KR102198785B1 - Anode Material for Lithium Secondary Battery Comprising Tin-Fullerene Complex and Preparation Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극, 리튬 이차 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)는 나노사이즈의 주석입자가 균일하게 분포되어 싸이클에 따른 전극열화가 방지(전극 부피팽창에 대한 자가완화 효과)되며, 주석-산화주석-플라즈마 중합 풀러렌의 계층구조를 형성하여 율특성이 향상(리튬 이온 확산속도 가속화 효과)된다.
The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery including a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC), a negative electrode for a lithium secondary battery including the same, a lithium secondary battery, and a method of manufacturing the same.
In the tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) of the present invention, nano-sized tin particles are uniformly distributed to prevent electrode degradation according to cycles (self-releasing effect on electrode volume expansion), and tin-tin oxide- By forming a layered structure of plasma polymerization fullerene, the rate characteristics are improved (the effect of accelerating the diffusion rate of lithium ions).

Description

주석-풀러렌 복합체를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질 및 이의 제조방법{Anode Material for Lithium Secondary Battery Comprising Tin-Fullerene Complex and Preparation Method Thereof}Anode Material for Lithium Secondary Battery Comprising Tin-Fullerene Complex and Preparation Method Thereof}

본 발명은 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극, 리튬 이차 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery including a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC), a negative electrode for a lithium secondary battery including the same, a lithium secondary battery, and a method of manufacturing the same.

리튬 이온 전지(lithium ion battery)는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다. 최근 높은 용량, 오랜 수명, 우수한 효율특성을 요구하는 전기장치들로 인해 리튬 이온 전지의 성능향상 또한 요구되고 있다.Lithium ion batteries are widely used in cell phones, laptops, and digital cameras because of their high density, light weight, and advantage in making high-capacity batteries. Recently, performance improvement of lithium-ion batteries is also required due to electric devices that require high capacity, long life, and excellent efficiency characteristics.

372 mAh·g-1의 이론용량을 갖는 기존의 흑연소재를 대체하기 위해 금속소재 기반의 음극소재를 활용하거나 실리콘 소재(Si), 혹은 흑연 보다 3배 높은 이론용량을 발휘하는 주석(Sn)등을 활용한 연구가 꾸준히 이어지고 있다. 그러나 주석 전극 소재 역시 충·방전시 리튬과의 합금반응(Li22Sn5)을 일으켜 전극의 부피팽창(기존 대비 약 259%)이 일어난다는 문제점을 가지고 있다. 전극의 부피팽창은 주석 입자의 균열을 가져와 구조적 불안정성을 가져오고, 전기화학환경의 불안전한 계면특성으로 성능이 점차 저하되어 고용량, 고출력의 장수명 특성을 달성하기에는 한계를 지니고 있다.To replace the existing graphite material with a theoretical capacity of 372 mAh·g -1 , use a metal-based anode material, silicon material (Si), or tin (Sn) that exhibits a theoretical capacity three times higher than graphite. The research using the is continued steadily. However, the tin electrode material also has a problem in that an alloy reaction with lithium (Li 22 Sn 5 ) occurs during charging and discharging, resulting in volume expansion of the electrode (about 259% compared to the previous one). The volume expansion of the electrode causes structural instability due to cracking of the tin particles, and the performance gradually deteriorates due to the unstable interfacial characteristics of the electrochemical environment, which has limitations in achieving high capacity and high output long life characteristics.

이에 상기 주석 전극의 문제점을 개선시키기 위해 York-shell구조의 주석-탄소 복합체 전극(Small., Vol.11, 2157-2163, 2015), 다량의 질소를 포함한 다공성 탄소 지지체에 주석나노입자를 포함시킨 주석전극(Nano Energy., Vol.19, 486-494, 2016), 이중금속 다공성의 Ni-Sn-P를 함유하고 있는 탄소-탄소나노튜브 형태의 주석전극(Small, Vol.13, 1700521, 2017) 등, 주석입자를 다공성의 탄소 지지체에 봉입시키거나, 다른 금속물질을 사용하여 주석계 복합체를 제조하는 다양한 연구가 이어지고 있다.Accordingly, in order to improve the problem of the tin electrode, a tin-carbon composite electrode having a York-shell structure (Small., Vol. 11, 2157-2163, 2015), in which tin nanoparticles were included in a porous carbon support containing a large amount of nitrogen. Tin electrode (Nano Energy., Vol. 19, 486-494, 2016), a carbon-carbon nanotube type tin electrode containing Ni-Sn-P of double metal porosity (Small, Vol. 13, 1700521, 2017) ), etc., in which tin particles are encapsulated in a porous carbon support, or other metal materials are used to prepare a tin-based composite.

이러한 복합체를 제조하기 위해 일반적으로 액상에 가열하여 반응시키는 방법을 주로 사용하게 되는데, 이와 같은 방법으로 전극활물질을 합성하게 되면, 주석을 포함한 여러 나노사이즈의 입자들 간의 상호작용으로 인해 균일한 복합체를 제조하기가 힘들다는 문제점이 있다.In order to prepare such a complex, a method of reacting by heating in a liquid phase is mainly used. When the electrode active material is synthesized in this way, a uniform complex is formed due to the interaction between various nano-sized particles including tin. There is a problem that it is difficult to manufacture.

이러한 배경하에, 본 발명자들은 주석의 부피팽창을 효과적으로 완화시킬 수 있으며, 나노사이즈의 주석입자가 균일하게 분포될 수 있는 주석계 복합체를 개발하고자 예의 노력연구한 결과, 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)의 경우 나노사이즈의 주석입자가 균일하게 분포되어 싸이클에 따른 전극열화가 방지(전극 부피팽창에 대한 자가완화 효과)되며, 주석-산화주석-플라즈마 중합 풀러렌의 계층구조를 형성하여 율특성이 향상(리튬 이온 확산속도 가속화 효과)됨을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.Under this background, the inventors of the present invention have conducted intensive research efforts to develop a tin-based composite that can effectively mitigate the volume expansion of tin and uniformly distribute nano-sized tin particles, as a result of the tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; In the case of SPC), nano-sized tin particles are evenly distributed to prevent electrode deterioration according to cycles (self-relief effect on electrode volume expansion), and a hierarchical structure of tin-tin oxide-plasma polymerization fullerene is formed. It was confirmed that the characteristics were improved (the effect of accelerating the diffusion rate of lithium ions), and the present invention was completed.

본 발명의 하나의 목적은 주석 전구체 가스 및 풀러렌을 RF 플라즈마를 이용하여 중합하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising the step of polymerizing a tin precursor gas and fullerene using RF plasma.

본 발명의 다른 하나의 목적은 주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스 구조의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a lithium secondary comprising a tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) matrix structure of a tin-fullerene complex (Sn-PC 60 ; SPC). It is to provide an anode active material for batteries.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC).

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC).

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 양태는 주석 전구체 가스 및 풀러렌을 RF 플라즈마를 이용하여 중합하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising the step of polymerizing a tin precursor gas and fullerene using RF plasma.

본 발명의 용어, "주석 전구체 가스"는 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 제조하기 위하여 사용하는 주석의 전구체 물질을 의미하며, 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 제조할 수 있는 한 그 종류에는 제한이 없다. 구체적으로, 주석을 포함하는 유기화합물을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로 테트라키스-다이메틸아미노주석(Sn[N(CH3)2]4) 또는 테트라메틸주석(Sn(CH3)4)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The term "tin precursor gas" in the present invention are tin-fullerene complex (Sn-PC 60; SPC) -; the fullerene conjugate (SPC Sn-PC 60) means a precursor material of tin and tin used to prepare the As long as it can be manufactured, there is no limit to its kind. Specifically, an organic compound containing tin may be used, and more specifically, tetrakis-dimethylaminotin (Sn[N(CH 3 ) 2 ] 4 ) or tetramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ) may be used. However, it is not limited thereto.

본 발명의 용어, "풀러렌(Fullerene)"은 탄소 원소 60개가 축구공 모양으로 결합하여 생긴 탄소의 크러스터 C60을 의미하며, 이는 지름이 약 1 nm인 '나노의 축구공'을 형성한다.The term "fullerene" of the present invention refers to a carbon cluster C 60 formed by combining 60 carbon elements in the shape of a soccer ball, which forms a'nano soccer ball' having a diameter of about 1 nm.

