KR102013826B1 - Negative active material for lithium secondary battery, and lithium secondary battery including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 구현예는 표면부에 다수의 기공이 위치하는 탄소계 입자인, 다공성 코어 입자; 상기 다공성 코어 입자 상에 위치하는 실리콘 코팅층; 및 상기 실리콘 코팅층 상에 위치하는 탄소계 코팅층;을 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.One embodiment of the present invention is a carbon-based particle having a plurality of pores in the surface portion, porous core particles; A silicon coating layer on the porous core particle; And a carbon-based coating layer disposed on the silicon coating layer, to provide a negative active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}A negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery including the same TECHNICAL FIELD AND AND LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME

리튬 이차 전지용 음극 활물질, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. It relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the same.

리튬 이차 전지는 리튬 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 및 방전하는 전지로서, 이온 교환막을 사이에 두고 형성된 양극, 음극, 그리고 전해액으로 이루어진다.A lithium secondary battery is a battery which is charged and discharged by using a redox reaction of lithium ions. The lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte formed with an ion exchange membrane interposed therebetween.

이와 같은 리튬 이차 전지를 전기 자동차를 비롯한 보다 대용량 전지를 요구하는 시스템을 위해, 음극 활물질의 용량을 늘이고 출력특성 및 수명특성을 증가시킬 필요성이 있다. 이를 위해 기존의 탄소계 음극 소재가 아닌, 대용량을 갖는 합금계 물질의 안정적인 사용을 위한 개발이 필요하다. For a system requiring a larger capacity battery such as a lithium secondary battery such as an electric vehicle, it is necessary to increase the capacity of the negative electrode active material and increase the output characteristics and life characteristics. To this end, it is necessary to develop for the stable use of the alloy-based material having a large capacity, rather than the existing carbon-based negative electrode material.

종래의 탄소계 음극 활물질의 경우, 이론용량 372 mAh/g 에 불과하며, 충전 및 방전시 리튬이온의 탄소 층간 삽입 및 탈리 메커니즘으로 인해 특히 고속충전에서 그 출력 특성은 현저히 떨어진다. In the case of the conventional carbon-based negative electrode active material, the theoretical capacity is only 372 mAh / g, and due to the interlayer insertion and desorption mechanism of lithium ions during charging and discharging, its output characteristics are particularly poor at high speed charging.

또한 현재 연구 개발 중인 합금계 물질의 경우 전기 전도도가 현저히 낮으며, 충방전시 상당한 부피팽창을 하기에 심각한 극판 손상을 가져올 뿐만 아니라 용량이 급속도로 감소하는 결과를 초래한다. 따라서 상용화에 매우 큰 어려움이 있다.In addition, the alloy-based material currently being researched and developed has a very low electrical conductivity, which causes severe plate damage due to significant volume expansion during charge and discharge, as well as a rapid decrease in capacity. Therefore, there is a great difficulty in commercialization.

현재 상용화된 탄소계 음극 활물질보다 용량이 크며, 수명 및 출력특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극 활물질과 그의 제조 방법을 제공하고자 한다. It is intended to provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a larger capacity than the current commercially available carbon-based negative electrode active material and excellent output characteristics and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 구현예에서는, 표면부에 다수의 기공이 위치하는 탄소계 입자인, 다공성 코어 입자; 상기 다공성 코어 입자 상에 위치하는 실리콘 코팅층; 및 상기 실리콘 코팅층 상에 위치하는 탄소계 코팅층;을 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.In one embodiment of the present invention, the porous core particles, which are carbon-based particles having a plurality of pores located in the surface portion; A silicon coating layer on the porous core particle; And a carbon-based coating layer disposed on the silicon coating layer.

구체적으로, 상기 다공성 코어 입자는, BET 비표면적이 3.00 m2/g 이상일 수 있다.Specifically, the porous core particles may have a BET specific surface area of 3.00 m 2 / g or more.

상기 다공성 코어 입자의 기공은, 직경이 10 내지 70 ㎛일 수 있다.The pores of the porous core particles may have a diameter of 10 to 70 ㎛.

상기 다공성 코어 입자의 표면부는, 직경이 10 내지 70㎛인 탄소계 입자의 표면으로부터, 반경의 0 % 초과 20 % 이하까지의 영역을 의미할 수 있다. The surface portion of the porous core particles may mean a region from the surface of the carbon-based particles having a diameter of 10 to 70㎛ from more than 0% to 20% of the radius.

이와 관련하여, 상기 다공성 코어 입자는, 상기 탄소계 입자가, 그 표면으로부터 내부로 식각되어, 상기 영역에 다수의 기공이 형성된 것일 수 있다.In this regard, the porous core particles, the carbon-based particles may be etched inward from the surface, a plurality of pores formed in the region.

이러한 다수의 기공에는, 다수의 금속 나노 입자;가 위치할 수 있다. 상기 탄소계 입자는, 그라파이트(graphite), 비정질 탄소, 그래핀, 및 카본 블랙 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.In the plurality of pores, a plurality of metal nanoparticles may be located. The carbon-based particles may include at least one selected from graphite, amorphous carbon, graphene, and carbon black.

한편, 상기 실리콘 코팅층은, 복수의 실리콘 나노 입자가 아일랜드(island) 형태, 필름(film) 형태, 또는 이들의 조합인 형태로 분산된 것일 수 있다.Meanwhile, the silicon coating layer may have a plurality of silicon nanoparticles dispersed in an island form, a film form, or a combination thereof.

상기 실리콘 나노 입자는, 구형 입자일 수 있고, 비정질일 수 있고, 그 직경은 5 내지 100 ㎚일 수 있다.The silicon nanoparticles may be spherical particles, may be amorphous, and the diameter may be 5 to 100 nm.

상기 실리콘 코팅층의 총 두께는 5 내지 100 ㎚일 수 있다.The total thickness of the silicon coating layer may be 5 to 100 nm.

이와 독립적으로, 상기 탄소계 코팅층은, 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스, 및 이들의 혼합물에서 선택되는 비정질 탄소로 이루어진 것일 수 있고, 총 두께가 5 내지 100 ㎚ 일 수 있다.Independently of this, the carbon-based coating layer may be made of hard carbon, soft carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, and amorphous carbon selected from a mixture thereof, the total thickness May be from 5 to 100 nm.

상기 음극 활물질에서, 실리콘 코팅층/ 다공성 코어 입자의 중량 비율은 3/100 내지 20/100일 수 있고, 탄소계 코팅층/ 다공성 코어 입자의 중량 비율은 2/100 내지 10/100 일 수 있다.In the negative electrode active material, the weight ratio of the silicon coating layer / porous core particles may be 3/100 to 20/100, and the weight ratio of the carbonaceous coating layer / porous core particles may be 2/100 to 10/100.

또한, 상기 음극 활물질 총 중량(100 중량%)에 대해, 상기 다공성 코어 입자는 70 내지 95 중량% 포함되고, 상기 실리콘 코팅층은 3 내지 20 중량% 포함되고, 상기 탄소계 코팅층은 잔부로 포함되는 것일 수 있다.In addition, based on the total weight (100% by weight) of the negative electrode active material, the porous core particles are included 70 to 95% by weight, the silicon coating layer is contained 3 to 20% by weight, the carbon-based coating layer is to be included in the remainder Can be.

상기 음극 활물질의 총 직경은 10 내지 70 ㎛ 일 수 있다.The total diameter of the negative electrode active material may be 10 to 70 ㎛.

상기 음극 활물질의 BET 비표면적은 0.3 내지 7 m2/g 일 수 있다.The BET specific surface area of the negative electrode active material may be 0.3 to 7 m 2 / g.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 탄소계 입자의 표면에 금속 나노 입자를 부착하는 단계; 상기 금속 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하는 단계; 상기 다공성 코어 입자 상에 실리콘 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 실리콘 코팅층 상에 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 실리콘 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;는 하나의 반응기 내에서, 화학기상증착법을 이용하여 연속적으로 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the invention, the step of attaching the metal nanoparticles on the surface of the carbon-based particles; Heat treating the carbon-based particles to which the metal nanoparticles are attached to the surface to obtain carbon-based particles having a plurality of pores formed on the surface thereof as the porous core particles; Forming a silicon coating layer on the porous core particles; And forming a carbon-based coating layer on the silicon coating layer; forming the silicon coating layer; And forming the carbon-based coating layer; is performed in one reactor, which is continuously performed using a chemical vapor deposition method, to provide a method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery.

구체적으로, 상기 실리콘 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;는 규소계 전구체를 사용하여 상기 금속 나노 입자가 표면에 상기 실리콘 코팅층을 형성한 뒤, 상기 반응기 내부 온도를 승온시킨 상태에서, 탄화수소계 전구체를 사용하여 상기 실리콘 코팅층 상에 상기 탄소계 코팅층을 형성하는 것일 수 있다.Specifically, forming the silicon coating layer; And forming the carbon-based coating layer; after the metal nanoparticles form the silicon coating layer on a surface of the silicon-based precursor, the temperature of the reactor is raised, and the silicon is used by using a hydrocarbon-based precursor. It may be to form the carbon-based coating layer on the coating layer.

보다 구체적으로, 상기 실리콘 코팅층을 형성하는 단계;는, 실레인(silane, SiH4), 다이클로로실레인(Dichlorosilane, SiH2Cl2), 실리콘 테트라플루오라이드 (Silicon Tetrafluoride, SiF4), 실리콘 테트라틀로라이드(Silicon Tetrachloride, SiCl4), 메틸실레인(Methylsilane, CH3SiH3), 다이실레인(Disilane, Si2H6), 또는 조합인 규소계 전구체를 사용하여, 300 내지 900 ℃의 온도 범위에서, 0.1 내지 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.More specifically, the step of forming the silicon coating layer; silane (silane, SiH 4 ), dichlorosilane (Dichlorosilane, SiH 2 Cl 2 ), silicon tetrafluoride (Silicon Tetrafluoride, SiF 4 ), silicon tetra 300 to 900 ° C. using silicon-based precursors that are fluoride (Silicon Tetrachloride, SiCl 4 ), methylsilane (Methylsilane, CH 3 SiH 3 ), disilane (Disilane, Si 2 H 6 ), or a combination In the temperature range, it may be performed for 0.1 to 10 hours.

또한, 상기 실리콘 코팅층 상에 탄소계 코팅층을 형성하는 단계는, 아세틸렌(acetylene, C2H2), 에틸렌(ethylene, C2H4), 또는 이들의 조합인 탄화수소계 전구체를 사용하여, 500 내지 1000 ℃의 온도 범위에서, 0.1 내지 5 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.In addition, the step of forming a carbon-based coating layer on the silicon coating layer, using a hydrocarbon precursor that is acetylene (acetylene, C 2 H 2 ), ethylene (ethylene, C 2 H 4 ), or a combination thereof, 500 to In the temperature range of 1000 ℃, it may be performed for 0.1 to 5 hours.

한편, 상기 탄소계 코어 입자 상에 금속 나노 입자를 부착하는 단계;는, 용액을 사용하는 방법이라면, 특별한 수행 방법으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 졸-겔(sol-gel), 환류(reflux), 스프레이-드라이(spray-dry), 또는 이들의 조합인 용액법을 이용하여 수행될 수 있다.On the other hand, the step of attaching the metal nanoparticles on the carbon-based core particles; if the method of using a solution, it is not limited to a special method. For example, it may be performed using a solution method which is a sol-gel, reflux, spray-dry, or a combination thereof.

보다 구체적인 예를 들어, 상기 다공성 코어 입자 상에 금속 나노 입자를 부착하는 단계;는, 상기 다공성 코어 입자, 금속 원료 물질, 및 용매를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 상기 용액 내에서, 상기 금속 원료 물질을 상기 탄소계 코어 입자의 표면에 침전(precipitation)시키는 단계; 및 상기 탄소계 코어 입자의 표면에 침전된 금속 원료 물질이 금속 나노 입자로 성장되는 단계;을 포함하는 것일 수 있다.More specifically, for example, attaching metal nanoparticles on the porous core particles; preparing a solution including the porous core particles, a metal raw material, and a solvent; In the solution, precipitating the metal raw material onto the surface of the carbonaceous core particle; And growing the metal raw material deposited on the surface of the carbon-based core particles into the metal nanoparticles.

