KR101977237B1 - Method for manufacturing composite including soil having iron and iron compound and carbon, and negative electrode material for secondary battery having the composite manufactured thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은, (a) 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양 및 탄소(C) 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 상기 토양과 상기 탄소를 복합화시키는 단계를 포함하는 복합체의 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 의하면 적토(Red soil) 등 철 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양을 탄소와 고에너지 기계적 밀링 공정을 통해 복합화시켜, 기존 흑연계 음극 소재에 비해 고용량을 가지며 실리콘계 음극 소재에 비해 사이클 수명이 우수한 이차전지용 음극 활물질을 경제적으로 제조할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a steel sheet, comprising the steps of: (a) mixing soil and carbon (C) powder containing iron (Fe) and iron compounds as main components; And (b) mixing the soil with the carbon by applying mechanical energy to the mixed powder. According to the present invention, iron and iron compounds such as red soil are used as main components Can be economically produced by combining a soil containing carbon and carbon with a high-energy mechanical milling process to produce an anode active material having a higher capacity than a conventional graphite anode material and having an excellent cycle life as compared with a silicon anode material.

Description

철 및 철 화합물 함유 토양과 탄소를 포함하는 복합체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 복합체를 함유하는 이차전지용 음극 활물질{METHOD FOR MANUFACTURING COMPOSITE INCLUDING SOIL HAVING IRON AND IRON COMPOUND AND CARBON, AND NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL FOR SECONDARY BATTERY HAVING THE COMPOSITE MANUFACTURED THEREBY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a composite containing iron and iron compound-containing soil and carbon, and a negative electrode active material for a secondary battery, HAVING THE COMPOSITE MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 이차전지 음극 활물질용 소재의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a material for a secondary battery anode active material.

전 세계적으로 가장 널리 사용되는 이차전지인 리튬 이온 이차전지는 현재 휴대용 전자기기의 발달 및 하이브리드 자동차 등에 적용하기 위해 고용량 및 고속충전 등 다양한 부분에서 연구가 진행 중이다. 가장 큰 에너지밀도를 갖는 리튬을 사용한 음극 소재는 이론 용량이 3860 mAh/g로서 다른 어떠한 재료보다도 에너지 밀도가 높다.Lithium ion secondary batteries, which are the most widely used secondary batteries in the world, are being studied in various fields such as high capacity and high-speed charging for development of portable electronic devices and hybrid automobile applications. The anode material using lithium having the largest energy density has a theoretical capacity of 3860 mAh / g, which is higher than any other materials.

그러나, 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우 충전시에 리튬 표면에 많은 수지상 리튬이 석출하게 되어 충방전 효율이 저하되거나, 양극과 단락을 일으킬 수 있고 또한 리튬 자체의 불안정성 즉 높은 반응성으로 인해 열이나 충격에 민감하며 폭발의 위험성 있어 상용화에 걸림돌이 되었다.However, when lithium metal is used as a negative electrode, a large amount of dendritic lithium precipitates on the lithium surface at the time of charging, which may cause a reduction in charging / discharging efficiency, short circuit between the positive electrode and lithium, and instability of lithium itself, It is sensitive and danger of explosion, which made it difficult to commercialize.

이러한 종래 리튬 금속의 문제점을 해결해 음극 활물질로 널리 사용되는 탄소계 음극 소재인 흑연은 리튬 금속에 비해 이론 용량(372mAh/g)은 작지만 부피변화가 적고 가역성이 뛰어나며 가격 측면에서 유리한 장점이 있다.The graphite, which is a carbonaceous anode material widely used as an anode active material to solve the problems of the conventional lithium metal, has a smaller theoretical capacity (372 mAh / g) than the lithium metal but has a small volume change, reversibility and advantages in terms of price.

하지만, 각종 휴대용 기기가 점점 더 소형화, 경량화 및 고성능화됨에 따라 리튬 이차전지의 고용량화가 중요한 문제로 대두되었고, 그에 따라, 금속 음극이 가지는 기존의 문제점에도 불구하고 다시 리튬 등의 금속을 음극에 도입하여 전지의 용량을 향상 시키려는 연구가 활발히 시도되고 있다.However, as portable devices have become increasingly more compact, lighter, and more sophisticated, higher capacity of lithium secondary batteries has become an important issue. Therefore, despite the existing problems of metal cathodes, Studies have been actively made to improve the capacity of a battery.