본 발명의 용어, "리튬 이차 전지(Lithium secondary battery)"는 방전과정에서 화학적 에너지를 전기 에너지로, 충전과정에서는 그 반대로 전기 에너지를 화학적 에너지로 변환하는 가역적 반응을 반복할 수 있는 화학전지인 이차 전지의 일종이다. 이온 상태로 존재하는 리튬 이온이 충전 시 양극에서 음극으로, 방전 시 음극에서 양극으로 이동하는 전지로, 리튬 이온 전지라고도 불린다. 리튬 이차 전지는 두 전극 사이에서 전위차로 인한 높은 전압 및 우수한 에너지밀도 특성을 갖는다. 일반적으로, 양극활물질, 음극활물질, 분리막 및 전해액으로 구성되어 있으며, 원활하게 작동되기 위해서는 충·방전과정에서 리튬 이온이 삽입하고 탈리하는 반응이 이루어지는 두 전극에서의 구조적 안정성이 매우 중요하다. The term "lithium secondary battery" of the present invention refers to a secondary chemical battery that can repeat a reversible reaction that converts chemical energy into electrical energy in the discharging process and vice versa in the charging process. It is a kind of battery. Lithium ions present in an ionic state move from the positive electrode to the negative electrode during charging and from the negative electrode to the positive electrode during discharge, and are also called lithium ion batteries. The lithium secondary battery has high voltage and excellent energy density characteristics due to a potential difference between two electrodes. In general, it is composed of a positive electrode active material, a negative electrode active material, a separator, and an electrolyte, and in order to operate smoothly, structural stability in two electrodes in which lithium ions are inserted and desorbed during charging and discharging is very important.

본 발명의 용어, "음극활물질(anode material)"은 충전 시 리튬 이온을 음극에서 받아들이는 소재로 음극재라고도 불린다. 낮은 환원전위를 갖는 소재가 주로 이용되고 있으며 방전 시 저장되어 있던 리튬원자의 산화반응이 일어나고 산화반응에서 생성된 전자가 도선을 따라 양극으로 이동하면서 전기에너지를 발생시킨다. 충·방전과정에서 구조변화가 적고, 전자의 이동 및 리튬 이온의 확산속도가 빨라야 한다.The term "anode material" of the present invention is a material that accepts lithium ions from a negative electrode during charging, and is also called a negative electrode material. Materials with a low reduction potential are mainly used, and during discharge, the oxidation reaction of stored lithium atoms occurs, and electrons generated in the oxidation reaction move to the anode along the lead to generate electrical energy. In the charging and discharging process, there should be little structural change, and the speed of electron transfer and lithium ion diffusion should be fast.

본 발명에서, 중합은 RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학증착법을 통해 수행될 수 있다.In the present invention, the polymerization may be performed through thermal evaporation chemical vapor deposition using RF plasma.

본 발명의 용어, "RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학증착법(radio frequency plasma assisted thermal evaporation chemical vapor deposition; RF-PATE CVD)"은 RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학기상증착법이라고도 불리며, 기체상태의 원료에 RF 플라즈마를 가하여 높은 에너지 준위로 여기(excitation)하여 자발적인 화학 반응을 일으켜, 반응 생성물을 기판상에 퇴적하여 박막을 형성하는 방법을 의미한다. 상기 용어 '플라즈마(plasma)'는 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하며, 플라즈마를 이용하여 화학증착을 하는 경우 반응이 열적으로 일어날 뿐만 아니라 기체상태의 원료가 방전 중에 화학적으로 활성화되어 큰 반응성을 갖기 때문에 저온에서 공정을 수행할 수 있게 한다.The term of the present invention, "radio frequency plasma assisted thermal evaporation chemical vapor deposition (RF-PATE CVD)" is also called thermal evaporation chemical vapor deposition using RF plasma. It refers to a method of forming a thin film by applying plasma to excitation at a high energy level to cause a spontaneous chemical reaction to deposit a reaction product on a substrate. The term'plasma' refers to a gaseous state separated by negatively charged electrons and positively charged ions at ultra-high temperature. In the case of chemical vapor deposition using plasma, the reaction occurs thermally and the gaseous raw material is discharged. It is chemically activated and has a large reactivity, so that the process can be performed at low temperatures.

본 발명의 구체적인 일 실시예에서는, 테트라메틸주석(Sn(CH3)4) 가스와 풀러렌(C60) 분말을 RF 플라즈마를 이용하여 중합하였다. 이때, 챔버 내부의 기본기압은 1.0x10-5 Torr이하로 유지한 뒤, 집전체로 사용될 구리포일을 250℃까지 가열하였고, 이후 30 sccm의 아르곤 가스를 챔버 내부로 유입시켜 공정기압을 42 mTorr로 조절하였다. 300W 세기의 라디오 주파를 도입하여, RF 플라즈마를 발생시켰으며, 캐리어 가스인 아르곤 기체는 10 sccm의 유량으로 기체 상태의 테드라메틸주석(Sn(CH3)4) 가스를 챔버 내로 유입시켰다. 이와 동시에 직류전원에 의해 텅스텐 보트가 가열되어 풀러렌(C60) 분말이 증발하게 되면서 깨끗하게 세척된 15 μm 두께의 구리포일 표면에 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)가 증착하였다.In a specific embodiment of the present invention, tetramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ) gas and fullerene (C 60 ) powder were polymerized using RF plasma. At this time, the basic atmospheric pressure inside the chamber was maintained below 1.0x10 -5 Torr, and then the copper foil to be used as a current collector was heated to 250°C, and then, 30 sccm of argon gas was introduced into the chamber to reduce the process pressure to 42 mTorr. Adjusted. A radio frequency of 300W was introduced to generate RF plasma, and argon gas, a carrier gas, introduced gaseous tedramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ) gas into the chamber at a flow rate of 10 sccm. At the same time, the tungsten boat was heated by a direct current power source to evaporate the fullerene (C 60 ) powder, and a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) was deposited on the cleanly cleaned surface of the 15 μm-thick copper foil.

이때, 상기 중합은 1.0x10-5 Torr 이하의 내부 기압에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 1.0x10-9 내지 1.0x10-5 Torr, 1.0x10-8 내지 1.0x10-5 Torr, 1.0x10-7 내지 1.0x10-5 Torr, 1.0x10-6 내지 1.0x10-5 Torr에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the polymerization may be carried out at an internal atmospheric pressure of 1.0x10 -5 Torr or less, specifically 1.0x10 -9 to 1.0x10 -5 Torr, 1.0x10 -8 to 1.0x10 -5 Torr, 1.0x10 -7 to 1.0 It may be performed at x10 -5 Torr, 1.0x10 -6 to 1.0x10 -5 Torr, but is not limited thereto.

이때, 상기 중합은 200 내지 300℃의 집전체 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 200 내지 300℃, 220 내지 280℃, 240 내지 260℃에서, 보다 구체적으로 250℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In this case, the polymerization may be performed at a current collector temperature of 200 to 300°C, specifically 200 to 300°C, 220 to 280°C, 240 to 260°C, more specifically 250°C, but limited thereto. It does not become.

이때, 상기 중합은 8:1 내지 1:3의 캐리어 가스:주석 전구체 가스 유량비에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 8:1 내지 1:3, 5:1 내지 1:1, 4:1 내지 2:1, 보다 구체적으로 3:1의 캐리어 가스:주석 전구체 가스 유량비에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the polymerization may be performed at a carrier gas: tin precursor gas flow ratio of 8:1 to 1:3, specifically 8:1 to 1:3, 5:1 to 1:1, 4:1 to 2: 1, more specifically, it may be performed at a 3:1 carrier gas:tin precursor gas flow ratio, but is not limited thereto.

이때, 상기 중합은 250 내지 350 W의 라디오 주파에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 250 내지 350 W, 270 내지 330 W, 280 내지 320 W, 290 내지 310 W, 295 내지 305 W, 보다 구체적으로 300 W의 라디오 주파에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the polymerization may be carried out at a radio frequency of 250 to 350 W, specifically 250 to 350 W, 270 to 330 W, 280 to 320 W, 290 to 310 W, 295 to 305 W, more specifically 300 W It may be performed at the radio frequency of, but is not limited thereto.

이때, 상기 중합은 30 내지 50 mTorr의 공정기압에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 30 내지 50 mTorr, 35 내지 45 mTorr, 37 내지 43 mTorr, 39 내지 41 mTorr, 보다 구체적으로 40 mTorr의 공정기압에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the polymerization may be carried out at a process pressure of 30 to 50 mTorr, specifically 30 to 50 mTorr, 35 to 45 mTorr, 37 to 43 mTorr, 39 to 41 mTorr, more specifically 40 mTorr. It may be, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 하나의 양태는 주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스 구조의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질을 제공한다.Another aspect of the present invention is a lithium secondary comprising a tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) matrix structure of a tin-fullerene complex (Sn-PC 60 ; SPC). Provides an anode active material for batteries.

이때, 상기 "리튬 이차 전지", "음극활물질" 및 "풀러렌"에 대한 설명은 전술한 바와 같다.In this case, the description of the "lithium secondary battery", the "negative electrode active material" and "fullerene" is as described above.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극활물질은 주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스 구조의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함한다.The anode active material for a lithium secondary battery of the present invention includes a tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) matrix structure of a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC).