상기 금속 원료 물질은, 니켈(Ni) 원료 물질, 철(Fe) 원료 물질, 코발트(Co) 원료 물질, 망간(Mn) 원료 물질, 이들의 혼합물, 또는 이들의 합금일 수 있다. 즉, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 이들의 혼합물, 또는 이들의 합금인 금속 나노 입자로 형성될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.The metal raw material may be a nickel (Ni) raw material, an iron (Fe) raw material, a cobalt (Co) raw material, a manganese (Mn) raw material, a mixture thereof, or an alloy thereof. That is, if it can be formed of metal nanoparticles that are nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), a mixture thereof, or an alloy thereof is not particularly limited.

상기 금속 나노 입자는, 예를 들어, 철-니켈 합금(Fe-Ni), 코발트-니켈 합금(Co-Ni) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. The metal nanoparticles may be, for example, iron-nickel alloys (Fe-Ni), cobalt-nickel alloys (Co-Ni), or mixtures thereof.

상기 금속 나노 입자는, 직경이 5 내지 800 ㎚ 인 것일 수 있고, 금속 나노 입자/탄소계 코어 입자의 중량 비율이 1 / 100 내지 30 / 100 가 되도록 부착시킬 수 있다.The metal nanoparticles may have a diameter of 5 to 800 nm, and may be attached so that the weight ratio of the metal nanoparticles / carbonaceous core particles is 1/100 to 30/100.

상기 금속 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하는 단계;에서,상기 탄소계 입자의 표면에 부착된 금속 나노 입자가, 상기 탄소계 입자의 표면을 식각하여, 상기 식각된 위치에 기공이 형성될 수 있다.Heat-treating the carbon-based particles to which the metal nanoparticles are attached to the surface to obtain carbon-based particles having a plurality of pores formed on the surface thereof as the porous core particles; the metal nanoparticles attached to the surface of the carbon-based particles A, the surface of the carbon-based particles may be etched to form pores at the etched positions.

상기 열처리는, 700 내지 1200℃의 온도 범위에서, 1 내지 12 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.The heat treatment may be performed for 1 to 12 hours in a temperature range of 700 to 1200 ℃.

상기 금속 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하는 단계;에서, 상기 수득된 다공성 코어 입자의 기공에, 상기 금속 나노 입자가 잔존할 수 있다. 이처럼 금속 나노 입자가 잔존하는 다공성 코어 입자의 표면에, 앞서 언급한 바와 같이 실리콘 코팅층 및 탄소계 코팅층을 형성할 수 있다.Heat-treating the carbon-based particles to which the metal nanoparticles are attached to the surface to obtain carbon-based particles having a plurality of pores formed on the surface thereof as porous core particles; in the pores of the obtained porous core particles, the metal Nanoparticles may remain. As described above, the silicon coating layer and the carbon-based coating layer may be formed on the surface of the porous core particle in which the metal nanoparticles remain.

이와 달리, 상기 다공성 코어 입자의 표면에 잔존하는 금속 나노 입자를 제거하는 단계;를 거친 뒤, 실리콘 코팅층 및 탄소계 코팅층을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 산처리에 의해 상기 금속 나노 입자를 선택적으로 식각하여 제거할 수 있다.Alternatively, the step of removing the metal nanoparticles remaining on the surface of the porous core particles; after, to form a silicon coating layer and a carbon-based coating layer. For example, the metal nanoparticles may be selectively etched and removed by acid treatment.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하고, 상기 음극은 전술한 음극 활물질을 포함하는 것인, 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, a positive electrode; cathode; And an electrolyte; wherein the negative electrode includes the above-described negative electrode active material, and provides a lithium secondary battery.

본 발명의 일 구현예에 따른 음극 활물질은, 표면부에 다수의 기공이 위치하는 탄소계 입자인, 다공성 코어 입자; 상기 다공성 코어 입자 상에 위치하는 실리콘 코팅층; 및 상기 실리콘 코팅층 상에 위치하는 탄소계 코팅층;을 포함하여, 전지에 적용되어 수명 특성 및 출력 특성을 향상시키는 데 기여한다. An anode active material according to an embodiment of the present invention, the porous core particles are carbon-based particles in which a plurality of pores are located on the surface portion; A silicon coating layer on the porous core particle; And a carbon-based coating layer disposed on the silicon coating layer, which is applied to a battery to contribute to improving lifespan characteristics and output characteristics.

도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예 1에서 사용된 그라파이트(graphite) 입자의 SEM 사진이다,
도 3은, 본 발명의 실시예 1에서 합성된 graphite@nano-Ni의 SEM 사진이다,
도 4는, 본 발명의 실시예 1에서 표면이 식각된 그라파이트 입자(Etched graphite, EG)의 SEM 사진이다,
도 5는, 본 발명의 실시예 1에서 최종 수득된 음극 활물질 입자의 SEM 사진이다.
도 6은, 본 발명의 실시예 1에서 표면이 식각된 그라파이트 입자(Etched graphite, EG)의 SEM 사진이다,
도 7 및 8은, 본 발명의 평가예 2에서, 그라파이트 입자와 Ni 전구체의 단순 혼합물을 이용하여, 상기 그라파이트 입자의 표면을 식각 처리한 결과물에 관한 SEM 사진이다.
도 9 내지 11은, 본 발명의 실시예 1에서 표면이 식각된 그라파이트 입자(Etched graphite, EG)의 SEM 사진이다, 구체적으로, 본 발명의 평가예 2에 따라, 그라파이트 입자의 식각 처리(열처리) 시간을 1시간, 6시간, 및 8시간으로 달리하여, 각각 도9, 도 10, 및 도 11에 나타낸 것이다.
도 12는, 본 발명의 평가예 2에서, 각 리튬 이차 전지의 비용량 대비 전압 특성을 평가한 결과이다.
도 13은, 본 발명의 평가예 2에서, 정전류 조건에서의 각 리튬 이차 전지의 출력 특성을 평가한 결과이다.
도 14는, 본 발명의 평가예 2에서, 정전류 및 정전압 조건에서의 각 리튬 이차 전지의 출력 특성을 평가한 결과이다.
도 15는, 본 발명의 평가예 3에서, 각 리튬 이차 전지의 초기 용량을 평가한 결과이다.
도 16 및 17은, 본 발명의 평가예 3에서, 각 리튬 이차 전지의 출력 특성을 평가한 결과이다.
도 18은, 본 발명의 평가예 3에서, 각 리튬 이차 전지의 수명 특성을 평가한 결과이다.
도 19 내지 22는, 본 발명의 평가예 4에서, Etched graphite@nano-Si와, 실시예 1의 음극 활물질에 대한 BET 비표면적을 측정한 결과이다.
도 23은, 본 발명의 평가예 4에서, 각 리튬 이차 전지의 수명 특성을 평가한 결과이다.
도 24는, 본 발명의 평가예 4에서, 각 리튬 이차 전지의 출력 특성을 평가한 결과이다.
1 schematically illustrates a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention.
2 is a SEM photograph of the graphite particles used in Example 1 of the present invention.
3 is a SEM photograph of graphite @ nano-Ni synthesized in Example 1 of the present invention,
FIG. 4 is an SEM photograph of graphite particles (Etched graphite, EG) whose surface is etched in Example 1 of the present invention.
5 is a SEM photograph of the negative electrode active material particles finally obtained in Example 1 of the present invention.
FIG. 6 is a SEM photograph of graphite particles (Etched graphite, EG) whose surface is etched in Example 1 of the present invention.
7 and 8 are SEM photographs of the result of etching the surface of the graphite particles by using a simple mixture of graphite particles and Ni precursor in Evaluation Example 2 of the present invention.
9 to 11 are SEM photographs of etched graphite particles (EG) whose surfaces were etched in Example 1 of the present invention. Specifically, according to Evaluation Example 2 of the present invention, the etching treatment of the graphite particles (heat treatment) The time is different from 1 hour, 6 hours, and 8 hours, and is shown in Figs. 9, 10, and 11, respectively.
FIG. 12 shows the results of evaluating the specific voltage-versus-voltage characteristic of each lithium secondary battery in Evaluation Example 2 of the present invention. FIG.
13 is a result of evaluating the output characteristics of each lithium secondary battery under constant current conditions in Evaluation Example 2 of the present invention.
Fig. 14 is a diagram showing evaluation conditions of constant current and constant voltage in Evaluation Example 2 of the present invention. It is the result of evaluating the output characteristic of each lithium secondary battery.
15 shows the results of evaluating the initial capacity of each lithium secondary battery in Evaluation Example 3 of the present invention.
16 and 17 show the results of evaluating the output characteristics of each lithium secondary battery in Evaluation Example 3 of the present invention.
18 is a result of evaluating the life characteristics of each lithium secondary battery in Evaluation Example 3 of the present invention.
19 to 22 show results of measuring BET specific surface areas of Etched graphite @ nano-Si and the negative electrode active material of Example 1 in Evaluation Example 4 of the present invention.
23 is a result of evaluating the life characteristics of each lithium secondary battery in Evaluation Example 4 of the present invention.
24 is a result of evaluating the output characteristics of each lithium secondary battery in Evaluation Example 4 of the present invention.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.

리튬 이차 전지용 음극 활물질Anode Active Material for Lithium Secondary Battery

본 발명의 일 구현예에서는, 표면부에 다수의 기공이 위치하는 탄소계 입자인, 다공성 코어 입자; 상기 다공성 코어 입자 상에 위치하는 실리콘 코팅층; 및 상기 실리콘 코팅층 상에 위치하는 탄소계 코팅층;을 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.In one embodiment of the present invention, the porous core particles, which are carbon-based particles having a plurality of pores located in the surface portion; A silicon coating layer on the porous core particle; And a carbon-based coating layer disposed on the silicon coating layer.

상기 다공성 코어 입자는, 일반적인 그라파이트 입자에 대비하여, 그 표면부에 존재하는 다수의 기공에 의해 증가된 BET 비표면적을 가지며, 그 상부에 위치하는 실리콘 코팅층의 부피 팽창을 완충할 수 있는 공간을 마련하여, 음극 활물질의 안정성이 기여한다.The porous core particles have a BET specific surface area increased by a plurality of pores present on the surface thereof, and provide a space for buffering the volume expansion of the silicon coating layer located thereon, in comparison with the general graphite particles. This contributes to the stability of the negative electrode active material.

또한, 상기 실리콘 코팅층은, 그라파이트 입자 대비 고용량을 가져, 음극 활물질의 용량 향상에 기여한다.In addition, the silicon coating layer has a higher capacity than graphite particles, contributing to the capacity improvement of the negative electrode active material.

아울러, 상기 탄소계 코팅층은, 상기 실리콘 코팅층의 상부에 위치하여, 그 부피 팽창을 억제하며, 표면에서의 전자 전도성 향상, 나아가 전지의 출력 특성 향상에 기여한다.In addition, the carbon-based coating layer, which is located on the upper portion of the silicon coating layer, suppresses the volume expansion, contributes to the improvement of electronic conductivity on the surface, and further improve the output characteristics of the battery.

이처럼, 상기 음극 활물질은, 상기 다공성 코어 입자 상에 상기 실리콘 코팅층 및 상기 탄소계 코팅층에 의한 이중 코팅층이 형성된 것으로, 고용량을 발현하면서도, 전지 구동 중 안정성을 유지하며, 전지의 출력 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.As such, the anode active material is a double coating layer formed by the silicon coating layer and the carbon-based coating layer on the porous core particles, while expressing a high capacity, maintaining stability while driving the battery, and improving output and life characteristics of the battery. It can be improved.

이하, 상기 음극 활물질에 대해 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the negative electrode active material will be described in more detail.

다공성 코어 입자Porous core particles

앞서 언급한 바와 같이, 상기 다공성 코어 입자는, 일반적인 그라파이트 입자에 대비하여, 그 표면부에 존재하는 다수의 기공에 의해 증가된 BET 비표면적을 가진다. 구체적으로 그 BET 비표면적은 3.00 m2/g 이상, 더욱 구체적으로 0.3 m2/g 이상 7 m2/g 이하일 수 있다.As mentioned above, the porous core particles have an increased BET specific surface area due to the large number of pores present in the surface thereof, as compared to the normal graphite particles. Specifically, the BET specific surface area may be 3.00 m 2 / g or more, more specifically 0.3 m 2 / g or more and 7 m 2 / g or less.

예를 들어, 상기 다공성 코어 입자는, 그라파이트(graphite), 비정질 탄소, 및 그래핀중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 탄소계 입자가, 그 표면으로부터 일정 깊이가 식각되어 기공이 형성된 것일 수 있다. For example, the porous core particle may be a carbon-based particle including at least one selected from graphite, amorphous carbon, and graphene, and may have pores formed by etching a predetermined depth from the surface thereof.

