KR102277243B1 - Manufacturing method of Anode Active Material including Silicon Composite - Google Patents

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Abstract

본 발명은,
가) 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매 상에서 분쇄하여 코어를 제조하는 단계;
나) 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하여, 상기 코어를 둘러싸며 1 도전성 카본을 포함하는 쉘을 형성하는 단계; 및
다) 상기 쉘을 형성 후 제 2 도전성 카본을 투입하고 열처리하여 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 실리콘 복합체를 제조하는 단계;
포함하는 음극 활물질의 제조방법에 관한 것으로, 이를 통해 전도성이 우수한 고용량의 음극 활물질, 및 이를 포함하여 수명 특성, 출력 특성 및 안전성이 우수한 리튬 이차전지를 제조할 수 있다
The present invention is
A) preparing a core by mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon and then pulverizing in an organic solvent;
B) forming a shell including a first conductive carbon surrounding the core by heat-treating after inputting the precursor of the first conductive carbon to the prepared core; and
C) preparing a silicon composite in which a second conductive carbon is positioned on all or part of the shell surface by adding a second conductive carbon after forming the shell and heat-treating;
It relates to a method for producing a negative active material comprising: a high-capacity negative electrode active material having excellent conductivity, and a lithium secondary battery having excellent lifespan characteristics, output characteristics and safety including the same

Description

실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질의 제조방법{Manufacturing method of Anode Active Material including Silicon Composite}Manufacturing method of Anode Active Material including Silicon Composite

본 발명은 전도성이 우수한 고용량의 실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다 .The present invention relates to a method for manufacturing a negative active material including a high-capacity silicon composite having excellent conductivity.

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

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

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

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

그러나, 카본 물질을 Si와 단순 혼합하는 재료의 경우, 충방전이 진행됨에 따라 Si이 큰 부피 팽창 및 수축을 겪는 과정에서 카본이 Si 로부터 유리되며, 이로 인해 전기 전도성 저하로 수명 특성이 크게 저하되는 문제가 있다. However, in the case of a material in which a carbon material is simply mixed with Si, carbon is liberated from Si in a process where Si undergoes large volume expansion and contraction as charging and discharging proceed, which leads to a significant decrease in lifespan characteristics due to deterioration of electrical conductivity. there is a problem.

또한, 실란 커플링제, CVD 등을 이용하여 카본 표면에 미분말의 Si 등을 화학적으로 고정한 재료는 실란 커플링제, CVD에 의한 결합 지속 시간이 길이 않아 충방전 사이클이 진행됨에 따라 수명 특성이 저하될 수 있고, 더욱이, 상기 물리 화학적인 접착을 균일하게 수행하여 안정된 품질의 음극 재료를 얻기 어려운 문제가 있다.In addition, the material in which fine powder of Si is chemically fixed to the carbon surface using a silane coupling agent or CVD does not have a long bonding duration by the silane coupling agent or CVD, so as the charge/discharge cycle progresses, the lifespan characteristics may decrease. Moreover, there is a problem in that it is difficult to obtain a negative electrode material of stable quality by uniformly performing the physicochemical adhesion.

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

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

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

구체적으로, 본 발명의 목적은 수명 특성 및 출력 특성이 우수하면서도 안전성이 뛰어난 리튬 이차전지를 제조할 수 있는 전도성이 우수한 고용량의 실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.Specifically, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a negative active material including a high-capacity silicon composite having excellent conductivity capable of manufacturing a lithium secondary battery having excellent safety and lifespan characteristics and output characteristics.

본 발명은,The present invention is

가) 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매 상에서 분쇄하여 코어를 제조하는 단계;A) preparing a core by mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon and then pulverizing in an organic solvent;

나) 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하여, 상기 코어를 둘러싸며 1 도전성 카본을 포함하는 쉘을 형성하는 단계; 및B) by adding a precursor of the first conductive carbon to the prepared core and then heat-treating to surround the core to form a shell including one conductive carbon; and

다) 상기 쉘을 형성 후 제 2 도전성 카본을 투입하고 열처리하여 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 실리콘 복합체를 제조하는 단계;C) preparing a silicon composite in which the second conductive carbon is positioned on all or part of the shell surface by adding a second conductive carbon after forming the shell and heat-treating;

를 포함하는 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a negative active material comprising a.

상기 코어는 1차 입자이며 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자와 단결정 실리콘 분쇄 입자가 배열되어 형성된, 2차 입자를 포함할 수 있다.The core is a primary particle and may include secondary particles formed by arranging pulverized polycrystalline silicon particles and pulverized single crystal silicon particles having different aspect ratios.

상기 다결정 실리콘 분쇄 입자의 형상은 침상이며, 상기 단결정 실리콘 분쇄 입자의 형상은 판상일 수 있다.The shape of the pulverized polycrystalline silicon particles may be needle-like, and the shape of the pulverized single-crystal silicon particles may be plate-like.

상기 다결정 실리콘 분쇄 입자의 종횡비는 4.0 초과 10 이하이고 상기 단결정 실리콘 분쇄 입자의 종횡비는 1.0 이상 4.0 이하 일 수 있다.The aspect ratio of the pulverized polycrystalline silicon particles may be greater than 4.0 and less than or equal to 10, and the aspect ratio of the pulverized single crystal silicon particles may be greater than or equal to 1.0 and less than or equal to 4.0.

상기 다결정 실리콘과 단결정 실리콘의 배합비는 중량을 기준으로 30 : 70 내지 70 : 30일 수 있다.The mixing ratio of the polycrystalline silicon and the single crystal silicon may be 30:70 to 70:30 by weight.

상기 제 1 도전성 카본의 전구체는 비정질 카본의 전구체일 수 있다.The precursor of the first conductive carbon may be a precursor of amorphous carbon.

상기 비정질 카본의 전구체는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The precursor of the amorphous carbon may be one or more selected from the group consisting of coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenolic resin, furan resin, and polyimide resin. have.

상기 제 1 도전성 카본의 전구체의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 30 중량부 일 수 있다.The content of the precursor of the first conductive carbon may be 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend.

상기 제 2 도전성 카본은 결정성 카본일 수 있다.The second conductive carbon may be crystalline carbon.

상기 제 2 도전성 카본의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부일 수 있다.The content of the second conductive carbon may be 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend.

상기 단계 가)에서 배합 실리콘의 응집을 억제하기 위해 분산재를 추가로 첨가할 수 있다.In step a), a dispersant may be additionally added to suppress agglomeration of the compounded silicone.

본 발명은,The present invention is

가') 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매 상에서 분쇄하여 코어를 제조하는 단계;A') preparing a core by mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon and pulverizing them in an organic solvent;

나') 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하여, 상기 코어를 둘러싸며 1 도전성 카본을 포함하는 쉘을 형성하는 단계; B ') after inputting the precursor of the first conductive carbon to the prepared core, heat treatment to surround the core to form a shell containing one conductive carbon;

다') 상기 쉘을 형성 후 제 2 도전성 카본을 투입하고 열처리하여 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 1차 실리콘 복합체를 제조하는 단계; 및C') preparing a first silicon composite in which a second conductive carbon is positioned on all or part of the shell surface by adding a second conductive carbon after forming the shell and heat-treating; and

라') 상기 1차 실리콘 복합체에 비정질 카본의 전구체를 가하여 고온 압축 후 고온 소성하여 상기 1차 실리콘 복합체를 둘러싸는 비정질 카본을 포함하는 2차 실리콘 복합체를 제조하는 단계; D') preparing a secondary silicon composite including amorphous carbon surrounding the primary silicon composite by adding a precursor of amorphous carbon to the first silicon composite, high-temperature compression, and high-temperature firing;

를 포함할 수 있다.may include.

상기 비정질 카본의 전구체는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. The precursor of the amorphous carbon may be one or more selected from the group consisting of coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenolic resin, furan resin, and polyimide resin. have.

상기 단계 라')에서 상기 1차 실리콘 복합체 100 중량부를 기준으로 비정질 카본의 전구체 10 내지 30 중량부를 혼합할 수 있다. In step d'), 10 to 30 parts by weight of a precursor of amorphous carbon may be mixed based on 100 parts by weight of the primary silicon composite.

상기 비정질 카본의 전구체는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. The precursor of the amorphous carbon may be one or more selected from the group consisting of coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenolic resin, furan resin, and polyimide resin. have.

상기 단계 라')에서 상기 고온 압축은 120 내지 250℃에서 20 내지 50분 수행될 수 있다. The high-temperature compression in step d') may be performed at 120 to 250° C. for 20 to 50 minutes.

상기 단계 라')에서 상기 고온 소성은 700 내지 2000℃에서 1 내지 2시간 수행될 수 있다.In step d'), the high-temperature sintering may be performed at 700 to 2000° C. for 1 to 2 hours.

