KR102051072B1 - Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material - Google Patents

Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material Download PDF

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Abstract

본 발명은 판상 흑연; 상기 판상 흑연 표면에 배치된 리튬과 합금 가능한 금속; 및 상기 판상 흑연의 표면, 상기 리튬과 합금 가능한 금속의 표면, 또는 이들의 조합에 배치된 실리콘 입자;를 포함하는 복합음극활물질에 관한 것이다.The present invention is plate graphite; A metal alloyable with lithium disposed on the plate graphite surface; And silicon particles disposed on a surface of the plate graphite, a surface of a metal alloyable with lithium, or a combination thereof.

Description

복합음극활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 음극을 구비한 리튬이차전지{Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material}Composite anode active material, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery having a negative electrode comprising the same {Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material}

복합음극활물질, 및 이를 포함하는 음극과 리튬전지에 관한 것이다.It relates to a composite cathode active material, and a negative electrode and a lithium battery comprising the same.

리튬전지는 고전압 및 고에너지 밀도를 가짐에 의하여 다양한 용도에 사용된다. 예를 들어, 전기자동자(HEV, PHEV) 등의 분야는 고온에서 작동할 수 있고, 많은 양의 전기를 충전하거나 방전하여야 하고 장시간 사용되어야 하므로 방전용량이 높고 및 수명특성이 우수한 리튬전지가 요구된다.Lithium batteries have high voltage and high energy density and are used in various applications. For example, fields such as electric vehicles (HEV, PHEV) can operate at a high temperature, a large amount of electricity needs to be charged or discharged and must be used for a long time, so a high discharge capacity and excellent life characteristics are required. .

탄소계 재료는 다공성으로서 충방전 시의 부피 변화가 적어 안정하다. 그러나, 일반적으로 탄소계 재료는 탄소의 다공성 구조로 인해 전지 용량이 낮다. 예를 들어, 결정성이 높은 흑연의 이론적인 용량은 LiC6 조성에서 372mAh/g 이다. 또한, 고율특성이 낮다.The carbonaceous material is porous and stable because of its small volume change during charge and discharge. In general, however, carbon-based materials have low battery capacity due to the porous structure of carbon. For example, the theoretical capacity of high crystalline graphite is 372 mAh / g in LiC 6 composition. In addition, the high rate characteristic is low.

상기 탄소계 재료와 함께 전기 용량이 높은 음극활물질로서 리튬과 합금가능한 금속이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al 등이다. 이 중에서도, 볼-밀링 Si 입자를 탄소계 재료와 함께 사용한 음극활물질에 대하여 활발한 연구가 진행되고 있다.A metal capable of alloying with lithium may be used as the cathode active material having a high capacitance together with the carbonaceous material. For example, the metal alloyable with lithium is Si, Sn, Al, and the like. Among these, active research is being conducted on the negative electrode active material using the ball-milling Si particles together with the carbon-based material.

그러나, 볼-밀링 Si 입자의 제작 및 사용 과정에서 실리콘 입자 표면에 실리콘 산화물 층이 형성되고, 이러한 실리콘 산화물 층이 초기 효율 감소 문제점을 갖는다.However, a silicon oxide layer is formed on the surface of the silicon particles during the fabrication and use of the ball-milling Si particles, and this silicon oxide layer has a problem of decreasing initial efficiency.

또한, 실리콘과 같은 리튬과 합금 가능한 금속은 높은 방전용량을 가지나 충전 및 방전 과정에서 실리콘의 부피 변화율이 약 3.7배에 이르므로, 실리콘을 포함한 음극활물질에 균열이 발생하여, 수명특성의 저하가 발생할 수 있다.In addition, a metal capable of alloying with lithium, such as silicon, has a high discharge capacity, but the volume change rate of silicon reaches about 3.7 times during the charging and discharging process, so that a crack occurs in the negative electrode active material including silicon, resulting in deterioration of life characteristics. Can be.

상기한 문제점을 해결하기 위한, 높은 초기효율 및 우수한 수명특성을 갖는 음극활물질 및 이의 제조방법에 대한 요구가 여전히 존재한다.In order to solve the above problems, there is still a need for a negative electrode active material having a high initial efficiency and excellent life characteristics and a method for producing the same.

한 측면은 신규한 음극활물질을 제공하는 것이다.One aspect is to provide a novel negative electrode active material.

다른 한 측면은 상기 음극활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a method for producing the negative electrode active material.

또 다른 한 측면은 상기 음극활물질을 채용한 음극을 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium secondary battery including a negative electrode employing the negative electrode active material.

한 측면에 따라,According to one aspect,

판상 흑연;Plate-like graphite;

상기 판상 흑연의 표면에 배치된 리튬과 합금 가능한 금속; 및A metal alloyable with lithium disposed on the surface of the plate graphite; And

상기 판상 흑연의 표면, 상기 리튬과 합금 가능한 금속의 표면, 또는 이들의 조합에 배치된 실리콘 입자;Silicon particles disposed on a surface of the plate graphite, a surface of a metal alloyable with lithium, or a combination thereof;

를 포함하는 복합음극활물질이 제공된다.There is provided a composite cathode active material comprising a.

다른 한 측면에 따라, According to the other side,

(a) 판상 흑연 및 리튬과 합금 가능한 금속의 혼합물을 믹싱하여 복합음극활물질 전구체를 얻는 단계; 및(a) mixing a mixture of plate-like graphite and a metal alloyable with lithium to obtain a composite cathode active material precursor; And

(b) 상기 복합음극활물질 전구체의 표면에 실리콘 입자를 제공하는 단계;(b) providing silicon particles on a surface of the composite cathode active material precursor;

를 포함하고,Including,

상기 실리콘 입자를 제공하는 단계는 실란 가스의 화학 기상 증착법(Chemical Vapour Deposition; CVD)에 의하여 수행되는, 복합음극활물질의 제조방법이 제공된다.Providing the silicon particles is provided by a chemical vapor deposition (CVD) of the silane gas, there is provided a method for producing a composite cathode active material.

또 다른 한 측면에 따라, According to another aspect,

상기 음극활물질을 포함하는 음극,A negative electrode including the negative electrode active material,

양극, 및Anode, and

전해질을 포함하는 리튬이차전지가 제공된다.A lithium secondary battery comprising an electrolyte is provided.

한 측면에 따르면 실리콘 입자가 도트 형태로 표면에 제공된 복합음극활물질을 채용한 음극을 포함한 리튬이차전지는 높은 초기효율 및 우수한 수명특성을 갖는다. 특히, 실리콘 입자를 도트 형태로 복합음극활물질의 표면에 제공함으로써, 충방전시 복합음극활물질에 가해지는 응력을 완화시킬 수 있고, 이에 의하여 우수한 수명특성을 갖는다.According to one aspect, a lithium secondary battery including a negative electrode employing a composite cathode active material provided with silicon particles on a surface in a dot form has high initial efficiency and excellent lifespan characteristics. In particular, by providing the silicon particles in the form of dots on the surface of the composite cathode active material, it is possible to relieve the stress applied to the composite cathode active material during charging and discharging, thereby having excellent life characteristics.

도 1a는 제조예 1에 따라 제조한 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진이고, 도 1b는 비교 제조예 1에 따라 제조한 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진이다.
도 2a는 제조예 2에 따라 제조한 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진이고, 도 2b는 비교 제조예 2에 따라 제조한 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 3 및 비교예 2에서 제조된 리튬이차전지의 충방전 그래프의 도해이다.
도 4 내지 6은 실시예 4와 비교예 3 내지 5를 각각 비교하여 측정한 전기화학적 평가 데이터 그래프이다.
도 7은 분산제 함량의 변화에 따른 복합음극활물질의 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 예시적인 구현예에 따른 리튬전지의 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 리튬전지 2: 음극
3: 양극 4: 세퍼레이터
5: 전지케이스 6: 캡 어셈블리
1A is a SEM photograph of a composite cathode active material precursor prepared according to Preparation Example 1, and FIG. 1B is a SEM photograph of a composite cathode active material precursor prepared according to Comparative Preparation Example 1. FIG.
FIG. 2A is a SEM photograph of a composite cathode active material precursor prepared according to Preparation Example 2, and FIG. 2B is a SEM photograph of a composite cathode active material precursor prepared according to Comparative Preparation Example 2. FIG.
3 is a diagram of charge and discharge graphs of the lithium secondary batteries prepared in Example 3 and Comparative Example 2. FIG.
4 to 6 are graphs of electrochemical evaluation data measured by comparing Examples 4 and Comparative Examples 3 to 5, respectively.
7 is a SEM photograph showing the surface of the composite cathode active material according to the change of the dispersant content.
8 is a schematic diagram of a lithium battery according to an exemplary embodiment.
<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: lithium battery 2: negative electrode
3: anode 4: separator
5: battery case 6: cap assembly

이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present inventive concept described below may apply various transformations and have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all transformations, equivalents, or substitutes included in the technical scope of the present invention.

이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the inventive concepts. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Hereinafter, terms such as "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, component, material, or combination thereof described in the specification, one or the same. It is to be understood that the foregoing does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of other features, numbers, steps, operations, components, parts, components, materials, or combinations thereof.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the drawings, thicknesses are enlarged or reduced in order to clearly express various layers and areas. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a part of a layer, film, region, plate, etc. in the specification is said to be "on" or "on" another part, this includes not only being directly above another part but also having another part in between. . The terms are used only to distinguish one component from another.

이하에서 예시적인 구현예들에 따른 복합음극활물질, 및 상기 복합음극활물질을 채용한 음극을 포함한 리튬이차전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a lithium secondary battery including a composite anode active material and an anode including the composite cathode active material according to exemplary embodiments will be described in more detail.

일 구현예에 따른 복합음극활물질은 판상 흑연; 상기 판상 흑연의 표면에 배치된 리튬과 합금 가능한 금속; 및 상기 판상 흑연의 표면, 상기 리튬과 합금 가능한 금속의 표면, 또는 이들의 조합에 배치된 실리콘 코팅층;을 포함한다.Composite cathode active material according to one embodiment is plate graphite; A metal alloyable with lithium disposed on the surface of the plate graphite; And a silicon coating layer disposed on the surface of the plate graphite, the surface of the metal alloyable with lithium, or a combination thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 코팅층은 복합음극활물질 표면에서 불연속적인 코팅층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 코팅층은 아일랜드 형상을 가질 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 실리콘 코팅층은 도트 형태로 복합음극활물질 표면에 제공될 수 있다.According to one embodiment, the silicon coating layer may form a discontinuous coating layer on the surface of the composite cathode active material. For example, the silicon coating layer may have an island shape. As another example, the silicon coating layer may be provided on the surface of the composite cathode active material in the form of dots.

