KR101746424B1 - Electrode Material, Manufacturing Method Thereof and Secondary Battery Using the Same - Google Patents

Electrode Material, Manufacturing Method Thereof and Secondary Battery Using the Same Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 전극 소재 및 이의 제조방법, 이를 이용한 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 규소의 부피팽창을 효과적으로 억제할 수 있으며, 수명특성이 향상된 전극 소재 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 또한 이를 이차전지에 응용하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 불산과 같은 인체에 유해한 물질을 사용하지 않으면서도 다공성 구조를 갖는 탄소-규소 화합물을 구현할 수 있으며, 이로 인하여 규소의 부피 팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 전극 소재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제조방법을 통해 제조된 전극 소재는 충방전 용량과 수명 특성을 동시에 향상시킬 수 있어, 이차전지, 커패시터, 전기자동차, 플렉시블 전자기기 등에 응용이 가능하다.
The present invention relates to an electrode material, a manufacturing method thereof, and a secondary battery using the electrode material. More particularly, the present invention relates to an electrode material capable of effectively suppressing the volume expansion of silicon and having improved lifetime characteristics, The present invention also relates to a technique for applying the same to a secondary battery.
According to the present invention, there is provided an electrode material capable of realizing a carbon-silicon compound having a porous structure without using a harmful substance such as hydrofluoric acid, thereby effectively suppressing the volume expansion of silicon, and a method for manufacturing the electrode material can do.
Also, the electrode material manufactured through the above-described method can improve the charge / discharge capacity and the life characteristics at the same time, and can be applied to a secondary battery, a capacitor, an electric vehicle, a flexible electronic device, and the like.

Description

전극 소재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 이차전지{Electrode Material, Manufacturing Method Thereof and Secondary Battery Using the Same}Technical Field [0001] The present invention relates to an electrode material, a method of manufacturing the electrode material, and a secondary battery using the electrode material.

본 발명은 전극 소재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 규소의 부피팽창을 효과적으로 억제할 수 있으며, 수명특성이 향상된 전극 소재 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 또한 이를 이차전지에 응용하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to an electrode material, a method of manufacturing the electrode material, and a secondary battery using the electrode material. More particularly, the present invention relates to an electrode material capable of effectively suppressing the volume expansion of silicon and having an improved life characteristic, The present invention relates to a technology applied to a battery.

일반적으로 리튬 이차 전지는 현재 스마트폰과 같은 소형 전자 기기 구동형 전원에서 신재생 에너지 저장 시스템과 같은 대형 시스템까지 그 영역을 확대해 가고 있을 뿐만 아니라, 의료 로봇, 드론과 같은 인간의 편의성을 도모하거나 인간이 할 수 없는 극한 상황에서의 작업이 가능한 로봇들에 대한 에너지 저장원으로서 그 역할이 대두되고 있다. 따라서 리튬이차전지 기술은 인간의 생활에 지대한 변화를 가져올 수 있으며, 더욱 큰 규모에서는 스마트 그리드(Smart grid)와 같이 국가 전력망의 혁신을 가능케 할 만큼 향후 그 중요성이 더욱 증대될 것이다. 종래에는 372mAh/g의 중량당 이론 용량을 갖는 흑연을 리튬이차전지의 주 음극 소재로 채용하고 있지만 낮은 이론 용량으로 인하여 흑연을 음극 활물질로 하는 리튬이차전지는 기존의 전자기기 뿐만 아니라 최근 부상하고 있는 낮은 질량과 작은 부피가 요구되는 플렉서블 디바이스(Flexible device)와 웨어러블 디바이스(Wearable device)에 적합하지 않다. 또한 내연 기관을 채용한 자동차와 같은 이동 수단의 1회 충전 시 이동할 수 있는 거리를 현재 수준의 리튬 이차 전지를 채용한 전기자동차로는 만족시킬 수 없다. 따라서 전지의 충전 시에 리튬과 합금(Alloying)이 되는 리튬화에 의하여 에너지를 저장하고 방전 시에는 리튬과 탈합금(Dealloying)이 되는 탈리튬화에 의하여 에너지를 방출하여 고용량을 발현할 수 있는 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge)과 같은 음극 활물질이 리튬이차전지의 고에너지 밀도를 가능케 할 수 있는 중요한 소재로 큰 관심을 받고 있다. 다만, 상기 합금화 및 탈합금화에 의하여 에너지의 저장과 방출이 가능한 물질의 경우, 리튬화 및 탈리튬화 시 발생하는 부피의 팽창과 수축으로 인하여 충방전에 따라 용량이 감소하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 유력한 방법 중 하나로 전기화학적으로 안정하여 비활성 물질과 상기 리튬과 합금화 할 수 있는 물질의 화합물을 제조하여 전극 물질로 사용하여 고용량을 발현하는 리튬이차전지의 수명 특성 향상을 도모하고 있다.Generally, lithium secondary batteries are currently expanding from small-sized electronic devices such as smart phones to large-scale systems such as renewable energy storage systems, as well as promoting human convenience such as medical robots and drones The role of robot as an energy storage source for robots that can work in extreme situations that can not be done by humans is emerging. Therefore, lithium secondary battery technology can bring about a great change in human life, and on a larger scale, it will become more important in the future to enable innovation of national power grid like smart grid. Conventionally, graphite having a theoretical capacity per unit weight of 372 mAh / g is used as a main anode material for a lithium secondary battery, but lithium secondary batteries using graphite as an anode active material due to a low theoretical capacity have been recently developed It is not suitable for a flexible device and a wearable device requiring a low mass and a small volume. In addition, the distance that a moving means such as an automobile employing an internal combustion engine can be moved at the time of one charging can not satisfy an electric vehicle employing a current lithium secondary battery. Therefore, it is possible to store energy by lithium ionization which becomes an alloy with lithium at the time of charging the battery, and silicone which can release energy by releasing energy by de-lithization at the time of discharging to become lithium and dealloying. An anode active material such as silicon (Si), tin (Sn), and germanium (Ge) is attracting great attention as an important material that can enable high energy density of a lithium secondary battery. However, in the case of a material capable of storing and releasing energy by alloying and de-alloying, there is a disadvantage in that capacity is decreased due to expansion and contraction of volume during lithification and de-lithization. One of the possible methods for solving this problem is to improve the lifetime characteristics of a lithium secondary battery which exhibits a high capacity by using an electrochemically stable compound of an inactive material and a material capable of alloying with lithium as an electrode material have.

근래에는 규소의 리튬 저장과 방출시 발생하는 부피의 팽창과 수축에 의한 리튬이차전지의 성능 저하를 방지하기 위하여, 전기화학적으로 안정한 비활성 물질을 구조체로 사용하여 규소의 부피 팽창을 억제하는 방법(Active/Inactive)으로, 탄소 또는 금속산화물과 규소 화합물을 생성하거나 합금 또는 금속을 전기 화학적으로 비활성 물질로 변환한 규소 합금을 제조하여 규소의 부피 변화에 대한 영향을 줄이고자 하고 있으나, 규소의 리튬과 합금화시 발생하는 부피의 팽창은 필연적인 것으로 단순히 비활성 물질로 규소를 감싼다고 하여 전극의 부피 팽창을 억제할 수가 없다. In recent years, in order to prevent the deterioration of performance of the lithium secondary battery due to the expansion and contraction of the volume caused by the storage and release of lithium in the silicon, an electrochemically stable inactive material is used as a structure to suppress the volume expansion of silicon / Inactive), it is attempted to reduce the influence of changes in the volume of silicon by producing carbon or metal oxide and silicon compound or by producing a silicon alloy in which an alloy or metal is converted into an electrochemically inactive material. However, It is inevitable that the expansion of the volume occurs simply by covering the silicon with an inactive material, so that the volume expansion of the electrode can not be suppressed.