본 발명에 따라 제조되는 음극 활물질은 1차 입자이며 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자와 단결정 실리콘 분쇄 입자가 배열되어 형성된 2차 입자를 포함하는 음극 활물질을 제조하므로 상기 2차 입자 내 공극이 최소화되어 단위 부피당 용량이 극대화되므로 이에 따른 리튬 이차전지의 수명 특성이 향상될 수 있다.The anode active material prepared according to the present invention is a primary particle, and since the anode active material including secondary particles formed by arranging polycrystalline silicon pulverized particles and single crystalline silicon pulverized particles having different aspect ratios, the voids in the secondary particles are minimized. Since the capacity per unit volume is maximized, the lifespan characteristics of the lithium secondary battery may be improved accordingly.

또한, 본 발명에 따라 제조되는 음극 활물질에서 상기 2차 입자 내부에 미세하게 남아 있는 공극은 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온의 이동 통로를 증가시켜 이에 따른 리튬 이차전지의 출력 특성이 향상될 수 있다.In addition, in the negative active material prepared according to the present invention, the pores remaining fine inside the secondary particles increase the passage of lithium ions during the charging and discharging process of the battery, thereby improving the output characteristics of the lithium secondary battery. .

또한, 본 발명에 따라 제조되는 음극 활물질은 코어쉘 구조로 상기 쉘은 제 1 도전성 카본으로 이루어지며, 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 음극 활물질을 제조할 수 있어, 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리로 실리콘 입자의 수축 및 팽창이 반복되더라도, 상기 제 1 도전성 카본 및 상기 제 2 도전성 카본이 완충작용을 하여 코어의 부피 팽창 및 손상을 억제할 수 있어 우수한 내구성을 가지므로 전극의 손상을 최소화할 수 있다In addition, the anode active material prepared according to the present invention has a core-shell structure, wherein the shell is made of a first conductive carbon, and it is possible to prepare an anode active material in which the second conductive carbon is located on all or part of the surface of the shell, Even if the shrinkage and expansion of silicon particles are repeated due to the insertion and desorption of lithium ions in the charging and discharging process of the battery, the first conductive carbon and the second conductive carbon act as a buffer to suppress volume expansion and damage of the core. Because it has durability, damage to the electrode can be minimized

또한, 본 발명에 따라 제조되는 음극 활물질은 비정질 카본 매트리스 상에 1차 실리콘 복합체가 모여서 이루어진 2차 실리콘 복합체를 포함하므로 반복되는 충방전 과정에서 입자 형태 붕괴를 최소화할 수 있으며, 동시에 실리콘 입자와 전해액의 접촉을 억제할 수 있어 이에 따른 리튬 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.In addition, since the anode active material prepared according to the present invention includes a secondary silicon composite formed by gathering a primary silicon composite on an amorphous carbon matrix, it is possible to minimize particle disintegration during repeated charge/discharge processes, and at the same time, silicon particles and an electrolyte solution It is possible to suppress the contact of the lithium secondary battery according to the safety can be secured.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 음극 활물질의 단면을 대략적으로 나타낸 모식도이다; 및
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 음극 활물질의 단면을 대략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3는 실험예 1에서 실리콘 복합체의 SEM 사진이다;
도 4는 실험예 2에서 실리콘 복합체의 평균 입경을 나타낸 데이터이다;
도 5는 실험예 3에서 리튬이 충전된 음극 표면 형상의 사진이다;
도 6는 실험예 3에서 사이클 진행에 따른 용량 유지율을 나타낸 그래프이다; 및
도 7는 실험예 4에서 사이클 진행에 따른 용량 유지율을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram schematically showing a cross-section of an anode active material manufactured according to an embodiment of the present invention; and
2 is a schematic diagram schematically illustrating a cross-section of a negative active material manufactured according to an embodiment of the present invention;
3 is an SEM photograph of the silicon composite in Experimental Example 1;
4 is data showing the average particle diameter of the silicon composite in Experimental Example 2;
5 is a photograph of the surface shape of a lithium-charged negative electrode in Experimental Example 3;
6 is a graph showing the capacity retention rate according to the cycle progress in Experimental Example 3; and
7 is a graph showing the capacity retention rate according to the cycle progress in Experimental Example 4;

음극 활물질(실리콘 복합체(100)) 제조방법Anode active material (silicon composite 100) manufacturing method

본 발명은the present invention

가) 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매 상에서 분쇄하여 코어를 제조하는 단계;A) preparing a core by mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon and then pulverizing in an organic solvent;

나) 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하여, 상기 코어를 둘러싸며 1 도전성 카본을 포함하는 쉘을 형성하는 단계; 및B) by adding a precursor of the first conductive carbon to the prepared core and then heat-treating to surround the core to form a shell including one conductive carbon; and

다) 상기 쉘을 형성 후 제 2 도전성 카본을 투입하고 열처리하여 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 실리콘 복합체를 제조하는 단계;C) preparing a silicon composite in which the second conductive carbon is positioned on all or part of the shell surface by adding a second conductive carbon after forming the shell and heat-treating;

를 포함하는 음극 활물질의 제조방법을 제공한다. It provides a method of manufacturing a negative active material comprising a.

실리콘은 이론 용량이 약 3,600 mA/g으로로, 종래 탄소계 음극 재료와 비교하여 상대적으로 높은 용량을 나타내지만, 리튬 이온의 삽입 및 탈리 과정에서 큰 부피 팽창 및 수축을 일으키어 이로 인한 미분화, 전도 경로의 상실 등으로 인해 수명 특성이 저하되는 문제가 있다.Silicon has a theoretical capacity of about 3,600 mA/g, indicating a relatively high capacity compared to conventional carbon-based anode materials, but it causes large volume expansion and contraction during insertion and desorption of lithium ions, resulting in micronization and conduction. There is a problem in that life characteristics are deteriorated due to loss of path, etc.

이하 도 1(a) 내지 (c)를 참조하여 본 발명을 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS. 1(a) to (c).

도 1(a)를 참조하면, 단계 가)에서, 1차 입자이며 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)가 배열되어 형성된 2차 입자를 포함하는 코어를 제조할 수 있어 상기 2차 입자 내 공극이 최소화되어 단위 부피당 용량이 극대화되므로 이에 따른 리튬 이차전지의 수명 특성이 향상될 수 있다.Referring to FIG. 1( a ), in step a), a core including secondary particles formed by arranging polycrystalline silicon pulverized particles 111 and single crystal silicon pulverized particles 112 that are primary particles and have different aspect ratios to prepare a core Since the voids in the secondary particles are minimized and the capacity per unit volume is maximized, the lifespan characteristics of the lithium secondary battery can be improved accordingly.

동시에, 구조적인 특성상 상기 2차 입자 내부에 미세하게 남아 있는 공극은 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온의 이동 통로를 증가시켜 이에 따른 리튬 이차전지의 출력 특성이 향상될 수 있다.At the same time, due to the structural characteristics of the pores remaining inside the secondary particles, the passage of lithium ions is increased in the charging/discharging process of the battery, thereby improving the output characteristics of the lithium secondary battery.

구체적으로, 상기 단계 가)에서, 상기 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매와 혼합하여 실리콘 슬러리를 제조 후, 이를 밀링 시스템에서 순환시키며 분쇄한다.Specifically, in step A), the polycrystalline silicon and single crystal silicon are mixed and mixed with an organic solvent to prepare a silicon slurry, which is then circulated and pulverized in a milling system.

상기 밀링 공정을 통해 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘을 분쇄하여 1차 입자이며 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)를 제조할 수 있다. 동시에, 밀링 시스템에서 순환하는 과정을 통해 상기 분쇄된 1차 입자들이 배열되어 공극이 최소화된 2차 입자가 제조될 수 있으며, 이는 코어를 형성한다.The pulverized polysilicon particles 111 and the pulverized single crystal silicon particles 112 that are primary particles and have different aspect ratios may be manufactured by pulverizing polycrystalline silicon and single crystal silicon through the milling process. At the same time, the pulverized primary particles are arranged through a cycle in the milling system to produce secondary particles with minimized voids, which form a core.

즉, 본 발명에서 "1차 입자"는 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(112) 각각을 의미하며, "2차 입자"는 1차 입자들, 즉, 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)들이 모여 형성된 입자이다. That is, in the present invention, "primary particle" means each of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 and the pulverized single crystal silicon particles 112 having different aspect ratios, and "secondary particle" refers to the primary particles, that is, the aspect ratio It is a particle formed by gathering different pulverized polycrystalline silicon particles 111 and pulverized single crystal silicon particles 112 .

또한, 본 발명에서 "배열"은 2차 입자 내부에 형성되는 공극이 최소화되도록, 종횡비가 서로 다른 1차 입자들이 모여 2차 입자를 형성하는 것을 의미한다.In addition, in the present invention, "arrangement" means that primary particles having different aspect ratios are gathered to form secondary particles so that the voids formed inside the secondary particles are minimized.

상기 밀링 공정은 비즈밀(beads mill), 고에너지 볼밀(high energy ball mill), 유성밀(planetary mill), 교반볼밀(stirred ballmill), 진동 밀(vibration mill) 등을 이용하여 수행될 수 있다. 상세하게는, 비즈밀이나 볼밀을 이용할 수 있으며, 이는 실리콘과 유기물과 반응하지 않는 화학적으로 불활성인 재질로 된 것, 좀 더 상세하게는 지르코니아 재질로 이루어진 것일 수 있다.The milling process may be performed using a beads mill, a high energy ball mill, a planetary mill, a stirred ball mill, a vibration mill, and the like. Specifically, a bead mill or a ball mill may be used, which may be made of a chemically inert material that does not react with silicon and organic matter, and more specifically, made of a zirconia material.