더욱 구체적인 예를 들어, 상기 탄소계 입자의 표면에 금속 나노 입자가 균일하게 부착된 상태에서 열처리되면, 상기 금속 나노 입자가 부착된 부위에서, 상기 금속 나노 입자에 의해 탄소계 입자의 표면이 식각될 수 있다. 즉, 상기 다공성 코어 입자는, 상기 탄소계 입자가, 그 표면으로부터 내부로 식각되어, 상기 영역에 다수의 기공이 형성된 것일 수 있다.More specifically, for example, when the metal nanoparticles are uniformly attached to the surface of the carbon-based particles, the surface of the carbon-based particles may be etched by the metal nanoparticles at the site where the metal nanoparticles are attached. Can be. That is, in the porous core particle, the carbon-based particles may be etched inward from the surface thereof, and a plurality of pores may be formed in the region.

이에 따라 형성된 다수의 기공에는, 상기 금속 나노 입자가 다수 포함되어 있을 수 있다. 후술하겠지만, 상기 금속 나노 입자는 제거될 수 있고, 제거되지 않은 채 상기 다공성 코어 입자 내 다수의 기공에 위치하게 될 수도 있다.Thus, the plurality of pores formed may include a plurality of the metal nanoparticles. As will be described later, the metal nanoparticles may be removed or may be located in a plurality of pores in the porous core particles without being removed.

상기 금속 나노 입자의 직경 및 이에 의해 식각된 깊이가, 상기 다공성 코어 입자의 표면부를 결정한다. 여기서, 상기 다공성 코어 입자의 표면부는, 직경이 10 내지 70 ㎛인 탄소계 입자의 표면으로부터, 반경의 0 % 초과 20 % 이하까지의 영역, 구체적으로 1% 이상 20 % 이하까지의 영역을 의미할 수 있다. 이 범위에서, 상기 다공성 코어 입자의 BET 비표면적이, 일반적인 그라파이트 입자에 대비하여 증가된 이점이 있다. 실리콘 나노 입자의 직경이 커질수록 상기 표면부가 넓어지는데, 이에 대한 설명은 후술한다.The diameter of the metal nanoparticles and the depth etched thereby determine the surface portion of the porous core particles. Here, the surface portion of the porous core particles, from the surface of the carbon-based particles having a diameter of 10 to 70 ㎛, will mean a region from more than 0% to 20% of the radius, specifically 1% to 20% or less Can be. In this range, the BET specific surface area of the porous core particles has an advantage compared to that of ordinary graphite particles. The larger the diameter of the silicon nanoparticles, the wider the surface portion, which will be described later.

다만, 상기 탄소계 입자 반경의 20%를 초과하는 영역에 기공이 형성될 경우, BET 비표면적이 지나치게 커져 전지에 적용 시 성능 저하를 일으키는 문제가 있다. 이와 달리, 상기 탄소계 입자 반경의 1 % 미만의 영역에 기공이 형성될 경우, BET 비표면적 증가가 미미하다.However, when pores are formed in a region exceeding 20% of the radius of the carbon-based particles, there is a problem that the BET specific surface area is too large, causing performance degradation when applied to the battery. In contrast, when pores are formed in a region of less than 1% of the radius of the carbon-based particle, the increase in BET specific surface area is minimal.

한편, 상기 금속 나노 입자의 형태가 구형일 때, 식각되어 형성된 기공의 형태도 구형이 될 수 있다. 또한, 상기 금속 나노 입자의 직경이 상기 다공성 코어 입자의 기공 직경을 결정할 수 있고, 상기 다공성 코어 입자의 기공 직경은 5 내지 800 ㎚ 일 수 있다. 실리콘 나노 입자의 직경이 커질수록 상기 기공 직경이 커지는데, 이에 대한 설명은 후술한다.On the other hand, when the shape of the metal nanoparticles are spherical, the shape of the pores formed by etching may also be spherical. In addition, the diameter of the metal nanoparticles may determine the pore diameter of the porous core particles, the pore diameter of the porous core particles may be 5 to 800 nm. The larger the diameter of the silicon nanoparticles, the larger the pore diameter, which will be described later.

실리콘 코팅층Silicone coating layer

한편, 상기 실리콘 코팅층은, 복수의 실리콘 나노 입자가 아일랜드(island) 형태, 필름(film) 형태, 또는 이들의 조합인 형태로 분산된 것일 수 있다. 후술하겠지만, 적절한 규소계 전구체를 사용하고, 화학 기상 증착법을 이용하여, 상기 그래핀 코팅층 상에 상기 필름(film) 형태 및 아일랜드(island) 형태가 혼재된 실리콘 코팅층을 형성할 수 있다.Meanwhile, the silicon coating layer may have a plurality of silicon nanoparticles dispersed in an island form, a film form, or a combination thereof. As will be described later, an appropriate silicon-based precursor may be used, and a chemical vapor deposition method may be used to form a silicon coating layer on which the film form and the island form are mixed on the graphene coating layer.

구체적으로, 상기 화학 기상 증착법을 이용할 때. 상기 실리콘 코팅층은 상기 아일랜드(island) 형태로 형성되기 시작하며, 상기 아일랜드(island) 형태는 상기 실리콘 코팅층에 포함된 실리콘 나노 입자의 부피 팽창에 대응하기 적절한 형태이다. Specifically, when using the chemical vapor deposition method. The silicon coating layer begins to be formed in the island form, and the island form is a form suitable for the volume expansion of the silicon nanoparticles included in the silicon coating layer.

그런데, 증착량이 증가할수록 상기 필름(film) 형태가 형성되며, 최종적으로는 상기 필름(film) 형태 및 아일랜드(island) 형태가 혼재된 상태에서 증착이 종료될 수 있다. 이러한 경우, 실리콘 입자의 무게 당 용량이 개선될 수 있고, 화성 효율이 개선될 수 있다.However, as the deposition amount increases, the film form is formed, and finally, the deposition may be completed in a state in which the film form and the island form are mixed. In this case, the capacity per weight of the silicon particles can be improved, and the chemical conversion efficiency can be improved.

이와 달리, 볼밀링 등의 물리적인 증착법을 이용할 경우, 각 원료 물질이 혼합되는 과정에서 물리적인 강한 힘에 의하여 단순히 실리콘 나노 입자가 제1 탄소 코팅층 상에 부착되는데, 이때 실리콘 나노 입자의 분포도를 균일하게 조절하여 부착시키는 것이 거의 불가능하다. 뿐만 아니라, 각 원료 물질의 혼합과 동시에 분쇄가 이루어지는데, 이때 탄소 물질의 파괴가 일어나, 전지에 적용 시 성능 저하를 유발할 수 있다.In contrast, in the case of using a physical vapor deposition method such as ball milling, the silicon nanoparticles are simply attached onto the first carbon coating layer by a physical strong force in the process of mixing each raw material, whereby the distribution of the silicon nanoparticles is uniform. It is almost impossible to attach and adjust it. In addition, pulverization occurs simultaneously with the mixing of the respective raw materials, and at this time, destruction of the carbon material occurs, which may cause performance degradation when applied to the battery.

상기 화학 기상 증착법에 의해 형성된 실리콘 나노 입자는, 직경이 5 내지 100 ㎚ 인 구형 입자일 수 있고, 비정질일 수 있다. 상기 비정질인 실리콘 나노 입자는, 입자의 무게 당 용량이 크고, 충전(즉, 리튬과의 합금화) 시 부피 팽창에 따른 스트레스가 결정질인 경우에 비해 현저히 적을 뿐만 아니라, 리튬과의 합금화(alloying) 및 비합금화(dealloying) 속도가 빨라 충방전 속도에 유리하다.The silicon nanoparticles formed by the chemical vapor deposition method may be spherical particles having a diameter of 5 to 100 nm, and may be amorphous. The amorphous silicon nanoparticles have a large capacity per weight of the particles, significantly less stress due to volume expansion during charging (ie alloying with lithium), alloying with lithium and The high dealloying speed is advantageous for the charge / discharge rate.

상기 실리콘 코팅층의 총 두께는, 5 내지 100 ㎚ 일 수 있다.The total thickness of the silicon coating layer may be 5 to 100 nm.

탄소계 코팅층Carbon coating layer

상기 탄소계 코팅층은, 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스, 및 이들의 혼합물에서 선택되는 비정질 탄소로 이루어진 것일 수 있고, 총 두께가 5 내지 100 ㎚ 일 수 있다.The carbon-based coating layer may be made of hard carbon, soft carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, and amorphous carbon selected from a mixture thereof, and the total thickness is 5 to 100. Nm.

후술하겠지만, 상기 실리콘 코팅층을 형성한 뒤, 동일한 기기 내에서 연이어 적절한 탄화수소계 전구체를 사용하고, 화학 기상 증착법을 이용하여, 상기 실리콘 코팅층 상에 탄소계 코팅층을 형성할 수 있다.As will be described later, after the silicon coating layer is formed, a carbon-based coating layer may be formed on the silicon coating layer by using a chemical vapor deposition method in succession using a suitable hydrocarbon precursor in the same device.

전체 음극 활물질Total anode active material

상기 음극 활물질에서, 실리콘 코팅층/ 다공성 코어 입자의 중량 비율은 3/100 내지 20/100일 수 있고, 탄소계 코팅층/ 다공성 코어 입자의 중량 비율은 2/100 내지 10/100 일 수 있다.In the negative electrode active material, the weight ratio of the silicon coating layer / porous core particles may be 3/100 to 20/100, and the weight ratio of the carbonaceous coating layer / porous core particles may be 2/100 to 10/100.

또한, 상기 음극 활물질 총 중량(100 중량%)에 대해, 상기 다공성 코어 입자는 70 내지 95 중량% 포함되고, 상기 실리콘 코팅층은 3 내지 20 중량% 포함되고, 상기 탄소계 코팅층은 잔부로 포함되는 것일 수 있다.In addition, based on the total weight (100% by weight) of the negative electrode active material, the porous core particles are included 70 to 95% by weight, the silicon coating layer is contained 3 to 20% by weight, the carbon-based coating layer is to be included in the remainder Can be.

상기 음극 활물질의 총 직경은, 10 내지 70 ㎛ 일 수 있다.The total diameter of the negative electrode active material may be 10 to 70 ㎛.

상기 음극 활물질의 BET 비표면적은. 0.3 내지 7 m2/g 일 수 있다.BET specific surface area of the negative electrode active material is. 0.3 to 7 m 2 / g.

이를 만족할 경우, 상기 음극 활물질은 440 내지 900 mAh/g에 이르는 고용량을 발현하면서도, 수명 특성 및 안정성이 우수할 수 있다.When this is satisfied, the negative electrode active material may express high capacity of 440 to 900 mAh / g, but may have excellent life characteristics and stability.

리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법Manufacturing method of negative electrode active material for lithium secondary battery

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 탄소계 입자의 표면에 금속 나노 입자를 부착하는 단계; 상기 금속 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하는 단계; 상기 다공성 코어 입자 상에 실리콘 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 실리콘 코팅층 상에 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 실리콘 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;는 하나의 반응기 내에서, 화학기상증착법을 이용하여 연속적으로 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the invention, the step of attaching the metal nanoparticles on the surface of the carbon-based particles; Heat treating the carbon-based particles to which the metal nanoparticles are attached to the surface to obtain carbon-based particles having a plurality of pores formed on the surface thereof as the porous core particles; Forming a silicon coating layer on the porous core particles; And forming a carbon-based coating layer on the silicon coating layer; forming the silicon coating layer; And forming the carbon-based coating layer; is performed in one reactor, which is continuously performed using a chemical vapor deposition method, to provide a method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery.

이는, 전술한 음극 활물질을 제조하는 방법 중 하나이다. 구체적으로, 탄소계 코어 입자의 표면부에 다수의 기공을 형성하여 다공성 코어 입자로 수득한 뒤, 동일 반응기 내에서 화학기상증착법(Chemical Vapor Diposition, CVD)를 이용하여 실리콘 코팅층을 형성한 뒤 연이어 탄소계 코팅층을 형성(이하, "연속 공정"이라 함)하는 일련의 공정이다.This is one of the methods of manufacturing the above-mentioned negative electrode active material. Specifically, after forming a plurality of pores in the surface portion of the carbon-based core particles to obtain a porous core particles, and after forming a silicon coating layer using a chemical vapor deposition (CVD) in the same reactor followed by carbon It is a series of process of forming a system coating layer (henceforth "continuous process").

이하, 상기 음극 활물질에 대한 상세한 설명은 생략하고, 상기 각 단계의 특징을 상세히 설명한다.Hereinafter, a detailed description of the negative electrode active material will be omitted, and the features of each step will be described in detail.

