KR101919470B1 - Negative active material for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery comprising thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질과 이의 제조방법 및 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이에 형성된 벌어진 간극을 표면 및 내부에 포함하는 천연 흑연 입자; 및 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층;을 포함하는 음극 활물질용 입자로 이루어지거나, 또는 상기 음극 활물질용 입자 표면 상에 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고, 인편상 흑연 절편 입자가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지는 쉘층을 더 포함하는 음극 활물질용 입자로 이루어지는 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 그 제조방법, 및 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지에 대한 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 including the negative active material for the lithium secondary battery. More particularly, the present invention relates to a lithium secondary battery, Natural graphite particles having a structure having a gap formed between the surface and the inside of the scaly graphite particles; And a coating layer formed on the surface of the natural graphite particle to produce the gap and the coating layer comprising (i) a silicon or silicon compound particle and (ii) an amorphous or semi-crystalline carbon, Or amorphous or semi-crystalline carbon is distributed between the graphite particles of the graphite particles on the surface of the particles for the negative electrode active material, and the graphite particles of the graphite particles are laminated in a concentric direction And a shell layer, and a lithium secondary battery including the negative active material. The present invention also relates to a lithium secondary battery including the negative active material.
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질과 이의 제조방법 및 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 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 including the negative active material for the lithium secondary battery.
리튬 이차 전지(lithium secondary battery)는 리튬 이온(Li+)을 전하전달의 매개체로 하는 이차전지를 지칭하는 것으로, 음극, 양극 및 전해질의 종류에 따라 다양한 형태로 제조되어 휴대용 기기, 전기 자전거, 전동 공구 등의 동력을 공급하기 위한 전원으로 각광받고 있다.A lithium secondary battery refers to a secondary battery having lithium ion (Li + ) as a medium of charge transfer. It is manufactured in various forms according to the types of a cathode, a cathode and an electrolyte, and is used as a portable device, an electric bicycle, And is powered by a power source for supplying power to tools and the like.
최근, 리튬 이차 전지 응용이 다양해짐에 따라 고에너지 밀도를 갖는 전지가 요구되고 있으며, 이에 따라 양극 활물질 및 음극 활물질의 고용량화를 위한 연구 및 개발도 병행해서 진행되어 왔다.2. Description of the Related Art In recent years, as lithium secondary battery applications have become diverse, batteries having a high energy density have been required. Accordingly, research and development for increasing the capacity of the positive electrode active material and the negative electrode active material have been carried out in parallel.
현재 리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 결정질 흑연 재료가 사용되고 있다. 그러나, 현재 상용화되어 있는 음극 활물질로서 흑연은 이론적 용량이 372 mAh/g 으로 제한되어 있어 새로운 고용량 음극 활물질 개발이 요구되고 있다.At present, a crystalline graphite material is used as an anode active material of a lithium secondary battery. However, the graphite as the anode active material which is currently commercialized is limited to a theoretical capacity of 372 mAh / g, and thus a new high capacity anode active material is required to be developed.
흑연을 대체 할 수 있는 신규 재료로서 실리콘(Si)은 리튬과의 화합물 형성 반응을 통해 리튬을 가역적으로 흡장. 방출하며 이론적 최대용량이 4020 mAh/g (9800 mAh/g, 비중 2.23)으로서 흑연에 비해 매우 크기 때문에 고용량 음극 재료로 유망하다. 그러나, 충전. 방전 시 리튬과의 반응에 의해서 300% 정도의 큰 부피 변화가 일어나기 때문에 실리콘 활물질 입자의 기계적인 파괴 및 실리콘 활물질과 집전체와의 전기적 접촉 불량이 발생한다. 이로 인해 전지의 충전. 방전 사이클이 진행됨에 따라 전지 용량이 급격하게 감소하고 사이클 수명이 짧아지는 문제가 발생한다.As a new material that can replace graphite, silicon (Si) absorbs lithium reversibly through a compound formation reaction with lithium. And the theoretical maximum capacity is 4020 mAh / g (9800 mAh / g, specific gravity: 2.23), which is very large compared to graphite and is therefore promising as a high capacity cathode material. However, charging. A large volume change of about 300% occurs due to the reaction with lithium at the time of discharging, resulting in mechanical breakdown of the silicon active material particles and electrical contact failure between the silicon active material and the current collector. This causes the battery to charge. As the discharge cycle progresses, there arises a problem that the battery capacity sharply decreases and the cycle life is shortened.
따라서 종래의 대부분의 연구 개발은 충방전 사이클 특성을 개선하는데 집중되어왔으며 이러한 문제점을 극복하기 위해 실리콘(Si)이나 그 화합물 입자를 형성하거나 이들 화합물 입자와 탄소와의 복합체 활물질을 이용하는 등 많은 방법이 검토되어 왔다. 그 결과 사이클 특성이 향상된 결과들이 발표되고 있다. Therefore, most conventional research and development has been focused on improving the charge-discharge cycle characteristics. To overcome such problems, many methods such as forming silicon (Si) or compound particles thereof, or using composite active materials of these compound particles and carbon Have been reviewed. As a result, improved cycle characteristics are being reported.
그러나 상기한 종래의 방법에 의해서도 충분하고 우수한 사이클 수명 특성을 얻을 수 없을뿐 아니라 제조 공정 및 비용이 높아 실용적인 리튬 이차 전지용 음극 활물질로 사용 될 수 없는 문제점들이 있어, 이러한 문제점들을 해결하여 보다 우수한 충방전 특성을 보여주는 저가격의 고용량 음극 활물질의 개발이 여전히 필요한 실정이다.However, the above-mentioned conventional methods fail to provide sufficient and excellent cycle life characteristics, and they are difficult to be used as a practical anode active material for a lithium secondary battery due to a high manufacturing process and cost. To solve these problems, It is still necessary to develop a low-cost high-capacity anode active material exhibiting characteristics.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고율 충방전 특성 및 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질과 그 제조방법 및 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention provides a negative active material for a lithium secondary battery having excellent high rate charge / discharge characteristics and cycle life characteristics, a method for producing the negative active material, and a lithium secondary battery comprising the negative active material.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이에 형성된 벌어진 간극을 표면 및 내부에 포함하는 천연 흑연 입자; 및 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층;을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing graphite particles, comprising the steps of: forming natural graphite flake particles into a cabbage or random phase, Natural graphite particles; And a coating layer formed on the surface of the natural graphite particle to produce the gap and the coating layer comprising (i) a silicon or silicon compound particle and (ii) an amorphous or semi-crystalline carbon, A negative electrode active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the amorphous or semi-crystalline carbon includes 1 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the natural graphite particles.
또한, 상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자를, 음극 활물질 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.The present invention also provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the silicon or silicon compound particle is contained in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative active material.
또한, 상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자의 평균입경(D50)은 5 nm 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the average particle diameter (D50) of the silicon or silicon compound particles is 5 nm to 3 탆, and the negative active material for a lithium secondary battery is proposed.
또한, 상기 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the above-mentioned natural graphite particles have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 탆, which suggests an anode active material for a lithium secondary battery.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 결구되어 조립화된 구형화 천연 흑연 입자; 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자; 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체; 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 대해 초음파 처리를 실시해, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려줌과 동시에, 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면에, 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 함침 및 코팅시키는 단계; 상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자를 제조하는 단계; 및 상기 구형화 천연 흑연 개질 입자를 열처리하는 단계를 포함하는, 제1항의 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다. In another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a graphite particle, comprising the steps of: Silicon or silicon compound particles; Amorphous or quasi-crystalline carbon precursors; And a solvent; The solution is subjected to ultrasonic treatment to enlarge the gap between the flaky natural graphite flakes particles existing on the surface and inside of the spherical natural graphite particles and to form the flakes on the surface of the flake natural graphite flakes particles And impregnating and coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor with the silicon or silicon compound particles on the surface of the spheroidized natural graphite particle; Drying the ultrasonic treated solution to prepare spherical natural graphite modified particles; And heat-treating the spheroidized natural graphite-modified particles. The present invention also provides a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서, (1) 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이에 형성된 벌어진 간극을 표면 및 내부에 포함하는 천연 흑연 입자; 및 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층;을 포함하는 코어 입자; 및 (2) 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고, 인편상 흑연 절편 입자가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지며, 상기 코어 입자 표면 상에 형성된 쉘층;을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing graphite particles, comprising the steps of: (1) forming natural graphite slice particles into a cabbage or a random phase and assembling the natural graphite slice particles, Natural graphite particles included on the surface and inside; And a coating layer formed on the surface of the natural graphite particle to produce the gap and the coating layer comprising (i) a silicon or silicon compound particle and (ii) an amorphous or semi-crystalline carbon, Core particles; And (2) a shell layer having a structure in which amorphous or quasi-crystalline carbon is distributed between the flaky graphite flake particles and flake graphite flake particles are stacked in a concentric direction and the flake is formed, and a shell layer formed on the surface of the core particles A negative electrode active material for a secondary battery is proposed.
또한, 상기 코어 입자에서 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.In addition, the amorphous or semi-crystalline carbon in the core particles includes 1 to 40 parts by weight of the negative electrode active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 코어 입자에서 상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자는 상기 코어 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.In addition, the silicon or silicon compound particles in the core particles include 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the core particles.
