KR102208279B1 - Preparation Method of Porous Si for anode material of lithium-ion battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘 산화물 분말 및 금속산화물 분말을 혼합하여 제 1 혼합분말을 형성하는 제 1 단계; 상기 제 1 혼합분말을 가압 후 소성하여 소결체를 형성하는 제 2 단계; 상기 소결체를 전해환원시키는 제 3 단계; 및
산처리하여 다공성 실리콘을 제조하는 제 4 단계;를 포함하는 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material of a lithium secondary battery, and in particular, a first step of forming a first mixed powder by mixing silicon oxide powder and metal oxide powder; A second step of pressing and firing the first mixed powder to form a sintered body; A third step of electrolytic reduction of the sintered body; And
It relates to a method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material of a lithium secondary battery including a fourth step of manufacturing porous silicon by acid treatment.

Figure 112019052461574-pat00004
Figure 112019052461574-pat00004

Description

리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법{Preparation Method of Porous Si for anode material of lithium-ion battery}Preparation Method of Porous Si for Anode Material of Lithium-ion Battery}

본 발명은 리튬이차전지 음극재용 다공성 실리콘의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material of a lithium secondary battery.

자동차, 디스플레이, 휴대폰 휴대용 전자기기 등 에너지 저장장치에 대한 수요가 증가함에 따라 배터리 효율 향상을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 리튬이차전지 음극소재 중 실리콘 계 음극소재의 경우 자연계에 풍부하게 존재하는 물질이며, 4200 mAh/g의 매우 높은 이론용량을 갖고 리튬과의 낮은 전위차(0.4V vs. Li/Li+) 때문에 차기 탄소 계 음극소재를 대체할 소재로 각광받고 있다. 하지만 충방전시 리튬 이온과의 합금화로 인해 기존 부피의 300% 이상 부피팽창이 발생하며, 이로 인한 다량의 비가역적인 용량감소가 발생한다. As the demand for energy storage devices such as automobiles, displays, and portable electronic devices for mobile phones increases, many studies are being conducted to improve battery efficiency. Among lithium secondary battery anode materials, silicon-based anode materials are abundantly present in nature, have a very high theoretical capacity of 4200 mAh/g, and have a low potential difference with lithium (0.4V vs. Li/Li + ), so the next carbon is the next carbon. It is in the spotlight as a material to replace the cathode material. However, during charging and discharging, volume expansion of more than 300% of the existing volume occurs due to alloying with lithium ions, resulting in a large amount of irreversible capacity reduction.

실리콘은 자연계에서 순수한 금속으로의 존재가 불가능하며, 일반적으로 화합물 형태 또는 산화물인 실리카(SiO2)의 형태로 존재한다. 실리콘 제조의 가장 대표적인 방법은 탄소나 마그네슘 등 환원제를 일정한 비율로 첨가하여 고온에서 환원시키는 열 환원법이다. 이중에서 마그네슘 열 환원은 상당한 양의 마그네슘 실리케이트(magnesuim silicate) 또는 마그네슘 실리사이드(magnesuim silicide)와 같은 부생성물들이 생성되는 문제가 있고, 탄소 환원제를 이용한 탄소 열 환원법은 탄소와 실리카의 균일한 혼합이 요구되며, 2000℃ 이상의 고온에서 진행됨에 따라 고온합성이 가능한 제조장비 선정, 안전성 문제 및 높은 제조비용이 요구된다. 이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국 등록특허 제10-1918637호에서는 마그네슘의 열 환원에 의한 실리콘의 제조방법이 개시된 바 있습니다. Silicon cannot exist as a pure metal in nature, and generally exists in the form of a compound or an oxide of silica (SiO 2 ). The most representative method of manufacturing silicon is a thermal reduction method in which a reducing agent such as carbon or magnesium is added in a certain ratio to reduce at high temperature. Among them, magnesium thermal reduction has a problem that a considerable amount of by-products such as magnesium silicate or magnesium silicide are generated, and the carbon thermal reduction method using a carbon reducing agent requires uniform mixing of carbon and silica. And, as it proceeds at a high temperature of 2000℃ or higher, selection of manufacturing equipment capable of high-temperature synthesis, safety issues, and high manufacturing costs are required. As a related art, Korean Patent Registration No. 10-1918637 discloses a method of manufacturing silicon by thermal reduction of magnesium.

대한민국 등록특허 제10-1918637호Korean Patent Registration No. 10-1918637

본 발명의 목적은 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material for a lithium secondary battery.

상기 목적을 달성하기 위해, To achieve the above object,

본 발명의 일 실시예는An embodiment of the present invention

실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 혼합하여 제 1 혼합분말을 형성하는 제 1 단계;A first step of mixing silicon oxide powder and metal oxide powder to form a first mixed powder;

상기 혼합분말을 가압 후 소성하여 소결체를 형성하는 제 2 단계; A second step of pressing and firing the mixed powder to form a sintered body;

상기 소결체를 전해환원시키는 제 3 단계; 및A third step of electrolytic reduction of the sintered body; And

산처리하여 다공성 실리콘을 제조하는 제 4 단계;를 포함하는 실리콘 제조방법을 제공한다.It provides a silicon manufacturing method comprising; a fourth step of manufacturing porous silicon by acid treatment.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 In addition, another embodiment of the present invention

상기 제조방법으로 제조된 다공성 실리콘을 포함하는 리튬이차전지 음극을 제공한다.It provides a lithium secondary battery negative electrode containing porous silicon prepared by the above manufacturing method.

나아가, 본 발명의 또 다른 실시예는Furthermore, another embodiment of the present invention

상기 음극을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.It provides a lithium secondary battery including the negative electrode.

본 발명의 실리콘 제조방법은 종래의 열 환원법보다 비교적 낮은 온도에서 환원을 진행할 수 있어 제조안정성이 높으며, 수율이 환원제에 의존하지 않으므로 일정한 수율을 유지할 수 있어 제조효율성을 향상시킬 수 있다. The silicon manufacturing method of the present invention can perform reduction at a relatively lower temperature than the conventional thermal reduction method, so that manufacturing stability is high, and since the yield does not depend on a reducing agent, a constant yield can be maintained, thereby improving manufacturing efficiency.

또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 다공성 실리콘을 리튬이차전지의 음극으로 사용할 경우, 리튬과의 합금화로 인한 부피 팽창이 현저히 감소하므로 용량유지율이 높고, 싸이클 안정성이 높은 장점이 있다.In addition, when the porous silicon manufactured by the method of the present invention is used as a negative electrode of a lithium secondary battery, the volume expansion due to alloying with lithium is significantly reduced, so that the capacity retention rate is high and the cycle stability is high.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소결체를 나타낸 사진이고,
도 2 및 3은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 다공성 실리콘에 대해 에지지 분산 스펙트럼(Energy Dispersive Spectrometry, EDS)를 이용하여 원소분석을 수행한 결과 그래프이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘을 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)을 이용하여 관찰한 사진이고,
도 5 내지 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘을 음극으로 한 리튬 이차전지에서의 싸이클 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a photograph showing a sintered body manufactured according to Example 1 of the present invention,
2 and 3 are graphs of the results of elemental analysis using Energy Dispersive Spectrometry (EDS) for porous silicon prepared according to Examples 1 and 2 of the present invention,
2 is a photograph of the porous silicon manufactured according to Example 1 of the present invention observed using a transmission electron microscope (TEM),
5 to 8 are graphs showing cycle characteristics in a lithium secondary battery using porous silicon prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 as a negative electrode.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. In addition, embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those having average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for portions having similar functions and functions. In addition, "including" certain elements throughout the specification means that other elements may be further included rather than excluding other elements unless specifically stated to the contrary.

본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법은, A method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention,

실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 혼합하여 제 1 혼합분말을 형성하는 제 1 단계;A first step of mixing silicon oxide powder and metal oxide powder to form a first mixed powder;

상기 혼합분말을 가압 후 소성하여 소결체를 형성하는 제 2 단계; A second step of pressing and firing the mixed powder to form a sintered body;

상기 소결체를 전해환원시키는 제 3 단계; 및A third step of electrolytic reduction of the sintered body; And

산처리하여 다공성 실리콘을 제조하는 제 4 단계;를 포함할 수 있다.It may include; a fourth step of producing porous silicon by acid treatment.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail for each step.

상기 제 1 단계는 혼합 분말을 형성하는 단계로, 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 혼합하여 제 1 혼합분말을 형성할 수 있다.The first step is a step of forming a mixed powder, and a first mixed powder may be formed by mixing silicon oxide powder and metal oxide powder.

상기 실리콘 산화물 분말은 SiOx(0<x≤2)로 표시될 수 있으나, 그 중 비교적 저비용으로 사용할 수 있는 점에서 이산화규소(SiO2)를 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있으며, 상기 이산화규소(SiO2)는 석영, 실리카샌드 및 비정질 이산화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 환원 속도가 큰 비정질의 이산화규소(SiO2)인 것이 보다 바람직할 수 있다.The silicon oxide powder may be represented by SiO x (0<x≤2), but it may be more preferable to use silicon dioxide (SiO 2 ) in that it can be used at a relatively low cost, and the silicon dioxide ( SiO 2 ) may be one or more selected from the group consisting of quartz, silica sand, and amorphous silicon dioxide, but it may be more preferably amorphous silicon dioxide (SiO 2 ) having a high reduction rate.