상기 복합음극활물질은 표면에 실리콘 코팅층이 불연속적인 코팅층으로 형성되거나, 도트 형태로 존재함으로써, 실리콘 코팅층의 팽창을 수용할 수 있는 공간이 확보될 수 있다. 따라서, 충방전시에 실리콘 코팅층에서 발생되는 응력은 충분히 완화될 수 있으므로, 복합음극활물질의 수명특성이 향상된다.The composite cathode active material may have a silicon coating layer formed on the surface as a discontinuous coating layer or exist in a dot form, thereby securing a space capable of accommodating the expansion of the silicon coating layer. Therefore, since the stress generated in the silicon coating layer during charge and discharge can be sufficiently relaxed, the life characteristics of the composite cathode active material are improved.

한편, 구상 흑연의 표면에 실리콘 코팅층이 형성된 카본-실리콘 복합체가 이미 알려져 있으나, 용량 증대를 위하여 실리콘 함량을 높이는 경우, 실리콘 코팅층이 두꺼워지므로 인해, 충방전시 발생하는 응력이 커지며, 그 결과 수명 특성이 현저히 저하되는 문제점이 존재해왔다.Meanwhile, a carbon-silicon composite in which a silicon coating layer is formed on the surface of spheroidal graphite is already known, but when the silicon content is increased to increase the capacity, the silicon coating layer becomes thicker, and thus the stress generated during charging and discharging increases, resulting in a life characteristic. This remarkably deteriorating problem has existed.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 구상 흑연의 표면에 나노 실리콘 입자를 제공하여, 실리콘이 도포될 수 있는 표면적을 넓히고, 그 위에 실리콘을 증착함으로써 기존의 카본-실리콘 복합체와 동등한 양의 실리콘 함량을 더 얇은 실리콘 코팅층으로 구성하는 기술이 본 발명자에 의하여 발명되었으며, 일정 수준 이상의 수명특성 향상을 달성하였다.To solve this problem, nano silicon particles are provided on the surface of spherical graphite to increase the surface area on which silicon can be applied, and by depositing silicon thereon, a thinner silicon content equivalent to that of conventional carbon-silicon composites can be obtained. The technique of constituting the silicone coating layer was invented by the present inventors, and achieved improvement of life characteristics over a certain level.

하지만, 여전히 실리콘 코팅층의 팽창으로 인한 수명특성의 저하는 실용화 관점에서 극복되어야 할 문제점이며, 이러한 문제점은 구형 흑연 대신에 상대적으로 BET 비표면적이 큰 판상 흑연을 사용하고, 이러한 판상 흑연에 실리콘 코팅층을 불연속적인 코팅층으로 구성함으로써 해결될 수 있었다.However, the deterioration of the life characteristics due to the expansion of the silicon coating layer is still a problem to be overcome from the practical point of view, and this problem is to use a plate graphite having a relatively large BET specific surface area in place of spherical graphite, It could be solved by constructing a discontinuous coating layer.

구체적으로, 본 발명자는 BET 비표면적 값과 실리콘 코팅층의 증착에 따른 용량 증가량의 상관관계를 예의 검토하는 과정에서, 복합음극활물질의 용량 증가량 및 BET 비표면적 값이 하기 수학식 1을 만족하는 경우에, 실리콘 코팅층이 불연속적인 도트 형상으로 형성됨으로써 수명특성이 현저히 개선되었다는 견지로부터 본 발명을 완성하였다.Specifically, the present inventor in the process of carefully examining the correlation between the BET specific surface area value and the capacity increase amount according to the deposition of the silicon coating layer, when the capacity increase amount and the BET specific surface area value of the composite cathode active material satisfy the following equation 1 The present invention has been completed in view of the fact that the silicone coating layer is formed in a discontinuous dot shape and the life characteristics are remarkably improved.

따라서, 상기 복합음극활물질은 하기 수학식 1을 만족할 수 있다:Therefore, the composite cathode active material may satisfy the following Equation 1:

<수학식 1><Equation 1>

용량 증가량(mAh/g) / BET 비표면적(m2/g) < 10Capacity increase (mAh / g) / BET specific surface area (m 2 / g) <10

여기서, 용량 증가량은 판상 흑연의 초기 용량과 실리콘 코팅층이 배치된 후의 초기 용량의 차이를 의미한다. BET 비표면적은 최종 제작된 복합음극활물질의 비표면적을 의미한다.Here, the capacity increase amount means a difference between the initial capacity of the plate graphite and the initial capacity after the silicon coating layer is disposed. The BET specific surface area refers to the specific surface area of the final composite cathode active material.

일 구현예에 따르면, 상기 복합음극활물질은 20 내지 40 (m2/g)의 BET 비표면적으로 갖고, 상기 실리콘 입자의 함량은 상기 복합음극활물질 전체 중량을 기준으로 6 중량% 내지 14 중량%일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 전술한 수학식 1을 만족하게 하는 BET 비표면적 값 및 실리콘 입자의 함량이라면 용이하게 선택될 수 있다.According to one embodiment, the composite cathode active material has a BET specific surface area of 20 to 40 (m 2 / g), and the content of the silicon particles is 6% to 14% by weight based on the total weight of the composite cathode active material. However, the present invention is not limited thereto, and the BET specific surface area value and the content of silicon particles satisfying Equation 1 may be easily selected.

일 구현예에 따르면, 상기 복합음극활물질은 분산제를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the composite cathode active material may further include a dispersant.

복합음극활물질이 분산제를 더 포함함으로써, 탄소계 재료 표면에서 리튬과 합금 가능한 금속이 균일하게 분산 배치될 수 있다. 리튬과 합금 가능한 금속이 균일하게 분산됨으로써, 실리콘 입자가 증착가능한 표면적이 넓어지고, 일정한 실리콘 양을 더 얇은 실리콘 코팅층 두께로 구성할 수 있다. 뿐만 아니라, 만일 종래의 카본-실리콘 복합체의 실리콘 코팅층과 동일한 두께의 코팅층을 구성한다고 할 때, 더 많은 양의 실리콘을 포함시킬 수 있으므로, 용량이 현저히 증가될 수 있다.Since the composite cathode active material further includes a dispersant, the metal alloyable with lithium may be uniformly disposed on the surface of the carbon-based material. By uniformly dispersing a metal alloyable with lithium, the surface area on which silicon particles can be deposited is increased, and a certain amount of silicon can be made into a thinner silicon coating layer thickness. In addition, if the coating layer having the same thickness as the silicon coating layer of the conventional carbon-silicon composite, it can include a larger amount of silicon, the capacity can be significantly increased.

또한, 판상 흑연의 표면에 리튬과 합금 가능한 금속이 균일하게 분포됨으로써, 그 위에 증착된 실리콘 코팅층도 균일하게 형성될 수 있고, 그 결과 충방전 사이클에 따른 효율이 개선된다.In addition, by uniformly distributing metal alloyable with lithium on the surface of the plate graphite, the silicon coating layer deposited thereon can also be uniformly formed, and as a result, the efficiency according to the charge / discharge cycle is improved.

상기 분산제는 비전도성 또는 전도성이다. 일 구현예에 따르면, 상기 분산제는 전도성을 갖는다. 상기 분산제는 리튬과 합금 가능한 금속의 균일한 분포를 가능하게 하고, 이와 동시에 리튬과 합금 가능한 금속들 및 탄소계 재료들 사이에서 전자 전달 경로를 제공하여 전기 전도도를 향상시킨다. 그 결과, 일 구현예에 따른 복합음극활물질은 사이클 당 효율이 향상된다.The dispersant is nonconductive or conductive. According to one embodiment, the dispersant is conductive. The dispersant allows for a uniform distribution of the alloyable metal with lithium while at the same time providing an electron transfer path between the lithium and alloyable metals and carbon-based materials to improve electrical conductivity. As a result, the composite cathode active material according to the embodiment improves the efficiency per cycle.

일 구현예에 따르면, 상기 분산제는 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블렉(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black), 기상성장 탄소섬유와 같은 탄소섬유, 흑연 미립자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 활물질과 바인가를 균일하게 혼합시키기 위한 재료라면 분산제로서 사용 가능하다.According to one embodiment, the dispersing agent may include carbon fibers such as carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fibers such as vapor-grown carbon fibers, graphite fine particles or combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto, and any material for uniformly mixing the active material and the bain can be used as a dispersant.

일 구현예에 따른 복합음극활물질에서, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 상기 판상 흑연의 표면의 전부 또는 일부 상에 분포될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 상기 판상 흑연의 표면에 아일랜드 형태 또는 서로 중첩된 박막 형태로 존재할 수 있다.In the composite cathode active material according to one embodiment, the metal alloyable with lithium may be distributed on all or part of the surface of the plate graphite. For example, the metal alloyable with lithium may be present in the form of an island or a thin film superimposed on the surface of the plate graphite.

일 구현예에 따른 복합음극활물질에서, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 상기 판상 흑연의 표면에 균일하게 분포된다. 상기 리튬과 합금 가능한 금속이 균일하게 분산됨으로써, 실리콘 코팅층의 두께를 일정하게 유지하면서도 더 많은 실리콘 입자를 복합음극활물질에 포함시킬 수 있으므로, 고용량 및 높은 초기 효율의 복합음극활물질의 제작이 가능하다.In the composite cathode active material according to one embodiment, the metal alloyable with lithium is uniformly distributed on the surface of the plate graphite. By uniformly dispersing the metal alloyable with lithium, it is possible to include more silicon particles in the composite cathode active material while maintaining a constant thickness of the silicon coating layer, it is possible to manufacture a composite cathode active material of high capacity and high initial efficiency.

일 구현예에 따른 복합음극활물질에서, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Zn, Ag 및 Au로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속, 이들의 합금, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 이들의 질산화물, 이들의 탄화물 또는 이들과 탄소계 재료의 복합체를 포함한다.In the composite cathode active material according to one embodiment, the metal alloyable with lithium is at least one metal selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Ge, Pb, Zn, Ag and Au, alloys thereof, oxides thereof, these Nitrides thereof, nitrides thereof, carbides thereof, or composites thereof with carbon-based materials.

예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 Si 입자, Si 산화물 입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 Si 입자의 표면은 대기 중에서 산화되어 Si 산화물을 형성할 수 있다.For example, the metal alloyable with lithium may include Si particles, Si oxide particles, or a combination thereof. The surface of the Si particles may be oxidized in air to form Si oxides.

일 구현예에 따른 복합음극활물질에서, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 비구형의 실리콘 입자이다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 비정형의 실리콘 입자이다. In the composite cathode active material according to one embodiment, the metal alloyable with lithium is non-spherical silicon particles. For example, the metal alloyable with lithium is amorphous silicon particles.

상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 20 nm 내지 300 nm일 수 있고, 상기 범위 내에서 선택된 2개의 임의의 값으로 표현되는 임의의 범위일 수 있다.Median diameter of the silicon particles of the amorphous are (D 50) may be a 20 nm to 300 nm, may be any of a range represented by any two values selected within this range.

