KR102194750B1 - Multi-shell Anode Active Material, Manufacturing Method thereof and Lithium Secondary Battery Comprising the Same - Google Patents

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KR102194750B1 KR1020200007773A KR20200007773A KR102194750B1 KR 102194750 B1 KR102194750 B1 KR 102194750B1 KR 1020200007773 A KR1020200007773 A KR 1020200007773A KR 20200007773 A KR20200007773 A KR 20200007773A KR 102194750 B1 KR102194750 B1 KR 102194750B1
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Abstract

The present invention relates to a negative electrode active material with a multi-layer structure capable of effectively suppressing volume expansion and, more specifically, to a negative electrode active material with a multi-layer structure comprising: a core portion including flaky graphite; a first shell portion surrounding the core portion and including a first amorphous carbon layer in which active particles and conductive fibers are dispersed; and a second shell portion surrounding the first shell and including a second amorphous carbon layer, wherein the active particles are at least one selected from the group consisting of nano metal particles and nano metal-containing compounds, and at least a part of the conductive fibers extend to the second amorphous carbon layer and are exposed on the surface of the second shell portion, to a manufacturing method thereof, and to a lithium secondary battery comprising the same.

Description

다층 구조의 음극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{Multi-shell Anode Active Material, Manufacturing Method thereof and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}Multi-shell Anode Active Material, Manufacturing Method thereof and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}

본 발명은 다층 구조로 형성되어 전도성이 우수한 고용량의 음극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하여 수명 특성, 출력 특성 및 안전성이 우수한 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a high-capacity negative active material formed in a multilayer structure and having excellent conductivity, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery having excellent life characteristics, output characteristics, and safety including the same.

리튬 이차전지는 휴대폰을 비롯한 이동식 전자기기의 전원으로 널리 사용되고 있으며, 전기 자동차 등 대형기기에 대한 수요가 증가함에 따라 그 적용 분야가 확대되고 있다.Lithium secondary batteries are widely used as power sources for mobile electronic devices including mobile phones, and their application fields are expanding as demand for large devices such as electric vehicles increases.

한편, 현재 상용화된 리튬 이차전지의 대부분은 음극 활물질로 탄소계 물질을 사용한다. 특히 흑연(graphite)은 흑연판 층(graphene layer)의 일축 배향성으로 매우 가역적인 충방전 거동을 보여 우수한 수명 특성을 나타내며, 리튬 금속과 거의 유사한 전위를 나타내므로 리튬 산화물계 양극과 전지를 구성할 시 높은 에너지를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 장점에도 흑연의 낮은 이론 용량(372mAh/g)은 고용량의 전지가 요구되는 현 시점에서 한계로 작용하고 있다.Meanwhile, most of the currently commercialized lithium secondary batteries use carbon-based materials as negative active materials. In particular, graphite exhibits a very reversible charge/discharge behavior due to the uniaxial orientation of the graphene layer, showing excellent life characteristics, and a potential similar to that of lithium metal, so when constructing lithium oxide-based positive electrodes and batteries There is an advantage that high energy can be obtained. However, despite these advantages, the low theoretical capacity (372mAh/g) of graphite is acting as a limitation at the present time when a high-capacity battery is required.

이에, 탄소계 음극 활물질을 대체할 수 있는 재료로 상대적으로 높은 용량을 나타내는 Si, Sn, Al 등의 금속 재료를 사용하는 시도가 있다. 그러나 이러한 금속재료는 리튬의 삽입 및 탈리 과정에서 큰 부피 팽창 및 수축을 일으키게 되어 미분화, 전도 경로의 상실 등이 발생할 수 있어 수명 특성이 떨어지는 등 전반적인 전지의 성능이 저하되는 문제가 있다. Accordingly, there is an attempt to use a metal material such as Si, Sn, or Al, which exhibits a relatively high capacity as a material that can replace the carbon-based negative active material. However, such metallic materials cause large volume expansion and contraction in the process of insertion and desorption of lithium, resulting in micronization and loss of conduction paths, resulting in poor lifespan characteristics, resulting in lower overall battery performance.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 카본 물질을 Si와 단순 혼합하거나, 실란 커플링제 등을 이용하여 카본 표면에 미분말의 Si 등을 화학적으로 고정하거나, 또는 CVD 등을 통해 Si 표면에 비정질 카본을 고정하려는 노력이 있다. In order to solve these problems, various carbon materials are simply mixed with Si, or fine powdered Si is chemically fixed on the carbon surface using a silane coupling agent, or an effort to fix amorphous carbon on the Si surface through CVD. There is this.

그러나 카본 물질을 Si와 단순 혼합하는 재료는, 충방전이 진행됨에 따라 Si가 큰 부피 팽창 및 수축을 겪는 과정에서 카본이 Si로부터 유리되며, 이로 인해 전기 전도성 저하로 수명 특성이 크게 저하되는 문제가 있다. However, in the case of a material that simply mixes a carbon material with Si, as the charging and discharging proceeds, the carbon is released from Si in the process of undergoing large volume expansion and contraction, and this leads to a problem that the life characteristics are greatly reduced due to the decrease in electrical conductivity. have.

또한, 실란 커플링제, CVD 등을 이용하여 카본 표면에 미분말의 Si 등을 화학적으로 고정한 재료는 실란 커플링제, CVD에 의한 결합 지속 시간이 길이 않아 충방전 사이클이 진행됨에 따라 수명 특성이 저하될 수 있고, 더욱이, 상기 물리 화학적인 접착을 균일하게 수행하여 안정된 품질의 음극 재료를 얻기 어려운 문제가 있다.In addition, materials in which fine powdered Si is chemically fixed to the carbon surface using a silane coupling agent or CVD, etc., have a long bonding duration due to a silane coupling agent and CVD, so the life characteristics may be deteriorated as the charge/discharge cycle proceeds. In addition, there is a problem in that it is difficult to obtain a stable negative electrode material by performing the physicochemical adhesion uniformly.

이처럼 다양한 시도들에도 방전 과정에서 Si의 팽창에 따른 전극의 손상 문제가 여전히 제기되었다.Even with such various attempts, the problem of damage to the electrode due to the expansion of Si during the discharge process was still raised.

따라서, 전도성이 우수한 고용량의 음극 활물질 및 이를 포함하여 수명 특성 및 출력 특성이 우수하면서도 안전성이 높은 리튬 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.Accordingly, there is a high need for a high-capacity negative electrode active material having excellent conductivity and a lithium secondary battery having excellent life characteristics and output characteristics, and high safety, including the same.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art and technical problems that have been requested from the past.

구체적으로, 본 발명의 목적은 다층 구조의 음극 활물질을 포함하여 전지의 충방전 과정에서 부피 팽창을 억제할 수 있으면서도 전도성이 우수한 고용량의 음극 활물질을 제공하는 것이다. Specifically, it is an object of the present invention to provide a high-capacity negative active material having excellent conductivity while suppressing volume expansion during charging and discharging of a battery, including a negative active material having a multilayer structure.

본 발명의 목적은 상기 음극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for preparing the negative active material.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 음극 활물질을 포함하여 수명 특성 및 출력 특성이 우수하고 안전성이 뛰어난 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery, including the negative active material, having excellent lifespan and output characteristics and excellent safety.

본 발명은, The present invention,

인편상 흑연을 포함하는 코어부;A core portion containing flaky graphite;

상기 코어부를 둘러싸며 활성 입자 및 도전성 섬유가 분산되어 있는 제 1 비정질 탄소층을 포함하는 제 1 쉘부; 및A first shell part surrounding the core part and including a first amorphous carbon layer in which active particles and conductive fibers are dispersed; And

상기 제 1 쉘을 둘러싸며 제 2 비정질 탄소층을 포함하는 제 2 쉘부;를 포함하며,Includes; a second shell portion surrounding the first shell and including a second amorphous carbon layer,

상기 활성 입자는 나노 금속 입자 및 나노 금속 함유 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,The active particles are at least one selected from the group consisting of nano metal particles and nano metal-containing compounds,

상기 도전성 섬유의 적어도 일부는 제 2 비정질 탄소층으로 연장되어 제 2 쉘부의 표면에 노출되어 있는 다층 구조의 음극 활물질을 제공한다.At least a portion of the conductive fibers extends to the second amorphous carbon layer to provide a negative active material having a multilayer structure that is exposed on the surface of the second shell portion.

상기 인편상 흑연의 두께는 0.1 내지 10 ㎛일 수 있다. The thickness of the flaky graphite may be 0.1 to 10 μm.

상기 인편상 흑연의 평균입경(D50)은 1 내지 15 ㎛일 수 있다. The average particle diameter (D50) of the flaky graphite may be 1 to 15 μm.

상기 활성 입자의 적어도 일부는 인편상 흑연, 도전성 섬유, 또는 인편상 흑연 및 도전성 섬유의 표면에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있을 수 있다. At least a portion of the active particles may be physically or chemically bonded to the surface of flaky graphite, conductive fibers, or flaky graphite and conductive fibers.