본 발명의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)는 주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스로 구성된 계층적 구조를 가진다. 초기상태는 금속/ n형 반도체/ p형 반도체 구조로 되어 있다. 이와 같은 3개 성분의 조합은 페르미 에너지(Fermi energy) 레벨을 형성한다. 주석/산화주석(Sn/SnO2) 계면은 오믹저항(ohmic contact)이 산화주석/플라즈마 중합 풀러렌(SnO2/PC60) 사이 계면은 p-n반도체 접합계면이 형성된다. 따라서 충전상태에서는 외부의 전압이 p-n 접합의 공핍 영역(depletion zone, W)을 감소시킨다. SnO2/PC60 계면에서 외부에 형성된 전압장이 정전 상호작용(electrostatic interaction)으로 리튬 이온을 PC60 매트릭스에서 주석입자로 이동할 수 있도록 한다. 동시에 비정질 SnO2 내 대부분의 자유케리어(free carrier)는 정전작용에 의해 리튬 이온을 PC60 매트릭스에서 주석입자로 끌어당긴다. 따라서 리듐 이온은 접합(junction)을 쉽게 통과하게 된다. 이와 같은 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 음극활물질은 리튬과 완전히 반응하면 LixSn, LiyC와 같은 복합물로 변화되고, Sn과 PC60 사이에 존재하는 얇은 SnO2 계면은 LixSn이나 Li2O로 변화된다.The tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) of the present invention has a hierarchical structure composed of a tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) matrix. The initial state is a metal/n-type semiconductor/p-type semiconductor structure. The combination of these three components creates a Fermi energy level. The tin/tin oxide (Sn/SnO 2 ) interface has an ohmic contact, and the interface between the tin oxide/plasma polymerization fullerene (SnO 2 /PC 60 ) forms a pn semiconductor junction interface. Therefore, in the charged state, an external voltage reduces the depletion zone (W) of the pn junction. The external voltage field formed at the SnO 2 /PC 60 interface allows lithium ions to move from the PC 60 matrix to the tin particles through electrostatic interaction. At the same time, most free carriers in amorphous SnO 2 attract lithium ions from the PC 60 matrix to tin particles by electrostatic action. Therefore, lithium ions easily pass through the junction. A negative electrode active material containing such a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) is converted into a composite such as Li x Sn and Li y C when fully reacted with lithium, and the thin SnO 2 existing between Sn and PC 60 The interface is changed to Li x Sn or Li 2 O.

Sn + xLi+ + xe-

Figure 112019056832211-pat00001
LixSn (0≤ x ≤4.4) (1)Sn + xLi + + xe -
Figure 112019056832211-pat00001
Li x Sn (0≤ x ≤4.4) (1)

C + yLi+ + ye-

Figure 112019056832211-pat00002
Lix0yC (y는 임의의 값) (2)C + yLi + + ye -
Figure 112019056832211-pat00002
Li x 0 y C (y is an arbitrary value) (2)

SnO2 + 4Li+ + 4e-

Figure 112019056832211-pat00003
Sn + 2Li2O (0≤ x ≤4.4) (3)SnO 2 + 4Li + + 4e -
Figure 112019056832211-pat00003
Sn + 2Li 2 O (0≤ x ≤4.4) (3)

LixSn 입자 내부가 LiyC 매트릭스보다 더 많은 리튬 이온이 있기 때문에 LixSn 일함수는 LiyC보다 훨씬 낮게 되고 비정질 SnO2층보다도 낮게 된다. 그 결과 PC60에 있는 대부분의 자유 캐리어(free carrier)는 양전하에서 음전하로 이동하게 된다. 또한 비정질 SnO2에 있는 대부분의 자유 캐리어는 이미 LixSn과 Li2O로 변화되었으므로 음전하에서 양전하로 이동하게 된다.Since there are more lithium ions inside the Li x Sn particles than the Li y C matrix, the Li x Sn work function is much lower than that of Li y C and lower than that of the amorphous SnO 2 layer. As a result, most of the free carriers in PC 60 move from positive charges to negative charges. In addition, most of the free carriers in the amorphous SnO 2 have already been changed to Li x Sn and Li 2 O, so they move from negative to positive charges.

한편, 전장형성이 반대로 되면, 즉 방전과정에서는 PC60의 페르미 에너지(Fermi energy) 레벨이 향상되고 리튬 합금된 SnO2(즉, LixSn과 Li2O)는 상당히 많은 리튬 이온을 가지게 되면서 페르미 에너지(Fermi energy) 레벨은 낮아지게 된다. 그리고 형성된 전장이 반대 방향으로 흐른다. 따라서 Sn 내의 리튬 이온은 쉽고 용이하게 계면을 통해서 이동한다. 이러한 메커니즘을 통하여 형성된 두 개의 계면, Sn/SnO2 및 SnO2/PC60 계면은 충·방전과정에서 리튬 이온의 이동을 가속화시켜서 급속충전이 가능하게 하여준다.On the other hand, when the electric field formation is reversed, that is, in the discharging process, the Fermi energy level of PC 60 is improved, and the lithium alloyed SnO 2 (i.e., Li x Sn and Li 2 O) has quite a lot of lithium ions. The Fermi energy level is lowered. And the formed electric field flows in the opposite direction. Therefore, lithium ions in Sn move easily and easily through the interface. The two interfaces formed through this mechanism, Sn/SnO 2 and SnO 2 /PC 60 interfaces, accelerate the movement of lithium ions during the charging and discharging process, enabling rapid charging.

본 발명의 구체적인 일 실시예에서는, Pristine PC60, Pristine Sn 및 SPC-50 전극의 반쪽전지에서의 율특성을 비교한 결과, 100 mA·g-1의 전류밀도에서 각각 904.35 mA·g-1, 990.93 mA·g-1, 및 1054.11 mAh·g-1의 용량을, 10000 mA·g-1의 전류밀도에서 각각 211.96 mA·g-1, 52.27 mA·g-1, 544.33 mAh·g-1의 용량을 나타내어, SPC-50의 율특성이 우수함을 확인하였다(도 10). 이는 SnO2/PC60 계면의 접합으로부터 p-n 접합 구조가 유도됨으로써 ohmic/built-in electric field(BEF) 효과에 의해 리튬 이온의 확산속도가 향상되어 나타나는 결과임을 알 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, as a result of comparing the rate characteristics in half-cells of Pristine PC 60 , Pristine Sn and SPC-50 electrodes, at a current density of 100 mA·g -1 , each of 904.35 mA·g -1 , Capacities of 990.93 mA·g -1 and 1054.11 mAh·g -1 at a current density of 10000 mA·g -1 of 211.96 mA·g -1 , 52.27 mA·g -1 and 544.33 mAh·g -1 respectively By indicating the capacity, it was confirmed that the rate characteristics of SPC-50 were excellent (FIG. 10). It can be seen that this is a result that the diffusion rate of lithium ions is improved by the ohmic/built-in electric field (BEF) effect as the pn junction structure is induced from the junction of the SnO 2 /PC 60 interface.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극활물질은 상기 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.The negative active material for a lithium secondary battery of the present invention may be prepared by the above manufacturing method.

본 발명의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)의 주석(Sn)과 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)의 중량비에는 제한이 없다. 구체적으로 85:15 내지 15:85 중량비, 70:30 내지 30:70 중량비, 60:40 내지 40:60 중량비, 55:45 내지 45:55 중량비, 또는 50:50 중량비를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.There is no limit to the weight ratio of tin (Sn) and plasma polymerization fullerene (PC 60 ) of the tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) of the present invention. Specifically, it may have a weight ratio of 85:15 to 15:85, a weight ratio of 70:30 to 30:70, a weight ratio of 60:40 to 40:60, a weight ratio of 55:45 to 45:55, or a weight ratio of 50:50, but is limited thereto. It does not become.

본 발명의 구체적인 일 실시예에서는, SPC-18(Sn:PC60=18:82 중량비), SPC-41(Sn:PC60=41:59 중량비), SPC-50(Sn:PC60=50:50 중량비), SPC-59(Sn:PC60=59:41 중량비), SPC-80(Sn:PC60=80:20 중량비)를 제조하였다(실시예 1).In a specific embodiment of the present invention, SPC-18 (Sn:PC 60 =18:82 weight ratio), SPC-41 (Sn:PC 60 =41:59 weight ratio), SPC-50 (Sn:PC 60 =50: 50 weight ratio), SPC-59 (Sn:PC 60 =59:41 weight ratio), and SPC-80 (Sn:PC 60 =80:20 weight ratio) were prepared (Example 1).

본 발명의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)는 나노사이즈의 주석입자가 균일하게 분포되어 우수한 탄성을 가짐으로써 반복적인 부피 팽창 및 수축에서 발생되는 스트레스가 효과적으로 분산되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 특징은 전극열화 완화 효과를 나타낸다.The tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) of the present invention is characterized in that nano-sized tin particles are uniformly distributed to have excellent elasticity, thereby effectively dispersing stress generated from repetitive volume expansion and contraction. This characteristic shows an effect of reducing electrode deterioration.