이러한 연구의 일환으로서 실리콘(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 등의 리튬과 합금이 가능한 금속 및 금속 산화물을 음극 활물질로 쓰는 것을 들 수 있다. 그러나, 실리콘 등의 금속 및 금속 산화물과 같이 리튬과 합금이 가능한 물질은 리튬과의 합금 반응시 부피 팽창을 수반하고, 전극 내에서 전기적으로 고립되는 활물질을 발생시키며, 비표면적 증가에 따른 전해질 분해 반응을 심화시키는 등의 문제점을 안고 있다.As a part of this research, a lithium metal alloy metal such as silicon (Si), tin (Sn), and aluminum (Al) and a metal oxide are used as a negative electrode active material. However, materials such as silicon and metal oxides, which can be alloyed with lithium, are accompanied by volumetric expansion during the alloying reaction with lithium, generate electrically isolated active materials in the electrode, and cause electrolyte decomposition reaction And the like.

이와 같은 리튬과 합금이 가능한 금속 및 전이금속 산화물 전극의 단점을 보완하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있고 그중에는 입자를 나노구(nano sphere), 나노 와이어(nano wire), 나노 튜브(nano tube) 등의 형태로 나노화하여 리튬 확산 거리를 단축시켜 충방전 시 빠른 alloying/de-alloying를 유도해 부피 팽창을 억제하는 것이 주목받고 있으나, 이와 같이 나노 구조를 합성하는 많은 방법은 주로 값 비싼 원료, 복잡한 공정 및 활물질의 낮은 수율 등의 여러 가지 문제점을 가진다.Many studies have been made to overcome the disadvantages of such lithium-alloyable metals and transition metal oxide electrodes. Particularly, nano spheres, nano wires, nanotubes , It has been remarked that it is possible to shorten the lithium diffusion distance to shorten the volume expansion by inducing alloying / de-alloying at the time of charging / discharging. However, many methods for synthesizing nanostructures are expensive raw materials, And a low yield of the active material.

한국공개특허 제10-2008-0031323호 (공개일 : 2008.04.08.)Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0031323 (published on April 08, 2008). 한국공개특허 제10-2008-0092283호 (공개일 : 2008.10.15.)Korean Patent Publication No. 10-2008-0092283 (published on October 15, 2008). 한국공개특허 제1020170104235호 (공개일 : 2017.09.15.)Korean Patent Publication No. 1020170104235 (Disclosure Date: Sep. 15, 2017)

본 발명은 종래 기술에 비해 저렴한 원료 및 간단한 공정을 이용해, 흑연계 음극 소재에 비해 고용량을 가짐과 동시에 실리콘계 음극 소재에 비해 사이클 수명이 뛰어난 이차전지 음극 활물질용 복합체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 이차전지용 음극 활물질의 제공을 그 목적으로 한다.The present invention relates to a method for producing a composite for a secondary battery anode active material having a high capacity as compared with a graphite anode material and an excellent cycle life as compared with a silicon anode material using an inexpensive raw material and a simple process as compared with the prior art, And an object of the present invention is to provide a negative electrode active material for a secondary battery.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, (a) 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양 및 탄소(C) 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 상기 토양과 상기 탄소를 복합화시키는 단계를 포함하는 복합체의 제조방법을 제안한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube, comprising: (a) mixing a soil containing iron (Fe) and an iron compound as main components and a carbon powder; And (b) complexing the soil with the carbon by applying mechanical energy to the mixed powder.

또한, 상기 토양 내 철 원자의 전체 중량은 토양 전체 중량 대비 30 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.Also, the total weight of the iron atoms in the soil is 30 wt% or more based on the total weight of the soil.

또한, 상기 철(Fe) 및 철 화합물 함유 토양은 적토(Red soil), 라테라이트토(laterite soil) 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.Also, the iron (Fe) and iron compound-containing soil is one of red soil, laterite soil, and mixtures thereof.

또한, 상기 철 화합물은 철 산화물(iron oxide), 철 수산화물(iron hydroxide), 철 옥시수산화물(iron oxyhydroxide) 및 철 실리사이드(iron silicide)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.The iron compound may be at least one selected from the group consisting of iron oxide, iron hydroxide, iron oxyhydroxide and iron silicide. Method.