상기 나노 금속 입자는 Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The nano metal particles may include Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb, or a combination thereof.

상기 나노 금속 입자의 평균입경(D50)은 10 내지 200 nm일 수 있다. The average particle diameter (D50) of the nano-metal particles may be 10 to 200 nm.

상기 도전성 섬유는 그래핀, 탄소파이버, 탄소나노튜브, 도전성 폴리머 파이버 및 금속 필라멘트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The conductive fiber may be at least one selected from the group consisting of graphene, carbon fiber, carbon nanotube, conductive polymer fiber, and metal filament.

상기 코어부의 평균 입경은 1 내지 30 ㎛일 수 있다.The average particle diameter of the core portion may be 1 to 30 μm.

상기 제 1 쉘부의 두께는 1 내지 15 ㎛이며, 상기 제 2 쉘부의 두께는 0.1 내지 15 ㎛일 수 있다.The thickness of the first shell portion may be 1 to 15 μm, and the thickness of the second shell portion may be 0.1 to 15 μm.

상기 음극 활물질의 공극률은 0.1 내지 5%일 수 있다.The porosity of the negative active material may be 0.1 to 5%.

상기 제 1 쉘부는 제 2 쉘부와 비교하여 상대적으로 다수의 공극을 포함할 수 있다. Compared to the second shell portion, the first shell portion may include a relatively large number of voids.

상기 코어부는 전지의 충방전 과정에서 붕괴되어 부피팽창을 억제할 수 있는 제 3 비정질 탄소층을 포함할 수 있다. The core portion may include a third amorphous carbon layer capable of suppressing volume expansion by being collapsed during the charging and discharging process of the battery.

본 발명은 또한, The present invention also,

(가)인편상 흑연 및 용매를 혼합하여 코어부 입자를 제조하는 단계;(A) preparing core particles by mixing flaky graphite and a solvent;

(나)상기 코어부 입자에 나노 활성 입자, 도전성 섬유 및 제 1 비정질 탄소 전구체를 혼합한 후 제 1 열처리하여 제 1 쉘부를 제조하는 단계; 및(B) preparing a first shell part by mixing nano active particles, conductive fibers, and a first amorphous carbon precursor with the core part particles and then performing a first heat treatment; And

(다)상기 제 1 쉘부의 표면에 제 2 비정질 탄소 전구체를 도포한 후 제 2 열처리하여 제 2 쉘부를 제조하는 단계;를 포함하는 다층 구조의 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.(C) coating a second amorphous carbon precursor on the surface of the first shell and then performing a second heat treatment to prepare a second shell.

상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 나노 활성 입자 50 내지 200 중량부, 도전성 섬유 1 내지 10 중량부, 제 1 비정질 탄소 전구체 10 내지 60 중량부일 수 있다. Based on 100 parts by weight of the flaky graphite, 50 to 200 parts by weight of nanoactive particles, 1 to 10 parts by weight of conductive fibers, and 10 to 60 parts by weight of the first amorphous carbon precursor may be used.

상기 제 1 열처리는 300 내지 900℃에서 수행될 수 있다. The first heat treatment may be performed at 300 to 900°C.

상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 제 2 비정질 탄소 전구체는 10 내지 60 중량부일 수 있다.Based on 100 parts by weight of the flaky graphite, the second amorphous carbon precursor may be 10 to 60 parts by weight.

상기 제 2 열처리는 800 내지 1300℃에서 수행될 수 있다.The second heat treatment may be performed at 800 to 1300°C.

상기 단계(가)는, 제 3 비정질 탄소 전구체 및 인편상 흑연을 혼합 후 200 내지 900℃에서 가열하여 제 3 비정질 탄소층을 둘러싸는 인편상 흑연을 포함하는 코어부를 제조할 수 있다.In the step (a), after mixing the third amorphous carbon precursor and the flaky graphite, the core portion including the flaky graphite surrounding the third amorphous carbon layer may be manufactured by heating at 200 to 900°C.

본 발명에 따른 음극 활물질은 코어부, 제 1 쉘부, 제 2 쉘부의 다층 구조로 형성되어, 전지의 충방전 과정에서 제 1 쉘부에 위치한 활성 입자의 수축 및 팽창이 반복되더라도 이러한 다층 구조가 완충 작용을 하여 부피 팽창을 효과적으로 억제할 수 있으며, 동시에 활성 입자와 전해액의 접촉을 차단할 수 있어 리튬 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.The negative active material according to the present invention is formed in a multi-layered structure of the core part, the first shell part, and the second shell part, so even if the active particles located in the first shell part are repeatedly contracted and expanded during the charging and discharging process of the battery, such a multi-layered structure has a buffering effect. By doing so, it is possible to effectively suppress the volume expansion, and at the same time, it is possible to block contact between the active particles and the electrolyte, thereby ensuring the safety of the lithium secondary battery.

또한, 본 발명에 따르면, 활성 입자는 고용량을 나타내는 나노 실리콘 입자를 포함하는 바 리튬 이차전지의 수명 특성이 향상될 수 있다. In addition, according to the present invention, since the active particles include nano-silicon particles having a high capacity, the life characteristics of the lithium secondary battery may be improved.

또한, 본 발명에 따르면, 도전성 섬유의 적어도 일부는 제 2 쉘부의 표면에 노출되어 도전 경로를 형성하므로 이에 따른 리튬 이차전지는 고용량이면서도 출력 특성이 우수하다. In addition, according to the present invention, at least a portion of the conductive fiber is exposed to the surface of the second shell portion to form a conductive path, so that the lithium secondary battery accordingly has a high capacity and excellent output characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 단면을 나타내는 모식도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극 활물질의 단면을 나타내는 모식도이다;
도 3은 실험예 1에 따른 음극 활물질의 SEM 사진이다; 및
도 4는 실험예 4에 따른 사이클 진행에 따름 용량유지율을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a cross section of a negative active material according to an embodiment of the present invention;
2 is a schematic diagram showing a cross section of a negative active material according to another embodiment of the present invention;
3 is a SEM photograph of the negative active material according to Experimental Example 1; And
4 is a graph showing the capacity retention rate according to the progress of the cycle according to Experimental Example 4.

음극 활물질Negative active material

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 단면을 대략 나타낸 모식도이나, 상기 형태에 제한되지 않는다.1 is a schematic diagram schematically showing a cross section of a negative active material according to an embodiment of the present invention, but is not limited to the above form.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 음극 활물질은, Referring to Figure 1, the negative active material according to the present invention,

인편상 흑연(100) 포함하는 코어부;A core portion including the flaky graphite 100;

상기 코어부를 둘러싸며 활성 입자(110) 및 도전성 섬유(120)가 분산되어 있는 제 1 비정질 탄소층(130)을 포함하는 제 1 쉘부; 및A first shell portion surrounding the core portion and including a first amorphous carbon layer 130 in which active particles 110 and conductive fibers 120 are dispersed; And

상기 제 1 쉘부를 둘러싸며 제 2 비정질 탄소층(140)을 포함하는 제 2 쉘부;를 포함하며,Includes; a second shell portion surrounding the first shell portion and including a second amorphous carbon layer 140,

상기 활성 입자(110)는 나노 금속 입자 및 나노 금속 함유 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,The active particles 110 are at least one selected from the group consisting of nano metal particles and nano metal-containing compounds,

상기 도전성 섬유(120)의 적어도 일부는 제 2 비정질 탄소층(140)으로 연장되어 제 2 쉘부의 표면에 노출되어 있는 다층 구조의 형태이다.At least a portion of the conductive fiber 120 is in the form of a multilayer structure extending to the second amorphous carbon layer 140 and exposing the surface of the second shell portion.

상기 코어부를 구성하는 인편상 흑연(flake graphite, 100)은 결정질 흑연으로 천연 흑연에 속한다. 인편상 흑연(100)은 넓적한 판상 입자가 여러 겹 겹쳐진 상태로 수직방향으로 반데르발스 결합을 하고 있어 유연한 성질을 나타내며, 결정의 평행방향으로 강한 공유 결합을 있어 전지의 충방전 과정에서 발생하는 부피 팽창에 대하여 완충 역할을 할 수 있다. Flaky graphite (100) constituting the core portion is crystalline graphite and belongs to natural graphite. Flaky graphite (100) exhibits flexible properties as it has a van der Waals bond in the vertical direction in a state in which several broad plate-like particles are stacked, and has a strong covalent bond in the parallel direction of crystals, so the volume generated during the charging and discharging process It can act as a buffer against swelling.

