KR102331725B1 - Negative active material and lithium battery including the material - Google Patents

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Abstract

음극 활물질, 이를 채용한 리튬 전지가 개시된다. 상기 음극 활물질은 실리콘계 합금 분말을 포함하고, 상기 실리콘계 합금 분말은 실리콘(Si); 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga) 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택된 제1 금속(M1) 및 상기 실리콘계 합금 분말의 내부 및 표면 상에 배치된, 탄소(C), 붕소(B), 나트륨(Na), 질소(N), 인(P), 황(S) 및 염소(Cl) 중에서 선택된 1종 이상의 첨가 원소(A)를 포함함으로써, 35% 이하의 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 음극 활물질을 채용한 리튬 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다.Disclosed are an anode active material and a lithium battery employing the same. The negative active material includes a silicon-based alloy powder, the silicon-based alloy powder is silicon (Si); Among titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga) and germanium (Ge) The selected first metal (M 1 ) and disposed on the inside and on the surface of the silicon-based alloy powder, carbon (C), boron (B), sodium (Na), nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) ) and chlorine (Cl) by including one or more additional elements (A) selected from, it may have a porosity inside the silicon-based alloy powder of 35% or less. Accordingly, the lifespan characteristics of a lithium battery employing the negative active material may be improved.

Description

음극 활물질 및 이를 채용한 리튬 전지{Negative active material and lithium battery including the material}Negative active material and lithium battery including the material

음극 활물질 및 이를 채용한 리튬 전지에 관한 것이다.It relates to an anode active material and a lithium battery employing the same.

PDA, 이동전화, 노트북 컴퓨터 등 정보통신을 위한 휴대용 전자 기기나 전기 자전거, 전기 자동차 등에 사용되는 리튬 이차 전지는 기존의 전지에 비해 2배 이상의 방전 전압을 나타내며, 그 결과 높은 에너지 밀도를 나타낼 수 있다.Lithium secondary batteries used in portable electronic devices for information and communication such as PDAs, mobile phones, and notebook computers, electric bicycles, and electric vehicles, exhibit a discharge voltage that is more than twice that of conventional batteries, resulting in high energy density. .

리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 활물질을 포함한 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시킨 상태에서 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리 될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생산한다.Lithium secondary batteries generate electricity by oxidation and reduction reactions when lithium ions are inserted/desorbed from the positive and negative electrodes in a state in which an organic electrolyte or polymer electrolyte is charged between the positive and negative electrodes including an active material capable of insertion and desorption of lithium ions. produce energy

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 예를 들면, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 또는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(Li[NiCoMn]O2, Li[Ni1-x-yCoxMy]O2) 등과 같이 리튬 이온의 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이금속으로 이루어진 산화물을 사용할 수 있다.As a positive active material of a lithium secondary battery, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or lithium nickel cobalt manganese oxide (Li[NiCoMn]O 2 , Li[Ni 1-xy Co x ) An oxide composed of lithium and a transition metal having a structure capable of intercalation of lithium ions such as M y ]O 2 ) may be used.

리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료 및 실리콘(Si)과 같은 비탄소계 물질에 대한 연구가 이루어지고 있다.As an anode active material for a lithium secondary battery, various types of carbon-based materials including artificial, natural graphite, and hard carbon capable of inserting/deintercalating lithium, and non-carbon-based materials such as silicon (Si) are being studied.

상기 비탄소계 물질은 흑연 대비 용량 밀도가 10 배 이상으로, 매우 고용량을 나타낼 수 있는 반면, 전기 전도도가 좋지 않고 리튬 충방전시 부피변화가 커서, 이를 채용한 리튬 이차 전지의 용량 유지율, 충전/방전 효율 및 수명 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 전기 전도도 및 사이클 수명 특성이 개선된 고성능 음극 활물질의 개발이 필요하다.The non-carbon-based material has a capacity density of 10 times or more compared to graphite, and can exhibit a very high capacity, but has poor electrical conductivity and a large volume change during lithium charging and discharging. Efficiency and lifetime characteristics may be degraded. Therefore, it is necessary to develop a high-performance negative active material with improved electrical conductivity and cycle life characteristics.

본 발명의 일 측면은 내부의 공극율이 35% 이하인 합금 분말을 포함하는 음극 활물질을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide an anode active material including an alloy powder having an internal porosity of 35% or less.

본 발명의 다른 측면은 상기 음극 활물질을 채용한 리튬 전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a lithium battery employing the negative active material.

본 발명의 일 측면에서는,In one aspect of the present invention,

실리콘계 합금 분말을 포함하는 음극 활물질로서,As an anode active material comprising a silicon-based alloy powder,

상기 실리콘계 합금 분말은, 실리콘(Si); 제1 금속(M1); 및 첨가 원소(A);를 포함하고, 상기 제1 금속(M1)은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga) 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택되고, 상기 첨가 원소(A)는 및 탄소(C), 붕소(B), 나트륨(Na), 질소(N), 인(P), 황(S) 및 염소(Cl) 중에서 선택되고, 상기 첨가 원소(A)는 상기 실리콘계 합금 분말의 내부 및 표면 상에 배치되고, 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율(porosity)이 35% 이하이고, 여기서 상기 공극율은 하기의 수학식 1로 표시되는 음극 활물질이 제공된다:The silicon-based alloy powder, silicon (Si); a first metal (M 1 ); and an additive element (A); wherein the first metal (M 1 ) is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga) and germanium (Ge), wherein the additive element (A) is and carbon (C), boron (B), sodium (Na), nitrogen (N) , phosphorus (P), sulfur (S) and chlorine (Cl), and the additive element (A) is disposed on the inside and the surface of the silicon-based alloy powder, and the porosity inside the silicon-based alloy powder is 35% or less, wherein the porosity is provided as an anode active material represented by the following Equation 1:

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112015027670013-pat00001
.
Figure 112015027670013-pat00001
.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이, 상기 실리콘과 상기 제1 금속(M1)을 포함하는 매트릭스; 상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및 상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가 원소(A);를 포함하는 구조를 가질 수 있다. According to one embodiment, the silicon-based alloy powder, the matrix including the silicon and the first metal (M 1 ); silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder.

일 실시예에 따르면, 상기 매트릭스가 상기 Si와 상기 제1 금속(M1)으로 이루어진 화합물상을 포함하고, 상기 실리콘 나노입자가 상기 Si의 단일상을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the matrix may include a compound phase including the Si and the first metal (M 1 ), and the silicon nanoparticles may include a single phase of Si.

일 실시예에 따르면, 상기 매트릭스 내부에 배치된 첨가 원소(A) 중 적어도 일부가 규화물의 형태로 존재할 수 있다.According to an embodiment, at least a portion of the additive element (A) disposed in the matrix may be present in the form of silicide.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속(M1)이 철(Fe)일 수 있다.According to an embodiment, the first metal (M 1 ) may be iron (Fe).

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, the silicon-based alloy powder may further include an oxygen (O) atom.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이, 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 산소(O) 원자를 포함하는 매트릭스; 상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및 상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가 원소(A);를 포함하는 구조를 가질 수 있다. According to one embodiment, the silicon-based alloy powder, the silicon, the first metal (M 1 ), and a matrix including oxygen (O) atoms; silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder.

일 실시예에 따르면, 상기 매트릭스가 상기 실리콘 및 상기 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상과 상기 실리콘 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 포함하고, 상기 실리콘 나노입자가 상기 실리콘의 단일상을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the matrix includes a compound phase consisting of the silicon and the first metal (M 1 ) and a compound phase consisting of the silicon and the oxygen (O) atoms, and the silicon nanoparticles are It can include everyday life.

일 실시예에 따르면, 상기 매트릭스가 상기 제1 금속(M1) 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, the matrix may further include a compound phase including the first metal (M 1 ) and the oxygen (O) atom.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 분말 합금이 제2 금속(M2)을 더 포함하고, 상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택될 수 있다.According to one embodiment, the silicon-based powder alloy further comprises a second metal (M 2), the second metal (M 2) is a manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb ), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) may be selected.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-M2-A로 표시되고,According to one embodiment, the silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -M 2 -A,

상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되고,The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) is selected from;

상기 실리콘계 합금 분말에서, In the silicon-based alloy powder,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, 상기 Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%, 상기 제2 금속(M2)의 함량이 0 원자% 내지 10 원자%이고, Based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), the content of Si is 50 to 90 atomic%, the first metal (M 1 ) The content is 10 atomic% to 50 atomic%, the content of the second metal (M 2 ) is 0 atomic% to 10 atomic%,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부이고,Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight,

상기 첨가 원소(A)의 총 함량은 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량 및 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량의 합일 수 있다.The total content of the additive element (A) may be the sum of the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder and the content of the additive element (A) disposed on the surface.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 1 중량부 내지 9 중량부일 수 있다. According to one embodiment, based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), the total content of the additive element (A) is 1 part by weight to 9 parts by weight can be negative

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 첨가 원소(A)의 함량 이상일 수 있다. According to an embodiment, the content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder may be greater than or equal to the content of the additive element (A) included in the silicon-based alloy powder.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.1 중량부 내지 4 중량부이고;According to one embodiment, the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder is based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), 0.1 parts by weight to 4 parts by weight;

상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.5 중량부 내지 7 중량부일 수 있다.The content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder is 0.5 parts by weight to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ) It may be parts by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-M2-A-O로 표시되고,According to one embodiment, the silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -M 2 -AO,

상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되고,The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) is selected from;

상기 실리콘계 합금 분말에서, In the silicon-based alloy powder,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%, 상기 제2 금속(M2)의 함량이 0 원자% 내지 10 원자%이고, Based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the content of Si is 50 to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) This 10 atomic % to 50 atomic %, the content of the second metal (M 2 ) is 0 to 10 atomic %,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부, 상기 산소(O) 원자의 함량이 0.01 중량부 내지 50 중량부일 수 있다. Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight, and the oxygen (O ) may be in an amount of 0.01 parts by weight to 50 parts by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이,According to one embodiment, the silicon-based alloy powder,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1), 상기 제2 금속(M2) 및 산소(O) 원자를 포함하는 매트릭스;a matrix comprising the silicon, the first metal (M 1 ), the second metal (M 2 ), and oxygen (O) atoms;

상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and

상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가원소(A);를 포함하는 구조를 갖고,has a structure comprising; the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder,

상기 매트릭스가 상기 실리콘 및 상기 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상, 상기 실리콘 및 상기 제2 금속(M2)로 이루어진 화합물상, 및 상기 실리콘 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 포함하고,The matrix includes a compound phase consisting of the silicon and the first metal (M 1 ), a compound phase consisting of the silicon and the second metal (M 2 ), and a compound phase consisting of the silicon and the oxygen (O) atoms do,

상기 실리콘 나노입자가 상기 실리콘의 단일상을 포함할 수 있다. The silicon nanoparticles may include a single phase of the silicon.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-M2-C-B-O로 표시되고,According to one embodiment, the silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -M 2 -CBO,

상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되고,The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) is selected from;

상기 실리콘계 합금 분말에서, In the silicon-based alloy powder,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%, 상기 제2 금속(M2)의 함량이 0 원자% 내지 10 원자%이고, Based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the content of Si is 50 to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) This 10 atomic % to 50 atomic %, the content of the second metal (M 2 ) is 0 to 10 atomic %,

상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 C의 총 함량이 1 중량부 내지 9 중량부이고, 상기 B의 총 함량이 0 중량부 내지 20 중량부이고, 상기 O의 함량이 0.01 중량부 내지 50 중량부일 수 있다. Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), the total content of C is 1 to 9 parts by weight, and the total content of B is 0 The amount of O may be in the range of from 0.01 parts by weight to 20 parts by weight, and the content of O may be in the range of 0.01 parts by weight to 50 parts by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말의 평균 입경(D50)이 1 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다.According to an embodiment, the average particle diameter (D50) of the silicon-based alloy powder may be 1 μm to 5 μm.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 나노입자의 평균 입경(D50)이 10 nm 내지 150 nm일 수 있다. According to an embodiment, the average particle diameter (D50) of the silicon nanoparticles may be 10 nm to 150 nm.