특히, 아크 멜팅과 멜트 스피닝법에 의하여 얻은 규소 합금의 입자 내에는 어떠한 기공도 포함하지 않으므로 규소의 부피 팽창 분은 고스란히 상기 아크 멜팅과 멜트 스피닝법에 의하여 얻은 규소 합금 입자 전체의 부피 팽창으로 이어진다. 즉, 규소를 감싸 안으며 부피 팽창을 억제하기를 기대하였던 전기화학적인 비활성 합금 또는 금속이 붕괴되는 결과를 가져오게 되어 그 효과를 기대하기 어렵다. 탄소와 규소의 화합물의 경우, 구 형태를 갖는 수십 나노 사이즈의 규소 산화물(SiO2)-규소(Si) 화합물 표면에 탄소를 코팅하여 불산(HF)으로 규소 산화물을 제거하여 기공을 확보한 경우가 있으나 나노 스케일의 규소 또는 규소 산화물을 제조하고 인체에 매우 유해한 불산을 사용하는 것은 고비용을 요구하고 환경 친화적이지 않으며 대량생산에 적합하지 않아 실질적인 사용 가능성이 희박한 실정이다. (특허문헌 1, 2)Particularly, since no pores are contained in the particles of the silicon alloy obtained by the arc melting and the melt spinning method, the volume expansion of the silicon leads to the volume expansion of the entire silicon alloy particles obtained by the above-mentioned arc melting and melt spinning. That is, it is difficult to expect the effect of collapsing the electrochemically inactive alloy or metal which is expected to suppress the volume expansion while covering the silicon. In the case of the compound of carbon and silicon, the case where the surface of the silicon oxide (SiO 2 ) -silicon (Si) compound having a spherical shape is coated with carbon and the silicon oxide is removed by hydrofluoric acid (HF) However, the production of nanoscale silicon or silicon oxides and the use of hydrofluoric acid, which is very harmful to human body, are costly, environmentally unfriendly, and unsuitable for mass production. (Patent Documents 1 and 2)

따라서 본 발명은 알칼리 수용액에서의 에칭을 통한 친환경적이며 낮은 비용으로 탄소-규소 화합물에 기공을 제공하여 규소의 부피 팽창과 수축에 효과적으로 대응하여 리튬이차전지의 성능 향상을 이끌었다. 탄소에 형성된 작은 사이즈의 기공은 탄소 구조체의 구조적 안정성을 부과할 수 있고 규소가 에칭되어 발생한 탄소 구조체 내의 기공들은 전해액을 통한 리튬 이온들이 입자 내부까지 수월하게 이동할 수 있게 하는 역할을 한다. 또한 입자 내 기공은 규소의 부피 팽창분을 흡수하여 입자 전체적인 팽창을 억제하는 효과를 가져 올 것이다.
Accordingly, the present invention provides pores in a carbon-silicon compound at an environmentally-friendly and low cost through etching in an aqueous alkaline solution, thereby effectively improving the volume expansion and contraction of silicon, thereby improving the performance of the lithium secondary battery. Small pores formed on the carbon can impose the structural stability of the carbon structure, and the pores in the carbon structure formed by the etching of the silicon serve to allow the lithium ions through the electrolyte to move easily to the inside of the particles. In addition, the pores in the particles will absorb the bulk expansion of the silicon, thereby suppressing the expansion of the particles as a whole.

특허문헌 1. 한국공개특허 제10-2012-0010211호Patent Document 1. Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0010211 특허문헌 2: 한국공개특허 제10-1419280호Patent Document 2: Korean Patent Publication No. 10-1419280

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 불산과 같은 인체에 유해한 물질을 사용하지 않으면서도 다공성 구조를 갖는 탄소-규소 화합물을 구현할 수 있어, 규소의 부피 팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 전극 소재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a carbon-silicon compound having a porous structure without using harmful substances such as hydrofluoric acid, And to provide a method of manufacturing the electrode material.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 전극 소재를 포함하여 충방전 용량과 수명 특성이 동시에 향상된 이차전지를 제공하고자 하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a secondary battery including the electrode material and having improved charging / discharging capacity and life characteristics at the same time.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 규소 입자 및 상기 규소 입자를 둘러싸는 탄소 구조체를 포함하며, 상기 탄소 구조체는 규소 입자가 일부 에칭되어 형성된 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 소재를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrode material comprising silicon particles and a carbon structure surrounding the silicon particles, wherein the carbon structure has pores formed by partially etching the silicon particles.

상기 탄소 구조체는 직경이 250nm 이하인 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.The carbon structure has pores having a diameter of 250 nm or less.

또한, 본 발명은 (A) 규소 입자를 볼 밀링하는 단계, (B) 상기 볼 밀링된 규소 입자에 탄소 전구체를 투입하여 탄소-규소 화합물을 제조하는 단계, (C) 상기 탄소-규소 화합물에 염기성 용액을 투입하여 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a process for producing a carbon-silicon compound, comprising the steps of (A) ball milling silicon particles, (B) adding a carbon precursor to the ball-milled silicon particles to produce a carbon- And a step of applying a solution to the electrode material and etching the electrode material.

상기 염기성 용액은 NaOH, KOH, LiOH, Zn(OH)2, Mg(OH)2, RbOH 및 Ca(OH)2 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The basic solution is characterized in that NaOH, KOH, LiOH, Zn ( OH) 2, Mg (OH) 2, RbOH , and Ca (OH) at least one member selected from among 2.

상기 염기성 용액의 몰 농도(M)는 3 이하인 것을 특징으로 한다.And the molar concentration (M) of the basic solution is 3 or less.

상기 탄소 전구체는 카본 블랙, 피치, 폴리도파민, 폴리아크로니트릴, 폴리염화비닐, 폴리비닐알코올 및 에폭시 수지 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.Wherein the carbon precursor is at least one selected from carbon black, pitch, polydopamine, polyacronitrile, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, and epoxy resin.

상기 규소와 탄소 전구체는 8 : 2 내지 2 : 8의 중량비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.The silicon and the carbon precursor are mixed in a weight ratio of 8: 2 to 2: 8.

상기 (A) 단계는 비활성 기체 분위기하에서 20 내지 50시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.The step (A) is performed under an inert gas atmosphere for 20 to 50 hours.

상기 (A) 단계는 규소 입자의 중량 대비 10 내지 30배의 철 볼을 투입하여 수행되는 것을 특징으로 한다.Wherein the step (A) is performed by charging iron balls 10 to 30 times the weight of the silicon particles.