본 발명에서 인편상 흑연(100)의 두께는 0.1 내지 10 ㎛이고, 평균입경(D50)은 1 내지 15 ㎛일 수 있다. 인편상 흑연(100)의 두께가 0.1 ㎛ 미만이거나 평균입경이 1 ㎛ 미만인 경우, 충진밀도가 저하되어 다량의 인편상 흑연이 요구되며 비표면적이 지나치게 커져 제조 공정상 어려움이 따라 바람직하지 않고, 인편상 흑연의 두께가 10 ㎛ 초과이거나 평균입경이 15 ㎛ 초과일 경우, 인편상 흑연(100)이 지나치게 크고 두꺼워져 유연성이 저하되어 부피 팽창에 대해 완충 효과가 저하되므로 바람직하지 않다. 상세하게는 인편상 흑연(100)의 두께는 0.3 내지 3 ㎛이고 평균입경(D50)은 3 내지 10 ㎛일 수 있다.In the present invention, the thickness of the flaky graphite 100 may be 0.1 to 10 μm, and the average particle diameter (D50) may be 1 to 15 μm. If the thickness of the flaky graphite 100 is less than 0.1 µm or the average particle diameter is less than 1 µm, the filling density is lowered and a large amount of flaky graphite is required and the specific surface area is too large, which is undesirable due to difficulties in the manufacturing process. When the thickness of the phase graphite is more than 10 µm or the average particle diameter is more than 15 µm, the flaky graphite 100 is too large and thick, so that the flexibility is lowered and the buffering effect against volume expansion is lowered, which is not preferable. Specifically, the thickness of the flaky graphite 100 may be 0.3 to 3 μm and the average particle diameter D50 may be 3 to 10 μm.

상기 코어부를 둘러싸는 제 1 쉘부는 제 1 비정질 탄소층(130) 상에 활성 입자(110) 및 도전성 섬유(120)가 분산되어 있다. In the first shell portion surrounding the core portion, active particles 110 and conductive fibers 120 are dispersed on the first amorphous carbon layer 130.

구체적으로, 상기 활성 입자(110)는 제 1 비정질 탄소층(130) 상에 위치하며 적어도 일부는 인편상 흑연(100), 도전성 섬유(120), 또는 인편상 흑연(100) 및 도전성 섬유(120)의 표면에 물리적으로 부착되거나 화학적으로 결합될 수 있다. 이로 인해 상기 활성 입자가 균일하게 분포할 수 있어, 충방전 과정에서 전기 전도성이 향상되므로 수명 특성이 향상될 수 있다.Specifically, the active particles 110 are located on the first amorphous carbon layer 130, and at least some of them are flaky graphite 100, conductive fibers 120, or flaky graphite 100 and conductive fibers 120. ) Can be physically attached to the surface or chemically bonded. Accordingly, since the active particles can be uniformly distributed, electrical conductivity is improved during the charging and discharging process, thereby improving lifespan characteristics.

상기 활성 입자(110)는 리튬과 합금화가 가능한 금속 원소를 포함할 수 있으며, 상세하게는 나노 금속 입자 및 나노 금속 함유 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The active particles 110 may include a metal element capable of alloying with lithium, and in detail, may be at least one selected from the group consisting of nano metal particles and nano metal-containing compounds.

상기 나노 금속 입자는 Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상세하게는 Si일 수 있다. The nano metal particles may include Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb, or a combination thereof, and specifically, may be Si.

상기 나노 금속 함유 화합물은 Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb 또는 이들의 조합을 포함하는 금속의 산화물, 상기 금속과 탄소의 복합체 또는 이들의 조합일 수 있으며, 상세하게는 규소산화물일 수 있다.The nano-metal-containing compound may be an oxide of a metal including Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb, or a combination thereof, a composite of the metal and carbon, or a combination thereof, and specifically, a silicon oxide. I can.

상기 나노 금속 입자의 평균 입경은 10 내지 200 nm일 수 있다. 나노 금속입자의 평균입경이 상기 범위 내일 경우 리튬과의 반응시 부피 팽창이 억제되어 전지의 제반특성이 향상될 수 있으며, 이보다 작거나 클 경우 공정상 취급이 어렵거나 본 발명이 의도한 효과를 발휘할 수 없어 바람직하지 않다. 상세하게는 50 내지 150 nm일 수 있다. The average particle diameter of the nano metal particles may be 10 to 200 nm. If the average particle diameter of the nano metal particles is within the above range, volume expansion during reaction with lithium may be suppressed, thereby improving the overall characteristics of the battery.If it is smaller or larger than this, handling may be difficult in the process or the present invention may exhibit the intended effect. It is not desirable. Specifically, it may be 50 to 150 nm.

상기 도전성 섬유(120)는 제 1 비정질 탄소층(130) 상에 위치하며 적어도 일부는 인편상 흑연(100), 활성 입자(110), 또는 인편상 흑연(100) 및 활성 입자(110)의 표면에 물리적으로 부착되거나 화학적으로 결합될 수 있으므로, 음극 활물질의 기계적 강성을 확보할 수 있는 한편, 전지의 충방전 과정에서 부피 팽창을 억제할 수 있다. The conductive fiber 120 is located on the first amorphous carbon layer 130 and at least a part of the surface of the flaky graphite 100, the active particles 110, or the flaky graphite 100 and the active particles 110 Since it may be physically attached to or chemically bonded to the negative electrode active material, it is possible to secure the mechanical rigidity of the negative electrode active material, while suppressing volume expansion during the charging and discharging process of the battery.

또한, 상기 도전성 섬유(120)의 적어도 일부는 제 2 비정질 탄소층(140)으로 연장되어 제 2 쉘부의 표면에 노출되어 도전 경로를 형성하므로 전기 전도도를 높이고, 저항을 감소시켜 출력 특성이 더욱 향상될 수 있다. In addition, at least a portion of the conductive fiber 120 extends to the second amorphous carbon layer 140 and is exposed to the surface of the second shell to form a conductive path, thereby increasing electrical conductivity and reducing resistance to further improve output characteristics. Can be.

상기 도전성 섬유(120)는 도전성을 나타내는 것이면 제한이 없으나, 예를 들어, 그래핀, 카본파이버, 탄소나노튜브, 도전성 폴리머 파이버, 금속 필라멘트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 금속은 스테인레스강, 알루미늄, 니켈, 구리, 타이타늄, 백금, 금, 은, 루테늄, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금이나 적층체일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive fiber 120 is not limited as long as it exhibits conductivity, but may be at least one selected from the group consisting of graphene, carbon fiber, carbon nanotube, conductive polymer fiber, and metal filament. The metal is stainless steel, aluminum, nickel, copper, titanium, platinum, gold, silver, ruthenium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, or alloys or laminates thereof. However, it is not limited thereto.

상기 도전성 섬유(120)의 단면의 직경은 1 내지 50 ㎛이고, 길이는 0.1 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 도전성 섬유(120)는 직경은 실질적으로 균일하거나 가변적일 수 있으며, 장축 중 적어도 일부가 직선이거나, 만곡 또는 절곡되거나, 또는 분지(branched)될 수 있다The diameter of the cross section of the conductive fiber 120 may be 1 to 50 μm, and the length may be 0.1 to 100 μm. The conductive fiber 120 may have a substantially uniform or variable diameter, and at least a portion of its long axis may be straight, curved or bent, or branched.

상기 제 1 비정질 탄소층(130)은 일종의 바인더로서 역할을 하여, 인편상 흑연(100), 활성 입자(110), 및 도전성 섬유(120)의 물리 화학적 결합을 향상시킬 수 있다. The first amorphous carbon layer 130 serves as a kind of binder, and thus, physicochemical bonding between the flaky graphite 100, the active particles 110, and the conductive fiber 120 may be improved.

상기 제 1 비정질 탄소층(130)은 당업계에 알려진 것이라면 제한이 없으며, 예를 들어 소프트 카본, 하드 카본, 피치 탄화물, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 각각 사용할 수 있다. The first amorphous carbon layer 130 is not limited as long as it is known in the art, for example, one or two selected from the group consisting of soft carbon, hard carbon, pitch carbide, mesophase pitch carbide, and calcined coke. Each of the above combinations can be used.

본 발명에 따른 음극 활물질은 제 2 비정질 탄소층(140)을 포함하는 제 2 쉘부를 포함하여 전지의 충방전 과정에서 활물질의 부피 팽창을 보다 효과적으로 억제할 수 있으며, 동시에 활성 입자와 전해액의 접촉을 차단할 수 있어 리튬 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.The negative electrode active material according to the present invention includes a second shell portion including the second amorphous carbon layer 140 to more effectively suppress the volume expansion of the active material during the charging and discharging process of the battery, and at the same time preventing contact between the active particles and the electrolyte. The safety of the lithium secondary battery can be secured because it can be blocked.

상기 제 2 비정질 탄소층(140)은 당업계에 알려진 것이라면 제한이 없으며, 예를 들어 소프트 카본, 하드 카본, 피치 탄화물, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 각각 사용할 수 있다. The second amorphous carbon layer 140 is not limited as long as it is known in the art, for example, one or two selected from the group consisting of soft carbon, hard carbon, pitch carbide, mesophase pitch carbide, and calcined coke. Each of the above combinations can be used.