다결정 실리콘과 단결정 실리콘은 결정 구조에 따른 특징으로 물리적, 화학적 방법을 이용하여 분쇄시 일정한 형상을 나타내며, 예를 들어, Polycrystalline silicon and single-crystal silicon exhibit a certain shape when pulverized using physical and chemical methods as a characteristic according to the crystal structure, for example,

다결정 실리콘 분쇄 입자(111) 및 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)의 형상은 판상, 침상, 직방체, 각상, 타원구상, 기둥상 등일 수 있다. The shapes of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 and the pulverized single crystal silicon particles 112 may be plate-like, needle-like, rectangular parallelepiped, prismatic, ellipsoidal, columnar, or the like.

바람직하게는, 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)의 형상은 침상일 수 있고, 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)의 형상은 판상일 수 있다. 여기서 "침상" 또는 "판상" 완전한 침상 또는 판상이 아니어도 대략적인 형태를 가지는 것으로, 표면에 요철이 형성될 수도 있다. Preferably, the shape of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 may be a needle shape, and the shape of the pulverized single crystal silicon particles 112 may be a plate shape. Here, "acicular" or "plate-shaped" has an approximate shape even if it is not a complete needle or plate, and irregularities may be formed on the surface.

상기 다결정 실리콘 분쇄 입자(111) 및 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)의 형상은 종횡비로 표현할 수 있다.The shapes of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 and the pulverized single crystal silicon particles 112 may be expressed by an aspect ratio.

본 발명에서 상기 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)의 종횡비는 4.0 초과 10 이하일 수 있고, 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)의 종횡비는 1.0 이상 4.0 이하일 수 있다. 상기 범위를 벗어날 경우 상기 입자들의 배열을 통해 공극 최소화에 따른 본 발명이 의도하는 효과를 얻을 수 없으며, 1차 입자 사이의 결합이 약해지고 사이클 특성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 다결정 실리콘 분쇄 입자(111)의 종횡비는 5.0 이상 9.0 이하일 수 있고, 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)의 종횡비는 1.5 이상 3.5 이하일 수 있다.In the present invention, the aspect ratio of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 may be greater than 4.0 and less than or equal to 10, and the aspect ratio of the pulverized single crystal silicon particles 112 may be greater than or equal to 1.0 and less than or equal to 4.0. If it is out of the above range, the intended effect of the present invention according to the minimization of voids through the arrangement of the particles cannot be obtained, and the bond between the primary particles is weakened and cycle characteristics may be deteriorated, which is not preferable. In detail, the aspect ratio of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 may be 5.0 or more and 9.0 or less, and the aspect ratio of the pulverized single crystal silicon particles 112 may be 1.5 or more and 3.5 or less.

상기 1차 입자인 다결정 실리콘 분쇄 입자(111) 및 단결정 실리콘 분쇄 입자(112)의 크기는 나노 사이즈로, 예를 들어 결정의 크기가 1 nm 내지 30 nm인 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘을 각각을 분쇄하여 형성될 수 있다. 상기 범위 내에서 고용량을 구현하며 초기 효율을 향상시키면서 2차 입자의 공극을 최소화할 수 있다. The size of the pulverized polycrystalline silicon particles 111 and the pulverized single crystal silicon particles 112 as the primary particles is nano-sized, for example, by pulverizing polycrystalline silicon and single-crystal silicon having a crystal size of 1 nm to 30 nm, respectively. can be formed. It is possible to implement a high capacity within the above range and minimize the voids of the secondary particles while improving the initial efficiency.

상기 1차 입자인 다결정 실리콘과 단결정 실리콘의 배합비는 중량을 기준으로 30 : 70 내지 70 : 30일 수 있다. 상기 단결정 실리콘의 양이 지나치게 많을 경우 비용 측면에서 경제성이 떨어지며, 다결정 실리콘의 양이 지나치게 많을 경우 전지의 충방전 과정에서 미분화가 심해질 우려가 있다. 또한, 상기 범위를 벗어날 경우 종횡비가 서로 다른 실리콘 입자의 배열을 통해 공극 최소화에 따른 본 발명이 의도하는 효과를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 상세하게는, 상기 다결정 실리콘과 단결정 실리콘의 배합비는 중량을 기준으로 40 : 60 내지 60 : 40일 수 있다.The mixing ratio of the polycrystalline silicon as the primary particles and the single crystal silicon may be 30:70 to 70:30 by weight. When the amount of monocrystalline silicon is too large, economical efficiency is lowered in terms of cost, and when the amount of polycrystalline silicon is excessively large, there is a risk of severe micronization in the charging/discharging process of the battery. In addition, when it is out of the above range, it is not preferable because the intended effect of the present invention according to the minimization of voids cannot be obtained through the arrangement of silicon particles having different aspect ratios. Specifically, the mixing ratio of the polycrystalline silicon and the single crystal silicon may be 40:60 to 60:40 by weight.

앞서 언급한 바와 같이, 구조적인 특성상 2차 입자 내부에 미세하게 남아 있는 공극은 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온의 이동 통로를 증가시켜 이에 따른 리튬 이차전지의 출력 특성이 향상될 수 있다.As mentioned above, due to the structural characteristics of the micropores remaining inside the secondary particles, the lithium ion movement path increases during the charging/discharging process of the battery, thereby improving the output characteristics of the lithium secondary battery.

상기 유기 용매는 배합된 다결정 실리콘과 단결정 실리콘이 고르게 분산될 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌 등의 방향족 탄화수소류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸아밀케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥사놀, 시클로헥산올, 에틸렌글리콜, 글리세린 등의 알코올류로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. The organic solvent is not particularly limited as long as the blended polycrystalline silicon and single crystal silicon can be uniformly dispersed, but for example, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and mesitylene, methyl ethyl ketone, acetone, and methyl amyl ketone. , methyl isobutyl ketone, ketones such as cyclohexanone, ethanol, propanol, butanol, hexanol, cyclohexanol, ethylene glycol, may be one or two or more selected from the group consisting of alcohols such as glycerin.

상기 유기 용매의 함량은 상기 배합된 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 100 중량부에 대해 100 중량부 내지 300 중량부일 수 있다. 상기 범위를 벗어날 경우 실리콘이 충분히 분산될 수 없거나 제조 공정상 경제성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.The content of the organic solvent may be 100 parts by weight to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the blended polycrystalline silicon and single crystal silicon. If it is out of the above range, silicon may not be sufficiently dispersed or economic feasibility may be lowered in the manufacturing process, which is not preferable.

도 1(b)를 참조하면, 상기 단계 나)는 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하는 과정으로, 2차 입자인 코어를 둘러싸며 제 1 도전성 카본(120)을 포함하는 쉘이 형성된다. Referring to FIG. 1(b), step b) is a process of heat-treating after inputting the precursor of the first conductive carbon to the manufactured core, surrounding the core, which is a secondary particle, and including the first conductive carbon 120 a shell is formed.

상기 단계 나)에서 제 1 도전성 카본(120)을 포함하는 쉘을 형성하는 방법은 제한이 없으며 증착, CVD(chemical vapor deposition)법 등의 건식 코팅법 또는 함침, 스프레이 등의 액상 코팅법 모두 사용할 수 있다. The method of forming the shell including the first conductive carbon 120 in step b) is not limited, and either a dry coating method such as vapor deposition, CVD (chemical vapor deposition) method, or a liquid coating method such as impregnation and spraying can be used. have.

상기 제 1 도전성 카본 전구체는 비정질 카본의 전구체일 수 있다. 비정질 카본은 강도를 적절히 부여하여 코어쉘의 형태를 유지하여 코어의 팽창을 억제할 수 있다. 상세하게는, 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 석유계 피치는 원유를 정류하고 남은 고비점의 잔류물에서 불순물 성분을 정제하여 얻어지므로, 바람직하게 사용할 수 있다.The first conductive carbon precursor may be a precursor of amorphous carbon. The amorphous carbon can suppress the expansion of the core by properly imparting strength to maintain the shape of the core shell. Specifically, it may be one or more selected from the group consisting of coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenol resin, furan resin, and polyimide resin. Since petroleum-based pitch is obtained by refining impurity components from the high boiling point residue remaining after rectifying crude oil, it can be preferably used.

상기 제 1 도전성 카본 전구체의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 30 중량부일 수 있다. 상기 범위를 넘어서 함량이 적을 경우 코어를 충분히 감쌀 수 없어 전해액과 반응성이 높아질 수 있어 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 지나치게 클 경우 음극 합제 형성시 분산 안정성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 제 1 도전성 카본 전구체의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부일 수 있다.The content of the first conductive carbon precursor may be 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend. If the content is less than the above range, the core may not be sufficiently wrapped and the reactivity with the electrolyte may be increased, which may decrease cycle characteristics. If the content is too large, dispersion stability may be reduced when forming the negative electrode mixture, which is not preferable. In detail, the content of the first conductive carbon precursor may be 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend.