또한, 상기 철(Fe) 및 철 화합물 함유 토양은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 티타니아(TiO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.Furthermore, by further containing the iron (Fe) and iron compound-containing soil is silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), magnesia (MgO) and titania, at least one selected from the group consisting of (TiO 2) And a method for producing the composite.

또한, 상기 철(Fe) 및 철 화합물 함유 토양은 FeO(OH) (iron(III) oxide-hydroxide), FeSi (Iron Silicide), FeSi2 (Iron disilicide) 및 SiO2 (silicon oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.In addition, the iron- and iron-compound containing soil includes FeO (OH) (iron (III) oxide-hydroxide), FeSi (Iron Silicide), FeSi 2 (Iron disilicide) and SiO 2 And a method for producing the composite.

또한, 상기 탄소는 아세틸렌 블랙, 수퍼 피(Super P) 블랙, 카본 블랙, 덴카(Denka) 블랙, 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드카본 및 소프트카본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.The carbon may be one selected from the group consisting of acetylene black, Super P black, carbon black, Denka black, activated carbon, graphite, hard carbon and soft carbon. By weight of the total weight of the composite.

또한, 상기 단계 (b)에서 진동 밀(vibratory-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill)로 기계적 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제안한다.In the step (b), mechanical energy is applied by a vibratory-mill, a Z-mill, a planetary ball-mill, or an attrition-mill. To prepare a composite.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 복합체를 포함하는 이차전지용 음극 활물질을 제안한다.In another aspect of the present invention, the present invention provides a negative electrode active material for a secondary battery comprising the composite produced by the above production method.

그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제안한다.The present invention further provides a lithium secondary battery including the negative electrode active material for a secondary battery according to another aspect of the present invention.

본 발명에 의하면, 적토(Red soil) 등 철 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양을 탄소와 고에너지 기계적 밀링 공정을 통해 복합화시켜, 기존 흑연계 음극 소재에 비해 고용량을 가지며 실리콘계 음극 소재에 비해 사이클 수명이 우수한 이차전지용 음극 활물질을 경제적으로 제조할 수 있다.According to the present invention, a soil containing iron and iron compounds as main components such as red soil is combined with carbon through a high-energy mechanical milling process, and has a higher capacity than a conventional graphite-based anode material, The negative electrode active material for a secondary battery having an excellent life can be economically produced.

도 1은 본 발명에 따른 복합체 제조방법의 각 단계를 순서대로 기재한 공정 흐름도이다.
도 2는 본원 실시예에서 사용된 적토(Red soil)에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 3은 본원 실시예에서 사용된 적토를 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 사이클 수명 실험 결과이다.
도 4는 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 5는 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체를 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 사이클 수명 실험 결과이다.
도 6은 본원 실시예에서 사용된 적토(Red soil), 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체(Red soil/C composite) 및 상용 흑연 음극재(Graphite (MCMB))를 각각 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 사이클 수명 비교 실험 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process flow chart sequentially illustrating each step of the method for producing a composite according to the present invention. FIG.
2 shows the results of XRD analysis of the red soil used in the embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the results of the cycle life test of the lithium secondary battery including the red soil used as the negative electrode active material used in this embodiment.
4 shows the XRD analysis results of the red soil / carbon composite prepared in this Example.
FIG. 5 shows the results of the cycle life test of a lithium secondary battery including the red soil / carbon composite prepared in the present example as a negative electrode active material.
6 is a graph showing the relationship between the amount of lithium contained in the anode active material and the amount of lithium used as the cathode active material in the red soil, the red soil / C composite, and the graphite (MCMB) This is the experimental result of the cycle life of the secondary battery.

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 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은. 도 1에 도시한 바와 같이 (a) 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양 및 탄소(C) 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 상기 토양과 상기 탄소를 복합화시키는 단계를 포함한다.The present invention relates to: As shown in FIG. 1, (a) mixing soil and carbon (C) powder containing iron (Fe) and an iron compound as a main component; And (b) combining the soil with the carbon by applying mechanical energy to the mixed powder.

