KR101841327B1 - 전극 재료 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘 산화물을 준비하는 단계, 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 환원하여, 실리콘 산화물 입자 및 실리콘 입자가 응집된 응집체를 포함하는 제1 복합체(first composite)를 제조하는 단계, 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 산화물 입자를 선택적으로 제거하여, 상기 실리콘 입자가 응집된 응집체를 포함하는 제2 복합체(second composite)를 제조하는 단, 및 상기 제2 복합체 및 탄소 재료(carbon material)를 건식 혼합화(dry mixing) 및 냉간 용접(cold welding)하여 제3 복합체(third composite)를 제조하는 단계를 포함하는 전극 재료의 제조 방법이 제공될 수 있다.

Description

전극 재료 및 그 제조 방법 {Electrode materials and method for manufacturing same}
본 발명은 전극 재료 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 다공성 실리콘 응집체 및 탄소 재료를 건식 혼합화 및 냉간 용접하여 제조된 복합체를 포함하는 전극 재료 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
이차전지 산업은 전기차 및 에너지저장 시스템용 등의 중대형 이차전지의 수요 증가로 새로운 성장기에 접어들고 있다. 특히, 리튬이차전지 중심으로 시장이 크게 확대되어, 휴대폰 등의 모바일 IT기기의 전원 뿐만 아니라 전기차용 리튬 이차 전지에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 또한, 스마트그리드로 대변되는 21세기 전력망을 구현하기 위하여, 전력의 생산과 소비의 완충적 역할을 할 수 있는 에너지 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
따라서, 전기자동차 및 중대형 에너지 저장장치에 적용되는 만큼 리튬 이차 전지의 안정성 및 고용량에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 KR20130031079A (출원인: 주식회사 엘지화학, 출원번호 KR20110094787A)에는, 층상구조의 리튬 망간계 산화물을 포함하고 있는 양극활물질로서, Mn의 함량이 기타 전이금속들의 함량보다 많고, Mn을 포함한 전이 금속 몰수보다 1배 이상 몰수의 Li을 포함하며, 4.4V 이상의 고전압 범위에서의 최초 충전시에 리튬 탈리(lithium deintercalation)와 함께 나타나는 평탄 준위 구간에서 산소 및 이산화탄소 등의 가스가 방출됨으로써, HEV, PHEV, EV 등 중대형 디바이스의 전원으로 사용이 가능한 높은 출력과 더불어 사용 SOC 구간에서 안정적으로 출력을 유지할 수 있는 고용량 리튬 이차 전지에 대한 양극 재료의 제조 기술이 개시되어 있다.
전기 자동차 및 중대형 에너지 저장장치의 상용화를 위해, 전지의 안정성 및 고용량 특성 뿐만 아니라, 전지의 충방전 특성 및 수명을 향상시킬 수 있는 전극의 재료 및 구조에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 특허 공개 공보 KR20130031079A
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 전기전도도가 향상된 전극 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전지의 고용량 확보가 가능한 전극 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전지의 충방전 효율을 향상시키는 전극 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전지의 수명 및 신뢰성을 향상시키는 전극 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용 및 공정 시간이 감소된 전극재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고 탭 밀도의 합제밀도가 높은 전극재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고신뢰성의 리튬 실리콘 이차 전지의 전극 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 전극 재료의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극 재료의 제조 방법은, 실리콘 산화물을 준비하는 단계, 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 환원하여, 실리콘 산화물 입자 및 실리콘 입자가 응집된 응집체를 포함하는 제1 복합체(first composite)를 제조하는 단계, 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 산화물 입자를 선택적으로 제거하여, 상기 실리콘 입자가 응집된 응집체를 포함하는 제2 복합체(second composite)를 제조하는 단계, 및 상기 제2 복합체 및 탄소 재료(carbon material)를 건식 혼합화(dry mixing) 및 냉간 용접(cold welding)하여 제3 복합체(third composite)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 복합체는, 상기 실리콘 입자의 응집체, 및 상기 실리콘 입자의 응집체와 혼합된 상기 탄소 재료를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 복합체를 제조하는 단계는, 상기 실리콘 산화물을 열처리(thermal treatment)하여, 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부가 상기 실리콘 입자로 환원되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 복합체를 제조하는 단계는, 습식 식각 공정(Wet etching)에 의해 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 산화물 입자가 제거되고, 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 입자가 잔존하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 복합체는, 상기 실리콘 산화물 입자가 제거되면서 형성된 공동(void, 空洞), 및 잔존하는 상기 실리콘 입자의 응집체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 복합체 및 상기 탄소 재료가 건식 혼합화 및 냉간 용접되는 동안, 상기 실리콘 입자가 응집된 응집체는, 파괴(fracturing) 및 재응집(re-aggregation)되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 복합체를 제조하는 단계는, 상기 제2 복합체 및 상기 탄소 재료를 건식 혼합화 및 냉간 용접하여, 상기 탄소 재료가 상기 실리콘 입자의 응집체에 부착되거나, 상기 탄소 재료의 적어도 일부가 상기 실리콘 입자의 응집체 내부로 삽입되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 복합체를 제조하는 단계는, 상기 제2 복합체 및 상기 탄소 재료를 스펙스밀(spex mill) 또는 믹서밀(mixer mill) 하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스펙스밀 또는 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간(mixing time)이 증가함에 따라, 상기 탄소 재료의 크기가 감소하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스펙스밀 또는 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간(mixing