상기 실리콘 산화물 분말은 평균 입경이 20 nm 내지 100 μm인 입자일 수 있다. 만약, 상기 실리콘 산화물 분말의 평균 입경이 20 nm미만인 경우, 상기 실리콘 산화물 분말을 포함하는 혼합분말 형성이 쉽게 분산되어, 성형체 제조시 매우 높은 압력을 필요로 하여 제조 효율이 저하될 수 있고, 상기 실리콘 산화물 분말의 평균 입경이 100 μm를 초과하는 경우, 상기 실리콘 산화물 분말을 금속산화물과 혼합하더라도 이후, 전해환원 수행시, 상기 실리콘 산화물 분말의 전기전도도가 향상되지 않는 문제가 발생될 수 있다.The silicon oxide powder may be particles having an average particle diameter of 20 nm to 100 μm. If the average particle diameter of the silicon oxide powder is less than 20 nm, the formation of the mixed powder including the silicon oxide powder is easily dispersed, so that a very high pressure is required during the production of the molded body, resulting in a decrease in manufacturing efficiency. When the average particle diameter of the oxide powder exceeds 100 μm, even if the silicon oxide powder is mixed with the metal oxide, there may be a problem in that the electrical conductivity of the silicon oxide powder is not improved during electrolytic reduction.

상기 실리콘 산화물 분말의 크기에 따라 상기 제 1 혼합 분말에 포함되는 첨가제의 함량이 달라질 수 있다.According to the size of the silicon oxide powder, the amount of the additive included in the first mixed powder may vary.

상기 금속 산화물 분말은 실리콘 산화물 분말보다 환원에 필요한 깁스자유 에너지값이 작은 금속 산화물 분말로, 전해 환원 단계에서, 소결체에 포함되어 있는 실리콘 산화물보다 금속 산화물이 먼저 환원되고, 상기 금속 산화물이 환원되어 형성된 금속이 상기 실리콘 산화물의 환원을 촉진시킬 수 있다. The metal oxide powder is a metal oxide powder having a smaller cast free energy value required for reduction than the silicon oxide powder, and in the electrolytic reduction step, the metal oxide is reduced earlier than the silicon oxide contained in the sintered body, and the metal oxide is reduced. Metals can accelerate the reduction of the silicon oxide.

상기 금속 산화물은 니켈 산화물, 코발트 산화물(Ⅲ), 티타늄 산화물 및 구리 산화물 중 적어도 하나일 수 있으나, NiOx로 표시되는 니켈 산화물 분말인 것이 보다 바람직할 수 있으며, 상기 NiOx(0<x≤1)로 표시되는 니켈 산화물 중 환원에 필요한 깁스자유 에너지값이 실리콘 산화물보다 현저히 작은 일산화니켈(NiO)을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다.The metal oxide is nickel oxide, cobalt oxide (Ⅲ), titanium oxide and copper oxide of at least one, but may be, may be more preferably in the nickel oxide powder represented by x NiO, the NiO x (0 <x≤1 Of the nickel oxides represented by ), it may be more preferable to use nickel monoxide (NiO) whose Gibbs free energy value required for reduction is significantly smaller than that of silicon oxide.

예를 들어, 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 각각 이산화규소(SiO2) 분말 및 일산화니켈(NiO) 분말로 사용할 경우, 이산화규소(SiO2) 및 일산화니켈(NiO)은 환원에 필요한 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy, △G)가 각각 708.9KJ/mol 및 137KJ/mol 이므로, 전해 환원 단계에서 깁스 자유 에너지 값이 상대적으로 작은 일산화니켈(NiO)이 먼저 환원되고, 이후 이산화규소(SiO2)의 환원이 진행될 수 있다. 상기 일산화니켈(NiO)은 환원되어 니켈(Ni)을 형성하고, 상기 니켈(Ni)은 전기적 절연체인 이산화규소(SiO2)에 비해 전기전도도가 현저히 우수해, 이산화규소(SiO2)를 포함하는 소결체 내부의 전기전도도를 증가시켜 이산화규소(SiO2)의 환원 효율을 향상시킬 수 있다.For example, when silicon oxide powder and metal oxide powder are used as silicon dioxide (SiO 2 ) powder and nickel monoxide (NiO) powder, respectively, silicon dioxide (SiO 2 ) and nickel monoxide (NiO) are Gibbs free energy required for reduction. Since (Gibbs free energy, △G) is 708.9KJ/mol and 137KJ/mol, respectively, in the electrolytic reduction step, nickel monoxide (NiO) having a relatively small Gibbs free energy value is first reduced, and then silicon dioxide (SiO 2 ). Reduction can proceed. The nickel monoxide (NiO) is reduced to form nickel (Ni), and the nickel (Ni) has remarkably excellent electrical conductivity compared to silicon dioxide (SiO 2 ), which is an electrical insulator, and includes silicon dioxide (SiO 2 ). By increasing the electrical conductivity inside the sintered body, it is possible to improve the reduction efficiency of silicon dioxide (SiO 2 ).

상기 금속산화물 분말은 상기 실리콘 산화물 분말 중량 대비 1 내지 20중량% 함량으로 포함될 수 있으며, 3 내지 10 중량% 함량으로 포함하는 것이 바람직할 수 있고, 5중량% 함량으로 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.The metal oxide powder may be included in an amount of 1 to 20% by weight based on the weight of the silicon oxide powder, it may be preferable to include it in an amount of 3 to 10% by weight, and it may be more preferable to include it in an amount of 5% by weight. .

이는, 상기 금속 산화물이 상기 실리콘 산화물의 환원은 촉진하되 불순물로 잔존하지 않도록 하기 위한 것으로, 만약, 상기 금속 산화물 분말이 상기 실리콘 산화물 분말 중량 대비 1 중량% 미만 포함할 경우, 상기 금속 산화물이 상기 실리콘 산화물의 환원을 시키는 정도가 미비할 수 있고, 상기 금속 산화물 분말이 상기 실리콘 산화물 분말 중량 대비 20 중량%를 초과하는 경우, 많은 양의 금속 및 실리콘을 포함하는 합금이 생성되고, 다공성 실리콘의 수율이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. This is to facilitate the reduction of the silicon oxide but not remain as an impurity, and if the metal oxide powder contains less than 1% by weight of the silicon oxide powder, the metal oxide is the silicon oxide. The degree of reduction of the oxide may be insufficient, and when the metal oxide powder exceeds 20% by weight based on the weight of the silicon oxide powder, an alloy containing a large amount of metal and silicon is generated, and the yield of porous silicon is reduced. A problem of deterioration may occur.

상기 제 1 혼합 분말은 탄소소재를 더 포함할 수 있으며, 전해환원 단계에서 실리콘 산화물이 환원되기 전, 상기 탄소소재가 먼저 환원되어 상기 실리콘 산화물 분말의 환원을 촉진시킬 수 있다.The first mixed powder may further include a carbon material, and before the silicon oxide is reduced in the electrolytic reduction step, the carbon material is first reduced to accelerate the reduction of the silicon oxide powder.

상기 제 1 혼합분말은 바인더 물질 및 윤활제 중 적어도 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 상기 제 1 혼합분말을 소성하는 과정에서 상기 제 1 혼합분말 내에 포함된 분말들 간의 접착력을 향상시킬 수 있다. 상기 바인더는 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC), 폴리마크릴산(Polyacrylic acid, PAA) 및 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수계 바인더가 사용될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다. The first mixed powder may further include at least one additive of a binder material and a lubricant. The binder may improve adhesion between powders contained in the first mixed powder during the firing process of the first mixed powder. The binder is 1 selected from the group consisting of poly methyl methacrylate, carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), and polyvinyl alcohol (PVA). More than one kind of aqueous binder may be used, but is not limited thereto.

상기 바인더는 소성하는 단계에서 제거되어 잔류물이 형성되지 않도록 하기 위해, 상기 실리콘 산화물 분말 중량 대비 0.2 내지 5 중량% 함량으로 포함할 수 있으며, 0.2 내지 3 중량% 함량으로 포함하는 것이 바람직할 수 있고, 0.5 내지 1 중량% 함량으로 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 하지만, 상기 바인더의 함량이 이에 제한된 것은 아니며, 상기 실리콘 산화물 분말의 입자 크기에 따라 달라질 수 있다.The binder may be included in an amount of 0.2 to 5% by weight based on the weight of the silicon oxide powder, and may be preferably included in an amount of 0.2 to 3% by weight, in order to prevent the formation of a residue by being removed in the firing step. , It may be more preferable to include in an amount of 0.5 to 1% by weight. However, the content of the binder is not limited thereto, and may vary depending on the particle size of the silicon oxide powder.

