KR102218033B1 - Negative active material manufacturing method and negative active material for lithium secondary battery, negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하며, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm 이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법, 리튬이차전지용 음극활물질, 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공한다. 따라서 본 발명의 리튬이차전지는 충·방전 진행 시 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation)에 의한 실리콘 입자의 팽창응력을 견딜 수 있는 항복강도를 가져서, 충·방전 진행 시 음극활물질의 부피 팽창 및 수축에 의한 입자 미분화가 억제될 수 있어 수명 특성이 향상될 수 있다.The present invention includes Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at%, wherein M is Al and , Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca, including at least one metal element selected from the group consisting of, and uniformly the crystalline Si phase, which is an active metal having a size of 100 nm or less, on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a dispersed precipitated microstructure, a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a negative electrode for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery including the same are provided. Therefore, the lithium secondary battery of the present invention has a yield strength that can withstand the expansion stress of silicon particles due to intercalation of lithium ions during charging and discharging, so that the volume of the anode active material expands and contracts during charging and discharging. Particle pulverization due to can be suppressed, and life characteristics can be improved.

Description

리튬이차전지용 음극활물질 제조방법, 리튬이차전지용 음극활물질, 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지{NEGATIVE ACTIVE MATERIAL MANUFACTURING METHOD AND NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, NEGATIVE ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}Manufacturing method of negative electrode active material for lithium secondary battery, negative electrode for lithium secondary battery, negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery including the same. BATTERY INCLUDING THE SAME}

본 발명은 리튬이차전지용 음극활물질, 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 실리콘, 알루미늄, 철, 및 구리를 포함하는 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상(matrix phase) 에 균일하게 분산 석출된 100nm 이하 크기의 활성금속인 결정질 실리콘 상이 균일 분산 석출된 미세조직이 구현된 리튬이차전지용 음극활물질, 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a negative electrode for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery including the same. More specifically, a crystalline silicon phase, an active metal having a size of 100 nm or less, uniformly dispersed and precipitated in an inert metal amorphous matrix phase or inert crystalline matrix phase including silicon, aluminum, iron, and copper is uniformly dispersed and precipitated. The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a negative electrode for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery including the same.

최근 전 세계적으로 무선전력전송기술을 이용한 무선충전 기능이 스마트폰에 적용되기 시작하면서, 케이블에 의한 전원 연결 없이 언제 어디에서나 베터리를 충전할 수 있는 무선충전 기술이 IT와 접목되고 있다. 이에 따라, 텔레비전, 냉장고와 같은 가전기기나 전기 자동차뿐만 아니라 신체에 착용 또는 부착이 가능한 웨어러블 디바이스 분야에까지 확대 적용될 것으로 예상되고 있다.Recently, as the wireless charging function using wireless power transmission technology has begun to be applied to smartphones worldwide, wireless charging technology that can charge the battery anytime, anywhere without power connection by cable is being grafted with IT. Accordingly, it is expected to be extended to the field of wearable devices that can be worn or attached to the body, as well as home appliances such as televisions and refrigerators or electric vehicles.

이러한 산업 환경에서 리튬이차전지는 스마트폰, 노트북, 디지털 카메라와 같은 휴대용 정보기기, 소형가전·의료기기, 전기자동차 및 대용량 전력저장 시스템에 적용되는 에너지저장 매체로서 그 적용범위가 점차 확대되어, 고용량, 고출력, 장수명, 고안전성과 같은 성능 향상에 대한 요구가 증대되고 있다.In such an industrial environment, lithium secondary batteries are increasingly applied as energy storage media applied to portable information devices such as smartphones, notebook computers, digital cameras, small home appliances and medical devices, electric vehicles, and large-capacity power storage systems, and their application range has gradually expanded, resulting in high capacity. There is an increasing demand for performance improvement such as high power, long life, and high safety.

리튬이차전지는 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 전극들 사이에 다공성 분리막을 설치한 후 전해액을 주입시켜 제조되는 것이 일반적이며, 상기 음극 및 양극에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 의한 산화 환원 반응에 의하여 전기가 생성되거나 소비된다.Lithium secondary batteries are manufactured by using a material capable of intercalation and deintercalation of lithium ions as a negative electrode and a positive electrode, installing a porous separator between the electrodes, and injecting an electrolyte solution. In general, electricity is generated or consumed by a redox reaction by insertion and desorption of lithium ions in the negative electrode and the positive electrode.

리튬이차전지의 성능 향상은 용량, 출력 등의 제반 특성에 결정적인 영향을 미치는 양극, 음극, 전해질, 분리막의 4가지 핵심 소재의 기술 개발에 의한 것이라고 할 수 있다. 현재 리튬이차전지에 사용되고 있는 양극활물질 및 음극활물질의 용량은 이미 이론용량에 근접한 상태에 도달하였기 때문에, 무선충전 에너지저장에 적합한 고용량 및 고출력의 전지 구현을 위해서 신규 음극활물질에 대한 필요성이 증대되고 있다.The improvement of lithium secondary battery performance can be said to be due to the technology development of four core materials: positive electrode, negative electrode, electrolyte, and separator, which have a decisive effect on various characteristics such as capacity and output. Since the capacity of the positive electrode active material and the negative electrode active material currently used in lithium secondary batteries has already reached a state close to the theoretical capacity, the need for a new negative electrode active material is increasing in order to realize a battery with high capacity and high output suitable for wireless charging energy storage. .

통상적으로, 리튬이차전지에 널리 사용되고 있는 음극활물질인 흑연(graphite)은 층상 구조를 가지고 있어 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 매우 유용한 특징을 지닌다. 흑연은 이론적으로 372 mAh/g의 용량을 나타내지만 최근의 고용량의 리튬 전지에 대한 수요가 증가함에 따라 흑연을 대체할 수 있는 새로운 전극이 요구되고 있다. 이에 따라, 고용량의 음극 활물질로 실리콘(Si), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 알루미늄(Al) 등과 같이 리튬 이온과 전기화학적인 합금을 형성하는 전극 활물질에 대하여 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Typically, graphite, which is a negative electrode active material widely used in lithium secondary batteries, has a layered structure and is thus very useful for insertion and desorption of lithium ions. Graphite theoretically exhibits a capacity of 372 mAh/g, but as the demand for high-capacity lithium batteries in recent years increases, a new electrode capable of replacing graphite is required. Accordingly, research for commercialization of electrode active materials that form electrochemical alloys with lithium ions such as silicon (Si), tin (Sn), antimony (Sb), and aluminum (Al) as a high-capacity negative active material is actively conducted. Has become.

실리콘(Si)을 음극활물질로 사용할 경우, 반복적인 충·방전에 의해 리튬 이온이 삽입 및 탈리되는 과정에서 체적 변화로 인한 실리콘 입자의 균열 및 깨짐이 발생하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점으로 인해 음극활물질 입자의 표면적이 증가하고, 이로 인하여 비수전해질의 분해 생성물로 이루어지는 피막층이 음극활물질 표면에 두껍게 형성되어 음극활물질과 비수전해질 사이의 계면 저항이 증가하여 충·방전 수명 특성이 저하되는 문제점이 있었다.When silicon (Si) is used as a negative electrode active material, there is a problem in that the silicon particles are cracked and cracked due to volume change during the process of insertion and desorption of lithium ions by repeated charging and discharging. Due to this problem, the surface area of the negative electrode active material particles increases, and as a result, a film layer made of the decomposition product of the non-aqueous electrolyte is formed thick on the surface of the negative electrode active material, and the interface resistance between the negative electrode active material and the non-aqueous electrolyte increases, resulting in decreased charge/discharge life characteristics. There was a problem.

현재, 이러한 음극활물질로서의 실리콘(Si)의 문제점을 극복하기 위하여, 실리콘 재료의 형상과 입자 크기를 제어하거나 합금화, 산화물화 및 탄소 재료와의 복합화 등의 다양한 방법이 시도되고 있으나 근본적인 문제점은 해결하지 못하는 실정이다.Currently, in order to overcome the problem of silicon (Si) as a negative electrode active material, various methods such as controlling the shape and particle size of the silicon material, alloying, oxidizing, and complexing with carbon materials have been attempted, but the fundamental problem has not been solved. It is not possible.

또한, 현재까지 기계적 합금화법인 볼밀링(Ball Milling)이나 액체급냉응고법(Rapidly Solidification Process)을 이용하여 실리콘 합금계 음극활물질 제조에 대한 연구는 계속 진행되고 있으나, 제조공정변수(볼밀링 시간, 분말 입자의 크기, 용탕의 냉각속도) 제어의 어려움으로 활성금속인 실리콘 상(Si phase)만의 크기를 100nm 이하 급으로 균일하고 재현성 있게 비활성금속인 매트릭스 상(matrix phase)에 분산 석출시키지 못하고, 이로 인해, 리튬이차전지용 음극활물질에 실리콘을 적용하는 경우, 충방전 시의 실리콘 재료의 부피팽창 문제를 해결하지 못하는 문제점을 가진다.In addition, until now, research on the manufacture of silicon alloy-based negative electrode active materials using the mechanical alloying method Ball Milling or Rapidly Solidification Process is ongoing, but the manufacturing process parameters (ball milling time, powder particle The size of the silicon phase (Si phase), which is an active metal, cannot be uniformly and reproducibly dispersed and precipitated in the matrix phase, which is an inert metal, due to difficulty in controlling the size and cooling rate of the molten metal). When silicon is applied to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, there is a problem in that the problem of volume expansion of the silicon material during charge and discharge cannot be solved.

대한민국 등록특허 제10-1385602호Korean Patent Registration No. 10-1385602

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 실리콘(Si)을 음극활물질로 사용하였을 때의 체적 변화로 인한 수명 특성 저하를 개선하고자, 실리콘, 알루미늄, 철, 및 구리를 포함하는 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상(matrix phase)에 균일하게 분산 석출된 100nm 이하 크기의 활성금속인 결정질 실리콘 상이 균일 분산 석출된 미세조직이 구현된 리튬이차전지용 음극활물질, 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to improve the deterioration of lifespan characteristics due to volume change when conventional silicon (Si) is used as a negative electrode active material, on an inert metal amorphous matrix including silicon, aluminum, iron, and copper. A negative electrode active material for lithium secondary batteries, a negative electrode for lithium secondary batteries, and a lithium secondary battery in which a microstructure in which the crystalline silicon phase, which is an active metal with a size of less than 100 nm, uniformly dispersed and precipitated in an inert crystalline matrix phase, is uniformly dispersed and precipitated. It aims to provide knowledge.