본 발명의 다른 측면에서는, 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 전지가 제공된다.In another aspect of the present invention, a lithium battery including the negative active material is provided.

상기 음극 활물질은 합금 분말 내부의 공극율이 35% 이하인 실리콘계 합금 분말을 포함함으로써, 상기 음극 활물질을 채용한 리튬 전지의 전기 전도도 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The anode active material may include a silicon-based alloy powder having a porosity of 35% or less in the alloy powder, thereby improving electrical conductivity and lifespan characteristics of a lithium battery employing the anode active material.

도 1은 일 실시예에 따른 리튬 전지의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예 1 내지 실시예 7에서 제조된 합금 분말 내부의 공극율 측정 결과이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 합금 분말 내부 단면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 사진(1000 배율)이다.
도 4 내지 도 6은 각각 실시예 3 내지 5에서 제조된 합금 분말 내부 단면의 SEM 사진들(3000 배율)이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 합금 분말 내부 단면의 SEM 사진(3000 배율)이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 합금 분말 내부의 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 사진(130,000 배율)이다.
도 9는 실시예 14에서 제조된 합금 분말 내부의 고각 산란 암시야 주사 투과 전자 현미경(high angle annular dark field-scanning transmission electron microscope: HAADF-STEM) 분석 사진(150,000 배율)이다.
도 10은 도 9의 일부에 대한 HAADF-STEM 분석 사진(350,000 배율)이다.
도 11은 도 10의 실선에 따른 C, O, Si 및 Fe 원소별 EDX 분석 결과이다.
도 12는 실시예 4, 8 및 9에서 제조된 합금 분말의 XPS 분석 결과이다.
도 13은 실시예 1에서 제조된 리튬 이차 전지의 100회 충방전 전/후의 합금 분말 내부의 TEM 사진(530,000 배율)이다.
도 14는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차 전지들의 사이클별 용량 유지율을 나타낸 도면이다.
도 15는 실시예 14 내지 16 및 비교예 1 내지 3 에서 제조된 리튬 이차 전지들의 사이클별 용량 유지율을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram showing the structure of a lithium battery according to an embodiment.
2 is a measurement result of porosity inside the alloy powder prepared in Examples 1 to 7;
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (1000 magnification) of the inner cross-section of the alloy powder prepared in Example 1.
4 to 6 are SEM photographs (3000 magnification) of the inner cross-section of the alloy powder prepared in Examples 3 to 5, respectively.
7 is a SEM photograph (3000 magnification) of the inner cross section of the alloy powder prepared in Comparative Example 1.
8 is a transmission electron microscope (TEM) photograph (130,000 magnification) of the inside of the alloy powder prepared in Example 1. FIG.
9 is a high angle annular dark field-scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM) analysis photograph (150,000 magnification) of the inside of the alloy powder prepared in Example 14;
10 is an H AADF-STEM analysis photograph (350,000 magnification) of a portion of FIG. 9 .
11 is an EDX analysis result for each element C, O, Si and Fe along the solid line of FIG. 10 .
12 is an XPS analysis result of the alloy powder prepared in Examples 4, 8 and 9.
13 is a TEM photograph (530,000 magnification) of the inside of the alloy powder before and after charging and discharging 100 times of the lithium secondary battery prepared in Example 1.
14 is a view showing the capacity retention rate for each cycle of the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. Referring to FIG.
15 is a view showing the capacity retention rate for each cycle of the lithium secondary batteries prepared in Examples 14 to 16 and Comparative Examples 1 to 3;

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들에서, 원자%(atomic percent: at%)는 전체 물질의 원자 총 개수에서 해당 성분이 차지하는 원자 개수를 백분율로 표시한 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In embodiments of the present invention, atomic percent (at%) represents the number of atoms occupied by a corresponding component in the total number of atoms of the entire material as a percentage.

일 측면에 따른 음극 활물질은, The negative active material according to one aspect,

실리콘계 합금 분말을 포함하고,Containing a silicon-based alloy powder,

상기 실리콘계 합금 분말은, The silicon-based alloy powder,

실리콘(Si); 제1 금속(M1) 및 첨가 원소(A);를 포함하고,silicon (Si); a first metal (M 1 ) and an additive element (A);

상기 제1 금속(M1)은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga) 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택되고,The first metal (M 1 ) is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga) and germanium (Ge),

상기 첨가 원소(A)는 탄소(C), 붕소(B), 나트륨(Na), 질소(N), 인(P), 황(S) 및 염소(Cl) 중에서 1종 이상 선택되고,The additive element (A) is one or more selected from carbon (C), boron (B), sodium (Na), nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) and chlorine (Cl),

상기 첨가 원소(A)는 상기 실리콘계 합금 분말의 내부 및 표면 상에 배치되고,The additive element (A) is disposed on the inside and the surface of the silicon-based alloy powder,

상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율(porosity)은 35% 이하이다. The porosity inside the silicon-based alloy powder is 35% or less.

상기 "실리콘계" 합금 분말이라 함은 합금 분말의 원자 총 개수를 기준으로 적어도 약 50 원자%의 실리콘(Si)을 포함하는 것을 의미한다. 상기 음극 활물질이 상기 실리콘계 합금 분말을 포함함으로써, 탄소계 음극 활물질에 비하여 고용량의 전지가 구현될 수 있다. The "silicon-based" alloy powder means containing at least about 50 atomic% of silicon (Si) based on the total number of atoms of the alloy powder. Since the negative active material includes the silicon-based alloy powder, a battery having a higher capacity than that of the carbon-based negative active material may be realized.

그러나, 리튬 이차 전지의 충방전시 상기 실리콘은 리튬의 인터칼레이션/디인터칼레이션에 의하여 부피가 팽창/수축하게 되고, 부피의 변화가 반복됨에 따라 음극 활물질 표면에 균열이 형성될 수 있고, 이러한 균열에 의해 리튬 전지의 사이클 특성이 저하될 수 있다. However, during charging and discharging of a lithium secondary battery, the silicon expands/contracts in volume due to intercalation/deintercalation of lithium, and as the change in volume is repeated, cracks may be formed on the surface of the anode active material, The cycle characteristics of the lithium battery may be deteriorated by such cracks.

또한, 실리콘과 여러 가지 금속의 합금화를 통해 형성된 합금 분말의 경우, 분말 내부에 공극을 갖게 되는데. 분말 내부에 차지하는 공극의 비율이 높을 경우 실리콘 및/또는 금속과 전해액간의 부반응으로 인하여 충방전시 비가역적인 부반응물이 형성될 수 있다. 이러한 부반응물에 의해 리튬 이차 전지의 사이클 특성이 저하될 수 있다.In addition, in the case of an alloy powder formed through alloying of silicon and various metals, there are voids inside the powder. When the proportion of voids in the powder is high, an irreversible side reaction product may be formed during charging and discharging due to side reactions between silicon and/or metal and the electrolyte. Cycle characteristics of the lithium secondary battery may be deteriorated by these side reactants.

상기와 같은 문제점을 극복하기 위하여 본 발명의 발명자들은 실리콘계 합금 분말의 내부 및 외부 표면 모두에 상기 첨가 원소(A)를 포함함으로써, 내부의 공극율이 35% 이하인 실리콘계 합금 분말을 완성하였다. 이 때, 첨가 원소(A)를 포함하지 않는 실리콘계 합금 분말의 내부의 공극율은 35%보다 크다. In order to overcome the above problems, the inventors of the present invention have completed a silicon-based alloy powder having an internal porosity of 35% or less by including the additive element (A) on both the inner and outer surfaces of the silicon-based alloy powder. At this time, the porosity inside the silicon-based alloy powder not containing the additive element (A) is greater than 35%.

상기 실리콘계 합금 분말 내부에 포함되는 첨가 원소(A)는 실리콘의 부피 변화를 완충하는 버퍼층의 역할 및 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율을 감소시키는 역할을 동시에 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 첨가 원소(A)는 실리콘계 합금 분말 내부에 위치하여, 리튬 전지의 충전 시 실리콘의 팽창을 억제하면서, 전해액과의 부반응 사이트를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말의 외부 표면에 배치된 첨가 원소(A)는 실리콘의 부피 팽창에 대한 이중의 버퍼층 역할을 할 수 있고, 추가적인 전해액과의 부반응으로 인한 리튬의 소모를 줄일 수 있다. The additive element (A) included in the silicon-based alloy powder may serve as a buffer layer for buffering a volume change of silicon and to reduce the porosity inside the silicon-based alloy powder. Specifically, the additive element (A) may be located inside the silicon-based alloy powder, suppressing the expansion of silicon during charging of the lithium battery, and reducing side reaction sites with the electrolyte. In addition, the additive element (A) disposed on the outer surface of the silicon-based alloy powder may serve as a double buffer layer for volume expansion of silicon, and may reduce consumption of lithium due to a side reaction with an additional electrolyte.

따라서, 상기 첨가 원소(A)가 실리콘계 합금 분말 내부 및 외부 표면 모두에 포함되는 경우, 리튬 전지의 용량 및 수명 특성이 향상될 수 있다. Accordingly, when the additive element (A) is included in both the inner and outer surfaces of the silicon-based alloy powder, the capacity and lifespan characteristics of the lithium battery may be improved.

한편, 본 명세서에서, 상기 실리콘계 "합금 분말 내부의 공극율(porosity)"은 하기 수학식 1로 표시될 수 있다:Meanwhile, in the present specification, the silicon-based "porosity inside the alloy powder" may be expressed by the following Equation 1:

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112015027670013-pat00002
.
Figure 112015027670013-pat00002
.

상기 수학식 1로 표시되는 합금 분말 내부의 공극율은, 분말들 간의 공극율 또는 총 공극율(전체 부피 중 분말 내부의 공극 및 분말들 간의 공극의 합이 차지하는 비율)과는 구별되는 것으로, 분말 내부에 존재하는 공극만을 고려한 수치이다. The porosity inside the alloy powder represented by Equation 1 is distinct from the porosity between the powders or the total porosity (the ratio of the sum of the voids inside the powder and the voids between the powders in the total volume), and is present in the powder It is a figure that considers only the voids.