상기 단계 나)에서 제 1 도전성 카본 전구체를 투입하여 100℃ ~ 700℃의 온도범위의 불활성 분위기에서 열처리를 통하여 상대적으로 비점이 낮은 탄화수소, 황 등의 불순물을 제거하여 상기 코어를 둘러싸며 제 1 도전성 카본(120)을 포함하는 쉘을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전성 카본 전구체로 석유계 피치를 사용할 경우 열처리를 통해 비정질 카본으로, 피치의 탄화물이 형성될 수 있다. In step b), the first conductive carbon precursor is added and impurities such as hydrocarbons and sulfur having a relatively low boiling point are removed through heat treatment in an inert atmosphere in a temperature range of 100° C. to 700° C. to surround the core and conduct the first conductivity. A shell including carbon 120 may be formed. For example, when petroleum-based pitch is used as the first conductive carbon precursor, carbides of pitch may be formed as amorphous carbon through heat treatment.

도 1(c)를 참조하면, 상기 코어쉘 구조를 형성 후 제 2 도전성 카본(130)을 투입 후 열처리하여 상기 코어쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 실리콘 복합체를 제조할 수 있다. Referring to Figure 1 (c), after forming the core-shell structure, the second conductive carbon 130 is added and then heat-treated to prepare a silicon composite in which the second conductive carbon is located on all or part of the surface of the core-shell. have.

상기 제 2 도전성 카본(130)은 도전 통로를 형성하면서 전기 전도성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 제 2 도전성 카본(130)은 결정성 카본일 수 있으며, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀, 카본블랙, 플러렌 수트(fullerene soot)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상세하게는 흑연의 단일층인 그래핀일 수 있다.The second conductive carbon 130 may further improve electrical conductivity while forming a conductive passage. The second conductive carbon 130 may be crystalline carbon, for example, one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, carbon black, fullerene soot, or It may be a combination of two or more types, but is not limited thereto. Specifically, it may be graphene, which is a single layer of graphite.

상기 제 2 도전성 카본(130)은 상기 제 1 도전성 카본(120)을 포함하는 쉘의 전부 또는 일부에 피막을 형성할 수 있다. 상세하게는, 제 1 도전성 카본(120) 표면 전체 부피를 기준으로 60 내지 100%의 피막을 형성할 수 있고, 두께는 10 내지 50 nm일 수 있다. 상기 범위를 벗어나 피막 형성 범위가 지나치게 작을 경우 전기 전도성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. The second conductive carbon 130 may form a film on all or part of the shell including the first conductive carbon 120 . In detail, a film of 60 to 100% based on the total surface volume of the first conductive carbon 120 may be formed, and the thickness may be 10 to 50 nm. If the film formation range is too small out of the above range, there is a risk that electrical conductivity may be lowered, which is not preferable.

상기 제 2 도전성 카본(130)의 함량은, 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 범위를 넘어서 함량이 적을 경우 코어를 충분히 감쌀 수 없어 전해액과 반응성이 높아질 수 있어 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 지나치게 클 경우 음극 합제 형성시 분산 안정성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 제 2 도전성 카본의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 3 내지 8 중량부일 수 있다.The content of the second conductive carbon 130 may be 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend. If the content is less than the above range, the core may not be sufficiently wrapped and the reactivity with the electrolyte may be increased, which may decrease cycle characteristics. If the content is too large, dispersion stability may be reduced when forming the negative electrode mixture, which is not preferable. In detail, the content of the second conductive carbon may be 3 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend.

상기 열처리는 오븐 건조 방식으로 수행할 수 있으며, 예를 들어 100℃내지 250℃에서 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed in an oven drying method, for example, may be performed at 100 °C to 250 °C.

경우에 따라서는, 단계 가)의 배합 공정 또는 분쇄 공정에서 분산재를 가하여 분산된 실리콘 슬러리를 제조하거나, 분쇄 공정 중 배합 실리콘 슬러리의 응집을 억제할 수 있다.In some cases, it is possible to prepare a dispersed silicone slurry by adding a dispersant in the blending process or grinding process of step a), or to suppress agglomeration of the blended silicone slurry during the grinding process.

상기 분산재는 당업계에 알려진 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 N-메틸-2-피롤리돈, 디아세톤 알코올, 디메틸포름알데히드, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 메틸 셀로솔브, 에틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브, 이소프로필 셀로솔브, 아세틸아세톤, 메틸이소부틸케톤, n부틸 아세테이트, 셀로솔브 아세테이트, 톨루엔, 자일렌 등은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. The dispersant may be used without limitation as long as it is known in the art, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, diacetone alcohol, dimethylformaldehyde, propylene glycol monomethyl ether, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, butyl Cellosolve, isopropyl cellosolve, acetylacetone, methyl isobutyl ketone, n-butyl acetate, cellosolve acetate, toluene, xylene, etc. may be used alone or in combination.

상기 분산재는 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부일 수 있으며, 이보다 적을 경우 본 발명이 의도하는 효과를 발휘하기 힘들고, 이보다 많을 경우 2차 입자 형성에 장애가 될 수 있어 바람직하지 않다. The dispersant may be 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of polycrystalline silicon and single crystal silicon, and if it is less than this, it is difficult to exert the intended effect of the present invention, and if it is more than this, it is not preferable because it may interfere with the formation of secondary particles. .

음극 활물질(2차 실리콘 복합체(300)) 제조방법Anode active material (secondary silicon composite 300) manufacturing method

본 발명은,The present invention is

가') 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매 상에서 분쇄하여 코어를 제조하는 단계;A') preparing a core by mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon and pulverizing them in an organic solvent;

나') 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하여, 상기 코어를 둘러싸며 1 도전성 카본(220)을 포함하는 쉘을 형성하는 단계; B') forming a shell including a first conductive carbon 220 surrounding the core by heat-treating after inputting the precursor of the first conductive carbon to the prepared core;

다') 상기 쉘을 형성 후 제 2 도전성 카본(230)을 투입하고 열처리하여 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본(230)이 위치하는 1차 실리콘 복합체(200)를 제조하는 단계; 및C') preparing the first silicon composite 200 in which the second conductive carbon 230 is located on all or part of the shell surface by adding a second conductive carbon 230 after forming the shell and heat-treating; and

라') 상기 1차 실리콘 복합체(200)에 비정질 카본의 전구체를 가하여 고온 압축 후 고온 소성하여 상기 1차 실리콘 복합체를 둘러싸는 비정질 카본(310)을 포함하는 2차 실리콘 복합체(300)를 제조하는 단계;D') by adding a precursor of amorphous carbon to the first silicon composite 200, high temperature compression, and high temperature firing to produce a secondary silicon composite 300 comprising amorphous carbon 310 surrounding the first silicon composite step;

를 포함하는 음극 활물질의 제조방법을 제공한다. It provides a method of manufacturing a negative active material comprising a.

본 발명에 따른 2차 실리콘 복합체(300)는 상기 제 1 비정질 카본 매트릭스(310) 상에 하나 이상의 1차 실리콘 복합체(200)가 모여서 하나의 입자형태를 이루고 있는 것처럼 형성되어 있어, 1차 실리콘 복합체(200)를 지지하므로 좀더 적절한 강도를 부여할 수 있어 반복되는 충방전 과정에서 입자 형태 붕괴를 최소화할 수 있고, 도전성이 향상될 수 있다. The secondary silicon composite 300 according to the present invention is formed as if one or more primary silicon composites 200 are gathered on the first amorphous carbon matrix 310 to form one particle, so that the primary silicon composite By supporting (200), more appropriate strength can be given, so that particle shape collapse can be minimized during repeated charging and discharging, and conductivity can be improved.

상기 1차 실리콘 복합체(200)는 앞서 설명한 방법에 의해 제조될 수 있다.The primary silicon composite 200 may be manufactured by the method described above.

이하 도 2(a) 내지 (c)를 참조하여 본 발명을 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS. 2(a) to (c).

도 2(a)를 참조하면, 단계 가')에서, 1차 입자이며 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)가 배열되어 형성된 2차 입자를 포함하는 코어를 제조할 수 있어 상기 2차 입자 내 공극이 최소화되어 단위 부피당 용량이 극대화되므로 이에 따른 리튬 이차전지의 수명 특성이 향상될 수 있다.Referring to FIG. 2(a), in step A'), a core including secondary particles formed by arranging polycrystalline silicon pulverized particles 211 and single crystal silicon pulverized particles 212 that are primary particles and have different aspect ratios. Since the capacity per unit volume is maximized by minimizing the voids in the secondary particles, the lifespan characteristics of the lithium secondary battery can be improved accordingly.

동시에, 구조적인 특성상 상기 2차 입자 내부에 미세하게 남아 있는 공극은 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온의 이동 통로를 증가시켜 이에 따른 리튬 이차전지의 출력 특성이 향상될 수 있다.At the same time, due to the structural characteristics of the pores remaining inside the secondary particles, the passage of lithium ions is increased in the charging/discharging process of the battery, thereby improving the output characteristics of the lithium secondary battery.