또한, 상기 코어 입자에서 상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자의 평균입경(D50)은 5 nm 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the average particle size (D50) of the silicon or silicon compound particles in the core particles is 5 nm to 3 탆, and the negative active material for a lithium secondary battery is proposed.
또한, 상기 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the natural graphite particles have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 占 퐉. The negative active material for a lithium secondary battery is proposed.
또한, 상기 쉘층의 두께는 0.02 내지 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the thickness of the shell layer is 0.02 to 5 탆, and the negative electrode active material for a lithium secondary battery is proposed.
또한, 상기 쉘층에 포함된 상기 인편상 흑연 절편 입자의 평균 두께는 0.005 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the average thickness of the flaky graphite flakes particles contained in the shell layer is 0.005 to 1 占 퐉, and proposes a negative active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 쉘층에 포함된 상기 인편상 흑연 과 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 1 내지 99 : 99 내지 1의 중량비인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제안한다.Also, the scaly graphite contained in the shell layer and the amorphous or semicrystalline carbon are in a weight ratio of 1: 99: 99 to 1. The present invention further provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서, 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 결구되어 조립화된 구형화 천연 흑연 입자; 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자; 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체; 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 대해 초음파 처리를 실시해, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려줌과 동시에, 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면에, 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 함침 및 코팅시키는 단계; 상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자인 제1 입자를 제조하는 단계; 상기 제1 입자의 표면 상에, 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고 인편상 흑연 절편 입자가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지는 쉘층을 형성시켜, 제2 입자를 제조하는 단계; 및 상기 제2 입자를 열처리하는 단계를 포함하는, 제7항의 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다. Further, in another aspect of the present invention, the present invention relates to spheroidized natural graphite particles in which scaly natural graphite particle grains are aggregated and assembled; Silicon or silicon compound particles; Amorphous or quasi-crystalline carbon precursors; And a solvent; The solution is subjected to ultrasonic treatment to enlarge the gap between the flaky natural graphite flakes particles existing on the surface and inside of the spherical natural graphite particles and to form the flakes on the surface of the flake natural graphite flakes particles And impregnating and coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor with the silicon or silicon compound particles on the surface of the spheroidized natural graphite particle; Drying the ultrasonic treated solution to prepare spherical natural graphite modified particles; Forming a shell layer having a structure in which amorphous or quasi-crystalline carbon is distributed between the flaky graphite flake particles and flake graphite flake particles are laminated in a concentric direction to form a shell layer on the surface of the first particles, ; And heat-treating the second particles. The method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery according to claim 7,
또한, 상기 탄소 전구체는 구연산, 스테아린산(stearic acid), 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 플루로닉 블록 고분자(Pluronic F127), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 페놀 수지, 퓨란 수지, 퍼푸릴 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐바이롤리돈, 글리세롤, 폴리올, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴 및 당류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 제조 방법을 제안한다.The carbon precursor may be selected from the group consisting of citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, Pluronic F127, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone (EPDM), sulfonated EPDM, starch, phenolic resin, furan resin, furfuryl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylic sodium, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile, Wherein the adhesive layer is made of polyimide, epoxy resin, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl bellolidone, glycerol, polyol, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, low molecular weight heavy oil, glucose, And a negative electrode active material for a lithium secondary battery, Propose ways.
또한, 상기 용매는 물, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 에틸렌, 디메틸아세트아미드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 헥산, 테트라하이드로퓨란, 데칸, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 및 아세트산에틸로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다.The solvent may be selected from the group consisting of water, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, toluene, ethylene, dimethylacetamide, acetone, methyl ethyl ketone, hexane, tetrahydrofuran, decane, ethanol, methanol, isopropanol, Wherein the negative active material is at least one selected from the group consisting of lithium and lithium.
또한, 상기 초음파 처리는 10 내지 35 kHz의 발진 주파수 및 10 ㎛ 내지 150 ㎛의 초음파 진폭의 조건 하에서 1분 내지 24시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다.Also, the ultrasonic treatment is performed for 1 minute to 24 hours under the condition of an oscillation frequency of 10 to 35 kHz and an ultrasonic amplitude of 10 to 150 탆, and proposes a method of manufacturing the anode active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 건조는 회전 분무, 노즐 분무 및 초음파 분무로부터 선택되는 적어도 하나의 분무 건조(spray dry)법; 회전증발기(rotary evaporator)를 이용한 건조법; 진공 건조법; 또는 자연 건조법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다.Also, the drying may be carried out by at least one spray drying method selected from rotary spraying, nozzle spraying and ultrasonic spraying; A drying method using a rotary evaporator; Vacuum drying method; Or a natural drying method. The present invention also provides a method for preparing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 열처리는 500 내지 1500 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다.Also, the heat treatment is performed at a temperature of 500 to 1500 캜. The present invention also provides a method for preparing a negative active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 열처리는 질소, 아르곤, 수소, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다.Also, the heat treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen, or a mixed gas thereof, or under a vacuum, and a method for producing the negative electrode active material for a lithium secondary battery.
또한, 상기 탄소 전구체는 상기 구형화 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 2 내지 80 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제안한다.Also, the carbon precursor is included in an amount of 2 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the spherical natural graphite particles. The present invention also provides a method for preparing the anode active material for a lithium secondary battery.
그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서, 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제안한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the negative electrode active material.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 고용량, 고율 충방전 특성 및 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지의 구현에 유용하게 사용될 수 있다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention can be effectively used for realizing a lithium secondary battery having excellent capacity, high rate charge / discharge characteristics and cycle life characteristics.
도 1은 제1 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 2은 제2 구현예에 따른 음극 활물질의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 3 내지 5는 각각 실시예 1 내지 3에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 각각 비교예 1에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 1에 따른 음극 활물질 단면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8 및 9는 실시예 1에 따른 음극 활물질 단면의 EDS (Energy dispersive X-ray spectroscopy) Mapping 사진이다
도 10 내지 12는 각각 실시예 1 내지 3에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.
도 13은 비교예 1에 따른 음극 활물질의 X-선 회절 패턴(XRD)을 나타낸다.
도 14는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 에 따른 음극 활물질의 수명특성 평가결과를 나타낸다.1 is a schematic cross-sectional view of a negative active material according to a first embodiment.
2 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode active material according to a second embodiment.
3 to 5 are scanning electron microscope (SEM) photographs of the negative electrode active materials according to Examples 1 to 3, respectively.
6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative electrode active material according to Comparative Example 1, respectively.
7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross section of a negative electrode active material according to Example 1. Fig.
8 and 9 are energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping images of a cross section of a negative electrode active material according to Example 1
10 to 12 show X-ray diffraction patterns (XRD) of the negative electrode active material according to Examples 1 to 3, respectively.
13 shows an X-ray diffraction pattern (XRD) of the negative electrode active material according to Comparative Example 1. Fig.
Fig. 14 shows results of evaluating the life characteristics of the negative electrode active material according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Fig.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
도 1은 본원 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제1 구현예에 대한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention.
도 1을 참고하면, 제1 구현예에 따른 음극 활물질(1)은 인편상 천연 흑연 절편 입자(10)들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이에 형성된 벌어진 간극(20)을 표면 및 내부에 포함하는 천연 흑연 입자; 및 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자(40) 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소(30)를 포함하는 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다. Referring to FIG. 1, the negative electrode
싱기 제1 구현예에 따른 음극 활물질은 다음과 같이 제조될 수 있다.The anode active material according to the first embodiment of the present invention may be prepared as follows.
즉, 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 결구되어 조립화된 구형화 천연 흑연 입자; 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자; 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체; 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 대해 초음파 처리를 실시해, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려줌과 동시에, 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면에, 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 함침 및 코팅시키는 단계; 상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자를 제조하는 단계; 및 상기 구형화 천연 흑연 개질 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 공정을 통해 제조될 수 있다.That is, spherical natural graphite particles assembled by assembly of scaly natural graphite flakes particles; Silicon or silicon compound particles; Amorphous or quasi-crystalline carbon precursors; And a solvent; The solution is subjected to ultrasonic treatment to enlarge the gap between the flaky natural graphite flakes particles existing on the surface and inside of the spherical natural graphite particles and to form the flakes on the surface of the flake natural graphite flakes particles And impregnating and coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor with the silicon or silicon compound particles on the surface of the spheroidized natural graphite particle; Drying the ultrasonic treated solution to prepare spherical natural graphite modified particles; And heat treating the spheroidized natural graphite modified particles.
상기 구형화 천연 흑연 입자, 실리콘 및 실리콘 화합물 입자 및 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 포함하는 상기 용액을 초음파 처리하는 경우, 상기 구형화 천연 흑연 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려주며 동시에 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극으로 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체가 함침되고, 또한 상기 구형화 천연 흑연 표면에 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체가 코팅된다. 상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자를 제조한 후, 열처리하여 상기 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극 및 상기 구형화 천연 흑연 표면에 존재하는 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 탄화시킴으로써, 상기 제1 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질이 얻어진다.When the solution containing the spherical natural graphite particles, the silicon and the silicon compound particles and the amorphous or quasi-crystalline carbon precursor is subjected to ultrasonic treatment, the spherical natural graphite surface and the graphite particles existing on the inside of the graphite particles And the amorphous or quasi-crystalline carbon precursor is impregnated with the silicon and silicon compound particles as a gap between the scaly natural graphite particles, and the silicon and silicon compound particles and the silicon compound particles are impregnated on the surface of the spherical natural graphite particles. Together with an amorphous or quasi-crystalline carbon precursor. The ultrasonic treated solution is dried to prepare spherical natural graphite modified particles and then heat treated to form gaps between the scintillated natural graphite particles and the amorphous or quasi-crystalline carbon precursor existing on the spherical natural graphite surface The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the first embodiment is obtained.