상기 단계 (a)에서는 복합체 제조에 앞서 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양과 탄소(C) 분말을 혼합하는 단계이다.In the step (a), the soil containing the iron (Fe) and the iron compound as the main component and the carbon (C) powder are mixed before the preparation of the composite.

여기서, 상기 토양이 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분으로 포함한다는 것은, 금속 철 및 철 화합물의 전체 중량이 토양에 포함된 다른 임의의 성분의 중량 이상임을 의미한다.Here, the fact that the soil contains iron (Fe) and iron compounds as a main component means that the total weight of the iron and iron compounds is not less than the weight of any other components contained in the soil.

나아가, 상기 토양은 이에 포함된 금속 철 및 철 산화물에 포함된 철 원자의 전체 중량이 토양 전체 중량의 30 중량% 이상인 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the total weight of the iron atoms contained in the iron and iron oxides contained in the soil is 30 wt% or more of the total weight of the soil.

상기와 같이 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분 또는 특정 중량% 이상으로 포함하는 토양은, 탄소화 복합화되어 고용량 및 사이클 수명이 우수한 이차전지용 음극 활물질용 복합체를 형성할 수 있다.As described above, the soil containing iron (Fe) and iron compounds as main components or specific weight% or more can be carbonized and complexed to form a composite for a negative electrode active material for a secondary battery having a high capacity and an excellent cycle life.

상기 철(Fe) 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양의 구체적인 예로는 적토(Red soil), 라테라이트토(laterite soil) 및 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.Specific examples of the soil containing iron (Fe) and iron compounds as a main component include red soil, laterite soil, and a mixture thereof.

상기 적토(Red soil, 赤土)는 아열대다우 지역의 활엽수림 아래에 발달하는 토양대를 말하며 염기의 용탈이 심하여 철이나 알루미늄의 이산화물의 집적으로 적색이 강한 것이 특징이며, 고온 때문에 부식(腐植)의 축적이 적어서 포드졸화 작용은 일어나지 않는 토양으로 알려져 있다.Red soil (red soil) refers to the soil bed developed under the broad-leaved forests in the subtropical Dow area. It is characterized by strong leaching of the base due to the leaching of the base and the accumulation of dioxides of iron or aluminum. Accumulation of humus Is known as a soil that does not cause the Pod soluning action.

또한, 상기 라테라이트토(laterite soil)는 사바나 기후지대에 널리 분포하는 적갈색 토양으로서, 지표의 풍화물로 생성되어 철, 알루미늄의 수산화물을 주성분으로 하고, 규산분 또는 염기류의 용탈작용을 거쳐 생성된다. 농경에는 장해가 되나 인도에서는 건축자재로 쓰인다. 홍토(紅土), 플린사이트(plinthite)라고도 불리며, 지표의 풍화물로서 생성된 교결(膠結) 물질이며, 철과 알루미늄의 수산화물을 주성분으로 하고, 규산분 또는 염기류의 용탈작용(溶脫作用)을 거쳐 생성된다, 라테라이트 중의 수산화알루미늄이 집중하여 보크사이트를 형성하고, 수산화철이 집중해서 갈철석(褐鐵石)이 된다.Further, the laterite soil is a reddish brown soil widely distributed in the Savannah climatic zone, and is produced by the weathering of the surface and is produced mainly by the hydroxide of iron and aluminum, and the leaching action of the silicate powder or the base. It is difficult to farm, but it is used as building material in India. It is also called platyite, and is a gluing material produced as a weathered surface of the earth. It is mainly composed of hydroxides of iron and aluminum and is used for the dissolution of silicate particles or bases. Aluminum hydroxide in the latex concentrates to form bauxite, and iron hydroxide concentrates and becomes a calcite.

한편, 상기 토양에 포함되는 철 화합물은 FeO, Fe2O3, Fe3O4 등의 철 산화물(iron oxide), Fe(OH)2, Fe(OH)3 등의 철 수산화물(iron hydroxide), FeO(OH) 등의 철 옥시수산화물(iron oxyhydroxide), FeSi, FeSi2 등의 철 실리사이드(iron silicide) 등을 예로 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.The iron compounds contained in the soil include iron oxides such as FeO, Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 , iron hydroxides such as Fe (OH) 2 and Fe (OH) 3 , Iron oxyhydroxide such as FeO (OH), iron silicide such as FeSi and FeSi 2, and the like, but the present invention is not limited thereto.

