KR102093588B1 - Positively charged silicon for lithium-ion batteries - Google Patents

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Abstract

본 발명은 규소를 포함하고 표면의 제타 전위에 영향을 미치는 화학적으로 처리된 또는 코팅된 표면을 갖는 리튬-이온 배터리용 음극 재료에 관한 것이다. 상기 활성 물질은 규소를 포함하는 코어(11)를 포함하는 입자 또는 입자 및 와이어로 구성되고, 이때 상기 입자는 pH 3.5와 9.5 사이, 바람직하게는 pH 4 내지 9.5 사이의 구간에서 양의 제타 전위를 갖는다. 상기 코어는 아미노 작용성 금속 산화물로 화학적으로 처리되거나, 상기 코어는 OySiHx 기(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 초과 내지 3 미만이고, x는 y보다 큼)로 적어도 부분적으로 덮여있거나, 상기 코어는 흡착된 무기 나노입자 또는 양이온성 다가 금속 이온 또는 산화물로 덮여 있다. The present invention relates to a negative electrode material for a lithium-ion battery comprising silicon and having a chemically treated or coated surface that affects the zeta potential of the surface. The active material consists of particles or particles and wires comprising a core 11 comprising silicon, wherein the particles have a positive zeta potential in a section between pH 3.5 and 9.5, preferably between pH 4 and 9.5. Have The core is chemically treated with an amino functional metal oxide, or the core is an O y SiH x group, where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than 1 and less than 3, and x is greater than y. At least partially covered, or the core is covered with adsorbed inorganic nanoparticles or cationic polyvalent metal ions or oxides.

Figure 112019069900828-pat00003
Figure 112019069900828-pat00003

Description

리튬-이온 배터리를 위한 양으로 하전된 규소{POSITIVELY CHARGED SILICON FOR LITHIUM-ION BATTERIES}Positively charged silicon for lithium-ion batteries {POSITIVELY CHARGED SILICON FOR LITHIUM-ION BATTERIES}

본 발명은 규소를 포함하고 표면의 제타 전위에 영향을 미치는 화학적으로 처리된 또는 코팅된 표면을 갖는 리튬-이온 배터리용 음극 재료에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material for a lithium-ion battery comprising silicon and having a chemically treated or coated surface that affects the zeta potential of the surface.

Li-이온 기술은 휴대용 배터리 시장을 지배하고 EV 및 HEV 적용을 위한 강력한 후보이다. 따라서, 이러한 큰 용적 적용의 경우, 보다 높은 에너지 밀도 및 전력률 전극에 대한 필요성 이외에, 안전성 및 비용 문제가 극복되어야 한다. 이 과제를 해결하기 위해, 고전적인 Li 삽입 기작에 비해 상이한 Li 반응성 기작(전환, 치환 및 합금화 반응)을 요구하는 매우 다양한 연구 방향들이 어느 정도 성공적으로 조사되고 있다. 최근 발견으로 인해 명확히 나노물질은 인터칼레이션 화합물(올리빈 LiFeP04)을 갖는 양극 측 및 합금화 반응을 갖는 음극 측 둘다에 있어서 상업용 전지에서 신속히 구현되는 단계에 있다. Li-ion technology dominates the portable battery market and is a strong candidate for EV and HEV applications. Thus, for such large volume applications, in addition to the need for higher energy density and power rate electrodes, safety and cost issues must be overcome. To solve this problem, a wide variety of research directions have been successfully investigated to some extent, requiring different Li-reactive mechanisms (conversion, substitution and alloying reactions) compared to classical Li insertion mechanisms. Clearly due to recent discoveries, nanomaterials are in the stage of rapid implementation in commercial cells both on the positive side with an intercalation compound (olivine LiFeP0 4 ) and on the negative side with an alloying reaction.

리튬을 사용한 원소의 전기화학적 합금화에 대한 실험 연구는 데이(Dey)가 실온에서 Sn, Pb, Al, Au 등을 사용한 Li 합금의 생성을 기술하고 이들이 야금술 방식에 의해 제조된 것과 유사하다고 지적하였을 때인 1970년대 초반에 시작되었다. 1976년, Li는 Li12Si7, Li14Si6, Li13Si4 및 Li22Si5 상의 연속 형성을 통해 고온에서 Si와 전기화학적으로 반응한다는 것이 발견되었다. 본 발명자들은 이 전기화학적 반응이 실온에서 Li15Si4 단성분으로 한정된다는 것을 알고 있지만, 이들의 성질(인터칼레이션, 합금화, 전환)과 관계없이 상응하는 중력(3579 mAh/g) 및 용적(8330 mAh/cm3) 용량은 지금까지 확인된 모든 다른 Li 흡수 반응을 훨씬 앞서고, 이 시스템에 대한 과거, 현재 및 확실히 미래 초점을 자체 정당화한다.An experimental study on the electrochemical alloying of elements using lithium was when Day described the formation of Li alloys using Sn, Pb, Al, Au, etc. at room temperature and pointed out that they were similar to those produced by metallurgical methods. It started in the early 1970s. In 1976, Li was found to react electrochemically with Si at high temperatures through continuous formation of Li 12 Si 7 , Li 14 Si 6 , Li 13 Si 4 and Li 22 Si 5 phases. We know that this electrochemical reaction is limited to the Li 15 Si 4 monocomponent at room temperature, but regardless of their properties (intercalation, alloying, conversion), the corresponding gravity (3579 mAh / g) and volume ( The 8330 mAh / cm 3 ) capacity far ahead of all other Li absorption reactions identified so far, and self-justify the past, present and certainly future focus on this system.

따라서, 합금에 기초한 전극에 내재하는 결점은 전극의 전기화학적 연삭 및 이로 인한 그의 전기 삼출 손실, 및 이 과정에서 입자 표면 상에서의 막대한 전해질 분해를 초래하는, 후속 충전/방전 시 큰 용적 스윙에 의해 야기된 그들의 좋지 않은 사이클링 수명(예를 들면, 빠른 용량 감퇴)에 있다. 이 문제를 피하기 위해, 제1 방안은 변형 및 탈위의 통상적인 기작이 미세 규모와 동일하지 않기 때문에, 즉 작은 입자가 파괴 없이 응력을 방출할 수 있기 때문에 나노입자로 만들어진 전극을 사용하는 것이었다. 불운하게도, 이들 나노규모 규소 분말은 공기에 노출될 때 신속히 산화되고, 국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 개시된 바와 같이 상업적으로 입수가능한 Si 또는 플라스마 공정에서 제자리에서 만들어진 Si의 표면은 (양성자화된) 실란올 기 SiOH에 의해 덮여있다. 이들 표면 실란올 기는 배터리의 수명 동안 음극에서 규소 입자의 비-최적 거동을 야기한다. Thus, the imperfections inherent in the alloy-based electrode are caused by the large volume swing during subsequent charge / discharge, which results in the electrochemical grinding of the electrode and its resulting electrical exudation loss, and enormous electrolyte decomposition on the particle surface in the process. Have been at their poor cycling life (eg, rapid capacity loss). To avoid this problem, the first solution was to use electrodes made of nanoparticles, because the conventional mechanism of deformation and displacement is not the same as on a microscale, ie because small particles can release stress without breaking. Unfortunately, these nanoscale silicon powders oxidize rapidly when exposed to air, and the surface of Si made in situ in a commercially available Si or plasma process as disclosed in International Patent Application Publication No. WO2012-000858 (protonated Silanol groups are covered by SiOH. These surface silanol groups cause non-optimal behavior of silicon particles at the cathode during the life of the battery.

전극 통합성을 유지하는 다른 방법은 1) 기판에의 강한 부착을 통해 최상의 전기 접촉을 제공하여 사이클링 동안 고품질 전기 접촉을 가능하게 하는 금속 박막의 제조, 2) 흥미로운 사이클링 성질을 갖는 Si/C/카복시-메틸-셀룰로스(CMC) 전극이 달성되도록 적절한 결합제(binder)를 사용한 (금속-탄소-결합제) 복합 전극의 제조, 또는 3) 용적 완충제 매트릭스로서 작용하는 탄소를 사용한 금속-탄소(Si/C, Sn/C) 복합물의 유기 전구체의 열분해를 통한 정밀화이다.Other methods of maintaining electrode integrity are 1) manufacturing a metal thin film that provides the best electrical contact through strong adhesion to the substrate to enable high quality electrical contact during cycling, 2) Si / C / carboxy with interesting cycling properties Preparation of a (metal-carbon-binder) composite electrode with an appropriate binder so that a -methyl-cellulose (CMC) electrode is achieved, or 3) metal-carbon (Si / C, with Si / C, acting as a volume buffer matrix) Sn / C) It is refined through thermal decomposition of the organic precursor of the composite.

슬러리 제조의 개선 및 우수한 결합제의 선택으로 규소 기제 전극의 거동을 개선하기 위한 엄청난 진보가 10년 동안 달성되었다. 그럼에도 불구하고, 활성 물질 입자는 다음 단계의 개선을 실현하도록, 특히 사이클링 동안 보다 우수한 용량 보유를 제공하도록 더 조정될 필요가 있다. 오늘날, 음극 용량이 리튬 반대 전극으로 유지될 수 있는 경우, 규소 기제 금속-기제 전극은 일반적으로 한정된 양의 리튬을 함유하는 양극으로 약한 용량 보유를 제공한다. 이 문제를 해결하기 위해, 규소 표면은 전해질 분해를 제한하도록 변경될 필요가 있다.Significant progress has been made over the past decade to improve the behavior of the silicon-based electrode with improved slurry production and the selection of good binders. Nevertheless, the active material particles need to be further adjusted to realize the next step of improvement, especially to provide better capacity retention during cycling. Today, when the negative electrode capacity can be maintained as a lithium counter electrode, a silicon-based metal-based electrode generally provides weak capacity retention with a positive electrode containing a limited amount of lithium. To solve this problem, the silicon surface needs to be modified to limit electrolyte decomposition.

상이한 방법들을 이용하여 규소 표면을 변경하고 보호할 수 있다. 그러나, 상기 물질이 전해질의 안정성의 잠재적인 범위를 증가시켜 전해질 분해를 감소시킬 필요가 있기 때문에 전해질의 반응성에 따라 신규 표면을 선택할 필요도 있다. 미국 특허출원 공보 제2011/0292570호에서 양의 표면 전하를 갖는 Si 나노입자는 그래핀으로 코팅된다. 양 전하는 바람직하게는 아미노 기 및 암모늄 기, 예컨대, NR2 및 NR3 +(이때, R은 H, C1-C6-알킬 및 C1-C6-하이드록시알킬로부터 선택됨)로부터 선택된 작용기에 의한 나노입자의 표면의 변경에 의해 야기된다.Different methods can be used to modify and protect the silicon surface. However, it is also necessary to select a new surface according to the reactivity of the electrolyte, since the material needs to increase the potential range of stability of the electrolyte to reduce electrolyte decomposition. In US Patent Application Publication No. 2011/0292570, Si nanoparticles having a positive surface charge are coated with graphene. The positive charge is preferably a functional group selected from an amino group and an ammonium group, such as NR 2 and NR 3 + , where R is selected from H, C 1 -C 6 -alkyl and C 1 -C 6 -hydroxyalkyl. Caused by alteration of the surface of the nanoparticles.

본 발명의 목적은 사이클링 동안 보다 우수한 용량 보유를 제공할 수 있는 재충전가능한 배터리의 음극에서 사용된 신규 Si 기제 입자를 개시하는 것이다.It is an object of the present invention to disclose new Si base particles used in the negative electrode of a rechargeable battery that can provide better capacity retention during cycling.

제1 양태로부터 볼 때, 본 발명은 규소를 포함하는 코어를 포함하는, 리튬 재충전가능한 배터리에서 사용하기 위한 음극 재료를 제공할 수 있으며, 이때 상기 재료는 pH 3.5 내지 9.5, 바람직하게는 pH 4 내지 9.5의 구간(interval)에서 양의 제타 전위를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제타 전위는 3.5 내지 9.5의 pH 구간, 심지어 4 내지 9.5의 pH 구간에서 +10 mV 이상, 바람직하게는 +20 mV 이상이다. 보다 높은 제타 전위를 갖는 이점은 수성 매질에서의 페이스트 제조 동안 탄소, 활성 물질 및 결합제 사이의 분산을 개선하는데 있다. 제타 전위는 천연적으로 탈염수에서 측정된 전위를 의미한다. 코어 재료는 나노미터 크기(따라서 100 nm 미만의 하나 이상의 치수를 가짐), 마이크로미터 미만의 크기, 또는 마이크로미터 크기를 가질 수 있고, 나노 크기의 Si 입자와 나노 크기의 Si 와이어의 혼합물을 포함할 수 있고, 이때 Si 입자의 평균 입자 크기는 예컨대, 국제 특허출원 공보 제WO2012-000854호에 기재된 바와 같이 Si 와이어의 평균 폭의 5배 이상, 바람직하게는 Si 와이어의 평균 폭의 10배 이상이다. Li-이온 이차 배터리용 이 음극 재료는 사이클링 동안 용량 손실을 제한한다는 점에서 상당한 이점을 제공한다. 한 실시양태에서, 상기 재료는 pH 4 이상, 바람직하게는 pH 7 이상에서 0 전하 점을 갖는다.Viewed from the first aspect, the present invention can provide a negative electrode material for use in a lithium rechargeable battery comprising a core comprising silicon, wherein the material is pH 3.5 to 9.5, preferably pH 4 to It has a positive zeta potential in the interval of 9.5. In some embodiments, the zeta potential is +10 mV or more, preferably +20 mV or more, in a pH section of 3.5 to 9.5, even in a pH section of 4 to 9.5. The advantage of having a higher zeta potential is to improve the dispersion between carbon, active material and binder during paste preparation in aqueous media. Zeta potential naturally refers to the potential measured in demineralized water. The core material may have a nanometer size (thus having one or more dimensions of less than 100 nm), a size of less than a micrometer, or a micrometer size, and may include a mixture of nano-sized Si particles and nano-sized Si wire. In this case, the average particle size of the Si particles is, for example, as described in International Patent Application Publication No. WO2012-000854, at least 5 times the average width of the Si wire, preferably at least 10 times the average width of the Si wire. This negative electrode material for Li-ion secondary batteries offers significant advantages in that it limits capacity loss during cycling. In one embodiment, the material has a zero charge point at pH 4 or higher, preferably at pH 7 or higher.