이에 따라 상기 음극 활물질은 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자가 상기 음극 활물질 입자의 표면 및 표면부근의 상기 인편상 흑연 절편 사이에 벌려진 간극 내에 존재하여 충전 및 방전 동안 리튬 삽입 및 탈리 반응시 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자의 부피 팽창에 대한 완충 작용효과 및 전해액과의 반응성이 향상되어, 고용량 구현과 함께 고율 충방전 특성 및 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.Accordingly, the negative active material is present in the gaps between the graphite slices on the surface and the surface of the negative electrode active material particles, so that the lithium and the silicon compounds during the charging and discharging during charging and discharging, The buffering effect on the volume expansion of the particles and the reactivity with the electrolyte are improved, thereby realizing a lithium secondary battery having a high capacity and excellent charge / discharge characteristics and cycle life characteristics.
상기 구형화 천연 흑연 입자는 한국공개특허 제2003-0087986호 및 제2005-0009245호에 제시된 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 평균입경 30㎛ 이상의 인편상 천연 흑연을 회전식 가공기를 사용하여 반복 가공처리하는 단계를 수행하여, 상기 회전식 가공기 내측면과 상기 인편상 천연 흑연 분말 간의 충돌에 의한 분쇄와 분말들 간의 마찰가공, 전단응력에 의한 분말의 전단가공 등을 통해 인편상 천연 흑연들의 조립화가 이루어져 최종적으로 구형화 천연 흑연 입자가 제조될 수 있다. The spherical natural graphite particles can be formed by the methods disclosed in Korean Patent Publication Nos. 2003-0087986 and 2005-0009245, but are not limited thereto. For example, a step of repeatedly processing the scaly natural graphite having an average particle diameter of 30 탆 or more by using a rotary machine is performed, whereby the friction between the powder and the crushing due to the collision between the inner side of the rotary machine and the scaly natural graphite powder Processing and shearing of the powder by shearing stress, and the like, the scratched natural graphite is assembled and finally spherical natural graphite particles can be manufactured.
상기 구형화 천연 흑연 입자는 양배추상 또는 랜덤상으로 결구되어 형성될 수 있다. 또한 상기 구형화 천연 흑연 입자는 원형뿐 아니라 타원형일 수도 있고, 구체적으로는 3차원의 천연 흑연 입자를 2차원의 평면에 투영해서 산출되는 지표가 약 0.8 이상인 구형일 수 있다.The spherical natural graphite particles may be formed into a cabbage or a random phase. In addition, the spheroidized natural graphite particles may be spherical as well as circular, or may be spherical having an index of about 0.8 or more, which is calculated by projecting three-dimensional natural graphite particles on a two-dimensional plane.
상기 구형화 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛ 일 수 있고, 보다 바람직하게는 5 내지 30 ㎛ 일 수 있다. The spherical natural graphite particles may have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 mu m, more preferably 5 to 30 mu m.
상기 구형화 천연 흑연 입자는 인편상 천연 흑연 입자들이 양배추상 또는 랜덤상으로 결구되어 형성될 수 있다. 또한 상기 구형화 천연 흑연 입자는 원형뿐 아니라 타원형일 수도 있고, 구체적으로는 3차원의 천연 흑연 입자를 2차원의 평면에 투영해서 산출되는 지표가 약 0.8 이상인 구형일 수 있다. 상기 구형화 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛ 일 수 있다. The spheroidized natural graphite particles may be formed by forming truncated natural graphite particles into a cabbage or a random phase. In addition, the spheroidized natural graphite particles may be spherical as well as circular, or may be spherical having an index of about 0.8 or more, which is calculated by projecting three-dimensional natural graphite particles on a two-dimensional plane. The spherical natural graphite particles may have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 mu m.
상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자의 크기는 평균 입경이 5nm 내지 3㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 10 nm 내지 1㎛ 의 크기를 갖는 것이 더욱 바람직하다.The sizes of the silicon and silicon compound particles preferably have an average particle size of 5 nm to 3 탆, and more preferably 10 nm to 1 탆.
상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자는 상기 제1 구현예에 따른 음극 활물질 입자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 50 중량부로 포함될 수 있다.The silicon and silicon compound particles may be included in an amount of 0.1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material particles according to the first embodiment.
한편, 상기 실리콘 화합물은 SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-M 합금(상기 M은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 M에 포함되는 구체적원 원소로서, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 또는 이들의 조합을 들 수 있다.On the other hand, the silicon compound may be at least one selected from the group consisting of SiO x (0 <x <2), Si-C composite, Si-M alloy (M is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 to Group 16 element, And at least one of them may be mixed with SiO 2 . As the specific element contained in M, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof.
상기 용매는 물, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 에틸렌, 디메틸아세트아미드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 헥산, 테트라하이드로퓨란, 데칸, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 및 아세트산에틸로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. The solvent is at least one selected from the group consisting of water, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, toluene, ethylene, dimethylacetamide, acetone, methyl ethyl ketone, hexane, tetrahydrofuran, decane, ethanol, methanol, isopropanol, One can be included.
상기 탄소 전구체는 구연산, 스테아린산(stearic acid), 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 플루로닉 블록 고분자(Pluronic F127), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 페놀 수지, 퓨란 수지, 퍼푸릴 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐바이롤리돈, 글리세롤, 폴리올, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴 및 당류로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. The carbon precursor may be selected from the group consisting of citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, Pluronic F127, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, (EPDM), sulfonated EPDM, starch, phenolic resin, furan resin, per furyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylic sodium, polyacrylonitrile, polyimide At least one member selected from the group consisting of epoxy resin, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl bellolidone, glycerol, polyol, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, low molecular weight heavy oil, glucose, One can be included.
상기 초음파는 초음파 진폭 10 ㎛ 내지 150 ㎛ 의 작동조건 하에서 1분 내지 24시간의 시간 동안 조사될 수 있고, 10 내지 35 kHz 의 발진 주파수를 가질 수 있다. The ultrasonic waves can be irradiated for 1 minute to 24 hours under an operating condition of ultrasonic amplitude of 10 mu m to 150 mu m and can have an oscillation frequency of 10 to 35 kHz.
상기 건조는 회전 분무, 노즐 분무 및 초음파 분무로부터 선택되는 적어도 하나의 분무 건조(spray dry)법; 회전증발기(rotary evaporator)를 이용한 건조법; 진공 건조법; 또는 자연 건조법으로 수행될 수 있다. The drying may be carried out by at least one spray drying method selected from rotary spraying, nozzle spraying and ultrasonic spraying; A drying method using a rotary evaporator; Vacuum drying method; Or by natural drying methods.
상기 열처리는 500 내지 1500 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 질소, 아르곤, 수소, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 500 to 1500 DEG C and may be performed in an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen, or a mixed gas thereof, or under a vacuum.
상기 탄소 전구체는 상기 구형화 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 2 내지 80 중량부로 포함될 수 있다. 상기 제1 구현예에 따른 음극 활물질은 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 상기 음극 활물질 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부로 포함될 수 있다. The carbon precursor may be included in an amount of 2 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the spherical natural graphite particles. The negative electrode active material according to the first embodiment may include 1 to 40 parts by weight of the amorphous or semi-crystalline carbon based on 100 parts by weight of the negative electrode active material particles.
도 2는 본원 발명에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제2 구현예에 대한 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a second embodiment of a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention.
도 2를 참고하면, 제2 구현예에 따른 음극 활물질(2)은, (1) 인편상 천연 흑연 절편 입자(10)들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이에 형성된 벌어진 간극(20)을 표면 및 내부에 포함하는 천연 흑연 입자; 및 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자(40) 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소(30)를 포함하는 코팅층;을 포함하는 코어 입자; 및 (2) 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고, 인편상 흑연 절편 입자(50)가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지며, 상기 코어 입자 표면 상에 형성된 쉘층(60);을 포함하는 것을 특징으로 한다. 2, the anode
싱기 제2 구현예에 따른 음극 활물질은 다음과 같이 제조될 수 있다.The anode active material according to the second embodiment of the present invention can be manufactured as follows.
즉, 인편상 천연 흑연 절편 입자들이 결구되어 조립화된 구형화 천연 흑연 입자; 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자; 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체; 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 대해 초음파 처리를 실시해, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려줌과 동시에, 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면에, 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 함침 및 코팅시키는 단계; 상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자인 제1 입자를 제조하는 단계; 상기 제1 입자의 표면 상에, 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고 인편상 흑연 절편 입자가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지는 쉘층을 형성시켜, 제2 입자를 제조하는 단계; 및 상기 제2 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 공정을 통해 제조될 수 있다.That is, spherical natural graphite particles assembled by assembly of scaly natural graphite flakes particles; Silicon or silicon compound particles; Amorphous or quasi-crystalline carbon precursors; And a solvent; The solution is subjected to ultrasonic treatment to enlarge the gap between the flaky natural graphite flakes particles existing on the surface and inside of the spherical natural graphite particles and to form the flakes on the surface of the flake natural graphite flakes particles And impregnating and coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor with the silicon or silicon compound particles on the surface of the spheroidized natural graphite particle; Drying the ultrasonic treated solution to prepare spherical natural graphite modified particles; Forming a shell layer having a structure in which amorphous or quasi-crystalline carbon is distributed between the flaky graphite flake particles and flake graphite flake particles are laminated in a concentric direction to form a shell layer on the surface of the first particles, ; And heat-treating the second particles.