또한, 상기 토양은 금속 철 및 철 화합물 외에 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO), 티타니아(TiO2) 등 토양에 통상적으로 포함될 수 있는 각종 산화물을 더 포함할 수 있다.In addition, the soil may further contain various oxides which can be ordinarily included in the soil such as silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), and titania (TiO 2 ) have.

본 단계에서 철/철 화합물 함유 토양과 탄소 분말의 혼합 방법은 특별히 제한되지 않으며, 상기 토양과 탄소 분말을 균일하게 혼합할 수 있는 방법이기만 하면 무방하다.The mixing method of the iron / iron compound-containing soil and the carbon powder in this step is not particularly limited, and it is sufficient that the soil and the carbon powder can be uniformly mixed.

상기 탄소 분말은 아세틸렌 블랙, 수퍼 피(Super P) 블랙, 카본 블랙, 덴카(Denka) 블랙, 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드카본 또는 소프트카본 등으로부터 1종 이상을 선택해 사용할 수 있다.The carbon powder may be at least one selected from acetylene black, super P black, carbon black, Denka black, activated carbon, graphite, hard carbon or soft carbon. have.

이어서, 상기 단계 (b)는 전 단계에서 얻어진 혼합 분말에 기계적 에너지를 인가해 상기 토양과 상기 탄소를 복합화시켜 토양/탄소의 복합체를 제조하는 단계이다.Next, the step (b) is a step of producing a soil / carbon complex by complexing the soil with the carbon by applying mechanical energy to the mixed powder obtained in the previous step.

본 단계에 있어서, 혼합 분말에 기계적 에너지를 가하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 토양 성분과 탄소의 복합화를 보다 용이하게 이끌어줄 수 있는 고에너지 볼밀링(ball milling)을 이용하는 것이 바람직하다.In this step, a method of applying mechanical energy to the mixed powder is not particularly limited, but it is preferable to use a high-energy ball milling which can more easily lead to the composite of the soil component and carbon.

구체적으로, 철/철 화합물 함유 토양과 탄소 분말을 포함하는 혼합 분말에 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)으로 기계적 에너지를 인가해 혼합 분말내 성분들을 복합화하는 공정을 통해 최종적으로 토양/탄소 복합체를 얻게 된다.Specifically, by applying mechanical energy to high-energy mechanical milling (HEMM) to a mixed powder containing iron / iron compound-containing soil and carbon powder, Carbon composite material.

참고로, 고에너지 볼밀링은 고회전력을 통한 높은 에너지를 반응물질에 가함으로써, 분말을 미립화시키는 것은 물론 분말 입자 간의 극대화된 확산력을 통해 반응물질에 화학 반응을 유도할 수 있다.For reference, high-energy ball milling can induce a chemical reaction in a reactant material by applying high energy through a high rotational force to the reactant material, as well as atomizing the powder and maximizing diffusion force between the powder particles.

상기 고에너지 볼밀링은 진동 밀(vibratory-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill), 어트리션 밀(attrition-mill) 등 고에너지 볼밀링을 위하여 사용되는 공지의 모든 볼밀링 장치에 의해 수행될 수 있다. 참고로, 통상적인 고에너지 볼밀링 과정에서는 볼밀링 동안에 온도가 200℃로 상승할 수 있으며, 압력도 6 GPa의 오더로 될 수 있다.The high-energy ball milling is used for high-energy ball milling such as a vibratory-mill, a Z-mill, a planetary ball-mill, and an attrition-mill. Of the ball milling device. For reference, in a typical high energy ball milling process, the temperature may rise to 200 DEG C during ball milling and the pressure may be on the order of 6 GPa.

상술한 복합체 제조방법에 의하면, 적토(Red soil) 등 철 및 철 화합물을 주성분으로 포함하는 토양을 탄소와 고에너지 기계적 밀링 공정을 통해 복합화시켜, 기존 흑연계 음극 소재에 비해 고용량을 가지며 실리콘계 음극 소재에 비해 사이클 수명이 우수한 이차전지용 음극 활물질을 경제적으로 제조할 수 있다.According to the above-described composite manufacturing method, a soil containing iron and iron compounds as main components such as red soil is combined with carbon through a high-energy mechanical milling process, and a high-capacity silicon-based anode material The negative electrode active material for a secondary battery having an excellent cycle life can be produced economically.