본 발명의 구체적인 일 실시예에서는, Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50 전극의 반쪽전지에서의 사이클 성능을 비교한 결과, Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50 전극은 각각 초반 557.89, 832.00, 858.46 mAh·g-1의 방전용량을 나타내었으나, 150사이클 후 Pristine Sn 전극은 7.71%의 용량유지율과 87.52%의 쿨롱효율을 나타낸 반면, SPC-50 전극은 350사이클 후에도 97.35%의 용량유지율과 99.54%의 쿨룡효율을 나타내어, SPC-50의 사이클 성능이 우수함을 확인하였다(도 11).In the specific embodiment of the invention, Pristine PC 60, Pristine Sn, and SPC-50 Comparison of the cycle performance of the half-cell electrode, Pristine PC 60, Pristine Sn, and SPC-50 electrode in the early each 557.89, The discharge capacity was 832.00 and 858.46 mAh·g-1, but after 150 cycles, the Pristine Sn electrode showed 7.71% capacity retention and 87.52% Coulomb efficiency, while the SPC-50 electrode showed 97.35% capacity retention even after 350 cycles. And 99.54% Koolyong efficiency, it was confirmed that the cycle performance of the SPC-50 is excellent (Fig. 11).

본 발명의 또 다른 하나의 양태는 상기 리튬 이차 전지용 음극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a negative electrode for a lithium secondary battery including the negative electrode active material for a lithium secondary battery.

이때, 상기 "리튬 이차 전지", "음극활물질" 및 "풀러렌"에 대한 설명은 전술한 바와 같다.In this case, the description of the "lithium secondary battery", the "negative electrode active material" and "fullerene" is as described above.

본 발명의 용어, "음극(anode)"은 일반적으로 전위 서열(electrochemical series)에서 보다 음의 값의 전극 준위를 가지며, 방전 시 산화되는 물질을 포함하는 전극을 의미한다. 특히 리튬 이차 전지에서, 충전 시 리튬 이온이 삽입(insertion)되어 저장하고, 방전 시 리튬 이온이 탈리(extraction)되어 방출하는 전극을 의미한다.In the present invention, the term "anode" generally refers to an electrode including a material that is oxidized when discharged, having an electrode level of a negative value in an electrochemical series. In particular, in a lithium secondary battery, lithium ions are inserted and stored during charging, and lithium ions are extracted and released during discharge.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극은 주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스 구조의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질을 포함한다.The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention includes a tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) matrix structure of a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC). It includes a negative electrode active material for batteries.

본 발명의 또 다른 하나의 양태는 상기 리튬 이차 전지용 음극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a lithium secondary battery including the negative active material for a lithium secondary battery.

이때, 상기 "리튬 이차 전지", "음극활물질" 및 "풀러렌"에 대한 설명은 전술한 바와 같다.In this case, the description of the "lithium secondary battery", the "negative electrode active material" and "fullerene" is as described above.

본 발명의 리튬 이차 전지는 주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스 구조의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질을 포함한다.The lithium secondary battery of the present invention is for a lithium secondary battery including a tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) matrix structure of a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) Contains negative electrode active material.

본 발명의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)는 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 내에 나노사이즈의 주석입자가 균일하게 분산됨으로써, 충·방전 시 주석입자의 반복적인 부피 팽창 및 수축에서 발생되는 스트레스를 분산시켜 주석입자의 싸이클에 따른 전극열화가 방지되는 효과(전극 부피팽창에 대한 자가완화 효과) 및 나노사이즈의 주석과 플라즈마 중합 풀러렌 매트릭스 사이에 산화주석(a-SnO2) 중간층을 포함하는 계층적 구조가 형성됨으로써, 산화주석과 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)의 접합은 p-n junction 반도체 구조를 유도하여 최소 오믹저항과 형성된 전기장내에서의 리튬 이온의 계면 확산속도 가속화 현상에 의해 전극의 율특성이 향상되는 효과(리튬 이온 확산속도 가속화 효과)가 나타난다.In the tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) of the present invention, nano-sized tin particles are uniformly dispersed in the plasma polymerization fullerene (PC 60 ) having excellent elasticity, so that the tin particles repeatedly expand in volume during charging and discharging. And the effect of dispersing the stress generated from shrinkage to prevent electrode deterioration according to the cycle of tin particles (self-releasing effect on electrode volume expansion), and tin oxide (a-SnO 2) between nano-sized tin and plasma polymerization fullerene matrix. ) As a hierarchical structure including an intermediate layer is formed, the bonding of tin oxide and plasma polymerized fullerene (PC 60 ) induces a pn junction semiconductor structure, resulting in a minimum ohmic resistance and acceleration of the interfacial diffusion rate of lithium ions in the formed electric field. As a result, the rate characteristics of the electrode are improved (the effect of accelerating the diffusion rate of lithium ions).

도 1은 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60)의 구조와 자가완화특성, 에너지도표를 통해 전극 내 계면에서의 ohmic/built-in electric field(BEF) 효과에 의해 리튬 이온의 확산속도가 가속화 되는 현상을 나타낸 모식도이다. 이때, PC60은 플라즈마 중합 풀러렌(Plasma polymerized C60)을, Φ은 일함수(work function)를, EBI는 형성된 전기장(Built-in electric field)을, EVac는 진공 에너지 준위(Vacuum energy level)를, EF는 페르미 에너지 준위(Fermi energy level)를, Eg는 밴드갭 에너지(Band gap energy)를, CBM은 최저 전도대(Conduction-band minimum)를, VBM은 최대 가전자대(Valence-band maximum)를, W는 공간 전하 영역(Space charge region 또는 Space depletion region)을 의미한다.
도 2는 RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학증착법(RF-PATE CVD)을 이용한 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60)의 제조방법에 대한 모식도이다. (가)는 RF 소스를 포함한 열증발 화학증착 장비를 나타내며, (나)는 챔버 내에서의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60)의 증착과정을 나타낸 것이다.
도 3은 Pristine PC60 표면(a)과 단면(d), Pristine Sn 표면(b)과 단면(e), 및 SPC-50 표면(c)과 단면(f)의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50에 대한 X선 광전자 분광법을 이용한 depth profile을 비교한 그래프이다.
도 5는 SPC-50 표면((a) 내지 (c))과 단면((d) 내지 (f))의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 6은 X선 광전자 분광법을 이용하여 분석한, Pristine Sn과 SPC-50에 포함된 주석원자 구성성분을 비교한 그래프이다.
도 7은 RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학증착법(RF-PATE CVD)을 이용한 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60)의 제조 메커니즘에 대한 모식도이다.
도 8은 코인 형태의 반쪽전지 구성요소 및 충방전 시 반쪽전지의 구동에 대한 모식도이다.
도 9는 Pristine Sn, SPC-80, SPC-59, SPC-50, SPC-41, SPC-18 및 Pristine PC60 전극의 율특성을 비교한 그래프이다.
도 10은 Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50 전극의 반쪽전지에서의 율특성을 비교한 그래프이다.
도 11은 Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50 전극의 반쪽전지에서의 사이클 성능을 비교한 그래프이다.
도 12는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극과 Pristine Sn 및 SPC-50 음극을 사용한 완전전지에서의 사이클 성능을 비교한 그래프이다. (가)는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극과 SPC-50 음극을 사용한 완전전지에서의 사이클 성능을 나타내며, (나)는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극과 Pristine Sn 음극을 사용한 완전전지에서의 사이클 성능을 나타내는 것이다.
1 shows the structure of the tin-fullerene complex (Sn-PC 60 ), the self-relaxation characteristics, and the energy diagram, in which the diffusion rate of lithium ions is accelerated by the ohmic/built-in electric field (BEF) effect at the interface within the electrode. It is a schematic diagram showing the phenomenon. At this time, PC 60 is a plasma polymerized fullerene (Plasma polymerized C 60 ), Φ is a work function, E BI is a built-in electric field, E Vac is a vacuum energy level (Vacuum energy level). ), EF is the Fermi energy level, Eg is the band gap energy, CBM is the conduction-band minimum, and VBM is the maximum valence-band maximum. , W denotes a space charge region or a space depletion region.
2 is a schematic diagram of a method of manufacturing a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ) using a thermal evaporation chemical vapor deposition method (RF-PATE CVD) using RF plasma. (A) shows the thermal evaporation chemical vapor deposition equipment including the RF source, and (B) shows the deposition process of the tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ) in the chamber.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the pristine PC60 surface (a) and cross-section (d), the pristine Sn surface (b) and cross-section (e), and the SPC-50 surface (c) and cross-section (f).
4 is a graph comparing depth profiles for Pristine PC 60 , Pristine Sn, and SPC-50 using X-ray photoelectron spectroscopy.
5 is a transmission electron microscope (TEM) image of the SPC-50 surface ((a) to (c)) and cross-sections ((d) to (f)).
6 is a graph comparing the components of the tin atom contained in Pristine Sn and SPC-50, analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy.
7 is a schematic diagram of a manufacturing mechanism of a tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ) using a thermal evaporation chemical vapor deposition method (RF-PATE CVD) using RF plasma.
8 is a schematic diagram of a coin-shaped half-cell component and driving of a half-cell during charging and discharging.
9 is a graph comparing rate characteristics of Pristine Sn, SPC-80, SPC-59, SPC-50, SPC-41, SPC-18, and Pristine PC 60 electrodes.
10 is a graph comparing rate characteristics in half cells of Pristine PC 60 , Pristine Sn, and SPC-50 electrodes.
11 is a graph comparing cycle performance in half cells of Pristine PC 60 , Pristine Sn, and SPC-50 electrodes.
12 is a graph comparing cycle performance in a complete battery using a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) positive electrode and a pristine Sn and SPC-50 negative electrode. (A) shows the cycle performance of a lithium cobalt oxide (LiCoO 2) complete cell using the positive electrode and SPC-50 cathode, (B) is in the lithium cobalt oxide (LiCoO 2) complete cell using the positive electrode and Pristine Sn cathode It represents the cycle performance.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by the following examples. However, the following examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1. 주석-풀러렌 복합체(Sn-PCExample 1. Tin-fullerene complex (Sn-PC 6060 ; SPC)의 제조; SPC)