상기 윤활제는 상기 제 1 혼합분말을 가압하여 성형체를 형성하는 과정에서 성형틀(mold) 및 분말 간의 마찰을 감소시켜 밀도가 균일한 성형체를 형성하기 위한 것일 수 있다. The lubricant may be for forming a compact having a uniform density by reducing friction between a mold and the powder in the process of forming a compact by pressing the first mixed powder.

상기 윤활제로는 마그네슘 스테아레이트(Magnesium Stearate), 칼슘 스테아레이트(Calcuim stearate), 아연 스테아레이트(Zinc stearate), 리튬 스테아레이트(Lithium stearate), 나트륨 스테아레이트(Sodium stearate) 및 알루미늄 스테아레이트(Aluminium stearate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질이 사용될 수 있다.The lubricants include magnesium stearate, calcium stearate, zinc stearate, lithium stearate, sodium stearate, and aluminum stearate. ) One or more materials selected from the group consisting of may be used.

상기 윤활제는 소성하는 단계에서 제거되어 잔류물이 형성되지 않도록 하기 위해, 상기 실리콘 산화물 분말 중량 대비 0.2 내지 5 중량% 함량으로 포함할 수 있으며, 0.2 내지 3 중량% 함량으로 포함하는 것이 바람직할 수 있고, 0.5 내지 1 중량% 함량으로 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 하지만, 상기 윤활제의 함량이 이에 제한된 것은 아니며, 상기 실리콘 산화물 분말의 입자 크기에 따라 달라질 수 있다.The lubricant may be included in an amount of 0.2 to 5% by weight based on the weight of the silicon oxide powder, and may be preferably contained in an amount of 0.2 to 3% by weight, in order not to form a residue by being removed in the firing step. , It may be more preferable to include in an amount of 0.5 to 1% by weight. However, the content of the lubricant is not limited thereto, and may vary depending on the particle size of the silicon oxide powder.

상기 제 1 단계의 혼합은 액상혼합일 수 있으며, 상기 제 1 혼합분말은 상기 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 용매에 넣고 혼합한 후 건조하여 형성한 것일 수 있다.The mixing in the first step may be liquid mixing, and the first mixed powder may be formed by mixing the silicon oxide powder and the metal oxide powder in a solvent, followed by drying.

이에, 상기 제 1 단계는 상기 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 용매에 넣고 혼합하고, 이후 건조 및 회수하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 건조 및 회수하는 단계는 용매를 증발 또는 기화 시킴으로써 분말을 회수하는 단계일 수 있다.Thus, the first step may further include the step of mixing the silicon oxide powder and the metal oxide powder into a solvent, and then drying and recovering, and the drying and recovering may include evaporating or evaporating the solvent to form the powder. It may be a recovery step.

이때, 상기 용매는 에탄올 또는 증류수가 사용될 수 있으나, 보다 끓는점이 낮아 건조가 용이한 에탄올을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.In this case, ethanol or distilled water may be used as the solvent, but it may be preferable to use ethanol, which has a lower boiling point and easier to dry.

일 예로, 상기 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 에탄올에 넣고 혼합한 후, 80 내지 99℃의 오븐에서 1 내지 3시간동안 건조시켜 제 1 혼합분말을 형성할 수 있다. For example, the silicon oxide powder and the metal oxide powder may be added to ethanol and mixed, and then dried in an oven at 80 to 99° C. for 1 to 3 hours to form a first mixed powder.

상기 제 1 단계는 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 용매에 넣고 혼합하고, 이후 건조 및 회수하는 단계를 5 내지 10회 반복 수행하여 상기 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말 등의 원료분말들이 균일하게 혼합된 혼합분말을 형성할 수 있다.In the first step, the silicon oxide powder and the metal oxide powder are mixed in a solvent, and then dried and recovered are repeated 5 to 10 times to uniformly mix the raw material powders such as the silicon oxide powder and the metal oxide powder. Mixed powder can be formed.

상기 제 2 단계는 상기 제 1 혼합분말을 가압한 후 소성하여 소결체를 형성하는 단계로, 실리콘 분말을 포함하는 소결체를 형성함으로써, 전해환원 공정시 분말 손실을 최소화할 수 있다. The second step is a step of forming a sintered body by pressing and firing the first mixed powder. By forming a sintered body including silicon powder, loss of powder during the electrolytic reduction process can be minimized.

만약, 제 1 혼합분말을 소결체로 형성하지 않을 경우, 전해환원단계에서 실리콘 산화물 분말이 전극에서 분리되어 전해질 내에 분포됨으로써, 회수가 어려운 문제가 발생될 수 있다.If the first mixed powder is not formed as a sintered body, the silicon oxide powder is separated from the electrode and distributed in the electrolyte in the electrolytic reduction step, so that recovery may be difficult.

상기 제 2 단계는 다이(die) 또는 성형틀(mold)에 상기 제 1 혼합분말을 채운 후 가압하여 성형체를 형성한 후 소성하여 소결체를 형성하는 단계일 수 있다.The second step may be a step of filling a die or a mold with the first mixed powder and pressing to form a molded body, followed by firing to form a sintered body.

이때, 상기 다이(die) 또는 성형틀(mold)의 형태는 원주형 또는 각형 형태일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.In this case, the shape of the die or the mold may be a cylindrical or rectangular shape, but is not limited thereto.

상기 가압은 상기 제 1 혼합분말에 압력을 가하여 혼합분말을 치밀화시켜 밀도를 향상시키기 위한 것으로, 1축 또는 2축의 방향으로 압력을 가하는 방법이 사용될 수 있다. The pressurization is for densifying the mixed powder by applying pressure to the first mixed powder to increase the density, and a method of applying pressure in a uniaxial or biaxial direction may be used.

상기 가압은 50 내지 150 bar 크기의 압력을 가하는 것이 바람직할 수 있고, 80 내지 150bar 크기의 압력을 가하는 것이 보다 바람직할 수 있고, 80 내지 100bar 크기의 압력을 가하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. The pressure may be preferably applied to a pressure of 50 to 150 bar size, it may be more preferable to apply a pressure of 80 to 150 bar size, it may be more preferable to apply a pressure of 80 to 100 bar size.

만약, 상기 압력이 50 bar 미만인 경우, 제 1 혼합분말이 상기 다이(die)내에서 압축되는 정도가 미비해, 성형체가 형성되지 않는 문제가 발생될 수 있고, 상기 압력이 150 bar를 초과하는 경우, 상기 압력으로 인해 압축되는 과정에서 소성변형이 일어날 수 있고, 상기 성형체에 균열(crack)과 같은 기계적 결함이 발생해 원하는 형상으로 제조되지 않거나, 상기 균열(crack)에 의해 이후 소성단계에서 상기 성형체가 여러 조각으로 나눠지는 문제가 발생될 수 있다. If the pressure is less than 50 bar, the degree of compression of the first mixed powder in the die may be insufficient, so that a molded body may not be formed, and when the pressure exceeds 150 bar, Plastic deformation may occur in the process of compression due to the pressure, and mechanical defects such as cracks may occur in the molded body, and thus the molded body may not be manufactured in a desired shape, or the molded body may be formed in a subsequent firing step due to the crack. There may be a problem of being broken into pieces.

상기 성형체는 소정의 형태를 갖는 다이(die) 또는 성형틀(mold)에 채워진 상기 1 혼합분말을 압축하여 형성된 펠렛(pellet)형태일 수 있으며, 원주형 또는 각형 형태일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The molded body may be a die having a predetermined shape or a pellet shape formed by compressing the first mixed powder filled in a mold, and may be a cylindrical shape or a rectangular shape, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 성형체는 상기 1 혼합분말을 1 내지 3 cm의 직경을 갖는 원주형 다이(die)에 채운 후 일축 압력을 가하여 형성된 원주형 펠렛일 수 있다.For example, the molded body may be a cylindrical pellet formed by filling the 1 mixed powder into a cylindrical die having a diameter of 1 to 3 cm and then applying uniaxial pressure.

상기 소성은 가압 후 압축되어 형성된 성형체에 열을 가하여 강도를 향상시키기 위한 것으로, 900 내지 1600 ℃미만의 온도에서 가열하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 소성은 900 내지 1600 ℃미만의 온도에서 3 내지 5시간동안 가열하는 방법으로 수행될 수 있다.The sintering is to increase strength by applying heat to a compact formed by compression after pressing, and may be performed by heating at a temperature of less than 900 to 1600 °C. The sintering may be performed by heating at a temperature of less than 900 to 1600° C. for 3 to 5 hours.