이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

<실시예><Examples>

(1) 적토(Red soil)/탄소 복합체의 제조(1) Preparation of Red soil / carbon composite

본 실시예에서는 본 발명에 따른 복합체 제조를 위한 철(Fe) 및 철 화합물 함유 토양으로서 적토(Red soil)를 사용하였다.In this example, red soil was used as a soil containing Fe and iron compounds for the production of the composite according to the present invention.

본 실시예에서 사용한 적토에 대해 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석을 실시한 결과, 해당 적토는 43.26 wt% Fe, 42.75 wt% O, 8.22 wt% C, 5.77 wt% Si 등을 포함하는 것으로 확인되었고, 도 2에 나타낸 바와 같이 FeO(OH) (iron(III) oxide-hydroxide), FeSi (Iron Silicide), FeSi2 (Iron disilicide) 및 SiO2 (silicon oxide) 등을 주요 화합물로 포함하는 것으로 확인되었다.As a result of EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) analysis on the used soil in this example, it was confirmed that the soil contained 43.26 wt% Fe, 42.75 wt% O, 8.22 wt% C, 5.77 wt% Si As shown in FIG. 2, it is confirmed that FeO (OH) (iron (III) oxide-hydroxide), FeSi (Iron Silicide), FeSi 2 (Iron disilicide) and SiO 2 .

도 3은 본원 실시예에서 사용된 적토를 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 사이클 수명 실험 결과 그래프로서, 이에 따르면 방전용량이 불과 30 사이클 경과 후에 33.4%로 대폭 감소(844 mAh/g → 282 mAh/g)하는 것으로 나타나, 적토만을 단독으로 음극 활물질로 적용하기에는 성능이 크게 모자란 것으로 드러났다.FIG. 3 is a graph of a cycle life test result of a lithium secondary battery including a red earth metal used as a negative electrode active material used in the present embodiment. As shown in FIG. 3, the discharging capacity was significantly reduced to 33.4% after only 30 cycles (844 mAh / g → 282 mAh / g). Therefore, it was found that the performance was not enough to apply the anode active material alone.

이에, 본 실시예에서는 상기 적토와 탄소 분말을 7 : 3의 중량비로 혼합한 혼합 분말 3g과, 강철볼(steel ball)을 1 : 20의 중량비로, 지름 5.5 cm, 높이 9 cm의 SKD11 재질의 원통형 바이얼에 함께 장입하여 볼밀기(vibrating mill, spex 8000)에 장착시킨 후 분당 900회의 회전속도로 6시간 동안 고에너지 기계적 밀링(high energy mechanical milling, HEMM)을 실시해 적토/탄소 복합체를 얻었다.Thus, in this embodiment, 3 g of mixed powder obtained by mixing the above-mentioned ground dust and carbon powder at a weight ratio of 7: 3, and steel balls are mixed at a weight ratio of 1:20 by weight of SKD11 material having a diameter of 5.5 cm and a height of 9 cm And then packed in a cylindrical vial, mounted on a vibrating mill (spex 8000), and subjected to high energy mechanical milling (HEMM) at a rotation speed of 900 rpm for 6 hours to obtain a red soil / carbon composite.

도 4는 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체에 대한 XRD 분석 결과로서, 이를 참조하면 본 실시예에서 얻어진 복합체는 토양 내의 철 및 철 화합물로부터 유래한 Fe2O3, Fe3O4 등의 철 산화물이 탄소와 복합화되어 있는 것으로 확인되었다.FIG. 4 is a result of XRD analysis of the red soil / carbon composite prepared in this Example. As shown in FIG. 4, the composite obtained in this Example contains Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 derived from iron and iron compounds in soil It has been confirmed that iron oxide is complexed with carbon.

(2) 상기 (1)에서 제조된 적토/탄소 복합체를 음극 활물질로 포함한 이차전지의 효율 및 사이클 특성 평가(2) Evaluation of efficiency and cycle characteristics of the secondary battery including the red soil-carbon composite prepared in (1) as an anode active material

도 5는 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체를 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 사이클 수명 실험 결과 그래프이다.FIG. 5 is a graph of a cycle life test result of a lithium secondary battery including the red soil / carbon composite prepared in the present example as a negative electrode active material.

