KR101729001B1 - Negative active material for lithium secondary battery, preparing method thereof and lithium secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Fe 원소를 포함하는 천연흑연계 입상소재의 표면에 난흑연화성 탄소를 형성시킴으로써, 낮은 온도에서 소성공정이 가능하여 공정비용을 절감할 수 있으며, 초기 충방전 효율 등의 전지 특성을 향상시킨 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the same. More particularly, the present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which can reduce a process cost by performing a sintering process and improve cell characteristics such as initial charge / discharge efficiency, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery using the same.

Description

리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬이차전지{Negative active material for lithium secondary battery, preparing method thereof and lithium secondary battery using the same} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Fe 원소를 포함하는 천연흑연계 입상소재의 표면에 난흑연화성 탄소를 형성시킴으로써, 낮은 온도에서 소성공정이 가능하여 공정비용을 절감할 수 있으며, 초기 충방전 효율 등의 전지 특성을 향상시킨 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the same. More particularly, the present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which can reduce a process cost by performing a sintering process and improve cell characteristics such as initial charge / discharge efficiency, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery using the same.

최근 리튬이차전지는 친환경 그린카에 대한 관심과 수요가 높아지고 있는 가운데 전기모터로 구동되는 전기자동차의 전원으로 각광 받고 있다. 또한, 에너지 저장장치로도 사용되고 있으며, 이들은 기존의 소형 전자기기용 전지에 비하여 크기가 크고 수요량이 증대되고 있는 실정이다. 뿐 만 아니라, 소형 전자기기분야에서도 스마트폰, 태블릿 PC 및 울트라북 등의 전자기기의 기술발전에 힘입어 꾸준히 활용도가 점점 넓어지고 있다. In recent years, lithium-ion secondary batteries have attracted attention as a power source for electric motors powered by electric motors, while the interest and demand for environmentally friendly green cars are increasing. In addition, they are also used as energy storage devices, and they are larger in size than the existing batteries for small-sized electronic devices, and their demand is increasing. In addition, in the field of small-sized electronic devices, utilization is gradually widening due to technological development of electronic devices such as smart phones, tablet PCs, and Ultrabooks.

최근 리튬이차전지의 사용 분야가 점점 넓어지고 있으며, 규격이 대형화되는 추세에 따라 기존의 리튬 이차전지용 소재에 비해 더 높은 가격경쟁력이 요구되고 있다. 현재 리튬이차전지용 음극활물질의 대부분은 흑연계 활물질로 이루어져 있으며, 전지의 사이즈가 대형화되는 추세에 따라 전지의 가격 경쟁력이 상업적으로 중요한 요소가 되면서 전지용 소재도 가격 경쟁력이 중요하게 되었다. 따라서, 음극 활물질은 흑연계 중에서도 가격 경쟁력이 있는 천연 흑연계 활물질의 점유율이 점점 높아지고 있는 추세이다.Recently, the field of use of lithium secondary batteries has been widening, and as the size of the lithium ion secondary battery is becoming larger, it is required to have higher price competitiveness than conventional lithium secondary battery materials. Currently, most of the anode active materials for lithium secondary batteries are made of graphite active materials. As the size of the batteries becomes larger, the price competitiveness of batteries becomes an important factor for commercialization. Therefore, the negative active material has a tendency of increasing the share of natural graphite active materials having price competitiveness among black graphite systems.

이러한 천연흑연의 가격경쟁력을 바탕으로 최근 전기자동차 및 에너지저장용도의 중대형 크기의 리튬 이차전지에도 채용이 확대되고 있다. 중대형 전지의 시장이 활성화 되기 위해서는 전지의 원가경쟁력 확보가 전제되어야 하는데, 전지의 원가 구조 중 원재료가 차지하는 비중은 약 50% 수준으로 매우 높음에 따라 전지재료의 가격경쟁력을 확보하는 것이 이차전지 자체의 가격경쟁력 확보에 직결된다고 볼 수 있다. 이러한 소재의 가격 문제를 극복하기 위해 천연 흑연계 음극 활물질 분야에서는 제조공정 비용을 절약하기 위해 소성공정의 온도를 낮추거나, 단위 시간당 생산량을 증가시키기 위해 열처리 속도를 빠르게 하거나, 용기당 원재료 충진량을 증가시키는 방법을 사용하여 제조비용을 낮추고자 노력해왔다. 그러나 상기의 방법들은 공정비용이 낮아지는 효과는 있으나, 흑연표면에 피복된 유기소재의 소성이 충분치 않음으로써 유기성분이 잔류하게 되어 충방전 속도가 저하되고 초기 효율이 떨어지는 등 전지로써의 제반 물성이 저하되는 문제가 발생하여, 전지 성능과 제조 원가 개선이 양립되기 어려운 상황이었다. Due to the price competitiveness of natural graphite, it has recently been applied to large-sized lithium secondary batteries for electric vehicles and energy storage. In order for the mid- to large-sized battery market to be activated, the cost competitiveness of the battery should be secured. The proportion of the raw materials in the cost structure of the battery is as high as about 50%. It can be said that it is directly related to securing price competitiveness. To overcome the price problem of such materials, in the field of natural graphite anode active material, in order to save manufacturing process cost, the temperature of the firing process is lowered, the heat treatment speed is increased to increase the production per unit time, To reduce manufacturing costs. However, the above methods have the effect of lowering the process cost. However, since the organic material coated on the surface of graphite is not sufficiently burned, the organic component remains and the charging / discharging rate is lowered and the initial efficiency is lowered. There is a problem that battery performance and manufacturing cost improvement are not compatible.

종래 천연 흑연의 표면을 개질하는 방법으로 석유계 또는 석탄계 피치로 피복한 후 소성하는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 피치의 코팅 공정이 고상공정인 관계로 균일한 피복 자체가 어려우며, 균일 피복이 되었더라도 피치의 열가소성 특성으로 인하여 소성 공정 중에 피치가 녹아 흘러내림으로써 상부층과 하부층의 피치 농도 불균일 현상이 발생할 가능성이 높고 이로 인하여 흑연 표면에 피복된 탄소층의 두께 균일성을 확보하기 어렵다. 결과적으로 이차전지의 초기 효율 저하, 수명 저하 및 출력 성능 저하 등의 제반 성능 열화로 이어지는 문제점이 남아있었다.Conventionally, a method of modifying the surface of natural graphite using a petroleum-based or coal-based pitch and then firing is used. However, in this method, since the coating process of the pitch is a solid-phase process, the uniform coating itself is difficult. Even if the coating is uniform, the pitch is melted down during the firing process due to the thermoplastic property of the pitch, And thus it is difficult to ensure the uniformity of thickness of the carbon layer coated on the graphite surface. As a result, problems such as deterioration of the initial efficiency of the secondary battery, deterioration of the life span, and deterioration of the output performance are caused.

대한민국 공개특허 제10-2014-0140323호(특허문헌 1)에는 구형 흑연을 포함하는 코어부 표면에 석유계 피치, 석탄계 피치, 저분자 중질유 등에서 선택되는 저결정성 입상소재로 피복하여 형성하는 리튬 이차전지용 음극 활물질에 관하여 개시하고 있다. 그러나, 이 경우, 일부 비가역 반응을 억제하는 효과는 나타났으나, 구형 흑연 표면에 피복된 저결정성 입상소재가 소성 공정 중에 흘러내려 균일한 피복이 어려운 문제가 대두되었으며, 쉽게 흑연 박리현상이 발생하여 리튬 이차전지의 물성이 저하되는 문제가 여전히 남아 있었다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0140323 (Patent Document 1) discloses a lithium secondary battery which is formed by coating with a low crystalline particulate material selected from petroleum pitch, coal pitch, Negative electrode active material. However, in this case, some irreversible reactions were suppressed, but the low-crystalline granular material coated on the surface of spherical graphite flowed down during the firing process, resulting in difficulty in uniform coating, and graphite peeling phenomenon easily occurred There is still a problem that the physical properties of the lithium secondary battery are lowered.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2004-0096279호(특허문헌 2)에는 흑연에 리튬이 도핑되고, 금속산화물이 표면에 코팅됨으로써, 수명특성이 우수하고 고율특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 관하여 개시하고 있다. 음극활물질 표면에 전도성이 높은 금속입자가 존재할 때는 충방전 중 전해액과 부반응이 발생하여 초기효율이 저하되며 가스발생으로 인한 전지팽창 등으로 인해 안정성이 떨어지고, 금속 표면과 전해액 계면이 노출될 때 지속적인 전해액 분해반응으로 인하여 전지수명성능 저하를 야기시킬 수 있는 점을 충분히 예상할 수 있다. Korean Patent Laid-Open No. 10-2004-0096279 (Patent Document 2) discloses an anode active material for a lithium secondary battery, which is lithium-doped with graphite and has a metal oxide coated on its surface, Of the present invention. When metal particles having high conductivity are present on the surface of the negative electrode active material, the initial efficiency is lowered due to a side reaction with the electrolyte during charging and discharging. When the metal surface and the electrolyte interface are exposed, It can sufficiently be expected that the degradation reaction may lead to deterioration of battery life performance.

따라서, 리튬이차전지의 성능과 안정성은 유지하면서도, 가격 경쟁력이 우수한 리튬이차전지용 음극 활물질의 개발이 요구되고 있으며, 본 발명자들은 천연흑연의 표면을 개질하거나, 천연흑연에 금속을 도핑하여 소성온도를 낮춤으로써 제조비용 절감을 가능하게 하면서도 용량 및 효율이 우수한 음극 활물질 제조기술을 개발하였다.Accordingly, development of a negative electrode active material for a rechargeable lithium battery having excellent price competitiveness while maintaining the performance and stability of a lithium secondary battery is required. The present inventors have found that the surface of natural graphite can be modified, or natural graphite can be doped with metal, The present inventors have developed an anode active material manufacturing technology which is capable of reducing the manufacturing cost and has excellent capacity and efficiency.