상기 성형체를 900 내지 1600 ℃미만의 온도로 가열함으로써, 상기 성형체에 포함된 비정질의 실리콘 산화물을 결정질의 실리콘 산화물로 상변화시킬 수 있으며 일 예로, 상기 비정질의 이산화규소를 포함하는 성형체를 900℃ 이상의 온도로 가열함으로써, 상기 비정질의 이산화규소은 석영 결정구조의 이산화규소(SiO2)로 상변화될 수 있다. 이를 통해 실리콘 산화물 분말의 강도가 향상되 고온의 용융염 조건에서도 성형체의 형태를 유지할 수 있다. By heating the molded body to a temperature of less than 900 to 1600 °C, the amorphous silicon oxide contained in the molded body can be phase-changed into a crystalline silicon oxide. For example, the molded body including the amorphous silicon dioxide may be changed to 900 °C or higher. By heating to a temperature, the amorphous silicon dioxide can be phase-changed into silicon dioxide (SiO 2 ) having a quartz crystal structure. Through this, the strength of the silicon oxide powder is improved, and the shape of the molded body can be maintained even under a high temperature molten salt condition.

만약, 상기 소성 온도가 900 ℃ 미만인 경우, 상기 소결체의 밀도가 불균일하게 형성되, 이후 전해환원 단계에서, 반응이 불균일하게 일어나는 문제가 발생될 수 있고, 또한, 상기 성형체에 포함된 실리콘 산화물 분말의 강도가 낮아 용융염을 포함하는 전해질 내에 상기 성형체에 포함된 실리콘 산화물 분말이 분산되는 문제가 발생될 수 있다. If the sintering temperature is less than 900° C., the density of the sintered body is formed non-uniformly, and in the subsequent electrolytic reduction step, a problem may occur in which the reaction is uneven, and the strength of the silicon oxide powder contained in the molded body It is low, and there may be a problem that the silicon oxide powder contained in the molded body is dispersed in the electrolyte containing the molten salt.

또한, 상기 소성 온도가 1600 ℃이상일 경우, 상기 소결체에 포함된 실리콘 산화물 분말이 용융되는 문제가 발생될 수 있다. In addition, when the sintering temperature is 1600° C. or higher, a problem of melting the silicon oxide powder contained in the sintered body may occur.

상기 소결체의 밀도는 1 내지 5 g/cm3인 것이 바람직할 수 있다. It may be preferable that the density of the sintered body is 1 to 5 g/cm 3 .

만약, 상기 소결체의 밀도가 1 g/cm3미만인 경우, 소결체내에서 균일한 반응이 일어나기 어려운 문제가 발생될 수 있고, 상기 소결체의 밀도가 5 g/cm3를 초과할 경우, 상기 밀도를 갖는 소결체를 제조하기 위한 성형체의 제조가 어려운 문제가 발생될 수 있다. If the density of the sintered body is less than 1 g/cm 3 , there may be a problem that a uniform reaction does not occur in the sintered body, and when the density of the sintered body exceeds 5 g/cm 3 , having the density It may be difficult to produce a molded body for manufacturing a sintered body.

상기 소결체의 두께 또는 무게가 제한된 것은 아니나, 전해환원과정에서 소결체 내부 및 외부에서 균일한 반응이 일어날 수 있는 두께 또는 무게를 갖는 것이 바람직할 수 있다. Although the thickness or weight of the sintered body is not limited, it may be desirable to have a thickness or weight capable of causing a uniform reaction inside and outside the sintered body during the electrolytic reduction process.

상기 제 3 단계는 용융염 환원법을 이용하여 실리콘 산화물을 환원시켜 실리콘을 형성하는 단계일 수 있다. 상기 용융염 환원법을 이용하여 실리콘 산화물을 환원시켜 실리콘을 형성하는 방법은, 실리콘 산화물을 열 환원시켜 실리콘을 제조하는 방법보다 비교적 낮은 온도에서 환원이 진행되며, 환원제와의 균일 혼합이 불필요하여 까다로운 공정조건을 생략할 수 있다.The third step may be a step of forming silicon by reducing silicon oxide using a molten salt reduction method. The method of forming silicon by reducing silicon oxide using the molten salt reduction method is a difficult process because the reduction proceeds at a relatively lower temperature than the method of producing silicon by thermal reduction of silicon oxide, and uniform mixing with a reducing agent is not required. Conditions can be omitted.

또한, 상기 제 3 단계는 상기 소결체에 포함된 실리콘 산화물 및 금속산화물을 전해환원시키는 단계로, 전해환원시 상기 금속산화물이 환원되어 형성된 금속이 소결체 내부의 전기전도도를 향상시켜 실리콘 산화물의 전해환원 반응을 보다 향상시킬 수 있다.In addition, the third step is a step of electrolytic reduction of silicon oxide and metal oxide contained in the sintered body, and the metal formed by reduction of the metal oxide during electrolytic reduction improves the electrical conductivity inside the sintered body, thereby electrolytic reduction reaction of silicon oxide. Can be further improved.

상기 제 3 단계는 전해환원장치를 이용하여 수행할 수 있다.The third step may be performed using an electrolytic reduction device.

이에, 상기 제 3 단계는, 전해환원장치를 구성하는 단계; 고체상태의 염(salt)을 녹는점 이상으로 가열하여 용융염을 형성하는 단계; 및 2.5V 내지 2.8V의 셀 전압을 인가하여 상기 소결체를 환원시키는 단계;를 포함할 수 있다.Accordingly, the third step may include configuring an electrolytic reduction device; Heating a solid salt to a melting point or higher to form a molten salt; And reducing the sintered body by applying a cell voltage of 2.5V to 2.8V.

상기 전해환원장치는 작업전극, 상대전극, 기준전극 및 반응용기를 포함하는 삼전극 전해환원장치일 수 있으며, 이때, 상기 작업전극은 소결체를 포함하는 환원전극일 수 있고, 상기 상대전극은 산화전극일 수 있고, 상기 기준전극은 Ag/AgCl일 수 있고, 상기 반응용기는 용융염을 포함하는 액체 전해질을 수용하는 반응용기일 수 있다.The electrolytic reduction device may be a three-electrode electrolytic reduction device including a working electrode, a counter electrode, a reference electrode, and a reaction vessel, wherein the working electrode may be a cathode comprising a sintered body, and the counter electrode is an anode electrode The reference electrode may be Ag/AgCl, and the reaction vessel may be a reaction vessel containing a liquid electrolyte containing a molten salt.

또한, 상기 전해환원장치는 상기 전해환원반응시 고체상태의 염(salt)을 포함하는 액체 전해질을 상기 염(salt)의 녹는점 이상으로 가열하여 용융염(molten salt)을 형성하기 위해, 상기 반응용기를 가열하기 위한 가열장치 및 상기 환원전극 및 산화전극을 통전하기 위한 전류 전원장치를 더 포함할 수 있다.In addition, in order to form a molten salt by heating a liquid electrolyte containing a solid salt in the electrolytic reduction reaction above the melting point of the salt, the reaction A heating device for heating the container and a current power supply device for energizing the cathode and anode may be further included.

상기 작업전극은 고온 안정성 및 전기전도도가 높은 금속에 상기 소결체가 연결된 전극이 사용될 수 있다. 예를 들어, 스테인리스(stainless) 막대에 소결체를 접촉시키고, 니켈(Ni) 메쉬(mesh)로 감싸 작업 전극을 형성할 수 있다. As the working electrode, an electrode in which the sintered body is connected to a metal having high temperature stability and high electrical conductivity may be used. For example, a sintered body may be brought into contact with a stainless steel rod, and a working electrode may be formed by wrapping it with a nickel (Ni) mesh.

또한, 상기 상대전극은 고온 안정성 및 전기전도도가 높은 금속에 흑연이 연결된 전극일 수 있다. 예를 들어, 스테인리스(stainless) 막대에 흑연 막대를 연결하여 상대전극을 형성할 수 있다.Further, the counter electrode may be an electrode in which graphite is connected to a metal having high stability at high temperature and high electrical conductivity. For example, a counter electrode may be formed by connecting a graphite rod to a stainless steel rod.

상기 반응용기는 상기 전해환원시 상기 반응용기에 고체상태의 염(salt)을 충진한 후 히터등의 가열장치로 상기 반응용기를 가열하여 용융염(molten salt)를 형성하므로, 염(salt)의 녹는점 이상의 고온에서 사용가능한 재질의 용기인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응용기는 알루미나(Al2O3) 또는 산화마그네슘(MgO)등의 세라믹 재질 또는 SUS(Steel Use Stainless)계열의 스테인리스(stainless)가 사용될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.The reaction vessel forms molten salt by filling the reaction vessel with a solid salt at the time of the electrolytic reduction and then heating the reaction vessel with a heating device such as a heater. It may be desirable to be a container made of a material usable at a high temperature above the melting point. For example, the reaction vessel may be a ceramic material such as alumina (Al 2 O 3 ) or magnesium oxide (MgO), or stainless steel of SUS (Steel Use Stainless) series, but is not limited thereto.

상기 용융염은 양이온종(M) 및 음이온종(Y)를 포함할 수 있다. The molten salt may include cationic species (M) and anionic species (Y).