구형화 천연 흑연 입자, 실리콘 및 실리콘 화합물 입자 및 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 포함하는 상기 용액을 초음파 처리하는 경우, 상기 구형화 천연 흑연 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려주며 동시에 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극으로 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체가 함침되고, 또한 상기 구형화 천연 흑연 표면에 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체가 코팅된다. 상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자인 제1 입자를 제조하고, 상기 제1 입자의 표면에 위치하는 상기 박리된 인편상 흑연 절편 과 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체로 구성되는 쉘층을 포함하는 제2 입자를 제조한 후, 열처리하여 상기 제1 입자의 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이 간극 및 상기 구형화 천연 흑연 표면 과 제2 입자의 상기 쉘층에 존재하는 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 탄화시킴으로써, 상기 구형화 천연 흑연 입자의 표면 및 내부에 존재하는 상기 인편상 흑연 절편 사이에 벌려진 간극과 상기 구형화 천연 흑연 입자의 표면이 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 상기 비정질 또는 준결정질 탄소에 의해 코팅된 구형화 천연 흑연 개질 복합 입자인 코어 입자 와 상기 코어 입자의 표면에 위치하는 박리된 인편상 흑연 절편 과 비정질 또는 준결정질 탄소 복합층인 상기 쉘층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 활물질의 제조 방법을 제공한다. 상기 코어 입자의 표면에 위치하는 상기 쉘층은 충전 및 방전 동안 리튬 삽입 및 탈리 반응시 상기 코어 입자의 부피 팽창에 대한 완충 작용효과를 더욱 향상 시키고 코어 입자의 표면에 존재하는 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 전해액과의 반응을 억제하여 사이클 안정성을 향상 시킨다.When the solution containing spherical natural graphite particles, silicon and silicon compound particles and the amorphous or quasi-crystalline carbon precursor is subjected to ultrasonic treatment, the spherical natural graphite surface and the graphite particles existing inside the graphite particles And at the same time an amorphous or quasi-crystalline carbon precursor is impregnated with the silicon and silicon compound particles as a gap between the scaly natural graphite particles, and the spherical natural graphite surface is impregnated with silicon and silicon compound particles An amorphous or quasi-crystalline carbon precursor is coated. Drying the ultrasonic treated solution to prepare a first particle which is a spherical natural graphite modified particle and forming a shell layer composed of the peeled scaly graphite piece and an amorphous or quasi-crystalline carbon precursor located on the surface of the first particle, And a heat treatment is performed to form a gap between the scaly natural graphite particle particles of the first particle and an amorphous or quasi-crystalline carbon precursor existing in the shell layer of the spherical natural graphite surface and the second particle, A gap opened between the scratched graphite slices existing on the surface and inside of the spheroidized natural graphite particle and a surface of the spheroidized natural graphite particle together with the silicon and silicon compound particles are carbonized to form the amorphous or quasicrystalline carbon Core particle which is a spherical natural graphite-modified composite particle coated on the surface of the core particle PL is provides a process for the preparation of exfoliated flake-like graphite and an amorphous or semi-intercept negative active material of the active material comprising the shell layer to the crystalline carbon composite layer. The shell layer positioned on the surface of the core particles further improves the buffering effect on the volume expansion of the core particles during lithium insertion and desorption during charging and discharging and further enhances the effect of buffering action of the silicon and silicon compound particles and electrolyte And the cycle stability is improved.
구형화 천연 흑연 입자의 음극 활물질을 사용하여 전극 제조 시, 압착 공정으로 인하여 구형화 천연 흑연 입자의 눌림 현상이 발생할 수도 있다. 특히 상기 초음파 처리로 인해 상기 구형화 흑연의 인편상 천연 흑연 절편 사이의 간극이 형성되는 경우 상기한 전극 제조 시 압착 공정으로 인한 눌림 현상이 더욱 심하게 일어날 수 있으나, 초음파 처리 동안 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극으로 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체가 함침되고, 또한 상기 구형화 천연 흑연 표면에 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체가 코팅되어 상기 제1 입자를 제조하고, 상기 제1 입자의 표면에 인편상 흑연 절편 과 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체로 구성되는 쉘층을 포함하는 제2 입자를 제조한 후, 상기 열처리 단계를 거쳐 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 함께 상기 비정질 또는 준결정질 탄소가 상기 구형화 천연 흑연 입자의 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자내 상기 인편상 천연 흑연 절편 사이의 간극에 존재하는 상기 코어 입자와, 상기 코어 입자의 표면에 위치하는 박리된 인편상 흑연 절편 과 비정질 또는 준결정질 탄소 복합층인 상기 쉘층을 포함하여 상기 코어 입자를 구성하는 상기 구형화 천연 흑연 입자의 눌림 현상이 억제되어 상기 구현예에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극의 경우 전해액과의 반응성이 우수하다. 이에 따라 리튬 이차 전지의 사이클 안정성 및 고율 충방전 특성이 향상될 수 있다. When the negative electrode active material of the spherical natural graphite particles is used to produce electrodes, compression of the spherical natural graphite particles may occur due to the pressing process. In particular, when the gap between the scaly natural graphite slices of the spheroidized graphite is formed by the ultrasonic treatment, the pressing phenomenon due to the pressing process during the production of the electrode may occur more seriously. However, during the ultrasonic treatment, An amorphous or quasi-crystalline carbon precursor is impregnated with silicon and silicon compound particles as a gap between the particles, and an amorphous or a quasi-crystalline carbon precursor is coated on the surface of the spheroidized natural graphite to form the first particles, 1 particles on the surface of the particles and a shell layer composed of a flaky graphite flake and an amorphous or quasi-crystalline carbon precursor, and then, through the heat treatment step, the amorphous or quasi-crystalline carbon Of said spherical natural graphite particles and said spheroidized natural graphite particles The core particles present in the gap between the natural graphite flakes in the graphite particles and the shell layer being the amorphous or semicrystalline carbon composite layer separated from the flake graphite flakes located on the surface of the core particles, The squeezing phenomenon of the spherical natural graphite particles constituting the particles is suppressed and the electrode prepared using the negative electrode active material according to the above embodiment is excellent in reactivity with the electrolytic solution. Accordingly, the cycle stability and the high rate charge / discharge characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
상기 구형화 천연 흑연 입자는 한국공개특허 제2003-0087986호 및 제2005-0009245호에 제시된 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 평균입경 30㎛ 이상의 인편상 천연 흑연을 회전식 가공기를 사용하여 반복 가공처리하는 단계를 수행하여, 상기 회전식 가공기 내측면과 상기 인편상 천연 흑연 분말 간의 충돌에 의한 분쇄와 분말들 간의 마찰가공, 전단응력에 의한 분말의 전단가공 등을 통해 인편상 천연 흑연들의 조립화가 이루어져 최종적으로 구형화 천연 흑연 입자가 제조될 수 있다. The spherical natural graphite particles can be formed by the methods disclosed in Korean Patent Publication Nos. 2003-0087986 and 2005-0009245, but are not limited thereto. For example, a step of repeatedly processing the scaly natural graphite having an average particle diameter of 30 탆 or more by using a rotary machine is performed, whereby the friction between the powder and the crushing due to the collision between the inner side of the rotary machine and the scaly natural graphite powder Processing and shearing of the powder by shearing stress, and the like, the scratched natural graphite is assembled and finally spherical natural graphite particles can be manufactured.
상기 구형화 천연 흑연 입자는 양배추상 또는 랜덤상으로 결구되어 형성될 수 있다. 또한 상기 구형화 천연 흑연 입자는 원형뿐 아니라 타원형일 수도 있고, 구체적으로는 3차원의 천연 흑연 입자를 2차원의 평면에 투영해서 산출되는 지표가 약 0.8 이상인 구형일 수 있다.The spherical natural graphite particles may be formed into a cabbage or a random phase. In addition, the spheroidized natural graphite particles may be spherical as well as circular, or may be spherical having an index of about 0.8 or more, which is calculated by projecting three-dimensional natural graphite particles on a two-dimensional plane.
상기 구형화 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛ 일 수 있고, 보다 바람직하게는 5 내지 30 ㎛ 일 수 있다. The spherical natural graphite particles may have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 mu m, more preferably 5 to 30 mu m.
상기 용매는 물, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 에틸렌, 디메틸아세트아미드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 헥산, 테트라하이드로퓨란, 데칸, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 및 아세트산에틸로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. The solvent is at least one selected from the group consisting of water, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, toluene, ethylene, dimethylacetamide, acetone, methyl ethyl ketone, hexane, tetrahydrofuran, decane, ethanol, methanol, isopropanol, One can be included.