대한민국 공개특허 제10-2014-0140323호(2014.12.09)Korean Patent Publication No. 10-2014-0140323 (December, 2014) 대한민국 공개특허 제10-2004-0096279호(2004.11.16)Korean Patent Publication No. 10-2004-0096279 (November 16, 2004)

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Fe 원소를 포함하는 천연 흑연계 입상소재의 표면에 난흑연화성 탄소를 형성시킴으로써, 낮은 온도에서 소성공정이 가능하여 공정비용을 절감할 수 있으며, 초기 충방전 효율 등의 전지 특성을 향상시킨 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a graphite- Discharge efficiency, and the like, and a method for producing the negative electrode active material for a lithium secondary battery.

또한, 상술한 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery comprising the above-described negative electrode active material for a lithium secondary battery.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 열경화성 수지가 코팅된 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 포함하는 Fe 함유 천연흑연계 리튬이차전지용 음극활물질에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided an anode active material for an Fe-containing natural graphite based lithium secondary battery including a carbon composite in which an Fe-containing natural graphite based granular material coated with a thermosetting resin is heat- .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연흑연계 입상소재는 제한되지 않으나, Fe 원소를 0.05 내지 0.8중량% 함유할 수 있으며, 보다 바람직하게 Fe 원소를 0.1 내지 0.5중량% 함유할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present invention, the natural graphite-based granular material is not limited, but it may contain 0.05 to 0.8% by weight of Fe element, more preferably 0.1 to 0.5% by weight of Fe element, But is not limited to.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연흑연계 입상소재는 하기 식 1을 만족할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the natural graphite-based granular material may satisfy the following formula (1).

0.4 ≤ Fe / M + Fe ≤ 1.0 [식 1]0.4? Fe / M + Fe? 1.0 [Formula 1]

(상기 식 1에서 Fe는 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 Fe 원소의 함량(ppm)이고, M은 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 철을 제외한 금속 원소의 함량(ppm)으로, M+Fe는 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 금속원소의 총량(ppm)이다.)(Wherein Fe is the content (ppm) of Fe element contained in the natural graphite-based granular material, M is the content (ppm) of the metal element excluding iron contained in the natural graphite- Fe is the total amount (ppm) of the metal elements contained in the natural graphite-based granular material.)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소복합체는 상기 입상소재 표면에 열경화성 수지로부터 유래된 난흑연화성 탄소층을 포함하며, 상기 난흑연화성 탄소층의 평균두께는 제한되지 않으나 3 내지 30nm일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon composite material includes a non-graphitizable carbon layer derived from a thermosetting resin on the surface of the granular material, and the average thickness of the non-graphitizable carbon layer is not limited, have.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함할 수 있으며, 상기 열경화성 수지는 전체 음극 활물질에 대하여, 3 내지 35 중량%를 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. According to an embodiment of the present invention, the thermosetting resin may include polyurethane and polyisocyanurate, and the thermosetting resin may include 3 to 35% by weight based on the entire negative electrode active material, It is not.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 상술한 Fe 함유 천연흑연계 리튬이차전지용 음극활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery comprising the anode active material for a Fe-containing natural graphite based lithium secondary battery.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이차전지의 비가역 용량은 26 내지 29 mAh/g 이며, 가역용량은 359 내지 365 mAh/g이다. According to an embodiment of the present invention, the irreversible capacity of the lithium secondary battery is 26 to 29 mAh / g, and the reversible capacity is 359 to 365 mAh / g.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 열경화성 수지가 코팅된 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시키는 단계;를 포함하는 Fe 함유 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 관한 것이다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an anode active material for an Fe-containing lithium secondary battery, comprising the steps of: heat-treating an Fe-containing natural graphite-based granular material coated with a thermosetting resin under an inert gas atmosphere; ≪ / RTI >

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리 온도는 제한되지 않으나 700 내지 1300℃ 에서 수행할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the heat treatment temperature is not limited, but may be performed at 700 to 1300 ° C.

본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 이를 이용한 리튬 이차전지에 따르면, Fe 원소를 포함하는 천연 흑연계 입상소재의 표면에 난흑연화성 탄소층을 형성시킴으로써, 기존 소성공정 온도에 비해 낮은 온도에서 열처리하더라도 Fe 원소의 촉매 효과에 의해 고온에서 소성한 것과 같은 효과를 낼 수 있으며, 공정비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. According to the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, and the lithium secondary battery using the same, a non-graphitizable carbon layer is formed on the surface of a natural graphite based granular material containing an Fe element, Even when heat treatment is performed at a temperature, it is possible to achieve the same effect as that of calcination at a high temperature due to the catalytic effect of the Fe element, and there is an advantage that the process cost can be reduced.

또한, 천연흑연의 표면에 난흑연화성 탄소층을 형성시킴에 따라 천연흑연에 함유된 Fe 원소가 외부로 노출되지 않도록 함으로써, 전지의 전기화학 반응 중에 전해액과의 부반응이 억제되고, 전해액으로 Fe 원소의 용출을 방지함으로써, 전도성이 우수하여 충방전 속도, 수명 특성, 초기 효율 향상 등 전지특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, by forming the non-graphitizable carbon layer on the surface of the natural graphite, the Fe element contained in the natural graphite is prevented from being exposed to the outside, whereby the side reaction with the electrolyte during the electrochemical reaction of the battery is suppressed, It is possible to improve battery characteristics such as charging / discharging speed, lifetime characteristics, initial efficiency improvement, and the like.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질에 사용된 천연흑연의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질에 사용된 금속이 도핑된 천연흑연의 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질을 촬영한 SEM 사진이다.
1 is an SEM photograph of natural graphite used in an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM photograph of a section of a natural graphite doped with a metal used in a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a SEM photograph of a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법에 대하여 바람직한 실시형태 및 평가시험항목을 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments and evaluation test items of the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention and a method for producing the same will be described in detail. The present invention may be better understood by the following examples, which are for the purpose of illustrating the present invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하기 위하여, Fe 원소를 포함하는 천연 흑연계 입상소재의 표면에 열경화성 수지를 코팅하고 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 난흑연화성 탄소층을 형성시킴으로써, 천연흑연에 균일하게 분포하는 Fe 원소가 촉매로 작용하여 기존 소성 공정시보다 낮은 온도에서 열분해 되어 탄소화할 수 있으며, 천연흑연에 존재하는 Fe 원소로 인하여 전기 전도성이 향상되어 초기 충방전 효율 등 전지특성이 향상시킬 수 있으며, Fe 원소의 탈리 및 용출은 난흑연화성 탄소층에 의해 효과적으로 차단됨을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다. In order to produce a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a surface of a natural graphite-based granular material containing an Fe element is coated with a thermosetting resin and heat-treated in an inert gas atmosphere to form a non-graphitizable carbon layer, Fe element can act as a catalyst and can be carbonized by pyrolyzing at a lower temperature than in the conventional firing step. The Fe element present in natural graphite can improve the electric conductivity and improve the battery characteristics such as initial charge / discharge efficiency, and Fe It has been found that the desorption and elution of elements are effectively blocked by the non-graphitizable carbon layer, thereby completing the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 원소를 포함하는 천연흑연계 입상소재는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 것이면 제한되지 않으나, 탄소 함량이 80 ~ 98%, 좋게는 95%이상이고, 평균입경이 1.0 내지 50㎛인 천연 결정질 흑연 및 천연 결정맥상 흑연 중에서 1종 이상이 선택될 수 있다. The natural graphite based granular material containing the Fe element according to an embodiment of the present invention is not limited as long as it is well known in the art, but the carbon content is 80 to 98%, preferably 95% or more, At least one of natural crystalline graphite and natural crystalline graphite having a particle size of 1.0 to 50 占 퐉 may be selected.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연 흑연계 입상소재는 제한되지 않으나, 예를 들면, Fe 원소를 0.05 내지 0.8중량% 함유할 수 있다. 보다 바람직하게 Fe 원소를 0.1 내지 0.5중량% 함유할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 상술한 범위로 Fe 원소를 포함할 경우, Fe 원소가 촉매로 작용하여 기존의 소성온도 보다 낮은 온도에서도 고온 소성했을 때와 동일하게 난흑연화성 탄소층을 형성할 수 있으며, 이로 인해, 전기세 등의 제조경비 및 설비 투자비가 저렴해지는 등의 비용 절감 효과가 있다. According to one embodiment of the present invention, the natural graphite-based granular material is not limited, but may contain, for example, 0.05 to 0.8% by weight of Fe element. More preferably, the Fe element may be contained in an amount of 0.1 to 0.5% by weight, but is not limited thereto. When the Fe element is included in the above-mentioned range, the Fe element serves as a catalyst, so that a graphitizable carbon layer can be formed in the same manner as in the case of calcining at a temperature lower than an existing calcination temperature, And manufacturing costs and facility investment costs are reduced.

