KR101722960B1 - Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘(Si)와 금속(M)을 공정 단계, 에칭단계를 거친 후 산화단계를 포함하여 다공성 실리카의 구조 지지체를 형성함으로써 리튬이차전지의 음극 활물질로 사용되는 M-Si 복합체 체조방법을 제공하여 충방전 특성이 우수하고, 사이클 증가에 따른 용량 감소가 적어 안정된 사이클 특성을 가지는 리튬 이차 전지를 제공한다. The present invention relates to an M-Si composite body gymnastic method used as an anode active material of a lithium secondary battery by forming a structural support of porous silica including silicon (Si) and metal (M) through a process step and an etching step, followed by an oxidation step And provides a lithium secondary battery having a stable cyclic characteristic with a small capacity reduction due to an increase in cycle.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY, METHOD OF PREPARING THE SAME, AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a negative active material for a lithium secondary battery, a method for producing the negative active material, and a lithium secondary battery including the same. [0001] The present invention relates to a negative active material for a lithium secondary battery,

리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.A negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the same.

전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다.Cells generate electricity by using materials that can electrochemically react to the positive and negative electrodes. A representative example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electrical energy by a change in chemical potential when the lithium ions are intercalated / deintercalated in the positive electrode and the negative electrode.

상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해질 또는 폴리머 전해질을 충전시켜 제조한다.The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합금속 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들이 연구되고 있다.As the cathode active material of the lithium secondary battery, a lithium composite metal compound is used. Examples of the lithium composite metal compound include LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1), LiMnO 2 Metal oxides are being studied.

리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 흑연 등이 대표적으로 적용되어 왔다. 그러나, 이러한 흑연을 이용한 전극은 전하 용량이 365mAh/g (이론값: 372mAh/g)으로 낮기 때문에, 우수한 용량 특성을 나타내는 리튬 이차 전지를 제공하는데 한계가 있었다. As the negative electrode active material of the lithium secondary battery, graphite capable of inserting / removing lithium has been typically used. However, since such a graphite electrode has a low charge capacity of 365 mAh / g (theoretical value: 372 mAh / g), there is a limit in providing a lithium secondary battery exhibiting excellent capacity characteristics.

이에 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 안티몬(Sb)과 같은 무기물계 활물질이 연구되고 있다. 이러한 무기물계 활물질, 특히, 실리콘계 음극 활물질은 상온에서 리튬 이온과 반응 시 높은 용량(3650 mAh/g)을 구현하는 장점을 가진다.Accordingly, inorganic active materials such as silicon (Si), germanium (Ge), and antimony (Sb) have been studied. The inorganic active material, particularly, the silicon anode active material has an advantage of realizing a high capacity (3650 mAh / g) when it reacts with lithium ion at room temperature.

그러나, 상기 실리콘과 같은 무기물계 음극 활물질은 리튬의 삽입/탈리, 즉, 전지의 충/방전 시 300% 이상의 부피변화가 발생하여 집전체와 활물질의 접촉이 약해지면서 용량이 점점 감소한다. 또한, 실리콘의 전기 전도성이 낮아 리튬의 삽입/탈리시 일어나는 전하 전달 반응이 원활하게 발생하지 않는다. 이 때문에, 이전에 알려진 무기물계 음극 활물질, 예를 들어, 실리콘계 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지는 높은 전하 용량에 따른 장점에도 불구하고 낮은 사이클 수명 특성 및 용량 유지율을 나타내는 단점이 있었다.However, in the inorganic negative electrode active material such as silicon, when the insertion / removal of lithium, that is, the charge / discharge of the battery is changed by 300% or more, contact between the current collector and the active material becomes weak. In addition, since the electric conductivity of silicon is low, a charge transfer reaction that occurs when lithium is intercalated / deintercalated does not occur smoothly. For this reason, the previously known inorganic anode active material, for example, a silicon anode active material and a lithium secondary battery including the lithium anode active material have disadvantages in that they exhibit a low cycle life characteristic and a capacity retention ratio despite their advantages according to their high charge capacities.

본 발명은 사이클 증가에 따른 용량 감소가 적어 안정된 사이클 특성을 가지는 리튬 이차 전지의 음극 활물질로 사용되는 M-Si 복합체를 제공하기 위하여 중심부에 금속 산화물 코어를 갖는 다공성의 M-Si 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to a porous M-Si composite having a metal oxide core at its center to provide an M-Si composite used as an anode active material of a lithium secondary battery having a stable cycle characteristic with little reduction in capacity due to an increase in cycle, .

본 발명의 일실시예로 실리콘(Si) 및 금속(M)을 1:14 내지 1:4의 중량비로 포함하는 제1 M-Si 복합체 준비 단계; 상기 제1 M-Si 복합체의 금속(M)을 에칭시켜, 상기 제1 M-Si 복합체의 표면에서 상기 금속 에칭에 의한 다공도(P1)가 상기 제1 M-Si 복합체의 중심에서 상기 금속 에칭에 의한 다공도(P2)보다 높은 제2 M-Si 복합체를 얻는 에칭 단계; 및 상기 제2 M-Si 복합체 내의 금속(M)의 일부 또는 전부를 산화시켜, 제3 M-Si 복합체를 얻는 산화 단계;를 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a first M-Si composite preparation step comprising silicon (Si) and metal (M) in a weight ratio of 1:14 to 1: 4; (M) of the first M-Si composite is etched so that a porosity (P1) by the metal etching on the surface of the first M-Si composite is greater than a porosity An etching step of obtaining a second M-Si composite having a porosity (P2) higher than that of the first M-Si composite; And oxidizing a part or the whole of the metal (M) in the second M-Si composite to obtain a third M-Si composite. The present invention also provides a method for producing an M-Si composite for a lithium secondary battery anode active material do.

또한 상기 제1 M-Si 복합체 준비 단계는 Al, Cu, Ni 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속(M) 분말을 사용하여 실리콘(Si) 분말 및 금속(M) 분말을 혼합하여 용융시킨 후 서냉시켜 제1 M-Si 복합체를 제조하는 단계인 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다. Also, the first M-Si composite preparation step may include mixing at least one metal (M) powder selected from the group consisting of Al, Cu, Ni, and Zn to mix the silicon (Si) powder and the metal (M) And then slowly cooling the resultant mixture to prepare a first M-Si composite. The present invention also provides a method for producing an M-Si composite for a lithium secondary battery anode active material.

또한 상기 에칭 단계는 에칭액을 이용하여 5℃ 내지 25℃의 온도에서 10분 내지 60분 동안 상기 제1 M-Si 복합체의 금속(M)을 에칭시키는 단계인 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다.The etching step may further include etching the metal (M) of the first M-Si composite at a temperature of 5 ° C to 25 ° C for 10 minutes to 60 minutes using an etchant. The M-Si composite for a lithium secondary battery anode active material Of the present invention.

상기 에칭액은 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 제이염화철(Fe2Cl), 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 불화수소(HF)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. The etching solution is phosphoric acid (H 3 PO 4), nitric acid (HNO 3), acetic acid (CH 3 COOH), hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4), J. ferric chloride (Fe 2 Cl), aqueous ammonia (NH 4 OH ), Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and hydrogen fluoride (HF).

또한 상기 산화단계는 상기 제2 M-Si 복합체를 산소(O2) 및 수증기(H2O) 하740 내지 760℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 수행되는 단계인 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다. Wherein the oxidation step is performed for 10 to 30 minutes at a temperature of 740 to 760 캜 under oxygen (O 2 ) and water vapor (H 2 O), and the second M- Si composite according to the present invention.

