 화합물은, 탄소 코팅층(102)을 형성하기 위한 전구체로서, 특별히 제한되지 않는다. 유기 화합물은 유기 고분자 화합물일 수 있고, 비제한적인 일례로서, 유기 고분자 화합물은 비닐계 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀계 수지, 피치, 타르계 수지 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다.The organic compound is not particularly limited as a precursor for forming the carbon coating layer 102. The organic compound may be an organic polymer compound. As a non-limiting example, the organic polymer compound may be a vinyl resin, a cellulose resin, a phenol resin, a pitch, a tar resin or a mixture thereof.

제1 교반물을 열처리함으로써 탄소 코팅층(102)이 결정성 탄소 입자의 표면에 형성된 탄소계 음극 활물질 전구체를 제조할 수 있다. 열처리 온도, 시간 등은 특별히 제한되지 않으며, 비제한적인 일례에서, 열처리 온도는 500 ℃ 이상일 수 있고, 열처리는 분위기는 불활성 가스 분위기 하에서 진행될 수 있다. 비제한적인 일례에서, 불활성 가스 분위기는 질소 분위기 일 수 있다. The carbon-based anode active material precursor in which the carbon coating layer 102 is formed on the surface of the crystalline carbon particles can be produced by heat-treating the first stirred material. The heat treatment temperature, time and the like are not particularly limited, and in a non-limiting example, the heat treatment temperature may be 500 ° C or higher, and the heat treatment may be conducted in an inert gas atmosphere. In a non-limiting example, the inert gas atmosphere may be a nitrogen atmosphere.

도 1 및 도 5를 참고하면, 도 5에 도시된 공정 이후에, 탄소 코팅층(102)의 표면에 금속 입자(103)를 담지할 수 있다. 탄소 코팅층(102)의 표면에 금속 입자(103)를 담지하는 단계는, 탄소계 음극 활물질 전구체와 금속계 음극 활물질 전구체를 제2 교반하는 단계; 및 제2 교반물에 환원제를 첨가하는 단계;를 포함한다. 탄소 코팅층(102)의 표면에 금속 입자(103)를 담지하는 단계를 통해서 도 1의 음극 활물질을 제조할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 5, after the process shown in FIG. 5, metal particles 103 may be carried on the surface of the carbon coating layer 102. The step of supporting the metal particles 103 on the surface of the carbon coating layer 102 may include: a second step of stirring the carbon-based anode active material precursor and the metal-based anode active material precursor; And adding a reducing agent to the second stirred material. The negative electrode active material of FIG. 1 can be manufactured through the step of supporting the metal particles 103 on the surface of the carbon coating layer 102.

본 발명의 일 실시예에 다른 음극 활물질의 제조 방법은, 금속계 음극 활물질 전구체를 금속으로 환원시키는 과정을 통해서 탄소 코팅층(102)의 표면에 금속 입자(103)를 담지시킬 수 있다. 본 발명에 따른 음극 활물질의 제조 방법은, 고온 열처리 공정없이 금속 입자(103)를 용액상에서 환원법에 의해 탄소 코팅층(102) 상에 생성시킬 수 있다. In the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention, the metal particles 103 may be supported on the surface of the carbon coating layer 102 by reducing the metal anode active material precursor to metal. The method for producing the negative electrode active material according to the present invention can produce the metal particles 103 on the carbon coating layer 102 by the reduction method in a solution state without a high temperature heat treatment process.

구체적으로, 금속 입자(103)는 100 ℃이하의 온도에서 환원제에 의해 용액상에서 형성되어 탄소 코팅층(102)의 표면에 물리적으로 결착될 수 있다. 따라서, 제조 과정 중에 금속 입자(103)가 성장하는 것을 방지 내지 억제할 수 있다. Specifically, the metal particles 103 may be formed in solution by a reducing agent at a temperature of 100 DEG C or lower and physically bonded to the surface of the carbon coating layer 102. [ Therefore, it is possible to prevent or suppress the growth of the metal particles 103 during the manufacturing process.