테트라메틸주석(Sn(CH3)4) 가스와 풀러렌(C60) 분말을 각각 주석-풀러렌 복합체의 전구체로 사용하였다. 구체적으로, 일정양의 풀러렌(C60)분말이 들어간 텅스텐 보트를 RF 플라즈마를 이용한 열증발(RF-PATE) 챔버 안에 넣고, 풀러렌(C60)분말을 가열시키기 위해 직류전원과 연결하였다(도 2). 증착 전 챔버 내부의 기본기압을 1.0x10-5 Torr이하까지 유지한 뒤, 집전체로 사용될 구리포일을 250℃까지 가열하였다. 이후 30 sccm의 아르곤 가스를 챔버 내부로 유입시켜 공정기압을 42 mTorr로 조절하였고, 300W 세기의 라디오 주파(RF, radio-frequency)가 반응기 내로 도입되면서, RF 플라즈마가 발생하였다. 캐리어 가스인 아르곤 기체는 10 sccm의 유량으로 기체 상태의 테드라메틸주석(Sn(CH3)4) 가스를 챔버 내로 유입시켰고, 동시에 직류전원에 의해 텅스텐 보트가 가열되어 풀러렌(C60) 분말이 증발하게 되면서 깨끗하게 세척된 15 μm 두께의 구리포일 표면에 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)가 증착하였다. 또한, 본 발명에서 사용한 테트라메틸틴 대신에 주석을 포함하는 유기화합물을 전구체로 사용하여도 동일한 결과를 도출할 수 있다.Tetramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ) gas and fullerene (C 60 ) powder were used as precursors of the tin-fullerene complex, respectively. Specifically, a tungsten boat containing a certain amount of fullerene (C 60 ) powder was placed in a thermal evaporation (RF-PATE) chamber using RF plasma, and connected to a DC power source to heat the fullerene (C 60 ) powder (FIG. 2) ). Before deposition, the basic atmospheric pressure inside the chamber was maintained to 1.0x10 -5 Torr or less, and then the copper foil to be used as a current collector was heated to 250°C. Thereafter, argon gas of 30 sccm was introduced into the chamber to adjust the process pressure to 42 mTorr, and as a radio-frequency (RF) of 300 W intensity was introduced into the reactor, RF plasma was generated. Argon gas, a carrier gas, introduced gaseous tedramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ) gas into the chamber at a flow rate of 10 sccm, and at the same time, the tungsten boat was heated by a direct current power source to produce fullerene (C 60 ) powder. A tin-fullerene composite (Sn-PC 60 ; SPC) was deposited on the surface of a 15 μm-thick copper foil cleaned while evaporating. In addition, the same results can be obtained by using an organic compound containing tin as a precursor instead of tetramethyltin used in the present invention.

그 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이 주석-풀러렌 복합체 주석(Sn)과 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)이 다양한 무게비율로 구리포일 표면에 증착하였으며, 주석과 플라즈마 중합 풀러렌의 중량비에 따라 각각 SPC-18(Sn:PC60=18:82), SPC-41(Sn:PC60=41:59), SPC-50(Sn:PC60=50:50), SPC-59(Sn:PC60=59:41), SPC-80(Sn:PC60=80:20)으로 지칭하였다.As a result, as shown in Table 1, tin-fullerene composite tin (Sn) and plasma polymerization fullerene (PC 60 ) were deposited on the surface of the copper foil at various weight ratios, respectively, according to the weight ratio of tin and plasma polymerization fullerene, SPC-18 (Sn:PC 60 =18:82), SPC-41(Sn:PC 60 =41:59), SPC-50(Sn:PC 60 =50:50), SPC-59(Sn:PC 60 =59: 41), referred to as SPC-80 (Sn:PC 60 =80:20).

번호number 물질이름Substance name 물질구성비율Substance composition ratio 1One Pristine SnPristine Sn 순수 주석(Sn)만을 증착Only pure tin (Sn) is deposited 22 SPC-80SPC-80 80wt%의 주석(Sn)과 20wt%의 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)80wt% of tin (Sn) and 20wt% of plasma polymerization fullerene (PC 60 ) 33 SPC-59SPC-59 59wt%의 주석(Sn)과 41wt%의 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)59wt% of tin (Sn) and 41wt% of plasma polymerization fullerene (PC 60 ) 44 SPC-50SPC-50 50wt%의 주석(Sn)과 50wt%의 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)50wt% of tin (Sn) and 50wt% of plasma polymerization fullerene (PC 60 ) 55 SPC-41SPC-41 41wt%의 주석(Sn)과 59wt%의 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)41wt% of tin (Sn) and 59wt% of plasma polymerization fullerene (PC 60 ) 66 SPC-18SPC-18 18wt%의 주석(Sn)과 82wt%의 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)18wt% of tin (Sn) and 82wt% of plasma polymerization fullerene (PC 60 ) 77 Pristine PC60 Pristine PC 60 순수 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)만을 증착Only pure plasma polymerization fullerene (PC 60 ) is deposited

또한, 순수한 주석만을 증착한 주석금속 박막(Pristine Sn) 및 순수한 플라즈마 중합 풀러렌(PC60)만을 증착한 플라즈마 중합 풀러렌 박막(Pristine PC60)을 동일한 실험조건에서 제조하였다.In addition, a tin metal thin film (Pristine Sn) in which only pure tin was deposited and a plasma-polymerized fullerene thin film (Pristine PC 60 ) in which only pure plasma polymerization fullerene (PC 60 ) was deposited were prepared under the same experimental conditions.

실시예 2. 주석-풀러렌 복합체(Sn-PCExample 2. Tin-fullerene complex (Sn-PC 6060 )의 구조분석) Structure analysis

실시예 2-1. 주석-풀러렌 복합체(Sn-PCExample 2-1. Tin-fullerene complex (Sn-PC 6060 ), 순수한 주석금속 박막(Pristine Sn) 및 플라즈마 중합 풀러렌 박막(Pristine PC), pure tin metal thin film (Pristine Sn) and plasma polymerization fullerene thin film (Pristine PC 6060 )의 구조 비교 분석) Structure comparison analysis

실시예 1에서 제조된 SPC-50, Pristine Sn 및 Pristine PC60에 대하여, 주사전자현미경을 이용하여 각각의 입자 크기 및 형상을 관찰하였다. For SPC-50, Pristine Sn, and Pristine PC 60 prepared in Example 1, each particle size and shape were observed using a scanning electron microscope.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이 Pristine PC60과 SPC-50의 입자크기는 각각 5nm 이하, 10nm 이하로써 150-200nm의 입자크기를 갖는 Pristine Sn 보다 훨씬 작음을 알 수 있었다. 또한, 모든 전극의 두께는 약 220nm로 일정함을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 3, the particle sizes of Pristine PC 60 and SPC-50 were 5 nm or less and 10 nm or less, respectively, which was much smaller than Pristine Sn having a particle size of 150-200 nm. In addition, it was found that the thickness of all the electrodes was constant at about 220 nm.

아울러, 실시예 1에서 제조된 SPC-50, Pristine Sn 및 Pristine PC60에 대하여, X선 광전자 분광법을 이용하여 각각의 구성원소를 분석하였다.In addition, for SPC-50, Pristine Sn, and Pristine PC 60 prepared in Example 1, each element was analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy.

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이 depth profile이 주사전자현미경을 통해 확인한 전극의 두께와 일치함을 알 수 있었다. As a result, as shown in FIG. 4, it was found that the depth profile coincided with the thickness of the electrode checked through the scanning electron microscope.