상기 탄소 전구체는 구연산, 스테아린산(stearic acid), 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 플루로닉 블록 고분자(Pluronic F127), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 페놀 수지, 퓨란 수지, 퍼푸릴 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐바이롤리돈, 글리세롤, 폴리올, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴 및 당류로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The carbon precursor may be selected from the group consisting of citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, Pluronic F127, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, (EPDM), sulfonated EPDM, starch, phenolic resin, furan resin, per furyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylic sodium, polyacrylonitrile, polyimide At least one member selected from the group consisting of epoxy resin, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl bellolidone, glycerol, polyol, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, low molecular weight heavy oil, glucose, One can be included.
상기 초음파는 초음파 진폭 10 ㎛ 내지 150 ㎛ 의 작동조건 하에서 1분 내지 24시간의 시간 동안 조사될 수 있고, 10 내지 35 kHz 의 발진 주파수를 가질 수 있다.The ultrasonic waves can be irradiated for 1 minute to 24 hours under an operating condition of ultrasonic amplitude of 10 mu m to 150 mu m and can have an oscillation frequency of 10 to 35 kHz.
상기 건조는 회전 분무, 노즐 분무 및 초음파 분무로부터 선택되는 적어도 하나의 분무 건조(spray dry)법; 회전증발기(rotary evaporator)를 이용한 건조법; 진공 건조법; 또는 자연 건조법으로 수행될 수 있다.The drying may be carried out by at least one spray drying method selected from rotary spraying, nozzle spraying and ultrasonic spraying; A drying method using a rotary evaporator; Vacuum drying method; Or by natural drying methods.
상기 열처리는 500 내지 1500 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 500 내지 1300 ℃의 온도에서, 더욱 구체적으로는 900 내지 1100 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위 내에서 열처리를 수행할 경우 상기 탄소 전구체의 탄화 공정 시 불순물에 해당되는 이종 원소를 충분히 제거할 수 있고, 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자와 상기 탄소전구체의 반응으로 인한 실리콘 탄화물의 형성이 억제된다. 이에 따라 비가역 용량이 감소되어 충방전 특성이 향상될 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 500 to 1500 ° C, specifically, at a temperature of 500 to 1300 ° C, more specifically, at a temperature of 900 to 1100 ° C. When the heat treatment is performed within the temperature range, it is possible to sufficiently remove the heteroelement corresponding to the impurity in the carbonization process of the carbon precursor, and to suppress the formation of silicon carbide due to the reaction between the silicon and the silicon compound particles and the carbon precursor do. Accordingly, the irreversible capacity can be reduced and the charge / discharge characteristics can be improved.
상기 열처리는 질소, 아르곤, 수소, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen, or a mixed gas thereof, or under a vacuum.
상기 제 1차 입자에서 상기 탄소 전구체는 상기 구형화 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 2 내지 80 중량부로 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 5 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 탄소 전구체가 상기 범위 내로 포함되는 경우 상기 구형화 천연 흑연 입자의 표면 및 내부에 형성되는 인편상 천연 흑연 절편 사이의 벌어진 간극을 적절히 유지할 수 있다.The carbon precursor of the first primary particles may be included in an amount of 2 to 80 parts by weight, and more preferably 5 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the spherical natural graphite particles. When the carbon precursor is contained within the above range, the gap between the natural graphite slices formed on the surface and inside of the spherical natural graphite particles can be suitably maintained.
상기 제2 구현예에 따른 음극 활물질에서 상기 1 차 입자로부터 형성된 코어 입자에 상기 비정질 또는 준결정질 탄소를 상기 코어 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부로 포함될 수 있다. In the negative electrode active material according to the second embodiment, the amorphous or semi-crystalline carbon may be included in the core particles formed from the primary particles in an amount of 1 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the core particles.
상기 제2 구현예에 따른 음극 활물질에 대해 상기 1 차 입자로부터 형성된 코어 입자에서 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자는 상기 상기 코어 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부로 포함하는 것이 바람직하고, 5 내지 40 중량부로 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자가 1 중량% 미만인 경우, 용량 증가 효과가 미미하고, 50 중량%을 초과하는 경우, 리튬의 흡장 시 과도한 부피 팽창으로 인하여 완충효과를 기대하기 어렵다.In the core particles formed from the primary particles with respect to the negative electrode active material according to the second embodiment, the silicon and silicon compound particles are preferably contained in an amount of 1 to 50 parts by weight, more preferably 5 to 40 parts by weight, By weight. If the silicon and silicon compound particles are less than 1% by weight, the effect of increasing the capacity is insignificant. If the amount is more than 50% by weight, it is difficult to expect a buffering effect due to excessive volume expansion during lithium occlusion.
상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자의 크기는 평균 입경이 5nm 내지 3㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 10 nm 내지 1㎛ 의 크기를 갖는 것이 더욱 바람직하다. 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자의 평균 입경이 3㎛ 를 초과하는 경우, 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자가 상기 초음파 처리 동안 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극으로 실리콘 및 실리콘 화합물 입자가 함침되기 어렵다. 상기 실리콘 및 실리콘 화합물 입자의 크기가 5nm 미만인 경우에는 상기 실리콘 및 실리콘 화합물입자의 제조 및 상기 코아입자 제조 시 상기 실리콘 및 실리콘 화합물입자의 균일한 분산이 어렵다.The sizes of the silicon and silicon compound particles preferably have an average particle size of 5 nm to 3 탆, and more preferably 10 nm to 1 탆. When the average particle diameter of the silicon and silicon compound particles exceeds 3 mu m, the silicon and the silicon compound particles are hardly impregnated with the silicon and the silicon compound particles into the gaps between the scintillator-like natural graphite particle particles during the ultrasonic treatment. When the sizes of the silicon and silicon compound particles are less than 5 nm, it is difficult to uniformly disperse the silicon and silicon compound particles in the production of the silicon and silicon compound particles and in the production of the core particles.
한편, 상기 실리콘 화합물은 SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-M 합금(상기 M은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 M에 포함되는 구체적원 원소로서, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 또는 이들의 조합을 들 수 있다.On the other hand, the silicon compound may be at least one selected from the group consisting of SiO x (0 <x <2), Si-C composite, Si-M alloy (M is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 to Group 16 element, And at least one of them may be mixed with SiO 2 . As the specific element contained in M, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof.
상기 제2 구현예에 따른 음극 활물질에 대해 상기 쉘층의 두께는 0.02 내지 5 ㎛ 인 것이 바람직하며, 0.1 내지 3 ㎛ 임이 더욱 바람직하다. 쉘층 의 두께가 0.02㎛ 이하인 경우, 코어 입자의 부피 팽창에 대한 완충 효과가 충분하지 못해 전지의 수명 특성이 저하되는 결과를 초래하며, 5 ㎛ 이상일 경우, 두꺼울 쉘 층으로 인하여 상기 쉘층을 통한 리튬 이온의 이동이 원활하지 못하여 리튬과 상기 코어 입자와의 반응이 충분히 이루어지지 못하고 그로 인해 고율 충방전 특성이 저하되는 결과를 초래한다.The thickness of the shell layer with respect to the negative electrode active material according to the second embodiment is preferably 0.02 to 5 mu m, more preferably 0.1 to 3 mu m. When the thickness of the shell layer is 0.02 탆 or less, the buffering effect against the volume expansion of the core particles is insufficient and the lifetime characteristics of the battery are degraded. When the thickness of the shell layer is 5 탆 or more, The reaction between lithium and the core particles can not be sufficiently performed, resulting in a decrease in the high rate charge / discharge characteristics.
상기 쉘층을 이루는 상기 박리된 인편상 흑연의 평균 두께는 0.005 내지 1 ㎛ 임이 바람직하며, 0.01 내지 0.1 ㎛가 더욱 바람직하다. 상기 인편상 흑연의 두께가 1 ㎛를 초과하는 경우, 쉘층에 있어 상기 코어입자 표면위를 동심원 방향으로 적층이 어려우며, 반면 평균 두께가 0.005 ㎛ 이하인 경우, 상기 인편상 흑연 입자의 제조가 어려우며, 또한 응집 현상으로 쉘층 형성시 불균일하게 분산된 상태로 존재하여 그로 인해 부피 팽창의 완충 작용을 충분히하지 못해 수명 특성의 저하를 초래할 수 있다.The average thickness of the peeled scaly graphite constituting the shell layer is preferably 0.005 to 1 mu m, more preferably 0.01 to 0.1 mu m. When the thickness of the flake graphite exceeds 1 탆, it is difficult to laminate the core layer on the surface of the core in the concentric direction of the shell layer. On the other hand, when the average thickness is 0.005 탆 or less, It is not uniformly dispersed when the shell layer is formed due to the agglomeration phenomenon. As a result, the buffering effect of the volume expansion can not be sufficiently performed and the lifetime characteristics may be deteriorated.