또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 실리콘(Si)을 음극활물질로 사용하였을 때의 체적 변화로 인한 수명 특성 저하를 개선하면서도, Si 석출상의 균일한 크기 확보, 충방전 용량, 사이클 수명 등의 재현성이 확보된 리튬이차전지 음극활물질을 제조할 수 있도록 하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법, 상기 리튬이차전지용 음극활물질, 상기 음극활물질로 제조된 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the technical problem to be achieved by the present invention is to improve the deterioration of the life characteristics due to the volume change when the conventional silicon (Si) is used as a negative electrode active material, while securing a uniform size of the Si precipitation phase, charge/discharge capacity, cycle life, etc. Provides a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery that enables the production of a negative electrode active material for a lithium secondary battery with secured reproducibility, a negative active material for the lithium secondary battery, a negative electrode for a lithium secondary battery made of the negative electrode active material, and a lithium secondary battery including the same To do it for a different purpose.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu 각각의 금속 또는 합금을 기 설정된 조성비의 합금이 되는 비율로 혼합한 후 용융하여 용융금속을 제조하는 단계; 상기 용융금속을 액체급냉응고법으로 고체화하여 상기 기 설정된 조성비의 Si-M-Fe-Cu 조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하는 단계; 및 상기 Si계 아몰퍼스 합금을 열처리하여, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention is to prepare a molten metal by mixing each metal or alloy of Si, added metal M, Fe, and Cu in a ratio to become an alloy of a preset composition ratio and then melting it. step; Solidifying the molten metal by a liquid quenching solidification method to prepare a Si-based amorphous alloy having a Si-M-Fe-Cu composition of the predetermined composition ratio and in which Cu is forcibly dissolved in Fe; And heat-treating the Si-based amorphous alloy to prepare a negative active material for a lithium secondary battery having a microstructure in which a crystalline Si phase, which is an active metal having a size of 100 nm or less, is uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or on an inactive crystalline matrix. Including, wherein M is Al, Ti, W, Co, Cr, Ge, or a method for manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery for producing a negative active material for a lithium secondary battery containing at least one metal element selected from the group consisting of Ca Provides.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 리튬이차전지용 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the anode active material for a lithium secondary battery is Si 45 at% or more and less than 60 at%, added metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at%, and Cu 0.1 at% To 5 at%.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하며, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm 이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% To 5 at%, wherein M includes Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca, and inert metal amorphous matrix phase or inert crystalline matrix phase It provides an anode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it has a microstructure in which a crystalline Si phase, which is an active metal having a size of 100 nm or less, is uniformly dispersed and precipitated.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질일 수 있다.In an embodiment of the present invention, a negative active material for a lithium secondary battery comprising 0.1 at% to 5 at% of at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca Can be

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 액체급랭응고법에 의해 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active metal crystalline Si phase is the inert metal amorphous matrix phase or inactive by copper clustering through heat treatment of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved by a liquid quench solidification method. It may be a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the crystalline matrix.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며, 상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100 nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material layer is 75 wt% to 92 wt% of the negative electrode active material %, 1 wt% to 10 wt% of a conductive material, and 7 wt% to 15 wt% of a binder, and the negative electrode active material is a fine particle having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. It provides a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises a crystalline Si phase, which is a tissue active metal.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at %, and M may be a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that it contains Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative active material comprises 0.1 at% to 5 at% of at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. It may be a negative electrode for a lithium secondary battery.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 액체급랭응고법에 의해 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active metal crystalline Si phase is the inert metal amorphous matrix phase or inactive by copper clustering through heat treatment of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved by a liquid quench solidification method. It may be a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the crystalline matrix.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며, 상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention is a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, wherein the negative electrode is a negative electrode current collector and a negative electrode formed on at least one surface of the negative electrode current collector. Including an active material layer, wherein the negative electrode active material layer comprises a negative electrode active material 75 wt% to 92 wt%, a conductive material 1 wt% to 10 wt%, and a binder 7 wt% to 15 wt%, the negative electrode active material is an inert metal amorphous It provides a lithium secondary battery comprising a crystalline Si phase, a microstructured active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on a matrix phase or an inert crystalline matrix.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at %, and M may be a lithium secondary battery comprising Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative active material comprises 0.1 at% to 5 at% of at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. It may be a lithium secondary battery.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 액체급랭응고법에 의해 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active metal crystalline Si phase is the inert metal amorphous matrix phase or inactive by copper clustering through heat treatment of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved by a liquid quench solidification method. It may be a lithium secondary battery characterized in that uniform dispersion and precipitation on the crystalline matrix.

본 발명의 일 효과로서, Si, 첨가금속 M, Fe, 및 Cu을 포함하는 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 음극활물질은 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내의 철(Fe)과 구리(Cu)가 분리되는 경향에 의해 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 발생할 수 있다.As an effect of the present invention, the negative electrode active material comprising a crystalline Si phase, an active metal uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix including Si, additive metals M, Fe, and Cu, Copper clustering may occur due to a tendency of separation of iron (Fe) and copper (Cu) in an inert metal amorphous matrix phase or an inert crystalline matrix phase.

이에 따라, 상기 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상에 의해 결정화 온도가 낮은 과실리콘(Si-rich) 영역이 형성되어 열처리 시 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내에 활성 금속인 결정질 Si 상이 미세하게 석출될 수 있다.Accordingly, a Si-rich region having a low crystallization temperature is formed by the Cu clustering phenomenon, so that the crystalline Si phase, which is an active metal, is finely formed in the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase during heat treatment. It can precipitate.

본 발명의 다른 효과로서, 음극활물질 내의 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 리튬 이온과 반응하지 않는 구조를 형성하면서 음극활물질의 부피 팽창을 억제하는 역할을 할 수 있고, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 리튬 이온과 가역 반응할 수 있으므로 음극활물질의 용량과 직접적인 관련이 있어, 향상된 음극활물질의 용량 특성을 나타낼 수 있다.As another effect of the present invention, the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix phase in the negative electrode active material may serve to suppress the volume expansion of the negative electrode active material while forming a structure that does not react with lithium ions. Since the crystalline Si phase can react reversibly with lithium ions, it is directly related to the capacity of the negative electrode active material, thereby exhibiting improved capacity characteristics of the negative electrode active material.

따라서 상기 음극활물질의 충·방전 진행 시 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상이 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation)에 의한 실리콘 입자의 팽창응력을 견딜 수 있는 항복강도를 가져서, 충·방전 진행 시 음극활물질의 부피 팽창 및 수축에 의한 입자 미분화가 억제될 수 있다.Therefore, when charging and discharging the negative electrode active material, the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix phase has a yield strength capable of withstanding the expansion stress of silicon particles due to intercalation of lithium ions, and charging and discharging proceeds. When the negative electrode active material expands and contracts in volume, particle micronization can be suppressed.

따라서 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질을 이용하여 리튬이차전지를 제조하면, 초기 쿨롱 효율이 85 % 이상으로 우수하며, 30 사이클 후에도 용량이 75% 이상 유지되는 수명 특성을 가질 수 있다.Therefore, when a lithium secondary battery is manufactured using a negative electrode active material for a lithium secondary battery including an active metal crystalline Si phase uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix or the inert crystalline matrix, the initial coulomb efficiency is 85% or more. It is excellent, and can have a lifespan characteristic in which the capacity is maintained at 75% or more even after 30 cycles.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 실시예 3의 리튬이차전지용 음극활물질의 TEM 사진.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실시예 1의 리튬이차전지용 음극활물질의 결정성을 나타낸 회절패턴.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실시예 1 내지 4의 리튬이차전지들의 충방전 사이클 수명을 나타낸 그래프.
1 is a flow chart of a method for manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM photograph of a negative active material for a lithium secondary battery of Example 3 prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is a diffraction pattern showing the crystallinity of the negative active material for a lithium secondary battery of Example 1 prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the charge/discharge cycle life of lithium secondary batteries of Examples 1 to 4 manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, bonded)" with another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in the middle. "Including the case. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

본 발명에서는 액체급냉응고법(Rapidly Solidification Process)과 합금설계 기술을 이용하여, 무선충전 에너지저장에 적합한 고용량, 고출력의 실리콘 합금계 음극활물질을 제조하고자 한다.In the present invention, a high-capacity, high-power silicon alloy-based negative electrode active material suitable for wireless charging energy storage is to be manufactured using a liquid rapid solidification process and alloy design technology.

현재까지 기계적 합금화법인 볼밀링(Ball Milling)이나 액체급냉응고법(Rapidly Solidification Process)을 이용하여 실리콘 합금계 음극활물질 제조에 대한 연구는 계속 진행되고 있으나, 제조공정변수(볼밀링 시간, 분말 입자의 크기, 용탕의 냉각속도) 제어의 어려움으로 실리콘 상(Si phase)만의 크기를 100nm 이하 급으로 균일하고 재현성 있게 매트릭스 상(matrix phase)에 분산 석출시켜, 실리콘 재료의 부피팽창 문제를 해결한 실리콘 합금계 음극활물질에 대한 연구보고는 없으며, 본 발명에서는 다음의 세가지 방법순으로 이러한 문제를 해결하고자 한다.Until now, research on the manufacture of silicon alloy-based negative electrode active material using mechanical alloying method Ball Milling or Rapidly Solidification Process is ongoing, but manufacturing process parameters (ball milling time, powder particle size) Silicon alloy system that solves the problem of volume expansion of silicon materials by dispersing and depositing only the silicon phase in the matrix phase in a uniform and reproducible manner at a level of 100 nm or less due to difficulty in controlling the cooling rate of the molten metal) There is no research report on the anode active material, and the present invention seeks to solve this problem in the order of the following three methods.

첫째, 열처리 후 Cu 클러스터링(Cu Clustering) 효과의 미세조직을 고려한 실리콘계 아몰퍼스 합금 설계.First, silicon-based amorphous alloy design considering the microstructure of Cu clustering effect after heat treatment.

둘째, 액체급냉응고법(Rapidly Solidification Process)을 이용한 실리콘계 아몰퍼스 합금 제조.Second, the manufacture of silicon-based amorphous alloys using the rapid solidification process (Rapidly Solidification Process).

셋째, 실리콘계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 활성금속만이 매트릭스에 균일 분산 석출된 미세조직 구현.Third, through the heat treatment of a silicon-based amorphous alloy, only the active metal is uniformly dispersed and precipitated in the matrix.