상기 (B)단계는 탄소-규소 화합물을 500 내지 1200℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 한다.The step (B) is performed by heat-treating the carbon-silicon compound at a temperature of 500 to 1,200 ° C for 1 to 5 hours.

상기 열처리 온도는 1 내지 10℃/min의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 한다.The heat treatment temperature is elevated at a rate of 1 to 10 ° C / min.

상기 (C) 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.And the step (C) is performed for 1 to 3 hours.

상기 제조방법은 상기 탄소-규소 화합물을 산성 용액으로 처리하여 중화시키는 (D) 단계 및 상기 중화된 탄소-규소 화합물을 여과 및 건조하는 (E)단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include (D) treating the carbon-silicon compound with an acidic solution to neutralize the carbon-silicon compound, and (E) filtering and drying the neutralized carbon-silicon compound.

또한, 본 발명은 상기 제조방법을 통해 제조된 전극 소재를 포함하는 이차전지, 커패시터, 전기자동차, 플레시블 또는 웨어러블 전자기기를 제공한다.
The present invention also provides a secondary battery, a capacitor, an electric vehicle, a flexible or wearable electronic device including the electrode material manufactured through the above-described manufacturing method.

본 발명에 따르면, 불산과 같은 인체에 유해한 물질을 사용하지 않으면서도 다공성 구조를 갖는 탄소-규소 화합물을 구현할 수 있으며, 이로 인하여 규소의 부피 팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 전극 소재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided an electrode material capable of realizing a carbon-silicon compound having a porous structure without using a harmful substance such as hydrofluoric acid, thereby effectively suppressing the volume expansion of silicon, and a method for manufacturing the electrode material can do.

또한, 상기 제조방법을 통해 제조된 전극 소재는 충방전 용량과 수명 특성을 동시에 향상시킬 수 있어, 이차전지, 커패시터, 전기자동차, 플렉시블 전자기기 등에 응용이 가능하다.
Also, the electrode material manufactured through the above-described method can improve the charge / discharge capacity and the life characteristics at the same time, and can be applied to a secondary battery, a capacitor, an electric vehicle, a flexible electronic device, and the like.

도 1은 볼 밀링한 후의 규소 입자를 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 5.0×103의 배율이고, (b)는 1.5×105의 배율을 나타낸다.
도 2는 제조예 1의 탄소-규소 화합물의 입자를 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지이다.((a)는 5.0×103의 배율이고, (b)는 1.5×105의 배율을 나타낸다.)
도 3은 실시예 1의 전극 소재를 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지이다.((a)는 5.0×103의 배율이고, (b)는 1.5×105의 배율을 나타낸다.)
도 4는 제조예 1의 탄소-규소 화합물 입자의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5는 제조예 1의 탄소-규소 화합물 입자의 단면 일부를 주사전자현미경으로 원소 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.[(a) 분석지점, (b) 원소비율]
도 6은 실시예 1의 전극 소재의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7은 실시예 1의 전극 소재의 단면 일부를 주사전자현미경으로 원소 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.[(a) 분석지점, (b) 원소비율]
도 8은 제조예 1의 탄소-규소 화합물과 실시예 1의 다공성 전극 소재를 열분석(Thermogravimetry Analysis, TGA)하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 제조예 1의 탄소-규소 화합물과 실시예 1의 다공성 전극 소재에 대한 기공도를 측정한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 질소 가스의 흡착력을 테스트한 결과이며, (b)는 기공의 크기와 분포도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 10은 비교예 1과 실시예 2의 이차 전지에 대한 충방전 용량을 측정한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 첫 번째 싸이클에서의 결과를 나타내며, (b)는 100 싸이클을 실시하였을 때 충방전 용량을 측정한 결과를 나타낸다.
도 11은 비교예 1과 실시예 2의 이차 전지에 대한 충방전을 실시하여, 실시 전(Pristine), 리튬화(Lithiated) 및 탈리튬화(De-lithiated)되었을 때의 전극 소재의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지(×100㎛)로, (a)는 비교예 1이고, (b)는 실시예 2를 나타낸다.
1 is an image showing a result of observation of a silicon particle after ball milling with a scanning electron microscope (SEM), wherein (a) shows a magnification of 5.0 × 10 3 , (b) shows a magnification of 1.5 × 10 5 Represents the magnification.
Figure 2 is the carbon of Preparation 1 to an image showing a result of observation of the particles of the silicon compound with a scanning electron microscope ((a) is a ratio of 5.0 × 10 3, (b) has a magnification of 1.5 × 10 5 .
3 is an image showing a result of observing the electrode material of Example 1 with a scanning electron microscope ((a) shows a magnification of 5.0 × 10 3 , and FIG. 3 (b) shows a magnification of 1.5 × 10 5 ).
4 is an image showing a result of observation of a cross section of the carbon-silicon compound particle of Production Example 1 with a scanning electron microscope.
5 is a graph showing the result of elemental analysis of a part of a cross section of the carbon-silicon compound particle of Production Example 1 by a scanning electron microscope. [(A) Analysis point, (b)
6 is an image showing a result of observation of a cross section of the electrode material of Example 1 by a scanning electron microscope.
7 is a graph showing the result of elemental analysis of a part of a cross section of the electrode material of Example 1 by a scanning electron microscope. [(A) Analysis point, (b) Elemental ratio]
8 is a graph showing the results of thermogravimetry analysis (TGA) of the carbon-silicon compound of Production Example 1 and the porous electrode material of Example 1.
FIG. 9 is a graph showing the results of measurement of the porosity of the carbon-silicon compound of Production Example 1 and the porous electrode material of Example 1. FIG. 9 (a) The size and distribution of pores are measured.
FIG. 10 is a graph showing the results of measurement of charge / discharge capacities of secondary batteries of Comparative Example 1 and Example 2. FIG. 10 (a) shows the results in the first cycle, and FIG. 10 And the results of measurement of charge / discharge capacity are shown.
Fig. 11 is a graph showing the results of the charge / discharge of the secondary batteries of Comparative Example 1 and Example 2, and showing the cross section of the electrode material when it was subjected to Pristine, Lithiated and De-lithiated (A) shows Comparative Example 1, and (b) shows Example 2 with an image (x 100 탆) showing the result of observation with an electron microscope.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 규소 입자와 상기 규소 입자를 둘러싸는 탄소 구조체를 포함하며, 상기 탄소 구조체는 규소 입자보다 큰 기공도를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 소재에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode material comprising a silicon particle and a carbon structure surrounding the silicon particle, wherein the carbon structure has a porosity greater than that of the silicon particle.