상기 쉘층을 이루는 상기 박리된 인편상 흑연 과 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 1 내지 99 : 99 내지 1의 중량비로 포함될 수 있다. 상기 쉘층을 이루는 인편상 흑연의 함량이 1 중량% 이하인 경우, 코어 입자의 부피 팽창을 억제할 수 있는 쉘 층 의 효과가 떨어지는 문제점이 있으며, 99 중량% 이상일 경우, 쉘 층에 있어 상기 비정질 및 준결정질 탄소의 함량이 상대적으로 부족하여 상기 인편상 흑연입자들 간 결합이 충분하지 못하여 충.방전시 상기 코어 입자의 부피 팽창을 억제하는 역할이 불충분하고 쉘층에서의 전기전도성이 저하되는 문제점이 있다.The peeled flaky graphite constituting the shell layer and the amorphous or semicrystalline carbon may be contained in a weight ratio of 1 to 99: 99-1. If the content of flaky graphite constituting the shell layer is 1 wt% or less, the effect of the shell layer capable of suppressing the volume expansion of the core particles is deteriorated. If the content is more than 99 wt%, the amorphous and semi- Since the content of crystalline carbon is relatively insufficient, binding between scaly graphite particles is insufficient, so that it is insufficient to suppress the volume expansion of the core particles during charging and discharging, and electrical conductivity in the shell layer is lowered.
본원 발명의 또 다른 일 구현예로서 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the negative electrode, the positive electrode and the electrolyte solution including the negative electrode active material.
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해액의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The lithium secondary battery can be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery according to the type of the separator and electrolyte used. The lithium secondary battery can be classified into a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, Depending on the size, it can be divided into bulk type and thin type. The structure and the manufacturing method of these cells are well known in the art, and detailed description thereof will be omitted.
상기 음극은 전술한 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 음극 집전체에 도포하여 제조될 수 있으며, 이들 음극 구성에 대해서는 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The negative electrode may be prepared by mixing the above-described negative electrode active material, a binder and optionally a conductive material to prepare a composition for forming a negative electrode active material layer, and then applying the negative electrode active material composition to a negative electrode collector. These negative electrode compositions are well known in the art A detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the drawings. However, the embodiments according to the present disclosure can be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present disclosure are provided to more fully describe the present disclosure to those of ordinary skill in the art.
실시예 1Example 1
폴리비닐크롤라이드(PVC) 5 중량부 및 F127(F127, 시그마알드리치) 1 중량부, 실리콘 미립자 0.4 중량부를 테트라하이드로퓨란 200 중량부에 넣은 후, 자석 교반기를 이용하여 혼합하는 동시에 20 kHz의 주파수 및 50W 의 출력 하에서 30분 동안 초음파를 조사하여 실리콘미립자와 F127 이 분산된 폴리비닐크롤라이드를 포함하는 용액을 얻었다. 5 parts by weight of polyvinyl chloride (PVC), 1 part by weight of F127 (F127, Sigma Aldrich) and 0.4 part by weight of silicon fine particles were put into 200 parts by weight of tetrahydrofuran, mixed using a magnetic stirrer, Ultrasonic waves were irradiated for 30 minutes under an output of 50 W to obtain a solution containing silicon microparticles and polyvinylchloride in which F127 was dispersed.
얻어진 용액에 평균입경(D50)이 16㎛인 구형화 천연 흑연 입자(포스코켐텍, SNG16) 10 중량부를 첨가하여 자석 교반기를 이용하여 60분 동안 교반한 후, 교반하는 동시에 20 kHz의 주파수 및 55W 의 출력 하에서 60분 동안 초음파를 조사하여 실리콘미립자와 F127, 폴리비닐크롤라이드를 포함하는 초음파 처리된 구형화 천연 흑연 개질입자를 포함하는 용액을 얻었다. 회전증발기를 이용하여 테트라하이드로퓨란을 증발시켜 나노 실리콘 입자, F127, 폴리비닐크롤라이드와 함께 초음파 처리된 구형화 천연 흑연 개질입자를 얻었다. 상기 흑연 개질 입자를 1,000℃에서 1시간 동안 아르곤 분위기에서 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 19.5㎛인 음극 활물질을 제조하였다.10 parts by weight of spherical natural graphite particles (POSCO Chemtech, SNG16) having an average particle diameter (D50) of 16 占 퐉 was added to the obtained solution and stirred for 60 minutes using a magnetic stirrer, followed by stirring at a frequency of 20 kHz and a frequency of 55 W And ultrasonic waves were irradiated for 60 minutes under the output to obtain a solution containing silicon fine particles and ultrasonic treated spherical natural graphite modified particles containing F127 and polyvinylchloride. Tetrahydrofuran was evaporated using a rotary evaporator to obtain spherical natural graphite modified particles ultrasonically treated with nanosilicon particles, F127 and polyvinylchloride. The graphite-modified particles were heat-treated at 1,000 ° C for 1 hour in an argon atmosphere, and then subjected to furnace cooling to prepare an anode active material having an average particle size (D50) of 19.5 μm.
실시예 2Example 2
석유계 핏치 5 중량부 및 실리콘 미립자 0.4 중량부를 테트라하이드로퓨란 200 중량부에 넣은 후, 자석 교반기를 이용하여 혼합하는 동시에 20 kHz의 주파수 및 50W 의 출력 하에서 30분 동안 초음파를 조사하여 실리콘미립자가 분산된 석유계 핏치를 포함하는 용액을 얻었다. 5 parts by weight of petroleum pitch and 0.4 part by weight of silicon fine particles were put into 200 parts by weight of tetrahydrofuran and then mixed using a magnetic stirrer and ultrasonic waves were irradiated for 30 minutes at a frequency of 20 kHz and an output of 50 W to disperse the silicon fine particles A solution containing the petroleum pitch was obtained.
얻어진 용액에 평균입경(D50)이 16㎛인 구형화 천연 흑연 입자(포스코켐텍, SNG16) 10 중량부를 첨가하여 자석 교반기를 이용하여 60분 동안 교반한 후, 교반하는 동시에 20 kHz의 주파수 및 55W 의 출력 하에서 60분 동안 초음파를 조사하여 실리콘미립자와 석유계 핏치를 포함하는 초음파 처리된 구형화 천연 흑연 개질입자를 포함하는 용액을 얻었다. 회전증발기를 이용하여 테트라하이드로퓨란을 증발시켜 나노 실리콘 입자, 석유계핏치와 함께 초음파 처리된 구형화 천연 흑연 개질입자를 얻었다. 상기 흑연 개질 입자를 1,000℃에서 1시간 동안 아르곤 분위기에서 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 19.5㎛인 음극 활물질을 제조하였다.10 parts by weight of spherical natural graphite particles (POSCO Chemtech, SNG16) having an average particle diameter (D50) of 16 占 퐉 was added to the obtained solution and stirred for 60 minutes using a magnetic stirrer, followed by stirring at a frequency of 20 kHz and a frequency of 55 W Ultrasonic wave was irradiated for 60 minutes under the output to obtain a solution containing ultrasonic treated spherical natural graphite modified particles including silicon fine particles and petroleum pitch. Tetrahydrofuran was evaporated using a rotary evaporator to obtain spherical natural graphite modified particles ultrasonically treated with nanosilicon particles and petroleum pitch. The graphite-modified particles were heat-treated at 1,000 ° C for 1 hour in an argon atmosphere, and then subjected to furnace cooling to prepare an anode active material having an average particle size (D50) of 19.5 μm.
실시예 3Example 3
(쉘층 구성요소 : 인편상 흑연 절편 제조)(Shell layer component: scaly graphite slab)
평균입경(D50)이 200 ㎛인 흑연 절편을 에틸알코올(ethyle alcohol) 용액에 첨가하여 자석교반기를 이용하여 혼합한 후에 고속전단믹서(high shear mixer) 및 20KHz 의 주파수 및 55W 출력하에서 40분동안 초음파를 조사하여 평균두께가 30nm 인 인편상 흑연절편입자를 제조하였다.The graphite slices having an average particle diameter (D50) of 200 탆 were added to an ethyl alcohol solution and mixed using a magnetic stirrer. The mixture was then mixed with a high shear mixer and ultrasonic waves for 40 minutes at a frequency of 20 KHz and 55 W output To prepare a flaky graphite flake particle having an average thickness of 30 nm.
(코어-쉘 구조를 갖는 음극 활물질 제조)(Preparation of negative electrode active material having core-shell structure)
실시예 2 를 통하여 제조된 음극 활물질 3 중량부 및 석유계 피치 0.7 중량부(탄화 후 수율: 0.42 중량부), 인편상 흑연절편 0.2 중량부를 테트라하이드로퓨란 100 중량부에 넣은 후, 자석 교반기를 이용하여 30분 동안 혼합한 후, 회전 증발기를 이용하여 테트라하이드로퓨란을 증발시킨 후 1,000℃에서 1시간 동안 아르곤 분위기에서 열처리한 후 노냉하여 평균입경(D50)이 21㎛인 음극 활물질을 제조하였다.3 parts by weight of the negative electrode active material prepared in Example 2, 0.7 parts by weight of petroleum pitch (0.42 part by weight after carbonization) and 0.2 part by weight of flaky graphite flakes were put into 100 parts by weight of tetrahydrofuran, The mixture was stirred for 30 minutes and then tetrahydrofuran was evaporated using a rotary evaporator. The mixture was heat-treated at 1,000 ° C for 1 hour in an argon atmosphere and then cooled to produce an anode active material having an average particle diameter (D50) of 21 μm.
비교예 1Comparative Example 1
구형화 천연 흑연를 첨가한 후 초음파를 조사하지 않은 것을 제외하고는 실시예2 와 동일하게 실시하여 평균입경(D50)이 17.2㎛인 음극 활물질을 제조하였다. An anode active material having an average particle diameter (D50) of 17.2 占 퐉 was prepared in the same manner as in Example 2 except that spherical natural graphite was added and then ultrasonic waves were not applied.