또한 상기 산화 단계 후에 상기 제3 M-Si 복합체의 표면에 탄소를 코팅하는 제1 코팅 단계, 상기 제3 M-Si 복합체에 SiOx(0<x≤2)를 코팅하는 제2 코팅단계를 더 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다.A first coating step of coating carbon on the surface of the third M-Si composite after the oxidation step, and a second coating step of coating SiOx (0 < x &lt; 2) on the third M-Si composite The present invention also provides a method for producing an M-Si composite for an anode active material of a lithium secondary battery.

본 발명의 또 다른 측면의 일실시예로 실리콘(Si) 및 금속(금속산화물을 포함한다)을 포함하는 M-Si 복합체이며, 상기 M-Si 복합체 표면에서의 다공도(P1)가 상기 M-Si 복합체 중심에서의 다공도(P2)보다 높고, 상기 금속(M)의 일부 또는 전부는 금속 산화물(MxOy)이고, 상기 금속 산화물(MxOy)은 M-Si 중량의 20% 내지 60%로 포함되는 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체를 제공한다. In an embodiment of another aspect of the present invention, there is provided an M-Si composite including silicon (Si) and a metal (including a metal oxide), wherein the porosity (P1) higher than the porosity (P2) in composite center, some or all of the metal (M) is a metal oxide (M x O y), wherein the metal oxide (M x O y) is 20% to 60 by weight of M-Si % By weight based on the total weight of the negative electrode active material.

상기 금속(M)은 Al, Cu, Ni 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이며, 상기 M-Si 복합체의 평균입경은 10 내지 12μm인 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다. Wherein the metal (M) is at least one selected from the group consisting of Al, Cu, Ni and Zn, and the average particle diameter of the M-Si composite is 10 to 12 m. .

또한 상기 M-Si 복합체는 외면의 적어도 일부분에 탄소 코팅층, SiOx(0<x≤2) 코팅층을 더 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체를 제공한다.The M-Si composite further comprises a carbon coating layer and a SiO x (0 < x &lt; 2) coating layer on at least a part of an outer surface of the M-Si composite for an anode active material of a lithium secondary battery.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘계 리튬 이차 전지용 음극 활물질 제조방법을 통하여 다공성이며, 금속 산화물 코어를 갖는 M-Si 복합체를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an M-Si composite having porous and metal oxide cores can be provided through the method for manufacturing an anode active material for a silicon-based lithium secondary battery.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 M-Si 복합체는 금속이 대부분 금속산화물의 형태로 존재하여 더욱 안정한 구조 지지체를 형성하며, 수백회 이상의 충방전 시에도 용량 저하가 거의 없는 우수한 사이클 특성을 갖는다. In addition, the M-Si composite according to an embodiment of the present invention has excellent cycle characteristics, in which the metal exists mostly in the form of a metal oxide to form a more stable structure support and hardly causes a decrease in capacity even after charging / discharging several hundred times.

또한 금속이 산화물 형태로 M-Si 복합체의 중심부에 존재하기 때문에 구조 지지체 역할을 하여 안정한 구조의 M-Si 복합체를 음극 활물질로 사용함으로써 기존의 탄소계(372mAh/g) 상용제품보다 높은 용량을 가지며, 사이클 특성 및 용량 유지율 등 수명 특성이 우수한 리튬이차전지를 제공할 수 있다.In addition, since the metal is present in the center of the M-Si composite in the form of oxide, the M-Si composite serves as a structural support and has a higher capacity than the conventional carbon-based (372 mAh / g) , Cycle characteristics and capacity retention ratios, which are excellent in lifetime characteristics.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 M-Si 복합체는 탄소 코팅층을 더 포함하여 리튬의 삽입 및 탈리에 의해 M-Si 복합체의 부피가 변화하더라도, M-Si 복합체의 미분화를 효과적으로 방지 내지 완화할 수 있고, 전해질과의 부반응이 감소되어 비전도성 SEI(solid-electrolyte interface, 고체 전해질 경계면) 형성을 감소시킬 수 있다. 이로 인해 SEI 형성에 의해 비가역적으로 소모되는 리튬의 양을 감소시켜 쿨롱 효율을 효과적으로 개선할 수 있고, 수명 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.Also, the M-Si composite according to an embodiment of the present invention may further include a carbon coating layer to effectively prevent or alleviate the microfibrillation of the M-Si composite even if the volume of the M- , And the side reactions with the electrolyte are reduced to reduce the formation of non-conductive SEI (solid-electrolyte interface). As a result, the amount of lithium that is irreversibly consumed by the SEI formation can be reduced to effectively improve the Coulomb efficiency and effectively improve the lifetime characteristics.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 M-Si 복합체는 SiOx(0<x≤2) 코팅층을 더 포함하여 M-Si 복합체 표면에 딱딱한 얇은 코팅막이 형성됨으로 인해, 실리콘의 부피 팽창 방향이 활물질 중심부분으로 향하도록 함으로써, 부피팽창을 완화할 수 있다. 또한, 활물질 최외각 표면을 고정할 수 있어, 비표면적을 효과적으로 제어할 수 있다.The M-Si composite according to an embodiment of the present invention further includes a SiO x (0 < x? 2) coating layer to form a hard thin coating film on the M-Si composite surface, The volume expansion can be alleviated. Further, the outermost surface of the active material can be fixed, and the specific surface area can be effectively controlled.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 에칭으로 금속이 제거된 다공성의 Si의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 온도에 따른 M-Si 복합체 내의 성분을 분석한 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 산화 시간에 따른 M-Si 복합체 내의 성분을 분석한 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 반쪽 셀의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 반쪽 셀의 100회 사이클 증가에 따른 방전 용량을 측정한 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 반쪽 셀의 300회 사이클 증가에 따른 방전 용량을 측정한 것이다.
FIG. 1 is a SEM photograph of a porous Si having a metal removed by etching according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows XRD data obtained by analyzing components in an M-Si composite according to an oxidation temperature according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows XRD data obtained by analyzing components in an M-Si composite according to an oxidation time according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing charge-discharge characteristics of a half-cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating a discharge capacity measured in accordance with an increase in a cycle of 100 cycles of a half cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating a discharge capacity of a half-cell manufactured according to an embodiment of the present invention in accordance with an increase in the cycle of 300 cycles.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise stated.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, the word "comprise", "comprises", "comprising" means including a stated article, step or group of articles, and steps, , Step, or group of objects, or a group of steps.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
On the contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예인 리튬이차전지 음극 활물질용 M-Si 복합체의 제조방법은 실리콘(Si) 및 금속(M)을 포함하는 제1 M-Si 복합체 준비 단계, 제1 M-Si 복합체를 에칭시켜, 구멍들이 형성된 제2 M-Si 복합체를 얻는 에칭 단계 및 제2 M-Si 복합체를 산화시켜, 금속 산화물(MxOy) 코어를 갖는 제3 M-Si 복합체를 얻는 산화 단계를 포함한다. The present invention provides a method for producing an M-Si composite for a lithium secondary battery anode active material. A method of manufacturing an M-Si composite for an anode active material of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes preparing a first M-Si composite including silicon (Si) and metal (M) , An etching step to obtain a second M-Si composite with pores, and an oxidation step to oxidize the second M-Si composite to obtain a third M-Si composite having a metal oxide (M x O y ) core.