time)이 증가함에 따라, 제조되는 상기 제3 복합체의 크기가 감소하는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 전극 재료를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극 재료는, 다공성 실리콘 응집체, 및 상기 다공성 실리콘 응집체의 표면에 부착되고, 상기 다공성 실리콘 응집체 내부로 침투된 탄소 재료를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 재료의 중량은 15wt%인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다공성 실리콘 응집체는, 마이크로(micro) 사이즈(size)이고, 나노(nano) 사이즈의 실리콘 입자가 응집된 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 방법은, 실리콘 산화물을 준비하는 단계, 상기 실리콘 산화물 입자 및 상기 실리콘 산화물 입자의 적어도 일부가 환원된 실리콘 입자가 응집된 응집체를 포함하는 제1 복합체를 제조하는 단계, 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 산화물 입자가 제거되고, 잔존된 상기 실리콘 입자의 응집체를 포함하는 다공성의 제2 복합체를 제조하는 단계, 및 상기 제2 복합체 및 탄소 재료를 건식 혼합화 및 냉간 용접하여 제3 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제3 복합체를 제조하는 과정에서, 상기 실리콘 입자의 응집체가 파괴 및 재응집되어, 상기 제3 복합체에 포함된 상기 실리콘 입자들의 응집체는 마이크로 사이즈를 갖는 동시에, 상기 실리콘 입자들의 응집체는 나노 사이즈의 상기 실리콘 입자들로 구성될 수 있다. 이로 인해, 상기 제3 복합체를 이용하여 제공된 전극의 탭 밀도 및 합제밀도가 향상되는 동시에, 상기 실리콘 입자들의 부피 팽창이 제어될 수 있다. 이에 따라, 장수명, 고신뢰성, 및 고용량을 갖는 이차 전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제2 복합체의 상기 실리콘 입자의 응집체 및 상기 탄소 재료가 스펙스밀 또는 믹서밀을 이용하여 건식 혼합화 및 냉간 용접되어, 상기 제3 복합체가 제조될 수 있다. 이로 인해, 상기 탄소 재료 및 상기 실리콘 입자의 응집체가 서로 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 스펙스밀 또는 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간을 조절함으로써, 상기 제3 복합체의 크기가 용이하게 조절될 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도가 향상되고, 높은 탭 밀도를 갖는 전극 재료, 및 이를 포함하는 이차 전지가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 제1 복합체의 A를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 제2 복합체의 B를 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 제3 복합체의 C를 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료에 대하여, 전지의 충방전 사이클 수 및 전류값 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 시, 믹서밀(mixer mill)의 진동 수 및 믹싱 시간에 따른 도면들이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 시, 탄소나노튜브의 중량 및 믹서밀(mixer mill)의 믹싱 시간에 따른 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 SEM 및 TEM 이미지들이다.
도 10은 도 9의 (C)의 확대 이미지로, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 SEM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전극재료의 FIB-SEM 및 FIB-TEM 이미지들이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 TEM 및 HRTEM 이미지들이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료 및 탄소나노튜브의 Raman 분석 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료의 Impedance 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료의 XRD 그래프이다
도 16은 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료의 FT-IR 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료가 적용되는 이차 전지 적용 자동차의 블록도를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 3 내지 도 5는 각각 도 2의 A, B, 및 C를 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 실리콘 산화물(silicon oxide, 10)이 준비될 수 있다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물(10)은, 실리콘 산화물 입자(silicon oxide particles, 100)의 응집체일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물(10)은, 실리콘모녹사이드(SiO) 일 수 있다.
상기 실리콘 산화물(10)이 열 처리(thermal treatment)되어, 상기 실리콘 산화물(10)을 구성하는 상기 실리콘 산화물 입자(100)의 적어도 일부가 실리콘 입자(105)로 환원되어, 상기 실리콘 산화물 입자(100) 및 상기 실리콘 입자(105)가 응집된 응집체를 포함하는 제1 복합체(first composites, 20)가 제조될 수 있다(S200). 예를 들어, 상기 열 처리에 사용되는 가열기는, 환원로(reducing furnace)일 수 있다. 예를 들어, 상기 환원로에 아르곤(Ar) 가스 및/또는 수소(H2) 가스가 공급되는 동안, 상기 실리콘 산화물(10)은, 970℃에서 30시간 동안 상기 열 처리될 수 있다.
상기 제1 복합체(20)의 상기 실리콘 산화물 입자(100)가 선택적으로 제거되어, 상기 실리콘 입자(105)가 응집된 응집체를 포함하는 제2 복합체(second composites, 30)가 제조될 수 있다(S300). 예를 들어, 상기 실리콘 산화물 입자(100)가 선택적으로 제거되는 공정은, 상기 제1 복합체(20)를 습식 식각(wet etching)하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 습식 식각 공정은, 4시간 동안 수행될 수 있다. 다시 말하면, 상기 습식 식각 공정은, 상기 제1 복합체(20)에 식각 용액, 예를 들어, 플루오르화수소(HF) 용액이 제공되어, 상기 제1 복합체(20)에 포함된 상기 실리콘 산화물 입자(100) 및 상기 실리콘 입자(105) 중에서, 상기 실리콘 산화물 입자(100)가 선택적으로 제거되고, 상기 실리콘 입자(105)는 잔존되는 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 산화물 입자(100)가 제거되면서 형성된 공동(void, 108) 및 잔존된 상기 실리콘 입자(105)의 응집체를 포함하는 상기 제2 복합체(30)가 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 복합체(20)에 상기 식각 용액을 제공하는 방법은, 상기 제1 복합체(20)가 상기 식각 용액에 침지되는 것을 포함할 수 있다. 상기 습식 식각 공정에 의해 제조된 상기 제2 복합체(30)는, 필터링(filtering) 처리되어 수득될 수 있다.