금속 입자(103)는 이차전지의 충전 시에는 리튬 이온과 전기 화학적으로 직접 반응하여 리튬-금속 합금을 형성하고, 방전 시에는 가역적으로 리튬 이온과 분리되어 금속 입자(103)로 변환된다. The metal particles 103 are electrochemically reacted directly with lithium ions to form a lithium-metal alloy upon charging of the secondary battery, and are reversibly separated from lithium ions and converted into metal particles 103 at the time of discharging.

금속계 음극 활물질 전구체는, 금속 입자(103)를 제공하는 역할을 할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 비제한적인 일례에서, 금속 염화물(chloride), 금속 질산염(nitrate), 금속 황산염(sulphate), 금속 요오드화물(iodide), 금속 아세트화물(acetate) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. The metal-based anode active material precursor is not particularly limited as long as it can serve to provide the metal particles 103, but in a non-limiting example, metal chloride, metal nitrate, metal sulfate, metal Iodide, metal acetate, or a mixture thereof.

상기 환원제는 금속계 음극 활물질 전구체를 금속 입자(103)로 환원시킬 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않으나, 비제한적인 일례에서, NaBH4, NaAlH4, LiBH4, LiAlH4, 히드라진(hydrazine), 알데히드(aldehyde), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 폴리올(polyol) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. The reducing agent as long as it can reduce the metal-based negative electrode active material precursor of a metal particle 103 is not particularly limited, but in non-limiting example, NaBH 4, NaAlH 4, LiBH 4, LiAlH 4, hydrazine (hydrazine), aldehyde (aldehyde ), Methanol, ethanol, polyol, or a mixture thereof.

상기한 음극 활물질의 제조 방법은, 여과 및 세척 공정을 통해 잔류 환원제를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다. The method for manufacturing the negative electrode active material may further include removing the residual reducing agent through filtration and washing processes.

한편, 탄소 코팅층(102)의 내부에 금속 입자(103)가 위치하도록 음극 활물질을 제조할 수 있다. 비제한적인 일례로, 전술한 도 4의 제1 교반 단계에서, 결정성 탄소 입자, 유기 화합물, 금속 입자를 함께 교반한 후 열처리하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 다만, 이 경우에는, 열처리 단계에서 금속 입자가 성장할 수 있고, 200 nm 를 초과하는 금속 입자가 생성될 수 있다. 200 nm 를 초과하는 금속 입자는 전술한 바와 같이, 충방전 과정에서 리튬-금속 합금의 분리 또는 금속 입자의 크랙(crack)을 유발할 수 있다. On the other hand, the negative electrode active material can be manufactured such that the metal particles 103 are positioned inside the carbon coating layer 102. As a non-limiting example, the first stirring step of FIG. 4 may be carried out by stirring the crystalline carbon particles, the organic compound, and the metal particles together, followed by heat treatment. In this case, however, the metal particles may grow in the heat treatment step, and metal particles exceeding 200 nm may be generated. Metal particles exceeding 200 nm may cause separation of the lithium-metal alloy or cracking of the metal particles during charging and discharging, as described above.

도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 다른 음극 활물질을 포함하는 코인셀의 실험결과들이다. 6 to 10 are experimental results of a coin cell including an anode active material according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는 코인셀의 충방전 전압-용량 곡선이다. 도 7 내지 도 9는 비교예들에 따른 음극 활물질들을 포함하는 코인셀의 충방전 전압-용량 곡선이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질들을 포함하는 코인셀과 일 비교예에 따른 음극 활물질을 포함하는 코인셀의 충방전 사이클 특성 비교 그래프이다.Specifically, FIG. 6 is a charge-discharge voltage-capacity curve of a coin cell including a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention. 7 to 9 are charge-discharge voltage-capacity curves of a coin cell including negative electrode active materials according to comparative examples. 10 is a graph showing a comparison of charge-discharge cycle characteristics of a coin cell including a negative active material according to an embodiment of the present invention and a negative active material according to a comparative example.