제1 M-Si 복합체 준비 단계는 전구체인 실리콘(Si) 분말 및 금속(M) 분말을 혼합하여 용융시킨 후 서냉시키는 공정 반응(Eutectic reaction)을 통해 제1 M-Si 복합체를 제조한다. 냉각 속도는 4 내지 6℃/min인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 5℃/min인 것이 좋다. In preparing the first M-Si composite, a first M-Si composite is prepared through an eutectic reaction in which silicon (Si) powder and metal (M) powder, which are precursors, are mixed and melted and then slowly cooled. The cooling rate is preferably 4 to 6 占 폚 / min. More preferably 5 [deg.] C / min.

제1 M-Si 복합체 준비 단계는 실리콘(Si) 분말 및 금속(M) 분말을 혼합하여 용융시킨 후 서냉시켜 실리콘(Si) 및 금속(M)을 1:14 내지 1:4의 중량비로 포함하는 제1 M-Si 복합체를 제조한다. 즉 제1 M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 실리콘(Si)을 4 내지 20 중량부 포함한다. 20 중량부 초과인 경우, 실리콘계인 음극 활물질의 부피 팽창 현상으로 인한 전지 성능의 급격한 저하를 일으키는 문제점이 있다. 상기 중량비를 만족하는 경우, 단위 질량당 용량이 높고, 사이클 특성이 우수하며, 다른 금속을 적정량 포함함으로써 전기 전도도 또한 우수한 리튬 이차 전지 음극 활물질용 M-Si 복합체를 제조할 수 있다. The first M-Si composite preparation step is a step of preparing the first M-Si composite by mixing and melting the silicon (Si) powder and the metal (M) powder, followed by gradual cooling to form silicon (Si) and metal (M) in a weight ratio of 1:14 to 1: A first M-Si composite is prepared. That is, 4 to 20 parts by weight of silicon (Si) relative to 100 parts by weight of the first M-Si composite. If the amount is more than 20 parts by weight, there is a problem that the battery performance is drastically lowered due to the volume expansion of the silicon-based negative electrode active material. When the weight ratio is satisfied, an M-Si composite for an anode active material of a lithium secondary battery having a high capacity per unit mass, excellent cycle characteristics, and excellent electrical conductivity can be produced by containing an appropriate amount of another metal.

바람직하게는 실리콘(Si) 분말 및 금속(M) 분말을 1:14 내지 1:6.7 중량비로 혼합하는 것이 좋다. 즉 제1 M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 실리콘(Si)을 4 내지 13 중량부 포함하는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 제1 M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 실리콘(Si)을 12 중량부 포함하는 것이 좋다. Preferably, the silicon (Si) powder and the metal (M) powder are mixed in a weight ratio of 1:14 to 1: 6.7. That is, 4 to 13 parts by weight of silicon (Si) relative to 100 parts by weight of the first M-Si composite. More preferably, 12 parts by weight of silicon (Si) is contained relative to 100 parts by weight of the first M-Si composite.

금속(M)은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이금속, 전이후 금속, 준금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속이며, 예를 들면, Al, Cu, Ni 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속을 사용한다. 반응성이 좋아 에칭되기 용이한 Al을 사용하는 것이 바람직하다.The metal (M) is at least one metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, transition metals, quasi metals and combinations thereof, Is used. It is preferable to use Al which is easy to be etched because of its good reactivity.

제1 M-Si 복합체의 평균입경은 10 내지 12μm이다. 이는 평균입경이 50μm인 실리콘 분말과 평균입경이 100μm인 금속 분말을 혼합하여 용융시킨 후 냉각 조건을 조절하여 얻을 수 있다.
The average particle diameter of the first M-Si composite is 10 to 12 占 퐉. This can be obtained by mixing and melting a silicon powder having an average particle diameter of 50 탆 and a metal powder having an average particle diameter of 100 탆 and adjusting the cooling conditions.

에칭단계는 본 발명에 의한 M-Si 복합체를 리튬이차전지의 음극 활물질로 사용하는 경우, 실리콘의 부피팽창을 흡수하는 공간의 발생으로 음극재 부피 팽창을 효율적으로 제어하여, 전지의 안전성 및 성능 저하 등의 사이클 수명이 저하되는 것을 막을 수 있다. In the etching step, when the M-Si composite according to the present invention is used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, the volume expansion of the negative electrode material is efficiently controlled by generating a space for absorbing the volume expansion of the silicon, It is possible to prevent the cycle life of the battery from decreasing.

에칭 단계는 제1 M-Si 복합체 내의 금속(M)를 에칭시켜, 세공들이 형성된 제2 M-Si 복합체를 얻는 것으로, 에칭액을 사용하여 일정 조건 하에서 에칭시키는 단계이다. 제1 M-Si 복합체의 표면부터 에칭되므로, 제2 M-Si 복합체의 표면에서의 금속 에칭에 의한 다공도(P1)는 제2 M-Si 복합체의 중심에서의 금속 에칭에 의한 다공도(P2)보다 높다. 여기서 다공도(P)는 다공체의 전 용적 중에서 세공이 점하는 용적의 비율을 의미한다. 따라서 금속이 에칭되어 형성된 세공들은 제2 M-Si 복합체의 표면에서 중심 방향으로 갈수록 감소하는 분포를 갖는다. The etching step is a step of etching the metal (M) in the first M-Si composite to obtain a second M-Si composite in which pores are formed, and etching under a predetermined condition using an etching solution. The porosity (P1) due to the metal etching at the surface of the second M-Si composite is less than the porosity (P2) due to the metal etching at the center of the second M-Si composite since the surface is etched from the surface of the first M- high. Here, the porosity (P) means the ratio of the volume of pores in the total volume of the porous body. Therefore, the pores formed by etching the metal have a distribution decreasing from the surface of the second M-Si composite toward the center.

에칭 단계는 상온 이하의 온도에서 이루어진다. 금속이 에칭액에서 반응할 때 폭발적으로 발열반응이 일어나므로 더욱 구체적으로는 5℃ 내지 25℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. The etching step is carried out at a temperature below room temperature. The exothermic reaction occurs explosively when the metal reacts in the etching solution, and more specifically, it is preferably performed at a temperature of 5 to 25 ° C.

상기 온도에서 에칭되는 경우 에칭 전 제1 M-Si 복합체에 포함된 일정량의 금속을 제거시키고, 실리콘이 제거되는 것을 막을 수 있다. 도 1은 에칭으로 금속이 제거되어 다공성을 갖는 Si의 SEM 사진을 나타낸 것이다. If it is etched at this temperature, it may remove a certain amount of metal contained in the first M-Si composite before etching and prevent silicon from being removed. FIG. 1 is a SEM photograph of Si having a porous structure by removing a metal by etching.

또한 에칭 단계는 10분 내지 60분 동안 이루어진다. 10분 미만인 경우 잔여 금속이 많이 남아있게 되어, 금속은 전지 충전·방전 시 용량 구현을 하지 않기 때문에 일정량을 초과하는 금속의 양만큼의 용량감소가 일어나는 문제점이 있고, 60분 초과인 경우 잔여 금속이 거의 남지 않게 되는 문제점이 있다.The etching step is also performed for 10 to 60 minutes. If less than 10 minutes, there is a large amount of residual metal, and since the capacity of the metal is not realized during charging and discharging of the battery, there is a problem that the capacity is reduced by an amount exceeding a certain amount of metal. There is a problem that it is hardly left.