연속 공정Continuous process

상기 다공성 코어 입자의 제조 공정을 설명하기에 앞서, 상기 연속 공정을 설명한다.Prior to explaining the manufacturing process of the porous core particles, the continuous process will be described.

상기 연속 공정에 의하면, 불연속 공정(예를 들어, 실리콘 코팅층 및 탄소계 코팅층을 형성하는 공정이 서로 다른 경우)과 대비하여, 한 반응기 내에서 실리콘 코팅층 및 탄소계 코팅층을 형성할 수 있어, 공정 운용 비용, 시간 등의 측면에서 이점이 있다. 또한, 상기 연속 공정은 CVD 법에 의한 것이므로, 용매를 사용하지 않고, 적절한 시기에 전구체만 교환하여 각 코팅층을 형성할 수 있다.According to the continuous process, the silicon coating layer and the carbon-based coating layer can be formed in one reactor, in contrast to the discontinuous process (for example, when the process of forming the silicon coating layer and the carbon-based coating layer is different), the process operation There are advantages in terms of cost, time, etc. In addition, since the continuous process is based on the CVD method, it is possible to form each coating layer by exchanging only precursors at an appropriate time without using a solvent.

구체적으로, 상기 실리콘 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;는 규소계 전구체를 사용하여 상기 금속 나노 입자가 표면에 상기 실리콘 코팅층을 형성한 뒤, 상기 반응기 내부 온도를 승온시킨 상태에서, 탄화수소계 전구체를 사용하여 상기 실리콘 코팅층 상에 상기 탄소계 코팅층을 형성하는 것일 수 있다.Specifically, forming the silicon coating layer; And forming the carbon-based coating layer; after the metal nanoparticles form the silicon coating layer on a surface of the silicon-based precursor, the temperature of the reactor is raised, and the silicon is used by using a hydrocarbon-based precursor. It may be to form the carbon-based coating layer on the coating layer.

보다 구체적으로, 상기 실리콘 코팅층을 형성하는 단계;는, 실레인(silane, SiH4), 다이클로로실레인(Dichlorosilane, SiH2Cl2), 실리콘 테트라플루오라이드 (Silicon Tetrafluoride, SiF4), 실리콘 테트라틀로라이드(Silicon Tetrachloride, SiCl4), 메틸실레인(Methylsilane, CH3SiH3), 다이실레인(Disilane, Si2H6), 또는 조합인 규소계 전구체를 사용하여, 300 내지 900 ℃의 온도 범위에서, 0.1 내지 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.More specifically, the step of forming the silicon coating layer; silane (silane, SiH 4 ), dichlorosilane (Dichlorosilane, SiH 2 Cl 2 ), silicon tetrafluoride (Silicon Tetrafluoride, SiF 4 ), silicon tetra 300 to 900 ° C. using silicon-based precursors that are fluoride (Silicon Tetrachloride, SiCl 4 ), methylsilane (Methylsilane, CH 3 SiH 3 ), disilane (Disilane, Si 2 H 6 ), or a combination In the temperature range, it may be performed for 0.1 to 10 hours.

또한, 상기 실리콘 코팅층 상에 탄소계 코팅층을 형성하는 단계;는, 아세틸렌(acetylene, C2H2), 에틸렌(ethylene, C2H4), 또는 이들의 조합인 탄화수소계 전구체를 사용하여, 500 내지 1000 ℃의 온도 범위에서, 0.1 내지 5 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.In addition, forming a carbon-based coating layer on the silicon coating layer; 500, using a hydrocarbon precursor that is acetylene (acetylene, C 2 H 2 ), ethylene (ethylene, C 2 H 4 ), or a combination thereof, In the temperature range of to 1000 ℃, it may be performed for 0.1 to 5 hours.

상기 규소계 전구체 및 상기 탄화수소계 전구체는 액상 또는 기상일 수 있다. The silicon-based precursor and the hydrocarbon-based precursor may be liquid or gaseous.

구체적인 예를 들어, 상기 액상 또는 기상의 규소계 전구체를 증기(vapor)화하고 화학기 증착법을 이용하여 상기 실리콘 코팅층을 형성한 뒤, 동일 반응기 내에서, 온도만을 승온하여, 상기 액상 또는 기상의 탄화수소계 전구체를 화학기상증착법을 이용하여 상기 탄소계 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 화학기상증착이 일어나는 반응기 내에는, 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2) 등의 기체가 일정한 유량으로 흐를 수 있다.For example, the liquid or gaseous silicon precursor is vaporized and the silicon coating layer is formed by chemical vapor deposition, and then the temperature is raised only in the same reactor, and thus the liquid or gaseous hydrocarbons. The carbon precursor may be formed by using a chemical vapor deposition method based on a precursor. In this case, gas such as hydrogen (H 2 ), argon (Ar), nitrogen (N 2 ) and the like may flow in a reactor in which chemical vapor deposition occurs.

이러한 화학적 기상 증착 방법을 이용하는 경우, 상기 실리콘 코팅층에 포함되는 실리콘 나노 입자는 비정질 수 있고, 상기 실리콘 코팅층은 필름(film) 형태 및 아일랜드(island) 형태가 혼재된 형태로 증착되는 것일 수 있다. 이에 따라, 실리콘 입자의 무게 당 용량이 개선될 수 있고, 화성효율이 개선될 수 있다.In the case of using the chemical vapor deposition method, the silicon nanoparticles included in the silicon coating layer may be amorphous, and the silicon coating layer may be deposited in a mixture of a film form and an island form. Accordingly, the capacity per weight of the silicon particles can be improved, and the chemical conversion efficiency can be improved.

다공성 코어 입자 제조 공정Porous Core Particle Manufacturing Process

한편, 상기 다공성 코어 입자는, 금속 나노 입자를 이용하여 탄소계 입자의 표면을 식각함으로써 제조될 수 있다. On the other hand, the porous core particles may be prepared by etching the surface of the carbon-based particles using metal nanoparticles.

이때, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 금속 나노 입자의 전구체가 되는 원료 물질과, 상기 탄소계 입자를 용액 상에서 혼합하여, 상기 탄소계 입자의 표면에 금속 나노 입자를 성장시킨다.In this case, as mentioned above, the metal nanoparticles are grown on the surface of the carbon-based particles by mixing the raw material, which is a precursor of the metal nanoparticles, and the carbon-based particles in a solution.

즉, 상기 탄소계 코어 입자 상에 금속 나노 입자를 부착하는 단계;는, 용액을 사용하는 방법이라면, 특별한 수행 방법으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 졸-겔(sol-gel), 환류(reflux), 스프레이-드라이(spray-dry), 또는 이들의 조합인 용액법을 이용하여 수행될 수 있다.That is, the step of attaching the metal nanoparticles on the carbon-based core particles; if the method of using a solution, is not limited to a particular method of performing. For example, it may be performed using a solution method which is a sol-gel, reflux, spray-dry, or a combination thereof.

보다 구체적인 예를 들어, 상기 다공성 코어 입자 상에 금속 나노 입자를 부착하는 단계;는, 상기 다공성 코어 입자, 금속 원료 물질, 및 용매를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 상기 용액 내에서, 상기 금속 원료 물질을 상기 탄소계 코어 입자의 표면에 침전(precipitation)시키는 단계; 및 상기 탄소계 코어 입자의 표면에 침전된 금속 원료 물질이 금속 나노 입자로 성장되는 단계;을 포함하는 것일 수 있다.More specifically, for example, attaching metal nanoparticles on the porous core particles; preparing a solution including the porous core particles, a metal raw material, and a solvent; In the solution, precipitating the metal raw material onto the surface of the carbonaceous core particle; And growing the metal raw material deposited on the surface of the carbon-based core particles into the metal nanoparticles.

상기 금속 원료 물질은, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn) 또는 이들의 조합인 금속 나노 입자로 형성될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 철-니켈 합금(Fe-Ni), 코발트-니켈 합금(Co-Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다.The metal raw material is not particularly limited as long as it can be formed of metal nanoparticles that are nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), or a combination thereof. Nickel alloys (Fe-Ni), cobalt-nickel alloys (Co-Ni) or a combination thereof may be included.

상기 금속 나노 입자는, 직경이 5 내지 800 ㎚ 인 것일 수 있고, 금속 나노 입자/탄소계 코어 입자의 중량 비율이 1 / 100 내지 30 / 100 가 되도록 부착시킬 수 있다. 상기 금속 나노 입자의 직경과, 상기 탄소계 코어 입자 대비 상기 금속 나노 입자의 중량은, 상기 탄소계 입자가 식각되는 깊이(즉, 다공성 코어 입자의 표면부 영역) 및 기공 크기를 결정한다. The metal nanoparticles may have a diameter of 5 to 800 nm, and may be attached so that the weight ratio of the metal nanoparticles / carbonaceous core particles is 1/100 to 30/100. The diameter of the metal nanoparticles and the weight of the metal nanoparticles relative to the carbon-based core particles determine the depth (that is, the surface area of the porous core particle) and the pore size at which the carbon-based particles are etched.

구체적으로, 상기 금속 나노 입자 직경 및 상기 중량 비율이 각각의 범위 내에서 증가할수록, 상기 표면부 영역의 깊이는 깊어지고, 상기 다공성 코어 입자의 기공 크기가 증가한다. Specifically, as the metal nanoparticle diameter and the weight ratio increase within each range, the depth of the surface portion becomes deeper, and the pore size of the porous core particle increases.

다만, 상기 각 범위를 초과할 경우 상기 탄소계 입자가 깊게 식각되고, 기공의 크기가 커져, 수득된 다공성 코어 입자의 BET 비표면적이 지나치게 증가할 수 있다. 이와 달리, 상기 각 범위 미만일 경우, 상기 탄소계 잎자가 얕게 식각되고, 기공의 크기는 작아져, 수득된 다공성 코어 입자의 BET 비표면적이 지나치게 감소할 수 있다. BET 비표면적에 따른 문제는 전술한 바와 같다.However, when exceeding each of the above ranges, the carbon-based particles are deeply etched, the pore size is increased, the BET specific surface area of the obtained porous core particles may be excessively increased. On the contrary, when less than each of the above ranges, the carbonaceous leaf is etched shallowly, the pore size becomes small, and the BET specific surface area of the obtained porous core particles may be excessively reduced. The problem with the BET specific surface area is as described above.

한편, 상기 금속 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하는 단계;에서,상기 탄소계 입자의 표면에 부착된 금속 나노 입자가, 상기 탄소계 입자의 표면을 식각하여, 상기 식각된 위치에 기공이 형성될 수 있다.On the other hand, by heat-treating the carbon-based particles attached to the surface of the metal nanoparticles, to obtain the carbon-based particles having a plurality of pores in the surface portion as a porous core particle; in the metal attached to the surface of the carbon-based particles Nanoparticles, by etching the surface of the carbon-based particles, pores may be formed in the etched position.

상기 열처리는, 수소 기체 분위기, 700 내지 1200℃의 온도 범위에서, 1 내지 12 시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 온도 범위에서, 열처리 시간이 증가할수록, 상기 표면부 영역의 깊이는 깊어지고, 상기 다공성 코어 입자의 기공 크기가 증가한다. The heat treatment may be performed for 1 to 12 hours in a hydrogen gas atmosphere, the temperature range of 700 to 1200 ℃. In the temperature range, as the heat treatment time increases, the depth of the surface portion becomes deeper, and the pore size of the porous core particles increases.

다만, 상기 열처리 온도 및 시간 범위를 초과할 경우 상기 탄소계 입자가 깊게 식각되고, 기공의 크기가 커져, 수득된 다공성 코어 입자의 BET 비표면적이 지나치게 증가할 수 있다. 이와 달리, 상기 열처리 온도 및 시간 범위 미만일 경우, 상기 탄소계 잎자가 얕게 식각되고, 기공의 크기는 작아져, 수득된 다공성 코어 입자의 BET 비표면적이 지나치게 감소할 수 있다. BET 비표면적에 따른 문제는 전술한 바와 같다.However, when the heat treatment temperature and time range are exceeded, the carbon-based particles are deeply etched and the pore size is increased, so that the BET specific surface area of the obtained porous core particles may be excessively increased. On the contrary, when the heat treatment temperature and time range are less than, the carbonaceous leaf is etched shallowly, the pore size becomes small, and the BET specific surface area of the obtained porous core particles may be excessively reduced. The problem with the BET specific surface area is as described above.