상기 과정을 통하여 최종적으로, 충·방전 사이클 진행 시 리튬 이온의 인터컬렉션(intercalation)에 의한 실리콘 입자의 팽창응력을 견뎌낼 수 있는 항복강도를 갖는 매트릭스 상(matrix phase)에 100nm급 크기의 실리콘 상이 균일 분산 석출된 미세조직을 구현하여, 리튬이온의 삽입·탈리 반응으로 발생하는 실리콘 입자의 부피 팽창·수축에 의한 입자 미분화를 억제하고자 한다.Through the above process, finally, a 100 nm-sized silicon phase is transferred to a matrix phase having a yield strength capable of withstanding the expansion stress of silicon particles due to intercalation of lithium ions during the charging/discharging cycle. By implementing a uniformly dispersed precipitated microstructure, it is intended to suppress particle micronization due to volume expansion and contraction of silicon particles caused by lithium ions intercalation and desorption reactions.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예는, Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu 각각의 금속 또는 합금을 기 설정된 조성비의 합금이 되는 비율로 혼합한 후 용융하여 용융금속을 제조하는 단계; 상기 용융금속을 액체급냉응고법으로 고체화하여 상기 기 설정된 조성비의 Si-M-Fe-Cu 조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하는 단계; 및 상기 Si계 아몰퍼스 합금을 열처리하여, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법을 제공한다.Specifically, an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a molten metal by mixing each metal or alloy of Si, M, Fe, and Cu in a ratio to become an alloy of a predetermined composition ratio and then melting it; Solidifying the molten metal by a liquid quenching solidification method to prepare a Si-based amorphous alloy having a Si-M-Fe-Cu composition of the predetermined composition ratio and in which Cu is forcibly dissolved in Fe; And heat-treating the Si-based amorphous alloy to prepare a negative active material for a lithium secondary battery having a microstructure in which a crystalline Si phase, which is an active metal having a size of 100 nm or less, is uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or on an inactive crystalline matrix. Including, wherein M is Al, Ti, W, Co, Cr, Ge, or a method for manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery for producing a negative active material for a lithium secondary battery containing at least one metal element selected from the group consisting of Ca Provides.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 리튬이차전지용 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the anode active material for a lithium secondary battery is Si 45 at% or more and less than 60 at%, added metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at%, and Cu 0.1 at% To 5 at%.

본 발명의 다른 실시예는 Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하여, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm 이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제공한다.Another embodiment of the present invention comprises Si 45 at% or more and less than 60 at%, added metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at%, and the M is an active metal having a size of 100 nm or less on an inert metal amorphous matrix or on an inactive crystalline matrix, including Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. It provides an anode active material for a lithium secondary battery having a microstructure in which the Si phase is uniformly dispersed and precipitated.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative active material comprises 0.1 at% to 5 at% of at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. It may be a negative electrode active material for a lithium secondary battery.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 액체급랭응고법에 의해 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active metal crystalline Si phase is the inert metal amorphous matrix phase or inactive by copper clustering through heat treatment of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved by a liquid quench solidification method. It may be a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the crystalline matrix.

본 발명의 또 다른 실시예는 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며, 상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100 nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다.Another embodiment of the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer includes 75 wt% to 92 wt% of a negative electrode active material, and 1 wt% to a conductive material. 10 wt% and 7 wt% to 15 wt% of a binder, and the anode active material is a crystalline Si phase, a microstructure active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. It provides a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at %, and M may be a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that it contains Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material further comprises 0.1 at% to 5 at% of at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. It may be a negative electrode for a lithium secondary battery.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 액체급랭응고법에 의해 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active metal crystalline Si phase is the inert metal amorphous matrix phase or inactive by copper clustering through heat treatment of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved by a liquid quench solidification method. It may be a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the crystalline matrix.

본 발명의 또 다른 실시예는 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며, 상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, in a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, and the negative electrode The active material layer includes 75 wt% to 92 wt% of an anode active material, 1 wt% to 10 wt% of a conductive material, and 7 wt% to 15 wt% of a binder, and the anode active material is on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. It provides a lithium secondary battery comprising a crystalline Si phase which is a microstructured active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at %, and M may be a lithium secondary battery comprising Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the negative electrode active material comprises 0.1 at% to 5 at% of at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. It may be a secondary battery.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 액체급랭응고법에 의해 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the active metal crystalline Si phase is the inert metal amorphous matrix phase or inactive by copper clustering through heat treatment of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved by a liquid quench solidification method. It may be a lithium secondary battery characterized in that uniform dispersion and precipitation on the crystalline matrix.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법의 순서도이다.1 is a flow chart of a method of manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명은, Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu 각각의 금속 또는 합금을 기 설정된 조성비의 합금이 되는 비율로 혼합한 후 용융하여 용융금속을 제조하는 단계(S10), 상기 용융금속을 액체급냉응고법으로 고체화하여 상기 기 설정된 조성비의 Si-M-Fe-Cu 조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하는 단계(S20) 및 상기 Si계 아몰퍼스 합금을 열처리하여, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 단계(S)를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법을 제공한다.Referring to FIG. 1, the present invention is a step (S10) of preparing a molten metal by mixing metals or alloys of Si, added metals M, Fe, and Cu in a ratio to become an alloy of a predetermined composition ratio, and melting the Solidifying a molten metal by a liquid quenching solidification method to prepare a Si-based amorphous alloy having a Si-M-Fe-Cu composition of the predetermined composition ratio and in which Cu is forcibly dissolved in Fe (S20) and heat treatment of the Si-based amorphous alloy , Manufacturing a negative active material for a lithium secondary battery having a microstructure in which a crystalline Si phase, an active metal having a size of 100 nm or less, is uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inactive crystalline matrix, wherein M is It provides a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery for preparing a negative electrode active material for a lithium secondary battery containing at least one metal element selected from the group consisting of Al and Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca.

상기 리튬이차전지용 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함할 수 있다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery may include Si 45 at% or more and 60 at% or less, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at%, and Cu 0.1 at% to 5 at% have.

상기 음극활물질을 구성하는 Si 상은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내의 Si 상과 활성금속인 결정질 Si 상이 혼합되어 있다. 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 리튬 이온과 가역 반응할 수 있으므로 음극활물질의 용량과 직접적인 관련이 있고, 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 리튬 이온과 반응하지 않는 구조를 형성하면서 음극활물질의 부피 팽창을 억제하는 역할을 할 수 있다. 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내에 균일하게 분산 석출될 수 있다.The Si phase constituting the negative electrode active material is a mixture of an inert metal amorphous matrix phase or a Si phase in an inert crystalline matrix phase and an active metal crystalline Si phase. Since the active metal crystalline Si phase can reversibly react with lithium ions, it is directly related to the capacity of the negative electrode active material, and the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase forms a structure that does not react with lithium ions while forming a structure that does not react with lithium ions. It can play a role in suppressing volume expansion. The crystalline Si phase, which is the active metal, may be uniformly dispersed and precipitated in the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase.

상기 리튬이차전지용 음극활물질에서 Si은 음극활물질이 리튬이차전지의 음극으로서 이용될 때에 리튬 이온의 흡장 및 방출에 관여할 수 있다. 따라서 Si이 리튬이차전지용 음극활물질에 포함되는 양은 상기 음극활물질의 용량 및 수명 특성과 관계가 있다. 구체적으로, Si이 합금에 더 많이 포함될수록, 음극활물질의 용량이 향상될 수 있으나, 수명 특성은 다소 저하될 수 있다. 따라서 본 발명의 음극활물질은 용량을 향상시키기 보다는 수명 특성을 향상시키기 위해 상기 음극활물질 내의 Si의 함량은 45 at% 이상 60 at% 미만 수준이 바람직하다. 상기 Si의 함량이 45 at% 미만일 경우, 리튬이차전지용 음극활물질로서 용량을 구현하기에 과도하게 적은 용량을 나타낼 수 있어 바람직하지 않고, 상기 Si의 함량이 60 at% 초과일 경우, 결정질로 되어 Si 아몰퍼스 합금이 생성되지 않거나, 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상을 구성하는 Si 이외의 성분의 함량이 적어 리튬이차전지용 음극활물질의 수명 개선 효과가 나타나기 어려울 수 있어 바람직하지 않다.In the negative electrode active material for a lithium secondary battery, when the negative electrode active material is used as a negative electrode of a lithium secondary battery, Si may participate in the occlusion and release of lithium ions. Therefore, the amount of Si contained in the negative electrode active material for a lithium secondary battery is related to the capacity and life characteristics of the negative electrode active material. Specifically, as more Si is included in the alloy, the capacity of the negative electrode active material may be improved, but life characteristics may be slightly lowered. Therefore, in the negative active material of the present invention, the content of Si in the negative active material is preferably 45 at% or more and less than 60 at% in order to improve the life characteristics rather than the capacity. When the content of Si is less than 45 at%, it is not preferable because it can exhibit an excessively small capacity to realize capacity as a negative electrode active material for a lithium secondary battery. When the content of Si is more than 60 at%, it becomes crystalline and Si The amorphous alloy is not generated, or the content of components other than Si constituting the inactive metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase is small, so that it may be difficult to improve the lifespan of the negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is not preferable.

일반적으로, Cu 및 Fe은 상온에서 고체 상태일 때 Si에 고용되기 어려우나, 멜트 스피닝 등의 액체급냉응고법과 같은 제조방법을 이용하면, Cu를 Si에 강제로 고용시킬 수 있다. 강제로 고용된 Cu는 Fe과 분리되려는 경향이 있는데, 이러한 경향으로 인해 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 발생하게 된다. 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 나타나는 부분에 활성 Si가 균일하게 분산 석출될 수 있으며, 이러한 현상으로 인해 본 발명의 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 포함할 수 있다.In general, when Cu and Fe are solid at room temperature, it is difficult to dissolve in Si. However, when a manufacturing method such as a liquid quenching solidification method such as melt spinning is used, Cu can be forcibly dissolved in Si. Forcibly dissolved Cu tends to be separated from Fe, and this tendency causes a copper clustering phenomenon. Active Si may be uniformly dispersed and precipitated in the portion where the Cu clustering phenomenon occurs, and due to this phenomenon, the anode active material of the present invention is an active metal uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. The phosphorus crystalline Si phase may include a microstructure in which uniformly dispersed and precipitated.

상기 Cu의 함량은 상기 Si의 함량이 45 at% 이상 60 at% 미만일 때, 0.1 at% 내지 5 at%인 것이 바람직하다. 이는 상기 Cu의 함량이 0.1 at% 미만일 경우, 전술한 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 미미하여 활성 실리콘 나노입자의 분산 석출이 일어나지 않을 수 있어 바람직하지 않기 때문이다. 또한, 상기 Cu의 함량이 5 at% 초과일 경우, 오히려 Cu가 불순물로 작용할 수 있어 바람직하지 않기 때문에, 상기 Cu의 함량은 0.1 at% 내지 5 at%가 바람직한 수준이다.The content of Cu is preferably 0.1 at% to 5 at% when the Si content is 45 at% or more and less than 60 at%. This is because when the content of Cu is less than 0.1 at%, the above-described copper clustering phenomenon is insignificant and dispersion precipitation of active silicon nanoparticles may not occur, which is not preferable. In addition, when the content of Cu is more than 5 at%, it is not preferable that Cu may act as an impurity, so the content of Cu is preferably 0.1 at% to 5 at%.