상기 수학식 1에서의 "20 kN 압력에서 측정된 분말의 밀도(g/cc)"는, (상기 분말의 일정량)을 (그 분말의 일정량이 차지하는, 20 kN 압력으로 압연(pressing)했을 때의 부피)로 나눈 값에 해당하며, 전도도 측정 설비 등을 사용하여 측정될 수 있다. 이 때 측정된 밀도값은 20 kN 압력 하에서 존재하는 합금 분말 내부의 공극까지 부피로 포함시켜 계산하기 때문에 실제 분말의 밀도보다 작은 값을 갖는다. The "density (g/cc) of the powder measured at a pressure of 20 kN" in Equation 1 is the (a certain amount of the powder) when (pressing) (pressing) at a pressure of 20 kN (which occupies a certain amount of the powder) It corresponds to the value divided by the volume) and can be measured using a conductivity measuring device, etc. At this time, the measured density value has a smaller value than the actual powder density because it is calculated by including the voids inside the alloy powder under a pressure of 20 kN.

상기 수학식 1에서의 "분말의 진밀도(g/cc)"는 (상기 분말의 일정량)을 (그 분말의 일정량이 차지하는, 분말 내부의 공극을 제외한 부피)로 나눈 값에 해당하며, 가스 피크노미터를 사용하여 측정될 수 있다. The "true density (g/cc) of the powder" in Equation 1 corresponds to a value obtained by dividing (a certain amount of the powder) by (the volume occupied by a certain amount of the powder, excluding the pores inside the powder), and the gas peak It can be measured using a normometer.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율은 20% 내지 35%일 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율은 20% 내지 32%일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율은 20% 내지 30%, 더 구체적으로 예를 들어, 24% 내지 30%일 수 있다. 상기 범위에서, 전해액과의 부반응이 억제되면서도, 전해액의 함침성 저하로 인한 전지의 초기 효율이 감소되지 않을 수 있다. According to one embodiment, the porosity inside the silicon-based alloy powder may be 20% to 35%. For example, the porosity in the silicon-based alloy powder may be 20% to 32%. Specifically, for example, the porosity in the silicon-based alloy powder may be 20% to 30%, more specifically, for example, 24% to 30%. In the above range, while the side reaction with the electrolyte is suppressed, the initial efficiency of the battery may not be reduced due to a decrease in the impregnation property of the electrolyte.

여기서, 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율은 첨가 원소(A)의 함량으로 조절 가능하다. 구체적으로, 첨가 원소(A)의 함량이 동일한 경우라도, 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량을 조절함으로써, 공극율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 증가되면, 합금 분말 내부의 공극율이 감소될 수 있다. 반대로, 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 감소되면, 합금 분말 내부의 공극율이 증가될 수 있다. 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량은, 합금 제조 공정 시 첨가 원소(A)를 포함하는 원료의 투입 시점 또는 공정 시간을 달리하여 조절될 수 있다.일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속(M1)은 철(Fe), Al 또는 Cu일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속(M1)은 철(Fe)일 수 있다. 상기 제1 금속(M1)은 철(Fe)인 경우, 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 억제할 수 있다. Here, the porosity inside the silicon-based alloy powder can be adjusted by the content of the additive element (A). Specifically, even when the content of the additive element (A) is the same, the porosity may be adjusted by adjusting the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder. For example, when the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder is increased, the porosity inside the alloy powder may be reduced. Conversely, when the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder is reduced, the porosity inside the alloy powder may be increased. The content of the additive element (A) disposed in the silicon-based alloy powder may be adjusted by varying the input time or process time of the raw material including the additive element (A) during the alloy manufacturing process. According to one embodiment, The first metal (M 1 ) may be iron (Fe), Al, or Cu. For example, the first metal (M 1 ) may be iron (Fe). When the first metal (M 1 ) is iron (Fe), volume expansion of silicon may be effectively suppressed.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말은, 상기 실리콘과 상기 제1 금속(M1)을 포함하는 매트릭스; 상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및 상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가 원소(A);를 포함하는 구조를 가질 수 있다. According to an embodiment, the silicon-based alloy powder may include: a matrix including the silicon and the first metal (M 1 ); silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder.

상기 실리콘과 상기 제1 금속(M1)을 포함하는 매트릭스는 리튬 전지의 충방전시 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션을 하지 않는 비활성 매트릭스로서, 실리콘계 합금 분말의 부피 팽창을 억제하는 역할을 수행할 수 있다. The matrix including the silicon and the first metal (M 1 ) is an inert matrix that does not intercalate/deintercalate lithium ions during charging and discharging of a lithium battery, and serves to suppress volume expansion of the silicon-based alloy powder. can be performed.

일 실시예에 따르면, 상기 매트릭스는 비활성의 상기 Si와 제1 금속(M1)으로 이루어진 화합물상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 Si와 제1 금속(M1)으로 이루어진 화합물상은 제1 금속(M1) 규화물(silicide)을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the matrix may include a compound phase composed of the inactive Si and the first metal (M 1 ). For example, the compound phase made of Si and the first metal (M 1 ) may include a first metal (M 1 ) silicide.

예를 들어, 상기 제1 금속(M1)이 Fe인 경우, 상기 Si와 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상은 FeSi 상, FeSi2 상, 또는 Fe2Si5 상을 포함할 수 있다. For example, when the first metal (M 1 ) is Fe, the compound phase composed of Si and the first metal (M 1 ) is a FeSi phase, FeSi 2 phase, or Fe 2 Si 5 phase.

예를 들어, 상기 제1 금속(M1)이 Fe인 경우, 상기 Si와 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상은 FeSi2 상, 예를 들어 FeSi2 베타 상 또는 Fe2Si5 알파상, 예를 들어 Fe2Si5 알파상을 포함할 수 있다. 상기 FeSi2 상은 Cu-Kα를 사용한 X-선 회절(X-Ray Diffraction: XRD) 분석 스펙트럼의 회절 각도(2θ) 49.1 +/- 0.5 도(˚)에서 결정면(102)에 대한 피크, 회절 각도(2θ) 38.0 +/- 0.5 도(˚)에서 결정면(101)에 대한 피크, 및/또는 회절 각도(2θ) 17.3 +/- 0.5 도(˚)에서 결정면 (001)에 대한 피크를 나타낼 수 있다. 상기 FeSi2 상이 상기 합금 분말의 매트릭스에 포함되는 경우, 리튬 전지의 충방전시 실리콘 나노입자의 부피팽창이 억제되어, 리튬 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다. For example, when the first metal (M 1 ) is Fe, the compound phase consisting of Si and the first metal (M 1 ) is FeSi 2 phase, for example FeSi 2 a beta phase or a Fe 2 Si 5 alpha phase, for example a Fe 2 Si 5 alpha phase. The FeSi 2 phase is a peak, diffraction angle ( 2θ) a peak for the crystal plane 101 at 38.0 +/- 0.5 degrees (˚), and/or a peak for the crystalline plane (001) at 17.3 +/- 0.5 degrees (˚) at a diffraction angle (2θ). When the FeSi 2 phase is included in the matrix of the alloy powder, volume expansion of silicon nanoparticles during charging and discharging of a lithium battery is suppressed, and lifespan characteristics of a lithium battery can be improved.

상기 제1 금속(M1)이 Al인 경우, 상기 Si와 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상은 Al3Si3 상을 포함할 수 있다. When the first metal (M 1 ) is Al, the compound phase composed of Si and the first metal (M 1 ) may include an Al 3 Si 3 phase.

상기 제1 금속(M1)이 Cu인 경우, 상기 Si와 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상은 Cu3Si 상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속(M1)이 Cu인 경우, 상기 Si와 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상은 Cu3Si 상일 수 있다.When the first metal (M 1 ) is Cu, the compound phase including Si and the first metal (M 1 ) may include a Cu 3 Si phase. For example, when the first metal (M 1 ) is Cu, the compound phase composed of Si and the first metal (M 1 ) may be a Cu 3 Si phase.

한편, 상기 실리콘 나노 입자는 상기 실리콘의 단일상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘의 단일상은 실리콘만으로 이루어진 상으로서, 실리콘계 합금의 용량을 결정 짓는, 리튬 이온과의 가역반응이 가능한 활성 실리콘을 포함할 수 있다. Meanwhile, the silicon nanoparticles may include a single phase of the silicon. For example, the single phase of silicon is a phase made of only silicon, and may include active silicon capable of reversible reaction with lithium ions, which determines the capacity of a silicon-based alloy.

상기 Si 단일상은 Cu-Kα를 사용한 X-선 회절 분석 스펙트럼의 회절 각도(2θ) 28.5 +/- 0.5 도(˚)에서 결정면(111)에 대한 피크를 나타낼 수 있다. The Si single phase may exhibit a peak with respect to the crystal plane 111 at a diffraction angle (2θ) of 28.5 +/- 0.5 degrees (˚) of an X-ray diffraction spectrum using Cu-Kα.

상기 합금 분말 표면에 배치되는 상기 첨가 원소(A)는 상기 합금 분말 표면 상에 연속적으로 배치되거나 또는 아일랜드 타입으로 불연속적으로 배치될 수 있다. 여기서, "아일랜드" 타입이라 함은 소정의 부피를 가지는 구형, 반구형, 비구형, 또는 비정형의 형상을 의미하며, 특별히 형상이 제한되는 것은 아니다. 상기 합금 분말 표면에 배치되는 상기 첨가 원소(A)는 다른 물질과 결합하지 않은 상태로 존재할 수 있다. The additive element (A) disposed on the surface of the alloy powder may be continuously disposed on the surface of the alloy powder or may be disposed discontinuously in an island type. Here, the "island" type means a spherical, hemispherical, non-spherical, or atypical shape having a predetermined volume, and the shape is not particularly limited. The additive element (A) disposed on the surface of the alloy powder may exist in a state in which it is not combined with other materials.

상기 합금 분말 내부에 배치되는 상기 첨가 원소(A)는 상기 매트릭스 내부에 존재할 수 있다. 구체적으로, 상기 합금 분말 내부에 배치되는 상기 첨가 원소(A)는 상기 매트릭스와 상기 실리콘 나노 입자 사이에 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가 원소(A)는 상기 첨가 원소(A)의 부존재시 존재할 수 있는 공극에 위치하여, 상기 합금 분말의 매트릭스 내부의 공극을 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 첨가 원소(A)의 첨가에 의해 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율이 35% 이하로 조절될 수 있다.The additive element (A) disposed in the alloy powder may be present in the matrix. Specifically, the additive element (A) disposed in the alloy powder may be present between the matrix and the silicon nanoparticles. For example, the additive element (A) may be located in voids that may exist in the absence of the additive element (A), thereby reducing voids in the matrix of the alloy powder. Accordingly, the porosity inside the silicon-based alloy powder may be adjusted to 35% or less by the addition of the additive element (A).

일 실시예에 따르면, 상기 합금 분말 내부에 배치되는 상기 첨가 원소(A) 중 적어도 일부는 규화물의 형태, 예를 들어 첨가 원소(A)와 실리콘으로 이루어진 화합물의 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가 원소(A)는 합금 분말 제조 과정 중 실리콘과 반응하여 상기 규화물을 형성할 수 있고, 형성된 규화물은 매트릭스 내부에 존재할 수 있다.According to one embodiment, at least a portion of the additive element (A) disposed in the alloy powder may be present in the form of a silicide, for example, in the form of a compound consisting of the additive element (A) and silicon. For example, the additive element (A) may react with silicon during the alloy powder manufacturing process to form the silicide, and the formed silicide may exist in the matrix.