상기 탄소 구조체는 직경이 250nm 이하인 기공을 갖는 것을 특징으로 하는데, 바람직하게는 직경이 50 내지 250nm인 크기의 기공을 갖는 것이다. 상기 기공의 직경이 50 nm미만이면 탄소의 비표면적이 증가하여 표면에서 발생하는 비가역 반응(Solid electrolyte interface)량이 많아지게 되고 초기효율이 낮아지게 된다. 또한 싸이클이 진행됨에 따라 축적된 표면의 부산물들이 기공을 채워 Li+ 의 이동을 방해하거나 막을 수 있는데, 이는 곧 충방전 속도(Rate capability)의 저하 및 이용 가능한 규소의 감소를 초래하게 되어 바람직하지 않으며, 250nm를 초과하는 경우에는 충전과 방전 시 규소 입자의 규열 및 파열이 발생하지 않는 임계 범위를 초과하므로 규소의 분쇄(Pulverization)를 탄소 구조체가 억제할 수 없게 되는데, 이는 규소 입자들 사이 또는 규소입자와 카본 사이의 전기적 단락을 유발하게 되고 싸이클 특성의 저하로 직결되어 바람직하지 않다. The carbon structure is characterized by having pores having a diameter of 250 nm or less, preferably pores having a diameter of 50 to 250 nm. If the diameter of the pores is less than 50 nm, the specific surface area of carbon increases and the amount of the solid electrolyte interface generated on the surface increases, and the initial efficiency decreases. Also, as the cycle progresses, the by-products of the accumulated surface fill up the pores to interfere with or prevent the migration of Li + , which is undesirable as it will result in a decrease in rate capability and a reduction in available silicon If the thickness exceeds 250 nm, the carbon structure will not be able to suppress the pulverization of silicon because it exceeds the critical range at which the silicon particles and rupture of the silicon particles do not occur during charging and discharging, And short-circuiting between the carbon and the carbon.

즉, 상기 탄소 구조체는 상기 규소 입자를 둘러싸는 구조로 이루어지며, 상기 전극 소재의 구조체 역할을 한다.That is, the carbon structure has a structure surrounding the silicon particles, and serves as a structure of the electrode material.

상기 탄소 구조체는 카본 블랙, 피치, 폴리도파민(Poly-dopamine), 폴리아크로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 및 에폭시 수지(Epoxy resin) 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 처리(Anenaling)를 통하여 탄화(Carbonization)가 가능한 유기 전구체 물질이라면 모두 사용이 가능하다.The carbon structure may be one selected from the group consisting of carbon black, pitch, poly-dopamine, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol and epoxy resin However, the present invention is not limited thereto, and any organic precursor material capable of carbonization through ananalization can be used.

특히, 상기 전극 소재는 염기성 용액을 이용한 화학적 에칭을 통해 보다 미세한 기공을 형성할 수 있는데, 상기 탄소 구조체는 구조체 역할을 하여 충방전이 수차례 실시되어도 그 구조, 즉 기공을 유지하여 전지의 수명 특성을 향상시키는데 효과적이다.Particularly, the electrode material can form finer pores through chemical etching using a basic solution. The carbon structure serves as a structure to maintain the structure, that is, the pore structure, . ≪ / RTI >

이러한 효과는 본 발명의 일 구현예에 따른 실시예 2의 이차전지에 대한 충방전 용량 측정결과를 나타낸 도 10을 통해 확인할 수 있는데, 도 10에서 보는 바와 같이, 실시예 2의 경우에는 100 싸이클 이후에도 충방전 용량의 감소가 미미한 것을 알 수 있다. 즉, 이는 전지의 수명 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다.10, which shows the charge-discharge capacity measurement results of the secondary battery according to Example 2 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, in the case of Example 2, after 100 cycles It can be seen that the decrease in charge / discharge capacity is insignificant. That is, it can be confirmed that the life characteristics of the battery are improved.

상기 전극 소재는 BET식에 의한 비표면적이 100 내지 150m2/g인 것을 특징으로 한다.The electrode material has a specific surface area of 100 to 150 m 2 / g as measured by a BET method.

또한 본 발명은 (A) 규소 입자를 볼 밀링하는 단계, (B) 상기 볼 밀링된 규소 입자에 탄소 전구체를 투입하여 탄소-규소 화합물을 제조하는 단계, (C) 상기 탄소-규소 화합물에 염기성 용액을 투입하여 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also provides a process for producing a carbon-silicon compound, comprising the steps of (A) ball milling silicon particles, (B) adding a carbon precursor to the ball milled silicon particles to produce a carbon- And then etching the electrode material.

상기 제조방법은 상기 탄소-규소 화합물을 산성 용액으로 처리하여 중화시키는 (D) 단계 및 상기 중화된 탄소-규소 화합물을 여과 및 건조하는 (E)단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.The method may further include (D) treating the carbon-silicon compound with an acidic solution to neutralize the carbon-silicon compound, and (E) filtering and drying the neutralized carbon-silicon compound.

본 발명은 규소 입자를 볼 밀링하여 거대 사이즈(Bulk)의 규소를 미세화시키고, 이렇게 미세화된 규소 입자를 탄소 구조체로 둘러싸도록 형성하여, 상기 규소 입자를 집적시킨 후에 염기성 수용액으로 일부 규소 입자를 에칭하여 탄소 구조체에 기공을 형성하여, 다공성 구조를 가지는 탄소-규소 화합물을 구현할 수 있다.The present invention is characterized in that silicon particles are ball-milled to miniaturize silicon of a large size, and the thus formed silicon particles are formed so as to surround the silicon structure, the silicon particles are accumulated and then some silicon particles are etched with a basic aqueous solution It is possible to form a carbon-silicon compound having a porous structure by forming pores in the carbon structure.

이러한 다공성 구조를 갖는 탄소는 규소의 부피 팽창을 억제하는데 효과적이며, 특히 본 발명에서는 상기 제조방법을 이용하여 불산과 같은 인체에 유해한 물질을 사용하지 않으면서도 농도가 낮은 염기성 용액을 이용하여 다공성 구조를 가지는 규소 입자를 구현할 수 있다.The carbon having such a porous structure is effective for suppressing the volume expansion of silicon. Particularly, in the present invention, the porous structure can be obtained by using the basic solution having a low concentration without using harmful substances such as hydrofluoric acid, Silicon particles can be realized.

상기 (A) 단계는 규소 입자를 볼 밀링하는 단계로, 거대 사이즈(Bulk)의 규소를 미세화하는 단계로, 규소 입자를 볼 밀링하는 전처리 공정을 거치지 않고 탄소 구조체를 투입하여 염기성 용액을 이용한 에칭공정을 실시하게 된다면 탄소-규소 화합물은 형성할 수 있으나, 전지의 충방전 시에 거대한 규소 입자의 크기로 인하여 탄소 구조체가 무너지는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 결국 탄소 구조체가 규소 입자의 부피 팽창을 억제하지 못하므로 종래기술의 문제점을 해결할 수가 없다.The step (A) is a step of ball milling the silicon particles, which is a step of refining the silicon of a large size. The carbon structure is injected without subjecting the silicon particles to a ball milling process and an etching process using a basic solution The carbon-silicon compound can be formed. However, when the battery is charged or discharged, the carbon structure may collapse due to the size of the large silicon particles. This phenomenon can not solve the problems of the prior art because the carbon structure can not suppress the volume expansion of the silicon particles.

따라서, 본 발명은 규소 입자를 볼 밀링하는 전처리 공정 이후에 염기성 용액으로 에칭하는 공정이 함께 이루어져야만 본 발명에 따른 효과를 달성할 수 있는 것이다.Therefore, the present invention can achieve the effects according to the present invention only when the pre-processing for ball milling the silicon particles and the subsequent etching for the basic solution are performed.