예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 25 nm 내지 300 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 30 nm 내지 300 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 35 nm 내지 300 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 40 nm 내지 300 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 45 nm 내지 300 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 50 nm 내지 300 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 20 nm 내지 290 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 20 nm 내지 280 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 20 nm 내지 270 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 20 nm 내지 260 nm이다. 예를 들어, 상기 비정형의 실리콘 입자의 중위입경은 (D50)은 20 nm 내지 250 nm이다.For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 25 nm to 300 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 30 nm to 300 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 35 nm to 300 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 40 nm to 300 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 45 nm to 300 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 50 nm to 300 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 20 nm to 290 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 20 nm to 280 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 20 nm to 270 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 20 nm to 260 nm. For example, the median particle size of the amorphous silicon particles is (D 50 ) is 20 nm to 250 nm.

상기 실리콘 입자의 중위입경은 볼밀링 공정의 진행시간에 따라 조절될 수 있으며, 그 입경이 상기 범위 내에 속하는 경우, 고용량 및 우수한 수명특성이 보장된다. 예를 들어, 상기 볼밀링 공정에 의하여, 상기 실리콘 입자의 중위입경이 20 nm 미만이 되는 경우, 볼밀링 공정 중에 실리콘 산화막이 실리콘 입자 표면에 형성되기 때문에, 실리콘 입자의 형태를 유지하기 어렵게 되고, 그 결과 복합음극활물질 재료로서 사용되기 어렵다. 상기 볼밀링 공정에 의해 얻은 실리콘 입자의 중위입경이 300 nm를 초과하는 경우에, 충방전시 큰 응력으로 인하여 수명특성이 저하된다. The median particle size of the silicon particles can be adjusted according to the progress time of the ball milling process, when the particle diameter falls within the above range, high capacity and excellent life characteristics are guaranteed. For example, when the median particle size of the silicon particles is less than 20 nm by the ball milling process, since the silicon oxide film is formed on the surface of the silicon particles during the ball milling process, it becomes difficult to maintain the shape of the silicon particles, As a result, it is difficult to be used as a composite cathode active material material. In the case where the median particle size of the silicon particles obtained by the ball milling process exceeds 300 nm, the life characteristics are lowered due to the large stress during charge and discharge.

일 구현예에 따른 복합음극활물질에서, 상기 실리콘 코팅층은 비정질 또는 준결정질 실리콘 입자를 포함한다. 이 경우 상기 실리콘 코팅층은 부피 팽창에 따라 결정이 깨지는 위험이 적고 안정적인 구조를 유지할 수 있다. 비정질 또는 준결정질 실리콘은 결정질 실리콘과는 달리 리튬이 흡수되는 방향성이 없어 균일하게 부피팽창을 하며 리튬 이동 속도가 높다. 비정질 또는 준결정질 실리콘은 결정질 실리콘에 비해 리튬 흡수나 탈리에 스트레스나 스트레인(strain)이 적게 걸리기 때문에 충방전 과정에서 안정적인 구조를 유지할 수 있다.In the composite cathode active material according to one embodiment, the silicon coating layer comprises amorphous or semi-crystalline silicon particles. In this case, the silicon coating layer may maintain a stable structure with less risk of cracking the crystal due to volume expansion. Unlike crystalline silicon, amorphous or quasi-crystalline silicon has no directivity in which lithium is absorbed, thereby uniformly expanding in volume and having high lithium transfer rate. Amorphous or semi-crystalline silicon is less stress or strain than lithium absorption or desorption compared to crystalline silicon, it is possible to maintain a stable structure during the charge and discharge process.

일 구현예에 따른 복합음극활물질에서, 상기 실리콘 코팅층은 도트 형상을 가질 수 있으며, 그 두께는 3 nm 내지 50 nm이다. 실리콘 코팅층이 상기 범위의 두께를 가지는 경우, 매우 얇은 박막 형태가 되어, 충방전시에 부피 팽창이 충분히 억제될 수 있으며, 율속도 크게 증가된다. 상기 실리콘 코팅층의 두께가 3 nm 미만인 경우, 충분한 용량 증가 효과를 기대하기 어렵고, 50 nm를 초과하는 경우, 충전 및 방전시 부피 팽창으로 인한 실리콘 입자의 탈리가 발생하여, 용량 및 율속 특성의 저하가 발생한다.In the composite cathode active material according to one embodiment, the silicon coating layer may have a dot shape, the thickness is 3 nm to 50 nm. When the silicon coating layer has a thickness in the above range, it becomes a very thin thin film form, the volume expansion can be sufficiently suppressed during charging and discharging, the rate rate is greatly increased. If the thickness of the silicon coating layer is less than 3 nm, it is difficult to expect a sufficient capacity increase effect, if it exceeds 50 nm, desorption of silicon particles occurs due to volume expansion during charging and discharging, so that the capacity and rate characteristics are deteriorated. Occurs.

또한, 일반적인 리튬 이차전지용 음극활물질은 서로 다른 물질을 혼합하여 슬러리를 제작하기 때문에 충방전 과정에서 부피 변화에 따른 활물질의 층분리가 일어날 수 있으나, 상기 실리콘 코팅층은 박막 형태로 리튬과 합금 가능한 금속 및/또는 탄소계 재료에 결합되어 있으므로 충방전시에 층분리를 방지할 수 있다. 그 결과, 급속 충전 및 방전이 용이해진다.In addition, the general negative electrode active material for a lithium secondary battery is a mixture of different materials to produce a slurry, so that the separation of the active material according to the volume change during the charge and discharge process may occur, the silicon coating layer is a metal and alloy capable of alloying with lithium in the form of a thin film and And / or bonded to a carbon-based material, it is possible to prevent layer separation during charge and discharge. As a result, rapid charge and discharge become easy.

일 구현예에 따른 복합음극활물질은 최외각에 탄소 코팅층을 더 포함할 수 있다.Composite cathode active material according to one embodiment may further include a carbon coating layer on the outermost.

상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층에 포함된 카본은 탄소 전구체의 소성물일 수 있다. 상기 탄소 전구체는 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것으로서 소성에 의하여 탄소계 재료가 얻어지는 것이라면 모두 사용 가능하다. 예를 들어, 상기 탄소 전구체는 고분자, 콜타르 피치, 석유 피치, 메조-페이즈 피치, 코크스, 저분자 중질유, 석탄계 피치 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 복합음극활물질 최외각에 탄소 코팅층이 형성됨으로써 SEI를 형성하게 되고 Li+ 이온의 선택적 통과로 인하여 금속 입자가 전해액 등과 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 탄소 코팅층은 충방전시의 부피 팽창을 억제하고, 복합음극활물질 내의 전자 이동 통로 역할을 수행하여 전기 전도도의 향상에 기여한다.The carbon coating layer may include amorphous carbon. For example, the carbon included in the coating layer may be a fired product of a carbon precursor. The carbon precursor may be used in the art, and any carbon-based material may be used as long as the carbon-based material is obtained by firing. For example, the carbon precursor may be at least one selected from the group consisting of a polymer, coal tar pitch, petroleum pitch, meso-phase pitch, coke, low molecular weight heavy oil, coal-based pitch, and derivatives thereof. The carbon coating layer is formed on the outermost surface of the composite cathode active material to form SEI and prevent the metal particles from contacting with the electrolyte due to the selective passage of Li + ions. In addition, the carbon coating layer suppresses volume expansion during charging and discharging, and serves to improve the electrical conductivity by acting as an electron transfer passage in the composite cathode active material.

상기 탄소 코팅층의 두께는 2 nm 내지 5 ㎛일 수 있고, 상기 범위 내에서 선택된 2개의 임의의 값으로 표현되는 임의의 범위일 수 있다. 탄소 코팅층의 두께가 상기 범위 내에 있는 경우, 전기 전도도가 향상되고, 이와 동시에 부피 팽창도 충분히 억제될 수 있다. 탄소 코팅층의 두께가 2 nm 미만인 경우 충분한 전기 전도도의 향상 및 실리콘의 부피팽창을 수용할 수 있는 버퍼층의 역할을 기대할 수 없고, 탄소 코팅층의 두께가 5 ㎛를 초과하는 경우, 충방전지에 리튬 흡수 및 방출시에 탄소 코팅층이 저항으로 작용하여 율속 저하가 야기된다.The carbon coating layer may have a thickness of 2 nm to 5 μm, and may be in any range represented by two arbitrary values selected within the above range. When the thickness of the carbon coating layer is within the above range, the electrical conductivity is improved, and at the same time the volume expansion can be sufficiently suppressed. If the thickness of the carbon coating layer is less than 2 nm, it is not expected to improve the sufficient electrical conductivity and the role of the buffer layer to accommodate the volume expansion of the silicon, if the thickness of the carbon coating layer exceeds 5 ㎛, the lithium absorption and At the time of release, the carbon coating acts as a resistance, causing a decrease in rate.

이하, 일 구현예에 다른 복합음극활물질의 제조 방법을 살펴보기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a composite cathode active material according to another embodiment will be described.

일 구현예에 따른 복합음극활물질의 제조 방법은,Method for producing a composite cathode active material according to one embodiment,

(a) 판상 흑연 및 리튬과 합금 가능한 금속의 혼합물을 믹싱하여 복합음극활물질 전구체를 얻는 단계; 및(a) mixing a mixture of plate-like graphite and a metal alloyable with lithium to obtain a composite cathode active material precursor; And

(b) 상기 복합음극활물질 전구체의 표면에 실리콘 코팅층을 제공하는 단계;(b) providing a silicon coating layer on a surface of the composite anode active material precursor;

를 포함하고,Including,

상기 실리콘 코팅층을 제공하는 단계는 실란 가스의 화학 기상 증착법(Chemical Vapour Deposition; CVD)에 의하여 수행될 수 있다.Providing the silicon coating layer may be performed by chemical vapor deposition (CVD) of silane gas.

상기 복합음극활물질의 제조 방법은 상기 (a) 단계 이전에, 상기 리튬과 합금 가능한 금속을 볼밀링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 볼-밀링된 나노 입자일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 볼-밀링된 실리콘 입자일 수 있다.The method of manufacturing the composite cathode active material may further include ball milling the metal alloyable with the lithium before step (a). Accordingly, the metal alloyable with lithium may be ball-milled nanoparticles. For example, the metal alloyable with lithium may be ball-milled silicon particles.

상기 볼밀링 공정은 습식 또는 건식 볼 밀링을 포함하며, 통상의 기술자는 원하는 리튬과 합금 가능한 금속 입자의 크기 및 용도에 따라 적절한 볼밀링 공정을 선택할 수 있다. The ball milling process includes wet or dry ball milling, and a person skilled in the art may select an appropriate ball milling process depending on the size and use of metal particles alloyable with the desired lithium.