일 실시예에 따르면, 상기 첨가 원소(A)는 붕소 및/또는 탄소일 수 있다.According to an embodiment, the additive element (A) may be boron and/or carbon.

예를 들어, 상기 첨가 원소(A)가 붕소인 경우, 상기 합금 분말 내부의 붕소 중 적어도 일부는 SiB4, SiB6 등의 규화물로, 나머지는 B로 존재할 수 있다. For example, when the additive element (A) is boron, at least a portion of the boron in the alloy powder is SiB 4 , SiB 6 silicides, etc., with the remainder being B.

예를 들어, 상기 첨가 원소(A)가 탄소인 경우, 상기 합금 분말 내부의 탄소 중 적어도 일부는 SiC 등의 규화물로, 나머지는 C로 존재할 수 있다. 이 때, C는 비정질 탄소일 수 있다. For example, when the additive element (A) is carbon, at least a portion of carbon in the alloy powder may be a silicide such as SiC, and the remainder may be present as C. In this case, C may be amorphous carbon.

상기 탄소는 Si(6-7) 및 Fe(4)에 비해 낮은 1-2 정도의 모스 경도(Mohs hardness)를 가져, 상기 실리콘계 합금 분말 제조 시 합금 분말 내부에 존재하는 공극을 효과적으로 채울 수 있다. 또한, 상기 합금 분말의 표면에 존재하는 탄소는 음극의 전기전도도의 향상에 기여할 수 있다.The carbon has a Mohs hardness of about 1-2 lower than that of Si(6-7) and Fe(4), so that when the silicon-based alloy powder is manufactured, voids present in the alloy powder can be effectively filled. In addition, carbon present on the surface of the alloy powder may contribute to the improvement of the electrical conductivity of the negative electrode.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말은 산소(O) 원자를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 산소(O) 원자는 상기 실리콘 및 상기 제1 금속(M1)과 같이 매트릭스를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함하는 경우, 상기 실리콘계 합금 분말의 매트릭스는 상기 실리콘과 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘과 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상은 SiO2 등의 산화물상일 수 있다. According to an embodiment, the silicon-based alloy powder may further include an oxygen (O) atom. For example, the oxygen (O) atoms may form a matrix together with the silicon and the first metal (M 1 ). Specifically, when the silicon-based alloy powder further includes oxygen (O) atoms, the matrix of the silicon-based alloy powder may further include a compound phase consisting of silicon and oxygen (O) atoms. The compound phase composed of silicon and oxygen (O) atoms may be an oxide phase such as SiO 2 .

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘과 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상은 상기 실리콘 및 상기 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상과 실리콘 나노입자의 계면에 존재하여, 매트릭스의 밀도를 높여 공극율을 감소시키는 역할을 할 수 있다. According to an embodiment, the compound phase consisting of silicon and oxygen (O) atoms is present at the interface between the compound phase consisting of silicon and the first metal (M 1 ) and silicon nanoparticles, increasing the density of the matrix to reduce the porosity can play a role in making

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함하는 경우, 상기 실리콘계 합금 분말의 매트릭스는 상기 실리콘과 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상 이외에, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상은 산화물일 수 있으며, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상이 존재하는 경우, 상기 실리콘과 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상과 동일한 역할을 할 수 있다.According to one embodiment, when the silicon-based alloy powder further contains oxygen (O) atoms, the matrix of the silicon-based alloy powder is the first metal (M 1 ) in addition to the compound phase consisting of silicon and oxygen (O) atoms. and a compound phase composed of the oxygen (O) atoms. For example, the compound phase consisting of the first metal (M 1 ) and the oxygen (O) atom may be an oxide, and when the compound phase consisting of the first metal (M 1 ) and the oxygen (O) atom exists, the It can play the same role as the compound phase consisting of silicon and oxygen (O) atoms.

다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말은 제2 금속(M2)을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택될 수 있다.According to another embodiment, the silicon-based alloy powder may further include a second metal (M 2), the second metal (M 2) is a manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium It may be selected from (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W).

상기 실리콘계 합금 분말이 제2 금속(M2)을 더 포함하는 경우, 상기 매트릭스는 상기 실리콘과 제2 금속(M2)으로 이루어진 화합물상을 더 포함할 수 있다. 상기 상기 실리콘과 제2 금속(M2)으로 이루어진 화합물상으로 인하여, 실리콘 나노입자의 부피 팽창을 더욱 효과적으로 완충할 수 있다. When the silicon-based alloy powder further includes a second metal (M 2 ), the matrix may further include a compound phase made of the silicon and the second metal (M 2 ). Due to the compound phase consisting of the silicon and the second metal (M 2 ), the volume expansion of the silicon nanoparticles can be more effectively buffered.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말은 Si-M1-M2-A로 표시될 수 있다. According to an embodiment, the silicon-based alloy powder may be represented by Si-M 1 -M 2 -A.

상기 실리콘계 합금 분말에서, 상기 Si의 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, 50 원자% 내지 90 원자%, 예를 들어, 70 원자% 내지 90 원자%일 수 있고, 상기 실리콘계 합금 분말에서, 상기 제1 금속(M1)의 함량은 10 원자% 내지 50 원자%, 예를 들어, 10 원자% 내지 30 원자%일 수 있다. 상기 범위에서, 원하는 수준의 방전용량 및 수명 특성이 구현될 수 있다.In the silicon-based alloy powder, the content of Si is 50 to 90 atomic%, for example, based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ) , may be 70 atomic% to 90 atomic%, and in the silicon-based alloy powder, the content of the first metal (M 1 ) may be 10 atomic% to 50 atomic%, for example, 10 atomic% to 30 atomic% have. Within the above range, desired levels of discharge capacity and lifespan characteristics may be realized.

상기 실리콘계 합금 분말에서, 상기 제2 금속(M2)의 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, 0 원자% 내지 10 원자%, 예를 들어 0 원자% 내지 5 원자%일 수 있다. In the silicon-based alloy powder, the second metal (M 2) content, based on the total number of the silicon, the first metal (M 1) and the second metal (M 2) atoms, 0 atom% to 10 It may be atomic %, for example from 0 atomic % to 5 atomic %.

상기 실리콘계 합금 분말에서, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.01 중량부 내지 20 중량부일 수 있다. 여기서, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량은 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량 및 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량의 합을 의미한다. 상기 범위에서, 상기 합금 분말 내부의 공극율이 35%이하로 조절되면서, 리튬 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘계 합금 분말에서, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 1 중량부 내지 9 중량부, 예를 들어, 2 중량부 내지 9 중량부일 수 있다. In the silicon-based alloy powder, the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ) can be negative Here, the total content of the additive element (A) means the sum of the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder and the content of the additive element (A) disposed on the surface. In the above range, while the porosity inside the alloy powder is adjusted to 35% or less, the lifespan characteristics of the lithium battery may be improved. For example, in the silicon-based alloy powder, the total content of the additive element (A) is 1 weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ) parts to 9 parts by weight, for example, 2 parts by weight to 9 parts by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 첨가 원소(A)의 함량이 0.1 중량부 내지 4 중량부이고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 0.5 중량부 내지 7 중량부일 수 있다. 상기 범위에서, 리튬 전지의 용량 및 수명 특성이 더욱 향상될 수 있다. According to one embodiment, based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M1) and the second metal (M2), the content of the additive element (A) included in the silicon-based alloy powder is 0.1 parts by weight to 4 parts by weight, and the content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder may be 0.5 parts by weight to 7 parts by weight. Within the above range, the capacity and lifespan characteristics of the lithium battery may be further improved.

상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 첨가 원소(A)의 함량 및 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량은 열중량분석(Thermogravimetric analyzer: TGA)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 실리콘계 합금 분말 일정량에 400℃ 내지 500℃의 열을 가하는 경우, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)는 대기 중의 산소와 반응하여 산화되므로, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량만큼 상기 실리콘계 합금 분말 초기 중량에서 중량 감소가 발생하게 된다. 따라서, 상기 실리콘계 합금 분말 초기 중량에서 감소된 중량이 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량에 해당한다. 이후, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량(실리콘계 합금 분말 제조 시 첨가 원소(A)의 투입량)에서 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량만큼을 제하면 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 첨가 원소(A)의 함량을 구할 수 있다.The content of the additive element (A) contained in the silicon-based alloy powder and the content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder may be measured using a thermogravimetric analyzer (TGA). Specifically, when heat of 400° C. to 500° C. is applied to a certain amount of the silicon-based alloy powder, the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder reacts with oxygen in the atmosphere and is oxidized, so that on the surface of the silicon-based alloy powder A weight reduction occurs in the initial weight of the silicon-based alloy powder by the amount of the additive element (A) disposed in the . Accordingly, the weight reduced from the initial weight of the silicon-based alloy powder corresponds to the content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder. Then, when the content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder is subtracted from the total content of the additive element (A) (the amount of the additive element (A) in the production of the silicon-based alloy powder), the silicon-based alloy powder The content of the additive element (A) contained in it can be obtained.

다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말은 Si-M1-M2-A-O로 표시될 수 있다.According to another embodiment, the silicon-based alloy powder may be represented by Si-M 1 -M 2 -AO.

상기 Si-M1-M2-A-O로 표시되는 실리콘계 합금 분말에서, 상기 Si의 함량, 상기 제1 금속(M1)의 함량, 상기 제2 금속(M2)의 함량 및 상기 첨가 원소(A)의 함량은 전술한 바와 같고,In the silicon- based alloy powder represented by Si-M 1 -M 2 -AO, the content of Si, the content of the first metal (M 1 ), the content of the second metal (M 2 ), and the additive element (A) ) is the same as described above,

상기 산소(O) 원자의 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.01 중량부 내지 50 중량부, 예를 들어, 0.1 중량부 내지 20 중량부일 수 있다. 상기 범위에서 산소 원자는 실리콘 및/또는 금속과 화합물의 형태로 존재하여, 합금 분말의 용량을 감소시키지 않으면서 공극률을 감소시키는 데 기여할 수 있다. The content of the oxygen (O) atom is 0.01 parts by weight to 50 parts by weight, for example, 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ) It may be in an amount of from 20 parts by weight to 20 parts by weight. Oxygen atoms in the above range may be present in the form of compounds with silicon and/or metals, contributing to reducing the porosity without reducing the capacity of the alloy powder.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말은 Si-M1-M2-C-B-O로 표시될 수 있다.According to another embodiment, the silicon-based alloy powder may be represented by Si-M 1 -M 2 -CBO.