상기 양이온종(M)으로는 칼슘(Ca), 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 프랑슘(Fr), 루비듐(Rb), 알루미늄(Al), 토륨(Th) 및 바륨(Ba) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The cationic species (M) include calcium (Ca), lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), cesium (Cs), magnesium (Mg), strontium (Sr), francium (Fr), rubidium ( It may contain at least one of Rb), aluminum (Al), thorium (Th), and barium (Ba).

상기 음이온종(Y)으로는 염소(Cl), 불소(F), 요오드(I) 및 브롬(Br) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The anionic species (Y) may include at least one of chlorine (Cl), fluorine (F), iodine (I), and bromine (Br).

이에, 상기 용융염은 LiCl, KCl, NaCl, RbCl, CsCl, FrCl, CaCl2, MgCl2, SrCl2, BaCl2, AlCl3, ThCl3, LiF, KF, NaF, RbF, CsF, FrF, CaF2, MgF2, SrF2, BaF2, AlF3, ThF3, LiPF6, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, FrBr, LiI, NaI, KI, RbI, CsI, 및 FrI로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 그 중 CaCl2를 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다.Thus, the molten salt is LiCl, KCl, NaCl, RbCl, CsCl, FrCl, CaCl 2 , MgCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 , AlCl 3 , ThCl 3 , LiF, KF, NaF, RbF, CsF, FrF, CaF 2 , MgF 2, SrF 2, BaF 2, AlF 3, ThF 3, LiPF 6, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, FrBr, LiI, NaI, KI, RbI, one selected from the group consisting of CsI, and FrI It may be more than that, it may be more preferable to use CaCl 2 among them.

상기 CaCl2 용융염은 용융염 내 Ca2+ 이온의 환원전위가 실리콘 산화물의 환원전위 보다 낮아 전해반응시 전해질로 적합하며, 화학반응과 전기전도성이 매우 좋다. 또한 생성물의 확산과 이온공급이 빠르기 때문에 농도 분극이 작은 장점이 있다. 결과적으로 환원반응으로 인해 제거된 산소는 다공성의 실리콘을 만들게 된다. The CaCl 2 molten salt has a reduction potential of Ca 2+ ions in the molten salt lower than that of silicon oxide, making it suitable as an electrolyte during electrolysis, and has excellent chemical reaction and electrical conductivity. In addition, there is an advantage of small concentration polarization because product diffusion and ion supply are fast. As a result, oxygen removed by the reduction reaction makes porous silicon.

상기 전해환원은 환원전극 및 산화전극 사이에 2.6V 내지 2.8V의 정전압을 유지한 상태에서 1 내지 20시간 동안 진행될 수 있다. The electrolytic reduction may be performed for 1 to 20 hours while maintaining a constant voltage of 2.6V to 2.8V between the cathode and the anode.

만약, 상기 정전압이 2.6V 미만인 경우, 상기 전압에서의 낮은 환원전위로 인해 반응이 진행되지 않는 문제가 발생될 수 있고, 상기 전압이 2.8V를 초과하는 경우 환원전위를 과하게 넘어서 용융염에 포함된 양이온종(M)의 환원전위에 도달해 불필요한 양이온종(M)이 석출되는 문제가 발생될 수 있다.If the constant voltage is less than 2.6V, there may be a problem that the reaction does not proceed due to a low reduction potential at the voltage, and if the voltage exceeds 2.8V, the reduction potential is exceeded and contained in the molten salt. There may be a problem that unnecessary cationic species (M) are precipitated by reaching the reduction potential of the cationic species (M).

상기 전해환원은 비활성 분위기에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 아르곤(Ar) 글로브 박스(glove box) 내에서 수행될 수 있다.The electrolytic reduction may be performed in an inert atmosphere, for example, may be performed in an argon (Ar) glove box.

상기 전해환원 후 소결체는 실리콘 산화물이 환원되어 형성된 실리콘 및 기타 불순물을 포함할 수 있으며, 상기 기타 불순물은 미환원된 실리콘 산화물, 금속산화물이 환원되어 형성된 금속 및 금속-실리콘의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.After the electrolytic reduction, the sintered body may include silicon and other impurities formed by reduction of silicon oxide, and the other impurities include at least one of unreduced silicon oxide, metal formed by reduction of metal oxide, and metal-silicon alloy. can do.

본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법은 상기 제 3 단계 이후, 상기 소결체를 세척 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 세척은, 전해환원과정에서 소결체에 포함되어 있을 수 있는 용융염을 제거하기 위한 것으로, 증류수 또는 에탄올을 사용하여 상기 소결체를 세척할 수 있으며, 상기 건조는 50 내지 80℃의 오븐에서 1 내지 5 시간동안 건조하는 방법으로 수행될 수 있다.The method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include washing and drying the sintered body after the third step. The washing is to remove the molten salt that may be contained in the sintered body during the electrolytic reduction process, and the sintered body can be washed using distilled water or ethanol, and the drying is 1 to 5 in an oven at 50 to 80°C. It can be carried out by drying for hours.

본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법은 상기 제 3 단계 이후, 상기 소결체를 분쇄하여 제 2 혼합분말을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing porous silicon for a negative electrode material of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include, after the third step, pulverizing the sintered body to form a second mixed powder.

상기 분쇄과정을 통해 제 2 혼합분말의 입자크기를 조절할 수 있으며, 균일한 크기로 형성할 수 있다.Through the pulverization process, the particle size of the second mixed powder can be adjusted and can be formed in a uniform size.

상기 제 2 혼합분말은 10 nm 내지 100 um의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하며, 10 내지 500 nm의 평균 입경을 갖는 것이 더욱 바람직할 수 있다.The second mixed powder preferably has an average particle diameter of 10 nm to 100 μm, and it may be more preferable to have an average particle diameter of 10 to 500 nm.

만약, 상기 제 2 혼합분말의 평균 입경이 10 nm미만일 경우, 분쇄하는 공정상의 어려움이 발생될 수 있고, 상기 제 2 혼합분말의 입자크기가 100 um를 초과하는 경우, 이후, 제조되는 다공성 실리콘의 크기가 커, 음극소재로 사용시, 음극의 부피 팽창을 완화시키는 효과가 미비한 문제가 발생될 수 있다.If the average particle diameter of the second mixed powder is less than 10 nm, difficulties in the pulverizing process may occur, and if the particle size of the second mixed powder exceeds 100 μm, the porous silicon to be produced Due to its large size, when used as a negative electrode material, a problem may arise that the effect of reducing the volume expansion of the negative electrode is insufficient.

상기 분쇄는 200 rpm이상의 속도로 볼밀링하여 분쇄할 수 있다. 상기 분쇄는 200 내지 1000rpm의 속도로 볼밀링하는 것이 바람직하고, 200 내지 500 rpm의 속도로 볼밀링하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.The pulverization may be pulverized by ball milling at a speed of 200 rpm or more. The pulverization may be preferably ball milled at a speed of 200 to 1000 rpm, and more preferably ball milled at a speed of 200 to 500 rpm.

상기 분쇄하는 시간은 제한되지 않으나, 분쇄하는 과정에서 실리콘의 산화가 일어나지 않도록 1 내지 20분동안 분쇄하는 것이 바람직하며, 5 내지 15분 동안 분쇄하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.The pulverization time is not limited, but it is preferable to pulverize for 1 to 20 minutes so that oxidation of silicon does not occur during pulverization, and pulverization for 5 to 15 minutes may be more preferable.

상기 분쇄는, 용매에 상기 소결체를 넣고 볼밀링하는 습식 볼 밀링 방법으로 수행될 수 있으며, 볼밀링 후 건조하는 단계가 더 수행될 수 있다. The pulverization may be performed by a wet ball milling method in which the sintered body is put in a solvent and ball milled, and a step of drying after ball milling may be further performed.

이때, 상기 용매는 2-프로판올(isopropyl alchohol), 에탄올, 메탄올 및 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있으며, 상기 건조는 50 내지 80℃의 오븐에서 1 내지 5 시간동안 건조하는 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.At this time, the solvent may be at least one selected from the group consisting of 2-propanol (isopropyl alchohol), ethanol, methanol and tetrahydrofuran, and the drying may be performed in an oven at 50 to 80°C. It may be carried out by drying for a period of time, but is not limited thereto.

상기 제 4 단계는 상기 분쇄되어 형성된 제 2 혼합분말을 산처리하는 단계로, 상기 제 2 혼합분말에 포함된 금속 또는 금속-실리콘의 합금에 포함된 금속을 제거할 수 있고, 전해환원단계에서 미환원 실리콘 산화물을 제거할 수 있다. The fourth step is a step of acid-treating the second mixed powder formed by pulverization, and the metal contained in the second mixed powder or the metal contained in the metal-silicon alloy may be removed, and in the electrolytic reduction step Reduced silicon oxide can be removed.

본 발명의 실시예에 따른 다공성 실리콘 제조방법은 상기 제 3 단계의 전해환원을 통해 실리콘 산화물을 환원하여 실리콘을 형성할 수 있고, 상기 제 4 단계의 산처리를 통해 금속-실리콘의 합금에 포함된 금속을 제거하고, 다공성 실리콘을 형성할 수 있다. In the method for manufacturing porous silicon according to an embodiment of the present invention, silicon may be formed by reducing silicon oxide through the electrolytic reduction in the third step, and the metal-silicon alloy included in the acid treatment in the fourth step Metal can be removed and porous silicon can be formed.