본 발명에서는 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 포함되는 Fe이 구리 클러스터링(Cu clustering)을 유도하는 역할을 할 수 있기 때문에, 용량 특성을 개선할 수 있다.In the present invention, since Fe contained on the inert metal amorphous matrix or the inactive crystalline matrix can serve to induce copper clustering, the capacity characteristics can be improved.

상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 전술한 바와 같이, Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu를 포함하는 Si계 합금을 포함하고, 이때 상기 첨가금속 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하며, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함할 수 있다.As described above, the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix phase includes a Si-based alloy including Si, an additive metal M, Fe, and Cu, wherein the additive metal M is Al, Ti, W, Co , Cr, Ge, or Ca containing at least one metal element selected from the group consisting of, the Ti, W, Co, Cr, Ge, or 0.1 to 5 at least one metal element selected from the group consisting of Ca May contain at%.

상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 및 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 상기 활성금속인 Si 상의 입경은 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.The particle diameter of the active metal Si phase uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix and the crystalline matrix may be 1 nm to 100 nm.

이하, 리튬이차전지용 음극에 대하여 설명한다.Hereinafter, a negative electrode for a lithium secondary battery will be described.

본 발명의 리튬이차전지용 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며, 상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100 nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer includes 75 wt% to 92 wt% of a negative electrode active material and 1 wt% of a conductive material. 10 wt% and 7 wt% to 15 wt% of a binder, and the anode active material is a crystalline Si phase, a microstructure active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. It characterized in that it includes.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극 집전체로는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 구체적으로, 얇은 전도성 호일(foil) 또는 발포체(foam)일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 집전체는 구리, 금, 니켈, 스테인레스 또는 티타늄을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode current collector may include a conductive material, and specifically, may be a thin conductive foil or foam. For example, the negative electrode current collector may include copper, gold, nickel, stainless steel, or titanium, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100 nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함할 수 있다. 상기 음극활물질은 Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함할 수 있다. 이때, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소는 0.1 at% 내지 5 at%로 포함될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material may include a crystalline Si phase, which is a microstructure active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inactive crystalline matrix. The negative electrode active material contains Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at%, and Cu 0.1 at% to 5 at%, and M is Al And, it may contain at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca. At this time, at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca may be included in an amount of 0.1 at% to 5 at%.

상기 음극활물질을 구성하는 활성금속인 결정질 Si 상은 리튬 이온과 가역 반응할 수 있으므로 음극활물질의 용량과 직접적인 관련이 있고, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 리튬 이온과 반응하지 않는 구조를 형성하면서 음극활물질의 부피 팽창을 억제하는 역할을 할 수 있다. 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내에 균일하게 분산 석출될 수 있다.Since the crystalline Si phase, which is an active metal constituting the negative electrode active material, can react reversibly with lithium ions, it is directly related to the capacity of the negative electrode active material, and the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase forms a structure that does not react with lithium ions. While it can play a role of suppressing the volume expansion of the negative electrode active material. The crystalline Si phase as the active metal may be uniformly dispersed and precipitated in the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase.

상기 리튬이차전지용 음극활물질에서 Si은 음극활물질이 리튬이차전지의 음극으로서 이용될 때에 리튬 이온의 흡장 및 방출에 관여할 수 있다. 따라서 Si이 리튬이차전지용 음극활물질에 포함되는 양은 상기 음극활물질의 용량 및 수명 특성과 관계가 있다. 구체적으로, Si이 합금에 더 많이 포함될수록, 음극활물질의 용량이 향상될 수 있으나, 수명 특성은 다소 저하될 수 있다. 따라서 본 발명의 음극활물질은 용량을 향상시키기 보다는 수명 특성을 향상시키기 위해 상기 음극활물질 내의 Si의 함량은 45 at% 이상 60 at% 미만 수준이 바람직하다. 상기 Si의 함량이 45 at% 미만일 경우, 리튬이차전지용 음극활물질로서 용량을 구현하기에 과도하게 적은 용량을 나타낼 수 있어 바람직하지 않고, 상기 Si의 함량이 60 at% 초과일 경우, 비활성 매트릭스를 구성하는 실리콘Si 이외의 성분의 함량이 적어 리튬이차전지용 음극활물질의 수명 개선 효과가 나타나기 어려울 수 있어 바람직하지 않다.In the negative electrode active material for a lithium secondary battery, when the negative electrode active material is used as a negative electrode of a lithium secondary battery, Si may participate in the occlusion and release of lithium ions. Therefore, the amount of Si contained in the negative electrode active material for a lithium secondary battery is related to the capacity and life characteristics of the negative electrode active material. Specifically, as more Si is included in the alloy, the capacity of the negative electrode active material may be improved, but life characteristics may be slightly lowered. Therefore, in the negative active material of the present invention, the content of Si in the negative active material is preferably 45 at% or more and less than 60 at% in order to improve the life characteristics rather than the capacity. When the content of Si is less than 45 at%, it is not preferable because it can exhibit an excessively small capacity to realize capacity as an anode active material for a lithium secondary battery, and when the content of Si is more than 60 at%, an inert matrix is formed. Since the content of components other than silicon Si is small, it may be difficult to improve the lifespan of the negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is not preferable.

일반적으로, Cu 및 Fe은 상온에서 고체 상태일 때 Si에 고용되기 어려우나, 멜트 스피닝 등의 액체급냉응고법과 같은 제조방법을 이용하면, Cu를 Si에 강제로 고용시킬 수 있다. 강제로 고용된 Cu는 Fe과 분리되려는 경향이 있는데, 이러한 경향으로 인해 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 발생하게 된다. 구리 클러스터링(Cu clustering)이 나타나는 부분에 활성 실리콘 나노입자가 균일하게 분산 석출될 수 있으며, 이러한 현상으로 인해 본 발명의 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내에 균일하게 분산 석출된 활성금속인 결정질 Si 상을 포함할 수 있다.In general, when Cu and Fe are solid at room temperature, it is difficult to dissolve in Si. However, when a manufacturing method such as a liquid quenching solidification method such as melt spinning is used, Cu can be forcibly dissolved in Si. Forcibly dissolved Cu tends to be separated from Fe, and this tendency causes a copper clustering phenomenon. Active silicon nanoparticles may be uniformly dispersed and precipitated in the portion where Cu clustering appears, and due to this phenomenon, the anode active material of the present invention is uniformly dispersed and precipitated in an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. It may comprise a crystalline Si phase that is a metal.

상기 Cu의 함량은 상기 Si의 함량이 45 at% 이상 60 at% 미만일 때, 0.1 at% 내지 5 at%인 것이 바람직하다. 이는 상기 Cu의 함량이 0.1 at% 미만일 경우, 전술한 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 미미하여 활성 실리콘 나노입자의 분산 석출이 일어나지 않을 수 있어 바람직하지 않기 때문이다. 또한, 상기 Cu 함량이 5 at% 초과일 경우, 오히려 Cu가 불순물로 작용할 수 있어 바람직하지 않기 때문에, 상기 Cu의 함량은 0.1 at% 내지 5 at%가 바람직한 수준이다.The content of Cu is preferably 0.1 at% to 5 at% when the Si content is 45 at% or more and less than 60 at%. This is because when the content of Cu is less than 0.1 at%, the above-described copper clustering phenomenon is insignificant and dispersion precipitation of active silicon nanoparticles may not occur, which is not preferable. In addition, when the Cu content exceeds 5 at%, it is not preferable that Cu may act as an impurity, and thus the content of Cu is preferably 0.1 at% to 5 at%.

본 발명에서는 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 포함되는 Fe이 구리 클러스터링(Cu clustering)을 유도하는 역할을 할 수 있기 때문에, 용량 특성을 개선할 수 있다.In the present invention, since Fe contained on the inert metal amorphous matrix or the inactive crystalline matrix can serve to induce copper clustering, the capacity characteristics can be improved.

상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 전술한 바와 같이, Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu를 포함할 수 있으며, 상기 첨가금속 M은, Al과 Ti, W, Co, Cr, Ge 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속원소를 포함하고, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속원소는 0.1 at% 내지 5 at%로 포함하여, 용량 특성 또는 수명 특성을 개선시키기 위한 성분으로 사용될 수 있다.As described above, the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix phase may include Si, additive metals M, Fe, and Cu, and the additive metal M is Al and Ti, W, Co, Cr, Ge, and Contains one or more metal elements selected from the group consisting of Ca, and the one or more metal elements selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, and Ca include 0.1 at% to 5 at%, capacity characteristics or It can be used as an ingredient to improve life characteristics.

상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 1 nm 내지 100 nm의 크기를 가질 수 있다.The active metal crystalline Si phase uniformly dispersed and precipitated on the inactive metal amorphous matrix or the inactive crystalline matrix may have a size of 1 nm to 100 nm.

상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함할 수 있다.The anode active material layer may include 75 wt% to 92 wt% of an anode active material, 1 wt% to 10 wt% of a conductive material, and 7 wt% to 15 wt% of a binder.

상기 도전재는 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 리튬이차전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하다. 구체적으로, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 폴리머 물질 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material is used to impart conductivity, and in the lithium secondary battery to be configured, any material may be used as long as it does not cause chemical change and is an electron conductive material. Specifically, any one or more of a conductive polymer material such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, metal fiber, and polyphenylene derivative It can be used, but is not limited thereto.

상기 도전재의 함량이 1 wt% 미만일 경우, 도전재 사용에 따른 전도성 개선 및 그에 따른 수명 특성 개선 효과가 미미하고, 상기 도전재 함량이 5 wt% 초과일 경우, 도전재의 비표면적 증가로 인해 도전재 및 전해액 간의 반응이 증가하여 수명 특성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 보다 구체적으로, 상기 도전재의 함량은 1 wt% 내지 3 wt%가 바람직할 수 있다.When the content of the conductive material is less than 1 wt%, the effect of improving the conductivity according to the use of the conductive material and thus improving the life characteristics is insignificant, and when the content of the conductive material is more than 5 wt%, the conductive material due to an increase in the specific surface area of the conductive material And it is not preferable because the reaction between the electrolyte may increase and the life characteristics may decrease. More specifically, the content of the conductive material may be preferably 1 wt% to 3 wt%.

