KR102003298B1 - 코어-쉘 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지용 음극 활물질 - Google Patents

코어-쉘 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지용 음극 활물질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코어-쉘 실리콘 복합체 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질에 관한 것으로, 상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 카본 매트릭스 및 상기 카본 매트릭스에 위치하는 실리콘(Si) 나노 입자를 포함하는 코어, 그리고 상기 코어를 감싸며 위치하는 쉘을 포함한다.
상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 리튬이차전지의 음극활물질로서 적용시, 충방전에 따른 Si의 부피팽창을 효과적으로 제어하여 코어-쉘 실리콘 복합체 외곽에 안정한 SEI층을 형성할 수 있고, 이로써 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있다. 또, 높은 기계적 강도와 함께 최적의 충진밀도를 가져 전극의 내구성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

코어-쉘 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지용 음극 활물질{CORE-SHELL SILICON COMPOSITE, METHOD FOR PREPARAING THE SAME, AND NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 코어-쉘 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지용 음극 활물질에 관한 것이다.
리튬이차전지(예를 들면, 리튬이온전지), 니켈수소전지 그 외의 이차 전지는, 차량 탑재용 전원, 또는 노트북 등의 휴대 단말기의 전원으로서 중요성이 높아지고 있다. 특히, 경량으로 고에너지 밀도를 얻을 수 있는 리튬이차전지는 차량 탑재용 고출력 전원으로서 바람직하게 이용될 수 있어서, 향후 계속적인 수요 증대가 전망되고 있다.
리튬이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극의 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 설치한 후 액체 전해질을 주입시켜 제조되며, 상기 음극 및 양극에서의 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 따른 산화 환원반응에 의해 전기가 생성 또는 소비된다.
구체적으로, 리튬이차전지에 있어서 음극 활물질로는 리튬의 삽입 및 탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본, 소프트 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다. 상기 탄소 계열 중 흑연은 흑연을 음극 활물질로 사용한 전지는 3.6V의 높은 방전 전압을 나타낼 뿐만 아니라, 리튬이차전지의 에너지 밀도 면에서도 이점을 제공하며, 뛰어난 가역성으로 리튬이차전지의 장수명을 보장하여 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 흑연 활물질은 극판 제조시 흑연의 밀도(이론 밀도 2.2g/cc)가 낮아 극판의 단위 부피당 에너지 밀도 측면에서는 용량이 낮고, 또 높은 전압에서는 사용되는 유기 전해액과의 부반응이 일어나기 쉬워, 가스 발생 및 이에 따른 용량 저하의 문제가 있었다.
이 같은 탄소계 음극 활물질의 문제점을 해결하기 위해, 흑연 대비 용량이 매우 높은 Si계 음극활물질이 개발, 연구되고 있다. 그러나, 고용량의 Si계 음극소재는 충방전시 극심한 부피 변화가 수반되며 이로 인해 입자의 쪼개짐이 발생하여 수명 특성이 불량하다는 단점이 있다. 구체적으로 리튬이온과 합금 및 탈합금화가 가능한 실리콘 또는 실리콘 산화물(SiOx, 0<x<2)계 음극활물질은 최대 300%까지 부피팽창을 한다. 이와 같은 부피 팽창 및 수축시 SiOx계 음극활물질은 물리적으로 심한 스트레스를 받게 되고 붕괴(pulverization)되어 버린다. 그 결과로 기존 SEI 층이 파괴되고 새로운 계면이 발생하면서 새로운 SEI층을 형성하게 된다. 이로인해 지속적인 전해액 분해 및 리튬 이온의 소모가 발생하게 됨으로써 전지의 사이클 특성이 열화된다. 또, 지속적인 충/방전시 SiOx계 음극활물질의 부피팽창/수축에 의해 도전구조가 파괴되어 전극의 내구성이 저하됨으로써 전지 수명이 열화된다.
이를 해결하기 위해 부피팽창을 완충할 수 있는 공극을 포함하는 복합체가 제안되었다. 그러나 공극구조를 포함하는 복합체의 경우 전극 제조 중 수반되는 압연과정에서 복합체가 파쇄되어 버리기 쉽고, 또 밀도가 낮아 높은 로딩량의 전극을 제조하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 방법으로 나노튜브형태의 SiOx가 개발되었으나, 제조공정이 어렵고, 단가가 높아 상용화가 어렵다는 문제가 있다.
한국특허공개 제 2008-0018737호(공개일: 2008.02.28)
본 발명의 목적은, 리튬이차전지의 음극활물질로서 적용시 충방전에 따른 Si의 부피팽창을 효과적으로 제어하여 코어-쉘 실리콘 복합체 외곽에 안정한 SEI층을 형성할 수 있고, 또, 높은 기계적 강도와 함께 우수한 충진밀도를 가져 전극의 내구성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있는 코어-쉘 실리콘 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 코어-쉘 실리콘 복합체를 포함하여 전극의 내구성 및 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질, 음극 및 리튬이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 카본 매트릭스 및 상기 카본 매트릭스에 위치하는 실리콘(Si) 나노 입자를 포함하는 코어, 그리고 상기 코어를 감싸며 위치하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 실리콘 복합체를 제공한다.