구체적으로, 상기 규소는 분말 형태로, 볼 밀링은 상기 규소 분말의 중량 대비 10 내지 30배의 철 볼을 투입하여 수행되는 것이 바람직한데, 상술한 바와 같이 규소 입자의 결정성을 떨어뜨릴 수 있도록 하는 범위로서 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the silicon is preferably in the form of powder, and the ball milling is preferably carried out by introducing iron balls 10 to 30 times the weight of the silicon powder. However, as described above, But is not limited thereto.

상기 볼 밀링은 비활성 기체 분위기하에서 20 내지 50시간 동안 수행되는 것이 더욱 바람직하나, 볼 밀기(Milling machine), 볼 밀 바이알의 재질, 볼 밀 바이알에 투입된 분말 대비 볼 중량(Ball-to-power ratio) 등의 조건에 따라 결과물이 달라지게 되므로 상기 시간 범위에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the ball milling is performed in an inert gas atmosphere for 20 to 50 hours. However, the ball milling machine may be manufactured by a ball milling machine, a material of a ball mill vial, a ball-to-power ratio to a ball mill vial, The result is not limited to the above time range.

다만, 20 시간 미만이면 볼과 규소 입자가 충돌하여 분쇄가 일어나는 사건의 횟수가 충분하지 못하여 투입된 거대(Bulk) 규소가 남아 있을 수 있으며, 50 시간을 초과하는 경우에는 볼 밀 바이알을 구성하는 철(Fe) 등의 원소를 석출시켜 결과물에 불순물이 혼합될 수 있으며, 규소의 사이즈는 볼 밀링 시간을 오래 갖는다고 하여 지속적으로 작아지는 것이 아니라 특정 사이즈로 수렴되므로 50 시간 이내에서 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.However, when the time is less than 20 hours, the ball may collide with the silicon particles, resulting in insufficient number of incidents in which pulverization may occur. Therefore, the loaded silicon may remain, and if it exceeds 50 hours, Fe) may be precipitated and impurities may be mixed in the resultant product. The size of silicon is not continuously decreased because the ball milling time is long, and it is more preferable that the size of silicon is within 50 hours because it converges to a specific size.

또한, 상기 볼 밀링 후에 규소 입자를 용매에 분산시키는 공정을 추가로 실시할 수도 있는데, 상기 용매로서는 증류수 또는 에탄올 등이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 규소 입자를 보다 효율적으로 분산시키기 위하여 수 분 동안 초음파 처리하는 것이 더욱 바람직하다.The ball milling may further include a step of dispersing the silicon particles in a solvent. The solvent may be distilled water or ethanol, but is not limited thereto. It is more preferable to perform ultrasonic treatment for several minutes in order to more efficiently disperse the silicon particles.

상기 (B) 단계는 상기 규소 입자에 탄소 전구체를 투입하여 탄소-규소 화합물을 제조하는 단계로, 상기 탄소-규소 화합물을 500 내지 1200℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하여 제조되는 것이 바람직하다.The step (B) is a step of preparing a carbon-silicon compound by injecting a carbon precursor into the silicon particle, and the carbon-silicon compound is preferably prepared by heat-treating the carbon-silicon compound at 500 to 1200 ° C for 1 to 5 hours .

상기 열처리는 유기 원료물질을 탄화시켜 탄소 구조체를 형성하고 규소 입자를 집적하는 역할을 하며, 상기 열처리 온도에 도달하기 위하여 승온시키는 속도는 1 내지 10℃/min인 것이 바람직하다.The heat treatment is performed by carbonizing the organic raw material to form a carbon structure and accumulating the silicon particles, and the rate of raising the temperature to reach the heat treatment temperature is preferably 1 to 10 ° C / min.

상기 규소와 탄소 전구체는 8 : 2 내지 2 : 8의 중량비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우에는 상대적으로 탄소 전구체의 양이 너무 적거나 많게 되는 문제점이 발생할 수 있는데, 상기 탄소 전구체의 양이 너무 적을 경우에는 규소 입자를 응집시키기 어려운 문제점을 가지며, 탄소 전구체의 양이 너무 많을 경우에는 용량이 크게 감소되어 바람직하지 않다.The silicon and the carbon precursor are preferably mixed in a weight ratio of 8: 2 to 2: 8. If the amount of the carbon precursor is too small, it is difficult to aggregate the silicon particles. When the amount of the carbon precursor is too large, In many cases, the capacity is greatly reduced, which is undesirable.

상기 (C) 단계는 상기 탄소-규소 화합물에 염기성 용액을 투입하여 초음파 처리하는 단계로, 상기 탄소-규소 화합물 내에 더욱 미세한 기공을 형성하는데 효과적인 역할을 한다.The step (C) is a step of applying a basic solution to the carbon-silicon compound to ultrasonically treat the carbon-silicon compound, thereby effectively forming fine pores in the carbon-silicon compound.

상기 염기성 용액은 NaOH, KOH, LiOH, Zn(OH)2, Mg(OH)2, RbOH 및 Ca(OH)2 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직한데, 수용액 상태에서 수산화 이온(OH-)을 방출하는 물질이라면 모두 사용이 가능하다. 더욱 바람직하게는 상기 염기성 용액의 몰 농도(M)가 0.1 내지 3인 것이다.The basic solution is preferred that at least one member selected from the group consisting of 2 NaOH, KOH, LiOH, Zn (OH) 2, Mg (OH) 2, RbOH , and Ca (OH), hydroxide ions (OH -) in aqueous solution to release the Any substance can be used. More preferably, the basic solution has a molar concentration (M) of 0.1 to 3.

상기 몰 농도가 0.1 미만이면 낮은 수산화 이온의 농도로 인하여 처리 시간의 증대를 가져오게 되고, 규소가 충분히 에칭되지 않게되어 탄소 구조체 내 기공확보를 할 수 없게 된다. 상기 에칭은 하기 반응식에서 보는 바와 같이 수산화 이온 두 개와 규소 원자 한 개와 반응하여 이루어진다.If the molar concentration is less than 0.1, the treatment time is increased due to the low hydroxide ion concentration, the silicon is not sufficiently etched, and the pores in the carbon structure can not be secured. The etching is performed by reacting two hydroxide ions and one silicon atom as shown in the following reaction formula.

[반응식][Reaction Scheme]

Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 Si + 2NaOH + H 2 O - > Na 2 SiO 3 + 2H 2

종래에는 이산화규소(SiO2)와 같은 희생 입자들을 탄소 구조체에 분포시키고, 불산과 같은 인체에 유해한 강산을 사용하여 상기 규소 입자를 에칭함으로써 다공성 구조를 구현하였다. 그러나 상기 불산과 같은 강산은 인체에 매우 유해하고, 상기 강산을 처리하기 위하여 추가적인 제조 공정과 처리 시설을 필요로 하는 문제점을 가진다.Conventionally, a porous structure is realized by distributing sacrificial particles such as silicon dioxide (SiO 2 ) to a carbon structure and etching the silicon particles using a strong acid harmful to human body such as hydrofluoric acid. However, the strong acid such as hydrofluoric acid is very harmful to the human body and has a problem of requiring additional manufacturing process and treatment facility for treating the strong acid.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 강산과 같이 인체에 유해한 물질을 사용하는 대신에 염기성 용액을 사용하되, 규소 입자 자체를 희생 입자로 염기성 용액으로 에칭하여 탄소 구조체에 다공성을 부여함으로써, 탄소-규소 화합물의 다공성 구조를 구현할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention uses a basic solution instead of a harmful substance such as strong acid, and the silicon particle itself is etched with a basic solution as a sacrificial particle to impart porosity to the carbon structure, The porous structure of the carbon-silicon compound can be realized.