도 6 내지 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는 코인셀들의 제조예와, 실험예 등을 구체적으로 설명하기로 한다.
6 to 10, an example of manufacturing coin cells including an anode active material according to an embodiment of the present invention, an experimental example, and the like will be described in detail.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

C12H22O11(Aldrich Co) 1.0g을 증류수에 녹인 후, 흑연(Posco Chemtech) 1.8g을 첨가하였다. 60 ℃에서 교반하면서 증류수를 천천히 증발시키고, C12H22O11가 흑연 표면에 코팅되도록 하였다. 이후, C12H22O11가 코팅된 흑연을 오븐에서 80 ℃로 2시간 건조하여 용매를 완전히 제거하였다.1.0 g of C 12 H 22 O 11 (Aldrich Co) was dissolved in distilled water and 1.8 g of graphite (Posco Chemtech) was added. The distilled water was slowly evaporated with stirring at 60 ° C and C 12 H 22 O 11 was coated on the graphite surface. The graphite coated with C 12 H 22 O 11 was then dried in an oven at 80 ° C for 2 hours to completely remove the solvent.

C12H22O11가 코팅된 흑연을 튜브로에 넣고 질소 분위기하에서 700 ℃로 2시간 열처리하여 C12H22O11를 탄화시켰다. 그 결과, 흑연 표면에 중량비로 10 중량%의 비정질 탄소 코팅층이 형성되었다. The graphite coated with C 12 H 22 O 11 was placed in a tube furnace and subjected to heat treatment at 700 ° C for 2 hours under a nitrogen atmosphere to carbonize C 12 H 22 O 11 . As a result, an amorphous carbon coating layer of 10% by weight was formed on the graphite surface.

비정질 탄소 코팅층이 형성된 흑연 0.7g을 증류수에 분산시키고, SnCl2 (Aldrich Co) 0.28g을 첨가하고 교반하였다. 여기에 환원제인 0.2M NaBH4 용액 250ml를 천천히 첨가하였다. 환원제 용액이 모두 첨가된 후 12 시간 동안 교반하면서 Sn 나노 입자가 흑연 표면의 비정질 탄소 코팅층에 담지되도록 하였다. 잔류하는 환원제를 제거하기 위해 여과와 세척을 반복 진행한 후 건조하여 중량비로 20 중량%의 Sn 나노 입자가 담지된 음극 활물질을 제조하였다. 0.7 g of graphite in which an amorphous carbon coating layer was formed was dispersed in distilled water, and SnCl 2 (Aldrich Co) were added and stirred. 250 ml of a 0.2 M NaBH 4 solution as a reducing agent was slowly added thereto. After all of the reducing agent solution was added, the Sn nanoparticles were allowed to be carried on the amorphous carbon coating layer on the graphite surface while stirring for 12 hours. In order to remove residual reducing agent, filtration and washing were repeated, followed by drying to prepare a negative electrode active material carrying 20 wt% of Sn nanoparticles on a weight basis.

제조된 음극 활물질과 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF, Arkema)을 90:10의 중량비로 NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone, Aldrich) 용액 내에서 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하고 이를 Cu 호일 집전체 위에 닥터 블레이트(Dr. blade) 방식으로 캐스팅하여 도포한 후 건조하고 압착하여 음극을 제조하였다. The prepared negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVDF, Arkema) were mixed in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone, Aldrich) solution at a weight ratio of 90:10 to prepare a negative electrode active material slurry, The entire foil collector was cast by Dr. blade method, followed by drying and pressing to prepare a negative electrode.

상기 음극을 1cm2로 컷팅하여 코인셀(coin cell) 2032 (Hoshen)에 넣고, 그 위에 분리막인 폴리프로필렌 다공성 필름(Celgard 2400)과 리튬 금속 호일을 위치시키고, 전해액으로 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트 (ethylene carbonate, EC), 디에틸렌 카보네이트 (diethylene carbonate, DEC) 및 에틸메틸 카보네이트(ethyl-methyl carbonate, EMC) 혼합용액을 첨가하여 코인셀을 제작하였다.
The anode was cut into 1 cm 2 and placed in a coin cell 2032 (Hoshen). A polypropylene porous film (Celgard 2400) as a separator and a lithium metal foil were placed thereon, and 1M LiPF 6 dissolved ethylene A coin cell was prepared by adding a mixed solution of ethylene carbonate (EC), diethylene carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC).