또 다른 실시양태에서, 음극 재료는 1 내지 60 ㎡/g, 바람직하게는 20 내지 60 ㎡/g의 BET 값을 특징으로 하는 비표면적을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 상기 코어는 20 nm 내지 200 nm의 평균 입자 크기를 갖는다(평균 입자 직경은 비다공성 구형 입자 및 개별 물질의 이론상 밀도를 가정함으로써 계산되었다). 전체 미분을 거치지 않고 나노미터 크기의 평균 입자 직경을 계산하기 위한 방정식은 6000/((㎡/g 단위의 BET 표면적) x (g/㎤ 단위의 밀도))이고,In another embodiment, the negative electrode material has a specific surface area characterized by a BET value of 1 to 60 m 2 / g, preferably 20 to 60 m 2 / g. In another embodiment, the core has an average particle size of 20 nm to 200 nm (average particle diameter was calculated by assuming the theoretical density of non-porous spherical particles and individual materials). The equation for calculating the nanometer-sized average particle diameter without going through the total differential is 6000 / ((BET surface area in m2 / g units) x (density in g / cm3)),

- 순수한 규소(적어도 야금술 등급), 또는-Pure silicon (at least metallurgical grade), or

- 나노미터 크기의 Si와 SiO2의 혼합물로 구성된 일산화규소 분말로서, 마이크로미터 크기를 가질 수 있는 분말, 또는-A silicon monoxide powder composed of a mixture of nanometer-sized Si and SiO 2 , which can have a micrometer size, or

- 0.5 nm 내지 10 nm의 평균 두께를 갖는 SiOx 표면층(이때, x는 0 초과 내지 2 미만임)을 갖는 규소, 또는Silicon having a SiO x surface layer (where x is greater than 0 and less than 2) having an average thickness of 0.5 nm to 10 nm, or

- 화학식 SiOx.(MaOb)y(이때, x는 0 초과 내지 1 미만이고, y는 0 이상 내지 1 미만이고, a 및 b는 전기적 중성을 제공하도록 선택되고, M은 Ca, Mg, Li, Al 및 Zr 중 하나 이상임)을 갖는, 규소 산화물과 금속 산화물의 균일(homogeneous) 혼합물, 또는-The formula SiO x . (M a O b ) y (where x is greater than 0 and less than 1, y is greater than or equal to 1 and less than 1, a and b are selected to provide electrical neutrality, M is Ca, Mg , A homogeneous mixture of silicon oxide and metal oxide, having one or more of Li, Al and Zr), or

- 합금 Si-X(이때, X는 Sn, Ti, Fe, Ni, Cu, Co 및 Al으로 구성된 군 중 하나 이상의 금속임)-Alloy Si-X (where X is one or more metals from the group consisting of Sn, Ti, Fe, Ni, Cu, Co and Al)

로 구성된다. 순수한 규소는 나노미터 크기를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 규소는 탄소로 코팅될 수 있다. 규소 재료는 20 nm 내지 200 nm의 평균 일차 입자 크기를 갖는 Si 분말일 수도 있고, 이때 상기 분말은 예컨대, 국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 개시된 바와 같이 0.5 nm 내지 10 nm의 평균 두께를 갖는 SiOx(이때, x는 0 초과 내지 2 미만) 표면층을 갖는다. 상기 언급된 합금은 미국 특허출원 공보 제2010-0270497호, 국제 특허출원 공보 제WO2007-120347호 또는 동시계류중인 국제 특허출원 제PCT/EP2011/068828호에 개시된 바와 같이 Si 이외에 금속, 예컨대, Sn, Ti, Ni, Fe, Cu, Co 및 Al을 포함할 수 있다. It consists of. Pure silicon can have a nanometer size. In some embodiments, silicon can be coated with carbon. The silicon material may be a Si powder having an average primary particle size of 20 nm to 200 nm, wherein the powder has an average thickness of 0.5 nm to 10 nm, for example, as disclosed in International Patent Application Publication No. WO2012-000858. SiO x (where x is greater than 0 and less than 2) has a surface layer. The above-mentioned alloys are metals other than Si, such as Sn, as disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2010-0270497, International Patent Application Publication No. WO2007-120347 or co-pending International Patent Application PCT / EP2011 / 068828. Ti, Ni, Fe, Cu, Co and Al.

한 특정 실시양태에서, 코어의 표면은 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 큼) 기를 보유한다. OySiHx 기는 실란올(SiOH)과 SiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만임)의 혼합물인 것도 고려될 수 있다. 실란올 기 및 SiHx의 존재는 하기 방법들에 의해 검출될 수 있다:In one particular embodiment, the surface of the core has O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y) groups. It is also conceivable that the O y SiH x group is a mixture of silanol (SiOH) and SiH x (where x is greater than 1 and less than 3). The presence of silanol groups and SiH x can be detected by the following methods:

- 약 1.7 ppm 및 약 4 ppm에서 2개의 상이한 영역을 보여주는 1H MAS NMR 분광측정. 제1 영역은 Si-OH에 상응하는 반면, 제2 영역은 흡착된 물 또는 SiHx 기로 배정된다. 1 H MAS NMR spectroscopy showing two different regions at about 1.7 ppm and about 4 ppm. The first region corresponds to Si-OH, while the second region is assigned to adsorbed water or SiH x groups.

- 단리된 실란올 또는 두 규소에 대한 인접 실란올인, 단일 하이드록실 기를 보유하는 규소 원자에 기인할 수 있는 제1 밴드를 -100 ppm에서 보여주는 29Si MAS/CPMG NMR 분광측정. -82 ppm에 존재하는 또 다른 밴드는 하나 이상의 수소를 보유하는 규소(SiHx)로 배정된다. 29 Si MAS / CPMG NMR spectroscopy showing at -100 ppm a first band that can be attributed to an isolated silanol or adjacent silanol for two silicons, a silicon atom bearing a single hydroxyl group. Another band present at -82 ppm is assigned to silicon (SiH x ) with at least one hydrogen.

- 약 1100 cm-1에서 Si-O-Si 모드뿐만 아니라 다양한 결정 모드의 존재를 보여주는 DRIFT 적외선 분광측정. 약 3500 cm-1의 피크들은 하이드록실화된 실란올 기에 기인한다. 2260 cm- 1와 2110 cm-1 사이의 상이한 피크들은 OySiHx 변형 모드로 배정될 수 있다.-DRIFT infrared spectroscopy showing the presence of various crystal modes as well as Si-O-Si mode at about 1100 cm -1 . The peaks of about 3500 cm -1 are due to hydroxylated silanol groups. 2260 cm - different peak between 1 and 2110 cm -1 it can be assigned to the SiH x O y transform mode.

또 다른 실시양태에서, 코어의 표면은 무기 나노입자로 구성된 코팅에 의해 적어도 부분적으로 덮여있다. 상기 표면이 적어도 부분적으로 덮여있다는 것은 여기에서도 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 더 큼) 기를 추가로 보유할 수 있다는 것을 의미한다. 이들 무기 나노입자는 알루미늄 화합물(예컨대, Al203), 아연 화합물(예컨대, 산화아연) 및 안티몬 화합물)(예컨대, 산화안티몬) 중 하나일 수 있다. 한 실시양태에서, 코팅 중의 나노입자는 환원에 의해 알루미늄, 아연 및 안티몬 중 하나로 전환되기 쉬운 전구체 재료로 구성된다. 나노입자는 10 nm 미만의 두께를 갖는 제1 코팅 층을 코어 상에서 형성할 수 있다. 제1 코팅층은 바람직하게 1 nm와 5 nm 사이의 두께를 갖는다. 나노입자의 코어와 제1 코팅층 사이에 위치한 제2 코팅층으로서, 탄소 또는 알루미늄을 포함하는 제2 코팅층이 제공될 수 있다. 제1 코팅층과 제2 코팅층 중 하나 또는 둘다는 전기화학적 활성을 나타낼 수 있다. 코어의 표면이 무기 나노입자로 구성된 코팅에 의해 적어도 부분적으로 덮여있는 실시양태는 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 큼) 기를 보유하는 실시양태와 조합될 수 있다.In another embodiment, the surface of the core is at least partially covered by a coating composed of inorganic nanoparticles. The fact that the surface is at least partially covered here further adds a group of cores having an O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y). It means you can hold it. These inorganic nanoparticles may be one of aluminum compounds (eg, Al 2 0 3 ), zinc compounds (eg, zinc oxide) and antimony compounds (eg, antimony oxide). In one embodiment, the nanoparticles in the coating consist of a precursor material that is prone to conversion to one of aluminum, zinc and antimony by reduction. The nanoparticles can form a first coating layer having a thickness of less than 10 nm on the core. The first coating layer preferably has a thickness between 1 nm and 5 nm. As a second coating layer positioned between the core of the nanoparticles and the first coating layer, a second coating layer including carbon or aluminum may be provided. One or both of the first coating layer and the second coating layer may exhibit electrochemical activity. In embodiments where the surface of the core is at least partially covered by a coating composed of inorganic nanoparticles, the surface of the core is O y SiH x (where x is more than 1 and less than 3, y is 1 or more and 3 or less, x May be greater than y).

또 다른 특정 실시양태에서, 코어의 표면은 일차 아민 작용기, 이차 아민 작용기 및 삼차 아민 작용기 중 하나 이상을 갖는 흡착된 양이온성 중합체에 의해 적어도 부분적으로 덮여있다. 상기 표면이 적어도 부분적으로 덮여있다는 것은 여기에서도 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 더 큼) 기를 추가로 보유할 수 있다는 것을 의미한다. 또 다른 특정 실시양태에서, 코어의 표면은 흡착된 양이온성 다가 금속 이온에 의해 적어도 부분적으로 덮여있다. 상기 표면이 적어도 부분적으로 덮여있다는 것은 여기에서도 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 더 큼) 기를 추가로 보유할 수 있다는 것을 의미한다. 한 실시양태에서, 금속 이온은 Al-이온, Sb-이온, Fe-이온, Ti-이온 및 Zn-이온으로 구성된 군 중 하나 이상일 수 있다. 이 실시양태는 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 더 큼) 기를 보유하는 실시양태와 조합될 수 있다. 추가 특정 실시양태에서, 코어의 표면은 양이온성 다가 금속 산화물의 흡착된 나노입자에 의해 적어도 부분적으로 덮여있다. 상기 표면이 적어도 부분적으로 덮여있다는 것은 여기에서도 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 더 큼) 기를 추가로 보유할 수 있다는 것을 의미한다. 한 실시양태에서, 금속 산화물은 Al-산화물, Ca-산화물, Mg-산화물, Pb-산화물, Sb-산화물, Fe-산화물, Ti-산화물, Zn-산화물 및 In-수산화물로로 구성된 군 중 하나 이상이다. 또 다른 추가 특정 실시양태에서, 코어의 표면은 아미노 작용성(amino-functional) 금속 화합물에 공유결합된 실란올 기(-Si-0- 기)에 의해 적어도 부분적으로 덮여있고, 이때 상기 금속은 Si, Al 및 Ti로 구성된 군 중 하나 이상이다. 상기 표면이 적어도 부분적으로 덮여있다는 것은 여기에서도 코어의 표면이 OySiHx(이때, x는 1 초과 내지 3 미만이고, y는 1 이상 내지 3 이하이고, x는 y보다 더 큼) 기를 추가로 보유할 수 있다는 것을 의미한다. 한 실시양태에서, 코어 표면을 화학적으로 처리하는 데에 사용되는 아미노 작용성 금속 화합물은 알콕사이드일 수 있다.In another specific embodiment, the surface of the core is at least partially covered by an adsorbed cationic polymer having one or more of primary amine functionality, secondary amine functionality and tertiary amine functionality. The fact that the surface is at least partially covered here further adds a group of cores having an O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y). It means you can hold it. In another specific embodiment, the surface of the core is at least partially covered by adsorbed cationic polyvalent metal ions. The fact that the surface is at least partially covered here further adds a group of cores having an O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y). It means you can hold it. In one embodiment, the metal ion can be one or more of the group consisting of Al-ion, Sb-ion, Fe-ion, Ti-ion and Zn-ion. This embodiment can be combined with embodiments in which the surface of the core has O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y) groups. . In a further specific embodiment, the surface of the core is at least partially covered by adsorbed nanoparticles of cationic polyvalent metal oxide. The fact that the surface is at least partially covered here further adds a group of cores having an O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y). It means you can hold it. In one embodiment, the metal oxide is at least one of the group consisting of Al-oxide, Ca-oxide, Mg-oxide, Pb-oxide, Sb-oxide, Fe-oxide, Ti-oxide, Zn-oxide and In-hydroxide. to be. In another further specific embodiment, the surface of the core is at least partially covered by a silanol group (-Si-0 - group) covalently bonded to an amino-functional metal compound, wherein the metal is Si , Al and Ti. The fact that the surface is at least partially covered here further adds a group of cores having an O y SiH x (where x is greater than 1 and less than 3, y is greater than or equal to 1, and x is greater than y). It means you can hold it. In one embodiment, the amino functional metal compound used to chemically treat the core surface can be an alkoxide.

제2 양태로부터 볼 때, 본 발명은 수용성 또는 N-메틸피롤리돈 가용성 결합제 재료를 추가로 포함하는 음극에서 전술된 활성 물질의 사용을 제공할 수 있다. 상기 음극은 흑연을 추가로 포함할 수 있다.Viewed from the second aspect, the present invention can provide the use of the above-described active substance in the negative electrode further comprising a water-soluble or N-methylpyrrolidone soluble binder material. The negative electrode may further include graphite.

제3 양태로부터 볼 때, 본 발명은 하기 단계들을 포함하는, 음극 재료를 제조하는 방법을 제공할 수 있다:Viewed from the third aspect, the present invention can provide a method of manufacturing a cathode material, comprising the following steps:

- 나노미터 크기의 규소 재료를 제공하는 단계,-Providing a nanometer-sized silicon material,

- 상기 규소 재료를 물에 분산시키는 단계,-Dispersing the silicon material in water,

- 소정 양의 양이온성 다가 금속 이온을 분산액에 제공하는 단계,-Providing a predetermined amount of cationic polyvalent metal ion to the dispersion,

- 분산액의 pH를 2 내지 3.5, 바람직하게는 2 내지 2.5의 값으로 조절하는 단계, 및 그 후,-Adjusting the pH of the dispersion to a value of 2 to 3.5, preferably 2 to 2.5, and thereafter,

- 분산액의 pH를 pH 3.5 내지 4의 값으로 조절하는 단계,-Adjusting the pH of the dispersion to a value of pH 3.5 to 4,

- 분산액의 제타 전위를 측정하는 단계, 및 제타 전위가 음인 경우,-Measuring the zeta potential of the dispersion, and if the zeta potential is negative,

- 분산액의 pH를 이전 pH 값보다 0.5 더 높은 값으로 추가적으로 조절하고 용액의 제타 전위를 측정하는 단계, 및 -Further adjusting the pH of the dispersion to a value higher than the previous pH value and measuring the zeta potential of the solution, and

- 양의 제타 전위가 측정될 때까지 상기 조절 단계를 반복하는 단계. 양이온성 다가 이온이 분산액 내로 혼합되는 경우, 규소 재료는 후속 pH 조절 단계 동안 무기 나노입자로 구성된 코팅으로 전환되는, 흡착된 양이온성 다가 금속 이온에 의해 부분적으로 덮여있다. 나노미터 크기의 규소 재료는 중성 pH에서 탈염수에 분산될 수 있다. 분산액의 pH를 2 내지 3.5의 값으로 조절하는 단계는 HCl의 첨가에 의해 수행될 수 있다. pH가 2 미만의 값으로 조절되는 경우, Si를 산 용액에 용해시킬 위험이 있다. 분산액의 pH를 3.5 내지 4의 값으로 조절하는 단계, 및 적용가능한 경우, 분산액의 pH를 이전 pH 값보다 0.5 더 높은 값으로 추가적으로 조절하는 단계 둘다가 NaOH의 첨가에 의해 수행될 수 있다. 양이온성 다가 금속 이온은 (우연한) 도판트로서 나노미터 크기의 규소 재료에 존재할 수 있거나 분산액의 제조에 사용된 물에 첨가될 수 있다. -Repeating said adjusting step until a positive zeta potential is measured. When the cationic polyvalent ion is mixed into the dispersion, the silicon material is partially covered by the adsorbed cationic polyvalent metal ion, which is converted to a coating composed of inorganic nanoparticles during a subsequent pH adjustment step. Nanometer-sized silicon materials can be dispersed in demineralized water at neutral pH. The step of adjusting the pH of the dispersion to a value of 2 to 3.5 can be performed by adding HCl. If the pH is adjusted to a value less than 2, there is a risk of dissolving Si in an acid solution. Both the step of adjusting the pH of the dispersion to a value of 3.5 to 4, and, if applicable, further adjusting the pH of the dispersion to a value higher than the previous pH value of 0.5 can be performed by the addition of NaOH. Cationic polyvalent metal ions can be present in nanometer-sized silicon materials as (accidental) dopants or can be added to the water used to prepare the dispersion.

본 발명은 하기 단계들을 포함하는 음극 재료의 제조 방법도 제공할 수 있다:The present invention can also provide a method of making a cathode material comprising the following steps:

- 나노미터 크기의 규소 재료를 제공하는 단계, 및-Providing a nanometer-sized silicon material, and

- 2 nm 내지 10 nm의 두께를 갖는 층이 형성될 때까지 반응 챔버 내에서 기체의(gaseous) 유기-알루미늄, 유기-아연 또는 유기-안티몬 스트림 및 수증기를 사용하여 1 mbar 이상의 진공 하에서 및 50℃ 내지 500℃의 온도에서 상기 규소 재료에 대해 원자층 침착 공정을 실시하는 단계. 상기 진공은 10-1 mbar 이상일 수 있고, 온도는 상기 공정을 보다 경제적으로 만들기 위해 150℃ 내지 250℃일 수 있다.Under vacuum of at least 1 mbar and 50 ° C. using a gaseous organo-aluminum, organo-zinc or organo-antimony stream and water vapor in the reaction chamber until a layer with a thickness of 2 nm to 10 nm is formed Performing an atomic layer deposition process on the silicon material at a temperature of between -500 ° C. The vacuum may be 10 -1 mbar or more, and the temperature may be 150 ° C to 250 ° C to make the process more economical.