실시예 2-2. 주석-풀러렌 복합체(Sn-PCExample 2-2. Tin-fullerene complex (Sn-PC 6060 )의 구조 상세 분석) Structure detailed analysis

실시예 1에서 제조된 SPC-50에 대하여, 투과전자현미경을 이용하여 보다 상세한 구조와 원소들의 배열을 분석하였다.For the SPC-50 prepared in Example 1, a more detailed structure and arrangement of elements were analyzed using a transmission electron microscope.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이 크기가 10nm 이하의 주석입자들이 PC60 매트릭스 내부에 고르게 분산되었음을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 5, it was found that tin particles having a size of 10 nm or less were evenly dispersed in the PC 60 matrix.

또한, X선 광전자 분광법을 이용하여 주석입자는 표면에 무정형의 산화주석막으로 둘러싸여 있음을 알 수 있었으며, 도 6에서 486.4 eV와 494.9 eV의 결합에너지에 해당하는 원소가 산화주석이다.In addition, using X-ray photoelectron spectroscopy, it was found that the tin particles were surrounded by an amorphous tin oxide film on the surface, and in FIG. 6, tin oxide was an element corresponding to the binding energy of 486.4 eV and 494.9 eV.

아울러, 도 7에 나타난 바와 같이 SPC-50은 세 개의 다른 성분 즉, 주석(Sn)-산화주석(SnO2)-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스의 계층적구조로 형성됨을 알 수 있었다. 테드라메틸주석(Sn(CH3)4)은 아르곤 플라즈마에 의해 분해되어 주석입자(Sn)와 라디칼을 갖는 Sn(Sn), 및 이온화된 Sn(Sn4+)을 형성하였다. 이후 구리포일에 증착되었는데, 주석입자가 먼저 증착 된 후 그 표면에 Sn가 증착되었으며, 그 바깥으로 Sn4+가 증착되었다. 증착된 주석입자의 표면은 양전하를 띔으로써, 증착된 주석입자 사이에는 반데르 발스 힘(척력)이 발생하여 일정한 간격을 유지하게 되었으며. 동시에 아르곤 플라즈마는 풀러렌(C60)의 C-C결합과 C=C결합을 끊고, Cy-Ox결합과 Cy=Ox결합을 형성시켰다. Cy-Ox결합과 Cy=Ox결합은 전기음성도가 높은 산소원자에 의해 환원된 후 주석입자 표면의 Sn4+와 반응하여 결국 산화주석(a-SnO2)를 형성하였다. 이때, 산화주석은 약 5nm의 두께로 형성되었다.In addition, as shown in FIG. 7, SPC-50 was found to be formed in a hierarchical structure of three other components, namely, tin (Sn)-tin oxide (SnO 2 )-plasma polymerization fullerene (PC 60 ) matrix. Tedramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ) was decomposed by argon plasma to form tin particles (Sn) and Sn (Sn) having radicals, and ionized Sn (Sn 4+ ). Afterwards, it was deposited on copper foil. After the tin particles were deposited first, Sn was deposited on the surface, and Sn 4+ was deposited on the outside. As the surface of the deposited tin particles has a positive charge, a van der Waals force (repulsive force) is generated between the deposited tin particles to maintain a certain distance. At the same time, argon plasma broke the CC bond and C=C bond of fullerene (C 60 ), and formed Cy-Ox bond and Cy=Ox bond. Cy-Ox bonds and Cy=Ox bonds were reduced by oxygen atoms with high electronegativity and then reacted with Sn 4+ on the surface of the tin particles to eventually form tin oxide (a-SnO 2 ). At this time, the tin oxide was formed to a thickness of about 5 nm.

실시예 3. 주석-풀러렌 복합체(Sn-PCExample 3. Tin-fullerene complex (Sn-PC 6060 )를 포함하는 리튬 이온 전지의 제조) Preparation of a lithium ion battery containing

모든 전기화학적 측정은 코인 형태의 리튬 이온 전지 (CR2032)를 이용하여 실시하였다. 모든 코인 셀은 이슬점과 온도가 각각 -100.2℃와 20℃인 드라이룸에서 제조하였다. 분리막은 폴리프로필렌(polypropylene)을 사용하였고, 전해질은 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, C3H4O3):디메틸카보네이드(Dimethyl carbonate, C3H6O3):에틸메틸카보네이드(ethyl methyl carbonate, C4H8O3)를 부피비율 1:1:1로 섞은 용액에 리튬염으로써 1몰의 리튬 헥사풀로오로포스페이트(Lithium hexafluorophosphate, LiPF6)을 혼합한 용액을 사용하였다.All electrochemical measurements were performed using a coin-type lithium ion battery (CR2032). All coin cells were manufactured in dry rooms with dew point and temperature of -100.2°C and 20°C, respectively. The separator was made of polypropylene, and the electrolyte was ethylene carbonate (C 3 H 4 O 3 ): dimethyl carbonate (C 3 H 6 O 3 ): ethyl methyl carbonate , C 4 H 8 O 3 ) A solution in which 1 mol of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was mixed as a lithium salt in a solution in a volume ratio of 1:1:1 was used.

반쪽전지의 제조 및 반쪽전지의 구동에 대한 모식도는 도 8에 나타내었다. 완전전지 제작 시, 사용되는 리튬코발트산화물(LiCoO2, LCO) 양극은 LCO분말과 도전제인 덴카블랙, 바인더로써 폴리비닐리딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)가 함유된 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 용액을 각각 90 중량%, 5 중량%, 5 중량%의 비율로 섞어 캐스팅하여 제조하였다. 음극과 양극사이의 N/P ratio는 1.1로 맞추어 설계하였다.A schematic diagram of manufacturing a half-cell and driving the half-cell is shown in FIG. 8. The lithium cobalt oxide (LiCoO 2 , LCO) positive electrode used in the manufacture of a complete battery is LCO powder, denka black as a conductive agent, and N-methyl-2-pyrrolidone (polyvinylidene fluoride) containing polyvinylidene fluoride as a binder. N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) solution was mixed and cast in a ratio of 90% by weight, 5% by weight, and 5% by weight, respectively. The N/P ratio between the cathode and the anode was designed to be 1.1.

실시예 4. 전기화학적 성능 측정Example 4. Measurement of electrochemical performance

실시예 4-1. 율특성Example 4-1. Rate characteristics

전지의 율특성 실험은 시리즈 4000사의 마커시스템을 이용하여 진행하였고, 실험 조건은 0.01-3.00 V의 cutoff 전압범위에서 100, 300, 500, 700, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000 mA·g-1의 전류밀도를 인가하였다.The rate characteristic experiment of the battery was conducted using a marker system of Series 4000, and the experimental conditions were 100, 300, 500, 700, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000 mA·g - in the cutoff voltage range of 0.01-3.00 V. A current density of 1 was applied.

주석과 중합된 풀러렌의 양을 최적화하기 위한 율특성 실험 결과, 도 9에 나타난 바와 같이 상기 명시된 전류밀도 조건에 주석과 중합된 풀러렌의 비율이 1:1 (중량%)인 SPC-50에서 가장 높은 방전용량이 발현됨을 확인하였으며, 이에 SPC-50을 최종 전극조건으로 설정하였다.As a result of a rate characteristic experiment for optimizing the amount of fullerene polymerized with tin, as shown in FIG. 9, the highest in SPC-50 in which the ratio of tin and polymerized fullerene is 1:1 (% by weight) under the current density conditions specified above. It was confirmed that the discharge capacity was expressed, and SPC-50 was set as the final electrode condition.

Pristine PC60, Pristine Sn 및 SPC-50 전극의 반쪽전지에서의 율특성을 비교한 결과, 도 10에 나타난 바와 같이 100 mA·g-1의 전류밀도에서 각각 904.35, 990.93, 및 1054.11 mAh·g-1의 용량을 나타내었다. 이와 관련하여, SPC-50 전극이 나머지 전극들 보다 좀 더 높은 용량을 발현하는 것은 주석입자표면을 둘러싼 산화주석(a-SnO2)도 용량발현에 기여하기 때문임을 알 수 있었다. 또한, 10000 mA·g-1의 전류밀도에서 각각 211.96, 52.27, 544.33 mAh·g-1의 용량을 나타내었는데, 이는 주석산화물과 PC60의 접합으로부터 p-n junction 구조가 유도됨으로써 ohmic/built-in electric field(BEF) 효과에 의해 리튬 이온의 확산속도가 향상되어 나타나는 결과임을 알 수 있었다.As a result of comparing the rate characteristics in half-cells of Pristine PC 60 , Pristine Sn and SPC-50 electrodes, as shown in FIG. 10, at current densities of 100 mA·g −1 , respectively, 904.35, 990.93, and 1054.11 mAh·g − It represents the dose of 1 . In this regard, it was found that the SPC-50 electrode exhibited a higher capacity than the other electrodes because tin oxide (a-SnO 2 ) surrounding the tin particle surface also contributed to the capacity expression. In addition, at a current density of 10000 mA·g -1 , the capacities of 211.96, 52.27, and 544.33 mAh·g -1 were shown, respectively. This is because the pn junction structure was induced from the junction of tin oxide and PC 60 , resulting in ohmic/built-in electric It can be seen that this is a result of the improvement of the diffusion rate of lithium ions by the field (BEF) effect.