평가 1: 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진 분석Evaluation 1: Scanning electron microscope (SEM) photograph of the anode active material
도 3 내지 5 는 각각 실시예 1 내지 3 에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이고 도 6은 각각 비교예 1 내기 2 에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.FIGS. 3 to 5 are SEM photographs of the negative electrode active materials according to Examples 1 to 3, respectively. FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative electrode active material according to Comparative Example 1,
도 3 내지 5를 참고하면 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 음극 활물질은 구형화 천연 흑연 입자의 표면부에 인편상 천연 흑연 절편들 사이의 벌어진 간극이 형성됨을 확인할 수 있으며 나노 실리콘 미립자들이 표면 및 간극 주위에 존재하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 3 to 5, it can be seen that the negative electrode active material prepared in Examples 1 to 3 has a gap formed between the natural graphite slices on the surface of the spherical natural graphite particles, It can be confirmed that it exists around the gap.
도 6을 참고하면 비교예 1 내지 2 에서 제조된 음극 활물질은 표면부에 벌어진 간극이 존재하지 않으며 또한 표면부에 나노 실리콘 미립자들이 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the negative electrode active material prepared in Comparative Examples 1 and 2 does not have a clearance gap on the surface portion and that the nanosilicon fine particles are coated on the surface portion.
실시예 1에서 제조된 음극 활물질 단면을 보여주는 도 7을 참고하면 실시예 1 에서 제조된 음극 활물질은 표면부 로부터 벌어진 간극이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 showing a cross section of the negative active material prepared in Example 1, it can be seen that the negative active material prepared in Example 1 has a gap formed from the surface portion.
평가 2: 음극 활물질의 EDS (Energy dispersive X-ray spectroscopy) Mapping 분석 Evaluation 2: Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping analysis of an anode active material
도 8 및 9는 실시예 1에 따른 음극 활물질 단면의 EDS (Energy dispersive X-ray spectroscopy) Mapping 사진이다. 도 8 및 9를 참고하면 초음파 처리로 벌어진 간극 내부에 실리콘이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 8 and 9 are energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping photographs of a cross section of a negative electrode active material according to Example 1. FIG. Referring to FIGS. 8 and 9, it can be seen that silicon exists in the gap formed by the ultrasonic treatment.
평가 3: 음극 활물질의 X-선 회절패턴(XRD) 분석Evaluation 3: X-ray diffraction pattern (XRD) analysis of an anode active material
도 10 내지 12는 실시예 1 내지 3에 따른 음극 활물질의 X-선 회절패턴(XRD) 그래프이고 도 13은 비교예 1에 따른 음극 활물질의 X-선 회절패턴(XRD) 그래프이다. FIGS. 10 to 12 are X-ray diffraction patterns (XRD) graphs of the negative electrode active material according to Examples 1 to 3 and FIG. 13 is an XRD graph of a negative electrode active material according to Comparative Example 1. FIG.
도 10 내지 12를 참고하면 실시예 1 내지 3 에서 제조된 모든 음극 활물질의 경우 흑연의 주 피크인 (002) 피크와 실리콘의 주 피크인 (111) 피크가 존재하는 것을 확인할 수 있으며 실리콘카바이드(SiC) 와 같은 중간상의 결정상은 보이지 않으며 이는 초음파처리와 열처리에 의한 제조공정에서 결정상에 큰 영향을 미치지 않음을 보여준다. Referring to FIGS. 10 to 12, it can be seen that the (002) peak as the main peak of graphite and the (111) peak as the main peak of silicon exist in all of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 3. Silicon carbide ) Are not observed, which shows that the crystal phase is not greatly influenced by the ultrasonic treatment and the heat treatment.
도 13을 참고하면 비교예 1에서 제조된 음극 활물질의 경우 흑연의 주 피크인 (002) 피크와 실리콘의 주 피크인 (111) 피크가 존재하나 피크의 비율이 다른 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, in the case of the negative electrode active material prepared in Comparative Example 1, there is a (002) peak as a main peak of graphite and a (111) peak as a main peak of silicon, but the ratio of peaks is different.
(테스트용 셀의 제조) (Preparation of Test Cell)
실시예 1 내지 3 과 비교예 1 에서 제조된 각각의 음극 활물질, 카본블랙, 그리고 CMC/SBR(카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔 러버)을 95:1:4의 중량비로 증류수에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 호일 상에 코팅한 후, 건조 및 압착하여 각각의 음극을 제조하였다.The negative electrode active materials, carbon black, and CMC / SBR (carboxymethylcellulose / styrene-butadiene rubber) prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were mixed in distilled water at a weight ratio of 95: 1: 4, . The negative electrode slurry was coated on a copper foil, followed by drying and pressing to prepare respective negative electrodes.
상기 각각의 음극과 리튬 금속을 양극으로 하여, 음극과 양극 사이에 다공질 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 세퍼레이터를 개재하여 적층시켜 전극 조립체를 제조하였다. 이후 디에틸 카보네이트(DEC) 및 에틸렌 카보네이트(EC) 혼합 용매(DEC:EC = 1:1)에 10 % 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)가 혼합된 용매에 1M의 LiPF6을 용해시킨 전해액을 사용하여 테스트용 셀을 제작하였다.Using the respective cathodes and lithium metal as positive electrodes, a separator made of a porous polypropylene film was laminated between the negative electrode and the positive electrode to produce an electrode assembly. Thereafter, using an electrolytic solution obtained by dissolving 1 M of LiPF 6 in a solvent mixed with 10% fluoroethylene carbonate (FEC) in a mixed solvent of diethyl carbonate (DEC) and ethylene carbonate (EC) (DEC: EC = 1: 1) A test cell was produced.
평가 4: 리튬 이차 전지의 초기 충방전 특성 분석Evaluation 4: Analysis of initial charge / discharge characteristics of lithium secondary battery
상기 제조된 테스트용 셀을 이용하여 다음과 같은 방법으로 상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따른 초기 충방전 특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The initial charge-discharge characteristics of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were evaluated by the following method using the prepared test cell, and the results are shown in Table 1 below.
실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따라 제조된 셀의 경우, 충전은 100mA/g 의 전류밀도로 CC/CV 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.01V 로 유지하였으며, 전류가 10mA/g (10% 전류밀도) 일 때 충전을 종료하였다. 방전은 100mA/g의 전류밀도로 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 1.5V로 유지하였다. For the cells prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the charging was performed in CC / CV mode with a current density of 100 mA / g, the end voltage was maintained at 0.01 V, the current was 10 mA / % Current density). The discharge was performed in CC mode with a current density of 100 mA / g and the termination voltage was maintained at 1.5V.
하기 표 1 에서 초기 효율(%)은 초기 충전 용량에 대한 초기 방전 용량의 백분율로 얻어진다. In Table 1, the initial efficiency (%) is obtained as a percentage of the initial discharge capacity to the initial charge capacity.
하기 표 1을 통하여, 초음파 처리하여 제조된 음극 활물질을 사용한 실시예 1 내지 3의 경우 초음파 처리하지 않고 제조된 비교예 1의 경우와 용량과 초기 효율은 유사한 것을 알 수 있으며,초음파 처리로 인하여 초기 충방전 효율이나 용량 면에서 큰 차이는 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.It can be seen from the following Table 1 that the capacity and the initial efficiency are similar to those of Comparative Example 1 which was manufactured without using ultrasonic treatment in Examples 1 to 3 using the negative electrode active material prepared by ultrasonic treatment, It can be seen that there is no significant difference in charge / discharge efficiency or capacity.
평가 5 : 리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성 분석Evaluation 5: Analysis of cycle life characteristics of lithium secondary battery
상기 제조된 테스트용 셀을 이용하여 실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따른 음극 활물질의 사이클 수명 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었으며 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 음극 활물질의 싸이클 수명 평가결과를 도 14 나타내었다. The results of the cycle life evaluation of the negative electrode active material according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 using the test cell prepared above are shown in Table 2 below and the cycle life of the negative electrode active material according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 The evaluation results are shown in Fig.
충전은 0.5 C-rate 의 전류밀도로 CC/CV 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.01V 로 유지하였으며, 전류가 0.05 C-rate (10% 전류밀도) 일 때 충전을 종료하였다. 방전은 0.5 C-rate 의 전류밀도로 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 1.5V로 유지하였으며 총 50 사이클을 실시하였다. Charging was performed in a CC / CV mode with a current density of 0.5 C-rate, the end voltage was maintained at 0.01 V, and charging was terminated when the current was 0.05 C-rate (10% current density). The discharge was performed in CC mode at a current density of 0.5 C-rate, and the end voltage was maintained at 1.5 V, and a total of 50 cycles were performed.
하기 표 2 를 통하여, 초음파 처리하여 제조된 음극 활물질을 사용한 실시예 1 내지 3의 경우, 초음파 처리하지 않고 제조된 음극 활물질을 사용한 비교예 1의 경우와 비교하여 수명 특성이 우수함을 알 수 있다.It can be seen from the following Table 2 that the life characteristics of Examples 1 to 3 using the negative electrode active material prepared by ultrasonic treatment are superior to those of Comparative Example 1 using the negative active material prepared without the ultrasonic treatment.