본 발명은 하기 단계들을 포함하는, 음극 재료를 제조하는 공정 실시양태도 제공할 수 있다:The present invention can also provide process embodiments for making a cathode material, comprising the following steps:

- 나노미터 크기의 규소 재료를 제공하고 상기 규소 재료를 물에 분산시키는 단계,-Providing a nanometer-sized silicon material and dispersing the silicon material in water,

- 소정 양의 양이온성 다가 금속 이온을 분산액에 제공하는 단계,-Providing a predetermined amount of cationic polyvalent metal ion to the dispersion,

- 분산액을 혼합하여 상기 규소 재료를 흡착된 양이온성 다가 금속 이온으로 적어도 부분적으로 덮는 단계, 및-Mixing the dispersion to at least partially cover the silicon material with adsorbed cationic polyvalent metal ions, and

- 금속 이온-규소 혼합물을 건조시키는 단계. 나노미터 크기의 규소 재료는 중성 pH에서 탈염수에 분산될 수 있다. 상기 금속 이온은 예를 들면, Al-이온, Sb-이온, Fe-이온, Ti-이온 및 Zn-이온으로 구성된 군 중 하나 이상일 수 있다. 건조 단계는 70℃ 내지 100℃에서 진공 하에서 1시간 이상 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 이 공정은 건조 금속 이온-규소 혼합물을 물에 재분산시키는 추가 단계, 및 분산액을 2 내지 6의 pH까지 산성화시키는 추가 단계를 포함할 수 있다. 이 방식으로 제타 전위에 대한 보다 높은 값이 달성된다. 상기 두 추가 단계들은 2 내지 6의 pH에서 산 용액에 재분산시킴으로써 조합될 수 있다. 이 방법 실시양태는 본 발명의 제3 양태에서 첫 번째로 명명된 공정과 조합될 수도 있다.-Drying the metal ion-silicon mixture. Nanometer-sized silicon materials can be dispersed in demineralized water at neutral pH. The metal ion may be, for example, one or more of the group consisting of Al-ion, Sb-ion, Fe-ion, Ti-ion and Zn-ion. The drying step may include heating at 70 ° C. to 100 ° C. under vacuum for at least 1 hour. This process can include an additional step of redispersing the dry metal ion-silicon mixture in water, and an additional step of acidifying the dispersion to a pH of 2-6. In this way a higher value for zeta potential is achieved. The two additional steps can be combined by redispersing in an acid solution at a pH of 2-6. This method embodiment may be combined with the first named process in the third aspect of the invention.

본 발명은 하기 단계들을 포함하는 음극 재료의 제조 방법도 제공할 수 있다:The present invention can also provide a method of making a cathode material comprising the following steps:

- 나노미터 크기의 규소 재료를 제공하는 단계,-Providing a nanometer-sized silicon material,

- 상기 규소 재료를 암모늄 이온을 포함하는 물에 분산시키고, 상기 규소 재료의 표면을 실란올 기로 덮는 단계,-Dispersing the silicon material in water containing ammonium ions, and covering the surface of the silicon material with silanol groups,

- 아미노 작용성 금속 산화물 화합물을 혼합물에 제공하는 단계,-Providing an amino functional metal oxide compound to the mixture,

- 혼합물을 교반하여 실란올 기를 아미노 작용성 금속 화합물에 공유결합시키는 단계, 및-Stirring the mixture to covalently bond the silanol group to the amino functional metal compound, and

- 혼합물을 건조시키는 단계. 암모늄 이온은 용액의 pH를 조절하기 위해 첨가된다. 상기 용액은 금속 산화물 화합물의 용해를 더 용이하게 하기 위해 에탄올을 포함할 수 있다. 건조 단계는 70℃ 내지 100℃에서 진공 하에서 1시간 이상 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계 전, 에탄올을 사용하는 세척 단계를 수행할 수 있다. 금속 산화물 화합물 중의 금속은 예를 들면, Si, Al 및 Ti로 구성된 군 중 하나 이상일 수 있다.-Drying the mixture. Ammonium ions are added to adjust the pH of the solution. The solution may include ethanol to further facilitate dissolution of the metal oxide compound. The drying step may include heating at 70 ° C. to 100 ° C. under vacuum for at least 1 hour. Before this step, a washing step using ethanol may be performed. The metal in the metal oxide compound may be, for example, one or more of the group consisting of Si, Al and Ti.

본 발명은 하기 단계들을 포함하는, 음극 재료를 제조하는 방법도 제공할 수 있다:The present invention can also provide a method of making a cathode material, comprising the following steps:

- 나노미터 크기의 규소 재료를 제공하는 단계,-Providing a nanometer-sized silicon material,

- 상기 규소 재료를 물에 분산시키는 단계,-Dispersing the silicon material in water,

- 소정 양의 양이온성 다가 금속 산화물의 나노입자를 분산액에 첨가하는 단계,-Adding a predetermined amount of cationic polyvalent metal oxide nanoparticles to the dispersion,

- 분산액을 교반하여 규소 재료의 표면을 양이온성 다가 금속 산화물의 흡착된 나노입자로 적어도 부분적으로 덮는 단계, 및-Stirring the dispersion to at least partially cover the surface of the silicon material with adsorbed nanoparticles of cationic polyvalent metal oxide, and

- 금속 산화물-규소 혼합물을 건조시키는 단계. 나노미터 크기의 규소 재료는 중성 pH에서 탈염수에 분산될 수 있다. 금속 산화물은 예를 들면, Al-산화물, Ca-산화물, Mg-산화물, Pb-산화물, Sb-산화물, Fe-산화물, Ti-산화물, Zn-산화물 및 In-수산화물로 구성된 군 중 하나 이상일 수 있다. 건조 단계는 70℃ 내지 100℃의 온도에서 진공 하에서 1시간 이상 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다. -Drying the metal oxide-silicon mixture. Nanometer-sized silicon materials can be dispersed in demineralized water at neutral pH. The metal oxide may be, for example, one or more of the group consisting of Al-oxide, Ca-oxide, Mg-oxide, Pb-oxide, Sb-oxide, Fe-oxide, Ti-oxide, Zn-oxide and In-hydroxide. . The drying step may include heating at a temperature of 70 ° C to 100 ° C under vacuum for at least 1 hour.

상이한 공정 실시양태에서, 최종 생성물은 0.01 cc/g 미만의 개방 공극 용적을 가질 수 있다. 한 공정 실시양태에서, 상기 각각의 공정에서 나노미터 크기의 물질은 입자 또는 입자와 와이어의 혼합물로 구성될 수 있고, 이때 상기 입자 및 상기 와이어 둘다가 나노미터 크기를 갖고, 상기 입자의 평균 입자 크기는 상기 와이어의 평균 폭의 5배 이상, 바람직하게는 상기 와이어의 평균 폭의 10배 이상이다. 또 다른 공정 실시양태에서, 규소 재료는 In different process embodiments, the final product can have an open pore volume of less than 0.01 cc / g. In one process embodiment, the nanometer-sized material in each of the above processes may consist of particles or a mixture of particles and wires, wherein both the particles and the wires have nanometer sizes, and the average particle size of the particles Is 5 times or more of the average width of the wire, preferably 10 times or more of the average width of the wire. In another process embodiment, the silicon material

- 순수한 규소,-Pure silicon,

- 나노미터 크기의 Si 및 Si02의 혼합물로 구성된 일산화규소 분말로서, 마이크로미터 크기를 가질 수 있는 일산화규소 분말, -Silicon monoxide powder composed of a mixture of nanometer-sized Si and Si0 2 , which can have a micrometer-sized silicon monoxide powder,

- SiOx 표면층(이때, x는 0 초과 내지 2 미만임)으로서, 0.5 nm 내지 10 nm의 평균 두께를 갖는 표면층을 갖는 규소,SiO x surface layer (where x is greater than 0 and less than 2), silicon having a surface layer having an average thickness of 0.5 nm to 10 nm,

- 화학식 SiOx.(MaOb)y(이때, x는 0 초과 내지 1 미만이고, y는 0 이상 내지 1 미만이고, a 및 b는 전기적 중성을 제공하도록 선택되고, M은 Ca, Mg, Li, Al 및 Zr 중 하나 이상임)을 갖는, 규소 산화물과 금속 산화물의 균일 혼합물, 또는-The formula SiO x . (M a O b ) y (where x is greater than 0 and less than 1, y is greater than or equal to 1 and less than 1, a and b are selected to provide electrical neutrality, M is Ca, Mg , Li, Al and Zr), a uniform mixture of silicon oxide and metal oxide, or

- 합금 Si-X(이때, X는 Sn, Ti, Fe, Ni, Cu, Co 및 Al으로 구성된 군 중 하나 이상의 금속임)-Alloy Si-X (where X is one or more metals from the group consisting of Sn, Ti, Fe, Ni, Cu, Co and Al)

로 구성될 수 있다.It can be composed of.

제4 양태로부터 볼 때, 본 발명은 전술된 음극 재료를 포함하는 재충전가능한 Li-이온 배터리용 전극 조립체를 제조하는 방법으로서, 하기 단계들을 포함하는 방법을 제공할 수 있다:Viewed from the fourth aspect, the present invention can provide a method of manufacturing an electrode assembly for a rechargeable Li-ion battery comprising the negative electrode material described above, comprising the following steps:

- 상기 음극 재료를 수용액에 분산시켜 제1 슬러리를 수득하는 단계,-Dispersing the negative electrode material in an aqueous solution to obtain a first slurry,

- 제1 슬러리의 pH를 상기 재료의 제타 전위가 양인 구간 내의 값으로 조절하는 단계,-Adjusting the pH of the first slurry to a value within a section where the zeta potential of the material is positive,

- 결합제 재료의 수용액을 수득하기 위해 CMC 염을 물에 용해시키는 단계,-Dissolving the CMC salt in water to obtain an aqueous solution of the binder material,

- 결합제 재료의 수용액의 pH를 상기 재료의 제타 전위가 양인 구간 내의 값, 바람직하게는 상기 제1 슬러리의 pH 값으로 조절하는 단계,-Adjusting the pH of the aqueous solution of the binder material to a value within a section in which the zeta potential of the material is positive, preferably the pH value of the first slurry,

- 상기 제1 슬러리와 상기 결합제 재료의 수용액을 혼합하여 제2 슬러리를 수득하는 단계,-Mixing the first slurry with an aqueous solution of the binder material to obtain a second slurry,

- 도전성(conductive) 탄소를 제2 슬러리에 분산시키는 단계,-Dispersing the conductive carbon in the second slurry,

- 상기 제2 슬러리를 집전체, 바람직하게는 구리 호일 상에 도포하는(spreading) 단계, 및-Spreading the second slurry onto a current collector, preferably a copper foil, and

- 105℃ 내지 175℃의 온도에서 상기 제2 슬러리를 포함하는 전극 조립체를 경화시키는 단계.Curing the electrode assembly comprising the second slurry at a temperature of 105 ° C to 175 ° C.

도 1: 음으로 하전된 중합체(23)에 의해 둘러싸인 양으로 하전된 층(22)을 갖는 규소 입자(21)의 개략도.
도 2: 하기 A 내지 D를 갖는 규소 입자(또는 일차 입자)(11)의 개략도: A: 무기 층을 갖는 코팅(12); B: 물리적으로 흡착된 유기 분자(13); C: 화학적으로 부착된 유기 분자(14); 및 D: 상기 일차 입자의 표면에서 흡착된 나노입자(이차 입자)(15).
도 3: 펌프용 P, 나노분말용 N-p 및 아르곤 기체 공급원용 Ar을 갖는 ALD 반응기의 개략도.
도 4: 알루미나 코팅(62)을 갖는 규소 입자(61)의 TEM 사진.
도 5: 코팅된 규소(1)의 제타 전위(mV) 대 pH 및 자연 그대로의 규소(2)와의 비교.
도 6: CMC 용액 중의 규소 및 코팅된 규소 현탁액에 대한 시간에 따른 점도 증가, □ = CMC 단독(블랭크 시험), ● = 자연 그대로의 규소(기준물), Δ = 알루미나 코팅된 규소.
도 7: 코팅된 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 가역적 탈리튬화 용량(1) 및 자연 그대로의 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 탈리튬화 용량과의 비교(2).
도 8: 알루미나 코팅된 규소(25 사이클의 ALD)를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 가역적 탈리튬화 용량.
도 9: 알루미나 코팅을 갖는 규소 나노와이어의 TEM 사진. 알루미나 콘트라스트(b), 규소 콘트라스트(c) 및 산소 콘트라스트(d)를 이용한 샘플의 EFTEM 맵.
도 10: 나노와이어(코팅된 나노와이어)(1)의 pH에 따른 제타 전위(mV) 및 자연 그대로의 나노와이어의 비교(2).
도 11: 산-염기 처리된 규소의 pH에 따른 제타 전위(mV).
도 12: 처리된 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 가역적 탈리튬화 용량(1) 및 자연 그대로의 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 탈리튬화 용량과의 비교(2).
도 13: APTS(Si:APTS = 4/5) 코팅된 규소의 제타 전위(mV) 대 pH(1) 및 자연 그대로의 규소와의 비교(2).
도 14: 흡착된 알루미나 나노입자를 보유하는 규소의 제타 전위(mV) 대 pH(1) 및 자연 그대로의 규소와의 비교(2).
도 15: 알루미나 흡착된 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 가역적 탈리튬화 용량(mAh/g 대 사이클 수)(1) 및 알루미나 처리된 실리카 흡착된 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 가역적 탈리튬화 용량(2).
도 16: 물리적으로 흡착된 양이온성 중합체를 보유하는 규소의 제타 전위(mV) 대 pH(1) 및 자연 그대로의 규소와의 비교(2).
도 17: 양이온 코팅된 규소의 제타 전위(mV) 대 pH(1) 및 자연 그대로의 규소와의 비교(2).
도 18: 양이온 코팅된 규소를 음극 재료로서 사용하는 배터리의 가역적 탈리튬화 용량(mAh/g 대 사이클 수).
도 19: 알루미나 코팅된 규소의 제타 전위(mV) 대 pH(상이한 BET)(1) 및 자연 그대로의 규소와의 비교(동일한 초기 BET)(2).
도 20: 알루미나 코팅된 일산화규소의 제타 전위(mV) 대 pH(1) 및 자연 그대로의 일산화규소와의 비교(2).
1: Schematic diagram of silicon particles 21 having a positively charged layer 22 surrounded by a negatively charged polymer 23.
Figure 2: Schematic diagram of silicon particles (or primary particles) 11 having the following A-D: A: Coating 12 with inorganic layer; B: physically adsorbed organic molecule 13; C: chemically attached organic molecule 14; And D: nanoparticles (secondary particles) 15 adsorbed on the surface of the primary particles.
Figure 3: Schematic diagram of ALD reactor with P for pump, Np for nanopowder and Ar for argon gas source.
4: TEM photograph of silicon particles 61 with alumina coating 62.
Figure 5: Comparison of the zeta potential (mV) of the coated silicon (1) to pH and intact silicon (2).
Figure 6: Viscosity increase over time for silicon and coated silicon suspension in CMC solution, □ = CMC alone (blank test), ● = intact silicon (reference), Δ = alumina coated silicon.
Figure 7: Comparison of the reversible delithification capacity (1) of a battery using coated silicon as the negative electrode material and the delithization capacity (2) of a battery using natural silicon as the negative electrode material.
Figure 8: Reversible delithification capacity of a battery using alumina coated silicon (25 cycles of ALD) as the negative electrode material.
Figure 9: TEM photo of silicon nanowires with alumina coating. EFTEM map of samples using alumina contrast (b), silicon contrast (c) and oxygen contrast (d).
10: Comparison of zeta potential (mV) and intact nanowires according to pH of nanowires (coated nanowires) 1 (2).
Figure 11: Zeta potential (mV) according to pH of acid-base treated silicon.
Fig. 12: Comparison of the reversible delithification capacity (1) of a battery using treated silicon as a negative electrode material and the delithification capacity (2) of a battery using natural silicon as a negative electrode material.
Figure 13: Comparison of zeta potential (mV) versus pH (1) of APTS (Si: APTS = 4/5) coated silicon and intact silicon (2).
Figure 14: Comparison of zeta potential (mV) vs. pH (1) of silicon with adsorbed alumina nanoparticles and intact silicon (2).
Figure 15: Reversible delithification capacity (mAh / g vs. number of cycles) (1) of a battery using alumina adsorbed silicon as the negative electrode material and reversible delithium of a battery using alumina-treated silica adsorbed silicon as the negative electrode material Shoes capacity (2).
Figure 16: Comparison of zeta potential (mV) vs. pH (1) of silicon with physically adsorbed cationic polymer and intact silicon (2).
Figure 17: Zeta potential of cationic coated silicon (mV) versus pH (1) and comparison with intact silicon (2).
Figure 18: Reversible de-lithiation capacity (mAh / g versus number of cycles) of a battery using cationic coated silicon as the negative electrode material.
Figure 19: Zeta potential (mV) versus pH (different BET) of alumina coated silicon and comparison with intact silicon (same initial BET) (2).
Figure 20: Zeta potential (mV) of alumina coated silicon monoxide vs. pH (1) and comparison with intact silicon monoxide (2).