10분 내지 60분 동안 에칭되는 경우, 제2 M-Si 복합체 내의 금속(M)은 전체 제2 M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부로 포함되며, 표면에서 중심 방향으로 갈수록 금속의 밀도가 증가한다. 30분 내지 60분 동안 에칭하여 금속(M)이 제2 M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.When etching is performed for 10 to 60 minutes, the metal (M) in the second M-Si composite is included in an amount of 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the entire second M-Si composite, Density increases. It is more preferable that the metal (M) is etched for 30 to 60 minutes to contain 10 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the second M-Si composite.

에칭액은 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 제이염화철(Fe2Cl), 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 불화수소(HF)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. The etching solution is phosphoric acid (H 3 PO 4), nitric acid (HNO 3), acetic acid (CH 3 COOH), hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4), J. ferric chloride (Fe 2 Cl), aqueous ammonia (NH 4 OH) , Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), hydrogen fluoride (HF), and the like.

예를 들어, 에칭액은 전체 에칭액 100 중량부에 대하여, 인산(H3PO4) 0 내지 85 중량부, 질산(HNO3) 0 내지 70 중량부, 아세트산(CH3COOH) 0 내지 30 중량부, 염산(HCl) 0 내지 90 중량부, 황산(H2SO4) 0 내지 50 중량부, 제이염화철(Fe2Cl) 0 내지 70 중량부, 암모니아수(NH4OH) 0 내지 90 중량부, 과산화수소(H2O2) 0 내지 90 중량부, 불화수소(HF) 0 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.For example, the etching solution may be prepared by adding 0 to 85 parts by weight of phosphoric acid (H 3 PO 4 ), 0 to 70 parts by weight of nitric acid (HNO 3 ), 0 to 30 parts by weight of acetic acid (CH 3 COOH) 0 to 90 parts by weight of hydrochloric acid (HCl), 0 to 50 parts by weight of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), 0 to 70 parts by weight of ferric chloride (Fe 2 Cl), 0 to 90 parts by weight of ammonia water (NH 4 OH) 0 to 90 parts by weight of hydrogen fluoride (H 2 O 2 ), and 0 to 30 parts by weight of hydrogen fluoride (HF).

에칭 단계 후에 반응 생성물 및 잔류하는 에칭액을 제거하기 위하여 세척단계 및 건조단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 세척단계는 물, 질산 수용액, 물, 알코올, 아세톤 또는 이들의 조합을 포함하는 용액에 제2 M-Si 복합체를 침지시키는 방법으로 수행할 수 있다. 또한 세척단계는 세척 용액을 바꾸어 가면서 1회 이상 수행할 수 있으며, 복수 회 세척하는 경우에는 세척 단계들 사이에 여과 및 건조하는 단계를 포함하여 수행할 수 있다. 또한 건조단계는 진공상태, 약 80℃ 내지 약 150℃의 온도에서 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.And may further include a washing step and a drying step to remove the reaction product and the remaining etching solution after the etching step. For example, the cleaning step may be performed by dipping the second M-Si complex in a solution comprising water, an aqueous nitric acid solution, water, alcohol, acetone, or a combination thereof. The washing step may be performed one or more times while changing the washing solution, and in the case of washing a plurality of times, filtering and drying may be performed between washing steps. The drying step can also be carried out under vacuum, at a temperature of from about 80 째 C to about 150 째 C, but is not limited thereto.

산화단계는 제2 M-Si 복합체 내의 금속의 일부 또는 전부를 산화시켜 금속 산화물(MxOy) 코어를 갖는 제3 M-Si 복합체를 얻는 단계이다. 에칭 단계를 통하여 제1 M-Si 복합체 중의 일정량의 금속이 표면부터 제거되므로 제2 M-Si 복합체의 중심에 대부분의 금속이 집중되어 있으며, 온도 조절을 통해 금속을 선택적으로 산화시켜 금속 산화물(MxOy) 코어를 형성할 수 있다.The oxidation step is a step of oxidizing part or all of the metal in the second M-Si composite to obtain a third M-Si composite having a metal oxide (M x O y ) core. Since a certain amount of metal in the first M-Si composite is removed from the surface through the etching step, most of the metal is concentrated at the center of the second M-Si composite, and the metal is selectively oxidized through temperature control to form the metal oxide M x O y ) cores.

산화 단계는 제2 M-Si 복합체에서 실리콘(Si)을 제외한 금속(M)만을 산화시켜 금속 산화물(MxOy) 코어를 형성시킨다. 일부의 금속이 산화되어 일부는 금속으로, 나머지 일부는 금속 산화물로 존재할 수 있다. 더욱 바람직하게는 대부분의 금속(M)이 산화되어 제3 M-Si 복합체 내에는 금속이 거의 존재하지 않고 금속 산화물이 대부분을 차지하는 구조가 더욱 안정한 구조로 좋다. The oxidation step oxidizes only the metal (M) except for the silicon (Si) in the second M-Si composite to form a metal oxide (M x O y ) core. Some metals may be oxidized, some as metals, and some as metal oxides. More preferably, the structure in which most of the metal (M) is oxidized so that the metal is hardly present in the third M-Si composite and the metal oxide occupies most of the structure is more stable.

산화 단계는 산소(O2) 및 수증기(H2O) 하에서 산화시키는 습식 산화(wet oxidation)를 이용한다. The oxidation step utilizes wet oxidation which oxidizes under oxygen (O 2 ) and water vapor (H 2 O).

또한 산화 단계는 740 내지 760℃의 온도에서 이루어진다. 740℃ 미만인 경우 충분한 산화가 일어나지 않는 문제점이 있고, 760℃ 초과인 경우 금속뿐만 아니라, 실리콘도 함께 산화되어 SiO2를 형성하여 리튬이차전지의 음극 활물질로 사용할 수 없는 문제점이 있다. 더욱 바람직하게는 750℃인 것이 좋다. The oxidation step is also carried out at a temperature of 740 to 760 ° C. If less than 740 ℃ and do not have sufficient oxidation problems occur, when the metal, as well as more than 760 ℃, silicon is also oxidized with, there is a problem that can not be used as the negative electrode active material of the lithium secondary battery to form the SiO 2. More preferably 750 ° C.

또한 산화 단계는 10 내지 30분 동안 이루어진다. 10 내지 30분 동안 산화되는 경우 Si의 산화를 최소화하면서도 금속을 대부분 산화시킬 수 있다. 더욱 바람직하게는 10분인 것이 좋다. The oxidation step is also carried out for 10 to 30 minutes. When oxidized for 10 to 30 minutes, most of the metal can be oxidized while minimizing the oxidation of Si. More preferably 10 minutes.

금속 산화물(MxOy)은 제3 M-Si 복합체 중량의 20 내지 60 %로 포함되며, 제3 M-Si 복합체의 중심부에 존재하기 때문에 구조 지지체 역할을 하여 안정한 구조의 제3 M-Si 복합체를 음극 활물질로 사용함으로써 사이클 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.The metal oxide (M x O y ) is contained in 20 to 60% of the weight of the third M-Si composite. Since the metal oxide is present in the center of the third M-Si composite, By using the composite as an anode active material, it is possible to provide a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics.