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

C12H22O11를 이용한 비정질 탄소 코팅층의 형성과정을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 흑연의 표면에 Sn 나노 입자가 위치하는 음극 활물질을 제조하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제작하였다.
Except that the formation of the amorphous carbon coating layer using C 12 H 22 O 11 was carried out in the same manner as in Example 1, to thereby prepare an anode active material having Sn nanoparticles on the surface of graphite. Thereafter, a coin cell was produced in the same manner as in Example 1.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

음극 활물질로 흑연을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제작하였다.
A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1 using graphite as the negative electrode active material.

<비교예 3>&Lt; Comparative Example 3 &

Sn 금속 나노 입자의 담지를 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 흑연의 표면에 비정질 탄소 코팅층이 형성된 음극 활물질을 제조하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제작하였다.
The negative electrode active material having an amorphous carbon coating layer formed on the surface of graphite was prepared using the same method as in Example 1 except for the loading of Sn nanoparticles. A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1.

<실험예><Experimental Example>

실시예 1, 비교예 1 내지 3의 코인셀을 이용하여 충방전 실험을 진행하였다. 충방전 시험은 0.01 ~ 1.0V (vs. Li/Li+)에서 30회 실시하였다. 하기 표 1에 실시예 1과 비교예 1 내지 3의 충방전 시험 결과 중 첫 번째 방전용량, 충방전 효율 및 30회 사이클 후 용량 유지율을 나타내었다.
Charge-discharge experiments were carried out using the coin cells of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Charging and discharging tests were conducted 30 times at 0.01 to 1.0 V (vs. Li / Li +). The first discharge capacity, the charge-discharge efficiency and the capacity retention rate after 30 cycles of the charge-discharge test results of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.

구분division 첫 번째 방전용량
(mAh/g)
First discharge capacity
(mAh / g)
첫 번째 충방전 효율
(%)
First charge / discharge efficiency
(%)
용량유지율(%)
(30회 충방전 후)
Capacity retention rate (%)
(After 30 charge / discharge cycles)
실시예1Example 1 479479 80.280.2 99.799.7 비교예1Comparative Example 1 447447 82.582.5 89.589.5 비교예2Comparative Example 2 351351 80.380.3 99.899.8 비교예3Comparative Example 3 318318 64.464.4 99.599.5

표 1과 도 7 내지 도 11에 나타낸 바와 같이 실시예 1의 첫 번째 방전용량은 일반 흑연 이론용량(372mAh/g)보다 약 27.8% 높게 나타났으며, 첫 번째 충방전 효율 또한 비교예 2의 흑연과 유사하게 나타났다. 또한, 30회 사이클 후 용량 유지율은 초기 용량값의 99.7%를 유지하여 사이클 수명도 우수하게 나타났다.As shown in Table 1 and Figs. 7 to 11, the first discharge capacity of Example 1 was about 27.8% higher than the theoretical graphite capacity (372 mAh / g) of general graphite, and the first charge- Respectively. Also, after 30 cycles, the capacity retention rate maintained 99.7% of the initial capacity value and the cycle life was also excellent.

실시예 1에서 탄소입자인 흑연의 용량을 이론용량인 372mAh/g으로 가정할 경우, 금속 나노 입자인 Sn만의 용량은 약 850mA/g으로 계산이 가능하며 이는 Sn의 이론용량(993mAh/g) 대비 85.6%에 해당된다. When the capacity of graphite, which is carbon particles in Example 1, is assumed to be 372 mAh / g, the capacity of the metal nanoparticle Sn alone can be calculated to be about 850 mA / g, which is equivalent to the theoretical capacity of Sn (993 mAh / g) 85.6%.

비정질 탄소가 코팅된 흑연의 초기 용량이 318mAh/g으로 낮았으나, 도 11에 나타낸 바와 같이 이후 사이클에서 용량이 약 380mAh/g까지 증가하였으며, 이론용량보다 높게 나타난 원인은 코팅된 비정질 탄소에 일부 리튬이온이 삽입과 탈리되는 반응에 기인한다.The initial capacity of graphite coated with amorphous carbon was as low as 318 mAh / g, but as shown in FIG. 11, the capacity increased to about 380 mAh / g in the following cycle. It is due to the reaction that the ions are inserted and desorbed.

도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도이다.11 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to another embodiment of the present invention.