상기 Si-M1-M2-C-B-O로 표시되는 실리콘계 합금 분말에서, 상기 Si의 함량, 상기 제1 금속(M1)의 함량, 상기 제2 금속(M2)의 함량 및 상기 산소(O) 원자의 함량은 전술한 바와 같고, In the silicon- based alloy powder represented by the Si-M 1 -M 2 -CBO, the content of Si, the content of the first metal (M 1 ), the content of the second metal (M 2 ), and the oxygen (O) The content of atoms is as described above,

상기 C의 총 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.01 중량부 내지 20 중량부이고, 상기 B의 총 함량은 0 중량부 내지 20 중량부일 수 있다. 여기서, C의 총 함량 및 B의 총 함량은 각각 상기 실리콘계 합금 분말 내부 및 표면 상에 배치된 C 및 B의 함량의 합을 의미한다. 상기 범위에서, 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율이 35% 이하로 조절될 수 있다. The total content of C is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), and the total content of B is 0 It may be in an amount of from 20 parts by weight to 20 parts by weight. Here, the total content of C and the total content of B mean the sum of the contents of C and B disposed inside and on the surface of the silicon-based alloy powder, respectively. In the above range, the porosity inside the silicon-based alloy powder may be adjusted to 35% or less.

예를 들어, 상기 C의 총 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.1 중량부 내지 10 중량부, 구체적으로 예를 들어, 1 중량부 내지 9 중량부, 더 구체적으로 예를 들어, 2 중량부 내지 9 중량부일 수 있다.For example, the total content of C is 0.1 parts by weight to 10 parts by weight, specifically, based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ) For example, it may be 1 part by weight to 9 parts by weight, more specifically, for example, 2 parts by weight to 9 parts by weight.

또한, 상기 B의 총 함량은 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0 중량부 내지 10 중량부, 구체적으로 예를 들어, 0 중량부 내지 5 중량부, 더 구체적으로 예를 들어, 0.1 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. In addition, the total content of B is 0 parts by weight to 10 parts by weight, specifically, based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), for example, It may be 0 parts by weight to 5 parts by weight, more specifically, for example, 0.1 parts by weight to 5 parts by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘계 합금 분말의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘계 합금 분말의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 3 ㎛일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 실리콘계 합금 분말의 평균 입경(D50)은 2 ㎛ 내지 3 ㎛일 수 있다.According to an embodiment, the average particle diameter (D50) of the silicon-based alloy powder may be 1 μm to 5 μm. For example, the average particle diameter (D50) of the silicon-based alloy powder may be 1 μm to 3 μm. Specifically, for example, the average particle diameter (D50) of the silicon-based alloy powder may be 2 μm to 3 μm.

여기서, “D50”이란 입자 크기가 가장 작은 입자부터 가장 큰 입자 순서로 누적시킨 분포 곡선에서, 전체 입자 개수를 100%으로 했을 때 가장 작은 입자로부터 50%에 해당되는 입경을 의미한다. D50은 당업자에게 널리 공지된 방법으로 측정될 수 있으며, 예를 들어, 입도 분석기(Particle size analyzer)로 측정하거나, TEM(Transmission electron microscopy) 또는 SEM(Scanning electron microscopy) 사진으로부터 측정할 수도 있다. 다른 방법의 예를 들면, 동적광산란법(dynamic Light-scattering)을 이용한 측정장치를 이용하여 측정한 후, 데이터 분석을 실시하여 각각의 사이즈 범위에 대하여 입자수가 카운팅되며, 이로부터 계산을 통하여 D50을 쉽게 얻을 수 있다.Here, “D50” refers to a particle diameter corresponding to 50% from the smallest particle when the total number of particles is 100% in the distribution curve accumulated in the order of the smallest particle to the largest particle. D50 may be measured by a method well known to those skilled in the art, for example, it may be measured with a particle size analyzer, or may be measured from a TEM (Transmission electron microscopy) or SEM (Scanning electron microscopy) photograph. As an example of another method, after measuring using a measuring device using dynamic light-scattering, data analysis is performed to count the number of particles for each size range, and from this, D50 is calculated easy to get

일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 나노입자의 평균 입경(D50)은 10 nm 내지 150 nm일 수 있다. 예를 들어 상기 실리콘 나노입자의 입자 크기는 10 nm 내지 100 nm, 또는 10 nm 내지 50 nm일 수 있다. According to an embodiment, the average particle diameter (D50) of the silicon nanoparticles may be 10 nm to 150 nm. For example, the particle size of the silicon nanoparticles may be 10 nm to 100 nm, or 10 nm to 50 nm.

상기 범위의 입자 크기를 갖는 활성 실리콘 나노입자가 상기 비활성 매트릭스에 고르게 분포됨으로써, 충방전 사이클 동안에 활성 실리콘 나노입자의 부피팽창이 이를 둘러싼 비활성 매트릭스에 의해 효율적으로 완충될 수 있다.Since the active silicon nanoparticles having a particle size in the above range are evenly distributed in the inert matrix, volume expansion of the active silicon nanoparticles during a charge/discharge cycle can be efficiently buffered by the inert matrix surrounding them.

상기 실리콘 나노 입자의 D50은 상기 Si 단일상의 Cu-Kα를 사용한 X-선 회절 분석 스펙트럼의 회절 각도(2θ) 28.5 +/- 0.5 도(˚)에서 결정면(111)에 대한 피크의 반치폭을 이용하여 쉐러 방정식(Scherrer's equation)으로부터 구할 수 있다. The D50 of the silicon nanoparticles was determined using the half width of the peak for the crystal plane 111 at the diffraction angle (2θ) 28.5 +/- 0.5 degrees (˚) of the X-ray diffraction analysis spectrum using Cu-Kα of the Si single phase. It can be obtained from Scherrer's equation.

상기 음극 활물질은 상술한 실리콘계 합금 분말을 필수 성분으로 하고 이 필수 성분 이외에 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 음극 활물질 재료를 추가적으로 더 포함할 수 있다.The negative active material may include the above-described silicon-based alloy powder as an essential component and further include an anode active material commonly used in lithium batteries in addition to the essential component.

상기 음극 활물질 재료로는, 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 흑연, 탄소와 같은 탄소계 재료, 리튬 금속, 그 합금, 실리콘 옥사이드계 물질, 그 혼합물 등을 사용할 수 있다. As the negative active material material, graphite capable of occluding and releasing lithium ions, a carbon-based material such as carbon, lithium metal, an alloy thereof, a silicon oxide-based material, a mixture thereof, and the like may be used.

일 구현예에 따르면 상기 음극 활물질로서 실리콘계 합금과 탄소계 재료를 사용하며, 상기 탄소계 재료로는 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 그래핀, 카본블랙, 플러렌 수트(fullerene soot), 탄소나노튜브, 탄소섬유, 소프트 카본하드 카본, 피치 탄화물, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등이 사용될 수 있으며, 이들 중 2 이상 조합하여 사용할 수 있다. According to one embodiment, a silicon-based alloy and a carbon-based material are used as the negative active material, and the carbon-based material is natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, carbon black, fullerene soot, carbon nanotube. , carbon fiber, soft carbon hard carbon, pitch carbide, mesophase pitch carbide, calcined coke, etc. may be used, and two or more of these may be used in combination.

이와 같이 탄소계 재료를 함께 사용하면 실리콘계 합금의 산화 반응을 억제하게 되고 SEI(solid electrolyte interphase)막을 효과적으로 형성하여 안정된 피막을 형성하고 전기전도도의 향상을 가져와서 리튬의 충방특성을 더 향상시킬 수 있다.In this way, when the carbon-based material is used together, the oxidation reaction of the silicon-based alloy is suppressed, and a solid electrolyte interphase (SEI) film is effectively formed to form a stable film, and the electric conductivity is improved, thereby further improving the charging and discharging characteristics of lithium. .

상기 탄소계 재료를 이용하는 경우, 예를 들어 상기 탄소계 재료는 실리콘계 합금과 혼합하여 블렌딩되거나, 또는 실리콘계 합금의 표면에 코팅된 상태로 사용될 수 있다. When the carbon-based material is used, for example, the carbon-based material may be mixed and blended with a silicon-based alloy or used in a state coated on the surface of the silicon-based alloy.

상기 실리콘계 합금과 함께 사용되는 음극 활물질 재료의 함량은 실리콘계 합금과 음극 활물질 재료의 총함량을 기준으로 하여 1 내지 99 중량%일 수 있다.The content of the negative active material used together with the silicon-based alloy may be 1 to 99% by weight based on the total content of the silicon-based alloy and the negative active material.

음극 활물질에서 실리콘계 합금 분말이 주성분(major component)인 경우에는 실리콘계 합금의 함량은 예를 들어 음극 활물질 재료와 실리콘계 합금의 총함량에 대하여 95 내지 99 중량%일 수 있다. 상기 음극 활물질 재료로서 흑연 또는 비정질 카본인 피치를 사용하는 경우에는 흑연 또는 비정질 카본인 피치가 실리콘계 합금 표면에 코팅될 수 있다. When the silicon-based alloy powder is a major component in the anode active material, the content of the silicon-based alloy may be, for example, 95 to 99 wt% based on the total content of the anode active material and the silicon-based alloy. When the pitch of graphite or amorphous carbon is used as the negative active material material, the pitch of graphite or amorphous carbon may be coated on the surface of the silicon-based alloy.

음극 활물질에서 실리콘계 합금 분말이 부성분(minor component)인 경우에는 실리콘계 합금의 함량은 예를 들어 음극 활물질 재료와 실리콘계 합금의 총함량에 대하여 1 내지 5 중량%일 수 있다. 상기 음극 활물질 재료로서 흑연 또는 비정질 카본인 피치를 사용하는 경우에는 흑연 또는 비정질 카본인 피치가 실리콘계 합금의 버퍼 역할을 수행하여 전극의 수명이 더 개선될 수 있다.When the silicon-based alloy powder is a minor component in the anode active material, the content of the silicon-based alloy may be, for example, 1 to 5 wt% based on the total content of the anode active material and the silicon-based alloy. When a pitch of graphite or amorphous carbon is used as the anode active material, the pitch of graphite or amorphous carbon serves as a buffer of the silicon-based alloy, and thus the lifespan of the electrode may be further improved.

이하, 상기 실리콘계 합금 분말을 포함하는 음극 활물질의 제조방법을 살펴보기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing an anode active material including the silicon-based alloy powder will be described.

일 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질의 제조방법은, According to one embodiment, the method of manufacturing the negative active material,

50 원자% 내지 90 원자%의 Si, 10 원자% 내지 50 원자%의 제1 금속(M1), 및 선택적으로 0 원자% 내지 10 원자%의 제2 금속(M2)의 조성을 가진 모합금을 제조하는 단계;a mother alloy having a composition of 50 atomic % to 90 atomic % Si, 10 atomic % to 50 atomic % of a first metal (M 1 ), and optionally 0 atomic % to 10 atomic % of a second metal (M 2 ); manufacturing;

상기 모합금의 용해물을 급냉 응고시켜, 급냉 응고 합금을 얻는 단계; 및quick-solidifying the melt of the master alloy to obtain a quench-solidifying alloy; and

상기 급냉 응고 합금을 분쇄하여, 실리콘계 합금 분말을 제조하는 단계;를 포함하고, 이 때 탄소(C), 붕소(B), 나트륨(Na), 질소(N), 인(P), 황(S) 및 염소(Cl) 중에서 선택되는 1종 이상의 첨가 원소(A) 함유 물질을, 상기 모합금을 제조하는 단계 및/또는 상기 급냉 응고 합금을 분쇄하여 실리콘계 합금 분말을 제조하는 단계에, 제조된 상기 실리콘계 합금 분말 내부 및 표면 상의 상기 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부가 되도록 첨가할 수 있다.Grinding the quench-solidified alloy to prepare a silicon-based alloy powder; includes, in this case, carbon (C), boron (B), sodium (Na), nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) ) and chlorine (Cl) in the step of preparing a silicon-based alloy powder by pulverizing the material containing at least one additive element (A) selected from the group consisting of the mother alloy and / or the quench-solidified alloy, the manufactured The content of the additive element (A) inside and on the surface of the silicon-based alloy powder is the amount of the additive element (A) based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ) It may be added so that the total content is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight.