천연흑연계 입상소재 내에 Fe 원소의 함량이 0.05중량% 미만 함유될 경우, Fe 첨가 효과가 충분하지 않아 소성온도를 낮추기 어렵고, 0.8중량% 초과 함유될 경우, 초과되는 Fe 원소가 노출 또는 용출될 우려가 있다. 이 경우 전해액 분해반응이 발생하여 전지 수명 및 전지 용량이 저하될 우려가 있다. If the content of Fe element is less than 0.05 wt% in the natural graphite-based granular material, the effect of adding Fe is insufficient and it is difficult to lower the firing temperature. When the content exceeds 0.8 wt%, excessive Fe element may be exposed or eluted . In this case, the electrolytic solution decomposition reaction may occur and the battery life and the battery capacity may decrease.

천연흑연계 입상소재는 Fe 외에 다른 금속(M)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 아연(Zn), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 크롬(Cr), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. The natural graphite-based granular material may further include a metal (M) other than Fe. For example, a metal such as Zn, Ni, Mg, Cu, Cr, Co, Al, B, Ga, (Sn), titanium (Ti), and zirconium (Zr), but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연흑연계 입상소재는 하기 식 1을 만족할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the natural graphite-based granular material may satisfy the following formula (1).

0.4 ≤ Fe / M + Fe ≤ 1.0 [식 1]0.4? Fe / M + Fe? 1.0 [Formula 1]

(상기 식 1에서 Fe는 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 Fe 원소의 함량(ppm)이고, M은 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 철을 제외한 금속 원소의 함량(ppm)으로, M+Fe는 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 금속원소의 총량(ppm)이다.)(Wherein Fe is the content (ppm) of Fe element contained in the natural graphite-based granular material, M is the content (ppm) of the metal element excluding iron contained in the natural graphite- Fe is the total amount (ppm) of the metal elements contained in the natural graphite-based granular material.)

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합체는 Fe 원소를 포함하는 천연흑연계 입상소재의 표면에 열경화성 수지로부터 유래된 난흑연화성 탄소층을 포함할 수 있다. 본 발명에 기재된 "유래된"의 의미는 별다른 언급이 없는 한 열경화성 수지를 열처리하여 탄소화시켜 형성된 것을 의미한다. The carbon composite material according to an embodiment of the present invention may include a non-graphitizable carbon layer derived from a thermosetting resin on the surface of a natural graphite-based granular material containing an Fe element. The term " derived " as used in the present invention means that the thermosetting resin is formed by heat treatment and carbonization unless otherwise specified.

상기 난흑연화성 탄소층을 얇고 균일하게 형성시킴으로써, 천연흑연계 입상소재 내에 함유하고 있는 Fe를 비롯한 다른 금속 원소의 노출 및 용출을 효과적으로 방지할 수 있다. 이는 음극 활물질에 포함된 금속 원소들의 노출을 방지함으로써 전지의 전기화학 반응 중에 전해액과 금속원소 간의 부반응을 억제하고, 전해액으로의 금속원소들의 용출을 방지함으로써, 전도성이 우수하여 충방전 속도, 수명 특성, 초기 효율 향상 등 전지특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. By forming the non-graphitizable carbon layer thinly and uniformly, exposure and elution of Fe and other metal elements contained in the natural graphite-based granular material can be effectively prevented. This prevents exposure of the metal elements contained in the negative electrode active material, thereby suppressing side reactions between the electrolyte and the metal element during the electrochemical reaction of the battery and preventing the elution of the metal elements into the electrolyte, thereby improving the charge / discharge rate, , Improvement of initial efficiency, and so on.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 난흑연화성 탄소층은 평균두께가 제한되지 않으나, 예를 들면, 40nm 미만인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게 3 내지 30nm일 수 있으나, 이로 제한되지 않는다. According to an embodiment of the present invention, the non-graphitizable carbon layer is not limited to an average thickness, but is preferably, for example, less than 40 nm, more preferably 3 to 30 nm, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 열처리하여 난흑연화성 탄소층을 형성할 수 있는 고분자수지이면 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 열경화성 수지가 코팅된 입상소재의 열처리를 통하여 탄소화함으로써 생성되는 탄소복합체를 리튬 이차전지용 음극 활물질로 사용할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the thermosetting resin is not limited as long as it is a polymer resin capable of forming a non-graphitizable carbon layer by heat treatment. The carbon composite material produced by carbonization through heat treatment of the particulate material coated with the thermosetting resin according to the present invention can be used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery.

일반적으로 열처리 온도가 증가하면 흑연구조가 점차적으로 발달하나, 난흑연화성 탄소(non-graphitzable carbons)란 2500℃ 이상의 온도에서조차 흑연구조로 발달하지 않는 탄소를 의미한다. 이러한 난흑연화성 탄소는 기계적 물성이 우수하여 천연흑연에 함유된 금속 원소의 노출 및 용출을 방지할 수 있다. 상기 열경화성 수지는 예를 들면, 석탄계 피치 및 석유계 피치 등의 피치, 페놀수지, 퓨란수지, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. Generally, the graphite structure gradually develops as the heat treatment temperature increases, but non-graphitizable carbons mean carbon that does not develop into graphite structure even at temperatures of 2500 ° C or higher. Such non-graphitizable carbon has excellent mechanical properties and can prevent exposure and elution of metal elements contained in natural graphite. The thermosetting resin may include, for example, pitches such as coal-based pitch and petroleum-based pitch, phenol resin, furan resin, polyurethane and polyisocyanurate. More preferably polyurethane and polyisocyanurate, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 열경화성 수지는 폴리올 조성물 및 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물이 입상소재의 표면에서 경화되어 폴리우레탄 수지를 형성할 수 있다. The thermosetting resin according to an embodiment of the present invention can form a polyurethane resin by curing the thermosetting resin composition containing the polyol composition and the isocyanate compound on the surface of the granular material.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리우레탄 수지는 폴리올 조성물 내에 함유된 폴리올 화합물 및 이소시아네이트계 화합물의 반응에 의하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트계 화합물의 종류 및 함량에 따라폴리이소시아누레이트를함유할수있다. The polyurethane resin according to an embodiment of the present invention may be formed by reaction of a polyol compound and an isocyanate compound contained in the polyol composition. The polyurethane resin may contain polyisocyanurate depending on the kind and content of the isocyanate compound.

상기 폴리이소시아누레이트는 이소시아네이트계 화합물의 흡열반응으로 생성될 수 있으며, 상기 폴리올 조성물 내에 촉매 특히, 염기성 촉매에 의해 촉진될 수 있다. The polyisocyanurate may be produced by an endothermic reaction of an isocyanate compound and may be catalyzed by a catalyst, particularly a basic catalyst, in the polyol composition.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 화합물은 폴리우레탄 수지 제조에 사용되는 통상적인 것으로 특별히 한정하지는 않는다. 구체적으로는 폴리에테르계 폴리올, 폴리에스테르계 폴리올, 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 폴리올, 피에이치디 폴리올(Polyharnstoff Dispersion(PHD) polyol), 아민(Amine) 변성 폴리올, 만니히(Manmich)폴리올 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 폴리에스테르 폴리올, 아민(Amine) 변성 폴리올, 만니히(Manmich)폴리올 또는 이들의 혼합물이 효과적이다. According to one embodiment of the present invention, the polyol compound is a typical one used for producing a polyurethane resin and is not particularly limited. Specifically, the polyether polyol, the polyester polyol, the polytetramethylene ether glycol polyol, the polyarnstoff dispersion (PHD) polyol, the amine-modified polyol, the Mannich polyol and the mixture thereof One or two or more selected are preferable, and more preferably polyester polyol, amine-modified polyol, Manmich polyol or a mixture thereof is effective.

상기 폴리올 화합물의 분자량은 제한되지 않으나, 300 내지 3,000g/mol인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 400 내지 1,500g/mol인 것이 효과적이다. 폴리올의 분자량이 300g/mol 미만일 경우에는 모노올의 형성으로 합성된 폴리우레탄 수지의 열안정성이 저하되어 탄화공정에서 용융이 발생하는 단점이 있으며, 폴리올의 분자량이 3,000g/mol을 초과할 경우에는, 폴리올 구조 내에 비정질 탄소사슬이 증가하여 폴리우레탄 수지의 열안정성이 저하될 우려가 있다. The molecular weight of the polyol compound is not limited, but is preferably 300 to 3,000 g / mol, and more preferably 400 to 1,500 g / mol. When the molecular weight of the polyol is less than 300 g / mol, the thermal stability of the polyurethane resin synthesized by the formation of the monol decreases, resulting in melting in the carbonization step. When the molecular weight of the polyol exceeds 3,000 g / mol , There is a fear that the amorphous carbon chain increases in the polyol structure and the thermal stability of the polyurethane resin is lowered.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 화합물과 반응하는 이소시아네이트계 화합물은 폴리우레탄 수지 제조에 사용되는 통상적인 것으로 특별히 한정하지는 않는다. 구체적으로는 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI), 이소포론디이소시아네이트(IPDI), 4,4'-디시클로헥실메탄디이소시아네이트(H12MDI), 폴리에틸렌 폴리페닐 이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 2,2‘-디페닐메탄 디이소시아네이트(2,2'-MDI), 2,4’-디페닐메탄 디이소시아네이트(2,4'-MDI), 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(4,4'-MDI,monomeric MDI), 폴리머릭 디페닐메탄 디이소시아네이트(polymeric MDI), 오르토톨루이딘 디이소시아네이트(TODI), 나프탈렌 디오소시아네이트(NDI), 크실렌 디이소시아네이트(XDI), 라이신디이소시아네이트(LDI) 및 트리페닐메탄 트리이소시아네이트(TPTI) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(4,4'-MDI, monomeric MDI), 폴리머릭 디페닐메탄 디이소시아네이트(polymeric MDI) 또는 폴리에틸렌 폴리페닐 이소시아네이트가 효과적이다. According to one embodiment of the present invention, the isocyanate-based compound which reacts with the polyol compound is not particularly limited and is usually used for producing polyurethane resin. Specific examples thereof include hexamethylene diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate (H12MDI), polyethylene polyphenyl isocyanate, toluene diisocyanate (TDI) -Diphenylmethane diisocyanate (2,2'-MDI), 2,4'-diphenylmethane diisocyanate (2,4'-MDI), 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (4,4'- MDI, monomeric MDI), polymeric MDI, polymeric MDI, orthotoluidine diisocyanate (TODI), naphthalene diisocyanate (NDI), xylene diisocyanate (XDI), lysine diisocyanate (LDI) Methane triisocyanate (TPTI), and more preferably 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (4,4'-MDI, polymeric diphenylmethane diisocyanate Isocyanate (polymeric MDI) Or polyethylene polyphenyl isocyanate are effective.