상기 제2 복합체(30) 및 탄소 재료(carbon material, 300)가 건식 혼합화(dry mixing) 및 냉간 용접(cold welding)되어, 제3 복합체(third composites, 40)가 제조될 수 있다(S400). 상기 제2 복합체(30) 및 상기 탄소 재료(300)가 상기 건식 혼합화 및 상기 냉간 용접되는 동안, 상기 실리콘 입자(105)가 응집된 응집체는, 파괴(fracturing) 및 재응집(re-aggregation)될 수 있다. 상기 실리콘 입자(105)가 응집된 상기 응집체가 파괴 및 재응집되는 과정에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 탄소 재료(300)가 상기 실리콘 입자(105)의 상기 응집체의 표면에 부착되거나, 상기 탄소 재료(300)의 적어도 일부가 상기 실리콘 입자(105)의 응집체 내부로 삽입될 수 있다. 다시 말해서, 상기 제2 복합체(30) 및 상기 탄소 재료(300)의 상기 건식 혼합화 및 상기 냉간 용접에 의해, 상기 실리콘 입자(105)의 응집체 및 상기 탄소 재료(300)가 서로 균일하게 혼합된 상기 제3 복합체(40)가 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소 재료(300)에 의해 상기 실리콘 입자(105)의 전기전도성은 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 재료(300)는, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 일 수 있다.
만약, 상기 제3 복합체(40)에 포함된 상기 탄소 재료(300)의 중량이 15wt% 미만 또는 초과인 경우, 상기 제3 복합체(40)를 전극 재료로 하여 제작된 이차 전지의 충방전 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 일 실시 예에 따르면, 상기 제3 복합체(40)에 포함된 상기 탄소 재료(300)의 중량은, 상기 실리콘 입자(105) 중량의 15wt%일 수 있다.
상기 건식 혼합화 및 상기 냉간 용접은, 스팩스밀(spex mill) 또는 믹서밀(mixer mill) 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 스팩스밀 및 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간(mixing time)이 증가함에 따라, 상기 탄소 재료(300) 본래의 형상이 파괴되고, 상기 실리콘 입자(105)의 응집체가 파괴되어, 상기 실리콘 입자(105)의 크기가 나노 사이즈(nano size)로 감소될 수 있다. 이에 따라, 상기 스팩스밀 및 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간이 증가함에 따라, 상기 제2 복합체(30) 및 상기 탄소 재료(300)가 재응집되어 형성된 상기 제3 복합체(40)의 크기가 감소될 수 있다. 만약, 상기 스팩스밀 및 상기 믹서밀의 진동 수 및 믹싱 시간이 각각 20Hz 및 30분을 초과하는 경우, 상기 탄소 재료(300)의 형상이 과도하게 파괴될 수 있고, 진동 수 및 믹싱 시간이 20Hz 및 30분 미만인 경우, 상기 제3 복합체(30)와 상기 탄소 재료(300)가 균일하게 혼합하는 것이 용이하지 않다. 이로 인해, 상기 스팩스밀 및 상기 믹서밀의 진동 수 및 믹싱 시간이 각각 20Hz 및 30분을 초과하거나 미만인 경우, 상기 제3 복합체(30)와 상기 탄소 재료(300)가 혼합된 상기 제3 복합체(40)의 전기 전도성이 저하될 수 있다. 따라서, 일 실시 예에 따르면, 상기 스펙스밀 또는 상기 믹서밀의 상기 진동 수는 20Hz이고, 상기 믹싱 시간(mixing time)은 30분일 수 있다.
또한, 나노 사이즈로 감소된 상기 실리콘 입자(105) 및 상기 탄소 재료(300)가 상기 스팩스밀 및 상기 믹서밀의 기계적 에너지에 의해 재응집되어 형성된 상기 제3 복합체(40)의 크기는, 마이크로 사이즈(micro size)일 수 있다. 나노 사이즈의 실리콘을 전극 재료로 사용하는 경우, 전지의 충방전 사이클 증가에 따른 전극의 부피 팽창을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 마이크로 사이즈의 실리콘을 전극 재료로 사용하는 경우, 전지의 탭 밀도 및 합제 밀도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제3 복합체(40)를 전극 재료로 사용하는 경우, 나노 사이즈의 실리콘 및 마이크로 사이즈의 실리콘을 전극 재료로 사용하는 경우에 갖는 장점을 모두 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실리콘 입자(105)의 응집체가 파괴 및 재응집되는 과정에서, 상기 실리콘 입자(105)의 크기가 나노 사이즈로 감소되는 동시에 상기 실리콘 입자(105)의 표면 상에 복수의 서로 다른 방향성을 갖는 면들이 생성될 수 있다. 상기 실리콘 입자(105)의 표면 상에 새롭게 생성된 상기 복수의 서로 다른 방향성을 갖는 면 상에는 다량의 defect, dislocation, 및/또는 grain boundary가 생성될 수 있다. 실리콘 입자의 표면 상에 defect, dislocation, 및/또는 grain boundary가 생성된 면의 수가 많을수록, 공기와의 반응성이 낮아질 수 있다. 이에 따라, 실리콘 입자가 공기와 접촉하는 경우, 실리콘 입자와 공기와의 산화반응에 의해 실리콘 입자의 표면 상에 생성되는 실리콘 산화물 막의 두께를 최소화할 수 있다.