상기 코어는 복수개의 실리콘 나노 입자들을 포함하며, 상기 실리콘 나노 입자들은 상기 카본 매트릭스를 매개로 뭉쳐진 것일 수 있다.
상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 상기 쉘 내부에 내부 공극을 포함할 수 있다.
상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 상기 코어와 쉘 사이에 형성된 내부 공극을 포함할 수 있다.
상기 카본 매트릭스는 상기 카본 매트릭스 내부에 내부 공극을 포함할 수 있다.
상기 내부 공극과 상기 실리콘 나노 입자들은 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내에 1:1 내지 6:1의 부피비로 포함될 수 있다.
상기 코어-쉘 실리콘 복합체가 하기 수학식 1의 조건을 충족할 수 있다.
[수학식 1]
1≤r/x≤1.8
(상기 수학식 1에서 r은 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 쉘 이외의 내부 공간의 반지름이고, x는 상기 코어 내 모든 실리콘 입자들의 부피와 동일한 부피를 가지는 가상의 입자의 반지름이다)
상기 쉘은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 산화물은 SiOx(여기서, x는 1 내지 2의 실수이다)일 수 있고, 상기 실리콘 산화물은 SiO2일 수 있다.
상기 쉘은 상기 실리콘 나노 입자 100 중량부에 대하여 10 내지 150 중량부로 포함될 수 있다.
상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 평균입경(D50)이 50nm 내지 50㎛일 수 있다.
상기 실리콘 나노 입자의 평균입경(D50)이 10nm 내지 5㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 카본 매트릭스 전구체와 실리콘(Si) 나노 입자를 혼합하여 코어 전구체를 제조하는 단계, 상기 코어 전구체를 감싸며 위치하는 쉘을 제조하는 단계, 그리고 상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계를 포함하는 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계에서 상기 카본 매트릭스 전구체가 탄화되면서 수축되어 상기 코어와 쉘 사이에 내부 공극이 형성될 수 있다.
또한, 상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계에서 상기 카본 매트릭스 전구체가 탄화되면서 상기 카본 매트릭스 내부에 내부 공극이 형성될 수 있다.
상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 온도는 200 내지 1000℃일 수 있다.
상기 카본 매트릭스 전구체는 헤테로시클로아로마틱 화합물, 폴리페놀, 폴리도파민, 단당류, 복당류, 디시아노디아마이드, 우레아 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 실리콘 나노 입자는 상기 카본 매트릭스 전구체 100 중량부에 대하여 5 내지 90중량부로 혼합될 수 있다.
상기 쉘을 형성하기 위한 전구체는 상기 코어 전구체 100 중량부에 대하여 10 내지 300 중량부로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 코어-쉘 실리콘 복합체를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 음극활물질을 포함하는 음극을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 음극을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.
본 발명의 코어-쉘 실리콘 복합체는, 코어-쉘 구조를 갖는 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조시, Si을 포함하는 쉘의 내측에는 Si의 부피팽창에 대해 완충작용을 할 수 있는 공극을 포함하는 구조체의 코어를 형성하고, 또, 쉘의 외표면에는 Si의 부피팽창이 복합체 내부로 진행되도록 하는 높은 기계적 특성을 갖는 코팅층을 형성함으로써, 리튬이차전지의 음극활물질로서 적용시 충방전에 따른 Si의 부피팽창을 효과적으로 제어하여 코어-쉘 실리콘 복합체 외곽에 안정한 SEI층을 형성할 수 있고, 또, 높은 기계적 강도와 함께 높은 충진밀도를 가져 전극의 내구성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 실리콘 복합체의 충방전시 부피 변화를 나타낸 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법을 나타낸 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제조예 1 및 2에서 제조한 코어-쉘 실리콘 복합체를 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실험예 2에서 측정한 용량 유지율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실험예 3에서 측정한 충방전 전후의 코어-쉘 실리콘 복합체를 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에서 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 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 실리콘 복합체는, 카본 매트릭스 및 상기 카본 매트릭스에 위치하는 실리콘(Si) 나노 입자를 포함하는 코어, 그리고 상기 코어를 감싸며 위치하는 쉘을 포함한다.
이때, 상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 상기 쉘 내부에 내부 공극을 포함할 수 있다. 상기 내부 공극은 상기 코어와 쉘 사이에 형성된 것이거나, 상기 카본 매트릭스가 다공성 탄소로 이루어짐에 따라 상기 카본 매트릭스 내부에 형성된 내부 공극을 포함할 수 있다.
상기 코어와 쉘 사이에 형성된 내부 공극은 극단적으로 상기 코어와 쉘 사이에 위치하는 완전히 연속적인 공간으로서 상기 코어와 쉘을 완전하게 또는 부분적으로 분리하는 공극일 수 있으며, 또는 다른 극단적으로 상기 코어와 쉘이 전면적으로 접하면서 상기 코어와 쉘 사이에 형성된 기공 형태일 수도 있으며, 이의 중간 형태로서 부분적으로 상기 코어와 쉘이 접하면서 상기 코어의 울퉁불퉁한 표면에 의하여 상기 코어와 쉘이 접하지 않는 부분에만 형성된 공극일 수도 있으나, 본 발명이 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니고, 상기 코어와 쉘 사이에 빈 공간을 포함하는 어떠한 형태도 포함한다.