상기 코어부의 평균 입경은 1 내지 30 ㎛일 수 있고, 상세하게는 2 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 코어부의 평균입경이 상기 범위 내일 경우 코어부의 형성이 용이하고 출력 특성이 개선될 수 있다. The average particle diameter of the core portion may be 1 to 30 μm, and in detail, it may be 2 to 10 μm. When the average particle diameter of the core portion is within the above range, formation of the core portion may be facilitated and output characteristics may be improved.

상기 제 1 쉘부의 두께는 1 내지 15 ㎛일 수 있고, 상세하게는 2 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 범위 내에서 부피 팽창을 최소화할 수 있고, 리튬 이온의 이동이 원활하여 가역 용량이 증가할 수 있다.The thickness of the first shell portion may be 1 to 15 μm, and in detail, it may be 2 to 10 μm. The volume expansion can be minimized within the above range, and the reversible capacity can be increased due to smooth movement of lithium ions.

상기 제 2 쉘부의 두께는 0.1 내지 15 ㎛일 수 있고, 상세하게는 0.1 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 범위 내에서 제 1 쉘부의 부피 팽창을 최소화할 수 있고, 리튬 이온의 이동이 원활하여 가역 용량이 증가할 수 있다.The thickness of the second shell portion may be 0.1 to 15 µm, and in detail, may be 0.1 to 5 µm. Within the above range, volume expansion of the first shell portion may be minimized, and lithium ions may move smoothly, thereby increasing reversible capacity.

본 발명에 따른 음극 활물질의 평균입경(D50)은 1 내지 500 um일 수 있고, 상세하게는 1 내지 100 um일 수 있다. 상기 범위 내에서 본 발명에 따른 최적의 효과를 발휘할 수 있다. The average particle diameter (D50) of the negative active material according to the present invention may be 1 to 500 um, and in detail, 1 to 100 um. The optimum effect according to the present invention can be exhibited within the above range.

본 발명에 따른 음극 활물질의 공극률은 0.1 내지 5%로, 다수의 공극을 포함하여 전지의 충반전으로 인한 부피 팽창을 효과적으로 완충시킬 수 있다.The porosity of the negative active material according to the present invention is 0.1 to 5%, and it is possible to effectively buffer volume expansion due to charging and reversing of a battery including a plurality of voids.

특히, 제 1 비정질 탄소층(130)을 사용한 제 1 쉘부는 제 2 비정질 탄소층(140)을 사용한 제 2 쉘부와 비교하여 상대적으로 다수의 공극을 포함하여 활성 입자(110)의 부피 팽창을 효과적으로 완충시킬 수 있다. 이러한 공극은 이후 살펴보는 바와 같이, 제조 과정에서 열처리 조건을 조절하여 형성할 수 있다. 상기 공극은 충방전시 상기 활성 입자(110)와 상기 리튬 이온과의 반응에 의한 완충 공간을 제공하고, 리튬 이온의 전도성이 우수하며, 충진 밀도가 높아 음극의 부피당 용량이 증가하여 사이클 수명 특성이 향상될 수 있다.In particular, the first shell portion using the first amorphous carbon layer 130 includes a relatively large number of voids compared to the second shell portion using the second amorphous carbon layer 140 to effectively expand the volume of the active particles 110. Can be buffered. As will be described later, these voids can be formed by adjusting the heat treatment conditions during the manufacturing process. The pores provide a buffer space by reaction between the active particles 110 and the lithium ions during charging and discharging, have excellent lithium ions conductivity, and have a high filling density, so that the capacity per volume of the negative electrode increases, resulting in cycle life characteristics. It can be improved.

한편, 도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극 활물질의 단면을 대략 나타낸 모식도이나, 상기 형태에 제한되지 않는다.Meanwhile, FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a cross section of an anode active material according to another embodiment of the present invention, but is not limited to the above form.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 음극 활물질에서 2, in the negative active material according to the present invention

인편상 흑연(200) 및 전지의 충방전 과정에서 붕괴되어 부피 팽창을 억제할 수 있는 제 3 비정질 탄소층(350)를 포함하는 코어부;A core portion including the flaky graphite 200 and a third amorphous carbon layer 350 capable of suppressing volume expansion by collapsing during the charging and discharging process of the battery;

상기 코어부를 둘러싸며 활성 입자(210) 및 도전성 섬유(220)가 분산되어 있는 제 1 비정질 탄소층(230)을 포함하는 제 1 쉘부; 및A first shell portion surrounding the core portion and including a first amorphous carbon layer 230 in which active particles 210 and conductive fibers 220 are dispersed; And

상기 제 1 쉘을 둘러싸며 제 2 비정질 탄소층(240)을 포함하는 제 2 쉘부;를 포함하며,Includes; a second shell portion surrounding the first shell and including a second amorphous carbon layer 240,

상기 활성 입자(210)는 나노 금속 입자 및 나노 금속 함유 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,The active particles 210 are at least one selected from the group consisting of nano metal particles and nano metal-containing compounds,

상기 도전성 섬유(220)의 적어도 일부는 제 2 비정질 탄소층(240)으로 연장되어 제 2 쉘부의 표면에 노출되어 있는 형태일 수 있다. At least a portion of the conductive fiber 220 may extend to the second amorphous carbon layer 240 and be exposed on the surface of the second shell portion.

이에 따라 코어부는 전지의 충방전 과정에서 붕괴되는 제 3 비정질 탄소층(350)을 포함하므로 부피 팽창을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. Accordingly, since the core portion includes the third amorphous carbon layer 350 that collapses during the charging and discharging process of the battery, volume expansion can be more effectively suppressed.

상기 제 3 비정질 탄소층(350)은 소프트 카본, 하드 카본, 피치 탄화물, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 각각 사용할 수 있으며, 제 1 비정질 탄소층(230), 제 2 비정질 탄소층(240)과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.The third amorphous carbon layer 350 may be formed of one or a combination of two or more selected from the group consisting of soft carbon, hard carbon, pitch carbide, mesophase pitch carbide, and fired coke, respectively, and the first amorphous carbon The layer 230 and the second amorphous carbon layer 240 may be the same or different.

음극 활물질의 제조방법Method for producing negative active material

본 발명은, 상기 음극 활물질의 제조방법으로서, The present invention, as a method for producing the negative active material,

(가)인편상 흑연 및 용매를 혼합하여 코어부 입자를 제조하는 단계;(A) preparing core particles by mixing flaky graphite and a solvent;

(나)상기 코어부 입자에 나노 활성 입자, 도전성 섬유 및 제 1 비정질 탄소 전구체를 혼합한 후 제 1 열처리하여 제 1 쉘부를 제조하는 단계; 및(B) preparing a first shell part by mixing nano active particles, conductive fibers, and a first amorphous carbon precursor with the core part particles and then performing a first heat treatment; And

(다)제 1 쉘부에 제 2 비정질 탄소 전구체를 도포한 후 제 2 열처리하여 제 2 쉘부를 제조하는 단계;를 포함하는 다층 구조의 음극 활물질의 제조방법을 제공한다. (C) applying a second amorphous carbon precursor to the first shell portion and then performing a second heat treatment to prepare a second shell portion; It provides a method for manufacturing a negative active material having a multilayer structure comprising.

상기 단계(가)에서 인편상 흑연을 용매와 혼합하여 인편상 흑연이 응집된 코어부 입자를 얻을 수 있다. In step (a), flaky graphite is mixed with a solvent to obtain core particles in which flaky graphite is aggregated.

상기 용매는 N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 에틸렌, 디메틸아세트아미드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 헥산, 테트라하이드로퓨란, 데칸, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 물, 아세트산에틸 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The solvent is N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, toluene, ethylene, dimethylacetamide, acetone, methyl ethyl ketone, hexane, tetrahydrofuran, decane, ethanol, methanol, isopropanol, water, ethyl acetate, or a combination thereof It may include.

상기 단계(나)에서 나노 활성 입자, 도전성 섬유 및 제 1 비정질 탄소 전구체를 혼합하여 상기에서 제조된 코어부 입자에 분무 건조 후 제 1 열처리하여 코어부를 감싸는 제 1 쉘부를 제조할 수 있다.In the step (b), the nano-active particles, the conductive fibers, and the first amorphous carbon precursor are mixed, spray-dried on the core particles prepared above, and then subjected to a first heat treatment to prepare a first shell portion surrounding the core portion.

상기 분무 건조는 회전 분무, 노즐 분무, 초음파 분무 또는 이들의 조합을 포함하는 건조법으로 수행될 수 있다.The spray drying may be performed by a drying method including rotational spraying, nozzle spraying, ultrasonic spraying, or a combination thereof.