다시 말해서, 상기 제2 복합체(30) 및 상기 탄소 재료(300)의 상기 건식 혼합화 및 상기 냉간 용접에 의해, 상기 제3 복합체(40)의 상기 실리콘 입자(105)는, 상기 제2 복합체(30)의 상기 실리콘 입자(105)보다 크기가 감소되어 표면적이 증가되고, 다량의 defect, dislocation, 및/또는 grain boundary를 갖는 서로 다른 방향성을 갖는 면의 수가 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 제3 복합체(40)를 전극 재료로 하여, 전지를 제작 및 작동하는 경우, 상기 제3 복합체(40)의 상기 실리콘 입자(105) 표면 상에 공기와의 산화 반응에 의해 생성되는 상기 실리콘 산화물 막의 두께를 최소화하여, 전지의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, bulk한 구조의 실리콘 물질을 전극 재료로 사용하는 경우, 전지의 충방전 사이클 증가에 따른 전극의 부피 팽창 및 전극의 부반응에 의한 SEI층(Solid electrolyte interface layer) 형성을 제어하기 어렵기 때문에, 전지의 수명 및 신뢰성이 감소된다. 또한, 사이즈가 작은 나노 크기의 실리콘 물질을 전극 재료로 사용하는 경우, 상대적으로 bulk한 마이크로 크기의 실리콘 물질을 전극 재료로 사용하는 경우보다 전지의 충방전 사이클 증가에 따른 전극의 부피 팽창의 제어는 용이하나, 전극 재료의 제조공정이 복잡하여 공정 비용 및 공정 시간이 증가된다. 뿐만 아니라, 비표면적이 높아 부반응 발생률이 높고, 탭 밀도가 낮아 높은 용적을 갖는 전극의 제조가 어려운 문제점이 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 실리콘 입자(105)의 응집체 및 상기 탄소 재료(300)가 스펙스밀 또는 믹서밀에 의해 파괴되고, 냉간 용접에 의해 재응집되어 제3 복합체(40)가 제조되는 과정에서, 상기 실리콘 입자(105) 표면의 물리적 및 화학적 특성이 변화되어, 전지 작동 시, 공기에 대한 산화 반응성을 낮추어 전지의 성능이 향상될 수 있다. 또한, 실리콘 입자(105) 및 상기 탄소 재료(300)가 서로 균일하게 혼합되어, 상기 실리콘 입자(105)의 전기 전도도가 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 스펙스밀 또는 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간을 조절함으로써, 상기 제3 복합체(40)의 크기가 용이하게 조절될 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도 및 수명 특성이 향상되고, 높은 탭 밀도 및 합제 밀도를 갖는 전극 재료, 및 이를 포함하는 이차 전지가 제공될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 전극 재료에 대한 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 전극 재료 제조
실리콘모녹사이드 분말이 응집된 응집체를 970℃ 온도환경인 환원로에서 30시간 동안 열처리하여, 상기 실리콘모녹사이드 분말의 적어도 일부를 실리콘 분말로 환원시켜 상기 실리콘모녹사이드 분말 및 상기 실리콘 분말이 응집된 제1 응집체를 제조하였다. 상기 열 처리 후, 상기 제1 응집체를 플루오르화수소(HF) 용액에 4시간 동안 침지하여 잔존하는 상기 실리콘모녹사이드 분말을 선택적으로 제거하여, 실리콘 분말의 응집체인 제2 응집체를 제조하였다. 필터링(filtering) 공정을 통해 상기 제2 응집체를 수득한 후, 상기 제2 응집체 및 카본나노튜브(CNT)를 믹서밀(mix mill)하여 제3 응집체를 제조하였다.
상기 카본나노튜브의 중량(10wt%, 15wt%, 20wt%), 상기 믹서밀의 진동수(10Hz, 20Hz, 30Hz), 상기 믹서밀의 믹싱 시간(15분, 30분, 45분)을 달리하여 상기 제3 복합체, 즉, 다공성 실리콘-탄소나노튜브 복합체(pristine Si-CNT복합체)를 제조하였다.
비교 예에 따른 전극 재료의 제조
상술된 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 방법과 동일한 방법으로, 실리콘 분말인 실리콘모녹사이드가 응집체, 즉, 다공성 실리콘(pristine Si)을 제조하였다.
도 6은 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료에 대하여, 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 6의 (a)는 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이고, 도 6의 (b)는 전지의 전류값 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 실시 예에 대한 비교 예에 따른 다공성 실리콘(이하, pristine Si) 및 실시 예에 따른 다공성 실리콘-탄소나노튜브 복합체(이하, pristine Si-CNT복합체)를 전극 재료로 사용하여 제작된 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량(discharge capacity) 값을 측정하였다. 상기 pristine Si-CNT복합체의 상기 탄소나노튜브의 중량 비율은 15wt%이고, 상기 pristine Si-CNT복합체와 상기 탄소나노튜브의 믹서밀(mixer mill)에 의한 믹싱 시간(mixing time)은 30분이다.