산화단계 후에 제3 M-Si 복합체의 세척단계 및 건조단계를 포함하여 M-Si 복합체 분말을 얻을 수 있다. 예를 들면, 세척단계는 물, 질산 수용액, 물, 알코올, 아세톤 또는 이들의 조합을 포함하는 용액에 제2 M-Si 복합체를 침지시키는 방법으로 수행할 수 있다. 또한 세척단계는 세척 용액을 바꾸어 가면서 1회 이상 수행할 수 있으며, 복수 회 세척하는 경우에는 세척 단계들 사이에 여과 및 건조하는 단계를 포함하여 수행할 수 있다. 또한 건조단계는 진공상태, 약 80℃ 내지 약 150℃의 온도에서 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.After the oxidation step, the M-Si composite powder may be obtained including the washing step and the drying step of the third M-Si composite. For example, the cleaning step may be performed by dipping the second M-Si complex in a solution comprising water, an aqueous nitric acid solution, water, alcohol, acetone, or a combination thereof. The washing step may be performed one or more times while changing the washing solution, and in the case of washing a plurality of times, filtering and drying may be performed between washing steps. The drying step can also be carried out under vacuum, at a temperature of from about 80 째 C to about 150 째 C, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 M-Si 복합체의 평균입도는 10 내지 12um 이며, 더욱 바람직하게는 11.78μm인 것이 좋다.
The average particle size of the M-Si composite prepared by one embodiment of the present invention is preferably 10 to 12 um, more preferably 11.78 占 퐉.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극 활물질 제조방법은 리튬 이차 전지의 용량 특성 및 사이클 특성을 개선하기 위하여 제3 M-Si 복합체 분말에 탄소를 코팅하는 제1 코팅단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention further includes a first coating step of coating carbon on the third M-Si composite powder to improve the capacity and cycle characteristics of the lithium secondary battery can do.

예를 들면, 탄소코팅단계는 고온 및 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서, 탄화수소 기체를 흘려보냄으로써 수행할 수 있다. 여기서, 탄화수소 기체로서는 아세틸렌 기체, 에틸렌 기체 또는 이들의 조합을 사용할 수 있고, 상기 불활성 분위기로는 아르곤 분위기를 사용할 수 있으며, 상기 고온은 약 400℃ 내지 약 900℃의 온도를 의미할 수 있다. 그러나 상기 탄소로 코팅하는 단계는 이에 한정되는 것이 아니고, 다른 방법 및 다른 물질을 사용하여 수행할 수 있다.For example, the carbon coating step can be carried out by flowing hydrocarbon gas in a high temperature and inert atmosphere or in a vacuum atmosphere. As the hydrocarbon gas, acetylene gas, ethylene gas or a combination thereof may be used. In the inert atmosphere, an argon atmosphere may be used, and the high temperature may mean a temperature of about 400 ° C to about 900 ° C. However, the step of coating with carbon is not limited to this, and can be carried out using other methods and other materials.

예를 들어, 탄소 공급원으로서 수크로오스(sucrose), 글루코오스(glucose), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 콜로이드 탄소(colloidal carbon), 시트르산(citric acid), 타타르산(tartaric acid), 글리콜산(glycolic acid), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 아디프산(adipic acid), 글리신(glycine) 또는 이들의 조합을 사용하여, 탄소화(carbonization) 방법, 분무 열분해(spray pyrolysis) 방법, 층상 자기조립(layer by layer assembly) 방법, 딥코팅(dip coating) 방법 또는 이들의 조합에 따라 탄소 코팅을 수행할 수도 있다.For example, the carbon source may include sucrose, glucose, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, colloidal carbon, (For example, by using carbonic acid, citric acid, tartaric acid, glycolic acid, polyacrylic acid, adipic acid, glycine or a combination thereof) Carbon coating may be performed according to a carbonization method, a spray pyrolysis method, a layer by layer assembly method, a dip coating method, or a combination thereof.

탄소 코팅된 제3 M-Si 복합체 분말 내 탄소의 함량은, 제3 M-Si 복합체 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 중량부 일 수 있다. 탄소 코팅된 제3 M-Si 복합체 분말 내 탄소 함량이 상기 범위 내인 경우, 리튬의 삽입 및 탈리에 의해 탄소 코팅된 제3 M-Si 복합체 분말의 부피가 변화하더라도, 탄소 코팅된 제3 M-Si 복합체 분말의 미분화를 효과적으로 방지 내지 완화할 수 있고, 전해질과의 부반응이 감소되어 비전도성 SEI(solid-electrolyte interface) 형성을 감소시킬 수 있다. 이로 인해 SEI 형성에 의해 비가역적으로 소모되는 리튬의 양을 감소시켜 쿨롱 효율을 효과적으로 개선할 수 있고, 수명 특성을 효과적으로 개선할 수 있다. The content of carbon in the carbon-coated third M-Si composite powder may be 1 to 50 parts by weight, more preferably 10 to 25 parts by weight, based on 100 parts by weight of the third M-Si composite. When the carbon content in the carbon-coated third M-Si composite powder is within the above range, even if the volume of the carbon-coated third M-Si composite powder is changed by insertion and desorption of lithium, the carbon-coated third M- It is possible to effectively prevent or alleviate the undifferentiation of the composite powder and reduce the side reaction with the electrolyte, thereby reducing non-conductive solid-electrolyte interface (SEI) formation. As a result, the amount of lithium that is irreversibly consumed by the SEI formation can be reduced to effectively improve the Coulomb efficiency and effectively improve the lifetime characteristics.

일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질 제조 방법은 제3 M-Si 복합체 분말에 SiOx(0<x≤2)를 코팅하는 제2 코팅단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment may further include a second coating step of coating SiOx (0 < x? 2) on a third M-Si composite powder.

제3 M-Si 복합체 분말에 SiOx(0<x≤2)를 코팅함으로써, 분말 표면에 딱딱한 얇은 코팅막이 형성됨으로 인해, 실리콘의 부피 팽창 방향이 활물질 중심부분으로 향하도록 함으로써, 부피팽창을 완화할 수 있다. 또한, 활물질 최외각 표면을 고정할 수 있어, 비표면적을 효과적으로 제어할 수 있다.By coating the third M-Si composite powder with SiOx (0 < x &lt; = 2), a solid thin coating film is formed on the powder surface so that the volume expansion direction of silicon is directed toward the active material center portion, . Further, the outermost surface of the active material can be fixed, and the specific surface area can be effectively controlled.

SiOx(0<x≤2)가 코팅된 제3 M-Si 복합체 분말 내 SiOx(0<x≤2)의 함량은, M-Si 복합체 분말 100 중량부에 대해 0.001 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 8 중량부 일 수 있다. SiOx(0<x≤2) 함량이 상기 범위 내인 경우, 상기 SiOx(0<x≤2) 코팅막의 두께는 1nm 내지 100nm 일 수 있다. 이 경우 실리콘의 부피 팽창 방향을 활물질 중심 방향으로 향하게 할 수 있어, 부피 팽창을 완화시키는 효과가 있으며, 비표면적을 표과적으로 제어할 수 있다.The content of SiOx (0 < x? 2) in the third M-Si composite powder coated with SiOx (0 <x? 2) is 0.001 to 10 parts by weight, May be 0.1 to 8 parts by weight. When the content of SiOx (0 <x? 2) is within the above range, the thickness of the SiOx (0 <x? 2) coating film may be 1 nm to 100 nm. In this case, the volume expansion direction of the silicon can be directed toward the center of the active material, thereby relaxing the volume expansion and controlling the specific surface area.

한편, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 상기 SiOx(0<x≤2)가 코팅된 제3 M-Si 복합체 분말 상에 탄소를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 탄소를 코팅하는 단계는 전술한 바와 같다.
Meanwhile, the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment may further include coating carbon on the third M-Si composite powder coated with SiOx (0 <x? 2). The step of coating the carbon is as described above.