상기 금속 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하는 단계; 에서, 상기 수득된 다공성 코어 입자의 기공에, 상기 금속 나노 입자가 잔존할 수 있다. 이처럼 금속 나노 입자가 잔존하는 다공성 코어 입자의 표면에, 앞서 언급한 바와 같이 실리콘 코팅층 및 탄소계 코팅층을 형성할 수 있다. Heat treating the carbon-based particles to which the metal nanoparticles are attached to the surface to obtain carbon-based particles having a plurality of pores formed on the surface thereof as the porous core particles; In the pores of the obtained porous core particles, the metal nanoparticles may remain. As described above, the silicon coating layer and the carbon-based coating layer may be formed on the surface of the porous core particle in which the metal nanoparticles remain.

이와 달리, 상기 다공성 코어 입자의 표면에 잔존하는 금속 나노 입자를 제거하는 단계;를 거친 뒤, 실리콘 코팅층 및 탄소계 코팅층을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 산처리에 의해 상기 금속 나노 입자를 선택적으로 식각하여 제거할 수 있다.Alternatively, the step of removing the metal nanoparticles remaining on the surface of the porous core particles; after, to form a silicon coating layer and a carbon-based coating layer. For example, the metal nanoparticles may be selectively etched and removed by acid treatment.

리튬 이차 전지Lithium secondary battery

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하고, 상기 음극은 전술한 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, a positive electrode; cathode; And an electrolyte; wherein the negative electrode provides a lithium secondary battery including the negative electrode active material described above.

이는, 전술한 음극 활물질을 포함함에 따라, 충방전을 거듭하더라도 고용량 특성이 안정적으로 발현되어, 수명 특성 및 안정성이 우수한 리튬 이차 전지에 해당된다.This includes the above-described negative electrode active material, and thus high capacity characteristics are stably expressed even after repeated charging and discharging, which corresponds to a lithium secondary battery having excellent life characteristics and stability.

상기 음극 활물질에 관한 설명은 전술한 바와 같아 생략하고, 이 외 상기 리튬 이차 전지의 구성 요소에 대해 자세히 설명하기로 한다.Description of the negative electrode active material is omitted as described above, and other components of the lithium secondary battery will be described in detail.

구체적으로, 상기 양극 및 상기 음극 사이에, 세퍼레이터;를 더 포함하는 것일 수 있다. Specifically, a separator may be further included between the anode and the cathode.

도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 것이다. 상기 리튬 이차 전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 상기 양극(3)과 음극(2) 사이에 존재하는 세퍼레이터(4)에 함침된 전해액을 포함하는 전지 용기(5)와, 상기 전지 용기(5)를 봉입하는 봉입 부재(6)를 포함한다.1 schematically illustrates a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention. The lithium secondary battery 1 includes a battery container 5 including a positive electrode 3, a negative electrode 2, and an electrolyte solution impregnated in a separator 4 existing between the positive electrode 3 and the negative electrode 2; And a sealing member 6 for sealing the battery container 5.

전술한 바와 같이, 상기 리튬 이차 전지의 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다. 상기 음극 활물질에 대한 설명은 전술한 바와 같기 때문에 생략하도록 한다.As described above, the negative electrode of the lithium secondary battery includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector, and the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. Since the description of the negative electrode active material is as described above, it will be omitted.

상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수 있다.The negative electrode active material layer also includes a binder, and optionally may further include a conductive material.

상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The binder adheres the anode active material particles to each other well, and also serves to adhere the anode active material to the current collector well. As the binder, a water-insoluble binder, a water-soluble binder or a combination thereof can be used.

상기 비수용성 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 들 수 있다. The water-insoluble binder includes polyvinyl chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinyl fluoride, polymers including ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride , Polyethylene, polypropylene, polyamideimide, polyimide, or a combination thereof.

상기 수용성 바인더로는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 나트륨, 프로필렌과 탄소수가 2 내지 8의 올레핀 공중합체, (메타)아크릴산과 (메타)아크릴산알킬에스테르의 공중합체 또는 이들의 조합을 들 수 있다.Examples of the water-soluble binder include styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, polyvinyl alcohol, sodium polyacrylate, propylene and olefin copolymers having 2 to 8 carbon atoms, and (meth) acrylic acid and (meth) acrylic acid alkyl esters. Copolymers or combinations thereof.

상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로즈 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로즈 계열 화합물로는 카르복시메틸 셀룰로즈, 하이드록시프로필메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제 사용 함량은 바인더 100 중량부에 대하여 0.1 내지 3 중량부일 수 있다. When using the water-soluble binder as the negative electrode binder, it may further include a cellulose-based compound that can impart viscosity. As this cellulose type compound, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, methyl cellulose, these alkali metal salts, etc. can be used in mixture of 1 or more types. Na, K or Li may be used as the alkali metal. The amount of such thickener used may be 0.1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and any battery can be used as long as it is an electronic conductive material without causing chemical change in the battery. For example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen. Carbon-based materials such as black and carbon fibers; Metal materials such as metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum and silver; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or a conductive material containing a mixture thereof.

상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The current collector may be selected from the group consisting of copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, and combinations thereof.

상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 보다 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. The positive electrode includes a current collector and a cathode active material layer formed on the current collector. As the cathode active material, a compound (lithiated intercalation compound) capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Specifically, at least one of a complex oxide of metal and lithium selected from cobalt, manganese, nickel, and a combination thereof can be used. More specific examples may be used a compound represented by any one of the following formula.

LiaA1 - bXbD2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5); LiaA1 - bXbO2 - cDc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE1 - bXbO2 - cDc(0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE2 - bXbO4 - cDc(0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaNi1 -b- cCobXcDα(0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1 -b- cCobXcO2 - αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1 -b- cCobXcO2 -αT2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1 -b- cMnbXcDα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1 -b-cMnbXcO2-αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αT2( 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNibEcGdO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); LiaNibCocMndGeO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); LiaNiGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaCoGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMnGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn2GbO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMnGbPO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiZO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4 Li a A 1 - b X b D 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5); Li a A 1 - b X b O 2 - c D c (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 1 - b X b O 2 - c D c (0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 2 - b X b O 4 - c D c (0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1 -b- c Co b X c Dα (0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α ≤ 2); Li a Ni 1 -b- c Co b X c O 2 - α Tα (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1 -b- c Co b X c O 2 - αT 2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1- b- c Mn b X c Dα (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1- bc Mn b X c 0 2-α Tα (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b X c 0 2-α T 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, 0 <α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, 0.001 ≦ d ≦ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, 0 ≦ d ≦ 0.5, 0.001 ≦ e ≦ 0.1); Li a NiG b 0 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a CoG b O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a MnG b O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a MnG b PO 4 (0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0.001 ≦ b ≦ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiZO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 2); LiFePO 4

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.In the above formula, A is selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and combinations thereof; X is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof; D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof; E is selected from Co, Mn, and combinations thereof; T is selected from the group consisting of F, S, P, and combinations thereof; G is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, and combinations thereof; Q is selected from the group consisting of Ti, Mo, Mn, and combinations thereof; Z is selected from the group consisting of Cr, V, Fe, Sc, Y, and combinations thereof; J is selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, and combinations thereof.

물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, what has a coating layer on the surface of this compound can also be used, or the compound and the compound which have a coating layer can also be used in mixture. The coating layer may include at least one coating element compound selected from the group consisting of oxides of the coating elements, hydroxides, oxyhydroxides of the coating elements, oxycarbonates of the coating elements and hydroxycarbonates of the coating elements. The compounds constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As the coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof may be used. The coating layer forming process may use any coating method as long as it does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using such elements in the compound (for example, spray coating, dipping, etc.). Details that will be well understood by those in the field will be omitted.

상기 양극 활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다. The positive electrode active material layer also includes a binder and a conductive material.

상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder adheres positively to the positive electrode active material particles, and also serves to adhere the positive electrode active material to the current collector well, and examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, and polyvinyl. Chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinylfluoride, polymer comprising ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene- Butadiene rubber, acrylic styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon and the like can be used, but is not limited thereto.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and any battery can be used as long as it is an electronic conductive material without causing chemical change in the battery. For example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen. Metal powder, metal fiber, etc., such as black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, silver, etc. can be used, and 1 type (s) or 1 or more types can be mixed and conductive materials, such as a polyphenylene derivative, can be used.

상기 전류 집전체로는 Al을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Al may be used as the current collector, but is not limited thereto.

상기 음극과 양극은 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The negative electrode and the positive electrode are prepared by mixing an active material, a conductive material, and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying the composition to a current collector. Since such an electrode manufacturing method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted. N-methylpyrrolidone may be used as the solvent, but is not limited thereto.

본 발명 일 구현예에 따른 비수계 전해질 이차전지에서, 비수 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다. In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention, the nonaqueous electrolyte includes a nonaqueous organic solvent and a lithium salt.

상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the cell can move.

리튬 이차전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수 도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.Depending on the type of lithium secondary battery, a separator may exist between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or two or more multilayer films thereof may be used, and polyethylene / polypropylene two-layer separator, polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, polypropylene / polyethylene / poly It goes without saying that a mixed multilayer film such as a propylene three-layer separator can be used.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention are described. However, the following examples are only some of the preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1 (Etched graphite@nano-Si@C 구조의 음극 활물질) 1 (negative active material of etched graphite @ nano-Si @ C structure)

(1) 음극 활물질의 제조(1) Preparation of Anode Active Material

1) 원료 물질1) raw material

탄소계 입자로는 직경이 20 ㎛ 이고 BET 비표면적이 0.32 m2/g인 그라파이트(graphite) 입자를 사용하고(도 2), 규소계 전구체로는 실레인(silane, SiH4) 기체를 사용하고, 탄화수소계 전구체로는 아세틸렌(acetylene, C2H2) 기체를 사용하였다.Graphite particles having a diameter of 20 μm and a BET specific surface area of 0.32 m 2 / g are used as carbon particles (FIG. 2), and silane (SiH 4 ) gas is used as a silicon precursor. As the hydrocarbon precursor, acetylene (C 2 H 2 ) gas was used.

2) 탄소계 입자 표면 2) carbon-based particle surface 식각Etching 공정 (다공성 코어 입자 제조 공정) Process (Porous Core Particle Manufacturing Process)

우선, 탄소계 입자 표면을 식각하여, 표면부에 다수의 기공을 형성하고, 이를 다공성 코어 입자로 수득하였다.First, the surface of the carbon-based particles was etched to form a plurality of pores on the surface portion, which was obtained as porous core particles.

구체적으로, 그라파이트 입자로 이루어진 분말 100 g에, 금속 전구체로 Ni 화합물인 Ni(II) chloride (NiCl26H2O) 을 25 g 사용하여, 이들을 메탄올/탈이온수 혼합 용액에 녹인 뒤 수산화나트륨 (NaOH) 10 ml 및 하이드라진 (N2H4H2O) 1 ml을 첨가하여 니켈 나노 입자를 그라파이트 표면에 합성하였다. 이처럼 니켈 나노 입자가 표면에 부착된 탄소계 입자를 수소(H2) 기체 분위기의 1000 ℃에서 6시간 동안 열처리하여, 표면부에 다수의 기공이 형성된 탄소계 입자를 다공성 코어 입자로 수득하였다(도 4). 이때 다공성 코어 입자의 BET 비표면적은 3.85 m2/g로 측정되었다. Specifically, in 100 g of powder composed of graphite particles, 25 g of Ni (II) chloride (NiCl 2 6H 2 O), a Ni compound, was dissolved as a metal precursor, and these were dissolved in a methanol / deionized water mixed solution, followed by sodium hydroxide (NaOH). ) And 10 ml of hydrazine (N 2 H 4 H 2 O) were added to synthesize the nickel nanoparticles on the graphite surface. The carbon-based particles having nickel nanoparticles attached to the surface were heat-treated at 1000 ° C. in a hydrogen (H 2 ) gas atmosphere for 6 hours to obtain carbon-based particles having a large number of pores formed on the surface thereof as porous core particles. 4). In this case, the BET specific surface area of the porous core particles was measured to be 3.85 m 2 / g.

3) 실리콘 코팅층 형성 공정 (3) Silicon coating layer forming process ( 평가예Evaluation example 1 기준) 1 standard)

상기 수득된 다공성 코어 입자의 표면에, CVD법으로 실리콘 나노 입자를 분산시켜, 실리콘 코팅층을 형성하였다.On the surface of the obtained porous core particles, silicon nanoparticles were dispersed by CVD to form a silicon coating layer.