도 6의 (a)는 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프로, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 pristine Si-CNT복합체가 적용된 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값은 2120mAhg-1 이상을 유지하는 것을 확인하였다. 반면, 실시 예에 대한 비교 예에 따른 상기 pristine Si이 적용된 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값은 약 1100mAhg-1인 것을 확인하였다. 결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 pristine Si-CNT복합체가 적용된 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값이 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 상기 pristine Si이 적용된 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값보다 큰 것을 알 수 있었다. 이에 따라, 상기 pristine Si-CNT복합체가 상기 pristine Si보다 충방전 특성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
도 6의 (b)는 전지의 전류값 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프로, 본 발명의 실시 예와 실시 예에 대한 비교 예의 율특성을 알 수 있다. Pristine Si의 경우, 12 Ag-1에서 721.2 mAh g-1로 400 mA g-1 대비 57.3 %를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, pristine Si-CNT복합체의 경우, 12 Ag-1에서 1726.9 mAh g-1로, 400 mA g-1 대비 74.5 %를 나타내며 Pristine Si보다 우수한 율특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 시, 믹서밀(mixer mill)의 진동수 및 믹싱 시간에 따른 도면들을 나타낸 것이다.
본 발명의 실시 예에 따라, 믹서밀의 진동수를 10Hz, 20Hz, 및 30Hz로 달리하고, 믹서밀의 믹싱 시간을 30분, 45분, 60분으로 달리하여 상기 pristine Si-CNT복합체 제조한 후, 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 형상을 관찰하였다.
도 7을 참조하면, 믹서밀의 진동수를 20Hz, 믹서밀의 믹싱 시간을 30분으로 하여 상기 pristine Si-CNT복합체를 제조하는 경우, 상기 탄소 재료 및 상기 실리콘 입자의 응집체가 서로 균일하게 혼합되는 것을 확인하였다. 이에 따라, 믹서밀의 진동수를 20Hz, 믹서밀의 믹싱 시간을 30분으로 하여 상기 pristine Si-CNT복합체를 제조하는 경우, 전기 전도도가 향상되고, 높은 탭 밀도를 갖는 상기 pristine Si-CNT복합체의 제조가 가능한 것을 알 수 있었다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 제조 시, 탄소나노튜브의 중량 및 믹서밀(mixer mill)의 믹싱 시간에 따른 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따라, 믹서밀의 진동수를 20Hz로 고정하고, 탄소나노튜브의 중량을 10wt%, 15wt%, 및 20wt%, 믹서밀의 믹싱 시간을 15분, 30분, 및 45분으로 달리하여, 상기 pristine Si-CNT복합체를 제조한 후, 상기 pristine Si-CNT복합체가 적용된 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값을 측정하였다.
도 8을 참조하면, 탄소나노튜브 중량이 15wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간이 30분인 경우에 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값은 약 2360mAhg-1로 가장 크고, 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값의 변화가 거의 없는 것을 확인하였다. 다음으로는, 탄소나노튜브 중량 10wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 45분, 탄소나노튜브 중량 10wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 30분, 탄소나노튜브 중량 15wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 45분, 탄소나노튜브 중량 20wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 30분, 탄소나노튜브 중량 15wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 15분, 탄소나노튜브 중량 20wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 45분, 탄소나노튜브 중량 10wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 15분, 탄소나노튜브 중량 20wt% 및 믹서밀의 믹싱 시간 15분 순으로 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값이 큰 것으로 나타났다. 이로부터, 본 발명의 실시 예에 따른 pristine Si-CNT복합체의 경우, 상기 믹서밀의 진동수가 20Hz일 때, 탄소나노튜브 중량이 15wt%이고, 상기 믹서밀의 믹싱 시간이 30분인 경우가 전지의 충방전 사이클 수 증가에 따른 비용량 값이 가장 큰 것을 알 수 있었다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 SEM 및 TEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 탄소나노튜브 중량 15wt%, 믹서밀 진동수10Hz, 및 믹서밀 믹싱 시간 30min 조건인 경우, pristine Si-CNT복합체의 SEM 및 TEM 이미지들이고, 도 9의 (b)는 탄소나노튜브 중량 15wt%, 믹서밀 진동수10Hz, 및 믹서밀 믹싱 시간 60min 조건인 경우, pristine Si-CNT복합체의 SEM 및 TEM 이미지들이다. 도 9의 (c)는 탄소나노튜브 중량 15wt%, 믹서밀 진동수 20Hz, 및 믹서밀 믹싱 시간 30min 조건인 경우, pristine Si-CNT복합체의 SEM 및 TEM 이미지들이고, 도 9의 (d)는 탄소나노튜브 중량 15wt%, 믹서밀 진동수 20Hz, 및 믹서밀 믹싱 시간 45min 조건인 경우, pristine Si-CNT복합체의 SEM 및 TEM 이미지들이다. 마지막으로, 도 9의 (e)는 탄소나노튜브 중량 15wt%, 믹서밀 진동수 30Hz, 및 믹서밀 믹싱 시간 30min 조건인 경우, pristine Si-CNT복합체의 SEM 및 TEM 이미지들이다.
본 발명의 실시 예에 따라, 상기 탄소나노튜브의 중량을 15wt%로 고정하고, 상기 믹서밀의 진동수를 10Hz, 20Hz, 및 30Hz로, 상기 믹서밀의 믹싱 시간을 30분, 45분, 및 60분으로 달리하여, 상기 pristine Si-CNT복합체를 제조하였다.
SEM(Scanning Electron Microscope) 및 TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여, 상술된 실시 예에 따라 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 표면 및 3차원 이미지를 측정하였다.