이 경우, 상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 나노 활성 입자 50 내지 200 중량부, 도전성 섬유 1 내지 10 중량부, 제 1 비정질 탄소 전구체 10 내지 60 중량부를 혼합할 수 있다. 원료들이 상기 정의한 함량을 벗어날 경우 저항이 높아져 출력 특성이 저하되거나, 미분화 현상이 심화될 수 있어 바람직하지 않다. In this case, 50 to 200 parts by weight of nano-active particles, 1 to 10 parts by weight of conductive fibers, and 10 to 60 parts by weight of the first amorphous carbon precursor may be mixed based on 100 parts by weight of the flaky graphite. If the raw materials are out of the above-defined content, the resistance increases and the output characteristics decrease, or the micronization phenomenon may be intensified, which is not preferable.

상기 혼합은 건식 또는 습식 혼합 방식이 사용될 수 있으며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, 건식 혼합이 바람직하다.The mixing may be a dry or wet mixing method, and although not particularly limited in the present invention, dry mixing is preferred.

건식 혼합은 통상적인 혼합 분말 제조에 사용하는 방법이 가능하며, 균일한 입자 혼합을 위해 기계적 밀링(milling)을 수행할 수 있다. 기계적 밀링은 시료에 기계 전 에너지를 부여하면서 분쇄하는 방법으로, 예를 들어, 롤밀, 볼밀, 메카노퓨전 또는 제트밀 등을 이용할 수 있고, 상세하게는 높은 충격 에너지를 효율적으로 이용한 볼밀을 사용할 수 있다. Dry mixing may be a method used for preparing a conventional mixed powder, and mechanical milling may be performed for uniform particle mixing. Mechanical milling is a method of pulverizing a sample while imparting pre-mechanical energy to the sample.For example, a roll mill, a ball mill, a mechanofusion or a jet mill can be used, and in detail, a ball mill that efficiently uses high impact energy can be used. have.

기계적 밀링 처리 조건은 사용하는 기기에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 회전 속도가 빠르면 생성물의 생성 속도가 빨라지고, 회전 시간이 길수록 생성물의 원료 조성물에 대한 전환율이 높아진다. 예를 들어, 일반적인 볼밀을 이용할 경우 분당 회전수 1000 rpm 내지 3000 rpm, 및 0.5분 내지 5분 조건에서, 상세하게는 분당 회전수 1500 rpm 내지 2500 rpm, 및 1분 내지 3분 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다.The mechanical milling treatment conditions can be appropriately adjusted according to the equipment used, and the faster the rotation speed, the faster the product generation speed, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the product to the raw material composition. For example, in the case of using a general ball mill, it is preferable that the rotational speed per minute is 1000 rpm to 3000 rpm, and under the conditions of 0.5 to 5 minutes, specifically, the rotation speed per minute is 1500 rpm to 2500 rpm, and the conditions of 1 minute to 3 minutes Do.

상기 제 1 열처리는 300 내지 900℃에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 이보다 낮거나 높을 경우 제 1 비정질 카본의 연화가 충분히 이루어지지 않아 활성 입자 및 도전성 섬유가 고르게 분포할 수 없고, 공극이 충분히 형성되지 않아 본 발명이 의도한 효과를 발휘하기 어려워 바람직하지 않다. 상세하게는 400 내지 600℃에서 수행될 수 있다. The first heat treatment may be performed at 300 to 900°C. If the heat treatment temperature is lower or higher than this, the first amorphous carbon is not sufficiently softened, so that active particles and conductive fibers cannot be evenly distributed, and voids are not sufficiently formed, making it difficult for the present invention to exhibit the intended effect, which is not preferable. . Specifically, it may be carried out at 400 to 600 ℃.

상기 제 1 비정질 카본 전구체는 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 메조페이스 핏치, 타르, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴, 당류, 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 폴리아미드 수지, 퓨란 수지, 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 검아라빅, 구연산, 스테아르산, 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.The first amorphous carbon precursor is a coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesophase pitch, tar, low molecular weight heavy oil, glucose, gelatin, sugars, phenol resin, naphthalene resin, furfuryl alcohol resin, polyamide resin, furan Resin, polyimide resin, epoxy resin, vinyl chloride resin, gum arabic, citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, Tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, starch, polyacrylic acid, sodium polyacrylonitrile, polyacrylonitrile, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, and polyvinyl chloride It may be one or two or more selected from the group consisting of.

상기 단계(다)에서 상기 제 1 쉘부의 표면에 제 2 비정질 탄소 전구체를 도포한 후 제 2 열처리하여 제 2 쉘부를 제조할 수 있다. In the step (c), a second amorphous carbon precursor may be applied to the surface of the first shell and then subjected to a second heat treatment to prepare a second shell.

상기 제 2 비정질 카본 전구체는 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 메조페이스 핏치, 타르, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴, 당류, 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 폴리아미드 수지, 퓨란 수지, 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 검아라빅, 구연산, 스테아르산, 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.The second amorphous carbon precursor is a coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesophase pitch, tar, low molecular weight heavy oil, glucose, gelatin, sugars, phenol resin, naphthalene resin, furfuryl alcohol resin, polyamide resin, furan Resin, polyimide resin, epoxy resin, vinyl chloride resin, gum arabic, citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, Tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, starch, polyacrylic acid, sodium polyacrylonitrile, polyacrylonitrile, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, and polyvinyl chloride It may be one or two or more selected from the group consisting of.

상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 제 2 비정질 탄소 전구체는 10 내지 60 중량부일 수 있고, 상세하게는 10 내지 40 중량부일 수 있다. 원료들이 상기 정의한 함량을 벗어날 경우 저항이 높아져 출력 특성이 저하되거나, 미분화 현상이 심화될 수 있어 바람직하지 않다. Based on 100 parts by weight of the flaky graphite, the second amorphous carbon precursor may be 10 to 60 parts by weight, and in detail, 10 to 40 parts by weight. If the raw materials are out of the above-defined content, the resistance increases and the output characteristics decrease, or the pulverization phenomenon may be intensified, which is undesirable.

상기 제 2 열처리는 800 내지 1300℃에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위 내에서 고밀도의 제 2 비정질 탄소층이 형성되어 전지의 충방전 과정에서 활성 입자의 부피 팽창으로 인한 활물질의 구조 변화를 최소화할 수 있고, 전해액의 접촉을 차단할 수 있어, 전지의 제반 성능이 향상될 수 있다. 상세하게는 1000 내지 1300℃에서 수행될 수 있다. The second heat treatment may be performed at 800 to 1300°C. A high-density second amorphous carbon layer is formed within the above temperature range to minimize the structural change of the active material due to volume expansion of the active particles during the charging and discharging process of the battery, and it is possible to block the contact of the electrolyte, so that the overall performance of the battery This can be improved. Specifically, it may be carried out at 1000 to 1300 °C.

본 발명에서 상기 단계(가)는, 제 3 비정질 탄소 전구체 및 인편상 흑연을 혼합 후 200 내지 900℃에서 가열하여 제 3 비정질 탄소층을 둘러싸는 인편상 흑연을 포함하는 코어부를 제조할 수 있다. 제 3 비정질 탄소층은 전지의 충방전 과정에서 붕괴되어 완충작용을 하여 코어부의 부피팽창을 억제할 수 있다.In the present invention, the step (a) may be performed by mixing the third amorphous carbon precursor and the flaky graphite and then heating at 200 to 900°C to prepare a core portion including flaky graphite surrounding the third amorphous carbon layer. The third amorphous carbon layer collapses during the charging and discharging process of the battery and acts as a buffer to suppress volume expansion of the core portion.

상기 제 3 비정질 카본 전구체는 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 메조페이스 핏치, 타르, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴, 당류, 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 폴리아미드 수지, 퓨란 수지, 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 염화비닐 수지, 검아라빅, 구연산, 스테아르산, 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.The third amorphous carbon precursor is a coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesophase pitch, tar, low molecular weight heavy oil, glucose, gelatin, sugars, phenol resin, naphthalene resin, furfuryl alcohol resin, polyamide resin, furan Resin, polyimide resin, epoxy resin, vinyl chloride resin, gum arabic, citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, Tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, starch, polyacrylic acid, sodium polyacrylonitrile, polyacrylonitrile, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, and polyvinyl chloride It may be one or two or more selected from the group consisting of.

상기 열처리 온도가 상기 정의한 범위보다 낮거나 높을 경우 공극이 충분히 형성되지 않아 전지의 충방전 과정에서 붕괴되기 어려운 바 바람직하지 않다. 상세하게는 200 내지 500℃에서 수행될 수 있다. When the heat treatment temperature is lower or higher than the above-defined range, voids are not sufficiently formed, and thus it is difficult to collapse during the charging/discharging process of the battery, which is not preferable. Specifically, it may be performed at 200 to 500°C.