본 발명의 목적은 Si 포함 입자에 대한 변경된 입자 표면을 제안하여 결합제와의 우수한 상호작용으로 사이클 전체에 걸쳐 용량을 유지하고 전해질과 표면의 반응성을 감소시키는 것이다. 본 발명에서 제안된 방법은 입자 표면을 변경하는 것, 및 pH 3.5 내지 9.5 범위의 일부 내의 양의 제타 전위를 갖는 표면인 양으로 하전된 표면을 생성하는 것이다.The object of the present invention is to propose a modified particle surface for Si-containing particles to maintain capacity throughout the cycle and reduce the reactivity of the electrolyte and the surface with good interaction with the binder. The method proposed in the present invention is to alter the particle surface, and to produce a positively charged surface that is a surface with a positive zeta potential within a portion of the pH range of 3.5 to 9.5.

양으로 하전된 입자는 20 g/ℓ의 분말을 증류수에 분산시킴으로써 특징규명된다. 수성 매질 중의 분산액의 제타 전위 'Z'는 예를 들면, 콜로이달 다이나믹스(Colloidal Dynamics)의 제타프로브 분석기(Zetaprobe Analyser)™를 이용함으로써 측정된다. 마지막으로, Z가 0보다 높은 경우, 입자는 특정 pH에서 양으로 하전된 입자인 것으로서 정의되고, 음으로 하전된 입자는 0 미만의 Z를 갖는 입자로서 정의된다. 이것은 도 1에 예시되어 있다.Positively charged particles are characterized by dispersing 20 g / L of powder in distilled water. The zeta potential 'Z' of the dispersion in an aqueous medium is measured, for example, using a Zetaprobe Analyser ™ from Colloidal Dynamics. Finally, when Z is higher than 0, the particle is defined as being a positively charged particle at a certain pH, and a negatively charged particle is defined as a particle having Z less than 0. This is illustrated in FIG. 1.

규소 표면은 천연적으로 중성 pH에서 음으로 하전되고, pH 2 내지 3(실리카의 등전점 또는 IEP)에서 양성을 띄게 될 수 있다. 화학적 표면 기는 주로 탈양성자화된 실란올 기이다. 이 전하는 음으로 하전된 결합제와의 우수한 상호작용에 유리하지 않다. 실제로, 바람직한 결합제는 중성 또는 심지어 보다 낮은 pH에서 음으로 하전된 수용성 중합체, 예컨대, 카복시메틸셀룰로스 결합제(CMC) 또는 폴리아크릴레이트 PAA이다.The silicon surface is naturally negatively charged at neutral pH, and can be positive at pH 2 to 3 (silica isoelectric point or IEP). Chemical surface groups are primarily deprotonated silanol groups. This charge does not favor good interaction with the negatively charged binder. Indeed, preferred binders are water-soluble polymers that are negatively charged at neutral or even lower pH, such as carboxymethylcellulose binder (CMC) or polyacrylate PAA.

본 발명자들은 입자 표면을 변경하는 4종의 상이한 방식을 제안한다(도 2 참조):We propose four different ways to modify the particle surface (see Figure 2):

(A) 층 침착 방법에 의한 무기층의 적어도 부분적인 코팅(예를 들면, 알루미나, 산화아연 또는 산화안티몬의 코팅)을 이용하는 방식(이에 의해 입자는 규소를 포함하는 코어 및 상기 코어에 부착된 무기층으로 구성되고, 이때 상기 코팅은 향후 코팅의 요소들을 함유하는 분말의 순차적인 산-염기 처리로 구성된 화학적 처리에 의해 수득됨);(A) A method using at least partial coating of an inorganic layer (for example, coating of alumina, zinc oxide or antimony oxide) by a layer deposition method (whereby the particles include a core comprising silicon and an inorganic attached to the core) Consisting of layers, wherein the coating is obtained by chemical treatment consisting of sequential acid-base treatment of powders containing the elements of the coating in the future);

(B) 입자(예를 들면, 양이온성 분자)의 코어에의 양이온(예를 들면, 양이온성 다가 금속 이온) 또는 유기 분자의 물리적 흡착을 이용하는 방식;(B) a method using physical adsorption of cations (eg, cationic polyvalent metal ions) or organic molecules to the core of particles (eg, cationic molecules);

(C) 유기 분자의 화학적 흡착(공유결합의 생성)(예를 들면, 표면 실란올 상에의 실란 유형 분자(또는 일반적으로 임의의 아미노 작용성 금속 산화물)의 그래프팅)을 이용하는 방식; 및(C) a method using chemical adsorption (creation of covalent bonds) of organic molecules (eg, grafting of silane type molecules (or generally any amino functional metal oxide) on surface silanol); And

(D) 입자의 코어에의 나노입자(이차 입자)의 흡착(예를 들면, 규소 표면에서의 알루미나 나노입자의 흡착)을 이용하는 방식.(D) A method using adsorption of nanoparticles (secondary particles) to the core of the particles (for example, adsorption of alumina nanoparticles on the silicon surface).

도 2가 구형 입자를 나타내지만, 상기 입자는 규소를 포함하는 와이어로 구성될 수도 있다.Although FIG. 2 shows spherical particles, the particles may be composed of a wire containing silicon.

코팅이 도포되는 경우, 리튬이 얇은 층(유기층 또는 무기층)을 통해 확산될 수 있기 때문에 이 코팅은 절연 코팅일 수 있다. 또한, 얇은 금속 산화물 코팅이 도포되는 경우, 리튬-이온 배터리에서 제1 사이클 동안 산화물이 금속 산화물 및 산화리튬으로 전환될 수 있다는 추가 이점이 있다. 이 비가역적 전환은 리튬과의 합금을 규소로서 생성할 수 있고 용적 팽창을 허용하면서 여분의 용량을 발생시킬 수 있는 금속성 표면을 생성할 것이고; 제안된 알루미나/알루미늄, 아연 또는 안티몬 코팅은 규소의 용적 팽창으로 성장할 수 있고 전해질/규소 접촉을 연속적으로 보호할 수 있다.When the coating is applied, the coating may be an insulating coating because lithium can diffuse through a thin layer (organic or inorganic layer). In addition, when a thin metal oxide coating is applied, there is an additional advantage that the oxide can be converted to metal oxide and lithium oxide during the first cycle in a lithium-ion battery. This irreversible conversion will create a metallic surface that can produce an alloy with lithium as silicon and generate extra capacity while allowing volumetric expansion; The proposed alumina / aluminum, zinc or antimony coating can grow with volumetric expansion of silicon and continuously protect electrolyte / silicon contact.

이 양으로 하전된 규소 또는 규소를 포함 물질은 리튬-이온 배터리에서 음극으로서 시험된다. 분말은 결합제 및 탄소 전도체와 혼합되어 구리 호일 상에 코팅된 슬러리를 생성한다. 본 발명은 구리 호일 상의 코팅에서의 규소, 탄소 및 중합체의 분산을 개선하고 용량 보유를 개선하고 비가역성을 낮춤으로써 규소 포함 입자의 전기화학적 거동을 개선하는 것을 가능하게 한다.Silicon or silicon containing materials charged in this amount is tested as a negative electrode in a lithium-ion battery. The powder is mixed with a binder and a carbon conductor to produce a slurry coated on copper foil. The present invention makes it possible to improve the electrochemical behavior of silicon-containing particles by improving the dispersion of silicon, carbon and polymers in coatings on copper foil, improving capacity retention and lowering irreversible.

실시예 1: 알루미나 코팅된 규소Example 1: Alumina coated silicon

이 실시예에서, 나노미터 크기의 코팅을 제조하는 침착 방법인 원자층 침착(ALD)으로 알루미나 코팅을 도포한다. ALD 공정에서, 2개(또는 보다 많은 수)의 교대 표면 자체 한정 화학 증착 반응을 수행한다. 이 기술은 나노분말을 코팅하는 데에도 이용된다. 정지상 시스템을 이용하여 소량의 분말을 코팅할 수 있지만, 보다 많은 양의 경우 미국 특허출원 공보 제2011/0200822호에 예시된 바와 같이 유동화된 입자 층 반응기 또는 회전 반응기가 이용될 수 있다. 트리메틸 알루미늄(TMA) 및 H2O를 반응물로서 사용하는 열적 ALD로 Al2O3의 코팅을 침착시킬 수 있다. 반응 온도는 약 200℃이다. 전구체의 분해 생성물에 대한 질량 분광법을 이용하여 반응성 표면의 포화를 모니터링할 수 있다. In this example, an alumina coating is applied by atomic layer deposition (ALD), a deposition method for producing nanometer-sized coatings. In the ALD process, two (or more) alternating surface self-defining chemical vapor deposition reactions are performed. This technique is also used to coat nanopowders. A small amount of powder can be coated using a stationary phase system, but for larger amounts fluidized particle bed reactors or rotary reactors can be used, as illustrated in US Patent Application Publication No. 2011/0200822. A coating of Al 2 O 3 can be deposited with thermal ALD using trimethyl aluminum (TMA) and H 2 O as reactants. The reaction temperature is about 200 ° C. The saturation of the reactive surface can be monitored using mass spectrometry for the degradation product of the precursor.

본 실시예에서, 국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조되었고 0.001 cc/g 미만의 개방 공극 용적과 함께 21 ㎡/g의 BET(150℃에서 아르곤의 유동 하에서 1시간 동안 샘플을 예열한 후 77K에서 N2의 등온 흡착-탈착을 통해 ASAP 장치에 의해 수행된 측정), 4 중량% 미만의 산소 함량, 80 nm<D80<200 nm로서 정의된 일차 입자 크기 및 (물에서 pH 7에서 정의된) 초기 음의 제타 전위를 갖는 5 g의 나노-규소 분말을 측량하고 유리 반응기 내에 넣는다(도 3 참조). 반응기 출구(3)는 10-2 mbar에서 진공 오일 펌프에 연결된다. 스웨이지록(swagelok)® 튜브 및 자동화된 밸브를 이용하여 반응기 기체 입구(1)를 트리메틸 알루미늄(TMA) 공급기(97%, 시그마-알드리치)에 연결한다. 스웨이지록® 튜브 및 자동화된 밸브를 이용하여 반응기 기체 입구(2)를 (탈이온화된) H2O의 유리 병에 연결한다. 한 "사이클" 동안 TMA의 기체 유동 및 물을 사용한다. 표면이 TMA(5분)로 포화되고 닫힐 때까지 반응기를 TMA에 연결하는 밸브를 개방한다. 이를 수행한 후, 반응기를 H2O에 연결하는 밸브를 5분 동안 개방한다. 코팅의 제조를 위해 6 사이클(TMA에 이어서 물)을 이용한다. 동등한 양의 자연 그대로의 나노-규소 분말을 기준 예로서 사용한다.In this example, a sample was prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858 and preheated the sample for 1 hour under a flow of argon at 21 m 2 / g with an open pore volume of less than 0.001 cc / g under argon flow at 150 ° C. Then measured by the ASAP apparatus via isothermal adsorption-desorption of N 2 at 77K), oxygen content of less than 4% by weight, primary particle size defined as 80 nm <D80 <200 nm and (as defined at pH 7 in water) 5 g of the nano-silicon powder with the initial negative zeta potential is weighed and placed in a glass reactor (see Figure 3). The reactor outlet 3 is connected to a vacuum oil pump at 10 -2 mbar. Using a swage lock (swagelok) ® tube and the automated valves of the reactor gas inlet (1), trimethyl aluminum (TMA) feeder (97%, Sigma-Aldrich) is connected to. The reactor gas inlet 2 is connected to a glass bottle of (deionized) H 2 O using a Swagelok ® tube and an automated valve. During one "cycle" the gas flow and water from the TMA are used. Open the valve connecting the reactor to the TMA until the surface is saturated and closed with TMA (5 minutes). After doing this, the valve connecting the reactor to H 2 O is opened for 5 minutes. Six cycles (TMA followed by water) are used for the preparation of the coating. Equal amounts of intact nano-silicon powder are used as reference examples.

현미경관찰 사진은 규소 입자 표면 상의 균질하고 얇은(3 nm) 컨포멀(conformal) 알루미나 코팅을 보여준다(도 4 참조). 이 분말의 BET 표면적은 150℃에서 아르곤의 유동 하에서 1시간 동안 예열된 후 77K에서 N2의 등온 흡착-탈착의 결과로부터 0.001 cc/g 미만의 공극 용적과 함께 (자연 그대로의 규소의 경우 21 ㎡/g에 비해) 20 ㎡/g로 측정된다. 알루미늄 양을 ICP로 측정하고 2 중량%의 값을 계산한다.Microscopic observation pictures show a homogeneous and thin (3 nm) conformal alumina coating on the surface of the silicon particles (see Figure 4). The BET surface area of this powder was preheated at 150 ° C. under a flow of argon for 1 hour and then with a void volume of less than 0.001 cc / g from the result of isothermal adsorption-desorption of N 2 at 77K (21 m 2 for natural silicon) 20 g / m). The amount of aluminum is measured by ICP and a value of 2% by weight is calculated.

따라서, ALD 공정은 2 nm 내지 10 nm의 두께를 갖는 코팅이 형성될 때까지 하기 단계들을 포함한다:Therefore, the ALD process includes the following steps until a coating with a thickness of 2 nm to 10 nm is formed:

- 10-1 mbar 이상의 진공 하에서 150℃ 내지 250℃의 온도에서 나노미터 크기의 규소 재료를 반응 챔버에 공급하는 단계,-Supplying a nanometer-sized silicon material to the reaction chamber at a temperature of 150 ° C to 250 ° C under a vacuum of 10 -1 mbar or more,

- 기체의 유기-알루미늄, 유기-아연 또는 유기-안티몬 화합물을 반응 챔버에 주입하는 단계,-Injecting a gaseous organo-aluminum, organo-zinc or organo-antimony compound into the reaction chamber,

- 규소 재료의 표면을 유기-알루미늄, 유기-아연 또는 유기-안티몬 화합물로 포화시킨 후, -After saturating the surface of the silicon material with an organo-aluminum, organo-zinc or organo-antimony compound,

- 수증기를 반응 챔버에 주입하여,-Water vapor is injected into the reaction chamber,

- 산화알루미늄, 산화아연 또는 산화안티몬의 코팅을 규소 재료의 표면에 제공하는 단계,-Providing a coating of aluminum oxide, zinc oxide or antimony oxide to the surface of the silicon material,

- 기체의 유기-알루미늄, 유기-아연 또는 유기-안티몬 화합물을 반응 챔버에 주입하는 단계를 반복하는 단계,-Repeating the step of injecting a gaseous organo-aluminum, organo-zinc or organo-antimony compound into the reaction chamber,

- 규소 재료의 표면을 유기-알루미늄, 유기-아연 또는 유기-안티몬 화합물로 포화시킨 후, -After saturating the surface of the silicon material with an organo-aluminum, organo-zinc or organo-antimony compound,

- 수증기를 반응 챔버에 주입하는 단계.-Injecting water vapor into the reaction chamber.