도 9의 (a), (b), (c), (d), 및 (e)를 참조하면, 상기 pristine Si의 표면 상에 상기 탄소나노튜브가 불규칙한 형태로 형성되어 있는 것을 확인하였다. 특히, 상기 탄소나노튜브 중량 15wt%, 상기 믹서밀 진동수 20Hz, 및 상기 믹서밀 믹싱 시간 30min인 조건에서 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 경우, 상기 탄소나노튜브의 형상이 그대로 유지되면서, 상기 pristine Si과 복합체를 형성하고 있는 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 탄소나노튜브 중량 15wt%, 상기 믹서밀 진동수 20Hz, 및 상기 믹서밀 믹싱 시간 30min이 상기 pristine Si-CNT복합체의 최적화된 제조 조건임을 알 수 있었다.
도 10은 도 9의 (C)의 확대 이미지로, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 SEM 이미지이다. 구체적으로, 도 10은 탄소나노튜브 중량 15wt%, 믹서밀 진동수 20Hz, 및 믹서밀 믹싱 시간 30min 조건인 경우, pristine Si-CNT복합체의 SEM 이미지이다.
도 10을 참조하면, 상기 탄소나노튜브 중량 15wt%, 상기 믹서밀 진동수 20Hz, 및 상기 믹서밀 믹싱 시간 30min인 조건에서 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 경우, 상기 탄소나노튜브의 형상이 그대로 유지되면서, 상기 pristine Si과 복합체를 형성하고 있는 것을 확인하였다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전극재료의 FIB-SEM 및 FIB-TEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 11의 (a)는 pristine Si-CNT복합체의 FIB-SEM 이미지들이고, 도 11의 (b)는 pristine Si-CNT복합체의 FIB-TEM 이미지들이다.
본 발명의 실시 예에 따라, 탄소나노튜브의 중량을 15wt%, 믹서밀의 진동수를 20Hz, 믹서밀의 믹싱 시간을 30분으로 하여, 상기 pristine Si-CNT복합체를 제조하였다.
FIB-SEM(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope) 및 FIB-TEM(Focused Ion Beam Transmission Electron Microscope) 기기를 이용하여, 상술된 실시 예에 따라 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 단면 및 단면의 3차원 이미지를 측정하였다.
도 11의 (a)를 참조하면, 상기 탄소나노튜브가 상기 pristine Si이 응집된 응집체의 입자들 사이 및 표면에 밀접하게 접촉되어 있는 것을 확인하였다. 또한, 상기 pristine Si 응집체의 입자들 사이가 상기 탄소나노튜브로 채워지지 않은 공동(void)이 복수 개 존재하는 것을 확인하였다. 도 11의 (b)에서 알 수 있듯이, 도 11의 (a)를 참조하여 설명된 것과 같이, 다공성의 상기 pristine Si -CNT 복합체의 형상을 확인하였다. 본 발명의 실시 예에 따라 상기 탄소나노튜브의 중량 15wt%, 상기 믹서밀의 진동수 20Hz, 상기 믹서밀의 믹싱 시간 30분을 이용하여 상기 pristine Si-CNT복합체를 제조하는 경우, 다공성의 pristine Si-CNT복합체가 잘 형성되는 것을 알 수 있었다. 상기 pristine Si-CNT복합체의 FIB-SEM 및 FIB-TEM 이미지에서의 공동(void)은, 실리콘과 탄소나노튜브의 냉간용접 공정에서의 파괴(fracturing) 및 재응집(re-aggregation)과정에서 생성된다. 충방전 반응 진행 중 발생하는 실리콘의 부피팽창으로 인해 실리콘 입자가 부서지고 불안정해 지는 현상은, 상기 공동에 의해 제어 가능할 것으로 판단된다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료의 TEM 및 HRTEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 12의 (a)는 pristine Si-CNT복합체의 TEM 이미지들이고, 도 12의 (b)는 pristine Si-CNT복합체의 HRTEM 이미지들이다.
TEM(Transmission Electron Microscope) 및 HRTEM(High-resolution Transmission Electron Microscope)을 이용하여, 상술된 실시 예에 따라 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 이미지를 측정하였다.
도 12의 (a)를 참조하면, 상기 pristine Si-CNT복합체의 TEM 분석에서는, 상기 pristine Si-CNT복합체의 크기는 약 10nm 내지 15nm이고, SAED패턴을 통하여 실리콘(Si) 결정에서 나타나는 (111), (220), 및 (311) 결정면을 확인하였다.
도12의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 pristine Si-CNT복합체의 HRTEM 분석에서는, 상기 pristine Si-CNT복합체의 TEM 분석에서와 마찬가지로, 상기 pristine Si-CNT복합체에서 실리콘(Si) 결정에서 나타나는 (111) 결정면과 탄소나노튜브의 존재를 확인하였다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료 및 탄소나노튜브의 Raman 분석 그래프이다.
실시 예에 따른 pristine Si-CNT복합체 및 탄소나노튜브에 대하여 조사된 빛에 대한 파장 변화에 따른 발광강도(intensity)를 측정하였다.
도 13을 참조하면, 상기 pristine Si-CNT복합체의 Raman 그래프에서, 실리콘(Si), 및 탄소(C)의 발광강도 피크(peak)이 나타나는 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 pristine Si-CNT복합체 내의 실리콘(Si) 및 상기 탄소나노튜브의 존재를 확인하였다.