상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 제 3 비정질 탄소 전구체는 10 내지 30 중량부일 수 있고, 상세하게는 10 내지 20 중량부일 수 있다. 원료들이 상기 정의한 함량을 벗어날 경우 저항이 높아져 출력 특성이 저하되거나, 미분화 현상이 심화될 수 있어 바람직하지 않다. Based on 100 parts by weight of the flaky graphite, the third amorphous carbon precursor may be 10 to 30 parts by weight, and in detail, 10 to 20 parts by weight. If the raw materials are out of the above-defined content, the resistance increases and the output characteristics decrease, or the micronization phenomenon may be intensified, which is not preferable.

리튬 이차전지Lithium secondary battery

또한, 본 발명은 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including the negative active material.

상기 리튬 이차전지는 양극 활물질을 포함하는 양극; 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 전해액을 포함한다. The lithium secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material; It includes a negative electrode including the negative electrode active material, and an electrolyte.

상기 양극은 양극 활물질을 포함하는 양극 합제가 집전체에 도포되어 이루어지며, 상기 양극 합제는 필요에 따라, 바인더, 도전재를 더 포함할 수 있다.The positive electrode is formed by applying a positive electrode mixture including a positive electrode active material to a current collector, and the positive electrode mixture may further include a binder and a conductive material as necessary.

상기 양극 활물질은 예를 들어, LiNi0.8-xCo0.2AlxO2, LiCoxMnyO2, LiNixCoyO2, LiNixMnyO2, LiNixCoyMnzO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, LiMnPO4 및 Li4Ti5O12 등의 리튬 금속 산화물(0<x<1, 0<y<1); Cu2Mo6S8, FeS, CoS 및 MiS 등의 칼코겐화물, 스칸듐, 루테늄, 티타늄, 바나듐, 몰리브덴, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등의 산화물, 황화물 또는 할로겐화물이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, TiS2, ZrS2, RuO2, Co3O4, Mo6S8, V2O5 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material is, for example, LiNi 0.8-x Co 0.2 AlxO 2 , LiCo x Mn y O 2 , LiNi x Co y O 2 , LiNi x Mn y O 2 , LiNi x Co y Mn z O 2 , LiCoO 2 , Lithium metal oxides such as LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 and Li 4 Ti 5 O 12 (0<x<1, 0<y<1); Chalcogenides such as Cu 2 Mo 6 S 8 , FeS, CoS and MiS, scandium, ruthenium, titanium, vanadium, molybdenum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, etc. It can be used, more specifically, LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , TiS 2 , ZrS 2 , RuO 2 , Co 3 O 4 , Mo 6 S 8 , V 2 O 5 and the like may be used, but are not limited thereto.

상기 양극 활물질의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 입자형, 예컨대 구형, 타원형, 직육면체형 등일 수 있다. 양극활물질의 평균 입경은 1 내지 50 ㎛ 범위 내일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 양극 활물질의 평균 입경은 예를 들어, 주사형 전자현미경에 의하여 관찰되는 활물질의 입경을 측정하고, 이의 평균값을 계산함으로써 얻을 수 있다.The shape of the positive electrode active material is not particularly limited, and may be in a particle shape, such as a spherical shape, an oval shape, or a rectangular parallelepiped shape. The average particle diameter of the positive electrode active material may be in the range of 1 to 50 μm, but is not limited thereto. The average particle diameter of the positive electrode active material can be obtained, for example, by measuring the particle diameter of the active material observed with a scanning electron microscope and calculating the average value thereof.

상기 바인더는 특별히 한정되지 않으며, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 불소 함유 바인더가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The binder is not particularly limited, and a fluorine-containing binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used, but is not limited thereto.

상기 바인더의 함량은 양극 활물질을 고정할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않으며, 양극 전체에 대하여 0 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다.The content of the binder is not particularly limited as long as it can fix the positive electrode active material, and may be in the range of 0 to 10% by weight with respect to the entire positive electrode.

상기 도전재는 양극의 도전성을 향상시킬 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 니켈 분말, 산화 코발트, 산화 티탄, 카본 등을 예시할 수 있다. 상기 카본은, 상세하게는, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 흑연, 탄소 섬유 및 플러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 1종 이상 일 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it can improve the conductivity of the anode, and examples thereof include nickel powder, cobalt oxide, titanium oxide, and carbon. The carbon may be, in detail, any one selected from the group consisting of Ketjen black, acetylene black, furnace black, graphite, carbon fiber, and fullerene, or at least one of them.

상기 도전재의 함량은 도전재의 종류 등 기타 전지의 조건을 고려하여 선택될 수 있으며, 예컨대 양극 전체에 대하여 1 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다.The content of the conductive material may be selected in consideration of other battery conditions such as the type of the conductive material, and may be, for example, in the range of 1 to 10% by weight based on the entire positive electrode.

상기 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 양극 합제를 집전체에 도포한 양극 합제 층의 두께는, 예를 들어 0.1 마이크로 미터 내지 1000 마이크로미터일 수 있다.The thickness of the positive electrode mixture layer in which the positive electrode mixture including the positive electrode active material, the binder, and the conductive material is applied to a current collector may be, for example, 0.1 micrometers to 1000 micrometers.

상기 양극 합제는, 경우에 따라서는 본 발명에 따른 고체 전해질을 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 60 중량%, 상세하게는 10 중량% 내지 50 중량%로 포함할 수 있다. In some cases, the positive electrode mixture may contain 0.1% to 60% by weight, specifically 10% to 50% by weight, based on the total weight of the positive electrode mixture, the solid electrolyte according to the present invention.

상기 양극 합제 층의 두께는, 예를 들어, 0.1 마이크로 미터 내지 1000 마이크로미터일 수 있다.The thickness of the positive electrode mixture layer may be, for example, 0.1 micrometers to 1000 micrometers.

상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes to the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel, Surface-treated with nickel, titanium, silver, or the like may be used. In addition, various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics having fine irregularities formed on the surface may be used.

음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하는 음극 합제가 도포된 것을 사용할 수 있다. 상기 음극 활물질은 본 발명에 따른 음극 활물질일 수 있으나 경우에 따라, 금속 산화물, 금속, 리튬 복합 산화물, 결정질 탄소, 비결정질 탄소 등을 함께 사용할 수 있다. 상기 음극 합제는 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 구성의 바인더, 도전재를 더 포함할 수 있다.The negative electrode may be a negative electrode mixture coated with a negative electrode active material on the negative electrode current collector. The negative active material may be the negative active material according to the present invention, but in some cases, metal oxide, metal, lithium composite oxide, crystalline carbon, amorphous carbon, and the like may be used together. If necessary, the negative electrode mixture may further include a binder and a conductive material having the above-described configuration.

이때 음극 집전체는 리튬 이차전지 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.At this time, the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the lithium secondary battery battery. For example, it is applied to the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like may be used. In addition, the negative electrode current collector, like the positive electrode current collector, may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam, nonwoven fabric having fine irregularities on the surface thereof.

전해액은 유기 용매 및 전해질로 구성된다. The electrolyte solution is composed of an organic solvent and an electrolyte.

상기 유기 용매는 통상적으로 사용되는 것이라면 제한이 없으며, 예를 들어 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디메틸술폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 술포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.The organic solvent is not limited as long as it is commonly used, and for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxy One or more selected from the group consisting of ethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, and tetrahydrofuran may be used.

상기 전해질로 포함될 수 있는 리튬염을 통상적으로 사용되는 것이라면 제한이 없으며, 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3-, N(CN)2-, BF4-, ClO4-, PF6-, (CF3)2PF4-, (CF3)3PF3-, (CF3)4PF2-, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3-, CF3CF2SO3-, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3-, CF3CO2-, CH3CO2-, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다So long as it is a lithium salt which can be included in the electrolyte in a conventional not restricted, for example, as the lithium salt, the anion is F -, Cl -, I - , NO 3-, N (CN) 2-, BF 4- , ClO 4-, PF 6-, ( CF 3) 2 PF 4-, (CF 3) 3 PF 3-, (CF 3) 4 PF 2-, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3-, CF 3 CF 2 SO 3-, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3-, CF 3 CO 2-, CH 3 CO 2-, SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - One selected from the group consisting of can be used

양극과 음극 사이에 분리막을 배치하여 전지 구조체를 형성하고, 상기 전지 구조체를 와인딩하거나 접어서 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하면 이차전지가 완성된다. 또는 상기 전지구조체를 바이셀 구조로 적층한 다음, 이를 전해질에 함침시키고, 얻어진 결과물을 파우치에 넣어 밀봉하면 리튬 이차전지가 완성된다.A separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to form a battery structure, and the battery structure is wound or folded and placed in a cylindrical battery case or a rectangular battery case, and then an electrolyte is injected to complete a secondary battery. Alternatively, a lithium secondary battery is completed by stacking the battery structure in a bi-cell structure, impregnating the battery structure into an electrolyte, and sealing the resulting product in a pouch.

이하 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Although described with reference to the following examples, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

평균 두께가 0.5 ㎛이고, 평균 입경이 5 ㎛인 인편상 흑연 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 코어부 물질을 준비한다. A core material was prepared by mixing flaky graphite and N-methylpyrrolidone having an average thickness of 0.5 μm and an average particle diameter of 5 μm.