도 5를 참조하면, 100 사이클 경과 후에도 방전용량이 90%에 가깝게 유지(745 mAh/g → 665 mAh/g)하는 것으로 나타나 본원 실시예에 따른 적토/탄소 복합체는 이차전지용 음극 활물질로서의 적용 가능성이 충분한 것으로 입증되었다.5, the discharge capacity was maintained close to 90% (745 mAh / g? 665 mAh / g) even after lapse of 100 cycles. Thus, the red soil / carbon composite according to the present Example can be applied as a negative electrode active material for a secondary battery Proved to be sufficient.

또한, 도 6은 본원 실시예에서 사용된 적토(Red soil), 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체(Red soil/C composite) 및 상용 흑연 음극재(Graphite (MCMB))를 각각 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 사이클 수명 비교 실험 결과이다.6 is a graph showing the results obtained by using the red soil used in the present embodiment, the red soil / C composite and the graphite (MCMB) produced in this embodiment as anode active materials This is the result of the comparison of the cycle life of the lithium secondary battery including the lithium secondary battery.

도 6을 참조하면, 본원 실시예에서 제조된 적토/탄소 복합체를 음극 활물질로 포함한 리튬 이차전지의 경우, 적토에 비해 사이클 수명이 월등히 우수할 뿐만 아니라, 상용 인조흑연 음극재(meso-carbon microbeads, MCMB)와 비교해서도 본 실험이 수행된 사이클 범위 전체에서 약 130% 높은 용량을 그대로 유지하는 우수한 수명 특성을 나타내는 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 6, the lithium secondary battery including the red soil / carbon composite according to the present embodiment as a negative electrode active material has much better cycle life than that of the red soil, and the meso-carbon microbeads, MCMB), it has been confirmed that it exhibits excellent lifespan characteristics maintaining the capacity of about 130% throughout the cycle range in which the present experiment is performed.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.

Claims (10)

(a) 철(Fe) 및 철 화합물을 포함하되 철 원자의 전체 중량이 토양 전체 중량 대비 30 중량% 이상인 토양 및 탄소(C) 분말을 혼합하는 단계; 및
(b) 상기 혼합된 분말에 기계적 에너지를 인가해 상기 토양과 상기 탄소를 복합화시키는 단계를 포함하며,
상기 토양은 FeO(OH), FeSi, FeSi2 및 SiO2를 포함하는 적토(Red soil)인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
(a) mixing soil and carbon (C) powders containing iron (Fe) and iron compounds, wherein the total weight of iron atoms is at least 30 wt% based on the total weight of the soil; And
(b) combining the soil with the carbon by applying mechanical energy to the mixed powder,
The method of the soil composite, characterized in that FeO (OH), FeSi, jeokto containing FeSi 2 and SiO 2 (Red soil).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 철(Fe) 및 철 화합물 함유 토양은 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 티타니아(TiO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the iron and iron compound-containing soil further comprises at least one selected from the group consisting of alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO) and titania (TiO 2 ).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소는 아세틸렌 블랙, 수퍼 피(Super P) 블랙, 카본 블랙, 덴카(Denka) 블랙, 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드카본 및 소프트카본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The carbon may be one or more selected from the group consisting of acetylene black, Super P black, carbon black, Denka black, activated carbon, graphite, hard carbon and soft carbon &Lt; / RTI &gt;
제1항 있어서,
상기 단계 (b)에서 진동 밀(vibratory-mill), Z 밀(Z-mill), 유성 밀(planetary ball-mill) 또는 어트리션 밀(attrition-mill)로 기계적 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein mechanical energy is applied in a vibratory-mill, a Z-mill, a planetary ball-mill, or an attrition-mill in the step (b) &Lt; / RTI &gt;
제1항, 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 복합체를 포함하는 이차전지용 음극 활물질.A negative electrode active material for a secondary battery comprising the composite produced by the method of any one of claims 1, 5, 7, and 8. 제9항의 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지.10. A lithium secondary battery comprising the negative electrode active material for a secondary battery according to claim 9.
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