상기 바인더는 음극활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 음극활물질을 음극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적으로, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 및 에폭시 수지 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to attach the negative electrode active material particles well to each other and the negative electrode active material to the negative electrode current collector, and specifically, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydride Roxypropylcellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, Any one or more of styrene-butadiene, acrylated styrene-butadiene, and epoxy resin may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 바인더의 함량이 7 wt% 미만일 경우, 음극 내에 충분한 접착력을 나타내기 어려워 바람직하지 않고, 상기 바인더의 함량이 15 wt% 초과일 경우, 리튬이차전지의 용량 특성 저하의 우려가 있어서 바람직하지 않다. 보다 구체적으로, 상기 바인더의 함량은 7 wt% 내지 10 wt%가 바람직할 수 있다.When the content of the binder is less than 7 wt%, it is not preferable because it is difficult to exhibit sufficient adhesion in the negative electrode, and when the content of the binder is more than 15 wt%, it is not preferable because there is a concern of deteriorating the capacity characteristics of the lithium secondary battery. More specifically, the content of the binder may be preferably 7 wt% to 10 wt%.

상기 도전재의 함량이 1 wt% 내지 10 wt%가 바람직하고, 상기 바인더의 함량이 7 wt% 내지 15 wt%가 바람직하기 때문에, 상기 음극활물질 층에서 음극활물질의 함량은 75 wt% 내지 92 wt%가 바람직한 수준이다.Since the content of the conductive material is preferably 1 wt% to 10 wt%, and the binder content is preferably 7 wt% to 15 wt%, the content of the anode active material in the anode active material layer is 75 wt% to 92 wt% Is the preferred level.

상기 음극활물질, 도전재 및 바인더를 혼합시키기 위한 용매로는 N-메틸피롤리돈 또는 n-헥산 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.N-methylpyrrolidone or n-hexane may be used as a solvent for mixing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder, but is not limited thereto.

이하, 리튬이차전지에 대하여 설명한다.Hereinafter, a lithium secondary battery will be described.

본 발명의 리튬이차전지는 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하고, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함할 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention may include a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, and the negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극 집전체로는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 구체적으로 얇은 전도성 호일(foil) 또는 발포체(foam)일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 집전체는 구리, 금, 니켈, 스테인레스 또는 티타늄을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode current collector may include a conductive material, and specifically, may be a thin conductive foil or foam. For example, the negative electrode current collector may include copper, gold, nickel, stainless steel, or titanium, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al과, Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at %, and M may include Al and at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Co, Cr, Ge, or Ca.

상기 음극활물질을 구성하는 Si 상은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내의 Si 상과 활성금속인 결정질 Si 상이 혼합되어 있다. 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 리튬 이온과 가역 반응할 수 있으므로 음극활물질의 용량과 직접적인 관련이 있고, 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 리튬 이온과 반응하지 않는 구조를 형성하면서 음극활물질의 부피 팽창을 억제하는 역할을 할 수 있다. 상기 활성금속인 결정질 Si 상은 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 내에 균일하게 분산 석출될 수 있다.The Si phase constituting the negative electrode active material is a mixture of an inert metal amorphous matrix phase or a Si phase in an inert crystalline matrix phase and an active metal crystalline Si phase. Since the active metal crystalline Si phase can reversibly react with lithium ions, it is directly related to the capacity of the negative electrode active material, and the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase forms a structure that does not react with lithium ions while forming a structure that does not react with lithium ions. It can play a role in suppressing volume expansion. The crystalline Si phase, which is the active metal, may be uniformly dispersed and precipitated in the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase.

상기 리튬이차전지용 음극활물질에서 Si은 음극활물질이 리튬이차전지의 음극으로서 이용될 때에 리튬 이온의 흡장 및 방출에 관여할 수 있다. 따라서 Si이 리튬이차전지용 음극활물질에 포함되는 양은 상기 음극활물질의 용량 및 수명 특성과 관계가 있다. 구체적으로, Si이 합금에 더 많이 포함될수록, 음극활물질의 용량이 향상될 수 있으나, 수명 특성은 다소 저하될 수 있다. 따라서 본 발명의 음극활물질은 용량을 향상시키기 보다는 수명 특성을 향상시키기 위해 상기 음극활물질 내의 Si의 함량은 45 at% 이상 60 at% 미만 수준이 바람직하다. 상기 Si의 함량이 45 at% 미만일 경우, 리튬이차전지용 음극활물질로서 용량을 구현하기에 과도하게 적은 용량을 나타낼 수 있어 바람직하지 않고, 상기 Si의 함량이 60 at% 초과일 경우, 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 을 구성하는 Si 이외의 성분의 함량이 적어 리튬이차전지용 음극활물질의 수명 개선 효과가 나타나기 어려울 수 있어 바람직하지 않다.In the negative electrode active material for a lithium secondary battery, when the negative electrode active material is used as a negative electrode of a lithium secondary battery, Si may participate in the occlusion and release of lithium ions. Therefore, the amount of Si contained in the negative electrode active material for a lithium secondary battery is related to the capacity and life characteristics of the negative electrode active material. Specifically, as more Si is included in the alloy, the capacity of the negative electrode active material may be improved, but life characteristics may be slightly lowered. Therefore, in the negative active material of the present invention, the content of Si in the negative active material is preferably 45 at% or more and less than 60 at% in order to improve the life characteristics rather than the capacity. When the content of Si is less than 45 at%, it is not preferable because it can exhibit an excessively small capacity to realize capacity as a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and when the content of Si is more than 60 at%, the inert metal amorphous Since the content of components other than Si constituting the matrix phase or the inactive crystalline matrix phase is small, it may be difficult to improve the lifespan of the anode active material for a lithium secondary battery, which is not preferable.

일반적으로, Cu 및 Fe은 상온에서 고체 상태일 때 Si에 고용되기 어려우나, 멜트 스피닝 등의 액체급냉응고법과 같은 제조방법을 이용하면, Cu를 Si에 강제로 고용시킬 수 있다. 강제로 고용된 Cu는 Fe과 분리되려는 경향이 있는데, 이러한 경향으로 인해 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 발생하게 된다. 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 나타나는 부분에 활성 Si가 균일하게 분산 석출될 수 있으며, 이러한 현상으로 인해 본 발명의 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 포함할 수 있다.In general, when Cu and Fe are solid at room temperature, it is difficult to dissolve in Si. However, when a manufacturing method such as a liquid quenching solidification method such as melt spinning is used, Cu can be forcibly dissolved in Si. Forcibly dissolved Cu tends to be separated from Fe, and this tendency causes a copper clustering phenomenon. Active Si may be uniformly dispersed and precipitated in the portion where the Cu clustering phenomenon occurs, and due to this phenomenon, the anode active material of the present invention is an active metal uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix. The phosphorus crystalline Si phase may include a microstructure in which uniformly dispersed and precipitated.

상기 Cu의 함량은 상기 Si의 함량이 45 at% 이상 60 at% 미만일 때, 0.1 at% 내지 5 at%인 것이 바람직하다. 이는 상기 Cu의 함량이 0.1 at% 미만일 경우, 전술한 구리 클러스터링(Cu clustering) 현상이 미미하여 활성 실리콘 나노입자의 분산 석출이 일어나지 않을 수 있어 바람직하지 않기 때문이다. 또한, 상기 Cu의 함량이 5 at% 초과일 경우, 오히려 Cu가 불순물로 작용할 수 있어 바람직하지 않기 때문에, 상기 Cu의 함량은 0.1 at% 내지 5 at%가 바람직한 수준이다.The content of Cu is preferably 0.1 at% to 5 at% when the Si content is 45 at% or more and less than 60 at%. This is because when the content of Cu is less than 0.1 at%, the above-described copper clustering phenomenon is insignificant and dispersion precipitation of active silicon nanoparticles may not occur, which is not preferable. In addition, when the content of Cu is more than 5 at%, it is not preferable that Cu may act as an impurity, so the content of Cu is preferably 0.1 at% to 5 at%.

본 발명에서는 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 포함되는 Fe이 구리 클러스터링(Cu clustering)을 유도하는 역할을 할 수 있기 때문에, 용량 특성을 개선할 수 있다.In the present invention, since Fe contained on the inert metal amorphous matrix or the inactive crystalline matrix can serve to induce copper clustering, the capacity characteristics can be improved.

상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 은 전술한 바와 같이, Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu를 포함하는 Si계 합금을 포함하고, 이때 상기 첨가금속 M은, Al과 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 포함하고, 상기 Ti, W, Co, Cr, Ge 또는 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속원소를 0.1 at% 내지 5 at% 포함할 수 있으며, 이에 의해, 용량 특성 또는 수명 특성을 개선시키기 위한 성분으로 사용될 수 있다.As described above, the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix phase includes a Si-based alloy including Si, an additive metal M, Fe, and Cu, wherein the additive metal M is Al, Ti, W, Co , Cr, Ge, or Ca, containing at least one metal element selected from the group consisting of, the Ti, W, Co, Cr, Ge, or 0.1 to 5 at least one metal element selected from the group consisting of Ca It may contain at%, whereby it may be used as a component for improving capacity characteristics or life characteristics.

상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 상기 활성금속인 결정질 Si 상의 입경은 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.The particle diameter of the active metal crystalline Si phase uniformly dispersed and precipitated on the inactive metal amorphous matrix or the inactive crystalline matrix may be 1 nm to 100 nm.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the negative electrode active material layer may include 75 wt% to 92 wt% of a negative electrode active material, 1 wt% to 10 wt% of a conductive material, and 7 wt% to 15 wt% of a binder.

상기 도전재는 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 리튬이차전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하다. 구체적으로, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 폴리머 물질 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material is used to impart conductivity, and in the lithium secondary battery to be configured, any material may be used as long as it does not cause chemical change and is an electron conductive material. Specifically, any one or more of a conductive polymer material such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, metal fiber, and polyphenylene derivative It can be used, but is not limited thereto.

상기 도전재의 함량이 1 wt% 미만일 경우, 도전재 사용에 따른 전도성 개선 및 그에 따른 수명 특성 개선 효과가 미미하고, 상기 도전재 함량이 5 wt% 초과일 경우, 도전재의 비표면적 증가로 인해 도전재 및 전해액 간의 반응이 증가하여 수명 특성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 보다 구체적으로, 상기 도전재의 함량은 1 wt% 내지 3 wt%가 바람직할 수 있다.When the content of the conductive material is less than 1 wt%, the effect of improving the conductivity according to the use of the conductive material and thus improving the life characteristics is insignificant, and when the content of the conductive material is more than 5 wt%, the conductive material due to an increase in the specific surface area of the conductive material And it is not preferable because the reaction between the electrolyte may increase and the life characteristics may decrease. More specifically, the content of the conductive material may be preferably 1 wt% to 3 wt%.