본 발명의 다른 일 측면에 있어서, 본 발명의 음극 활물질 제조방법에 따라 제조된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다. In another aspect of the present invention, there is provided an anode active material for a lithium secondary battery produced by the method for manufacturing a negative active material of the present invention.

본 발명의 일 실시예인 리튬이차전지용 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로서 본 발명의 음극 활물질 제조방법에 따라 제조된 M-Si 복합체를 포함한다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention is a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, and includes an M-Si composite prepared according to the negative active material manufacturing method of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 M-Si 복합체는 실리콘(Si) 및 금속(금속산화물을 포함한다)을 포함한다. M-Si 복합체는 M-Si 복합체 표면에서의 다공도(P1)가 상기 M-Si 복합체 중심에서의 다공도(P2)보다 높다. 여기서 다공도(P)는 다공체의 전 용적 중에서 세공이 점하는 용적의 비율을 의미한다. The M-Si composites according to an embodiment of the present invention include silicon (Si) and metals (including metal oxides). In the M-Si composite, the porosity (P1) on the surface of the M-Si composite is higher than the porosity (P2) in the center of the M-Si composite. Here, the porosity (P) means the ratio of the volume of pores in the total volume of the porous body.

금속(M)의 일부 또는 전부는 금속 산화물(MxOy)이고, 금속 산화물(MxOy)은 M-Si 복합체 중량의 20% 내지 60%로 포함되며 M-Si 복합체의 중심부에 존재한다.Metal (M), some or all of the metal oxide (M x O y), and metal oxide (M x O y) of is contained in 20% to 60% by weight of M-Si composite material present in the central portion of M-Si composite do.

금속산화물 코어는 더욱 안정한 구조 지지체 역할을 함으로써, 본 발명의 일실시예에 따른 M-Si 복합체는 수백회 이상의 충방전 시에도 용량 저하가 거의 없는 우수한 사이클 특성을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질로 사용될 수 있다.Since the metal oxide core serves as a more stable structure support, the M-Si composite according to one embodiment of the present invention can be used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics with almost no capacity drop even during charge / have.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 M-Si 복합체의 평균입도는 10 내지 12um 이며, 더욱 바람직하게는 11.78μm인 것이 좋다.The average particle size of the M-Si composite according to an exemplary embodiment of the present invention is preferably 10 to 12 um, more preferably 11.78 占 퐉.

또한 본 발명의 또 다른 일 실시예인 M-Si 복합체는 외면의 적어도 일부분에 탄소 코팅층 또는 SiOx(0<x≤2) 코팅층을 더 포함할 수 있다. Further, the M-Si composite according to another embodiment of the present invention may further include a carbon coating layer or SiOx (0 < x? 2) coating layer on at least a part of the outer surface.

탄소 코팅층을 더 포함하는 경우, M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 탄소를 1 내지 50 중량부를 포함하며, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 중량부 포함한다. 탄소 함량이 상기 범위 내인 경우, 리튬의 삽입 및 탈리에 의해 탄소 코팅된 M-Si 복합체의 부피가 변화하더라도, M-Si 복합체의 미분화를 효과적으로 방지 내지 완화할 수 있고, 전해질과의 부반응이 감소되어 비전도성 SEI(solid-electrolyte interface) 형성을 감소시킬 수 있다. 이로 인해 SEI 형성에 의해 비가역적으로 소모되는 리튬의 양을 감소시켜 쿨롱 효율을 효과적으로 개선할 수 있고, 수명 특성을 효과적으로 개선할 수 있다. When the carbon coating layer is further included, it contains 1 to 50 parts by weight, more preferably 10 to 25 parts by weight, of carbon with respect to 100 parts by weight of the M-Si composite. When the carbon content is within the above range, pulverization of the M-Si composite can be effectively prevented or alleviated even when the volume of the M-Si composite coated with carbon is changed by insertion and desorption of lithium, and the side reaction with the electrolyte is reduced Can reduce non-conductive solid-electrolyte interface (SEI) formation. As a result, the amount of lithium that is irreversibly consumed by the SEI formation can be reduced to effectively improve the Coulomb efficiency and effectively improve the lifetime characteristics.

또한 SiOx(0<x≤2) 코팅층을 더 포함하는 경우, M-Si 복합체 100 중량부에 대하여 0.001 내지 10 중량부, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 8 중량부를 포함한다. SiOx(0<x≤2) 함량이 상기 범위 내인 경우, 상기 SiOx(0<x≤2) 코팅막의 두께는 1nm 내지 100nm 일 수 있다. 이 경우 M-Si 복합체 표면에 딱딱한 얇은 코팅막이 형성됨으로 인해, 실리콘의 부피 팽창 방향이 활물질 중심부분으로 향하도록 함으로써, 부피팽창을 완화할 수 있다. 또한, 활물질 최외각 표면을 고정할 수 있어, 비표면적을 효과적으로 제어할 수 있다.In the case of further including a SiO x (0 < x? 2) coating layer, 0.001 to 10 parts by weight, more preferably 0.1 to 8 parts by weight, based on 100 parts by weight of the M-Si composite is included. When the content of SiOx (0 <x? 2) is within the above range, the thickness of the SiOx (0 <x? 2) coating film may be 1 nm to 100 nm. In this case, since the hard thin coating film is formed on the surface of the M-Si composite, volume expansion of the silicon is directed toward the center of the active material, thereby alleviating the volume expansion. Further, the outermost surface of the active material can be fixed, and the specific surface area can be effectively controlled.

본 발명은 금속 산화물(MxOy) 코어를 갖는 다공성의 M-Si 복합체를 음극 활물질로 사용하여 기존의 탄소계(372mAh/g) 상용제품보다 높은 용량을 가지며, 사이클 특성 및 용량 유지율 등 수명 특성이 우수한 리튬이차전지를 제공한다.
The present invention uses a porous M-Si composite having a metal oxide (M x O y ) core as a negative electrode active material and has a higher capacity than conventional carbon-based (372 mAh / g) commercial products, Thereby providing a lithium secondary battery excellent in characteristics.

본 발명의 또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명의 리튬이차전지용 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극 및 전해질을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다. 본 발명의 일 실시예인 리튬이차전지는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 더 구비할 수 있다.In another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery comprising a negative electrode including a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a positive electrode including the positive electrode active material, and an electrolyte. The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include a separator between the anode and the cathode.

리튬이차전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지일 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형일 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입일 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
The lithium secondary battery may be a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery depending on the type of the separator and the electrolyte used. The lithium secondary battery may be cylindrical, square, coin or pouch type. It may be a thin film type. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예 일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following embodiments are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.

실시예Example

실시예 1Example 1

평균입경이 10 ㎛인 Al-Si 결정 복합체(AlySiz, 80≤y≤90, 10≤z≤20) 3g을 인산 73 중량%, 질산 3 중량%, 아세트산 3 중량% 및 증류수 21 중량%가 혼합된 에칭액에 첨가한 후, 상온에서 30분 동안 교반하여, 일정량의 알루미늄(Al)이 제거된 다공성의 제1 Al-Si 복합체를 제조하였다. 이 후, 과량의 물을 사용하여 제1 Al-Si 복합체를 3회 세척한 후, 80℃의 오븐에서 건조하였다.3 g of phosphoric acid, 3 wt% of nitric acid, 3 wt% of acetic acid and 21 wt% of distilled water were added to 3 g of an Al-Si crystal composite (Al y Si z , 80? Y? 90, 10? Z? Was added to the mixed etching solution, and then stirred at room temperature for 30 minutes to prepare a porous first Al-Si composite in which a predetermined amount of aluminum (Al) was removed. Thereafter, the first Al-Si composite was washed three times using an excessive amount of water, and then dried in an oven at 80 캜.