습식 볼 밀링에 사용되는 매질의 예로는 유기용매가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 매질은 이소프로필 알코올 용매를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 당해 분야에서 습식 볼 밀링에 사용될 수 있는 매질이라면 모두 사용할 수 있다.As an example of the medium used for wet ball milling, an organic solvent may be used. For example, the medium includes, but is not limited to, isopropyl alcohol solvent, any medium that can be used for wet ball milling in the art can be used.

상기 볼밀링 공정은 실온보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 볼밀링 공정은 25℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.The ball milling process may be performed at a temperature lower than room temperature. For example, the ball milling process may be performed at a temperature of 25 ° C or less.

상기 복합음극활물질의 제조 방법은 상기 (a) 단계에서 상기 혼합물은 분산제를 더 포함한다. 상기 리튬과 합금 가능한 금속 : 상기 분산제 : 상기 탄소계 재료의 중량비율은 1% 내지 15% : 1% 내지 15% : 70% 내지 98%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 중량비율은 1:1:98,1:2:97, 2:2:96, 10:10:80, 15:15:70, 1:15:84, 또는 15:1:84일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 범위 내에 속하는 임의의 조합이 모두 포함된다.In the method of preparing a composite cathode active material, in the step (a), the mixture further includes a dispersant. The weight ratio of the metal capable of alloying with lithium: the dispersant: the carbonaceous material may be 1% to 15%: 1% to 15%: 70% to 98%, but is not limited thereto. For example, the weight ratio is 1: 1: 98, 1: 2: 97, 2: 2: 96, 10:10:80, 15:15:70, 1:15:84, or 15: 1: 84 The present invention may be, but is not limited to, any combination that falls within the above range.

상기 복합음극활물질의 제조 방법 중 상기 (b) 단계는 실란계 가스를 이용하여 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도에서 화학 기상 증착법에 의해 수행된다. 상기 (b) 단계가 400℃ 미만에서 수행되면, 실리콘 코팅층이 증착되지 않을 수 있고, 600℃를 초과하면 실리콘 코팅층이 결정질 실리콘 막으로 변환될 수 있기 때문에 바람직하지 않다.Step (b) of the composite cathode active material manufacturing method is performed by chemical vapor deposition at a temperature of about 400 ℃ to about 600 ℃ using a silane-based gas. If the step (b) is performed below 400 ° C., the silicon coating layer may not be deposited, and when the temperature exceeds 600 ° C., the silicon coating layer may be converted into a crystalline silicon film.

상기 (b) 단계에서 화학 기상 증착을 위한 온도는 원하는 실리콘 코팅층의 두께를 고려하여 상기 범위내에서 적절히 선택될 수 있다.The temperature for chemical vapor deposition in step (b) may be appropriately selected within the above range in consideration of the thickness of the desired silicon coating layer.

상기 실란계 가스는 상기 온도 범위에서 가스화에 의해 Si 원자를 방출할 수 있는 규소계 전구체라면 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것 중에서 당업자가 용이하게 선택할 수 있다. The silane-based gas can be easily selected by those skilled in the art as long as it is a silicon-based precursor capable of releasing Si atoms by gasification in the above temperature range.

예를 들어, 상기 실란계 가스는 실레인(silane, SiH4), 다이클로로실레인(Dichlorosilane, SiH2Cl2), 실리콘 테트라플루오라이드 (Silicon Tetrafluoride, SiF4), 실리콘 테트라틀로라이드(Silicon Tetrachloride, SiCl4), 메틸실레인(Methylsilane, CH3SiH3), 다이실레인(Disilane, Si2H6), 또는 이들의 조합인 규소계 전구체일 수 있다.For example, the silane-based gas may be silane (silane, SiH 4 ), dichlorosilane (Dichlorosilane, SiH 2 Cl 2 ), silicon tetrafluoride (SiF 4 ), silicon tetratride (Silicon) Tetrachloride, SiCl 4 ), methylsilane (Methylsilane, CH 3 SiH 3 ), disilane (Disilane, Si 2 H 6 ), or a combination thereof may be a silicon-based precursor.

상기 복합음극활물질의 제조 방법은 상기 (b) 단계 이후에, 탄소 전구체를 첨가하고, 열처리하여 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 열처리는 약 800℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 이루어진다. 상기 온도 범위에서 열처리가 수행되는 경우 탄소 전구체의 열분해로부터 탄소 코팅층이 형성될 수 있다.The method of manufacturing the composite cathode active material further includes, after the step (b), adding a carbon precursor and performing a heat treatment to form a carbon coating layer. The heat treatment is at a temperature of about 800 ℃ to about 1100 ℃. When heat treatment is performed in the above temperature range, a carbon coating layer may be formed from pyrolysis of the carbon precursor.

열처리 온도가 800℃ 미만인 경우 열분해가 충분히 일어나지 못하고, 1100℃를 초과하는 경우 실리콘과 탄소 전구체의 카본의 부반응으로 인하여 SiC가 형성되어, 용량 감소가 발생한다.If the heat treatment temperature is less than 800 ℃ thermal decomposition does not occur sufficiently, if it exceeds 1100 ℃ SiC is formed due to the side reaction of silicon and carbon of the carbon precursor, the capacity decrease occurs.

상기 열처리는 1시간 이상 수행될 수 있다. 상기 열처리가 1시간 미만 수행되는 경우, 탄소 전구체의 충분한 열분해가 이루어지지 않아 균일한 탄소 코팅층이 형성되기 어렵다.The heat treatment may be performed for 1 hour or more. When the heat treatment is performed for less than 1 hour, sufficient thermal decomposition of the carbon precursor is not performed, so that a uniform carbon coating layer is hardly formed.

상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 비활성 분위기 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 아르곤 또는 질소분위기 하에서 수행될 수 있다. 이를 통해, 균일한 탄소 코팅층의 도입이 가능하다.Forming the carbon coating layer may be performed under an inert atmosphere. For example, it may be performed under argon or nitrogen atmosphere. Through this, introduction of a uniform carbon coating layer is possible.

다른 측면에 따른 리튬 이차전지용 음극은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체 상의 적어도 일면에 배치되고, 상술한 복합음극활물질을 포함하는 음극활물질층을 포함한다.According to another aspect, a negative electrode for a lithium secondary battery includes a negative electrode current collector; And a negative electrode active material layer disposed on at least one surface of the negative electrode current collector and including the composite negative electrode active material.

상기 음극은, 상기 음극 집전체와 음극활물질층 사이 또는 음극활물질층 내에 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더에 대해서는 후술하는 바를 참조한다.The negative electrode may include a binder between the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer or in the negative electrode active material layer. See the following for the binder.

상기 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The negative electrode and the lithium secondary battery including the same may be manufactured by the following method.

상기 음극은 상술한 복합음극활물질을 포함하며, 예를 들어, 상술한 복합음극활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 용매 중에 혼합하여 복합음극활물질 조성물을 제조한 후, 이를 일정한 형상으로 성형하거나, 동박(copper foil) 등의 집전체에 도포하는 방법으로 제조될 수 있다.The negative electrode includes the composite negative electrode active material described above. For example, the composite negative electrode active material, a binder, and optionally a conductive material are mixed in a solvent to prepare a composite negative electrode active material composition, and then molded into a predetermined shape or copper foil. It may be prepared by a method of applying to a current collector such as (copper foil).

상기 복합음극활물질 조성물에 사용되는 바인더는, 복합음극활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 상기 음극 집전체와 음극활물질층 사이 또는 음극활물질층 내에 포함될 수 있으며, 복합음극활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 예를 들어 복합음극활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 1 내지 20 중량부, 또는 1 내지 15 중량부의 범위로 바인더를 첨가할 수 있다. The binder used in the composite negative electrode active material composition may be included in the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer or in the negative electrode active material layer as a component that assists in bonding the composite negative electrode active material and the conductive material to the current collector. It is added in 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the composite cathode active material. For example, the binder may be added in the range of 1 to 30 parts by weight, 1 to 20 parts by weight, or 1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the composite cathode active material.

이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리벤지미다졸, 폴리이미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아닐린, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polybenzimidazole, polyimide, polyvinylacetate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxide Roxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyaniline, acrylonitrile butadiene styrene, phenolic resin, epoxy resin, polyethylene Terephthalate, polytetrafluoroethylene, polyphenylenesulfide, polyamideimide, polyetherimide, polyethersulfone, polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polybutylene terephthalate, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, various copolymerizations Sieves and the like.

상기 음극은 상술한 복합음극활물질에 도전 통로를 제공하여 전기전도성을 보다 향상시키기 위하여 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수 있다. 상기 도전재로는 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 예로 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유(예. 기상성장 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 cathode may optionally further include a conductive material to provide a conductive passage to the composite cathode active material described above to further improve electrical conductivity. As the conductive material, any material generally used in lithium batteries may be used. Examples thereof include carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fibers (eg, vapor-grown carbon fibers); Metal materials such as metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum and silver; Conductive materials containing conductive polymers such as polyphenylene derivatives or mixtures thereof can be used.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 복합음극활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부를 사용한다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water and the like may be used as the solvent. The solvent is used in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the composite anode active material. When the content of the solvent is within the above range, the operation for forming the active material layer is easy.

또한, 상기 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 상기 집전체로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 복합음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In addition, the current collector is generally made of a thickness of 3 to 500 ㎛. The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the current collector may be formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or stainless steel. Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver and the like, aluminum-cadmium alloy and the like can be used. In addition, it is possible to enhance the bonding strength of the composite cathode active material by forming fine unevenness on the surface, it can be used in various forms such as film, sheet, foil, net, porous body, foam, nonwoven fabric.

제조된 복합음극활물질 조성물을 집전체 위에 직접 코팅하여 음극 극판을 제조하거나, 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 상기 지지체로부터 박리시킨 복합음극활물질 필름을 동박 집전체에 라미네이션하여 음극 극판을 얻을 수 있다. 상기 음극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.The composite negative electrode active material composition may be directly coated on a current collector to prepare a negative electrode plate, or the composite negative electrode active material film cast on a separate support and peeled from the support may be laminated on a copper foil current collector to obtain a negative electrode plate. The negative electrode is not limited to the above enumerated forms, and may be other forms than the foregoing forms.

상기 복합음극활물질 조성물은 리튬 전지의 전극 제조에 사용될 뿐만 아니라, 유연한(flexible) 전극 기판 위에 인쇄되어 인쇄 전지(printable battery) 제조에도 사용될 수 있다.The composite cathode active material composition may not only be used for manufacturing an electrode of a lithium battery, but also may be printed on a flexible electrode substrate and used for manufacturing a printable battery.

다음으로 양극이 준비된다.Next, the anode is prepared.

예를 들어, 양극활물질, 도전재, 바인더 및 용매가 혼합된 양극활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다. 상기 양극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.For example, a cathode active material composition in which a cathode active material, a conductive material, a binder, and a solvent are mixed is prepared. The cathode active material composition is directly coated on a metal current collector to prepare a cathode plate. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then a film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to prepare a cathode plate. The anode is not limited to the above enumerated forms and may be in any form other than the foregoing.