발생된 물질의 제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 150 ㎖의 탈염수 중의 기준물 2 중량% 나노-규소 분말 및 알루미나 코팅된 규소 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질에서의 이 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다.The zeta potential of the generated material is measured according to the following procedure: Both a reference 2% by weight nano-silicon powder and alumina coated silicon suspension in 150 ml of demineralized water are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of this suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. The sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH with 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH with 0.5 M NaOH.

나노-규소 분말 상의 높은 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다(도 5의 선 2 참조). 제타 전위는 pH 5부터 2까지 음성이다. 알루미나 코팅된 규소의 경우, 분말은 pH 9.5부터 적어도 pH 2.5까지 양의 제타 전위를 갖는다(도 5의 선 1).The high negative surface charge on the nano-silicon powder can be clearly measured (see line 2 in Figure 5). Zeta potential is negative from pH 5 to 2. In the case of alumina coated silicon, the powder has a positive zeta potential from pH 9.5 to at least pH 2.5 (line 1 in FIG. 5).

(건조 잔사를 기준으로) 50 중량%의 이 분말, 25 중량%의 Na-CMC 결합제(분자량 < 200000) 및 25 중량%의 전도성 첨가제(수퍼 C65, 팀칼(Timcal))를 사용하여 슬러리를 제조한다. 제1 단계에서, 2.4% Na-CMC 용액을 제조하고 밤새 용해시킨다. 그 후, 도전성 탄소를 이 용액에 첨가하고 고-전단 혼합기를 이용하여 20분 동안 교반한다. 일단 도전성 탄소의 우수한 분산액이 수득되면, 활성 물질을 첨가하고, 고-전단 혼합기를 이용하여 슬러리를 다시 30분 동안 교반한다. 코팅이 전해질과 규소 표면 사이의 접촉을 방해한다는 증거들 중 하나는 CMC 용액의 점도의 증가이다. 23℃에서 기하학적 구조를 측정하는 원뿔-플레이트를 갖는 파이시카(Fysica) MCR300 유량계를 이용하여 전단 속도 조절된 조건 하에서 유동성을 측정한다. 중합체(본 실시예에서 CMC)가 자연 그대로의 규소 표면과 접촉하는 경우, 본 발명자들은 CMC/Si 용액/현탁액의 점도의 하강을 관찰한다. 도 6에 나타낸 바와 같이, CMC만을 사용한 블랭크 시험에 비해 규소가 알루미나로 코팅된 경우 점도가 유지되는데(□ = CMC 단독, ● = 자연 그대로의 규소(기준), Δ = 알루미나 코팅된 규소), 이것은 규소가 또 다른 물질(여기서, Al2O3)로 완전히 덮인다는 것을 입증한다.A slurry is prepared using 50% by weight of this powder (based on the dry residue), 25% by weight of Na-CMC binder (molecular weight <200000) and 25% by weight of conductive additives (Super C65, Timcal). . In the first step, a 2.4% Na-CMC solution is prepared and dissolved overnight. Then, conductive carbon is added to this solution and stirred for 20 minutes using a high-shear mixer. Once a good dispersion of conductive carbon is obtained, the active material is added and the slurry is stirred again for 30 minutes using a high-shear mixer. One of the evidences that the coating hinders the contact between the electrolyte and the silicon surface is an increase in the viscosity of the CMC solution. Flowability is measured under shear rate controlled conditions using a Fysica MCR300 flowmeter with a cone-plate measuring geometry at 23 ° C. When the polymer (CMC in this example) is in contact with the intact silicon surface, we observe the drop in viscosity of the CMC / Si solution / suspension. As shown in FIG. 6, the viscosity is maintained when silicon is coated with alumina compared to the blank test using only CMC (□ = CMC alone, ● = intact silicon (reference), Δ = alumina coated silicon), which It is demonstrated that silicon is completely covered with another material (here, Al 2 O 3 ).

생성된 슬러리를 125 ㎛ 습윤 두께를 이용하여 구리 호일(17 ㎛) 상에 코팅한 후 70℃에서 2시간 동안 건조하여 전극을 제조한다. 둥근 전극의 구멍을 뚫고 작은 진공 오븐 내에서 150℃에서 3시간 동안 건조한다. 글로브상자 내에서(무수 아르곤 대기 하에서) 제조된 코인 전지를 사용하여 금속성 리튬과 대비하여 상기 전극을 전기화학적으로 시험한다. 사용된 전해질은 EC/DEC(50/50 중량%) + 10% FEC + 2% VC의 혼합물 중의 LiPF6(1 M)(세미켐(Semichem))이다. 코인 전지를 C/5의 C-속도(5시간 이내에 3570 mAh/g의 활성 물질의 전체 충전 또는 방전을 의미함)로 10 mV 내지 1.5 V에서 CC 모드로 시험한다. 결과는 도 7에 제시되어 있다.The resulting slurry was coated on a copper foil (17 μm) using a 125 μm wet thickness, and then dried at 70 ° C. for 2 hours to prepare an electrode. The round electrode is drilled and dried in a small vacuum oven at 150 ° C. for 3 hours. The electrode is electrochemically tested against metallic lithium using a coin cell prepared in a glove box (under anhydrous argon atmosphere). The electrolyte used was LiPF 6 (1 M) (Semichem) in a mixture of EC / DEC (50/50 wt%) + 10% FEC + 2% VC. Coin cells are tested in CC mode at 10 mV to 1.5 V at a C-speed of C / 5 (meaning full charge or discharge of 3570 mAh / g of active material within 5 hours). The results are presented in FIG. 7.

본 발명자들은 상기 전극의 거동이 알루미나의 코팅으로 개선된다는 것을 명확히 인식한다(선 1): 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 2400 mAh/g로 유지된다(선 2). 1 nm보다 더 얇은 코팅은 원하는 효과를 갖지 않는다는 것도 발견하였다.The inventors clearly recognize that the behavior of the electrode is improved with a coating of alumina (line 1): after 100 cycles, the delivered capacity is maintained at about 2400 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon (Line 2). It has also been found that coatings thinner than 1 nm do not have the desired effect.

대조예 1: 높은 두께의 알루미나를 갖는 알루미나 코팅된 규소Control Example 1: Alumina coated silicon with high thickness alumina

알루미나 코팅된 규소를 실시예 1에서와 같은 ALD 공정으로 제조한다. 이 분말의 제조를 위해 (실시예 1에서의 6 사이클에 비해) 25 사이클(TMA에 이어서 물)을 이용한다. 알루미나 층은 12 nm의 두께를 갖는다. 표면의 BET는 16 ㎡/g까지 감소되고, 알루미나의 양은 8 중량%의 분말에서 측정된다. 슬러리 및 배터리를 실시예 1에서와 같이 제조하고, 결과는 도 8에 제시되어 있다. 용량은 제1 사이클로부터 500 mAh/g 미만이고, 이 용량은 다음 사이클에서 떨어진다. 이 결과는 전기화학적 반응을 가능하게 하기 위해 규소의 표면에서 얇은 층을 갖는 것이 중요하다는 것을 명확히 보여준다.Alumina coated silicon was prepared by the ALD process as in Example 1. For the preparation of this powder 25 cycles (compared to 6 cycles in Example 1) (TMA followed by water) are used. The alumina layer has a thickness of 12 nm. The BET of the surface is reduced to 16 m 2 / g, and the amount of alumina is measured at 8% by weight of powder. The slurry and battery were prepared as in Example 1, and the results are presented in FIG. 8. The capacity is less than 500 mAh / g from the first cycle, and this capacity drops in the next cycle. These results clearly show that it is important to have a thin layer on the surface of the silicon to enable the electrochemical reaction.

실시예 2: 알루미나 코팅된 규소 입자 및 나노와이어Example 2: Alumina coated silicon particles and nanowires

이 실시예에서, 국제 특허출원 공보 제WO2012-000854호에 따라 제조되고 4 중량% 미만의 산소 함량을 갖는 Si 입자 및 나노와이어 상에 알루미나 코팅을 원자층 침착(ALD)으로 도포한다. 합성 절차는 실시예 1에 기재되어 있다.In this example, an alumina coating is applied by atomic layer deposition (ALD) on Si particles and nanowires prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000854 and having an oxygen content of less than 4% by weight. The synthetic procedure is described in Example 1.

현미경관찰 사진(도 9 참조)은 규소 입자의 표면 상의 균질하고 얇은 컨포멀 알루미나 코팅을 보여준다. 코팅된 분말을 에탄올에 분산시킨 후 Cu 지지체 상에 탑재된 탄소 격자 상에 놓는다. 분말의 손상을 피하기 위해 샘플 제조에서 분쇄 단계를 생략하였다. 규소, 알루미나 및 산소 콘트라스트를 보여주는 EFTEM 맵을 필립스 CM30-FEG 현미경(도 9 참조)을 이용하여 300 kV에서 획득한다. 알루미늄 양을 ICP로 측정하고 2 중량%의 값을 계산한다. 실시예 1에서와 같이, 시간에 따른 CMC 분말 용액의 점도 증가를 측정함으로써 규소가 또 다른 물질(여기서 Al203)로 완전히 덮인다는 것을 입증할 수 있다.Microscopic observation photos (see FIG. 9) show a homogeneous and thin conformal alumina coating on the surface of the silicon particles. The coated powder is dispersed in ethanol and then placed on a carbon grid mounted on a Cu support. The grinding step was omitted in the sample preparation to avoid damage to the powder. EFTEM maps showing silicon, alumina and oxygen contrast are obtained at 300 kV using a Philips CM30-FEG microscope (see FIG. 9). The amount of aluminum is measured by ICP and a value of 2% by weight is calculated. As in Example 1, it can be demonstrated that the silicon is completely covered with another material (Al 2 0 3 ) by measuring the viscosity increase of the CMC powder solution over time.

제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 150 ㎖의 탈염수 중의 기준물 2 중량% 분말 및 알루미나 코팅된 규소 나노와이어 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질에서의 이 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다.The zeta potential is measured according to the following procedure: Both a 2% by weight reference powder in 150 ml demineralized water and an alumina coated silicon nanowire suspension are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of this suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. The sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH with 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH with 0.5 M NaOH.

나노와이어 상의 높은 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다(도 10의 선 2 참조). 제타 전위는 pH 8부터 2까지 음성이다. 알루미나 코팅된 규소 나노와이어의 경우, 분말은 pH 8부터 적어도 pH 2까지 큰 양의 제타 전위를 갖는다(도 10의 선 1).It is possible to clearly measure the high negative surface charge on the nanowire (see line 2 in Fig. 10). Zeta potential is negative from pH 8 to 2. In the case of alumina coated silicon nanowires, the powder has a large amount of zeta potential from pH 8 to at least pH 2 (line 1 in FIG. 10).

실시예 3: 규소 표면의 산-염기 처리Example 3: Acid-base treatment of silicon surface

150 ㎖의 탈염수 중의 2 중량% 나노-규소 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 상기 나노-규소는 국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조되고 25 ㎡/g의 BET, 4 중량% 미만의 산소 함량, 80 nm<D80<200 nm로서 정의된 입자 크기, (플라스마에 의해 발생된 규소 분말의 경우 전형적으로) 0.1 중량% 이상의 알루미늄 오염(이 오염은 입자의 표면에 집중되어 있음) 및 (물에서 pH에서 정의된) 초기 음의 제타 전위를 갖는다. 공지된 양의 0.5 M HCl을 상기 현탁액에 첨가하여 pH를 2까지 낮춘다. 그 후, 0.5 M NaOH를 첨가하여 상기 현탁액의 pH를 pH 4까지 다시 증가시킨다. 수성 매질에서의 이 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. +12 mV의 제타 전위가 측정되기 때문에 이들 입자들에 대한 측정된 전하는 양 전하이다. A 2 wt% nano-silicon suspension in 150 ml demineralized water is prepared by sonication (120 sec at 225 W). The nano-silicon is prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858 and has a BET of 25 m 2 / g, an oxygen content of less than 4% by weight, particle size defined as 80 nm <D80 <200 nm, (by plasma The silicon powder generated typically has an aluminum contamination of at least 0.1% by weight (this contamination is concentrated on the surface of the particles) and an initial negative zeta potential (defined at pH in water). A known amount of 0.5 M HCl is added to the suspension to lower the pH to 2. Thereafter, 0.5 M NaOH is added to increase the pH of the suspension back to pH 4. The zeta potential of this suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. Since the zeta potential of +12 mV is measured, the measured charge for these particles is a positive charge.

도 11은 산-염기 처리 동안 현탁액의 전하 변화를 보여준다. 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™, 및 0.5 M HCl 및 0.5 M NaOH의 용액을 사용하여 측정을 수행한다. 산 처리 동안, pH 5 미만에서 표면 전하의 가파른 감소가 관찰되는데(제타 전위의 절대 값의 감소에 의해 해석됨), 이러한 감소는 아마도 산화된 Si 표면 상의 실란올 기의 양성자화 및 알루미늄 이온을 유리시키는 알루미늄 화합물 오염물질의 용해 때문일 것이다. 역 적정 (= 염기 처리) 동안, 제타 전위는 pH 3.4 내지 pH 4.9에서 양성을 나타내게 된다. 염기의 첨가 동안, 알루미나의 침전이 전극의 표면에서 일어나므로 양 전하를 생성한다. 알루미나의 양이 적기 때문에 덮는 범위는 전체가 아니고, 이것은 전위가 5 초과의 pH에서 음성을 나타내게 되는 표면의 거동을 설명한다.Figure 11 shows the charge change of the suspension during acid-base treatment. Measurements are performed using the Colloidal Dynamics ZetaProbe Analyzer ™ and a solution of 0.5 M HCl and 0.5 M NaOH. During acid treatment, a steep decrease in surface charge is observed below pH 5 (interpreted by a decrease in the absolute value of the zeta potential), which decreases probably protonation of silanol groups on the oxidized Si surface and freeing aluminum ions. This may be due to the dissolution of aluminum compound contaminants. During reverse titration (= base treatment), the zeta potential becomes positive at pH 3.4 to pH 4.9. During the addition of the base, precipitation of alumina occurs at the surface of the electrode, thus creating a positive charge. Because the amount of alumina is small, the coverage is not complete, which explains the behavior of the surface, where the dislocation is negative at a pH above 5.

전극을 제조하기 위해, 제1 단계는 2.4% Na-CMC를 밤새 용해시킨 후 그의 pH를 미리 제조된 규소 현탁액의 pH까지 조절함으로써 2.4% Na-CMC 용액을 제조하는 단계이다. 도전성 탄소를 첨가하고 고-전단 혼합기를 이용하여 혼합물을 20분 동안 교반한다. 일단 도전성 탄소의 우수한 분산이 수득되면, (규소로 처리된) 활성 물질 현탁액을 첨가하고, 발생된 슬러리를 고-전단 혼합기를 이용하여 다시 30분 동안 교반한다. 상기 슬러리는 50 중량%의 이 분말, 25 중량%의 Na-CMC 결합제(분자량 < 200000) 및 25 중량%의 전도성 첨가제(수퍼 C65, 팀칼)의 최종 조성물로 제조된다. To prepare the electrode, the first step is to prepare a 2.4% Na-CMC solution by dissolving 2.4% Na-CMC overnight and then adjusting its pH to the pH of a pre-made silicon suspension. Conductive carbon is added and the mixture is stirred for 20 minutes using a high-shear mixer. Once a good dispersion of conductive carbon is obtained, an active material suspension (treated with silicon) is added and the resulting slurry is stirred again for 30 minutes using a high-shear mixer. The slurry was prepared with a final composition of 50% by weight of this powder, 25% by weight of a Na-CMC binder (molecular weight <200000) and 25% by weight of a conductive additive (Super C65, Timcal).