구체적으로, 상기 단계 가')에서, 상기 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 배합 후 유기 용매와 혼합하여 실리콘 슬러리를 제조 후, 이를 밀링 시스템에서 순환시키며 분쇄한다.Specifically, in step A'), the polycrystalline silicon and single crystal silicon are mixed and mixed with an organic solvent to prepare a silicon slurry, which is then circulated in a milling system and pulverized.

상기 밀링 공정을 통해 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘을 분쇄하여 1차 입자이며 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)를 제조할 수 있다. 동시에, 밀링 시스템에서 순환하는 과정을 통해 상기 분쇄된 1차 입자들이 배열되어 공극이 최소화된 2차 입자가 제조될 수 있으며, 이는 코어를 형성한다.The pulverized polycrystalline silicon particles 211 and the pulverized single crystal silicon particles 212 that are primary particles and have different aspect ratios may be manufactured by pulverizing polycrystalline silicon and single crystal silicon through the milling process. At the same time, the pulverized primary particles are arranged through a cycle in the milling system to produce secondary particles with minimized voids, which form a core.

즉, 본 발명에서 "1차 입자"는 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(212) 각각을 의미하며, "2차 입자"는 1차 입자들, 즉, 종횡비가 서로 다른 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)와 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)들이 모여 형성된 입자이다. That is, in the present invention, "primary particle" means each of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 and the pulverized single crystal silicon particle 212 having different aspect ratios, and the "secondary particle" refers to the primary particles, that is, the aspect ratio It is a particle formed by gathering different pulverized polycrystalline silicon particles 211 and pulverized single crystal silicon particles 212 .

또한, 본 발명에서 "배열"은 2차 입자 내부에 형성되는 공극이 최소화되도록, 종횡비가 서로 다른 1차 입자들이 모여 2차 입자를 형성하는 것을 의미한다.In addition, in the present invention, "arrangement" means that primary particles having different aspect ratios are gathered to form secondary particles so that the voids formed inside the secondary particles are minimized.

상기 밀링 공정은 비즈밀(beads mill), 고에너지 볼밀(high energy ball mill), 유성밀(planetary mill), 교반볼밀(stirred ballmill), 진동 밀(vibration mill) 등을 이용하여 수행될 수 있다. 상세하게는, 비즈밀이나 볼밀을 이용할 수 있으며, 이는 실리콘과 유기물과 반응하지 않는 화학적으로 불활성인 재질로 된 것, 좀 더 상세하게는 지르코니아 재질로 이루어진 것일 수 있다.The milling process may be performed using a beads mill, a high energy ball mill, a planetary mill, a stirred ball mill, a vibration mill, and the like. Specifically, a bead mill or a ball mill may be used, which may be made of a chemically inert material that does not react with silicon and organic matter, and more specifically, made of a zirconia material.

다결정 실리콘과 단결정 실리콘은 결정 구조에 따른 특징으로 물리적, 화학적 방법을 이용하여 분쇄시 일정한 형상을 나타내며, 예를 들어, Polycrystalline silicon and single-crystal silicon exhibit a certain shape when pulverized using physical and chemical methods as a characteristic according to the crystal structure, for example,

다결정 실리콘 분쇄 입자(211) 및 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)의 형상은 판상, 침상, 직방체, 각상, 타원구상, 기둥상 등일 수 있다. The shapes of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 and the pulverized single crystal silicon particles 212 may be plate-like, needle-like, rectangular parallelepiped, prismatic, ellipsoidal, columnar, or the like.

바람직하게는, 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)의 형상은 침상일 수 있고, 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)의 형상은 판상일 수 있다. 여기서 "침상" 또는 "판상" 완전한 침상 또는 판상이 아니어도 대략적인 형태를 가지는 것으로, 표면에 요철이 형성될 수도 있다. Preferably, the shape of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 may be a needle shape, and the shape of the pulverized single crystal silicon particles 212 may be a plate shape. Here, "acicular" or "plate-shaped" has an approximate shape even if it is not a complete needle or plate, and irregularities may be formed on the surface.

상기 다결정 실리콘 분쇄 입자(211) 및 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)의 형상은 종횡비로 표현할 수 있다.The shapes of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 and the pulverized single crystal silicon particles 212 may be expressed by an aspect ratio.

본 발명에서 상기 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)의 종횡비는 4.0 초과 10 이하일 수 있고, 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)의 종횡비는 1.0 이상 4.0 이하일 수 있다. 상기 범위를 벗어날 경우 상기 입자들의 배열을 통해 공극 최소화에 따른 본 발명이 의도하는 효과를 얻을 수 없으며, 1차 입자 사이의 결합이 약해지고 사이클 특성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 다결정 실리콘 분쇄 입자(211)의 종횡비는 5.0 이상 9.0 이하일 수 있고, 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)의 종횡비는 1.5 이상 3.5 이하일 수 있다.In the present invention, the aspect ratio of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 may be greater than 4.0 and less than or equal to 10, and the aspect ratio of the pulverized single crystal silicon particles 212 may be greater than or equal to 1.0 and less than or equal to 4.0. If it is out of the above range, the intended effect of the present invention according to the minimization of voids through the arrangement of the particles cannot be obtained, and the bond between the primary particles is weakened and cycle characteristics may be deteriorated, which is not preferable. In detail, the aspect ratio of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 may be 5.0 or more and 9.0 or less, and the aspect ratio of the pulverized single crystal silicon particles 212 may be 1.5 or more and 3.5 or less.

상기 1차 입자인 다결정 실리콘 분쇄 입자(211) 및 단결정 실리콘 분쇄 입자(212)의 크기는 나노 사이즈로, 예를 들어 결정의 크기가 1 nm 내지 30 nm인 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘을 각각을 분쇄하여 형성될 수 있다. 상기 범위 내에서 고용량을 구현하며 초기 효율을 향상시키면서 2차 입자의 공극을 최소화할 수 있다. The size of the pulverized polycrystalline silicon particles 211 and the pulverized single-crystal silicon particles 212 as the primary particles is nano-sized, for example, by pulverizing polycrystalline silicon and single-crystal silicon having a crystal size of 1 nm to 30 nm, respectively. can be formed. It is possible to implement a high capacity within the above range and minimize the voids of the secondary particles while improving the initial efficiency.

상기 1차 입자인 다결정 실리콘과 단결정 실리콘의 배합비는 중량을 기준으로 30 : 70 내지 70 : 30일 수 있다. 상기 단결정 실리콘의 양이 지나치게 많을 경우 비용 측면에서 경제성이 떨어지며, 다결정 실리콘의 양이 지나치게 많을 경우 전지의 충방전 과정에서 미분화가 심해질 우려가 있다. 또한, 상기 범위를 벗어날 경우 종횡비가 서로 다른 실리콘 입자의 배열을 통해 공극 최소화에 따른 본 발명이 의도하는 효과를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 상세하게는, 상기 다결정 실리콘과 단결정 실리콘의 배합비는 중량을 기준으로 40 : 60 내지 60 : 40일 수 있다.The mixing ratio of the polycrystalline silicon as the primary particles and the single crystal silicon may be 30:70 to 70:30 by weight. When the amount of the monocrystalline silicon is too large, economical efficiency is lowered in terms of cost, and when the amount of the polycrystalline silicon is excessively large, there is a risk of severe micronization in the charging/discharging process of the battery. In addition, when it is out of the above range, it is not preferable because the intended effect of the present invention according to the minimization of voids cannot be obtained through the arrangement of silicon particles having different aspect ratios. Specifically, the mixing ratio of the polycrystalline silicon and the single crystal silicon may be 40:60 to 60:40 by weight.

앞서 언급한 바와 같이, 구조적인 특성상 2차 입자 내부에 미세하게 남아 있는 공극은 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온의 이동 통로를 증가시켜 이에 따른 리튬 이차전지의 출력 특성이 향상될 수 있다.As mentioned above, due to the structural characteristics of the micropores remaining inside the secondary particles, the lithium ion movement path increases during the charging/discharging process of the battery, thereby improving the output characteristics of the lithium secondary battery.

상기 유기 용매는 배합된 다결정 실리콘과 단결정 실리콘이 고르게 분산될 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌 등의 방향족 탄화수소류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸아밀케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥사놀, 시클로헥산올, 에틸렌글리콜, 글리세린 등의 알코올류로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. The organic solvent is not particularly limited as long as the blended polycrystalline silicon and single crystal silicon can be uniformly dispersed, but for example, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and mesitylene, methyl ethyl ketone, acetone, and methyl amyl ketone. , methyl isobutyl ketone, ketones such as cyclohexanone, ethanol, propanol, butanol, hexanol, cyclohexanol, ethylene glycol, may be one or two or more selected from the group consisting of alcohols such as glycerin.