상기 폴리올 화합물과 이소시아네이트계 화합물의 혼합비율은 상기 폴리올 화합물 100 중량부에 대하여 상기 이소시아네이트계 화합물이 50 내지 250 중량부 포함하는 것이 효과적이다. 이소시아네이트계 화합물의 함량이 50 중량부 미만일 경우에는 열안정성을 높여주는 이소시아누레이트 결합의 형성이 충분하지 못하여, 탄소화 공정시 이흑연화성 탄소와 유사하게 레진이 용융되어 코팅층의 형상 안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 이 경우, 천연흑연계 입상소재 내에 함유된 Fe를 비롯한 금속 원소의 노출 또는 용출의 우려가 있다. It is effective that the mixing ratio of the polyol compound and the isocyanate compound is 50 to 250 parts by weight of the isocyanate compound based on 100 parts by weight of the polyol compound. When the content of the isocyanate compound is less than 50 parts by weight, formation of isocyanurate bonds that increase thermal stability is not sufficient, and the resin is melted in a similar manner to graphitizable carbon during the carbonization process, In this case, there is a fear of exposure or elution of metal elements including Fe contained in the natural graphite-based granular material.

또한, 이소시아네이트의 함량이 250 중량부 초과일 경우에는 이소시아누레이트 결합이 과도하게 생성되어, 탄소화 공정 후 비표면적이 증가되고 이에 따라 수분 흡착율이 높아지고 전지충방전 시 초기 표면부반응이 증가될 우려가 있다. If the content of isocyanate exceeds 250 parts by weight, the isocyanurate bond is excessively generated, and the specific surface area after the carbonization process is increased. As a result, the water adsorption ratio is increased and the initial surface side reaction .

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리올 조성물은 폴리올 화합물과 이소시아네이트계 화합물의 반응을 효과적으로 유도하기 위해 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 촉매는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 폴리우레탄 합성용 촉매이면 제한되지 않는다. 예를 들면, 펜타메틸디에틸렌 트리아민(pentamethyldiethylene triamine), 디메틸 사이클로헥실아민(dimethyl cyclohexyl amine), 비스-(2-디메틸 아미노에틸)에테르(Bis-(2-dimethyl aminoethyl)ether), 트리에틸렌 디아민((triethylene diamine) 포타슘 옥토에이트 (potassium octoate), 트리스(디메틸아미노메틸)페놀(tris(dimethylaminomethyl)phenol), 포타슘 아세테이트(potassium acetate) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. The polyol composition according to an embodiment of the present invention may further include a catalyst to effectively induce the reaction between the polyol compound and the isocyanate compound. The catalyst is not limited as long as it is a catalyst for synthesis of polyurethane which is well known in the art. For example, there may be mentioned pentamethyldiethylene triamine, dimethyl cyclohexyl amine, bis- (2-dimethylaminoethyl) ether, triethylenediamine one or two or more selected from (triethylene diamine) potassium octoate, tris (dimethylaminomethyl) phenol, potassium acetate or a mixture thereof may be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매의 함량은 폴리올 화합물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 0.5 내지 3 중량부 첨가하는 것이 폴리우레탄 수지와 폴리시아누레이트 수지가 적절히 형성될 수 있어 효과적이다. 촉매의 함량이 0.1중량부 이하일 경우는 폴리올 화합물과 이소시아네이트계 화합물의 반응이 너무 느리게 진행되어 음극 활물질 제조 효율이 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 촉매의 함량이 5 중량부 초과일 때는 반응이 너무 빠르게 진행되어 폴리우레탄 수지가 불균일하게 형성되고, 입상 소재의 표면이 불균일해짐에 따라 음극 활물질의 물성이 저하되고, 천연흑연계 입상소재 내에 함유된 Fe를 비롯한 금속 원소의 노출 또는 용출되는 문제가 발생할 수 있다. The content of the catalyst according to an embodiment of the present invention is preferably 0.1 to 5 parts by weight, more preferably 0.5 to 3 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polyol compound, Can be properly formed. When the content of the catalyst is less than 0.1 part by weight, the reaction between the polyol compound and the isocyanate compound proceeds too slowly, resulting in a reduction in efficiency of producing the negative electrode active material. When the content of the catalyst is more than 5 parts by weight, As the surface of the granular material becomes uneven, the physical properties of the negative electrode active material deteriorate and the problem of exposure or elution of metal elements including Fe contained in the natural graphite-based granular material may occur have.

본 발명의 일실시예에 따른 폴리올 조성물은 가공성 향상을 위하여 유기용매 및 첨가제를 더 포함할 수 있다. The polyol composition according to an embodiment of the present invention may further include an organic solvent and an additive for improving processability.

상기 유기용매는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 유기용매이면 제한되지 않으며, 예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌 등의 방향족 탄화수소류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸아밀케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥사놀, 시클로헥산올, 에틸렌글리콜, 글리세린 등의 알코올류 중에서 1종 또는 2종 이상 선택할 수 있다. The organic solvent is not limited as long as it is an organic solvent well known in the art and includes, for example, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and mesitylene, ketones such as methyl ethyl ketone, acetone, methyl amyl ketone, methyl isobutyl Ketones such as benzene, ketone and cyclohexanone, and alcohols such as ethanol, propanol, butanol, hexanol, cyclohexanol, ethylene glycol and glycerin.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 조성물의 고형분 함량은 제한되지 않으나 10 내지 70중량%일 수 있으며, 보다 바람직하게 10 내지 60중량%일 수 있다. 혼련(kneading) 공정의 타입에 따라 점도를 조절할 필요가 있을 시 용매의 양을 가감하여 폴리올 조성물의 고형분 함량을 제어할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the solid content of the polyol composition is not limited, but may be 10 to 70% by weight, more preferably 10 to 60% by weight. If it is necessary to control the viscosity according to the type of the kneading process, the amount of the solvent may be adjusted to control the solid content of the polyol composition.

상기 폴리올 조성물의 고형분의 함량이 10중량% 미만일 경우에는 상대적으로 유기용매의 함량이 많아 건조 및 경화시 불필요한 에너지가 소비되는 문제가 있으며, 용매 사용량 증가에 따라 제조단가가 상승할 우려가 있다. 또한, 고형분 함량이 70중량% 초과일 경우에는 전체적인 열경화성 수지 조성물의 점도가 너무 높아 입상소재 표면에 균일하게 코팅되지 않을 수 있으며, 점도가 높아져 열경화성 수지 조성물 또는 폴리올 조성물의 액상 원료를 펌프로 이송하는데 어려움이 있을 수 있다. When the content of the solid content of the polyol composition is less than 10% by weight, the content of the organic solvent is relatively large, and unnecessary energy is consumed during drying and curing. When the solid content is more than 70% by weight, the viscosity of the thermosetting resin composition as a whole is too high to uniformly coat the surface of the granular material, and the viscosity of the thermosetting resin composition or the polyol composition is increased There may be difficulties.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 전체 음극 활물질에 대하여, 3 내지 35 중량% 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게 10 내지 25중량% 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thermosetting resin may be contained in an amount of 3 to 35% by weight based on the total weight of the negative active material. More preferably 10 to 25% by weight.

상기 열경화성 수지의 함량이 3중량% 미만일 경우에는 코팅에 의한 효과가 두드러지지 않아 성능 개선 효과를 발휘하기 어려우며 천연흑연계 입상소재 내에 함유된 Fe를 비롯한 금속 원소의 노출 또는 용출의 우려가 있으며, 35중량% 초과일 경우에는 난흑연화성 탄소층이 두껍게 형성되어 C-rate 성능저하 및 입자표면의 탄소층이 서로 붙는 현상(necking)으로 인해 해쇄 공정시 제품의 수득률이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 해쇄시 분쇄 에너지 요구량 증가로 입상소재의 표면이 손상되어 초기 충방전 효율이 급격히 저하될 우려가 있다. If the content of the thermosetting resin is less than 3% by weight, the effect of the coating is not remarkable and it is difficult to exhibit the performance improvement effect. There is a fear of exposure or elution of metal elements including Fe contained in the natural graphite- If the weight percentage is more than 10% by weight, the non-graphitizable carbon layer may be thickened, resulting in deterioration of the C-rate performance and necking of the carbon layers on the surface of the particles. Further, the surface of the granular material may be damaged due to an increase in the amount of crushing energy required for the crushing, and the initial charge-discharge efficiency may be deteriorated rapidly.

다음으로, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다. Next, a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법은 열경화성 수지가 코팅된 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시키는 단계;를 포함할 수 있다. The method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a step of carbonizing the Fe-containing natural graphite-based granular material coated with a thermosetting resin by heat treatment in an inert gas atmosphere.