구체적으로, 상기 수득된 다공성 코어 입자를 CVD 기기(제조처: 대명)에 장착하고, 실레인(silane, SiH4) 기체를 50 sccm의 유속으로 흘려주며, 450 ℃에서 0.5 시간 동안 처리하였다. 그 결과, 직경이 15 nm인 실리콘 나노 입자가 상기 다공성 코어 입자의 표면에 균일하게 분산된 형태로, 총 두께 15 nm 인 실리콘 코팅층이 형성된 것이 확인되었다.Specifically, the obtained porous core particles were mounted on a CVD apparatus (manufactured by Daemyung), and silane (silane, SiH 4 ) gas was flowed at a flow rate of 50 sccm, and treated at 450 ° C. for 0.5 hour. As a result, it was confirmed that a silicon coating layer having a total thickness of 15 nm was formed in a form in which silicon nanoparticles having a diameter of 15 nm were uniformly dispersed on the surface of the porous core particle.

4) 탄소계 코팅층 형성 공정4) Carbon based coating layer forming process

상기 실리콘 코팅층이 형성된 입자를 반응기에 그대로 두고, 아세틸렌(acetylene, C2H2) 기체를 150 sccm의 유속으로 흘려주며, 900 ℃에서 0.5시간 동안 처리하였다. 그 결과, 탄소가 상기 실리콘 코팅층의 표면에 균일하게 코팅되어, 총 두께 10 nm인 탄소 코팅층이 형성된 것이 확인되었다.The silicon coating layer formed particles were left in the reactor, acetylene (C 2 H 2 ) gas flowed at a flow rate of 150 sccm, and was treated at 900 ℃ for 0.5 hours. As a result, it was confirmed that carbon was uniformly coated on the surface of the silicon coating layer to form a carbon coating layer having a total thickness of 10 nm.

(2) 음극의 제조(2) Preparation of Cathode

상기 제조된 음극 활물질, 바인더로는 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 및 증점제로는 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)를 준비하여, 이를 95.8:1:4.5:1.7(음극 활물질:바인더:증점제)의 중량비로 혼합한 후, 이온이 제거된 증류수에 분산시켜 음극 활물질 조성물을 제조하였다. The prepared negative active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were prepared and mixed in a weight ratio of 95.8: 1: 4.5: 1.7 (negative active material: binder: thickener). Then, the negative electrode active material composition was prepared by dispersing in distilled water from which ions were removed.

상기 조성물을 Cu-호일 집전체에 도포한 후, 통상의 방법에 따라 건조 및 압연하여 전극 밀도 1.6 g/cm3, 활물질 로딩 레벨 10 mg/cm3의 음극을 준비하였다.The composition was applied to a Cu-foil current collector, and then dried and rolled according to a conventional method to prepare a negative electrode having an electrode density of 1.6 g / cm 3 and an active material loading level of 10 mg / cm 3 .

(3) 리튬 이차 전지의 제작(3) fabrication of a lithium secondary battery

상기 음극을 작동 전극으로 하고, 리튬 금속을 대극(counter electrode)으로 사용하여, 통상의 방법에 따라 코인 타입의 2032 반쪽 전지를 제작하였다. A coin-type 2032 half cell was produced according to a conventional method using the cathode as the working electrode and lithium metal as the counter electrode.

이 때, 작동 전극과 대극 사이에 다공질 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 세퍼레이터를 삽입하고, 전해액으로는 에틸메틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7:3인 혼합 용액에 1M 농도의 LiPF6 및 10 중량%의 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 첨가제가 용해된 것을 사용하였다. At this time, a separator made of a porous polypropylene film is inserted between the working electrode and the counter electrode, and LiPF having a concentration of 1 M in a mixed solution having a mixed volume ratio of 7: 3 of ethyl methyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) as an electrolyte solution is 7: 3. 6 And 10% by weight of fluoroethylene carbonate (FEC) additives were used.

평가예Evaluation example 1 ( One ( 실시예Example 1 공정에On 1 fair 따른 BET  According to BET 비표면적Specific surface area 변화 평가) Change assessment)

실시예 1에서, 각 공정이 진행됨에 따라, BET 비표면적이 변화하는 양상을 분석하고, 하기 표 1에 기록하였다. 또한, 각 공정 상태에 따른 SEM 사진을 촬영하여, 도 2 내지 5에 나타내었다.In Example 1, as each process proceeds, the aspect in which the BET specific surface area changes is analyzed and recorded in Table 1 below. In addition, SEM photographs according to the respective process conditions were taken and shown in FIGS. 2 to 5.

1) 구체적으로, 아무런 처리되지 않은 그라파이트 입자(Bare graphite), BET 비표면적이 0.32 m2/g로 측정되었고, 그 표면 특성은 도 2에서 확인할 수 있다.1) Specifically, untreated graphite particles (Bare graphite), the BET specific surface area was measured to 0.32 m 2 / g, the surface characteristics can be seen in FIG.

2) 한편, 실시예 1의 첫 공정에서는 그라파이트 입자: 니켈 나노 입자의 중량비가 100:3.1이 되도록, 그라파이트 입자의 표면에 니켈 나노 입자를 부착시켰고(graphite@nano-Ni), 그 표면 특성은 도 3에서 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 3에서, 그라파이트 입자 표면에, 직경이 200 ㎚인 니켈 나노 입자가 균일하게 부착된 것을 확인할 수 있다.2) Meanwhile, in the first step of Example 1, nickel nanoparticles were attached to the surface of graphite particles (graphite @ nano-Ni) such that the weight ratio of graphite particles to nickel nanoparticles was 100: 3.1, and the surface characteristics thereof were shown in FIG. See Figure 3. Specifically, in FIG. 3, it can be seen that nickel nanoparticles having a diameter of 200 nm are uniformly attached to the graphite particle surface.

3) 상기 니켈 나노 입자가 부착된 그라파이트 입자를 수소 분위기에서 열처리함에 따라, 상기 니켈 나노 입자가 부착된 부위에서, 그라파이트 입자의 표면이 식각되었다(Etched graphite, EG). 상기 표면이 식각된 그라파이트 입자(Etched graphite, EG)는, 실시예 1의 다공성 코어 입자이며, 그 표면 특성은 도 4에서 확인할 수 있다.3) As the graphite nanoparticles to which the nickel nanoparticles were attached were heat-treated in a hydrogen atmosphere, the surface of the graphite particles was etched at the portion where the nickel nanoparticles were attached (Etched graphite, EG). The surface-etched graphite particles (Etched graphite, EG) is a porous core particle of Example 1, the surface characteristics can be seen in FIG.

도 4와를 도 2(Bare graphite)와 비교했을 때, 그라파이트 입자의 표면으로부터, 그라파이트 입자 반경의 10 %까지의 영역에 기공이 형성되고, 기공의 직경은 200 ㎚ 인 것을 확인할 수 있다. 또한, 이때의 BET 비표면적은 3.85 m2/g로 측정되었고, 아무런 처리되지 않은 음극 활물질은(Bare graphite)보다 비표면적이 상당히 증가하였음을 알 수 있다.When comparing FIG. 4 with FIG. 2 (Bare graphite), pores are formed in the area | region up to 10% of a graphite particle radius from the surface of a graphite particle, and it can be confirmed that a pore diameter is 200 nm. In addition, the BET specific surface area was measured at 3.85 m 2 / g, and it can be seen that the specific surface area of the untreated negative active material (Bare graphite) was significantly increased.

4) 상기 다공성 코어 입자에 대해, 그라파이트 입자: 실리콘 나노 입자의 중량비가 100:5.2가 되도록 하여, 직경이 15 ㎚인 실리콘 나노 입자를 분산시켜 총 두께 15 nm인 실리콘 코팅층을 형성하였다. 이에 따라 형성된 실리콘 코팅층 표면에 탄소 코팅층을 형성시켰고, 그 표면 특성은 도 5에서 확인할 수 있다.4) With respect to the porous core particles, the weight ratio of graphite particles to silicon nanoparticles was 100: 5.2 to disperse the silicon nanoparticles having a diameter of 15 nm to form a silicon coating layer having a total thickness of 15 nm. The carbon coating layer was formed on the surface of the silicon coating layer thus formed, and its surface characteristics can be seen in FIG. 5.

이처럼 수득된 실시예 1의 음극 활물질은, BET 비표면적이 2.85 m2/g로 측정되었고, 코팅에 의하여 상기 다공성 코어 입자보다 BET 비표면적이 감소하였지만, 아무런 처리되지 않은 음극 활물질(Bare graphite)보다는 여전히 BET 비표면적이 상당히 큼을 알 수 있다.The negative electrode active material of Example 1 thus obtained had a BET specific surface area of 2.85 m 2 / g and a BET specific surface area was reduced by the coating than the porous core particle, but was compared to the untreated negative electrode active material (Bare graphite). It can still be seen that the BET specific surface area is quite large.

Bare graphiteBare graphite graphite@nano-Nigraphite @ nano-Ni Etched graphite (EG)Etched graphite (EG) Etched graphite@nano-Si@CEtched graphite @ nano-Si @ C
(( 실시예Example 1) One)
BETBET
(( mm 22 gg -1-One ))
0.320.32 -- 3.853.85 2.852.85
Ni 함량(중량부) Ni content ( part by weight ) 0.0%0.0% 3.1%3.1% 3.13.1 3.13.1 Si 함량(중량부 Si content ( parts by weight 0.0%0.0% 0.0%0.0% 0.00.0 5.25.2 *주: Ni 및 Si의 각 함량은, Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)로 측정하였고, 표면이 식각된 그라파이트 입자(Etched graphite, EG) 100 중량부를 기준으로 한 중량부의 값임* Note: Each content of Ni and Si was measured by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) and is based on 100 parts by weight of etched graphite (EG).

평가예Evaluation example 2 (탄소계 입자 표면  2 (carbon-based particle surface 식각Etching 공정의 평가) Evaluation of process)

이번 평가예에서는, 실시예 1 공정 중에서도 탄소계 입자 표면 식각 공정만을 평가한다. 이를 위해, 식각 공정 수행 방법 및 시간을 달리하여 그라파이트 입자의 표면만 식각하고, 그 표면에 실리콘 코팅층와 탄소계 코팅층은 형성하지 않은 상태에서 하기의 평가를 수행하였다.In this evaluation example, only the carbon-based particle surface etching process is evaluated in the Example 1 process. for teeth, By performing different etching methods and times, only the surface of the graphite particles was etched, and the following evaluation was performed while the silicon coating layer and the carbon-based coating layer were not formed on the surface.

(( 1)식각1) etching 공정 수행 방법에 따른 병가 Sick leave according to how the process is performed

실시예 1의 원료 물질인 그라파이트 입자 그 자체(Bare graphite)를, Ni 전구체와 4: 1의 중량비로 혼합하고 수소 기체 분위기, 1000 ℃에서 6시간 동안 열처리하여, 그 결과물을 수득하였다. Bare graphite, which is a raw material of Example 1, was mixed with a Ni precursor at a weight ratio of 4: 1 and heat-treated at 1000 ° C. for 6 hours in a hydrogen gas atmosphere to obtain a result.

상기 그라파이트 입자와 Ni 전구체의 단순 혼합물을 처리한 결과물과, 실시예 1에서 표면이 식각된 그라파이트 입자에 대해, SEM 사진을 각각 촬영하여 그 표면 특성을 관찰하였다. SEM images were taken of the resultant obtained by treating a simple mixture of the graphite particles and the Ni precursor, and the graphite particles whose surfaces were etched in Example 1, and the surface properties thereof were observed.

구체적으로, 실시예 1에서 표면이 식각된 그라파이트 입자는, 도 6의 SEM 사진에서, 각각의 그라파이트 입자 표면이 골고루 식각되고, 각각의 식각된 입자 표면에는 니켈 나노 입자가 균일하게 부착되어 있으며, 그 상태에서 서로 뭉치지 않고 분산된 것을 확인할 수 있다. Specifically, in Example 1, the surface-etched graphite particles, in the SEM photograph of FIG. 6, are uniformly etched on each graphite particle surface, and nickel nanoparticles are uniformly attached to each etched particle surface, and In the state, you can see that they are not agglomerated with each other.

한편, 상기 혼합물을 처리한 결과물의 경우, 도 7 및 8의 SEM 사진에서, 각각의 그라파이트 입자 표면이 골고루 식각되지 못하고, 심지어 Ni 금속과 그라파이트 입자가 뭉쳐진 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of the result of treating the mixture, in the SEM photographs of Figures 7 and 8, it can be seen that the surface of each graphite particle is not evenly etched, even Ni metal and graphite particles are agglomerated.