도 14는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료의 Impedance 그래프이다.
본 발명의 실시 예(pristine Si-CNT복합체), 실시 예에 대한 비교 예(pristine Si)가 적용된 전지에 대하여 1cycle을 수행한 후, Impedance 값을 측정하였다.
도 14를 참조하면, pristine Si-CNT복합체의 전하전이저항(Z’RE) 값이 pristine Si의 전하전이저항(Z’RE) 값보다 큰 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명의 실시 예에 따른 pristine Si-CNT복합체의 전극 내의 전하 이동에 대한 저항이 실시 예에 대한 비교 예에 따른 pristine Si의 전극 내의 전하 이동에 대한 저항보다 작은 것을 알 수 있었다. 다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따른 pristine Si-CNT복합체를 이용하여 전극을 제조하는 경우가 실시 예에 대한 비교 예에 따른 pristine Si를 이용하여 전극을 제조하는 경우보다 전해질의 확산 및 전하의 이동이 용이할 것으로 판단된다.
도 15는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료의 XRD 그래프이다
XRD(X-Ray Diffraction) 기기를 이용하여, 본 발명의 실시 예(pristine Si-CNT복합체) 및 실시 예에 대한 비교 예(pristine Si)에 대하여, X선 흡수에 따른 발광강도(intensity)를 측정하였다.
본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에서 fcc 실리콘(Si) 결정에서 나타나는 (111), (220), 및 (311) 결정피크(peak)를 확인하였고, 본 발명의 실시 예의 경우, 탄소코팅에 의하여 20~25°에서 폭넓은 비정질의 탄소피크가 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 본 발명의 실시 예의 경우, 믹서밀에 의한 격자변형의 증가로 결정성의 피크가 더 넓어진 것을 확인하였다.
도 16는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예에 따른 전극 재료의 FT-IR 그래프이다.
FT-IR(Fourier Transform Infrared) 기기를 이용하여, 상기 pristine Si-CNT복합체 및 pristine Si에 대하여, 적외선 흡수에 의한 파장에 따른 발광강도(intensity) 값을 측정하였다.
도 16을 참조하면, 실리콘모녹사이드 또는 실리콘다이옥사이드 등의 실리콘옥사이드 계열을 나타내는 Si-O-Si 피크와 Si-H 피크가 상기 pristine Si-CNT복합체의 경우가 상기 pristine Si의 경우보다 작은 것을 확인하였다. 실리콘 옥사이드 계열을 나타내는 Si-O-Si 피크와 Si-H 피크의 감소는, 새로운 계면의 생성과 격자변형의 증가로 인해, 부반응을 일으키는 실리콘 옥사이드가 감소하는 것을 나타내는 것으로, 최초 사이클 효율은 증가되고, 전지의 효율을 낮추는 부반응은 감소될 것으로 예상된다. 이로부터, 상기 pristine Si-CNT복합체의 경우가 상기 pristine Si의 경우보다 전지 성능이 우수할 것으로 판단된다.
본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 Nano-Si, Graphite, C-Si CVD, C2H2 coated porous Si, 및 Pristine Si의 무게당 용량(specific capacity), 및 부피당 용량(volumetric capacity) 값과 본 발명의 실시 예에 따른 pristine Si-CNT복합체(CNT 10wt%)의 탭 밀도(tap density), 무게당 용량(specific capacity), 및 부피당 용량(volumetric capacity) 측정값은 [표 1]과 같다.
구분 tap density
(g/cm3)		 specific capacity
(mAh/g)		 volumetric capacity
(mAh/cm3)
Nano-Si 0.16 1800 288
Graphite 1.16 360 418
C-Si CVD 0.49 1950 956
C2H2 coated porous Si 0.78 1544 1204
Pristine Si 0.285 1170 333
pristine Si-CNT복합체
(CNT 15wt%)		 1.103 2364 2607
[표 1]을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체의 탭 밀도는 약 1.1g/cm3 이고, 무게당 용량은 약 2300 mAh/cm3이고, 부피당 용량은 약 2600 mAh/cm3인 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 pristine Si-CNT복합체가 실시 예에 대한 비교 예에 따른 Pristine Si보다 탭 밀도, 무게당 용량, 및 상기 부피당 용량 값이 큰 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 pristine Si-CNT복합체의 경우, 높은 탭 밀도, 무게당 용량, 및 상기 부피당 용량을 가지므로, 고용량의 전지 제작이 가능한 것을 알 수 있었다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 재료가 적용되는 이차 전지 적용 자동차의 블록도를 도시한 것이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시 예 및 실시 예들에 따른 전극 재료가 적용되는 이차 전지 적용 자동차(1000)는 모터(1010), 변속기(1020), 액슬(1030), 배터리팩(1040) 및 파워제어부(1050) 및 충전부(1060) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 모터(1010)는 상기 배터리팩(1040)의 전기 에너지를 운동 에너지로 변환할 수 있다. 상기 모터(1010)는 변환된 운동에너지를 상기 변속기(1020)를 통하여 상기 액슬(1030)에 제공할 수 있다. 상기 모터(1010)는 단일 모터 또는 복수의 모터로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 모터(1010)가 복수의 모터로 이루어지는 경우 상기 모터(1010)는 전륜 액슬에 운동 에너지를 공급하는 전륜 모터와 후륜 액슬에 운동 에너지를 공급하는 후륜 모터를 포함할 수 있다.