구체적으로, 상기 (C) 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것이 바람직한데, 상기 에칭 시간이 1 시간 미만이면, 규소가 충분히 에칭되지 않아 규소의 부피 팽창을 완화하기 위한 기공들이 충분히 형성되지 않으며, 3 시간을 초과하는 경우에는 용량을 발현할 수 있는 규소의 양이 현저히 감소하게 되므로 바람직하지 않다. More specifically, the step (C) is preferably performed for 1 to 3 hours. If the etching time is less than 1 hour, the silicon is not sufficiently etched, and pores for relaxing the volume expansion of silicon are not sufficiently formed, And if it exceeds 3 hours, the amount of silicon capable of expressing the capacity is remarkably decreased, which is not preferable.

상기 (D) 단계는 염기성 용액을 이용한 화학적 에칭이 끝난 후, HCl, HF, H2SO4, HNO3 및 CH3COOH 중에서 선택된 1종 이상의 산성 용액을 투입하여 중화시키는 단계로, 이는 규소 입자의 식각 반응을 억제하여 반응을 종결시키고 불순물을 제거하기 위함이다. 상기 산성 용액은 상기 이외에도 수용액 상태에서 수소 이온(H+)을 내는 물질이라면 모두 사용이 가능하다.In the step (D), after the chemical etching using the basic solution is completed, neutralization is carried out by introducing at least one acidic solution selected from HCl, HF, H 2 SO 4 , HNO 3 and CH 3 COOH, To suppress the etching reaction to terminate the reaction and to remove impurities. In addition to the above, the acidic solution may be any substance that releases hydrogen ions (H + ) in an aqueous solution state.

상기 (E) 단계는 상기 중화된 탄소-규소 화합물을 여과 및 건조하는 단계로, 상기 화합물을 감압여과한 후, 50 내지 100℃의 온도에서 건조하는 것이 바람직하다.
In the step (E), the neutralized carbon-silicon compound is filtered and dried. Preferably, the compound is filtered at a reduced pressure and dried at a temperature of 50 to 100 ° C.

또한, 본 발명은 상기 전극 소재를 포함하는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 본 발명에 따른 전극 소재를 포함하여 도 10에서 보는 바와 같이, 충방전 용량과 수명 특성이 향상된 것을 확인하였다.
The present invention also provides a secondary battery including the electrode material. As shown in FIG. 10, the secondary battery including the electrode material according to the present invention has improved charge / discharge capacity and lifetime characteristics.

이하에서 실시예 등을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

(제조예 1: 탄소-규소 화합물의 제조)(Preparation Example 1: Production of carbon-silicon compound)

규소 분말과 철 볼을 스테인레스 바이알에 투입하고 아르곤 가스를 채워 비활성 분위기하에서 36시간 동안 볼 밀링한 후, 피치와 혼합하여 질소분위기하에서 800℃의 온도로 2시간 동안 열처리하여 탄소-규소 화합물을 제조하였다. Silicon powder and iron balls were charged into a stainless steel vial, filled with argon gas and ball milled for 36 hours in an inert atmosphere, mixed with pitch, and heat-treated at 800 DEG C for 2 hours under a nitrogen atmosphere to prepare a carbon-silicon compound .

(단, 상기 볼 밀링된 규소 분말과 피치의 중량 비율은 7:3으로 투입하였으며, 상기 열처리 온도의 승온 속도는 5℃/min이며, 냉각 속도는 상온에 두어 자연적인 온도 하강에 의하여 실시하였다.)
(Note that the weight ratio of the ball milled silicon powder to the pitch was 7: 3, the heating rate was 5 ° C / min, and the cooling rate was natural temperature lowering at room temperature. )

(실시예 1: 다공성 전극 소재의 제조)(Example 1: Production of Porous Electrode Material)

제조예 1의 분쇄한 탄소-규소 화합물 0.3g을 30mL의 증류수에 투입하고 60분 동안 초음파 처리하여 분산시키고, 상기 분산된 용액을 0.714M의 NaOH 수용액 70mL와 혼합하여 115분간 초음파 처리하여 습식-식각 공정을 수행한다. 습식-식각된 규소 용액에 0.2M의 HCl 수용액 300mL를 투입하고 감압 여과한 후, 80℃의 온도에서 건조시켜 전극 소재를 제조하였다.
0.3 g of the pulverized carbon-silicon compound of Preparation Example 1 was added to 30 ml of distilled water and sonicated for 60 minutes to disperse. The dispersed solution was mixed with 70 ml of a 0.714 M aqueous NaOH solution, ultrasonicated for 115 minutes, Process. To the wet-etched silicon solution, 300 mL of 0.2 M aqueous HCl solution was added, and the mixture was filtered under reduced pressure, and then dried at a temperature of 80 캜 to prepare an electrode material.

(실시예 2: 다공성 이차 전지의 제조)(Example 2: Production of porous secondary battery)

실시예 1의 전극 소재와 카본 블랙(Super-P, Ensaco), 폴리아크릴 산(PAA, Sigma-Aldrich)을 8 : 0.5 : 1.5의 중량비율로 수용액에 분산한 후 Cu foil에 도포하여 120 ℃의 온도에서 진공 건조하여 전극을 얻었다. The electrode material of Example 1, carbon black (Super-P, Ensaco) and polyacrylic acid (PAA, Sigma-Aldrich) were dispersed in an aqueous solution at a weight ratio of 8: 0.5: 1.5, Vacuum drying was performed at a temperature to obtain an electrode.

상기 전극을 리튬 금속과 폴리올레핀계 분리막을 이용하여 coin cell (2032 size)을 조립하여 이차전지를 제조하였다. The electrode was assembled with a coin cell (2032 size) using a lithium metal and polyolefin separator to prepare a secondary battery.

(단, 이때 사용된 전해질은 1 M LiPF6, Ethylene carbonate : Diethyl carbonate(1:1, vol%) + Fluoroethyl carbonate 5%이다.)
(The electrolyte used here is 1 M LiPF 6 , Ethylene carbonate: Diethyl carbonate (1: 1, vol%) + Fluoroethyl carbonate 5%.)

(비교예 1: 비다공성 이차 전지의 제조)(Comparative Example 1: Production of non-porous secondary battery)

실시예 2와 동일하게 실시하되, 실시예 1 대신에 제조예 1의 탄소-규소 화합물을 사용하였다.
The procedure of Example 2 was repeated except that the carbon-silicon compound of Preparation Example 1 was used instead of Example 1.