도 11을 참고하면, 다른 일 실시예에 따른 음극 활물질은 탄소 코팅층(102)이 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(R1)은 금속 입자(103)의 함량이 제2 영역(R2)에 비해 높을 수 있다. Referring to FIG. 11, the negative electrode active material according to another embodiment may include the carbon coating layer 102 in the first region R1 and the second region R2. The content of the metal particles 103 in the first region R1 may be higher than that in the second region R2.

한편, 본 발명의 일 실시예는 도 1 또는 도 11의 음극 활물질을 포함하는 이차전지(미도시)를 제공한다. 이차전지는 양극(미도시), 음극(미도시), 상기 양극과 음극의 사이에 배치된 분리막(미도시) 및 전해질을 포함하고, 음극은 도 1 또는 도 11의 음극 활물질을 포함한다. 비제한적인 일례에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다. Meanwhile, one embodiment of the present invention provides a secondary battery (not shown) including the negative electrode active material of FIG. 1 or FIG. The secondary battery includes a positive electrode (not shown), a negative electrode (not shown), a separator (not shown) disposed between the positive and negative electrodes, and an electrolyte, and the negative electrode includes the negative electrode active material shown in FIG. 1 or FIG. In a non-limiting example, the secondary battery may be a lithium secondary battery.

양극은 비제한적인 일례에서, 하기의 양극 활물질을 포함할 수 있다. 다만, 이로 제한되는 것은 아니다. 양극 활물질은 고상법, 수열법, 졸-겔 법 등을 이용하여 제조할 수 있다. The anode can include, in a non-limiting example, the following cathode active material. However, it is not limited thereto. The cathode active material can be produced by a solid phase method, a hydrothermal method, a sol-gel method, or the like.

양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + yMn2 - yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등일 수 있다. The positive electrode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + y Mn 2 - y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li2CuO2); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Formula LiNi 1 - y M y O 2 ( where, the M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, y = 0.01 ~ 0.3 Im) Ni site type lithium nickel oxide which is represented by; Formula LiMn 2 - y M y O 2 ( where, M = Co, Ni, Fe , Cr, and Zn, or Ta, y = 0.01 ~ 0.1 Im) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where, M = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like.

분리막은, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용될 수 있다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다. The separator may be, for example, an olefinic polymer such as polypropylene, which is chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like; Kraft paper and the like can be used. Representative examples currently on the market include Celgard® 2400, 2300 (from Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (from Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (from Tonen or Entek).

전해질은 비수계 전해질일 수 있고, 비수 전해질, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다. The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like.

상기 비수 전해질로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등이 사용될 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.Examples of the nonaqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate , Gamma -butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, Diethyl ether, formamide, dimethyl formamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane A derivative thereof, a sulfone, a methylsulfolane, a 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, a propylene carbonate derivative, a tetrahydrofuran derivative, ether, methyl pyrophosphate, ethyl propionate, a polyethylene derivative, Polypropylene oxide Li 3 N, Li 5 , Li 5 NI 2 , Li 3 , Li 2 O 3 , Li 2 O, Li 2 O, Li 2 O, N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 , etc. -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used But are not limited to these.

기타, 리튬 이차전지의 제조방법 등은 당해 업계에 알려져 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. Other methods for producing a lithium secondary battery and the like are known in the related art, so a detailed description thereof will be omitted.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

100: 음극활물질
101: 결정성 탄소 입자
102: 비정질 탄소 코팅층
103: 금속 입자
106: 유기 화합물 코팅층
100: anode active material
101: crystalline carbon particles
102: amorphous carbon coating layer
103: metal particles
106: organic compound coating layer

Claims (16)