보다 구체적으로More specifically

a) Fe 함유 천연흑연계 입상소재와 폴리올 조성물과 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물을 혼합하는 단계; a) mixing a Fe-containing natural graphite-based granular material with a thermosetting resin composition comprising a polyol composition and an isocyanate-based compound;

b) 상기 열경화성 수지 조성물과 Fe 함유 천연흑연계 입상소재의 혼합물을 건조 및 경화시켜 열경화성 수지가 코팅된 입상소재를 제조하는 단계; b) drying and curing a mixture of the thermosetting resin composition and the Fe-containing natural graphite-based granular material to prepare a granular material coated with a thermosetting resin;

c) 상기 열경화성 수지가 코팅된 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 제조하는 단계; 및 c) subjecting the thermosetting resin-coated Fe-containing natural graphite-based granular material to heat treatment in an inert gas atmosphere to produce a carbon composite; And

d) 상기 탄소복합체를 해쇄 및 분급하는 단계;를 포함할 수 있다.and d) crushing and classifying the carbon composite material.

본 발명의 일 실시예에 따르면, a)단계에서 상기 혼합은 Fe 함유 천연흑연계 입상소재와 열경화성 수지 조성물을 동시에 혼합하거나, 상기 폴리올 조성물과 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 먼저 혼합하고, 이소시아네이트계 화합물을 추후에 투입할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. According to an embodiment of the present invention, in the step a), the mixing may be performed by simultaneously mixing the Fe-containing natural graphite-based granular material and the thermosetting resin composition, or by first mixing the polyol composition and the Fe- The compound may be added at a later time, but is not limited thereto.

상기 Fe 함유 천연흑연계 입상소재는 천연흑연 자체에 함유될 수도 있고, Fe 원소를 도핑하거나, Fe 원소를 포함하는 전구체의 피복을 통한 열처리 등의 전처리 공정을 통하여 제조할 수 있다. 상기 도핑 또는 전처리는 당해 기술분야에 자명하게 공지된 방법이면 제한되지 않고 적용될 수 있다. The Fe-containing natural graphite-based granular material may be contained in natural graphite itself, or may be prepared through a pretreatment process such as doping with an Fe element or heat treatment through coating of a precursor containing an Fe element. The doping or pretreatment can be applied without limitation as long as it is a method well known in the art.

상기 천연흑연계 입상소재는 예를 들면, Fe 원소를 제한되지 않으나, 0.05 내지 0.8중량% 함유할 수 있다. 보다 바람직하게 Fe 원소를 0.1 내지 0.5중량% 함유할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 상술한 범위로 Fe 원소를 포함할 경우, Fe 원소가 촉매로 작용하여 기존의 소성온도 보다 낮은 온도에서 소성하여도 고온으로 소성했을 때와 동일하게 난흑연화성 탄소층을 형성할 수 있으며, 이로 인해, 공정비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. The natural graphite-based granular material may contain, for example, 0.05 to 0.8% by weight of Fe element, though not limited thereto. More preferably, the Fe element may be contained in an amount of 0.1 to 0.5% by weight, but is not limited thereto. When the Fe element is included in the above-mentioned range, even when the Fe element acts as a catalyst and is fired at a temperature lower than the conventional firing temperature, the fired graphitizable carbon layer can be formed as in the case of firing at a high temperature, , And the process cost can be reduced.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열경화성 수지 조성물은 전체 음극 활물질에 대하여, 3 내지35 중량%를 포함할 수 있으며, 상기 함량으로 포함할 때, 상기 입상소재의 표면에 평균두께 40nm 미만, 바람직하게 3 내지 30nm의 얇고 균일한 난흑연화성 탄소층을 형성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thermosetting resin composition may contain 3 to 35% by weight based on the total weight of the negative active material. When the total amount of the thermosetting resin composition is in the above range, A thin and uniform non-graphitizable carbon layer having a thickness of 3 to 30 nm can be formed.

본 발명의 a)단계에서, 혼합 방법은 제한되지 않으나, 일축 혼련기, 이축 혼련기 또는 배치식 혼련기에서 10℃ 이하에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 -20 내지 10℃에서 수행되는 것이 혼련단계에서 열경화성 수지 조성물이 경화되지 않도록 반응을 지연시켜 주므로 결과적으로 혼련 균일도를 향상시킬 수 있어 효과적이다. In the step (a) of the present invention, the mixing method is not limited, but may be carried out at 10 占 폚 or less in a uniaxial kneader, a biaxial kneader or a batch type kneader. Preferably -20 to 10 ° C, delay the reaction so that the thermosetting resin composition is not cured in the kneading step, and as a result, the uniformity of kneading can be improved, which is effective.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 b)단계에서 건조 및 경화는 챔버 및 배기구가 구비된 장치에서 60 내지 150℃의 열풍 가열로 수행될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 복사열, 히터직접 가열 및 microwave 가열 등 다양한 가열 방식의 장치가 사용 가능하다.The drying and curing in the step b) according to an embodiment of the present invention may be performed by heating the hot air at 60 to 150 ° C in an apparatus equipped with a chamber and an exhaust port, but the present invention is not limited thereto. For example, various heating devices such as radiant heat, direct heater heating, and microwave heating can be used.

상기 챔버 및 배기구가 구비된 장치는 당해 기술분야에 자명한 장치로 제한없이 적용될 수 있으며, 열풍건조기, 기류건조기, cake dryer, 링드라이어 등이 예시될 수 있다. The apparatus including the chamber and the exhaust port may be applied to any device known in the art without limitation, and examples thereof include a hot air dryer, an air dryer, a cake dryer, and a ring dryer.

상기 건조 및 경화는 60 내지 150℃의 열풍 가열일 수 있으며, 열풍의 속도는 3 내지 15m/sec일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. The drying and curing may be hot air heating at 60 to 150 ° C, and the hot air speed may be 3 to 15 m / sec, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 c)단계의 열처리는 탄소복합체를 형성할 수 있는 온도 범위이면 제한되지 않으며, 예를 들면 700 내지 1300℃의 온도에서 수행할 수 있다. The heat treatment in the step c) according to an embodiment of the present invention is not limited as long as it is a temperature range in which the carbon composite material can be formed. For example, the heat treatment may be performed at a temperature of 700 to 1300 캜.

종래의 열처리는 500 내지 1000℃에서 1차 열처리를 하고, 900 내지 1500℃온도에서 2차 열처리하여 열경화성 수지를 탄소화 하는 것이 바람직하였으나, Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 채용함에 따라, 입상소재에 함유된 Fe 원소가 촉매로 작용하여 열처리 과정 중 H, O, N과 같은 유기원소의 분해 및 탈리 속도를 향상시켜 소성온도를 낮추어도 고온에서 2차 열처리를 수행한 것과 동일한 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. In the conventional heat treatment, it is preferable to perform the first heat treatment at 500 to 1000 ° C and the second heat treatment at 900 to 1500 ° C to carbonize the thermosetting resin. However, by adopting the Fe-containing natural graphite based granular material, It can be seen that the same effect as that of secondary heat treatment at a high temperature is obtained even if the decomposition and desorption rate of organic elements such as H, O, N is increased during the heat treatment due to the Fe element contained therein as a catalyst, there was.

상기 열처리는 비활성 기체 분위기하에서 수행되며, 비활성 기체는 헬륨, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것이 바람직하다. The heat treatment is performed in an inert gas atmosphere, and the inert gas is preferably helium, nitrogen, argon, or a mixed gas thereof.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리 단계는 700 내지 1,300℃ 에서 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 800 내지 1,000℃ 에서 수행되는 것이 효과적이다. 열처리를 700℃ 미만에서 수행할 경우, 저분자량 가스들의 휘발이 덜 됨으로써 재료 내부에 잔류하게 되고, 이로 인해 제품의 수득률이 감소될 수 있으며, 입상소재 표면의 열가소성 수지가 충분히 탄소화되지 못하여 전지의 특성이 저하될 우려가 있다. 또한, 열처리를 1,300℃ 초과하여 수행할 경우 필요 이상의 열량 공급으로 제조비 상승의 원인이 되며, 높은 온도로 인하여 원료에서 배출된 타르 가스의 열분해 생성물을 제대로 처리하지 못할 경우 제품의 오염이 발생하는 문제가 있다. 이에 따라, 비표면적이 증가하게 되고, 대기 중의 수분을 흡착하는 성질이 증가함으로써, 전지 반응에서 리튬 이온과 수분이 반응하여 비가역 용량을 증가시킬 수 있는 문제가 발생한다. 또한 상업적인 측면에서도 전기로가 1,300℃이상의 열처리 온도를 견디기 위해서는 전기로의 재질 및 구성이 열에 강한 소재로 바뀌어야 하므로 제조비용 및 공정비용이 상승하는 문제가 발생할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heat treatment is preferably performed at 700 to 1,300 ° C, more preferably 800 to 1,000 ° C. When the heat treatment is carried out at a temperature lower than 700 ° C, the volatilization of the low-molecular-weight gases is less likely to remain in the material, thereby reducing the yield of the product and the thermoplastic resin on the surface of the granular material is not sufficiently carbonized, There is a possibility that the characteristics are deteriorated. In addition, when the heat treatment is performed at a temperature higher than 1,300 ° C., the supply of the heat is increased more than necessary to increase the manufacturing cost. If the thermal decomposition product of the tar gas discharged from the raw material is not properly treated due to the high temperature, have. As a result, the specific surface area is increased and the property of adsorbing moisture in the atmosphere is increased, so that lithium ions and moisture react with each other in the cell reaction to increase the irreversible capacity. In addition, in order to withstand the heat treatment temperature of 1,300 ° C. or higher, the material and composition of the electric furnace must be changed to a material having heat resistance, so that the manufacturing cost and the process cost may increase.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 d) 단계는 상기 탄소복합체를 회전식 로터 방식의 분쇄기를 이용해 해쇄할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the step d), the carbon composite material may be shredded using a rotary-type grinder.