상기 다공성 실리콘은 공극률인 5 내지 90 %일 수 있으며, 상기 공극으로 인해 상기 다공성 실리콘을 이차전지의 음극활물질로 사용할 경우, 실리콘을 음극활물질로 사용하는 경우 보다 부피가 팽창되는 정도가 현저히 작아. 용량이 감소되는 문제를 해결할 수 있다.The porous silicon may have a porosity of 5 to 90%, and due to the void, when the porous silicon is used as a negative electrode active material for a secondary battery, the degree of volume expansion is significantly smaller than when using silicon as a negative electrode active material. It can solve the problem of reducing the capacity.

상기 산처리는 염산처리 단계 및 불산처리 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 염산처리 단계 및 불산처리단계 모두를 수행할 경우, 염산처리 단계 후 불산처리 단계를 수행할 수 있고, 불산처리 단계 후 염산처리 단계를 수행할 수 있다.The acid treatment may include at least one of a hydrochloric acid treatment step and a hydrofluoric acid treatment step, and if both the hydrochloric acid treatment step and the hydrofluoric acid treatment step are performed, the hydrofluoric acid treatment step may be performed after the hydrochloric acid treatment step, and after the hydrofluoric acid treatment step The hydrochloric acid treatment step can be performed.

상기 염산처리 단계는 상기 제 2 혼합분말에 포함된 금속 성분을 제거하기 위한 것으로, 상기 분쇄된 제 2 혼합분말을 염산용액에 처리한 후 건조하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 염산용액은 염산 및 용매를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 증류수, 에탄올, 아이소프로판올, 아이소프로판올 및 이들의 혼합용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 사용될 수 있다.The hydrochloric acid treatment step is for removing the metal component contained in the second mixed powder, and may be a step of drying the pulverized second mixed powder after treating it with a hydrochloric acid solution. At this time, the hydrochloric acid solution may contain hydrochloric acid and a solvent, and the solvent may be one selected from the group consisting of distilled water, ethanol, isopropanol, isopropanol, and a mixed solution thereof.

상기 염산처리 단계는 제 2 혼합분말을 0.1M 내지 1M의 염산용액에 넣어 1 내지 3시간동안 산처리하고, 진공 여과 후 50 내지 80℃의 진공오븐에서 1 내지 5 시간동안 건조하는 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다. The hydrochloric acid treatment step is carried out by putting the second mixed powder in a 0.1M to 1M hydrochloric acid solution, acid treatment for 1 to 3 hours, vacuum filtration, and drying in a vacuum oven at 50 to 80°C for 1 to 5 hours. However, it is not limited thereto.

상기 불산처리 단계는 상기 제 2 혼합분말에 포함된 미환원된 실리콘 산화물을 제거하기 위한 것으로, 상기 분쇄된 제 2 혼합분말을 불산용액에 처리한 후 건조하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 불산용액은 불산 및 용매를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 증류수, 에탄올, 아이소프로판올, 아이소프로판올 및 이들의 혼합용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 사용될 수 있다.The hydrofluoric acid treatment step is to remove unreduced silicon oxide contained in the second mixed powder, and may be a step of drying the pulverized second mixed powder after treating it with a hydrofluoric acid solution. At this time, the hydrofluoric acid solution may contain hydrofluoric acid and a solvent, and the solvent may be one selected from the group consisting of distilled water, ethanol, isopropanol, isopropanol, and a mixed solution thereof.

상기 불산처리 단계는 제 2 혼합분말을 0.1M 내지 1M의 불산용액에 넣어 1 내지 3시간동안 산처리하고, 진공 여과 후 50 내지 80℃의 오븐에서 1 내지 5 시간동안 건조하는 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다. The hydrofluoric acid treatment step may be performed by putting the second mixed powder in a 0.1M to 1M hydrofluoric acid solution, acid treatment for 1 to 3 hours, vacuum filtration, and drying in an oven at 50 to 80°C for 1 to 5 hours. However, it is not limited thereto.

본 발명의 다른 실시예는 상기 제조방법으로 제조된 다공성 실리콘을 포함하는 리튬이차전지 음극을 제공할 수 있다.Another embodiment of the present invention may provide a negative electrode for a lithium secondary battery including porous silicon manufactured by the above manufacturing method.

상기 음극은 상기 다공성 실리콘을 음극활물질로 포함할 수 있으며, 집전체상에 상기 다공성 실리콘이 도포된 형태일 수 있다.The negative electrode may include the porous silicon as a negative electrode active material, and may have a form in which the porous silicon is coated on a current collector.

본 발명의 또 다른 실시예는 상기 음극을 포함하는 리튬이차전지를 제공할 수 있다.Another embodiment of the present invention may provide a lithium secondary battery including the negative electrode.

상기 리튬이차전지는 상기 다공성 실리콘을 음극활물질로 포함하는 음극 및 리튬(Li)을 양극으로 포함할 수 있다.The lithium secondary battery may include a negative electrode containing the porous silicon as a negative electrode active material and lithium (Li) as a positive electrode.

이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

<실시예 1> 다공성 실리콘의 제조(1)<Example 1> Preparation of porous silicon (1)

제 1 단계 : 막자사발에 1g의 이산화규소(SiO2) 분말, 0.01g의 산화니켈(NiO) 분말, 0.01g의 PVA, 0.01g의 아연 스테아레이트 및 에탄올을 혼합한 후, 80 ℃의 오븐에서 3시간동안 건조시켜 혼합분말을 형성하였다. 이후 상기 혼합분말을 다시 에탄올에 투입한 후 혼합하고 80 ℃의 오븐에서 3시간동안 건조하는 과정을 5회 반복 수행하여 제 1 혼합분말을 형성하였다.Step 1: After mixing 1 g of silicon dioxide (SiO 2 ) powder, 0.01 g of nickel oxide (NiO) powder, 0.01 g of PVA, 0.01 g of zinc stearate and ethanol in a mortar, in an oven at 80°C. It was dried for 3 hours to form a mixed powder. Thereafter, the mixed powder was added to ethanol again, mixed and dried in an oven at 80° C. for 3 hours 5 times to form a first mixed powder.

제 2 단계 : 상기 제 1 혼합분말을 직경 1.3 cm인 펠렛 다이에 넣고, 유압 프레스를 이용하여 일출방향으로 80 bar의 압력으로 가압하여 펠렛을 제조하였다. 이후, 상기 펠렛을 900 ℃에서 3시간동안 가열하여 도 1과 같은 형태의 소결체를 형성하였다. Step 2: Put the first mixed powder in a pellet die having a diameter of 1.3 cm, and pressurized at a pressure of 80 bar in the sunrise direction using a hydraulic press to prepare a pellet. Thereafter, the pellets were heated at 900° C. for 3 hours to form a sintered body in the shape of FIG. 1.

제 3 단계 : 니켈 거즈(mesh)를 이용하여 스테인리스 막대 끝에 상기 소결체를 연결하여 작업전극을 형성하고, 스테인리스 막대에 흑연 막대를 연결하여 상대전극을 형성하고, Ag/AgCl을 기준전극으로 하는 삼전극 셀 장치의 반응용기에 CaCl2를 포함하는 액체 전해질을 넣었다.Step 3: Connect the sintered body to the end of a stainless steel rod using nickel gauze to form a working electrode, connect a graphite rod to the stainless steel rod to form a counter electrode, and a three-electrode using Ag/AgCl as a reference electrode A liquid electrolyte containing CaCl 2 was placed in the reaction vessel of the cell apparatus.

고순도 아르곤 글로브 박스 내에 상기 삼전극 셀 장치를 넣고, 가열장치를 이용하여 상기 반응용기를 850 ℃로 가열하여 CaCl2 용융염을 형성하고, 상기 작업전극, 상대전극 및 기준전극을 용융염 내에 3 cm 깊이로 담근 후 전류를 흘려 전해환원을 진행하였다. Put the three-electrode cell device in a high-purity argon glove box, heat the reaction vessel to 850° C. using a heating device to form a CaCl 2 molten salt, and place the working electrode, counter electrode, and reference electrode 3 cm in the molten salt. After being immersed in the depth, electrolytic reduction was performed by passing an electric current.

이때, 상기 작업전극 및 상대전극 사이에 2.6V의 전압을 형성하고 1 내지 20 시간동안 유지하였다. At this time, a voltage of 2.6V was formed between the working electrode and the counter electrode and maintained for 1 to 20 hours.

이후, 상기 소결체를 증류수로 세척하고, 아스피레이터(asporator)로 여과시켜 50 ℃의 진공오븐에서 3시간동안 건조시켰다. Thereafter, the sintered body was washed with distilled water, filtered through an aspirator, and dried in a vacuum oven at 50° C. for 3 hours.