예를 들어, 상기 첨가 원소(A) 함유 물질은 상기 급냉 응고 합금을 분쇄하여, 상기 실리콘계 합금 분말을 제조하는 단계에 첨가될 수 있다. For example, the additive element (A)-containing material may be added in the step of preparing the silicon-based alloy powder by pulverizing the quench-solidified alloy.

상기 첨가 원소(A) 함유 물질의 첨가 시점을 달리하여, 상기 실리콘계 합금 분말 내부의 첨가 원소(A)의 함량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가 원소(A)가 상기 실리콘계 합금 분말 내부 보다는 표면 상에 배치되도록, 상기 첨가 원소(A) 함유 물질은 상기 급냉 응고 합금의 분쇄 중 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가 원소(A) 함유 물질은 상기 급냉 응고 합금의 총 분쇄 시간 중 절반의 시간이 경과한 후에 첨가될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 첨가 원소(A) 함유 물질은 상기 급냉 응고 합금의 총 분쇄 시간 중 3/4의 시간이 경과한 후에 첨가될 수 있다. 상기 방법에 의하여, 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 내부에 포함된 첨가 원소(A)의 함량 이상인, 예를 들어, 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 내부에 포함된 첨가 원소(A)의 함량의 2 배 내지 4배인 실리콘계 합금 분말이 제조될 수 있다. The content of the additive element (A) in the silicon-based alloy powder may be adjusted by changing the timing of adding the additive element (A)-containing material. For example, the additive element (A)-containing material may be added during pulverization of the quench-solidified alloy so that the additive element (A) is disposed on the surface rather than inside the silicon-based alloy powder. For example, the additive element (A)-containing material may be added after half of the total grinding time of the quench-solidification alloy has elapsed. Specifically, for example, the additive element (A)-containing material may be added after 3/4 of the total grinding time of the quench-solidification alloy has elapsed. By the above method, the content of the additive element (A) disposed on the surface is equal to or greater than the content of the additive element (A) contained therein, for example, the content of the additive element (A) disposed on the surface is added to the inside. A silicon-based alloy powder having 2 to 4 times the content of the included additive element (A) may be prepared.

일 실시예에 따르면, 상기 첨가 원소(A)가 붕소인 경우, 투입되는 첨가 원소(A) 함유 물질은 붕산일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 층상 구조를 갖는 붕산일 수 있다. 또는, 투입되는 첨가 원소(A) 함유 물질은 M2B (M=Ta, Mo, W, Mn, Fe, Co 또는 Ni) 및 M3B4 (M=Nb, Ta, Cr 또는 Mn) 화합물 중에서 선택될 수 있다.According to an embodiment, when the additive element (A) is boron, the added element (A)-containing material may be boric acid. Specifically, for example, it may be boric acid having a layered structure. Alternatively, the added element (A)-containing material may be selected from among M 2 B (M=Ta, Mo, W, Mn, Fe, Co, or Ni) and M 3 B 4 (M=Nb, Ta, Cr or Mn) compounds. can be selected.

다른 실시예에 따르면, 상기 첨가 원소(A)가 탄소인 경우, 투입되는 첨가 원소(A) 함유 물질은 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의, 천연 흑연(natural graphite) 및 인조 흑연(artificial graphite)과 같은 흑연, 카본 블랙(carbon black), 카본 휘스커(carbon whisker), 피치계 탄소 섬유(pitch-based carbon fiber) 중에서 1종 이상 선택되고, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본 및 하드 카본 중에서 1종 이상 선택될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 첨가 원소(A)가 탄소인 경우, 투입되는 첨가 원소(A) 함유 물질은 린편상 천연 흑연 또는 인조 흑연일 수 있다. According to another embodiment, when the additive element (A) is carbon, the added element (A)-containing material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. For example, the crystalline carbon is amorphous, plate-like, flake-like, spherical or fibrous, graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black, carbon whisker (carbon whisker), at least one selected from pitch-based carbon fiber, and the amorphous carbon may be selected from one or more of soft carbon and hard carbon. Specifically, for example, when the additive element (A) is carbon, the added element (A)-containing material may be flaky natural graphite or artificial graphite.

한편, 상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함하도록, 상기 모합금을 제조하는 단계 및/또는 상기 급냉 응고 합금을 분쇄하여 실리콘계 합금 분말을 제조하는 단계에 산소 원자 함유 물질을 첨가할 수 있다. 상기 산소 원자 함유 물질의 예로써, Fe2O3, SiO2, SiO 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또는, 공정 중 대기 중의 산소가 혼입되어 상기 제조된 실리콘계 합금 분말이 산소 원자를 더 포함할 수 있다. 또는 공정 중 산소 분위기에서 처리함으로써 상기 제조된 실리콘계 합금 분말이 산소 원자를 더 포함할 수 있다.On the other hand, an oxygen atom-containing material may be added in the step of preparing the master alloy and/or grinding the quench-solidified alloy to prepare a silicon-based alloy powder so that the silicon-based alloy powder further contains oxygen (O) atoms. have. Examples of the oxygen atom-containing material include, but are not limited to , Fe 2 O 3 , SiO 2 , SiO, and the like. Alternatively, the silicon-based alloy powder prepared by mixing oxygen in the atmosphere during the process may further include oxygen atoms. Alternatively, by treating in an oxygen atmosphere during the process, the silicon-based alloy powder prepared above may further include oxygen atoms.

상기 모합금을 제조하는 단계는 진공 유도 용해법(VIM, Vacuum Indution Melting), 아크 용해법(arc melting) 또는 기계적 합금법(mechanical alloying)을 포함할 수 있고, 예를 들어 대기에 의한 산화를 최대한 억제하기 위해 진공분위기에서 상기 모합금을 용해시키는 진공 유도 용해법을 이용할 수 있다. 그러나, 상기 모합금을 제조하는 방법에 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 이용될 수 있는 모든 모합금을 제조할 수 있는 방법의 사용이 가능하다. The step of preparing the master alloy may include a vacuum induction melting method (VIM), an arc melting method, or a mechanical alloying method, for example, to suppress oxidation by the atmosphere as much as possible. For this purpose, a vacuum induction melting method for dissolving the master alloy in a vacuum atmosphere may be used. However, the method is not limited to the method for preparing the master alloy, and any method capable of producing the master alloy that can be used in the art may be used.

상기 실리콘계 합금 분말을 제조하기 위한 원재료는 필요한 구성 비율을 구현할 수 있으면 그 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 상기 실리콘계 합금을 구성하는 원소를 원하는 조성비로 혼합하기 위하여, 원소, 합금, 고용체, 금속간 화합물 등을 이용할 수 있다.The form of the raw material for producing the silicon-based alloy powder is not particularly limited as long as the required composition ratio can be realized. For example, in order to mix the elements constituting the silicon-based alloy in a desired composition ratio, an element, an alloy, a solid solution, an intermetallic compound, or the like may be used.

예를 들어, 각 원소의 금속 분말을 목표 합금 조성 비율로 칭량하여 혼합한 후, 진공유도 용해로를 이용하여 실리콘계 합금의 모합금을 제조할 수 있다. 진공유도 용해로는 고주파 유도를 통하여 용융온도가 고온인 금속을 용해할 수 있는 장비이다. 초기 용융 단계에서, 진공 유도 용융 용해로의 내부를 진공상태로 만든 후, Ar과 같은 불활성 가스를 진공 유도 용융 용해로로 주입하여, 제조된 모합금의 산화를 방지 또는 줄일 수 있다.For example, after the metal powder of each element is weighed and mixed at a target alloy composition ratio, a mother alloy of a silicon-based alloy may be manufactured using a vacuum induction melting furnace. Vacuum induction melting furnace is an equipment that can melt metals with high melting temperature through high-frequency induction. In the initial melting step, after the inside of the vacuum induction melting furnace is made into a vacuum state, an inert gas such as Ar is injected into the vacuum induction melting furnace to prevent or reduce oxidation of the prepared master alloy.

다음에, 위와 같이 제조된 모합금을 용융하고, 용해물을 급냉시키고 응고시키는 공정을 거친다. 급냉 응고 공정은 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 멜트 스피닝(melt spinning)법, 가스 아토마이즈(gas atomize)법, 또는 스트립 캐스트(strip cast)법 등에 의하여 수행될 수 있다. 상기 급냉 응고 공정을 통하여, 실리콘 나노입자가 상기 매트릭스 내에 고르게 분산된 합금이 형성될 수 있다.Next, the mother alloy prepared as above is melted, and the melt is rapidly cooled and solidified. The rapid solidification process is not particularly limited, but may be performed, for example, by a melt spinning method, a gas atomize method, or a strip cast method. Through the rapid solidification process, an alloy in which silicon nanoparticles are evenly dispersed in the matrix may be formed.

상기 급냉 응고 공정은 멜트 스피닝법에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 모합금의 용해물을 고주파 유도를 사용하는 멜트 스피너 장비를 통하여 고속으로 회전하는 휠에 사출하면서 급냉 응고시킬 수 있다. 이때, 급냉 응고는 모합금의 용해물을 103 K/sec 내지 107 K/sec의 속도로 급냉하는 단계를 포함할 수 있다. The rapid solidification process may be performed by a melt spinning method. For example, the melt of the master alloy can be rapidly cooled and solidified while being injected into a wheel rotating at high speed through a melt spinner equipment using high-frequency induction. In this case, the rapid solidification may include rapidly cooling the melt of the master alloy at a rate of 10 3 K/sec to 10 7 K/sec.

모합금의 용해물은 고속 회전하는 휠에 의해 냉각되기 때문에 리본(ribbon) 형상으로 사출되며, 리본 형상 및 합금내 분포되는 실리콘 나노입자의 크기는 냉각속도에 의해 좌우된다. 미세한 실리콘 나노입자를 얻기 위하여, 예를 들어 약 1000℃/s 이상의 냉각속도로 냉각시킬 수 있다. 또한, 균일한 실리콘 나노입자를 얻기 위하여, 리본 형태의 사출물 두께를 예를 들어 5 내지 20 ㎛ 범위로 조정할 수 있으며, 더 구체적으로는 7 내지 16㎛ 범위로 리본 두께를 형성시키는 것이 좋다.master alloy Since the melt is cooled by a wheel rotating at a high speed, it is injected in the shape of a ribbon, and the shape of the ribbon and the size of silicon nanoparticles distributed in the alloy depend on the cooling rate. In order to obtain fine silicon nanoparticles, it may be cooled, for example, at a cooling rate of about 1000° C./s or more. In addition, in order to obtain uniform silicon nanoparticles, the thickness of the injection molding in the form of a ribbon can be adjusted, for example, in the range of 5 to 20 μm, and more specifically, it is preferable to form the ribbon thickness in the range of 7 to 16 μm.