도 1은 볼 밀링한 후의 규소 입자를 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 5.0×103의 배율이고, (b)는 1.5×105의 배율을 나타낸다.1 is an image showing a result of observation of a silicon particle after ball milling with a scanning electron microscope (SEM), wherein (a) shows a magnification of 5.0 × 10 3 , (b) shows a magnification of 1.5 × 10 5 Represents the magnification.

도 2는 제조예 1의 탄소-규소 화합물의 입자를 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, 도 1에 비하여 입자 크기가 매우 커진 것을 알 수 있으며, 표면에 매끄러운 탄소 층이 형성되었음을 확인할 수 있다.FIG. 2 is an image showing a result of observation of the particles of the carbon-silicon compound of Preparation Example 1 by a scanning electron microscope, which shows that the particle size is much larger than that of FIG. 1 and a smooth carbon layer is formed on the surface have.

(단, (a)는 5.0×103의 배율이고, (b)는 1.5×105의 배율을 나타낸다.)(A) is a magnification of 5.0 × 10 3 , and (b) is a magnification of 1.5 × 10 5. )

도 3은 실시예 1의 전극 소재를 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, 제조예 1에 비하여 전체적인 입자의 크기가 작아지지는 않았으나, 탄소 층에 미세한 기공이 형성되었음을 확인할 수 있다. (단, (a)는 5.0×103의 배율이고, (b)는 1.5×105의 배율을 나타낸다.)FIG. 3 is an image showing the result of observation of the electrode material of Example 1 by a scanning electron microscope. It can be confirmed that fine pores are formed in the carbon layer although the overall particle size is not smaller than that of Production Example 1. (A) is a magnification of 5.0 × 10 3 , and (b) is a magnification of 1.5 × 10 5. )

도 4는 제조예 1의 탄소-규소 화합물 입자의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지이고, 도 5는 상기 단면의 일부를 주사전자현미경으로 원소 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.[(a) 분석지점, (b) 원소비율]4 is an image showing a result of observation of a cross section of the carbon-silicon compound particle of Production Example 1 by a scanning electron microscope, and FIG. 5 is a graph showing a result of elemental analysis of a part of the cross section by a scanning electron microscope. a) analysis point, (b) element ratio]

도 6은 실시예 1의 전극 소재의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지이고, 도 7은 상기 단면의 일부를 주사전자현미경으로 원소 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.[(a) 분석지점, (b) 원소비율]6 is an image showing the result of observation of a cross section of the electrode material of Example 1 by a scanning electron microscope, and FIG. 7 is a graph showing a result of elemental analysis of a part of the cross section by a scanning electron microscope. Point, (b) element ratio]

상기 도 4와 6에서 보는 바와 같이, 규소 입자들이 탄소에 의하여 둘러싸인 형태로 거대 입자를 형성하고 있으며, 실시예 1의 경우, 입자 내부에 거대 기공이 형성된 것을 알 수 있다. 이는 염기성 용액을 이용한 화학적 에칭에 의하여 미세한 기공이 형성되었음을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 4 and 6, large particles are formed in the silicon particles surrounded by carbon. In the case of Example 1, large pores are formed inside the particles. It can be confirmed that fine pores are formed by chemical etching using a basic solution.

또한, 상기 도 5의 (b)와 7의 (b)를 통해 실시예 1의 규소 비율이 제조예 1에 비하여 감소한 것을 알 수 있는데, 이러한 결과는 마찬가지로 염기성 용액에 의하여 규소 입자가 에칭되었음을 확인할 수 있다.It can be seen from FIG. 5 (b) and FIG. 7 (b) that the silicon ratio of Example 1 is reduced as compared with that of Production Example 1, and these results indicate that the silicon particles were etched by the basic solution have.

하기 표 1은 제조예 1과 실시예 1의 비표면적을 BET식(Brunauer-Emmett-Teller equation, BET equation)에 의하여 분석한 결과를 나타낸 것으로, 하기 표 1에서 보는 바와 같이 실시예 1의 경우에는 비표면적이 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다.Table 1 below shows the results of analysis of the specific surface areas of Production Example 1 and Example 1 by the BET equation (Brunauer-Emmett-Teller equation, BET equation). As shown in the following Table 1, It can be confirmed that the specific surface area is remarkably improved.

구분division 제조예 1Production Example 1 실시예 1Example 1 BET surface area(m2/g)BET surface area (m 2 / g) 76.796276.7962 123.4492123.4492

도 8은 제조예 1의 탄소-규소 화합물과 실시예 1의 다공성 전극 소재를 열분석(Thermogravimetry Analysis, TGA)하여 그 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8을 살펴보면, 600℃의 온도 부근에서 무게 감소가 나타나는 것을 알 수 있는데, 이러한 현상은 탄소의 분해에 의한 것으로 실시예 1의 경우에는 무게 감소가 약 50% 정도로 비교예 1(약 20%)에 비하여 더욱 감소하였다. 즉, 실시예 1의 경우에는 규소가 에칭되어 탄소에 대한 규소 함량이 낮아졌음을 알 수 있으며, 이는 규소의 에칭이 잘 이루어졌음을 의미한다.8 is a graph showing the results of thermogravimetry analysis (TGA) of the carbon-silicon compound of Production Example 1 and the porous electrode material of Example 1. 8, weight loss is observed at a temperature of about 600 ° C. This phenomenon is due to decomposition of carbon. In the case of Example 1, the weight loss is about 50%, which is about 20% Respectively. That is, in the case of Example 1, silicon is etched to show that the silicon content with respect to carbon is lowered, which means that silicon is etched well.

도 9는 제조예 1의 탄소-규소 화합물과 실시예 1의 다공성 전극 소재에 대한 기공도를 측정한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 질소 가스의 흡착력을 테스트한 결과이며, (b)는 기공의 크기와 분포도를 측정한 결과를 나타낸다. 도 9의 (a)를 살펴보면 실시예 1의 경우 화학적 에칭 단계를 통해 규소가 에칭되어 기공이 형성된 것을 확인할 수 있으며, (b)에서 보는 바와 같이, 제조예 1의 경우에는 기공이 전혀 형성되지 않았으나, 실시예 1은 평균 34nm의 기공이 형성되었음을 확인할 수 있다.FIG. 9 is a graph showing the results of measurement of the porosity of the carbon-silicon compound of Production Example 1 and the porous electrode material of Example 1. FIG. 9 (a) The size and distribution of pores are measured. Referring to FIG. 9 (a), it can be seen that silicon was etched through the chemical etching step to form pores in Example 1, and as shown in (b), no pores were formed in the case of Production Example 1 , It can be confirmed that pores having an average size of 34 nm are formed in the first embodiment.

도 10은 비교예 1과 실시예 2의 이차 전지에 대한 충방전 용량을 측정한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 첫 번째 싸이클에서의 결과를 나타내며, (b)는 100 싸이클을 실시하였을 때 충방전 용량을 측정한 결과를 나타낸다.FIG. 10 is a graph showing the results of measurement of charge / discharge capacities of secondary batteries of Comparative Example 1 and Example 2. FIG. 10 (a) shows the results in the first cycle, and FIG. 10 And the results of measurement of charge / discharge capacity are shown.