이후, 상기 소결체를 200 rpm의 속도로 약 20분동안 볼밀링하여 분쇄한 후, 아스피레이터(asporator)로 분쇄된 분말을 여과시킨 후, 50 ℃의 진공오븐에서 3시간동안 건조시켰다.Thereafter, the sintered body was pulverized by ball milling at a speed of 200 rpm for about 20 minutes, and then the powder pulverized with an aspirator was filtered and dried in a vacuum oven at 50° C. for 3 hours.

제 4 단계 : 상기 분쇄된 분말을 0.1M의 염산용액에 넣어 1시간동안 산처리하여 니켈-실리콘 합금 내에 포함된 니켈을 제거한 후 아스피레이터(asporator)로 여과시켜 50 ℃의 진공오븐에서 3시간동안 건조하였다. 이후, 상기 분쇄된 분말을 0.1M의 불산용액에 넣어 1시간동안 산처리하여 미환원된 실리콘 산화물을 제거한 후 아스피레이터(asporator)로 여과시켜 50 ℃의 진공오븐에서 3시간동안 건조하여 다공성 실리콘을 제조하였다. Step 4: Put the pulverized powder in 0.1M hydrochloric acid solution and acid-treat for 1 hour to remove nickel contained in the nickel-silicon alloy, and then filter it with an aspirator for 3 hours in a vacuum oven at 50°C. It was dried during. Thereafter, the pulverized powder was put in a 0.1M hydrofluoric acid solution and acid-treated for 1 hour to remove unreduced silicon oxide, filtered through an aspirator, and dried in a vacuum oven at 50° C. for 3 hours to obtain porous silicon. Was prepared.

<실시예 2> 다공성 실리콘의 제조(2)<Example 2> Preparation of porous silicon (2)

상기 실시예 1에서, 상기 제 4 단계를, 하기와 같이 달리 수행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 다공성 실리콘을 제조하였다.In Example 1, porous silicon was manufactured by performing the same method as in Example 1, except that the fourth step was performed differently as follows.

제 4 단계 :상기 분쇄된 분말을 0.1M의 염산용액에 넣어 1시간동안 산처리하여 니켈-실리콘 합금 내에 포함된 니켈을 제거한 후 아스피레이터(asporator)로 여과시켜 50 ℃의 진공오븐에서 3시간동안 건조하여 다공성 실리콘을 제조하였다. Step 4: Put the pulverized powder in 0.1M hydrochloric acid solution and acid-treat for 1 hour to remove nickel contained in the nickel-silicon alloy, and then filter it with an aspirator for 3 hours in a vacuum oven at 50°C. During drying, porous silicon was prepared.

<실시예 3> 다공성 실리콘의 제조(3)<Example 3> Preparation of porous silicon (3)

상기 실시예 1에서, 상기 제 4 단계를, 하기와 같이 달리 수행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 다공성 실리콘을 제조하였다.In Example 1, porous silicon was manufactured by performing the same method as in Example 1, except that the fourth step was performed differently as follows.

제 4 단계 :상기 분쇄된 분말을 0.1M의 불산용액에 넣어 1시간동안 산처리하여 니켈-실리콘 합금 내에 포함된 니켈을 제거한 후 아스피레이터(asporator)로 여과시켜 50 ℃의 진공오븐에서 3시간동안 건조하여 다공성 실리콘을 제조하였다. Step 4: Put the pulverized powder in 0.1 M hydrofluoric acid solution and acid-treat for 1 hour to remove nickel contained in the nickel-silicon alloy, and then filter it with an aspirator for 3 hours in a vacuum oven at 50°C. During drying, porous silicon was prepared.

<비교예 1><Comparative Example 1>

상기 실시예 1에서, 상기 제 4 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 다공성 실리콘을 제조하였다.In Example 1, porous silicon was manufactured by performing the same method as in Example 1, except that the fourth step was not performed.

<실험예 1><Experimental Example 1>

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의해 제조된 다공성 실리콘의 성분을 확인하기 위해 에너지 분산 스펙트럼(Energy Dispersive Spectrometry, EDS)를 이용하여 원소분석을 수행하였으며 그 결과를 표 1, 도 2 및 3에 나타내었다.Elemental analysis was performed using Energy Dispersive Spectrometry (EDS) to confirm the components of the porous silicon prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and the results are shown in Tables 1, 2 and 3 Shown in.

EDS 분석결과EDS analysis result 실시예 1Example 1 니켈 및 미환원된 실리콘 산화물 모두 제거됨Removed both nickel and unreduced silicon oxide 실시예 2Example 2 니켈은 제거되었으나 미환원된 실리콘 산화물이 제거되지 않음Nickel was removed, but unreduced silicon oxide was not removed. 실시예 3Example 3 니켈 및 미환원된 실리콘 산화물이 일부 제거되지 않음Some nickel and unreduced silicon oxides are not removed 비교예 1Comparative Example 1 니켈 및 미환원된 실리콘 산화물이 제거되지 않음Nickel and unreduced silicon oxides are not removed

상기 도 2는 실시예 1에 의해 제조된 다공성 실리콘을 EDS 분석한 결과로, 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 다공성 실리콘은 실리콘 99.29중량% 및 산소 0.71 중량%를 포함하고, 니켈, 니켈산화물을 포함하지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해, 실시예 1에 의해 제조된 다공성 실리콘은 미환원된 실리콘산화물, 금속산화물 및 금속을 포함하지 않는 것을 알 수 있으며, 실리콘 산화물 대부분이 환원되어 실리콘이 제조되고, 산처리를 통해 금속 불순물이 제거되었음을 알 수 있다.FIG. 2 is a result of EDS analysis of the porous silicon prepared in Example 1. As shown in FIG. 2, the porous silicon prepared according to Example 1 contains 99.29% by weight of silicon and 0.71% by weight of oxygen, and It was found not to contain nickel or nickel oxide. Through this, it can be seen that the porous silicon prepared in Example 1 does not contain unreduced silicon oxide, metal oxide, and metal, and most of the silicon oxide is reduced to produce silicon, and metal impurities are removed through acid treatment. It can be seen that it has been removed.

또한, 도 3은 실시예 2에 의해 제조된 다공성 실리콘을 EDS 분석한 결과로, 도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 의해 제조된 다공성 실리콘은 실리콘 89.03 중량% 및 산소 10.97중량%를 포함하고, 니켈, 니켈산화물을 포함하지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해, 실시예 2에 의해 제조된 다공성 실리콘은 미환원된 실리콘산화물이 포함되어 있음을 알 수 있다. In addition, FIG. 3 is a result of EDS analysis of the porous silicon prepared in Example 2. As shown in FIG. 3, the porous silicon prepared according to Example 2 contains 89.03% by weight of silicon and 10.97% by weight of oxygen. , Nickel and nickel oxide were not included. Through this, it can be seen that the porous silicon prepared in Example 2 contains unreduced silicon oxide.

<실험예 2> <Experimental Example 2>

상기 실시예 1에 의해 제조된 다공성 실리콘의 형태를 확인하기 위해 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)을 이용하여 형태분석을 수행하였으며 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to confirm the shape of the porous silicon prepared in Example 1, shape analysis was performed using a transmission electron microscope (TEM), and the results are shown in FIG. 4.

도 4에 나타난 바와 같이, 500 nm 이하의 다공성 실리콘 입자들이 뭉쳐져 있는 것을 알 수 있다. 이는 전해환원 공정에서 전기화학적 환원으로 인해 실리콘 산화물 중 격자산소가 제거되고 이후 산 처리 공정을 통해 불순물이 제거되어 표면에 미세한 다공성 구조가 형성된 것을 볼 수 있다. As shown in Figure 4, it can be seen that the porous silicon particles of 500 nm or less are aggregated. It can be seen that lattice oxygen is removed from the silicon oxide due to electrochemical reduction in the electrolytic reduction process, and impurities are removed through the subsequent acid treatment process to form a fine porous structure on the surface.

<실험예 3><Experimental Example 3>

본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용한 리튬이차전지의 전지특성을 확인하기 위해 이하와 같은 방법으로 리튬 이차전지 반쪽 코인셀을 제조하였고, Cut-Off 전압 0.01V ~ 1.5V으로 하여 1C = 4200mAh/g 기준 0.1C의 율속조건에서 충방전 실험을 수행하고, 싸이클 특성을 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 5 내지 8에 나타내었다.In order to confirm the battery characteristics of a lithium secondary battery using porous silicon prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 as a negative electrode active material of the present invention, a half coin cell of a lithium secondary battery was manufactured by the following method, and cut- Charging and discharging experiments were performed under a rate-control condition of 0.1C based on 1C = 4200mAh/g with an Off voltage of 0.01V to 1.5V, and cycle characteristics were confirmed, and the results are shown in Tables 1 and 5 to 8.