통상 음극활물질로서 사용되는 Si는 리튬과 반응하여 약 4000 mAh/g 의 이론적 최대용량을 나타낸다. 그러나, 상기 Si는 부피팽창 시 Si 표면에 붙어있던 SEI 층이 탈리되며 새로운 Si 계면 노출되거나, Si 입자에 크랙(crack)이 생성되거나 파쇄되어 새로운 Si 계면이 노출되며, 상기 노출된 계면과 전해액이 반응하여 새로운 SEI 층이 생성되는 과정이 반복된다. 상기 반응이 반복됨에 따라 두꺼운 SEI 층이 형성되어 임피던스(impedence)가 증가되고 전해액이 고갈되어 전지 수명 특성이 저하되는 문제가 있다.
이에 대해 본 발명에서는 상기 Si를 포함하는 코어의 외표면에 Si에 비해 강도 특성이 우수한 실리콘 산화물의 코팅층인 쉘을 형성하여 Si의 부피 팽창을 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내부로 향하도록 하고, 또 상기 코어와 쉘의 사이에 Si의 부피 팽창시 발생하는 응력을 흡수하여 완충작용을 나타낼 수 있는 내부 공극을 포함하도록 상기 코어-쉘 실리콘 복합체를 형성함으로써, 리튬이차전지의 음극활물질로서 적용시 충방전에 따른 Si의 부피팽창을 효과적으로 제어하여 코어-쉘 실리콘 복합체 외곽에 안정한 SEI층을 형성할 수 있고, 또, 높은 기계적 강도와 함께 높은 충진밀도를 가져 전극의 내구성 및 전지 성능을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 코어-쉘 복합체에 있어서, 상기 코어는 카본 매트릭스 및 상기 카본 매트릭스에 위치하는 실리콘 나노 입자를 포함하며, 구체적으로 상기 코어는 복수개의 상기 실리콘 나노 입자들이 상기 카본 매트릭스를 매개로 뭉쳐진 것일 수 있다. 상기 코어는 대략적으로 구형의 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 복수개의 상기 실리콘 나노 입자들이 상기 카본 매트릭스를 매개로 뭉쳐진 것임에 따라 실리콘 나노 입자들이 표면으로 울퉁불퉁하게 튀어나온 형상일 수 있다.
상기 카본 매트릭스는 카본 매트릭스 전구체가 탄화되어 이루어질 수 있고, 상기 카본 매트릭스 전구체는 탄화될 수 있는 전구체로서 일반적으로 사용되는 것은 어느 것이나 사용 가능하고, 예를 들면 헤테로시클로아로마틱 화합물(heteroaromatic compound), 폴리페놀, 폴리도파민, 단당류, 복당류, 디시아노디아마이드, 우레아 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 구체적으로 상기 헤테로시클로아로마틱 화합물은 멜라민 등일 수 있고, 상기 복당류는 수크로오스 등일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 디시아노디아마이드 또는 우레아 이외에도 질소를 포함하는 탄화수소 화합물(N-doped carbon)은 어느 것이나 사용 가능하다.
상기 카본 매트릭스는 상기 카본 매트릭스 전구체가 탄화된 다공성 탄소로 이루어짐에 따라 카본 매트릭스 내부에 형성된 공극을 포함할 수 있다. 상기 카본 매트릭스의 내부에 형성된 내부 공극은 상기 코어와 쉘 사이에 형성된 내부 공극과 더불어 상기 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 더욱 완충시켜 줄 수 있다.
상기 실리콘 나노 입자의 평균입경(D50)은 10nm 내지 5㎛일 수 있고, 바람직하게 50 내지 500nm일 수 있다. 상기 실리콘 나노 입자의 평균입경이 10nm 미만인 경우 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 제조 시 실리콘 나노 입자의 분산이 원활하지 못하여 뭉쳐진 실리콘 나노 입자가 생성될 수 있어 효과적인 전도성 path를 형성하기 어려울 수 있고, 5㎛를 초과하는 경우 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 크기가 수십 마이크로미터로 커져 전지 제조에 적합하지 않으며, 실리콘 나노 입자의 파쇄가 지속적으로 일어나 코어-쉘 실리콘 복합체 내의 카본 매트릭스와의 전기적 접촉이 없는 입자들이 생성될 수 있다.
한편, 상기 코어-쉘 실리콘 복합체에 있어서, 상기 코어의 외표면에는 쉘이 위치한다. 상기 쉘은 상기 코어의 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 내부로 향하도록 하기 위해, 높은 강도 특성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 쉘은 높은 강도 특성을 가지면서 리튬 이온의 전달이 가능한 산화물 또는 황화물 등의 물질이면 어느 것이나 사용 가능하다. 구체적인 예로 상기 쉘은 실리콘 산화물을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 실리콘 산화물은 구체적으로 SiOx(여기서, x는 1 내지 2의 실수이다)일 수 있고, 더욱 구체적으로 SiO 또는 SiO2일 수 있다.
또한, 상기 쉘은 상기 실리콘 나노 입자 100 중량부에 대하여 10 내지 150 중량부일 수 있다. 상기 쉘이 상기 실리콘 나노 입자 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만인 경우 상기 쉘의 외표면으로 향하는 상기 실리콘 나노 입자의 부피 팽창에 의한 응력을 제어하기 어렵고, 150 중량부를 초과하는 경우 상기 쉘과 리튬 이온의 비가역 반응이 일어나 초기 효율이 저하되거나 리튬 이온의 이동이 방해 받아 율(rate) 특성이 저하되거나 활물질 용량 발현이 어려울 수 있다.