산소 및 수증기 하에서 제1 Al-Si 복합체를 750℃에서 10분 동안 습식 산화시켜 알루미나(Al2O3) 코어를 갖는 제2 Al-Si 복합체를 얻었다.An Al-Si composite material of claim 1 in an oxygen and water vapor at 750 ℃ for 10 minutes by a wet oxidation an alumina (Al 2 O 3) to obtain a Si-Al composite of claim 2 having a core.

다음으로, 제2 Al-Si 복합체에 아세틸렌가스를 700℃에서 10분 동안 흘려보내면서, 제2 Al-Si 복합체 표면에 탄소 코팅층을 형성하였다. 이후, 이를 리튬 이차 전지용 음극 활물질로 사용하였다.Next, a carbon coating layer was formed on the surface of the second Al-Si composite while flowing acetylene gas at 700 캜 for 10 minutes into the second Al-Si composite. Thereafter, this was used as an anode active material for a lithium secondary battery.

실시예 2 내지 실시예 4 Examples 2 to 4

산화 시간을 20분, 30분, 60분으로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이차전지용 음극 활물질로 사용되는 산화된 M-Si 복합체를 얻었다.Oxidized M-Si composite used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1, except that the oxidation time was 20 minutes, 30 minutes, and 60 minutes.

실시예 5 내지 실시예 8Examples 5 to 8

산화 온도를 700, 740, 760, 790℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이차전지용 음극 활물질로 사용되는 산화된 M-Si 복합체를 얻었다.
An oxidized M-Si composite used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the oxidation temperature was 700, 740, 760, 790 캜.

비교예 1Comparative Example 1

평균입경이 10 ㎛인 Al-Si 결정 복합체(AlySiz, 80≤y≤90, 10≤z≤20) 3g을 인산 73 중량%, 질산 3 중량%, 아세트산 3 중량% 및 증류수 21 중량%가 혼합된 에칭액에 첨가한 후, 상온에서 90분 동안 교반하여, 일정량의 알루미늄(Al)이 제거된 다공성의 제1 Al-Si 복합체를 제조하였다. 이 후, 과량의 물을 사용하여 상기 알루미늄-실리콘 분말을 3회 세척한 후, 80℃의 오븐에서 건조하였다.3 g of phosphoric acid, 3 wt% of nitric acid, 3 wt% of acetic acid and 21 wt% of distilled water were added to 3 g of an Al-Si crystal composite (Al y Si z , 80? Y? 90, 10? Z? Was added to the mixed etching solution and stirred at room temperature for 90 minutes to prepare a porous first Al-Si composite in which a predetermined amount of aluminum (Al) was removed. Thereafter, the aluminum-silicon powder was washed three times using an excessive amount of water, and then dried in an oven at 80 캜.

비교예 2Comparative Example 2

30분 동안 에칭한 것 이외에는 비교예 1과 동일한 방법으로 리튬이차전지용 음극 활물질로 사용되는 M-Si 제2 복합체를 얻었다.The second M-Si composite used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the negative electrode active material was etched for 30 minutes.

에칭 시간
(min)
Etching time
(min)
산화Oxidation
온도()Temperature() 시간(min)Time (min) 실시예 1Example 1 3030 750750 1010 실시예 2Example 2 3030 750750 2020 실시예 3Example 3 3030 750750 3030 실시예 4Example 4 3030 750750 6060 실시예 5Example 5 3030 700700 6060 실시예 6Example 6 3030 740740 6060 실시예 7Example 7 3030 760760 6060 실시예 8Example 8 3030 790790 6060 비교예 1Comparative Example 1 9090 -- -- 비교예 2Comparative Example 2 3030 -- --

실험예Experimental Example

(1) XRD 및 EDS를 통한 성분 분석(1) Analysis of components by XRD and EDS

본 발명의 일 실시예에 의한 음극 활물질을 입사 X선의 각도(θ)를 연속적으로 변화시키면서 회절 X선의 강도를 기록하여, M-Si 복합체 내의 성분을 분석한 XRD 데이터를 도 2 및 도 3에 나타내었다. 또한 표 2에 EDS 데이터를 나타내었다.
XRD data obtained by analyzing the components in the M-Si composite by recording the intensity of the diffracted X-ray while varying the angle (?) Of the incident X-ray continuously according to the embodiment of the present invention is shown in FIGS. 2 and 3 . Table 2 shows the EDS data.

OO AlAl SiSi 실시예 3Example 3 Wt%Wt% 48.4948.49 14.4814.48 37.0337.03 At%At% 62.0362.03 10.9810.98 26.9926.99 비교예 1Comparative Example 1 Wt%Wt% 17.7117.71 4.374.37 77.9277.92 At%At% 27.3827.38 4.004.00 68.6168.61 비교예 2Comparative Example 2 Wt%Wt% 6.506.50 22.9822.98 70.5270.52 At%At% 70.7870.78 22.6022.60 66.6266.62

표 2에 나타나는 것과 같이 90분 동안 에칭한 비교예 1의 경우 Al의 함량은 약 4 wt%이고, 30분 동안 에칭한 비교예 2의 경우 Al의 함량은 약 20%이며, 30분 동안 에칭 후 습식 산화시킨 실시예 3의 경우 Al의 함량이 감소하고 O의 함량이 증가한 것으로 볼 때, 산화알루미늄(Al2O3)이 형성된 것을 알 수 있다.
As shown in Table 2, the content of Al was about 4 wt% in the case of Comparative Example 1 which was etched for 90 minutes, the content of Al was about 20% in the case of Comparative Example 2 which was etched for 30 minutes, It can be seen that aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was formed in Example 3 in which wet oxidation was performed, considering that the content of Al was decreased and the content of O was increased.

(2) 충방전 특성 및 사이클 특성(2) Charge-discharge characteristics and cycle characteristics

실시예 및 비교예에 따른 음극 활물질 60 중량%, 도전재(Super P carbon black) 20 중량%, 바인더(PAA/CMC, wt/wt = 1/1) 20 중량%를 물에 분산시켜 음극 슬러리를 제조한 후 20 ㎛의 구리 호일 위에 상기 음극 슬러리를 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다. 20 wt% of a binder (PAA / CMC, wt / wt = 1/1) was dispersed in water in an amount of 60 wt% of an anode active material according to Examples and Comparative Examples, a conductive material (Super P carbon black) The negative electrode slurry was coated on a 20 탆 copper foil, followed by drying and rolling to prepare a negative electrode.

대극으로 리튬 금속을 사용하고, 상기 음극과 대극의 중간에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 개재한 후, 1.3M의 LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디메틸카보네이트(DMC)의 혼합 용매(3:7의 부피비)를 사용한 전해액을 주입하여 코인 반쪽 셀(CR2016 coin half-cell)을 제조하였다.A mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (having a volume ratio of 3: 7) dissolved in 1.3M of LiPF 6 was used as the counter electrode, and lithium metal was used as a counter electrode and a polyethylene separator was interposed between the negative electrode and the counter electrode. ) Was injected to prepare a coin half-cell (CR2016 coin half-cell).