상기 유기 용매의 함량은 상기 배합된 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 100 중량부에 대해 100 중량부 내지 300 중량부일 수 있다. 상기 범위를 벗어날 경우 실리콘이 충분히 분산될 수 없거나 제조 공정상 경제성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.The content of the organic solvent may be 100 parts by weight to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the blended polycrystalline silicon and single crystal silicon. If it is out of the above range, silicon may not be sufficiently dispersed or economic feasibility may be lowered in the manufacturing process, which is not preferable.

도 2(b)를 참조하면, 상기 단계 나')는 상기 제조된 코어에 제 1 도전성 카본의 전구체를 투입 후 열처리하는 과정으로, 2차 입자인 코어를 둘러싸며 제 1 도전성 카본(220)을 포함하는 쉘이 형성된다. Referring to FIG. 2(b), the step b') is a process of heat-treating after inputting the precursor of the first conductive carbon to the prepared core, and surrounding the core, which is the secondary particle, of the first conductive carbon 220 . A shell containing it is formed.

상기 단계 나')에서 제 1 도전성 카본(220)을 포함하는 쉘을 형성하는 방법은 제한이 없으며 증착, CVD(chemical vapor deposition)법 등의 건식 코팅법 또는 함침, 스프레이 등의 액상 코팅법 모두 사용할 수 있다. The method of forming the shell including the first conductive carbon 220 in step b ') is not limited, and either a dry coating method such as vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD) method, or a liquid coating method such as impregnation and spraying can be used. can

상기 제 1 도전성 카본 전구체는 비정질 카본의 전구체일 수 있다. 비정질 카본은 강도를 적절히 부여하여 코어쉘의 형태를 유지하여 코어의 팽창을 억제할 수 있다. 상세하게는, 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 석유계 피치는 원유를 정류하고 남은 고비점의 잔류물에서 불순물 성분을 정제하여 얻어지므로, 바람직하게 사용할 수 있다.The first conductive carbon precursor may be a precursor of amorphous carbon. The amorphous carbon can suppress the expansion of the core by properly imparting strength to maintain the shape of the core shell. Specifically, it may be one or more selected from the group consisting of coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenol resin, furan resin, and polyimide resin. Since petroleum-based pitch is obtained by refining impurity components from the high boiling point residue remaining after rectifying crude oil, it can be preferably used.

상기 제 1 도전성 카본 전구체의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 30 중량부일 수 있다. 상기 범위를 넘어서 함량이 적을 경우 코어를 충분히 감쌀 수 없어 전해액과 반응성이 높아질 수 있어 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 지나치게 클 경우 음극 합제 형성시 분산 안정성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 제 1 도전성 카본 전구체의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부일 수 있다.The content of the first conductive carbon precursor may be 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend. If the content is less than the above range, the core may not be sufficiently wrapped and the reactivity with the electrolyte may be increased, which may decrease cycle characteristics. If the content is too large, dispersion stability may be reduced when forming the negative electrode mixture, which is not preferable. In detail, the content of the first conductive carbon precursor may be 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend.

상기 단계 나')에서 제 1 도전성 카본 전구체를 투입하여 100℃ ~ 700℃의 온도범위의 불활성 분위기에서 열처리를 통하여 상대적으로 비점이 낮은 탄화수소, 황 등의 불순물을 제거하여 상기 코어를 둘러싸며 제 1 도전성 카본(220)을 포함하는 쉘을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전성 카본 전구체로 석유계 피치를 사용할 경우 열처리를 통해 비정질 카본으로, 피치의 탄화물이 형성될 수 있다. In the step b'), the first conductive carbon precursor is added and impurities such as hydrocarbons and sulfur having a relatively low boiling point are removed through heat treatment in an inert atmosphere in a temperature range of 100° C. to 700° C. to surround the core. A shell including conductive carbon 220 may be formed. For example, when petroleum-based pitch is used as the first conductive carbon precursor, carbides of pitch may be formed as amorphous carbon through heat treatment.

상기 코어쉘 구조를 형성 후 제 2 도전성 카본(230)을 투입 후 열처리하여 상기 코어쉘 표면의 전부 또는 일부에 제 2 도전성 카본이 위치하는 실리콘 복합체를 제조할 수 있다. After forming the core-shell structure, a silicon composite in which the second conductive carbon is located on all or a part of the surface of the core-shell may be manufactured by heat-treating after the second conductive carbon 230 is added.

상기 제 2 도전성 카본(230)은 도전 통로를 형성하면서 전기 전도성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 제 2 도전성 카본(230)은 결정성 카본일 수 있으며, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 그래핀, 카본블랙, 플러렌 수트(fullerene soot)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상세하게는 흑연의 단일층인 그래핀일 수 있다.The second conductive carbon 230 may further improve electrical conductivity while forming a conductive passage. The second conductive carbon 230 may be crystalline carbon, for example, one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, carbon black, fullerene soot, or It may be a combination of two or more types, but is not limited thereto. Specifically, it may be graphene, which is a single layer of graphite.

상기 제 2 도전성 카본(230)은 상기 제 1 도전성 카본(220)을 포함하는 쉘의 전부 또는 일부에 피막을 형성할 수 있다. 상세하게는, 제 1 도전성 카본(220) 표면 전체 부피를 기준으로 60 내지 100%의 피막을 형성할 수 있고, 두께는 10 내지 50 nm일 수 있다. 상기 범위를 벗어나 피막 형성 범위가 지나치게 작을 경우 전기 전도성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. The second conductive carbon 230 may form a film on all or part of the shell including the first conductive carbon 220 . Specifically, a film of 60 to 100% based on the total volume of the first conductive carbon 220 surface may be formed, and the thickness may be 10 to 50 nm. If the film formation range is too small out of the above range, there is a risk that electrical conductivity may be lowered, which is not preferable.

상기 제 2 도전성 카본(230)의 함량은, 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 범위를 넘어서 함량이 적을 경우 코어를 충분히 감쌀 수 없어 전해액과 반응성이 높아질 수 있어 사이클 특성이 저하될 수 있으며, 지나치게 클 경우 음극 합제 형성시 분산 안정성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 제 2 도전성 카본의 함량은 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 3 내지 8 중량부일 수 있다.The content of the second conductive carbon 230 may be 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend. If the content is less than the above range, the core may not be sufficiently wrapped and the reactivity with the electrolyte may be increased, which may decrease cycle characteristics. If the content is too large, dispersion stability may be reduced when forming the negative electrode mixture, which is not preferable. In detail, the content of the second conductive carbon may be 3 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycrystalline silicon and single crystal silicon blend.

상기 열처리는 오븐 건조 방식으로 수행할 수 있으며, 예를 들어 100℃내지 250℃에서 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed in an oven drying method, for example, may be performed at 100 °C to 250 °C.

경우에 따라서는, 단계 가')의 배합 공정 또는 분쇄 공정에서 분산재를 가하여 분산된 실리콘 슬러리를 제조하거나, 분쇄 공정 중 배합 실리콘 슬러리의 응집을 억제할 수 있다.In some cases, it is possible to prepare a dispersed silicone slurry by adding a dispersant in the blending process or grinding process of step a'), or to suppress aggregation of the blended silicone slurry during the grinding process.

상기 분산재는 당업계에 알려진 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 N-메틸-2-피롤리돈, 디아세톤 알코올, 디메틸포름알데히드, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 메틸 셀로솔브, 에틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브, 이소프로필 셀로솔브, 아세틸아세톤, 메틸이소부틸케톤, n부틸 아세테이트, 셀로솔브 아세테이트, 톨루엔, 자일렌 등은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. The dispersant may be used without limitation as long as it is known in the art, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, diacetone alcohol, dimethylformaldehyde, propylene glycol monomethyl ether, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, butyl Cellosolve, isopropyl cellosolve, acetylacetone, methyl isobutyl ketone, n-butyl acetate, cellosolve acetate, toluene, xylene, etc. may be used alone or in combination.

상기 분산재는 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부일 수 있으며, 이보다 적을 경우 본 발명이 의도하는 효과를 발휘하기 힘들고, 이보다 많을 경우 2차 입자 형성에 장애가 될 수 있어 바람직하지 않다. The dispersant may be 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of polycrystalline silicon and single crystal silicon, and if it is less than this, it is difficult to exert the intended effect of the present invention, and if it is more than this, it is not preferable because it may interfere with the formation of secondary particles. .

도 2(d)를 참조하면, 단계 라')에서 상기 1차 실리콘 복합체에 비정질 카본의 전구체를 가하여 고온 압축 후 고온 소성하여 상기 1차 실리콘 복합체(200)을 둘러싸는 비정질 카본(310)을 포함하는 2차 실리콘 복합체(300)를 제조하는 단계;Referring to FIG. 2(d), in step D'), a precursor of amorphous carbon is added to the primary silicon composite, high-temperature compression and high-temperature firing, and amorphous carbon 310 surrounding the primary silicon composite 200 is included. manufacturing a secondary silicon composite 300;

상기 비정질 카본 전구체는, 예를 들어, 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 비정질 카본 전구체는 상기 제 1 도전성 카본 전구체와 동일한 물질을 사용할 수 있으며, 경우에 따라 다른 물질도 사용할 수 있다. 상세하게는, 석탄계 피치일 수 있다.The amorphous carbon precursor is, for example, selected from the group consisting of coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenolic resin, furan resin, and polyimide resin There may be more than one. The amorphous carbon precursor may use the same material as the first conductive carbon precursor, and in some cases, a different material may be used. Specifically, it may be a coal-based pitch.