또, 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 평균입경(D50)은 50nm 내지 50㎛인 경우 비표면적이 줄어들어 적은 양의 바인더와 도전재를 필요로 하여 전극 내 활물질의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 상기 코어의 실리콘 나노 입자의 부피 팽창시 발생하는 응력을 충분히 흡수할 수 있는 공극률을 가져야 한다.
구체적으로 상기 코어-쉘 실리콘 복합체가 구형의 입자라고 할 때, 상기 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 고려하여 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내에 포함되는 상기 내부 공극과 상기 실리콘 나노 입자들은 1:1 내지 6:1의 부피비로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 상기 실리콘 나노 입자들의 부피는 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내부에 포함된 모든 실리콘 나노 입자들의 부피를 합한 부피이다. 상기 내부 공극의 부피비가 1 미만인 경우 상기 공극의 부피가 작아 상기 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 효과적으로 완화시켜 줄 수 없고, 6을 초과하는 경우 제조된 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 기계적 강도가 약해져 전극 제조 또는 슬러리 제조 단계에서 상기 코어-쉘 실리콘 복합체가 파쇄될 수 있다.
이에 따라 상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 하기 수학식 1을 만족시키는 것이 바람직할 수 있다.
[수학식 1]
1≤r/x≤1.8
상기 수학식 1에서 r은 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 쉘 이외의 내부 공간의 반지름이고, x는 상기 코어 내 모든 실리콘 입자들의 부피와 동일한 부피를 가지는 가상의 입자의 반지름이다. 한편, 실질적으로 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 공극율은 수은압입법에 의해 측정할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 실리콘 복합체의 충방전시 부피 변화를 나타낸 단면 모식도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 실리콘 복합체는 복수개의 상기 실리콘 나노 입자들(111)이 상기 카본 매트릭스(112)를 매개로 뭉쳐진 상기 코어(110), 및 상기 코어(110)를 감싸며 위치하고, 실리콘 산화물을 포함하는 쉘(120)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 코어(110)와 쉘(120) 사이에는 상기 실리콘 나노 입자(111)의 팽창에 대한 완충작용을 위하여 내부 공극(130)이 형성되어 있다. 한편, 상기 카본 매트릭스(112) 내부에도 내부 공극이 형성될 수도 있다.
이에 따라 충방전에 따른 부피 변화로 상기 코어(110)의 상기 실리콘 나노 입자(111)이 팽창하면, 상기 코어(110)의 외표면 상에 위치하는 상기 쉘(120)에 의해 상기 실리콘 나노 입자(111)의 팽창이 상기 코어-쉘 실리콘 복합체(100) 내로 제한되고, 그 결과, 팽창 압력을 상기 코어-쉘 실리콘 복합체(100) 내부 공극(130)이 흡수하여, 완충작용을 나타낸다.
상기와 같은 구조를 갖는 코어-쉘 실리콘 복합체는 카본 매트릭스 전구체와 실리콘(Si) 나노 입자를 혼합하여 코어 전구체를 제조하는 단계, 상기 코어 전구체를 감싸며 위치하는 쉘을 제조하는 단계, 그리고 상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이하 각 단계별로 상세히 설명하면, 단계 1은 코어 전구체를 제조하는 단계이다.
구체적으로, 상기 코어 전구체는 상기 카본 매트릭스 전구체와 상기 실리콘 나노 입자를 혼합한 용액을 분무건조(spray-drying) 등의 방법을 통하여 용매를 제거하거나 상기 실리콘 나노 입자의 분산액 내에서 상기 카본 매트릭스 전구체인 고분자를 중합하여 제조할 수 있다.
상기 카본 매트릭스 전구체는 탄화될 수 있는 전구체로서 일반적으로 사용되는 것은 어느 것이나 사용 가능하고, 예를 들면 헤테로시클로아로마틱 화합물, 폴리페놀, 폴리도파민, 단당류, 복당류, 디시아노디아마이드, 우레아 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 구체적으로 상기 헤테로시클로아로마틱 화합물은 멜라민 등일 수 있고, 상기 복당류는 수크로오스 등일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 디시아노디아마이드 또는 우레아 이외에도 질소를 포함하는 탄화수소 화합물(N-doped carbon)은 어느 것이나 사용 가능하다.
상기 실리콘 나노 입자에 대해서는 상술한 바와 같으므로, 반복적인 설명은 생략한다.
다만, 상기 실리콘 나노 입자의 함량은 상기 카본 매트릭스 전구체 100 중량부에 대하여 5 내지 90 중량부일 수 있고, 바람직하게 15 내지 50 중량부일 수 있다. 상기 실리콘 나노 입자의 함량이 상기 카본 매트릭스 전구체 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만인 경우 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내 활물질의 양이 적어 무게당 용량이 작을 수 있으며, 90 중량부를 초과하는 경우 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내 공극의 부피가 작아 상기 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 효과적으로 완화할 수 없어 파쇄될 수 있다.