상기 도 10에서 보는 바와 같이, 염기성 용액을 이용한 화학적 에칭이 실시된 실시예 2의 경우에는 비교예 1에 비하여 충방전 용량이 향상되었음을 확인할 수 있으며, 또한, 100 싸이클이 실시된 후에도 충방전 용량의 감소가 미미한 것을 알 수 있는데, 이는 탄소가 구조체 역할을 하여 전지의 수명 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 10, in the case of Example 2 in which chemical etching using a basic solution was performed, the charge / discharge capacity was improved as compared with Comparative Example 1, and even after 100 cycles, It can be seen that carbon plays a role of the structure and the lifetime characteristics of the battery are improved.

도 11은 비교예 1과 실시예 2의 이차 전지에 대한 충방전을 실시하여, 실시 전(Pristine), 리튬화(Lithiated) 및 탈리튬화(De-lithiated)되었을 때의 전극 소재의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 비교예 1이고, (b)는 실시예 2를 나타낸다.Fig. 11 is a graph showing the results of the charge / discharge of the secondary batteries of Comparative Example 1 and Example 2, and showing the cross section of the electrode material when it was subjected to Pristine, Lithiated and De-lithiated (A) shows Comparative Example 1, and (b) shows Example 2. Fig.

상기 도 11을 살펴보면, 노란색 점선으로 규소 팽창이 일어난 부분이 표기되어 있는데, 비교예 1의 경우에는 리튬화가 일어나면서 규소가 급격히 팽창한 것을 알 수 있다. 반면에 실시예 2의 경우에는 규소의 팽창 정도가 큰 변화 없이 일어났음을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 2는 규소 입자의 팽창이 효과적으로 억제되었음을 확인할 수 있는 결과이다.Referring to FIG. 11, the yellow dotted line indicates the portion of silicon expansion. In Comparative Example 1, silicon rapidly expanded as lithiation occurred. On the other hand, in the case of Example 2, it can be confirmed that the degree of expansion of silicon occurred without significant change. That is, it can be confirmed that the expansion of the silicon particles is effectively suppressed in the second embodiment.

따라서, 본 발명에 따르면, 불산과 같은 인체에 유해한 물질을 사용하지 않으면서도 다공성 구조를 갖는 탄소-규소 화합물을 구현할 수 있으며, 이로 인하여 규소의 부피 팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 전극 소재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.Therefore, according to the present invention, there can be provided an electrode material capable of realizing a carbon-silicon compound having a porous structure without using harmful substances such as hydrofluoric acid, thereby effectively suppressing the volume expansion of silicon, Can be provided.

또한, 상기 제조방법을 통해 제조된 전극 소재는 충방전 용량과 수명 특성을 동시에 향상시킬 수 있어, 이차전지, 커패시터, 전기자동차, 플렉시블 전자기기 등에 응용이 가능하다.Also, the electrode material manufactured through the above-described method can improve the charge / discharge capacity and the life characteristics at the same time, and can be applied to a secondary battery, a capacitor, an electric vehicle, a flexible electronic device, and the like.

Claims (18)

삭제delete 삭제delete (A) 규소 입자를 볼 밀링하는 단계;
(B) 상기 볼 밀링된 규소 입자에 탄소 전구체를 투입하여 탄소-규소 화합물을 제조하는 단계; 및
(C) 상기 탄소-규소 화합물에 염기성 용액을 투입하여 에칭하는 단계;를 포함하며,
상기 염기성 용액은 NaOH, KOH, LiOH, Zn(OH)2, Mg(OH)2, RbOH 및 Ca(OH)2 중에서 선택된 1종 이상이고,
상기 염기성 용액의 몰 농도(M)는 0.1 내지 3인 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
(A) ball milling silicon particles;
(B) adding a carbon precursor to the ball-milled silicon particles to produce a carbon-silicon compound; And
(C) introducing a basic solution into the carbon-silicon compound to etch the carbon-
Wherein the basic solution is NaOH, KOH, LiOH, Zn (OH) 2, Mg (OH) 2, RbOH, and Ca (OH) at least one selected from 2,
Wherein the basic solution has a molar concentration (M) of 0.1 to 3.
삭제delete 삭제delete 제3항에 있어서,
상기 (C) 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the step (C) is performed for 1 to 3 hours.
제3항에 있어서,
상기 탄소 전구체는 카본 블랙, 피치, 폴리도파민, 폴리아크로니트릴, 폴리염화비닐, 폴리비닐알코올 및 에폭시 수지 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the carbon precursor is at least one selected from the group consisting of carbon black, pitch, polydopamine, polyacronitrile, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, and epoxy resin.
제3항에 있어서,
상기 규소와 탄소 전구체는 8 : 2 내지 2 : 8의 중량비율로 투입되는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the silicon and carbon precursor are charged in a weight ratio of 8: 2 to 2: 8.
제3항에 있어서,
상기 (B)단계는 탄소-규소 화합물을 500 내지 1200℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the step (B) comprises heat-treating the carbon-silicon compound at a temperature of 500 to 1200 ° C for 1 to 5 hours.
제9항에 있어서,
상기 열처리 온도는 1 내지 10℃/min의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the heat treatment temperature is raised at a rate of 1 to 10 占 폚 / min.
제3항에 있어서,
상기 (A) 단계는 비활성 기체 분위기하에서 20 내지 50시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the step (A) is performed under an inert gas atmosphere for 20 to 50 hours.
제3항에 있어서,
상기 (A) 단계는 규소 입자의 중량 대비 10 내지 30배의 철 볼을 투입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the step (A) is performed by introducing iron balls 10 to 30 times the weight of the silicon particles.
제3항에 있어서,
상기 제조방법은 상기 탄소-규소 화합물을 산성 용액으로 처리하여 중화시키는 (D) 단계; 및
상기 중화된 탄소-규소 화합물을 여과 및 건조하는 (E)단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재의 제조방법.
The method of claim 3,
(D) treating the carbon-silicon compound with an acidic solution to neutralize the carbon-silicon compound; And
And (E) filtering and drying the neutralized carbon-silicon compound.
제3항, 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 소재를 포함하는 이차전지.
A secondary battery comprising an electrode material produced according to any one of claims 3, 6 and 13.
제3항, 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 소재를 포함하는 커패시터.
A capacitor comprising an electrode material produced according to any one of claims 3, 6 to 13.
제3항, 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 소재를 포함하는 전기자동차.
An electric vehicle comprising an electrode material produced according to any one of claims 3, 6 to 13.
제3항, 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 소재를 포함하는 플렉시블 전자기기.
A flexible electronic device comprising an electrode material produced according to any one of claims 3, 6, and 13.
제3항, 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 소재를 포함하는 웨어러블 전자기기.A wearable electronic device comprising an electrode material produced according to any one of claims 3, 6, and 13.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100818263B1 (en) * 2006-12-19 2008-03-31 삼성에스디아이 주식회사 Porous anode active material, method of preparing the same, and anode and lithium battery containing the material

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100818263B1 (en) * 2006-12-19 2008-03-31 삼성에스디아이 주식회사 Porous anode active material, method of preparing the same, and anode and lithium battery containing the material

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200041068A (en) * 2018-10-11 2020-04-21 한양대학교 산학협력단 Method for Manufacturing Porous Silicon-Germanium Electrode Material and Secondary Battery Using the Same
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