상기 양극활물질은 리튬함유 금속산화물로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는, LiaA1-bB1 bD1 2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bB1 bO2-cD1 c(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bB1 bO4-cD1 c(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobB1 cD1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobB1 cO2-αF1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobB1 cO2-αF1 2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbB1 cD1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbB1 cO2-αF1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbB1 cO2-αF1 2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiI1O2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:The positive electrode active material is a lithium-containing metal oxide, any one of those commonly used in the art can be used without limitation. For example, one or more of a complex oxide of metal and lithium selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used, and specific examples thereof include Li a A 1-b B 1 b D 1 2 (Wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, and 0 ≦ b ≦ 0.5); Li a E 1-b B 1 b O 2-c D 1 c (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); LiE 2-b B 1 b O 4-c D 1 c (wherein 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b B 1 c D 1 α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1-bc Co b B 1 c O 2-α F 1 α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Co b B 1 c O 2-α F 1 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B 1 c D 1 α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1-bc Mn b B 1 c O 2-α F 1 α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B 1 c O 2-α F 1 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, and 0.001 ≦ d ≦ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, 0 ≦ d ≦ 0.5, and 0.001 ≦ e ≦ 0.1); Li a NiG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a CoG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a MnG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiI 1 O 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); Compounds represented by any of the formulas of LiFePO 4 can be used:

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements or combinations thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1-xMnxO2x(0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO4 등이다.For example, LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x = 1, 2), LiNi 1-x Mn x O 2x (0 <x <1), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5), LiFePO 4, and the like.

물론 상기 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, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 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 등)으로 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, it is also possible to use a coating layer on the surface of the compound, or may be used by mixing the compound having a compound with the coating layer. This coating layer may comprise a coating element compound of an oxide of a coating element, a hydroxide, an oxy hydroxide of a coating element, an oxycarbonate of a coating element, or a hydroxycarbonate of a coating element. 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 can be coated with the above compounds by a method that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material (for example, spray coating or dipping method). Detailed descriptions thereof will be omitted since they can be understood by those skilled in the art.

상기 양극활물질 조성물에서 도전재, 바인더 및 용매는 상기 음극활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다.The conductive material, the binder and the solvent in the positive electrode active material composition may be the same as the case of the negative electrode active material composition.

상기 양극활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 이차전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The amount of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent is at a level commonly used in lithium secondary batteries. At least one of the conductive material, the binder, and the solvent may be omitted according to the use and configuration of the lithium battery.

다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다.Next, a separator to be inserted between the positive electrode and the negative electrode is prepared.

상기 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.The separator may be used as long as it is commonly used in lithium batteries. A low resistance to the ion migration of the electrolyte and excellent in the ability to hydrate the electrolyte can be used. For example, it is selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in a nonwoven or woven form. For example, a rollable separator such as polyethylene or polypropylene may be used for a lithium ion battery, and a separator having excellent organic electrolyte solution impregnation ability may be used for a lithium ion polymer battery. For example, the separator may be manufactured according to the following method.

고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.A separator composition is prepared by mixing a polymer resin, a filler, and a solvent. The separator composition may be directly coated and dried on the electrode to form a separator. Alternatively, after the separator composition is cast and dried on a support, a separator film separated from the support may be laminated on the electrode to form a separator.

상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The polymer resin used to manufacture the separator is not particularly limited, and any materials used for the binder of the electrode plate may be used. For example, vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate or mixtures thereof and the like can be used.

다음으로 전해질이 준비된다.Next, the electrolyte is prepared.

예를 들어, 상기 전해질은 유기전해액일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 고체일 수 있다. 예를 들어, 보론산화물, 리튬옥시나이트라이드 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 사용가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다.For example, the electrolyte may be an organic electrolyte. In addition, the electrolyte may be a solid. For example, it may be boron oxide, lithium oxynitride, and the like, but is not limited thereto, and any one that can be used as a solid electrolyte in the art may be used. The solid electrolyte may be formed on the negative electrode by sputtering or the like.

예를 들어, 유기전해액은 유기용매에 리튬염이 용해되어 제조될 수 있다.For example, the organic electrolyte may be prepared by dissolving lithium salt in an organic solvent.

상기 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다.The organic solvent may be used as long as it can be used as an organic solvent in the art. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate , Benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide , Dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether or a mixture thereof.

상기 리튬염도 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두사용될 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단 x,y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이다.Any lithium salt may be used as long as it can be used as a lithium salt in the art. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI or a mixture thereof.

도 1에서 보여지는 바와 같이 상기 리튬전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 리튬전지(1)가 완성된다. 상기 전지케이스(5)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지(1)는 박막형전지일 수 있다. 상기 리튬전지(1)는 리튬이온전지일 수 있다.As shown in FIG. 1, the lithium battery 1 includes a positive electrode 3, a negative electrode 2, and a separator 4. The positive electrode 3, the negative electrode 2, and the separator 4 described above are wound or folded to be accommodated in the battery case 5. Subsequently, the organic electrolyte is injected into the battery case 5 and sealed with a cap assembly 6 to complete the lithium battery 1. The battery case 5 may be cylindrical, rectangular, thin film, or the like. For example, the lithium battery 1 may be a thin film type battery. The lithium battery 1 may be a lithium ion battery.

상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.A separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode to form a battery structure. The battery structure is stacked in a bi-cell structure, and then impregnated in an organic electrolyte, and the resultant is accommodated in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery.

또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.In addition, a plurality of battery structures may be stacked to form a battery pack, and the battery pack may be used in any device requiring high capacity and high power. For example, it can be used in notebooks, smartphones, electric vehicles and the like.

또한, 상기 리튬 이차전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구 등에 사용될 수 있다.In addition, the lithium secondary battery may be used in an electric vehicle (EV) because of its excellent life characteristics and high rate characteristics. For example, it may be used in a hybrid vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV). It can also be used in applications where a large amount of power storage is required. For example, it can be used for electric bicycles, power tools and the like.

이하의 제조예, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.The present invention is described in more detail through the following Preparation Examples, Examples and Comparative Examples. However, the examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to these examples.

(실리콘 나노입자의 제조)(Production of Silicon Nanoparticles)

제조예 1Preparation Example 1

시장에서 입수가능한 벌크 실리콘을 이소프로필알코올(IPA) 매질과 함께 볼밀 장치에 투입하고, 저온(25℃ 이하) 및 볼밀 회전 속도 3000~4000rpm에서 2 시간 동안 분쇄하여, 볼밀링된 실리콘 나노입자를 얻었다. 상기 볼밀링된 실리콘 나노입자의 중위 입경 (D50)은 130nm 였다.Bulk silicon available on the market was introduced into a ball mill with isopropyl alcohol (IPA) medium and ground for 2 hours at low temperature (up to 25 ° C.) and at a ball mill rotation speed of 3000 to 4000 rpm to obtain ball milled silicon nanoparticles. . The median particle size (D 50 ) of the ball milled silicon nanoparticles was 130 nm.

(복합음극활물질 전구체의 제작)(Production of Composite Cathode Active Material Precursor)

제조예 1Preparation Example 1

상기 실리콘 나노입자:카본 블랙(Super PTM):판상흑연을 5 : 2 : 93의 중량비율로 믹서에 투입한 뒤, 저온(25℃ 이하)에서 3 시간 동안 혼합하여, 복합음극활물질 전구체를 얻었다.The silicon nanoparticles: carbon black (Super P ): plate graphite were added to a mixer at a weight ratio of 5: 2: 93, and mixed at a low temperature (25 ° C or less) for 3 hours to obtain a composite cathode active material precursor. .

상기 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진은 도 1a에서 확인할 수 있다.SEM pictures of the composite anode active material precursor can be seen in Figure 1a.

비교 제조예 1Comparative Production Example 1

상기 실리콘 나노입자:카본 블랙(Super PTM):구형흑연을 5 : 2 : 93의 중량비율로 믹서에 투입한 뒤, 저온(25℃ 이하)에서 3 시간 동안 혼합하여, 복합음극활물질 전구체를 얻었다.The silicon nanoparticles: carbon black (Super P ): spherical graphite were added to a mixer at a weight ratio of 5: 2: 93, and then mixed at a low temperature (below 25 ° C) for 3 hours to obtain a composite cathode active material precursor. .

상기 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진은 도 1b에서 확인할 수 있다.SEM pictures of the composite anode active material precursor can be seen in Figure 1b.

비교 제조예 1-1Comparative Production Example 1-1

상기 실리콘 나노입자:흑연을 12:88의 중량비율로 믹서에 투입한 뒤, 저온(25℃ 이하)에서 2시간 동안 혼합하여, 복합음극활물질 전구체를 얻었다.The silicon nanoparticles: graphite were added to a mixer in a weight ratio of 12:88 and then mixed at a low temperature (25 ° C. or less) for 2 hours to obtain a composite cathode active material precursor.

(실리콘 코팅층이 증착된 복합음극활물질 전구체의 제작)(Production of Composite Cathode Active Material Precursor Deposited with Silicon Coating Layer)

제조예 2Preparation Example 2

상기 제조예 1에서 얻은 상기 복합음극활물질 전구체를 475℃ 조건 하에서 SiH4(g)를 50 sccm의 속도로 20 분간 기상 화학 증착하여, 상기 복합음극활물질 전구체의 표면에 실리콘 코팅층을 형성하였다.The composite cathode active material precursor obtained in Preparation Example 1 was subjected to vapor phase chemical vapor deposition of SiH 4 (g) for 20 minutes at a rate of 50 sccm under 475 ° C. to form a silicon coating layer on the surface of the composite anode active material precursor.

실리콘 코팅층이 증착된 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진은 도 2a에서 확인할 수 있다.SEM images of the composite cathode active material precursor on which the silicon coating layer is deposited can be seen in FIG. 2A.

비교 제조예 2Comparative Production Example 2

상기 비교예 1에서 얻은 상기 복합음극활물질 전구체를 475℃ 조건 하에서 SiH4(g)를 50 sccm의 속도로 20 분간 기상 화학 증착하여, 상기 복합음극활물질 전구체의 표면에 실리콘 코팅층을 형성하였다.The composite cathode active material precursor obtained in Comparative Example 1 was subjected to vapor chemical vapor deposition of SiH 4 (g) for 20 minutes at a rate of 50 sccm under 475 ° C. to form a silicon coating layer on the surface of the composite anode active material precursor.

실리콘 코팅층이 증착된 복합음극활물질 전구체의 SEM 사진은 도 2b에서 확인할 수 있다.SEM images of the composite cathode active material precursor on which the silicon coating layer is deposited can be seen in FIG. 2B.