생성된 슬러리를 125 ㎛ 습윤 두께를 이용하여 구리 호일(17 ㎛) 상에 코팅한 후 70℃에서 2시간 동안 건조하여 전극을 제조한다. 둥근 전극의 구멍을 뚫고 작은 진공 오븐 내에서 150℃에서 3시간 동안 건조한다. 글로브상자 내에서(무수 아르곤 대기 하에서) 제조된 코인 전지를 사용하여 금속성 리튬과 대비하여 상기 전극을 전기화학적으로 시험한다. 사용된 전해질은 EC/DEC(50/50 중량%) + 10% FEC + 2% VC의 혼합물 중의 LiPF6(1 M)(세미켐)이다. 코인 전지를 C/5의 C-속도(5시간 이내에 3570 mAh/g의 활성 물질의 전체 충전 또는 방전을 의미함)로 10 mV 내지 1.5 V에서 CC 모드로 시험한다. 결과는 도 12에 제시되어 있는데, 자연 그대로의 나노-규소 분말(2)의 사이클링 동안 용량의 증가를 알루미나 코팅된 규소(1)의 경우의 증가와 비교한다.The resulting slurry was coated on a copper foil (17 μm) using a 125 μm wet thickness, and then dried at 70 ° C. for 2 hours to prepare an electrode. The round electrode is drilled and dried in a small vacuum oven at 150 ° C. for 3 hours. The electrode is electrochemically tested against metallic lithium using a coin cell prepared in a glove box (under anhydrous argon atmosphere). The electrolyte used is LiPF 6 (1 M) (Semichem) in a mixture of EC / DEC (50/50 wt%) + 10% FEC + 2% VC. Coin cells are tested in CC mode at 10 mV to 1.5 V at a C-speed of C / 5 (meaning full charge or discharge of 3570 mAh / g of active material within 5 hours). The results are shown in FIG. 12, comparing the increase in capacity during cycling of the intact nano-silicon powder 2 with the increase in the case of alumina coated silicon 1.

본 발명자들은 전극의 거동이 알루미늄 이온의 존재 하에서 산/염기 처리에 의해 개선된다는 것을 명확히 인식한다: 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 3000 mAh/g로 유지된다.The inventors clearly recognize that the electrode's behavior is improved by acid / base treatment in the presence of aluminum ions: after 100 cycles, the delivered capacity is about 3000 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon Is maintained as.

실시예 4: 실란 코팅된 규소Example 4: Silane coated silicon

12 g의 나노-규소 입자(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨)를, 각각 1:10:14의 비로 NH4OH, H20 및 C2H5OH(순수 에탄올)를 함유하는 1000 cm3 용액에 분산시킨다. 수산화암모늄(NH4OH, 30%)은 제이.티 베이커(J.T Baker)에 의해 공급되었다. 현탁액을 20분 동안 초음파처리하고 밤새 더 교반한다. 그 다음, 6 g의 APTS(규소 알콕사이드: 3-아미노프로필트리에톡시실란)를 현탁액에 첨가하고 10분 동안 초음파처리하고 밤새 더 교반한다. APTS는 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)로부터 구입되었다. 입자를 침강시키고 모액을 제거한다. 그 다음, 아민 변경된 Si 입자를 에탄올로 3회 세척한 후 60℃에서 진공 오븐 내에서 밤새 건조한다.12 g of nano-silicon particles (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858), NH 4 OH, H 2 0 and C 2 H 5 OH (pure ethanol) in a ratio of 1:10:14, respectively. Disperse in the containing 1000 cm 3 solution. Ammonium hydroxide (NH 4 OH, 30%) was supplied by JT Baker. The suspension is sonicated for 20 minutes and stirred further overnight. Then, 6 g of APTS (silicon alkoxide: 3-aminopropyltriethoxysilane) is added to the suspension, sonicated for 10 minutes and stirred further overnight. APTS was purchased from Sigma Aldrich. The particles settle and the mother liquor is removed. Then, the amine-modified Si particles are washed three times with ethanol, and then dried in a vacuum oven at 60 ° C overnight.

표면 변경의 효과를, pH 값의 넓은 범위에 걸친 전기영동 이동성 측정으로부터 확인된 제타 전위(ZP)로 평가한다. 브룩하벤 인스트루먼츠(Brookhaven Instruments)의 제타PALS를 이용하여 이 분말의 표면 제타 전위를 조사한다. 상기 분말을 0.001 mol/ℓ의 KCl에 용해시킴으로써 0.25 mg/cm3의 변경된 규소를 함유하는 분산액을 제조한다. 이온 강도를 일정하게 유지하기 위해, 0.1 mol/ℓ의 KOH 및 0.1 mol/ℓ의 HCl 용액을 사용하여 pH를 조절한다. 상이한 중량 비의 APTS:Si를 시험함으로써, 입자 표면에서 양 전하를 수득하기 위해서는 1:2 이상의 비가 권장된다는 결론을 도출하였다.The effect of surface modification is evaluated by the zeta potential (ZP) found from electrophoretic mobility measurements over a wide range of pH values. The surface zeta potential of this powder is investigated using Zeta PALS from Brookhaven Instruments. A dispersion containing 0.25 mg / cm 3 of modified silicon is prepared by dissolving the powder in 0.001 mol / L of KCl. To keep the ionic strength constant, the pH is adjusted using 0.1 mol / L KOH and 0.1 mol / L HCl solution. By testing different weight ratios of APTS: Si, it was concluded that a ratio of 1: 2 or higher is recommended to obtain positive charges on the particle surface.

도 13은 아민 변경된 규소(이때, APTS:Si의 중량비 = 5:4)(선 1) 및 자연 그대로의 규소(선 2)의 제타 전위를 일정한 이온 강도에서 pH의 함수로서 보여준다. 7 미만의 pH 값(아민 처리된 입자는 중성 pH에서 등전점을 갖는다)에서 입자의 표면 전하를 음성에서 양성으로 변화시킴으로써 표면 변경의 성공을 입증한다. 다른 한편으로, 자연 그대로의 Si 입자는 3 내지 11의 pH 범위에 걸쳐 음으로 하전된다. APTS로 처리된 모든 규소 입자들은 APTS:Si의 중량비가 1:2보다 더 높은 경우 유사한 제타 전위 프로파일을 갖는다.FIG. 13 shows the zeta potential of amine modified silicon (where weight ratio of APTS: Si = 5: 4) (line 1) and intact silicon (line 2) as a function of pH at constant ionic strength. At pH values below 7 (amine treated particles have an isoelectric point at neutral pH), the success of the surface modification is demonstrated by changing the surface charge of the particles from negative to positive. On the other hand, intact Si particles are negatively charged over a pH range of 3 to 11. All silicon particles treated with APTS have a similar zeta potential profile when the weight ratio of APTS: Si is higher than 1: 2.

APTS는 양 전하를 생성하는 데에 사용될 수 있는 양이온성 실란의 예들 중 하나이다. APTS의 유도체(예컨대, 아미노메틸트리에톡시실란, 2-아미노에틸트리에톡시실란, 아미노트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란), 트리에톡시(3-이소시아네이토프로필)실란의 유도체 또는 N-[3-(트리메톡시실릴)프로필]아닐린의 유도체를 사용하여 동일한 효과를 수득할 수 있다. APTS is one of the examples of cationic silanes that can be used to generate positive charges. Derivatives of APTS (eg, aminomethyltriethoxysilane, 2-aminoethyltriethoxysilane, aminotriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane), triethoxy (3-isocyanatopropyl) The same effect can be obtained by using a derivative of silane or a derivative of N- [3- (trimethoxysilyl) propyl] aniline.

실시예 5: 규소 입자 상에의 나노-알루미나 입자의 흡착Example 5: Adsorption of nano-alumina particles onto silicon particles

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 2 이상의 Al2O3/Si 비를 수득하기 위해, 물에 분산된 공지된 양의 2 중량% Al2O3 나노입자(상업적으로 입수가능함: DISPARAL P2, 사솔(Sasol); 입자 크기 <30 nm)를 이 현탁액에 첨가한다. 이 실시예에서, 5 중량%의 Al2O3 나노입자를 첨가한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크(rollerbank) 상에 30분 동안 놓아둔다. 2/1의 알루미나/규소 중량비 미만에서, 응집(알루미나 흡착된 입자와 함께 규소 입자) 전하는 음성으로 유지되는데, 실제로 충분한 규소 표면을 덮고 응집의 양의 평균 전하를 갖기 위해서는 최소량의 알루미나 입자가 권장된다. 다공성의 분석은 일부 미세다공성(<0.01 cc/g)이 처리 후 나타난다는 것을 보여준다. 이것은 아마도 알루미나의 나노입자들 사이에서 생성된다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). To obtain an Al 2 O 3 / Si ratio of 2 or more, a known amount of 2 wt% Al 2 O 3 nanoparticles dispersed in water (commercially available: DISPARAL P2, Sasol; particle size <30 nm ) Is added to this suspension. In this example, 5% by weight of Al 2 O 3 nanoparticles are added. The combined dispersion is placed on a rollerbank for 30 minutes. Below the alumina / silicon weight ratio of 2/1, the agglomeration (silicon particles together with the alumina adsorbed particles) charge remains negative, the minimum amount of alumina particles being recommended to actually cover sufficient silicon surfaces and have an average charge of the amount of aggregation. . Analysis of porosity shows that some microporosity (<0.01 cc / g) appears after treatment. It is probably formed between nanoparticles of alumina.

이 혼합 후, 용액의 pH는 6이고 수성 매질에서 이 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. +45 mV의 제타 전위가 측정되기 때문에 이들 입자 상의 측정된 전하는 양 전하이다. 이 값은 알루미나 콜로이드가 규소 입자의 표면 상에 흡착되었다는 것을 보여준다. 그 다음, 조합된 분산액을 진공 하에서 80℃까지 가열된 회전증발기를 통해 10시간 동안 건조한다.After this mixing, the pH of the solution is 6 and the zeta potential of this suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. Since the zeta potential of +45 mV is measured, the measured charge on these particles is a positive charge. This value shows that the alumina colloid was adsorbed on the surface of the silicon particles. The combined dispersion is then dried under vacuum through a rotary evaporator heated to 80 ° C. for 10 hours.

제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 100 ㎖의 탈염수 중의 기준물 1 중량% 나노-규소 분말 및 처리된 규소 분말 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질에서의 이들 현탁액들의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다. 제타 전위가 53 mV로 측정되기 때문에 처리된 규소의 초기 전하는 양 전하이다. 따라서, 이 값은 알루미나의 나노입자의 흡착이 건조 공정 동안 유지된다는 것을 보여준다. 나노-규소 분말 상의 높은 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다(도 14의 선 2 참조). 제타 전위는 자연 그대로의 규소의 경우 pH 2 내지 적어도 pH 5에서 음성이지만, 처리된 규소 분말은 pH 9.5 내지 적어도 pH 2.5에서 양의 제타 전위를 갖는다(도 14의 선 1).The zeta potential is measured according to the following procedure: Both 1% by weight of the nano-silicon powder and the treated silicon powder suspension in 100 ml of demineralized water are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of these suspensions in an aqueous medium is measured with a Colloidal Dynamics Zeta Probe Analyzer ™. The sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH with 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH with 0.5 M NaOH. Since the zeta potential is measured at 53 mV, the initial charge of the treated silicon is a positive charge. Thus, this value shows that the adsorption of nanoparticles of alumina is maintained during the drying process. The high negative surface charge on the nano-silicon powder can be clearly measured (see line 2 in Figure 14). The zeta potential is negative at pH 2 to at least pH 5 for intact silicon, but the treated silicon powder has a positive zeta potential at pH 9.5 to at least pH 2.5 (line 1 in FIG. 14).

슬러리 및 배터리는 실시예 1에서와 같이 제조되고, 코인 전지 시험의 결과를 도 15에 제시되어 있다. 본 발명자들은 전극의 거동이 나노-알루미나 입자의 흡착에 의해 개선된다는 것을 명확히 인식한다(선 1): 초기 전달된 용량은 상기 물질의 이론상 용량과 유사하고, 100 사이클 후 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 2200 mAh/g로 유지된다(도 7의 선 2 참조).The slurry and battery were prepared as in Example 1, and the results of the coin cell test are shown in FIG. 15. The inventors clearly recognize that the behavior of the electrode is improved by adsorption of nano-alumina particles (line 1): the initial delivered capacity is similar to the theoretical capacity of the material, and the delivered capacity after 100 cycles remains intact It remains at about 2200 mAh / g compared to 1000 mAh / g for silicon (see line 2 in Figure 7).

실시예 6: 양이온성 중합체의 흡착Example 6: Adsorption of cationic polymers

양이온성 중합체 흡착을 위해, 공지된 분산제를 사용한다: 화학식이 (C2H4NH)n 또는 하기 화학식인 폴리에틸렌-이민(PEI):For adsorption of cationic polymers, known dispersants are used: (C 2 H 4 NH) n or polyethylene-imine (PEI) of the formula:

Figure 112019069900828-pat00001
Figure 112019069900828-pat00001

이 중합체는 일차 작용기, 이차 작용기 및 삼차 작용기를 함유하는 분지된 중합체이다. 고도로 양으로 하전된 중합체를 제조하기 위해 질소를 양성자화할 수 있다. 이것은 물에서 가용성을 나타낸다는 이점도 제공한다.This polymer is a branched polymer containing primary, secondary and tertiary functional groups. Nitrogen can be protonated to produce highly positively charged polymers. This also offers the advantage of being soluble in water.

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 물에 분산된 소정 양의 1 중량% PEI(PEI 10 kmol/g, 6으로 조절된 pH)를 이 현탁액에 첨가한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크 상에 30분 동안 놓아둔다. 이 혼합 후, 수성 매질에서의 상기 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. +30 mV의 제타 전위가 측정되기 때문에 상기 입자 상의 측정된 전하는 양 전하이다. 이 값은 중합체 쇄가 규소 입자의 표면 상에 흡착된다는 것을 보여준다. 양성 효과를 수득하기 위해, 0.35/1 이상의 PEI/Si 중량비 또는 실리콘 표면 ㎡ 당 14 mg 이상의 PEI 질량이 권장된다. 이 값은 실시예 5에서 나노-알루미나의 경우보다 상당히 더 낮은 질량의 PEI가 양 전하를 수득하기 위해 필요하다는 것을 보여준다. 그 다음, 조합된 분산액을 진공 하에서 80℃까지 가열된 회전증발기를 통해 10시간 동안 건조한다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). A predetermined amount of 1% by weight PEI dispersed in water (PEI 10 kmol / g, pH adjusted to 6) is added to this suspension. The combined dispersion is placed on a roller bank for 30 minutes. After this mixing, the zeta potential of the suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. Since the zeta potential of +30 mV is measured, the measured charge on the particle is a positive charge. This value shows that the polymer chain is adsorbed on the surface of the silicon particles. To obtain a positive effect, a PEI / Si weight ratio of 0.35 / 1 or higher or a PEI mass of 14 mg or more per m 2 of silicon surface is recommended. This value shows that in Example 5 a significantly lower mass of PEI than in the case of nano-alumina is needed to obtain positive charges. The combined dispersion is then dried under vacuum through a rotary evaporator heated to 80 ° C. for 10 hours.

제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 100 ㎖의 탈염수 중의 기준물 1 중량% 나노-규소 분말 및 처리된 규소 분말 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질에서의 이들 현탁액들의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다. 제타 전위가 +35 mV로 측정되기 때문에 처리된 규소의 초기 전하는 양 전하이다. 따라서, 이 값은 PEI의 흡착이 건조 공정 동안 유지된다는 것을 보여준다.The zeta potential is measured according to the following procedure: Both 1% by weight of the nano-silicon powder and the treated silicon powder suspension in 100 ml of demineralized water are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of these suspensions in an aqueous medium is measured with a Colloidal Dynamics Zeta Probe Analyzer ™. The sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH with 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH with 0.5 M NaOH. Since the zeta potential is measured at +35 mV, the initial charge of the treated silicon is a positive charge. Thus, this value shows that adsorption of PEI is maintained during the drying process.