실시예 4-2. 사이클 성능Example 4-2. Cycle performance

*사이클 성능을 위한 정전류 실험은 1000 mA·g-1의 전류밀도에서 나머지는 동일한 조건으로 실시하였다.* The constant current experiment for cycle performance was conducted under the same conditions for the rest at a current density of 1000 mA·g-1.

Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50 전극의 반쪽전지에서의 사이클 성능을 비교한 결과, 도 11에 나타난 바와 같이 Pristine PC60, Pristine Sn, 및 SPC-50 전극은 각각 초반에 557.89, 832.00, 858.46 mAh·g-1의 방전용량을 보였다. 150사이클 후 Pristine Sn 전극은 7.71%의 용량유지율과 87.52%의 쿨롱효율을 나타낸 반면, SPC-50 전극은 350사이클 후에도 97.35%의 용량유지율과 99.54%의 쿨룡효율을 나타내었다. SPC-50의 우수한 사이클 성능은 전극의 자가완화 특성으로부터 기인됨을 알 수 있었다.Pristine PC 60, Pristine Sn, and a result of comparing the cycle performance of the SPC-50 electrode half cell of, Pristine PC 60, Pristine Sn, and SPC-50 electrodes as shown in Figure 11 is 557.89 at the beginning of each, 832.00, It showed a discharge capacity of 858.46 mAh·g-1. After 150 cycles, the pristine Sn electrode showed 7.71% capacity retention and 87.52% Coulomb efficiency, while the SPC-50 electrode showed 97.35% capacity retention and 99.54% Coulomb efficiency even after 350 cycles. It can be seen that the excellent cycle performance of SPC-50 is due to the self-relaxation characteristics of the electrode.

리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극과 Pristine Sn과 SPC-50의 음극을 사용한 완전전지에서의 사이클 성능을 비교한 결과, 도 12에 나타난 바와 같이 1000 mA·g-1의 전류밀도에서 Pristine Sn 음극을 사용한 완전전지는 150사이클 후 0.62 mAh·g-1, 0.001 mAh·cm-2의 용량과 0.12%의 용량유지율을 나타낸 반면, SPC-50 음극을 사용한 완전전지는 350사이클 후에도 801.04 mAh·g-1, 1.57 mAh·cm-2의 용량을 나타냈으며, 95.27%의 우수한 사이클 성능을 나타내었다.As a result of comparing the cycle performance in a complete battery using a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) positive electrode and a pristine Sn and SPC-50 negative electrode, as shown in FIG. 12, a pristine Sn negative electrode was formed at a current density of 1000 mA·g -1 . The used complete battery showed a capacity of 0.62 mAh·g -1 and 0.001 mAh·cm -2 after 150 cycles and a capacity retention rate of 0.12%, whereas the complete battery using the SPC-50 negative electrode showed 801.04 mAh·g -1 after 350 cycles. , It exhibited a capacity of 1.57 mAh·cm -2 and exhibited an excellent cycle performance of 95.27%.

실시예 5. 다양한 합성방법에 따른 주석계 음극활물질의 율특성 및 사이클 성능 비교Example 5. Comparison of rate characteristics and cycle performance of tin-based anode active materials according to various synthesis methods

RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학증착법(RF-PATE CVD)을 이용하여 합성한 본 발명의 음극활물질과, 다른 다양한 방법을 이용하여 합성한 주석계 음극활물질의 율특성 및 사이클 성능을 비교하여 다음과 같이 표 2 및 3에 나타내었다.By comparing the rate characteristics and cycle performance of the anode active material of the present invention synthesized using the thermal evaporation chemical vapor deposition method (RF-PATE CVD) using RF plasma and the tin-based anode active material synthesized using various other methods as follows. It is shown in Tables 2 and 3.

증착방법Evaporation method 음극활물질Anode active material 사이클 성능Cycle performance 전류밀도Current density
(mA g(mA g -1-One ))
사이클 횟수Number of cycles 마지막 사이클Last cycle
가역용량Reversible capacity
(mA g(mA g -1-One ))
용량유지율(%)Capacity retention rate (%)
RF 플라즈마를 이용한 열증발 Thermal evaporation using RF plasma
화학증착법 (RF-PATE CVD)Chemical vapor deposition (RF-PATE CVD)
Sn-PCSn-PC 6060 10001000 50005000 836.53836.53 97.1897.18
마이크로파 용매열합성법Microwave solvent thermal synthesis method Ball-cactus-like Ni-Sn-P@C-CNTBall-cactus-like Ni-Sn-P@C-CNT 10001000 800800 504.00504.00 63.2663.26 침강&열처리법Settling & heat treatment method Sn@C nanoboxesSn@C nanoboxes 200200 500500 810.00810.00 90.0090.00 화학반응&열처리법Chemical reaction & heat treatment method Sn/C-PANISn/C-PANI 500500 10001000 522.00522.00 82.8782.87 수소첨가 열환원법Hydrogenated heat reduction method Graphene/Sn@CGraphene/Sn@C 400400 500500 506.00506.00 81.8181.81 가수분해&열분해법Hydrolysis & pyrolysis method Sn/NCSn/NC 200200 400400 630.00630.00 87.2187.21 열분해법&탄소열환원법Pyrolysis & Carbon Heat Reduction Method Sn/CSn/C 10001000 150150 690.00690.00 96.0096.00 화학반응법Chemical reaction method Nano-sized SnNano-sized Sn 320320 150150 375.61375.61 90.3290.32 스프레이 열분해법Spray pyrolysis method Yolk-shell Sn@C microsphereYolk-shell Sn@C microsphere 10001000 500500 691.00691.00 68.4568.45 열처리법Heat treatment method Sn/CSn/C 600600 200200 626.40626.40 95.1895.18 탄화처리법Carbonization treatment method 3D Sn@G-PGNWs3D Sn@G-PGNWs 200200 100100 1089.001089.00 85.7685.76 열중합&열처리법Thermal polymerization & heat treatment method Sn-CSSn-CS 300300 100100 440.00440.00 96.2496.24 에어로졸 스프레이 열분해법Aerosol spray pyrolysis method Nano-Sn/CNano-Sn/C 200200 130130 692.15692.15 96.5296.52 고체액체분쇄/성형법Solid-liquid grinding/molding method Sn-GMCSn-GMC 100100 100100 560.00560.00 80.9980.99 열중합&탄화처리법Thermal polymerization & carbonization treatment method C/SnC/Sn 2020 1515 422.52422.52 73.6773.67 열환원법Heat reduction method GNS-Sn@CNTGNS-Sn@CNT 100100 100100 982.00982.00 84.4784.47 증기-고체 반응법Vapor-solid reaction method Sn@C core-shell NWSn@C core-shell NW 500500 100100 490.00490.00 34.6134.61 열환원법Heat reduction method Graphene/Sn/Graphene nanosheetsGraphene/Sn/Graphene nanosheets 5050 6060 590.00590.00 64.3864.38 가수분해&열환원법Hydrolysis & Heat Reduction Method RGO-Sn@C nanocablesRGO-Sn@C nanocables 5050 5050 630.00630.00 69.8669.86 수열합성법Hydrothermal synthesis Sn/CSn/C 100100 5050 710.00710.00 72.6372.63 전기방사&열처리법Electrospinning & heat treatment Sn@carbon@bamboo-like hollow carbon nanofibersSn@carbon@bamboo-like hollow carbon nanofibers 250250 200200 737.00737.00 90.0090.00 환원&열처리법Reduction & heat treatment method Sn-CSSn-CS 10001000 200200 522.34522.34 93.4493.44