비교 제조예 2-1Comparative Production Example 2-1

상기 비교예 1-1에서 얻은 상기 복합음극활물질 전구체를 475℃ 조건 하에서 SiH4(g)를 50 sccm의 속도로 20 분간 기상 화학 증착하여, 상기 복합음극활물질 전구체의 표면에 실리콘 코팅층을 형성하였다.The composite cathode active material precursor obtained in Comparative Example 1-1 was subjected to vapor chemical vapor deposition of SiH 4 (g) at a rate of 50 sccm for 20 minutes under conditions of 475 ° C. to form a silicon coating layer on the surface of the composite anode active material precursor.

비교 제조예 2-2Comparative Production Example 2-2

흑연 10 g을 475 ℃ 조건 하에서 SiH4(g)를 50 sccm의 속도로 30 분간 화학 기상 증착하여, 실리콘 코팅층이 표면에 증착된 복합음극활물질 전구체를 얻었다.SiH 4 (g) was chemically vapor deposited for 30 minutes at a rate of 50 sccm under conditions of 475 ° C. to obtain a composite cathode active material precursor having a silicon coating layer deposited on the surface thereof.

(복합음극활물질의 제작)(Production of Composite Cathode Active Materials)

제조예 3Preparation Example 3

상기 제조예 2에서 얻은 복합음극활물질 전구체 10 g과 피치 1.5 g을 믹서에 투입하고 25 ℃ 조건하에서 120분 동안 혼합한 후, 900 ℃에서 120분 동안 열처리하여, 복합음극활물질 전구체 10 g of the composite cathode active material precursor obtained in Preparation Example 2 and 1.5 g of the pitch were added to a mixer, mixed at 25 ° C. for 120 minutes, and then heat treated at 900 ° C. for 120 minutes to produce a composite anode active material precursor.

탄소 코팅층이 형성된 복합음극활물질을 얻었다. A composite cathode active material having a carbon coating layer was obtained.

비교 제조예 3Comparative Production Example 3

상기 비교 제조예 2에서 얻은 복합음극활물질 전구체 10 g과 피치 1.5 g을 믹서에 투입하고 25 ℃ 조건하에서 120분 동안 혼합한 후, 900 ℃에서 120분 동안 열처리하여, 복합음극활물질 전구체 최외각에 탄소 코팅층이 형성된 복합음극활물질을 얻었다.10 g of the composite cathode active material precursor obtained in Comparative Preparation Example 2 and 1.5 g of the pitch were added to a mixer and mixed at 25 ° C. for 120 minutes, followed by heat treatment at 900 ° C. for 120 minutes to form carbon at the outermost portion of the composite cathode active material precursor. A composite cathode active material having a coating layer was obtained.

비교 제조예 3-1Comparative Production Example 3-1

상기 비교 제조예 2-1에서 얻은 복합음극활물질 전구체 10 g과 피치 1.5 g을 믹서에 투입하고 25 ℃ 조건하에서 120분 동안 혼합한 후, 900 ℃에서 120분 동안 열처리하여, 복합음극활물질 전구체 최외각에 탄소 코팅층이 형성된 복합음극활물질을 얻었다.10 g of the composite cathode active material precursor obtained in Comparative Preparation Example 2-1 and 1.5 g of the pitch were added to a mixer, mixed at 25 ° C. for 120 minutes, and then heat treated at 900 ° C. for 120 minutes to form an outermost composite anode active material precursor. The composite cathode active material in which the carbon coating layer was formed was obtained.

비교 제조예 3-2Comparative Production Example 3-2

상기 실리콘 나노입자:카본 블랙(Super PTM):구형흑연을 15 : 6 : 79의 중량비율로 믹서에 투입한 뒤, 25 ℃ 조건하에서 120분 동안 혼합한 후, 900 ℃에서 120분 동안 열처리하여, 복합음극활물질 전구체 최외각에 탄소 코팅층이 형성된 복합음극활물질을 얻었다.The silicon nanoparticles: carbon black (Super P TM ): spherical graphite was added to the mixer at a weight ratio of 15: 6: 79, mixed for 120 minutes at 25 ° C., and then heat treated at 900 ° C. for 120 minutes. The composite negative electrode active material in which the carbon coating layer was formed in the outermost layer of the composite negative electrode active material precursor was obtained.

비교 제조예 3-3Comparative Production Example 3-3

상기 비교예 2-2에서 얻은 복합음극활물질 전구체 10 g과 피치 1.5 g을 믹서에 투입하고 25 ℃ 조건하에서 120분 동안 혼합한 후, 900 ℃에서 120분 동안 열처리하여, 복합음극활물질 전구체 최외각에 탄소 코팅층이 형성된 복합음극활물질을 얻었다.10 g of the composite cathode active material precursor obtained in Comparative Example 2-2 and 1.5 g of the pitch were added to a mixer, mixed at 25 ° C. for 120 minutes, and then heat-treated at 900 ° C. for 120 minutes to provide an outermost composite anode active material precursor. A composite cathode active material having a carbon coating layer was obtained.

(음극의 제조)(Production of a cathode)

실시예 1Example 1

상기 제조예 3에서 수득한 복합음극활물질 및 구형 흑연(360mAh/g의 용량을 가짐)을 50:50의 중량비로 혼합하여 음극활물질로 사용하고, 도전제로 super.P, 증점제로 CMC, 바인더로 SBR을 사용하고, 상기 음극활물질/도전제/증점제/바인더를 96:1:1.5:1.5의 중량비로 하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 18 ㎛ 두께의 구리 집전체 상에 통상의 방법을 사용하여 도포하였다. 상기 슬러리가 도포된 집전체를 상온에서 건조한 후, 120℃ 에서 2차 건조하고, 압연 및 펀칭하여 셀에 적용할 음극을 제조하였다.The composite cathode active material obtained in Preparation Example 3 and spherical graphite (having a capacity of 360mAh / g) were mixed at a weight ratio of 50:50 to be used as a cathode active material, super.P as a conductive agent, CMC as a thickener, and SBR as a binder. To prepare a slurry using a weight ratio of 96: 1: 1.5: 1.5 to the negative electrode active material / conductive agent / thickener / binder. The slurry was applied on a 18 μm thick copper current collector using conventional methods. The slurry coated with the current collector was dried at room temperature, followed by secondary drying at 120 ° C., and rolling and punching to prepare a negative electrode to be applied to a cell.

비교예 1Comparative Example 1

제조예 3에서 얻은 복합음극활물질 대신에 비교 제조예 3에서 얻은 복합음극활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composite negative electrode active material obtained in Comparative Preparation Example 3 was used instead of the composite negative electrode active material obtained in Preparation Example 3.

(양극의 제조)(Manufacture of Anode)

실시예 2Example 2

리튬 코발트 산화물(LCO) 양극활물질, 탄소도전제(super.P), 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)을 94:3:3의 중량비로 혼합한 혼합물을 N-메틸피롤리돈(NMP)과 함께 호모게나이저를 통해 혼합하여 양극활물질 슬러리를 제조하였다. 15㎛ 두께의 알루미늄 집전체 위에 양극활물질 슬러리를 닥터 블레이트를 사용하여 약 120㎛ 두께로 도포하고 상온에서 건조한 후 진공, 120℃의 조건에서 다시 한번 건조하고, 압연(roll press)하여 집전체 상에 양극활물질층이 배치된 양극을 제조하였다.A mixture of lithium cobalt oxide (LCO) cathode active material, carbon conductor (super.P), and polyvinylidene fluoride (PVdF) in a weight ratio of 94: 3: 3 was mixed with N-methylpyrrolidone (NMP). A positive electrode active material slurry was prepared by mixing together through a homogenizer. A slurry of the positive electrode active material was applied to a thickness of about 120 μm on a 15 μm thick aluminum current collector using a doctor blade, dried at room temperature, dried again under vacuum and 120 ° C., and then rolled to form a current collector. An anode having a cathode active material layer disposed thereon was prepared.

(리튬이차전지의 제조)(Manufacture of Lithium Secondary Battery)

실시예 3Example 3

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 음극을 16mm의 원형으로 권취하고 양극을 15mm의 원형으로 권치한 다음, 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터를 배치하여 2032 타입의 코인 풀셀을 제조하였다.A negative electrode prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was wound in a circular shape of 16 mm, a positive electrode was wound in a circular shape of 15 mm, and a separator was disposed between the positive electrode and the negative electrode to prepare a 2032 type coin full cell.

세퍼레이터로서 두께 14㎛ 폴리에틸렌-폴리프로필렌 공중합체 세퍼레이터를 사용하였다.As the separator, a 14 µm thick polyethylene-polypropylene copolymer separator was used.

전해액으로서 전해질로 EC(에틸렌카보네이트):DEC(디에틸렌카보네이트):FEC(플루오로에틸렌카보네이트)(2:6:2 부피비) 혼합 용매에 1.3M LiPF6이 용해된 것을 사용하였다.As an electrolyte, 1.3 M LiPF 6 dissolved in an EC (ethylene carbonate): DEC (diethylene carbonate): FEC (fluoroethylene carbonate) (2: 6: 2 volume ratio) mixed solvent was used as an electrolyte.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 1에서 얻은 음극 대신에 비교예 1에서 얻은 음극을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 2032 타입의 코인 풀셀을 제조하였다A coin full cell of type 2032 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the cathode obtained in Comparative Example 1 was used instead of the anode obtained in Example 1.

평가예 1: 복합음극활물질 입도 평가Evaluation Example 1 Evaluation of Particle Size of Composite Cathode Active Material

제조예 3 및 비교 제조예 3에서 얻은 복합음극활물질의 입도 분포를 Microtrac 사의 Microtrac S3500를 이용하여 분석하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 제시된다.The particle size distribution of the composite cathode active material obtained in Preparation Example 3 and Comparative Preparation Example 3 was analyzed using Microtrac S3500 manufactured by Microtrac, and the results are shown in Table 1 below.

입도분포Particle size distribution 제조예 3
(㎛)
Preparation Example 3
(Μm)
비교 제조예 3
(㎛)
Comparative Production Example 3
(Μm)
D10D10 3.223.22 14.5714.57 D50D50 6.136.13 20.4.20.4. D90D90 12.0612.06 30.1130.11

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 판상 흑연을 사용한 제조예 3에서 얻은 복합음극활물질은 구형 흑연을 사용한 비교 제조예 3의 복합음극활물질에 비해 입도가 작음을 알 수 있다. 특히, D50의 경우 판상 흑연을 사용한 경우가 구형 흑연을 사용한 경우에 비해 1/3의 입도를 가짐을 알 수 있다. As shown in Table 1, it can be seen that the composite cathode active material obtained in Preparation Example 3 using plate graphite has a smaller particle size than the composite cathode active material of Comparative Preparation Example 3 using spherical graphite. In particular, in the case of D50 it can be seen that the use of plate-like graphite has a particle size of 1/3 compared to the case of using a spherical graphite.