제조한 반쪽 셀을 0.01 V 내지 3.0 V에서 0.05 C-rate로 1회 충방전을 실시하여, 초기 충전 용량, 초기 방전 용량 및 쿨롱 효율을 측정하여, 그 결과를 표 3 및 도 4에 나타내었다. 또한 100회, 300회 충방전을 실시하면서 방전용량을 측정한 결과를 도 5, 6에 나타내었다.
The prepared half cells were charged and discharged once at a rate of 0.05 C at a rate of 0.01 V to 3.0 V to measure an initial charge capacity, an initial discharge capacity and a coulombic efficiency. The results are shown in Table 3 and FIG. The discharge capacity was measured while performing 100 times and 300 times of charging / discharging, and the results are shown in FIGS. 5 and 6. FIG.

Charge
(mAh/g)
Charge
(mAh / g)
Discharge
(mAh/g)
Discharge
(mAh / g)
I.C.E
(%)
ICE
(%)
실시예 1Example 1 14261426 12121212 8585 실시예 2Example 2 13201320 10991099 83.283.2 실시예 3Example 3 752752 605605 80.580.5 비교예 1Comparative Example 1 27302730 23992399 87.987.9 비교예 2Comparative Example 2 23062306 19531953 84.784.7

표 3 및 도 3 내지 도 6에 나타나는 것과 같이 실시예 1, 2, 3의 경우가 비교예 1, 2와 비교하여 용량은 적지만, 사이클 100회, 300회 충방전 시에도 용량 저하가 거의 없는 것을 알 수 있다. 이는 산화단계를 통해 금속 산화물 코어가 형성되어 안정한 구조의 M-Si 복합체를 제공함으로써 이를 음극 활물질로 사용한 리튬이차전지가 안정한 사이클 특성을 나타냄을 유추할 수 있다.
As shown in Table 3 and FIG. 3 to FIG. 6, the capacities of Examples 1, 2 and 3 are smaller than those of Comparative Examples 1 and 2, but the capacity is hardly decreased even when 100 cycles and 300 cycles of charge / . It can be deduced that the lithium secondary battery using the M-Si composite as a negative electrode active material exhibits a stable cycle characteristic by forming a metal oxide core through the oxidation step to provide a stable M-Si composite.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The features, structures, effects, and the like illustrated in the above-described embodiments can be combined and modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

Claims (15)

실리콘(Si) 및 알루미늄(Al)을 1:14 내지 1:4의 중량비로 포함하는 제1 Al-Si 복합체 준비 단계;
상기 제1 Al-Si 복합체 내의 알루미늄(Al)을 표면에서부터 에칭시켜, 상기 제1 Al-Si 복합체의 표면에서 상기 알루미늄 에칭에 의한 다공도(P1)가 상기 제1 Al-Si 복합체의 중심에서 상기 알루미늄 에칭에 의한 다공도(P2)보다 높은 제2 Al-Si 복합체를 얻는 에칭 단계;
상기 제2 Al-Si 복합체 내의 알루미늄(Al)의 일부 또는 전부를 740 내지 760℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 산화시켜, 알루미늄 산화물(AlxOy) 코어를 갖는 제3 Al-Si 복합체를 얻는 산화 단계; 및
상기 제3 Al-Si 복합체 분말에 SiOx(0<x≤2)를 코팅하는 제2 코팅단계;를 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체의 제조방법.
A first Al-Si composite preparation step comprising silicon (Si) and aluminum (Al) in a weight ratio of 1:14 to 1: 4;
Wherein the aluminum (Al) in the first Al-Si composite is etched from the surface so that a porosity (P1) by the aluminum etching on the surface of the first Al- An etching step of obtaining a second Al-Si composite higher than the porosity (P2) by etching;
A part or the whole of aluminum (Al) in the second Al-Si composite is oxidized at a temperature of 740 to 760 캜 for 10 to 30 minutes to form a third Al-Si composite having an aluminum oxide (Al x O y ) An oxidation step to be obtained; And
And a second coating step of coating SiO x (0 <x? 2) on the third Al-Si composite powder.
제1항에 있어서,
상기 제1 Al-Si 복합체 준비 단계는 실리콘(Si) 분말 및 알루미늄(Al) 분말을 혼합하여 용융시킨 후 서냉시켜 제1 Al-Si 복합체를 제조하는 단계인 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first Al-Si composite preparation step is a step of mixing a silicon (Si) powder and an aluminum (Al) powder to melt and then slowly cooling to form a first Al-Si composite, which is an Al-Si composite for a lithium secondary battery anode active material &Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 에칭 단계는 에칭액을 이용하여 5℃ 내지 25℃의 온도에서 10분 내지 60분 동안 상기 제1 Al-Si 복합체의 알루미늄(Al)을 에칭시키는 단계인 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the etching step comprises etching the aluminum (Al) of the first Al-Si composite at a temperature of 5 캜 to 25 캜 for 10 minutes to 60 minutes using an etchant, wherein the Al-Si composite for a lithium secondary battery anode active material Gt;
제4항에 있어서,
상기 에칭액은 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 제이염화철(Fe2Cl), 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 불화수소(HF)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The etching solution is phosphoric acid (H 3 PO 4), nitric acid (HNO 3), acetic acid (CH 3 COOH), hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4), J. ferric chloride (Fe 2 Cl), aqueous ammonia (NH 4 OH ), Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and hydrogen fluoride (HF). The method for producing an Al-Si composite for a lithium secondary battery anode active material according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 산화단계는 상기 제2 Al-Si 복합체를 산소(O2) 및 수증기(H2O) 하에서 산화시키는 단계인 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidizing is a step of oxidizing the second Al-Si composite under oxygen (O 2 ) and water vapor (H 2 O).
삭제delete 삭제delete 제6항에 있어서,
상기 산화 단계 후에 상기 제3 Al-Si 복합체의 표면에 탄소를 코팅하는 제1 코팅 단계를 더 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Further comprising a first coating step of coating carbon on the surface of the third Al-Si composite after the oxidation step.
삭제delete 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al)을 포함하고, 알루미늄 산화물(AlxOy) 코어를 갖는 Al-Si 복합체이며,
상기 Al-Si 복합체 표면에서의 다공도(P1)가 상기 Al-Si 복합체 중심에서의 다공도(P2)보다 높고,
상기 알루미늄(Al)의 일부 또는 전부는 알루미늄 산화물(AlxOy)이고,
상기 알루미늄 산화물(AlxOy)은 상기 Al-Si 복합체 중량의 20% 내지 60%로 코어에 포함되며,
상기 Al-Si 복합체는 외면의 적어도 일부분에 SiOx(0<x≤2) 코팅층을 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체.
An Al-Si composite including silicon (Si) and aluminum (Al) and having an aluminum oxide (Al x O y ) core,
The porosity (P1) at the surface of the Al-Si composite is higher than the porosity (P2) at the center of the Al-Si composite,
Part or all of the aluminum (Al) is aluminum oxide (Al x O y )
The aluminum oxide (Al x O y ) is included in the core at 20% to 60% of the weight of the Al-Si composite,
Wherein the Al-Si composite includes an SiO x (0 < x? 2) coating layer on at least a part of an outer surface thereof.
삭제delete 제11항에 있어서,
상기 Al-Si 복합체의 평균입경은 10 내지 12μm인 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체.
12. The method of claim 11,
Wherein the Al-Si composite has an average particle diameter of 10 to 12 占 퐉.
제11항 또는 제13항에 있어서,
상기 Al-Si 복합체는 외면의 적어도 일부분에 탄소 코팅층을 더 포함하는 리튬이차전지 음극 활물질용 Al-Si 복합체.
14. The method according to claim 11 or 13,
Wherein the Al-Si composite further comprises a carbon coating layer on at least a part of an outer surface of the Al-Si composite.
삭제delete
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