상기 바인더는 음극활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 음극활물질을 음극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적으로, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 및 에폭시 수지 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to attach the negative electrode active material particles well to each other and the negative electrode active material to the negative electrode current collector, and specifically, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydride Roxypropylcellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, Any one or more of styrene-butadiene, acrylated styrene-butadiene, and epoxy resin may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 바인더의 함량이 7 wt% 미만일 경우, 음극 내에 충분한 접착력을 나타내기 어려워 바람직하지 않고, 상기 바인더의 함량이 15 wt% 초과일 경우, 리튬이차전지의 용량 특성 저하의 우려가 있어서 바람직하지 않다. 보다 구체적으로, 상기 바인더의 함량은 7 wt% 내지 10 wt%가 바람직할 수 있다.When the content of the binder is less than 7 wt%, it is not preferable because it is difficult to exhibit sufficient adhesion in the negative electrode, and when the content of the binder is more than 15 wt%, it is not preferable because there is a concern of deteriorating the capacity characteristics of the lithium secondary battery. More specifically, the content of the binder may be preferably 7 wt% to 10 wt%.

상기 도전재의 함량이 1 wt% 내지 10 wt%가 바람직하고, 상기 바인더의 함량이 7 wt% 내지 15 wt%가 바람직하기 때문에, 상기 음극활물질 층에서 음극활물질의 함량은 75 wt% 내지 92 wt%가 바람직한 수준이다.Since the content of the conductive material is preferably 1 wt% to 10 wt%, and the binder content is preferably 7 wt% to 15 wt%, the content of the anode active material in the anode active material layer is 75 wt% to 92 wt% Is the preferred level.

상기 음극활물질, 도전재 및 바인더를 혼합시키기 위한 용매로는 N-메틸피롤리돈 또는 n-헥산 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.N-methylpyrrolidone or n-hexane may be used as a solvent for mixing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극활물질층을 포함하며, 상기 양극활물질층은 양극활물질, 바인더 및 도전재를 용매 중에서 혼합하여 양극활물질층 형성용 조성물을 제조한 후 상기 조성물이 양극 집전체 상에 도포된 형태일 수 있다. 이와 같은 양극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.In an embodiment of the present invention, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector, and the positive electrode active material layer forms a positive electrode active material layer by mixing a positive electrode active material, a binder, and a conductive material in a solvent. After preparing the composition for use, the composition may be applied on a positive electrode current collector. Since such a method of manufacturing a positive electrode is widely known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.

상기 양극활물질은 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 양극활물질은 리튬 함유 전이금속 산화물, 리튬 함유 전이금속 황화물 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1,a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2(0<y<1), LiCo1-yMnyO2(0<y<1), LiNi1-yMnyO2(0<y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4(0<Z<2), LiMn2-zCozO4(0<Z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material may include a material capable of reversibly inserting and desorbing lithium ions. Specifically, the positive electrode active material may include a lithium-containing transition metal oxide, a lithium-containing transition metal sulfide, and the like. For example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (0<a<1, 0<b<1, 0<c<1,a+ b+c=1), LiNi 1-y Co y O 2 (0<y<1), LiCo 1-y Mn y O 2 (0<y<1), LiNi 1-y Mn y O 2 (0<y<1), Li(Ni a Co b Mn c )O 4 (0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn 2-z Ni z One or more of O 4 (0<Z<2), LiMn 2-z Co z O 4 (0<Z<2), LiCoPO 4 and LiFePO 4 may be used, but is not limited thereto.

상기 바인더는 양극활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 양극활물질을 양극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적으로, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 및 에폭시 수지 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to attach the positive electrode active material particles well to each other and the positive electrode active material to the positive electrode current collector, and specifically, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydride Roxypropylcellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, Any one or more of styrene-butadiene, acrylated styrene-butadiene, and epoxy resin may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 도전재는 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 리튬이차전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하다. 구체적으로, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 폴리머 물질 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material is used to impart conductivity, and in the lithium secondary battery to be configured, any material may be used as long as it does not cause chemical change and is an electron conductive material. Specifically, any one or more of a conductive polymer material such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, metal fiber, and polyphenylene derivative It can be used, but is not limited thereto.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 또는 n-헥산 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The solvent may be N-methylpyrrolidone or n-hexane, but is not limited thereto.

상기 양극 집전체로는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 구체적으로 얇은 전도성 호일(foil) 또는 발포체(foam)일 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 집전체는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.The positive electrode current collector may include a conductive material, and specifically, may be a thin conductive foil or foam. For example, the positive electrode current collector may include aluminum, nickel, or an alloy thereof, but is not limited thereto.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질은 비수성 유기용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 비수성 유기용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), n-메틸 아세테이트, 디부틸 에테르, 시클로헥사논, 이소프로필알코올 및 설포란(sulfolane)류 용매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 이러한 비수성 유기용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a lithium salt. Specifically, the non-aqueous organic solvent may be any one or more of a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based, and aprotic solvent. For example, the non-aqueous organic solvent is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), n-methyl acetate, dibutyl ether , Cyclohexanone, isopropyl alcohol and sulfolane (sulfolane) may include one or more selected from the group consisting of solvents. These non-aqueous organic solvents may be used alone or in combination of two or more.

또한, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(x및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 이러한 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN(SO 3 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 ) (x and y are natural numbers), LiCl, LiI and It may include one or two or more selected from the group consisting of LiB(C 2 O 4 ) 2 . These electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분리막은 단층막으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용하거나, 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the separator may use polyethylene, polypropylene, or polyvinylidene fluoride as a single layer membrane, or a multilayer membrane having two or more layers thereof may be used.

이하, 본 발명의 제조예 및 실험예를 기재한다. 그러나 이들 제조예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.Hereinafter, preparation examples and experimental examples of the present invention will be described. However, these Preparation Examples and Experimental Examples are for explaining the configuration and effects of the present invention in more detail, and it should be noted that the scope of the present invention is not limited thereto.

-실험예--Experimental example-

구분division 합금 조성Alloy composition 결정
구조
decision
rescue
비정질합금
열처리조건
Amorphous alloy
Heat treatment condition
구분division Si(at%)Si(at%) Al(at%)Al(at%) Fe(at%)Fe(at%) Cu(at%)Cu(at%) 결정상Crystal phase 온도, 시간Temperature, time 실시예1Example 1 5050 3232 1717 1One 비정질Amorphous PristinePristine 실시예2Example 2 5050 3232 1717 1One 비정질+결정질Amorphous + crystalline 450℃, 1hr450℃, 1hr 실시예3Example 3 5050 3232 1717 1One 비정질+결정질Amorphous + crystalline 550℃, 1hr550℃, 1hr 실시예4Example 4 5050 3232 1717 1One 결정질Crystalline 700℃, 1hr700℃, 1hr 비교예1Comparative Example 1 6060 2626 1414 결정질+비정질Crystalline+Amorphous PristinePristine

[표 1]의 조건으로 본 발명의 실시예에 따르는 실시예 1 내지 실시예 4와 열처리를 수행하지 않은 비교예 1을 제조하였다.Under the conditions of [Table 1], Examples 1 to 4 according to an embodiment of the present invention and Comparative Example 1 without heat treatment were prepared.

[실시예 1][Example 1]

Si, Al, Fe 및 Cu을 포함한 합금을 아크 용해법 등으로 용융시켜 용융액을 제조한 다음, 상기 용융액을 40 m/s 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 단롤 액체급냉 응고법으로, Si50Al32Fe17Cu1조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하였다.A single-roll liquid quench solidification method in which an alloy containing Si, Al, Fe, and Cu is melted by an arc melting method to prepare a melt, and then the melt is sprayed onto a copper roll rotating at a speed of 40 m/s.Si 50 Al 32 Fe A Si-based amorphous alloy having a composition of 17 Cu 1 and in which Cu is forcibly dissolved in Fe was prepared.

지르코늄 볼(Zr-ball) 200g, 상기 Si계 아몰퍼스 합금 5g, n-헥산(n-Hexane)을 혼합한 후 페인트 셰이커(paint shaker)를 이용하여 15분 동안 분쇄하여 형성된 비정질 결정상을 갖는 음극활물질 분말로 코인 형상의 극판을 제조한 후, 음극활물질 분말, 도전재로서 Ketjen Black 및 바인더로서 PAI를 87:3:10의 중량 비율로 혼합한 혼합물을 상기 극판에 도포한 후, 400℃, Ar분위기에서 1시간 열처리하여 음극(실시예 1)을 제조하였다.A negative electrode active material powder having an amorphous crystal phase formed by mixing 200 g of zirconium balls, 5 g of the Si-based amorphous alloy, and n-Hexane and pulverizing for 15 minutes using a paint shaker After preparing a coin-shaped electrode plate, a mixture of negative electrode active material powder, Ketjen Black as a conductive material, and PAI as a binder in a weight ratio of 87:3:10 was applied to the electrode plate, and then in an Ar atmosphere at 400°C. Heat treatment was performed for 1 hour to prepare a negative electrode (Example 1).

[실시예 2][Example 2]

Si, Al, Fe 및 Cu을 포함한 합금을 아크 용해법 등으로 용융시켜 용융액을 제조한 다음, 상기 용융액을 40 m/s 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 단롤 액체급냉 응고법으로, Si50Al32Fe17Cu1조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하였다.A single-roll liquid quench solidification method in which an alloy containing Si, Al, Fe, and Cu is melted by an arc melting method to prepare a melt, and then the melt is sprayed onto a copper roll rotating at a speed of 40 m/s.Si 50 Al 32 Fe A Si-based amorphous alloy having a composition of 17 Cu 1 and in which Cu is forcibly dissolved in Fe was prepared.

상기 Si계 아몰퍼스 합금을 450℃ 온도에서 불활성 가스분위기 로에서 1시간 동안 열처리를 수행하여 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 가지며 비정질과 결정질이 혼합된 결정상을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하였다.Microstructure in which the Si-based amorphous alloy is heat-treated at 450°C in an inert gas atmosphere for 1 hour to uniformly disperse and precipitate a crystalline Si phase, an active metal having a size of 100 nm or less, on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix And a negative active material for a lithium secondary battery having a crystalline phase in which amorphous and crystalline are mixed was prepared.