상기 d)단계의 해쇄는 소성후의 음극 활물질 입자간 융착 현상을 해소하여 낱개의 입자로 분리하기 위하여 수행하는 공정이다. 해쇄 공정은 일반적인 분쇄기라면 어떤 것이라도 적용 가능하지만 가급적 입자표면의 코팅층의 손상을 방지하기 위해 약한 분쇄방법을 적용하는 것이 바람직하다. The step (d) is a step of dissolving the fused anode active material particles after firing to separate them into individual particles. Although the crushing process can be applied to any ordinary crusher, it is preferable to apply a weak crushing method to prevent the coating layer from being damaged as much as possible.

상기 분쇄기는 모터에 의해 회전하는 원형 로터에 의해 회전하고, 회전 로터에 적어도 2개 이상의 분쇄바가 장착되어 있으며, 분쇄바의 단면 형상은 원형 내지는 다각형인 형태의 분쇄기로 처리할 수 있다. 예를 들면, 핀 밀, fine impact mill, 볼밀, 비즈밀, 로터가 장착된 기류방식의 분급기, 다이노밀, 디스크밀, 롤밀 및 사이클론밀 중 적어도 1개 및 2개 이상의 조합으로 사용 가능하다. 보다 바람직하게는 핀 밀 또는 fine impack mill을 사용하는 것이 탄소복합체의 표면 손상을 방지할 수 있으므로 효과적이다. The pulverizer is rotated by a circular rotor rotated by a motor, and at least two pulverizing bars are mounted on the rotating rotor, and the sectional shape of the pulverizing bar can be processed by a pulverizer having a circular or polygonal shape. For example, at least one of a pin mill, a fine impact mill, a ball mill, a bead mill, an air flow type classifier equipped with a rotor, a dyno mill, a disc mill, a roll mill and a cyclone mill and a combination of two or more. More preferably, use of a pin mill or a fine impack mill is effective because it can prevent surface damage of the carbon composite material.

본 발명의 상술한 제조방법으로 제조된 리튬 이차전지의 비가역 용량은 26 내지 29 mAh/g 이며, 가역용량은 359 내지 365 mAh/g 으로 기존 소성공정 온도에 비해 낮은 온도에서 열처리하였음에도 용량 및 효율이 우수한 특징을 갖고 있어 저비용 음극 활물질 생산을 가능하게 하며, 가격 경쟁력이 우수한 리튬 이차전지를 제공할 수 있다. The irreversible capacity of the lithium secondary battery manufactured by the above-described method of the present invention is 26 to 29 mAh / g and the reversible capacity is 359 to 365 mAh / g. It is possible to provide a lithium secondary battery which is capable of producing a low-cost anode active material and has excellent price competitiveness.

이하, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법에 대하여 바람직한 실시형태 및 물성측정 방법에 관하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the negative active material for a lithium secondary battery of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.

<평가 시험 항목> <Evaluation test items>

1) 측정셀의 제조방법 및 충방전 특성평가1) Manufacturing method of measuring cell and evaluation of charge / discharge characteristics

측정셀은 코인형 반쪽전지로서 음극활물질과 바인더를 97:3의 비율로 제조한 전극과 상대전극으로 리튬금속박을 사용하였으며, 분리막을 사이에 두고 유기전해액으로 EC/DEC가 1:1 비율로 혼합되어 있고 1M의 LiPF6가 용해된 전해액을 함침하여 2016 type코인셀로 제조하였다. The measurement cell was a coin type half cell, which was made of a negative electrode active material and a binder in a ratio of 97: 3, and a lithium metal foil as a counter electrode. The electrolyte was mixed with an organic electrolyte at a ratio of 1: And impregnated with an electrolyte in which 1 M of LiPF 6 was dissolved to prepare a 2016 type coin cell.

2) 충방전특성평가2) Evaluation of charge / discharge characteristics

충전은 0.1 C rate로 0.01 V까지 정전류법으로 탄소전극에 리튬이온을 삽입시키고 0.01 V부터 정전류법으로 리튬이온 삽입을 진행시키다가 전류가 0.01 C가 될 때 리튬이온 삽입을 종료하였다. 방전은 0.1C rate로 정전류법으로 종지전압을 1.5V로하여 리튬이온을 탄소전극으로부터 탈리시켰다. 삽입량 대비 탈리량의 비율이 초기효율이며, 탈리된 양을 무게당 용량으로 변환하여 가역용량을 계산하였다.The lithium ion was inserted into the carbon electrode by a constant current method at a rate of 0.1 C at a rate of 0.1 C and the lithium ion insertion was proceeded from 0.01 V by a constant current method. When the current reached 0.01 C, the lithium ion insertion was terminated. The discharge was performed at a constant rate of 0.1 C at a constant voltage of 1.5 V by means of a constant current method to release lithium ions from the carbon electrode. The ratio of the amount of desorption to the amount of inserting was the initial efficiency, and the amount of desorption was converted into the capacity per weight to calculate the reversible capacity.

3) 수소/탄소(H/C) 원자비3) Hydrogen / carbon (H / C) atomic ratio

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질의 시료를 CHN 분석기를 사용하여 원소분석하고 수소/탄소(H/C) 원자비를 시료중 수소와 탄소의 중량비에 근거한 수소/탄소 원자수의 비로서 계산하였다.A sample of the anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention was subjected to elemental analysis by using a CHN analyzer and hydrogen / carbon (H / C) atomic ratio was measured using a hydrogen / carbon atom ratio .

[실시예 1] [Example 1]

음극 활물질의 제조Production of negative electrode active material

이축 연속 혼련기에 D50이 18㎛인 Fe 원소 함량이 3000ppm(0.3중량%)인 구형 천연흑연을 20kg/hr, 폴리올 조성물에서 폴리올(SSP-104HC, 애경유화 社)을 1.3kg/hr 및 아세톤을 3.1kg/hr의 투입속도로 동시 투입한 다음, 교반 진행 중에 혼련기의 혼련조 중간 부분에 이소시아네이트(JG55K, 금호미쓰이화학 社)를 2.5 kg/hr의 투입속도로 투입한다. 혼련기의 냉각 자켓의 온도는 -15℃로 설정하였으며, (※ 이때 교반기 내부 반죽의 실제 온도는 약 7℃로 측정) 건조공정은 연속식 컨베이어벨트 타입 열풍건조기를 사용하였으며, 건조기 실내온도는 80℃로 설정하였고, 15분간 건조 및 경화 반응을 진행하여 열경화성 수지가 코팅된 구형 흑연인 탄소복합체를 수득하였다. 수득된 탄소복합체를 질소분위기에서 900℃에서 열처리하고, 약 15nm두께의 난흑연화성 탄소층이 형성된 음극 활물질을 제조하였다. 제조된 음극 활물질의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 난흑연화성 탄소의 탄화수율을 30%에 맞게 설정하여 폴리올과 이소시아네이트의 양을 결정하여 투입한다. 20 kg / hr of spherical natural graphite having an Fe element content of 3000 ppm (0.3 wt%) having a D50 of 18 μm, 1.3 kg / hr of a polyol (SSP-104HC, Aekyung Oil Company) and acetone of 3.1 kg / kg / hr. Then, isocyanate (JG55K, manufactured by Kumho Mitsui Chemical Co., Ltd.) was fed into the kneading tank at a mixing rate of 2.5 kg / hr while the stirring was in progress. The temperature of the cooling jacket of the kneading machine was set at -15 ° C. (※ At this time, the actual temperature of the dough inside the stirrer was measured at about 7 ° C.) The continuous drying conveyor belt type hot air dryer was used. Lt; 0 &gt; C, followed by drying and curing reaction for 15 minutes to obtain a spherical graphite carbon composite coated with a thermosetting resin. The resulting carbon composite material was heat-treated at 900 캜 in a nitrogen atmosphere to prepare a negative electrode active material having a non-graphitizable carbon layer having a thickness of about 15 nm. The properties of the prepared negative electrode active material were measured and are shown in Table 2 below. The amount of polyol and isocyanate is determined by setting the carbonization yield of graphitizable carbon to 30%.

[실시예 2 ~ 5]  [Examples 2 to 5]

하기 표 1에 나타난 바와 같이, 각각 Fe 함량이 다른 천연흑연을 사용하거나 Fe / M+Fe 값이 다른 천연흑연을 사용한 것을 제외하고 실시예 1와 동일하게 실시하여 음극 활물질을 제조하였다. 제조된 음극 활물질의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 난연화성 탄소의 탄화수율은 실시예 1과 동일하게 설정하여 실시하였다. As shown in the following Table 1, negative electrode active materials were prepared in the same manner as in Example 1, except that natural graphite having different Fe contents was used or natural graphite having different Fe / M + Fe value was used. The properties of the prepared negative electrode active material were measured and are shown in Table 2 below. The carbonization yield of the flammable carbon was set in the same manner as in Example 1.