평가예 2: 충방전 특성 평가Evaluation Example 2: Evaluation of Charge and Discharge Characteristics

실시예 3 및 비교예 2에서 제조된 리튬 이차전지를 25℃에서 0.1C-rate의 충전율로 충전을 시작하고, 전압은 0.005V까지 충전하며, 이때 일정 전류로 일정 전압을 갖도록 충전한다. 이후, 0.1C-rate의 방전율로 2.0V에 이를 때까지 정전류로 방전시켰다. 이와 같이 1회의 충ㅇ방전 사이클을 거친 후, 0.5C-rate의 충ㅇ방전율로 전압 구간은 0.005V 내지 2.0V로 하여 연속적으로 200회 충ㅇ방전 사이클을 반복한다. 상기 충방전 실험 결과의 일부를 하기 표 2에 나타내었으며, 충방전 실험 결과의 사이클 수명 그래프는 도 3에서 보여진다.The lithium secondary batteries prepared in Example 3 and Comparative Example 2 start charging at a charge rate of 0.1 C-rate at 25 ° C., and the voltage is charged up to 0.005V, wherein the battery is charged to have a constant voltage at a constant current. Thereafter, the battery was discharged at a constant current until it reached 2.0V at a discharge rate of 0.1 C-rate. After one charge and discharge cycle as described above, the charge and discharge cycle of 0.5 C-rate is repeated in the charge and discharge cycle 200 times continuously with a voltage section of 0.005V to 2.0V. Some of the charge and discharge test results are shown in Table 2 below, and a cycle life graph of the charge and discharge test results is shown in FIG. 3.

초기효율, 용량유지율은 하기 수학식 1 내지 2로부터 각각 계산되었다.Initial efficiency and capacity maintenance rate were respectively calculated from the following formulas (1) to (2).

<수학식 1> <Equation 1>

초기효율 [%] = [1st 사이클에서의 방전용량 / 1st 사이클에서의 충전용량] ㅧ 100The initial efficiency (%) = [discharge capacity / charge capacity at 1 st cycle at 1 st cycle] ㅧ 100

<수학식 2> <Equation 2>

용량유지율[%] = [150rd 사이클의 방전용량 / 3rd 사이클의 방전용량] ㅧ 100Capacity retention rate [%] = [discharge capacity of 150 rd cycles / discharge capacity of 3 rd cycles] ㅧ 100

초기효율
[%]
Initial efficiency
[%]
용량유지율
(150사이클)
[%]
Capacity maintenance rate
(150 cycles)
[%]
실시예 3Example 3 80.380.3 81.281.2 비교예 2Comparative Example 2 83.483.4 74.374.3

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 3의 경우 비교예 2에 비하여 초기 효율이 낮음을 알 수 있는데, 이는 실시예 3의 경우 비교예 2에서 사용된 복합음극활물질에 비해 입도가 현저히 작은 복합음극활물질을 사용하였기 때문이다. 하지만, 실시예 3에 따라 제작된 이차전지는 반복되는 충방전 사이클에서, 비교예 2의 이차전지에 비해 우수한 용량 유지율을 보임을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, in the case of Example 3, it can be seen that the initial efficiency is lower than in Comparative Example 2, which is a composite cathode having a significantly smaller particle size compared to the composite cathode active material used in Comparative Example 2 This is because an active material is used. However, it can be seen that the secondary battery manufactured according to Example 3 showed an excellent capacity retention rate compared to the secondary battery of Comparative Example 2 in a repeated charge / discharge cycle.

(하프셀의 제작)(Production of half cell)

실시예 4Example 4

제조예 3에서 얻은 복합음극활물질을 음극활물질:도전재:바인더를 95.5:1:3.5의 비율로 슬러리를 제조하였다. 여기서, 상기 도전재로는 Super P를 사용하였고, 상기 바인더로는 카복시메틸셀루롤오스(CMC) 및 스티렌-부타디엔-고무(SBR)를 사용하였다.In the composite negative electrode active material obtained in Preparation Example 3, a slurry was prepared in the ratio of negative electrode active material: conductive material: binder in the ratio of 95.5: 1: 3.5. Here, Super P was used as the conductive material, and carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene-butadiene-rubber (SBR) were used as the binder.

상기 슬러리를 구리 호일에 균일하게 도포하고, 80℃ 오븐에서 약 2시간 동안 건조한 후, 롤 프레스하여 110℃ 진공 오븐에서 약 12시간 동안 추가 건조하여 음극을 제조하였다. The slurry was uniformly coated on a copper foil, dried in an 80 ° C. oven for about 2 hours, and then roll-pressed to further dry in a 110 ° C. vacuum oven for about 12 hours to prepare a negative electrode.

상기 제조된 음극을 작업 전극으로 사용하고, 리튬 호일을 상대 전극으로 사용하고, 음극 및 상대 전극 사이에 세퍼레이터로 폴리에틸렌막를 삽입하고, EC/EMC/DEC를 3/5/2의 부피비로 혼합한 혼합 용매에 10.0 중량%의 FEC를 첨가하고 리튬염으로 LiPF6를 1.3M의 농도가 되도록 첨가한 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 공정에 따라 CR2016 하프셀을 제작하였다.The prepared negative electrode is used as a working electrode, a lithium foil is used as a counter electrode, a polyethylene membrane is inserted into a separator between the negative electrode and the counter electrode, and EC / EMC / DEC is mixed in a volume ratio of 3/5/2. CR2016 half-cells were prepared according to a commonly known process using a liquid electrolyte solution in which 10.0% by weight of FEC was added to a solvent and LiPF 6 was added at a concentration of 1.3 M as a lithium salt.

비교예 3 내지 5Comparative Examples 3 to 5

제조예 3에서 얻은 복합음극활물질 대신에 비교 제조예 3-1 내지 3-3에서 얻은 복합음극활물질을 각각 사용한 것을 제외하고는 실시예 4의 방법과 동일한 방법으로 CR2016 하프셀을 제작하였다.CR2016 half-cells were prepared in the same manner as in Example 4, except that the composite cathode active materials obtained in Comparative Preparation Examples 3-1 to 3-3 were used instead of the composite cathode active materials obtained in Preparation Example 3.

평가예 3: 전기화학적 특성 평가Evaluation Example 3 Evaluation of Electrochemical Properties

실시예 4 및 비교예 3 내지 5에 따라 제작된 하프 셀을 25℃에서 0.1C-rate의 충전율로 충전을 시작하고, 전압은 0.005V까지 충전하며, 이때 일정 전류로 일정 전압을 갖도록 충전한 후 일정 전압으로 일정 전류 이하(0.01C)가 될 때까지 충전한다. 이후, 0.1C-rate의 방전율로 1.5V에 이를 때까지 정전류로 방전시켰다. 이와 같이 2회의 충ㅇ방전 사이클을 거친 후, 0.5C-rate의 충ㅇ방전율로 전압 구간은 0.005V 내지 1.5V로 하여 연속적으로 30회 충ㅇ방전 사이클을 반복한다. 상기 충방전 실험 결과의 일부를 하기 표 3 내지 5에 나타내었으며, 충방전 실험 결과 그래프는 도 4 내지 6에서 보여진다.After charging the half-cells prepared according to Example 4 and Comparative Examples 3 to 5 at a charge rate of 0.1 C-rate at 25 ° C., the voltage was charged to 0.005V, and then charged to have a constant voltage at a constant current. Charge at a constant voltage until it reaches below the constant current (0.01C). Thereafter, the battery was discharged at a constant current until it reached 1.5V at a discharge rate of 0.1 C-rate. After the two charge and discharge cycles as described above, the charge and discharge cycle of 0.5C-rate is repeated in the charge and discharge cycle 30 times continuously with a voltage section of 0.005V to 1.5V. Some of the charge and discharge test results are shown in Tables 3 to 5 below, and the charge and discharge test results graphs are shown in FIGS. 4 to 6.

초기효율은 하기 수학식 1로부터 각각 계산되었다.Initial efficiency was calculated from Equation 1 below.

<수학식 1> <Equation 1>

초기효율 [%] = [1st 사이클에서의 방전용량 / 1st 사이클에서의 충전용량] ㅧ 100The initial efficiency (%) = [discharge capacity / charge capacity at 1 st cycle at 1 st cycle] ㅧ 100

초기용량
[mAh/g]
Initial capacity
[mAh / g]
초기효율
[%]
Initial efficiency
[%]
실시예 4Example 4 710710 84.584.5 비교예 3Comparative Example 3 703703 84.184.1

상기 표 3에서 보는 바와 같이, 실시예 4에 비하여 분산제를 포함하지 않는 복합음극활물질을 사용한 비교예 3은 초기용량 및 초기 효율이 낮았음을 알 수 있다. 또한, 도 4에 따르면, 실시예 4의 경우 50 사이클에서 쿨롱 효율이 약 99.5로 유지되지만, 비교예 3의 경우 50 사이클에서 쿨롱 효율이 약 99.0으로 더 낮음을 알 수 있다. As shown in Table 3, Comparative Example 3 using a composite cathode active material containing no dispersant compared to Example 4 can be seen that the initial capacity and the initial efficiency was low. In addition, according to FIG. 4, the coulombic efficiency is maintained at about 99.5 at 50 cycles in Example 4, but the coulombic efficiency is lowered at about 99.0 at 50 cycles in Comparative Example 3.

초기용량
[mAh/g]
Initial capacity
[mAh / g]
초기효율
[%]
Initial efficiency
[%]
실시예 4Example 4 710710 84.584.5 비교예 4Comparative Example 4 685685 82.582.5

표 4에서 보는 바와 같이, 실시예 4에 비하여 실리콘 코팅층을 포함하지 않는 복합음극활물질을 사용한 비교예 4은 초기용량 및 초기 효율이 낮았음을 알 수 있다. 또한, 도 5에 따르면, 실시예 4의 경우 50 사이클에서 쿨롱 효율이 약 99.5로 유지되지만, 비교예 4의 경우 50 사이클에서 쿨롱 효율이 약 99.3으로 더 낮음을 알 수 있다. As shown in Table 4, Comparative Example 4 using a composite cathode active material that does not include a silicon coating layer compared to Example 4 can be seen that the initial capacity and the initial efficiency was low. In addition, according to FIG. 5, the coulombic efficiency is maintained at about 99.5 at 50 cycles in Example 4, but the coulombic efficiency is lowered at about 99.3 at 50 cycles in Comparative Example 4.

초기용량
[mAh/g]
Initial capacity
[mAh / g]
초기효율
[%]
Initial efficiency
[%]
실시예 4Example 4 710710 84.584.5 비교예 5Comparative Example 5 703703 86.886.8

표 5에서 보는 바와 같이, 실시예 4에 비하여 볼-밀링 실리콘 및 분산제를 포함하지 않는 복합음극활물질을 사용한 비교예 5은 초기용량이 더 낮음을 알 수 있다. 또한, 도 6에 따르면, 실시예 4의 경우 50 사이클에서 쿨롱 효율이 약 약 99.5로 유지되지만, 비교예 4의 경우 사이클 횟수에 따라 쿨롱 효율의 편차가 크게 나타나며, 평균적으로 실시예 4에 비하여 낮은 쿨롱 효율을 보였다. As shown in Table 5, Comparative Example 5 using a composite cathode active material containing no ball-milling silicon and dispersant compared to Example 4, it can be seen that the initial capacity is lower. In addition, according to FIG. 6, the coulombic efficiency is maintained at about 99.5 at 50 cycles in Example 4, but the variation in the coulombic efficiency is large according to the number of cycles in Comparative Example 4, which is lower than that in Example 4 on average. Coulomb efficiency was shown.