지르코늄 볼(Zr-ball) 200g, 상기 음극활물질 5g, n-헥산(n-Hexane)을 혼합한 후 페인트 셰이커(paint shaker)를 이용하여 15분 동안 분쇄하여 형성된 음극활물질 분말로 코인 형상의 극판을 제조하고, 상기 음극활물질 분말, 도전재로서 Ketjen Black 및 바인더로서 PAI를 87:3:10의 중량 비율로 혼합한 혼합물을 극판에 도포한 후 400℃, Ar분위기에서 1시간 열처리하여 음극(실시예 2)을 제조하였다.After mixing 200 g of zirconium balls, 5 g of the negative electrode active material, and n-Hexane, the negative electrode active material powder formed by pulverizing for 15 minutes using a paint shaker is used to form a coin-shaped electrode plate. Prepared, the negative electrode active material powder, a mixture of Ketjen Black as a conductive material and PAI as a binder in a weight ratio of 87:3:10 was applied to the electrode plate, and then heat-treated in an Ar atmosphere at 400° C. for 1 hour to perform a negative electrode (Example 2) was prepared.

[실시예 3][Example 3]

Si, Al, Fe 및 Cu을 포함한 합금을 아크 용해법 등으로 용융시켜 용융액을 제조한 다음, 상기 용융액을 40 m/s 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 단롤 액체급냉 응고법으로 Si50Al32Fe17Cu1조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하였다.An alloy containing Si, Al, Fe, and Cu is melted by an arc melting method to prepare a melt, and then the melt is sprayed on a copper roll rotating at a speed of 40 m/s.Si 50 Al 32 Fe 17 A Si-based amorphous alloy having a composition of Cu 1 and in which Cu is forcibly dissolved in Fe was prepared.

상기 Si계 아몰퍼스 합금을 550℃ 온도에서 불활성 가스분위기 로에서 1시간 동안 열처리를 수행하여 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 가지며 비정질과 결정질이 혼합된 결정상을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하였다.Microstructure in which the Si-based amorphous alloy is heat-treated at 550°C in an inert gas atmosphere for 1 hour to uniformly disperse and precipitate a crystalline Si phase, an active metal having a size of 100 nm or less, on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix And a negative active material for a lithium secondary battery having a crystalline phase in which amorphous and crystalline are mixed was prepared.

지르코늄 볼(Zr-ball) 200g, 상기 음극활물질 5g, n-헥산(n-Hexane)을 혼합한 후 페인트 셰이커(paint shaker)를 이용하여 15분 동안 분쇄하여 형성된 비정질 결정상을 가지는 음극활물질 분말로 코인 형상의 극판을 제조하고, 상기 음극활물질 분말, 도전재로서 Ketjen Black 및 바인더로서 PAI를 87:3:10의 중량 비율로 혼합한 혼합물을 극판에 도포한 후 400℃, Ar분위기에서 1시간 열처리하여 음극(실시예 3)을 제조하였다.A negative electrode active material powder having an amorphous crystal phase formed by mixing 200 g of zirconium balls, 5 g of the negative electrode active material, and n-hexane for 15 minutes using a paint shaker. After preparing a shaped electrode plate, a mixture of the negative electrode active material powder, Ketjen Black as a conductive material, and PAI as a binder in a weight ratio of 87:3:10 was applied to the electrode plate, and then heat-treated at 400°C for 1 hour in an Ar atmosphere. A negative electrode (Example 3) was prepared.

[실시예 4][Example 4]

Si, Al, Fe 및 Cu을 포함한 합금을 아크 용해법 등으로 용융시켜 용융액을 제조한 다음, 상기 용융액을 40 m/s 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 단롤 액체급냉 응고법으로, Si50Al32Fe17Cu1조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하였다.A single-roll liquid quench solidification method in which an alloy containing Si, Al, Fe, and Cu is melted by an arc melting method to prepare a melt, and then the melt is sprayed onto a copper roll rotating at a speed of 40 m/s.Si 50 Al 32 Fe A Si-based amorphous alloy having a composition of 17 Cu 1 and in which Cu is forcibly dissolved in Fe was prepared.

상기 Si계 아몰퍼스 합금을 700℃ 온도에서 불활성 가스분위기 로에서 1시간 동안 열처리를 수행하여 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 가지며 결정질 결정상을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하였다.Microstructure in which the Si-based amorphous alloy is heat-treated at 700° C. in an inert gas atmosphere for 1 hour to uniformly disperse and precipitate a crystalline Si phase, an active metal having a size of 100 nm or less, on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix And was prepared a negative active material for a lithium secondary battery having a crystalline crystal phase.

지르코늄 볼(Zr-ball) 200g, 상기 음극활물질 5g, n-헥산(n-Hexane)을 혼합한 후 페인트 셰이커(paint shaker)를 이용하여 15분 동안 분쇄하여 형성된 음극활물질 분말로 코인 형상의 극판을 제조하고, 상기 음극활물질 분말, 도전재로서 Ketjen Black 및 바인더로서 PAI를 87:3:10의 중량 비율로 혼합한 혼합물을 극판에 도포한 후 400℃, Ar분위기에서 1시간 열처리하여 음극(실험예 4)을 제조하였다.After mixing 200 g of zirconium balls, 5 g of the negative electrode active material, and n-Hexane, the negative electrode active material powder formed by pulverizing for 15 minutes using a paint shaker is used to form a coin-shaped electrode plate. Prepared, the negative electrode active material powder, a mixture of Ketjen Black as a conductive material and PAI as a binder in a weight ratio of 87:3:10 was applied to the electrode plate, and then heat-treated in an Ar atmosphere at 400° C. for 1 hour to obtain a negative electrode (Experimental Example 4) was prepared.

[비교예 1][Comparative Example 1]

Si, Al 및 Fe을 포함한 합금을 아크 용해법 등으로 용융시켜 용융액을 제조한 다음, 상기 용융액을 40 m/s 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 단롤 액체급냉 응고법으로, Si60Al26Fe14 조성을 가지는 결정질과 비정질이 혼합된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하였다.And melting the alloy including Si, Al and Fe in such an arc melting method to prepare a melt of the following, danrol liquid quenching solidification of the melt jet to a copper roll rotating at 40 m / s speed, Si 60 Al 26 Fe 14 composition Eggplant was prepared a Si-based amorphous alloy in which crystalline and amorphous were mixed.

지르코늄 볼(Zr-ball) 200g, 상기 Si계 아몰퍼스 합금 5g, n-헥산(n-Hexane)을 혼합한 후 페인트 셰이커(paint shaker)를 이용하여 15분 동안 분쇄하여 형성된 음극활물질 분말로 코인 형상의 극판을 제조하고, 상기 음극활물질 분말, 도전재로서 Ketjen Black 및 바인더로서 PAI를 87:3:10의 중량 비율로 혼합한 혼합물을 극판에 도포한 후 400℃, Ar분위기에서 1시간 열처리하여 음극(비교예 1)을 제조하였다.A negative electrode active material powder formed by mixing 200 g of zirconium balls, 5 g of the Si-based amorphous alloy, and n-hexane for 15 minutes using a paint shaker. An electrode plate was prepared, and a mixture of the negative electrode active material powder, Ketjen Black as a conductive material, and PAI as a binder in a weight ratio of 87:3:10 was applied to the electrode plate, and then heat-treated in an Ar atmosphere at 400° C. for 1 hour to obtain a negative electrode ( Comparative Example 1) was prepared.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 실시예 3의 리튬이차전지용 음극활물질의 TEM 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실시예 1의 리튬이차전지용 음극활물질의 결정성을 나타낸 회절패턴을 나타내는 도면이다.2 is a TEM photograph of the negative active material for a lithium secondary battery of Example 3 prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a TEM photograph of the negative active material for a lithium secondary battery of Example 1 prepared according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing a diffraction pattern showing crystallinity.

도 2 및 도 3을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 3과 같이, 본 발명의 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 (10)을 갖는 것을 확인하였으며, 특히 열처리를 수행한 실시예 3은 도 2와 같이, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 (10)에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상(20)이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 것을 확인하였다.2 and 3, as in Examples 1 and 3, it was confirmed that the negative electrode active material of the present invention has an inert metal amorphous matrix phase or an inert crystalline matrix phase 10, and in particular, heat treatment was performed. In Example 3, as shown in FIG. 2, it was confirmed that the crystalline Si phase 20, which is an active metal having a size of 100 nm or less, has a microstructure uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix phase or the inactive crystalline matrix phase 10.

실시예 1 내지 실시예 4의 음극을 이용하여 리튬이차전지를 제조한 후 충방전을 1회 실시하였을 때의 음극활물질의 충전 용량, 방전 용량 및 초기 쿨롱 효율(ICE: 초기 방전 용량을 초기 충전용량으로 나눈 값)에 대한 결과를 하기 [표 2]에 도시하였다.Charge capacity, discharge capacity, and initial coulomb efficiency of the negative electrode active material when charging and discharging was performed once after manufacturing a lithium secondary battery using the negative electrodes of Examples 1 to 4 (ICE: initial discharge capacity The results for the value divided by) are shown in the following [Table 2].

구분division 합금 조성Alloy composition 결정
구조
decision
rescue
비정질 합금
열처리 조건
Amorphous alloy
Heat treatment conditions
전극특성평가 결과Electrode characteristic evaluation result
구분division Si
(at%)
Si
(at%)
Al
(at%)
Al
(at%)
Fe
(at%)
Fe
(at%)
Cu
(at%)
Cu
(at%)
결정상Crystal phase 온도, 시간Temperature, time 초기 충전
(mAh/g)
Initial charge
(mAh/g)
초기
방전
(mAh/g)
Early
Discharge
(mAh/g)
초기
쿨룽
효율(%)
Early
Coolung
efficiency(%)
용량
유지율
(30cy.%)
Volume
Retention rate
(30cy.%)
실시예1Example 1 5050 3232 1717 1One 비정질Amorphous PristinePristine 223.5223.5 106.3106.3 47.547.5 42.842.8 실시예2Example 2 5050 3232 1717 1One 비정질+결정질Amorphous + crystalline 450℃, 1hr450℃, 1hr 387.8387.8 255.37255.37 65.865.8 65.265.2 실시예3Example 3 5050 3232 1717 1One 비정질+결정질Amorphous + crystalline 550℃, 1hr550℃, 1hr 996.9996.9 848.8848.8 85.185.1 82.882.8 실시예4Example 4 5050 3232 1717 1One 결정질Crystalline 700℃, 1hr700℃, 1hr 996.7996.7 855.0855.0 85.785.7 76.076.0 비교예1Comparative Example 1 6060 2626 1414 결정질+비정질Crystalline+Amorphous PristinePristine 1629.01629.0 1470.51470.5 90.290.2 55.055.0

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실시예 1 내지 4의 리튬이차전지들의 충방전 사이클 수명을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing charge/discharge cycle life of lithium secondary batteries of Examples 1 to 4 manufactured according to an embodiment of the present invention.