다음으로 단계 2는 상기 코어 전구체 상에 쉘을 형성하는 단계이다.
상기한 바와 같이, 상기 쉘은 높은 강도 특성을 가지면서 리튬 이온의 전달이 가능한 산화물 또는 황화물 등의 물질이면 어느 것이나 사용 가능하며, 그 구체적인 예로 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 이하에서는 상기 쉘이 실리콘 산화물인 경우에 대하여 구체적으로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 쉘의 형성은 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 등과 같은 실리콘 산화물 전구체를 포함하는 조성물을 상기 단계 1에서 제조한 코어 전구체의 입자 상에 도포, 분무, 또는 함침 등의 방법으로 도포한 후 졸-겔(sol-gel) 반응을 통하여 코팅할 수 있다.
또는, 화학기상증착성장법을 이용할 경우, 상기 단계 1에서 제조한 상기 코어 전구체의 입자에 대해 기체상의 실리콘 함유 화합물을 산화성 가스와 혼합 후 증착시키는 공정에 의해 실시될 수 있다.
상기 산화성 가스는 산소, 염소, 이산화탄소, 또는 공기 등일 수 있다.
또, 상기 기체상의 실리콘 함유 화합물 가스와 산화성 가스는 0.5:1 내지 2:1의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1:1 내지 1.5:1의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 쉘을 형성하기 위한 실리콘 산화물 전구체는 상기 코어 전구체 100 중량부에 대하여 10 내지 300 중량부로 사용될 수 있다. 상기 실리콘 산화물 전구체의 함량이 상기 코어 전구체 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만인 경우 상기 쉘의 외표면으로 향하는 상기 실리콘 나노 입자의 부피 팽창에 의한 응력을 제어하기 어렵고, 300 중량부를 초과하는 경우 상기 쉘의 SiOx와 리튬 이온의 비가역 반응으로 인하여 초기 효율이 크게 저하될 우려가 있다.
마지막으로, 단계 3은 상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시켜, 상기 코어 전구체를 코어로 제조하는 단계이다.
상기 카본 매트릭스 전구체는 탄화되면서 수축하게 되는데, 이때 상기 코어와 쉘 사이에 내부 공극이 형성된다.
구체적으로, 상기 상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 온도는 200 내지 1000℃일 수 있고, 바람직하게 400 내지 800℃일 수 있다. 상기 탄화 온도가 200℃ 미만인 경우 카본 매트릭스 전구체가 불완전하게 탄화될 수 있고, 1000℃를 초과하는 경우 경제적으로 불필요할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 탄화는 200 내지 500℃, 500 내지 700℃ 및 700 내지 1000℃의 3단계로 나누어 진행하는 것이 상기 카본 매트릭스 전구체를 완전히 탄화시키면서 상기 공극을 형성할 수 있다는 점에서 바람직하다.
도 2는 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법을 나타낸 단면 모식도이다.
상기 도 2를 참고하면, 상기 카본 매트릭스 전구체(113)와 상기 실리콘 나노 입자(111)를 혼합하여 코어 전구체를 제조하고, 상기 코어 전구체를 감싸도록 실리콘 산화물을 포함하는 쉘(120)을 형성한 후, 상기 카본 매트릭스 전구체(113)를 탄화시키면, 상기 카본 매트릭스(112) 및 상기 코어(110)가 형성되면서, 상기 코어(110)와 쉘(120) 사이에는 내부 공극(130)이 형성된다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 코어-쉘 실리콘 복합체는 그 특유의 구조로 인해, 리튬이차전지의 음극활물질로서 적용시 전지의 충방전에 따른 Si의 부피 변화를 억제하여 코어-쉘 실리콘 복합체 외곽에 안정한 SEI층 형성이 가능하고, 그 결과로서 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있고, 또, 높은 기계적 강도와 함께 최적의 충진밀도를 가져 전극의 내구성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기한 코어-쉘 실리콘 복합체를 음극활물질로서 포함하는 음극이 제공된다.
상기 음극은 음극활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 용매중에서 혼합하여 음극활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 이를 음극집전체 위에 도포하여 제조할 수 있다.
상기 음극활물질층 형성용 조성물에 있어서, 상기 음극활물질은 앞서 설명한 바와 동일하다. 또, 상기 음극활물질은 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 99중량%가 되도록 하는 양으로 조성물내 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 98중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위를 벗어나면 용량 저하나 상대적인 바인더 양의 감소로 집전체와의 결합력이 저하될 우려가 있다.
또, 상기 바인더는 전극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 전극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무 또는 이들의 공중합체 등를 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 음극활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 20중량%가 되도록 하는 양으로 상기 음극활물질층 형성용 조성물에 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2 내지 10중량%로 포함되는 것이 좋다.
또, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하고, 활물질 입자 사이에서 윤활제 역할을 하여 극판 팽창 및 수명특성을 개선하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 도전재는 음극활물질층 총 중량에 대하여 20중량% 이하가 되도록 하는 양으로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 10중량%로 포함되는 것이 좋다. 도전재의 함량이 20중량%를 초과하면 전극내 에너지 밀도가 저하될 우려가 있다.
또, 상기 용매로는 물, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등의 용매가 사용될 수 있다.
또, 상기 음극 집전체는 구리, 알루미늄, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있고, 상기 스테인리스스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 바람직하게 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다.