나노-규소 분말 상의 높은 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다(도 16의 선 2 참조). 제타 전위는 자연 그대로의 규소의 경우 pH 12 내지 pH 2에서 음성이지만, 처리된 규소 분말은 pH 6 내지 적어도 pH 2.5에서 양의 제타 전위를 갖는다(도 16의 선 1).The high negative surface charge on the nano-silicon powder can be clearly measured (see line 2 in Figure 16). The zeta potential is negative at pH 12 to pH 2 for intact silicon, but the treated silicon powder has a positive zeta potential at pH 6 to at least pH 2.5 (line 1 in FIG. 16).

이 효과는 pH 의존성 일차, 이차 또는 삼차 아민, 예를 들면, 옥테니딘 디하이드로클로라이드, 폴리(4-비닐피리딘), 폴리(2-비닐피리딘 N-산화물), 폴리(N-비닐피롤리돈) 등에 기초한 다른 양이온성 계면활성제 및 중합체의 흡착에 의해 수득될 수도 있다.These effects are pH dependent primary, secondary or tertiary amines such as octenidine dihydrochloride, poly (4-vinylpyridine), poly (2-vinylpyridine N-oxide), poly (N-vinylpyrrolidone) ) And other cationic surfactants and polymers.

슬러리 및 배터리를 실시예 1에서와 같이 제조한다. 양이온성 중합체의 흡착은 전극의 용량 보유를 개선한다: 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 1500 mAh/g 초과 수준에서 유지된다(도 7의 선 2).The slurry and battery were prepared as in Example 1. Adsorption of the cationic polymer improves the capacity retention of the electrode: after 100 cycles, the delivered capacity is maintained at a level above 1500 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon (line 2 in FIG. 7). .

실시예 7: 규소 입자 상에의 양이온의 흡착Example 7: Adsorption of cations on silicon particles

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 26 mg 이상의 Al3+(AlCl3 염의 형태)을 이 현탁액에 첨가한다. 이것은 0.026 이상의 Al/Si 비 또는 규소 ㎡ 당 1 mg 이상의 Al에 이르게 한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크 상에 30분 동안 놓아둔다. 그 다음, 조합된 분산액을 진공 하에서 80℃까지 가열된 회전증발기를 통해 10시간 동안 건조한다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). At least 26 mg of Al 3+ (in the form of AlCl 3 salt) is added to this suspension. This leads to an Al / Si ratio of 0.026 or more or 1 mg or more of Al per m2 of silicon. The combined dispersion is placed on a roller bank for 30 minutes. The combined dispersion is then dried under vacuum through a rotary evaporator heated to 80 ° C. for 10 hours.

제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 100 ㎖의 탈염수 중의 기준물 1 중량% 나노-규소 분말 및 처리된 규소 분말 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질 중의 이들 현탁액들의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 이 용액의 초기 pH는 5.3이고 제타 전위는 +40 mV이다. 그 다음, 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다. 재분산되고 처리된 분말은 2 내지 5에서 +65 mV의 안정한 값을 가지면서 2 내지 7의 양의 제타 전위를 갖는다(도 17의 선 1). 제타 전위는 자연 그대로의 규소의 경우 적어도 pH 5 내지 2에서 음성이다(도 17의 선 2).The zeta potential is measured according to the following procedure: Both 1% by weight of the nano-silicon powder and the treated silicon powder suspension in 100 ml of demineralized water are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of these suspensions in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. The initial pH of this solution is 5.3 and the zeta potential is +40 mV. Then, the sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH using 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH using 0.5 M NaOH. The redispersed and treated powder has a positive value of 2 to 7 with a zeta potential of 2 to 5 while having a stable value of +65 mV (line 1 in FIG. 17). The zeta potential is negative at least pH 5 to 2 for natural silicon (line 2 in FIG. 17).

슬러리 및 배터리를 실시예 1에서와 같이 제조하고, 결과는 도 18에 제시되어 있다(mAh/g 단위의 용량 대 사이클 수). 본 발명자들은 전극의 거동이 양이온의 흡착에 의해 개선된다는 것을 명확히 인식한다(선 1): 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 1950 mAh/g로 유지된다(도 7의 선 2).The slurry and battery were prepared as in Example 1, and the results are presented in FIG. 18 (capacity in mAh / g vs. number of cycles). The inventors clearly recognize that the electrode behavior is improved by adsorption of cations (line 1): after 100 cycles, the delivered capacity is maintained at about 1950 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon It becomes (line 2 of FIG. 7).

AlCl3 이외에 다른 수용성 알루미늄 염 또는 Sb, Ti 및 Zn(모두 양이온성 다가 금속)을 사용하여 유사한 결과를 수득할 수 있다.Similar results can be obtained with water-soluble aluminum salts other than AlCl 3 or Sb, Ti and Zn (all cationic polyvalent metals).

실시예 8a: 알루미나 코팅된 규소: 비표면적의 변화Example 8a: Alumina coated silicon: Change of specific surface area

이 실시예에서, 국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조되었고 0.001 cc/g 미만의 개방 공극 용적과 함께 40 ㎡/g의 BET(150℃에서 아르곤의 유동 하에서 1시간 동안 예열된 후 77K에서 N2의 등온 흡착-탈착을 통해 ASAP 장치에 의해 수행된 측정), 4 중량% 미만의 산소 함량 및 (물에서 pH 7에서 정의된) 초기 음의 제타 전위를 갖는 5 g의 나노-규소 분말을 실시예 1에서와 같이 사용하고 처리한다.In this example, 77K after being prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858 and preheated for 1 hour under a flow of argon at 150 ° C. with a BET of 40 m 2 / g with an open pore volume of less than 0.001 cc / g. 5 g of nano-silicon powder having an initial negative zeta potential (defined at pH 7 in water) and an oxygen content of less than 4% by weight), as measured by an ASAP device via isothermal adsorption-desorption of N 2 at Was used and treated as in Example 1.

현미경관찰 사진은 규소 입자 표면 상의 균질하고 얇은(3 nm) 컨포멀 알루미나 코팅을 보여준다. 이 분말의 BET 표면적은 150℃에서 아르곤의 유동 하에서 1시간 동안 예열된 후 77K에서 N2의 등온 흡착-탈착의 결과로부터 0.001 cc/g 미만의 공극 용적과 함께 40 ㎡/g(ALD 처리 후 BET의 변경 없음)로 측정된다. 알루미늄 양을 ICP로 측정하고 3.4 중량%의 값을 계산한다. 발생된 물질의 제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 150 ㎖의 탈염수 중의 기준물 2 중량% 나노-규소 분말 및 알루미나 코팅된 규소 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질에서의 이 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다. 나노-규소 분말 상의 높은 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다(도 19의 선 2 참조). 제타 전위는 pH 6 내지 pH 2에서 음성이다. 알루미나 코팅된 규소의 경우, 분말은 적어도 pH 9 내지 적어도 pH 2.5에서 양의 제타 전위를 갖는다(도 19의 선 1).Microscopic observation pictures show a homogeneous and thin (3 nm) conformal alumina coating on the silicon particle surface. The BET surface area of this powder was preheated at 150 ° C. under a flow of argon for 1 hour and then 40 m 2 / g (BET after ALD treatment) with a void volume of less than 0.001 cc / g from the result of isothermal adsorption-desorption of N 2 at 77K. (No change). The amount of aluminum is measured by ICP and a value of 3.4% by weight is calculated. The zeta potential of the generated material is measured according to the following procedure: Both a reference 2% by weight nano-silicon powder and alumina coated silicon suspension in 150 ml of demineralized water are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of this suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. The sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH with 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH with 0.5 M NaOH. The high negative surface charge on the nano-silicon powder can be clearly measured (see line 2 in Figure 19). Zeta potential is negative at pH 6 to pH 2. For alumina coated silicon, the powder has a positive zeta potential at least between pH 9 and at least pH 2.5 (line 1 in FIG. 19).

전극을 실시예 1에서와 같이 제조하고 시험한다. 결과는 전극의 거동이 알루미나의 코팅에 의해 개선된다는 것을 보여준다: 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 2500 mAh/g로 유지된다(도 7의 선 2 참조). 1 nm보다 더 얇은 코팅은 원하는 효과를 나타내지 못한다는 것도 발견되었다.Electrodes were prepared and tested as in Example 1. The results show that the electrode behavior is improved by coating of alumina: after 100 cycles, the delivered capacity is maintained at about 2500 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon (line 2 in FIG. 7). Reference). It has also been found that coatings thinner than 1 nm do not exhibit the desired effect.

실시예 8b: 알루미나 코팅된 규소: 비표면적의 변화Example 8b: Alumina coated silicon: Change of specific surface area

이 실시예에서, 0.001 cc/g 미만의 개방 공극 용적과 함께 1 ㎡/g의 BET(150℃에서 아르곤의 유동 하에서 1시간 동안 예열된 후 77K에서 N2의 등온 흡착-탈착을 통해 ASAP 장치에 의해 수행된 측정), 4 중량% 미만의 산소 함량 및 (물에서 pH 7에서 정의된) 초기 음의 제타 전위를 갖는 1.5 g의 상업용 마이크로미터 크기의 분말(알드리치)을 실시예 1에서와 같이 사용하고 처리한다.In this example, 1 m 2 / g of BET (preheated for 1 hour under a flow of argon at 150 ° C.) with an open pore volume of less than 0.001 cc / g, followed by isothermal adsorption-desorption of N 2 at 77K to the ASAP device. Measurement performed by), 1.5 g of commercial micrometer sized powder (Aldrich) with an oxygen content of less than 4% by weight and an initial negative zeta potential (defined at pH 7 in water) was used as in Example 1. And process it.

현미경관찰 사진은 규소 입자 표면 상의 균질하고 얇은(3 nm) 컨포멀 알루미나 코팅을 보여준다. 발생된 물질의 제타 전위를 실시예 8a에서와 같이 측정한다. 규소 분말 상의 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다. 제타 전위는 pH 6 내지 pH 2에서 음성이다. 알루미나 코팅된 규소의 경우, 상기 분말은 적어도 pH 7 내지 적어도 pH 2.5에서 양의 제타 전위를 갖는다.Microscopic observation pictures show a homogeneous and thin (3 nm) conformal alumina coating on the silicon particle surface. The zeta potential of the generated material is measured as in Example 8a. The negative surface charge on the silicon powder can be clearly measured. Zeta potential is negative at pH 6 to pH 2. For alumina coated silicon, the powder has a positive zeta potential at least between pH 7 and at least pH 2.5.

실시예 9: 알루미나 코팅된 일산화규소Example 9: Alumina coated silicon monoxide

이 실시예에서, 나노미터 크기의 Si 및 SiO2의 혼합물로 구성되고 2 ㎡/g의 BET, 약 32 중량%의 산소 함량 및 (물에서 pH 7에서 정의된) 초기 음의 제타 전위를 갖는 5 g의 마이크로미터 일산화규소 분말을 실시예 1에서와 같이 사용하고 처리한다.In this example, 5 consisting of a mixture of nanometer-sized Si and SiO 2 and having a BET of 2 m 2 / g, an oxygen content of about 32% by weight, and an initial negative zeta potential (defined at pH 7 in water). g of micrometer silicon monoxide powder is used and treated as in Example 1.

현미경관찰 사진은 규소 입자 표면 상의 균질하고 얇은(3 nm) 컨포멀 알루미나 코팅을 보여준다. 이 분말의 BET 표면적 및 산소 함량은 ALD 처리 동안 변하지 않았다. 발생된 물질의 제타 전위는 하기 절차에 따라 측정된다: 150 ㎖의 탈염수 중의 기준물 2 중량% 나노-규소 분말 및 알루미나 코팅된 규소 현탁액 둘다를 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 수성 매질에서의 이 현탁액의 제타 전위를 콜로이달 다이나믹스의 제타프로브 분석기™로 측정한다. 0.5 M HCl을 사용하여 샘플을 중성 pH부터 산성 pH까지 자동으로 적정하고 0.5 M NaOH를 사용하여 보다 높은 염기성 pH까지 자동으로 적정한다. 마이크로미터 크기의 일산화규소 분말 상의 높은 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다(도 20의 선 2 참조). 제타 전위는 pH 7 내지 적어도 pH 4에서 음성이다. 알루미나 코팅된 일산화규소의 경우, 분말은 적어도 pH 3 내지 적어도 pH 6.8에서 양의 제타 전위를 갖는다(도 20의 선 1).Microscopic observation pictures show a homogeneous and thin (3 nm) conformal alumina coating on the silicon particle surface. The BET surface area and oxygen content of this powder did not change during ALD treatment. The zeta potential of the generated material is measured according to the following procedure: Both a reference 2% by weight nano-silicon powder and alumina coated silicon suspension in 150 ml of demineralized water are prepared by sonication (120 seconds at 225 W). The zeta potential of this suspension in an aqueous medium is measured with the Zeta Probe Analyzer ™ of Colloidal Dynamics. The sample is automatically titrated from neutral pH to acidic pH with 0.5 M HCl and automatically titrated to a higher basic pH with 0.5 M NaOH. A high negative surface charge on a micrometer-sized silicon monoxide powder can be clearly measured (see line 2 in Figure 20). Zeta potential is negative at pH 7 to at least pH 4. In the case of alumina coated silicon monoxide, the powder has a positive zeta potential at least between pH 3 and at least pH 6.8 (line 1 in FIG. 20).

실시예 10: 알루미나 및 탄소 코팅된 규소Example 10: Alumina and carbon coated silicon

이 실시예에서, CVD(톨루엔의 화학 증착) 기법에 의해 제조된 탄소 코팅과 함께 국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조된 규소 코어로 구성되고 20 ㎡/g의 BET, 약 4 중량%의 산소 함량 및 (물에서 pH 7에서 정의된) 0에 가까운 초기 제타 전위를 갖는 5 g의 탄소 코팅된 나노미터 크기의 규소 분말을 실시예 1에서와 같이 사용하고 처리한다. ALD 처리 후, 입자 특징(알루미나 층 두께, BET 및 산소 함량)은 이전 실시예와 유사하다. 양 전하의 증가를 (이전 실시예에서와 같이 수행된) 제타 전위 측정으로 측정할 수 있다.In this embodiment, a carbon core made according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858 with a carbon coating prepared by CVD (chemical vapor deposition of toluene) technique and a BET of 20 m 2 / g, about 4% by weight A 5 g carbon coated nanometer sized silicon powder having an oxygen content of and an initial zeta potential close to zero (defined at pH 7 in water) is used and treated as in Example 1. After ALD treatment, particle characteristics (alumina layer thickness, BET and oxygen content) are similar to the previous examples. The increase in positive charge can be measured by zeta potential measurement (performed as in the previous example).

실시예 11: 규소 표면 상에의 나노입자의 흡착: In(OH)Example 11: Adsorption of nanoparticles on silicon surface: In (OH) 33 의 나노입자Nanoparticles

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 0.02 이상의 In(OH)3/Si 비를 수득하기 위해 물에 분산된 공지된 양의 1 중량% In(OH)3 나노입자(상업적으로 입수가능함: 입자 크기 <30 nm)를 이 현탁액에 첨가한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크 상에 30분 동안 놓아둔다. 0.02의 이 수산화인듐/규소 중량비 미만에서, 응집(흡착된 입자와 함께 규소 입자) 전하는 음성으로 유지되는데, 실제로 충분한 규소 표면을 덮고 응집의 양의 평균 전하를 갖기 위해서는 최소량의 입자가 권장된다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). A known amount of 1% by weight In (OH) 3 nanoparticles (commercially available: particle size <30 nm) dispersed in water is added to this suspension to obtain an In (OH) 3 / Si ratio of 0.02 or more. . The combined dispersion is placed on a roller bank for 30 minutes. Under this indium hydroxide / silicon weight ratio of 0.02, the aggregation (silicon particles together with the adsorbed particles) charge remains negative, the minimum amount of particles being recommended to actually cover sufficient silicon surfaces and have an average charge of the amount of aggregation.