표 2 및 도 4를 참조하면, 액체급냉응고법에 의해 제조된 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 480℃~750℃ 온도범위에서 열처리하여 결정질과 비정질의 결정구조를 가지는 본 발명의 실시예 3 및 4의 음극활물질로 제조된 음극의 경우 초기 쿨롱 효율(ICE: Initial Coulombic Efficiency)이 85.1% 및 85.7%로 높았고, 30 사이클 이후의 용량유지율(Retention rate) 또한 82.8% 및 76%로 높게 나타났다.Referring to Table 2 and Figure 4, the implementation of the present invention having a crystalline and amorphous crystal structure by heat-treating a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved in Fe prepared by the liquid quenching solidification method in a temperature range of 480°C to 750°C. In the case of the negative electrode made of the negative electrode active material of Examples 3 and 4, the initial coulombic efficiency (ICE) was high at 85.1% and 85.7%, and the retention rate after 30 cycles was also high at 82.8% and 76%. appear.

반면 480℃ 미만으로 열처리가 수행된 실험예 1 및 2의 경우에는 초기 쿨롱 효율(ICE: Initial Coulombic Efficiency)이 47.5% 및 65.8%로 낮은 편이었고. 30 사이클 이후의 용량유지율(Retention rate) 또한 42.8% 및 65.2%로 낮게 나타났다. 특히, 열처리를 수행하지 않은 실시예 1의 경우, 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상 (10)에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상(20)이 형성되지 않은 것에 의해 초기 쿨롱 효율(ICE: Initial Coulombic Efficiency)이 47.5%로 낮았고, 30 사이클 이후의 용량유지율(Retention rate) 또한 42.8%로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, in the case of Experimental Examples 1 and 2, in which heat treatment was performed at less than 480°C, the initial coulombic efficiency (ICE) was low at 47.5% and 65.8%. The retention rate after 30 cycles was also low at 42.8% and 65.2%. In particular, in the case of Example 1 in which the heat treatment was not performed, the initial coulomb efficiency was not formed on the inert metal amorphous matrix phase or the inert crystalline matrix phase 10, which is an active metal having a size of 100 nm or less. ICE: Initial Coulombic Efficiency) was as low as 47.5%, and the retention rate after 30 cycles was also as low as 42.8%.

또한, 액체급랭응고법에 의해 제조된 결정질과 비정질이 혼합된 결정상을 가지는 Si60Al26Fe14 조성을 가지는 Si계 합금을 열처리를 수행하지 않고 제조된 비교예1의 음극의 경우에는, 초기 쿨롱 효율(ICE: Initial Coulombic Efficiency)이 90.2%로 높았으나, 30 사이클 이후의 용량유지율(Retention rate)이 55.0%로 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.In addition, in the case of the negative electrode of Comparative Example 1 prepared without performing heat treatment of a Si-based alloy having a composition of Si 60 Al 26 Fe 14 having a crystalline phase in which a crystalline and amorphous mixture is mixed, the initial coulomb efficiency ( ICE: Initial Coulombic Efficiency) was high at 90.2%, but it was confirmed that the retention rate after 30 cycles significantly decreased to 55.0%.

본 발명의 실시예는 액체급랭응고법인 멜트 스피닝에 있어 구리휠의 회전 선속도를 30 m/s 내지 60 m/s 범위에서 재현성 있게 비정질 합금을 제조할 수 있으며, 더 바람직하게는 40 m/s 속도에서 재현성 있게 비정질 합금을 제조할 수 있다.In the embodiment of the present invention, in melt spinning, which is a liquid quench solidification method, an amorphous alloy can be produced reproducibly in the range of 30 m/s to 60 m/s in the rotational linear speed of the copper wheel, and more preferably 40 m/s. It is possible to produce amorphous alloys reproducibly at speed.

비정질 합금 제조 후 일정한 온도(480℃~750℃)에서 열처리를 진행하면 재현성 있는 활성 실리콘 입자가 비활성 매트릭스 내에 나노 크기로 균일하게 분산 석출된 형태의 음극활물질을 제조할 수 있으며, 상기 재현성 있는 음극활물질은 30 사이클 후에도 용량이 유지되는 우수한 수명 특성을 가질 수 있는 것으로 판단할 수 있다.If heat treatment is performed at a constant temperature (480°C to 750°C) after manufacturing an amorphous alloy, a negative electrode active material in a form in which reproducible active silicon particles are uniformly dispersed and precipitated in nano size in an inert matrix can be prepared. It can be determined that silver can have excellent life characteristics in which the capacity is maintained even after 30 cycles.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and the concept of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (13)

Si, 첨가금속 M, Fe 및 Cu 각각의 금속 또는 합금을 기 설정된 조성비의 합금이 되는 비율로 혼합한 후 용융하여 용융금속을 제조하는 단계;
상기 용융금속을 30 m/s 내지 60 m/s 범위의 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 액체급냉응고법으로 고체화하여 상기 기 설정된 조성비의 Si-M-Fe-Cu 조성을 가지며 Cu가 Fe에 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금을 제조하는 단계; 및
상기 Si계 아몰퍼스 합금을 480℃~750℃ 온도범위에서 열처리하여, Cu 클러스터링에 의해 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 리튬이차전지용 음극활물질을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 M은 Al인 것을 특징으로 하고,
상기 리튬이차전지용 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
Mixing the metals or alloys of Si, the additive metals M, Fe, and Cu in a ratio to become an alloy having a predetermined composition ratio, and then melting them to prepare a molten metal;
The molten metal is solidified by a liquid quenching solidification method in which the molten metal is sprayed onto a copper roll rotating at a speed in the range of 30 m/s to 60 m/s, and has a Si-M-Fe-Cu composition of the preset composition ratio, and Cu is forcibly dissolved in Fe. Preparing a Si-based amorphous alloy; And
The Si-based amorphous alloy is heat-treated at a temperature ranging from 480°C to 750°C, and a microstructure in which a crystalline Si phase, an active metal having a size of 100 nm or less, is uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inactive crystalline matrix by Cu clustering. Including; preparing a negative active material for a lithium secondary battery having,
The M is characterized in that Al,
The negative electrode active material for a lithium secondary battery contains 45 at% or more and less than 60 at% of Si, 25 at% to 44.9 at% of added metal M, 10 at% to 25 at% Fe, and 0.1 at% to 5 at% Cu Method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that.
삭제delete Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고,
상기 M은 Al인 것을 특징으로 하고,
비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 100nm 이하 크기의 활성금속인 결정질 Si 상이 균일하게 분산 석출된 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하고,
상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 용융금속을 30 m/s 내지 60 m/s 범위의 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 액체급랭응고법에 의해 제조된 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 480℃~750℃ 온도범위에서의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극활물질.
Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at%,
The M is characterized in that Al,
It is characterized in that it has a microstructure in which a crystalline Si phase, which is an active metal having a size of 100 nm or less, is uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inactive crystalline matrix,
The crystalline Si phase as the active metal is 480° C. of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved, prepared by a liquid quench solidification method in which molten metal is sprayed on a copper roll rotating at a speed in the range of 30 m/s to 60 m/s. A negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix or on the inactive crystalline matrix by copper clustering through heat treatment in a temperature range of ~750°C.
삭제delete 삭제delete 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고,
상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며,
상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100 nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고,
상기 M은 Al인 것을 특징으로 하고,
상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 용융금속을 30 m/s 내지 60 m/s 범위의 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 액체급랭응고법에 의해 제조된 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 480℃~750℃ 온도범위에서의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
A negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer includes 75 wt% to 92 wt% of a negative electrode active material, 1 wt% to 10 wt% of a conductive material, and 7 wt% to 15 wt% of a binder,
The negative electrode active material is characterized in that it comprises a crystalline Si phase, which is a microstructured active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or an inert crystalline matrix,
The negative electrode active material, Si 45 at% or more and less than 60 at%, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at% and Cu 0.1 at% to 5 at%,
The M is characterized in that Al,
The crystalline Si phase as the active metal is 480° C. of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved, prepared by a liquid quench solidification method in which molten metal is sprayed on a copper roll rotating at a speed in the range of 30 m/s to 60 m/s A negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix or on the inactive crystalline matrix by copper clustering through heat treatment in a temperature range of ~750°C.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서,
상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 이상에 형성된 음극활물질층을 포함하고,
상기 음극활물질층은 음극활물질 75 wt% 내지 92 wt%, 도전재 1 wt% 내지 10 wt% 및 바인더 7 wt% 내지 15 wt%를 포함하며,
상기 음극활물질은 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출된 100nm 이하 크기의 미세조직 활성금속인 결정질 Si 상을 포함하는 것을 특징으로 하고,
음극활물질은, Si 45 at% 이상 60 at% 미만, 첨가금속 M 25 at% 내지 44.9 at%, Fe 10 at% 내지 25 at% 및 Cu 0.1 at% 내지 5 at%를 포함하고, 상기 M은 Al인 것을 특징으로 하고,
상기 활성금속인 결정질 Si 상은, 용융금속을 30 m/s 내지 60 m/s 범위의 속도로 회전하는 구리롤에 분사시키는 액체급랭응고법에 의해 제조된 Cu가 강제 고용된 Si계 아몰퍼스 합금의 480℃~750℃ 온도범위에서의 열처리를 통한 구리 클러스터링(Cu clustering)에 의해 상기 비활성 금속 아몰퍼스 매트릭스 상 또는 비활성 결정질 매트릭스 상에 균일하게 분산 석출되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
In the lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte and a separator,
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer includes 75 wt% to 92 wt% of a negative electrode active material, 1 wt% to 10 wt% of a conductive material, and 7 wt% to 15 wt% of a binder,
The negative electrode active material is characterized in that it comprises a crystalline Si phase, which is a microstructured active metal having a size of 100 nm or less uniformly dispersed and precipitated on an inert metal amorphous matrix or on an inert crystalline matrix,
The negative electrode active material includes Si 45 at% or more and 60 at% or less, additive metal M 25 at% to 44.9 at%, Fe 10 at% to 25 at%, and Cu 0.1 at% to 5 at%, wherein M is Al Characterized by being,
The crystalline Si phase as the active metal is 480° C. of a Si-based amorphous alloy in which Cu is forcibly dissolved, prepared by a liquid quench solidification method in which molten metal is sprayed on a copper roll rotating at a speed in the range of 30 m/s to 60 m/s. A lithium secondary battery, characterized in that uniformly dispersed and precipitated on the inert metal amorphous matrix or on the inert crystalline matrix by copper clustering through heat treatment in a temperature range of ~750°C.
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