(mAh/g)(mAh / g)
33
rdrd
방전용량 (%)Discharge capacity (%)
1, 2 : 음극 활물질
10 : 인편상 흑연 절편 입자
20 : 간극
30 : 비정질 또는 준결정질 탄소
40 : 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자
50 : 박리된 인편상 흑연 절편 입자
60 : 쉘층1, 2: anode active material
10: Scaly graphite flake particle
20: Clearance
30: amorphous or quasi-crystalline carbon
40: Silicon or silicon compound particles
50: Peeled flaky graphite flake particle
60: shell layer
Claims (23)
상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층;을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.Natural graphite particles having a structure in which flaky natural graphite flakes particles are assembled and assembled into a cabbage or a random phase and having a gap formed between the flake natural graphite flakes particles on the surface and inside thereof; And
And a coating layer formed on the surface of the natural graphite particle to form the gap, the coating layer comprising: (i) a silicon or silicone compound particle; and (ii) a coating layer comprising amorphous or semicrystalline carbon Negative electrode active material for lithium secondary battery.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method according to claim 1,
Wherein the amorphous or semi-crystalline carbon comprises 1 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the natural graphite particles.
상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자를, 음극 활물질 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method according to claim 1,
Wherein the silicon or silicon compound particles are contained in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material.
상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자의 평균입경(D50)은 5 nm 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method according to claim 1,
Wherein the silicon or silicon compound particles have an average particle diameter (D50) of 5 nm to 3 占 퐉.
상기 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The method according to claim 1,
Wherein the natural graphite particles have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 占 퐉.
상기 용액에 대해 초음파 처리를 실시해, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려줌과 동시에, 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면에, 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 함침 및 코팅시키는 단계;
상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자를 제조하는 단계; 및
상기 구형화 천연 흑연 개질 입자를 열처리하는 단계를 포함하는, 제1항의 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법. Spherical natural graphite particles assembled by assembly of scaly graphite particles; Silicon or silicon compound particles; Amorphous or quasi-crystalline carbon precursors; And a solvent;
The solution is subjected to ultrasonic treatment to enlarge the gap between the flaky natural graphite flakes particles existing on the surface and inside of the spherical natural graphite particles and to form the flakes on the surface of the flake natural graphite flakes particles And impregnating and coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor with the silicon or silicon compound particles on the surface of the spheroidized natural graphite particle;
Drying the ultrasonic treated solution to prepare spherical natural graphite modified particles; And
The method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery according to claim 1, comprising the step of heat-treating the spheroidized natural graphite modified particles.
상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자 표면 및 상기 천연 흑연 입자의 표면에 형성되는 코팅층으로서, (i)실리콘 또는 실리콘 화합물 입자 및 (ii)비정질 또는 준결정질 탄소를 포함하는 코팅층;을 포함하는 코어 입자; 및
(2) 상기 코어 입자 표면 상에 형성된 쉘층으로서, 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고, 인편상 흑연 절편 입자가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지는 쉘층;을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.(1) Natural graphite particles having a structure in which scaly graphite particles are assembled and assembled into a cabbage or a random phase, and having a gap formed between the scaly natural graphite particles; And
And a coating layer formed on the surface of the natural graphite particle to form the gap, the coating layer comprising: (i) a silicon or silicone compound particle; and (ii) a coating layer comprising amorphous or semicrystalline carbon Core particles; And
(2) a shell layer formed on the surface of the core particle, wherein the shell layer has a structure in which amorphous or quasi-crystalline carbon is distributed between the flaky graphite flake particles and flake graphite flake particles are stacked in a concentric direction Negative electrode active material for lithium secondary battery.
상기 코어 입자에서 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 상기 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the amorphous or semi-crystalline carbon in the core particles comprises 1 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the natural graphite particles.
상기 코어 입자에서 상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자는 상기 코어 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the silicon or silicon compound particles in the core particles comprise 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the core particles.
상기 코어 입자에서 상기 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자의 평균입경(D50)은 5 nm 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the average particle diameter (D50) of the silicon or silicon compound particles in the core particles is 5 nm to 3 占 퐉.
상기 천연 흑연 입자의 평균입경(D50)은 5 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the natural graphite particles have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 占 퐉.
상기 쉘층의 두께는 0.02 내지 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
And the thickness of the shell layer is 0.02 to 5 占 퐉.
상기 쉘층에 포함된 상기 인편상 흑연 절편 입자의 평균 두께는 0.005 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the average thickness of the scaly graphite particle particles contained in the shell layer is 0.005 to 1 占 퐉.
상기 쉘층에 포함된 상기 인편상 흑연 과 상기 비정질 또는 준결정질 탄소는 1 내지 99 : 99 내지 1의 중량비인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the scaly graphite contained in the shell layer and the amorphous or quasi-crystalline carbon are in a weight ratio of 1 to 99: 99 to 1. A negative active material for a lithium secondary battery,
상기 용액에 대해 초음파 처리를 실시해, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 사이의 간극을 벌려줌과 동시에, 상기 간극을 형성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자들 표면 및 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면에, 실리콘 또는 실리콘 화합물 입자와 함께 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 함침 및 코팅시키는 단계;
상기 초음파 처리된 용액을 건조하여 구형화 천연 흑연 개질 입자인 제1 입자를 제조하는 단계;
상기 제1 입자의 표면 상에, 인편상 흑연 절편 입자 사이에 비정질 또는 준결정질 탄소가 분포하고 인편상 흑연 절편 입자가 동심원 방향으로 적층되어 결구된 구조를 가지는 쉘층을 형성시켜, 제2 입자를 제조하는 단계; 및
상기 제2 입자를 열처리하는 단계를 포함하는, 제7항의 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법. Spherical natural graphite particles assembled by assembly of scaly graphite particles; Silicon or silicon compound particles; Amorphous or quasi-crystalline carbon precursors; And a solvent;
The solution is subjected to ultrasonic treatment to enlarge the gap between the flaky natural graphite flakes particles existing on the surface and inside of the spherical natural graphite particles and to form the flakes on the surface of the flake natural graphite flakes particles And impregnating and coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor with the silicon or silicon compound particles on the surface of the spheroidized natural graphite particle;
Drying the ultrasonic treated solution to prepare spherical natural graphite modified particles;
Forming a shell layer having a structure in which amorphous or quasi-crystalline carbon is distributed between the flaky graphite flake particles and flake graphite flake particles are stacked in a concentric direction on the surface of the first particles to form a shell layer, ; And
The method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 7, comprising a step of heat-treating the second particles.
상기 탄소 전구체는 구연산, 스테아린산(stearic acid), 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 플루로닉 블록 고분자(Pluronic F127), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 페놀 수지, 퓨란 수지, 퍼푸릴 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐바이롤리돈, 글리세롤, 폴리올, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스 피치, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴 및 당류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 제조 방법. 16. The method according to claim 6 or 15,
The carbon precursor may be selected from the group consisting of citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, Pluronic F127, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, (EPDM), sulfonated EPDM, starch, phenolic resin, furan resin, per furyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylic sodium, polyacrylonitrile, polyimide From the group consisting of epoxy resin, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl bellolidone, glycerol, polyol, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, low molecular weight heavy oil, glucose, And a negative electrode active material manufacturing chamber for a lithium secondary battery, .
상기 용매는 물, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 에틸렌, 디메틸아세트아미드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 헥산, 테트라하이드로퓨란, 데칸, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 및 아세트산에틸로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법. 16. The method according to claim 6 or 15,
The solvent may be selected from the group consisting of water, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, toluene, ethylene, dimethylacetamide, acetone, methyl ethyl ketone, hexane, tetrahydrofuran, decane, ethanol, methanol, isopropanol, Wherein the negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of lithium, lithium, and lithium.
상기 초음파 처리는 10 내지 35 kHz의 발진 주파수 및 10 ㎛ 내지 150 ㎛의 초음파 진폭의 조건 하에서 1분 내지 24시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법. 16. The method according to claim 6 or 15,
Wherein the ultrasonic treatment is performed for 1 minute to 24 hours under the condition of an oscillation frequency of 10 to 35 kHz and an ultrasonic amplitude of 10 to 150 占 퐉.
상기 건조는 회전 분무, 노즐 분무 및 초음파 분무로부터 선택되는 적어도 하나의 분무 건조(spray dry)법; 회전증발기(rotary evaporator)를 이용한 건조법; 진공 건조법; 또는 자연 건조법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법. 16. The method according to claim 6 or 15,
The drying may be carried out by at least one spray drying method selected from rotary spraying, nozzle spraying and ultrasonic spraying; A drying method using a rotary evaporator; Vacuum drying method; Or a natural drying method. The method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
상기 열처리는 500 내지 1500 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.16. The method according to claim 6 or 15,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500 to 1500 ° C.
상기 열처리는 질소, 아르곤, 수소, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.16. The method according to claim 6 or 15,
Wherein the heat treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen, argon, hydrogen, or a mixed gas thereof, or under vacuum.
상기 탄소 전구체는 상기 구형화 천연 흑연 입자 100 중량부에 대하여 2 내지 80 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.16. The method according to claim 6 or 15,
Wherein the carbon precursor is included in an amount of 2 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the spherical natural graphite particles.
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