상기 단계 라')에서 상기 1차 실리콘 복합체 100 중량부를 기준으로 비정질 카본의 전구체 10 내지 30 중량부를 혼합할 수 있다. 상기 범위를 벗어나 비정질 카본 전구체 함량이 많거나 적을 경우 비정질 매트리스를 형성하기 어려워 본 발명이 의도하는 효과를 발휘하기 힘들다.In step d'), 10 to 30 parts by weight of a precursor of amorphous carbon may be mixed based on 100 parts by weight of the primary silicon composite. When the content of the amorphous carbon precursor is large or small outside the above range, it is difficult to form an amorphous matrix, and it is difficult to exert the intended effect of the present invention.

상기 단계 라')에서 상기 고온 압축과정에서 1차 실리콘 복합체(200)가 모여서 이루어진 2차 실리콘 복합체(300)가 형성될 수 있으며 전체적인 기계적 강도 또한 향상될 수 있다. 상기 고온 소성은 불화성 분위기 또는 비산소 분위기에서 700 내지 2000℃에서 1 내지 2시간 수행될 수 있다. 상기 고온 압축 및 고온 소성 온도는 비정질 카본(310) 매트릭스를 형성하기 위한 최적으로 온도 범위로 이를 벗어나는 경우 본 발명이 의도하는 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다.In the step d'), the secondary silicon composite 300 formed by gathering the primary silicon composite 200 in the high-temperature compression process may be formed, and overall mechanical strength may also be improved. The high-temperature sintering may be performed at 700 to 2000° C. for 1 to 2 hours in an inert atmosphere or a non-oxygen atmosphere. The high temperature compression and high temperature sintering temperature is not preferable because the intended effect of the present invention cannot be obtained when it is out of the optimum temperature range for forming the amorphous carbon 310 matrix.

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

<실시예 1><Example 1>

다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 중량을 기준으로 50:50으로 배합한 후 상기 배합물 100 중량부를 기준으로 에탄올 200 중량부, N-메틸-2-피롤리돈 50 중량부를 가하여 배합하였다. 상기 배합 후 지르코니아 볼밀을 이용하여 분쇄하여 나노 실리콘이 포함된 실리콘 슬러리를 제조하고, 이를 이용하여 분무 건조 공정을 통해 에탄올을 증발하여 코어를 준비하였다. 상기 과정을 통해 형성된 다결정 실리콘 분쇄 입자 형태는 종횡비가 5.0 이상 9.0 이하로 침상 형상이었고, 단결정 실리콘 분쇄입자는 형태는 종횡비가 1.5 이상 3.5 이하로 판상 형상이었다.After mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon in a ratio of 50:50 based on weight, 200 parts by weight of ethanol and 50 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone were added based on 100 parts by weight of the mixture. After the blending, a silicon slurry containing nano silicon was prepared by pulverizing using a zirconia ball mill, and ethanol was evaporated through a spray drying process using this to prepare a core. The pulverized polycrystalline silicon particles formed through the above process were needle-shaped with an aspect ratio of 5.0 or more and 9.0 or less, and the pulverized single-crystal silicon particles had a plate shape with an aspect ratio of 1.5 or more and 3.5 or less.

상기 코어를 석유계 피치 10 중량부, N-메틸-2-피롤리돈 90 중량부를 투입하여 200℃의 불활성 분위기에서 열처리를 하여 상기 코어를 둘러싸며 피치의 탄화물을 포함하는 쉘을 제조하였다. 상기 쉘의 평균 두께는 50 nm였다.10 parts by weight of petroleum pitch and 90 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone were added to the core and heat-treated in an inert atmosphere at 200° C. to surround the core to prepare a shell containing carbides of pitch. The average thickness of the shell was 50 nm.

이후 그래핀 5 중량부를 투입한 후 200℃에서 오븐 건조하여 코어쉘 구조의 표면 전체에 그래핀 피막이 형성된 실리콘 복합체를 제조하였다. 상기 그래핀 피막의 평균 두께는 30 nm였다. 상기 실리콘 복합체의 평균 입경은 7.5 내지 8.5 ㎛이다.Thereafter, 5 parts by weight of graphene was added and then oven dried at 200° C. to prepare a silicon composite in which a graphene film was formed on the entire surface of the core-shell structure. The average thickness of the graphene film was 30 nm. The average particle diameter of the silicon composite is 7.5 to 8.5 μm.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1에 따른 실리콘 복합체를 1차 실리콘 복합체로 하여, 상기 1차 실리콘 복합체 100 중량부를 기준으로 석탄계 피치 20 중량부를 혼합한 후 200℃에서 고온 압축하고, 비산소 분위기의 900℃에서 소성하여 1차 실리콘 복합체를 둘러싸는 피치의 탄화물을 포함하는 2차 실리콘 복합체를 제조하였다. 상기 2차 실리콘 복합체의 평균 입경은 11.6㎛이다.Using the silicon composite according to Example 1 as a primary silicone composite, 20 parts by weight of a coal-based pitch was mixed based on 100 parts by weight of the first silicon composite, followed by high temperature compression at 200° C., and calcination at 900° C. in a non-oxygen atmosphere. A secondary silicon composite including carbides of pitch surrounding the secondary silicon composite was prepared. The average particle diameter of the secondary silicon composite is 11.6 μm.

<비교예 1><Comparative Example 1>

D50이 12.2 ㎛인 실리콘카본복합체(Si/C)를 음극 활물질로 준비하였다. A silicon-carbon composite (Si/C) having a D50 of 12.2 μm was prepared as an anode active material.

<실험예 1><Experimental Example 1>

실시예 1에서 제조된 실리콘 복합체의 SEM 사진을 하기 도 3에 나타내었다. The SEM photograph of the silicon composite prepared in Example 1 is shown in FIG. 3 below.

<실험예 2><Experimental Example 2>

실시예 1에서 제조된 실리콘 복합체의 평균 입경 데이터를 하기 도 4에 나타내었다.The average particle size data of the silicon composite prepared in Example 1 is shown in FIG. 4 below.

하기 도 4에 따르면, 실리콘 복합체의 D50은 8.173 ㎛으로 확인되었다.According to FIG. 4, the D50 of the silicon composite was confirmed to be 8.173 μm.

<실험예 3><Experimental Example 3>

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

상기 리튬 코인 하프 셀을 이용하여 실시예 1의 두께 변화율, 방전용량, 초기효율, 용량 유지율 및 비교예 1의 방전용량 및 초기효율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 실시예 1의 용량 유지율(Capcity Retention ratio, CRR)은 하기 도 5에 나타내었고, 1회 사이클 후 리튬이 충전된 음극 표면 형상을 하기 도 6에 나타내었다.The thickness change rate, discharge capacity, initial efficiency, capacity retention rate, and discharge capacity and initial efficiency of Comparative Example 1 were measured using the lithium coin half cell and are shown in Table 1 below. In addition, the capacity retention ratio (CRR) of Example 1 is shown in FIG. 5, and the surface shape of the negative electrode charged with lithium after one cycle is shown in FIG. 6 below.

1회 사이클(화성사이클)과 2회 사이클은 0.1C(표준사이클)로 충방전하였고, 3회 사이클부터 49회 싸이클까지는 충전 0.5C/ 방전 1.0C로 충방전을 수행하였다. 50회 사이클은 충전(리튬이 음극에 들어있는 상태)상태에서 종료하고, 전지를 분해하여 두께를 측정한후, 초기충전에서의 충전 두께 평균(5개샘플의 평균값)대비하여 50사이클 후의 전극 두께변화율을 계산하였다.The first cycle (Hwaseong cycle) and the second cycle were charged and discharged at 0.1C (standard cycle), and from the 3rd cycle to the 49th cycle, charge and discharge were performed at 0.5C/discharge 1.0C. After 50 cycles, the battery is disassembled and the thickness is measured, and the thickness of the electrode after 50 cycles is compared to the average charge thickness (average value of 5 samples) in the initial charge. The rate of change was calculated.

기본적인 충방전조건은 다음과 같다.The basic charging and discharging conditions are as follows.