상기 제조된 음극활물질층 형성용 조성물을 음극집전체에 도포하는 방법으로는 재료의 특성 등을 감안하여 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극활물질층 형성용 조성물을 음극집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수도 있다. 이 밖에도, 다이캐스팅(die casting), 콤마코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 사용할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기한 제조방법에 따라 제조된 코어-쉘 실리콘 복합체를 음극 활물질로서 포함하는 리튬이차전지가 제공된다.
구체적으로, 상기 리튬이차전지는 서로 대향 배치되는 양극 활물질을 포함하는 양극과 음극 활물질을 포함하는 음극, 그리고 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해액을 포함하며, 상기 음극 활물질은 상기한 바와 동일하다.
상기 리튬이차전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬이온전지, 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.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 리튬이차전지(1)는 음극(3), 양극(5), 상기 음극(3) 및 양극(5) 사이에 세퍼레이터(7)를 배치하여 전극 조립체(9)를 제조하고, 이를 케이스(15)에 위치시키고 전해질(미도시)을 주입하여 상기 음극(3), 상기 양극(5) 및 상기 세퍼레이터(7)가 전해질에 함침되도록 함으로써 제조할 수 있다.
상기 음극(3) 및 양극(5)에는 전지 작용시 발생하는 전류를 집전하기 위한 도전성 리드 부재(10, 13)가 각기 부착될 수 있고, 상기 리드 부재(10, 13)는 각각 양극(5) 및 음극(3)에서 발생한 전류를 양극 단자 및 음극 단자로 유도할 수 있다.
상기 양극(5)은 상기 음극(3)과 마찬가지로 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 상기 양극 활물질 층 형성용 조성물을 알루미늄 포일 등의 양극 전류 집전체에 도포한 후 압연하여 제조할 수 있다. 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 금속 집전체상에 라미네이션하여 양극판을 제조하는 것도 가능하다.
상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 리튬 함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 -yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 - yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 - zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용할 수 있다.
상기 도전재 및 바인더는 앞서 음극에서 설명한 바와 동일하다.
한편, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함한다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는 에스테르 용매, 에테르 용매, 케톤 용매, 방향족 탄화수소 용매, 알콕시알칸 용매, 카보네이트 용매 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 에스테르 용매의 구체적인 예로는 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), n-프로필 아세테이트(n-propyl acetate), 디메틸아세테이트(dimethyl acetate), 메틸프로피오네이트(methyl propionate), 에틸프로피오네이트(ethyl propionate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 데카놀라이드(decanolide), γ-발레로락톤(γ-valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), γ-카프로락톤(γ-caprolactone), δ-발레로락톤(δ-valerolactone), 또는 ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등을 들 수 있다.
상기 에테르계 용매의 구체적인 예로는 디부틸 에테르(dibutyl ether), 테트라글라임(tetraglyme), 2-메틸테트라히드로퓨란(2-methyltetrahydrofuran), 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등을 들 수 있다.
상기 케톤계 용매의 구체적인 예로는 시클로헥사논(cyclohexanone) 등을 들 수 있다. 상기 방향족 탄화수소계 유기 용매의 구체적인 예로는 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 아이오도벤젠(iodobenzene), 톨루엔(toluene), 플루오로톨루엔(fluorotoluene), 또는 자일렌(xylene) 등을 들 수 있다. 상기 알콕시알칸 용매로는 디메톡시에탄(dimethoxy ethane) 또는 디에톡시에탄(diethoxy ethane) 등을 들 수 있다.
상기 카보네이트 용매의 구체적인 예로는 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 디프로필카보네이트(dipropylcarbonate, DPC), 메틸프로필카보네이트(methylpropylcarbonate, MPC), 에틸프로필카보네이트(ethylpropylcarbonate, EPC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌카보네이트(butylenes carbonate, BC), 또는 플루오로에틸렌카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등을 들 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염으로는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(CaF2a + 1SO2)(CbF2b + 1SO2)(단, a 및 b는 자연수, 바람직하게는 1≤a≤20이고, 1≤b≤20임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 리튬염을 전해질에 용해시키면, 상기 리튬염은 리튬이차전지(1) 내에서 리튬 이온의 공급원으로 기능하고, 양극(5)과 음극(3) 간의 리튬 이온의 이동을 촉진할 수 있다. 이에 따라, 상기 리튬염은 상기 전해질 내에 대략 0.6M 내지 2M의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 리튬염의 농도가 0.6M 미만인 경우 전해질의 이온 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어질 수 있고, 2M를 초과하는 경우 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 낮아질 수 있다. 이와 같은 전해질의 전도도 및 리튬 이온의 이동성을 고려하면, 상기 리튬염은 상기 전해질 내에서 대략 0.7M 내지 1.6M로 조절되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
상기 전해질은 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 일반적으로 전해질에 사용될 수 있는 첨가제(이하, '기타 첨가제'라 함)를 더 포함할 수 있다.