실시예 12: 규소 표면 상에의 나노입자의 흡착: 알루미나 처리된 실리카의 나노입자Example 12: Adsorption of nanoparticles on silicon surface: Nanoparticles of alumina treated silica

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 1.5 이상의 처리된 Si02/Si 비를 수득하기 위해 물에 분산된 공지된 양의 2 중량% 알루미나 처리된 실리카(레바실(Levasil) 200s) 나노입자를 이 현탁액에 첨가한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크 상에 30분 동안 놓아둔다. 1.5의 이 처리된 Si02/규소 중량비 초과에서, 응집(흡착된 입자와 함께 규소 입자) 전하는 음성으로 유지되는데, 실제로 충분한 규소 표면을 덮고 응집의 양의 평균 전하를 갖기 위해서는 최소량의 입자가 권장된다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). A known amount of 2 wt% alumina treated silica (Levasil 200s) nanoparticles dispersed in water is added to this suspension to obtain a treated Si0 2 / Si ratio of 1.5 or higher. The combined dispersion is placed on a roller bank for 30 minutes. Above this treated Si0 2 / silicon weight ratio of 1.5, the agglomeration (silicon particles together with the adsorbed particles) charge remains negative, a minimum amount of particles is recommended to actually cover sufficient silicon surfaces and have an average charge of the amount of aggregation. .

슬러리 및 배터리를 실시예 1에서와 같이 제조하고, 결과는 도 15(선 2)에 제시되어 있다. 본 발명자들은 전극의 거동이 이러한 유형의 나노입자의 흡착에 의해 개선된다는 것을 명확히 인식한다: 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 1600 mAh/g로 유지된다(도 7의 선 2).The slurry and battery were prepared as in Example 1, and the results are presented in FIG. 15 (line 2). The inventors clearly recognize that the behavior of the electrode is improved by adsorption of this type of nanoparticles: after 100 cycles, the delivered capacity is maintained at about 1600 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon It becomes (line 2 of FIG. 7).

실시예 13: 규소 표면 상에의 나노입자의 흡착: 산화철의 나노입자Example 13: Adsorption of nanoparticles on silicon surface: Nanoparticles of iron oxide

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 2 이상의 Fe203/Si 비를 수득하기 위해 물에 분산된 공지된 양의 2 중량% 이상의 산화철(상업적으로 입수가능함, 입자 크기 20.25 nm) 나노입자를 이 현탁액에 첨가한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크 상에 30분 동안 놓아둔다. 2의 이 산화철/규소 중량비 미만에서, 응집(흡착된 입자와 함께 규소 입자) 전하는 음성으로 유지되는데, 실제로 충분한 규소 표면을 덮고 응집의 양의 평균 전하를 갖기 위해서는 최소량의 입자가 권장된다. 나노미터 크기의 규소 분말 상의 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다. 제타 전위는 pH 4.5 내지 적어도 9에서 음성이다. 산화철 코팅된 규소의 경우, 상기 분말은 적어도 pH 2 내지 pH 8에서 양의 제타 전위를 갖는다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). At least 2 % by weight of a known amount of iron oxide (commercially available, particle size 20.25 nm) nanoparticles dispersed in water is added to this suspension to obtain a Fe 2 0 3 / Si ratio of 2 or more. The combined dispersion is placed on a roller bank for 30 minutes. Below this iron oxide / silicon weight ratio of 2, the agglomeration (silicon particles together with the adsorbed particles) charge remains negative, with a minimum amount of particles recommended to actually cover sufficient silicon surfaces and have an average charge of the amount of aggregation. Negative surface charges on nanometer-sized silicon powders can be clearly measured. Zeta potential is negative at pH 4.5 to at least 9. For iron oxide coated silicon, the powder has a positive zeta potential at least between pH 2 and pH 8.

슬러리 및 배터리를 실시예 1에서와 같이 제조한다. 본 발명자들은 전극의 거동이 산화철의 나노입자의 흡착에 의해 개선된다는 것을 명확히 인식한다: 100 사이클 후, 전달된 용량은 자연 그대로의 규소에 대한 1000 mAh/g에 비해 약 2000 mAh/g로 유지된다(도 7의 선 2). 동시에, 본 발명자들은 흡착된 입자가 에너지 저장에 참여한다는 것도 관찰할 수 있다. 실제로, 본 발명자들은 산화철 나노입자가 전환 공정에 따라 가역적으로 환원될 수 있다는 것을 알고 있다.The slurry and battery were prepared as in Example 1. The inventors clearly recognize that the electrode behavior is improved by adsorption of nanoparticles of iron oxide: after 100 cycles, the delivered capacity is maintained at about 2000 mAh / g compared to 1000 mAh / g for intact silicon. (Line 2 in FIG. 7). At the same time, we can also observe that the adsorbed particles participate in energy storage. Indeed, the inventors know that iron oxide nanoparticles can be reversibly reduced depending on the conversion process.

실시예 14: 규소 표면 상에의 나노입자의 흡착: 산화마그네슘의 나노입자Example 14: Adsorption of nanoparticles on silicon surface: nanoparticles of magnesium oxide

100 ㎖의 탈염수 중의 1 중량% 나노-규소(국제 특허출원 공보 제WO2012-000858호에 따라 제조됨) 현탁액을 초음파처리(225W에서 120초)로 제조한다. 1 이상의 MgO/Si 비를 수득하기 위해 물에 분산된 공지된 양의 2 중량% 이상의 산화마그네슘(상업적으로 입수가능함) 나노입자를 이 현탁액에 첨가한다. 이 조합된 분산액을 롤러뱅크 상에 30분 동안 놓아둔다. 이 MgO/규소 중량비 미만에서, 응집(흡착된 입자와 함께 규소 입자) 전하는 음성으로 유지되는데, 실제로 충분한 규소 표면을 덮고 응집의 양의 평균 전하를 갖기 위해서는 최소량의 입자가 권장된다. 나노미터 크기의 규소 분말 상의 음의 표면 전하를 명확히 측정할 수 있다. 제타 전위는 적어도 pH 3.5 내지 적어도 9에서 음성이다. 산화철 코팅된 규소의 경우, 상기 분말은 적어도 pH 2 내지 적어도 pH 9에서 양의 제타 전위를 갖는다.A suspension of 1% by weight nano-silicon (prepared according to International Patent Application Publication No. WO2012-000858) in 100 ml of demineralized water is prepared by sonication (120 seconds at 225 W). At least 2% by weight of magnesium oxide (commercially available) nanoparticles in a known amount dispersed in water are added to this suspension to obtain a MgO / Si ratio of 1 or more. The combined dispersion is placed on a roller bank for 30 minutes. Below this MgO / silicon weight ratio, the agglomeration (silicon particles together with the adsorbed particles) charge remains negative, and a minimum amount of particles is recommended to actually cover enough silicon surfaces and have an average charge of the amount of aggregation. Negative surface charges on nanometer-sized silicon powders can be clearly measured. Zeta potential is negative at least at pH 3.5 to at least 9. For iron oxide coated silicon, the powder has a positive zeta potential at least between pH 2 and at least pH 9.

Claims (38)

규소를 포함하는 코어를 포함하는, 리튬 재충전가능한 배터리용 음극 재료로서, 상기 코어의 표면이 무기 나노입자로 구성된 코팅으로 적어도 부분적으로 덮여있고, 상기 나노입자는 코어 상에서 제1 코팅층을 형성하고, 상기 제1 코팅층이 10 nm 미만의 두께를 가지고, 상기 재료는 pH 3.5 내지 pH 9.5로 이루어진 pH 범위의 적어도 일부에서 양의 제타 전위를 가지고, 상기 코어는 20 nm 내지 200 nm 의 평균 입자 크기를 가지는 음극 재료.A negative electrode material for a lithium rechargeable battery, comprising a core comprising silicon, wherein the surface of the core is at least partially covered with a coating composed of inorganic nanoparticles, the nanoparticles forming a first coating layer on the core, and The first coating layer has a thickness of less than 10 nm, the material has a positive zeta potential in at least a portion of the pH range consisting of pH 3.5 to pH 9.5, and the core has a cathode having an average particle size of 20 nm to 200 nm material. 제1항에 있어서, 무기 나노입자가 알루미늄, 알루미늄 화합물, 아연, 아연 화합물, 안티몬 및 안티몬 화합물 중 하나인 음극 재료.The negative electrode material according to claim 1, wherein the inorganic nanoparticle is one of aluminum, aluminum compounds, zinc, zinc compounds, antimony and antimony compounds. 제2항에 있어서, 알루미늄 화합물이 Al203이고, 아연 화합물이 산화아연이고, 안티몬 화합물이 산화안티몬인 음극 재료.The negative electrode material according to claim 2, wherein the aluminum compound is Al 2 0 3 , the zinc compound is zinc oxide, and the antimony compound is antimony oxide. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 음극 재료가 탄소 또는 알루미늄을 포함하는 제2 코팅층을 더 포함하고, 상기 제2 코팅층은 코어와 제1 코팅층을 형성하는 무기 나노입자의 사이에 위치한 음극 재료.According to any one of claims 1 to 3, The negative electrode material further comprises a second coating layer comprising carbon or aluminum, the second coating layer between the core and the inorganic nanoparticles forming the first coating layer Located cathode material. 제1항에 있어서, 제1 코팅층이 1 nm와 5 nm 사이의 두께를 갖는 음극 재료.The negative electrode material according to claim 1, wherein the first coating layer has a thickness between 1 nm and 5 nm. 제1항에 있어서, 제1 코팅층이 컨포멀(conformal) 또는 다공성인 음극 재료.The negative electrode material according to claim 1, wherein the first coating layer is conformal or porous. 제4항에 있어서, 제1 코팅층과 제2 코팅층 중 하나 또는 둘다가 전기화학적으로 활성인 음극 재료.The negative electrode material according to claim 4, wherein one or both of the first coating layer and the second coating layer are electrochemically active. 제1항에 있어서, 나노입자가 환원에 의해 알루미늄, 아연 및 안티몬 중 하나로 전환되기 쉬운 전구체 재료를 포함하는 음극 재료.The negative electrode material according to claim 1, wherein the nanoparticles include a precursor material that is easily converted to one of aluminum, zinc, and antimony by reduction. 규소를 포함하는 코어를 포함하는, 리튬 재충전가능한 배터리용 음극 재료로서, 상기 코어의 표면이 흡착된 양이온성 다가 금속 이온으로 적어도 부분적으로 덮여있고, 상기 재료는 pH 3.5 내지 pH 9.5로 이루어진 pH 범위의 적어도 일부에서 양의 제타 전위를 가지고, 상기 코어는 20 nm 내지 200 nm의 평균 입자 크기를 가지는 음극 재료.A negative electrode material for a lithium rechargeable battery, comprising a core comprising silicon, wherein the surface of the core is at least partially covered with adsorbed cationic polyvalent metal ions, and the material has a pH ranging from pH 3.5 to pH 9.5. A cathode material having a positive zeta potential in at least a portion, the core having an average particle size of 20 nm to 200 nm. 제9항에 있어서, 금속 이온이 Al-이온, Sb-이온, Fe-이온, Ti-이온 및 Zn-이온으로 구성된 군 중 하나 이상인 음극 재료.10. The anode material of claim 9, wherein the metal ion is at least one of the group consisting of Al-ion, Sb-ion, Fe-ion, Ti-ion and Zn-ion. 규소를 포함하는 코어를 포함하는, 리튬 재충전가능한 배터리용 음극 재료로서, 상기 코어의 표면이 흡착된 유기 분자로 적어도 부분적으로 덮여있고, 상기 재료는 pH 3.5 내지 pH 9.5로 이루어진 pH 범위의 적어도 일부에서 양의 제타 전위를 가지고, 상기 코어는 20 nm 내지 200 nm 의 평균 입자 크기를 가지는 음극 재료.A negative electrode material for a lithium rechargeable battery, comprising a core comprising silicon, wherein the surface of the core is at least partially covered with adsorbed organic molecules, and the material is in at least a portion of a pH range consisting of pH 3.5 to pH 9.5. Cathode material having a positive zeta potential and the core having an average particle size of 20 nm to 200 nm. 규소를 포함하는 코어를 포함하는, 리튬 재충전가능한 배터리용 음극 재료로서, 상기 코어의 표면이 아미노 작용성 금속 화합물에 공유결합된 실란올 기로 적어도 부분적으로 덮여있고, 상기 금속 화합물이 Si, Al 및 Ti로 구성된 군 중 하나 이상이며, 상기 재료는 pH 3.5 내지 pH 9.5로 이루어진 pH 범위의 적어도 일부에서 양의 제타 전위를 가지고, 상기 코어는 20 nm 내지 200 nm 의 평균 입자 크기를 가지는 음극 재료.A negative electrode material for a lithium rechargeable battery comprising a core comprising silicon, wherein the surface of the core is at least partially covered with silanol groups covalently bonded to an amino functional metal compound, the metal compound being Si, Al and Ti. One or more of the group consisting of, the material has a positive zeta potential in at least a portion of the pH range consisting of pH 3.5 to pH 9.5, the core is a negative electrode material having an average particle size of 20 nm to 200 nm. 규소를 포함하는 코어를 포함하는, 리튬 재충전가능한 배터리용 음극 재료로서, 상기 코어의 표면이 양이온성 다가 금속 산화물의 흡착된 나노입자로 적어도 부분적으로 덮여있고, 상기 재료는 pH 3.5 내지 pH 9.5로 이루어진 pH 범위의 적어도 일부에서 양의 제타 전위를 가지고, 상기 코어는 20 nm 내지 200 nm 의 평균 입자 크기를 가지는 음극 재료.A negative electrode material for a lithium rechargeable battery, comprising a core comprising silicon, wherein the surface of the core is at least partially covered with adsorbed nanoparticles of cationic polyvalent metal oxide, the material consisting of pH 3.5 to pH 9.5 Cathode material having a positive zeta potential in at least a portion of the pH range, the core having an average particle size of 20 nm to 200 nm. 제13항에 있어서, 금속 산화물이 Al-산화물, Ca-산화물, Mg-산화물, Pb-산화물, Sb-산화물, Fe-산화물, Ti-산화물, Zn-산화물 및 In-수산화물로 구성된 군 중 하나 이상인 음극 재료.The method of claim 13, wherein the metal oxide is at least one of the group consisting of Al-oxide, Ca-oxide, Mg-oxide, Pb-oxide, Sb-oxide, Fe-oxide, Ti-oxide, Zn-oxide and In-hydroxide. Cathode material. 제1항에 있어서, 입자 또는 입자와 와이어의 혼합물을 포함하고, 입자 및 와이어 둘다 나노 크기이며, 상기 입자의 평균 입자 크기가 상기 와이어의 평균 폭의 5배 이상인 음극 재료.The negative electrode material according to claim 1, comprising a particle or a mixture of particles and wires, both particles and wires are nano-sized, wherein the average particle size of the particles is at least 5 times the average width of the wires. 제1항에 있어서, 상기 코어가,
- 순수한 규소; 또는
- 나노미터 크기의 Si와 SiO2의 혼합물을 포함하는 일산화규소 분말; 또는
- 0.5 nm 내지 10 nm의 평균 두께를 갖는 SiOx 표면층(이때, 0< x <2)을 갖는 규소; 또는
- 화학식 SiOx.(MaOb)y(이때, 0< x <1, 0≤ y <1 이고, a와 b는 전기적 중성을 제공하도록 선택되고, M은 Ca, Mg, Li, Al 및 Zr 로 이루어진 군에서 선택됨)을 갖는, 규소 산화물과 금속 산화물의 균일 혼합물; 또는
- 합금 Si-X(이때, X는 Sn, Ti, Fe, Ni, Cu, Co 및 Al으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 금속임)
로 구성되는 음극 재료.
The method of claim 1, wherein the core,
-Pure silicon; or
-Silicon monoxide powder comprising a mixture of nanometer-sized Si and SiO 2 ; or
Silicon having a SiO x surface layer (0 <x <2) having an average thickness of 0.5 nm to 10 nm; or
-The formula SiO x . (M a O b ) y (where 0 <x <1, 0 ≤ y <1, a and b are selected to provide electrical neutrality, M is Ca, Mg, Li, Al and A uniform mixture of silicon oxide and metal oxide), which is selected from the group consisting of Zr); or
-Alloy Si-X (where X is one or more metals selected from the group consisting of Sn, Ti, Fe, Ni, Cu, Co and Al)
Cathode material consisting of.
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