이와 같이 급냉 응고시킨 리본 형태의 합금 사출물인 급냉 응고 합금을 분말 형태로 분쇄시켜 음극 활물질로 사용될 수 있다. 분쇄된 합금 분말은 D50이 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위일 수 있다. 분쇄 기술은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되어 오던 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 분쇄에 이용하는 장치로는 이에 한정되지는 않지만, 아토마이저(atomizer), 진동밀(vacuum mill), 볼밀(ball mill), 유성볼빌(planetary ball), 비즈밀(beads mill), 제트밀(jet mill) 등이 있다. 상기 분쇄는 6 시간 내지 48 시간 동안 이루어질 수 있다. As such, the rapid-solidification alloy, which is an alloy injection product in the form of a ribbon formed by rapid cooling and solidification, is pulverized into a powder to be used as an anode active material. The pulverized alloy powder may have a D50 in the range of 1 μm to 5 μm. The grinding technique may be performed by a method commonly used in the art. For example, the device used for grinding is not limited thereto, but an atomizer, a vacuum mill, a ball mill, a planetary ball, a beads mill, a jet and jet mills. The pulverization may be performed for 6 hours to 48 hours.

분쇄방법은 크게 분류하여 건식 분쇄와 습식 분쇄로 나누어지며, 어느 쪽의 방식이라도 가능하다.Grinding methods are broadly classified into dry grinding and wet grinding, and either method is possible.

다른 측면에 따른 리튬 전지는 상술한 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 리튬 전지는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 음극에 대향하여 배치되는 양극; 및 상기 음극 및 양극 사이에 배치되는 전해질;을 포함할 수 있다.A lithium battery according to another aspect includes an anode including the anode active material described above. For example, a lithium battery according to an embodiment includes an anode including the anode active material; an anode disposed to face the cathode; and an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode.

상기 음극 및 이를 포함하는 리튬 전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The negative electrode and the lithium battery including the same may be manufactured by the following method.

상기 음극은 상술한 음극 활물질을 포함하며, 예를 들어, 상술한 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 용매 중에 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조한 후, 이를 일정한 형상으로 성형하거나, 동박(copper foil) 등의 집전체에 도포하는 방법으로 제조될 수 있다.The negative electrode includes the negative electrode active material described above, and for example, the negative electrode active material composition is prepared by mixing the negative electrode active material, the binder, and optionally a conductive material in a solvent, and then forming the negative electrode active material composition into a predetermined shape or using a copper foil. ) can be prepared by applying to the current collector, such as.

상기 음극 활물질 조성물에 사용되는 바인더는, 음극 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 음극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 예를 들어 음극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 1 내지 20 중량부, 또는 1 내지 15 중량부의 범위로 바인더를 첨가할 수 있다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리벤지미다졸, 폴리이미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아닐린, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌술폰, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. The binder used in the negative active material composition is a component that assists in bonding the negative active material and the conductive material and the like to the current collector, and is added in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material. For example, the binder may be added in an amount of 1 to 30 parts by weight, 1 to 20 parts by weight, or 1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polybenzimidazole, polyimide, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydro Roxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyaniline, acrylonitrile-butadiene styrene, phenol resin, epoxy resin, polyethylene Terephthalate, polytetrafluoroethylene, polyphenylsulfide, polyamideimide, polyetherimide, polyethylenesulfone, polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polybutylene terephthalate, ethylene-propylene-diene ether polymer (EPDM) ), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluororubber, and various copolymers.

상기 음극은 상술한 음극 활물질에 도전 통로를 제공하여 전기전도성을 보다 향상시키기 위하여 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수 있다. 상기 도전재로는 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 예로 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유(예. 기상성장 탄소섬유) 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 도전재의 함량은 적당하게 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 활물질 및 도전재의 중량비가 99:1 내지 90:10 범위로 첨가될 수 있다.The negative electrode may optionally further include a conductive material in order to further improve electrical conductivity by providing a conductive path to the negative electrode active material described above. As the conductive material, any one generally used in lithium batteries may be used, and examples thereof include carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fibers (eg, vapor-grown carbon fibers); metal-based substances such as metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal fibers; A conductive material including a conductive polymer such as a polyphenylene derivative or a mixture thereof can be used. The content of the conductive material may be appropriately adjusted and used. For example, a weight ratio of the negative active material and the conductive material may be added in a range of 99:1 to 90:10.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 음극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부를 사용한다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.As the solvent, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water, etc. may be used. The amount of the solvent is 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative active material. When the content of the solvent is within the above range, the operation for forming the active material layer is easy.

또한, 상기 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 상기 집전체로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In addition, the current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ㎛. The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface. Carbon, nickel, titanium, one surface-treated with silver, an aluminum-cadmium alloy, etc. may be used. In addition, the bonding strength of the negative electrode active material may be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, and a nonwoven body.

제조된 음극 활물질 조성물을 집전체 위에 직접 코팅하여 음극 극판을 제조하거나, 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 상기 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 동박 집전체에 라미네이션하여 음극 극판을 얻을 수 있다. 상기 음극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.A negative electrode plate can be prepared by directly coating the prepared negative electrode active material composition on a current collector, or a negative electrode plate can be obtained by casting a negative electrode active material film on a separate support and laminating the negative electrode active material film peeled from the support on a copper foil collector. The negative electrode is not limited to the above-mentioned types and may be of a type other than the above-mentioned types.

상기 음극 활물질 조성물은 리튬 전지의 전극 제조에 사용될 뿐만 아니라, 유연한(flexible) 전극 기판 위에 인쇄되어 인쇄 전지(printable battery) 제조에도 사용될 수 있다.The anode active material composition is not only used for manufacturing an electrode of a lithium battery, but also printed on a flexible electrode substrate to be used for manufacturing a printable battery.

이와 별도로, 양극을 제작하기 위하여 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 준비된다. Separately, a positive electrode active material composition in which a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent are mixed in order to manufacture a positive electrode is prepared.

상기 양극 활물질로는 당해 기술 분야에서 양극 활물질로서 통상적으로 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bBbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 Fα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 F2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 Fα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 F2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:As the cathode active material, any material commonly used as a cathode active material in the art may be used. For example, Li a A 1 - b B b D 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, and 0 ≤ b ≤ 0.5); Li a E 1 - b B b O 2 - ( in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05) c D c; LiE 2 - b B b O 4 - c D c (wherein 0 ≤ b ≤ 0.5 and 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1 -b- c Co b B c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1 -b- c Co b B c O 2 F α (where 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1 -b- c Co b B c O 2 F 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1 -b- c Mn b B c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1 -b- c Mn b B c O 2 F α (where 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1 -b- c Mn b B c O 2 F 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); A compound represented by any one of the formulas of LiFePO 4 may be used:

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1 -xMnxO2x(0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), FePO4 등이다. For example, LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x=1, 2), LiNi 1 -x Mn x O 2x (0<x<1), LiNi 1 -x- y Co x Mn y O 2 (0≤ x≤0.5, 0≤y≤0.5), FePO 4 and the like.

양극 활물질 조성물에서 도전재, 바인더 및 용매는 상술한 음극 활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다. 경우에 따라서는 상기 양극 활물질 조성물 및 음극 활물질 조성물에 가소제를 더 부가하여 전극판 내부에 기공을 형성하는 것도 가능하다. 상기 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다.In the positive active material composition, the conductive material, binder, and solvent may be the same as in the case of the above-described negative active material composition. In some cases, it is also possible to form pores in the electrode plate by further adding a plasticizer to the positive active material composition and the negative active material composition. The content of the positive active material, the conductive material, the binder, and the solvent is a level commonly used in a lithium battery.

상기 양극 집전체는 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector has a thickness of 3 μm to 500 μm, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, or sintered carbon , or a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. on the surface of aluminum or stainless steel may be used. The current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, and a nonwoven body are possible.

준비된 양극 활물질 조성물은 양극 집전체 상에 직접 코팅 및 건조되어 양극 극판을 제조할 수 있다. 다르게는, 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 상기 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션하여 양극 극판을 제조할 수 있다.The prepared positive electrode active material composition may be directly coated and dried on a positive electrode current collector to manufacture a positive electrode plate. Alternatively, a positive electrode plate may be manufactured by casting the positive electrode active material composition on a separate support and then laminating a film obtained by peeling from the support on a positive electrode current collector.

상기 양극과 음극은 세퍼레이터에 의해 분리될 수 있으며, 상기 세퍼레이터로는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 적합하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 그 조합물중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직포 형태이여도 무방하다. 상기 세퍼레이터는 기공 직경이 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛인 것을 사용한다. The positive electrode and the negative electrode may be separated by a separator, and any separator commonly used in a lithium battery may be used as the separator. In particular, it is suitable that the electrolyte has a low resistance to ion movement and an excellent electrolyte moisture content. For example, as a material selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), and combinations thereof, nonwoven fabric or woven fabric may be used. The separator has a pore diameter of 0.01 to 10 μm and a thickness of generally 5 to 300 μm.

리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해액과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte consists of a non-aqueous electrolyte and lithium. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.

상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 불화에틸렌카보네이트, 에틸렌메틸렌카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로파노에이트, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 프로필아세테이트, 디메틸에스테르 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and fluorinated ethylene carbonate. , ethylene methylene carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propanoate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, dimethyl ester gamma-butylolactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, Dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl Aprotic organic solvents such as sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl pyropionate, and ethyl propionate can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polymers containing ionic dissociation groups, etc. can be used

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, etc. of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 and the like may be used.

상기 리튬염은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 리튬클로로보레이트, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등의 물질을 하나 이상 사용할 수 있다.The lithium salt may be used as long as it is commonly used in lithium batteries, and is a material that is good for dissolving in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, lithium chloro borate, lower aliphatic carboxylic One or more materials such as lithium bonate, lithium tetraphenyl borate, and imide may be used.

리튬 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 또한 리튬 일차 전지 및 리튬 이차 전지 모두 가능하다.Lithium batteries can be classified into lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries and lithium polymer batteries according to the type of separator and electrolyte used, and can be classified into cylindrical, prismatic, coin-type, pouch-type, etc. according to the shape, and the size Depending on the type, it can be divided into a bulk type and a thin film type. In addition, both a lithium primary battery and a lithium secondary battery are possible.

이들 전지의 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.Since the manufacturing method of these batteries is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

도 1에 본 발명의 일구현예에 따른 리튬 전지의 대표적인 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 1 schematically shows a representative structure of a lithium battery according to an embodiment of the present invention.

도 1를 참조하면, 상기 리튬 전지(200)는 양극(130), 음극(120) 및 상기 양극(130)와 음극(120) 사이에 배치된 세퍼레이터(140)를 포함한다. 상술한 양극(130), 음극(120) 및 세퍼레이터(140)가 와인딩되거나 접혀서 전지 용기(150)에 수용된다. 이어서, 상기 전지 용기(150)에 전해질이 주입되고 봉입 부재(160)로 밀봉되어 리튬 전지(200)가 완성될 수 있다. 상기 전지 용기(150)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 상기 리튬 전지는 리튬 이온 전지일 수 있다. Referring to FIG. 1 , the lithium battery 200 includes a positive electrode 130 , a negative electrode 120 , and a separator 140 disposed between the positive electrode 130 and the negative electrode 120 . The above-described positive electrode 130 , negative electrode 120 , and separator 140 are wound or folded and accommodated in the battery container 150 . Then, electrolyte may be injected into the battery container 150 and sealed with the encapsulation member 160 to complete the lithium battery 200 . The battery container 150 may have a cylindrical shape, a square shape, a thin film shape, or the like. The lithium battery may be a lithium ion battery.