[비교예 1] [Comparative Example 1]

하기 표 1에 나타난 바와 같이, 임펠러 방식 교반기에 D50이 18㎛이고 Fe 원소 함량이 3000ppm(0.3 중량%)인 구형 천연흑연을 10kg과 탄화수율이 65%이며 평균입경이 약 2um로 미분쇄된 석유계 피치를 0.65kg동시 투입하여 150rpm으로 30분간 혼합하여 피치 미분말이 고르게 분포한 흑연피치 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체는 질소분위기에서 700℃에서 1차 열처리하고, 1250℃에서 2차 열처리하여 이흑연화성 탄소층이 형성된 음극 활물질을 제조하였다. 이연화성 탄소의 전구체인 핏치는 탄화수율 64%로 설정하여 투입하였다.10 kg of spherical natural graphite having a D50 of 18 mu m and an Fe element content of 3000 ppm (0.3 wt%), 65% of a carbonization yield and a mean particle size of about 2 [mu] m were impregnated in an impeller type stirrer 0.65 kg of the system pitch were simultaneously introduced and mixed at 150 rpm for 30 minutes to prepare a graphite pitch complex having evenly distributed pitch fine powder. The prepared composite was subjected to a primary heat treatment at 700 ° C in a nitrogen atmosphere and a secondary heat treatment at 1250 ° C to produce a negative electrode active material having a graphitizable carbon layer. The pitch, which is a precursor of the biodegradable carbon, was set at a carbonization yield of 64%.

[비교예 2][Comparative Example 2]

하기 표 1에 나타난 바와 같이, D50이 18㎛이고 Fe 원소 함량이 1 ppm(0.0001중량%)인 구형 천연흑연을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극 활물질을 제조하였다. 제조된 음극 활물질의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 난연화성 탄소의 탄화수율은 실시예 1과 동일하게 설정하여 실시하였다. As shown in the following Table 1, a negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that spherical natural graphite having a D50 of 18 mu m and an Fe element content of 1 ppm (0.0001 wt%) was used. The properties of the prepared negative electrode active material were measured and are shown in Table 2 below. The carbonization yield of the flammable carbon was set in the same manner as in Example 1.

[비교예3-4][Comparative Example 3-4]

하기 표 1에 나타난 바와 같이, 각각 Fe 함량이 다른 천연흑연을 사용하거나 Fe / M+Fe 값이 다른 천연흑연을 사용한 것을 제외하고 실시예 1와 동일하게 실시하여 음극 활물질을 제조하였다. 제조된 음극 활물질의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 난연화성 탄소의 탄화수율은 실시예 1과 동일하게 설정하여 실시하였다. As shown in the following Table 1, negative electrode active materials were prepared in the same manner as in Example 1, except that natural graphite having different Fe contents was used or natural graphite having different Fe / M + Fe value was used. The properties of the prepared negative electrode active material were measured and are shown in Table 2 below. The carbonization yield of the flammable carbon was set in the same manner as in Example 1.

[표 1] [Table 1]

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Figure 112015071689786-pat00001

[실험예 1] 이차전지의제조[Experimental Example 1] Preparation of secondary battery

(a) 전극 제작(a) Electrode Fabrication

상기 제조된 음극 활물질 97 중량부에 SBR(Stylene Butadiene Rubber) 1.5 중량부, CMC(Carboxyl Methyl Cellulose) 1.5 중량부를 첨가하여 증류수를 첨가하며 슬러지 형태로 균일하게 교반하여 구리 호일 상에 균일하게 코팅하였다. 코팅은 닥터블레이드를 사용하여 110㎛로 균일하게 코팅하였고 60℃ 오븐에서 30분간 건조하여 0.6Mpa의 압력으로 프레스를 시행하였다. 호일상의 전극을 넓이 1cm2의 원형으로 펀칭하여 120℃ 진공오븐에서 12시간 건조하였다.  1.5 parts by weight of SBR (Styrene Butadiene Rubber) and 1.5 parts by weight of CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) were added to 97 parts by weight of the negative electrode active material prepared above, and distilled water was added thereto. The mixture was uniformly stirred in a sludge form and uniformly coated on a copper foil. The coating was uniformly coated at 110 μm using a doctor blade, dried in an oven at 60 ° C. for 30 minutes, and pressed at a pressure of 0.6 MPa. A foil-shaped electrode was punched out in a circle of 1 cm 2 in width and dried in a 120 ° C vacuum oven for 12 hours.

(b) 시험 전지의 제작(b) Preparation of test cell

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 음극 활물질은 수계전해질 이차전지의 음극에 사용하였으며, 음극활물질의 충전(리튬삽입) 용량 및 방전(리튬탈리) 용량이 대극의 성능에 영향을 받지 않고 단독적으로 정밀하게 평가하기 위하여 리튬 금속을 대극으로 사용하여 리튬이차전지를 구성하고, 특성을 평가하였다. The negative electrode active material prepared in the above Examples and Comparative Examples was used for the negative electrode of the water-based electrolyte secondary battery, and the charging (lithium insertion) capacity and the discharging (lithium talli) capacity of the negative electrode active material were not influenced by the performance of the counter electrode, The lithium secondary battery was constructed by using lithium metal as a counter electrode to evaluate the characteristics of the secondary battery.

리튬이차전지는 2016사이즈(직경 20mm, 두께 16mm)의 코인형 전지로 아르곤분위기 하의 글로브 박스 내에서 조립되었으며, 1mm두께의 금속 리튬을 코인형 전지캔의 바닥에 압착하였고 그 위에 폴리프로필렌 재질의 분리막을 형성하고, 음극을 리튬과 마주보게 하였다. 이때, 사용된 전해질은 EC(Ethylene Carbonate)와 DMC(Dimethyl Carbonate), EMC(Ethyl Methyl Carbonate)를 부피비 1:1:1로 혼합하여 제조된 용매에 1.2M의 LiPF6 염을 첨가하여 제조된 것으로 코인형 전지에 투입하여 캔 커버를 닿고 압착하여 리튬 이차전지를 조립하였다.A lithium secondary battery was assembled in a glove box of 2016 size (20 mm in diameter, 16 mm in thickness) under an argon atmosphere, and 1 mm thick metallic lithium was squeezed on the bottom of a can of canned battery cell, And the cathode was made to face the lithium. The electrolyte used was prepared by adding 1.2M LiPF6 salt to a solvent prepared by mixing EC (Ethylene Carbonate), DMC (Dimethyl Carbonate) and EMC (Ethyl Methyl Carbonate) at a volume ratio of 1: 1: The battery was put into a doll battery, and the can cover was contacted and pressed to assemble the lithium secondary battery.

(c) 전지 용량 측정(c) Battery capacity measurement

상기 조립된 리튬2차전지에 대한 특성 분석은 TOYO SYSTEM社에서 제조된 TOSCAT-3100 충방전 시험장치를 이용하여 정전류-정전압법(CCCV)에 의해 25℃에서 충방전을 시행하였다. 여기서 '충전'은 음극에 리튬이 삽입되는 반응으로 코인형 전지의 전압이 낮아지는 반응이고, '방전'은 리튬이 음극에서 탈리되어 대극쪽으로 이동하는 반응으로, 코인형 전지의 전압이 높아지는 반응이다. 또한 여기서 정전류-정전압 조건은 코인형 전지의 전압이 0.05V가 될 때까지 일정한 전류밀도(0.1C 기준)로 충전을 행하고, 그 후에 전압을 유지한 채 전류값이 0.05mA가 될 때까지 일정하게 감소시켜 충전을 진행한다. 이 때 공급한 전기량을 전극의 음극활물질의 중량으로 나눈 값을 음극활물질의 단위중량 당 충전용량(mAh/g)이라 하였다. 충전 종료 후, 10분간 전지의 작동을 멈추고 방전을 시행하였다. 방전은 코인형 전지의 전압이 1.5V가 될 때까지 일정한 전류로 시행하였고, 이 때 방전한 전기량을 전극의 음극활물질의 중량으로 나눈 값을 음극활물질의 단위중량 당 방전용량(mAh/g)이라 하였다. 가역용량은 방전용량으로 정의하였으며 비가역용량은 충전용량에서 방전용량을 뺀 용량으로 계산하였고 효율은 충전용량 대비 방전용량을 퍼센트(%)로 계산하였다. 기본적인 코인형 전지의 특성값은 동일시료로 제작한 동일 전지 3개 이상의 특성값을 평균하여 나타내었다.Characterization of the assembled lithium secondary battery was carried out by charging and discharging at 25 DEG C by a constant current-constant voltage method (CCCV) using a TOSCAT-3100 charging and discharging test apparatus manufactured by TOYO SYSTEM. 'Charging' is a reaction in which lithium is inserted into a cathode, and a 'coin-type battery' is a reaction in which a voltage of a coin-type battery is lowered. . Also, the constant current-constant voltage condition is such that the charging is performed at a constant current density (0.1 C standard) until the voltage of the coin-type battery becomes 0.05 V, and then the constant current And the charging is continued. The value obtained by dividing the amount of electricity supplied at this time by the weight of the negative electrode active material of the electrode was defined as a charging capacity per unit weight (mAh / g) of the negative electrode active material. After completion of charging, the battery was stopped for 10 minutes and discharged. The discharge was carried out at a constant current until the voltage of the coin-type battery reached 1.5 V, and the discharge capacity (mAh / g) per unit weight of the negative electrode active material was obtained by dividing the discharged electricity by the weight of the negative electrode active material Respectively. The reversible capacity was defined as the discharge capacity. The irreversible capacity was calculated by subtracting the discharge capacity from the charge capacity, and the efficiency was calculated as the discharge capacity (%) in relation to the charge capacity. The characteristics of the basic coin-type battery are shown by averaging three or more characteristic values of the same battery.