이는 식각 방법에 따른 차이로, 그라파이트 입자와 Ni 전구체의 단순 혼합물을 수소 기체 분위기에서 열처리한 경우에 대비하여, 동일한 물질을 사용하더라도, 실시예 1처럼 그라파이트 입자의 표면에 니켈 나노 입자를 ?일하게 부착한 뒤 처리한 경우, 니켈 나노 입자가 부착된 부위에서 그라파이트 나노 입자의 표면이 식각될 수 있음을 의미한다.This is a difference according to the etching method. In contrast to the case where the simple mixture of the graphite particles and the Ni precursor is heat-treated in a hydrogen gas atmosphere, even if the same material is used, the nickel nanoparticles are applied to the surface of the graphite particles as in Example 1. When attached and then treated, it means that the surface of the graphite nanoparticles may be etched at the site where the nickel nanoparticles are attached.

(( 2)식각2) etching 공정 수행 시간에 따른 평가 1  Evaluation based on process run time 1

실시예 1에서, 탄소계 입자 표면 식각 시 열처리 온도는 동일하게 하되, 열처리 시간을 1시간, 6시간, 및 8시간으로 달리하여, 세 가지 샘플을 제조하고(Etched graphite- 1 hour, 6 hour, and 8 hour, respectively), 각각의 평가 결과를 하기 표 2에 기록하였다. 또한, 각 샘플의 SEM 사진을 촬영하여, 도 9 내지 11에 나타내었다.In Example 1, the heat treatment temperature during the carbon-based particle surface etching is the same, but by changing the heat treatment time to 1 hour, 6 hours, and 8 hours, three samples were prepared (Etched graphite-1 hour, 6 hour, and 8 hour, respectively), the results of each evaluation are reported in Table 2 below. In addition, SEM pictures of each sample were taken and shown in FIGS. 9 to 11.

구체적으로, 도 9 내지 11과 표 2를 참고할 때, 동일 조건에서 수행 시간이 증가할수록, BET 비표면적은 증가하고, 식각된 깊이도 증가하는 것을 확인할 수 있다.Specifically, referring to FIGS. 9 to 11 and Table 2, it can be seen that as the execution time increases under the same conditions, the BET specific surface area increases and the etched depth also increases.

Etched graphte - 1 hourEtched graphte-1 hour Etched graphite - 6 hourEtched graphite-6 hour Etched graphite - 8 hourEtched graphite-8 hour BET(m2g-1)BET (m 2 g -1 ) 1.011.01 3.853.85 4.674.67 Etched DepthEtched Depth 0.2 μm0.2 μm 1.5 μm1.5 μm > 3.0 μm> 3.0 μm *주: 식각 깊이(Etched Depth)는 단면 SEM 이미지를 통하여 직접 치수를 재어 평균 낸 값임Note: Etched Depth is the average value measured directly from the cross-sectional SEM image.

(( 3)식각3) etching 공정 수행 시간에 따른 평가 2 ( Evaluation based on process run time 2 ( 비용량Specific quantity 대비 전압 특성)  Contrast voltage characteristics)

실시예 1에서, 탄소계 입자 표면 식각 시 열처리 온도는 동일하게 하되, 열처리 시간을 1시간, 및 6시간으로 달리하여, 두 가지 샘플을 제조하였다(Etched graphite- 1 hour and 6 hour, respectively). 이 두 가지 샘플과, 아무런 처리되지 않은 음극 활물질(Bare graphite)을 각각 음극 활물질로 적용하여, 실시예 1의 방법으로 각각의 리튬 이차 전지를 제작하였다.In Example 1, two samples were prepared (Etched graphite-1 hour and 6 hour, respectively) with the same heat treatment temperature during carbon-based particle etching but with different heat treatment times of 1 hour and 6 hours. Each of these two samples and the untreated negative electrode active material (Bare graphite) were applied as the negative electrode active material, respectively, to prepare respective lithium secondary batteries.

각 리튬 이차 전지에 대해, 하기 조건으로 전기화학적 분석을 실시하여 그 결과를 표 3 및 도 12에 나타내었다.For each lithium secondary battery, electrochemical analysis was performed under the following conditions, and the results are shown in Table 3 and FIG. 12.

-Cut off Voltage(V): 0.005V-1.5V-Cut off Voltage (V): 0.005V-1.5V

-C-rate (C): 0.1C lithiation , 0.1C delithiation-C-rate (C): 0.1C lithiation, 0.1C delithiation

표 3 및 도 12에 따르면, 식각 공정 수행 시간에 따라 가변적인 초기 효율 값을 보임을 확인할 수 있다. 구체적으로, Bare 대비 식각한 경우, 리튬에 활성인 엣지면의 증가로 인해 충전 및 방전 과정시 과전압이 줄어드는 이점이 있고, 이는 도 12에서 CV 구간이 현저히 짧아진 것을 통해 확인할 수 있다. 식각한 경우에도 1시간 대비 6시간은 훨씬 작은 과전압을 가지며 CV 구간 길이 또한 차이가 있음을 알 수 있다. According to Table 3 and FIG. 12, it can be seen that the initial efficiency value varies depending on the etching process execution time. Specifically, in the case of etching compared to Bare, there is an advantage that the overvoltage during the charging and discharging process is reduced due to the increase of the edge surface active to lithium, which can be confirmed through the CV section is significantly shortened in FIG. Even in the case of etching, 6 hours is much smaller than 1 hour, and the CV section length is also different.

SampleSample Charge CapacityCharge Capacity Discharge CapacityDischarge Capacity Initial Initial CoulombicCoulombic efficiency ( efficiency ( I.C.EI.C.E )) Bare graphiteBare graphite 333 mAh/g333 mAh / g 323 mAh/g323 mAh / g 96.9 %96.9% Etched graphite - 1 hourEtched graphite-1 hour 332 mAh/g332 mAh / g 322 mAh/g322 mAh / g 96.9 %96.9% Etched graphite - 6 hourEtched graphite-6 hour 343 mAh/g343 mAh / g 322 mAh/g322 mAh / g 93. 7 % 93. 7 %

(( 4)식각4) etching 공정 수행 시간에 따른 평가 3(정전류 조건에서의 출력 특성) Evaluation according to process run time 3 (output characteristics under constant current conditions)

실시예 1에서, 탄소계 입자 표면 식각 시 열처리 온도는 동일하게 하되, 열처리 시간을 1시간, 및 6시간으로 달리하여, 두 가지 샘플을 제조하였다(Etched graphite- 1 hour and 6 hour, respectively). 이 두 가지 샘플과, 아무런 처리되지 않은 음극 활물질(Bare graphite)을 각각 음극 활물질로 적용하여, 실시예 1의 방법으로 각각의 리튬 이차 전지를 제작하였다.In Example 1, two samples were prepared (Etched graphite-1 hour and 6 hour, respectively) with the same heat treatment temperature during carbon-based particle etching but with different heat treatment times of 1 hour and 6 hours. Each of these two samples and the untreated negative electrode active material (Bare graphite) were applied as the negative electrode active material, respectively, to prepare respective lithium secondary batteries.

각 리튬 이차 전지에 대해, 하기 조건으로 전기화학적 분석을 실시하여 그 결과를 표 4 및 도 13에 나타내었다. 이는, 각 샘플의 출력 특성을 확인하기 위하여 정전류(constant current)로 제어한 것이다. 참고로, 흑연계 음극 활물질은 당업계에서 통상적으로, 정전류(constant current)를 흘려준 뒤, 정전압(Constant voltage) 제어를 통해 리티에이션(lithiation)한다.For each lithium secondary battery, electrochemical analysis was performed under the following conditions, and the results are shown in Table 4 and FIG. 13. This is controlled by a constant current to check the output characteristics of each sample. For reference, the graphite-based negative active material is conventionally known in the art, and then flows through a constant current and then lithiated through constant voltage control.

-Cut off Voltage(V): 0.005V-1.0V-Cut off Voltage (V): 0.005V-1.0V

-C-rate (C): 0.1C - 5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation -C-rate (C): 0.1C-5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation

표 4 및 도 13에 따르면, 식각 공정 수행 시간에 따라 출력 특성이 향상됨을 확인할 수 있다, 구체적으로, Bare 대비 식각한 경우, 리튬에 활성인 엣지면의 증가로 인해 충전 및 방전 과정시 과전압이 줄어드는 이점이 있고, 이는 도 13에서 향상된 출력 특성을 통해 확인할 수 있다. 식각한 경우에도 1시간 대비 6시간은 훨씬 작은 과전압을 가지며 출력 특성에서 큰 차이가 있음을 알 수 있다. According to Table 4 and Figure 13, it can be seen that the output characteristics are improved according to the etching process execution time, specifically, when the etching compared to Bare, the overvoltage during the charging and discharging process is reduced due to the increase of the edge surface active to lithium There is an advantage, which can be seen through the improved output characteristics in FIG. 13. Even in the case of etching, 6 hours compared to 1 hour has a much smaller overvoltage and there is a big difference in the output characteristics.

(( 4)식각4) etching 공정 수행 시간에 따른 평가 4 (정전류 및 정전압 조건에서의 출력 특성) Evaluation according to process run time 4 (output characteristics under constant current and constant voltage conditions)

실시예 1에서, 탄소계 입자 표면 식각 시 열처리 온도는 동일하게 하되, 열처리 시간을 6시간으로 달리하여, 샘플을 제조하였다(Etched graphite- 1 hour). 이 샘플과, 아무런 처리되지 않은 음극 활물질(Bare graphite)을 각각 음극 활물질로 적용하여, 실시예 1의 방법으로 각각의 리튬 이차 전지를 제작하였다.In Example 1, the heat treatment temperature during the carbon-based particle surface etching was the same, but the heat treatment time was changed to 6 hours, to prepare a sample (Etched graphite-1 hour). Each lithium secondary battery was produced by the method of Example 1 using this sample and the untreated negative electrode active material (Bare graphite) as a negative electrode active material, respectively.

각 리튬 이차 전지에 대해, 하기 조건으로 전기화학적 분석을 실시하여 그 결과를 도 14에 나타내었다. 이는, 제한 시간 내 각 샘플의 리티에이션(lithiation) 특성을 확인하기 위해, 정전류(constant current) 및 정전압(Constant voltage) 모드로 리티에이션(lithiation)시킨 뒤, 반응 시간으로 컷오프(cut-off)한 것이다.About each lithium secondary battery, the electrochemical analysis was performed on condition of the following, and the result is shown in FIG. In order to check the lithiation characteristics of each sample within the time limit, it is lithiated in constant current and constant voltage modes, and then cut-off with reaction time. will be.

-Voltage(V): 0.005V-1.0VVoltage (V): 0.005V-1.0V

-Cut off Voltage(V) : 0.005V (1/100C cut-off)-Cut off Voltage (V): 0.005V (1 / 100C cut-off)

-C-rate (C): 0.1C - 5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation -C-rate (C): 0.1C-5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation

도 14에 따르면, Bare 대비 식각한 경우, 리튬 이온에 활성인 엣지면이 늘어남으로 인해 과전압이 감소되어 출력 특성이 향상되는 이점이 있음을 알 수 있다.According to FIG. 14, it can be seen that when etching compared to Bare, an overvoltage is reduced due to an increase in the edge surface active to lithium ions, thereby improving output characteristics.

평가예Evaluation example 3 (CVD 법을 이용한 연속 공정의 평가) 3 (Evaluation of Continuous Process Using CVD Method)

이번 평가예에서는, 실시예 1 공정에서, CVD법에 의해 동일 반응기 내에서 실리콘 코팅층과 탄소계 코팅층을 연속적으로 형성하는 공정(이하, "연속 공정"이라 함)의 이점을 평가한다. 이를 위해, 아무런 처리되지 않은 그라파이트 입자(Bare graphite)와, 실시예1에서 최종 수득된 음극 활물질 입자를 비교하기로 한다.In this evaluation example, in Example 1 process, the advantage of the process of forming a silicon coating layer and a carbon type coating layer continuously in the same reactor by a CVD method (henceforth "continuous process") is evaluated. for teeth, The untreated graphite particles (Bare graphite) and the negative electrode active material particles obtained in Example 1 will be compared.

구체적으로, 아무런 처리되지 않은 그라파이트 입자(Bare graphite)를 음극 활물질로 적용하여, 실시예 1의 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하여, 실시예 1의 리튬 이차 전지와 대비하여, 하기의 평가를 수행하였다.Specifically, by applying the untreated graphite particles (Bare graphite) as a negative electrode active material, a lithium secondary battery was produced by the method of Example 1, compared with the lithium secondary battery of Example 1, the following evaluation was performed. .