(리튬 이차전지 반쪽 코인셀 제조)(Manufacture of half coin cell of lithium secondary battery)

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의해 제조된 다공성 실리콘 각각에 대해, 도전제로서 super P 카본 블랙(carbon black), 바인더로서 폴리아크릴산(poly acryl acid)를 50 : 30: 20의 중량비로 막자사발에 넣고 혼합하여 슬러리를 제조하였다.For each of the porous silicon prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, super P carbon black as a conductive agent and polyacryl acid as a binder were blocked at a weight ratio of 50:30:20. Put in a bowl and mixed to prepare a slurry.

구리 호일(Cu foil)을 집전체로 하여, 닥터 블레이딩 기법을 이용하여 상기 슬러리를 상기 구리 호일상에 0.02 mm 두께로 도포한 후, 80 ℃, 공기 분위기에서 약 1 시간동안 건조시켰다. Using a copper foil as a current collector, the slurry was coated to a thickness of 0.02 mm on the copper foil using a doctor blading technique, and then dried in an air atmosphere at 80° C. for about 1 hour.

상기 건조된 슬러리의 두께가 0.02 mm의 80%인 0.016 mm가 될 때까지 롤 프레스를 이용하여 압착한 후, 120 ℃의 진공오븐에서 5시간동안 건조시켜 다공성 실리콘 박막이 형성된 구리호일을 제조하였다.The dried slurry was compressed using a roll press until the thickness of the dried slurry became 0.016 mm, which is 80% of 0.02 mm, and then dried in a vacuum oven at 120° C. for 5 hours to prepare a copper foil having a porous silicon thin film.

이후, 수분이 차단된 고순도 아르곤(Ar) 글로브 박스(Glove Box)에서 상기 다공성 실리콘 박막이 형성된 구리호일을 지름 16 mm인 코인형태로 잘라 음극으로 사용하고, 리튬 금속을 지름 16 mm, 두께 3.2 mm으로 절단하여 양극으로 사용하였으며, 1.15M LiPF6 in EC/EMC=3/7(V/V)+10%FEC로 제작된 전해질을 사용하여 CR2032형 리튬 이차전지 셀을 형성하였다. Thereafter, the copper foil on which the porous silicon thin film was formed in a high purity argon (Ar) glove box blocked from moisture was cut into a coin shape having a diameter of 16 mm and used as a negative electrode, and lithium metal was used as a diameter of 16 mm and a thickness of 3.2 mm. And used as a positive electrode, and a CR2032 type lithium secondary battery cell was formed using an electrolyte made of 1.15M LiPF 6 in EC/EMC=3/7(V/V)+10% FEC.

도 5 내지 8 각각은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용한 리튬이차전지의 싸이클 특성을 나타낸 그래프로, 20 싸이클 기준 용량유지율이 각각 약 91.8%, 60%, 48.62% 및 22.4%로 나타났으며, 실시예 1의 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용한 경우 가장 높은 용량유지율이 나타나는 것을 알 수 있다.5 to 8 are graphs showing the cycle characteristics of a lithium secondary battery using porous silicon prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 as a negative electrode active material, and the capacity retention rates based on 20 cycles are about 91.8% and 60%, respectively. , 48.62% and 22.4%, and it can be seen that when the porous silicon of Example 1 is used as an anode active material, the highest capacity retention rate appears.

Claims (14)

실리콘 산화물 분말 및 금속산화물 분말을 혼합하여 제 1 혼합분말을 형성하는 제 1 단계;
상기 제 1 혼합분말을 50 내지 150 bar의 압력으로 가압 후 900 내지 1600℃의 온도에서 소성하여 소결체를 형성하는 제 2 단계;
상기 소결체를 전해환원시키는 제 3 단계; 및
산처리하여 다공성 실리콘을 제조하는 제 4 단계;를 포함하고,
상기 금속산화물 분말은 니켈 산화물, 코발트 산화물(Ⅲ), 티타늄 산화물 및 구리 산화물 중 적어도 하나이고,
상기 산처리는 염산처리 단계 및 불산처리 단계를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
A first step of mixing silicon oxide powder and metal oxide powder to form a first mixed powder;
A second step of forming a sintered body by pressing the first mixed powder at a pressure of 50 to 150 bar and firing at a temperature of 900 to 1600°C;
A third step of electrolytic reduction of the sintered body; And
Including; a fourth step of producing porous silicon by acid treatment,
The metal oxide powder is at least one of nickel oxide, cobalt oxide (III), titanium oxide, and copper oxide,
The acid treatment is characterized in that it includes both a hydrochloric acid treatment step and a hydrofluoric acid treatment step.
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 혼합분말은
상기 금속 산화물 분말을 상기 실리콘 산화물 분말 중량 대비 1 내지 20중량% 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1,
The first mixed powder is
It characterized in that it comprises the metal oxide powder in an amount of 1 to 20% by weight based on the weight of the silicon oxide powder
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 혼합분말은 바인더 물질 및 윤활제 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1,
The first mixed powder, characterized in that it further comprises at least one of a binder material and a lubricant
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 혼합분말은
상기 실리콘 산화물 분말 및 금속 산화물 분말을 용매와 혼합 후 건조하여 형성한 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1,
The first mixed powder is
The silicon oxide powder and the metal oxide powder, characterized in that formed by drying after mixing with a solvent
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 단계의 전해환원은
상기 소결체를 포함하는 환원전극;
산화전극; 및
용융염을 포함하는 액체 전해질;을 포함하는 전해환원장치에서 수행하는 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1,
Electrolytic reduction in the third step
A cathode comprising the sintered body;
An anode; And
A liquid electrolyte containing a molten salt; characterized in that it is carried out in an electrolytic reduction device containing
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
제 8 항에 있어서,
상기 용융염은 LiCl, KCl, NaCl, RbCl, CsCl, FrCl, CaCl2, MgCl2, SrCl2, BaCl2, AlCl3, ThCl3, LiF, KF, NaF, RbF, CsF, FrF, CaF2, MgF2, SrF2, BaF2, AlF3, ThF3, LiPF6, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, FrBr, LiI, NaI, KI, RbI, CsI, 및 FrI로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 8,
The molten salt is LiCl, KCl, NaCl, RbCl, CsCl, FrCl, CaCl 2 , MgCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 , AlCl 3 , ThCl 3 , LiF, KF, NaF, RbF, CsF, FrF, CaF 2 , MgF 2, SrF 2, BaF 2, AlF 3, ThF 3, LiPF 6, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, FrBr, LiI, NaI, KI, any one selected from the group consisting of RbI, CsI, and FrI or more Characterized by
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법은 상기 제 3 단계 이후, 상기 소결체를 분쇄하여 제 2 혼합분말을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing the porous silicon for a negative electrode material of the lithium secondary battery further comprises: after the third step, pulverizing the sintered body to form a second mixed powder;
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 다공성 실리콘은 공극률이 5 내지 90%인 것을 특징으로 하는
리튬이차전지 음극소재용 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1,
The porous silicon is characterized in that the porosity is 5 to 90%
Method of manufacturing porous silicon for negative electrode material of lithium secondary battery.
제 1 항의 제조방법으로 제조된 다공성 실리콘을 포함하는 리튬이차전지 음극.
A lithium secondary battery negative electrode comprising porous silicon manufactured by the method of claim 1.
제 13 항의 음극을 포함하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising the negative electrode of claim 13.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20240079898A (en) 2022-11-29 2024-06-05 한국기술교육대학교 산학협력단 Anode-free Lithium Secondary Battery, Lithium Metal Secondary Battery Using Metal Powder Sintered Body And Manufacturing Method of Anode-free Lithium Secondary Battery by Using Metal Powder Sintered Body

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102556190B1 (en) * 2021-03-11 2023-07-18 국민대학교산학협력단 Manufacturing method of porous silicon based electrode active material, porous silicon based electrode active material by the method and rechargeable lithium battery
CN116161667B (en) * 2022-09-08 2024-05-31 安徽科达新材料有限公司 Method for preparing silicon monoxide by adding fluxing agent

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013011012A (en) * 2011-05-30 2013-01-17 Kyoto Univ Process for producing silicon
JP2016011433A (en) 2014-06-27 2016-01-21 セイコーエプソン株式会社 Production method of sintered part, sintered part and fuel cell

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101642026B1 (en) * 2013-08-19 2016-07-22 한국원자력연구원 Electrochemical Preparation Method of Silicon Film
DE102015221226A1 (en) 2015-10-29 2017-05-04 Wacker Chemie Ag Process for the production of silicon
CN108290740B (en) * 2015-11-25 2022-03-04 康宁股份有限公司 Porous silicon composition and device and method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013011012A (en) * 2011-05-30 2013-01-17 Kyoto Univ Process for producing silicon
JP2016011433A (en) 2014-06-27 2016-01-21 セイコーエプソン株式会社 Production method of sintered part, sintered part and fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240079898A (en) 2022-11-29 2024-06-05 한국기술교육대학교 산학협력단 Anode-free Lithium Secondary Battery, Lithium Metal Secondary Battery Using Metal Powder Sintered Body And Manufacturing Method of Anode-free Lithium Secondary Battery by Using Metal Powder Sintered Body

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