상기 기타 첨가제의 구체적인 예로는 비닐렌카보네이트(vinylenecarbonate, VC), 메탈플루오라이드(metal fluoride, 예를 들면, LiF, RbF, TiF, AgF, AgF2, BaF2, CaF2, CdF2, FeF2, HgF2, Hg2F2, MnF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, AlF3, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, DyF3, EuF3, GaF3, GdF3, FeF3, HoF3, InF3, LaF3, LuF3, MnF3, NdF3, PrF3, SbF3, ScF3, SmF3, TbF3, TiF3, TmF3, YF3, YbF3, TIF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4, TiF4, VF4, ZrF44, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6, WF6, CoF2, CoF3, CrF2, CsF, ErF3, PF3, PbF3, PbF4, ThF4, TaF5, SeF6 등), 글루타노나이트릴(glutaronitrile, GN), 숙시노나이트릴(succinonitrile, SN), 아디포나이트릴(adiponitrile, AN), 3,3'-티오디프로피오나이트릴(3,3'-thiodipropionitrile, TPN), 비닐에틸렌카보네이트(vinylethylene carbonate, VEC), 플루오로에틸렌카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디플루오로에틸렌카보네이트(difluoroethylenecarbonate), 플루오로디메틸카보네이트(fluorodimethylcarbonate), 플루오로에틸메틸카보네이트(fluoroethylmethylcarbonate), 리튬비스(옥살레이토)보레이트(Lithium bis(oxalato)borate, LiBOB), 리튬 디플루오로(옥살레이토) 보레이트(Lithium difluoro (oxalate) borate, LiDFOB), 리튬(말로네이토 옥살레이토)보레이트(Lithium (malonato oxalato) borate, LiMOB) 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 포함할 수 있다. 상기 기타 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 세퍼레이터(7)로는 통상 리튬이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는 원통형 리튬이차전지(1)를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 기술이 원통형 리튬이차전지(1)로 한정되는 것은 아니며, 전지로서 작동할 수 있으면 어떠한 형상으로도 가능할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지는 우수한 방전용량, 사이클 수명 특성 및 율특성을 안정적으로 나타내기 때문에, 빠른 충전 속도가 요구되는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더 등의 휴대용 기기나, 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(plug-in HEV, PHEV) 등의 전기 자동차 분야, 그리고 중대형 에너지 저장 시스템에 유용하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예: 실리콘 복합체의 제조]
(제조예 1)
멜라민과 포름알데하이드를 중량비 1:1의 비율로 물에 넣고 100℃로 가열하여 교반하였다. 멜라민과 동일 중량비로 pluronic F127을 물에 녹인 용액과 멜라민 100 중량부에 대하여 50 중량부의 실리콘 나노 입자(평균입경(D50): 250nm)를 교반하고 있는 플라크스에 넣어준 후 2ml 염산을 넣어주어 24시간 동안 교반하여 코어 전구체를 제조하였다.
다음으로, 상기 제조한 코어 전구체를 에탄올과 물을 혼합한 용매에 넣고(에탄올:물=4:1 부피비) TEOS와 암모니아수를 넣어주어 상기 코어 전구체의 표면을 감싸는 SiO2 쉘을 형성하였다.
400℃, 600℃, 800℃에서 각 2시간 동안 열처리하여 상기 코어 전구체의 멜라민을 탄화함으로써 코어-쉘 실리콘 복합체(평균입경(D50): 2.5㎛)를 제조하였다.
(제조예 2)
상기 제조예 1에서 상기 제조한 코어 전구체를 에탄올과 물을 혼합한 용매에 넣고(에탄올:물=4:1 부피비) 상기 코어 전구체 100 중량부에 대하여 20 중량부의 TEOS와 암모니아수를 넣어주어 상기 코어 전구체의 표면을 감싸는 SiO2 쉘을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 코어-쉘 실리콘 복합체를 제조하였다.
[실시예: 반쪽셀(half cell)의 제조]
(실시예 1)
상기 제조예 1에서 제조된 전극 활물질, 도전재로 카본나노튜브(CNT), 바인더로 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 8:1:1의 중량비로 NMP(N-메틸피롤리돈)에 첨가하고 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 20㎛ 두께의 구리 박막(Cu foil)에 상기 슬러리를 50㎛ 두께로 코팅(tape coating)하고 진공 오븐에서 120℃로 24시간 동안 건조하여 작업 전극(working electrode)을 제조하였다.
상기 제조된 작업 전극과 상대 전극(counter electrode)으로 Li foil(150㎛)을 사용하여 코인 반쪽 셀을 제작하였다. 작업 전극과 상대 전극 사이에 폴리에틸렌 다공성 막을 개재시키고 전해질로서 DEC/FEC에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 사용하여 전지를 구성하였다. 코인 반쪽 전지 내부는 아르곤 분위기이며, 공기를 차단하기 위하여 밀폐되었다.
(비교예 1)
음극활물질로서 실리콘(Si) 분말을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예에서와 동일한 방법으로 실시하여 반쪽셀을 제조하였다.
[실험예 1: 코어-쉘 실리콘 복합체의 형상 관찰]
상기 제조예 1 및 2에서 제조한 코어-쉘 실리콘 복합체를 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다.
상기 도 4 및 5를 참고하면, 상기 제조예 1에서 제조된 코어-쉘 실리콘 복합체는 복합체의 형상이 다소 불규칙적인 반면, 상기 제조예 2에서 제조된 코어-쉘 실리콘 복합체는 구형의 복합체가 형성됨을 확인할 수 있다.