(1) 초기 용량 평가(1) Initial capacity assessment

각 리튬 이차 전지에 대해, 하기 조건에서 전기화학적 특성을 평가하여 그 결과를 표 4 및 도 15로 기록하였다.For each lithium secondary battery, the electrochemical properties were evaluated under the following conditions, and the results are reported in Table 4 and FIG. 15.

-Cut off Voltage(V): 0.005 V - 1.5 V-Cut off Voltage (V): 0.005 V-1.5 V

-Cut off Voltage(V) : 0.005V (1/100C cut-off)-Cut off Voltage (V): 0.005V (1 / 100C cut-off)

-C-rate (C): 0.1 C-C-rate (C): 0.1 C

표 4 및 도 15에 따르면, Bare 대비 연속 공정에 의해 실리콘 코팅층과 탄소계 코팅층을 형성한 경우 소재의 비용량이 크게 증가할 뿐만 아니라 과전압 또한 줄어드는 이점이 있음을 알 수 있다. According to Table 4 and Figure 15, when the silicon coating layer and the carbon-based coating layer formed by a continuous process compared to Bare it can be seen that not only the specific cost of the material increases significantly but also the overvoltage also decreases.

Charge capacityCharge capacity Discharge capacityDischarge capacity Initial Initial C.EC.E .. Bare graphiteBare graphite 333333 323323 96.7%96.7% Etched graphite@nano-Si@CEtched graphite @ nano-Si @ C
(( 실시예Example 1) One)
508508 470470 92.5%92.5%

(1) 출력 특성 평가(1) output characteristic evaluation

각 리튬 이차 전지에 대해, 하기 조건에서 전기화학적 특성을 평가하여 그 결과를 도 16(Lithiation) 및 도 17(Delithiation)로 기록하였다.For each lithium secondary battery, the electrochemical properties were evaluated under the following conditions, and the results were recorded in FIGS. 16 (Lithiation) and 17 (Delithiation).

- Voltage(V): 0.005V-1.0VVoltage (V): 0.005V-1.0V

- Cut off Voltage(V) : 0.005V (1/100C cut-off)-Cut off Voltage (V): 0.005V (1 / 100C cut-off)

- C-rate (C): 0.1C - 5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation C-rate (C): 0.1C-5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation

도 16(Lithiation) 및 도 17(Delithiation)에 따르면, Bare 대비 연속 공정에 의해 실리콘 코팅층과 탄소계 코팅층을 형성한 경우 과전압의 감소로 인해 충전 및 방전 출력 특성이 크게 향상되는 이점이 있음을 알 수 있다.According to FIG. 16 (Lithiation) and FIG. 17 (Delithiation), when the silicon coating layer and the carbon-based coating layer are formed by the continuous process compared to the bare, it can be seen that the charge and discharge output characteristics are greatly improved due to the reduction of overvoltage. have.

(2) 수명 특성 평가(2) Life characteristics evaluation

각 리튬 이차 전지에 대해, 하기 조건에서 전기화학적 특성을 평가하여 그 결과를 도 18로 기록하였다.For each lithium secondary battery, the electrochemical properties were evaluated under the following conditions, and the results are recorded in FIG. 18.

- Voltage(V): 0.005V-1.0VVoltage (V): 0.005V-1.0V

- Cut off Voltage(V) : 0.005V (1/100C cut-off)-Cut off Voltage (V): 0.005V (1 / 100C cut-off)

- C-rate (C): 0.5C-rate -C-rate (C): 0.5 C-rate

도 18에 따르면, 연속 공정에 의해 실리콘 코팅층과 탄소계 코팅층을 형성한 경우, Bare 와 동등 수준의 수명 특성을 가지는 이점을 확인할 수 있다.According to FIG. 18, in the case of forming the silicon coating layer and the carbon-based coating layer by a continuous process, it can be seen that the advantage of having the life characteristics equivalent to that of Bare.

평가예Evaluation example 4 (탄소계 코팅층 유무에 따른 평가) 4 (evaluation based on the presence or absence of carbon-based coating layer)

이번 평가예에서는, 실시예 1의 최종 공정, 즉, 탄소계 코팅 유무에 대해 평가한다. 이를 위해, 실시예 1의 탄소계 코팅 공정을 생략하고, 표면이 식각된 그라파이트 입자 표면에 실리콘 코팅층만을 형성한 입자를 음극 활물질(이하, "Etched graphite@nano-Si"라 함)로 하여, 실시예 1의 음극 활물질과 대비한 하기의 평가를 수행하였다.In this evaluation example, the final process of Example 1, ie, the presence or absence of carbon-based coating, was evaluated. To this end, the carbon-based coating process of Example 1 is omitted, and the particles having only a silicon coating layer formed on the surface of the graphite particles whose surfaces are etched are used as a negative electrode active material (hereinafter referred to as "Etched graphite @ nano-Si"). The following evaluation was performed as compared with the negative electrode active material of Example 1.

(1) 표면 특성 및 BET (1) surface properties and BET 비표면적Specific surface area 비교 compare

Etched graphite@nano-Si와, 실시예 1의 음극 활물질에 대해, 각각의 SEM 사진을 도 19 내지 22에 나타내고, BET 비표면적을 측정하였다.The SEM photographs of the etched graphite @ nano-Si and the negative electrode active material of Example 1 are shown in Figs. 19 to 22, respectively, and the BET specific surface area was measured.

도 19 및 20을 참고하면, 실시예 1에서 탄소계 코팅층이 형성되기 전, 표면이 식각된 그라파이트 입자 표면에 실리콘 나노 입자가 균일하게 부착된 것을 확인할 수 있다. 이처럼 부착된 실리콘 나노 입자 상에, 탄소계 코팅층이 형성된 것이며, 그 구체적인 표면 특성은 도 21 및 22에서 확인할 수 있다.실시예 1에서 탄소계 코팅층이 형성되기 전 Etched graphite@nano-Si의 BET 비표면적은 2.49 m2/g로 측정되었고, 여기에 탄소계 코팅층이 형성된 실시예 1의 음극 활물질은 BET 비표면적이 2.85 m2/g인 것으로 측정되었는데, 이는 탄소계 코팅층 형성에 따라 BET 비표면적이 약간 증가한 것이며, 여전히 Bare graphite 대비 상당히 증가한 BET 비표면적이다.19 and 20, before forming the carbon-based coating layer in Example 1, it can be seen that the silicon nanoparticles are uniformly attached to the surface of the graphite particles etched surface. The carbon-based coating layer is formed on the silicon nanoparticles attached as described above, and specific surface properties thereof can be seen in FIGS. 21 and 22. The surface area was measured at 2.49 m 2 / g, and the negative active material of Example 1 having the carbon-based coating layer formed thereon was measured to have a BET specific surface area of 2.85 m 2 / g, which was determined by forming the carbon-based coating layer. It is slightly increased and still has a significantly increased BET specific surface area compared to bare graphite.

(2) 수명 특성 평가(2) Life characteristics evaluation

Etched graphite@nano-Si를 음극 활물질로 적용하여, 실시예 1의 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다. 이를 실시예 1의 리튬 이차 전지와 대비하여, 하기 조건에서 전기화학적 특성을 평가하고, 그 결과를 도 23에 기록하였다.Etched graphite @ nano-Si was applied as a negative electrode active material, and a lithium secondary battery was manufactured by the method of Example 1. In comparison with the lithium secondary battery of Example 1, the electrochemical properties were evaluated under the following conditions, and the results are recorded in FIG. 23.

- Voltage(V): 0.005V-1.0VVoltage (V): 0.005V-1.0V

- Cut off Voltage(V) : 0.005V (1/100C cut-off)-Cut off Voltage (V): 0.005V (1 / 100C cut-off)

- C-rate (C): 0.5C-rate -C-rate (C): 0.5 C-rate

도 23에 따르면, Etched graphite@nano-Si 대비, 표면에 탄소계 코팅층을 더 형성한 실시예 1의 음극 활물질을 적용한 경우, 수명 특성이 더욱 우수함을 확인할 수 있다. 이는, 탄소층이 실리콘 표면을 전해액 노출로부터 보호해줄 뿐만 아니라 뛰어난 전기 전도성 공급에 기인한 것임을 추론할 수 있다.According to FIG. 23, when the negative electrode active material of Example 1, in which a carbon-based coating layer was further formed on the surface thereof, compared to Etched graphite @ nano-Si, it can be seen that the life characteristics are more excellent. It can be inferred that the carbon layer not only protects the silicon surface from electrolyte exposure but also is due to an excellent electrical conductivity supply.

(3) 출력 특성 평가(3) output characteristic evaluation

Etched graphite@nano-Si를 음극 활물질로 적용하여, 실시예 1의 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다. 이를 실시예 1의 리튬 이차 전지와 대비하여, 하기 조건에서 전기화학적 특성을 평가하고, 그 결과를 도 24에 기록하였다.Etched graphite @ nano-Si was applied as a negative electrode active material, and a lithium secondary battery was manufactured by the method of Example 1. In comparison with the lithium secondary battery of Example 1, the electrochemical properties were evaluated under the following conditions, and the results are recorded in FIG. 24.

- Voltage(V): 0.005V-1.0VVoltage (V): 0.005V-1.0V

- Cut off Voltage(V) : 0.005V (1/100C cut-off)-Cut off Voltage (V): 0.005V (1 / 100C cut-off)

- C-rate (C): 0.1C - 5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation C-rate (C): 0.1C-5.0C Lithiation, 0.5C Delithiation

도 24에 따르면, Etched graphite@nano-Si 대비, 표면에 탄소계 코팅층을 더 형성한 실시예 1의 음극 활물질을 적용한 경우, 출력 특성이 더욱 우수함을 확인할 수 있다. 이 역시, 탄소층이 실리콘 표면을 전해액 노출로부터 보호해줄 뿐만 아니라 뛰어난 전기 전도성 공급에 기인한 것임을 추론할 수 있다.According to FIG. 24, when the negative electrode active material of Example 1, in which a carbon-based coating layer was further formed on the surface thereof, compared to Etched graphite @ nano-Si, it can be seen that the output characteristics are more excellent. Again, it can be inferred that the carbon layer not only protects the silicon surface from electrolyte exposure, but also is due to an excellent electrical conductivity supply.

본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments and may be manufactured in various forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains may change to other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that it may be practiced. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

1: 리튬 이차 전지 2: 음극
3: 양극 4: 세퍼레이터
5: 전지 용기 6: 봉입 부재
1: lithium secondary battery 2: negative electrode
3: anode 4: separator
5: battery container 6: sealing member

Claims (4)

표면부에 다수의 기공이 위치하는 탄소계 입자인, 다공성 코어 입자;
상기 다공성 코어 입자의 표면부에 위치하는 실리콘 코팅층; 및
상기 실리콘 코팅층 상에 위치하는 탄소계 코팅층;을 포함하고,
상기 탄소계 코팅층 및 상기 실리콘 코팅층은 필름(film) 형태이며,
상기 다공성 코어 입자의 표면부에 위치하는 기공에 금속 나노 입자가 포함되고,
상기 금속 나노 입자는,
니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 또는 이들의 조합을 포함하고,
상기 다공성 코어 입자의 표면부는,
상기 탄소계 입자의 표면으로부터, 반경의 0 % 초과 20 % 이하까지의 영역인 것인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
Porous core particles, which are carbon-based particles in which a plurality of pores are located at the surface portion;
A silicon coating layer positioned on a surface portion of the porous core particle; And
And a carbon-based coating layer on the silicon coating layer.
The carbon-based coating layer and the silicon coating layer is a film (film) form,
Metal nanoparticles are included in the pores located on the surface portion of the porous core particles,
The metal nanoparticles,
Nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), or combinations thereof,
The surface portion of the porous core particles,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is an area of more than 0% and up to 20% of the radius from the surface of the carbon-based particles.
제1항에 있어서,
상기 다공성 코어 입자는,
BET 비표면적이 3.00 m2/g 이상인 것인,
리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The porous core particles,
BET specific surface area is 3.00 m 2 / g or more,
Anode active material for lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 입자는,
직경이 10 내지 70 ㎛ 인 것인,
리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method of claim 1,
The carbon-based particles,
The diameter is 10 to 70 ㎛,
Anode active material for lithium secondary battery.
양극;
음극; 및
전해질;을 포함하고,
상기 음극은, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 음극 활물질을 포함하는 것인,
리튬 이차 전지.
anode;
cathode; And
An electrolyte;
The negative electrode, the negative electrode active material according to any one of claims 1 to 3,
Lithium secondary battery.
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