결정성 탄소 입자;
상기 결정성 탄소 입자에 비해 표면 거칠기가 크고, 상기 결정성 탄소 입자의 표면에 배치된 탄소 코팅층;및
상기 탄소 코팅층의 표면에만 배치된 금속 입자;
를 포함하는 음극 활물질.
Crystalline carbon particles;
A carbon coating layer having a surface roughness larger than that of the crystalline carbon particles and disposed on the surface of the crystalline carbon particles;
Metal particles disposed only on the surface of the carbon coating layer;
And a negative electrode active material.
제1 항에 있어서,
상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소 코팅층인 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon coating layer is an amorphous carbon coating layer.
제1 항에 있어서,
상기 결정성 탄소 입자는 크기가 1 마이크로미터(㎛) 이상 내지 20 마이크로미터 이하인 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the crystalline carbon particles have a size of 1 micrometer (占 퐉) or more to 20 占 퐉 or less.
제1 항에 있어서,
상기 결정성 탄소 입자는 흑연, 난흑연화 탄소(hard carbon), 이흑연화 탄소(soft carbon) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 탄소 동소체로 구성된 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the crystalline carbon particles comprise at least one carbon isotope selected from the group consisting of graphite, hard carbon, soft carbon, and mixtures thereof.
제1 항에 있어서,
상기 탄소 코팅층은 상기 결정성 탄소 입자의 표면 전부 또는 일부를 덮고 있는 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon coating layer covers all or a part of the surface of the crystalline carbon particles.
제1 항에 있어서,
상기 금속 입자는 실리콘(Si), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐(In), 비소(As), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 셀레늄(Se), 인(P), 은(Ag), 황(S), 비스무스(Bi) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The metal particles may be selected from the group consisting of Si, Sn, Pb, In, As, Al, Sb, Se, (Ag), sulfur (S), bismuth (Bi), and alloys thereof.
제1 항에 있어서,
상기 금속 입자는 크기가 2 nm 이상 내지 200 nm 이하인 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal particles have a size of 2 nm or more and 200 nm or less.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 탄소 코팅층은 제1 영역과 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역은 단위면적 당 상기 금속 입자의 함량이 상기 제2 영역에 비해 높은 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon coating layer comprises a first region and a second region,
Wherein the first region has a higher content of the metal particles per unit area than the second region.
결정성 탄소 입자와 유기 화합물을 제1 교반하고, 제1 교반물을 열처리하여 탄소계 음극 활물질 전구체를 제조하는 단계; 및
탄소계 음극 활물질 전구체와 금속계 음극 활물질 전구체를 제2 교반하고, 제2 교반물에 환원제를 첨가하는 단계;
를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
Preparing a carbon-based anode active material precursor by firstly stirring the crystalline carbon particles and the organic compound and heat-treating the first stirred material; And
Mixing the carbon-based anode active material precursor and the metal-based anode active material precursor with a second agitation, and adding a reducing agent to the second agitated material;
And a negative electrode active material.
제10 항에 있어서,
상기 환원제는 NaBH4, NaAlH4, LiBH4, LiAlH4, 히드라진(hydrazine), 알데히드(aldehyde), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 폴리올(polyol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 음극 활물질의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The reducing agent is not less than NaBH 4, NaAlH 4, LiBH 4 , LiAlH 4, hydrazine (hydrazine), aldehyde (aldehyde), methanol (methanol), ethanol (ethanol), polyols (polyol) and one selected from the group consisting of A method for producing an anode active material.
제10 항에 있어서,
상기 금속계 음극 활물질 전구체는, 금속 염화물(chloride), 금속 질산염(nitrate), 금속 황산염(sulphate), 금속 요오드화물(iodide), 금속 아세트화물(acetate) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 음극 활물질의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The metal-based anode active material precursor may be at least one selected from the group consisting of a metal chloride, a metal nitrate, a metal sulfide, an iodide, a metal acetate, A method for producing an active material.
제10 항에 있어서,
상기 유기 화합물은 유기 고분자 화합물인 음극 활물질의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the organic compound is an organic polymer compound.
제13 항에 있어서,
상기 유기 고분자 화합물은 비닐계 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀계 수지, 피치,타르계 수지 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 음극 활물질의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the organic polymer compound is at least one selected from the group consisting of a vinyl resin, a cellulose resin, a phenol resin, a pitch, a tar resin, and combinations thereof.
제10 항에 있어서,
여과 및 세척 공정을 통해 잔류 환원제를 제거하는 단계;를 더 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
And removing the residual reducing agent through a filtration and washing process.
제1 항 내지 제7항 및 제9 항 중 어느 한 항에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극;
양극; 및
상기 음극과 양극의 사이에 배치된 분리막;
을 포함하는 이차전지.
A negative electrode comprising the negative electrode active material according to any one of claims 1 to 7 and 9;
anode; And
A separation membrane disposed between the cathode and the anode;
And a secondary battery.
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