증착방법Evaporation method 음극활물질Anode active material 율특성Rate characteristics Cut-off voltageCut-off voltage
(V vs. Li/Li+)(V vs. Li/Li+)
전류밀도Current density
(mA g(mA g -1-One ))
가역용량Reversible capacity
(mA g(mA g -1-One ))
RF 플라즈마를 이용한 열증발 Thermal evaporation using RF plasma
화학증착법 (RF-PATE CVD)Chemical vapor deposition (RF-PATE CVD)
Sn-PCSn-PC 6060 10 00010 000 544.33544.33 0.01 - 3.000.01-3.00
마이크로파 용매열합성법Microwave solvent thermal synthesis method Ball-cactus-like Ni-Sn-P@C-CNTBall-cactus-like Ni-Sn-P@C-CNT 50005000 293.00293.00 0.005-3.000.005-3.00 침강&열처리법Settling & heat treatment method Sn@C nanoboxesSn@C nanoboxes 40004000 350.00350.00 0.005-3.000.005-3.00 화학반응&열처리법Chemical reaction & heat treatment method Sn/C-PANISn/C-PANI 50005000 270.00270.00 0.05-3.000.05-3.00 수소첨가 열환원법Hydrogenated heat reduction method Graphene/Sn@CGraphene/Sn@C 32003200 270.00270.00 0.001-3.000.001-3.00 가수분해&열분해법Hydrolysis & pyrolysis method Sn/NCSn/NC 50005000 240.33240.33 0.01-3.000.01-3.00 열분해법&탄소열환원법Pyrolysis & Carbon Heat Reduction Method Sn/CSn/C 20002000 461.00461.00 0.1-2.000.1-2.00 화학반응법Chemical reaction method Nano-sized SnNano-sized Sn 320320 415.85415.85 0.01-1.500.01-1.50 스프레이 열분해법Spray pyrolysis method Yolk-shell Sn@C microsphereYolk-shell Sn@C microsphere 80008000 336.00336.00 0.01-2.000.01-2.00 열처리법Heat treatment method Sn/CSn/C 60006000 341.60341.60 0.01-2.500.01-2.50 탄화처리법Carbonization treatment method 3D Sn@G-PGNWs3D Sn@G-PGNWs 10 00010 000 270.00270.00 0.005-3.000.005-3.00 열중합&열처리법Thermal polymerization & heat treatment method Sn-CSSn-CS 30003000 220.60220.60 0.00-2.500.00-2.50 에어로졸 스프레이 열분해법Aerosol spray pyrolysis method Nano-Sn/CNano-Sn/C 75607560 625.38625.38 0.02-3.000.02-3.00 고체액체분쇄/성형법Solid-liquid grinding/molding method Sn-GMCSn-GMC 20002000 330.00330.00 0.005-2.000.005-2.00 열중합&탄화처리법Thermal polymerization & carbonization treatment method C/SnC/Sn 10001000 305.24305.24 0.02-1.500.02-1.50 열환원법Heat reduction method GNS-Sn@CNTGNS-Sn@CNT 50005000 594.00594.00 0.005-3.000.005-3.00 증기-고체 반응법Vapor-solid reaction method Sn@C core-shell NWSn@C core-shell NW 30003000 286.00286.00 0.005-2.000.005-2.00 열환원법Heat reduction method Graphene/Sn/Graphene nanosheetsGraphene/Sn/Graphene nanosheets 16001600 265.00265.00 0.005-2.000.005-2.00 가수분해&열환원법Hydrolysis & Heat Reduction Method RGO-Sn@C nanocablesRGO-Sn@C nanocables 16001600 343.27343.27 0.005-2.500.005-2.50 수열합성법Hydrothermal synthesis Sn/CSn/C 10001000 585.00585.00 0.005-2.000.005-2.00 전기방사&열처리법Electrospinning & heat treatment Sn@carbon@bamboo-like hollow carbon nanofibersSn@carbon@bamboo-like hollow carbon nanofibers 25002500 480.00480.00 0.01-3.000.01-3.00 환원&열처리법Reduction & heat treatment method Sn-CSSn-CS 62506250 197.94197.94 0.01-1.500.01-1.50

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. In this regard, the embodiments described above are illustrative in all respects and should be understood as non-limiting. The scope of the present invention should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later rather than the above detailed description, and equivalent concepts thereof, are included in the scope of the present invention.

Claims (13)

주석 전구체 가스 및 풀러렌을 RF 플라즈마를 이용하여 중합하는 단계를 포함하고,
상기 주석 전구체 가스는 주석을 포함하는 유기화합물이고,
상기 주석 전구체 가스는 RF 플라즈마에 의해 주석입자(Sn)와 라디칼을 갖는 주석, 이온화된 주석으로 분해되고,
상기 풀러렌은 증발된 상태에서 분해된 상기 주석 전구체 가스와 반응하여 주석(Sn)-산화주석(SnO2)-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스의 계층적구조를 형성하는, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
Including the step of polymerizing the tin precursor gas and fullerene using RF plasma,
The tin precursor gas is an organic compound containing tin,
The tin precursor gas is decomposed into tin particles (Sn) and tin having radicals and ionized tin by RF plasma,
The fullerene reacts with the decomposed tin precursor gas in an evaporated state to form a hierarchical structure of a tin (Sn)-tin oxide (SnO 2 )-plasma polymerized fullerene (PC60) matrix, preparing a negative active material for a lithium secondary battery Way.
제1항에 있어서, 상기 중합은 RF 플라즈마를 이용한 열증발 화학증착법(RF-PATE CVD)을 통해 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the polymerization is performed through thermal evaporation chemical vapor deposition (RF-PATE CVD) using RF plasma.
제1항에 있어서, 상기 중합은 1.0x10-9 내지 1.0x10-5 Torr의 내부 기압 및 200 내지 300℃ 집전체 온도에서 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the polymerization is performed at an internal atmospheric pressure of 1.0x10 -9 to 1.0x10 -5 Torr and a current collector temperature of 200 to 300°C.
제1항에 있어서, 상기 중합은 8:1 내지 1:3의 캐리어 가스:주석 전구체 유량비에서 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the polymerization is performed at a carrier gas:tin precursor flow ratio of 8:1 to 1:3.
제1항에 있어서, 상기 중합은 250 내지 350 W의 라디오 주파(RF)에서 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the polymerization is performed at a radio frequency (RF) of 250 to 350 W.
제1항에 있어서, 상기 중합은 30 내지 50 mTorr의 공정기압에서 수행되는 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the polymerization is performed at a process pressure of 30 to 50 mTorr.
제1항에 있어서, 상기 주석 전구체 가스는 테트라키스-다이메틸아미노주석(Sn[N(CH3)2]4) 또는 테트라메틸주석(Sn(CH3)4)인 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질의 제조방법.
According to claim 1, wherein the tin precursor gas is tetrakis-dimethylaminotin (Sn[N(CH 3 ) 2 ] 4 ) or tetramethyltin (Sn(CH 3 ) 4 ), which is a negative electrode for a lithium secondary battery Method of manufacturing an active material.
주석(Sn) 코어-산화주석(SnO2) 코어쉘-플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 매트릭스 구조의 주석-풀러렌 복합체(Sn-PC60; SPC)를 포함하고,
상기 주석(Sn) 코어와 상기 산화주석(SnO2) 코어쉘 사이의 Sn/SnO2 계면, 상기 산화주석(SnO2) 코어쉘과 상기 플라즈마 중합 풀러렌(PC60) 사이의 SnO2/PC60 계면을 갖고,
상기 Sn/SnO2 계면에 오믹저항이 형성되고, 상기 SnO2/PC60 계면에 p-n반도체 접합계면이 형성되는, 리튬 이차 전지용 음극활물질.
Tin (Sn) core-tin oxide (SnO 2 ) core-shell-plasma polymerized fullerene (PC 60 ) including a tin-fullerene complex (Sn-PC 60 ; SPC) matrix structure,
Have the tin (Sn) core and the tin oxide (SnO 2) SnO2 / PC60 interface between the Sn / SnO 2 the interface between the core shell, the tin oxide (SnO 2) core-shell and said plasma polymerized fullerene (PC 60) ,
An ohmic resistance is formed at the Sn/SnO 2 interface, and a pn semiconductor junction interface is formed at the SnO2/PC60 interface, a negative active material for a lithium secondary battery.
제8항에 있어서, 상기 음극활물질은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질.
The negative active material for a lithium secondary battery according to claim 8, wherein the negative active material is prepared by the method of any one of claims 1 to 7.
제8항에 있어서, 상기 복합체는 SPC-80(Sn:PC60=80:20 중량비), SPC-59(Sn:PC60=59:41 중량비), SPC-50(Sn:PC60=50:50 중량비), SPC-41(Sn:PC60=41:59 중량비), 또는 SPC-18(Sn:PC60=18:82 중량비)인 것인, 리튬 이차 전지용 음극활물질.
The method of claim 8, wherein the composite is SPC-80 (Sn:PC 60 =80:20 weight ratio), SPC-59 (Sn:PC 60 =59:41 weight ratio), SPC-50 (Sn:PC 60 =50: 50 weight ratio), SPC-41 (Sn:PC 60 =41:59 weight ratio), or SPC-18 (Sn:PC 60 =18:82 weight ratio), a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제8항에 있어서, 상기 복합체는 반복적인 부피 팽창 및 수축에서 발생되는 스트레스가 분산되는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차 전지용 음극활물질.
The negative active material for a lithium secondary battery according to claim 8, wherein the composite is characterized in that stress generated by repeated volume expansion and contraction is dispersed.
제8항의 리튬 이차 전지용 음극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극.
A negative electrode for a lithium secondary battery comprising the negative electrode active material for a lithium secondary battery of claim 8.
제8항의 리튬 이차 전지용 음극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.
A lithium secondary battery comprising the negative active material for a lithium secondary battery of claim 8.
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