인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 평균 입경이 115 nm인 나노 실리콘 입자 110 중량부, 카본나노파이버 2 중량부, 폴리아크릴로니트릴 15 중량부를 혼합 후 이를 상기 코어부 물질에 분사하여 코팅한 후 600℃에서 열처리하였다. 열처리 동인 폴리아크릴로니트릴은 다공성 구조를 형성하여 코어부를 둘러싸는 제 1 쉘부를 제조한다.Based on 100 parts by weight of flaky graphite, 110 parts by weight of nano-silicon particles having an average particle diameter of 115 nm, 2 parts by weight of carbon nanofibers, and 15 parts by weight of polyacrylonitrile are mixed and sprayed onto the core material to coat 600 parts. It was heat-treated at °C. The heat treatment copper polyacrylonitrile forms a porous structure to prepare a first shell portion surrounding the core portion.

상기 제 1 쉘부에 피치 카본 20 중량부를 도포한 후 1150℃에서 열처리하여 코어부, 제 1 쉘부, 제 2 쉘부 구조의 음극 활물질을 제조하였다. 20 parts by weight of pitch carbon was applied to the first shell and then heat-treated at 1150° C. to prepare a negative active material having a core part, a first shell part, and a second shell part structure.

<실시예 2><Example 2>

제1쉘부 제조시 400℃에서 열처리를 한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다. A negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed at 400° C. when manufacturing the first shell part.

<비교예 1><Comparative Example 1>

코어부 제조 과정에서 인편상 흑연 대신 비정질 카본 분말을 사용한 것 외는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다. A negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that amorphous carbon powder was used instead of flaky graphite in the manufacturing process of the core part.

<비교예 2><Comparative Example 2>

제 1 쉘부 제조 과정에서 열처리를 1000℃에서 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다. A negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed at 1000°C in the process of manufacturing the first shell part.

<실험예 1><Experimental Example 1>

실시예1, 2 및 비교예1에서 제조된 음극 활물질의 SEM 사진을 도 3(a), 3(b), 및 3(c)에 각각 나타내었다.SEM photographs of the negative active material prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 3(a), 3(b), and 3(c), respectively.

<실험예 2><Experimental Example 2>

실시예 1, 2, 비교예 1 및 2에서 제조된 음극 활물질의 공극률을 계산하였다. 공극률(P)는 아래와 같이 계산한다. The porosity of the negative active materials prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was calculated. The porosity (P) is calculated as follows.

Figure 112020006839754-pat00001
Figure 112020006839754-pat00001

이를 이용하면, 실시예 1에서 제조된 음극 활물질 분말의 내부 기공의 부피는 0.0042 mL/g이며, 비교예 1에서 제조된 음극 활물질 분말의 내부 기공의 부피는 0.0589 mL/g이다. 분말의 밀도는 동일하게 2.35g/cc이므로, 실시예 1의 경우 P = 0.0042/((1/2.35) + 0.0042) = 0.98%, 비교예 1의 경우 P = 12.16%로 계산된다. 마찬가지로 이를 이용하여 실시예 2의 음극 활물질 분말의 내부 기공의 부피는 0.0068 mL/g이며, 비교예 2의 음극 활물질 분말의 내부 기공의 부피는 0.031 mL/g이므로 공극률을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. Using this, the volume of the internal pores of the negative active material powder prepared in Example 1 is 0.0042 mL/g, and the volume of the internal pores of the negative active material powder prepared in Comparative Example 1 is 0.0589 mL/g. Since the density of the powder is equally 2.35 g/cc, P = 0.0042/((1/2.35) + 0.0042) = 0.98% for Example 1 and P = 12.16% for Comparative Example 1. Similarly, using this, the volume of the internal pores of the negative active material powder of Example 2 is 0.0068 mL/g, and the volume of the internal pores of the negative active material powder of Comparative Example 2 is 0.031 mL/g, so the porosity is calculated and shown in Table 1 below. Done.

샘플Sample 공극률
(%)
Porosity
(%)
실시예1Example 1 0.980.98 실시예2Example 2 1.571.57 비교예1Comparative Example 1 12.1612.16 비교예2Comparative Example 2 6.86.8

일반적으로, 공극률이 높을 경우 전해액 접촉 면적이 증가하여 수명 저하에 영향을 크게 미치므로 실시예 1의 음극 활물질을 이용할 경우 비교예 1의 음극 활물질의 경우와 비교하여 상대적으로 높은 수명을 나타낼 것을 예상할 수 있다. In general, when the porosity is high, the contact area of the electrolyte increases, which greatly affects the lifespan. Therefore, when using the negative electrode active material of Example 1, it is expected to exhibit a relatively high lifespan compared to the case of the negative electrode active material of Comparative Example 1. I can.

<실험예 3><Experimental Example 3>

실시예 1에 따른 음극 활물질의 코어부의 평균입경(D50), 제 1 쉘부의 두께, 제 2 쉘부의 두께, 분말의 평균입경(D50)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.The average particle diameter (D50) of the core portion, the thickness of the first shell portion, the thickness of the second shell portion, and the average particle diameter (D50) of the powder of the negative electrode active material according to Example 1 were measured and shown in Table 2 below.

제1 코어부(D50)1st core part (D50) 제 1 쉘부 두께1st shell thickness 제 2 쉘부 두께2nd shell thickness 분말 D50Powder D50 3 um3 um 4 um4 um 1.5 um1.5 um 14 um14 um

<실험예 4><Experimental Example 4>

실시예 1, 2, 비교예 1 및 2에 따른 음극 활물질을 각각 이용하여 제조된 음극극판을 1.4875 cm2의 원형으로 절단하여 이를 음극으로 하고, 1.4875 cm2의 원형으로 절단한 리튬(Li) 금속 박막을 양극으로 하였다. 여기서 상기 음극극판 설계에 있어서, 압연 밀도는 1.55 g/cc, 전류밀도는 2.95 mA/cm2, 극판용량은 510 mAh/g로 하였다. 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 메틸에틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7 : 3인 혼합 용액에 0.5 중량%로 용해된 비닐렌 카보네이트를 용해시키고, 1M 농도의 LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여, 리튬 코인 하프 셀(coin half-cell)을 제조하였다. A negative electrode plate prepared by using the negative electrode active materials according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, was cut into a circular shape of 1.4875 cm 2 and used as a negative electrode, and a lithium (Li) metal cut into a circular shape of 1.4875 cm 2 The thin film was used as the anode. Here, in the design of the negative electrode plate, the rolling density was 1.55 g/cc, the current density was 2.95 mA/cm 2 , and the electrode plate capacity was 510 mAh/g. A porous polyethylene separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode, and vinylene carbonate dissolved in 0.5% by weight was dissolved in a mixed solution having a volume ratio of methyl ethyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) of 7:3, A lithium coin half-cell was prepared by injecting an electrolyte solution in which 1M concentration of LiPF 6 was dissolved.

상기 리튬 코인 하프 셀을 이용하여 두께 변화율, 방전용량, 초기효율, 및 용량 유지율을 하기 표 3에 나타내었고, 50 사이클 진행에 따른 용량유지율을 도 4에 나타내었다.Using the lithium coin half cell, the thickness change rate, discharge capacity, initial efficiency, and capacity retention rate are shown in Table 3 below, and the capacity retention rate according to 50 cycles is shown in FIG. 4.

1회 사이클(화성사이클)과 2회 사이클은 0.1 C(표준사이클)로 충방전하였고, 3회 사이클부터 49회 사이클까지는 충전 0.5 C/ 방전 1.0 C로 충방전을 수행하였다. 50회 사이클은 충전(리튬이 음극에 들어있는 상태)상태에서 종료하고, 전지를 분해하여 두께를 측정한 후, 초기충전에서의 충전 두께 평균(5개 샘플의 평균값)대비하여 50사이클 후의 전극 두께변화율을 계산하였다.One cycle (chemical cycle) and two cycles were charged and discharged at 0.1 C (standard cycle), and charging and discharging were performed at 0.5 C/discharge 1.0 C from the third cycle to the 49 cycle. 50 cycles are completed in the state of charging (lithium is contained in the negative electrode), the battery is disassembled and the thickness is measured, and the electrode thickness after 50 cycles is compared to the average of the charge thickness in the initial charge (average value of 5 samples). The rate of change was calculated.

기본적인 총방전조건은 다음과 같다.The basic total discharge conditions are as follows.

- 충전조건: CC(정전류)/CV(정전압)(0.01V/0.01C, current cut-off)-Charging condition: CC(constant current)/CV(constant voltage)(0.01V/0.01C, current cut-off)

- 방전조건: CC(정전류) 조건 1.5Vcut off-Discharge condition: CC (constant current) condition 1.5V cut off

1회 충방전시의 결과를 통해, 방전용량(mAh/g) 및 초기효율(%)을 도출하였다. 구체적으로, 초기효율(%)은 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다.Through the results of one charge and discharge, the discharge capacity (mAh/g) and initial efficiency (%) were derived. Specifically, the initial efficiency (%) was derived by the following calculation.