평가예 4: 수학식 1의 평가Evaluation Example 4: Evaluation of Equation 1

본 발명자는 복합음극활물질에 실리콘 코팅층을 불연속적인 도트 형상으로 형성시키기 위하여, 용량 증가량과 BET 비표면적의 상관관계를 검토하였다. 일반적으로, 용량은 증착되는 실리콘의 양과 비례하는 것인데, BET 비표면적을 높인다면 실리콘이 서로 연결되지 않고 독립적으로 위치될 수 있다.The present inventors examined the correlation between the capacity increase and the BET specific surface area in order to form a silicon coating layer in a discontinuous dot shape on the composite cathode active material. In general, the capacity is proportional to the amount of silicon deposited, and if the BET specific surface area is increased, the silicon can be positioned independently without being connected to each other.

우선, 구상흑연에 실리콘 코팅층을 14.76 중량% 증착하여 용량을 369 mAh/g 증가시키는 경우에 실리콘이 연속된 층의 형태로 증착됨을 확인하였다. (도 2b 참조)First, it was confirmed that silicon was deposited in the form of a continuous layer in the case of increasing the capacity of 369 mAh / g by depositing 14.76 wt% of the silicon coating layer on spherical graphite. (See Figure 2b)

한편, 판상흑연에 실리콘 코팅층을 12 중량% 증착하여 용량을 303 mAh/g 증가시키는 경우에 실리콘이 도트 형상으로 증착되는 것을 확인하였다. (도 2a 참조)On the other hand, it was confirmed that silicon was deposited in a dot shape when the silicon coating layer was deposited by 12% by weight on plate graphite to increase the capacity by 303 mAh / g. (See Figure 2A)

이때, 상기 실리콘이 증착된 구상 흑연 및 판상 흑연에 대한 BET 비표면적을 측정한 결과, 구상 흑연의 경우 18.54 m2/g 이었고, 판상 흑연의 경우 32.62 m2/g로 구상 흑연에 비해 약 1.75배의 차이가 있었다.At this time, the BET specific surface area of the silicon deposited spheroidal graphite and platelet graphite was measured. As a result, the spherical graphite was 18.54 m 2 / g, and the plated graphite was 32.62 m 2 / g, which is about 1.75 times higher than the spheroidal graphite. There was a difference.

현저한 BET 비표면적 값의 차이로 인해, 판상 흑연에서는 비슷한 용량 증가량에도 불구하고 도트 형상의 실리콘 코팅층을 구성할 수 있다.Due to the significant difference in the BET specific surface area value, it is possible to construct a dot-shaped silicon coating layer in plate graphite despite a similar increase in capacity.

나아가, 용량 증가량 및 BET 비표면적을 달리하여 반복적인 실험을 진행하였으며, 그 결과 하기 수학식 1을 만족하는 경우에, 실리콘 코팅층이 도트 형태로 복합음극활물질 표면에 증착될 수 있음을 확인하였다.Furthermore, repeated experiments were carried out by varying the capacity increase and the BET specific surface area. As a result, when the following Equation 1 is satisfied, it was confirmed that the silicon coating layer may be deposited on the surface of the composite cathode active material in the form of dots.

<수학식 1><Equation 1>

평가예 5: 분산제 함량 평가Evaluation Example 5: Evaluation of Dispersant Content

BET 비표면적에 영향을 미칠 수 있는 다른 요인으로서, 분산제의 함량을 조사하였다.As another factor that could affect the BET specific surface area, the content of dispersant was investigated.

도 7을 참조하면, 분산제의 함량을 0 중량%에서 8 중량%로 높여감에 따라, 실리콘 코팅층이 층상 형태에서 도트 형태로 변해가는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, as the content of the dispersant is increased from 0 wt% to 8 wt%, it can be seen that the silicon coating layer is changed from a layered form to a dot form.

이는 분산제가 볼-밀 실리콘 입자가 균일하게 분산될 수 있도록 함으로써, BET 비표면적이 극대화되기 때문이라고 생각된다.It is believed that this is because the dispersant allows the ball-mill silicon particles to be uniformly dispersed, thereby maximizing the BET specific surface area.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above described a preferred embodiment according to the present invention with reference to the drawings and embodiments, but this is only exemplary, those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. You will understand. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

Claims (20)

판상 흑연;
분산제;
상기 판상 흑연 표면에 배치된 리튬과 합금 가능한 금속; 및
상기 판상 흑연 표면, 상기 리튬과 합금 가능한 금속의 표면, 또는 이들의 조합상에 배치된 실리콘 코팅층;
을 포함하고,
상기 리튬과 합금 가능한 금속은 실리콘 산화물이 표면에 배치된 실리콘 나노 입자이고,
상기 실리콘 코팅층은 비정질 또는 준결정질 실리콘 입자를 포함하고,
상기 리튬과 합금가능한 금속이 상기 판상 흑연의 표면에 균일하게 분포되는 복합음극활물질.
Plate-like graphite;
Dispersants;
A metal alloyable with lithium disposed on the plate graphite surface; And
A silicon coating layer disposed on the plate graphite surface, the surface of the metal alloyable with lithium, or a combination thereof;
Including,
The metal alloyable with lithium is silicon nanoparticles with silicon oxide disposed on the surface,
The silicon coating layer includes amorphous or semicrystalline silicon particles,
The composite cathode active material in which the metal alloyable with the lithium is uniformly distributed on the surface of the plate graphite.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 코팅층은 복합음극활물질 표면에서 불연속적 코팅층인, 복합음극활물질.
The method of claim 1,
The silicon coating layer is a discontinuous coating layer on the surface of the composite cathode active material, composite cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 코팅층은 도트 형상을 갖는, 복합음극활물질.
The method of claim 1,
The silicon coating layer has a dot shape, composite cathode active material.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 분산제가 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블렉(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black), 기상성장 탄소섬유와 같은 탄소섬유, 흑연 미립자 또는 이들의 조합을 포함하는, 복합음극활물질.
The method of claim 1,
The dispersant comprises a carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fibers such as vapor-grown carbon fibers, graphite fine particles or combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 복합음극활물질은 하기 수학식 1을 만족하는, 복합음극활물질.
<수학식 1>
(용량 증가량(mAh/g) / BET 비표면적(m2/g)) < 10
The method of claim 1,
The composite cathode active material satisfies Equation 1 below.
<Equation 1>
(Capacity increase (mAh / g) / BET specific surface area (m 2 / g)) <10
제1항에 있어서,
상기 복합음극활물질은 20 내지 40 (m2/g)의 BET 비표면적으로 갖고,
상기 실리콘 입자의 함량은 상기 복합음극활물질 전체 중량을 기준으로 6 중량% 내지 14 중량%인, 복합음극활물질.
The method of claim 1,
The composite cathode active material has a BET specific surface area of 20 to 40 (m 2 / g),
The content of the silicon particles is 6% by weight to 14% by weight based on the total weight of the composite cathode active material, composite cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 리튬과 합금 가능한 금속이 상기 판상 흑연 표면의 전부 또는 일부 상에 분포된 복합음극활물질.
The method of claim 1,
The composite cathode active material in which the metal alloyable with the lithium is distributed on all or part of the plate graphite surface.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 리튬과 합금 가능한 금속은 비정형의 실리콘 입자인 복합음극활물질.
The method of claim 1,
The metal capable of alloying with lithium is a composite cathode active material is amorphous silicon particles.
제11항에 있어서,
상기 비정형 실리콘 입자의 중위입경(D50)은 20 nm 내지 300 nm인 복합음극활물질.
The method of claim 11,
The median particle size (D 50 ) of the amorphous silicon particles is 20 nm to 300 nm composite cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 복합음극활물질의 최외각에 탄소 코팅층을 더 포함하는 복합음극활물질.
The method of claim 1,
A composite cathode active material further comprising a carbon coating layer on the outermost portion of the composite cathode active material.
제13항에 있어서,
상기 탄소 코팅층의 두께가 2 nm 내지 5 ㎛인 복합음극활물질.
The method of claim 13,
The composite cathode active material having a thickness of the carbon coating layer is 2 nm to 5 ㎛.
(a) 판상 흑연, 분산제 및 리튬과 합금 가능한 금속의 혼합물을 믹싱하여 복합음극활물질 전구체를 얻는 단계; 및
(b) 상기 복합음극활물질 전구체의 표면에 실리콘 코팅층을 제공하는 단계;
를 포함하고,
상기 (a) 단계 이전에, 상기 리튬과 합금 가능한 금속을 볼밀링하는 단계를 더 포함하고,
상기 리튬과 합금 가능한 금속은 실리콘 산화물이 표면에 배치된 실리콘 나노 입자이고,
상기 실리콘 코팅층을 제공하는 단계는 실란 가스의 화학 기상 증착법(Chemical Vapour Deposition; CVD)에 의하여 수행되고,
상기 실리콘 코팅층은 비정질 또는 준결정질 실리콘 입자를 포함하는, 복합음극활물질의 제조방법.
(a) mixing a mixture of plate graphite, a dispersant and a metal alloyable with lithium to obtain a composite cathode active material precursor; And
(b) providing a silicon coating layer on a surface of the composite anode active material precursor;
Including,
Before the step (a), further comprising the step of ball milling the metal alloyable with the lithium,
The metal alloyable with lithium is silicon nanoparticles with silicon oxide disposed on the surface,
The step of providing the silicon coating layer is performed by chemical vapor deposition (CVD) of silane gas,
The silicon coating layer comprises amorphous or semi-crystalline silicon particles, a method for producing a composite cathode active material.
삭제delete 제15항에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에, 탄소 전구체를 첨가하고, 열처리하여 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 복합음극활물질의 제조방법.
The method of claim 15,
After the step (b), further comprising the step of adding a carbon precursor, and heat treatment to form a carbon coating layer, a method for producing a composite cathode active material.
제15항에 있어서,
상기 (b) 단계가 400℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는, 복합음극활물질의 제조방법.
The method of claim 15,
The step (b) is carried out at a temperature of 400 ℃ to 600 ℃, the composite cathode active material manufacturing method.
삭제delete 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제8항 및 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 음극활물질을 포함하는 음극,
양극, 및
전해질을 포함하는 리튬이차전지.
A negative electrode comprising the negative electrode active material according to any one of claims 1 to 3, 5 to 8 and 11 to 14,
Anode, and
Lithium secondary battery comprising an electrolyte.
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