상기 변속기(1020)는 상기 모터(1010)와 상기 액슬(1030) 사이에 위치하여 상기 모터(1010)로부터의 운동 에너지를 운전자가 원하는 운전 환경에 부합하도록 변속하여 상기 액슬(1030)에 제공할 수 있다.
상기 배터리팩(1040)은 상기 충전부(1060)로부터의 전기 에너지를 저장할 수 있고, 저장된 전기 에너지를 상기 모터(1010)에 제공할 수 있다. 상기 배터리팩(1040)은 상기 모터(1010)로 직접 전기 에너지를 공급할 수도 있고, 상기 파워제어부(1050)을 통하여 전기 에너지를 공급할 수 있다.
이 때 상기 배터리팩(1040)은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 배터리 셀은 상술한 본 발명의 실시 예들에 따른 전극 재료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 리튬계 이차전지 등 다양한 방식의 이차전지를 더 포함할 수 있다. 한편, 배터리 셀은 개개의 배터리를 말하는 용어일 수 있고, 배터리 팩은 원하는 전압 및/또는 용량을 가지도록 개개의 배터리 셀이 상호 연결된 배터리 셀 집합체를 말할 수 있다.
상기 파워 제어부(1050)는 상기 배터리 팩(1040)을 제어할 수 있다. 다시 말해, 상기 파워 제어부(1050)는 상기 배터리 팩(1040)으로부터 상기 모터(1010)로의 파워가 요구되는 전압, 전류, 파형 등을 가지도록 제어할 수 있다. 이를 위하여, 상기 파워 제어부(1050)는 패시브 전력소자 및 액티브전력소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 충전부(1060)는 외부 전력원(1070)으로부터 전력을 제공받아 상기 배터리 팩(1040)에 제공할 수 있다. 상기 충전부(1060)는 충전 상태를 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어 상기 충전부(1060)는 충전의 on/off 및 충전 속도 등을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라, 다공성의 실리콘 분말의 응집체 및 탄소 재료의 복합체를 전극 재료로 사용하는 경우, 전지의 충방전 사이클 증가에 따른 실리콘 입자의 부피 팽창을 용이하게 제어 하고, 상기 탄소 재료에 의해 전극의 전기전도도가 대폭 향상된 고신뢰성 및 고용량 전지의 제작이 용이한 전극 재료가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 실리콘 산화물
20: 제1 복합체
30: 제2 복합체
40: 제3 복합체
300: 탄소 재료
100: 실리콘 산화물 입자
105: 실리콘 입자
108: 공동(void)

Claims (13)

  1. 실리콘 산화물을 준비하는 단계;
    상기 실리콘 산화물의 적어도 일부를 환원하여, 실리콘 산화물 입자 및 실리콘 입자가 응집된 응집체를 포함하는 제1 복합체(first composite)를 제조하는 단계;
    상기 제1 복합체의 상기 실리콘 산화물 입자를 선택적으로 제거하여, 상기 실리콘 입자가 응집된 제1 응집체를 포함하는 제2 복합체(second composite)를 제조하는 단계; 및
    상기 제2 복합체 및 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 건식 혼합화(dry mixing) 및 냉간 용접(cold welding)을 통해, 파괴(fracturing) 및 재응집(re-aggregation)시켜 제3 복합체(third composite)를 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 제2 복합체의 상기 제1 응집체에 포함된 상기 실리콘 입자는, 상기 건식 혼합화 및 냉간 용접 공정에서, 나노 실리콘 입자로 파괴되고,
    상기 제3 복합체는, 상기 나노 실리콘 입자가 재응집된 제2 응집체, 및 상기 제2 응집체의 표면에 부착되고, 상기 제2 응집체 내부에 침투된 상기 탄소나노튜브를 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 복합체에서 상기 탄소나노튜브는 15wt%이고,
    상기 건식 혼합화는, 믹서밀을 이용하여, 진동수 20Hz에서, 30분 동안 수행되는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 복합체를 제조하는 단계는,
    상기 실리콘 산화물을 열처리(thermal treatment)하여, 상기 실리콘 산화물의 적어도 일부가 상기 실리콘 입자로 환원되는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 복합체를 제조하는 단계는,
    습식 식각 공정(Wet etching)에 의해 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 산화물 입자가 제거되고, 상기 제1 복합체의 상기 실리콘 입자가 잔존하는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 복합체는, 상기 실리콘 산화물 입자가 제거되면서 형성된 공동(void, 空洞), 및 잔존하는 상기 실리콘 입자의 응집체를 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 복합체를 제조하는 단계는,
    상기 제2 복합체 및 상기 탄소나노튜브를 건식 혼합화 및 냉간 용접하여, 상기 탄소나노튜브가 상기 실리콘 입자의 응집체에 부착되거나, 상기 탄소나노튜브의 적어도 일부가 상기 실리콘 입자의 응집체 내부로 삽입되는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 복합체를 제조하는 단계는,
    상기 제2 복합체 및 상기 탄소나노튜브를 스펙스밀(spex mill) 또는 믹서밀(mixer mill) 하는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 스펙스밀 또는 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간(mixing time)이 증가함에 따라, 상기 탄소나노튜브의 크기가 감소하는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 스펙스밀 또는 상기 믹서밀의 진동 수 및/또는 믹싱 시간(mixing time)이 증가함에 따라, 제조되는 상기 제3 복합체의 크기가 감소하는 것을 포함하는 전극 재료의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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