[실험예 2: 반쪽셀의 용량 유지율 특성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 반쪽셀에 대해 용량 유지율 특성을 측정하였다.
상세하게는, 상기 실시예에서 제조한 반쪽셀에 대해 각각 상온(25℃)에서 1 내지 0.05V 범위내에서 0.5C의 전류밀도로 충/방전을 실시하고, 이를 50회 반복실시하여 용량 유지율을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타내었다.
용량 유지율(Normalized retention, @ 50th cycle)
실시예 1 88%
비교예 1 67%
상기 표 1 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 코어-쉘 실리콘 복합체를 음극활물질로서 포함하는 실시예의 반쪽셀은, 비교예의 반쪽셀에 비해 용량 유지율이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3: 충방전 후 코어-쉘 실리콘 복합체의 형상 관찰]
상기 실험예 2에서, 50 사이클 충방전 후, 상기 실시예 1에서 사용된 코어-쉘 실리콘 복합체를 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 7 및 8에 나타내었다. 상기 도 7은 충방전하기 전의 주사 전자 현미경 사진이고, 상기 도 8은 50 사이클 충방전 후의 주사 전자 현미경 사진이다.
상기 도 7 및 8을 참고하면, 상기 실시예 1에서 사용된 코어-쉘 실리콘 복합체는 50 사이클 충방전 후에도 거의 모든 복합체가 처음과 동일한 형상을 유지함을 알 수 있다. 즉, 충방전시의 실리콘 나노 입자의 부피 팽창에 의하여 쉘이 부서지지 않았음을 알 수 있는 바, 상기 코어-쉘 실리콘 복합체는 복합체 외곽에 안정한 SEI 층이 형성됨을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 리튬이차전지
3: 음극
5: 양극
7: 세퍼레이터
9: 전극 조립체
10, 13: 리드 부재
15: 케이스
100: 코어-쉘 실리콘 복합체
110: 코어
111: 실리콘 나노 입자 112: 카본 매트릭스
113: 카본 매트릭스 전구체
120: 쉘
130: 내부 공극

Claims (23)

  1. 카본 매트릭스 및 상기 카본 매트릭스에 위치하는 실리콘(Si) 나노 입자를 포함하는 코어;
    상기 코어를 감싸며 위치하는 쉘; 및
    상기 코어와 쉘 사이에 형성된 내부 공극;을 포함하고,
    상기 내부 공극은 상기 코어와 쉘 사이에 위치하는 완전히 연속적인 공간이고,
    상기 내부 공극과 상기 실리콘 나노 입자들은 상기 코어-쉘 실리콘 복합체 내에 1:1 내지 6:1의 부피비로 포함되는 것인, 코어-쉘 실리콘 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 복수개의 실리콘 나노 입자들을 포함하며,
    상기 실리콘 나노 입자들은 상기 카본 매트릭스를 매개로 뭉쳐진 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카본 매트릭스는 상기 카본 매트릭스 내부에 내부 공극을 포함하는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어-쉘 실리콘 복합체가 하기 수학식 1의 조건을 충족하는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
    [수학식 1]
    1≤r/x≤1.8
    (상기 수학식 1에서 r은 상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 쉘 이외의 내부 공간의 반지름이고, x는 상기 코어 내 모든 실리콘 입자들의 부피와 동일한 부피를 가지는 가상의 입자의 반지름이다)
  8. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은 실리콘 산화물을 포함하는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실리콘 산화물은 SiOx(여기서, x는 1 내지 2의 실수이다)인 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 산화물은 SiO2인 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은 상기 실리콘 나노 입자 100 중량부에 대하여 10 내지 150 중량부로 포함되는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 코어-쉘 실리콘 복합체의 평균입경(D50)이 50nm 내지 50㎛인 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나노 입자의 평균입경(D50)이 10nm 내지 5㎛인 것인 코어-쉘 실리콘 복합체.
  14. 카본 매트릭스 전구체와 실리콘(Si) 나노 입자를 혼합하여 코어 전구체를 제조하는 단계,
    상기 코어 전구체를 감싸며 위치하는 쉘을 제조하는 단계, 그리고
    상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계
    를 포함하는 제1항의 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계에서 상기 카본 매트릭스 전구체가 탄화되면서 수축되어 상기 코어와 쉘 사이에 내부 공극이 형성되는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 단계에서 상기 카본 매트릭스 전구체가 탄화되면서 상기 카본 매트릭스 내부에 내부 공극이 형성되는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 카본 매트릭스 전구체를 탄화시키는 온도는 200 내지 1000℃인 것인 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 카본 매트릭스 전구체는 헤테로시클로아로마틱 화합물, 폴리페놀, 폴리도파민, 단당류, 복당류, 디시아노디아마이드, 우레아 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 실리콘 나노 입자는 상기 카본 매트릭스 전구체 100 중량부에 대하여 5 내지 90중량부로 혼합되는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 쉘을 형성하기 위한 전구체는 상기 코어 전구체 100 중량부에 대하여 10 내지 300 중량부로 사용되는 것인 코어-쉘 실리콘 복합체의 제조방법.
  21. 제1항에 따른 코어-쉘 실리콘 복합체를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질.
  22. 제21항에 따른 음극활물질을 포함하는 음극.
  23. 제22항에 따른 음극을 포함하는 리튬이차전지.
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