- 초기효율(%) = (1회방전후방전용량 / 1회충전용량)Х 100-Initial efficiency (%) = (Capacity after one discharge / capacity for one charge) Х 100

용량유지율과 전극 두께 변화율은 각각 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다.The capacity retention rate and the electrode thickness change rate were derived by the following calculations, respectively.

- 용량유지율(%) = (49회방전용량 / 1회방전용량)Х 100-Capacity maintenance rate (%) = (49 discharge capacity / 1 discharge capacity) Х 100

- 전극 두께 변화율(%) = (50 사이클 중후 전극 두께 변화량/2 사이클 충전 후 전극 두께)Х 100-Electrode thickness change rate (%) = (electrode thickness change after 50 cycles/2 cycles electrode thickness after charging) Х 100

샘플Sample 전극 두께
변화율(%)
Electrode thickness
Rate of change (%)
방전용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh/g)
초기효율
(%)
Initial efficiency
(%)
용량유지율
(% @50 Cycle)
Capacity retention rate
(% @50 Cycle)
공극률
(%)
Porosity
(%)
실시예1Example 1 25.125.1 512512 91.191.1 91.891.8 0.980.98 실시예2Example 2 24.224.2 514514 90.690.6 92.792.7 1.571.57 비교예1Comparative Example 1 33.733.7 508508 89.489.4 89.389.3 12.1612.16 비교예2Comparative Example 2 29.529.5 511511 89.789.7 88.488.4 6.86.8

상기 표 3에 따르면 본 발명에 따른 실시예1 및 2의 음극 활물질을 사용한 전지는 비교예1 및 2의 음극 활물질을 사용한 전지와 비교하여 전극 두께 변화율이 작고 방전용량 및 초기효율이 뛰어날뿐만 아니라 용량유지율이 우수한 것을 확인할 수 있다.According to Table 3, the battery using the negative electrode active material of Examples 1 and 2 according to the present invention has a smaller electrode thickness change rate compared to the battery using the negative electrode active material of Comparative Examples 1 and 2, and has excellent discharge capacity and initial efficiency, as well as capacity. It can be seen that the retention rate is excellent.

100, 200 인편상 흑연
110, 210 활성 입자
120, 220 도전성 섬유
130, 230 제 1 비정질 탄소층
140, 240 제 2 비정질 탄소층
350 제 3 비정질 탄소층
100, 200 flaky graphite
110, 210 active particles
120, 220 conductive fiber
130, 230 first amorphous carbon layer
140, 240 second amorphous carbon layer
350 third amorphous carbon layer

Claims (19)

다층 구조의 음극 활물질로서,
인편상 흑연을 포함하는 코어부;
상기 코어부를 둘러싸며 활성 입자 및 도전성 섬유가 분산되어 있는 제 1 비정질 탄소층을 포함하는 제 1 쉘부; 및
상기 제 1 쉘을 둘러싸며 제 2 비정질 탄소층을 포함하는 제 2 쉘부;를 포함하며,
상기 활성 입자는 나노 금속 입자 및 나노 금속 함유 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
상기 도전성 섬유의 적어도 일부는 제 2 비정질 탄소층으로 연장되어 제 2 쉘부의 표면에 노출되어 있고,
상기 음극 활물질의 공극률은 0.1 내지 5%이며,
상기 제 1 쉘부는 제 2 쉘부와 비교하여 상대적으로 다수의 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.
As a negative active material of a multilayer structure,
A core portion containing flaky graphite;
A first shell portion surrounding the core portion and including a first amorphous carbon layer in which active particles and conductive fibers are dispersed; And
Includes; a second shell portion surrounding the first shell and including a second amorphous carbon layer,
The active particles are at least one selected from the group consisting of nano metal particles and nano metal-containing compounds,
At least a portion of the conductive fiber extends to the second amorphous carbon layer and is exposed on the surface of the second shell portion,
The negative active material has a porosity of 0.1 to 5%,
The negative active material of the multilayer structure, characterized in that the first shell portion comprises a plurality of voids relatively compared to the second shell portion.
제 1 항에 있어서, 상기 인편상 흑연의 두께는 0.1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의음극 활물질.The cathode active material of claim 1, wherein the thickness of the flaky graphite is 0.1 to 10 μm. 제 1 항에 있어서, 상기 인편상 흑연의 평균입경(D50)은 1 내지 15 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the average particle diameter (D50) of the flaky graphite is 1 to 15 μm. 제 1 항에 있어서, 상기 활성 입자의 적어도 일부는 인편상 흑연, 도전성 섬유, 또는 인편상 흑연 및 도전성 섬유의 표면에 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질. The negative active material of claim 1, wherein at least some of the active particles are physically or chemically bonded to the surface of flaky graphite, conductive fibers, or flaky graphite and conductive fibers. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 금속 입자는 Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the nano-metal particles include Si, Sn, Sb, Al, Ge, Zn, Pb, or a combination thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 금속 입자의 평균입경(D50)은 10 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질. The negative active material of claim 1, wherein the average particle diameter (D50) of the nano-metal particles is 10 to 200 nm. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 섬유는 그래핀, 탄소파이버, 탄소나노튜브, 도전성 폴리머 파이버 및 금속 필라멘트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the conductive fiber is at least one selected from the group consisting of graphene, carbon fiber, carbon nanotube, conductive polymer fiber, and metal filament. 제 1 항에 있어서, 상기 코어부의 평균 입경은 1 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the average particle diameter of the core part is 1 to 30 µm. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 쉘부의 두께는 1 내지 15 ㎛이며, 상기 제 2 쉘부의 두께는 0.1 내지 15 ㎛인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the first shell part has a thickness of 1 to 15 µm, and the second shell part has a thickness of 0.1 to 15 µm. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 코어부는 전지의 충방전 과정에서 붕괴되어 부피팽창을 억제할 수 있는 제 3 비정질 탄소층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the core part comprises a third amorphous carbon layer capable of suppressing volume expansion by being collapsed during charging and discharging of the battery. (가)인편상 흑연 및 용매를 혼합하여 코어부 입자를 제조하는 단계;
(나)상기 코어부 입자에 나노 활성 입자, 도전성 섬유 및 제 1 비정질 탄소 전구체를 혼합한 후 400 내지 600℃에서 제 1 열처리하여 제 1 쉘부를 제조하는 단계; 및
(다)상기 제 1 쉘부의 표면에 제 2 비정질 탄소 전구체를 도포한 후 1000 내지 1300℃에서 제 2 열처리하여 제 2 쉘부를 제조하는 단계;를 포함하여
공극률이 0.1 내지 5%이며,
상기 제 1 쉘부는 제 2 쉘부와 비교하여 상대적으로 다수의 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질의 제조방법.
(A) preparing core particles by mixing flaky graphite and a solvent;
(B) preparing a first shell part by mixing the core part particles with nano active particles, conductive fibers, and a first amorphous carbon precursor and then performing a first heat treatment at 400 to 600°C; And
(C) applying a second amorphous carbon precursor to the surface of the first shell portion and then performing a second heat treatment at 1000 to 1300° C. to prepare a second shell portion; including
Porosity is 0.1 to 5%,
The method of manufacturing a negative active material having a multilayer structure, wherein the first shell portion includes a plurality of pores relatively compared to the second shell portion.
제 13 항에 있어서, 상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 나노 활성 입자 50 내지 200 중량부, 도전성 섬유 1 내지 10 중량부, 제 1 비정질 탄소 전구체 10 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질의 제조방법.The multilayer structure of claim 13, wherein, based on 100 parts by weight of the flaky graphite, 50 to 200 parts by weight of nanoactive particles, 1 to 10 parts by weight of conductive fibers, and 10 to 60 parts by weight of the first amorphous carbon precursor. Method for producing a negative active material. 삭제delete 제 13 항에 있어서, 상기 인편상 흑연 100 중량부를 기준으로, 제 2 비정질 탄소 전구체는 10 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질의 제조방법.14. The method of claim 13, wherein the second amorphous carbon precursor is 10 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the flaky graphite. 삭제delete 제 13 항에 있어서, 상기 단계(가)는, 제 3 비정질 탄소 전구체 및 인편상 흑연을 혼합 후 200 내지 900℃에서 가열하여 제 3 비정질 탄소층을 둘러싸는 인편상 흑연을 포함하는 코어부를 제조하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 13, wherein the step (a) comprises mixing the third amorphous carbon precursor and the flaky graphite and heating at 200 to 900°C to prepare a core part comprising flaky graphite surrounding the third amorphous carbon layer. Method for producing a negative active material having a multilayer structure, characterized in that. 제 1 항에 따른 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
A lithium secondary battery comprising the negative active material according to claim 1.
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