(d) 고율 충방전 특성 측정(d) Measurement of high rate charge / discharge characteristic

상기 조립된 리튬2차전지에 대한 고율 충방전 특성 분석은 (c)와 동일하게 정전류-정전압법(CCCV)에 의해 25℃에서 시행하였다. 고율 충방전 특성은 충방전시의 전류밀도를 변화시켜,공급 또는 방전되는 일정한 전류밀도를 사이클 별로 증가시켜 그 전류밀도에서 충방전되어 측정되는 용량(mAh/g)으로 나타내었다.The high rate charge / discharge characteristics of the assembled lithium secondary battery were analyzed at 25 DEG C by the constant current-constant voltage method (CCCV) in the same manner as in (c). The high rate charge / discharge characteristics are expressed by the capacity (mAh / g) measured by charging / discharging at the current density by changing the current density during charging / discharging and increasing the constant current density supplied / discharged cycle by cycle.

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 음극활물질의 초기충방전 용량과 효율을 측정하여 하기의 표 2에 나타내었다.The initial charge / discharge capacities and efficiencies of the negative electrode active materials prepared in the above Examples and Comparative Examples were measured and shown in Table 2 below.

[표 2] [Table 2]

Figure 112015071689786-pat00002
Figure 112015071689786-pat00002

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질에 사용된 천연흑연의 SEM 사진이며, 도 2는 금속이 도핑된 천연흑연의 단면을 촬영한 SEM 사진이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질을 촬영한 SEM 사진이다. FIG. 1 is a SEM photograph of a natural graphite used in an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a SEM photograph of a section of a natural graphite doped with a metal. 3 is an SEM photograph of a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타난 바와 같이, 층상구조의 천연흑연의 조직 사이로 Fe 및 기타 금속이 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Fig. 2, it was confirmed that Fe and other metals were observed between the structures of the layered natural graphite.

이러한 천연 흑연을 열경화성 수지를 코팅하여 소성하여 균일한 난흑연화성 탄소층을 형성함으로써, 금속 입자의 노출 또는 용출을 방지하여 내구성 및 초기 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. The natural graphite is coated with a thermosetting resin and fired to form a uniform non-graphitizable carbon layer, thereby preventing exposure or elution of the metal particles, thereby improving durability and initial charge / discharge efficiency.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 음극 활물질은 기존 소성공정 온도에 비해 낮은 온도에서 열처리하였음에도 불구하고 전지 용량 및 초기 충방전 효율이 우수한 특징을 보이는 것을 알 수 있었다. As shown in Table 2, the anode active material prepared according to Examples 1 to 5 exhibited excellent battery capacity and initial charge / discharge efficiency despite the heat treatment at a lower temperature than the conventional firing process temperature.

반면, 비교예 1은 파우더 상태로 혼합되는 관계로 피치의 코팅효율성이 액상공정으로 코팅되는 열경화성 수지에 비해 좋지 않아 비가역 용량이 증가, 초기 충방전 효율이 저하되는 것을 알 수 있었으며, 비교예 2는 천연흑연 내에 Fe 원소의 부재로 인하여, H/C ratio 가 증가하며, 이에 따른 초기 비가역 반응의 증가로 초기 충방전 효율이 저하되는 것을 알 수 있었다. On the other hand, in Comparative Example 1, since the coating efficiency of the pitch was mixed with the powder state, the irreversible capacity was increased and the initial charge / discharge efficiency was lower than that of the thermosetting resin coated with the liquid phase process. It was found that the H / C ratio was increased due to the absence of Fe element in the natural graphite, and the initial charge / discharge efficiency was lowered due to the increase of the initial irreversible reaction.

또한, 비교예 3은 천연흑연 내에 Fe 원소가 과량 함유되어, 전반적으로 금속 함량이 높아 전지 용량이 낮고, 금속입자가 전해액 상으로 노출되어 초기 충방전 효율이 저하되는 것을 알 수 있었으며, 비교예 4는 천연흑연 내에 Fe 원소의 함량이 적절하더라도 Fe/M+Fe 비율이 너무 작을 경우, 금속 간 결합에 의한 Fe 작용면적이 감소하여 효과적인 촉매효과를 기대하기 어려우며, 전지 용량이 감소하는 문제가 나타나는 것을 알 수 있었다. In addition, in Comparative Example 3, it was found that the excessive charge of Fe element was contained in the natural graphite, the battery capacity was low due to the high metal content as a whole, and the initial charging / discharging efficiency was lowered due to the metal particles being exposed to the electrolyte solution. , It is difficult to expect an effective catalytic effect due to reduction of the Fe action area due to intermetallic bonding when the Fe / M + Fe ratio is too small even if the content of Fe element is appropriate in the natural graphite, Could know.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be clear to those who have knowledge of.

Claims (10)

폴리올 조성물 및 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물을 Fe 함유 천연흑연계 입상소재의 표면에 코팅하여 경화시킨 열경화성 수지로 코팅된 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 포함하며,
상기 천연흑연계 입상소재는 Fe 원소를 0.05 내지 0.8중량% 함유하고, 상기 탄소복합체는 상기 입상소재 표면에 평균두께가 3 내지 30nm로 탄소화시킨 난흑연화성 탄소층이 형성된 것인 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
Based natural graphite-based granular material coated with a thermosetting resin obtained by coating a thermosetting resin composition comprising a polyol composition and an isocyanate-based compound on the surface of an Fe-containing natural graphite-based granular material and curing the resultant mixture is heat-treated in an inert gas atmosphere to form carbon &Lt; / RTI &gt;
Wherein the natural graphite-based granular material contains Fe element in an amount of 0.05 to 0.8 wt%, and the carbon composite material has a non-graphitizable carbon layer formed by carbonizing an average thickness of 3 to 30 nm on the surface of the granular material Negative electrode active material for rechargeable lithium secondary battery.
제 1항에 있어서,
상기 천연흑연계 입상소재는 Fe 원소를 0.1 내지 0.5중량% 함유하는 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the natural graphite based granular material contains 0.1 to 0.5% by weight of an Fe element as an anode active material for an Fe-containing natural graphite based lithium secondary battery.
제 1항에 있어서,
상기 천연흑연계 입상소재는 하기 식 1을 만족하는 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
0.4 ≤ Fe / M + Fe ≤ 1.0 [식 1]
(상기 식 1에서 Fe는 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 Fe 원소의 함량(ppm)이고, M은 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 철을 제외한 금속 원소의 함량(ppm)으로, M+Fe는 상기 천연흑연계 입상소재에 함유된 금속원소의 총량(ppm)이다.)
The method according to claim 1,
Wherein the natural graphite-based granular material satisfies the following formula (1).
0.4? Fe / M + Fe? 1.0 [Formula 1]
(Wherein Fe is the content (ppm) of Fe element contained in the natural graphite-based granular material, M is the content (ppm) of the metal element excluding iron contained in the natural graphite- Fe is the total amount (ppm) of the metal elements contained in the natural graphite-based granular material.)
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 열경화성 수지는 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트를 포함하는 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosetting resin comprises a polyurethane and a polyisocyanurate.
제 1항에 있어서,
상기 열경화성 수지는 전체 음극 활물질에 대하여, 3 내지 35 중량%를 포함하는 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosetting resin comprises 3 to 35% by weight based on the total weight of the negative active material, and the thermosetting resin is a negative active material for an Fe-containing natural graphite based lithium secondary battery.
제 1항 내지 제 3항, 제 5항 및 제 6항 중에서 선택되는 어느 한 항의 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a negative electrode active material for a Fe-containing natural graphite based lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, 5 and 6. 제 7항에 있어서,
상기 리튬 이차전지의 비가역 용량은 26 내지 29 mAh/g 이며, 가역용량은 359 내지 365 mAh/g인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the irreversible capacity of the lithium secondary battery is 26 to 29 mAh / g and the reversible capacity is 359 to 365 mAh / g.
폴리올 조성물 및 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 열경화성 수지 조성물을 Fe 함유 천연흑연계 입상소재의 표면에 코팅하여 경화시킨 열경화성 수지로 코팅된 Fe 함유 천연흑연계 입상소재를 비활성기체 분위기 하에서 열처리하여 탄소화시킨 탄소복합체를 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 천연흑연계 입상소재는 Fe 원소를 0.05 내지 0.8중량% 함유하고, 상기 열경화성 수지 조성물은 전체 음극 활물질에 대하여, 3 내지 35중량%를 포함하여 상기 입상소재 표면에 평균두께가 3 내지 30nm로 탄소화시킨 난흑연화성 탄소층을 형성하는 것인 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
Based natural graphite-based granular material coated with a thermosetting resin obtained by coating a thermosetting resin composition comprising a polyol composition and an isocyanate-based compound on the surface of a Fe-containing natural graphite-based granular material and curing the resultant mixture is heat-treated in an inert gas atmosphere to form carbon &Lt; / RTI &gt;
Wherein the natural graphite based granular material contains 0.05 to 0.8% by weight of an Fe element, and the thermosetting resin composition contains 3 to 35% by weight based on the total of the negative electrode active material, and has an average thickness of 3 to 30 nm Wherein the non-graphitizable carbon layer is formed on the surface of the non-graphitizable carbon layer.
제 9항에 있어서,
상기 열처리 온도는 700 내지 1,300℃인 Fe 함유 천연흑연계 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the annealing temperature is 700 to 1,300 DEG C. 5. A method for producing an anode active material for a Fe-containing natural graphite based lithium secondary battery,
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