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

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

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

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

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

- 용량유지율(%) = (49회방전용량 / 1회방전용량)× 100- Capacity retention rate (%) = (49 discharge capacity / 1 discharge capacity) × 100

- 전극 두께 변화울(%) = (50 사이클 후 전극 두께 변화량/2 사이클 충전 후 전극 두께)× 100- Electrode thickness change (%) = (electrode thickness change after 50 cycles/2 electrode thickness after charging cycle) × 100

전극 두께 변화율(%, 1cycle)Electrode thickness change rate (%, 1 cycle) 전극 두께 변화율(%)Electrode thickness change rate (%) 방전용량
(mAh/g)
discharge capacity
(mAh/g)
초기효율
(%)
Initial efficiency
(%)
용량유지율
(%, 50 cycle)
Capacity retention rate
(%, 50 cycles)
실시예 1Example 1 23.5%23.5% 0.8%0.8% 13501350 87.2%87.2% 92.3%92.3% 비교예 1Comparative Example 1 -- -- 12101210 86.486.4 --

상기 표 1에 따르면 실시예 1에 따른 음극 활물질은 비교예 1에 따른 실리콘탄소복합체로 본 발명의 구성을 포함하지 않는 음극 활물질과 비교하여 방전용량 및 초기효율이 우수한 것을 알 수 있다. According to Table 1, it can be seen that the negative active material according to Example 1 is a silicon carbon composite according to Comparative Example 1, and has excellent discharge capacity and initial efficiency compared to the negative active material that does not include the configuration of the present invention.

<실험예 4><Experimental Example 4>

실시예 2에서 제조된 2차 실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질, 비교예 1에 따른 음극 활물질을 각각 이용한 음극을 제조하고, NCM 111를 양극 활물질로 사용하여 양극을 제조하였다. 여기서 상기 음극은 압연 밀도는 1.53 g/cc, 전류밀도는 2.95 mA/Cm2, 극판용량은 510 mAh/g이다. 상기 양극의 전류밀도는 2.65 mA/Cm2이고 N/P는 1.11이다. SBR과 CMC를 각각 1.5 중량%가 포함된 바인더를 사용하였고, 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 메틸에틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7 : 3인 혼합 용액에 0.5 중량%로 용해된 비닐렌 카보네이트를 용해시키고, 1M 농도의 LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 0.45Ah 용량의 리튬 이차전지를 제조하였다.A negative electrode using each of the negative active material including the secondary silicon composite prepared in Example 2 and the negative active material according to Comparative Example 1 was prepared, and NCM 111 was used as a positive active material to prepare a positive electrode. Here, the negative electrode has a rolling density of 1.53 g/cc, a current density of 2.95 mA/Cm 2 , and a plate capacity of 510 mAh/g. The current density of the anode is 2.65 mA/Cm 2 and N/P is 1.11. A binder containing 1.5 wt% of SBR and CMC was used, and a porous polyethylene separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the mixing volume ratio of methylethyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) was 7: 3 A lithium secondary battery having a capacity of 0.45Ah was prepared by dissolving vinylene carbonate dissolved in 0.5% by weight in the mixed solution, and injecting an electrolyte in which LiPF 6 of 1M concentration was dissolved.

상기 리튬 이차전지의 충전 조건은 CC/CV, 0.5C충전, 4.2V/0.05C cutoff, 방전 조건은 CC, 1.0C방전, 2.85V cutoff하여 용량 유지율을 측정하여 하기 표 2 및 도 4에 나타내었다. The charging conditions of the lithium secondary battery were CC/CV, 0.5C charging, 4.2V/0.05C cutoff, and the discharging conditions were CC, 1.0C discharge, and 2.85V cutoff to measure capacity retention, and are shown in Tables 2 and 4 below. .

1st. Efficiency
(%)
1st. Efficiency
(%)
Retention
(%, @100cycles)
Retention
(%, @100cycles)
실시예 2Example 2 89.989.9 89.689.6 비교예 1Comparative Example 1 87.787.7 86.386.3

표 2 및 도 6를 참조하면, 사이클이 진행됨에 따라 초기 효율 값의 차이가 매우 큰 것을 알 수 있다. 초기 효율이 클수록 동일한 용량의 이차전지 제조시 양극재 사용량이 커지므로 원가 상승에 큰 영향을 끼치므로 효율이 높은 음극재의 사용인 필수적이다. 이에 본 발명에 따른 2차 실리콘 복합체로 이루어진 음극 활물질은 효율이 높고, 수명 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2 and FIG. 6 , it can be seen that the difference in initial efficiency values is very large as the cycle progresses. The higher the initial efficiency, the greater the amount of cathode material used when manufacturing a secondary battery of the same capacity, which greatly affects the cost increase, so it is essential to use an anode material with high efficiency. Accordingly, it can be confirmed that the negative active material made of the secondary silicon composite according to the present invention has high efficiency and excellent lifespan characteristics.

(100) 실리콘 복합체
(111) 단결정 실리콘 분쇄 입자
(112) 다결정 실리콘 분쇄 입자(112)
(120) 제 1 도전성 카본(120)
(130) 제 2 도전성 카본
(200) 제 1 실리콘 복합체
(211) 단결정 실리콘 분쇄 입자(111)
(212) 다결정 실리콘 분쇄 입자(112)
(220) 제 1 도전성 카본(120)
(230) 제 2 도전성 카본
(300) 제 2 실리콘 복합체
(310) 비정질 카본 매트릭스
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능하다.
(100) silicon composite
(111) single crystal silicon pulverized particles
(112) polycrystalline silicon pulverized particles (112)
(120) first conductive carbon (120)
(130) second conductive carbon
(200) first silicon composite
(211) single crystal silicon pulverized particles (111)
(212) polycrystalline silicon pulverized particles (112)
(220) first conductive carbon (120)
(230) second conductive carbon
(300) second silicon composite
(310) amorphous carbon matrix
Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (16)

가) 다결정 실리콘과 단결정 실리콘을 중량을 기준으로 40 : 60 내지 60 : 40으로 배합 후 유기 용매 상에서 분쇄하여 종횡비가 5.0 이상 9.0 이하인 침상형 다결정 실리콘 분쇄 입자와 종횡비가 1.5 이상 3.5 이하인 판상형 단결정 실리콘 분쇄 입자를 포함하는 코어를 제조하는 단계;
나) 상기 제조된 코어에 비정질 카본의 전구체를 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부 투입 후 100℃ 내지 200℃에서 열처리하여, 상기 코어를 둘러싸며 비정질 카본을 포함하는 쉘을 형성하는 단계; 및
다) 상기 쉘을 형성 후 결정성 카본을 다결정 실리콘과 단결정 실리콘 배합물 100 중량부를 기준으로 3 내지 8 중량부 투입하고 열처리하여 상기 쉘 표면의 전부 또는 일부에 결정성 카본이 위치하는 실리콘 복합체를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
A) After mixing polycrystalline silicon and single crystal silicon in a ratio of 40: 60 to 60: 40 by weight, pulverized in an organic solvent to grind needle-shaped polycrystalline silicon particles having an aspect ratio of 5.0 or more and 9.0 or less and plate-shaped single crystal silicon having an aspect ratio of 1.5 or more and 3.5 or less preparing a core comprising particles;
B) After adding 5 to 20 parts by weight of a precursor of amorphous carbon to the prepared core based on 100 parts by weight of a polycrystalline silicon and single crystal silicon blend, heat treatment at 100° C. to 200° C., a shell surrounding the core and containing amorphous carbon forming a; and
C) After forming the shell, 3 to 8 parts by weight of crystalline carbon is added based on 100 parts by weight of a polycrystalline silicon and single crystal silicon blend and heat treatment to prepare a silicon composite in which crystalline carbon is located on all or part of the shell surface step;
A method of manufacturing an anode active material comprising a.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 카본의 전구체는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.According to claim 1, wherein the precursor of the amorphous carbon is a coal-based pitch, mesophase pitch (mesophase pitch), petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenol resin, furan resin and a group consisting of a polyimide resin A method of producing a negative active material, characterized in that at least one selected from. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 단계 가)에서 배합 실리콘의 응집을 억제하기 위해 분산재를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein a dispersant is additionally added to suppress aggregation of the compounded silicone in step (a). 제 1 항에 있어서,
라') 상기 실리콘 복합체인 1차 실리콘 복합체 100 중량부를 기준으로 비정질 카본의 전구체 10 내지 30 중량부를 가하여 고온 압축 후 고온 소성하여 상기 1차 실리콘 복합체를 둘러싸는 비정질 카본을 포함하는 2차 실리콘 복합체를 제조하는 단계;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
D') A secondary silicon composite comprising amorphous carbon surrounding the first silicon composite by adding 10 to 30 parts by weight of a precursor of amorphous carbon based on 100 parts by weight of the first silicon composite, which is the silicon composite, followed by high temperature compression and high temperature firing. manufacturing;
Method for producing a negative active material, characterized in that it further comprises.
제 12 항에 있어서, 상기 비정질 카본의 전구체는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 페놀 수지, 퓨란 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.13. The group of claim 12, wherein the precursor of the amorphous carbon is coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, phenolic resin, furan resin, and polyimide resin. A method of producing a negative active material, characterized in that at least one selected from. 삭제delete 삭제delete 제 12 항에 있어서, 상기 단계 라')에서 상기 고온 압축은 120 내지 250℃에서 20 내지 50분 수행되고, 상기 고온 소성은 700 내지 2000℃에서 1 내지 2시간 수행되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 12, wherein in step D'), the high-temperature compression is performed at 120 to 250° C. for 20 to 50 minutes, and the high-temperature sintering is performed at 700 to 2000° C. for 1 to 2 hours. manufacturing method.
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