상기 리튬 이차 전지는 전극 형태에 따라 권취(winding) 타입과 스택(stack) 타입이 있으며, 외장재의 종류에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형으로 분류될 수 있다. The lithium secondary battery has a winding type and a stack type depending on the electrode shape, and may be classified into a cylindrical shape, a prismatic shape, a coin type, and a pouch type according to the type of the exterior material.

상기 리튬 전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지를 포함하는 중대형 디바이스 전지 모듈의 단위 전지로도 사용될 수 있다.The lithium battery may be used not only in a battery used as a power source for a small device, but may also be used as a unit battery of a medium or large device battery module including a plurality of batteries.

상기 중대형 디바이스의 예로는 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 xEV; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템; 등을 들 수 있지만, 이들로서 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 리튬 전지는 고출력, 고전압 및 고온 구동이 요구되는 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.Examples of the medium and large device include a power tool; xEV, including Electric Vehicle (EV), Hybrid Electric Vehicle (HEV), and Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric golf carts; electric truck; electric commercial vehicle; or systems for power storage; Although these etc. are mentioned, It is not limited to these. In addition, the lithium battery may be used in all other applications requiring high output, high voltage and high temperature driving.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
Exemplary embodiments are described in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1 One

(음극 활물질의 제조)(Production of negative active material)

먼저 Si 및 Fe를 각각 85 원자% 및 15 원자%로 혼합한 후, 이를 진공유도 용해로(예인테크, Yein Tech., Korea)에 투입하고, 대기에 의한 산화를 최대한 억제하기 위하여 진공분위기 하에서 용해시켜 모합금(Mother Alloy)을 만들었다.First, Si and Fe were mixed at 85 atomic % and 15 atomic %, respectively, and then put into a vacuum induction melting furnace (Yein Tech., Korea), and dissolved in a vacuum atmosphere to minimize oxidation by the atmosphere. A mother alloy was made.

이와 같이 제조된 모합금을 큰 덩어리 상태로 분쇄한 후, 멜트 스피너(예인테크, Yein Tech., Korea)의 사출관 속에 넣고, 아르곤 가스 분위기 속에서 고주파 유도 가열하여 모합금을 용융시키고, 용융된 모합금을 노즐을 통해 회전하는 Cu 휠에 분사하여 리본 형태로 합금을 사출하고 급속 응고시켰다.After pulverizing the master alloy prepared in this way into a large lump, it is put into an injection tube of a melt spinner (Yein Tech., Korea), and is heated by high frequency induction heating in an argon gas atmosphere to melt the master alloy, and By spraying the master alloy on the rotating Cu wheel through a nozzle, the alloy was injected in the form of a ribbon and rapidly solidified.

생성된 합금 리본을 볼밀을 이용하여 20 시간 분쇄하는 중, 생성된 합금 리본 100 중량부 당 흑연(애경유화 사 제조) 2 중량부를 넣고 4 시간 동안 더 분쇄함으로써, 표면 상에 탄소가 불연속적으로 코팅된 실리콘계 합금 분말을 얻었다. During grinding the produced alloy ribbon for 20 hours using a ball mill, 2 parts by weight of graphite (manufactured by Aekyung Petrochemical Co., Ltd.) per 100 parts by weight of the produced alloy ribbon was added and further pulverized for 4 hours, whereby carbon was discontinuously coated on the surface A silicon-based alloy powder was obtained.

이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부였다.At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 1 part by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 1 part by weight per.

(리튬 이차 전지의 제조)(Manufacture of lithium secondary battery)

(음극의 제조)(Production of cathode)

상기 실시예 1에서 제조된 음극 활물질, 바인더로서 폴리이미드(PI), 도전재로서 탄소 도전재(denka black)를 80:10:10의 중량비로 혼합하고, 점도를 조절하기 위하여 용매 N-메틸피롤리돈을 고형분의 함량이 60 중량%가 되도록 첨가하여, 음극 활물질 조성물을 제조하였다. The negative active material prepared in Example 1, polyimide (PI) as a binder, and carbon conductive material (denka black) as a conductive material were mixed in a weight ratio of 80:10:10, and a solvent N-methylpi was used to adjust the viscosity. Rollidone was added so that the solid content was 60% by weight, thereby preparing a negative active material composition.

상기 음극 활물질 조성물을 15 ㎛ 두께의 구리 집전체 위에 통상의 방법을 사용하여 약 40 ㎛의 두께로 도포하였다. 상기 조성물이 도포된 집전체를 상온에서 건조한 후, 120℃에서 다시 한번 건조하고, 압연 및 펀칭하여 18650 규격의 셀에 적용할 음극을 제조하였다.The negative active material composition was applied to a thickness of about 40 μm using a conventional method on a copper current collector having a thickness of 15 μm. After drying the current collector coated with the composition at room temperature, drying again at 120° C., rolling and punching to prepare a negative electrode to be applied to a cell of 18650 standard.

(양극의 제조) (Manufacture of anode)

양극 활물질로서 LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2, 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 및 도전재로서 탄소 도전재(Denka Black)를 90:5:5의 중량비로 혼합하고, 점도를 조절하기 위하여 용매 N-메틸피롤리돈을 고형분의 함량이 60 중량%가 되도록 첨가하여 양극 활물질 조성물을 제조하였다 LiNi 1 /3 Co 1 /3 Mn 1 /3 O 2 as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and a carbon conductive material (Denka Black) as a conductive material are mixed in a weight ratio of 90:5:5 and N-methylpyrrolidone solvent was added to adjust the viscosity so that the solid content was 60% by weight to prepare a cathode active material composition

상기 양극 활물질 조성물을 15 ㎛ 두께의 알루미늄 집전체 위에 통상의 방법을 사용하여 약 40 ㎛의 두께로 도포하였다. 상기 조성물이 도포된 집전체를 상온에서 건조한 후, 120℃에서 다시 한번 건조하고, 압연 및 펀칭하여 18650 규격의 셀에 적용할 양극을 제조하였다.The positive active material composition was applied to a thickness of about 40 μm using a conventional method on an aluminum current collector having a thickness of 15 μm. After drying the current collector coated with the composition at room temperature, drying at 120° C. again, rolling and punching to prepare a positive electrode to be applied to an 18650 standard cell.

(리튬 이차 전지의 제조 -풀 셀(full cell))(Manufacture of lithium secondary battery-full cell)

상기 제조된 음극, 양극, 및 상기 양극과 음극 사이에 14 ㎛ 두께의 폴리프로필렌 세퍼레이터를 개재하고, 전해질을 주입하여 압축한 18650 규격의 셀을 제조하였다. 이 때, 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)의 혼합 용매(EC:DEC:FEC는 5:70:25의 부피비)에 LiPF6가 1.10M의 농도가 되도록 용해시킨 것을 사용하였다.The prepared negative electrode, the positive electrode, and a polypropylene separator having a thickness of 14 μm was interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte was injected and compressed to prepare an 18650 standard cell. At this time, the electrolyte is a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC) and fluoroethylene carbonate (FEC) (EC:DEC:FEC is a volume ratio of 5:70:25) with LiPF 6 of 1.10M What was dissolved so as to become a density|concentration was used.

실시예Example 2 2

흑연 첨가량을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 3 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 2 중량부였다.An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the graphite addition amount was changed to 3 parts by weight per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 1 part by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 2 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다. Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 3 3

흑연 첨가량을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 4 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부였다.An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the graphite addition amount was changed to 4 parts by weight per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 1 part by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 3 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 4 4

흑연 첨가량을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 5 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 4 중량부였다.An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the graphite addition amount was changed to 5 parts by weight per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 1 part by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 4 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 5 5

흑연 첨가량을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 6 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 2 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 4 중량부였다.An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the graphite addition amount was changed to 6 parts by weight per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon contained in the silicon-based alloy powder was 2 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 4 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 6 6

흑연 첨가량을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 9 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다.An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the graphite addition amount was changed to 9 parts by weight per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 3 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 6 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 7 7

흑연 첨가량을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 10 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 4 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다.An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the graphite addition amount was changed to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 4 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 6 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 8 8

상기 실시예 1에서 제조된 합금 리본을 볼밀을 이용하여 14 시간 분쇄하는 중, 생성된 합금 리본 100 중량부 당 흑연 5 중량부를 넣고 10 시간 동안 더 분쇄함으로써, 표면 상에 탄소가 불연속적으로 코팅된 실리콘계 합금 분말을 얻었다.While the alloy ribbon prepared in Example 1 was pulverized for 14 hours using a ball mill, 5 parts by weight of graphite per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon was added and further pulverized for 10 hours, whereby carbon was discontinuously coated on the surface A silicon-based alloy powder was obtained.

이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 2 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부였다At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of carbon contained in the silicon-based alloy powder was 2 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe 3 parts by weight per

이후, 실시예 4에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 4.

실시예Example 9 9

상기 실시예 1에서 제조된 합금 리본을 볼밀을 이용하여 8 시간 분쇄하는 중, 생성된 합금 리본 100 중량부 당 흑연 5 중량부를 넣고 16 시간 동안 더 분쇄함으로써, 표면 상에 탄소가 불연속적으로 코팅된 실리콘계 합금 분말을 얻었다.While the alloy ribbon prepared in Example 1 was pulverized for 8 hours using a ball mill, 5 parts by weight of graphite per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon was added and further pulverized for 16 hours, whereby carbon was discontinuously coated on the surface A silicon-based alloy powder was obtained.

이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 2 중량부였다At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 3 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe 2 parts by weight per

이후, 실시예 4에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 4.

실시예Example 10 10

흑연 대신 붕산(Aldrich 사 제조)을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 붕소 2 중량부가 첨가되도록 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 상에 붕소가 불연속적으로 형성된 실리콘계 합금 분말 형태의 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 1 중량부였다In the same manner as in Example 1, except that boric acid (manufactured by Aldrich) was added so that 2 parts by weight of boron per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon was added instead of graphite, boron was discontinuously formed on the surface of the silicon-based alloy powder. An alloy powder was obtained. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of boron contained in the silicon-based alloy powder was 1 part by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of boron coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe 1 part by weight per

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 11 11

흑연 대신 붕산(Aldrich 사 제조)을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 붕소 6 중량부가 첨가되도록 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 상에 붕소가 불연속적으로 형성된 실리콘계 합금 분말 형태의 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 2 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 4 중량부였다In the same manner as in Example 1, except that boric acid (manufactured by Aldrich) was added so that 6 parts by weight of boron per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon was added instead of graphite, boron was discontinuously formed on the surface of the silicon-based alloy powder. An alloy powder was obtained. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of boron contained in the silicon-based alloy powder was 2 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of boron coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe was 4 parts by weight per

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 12 12

흑연 대신 붕산(Aldrich 사 제조)을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 붕소 9 중량부가 첨가되도록 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 상에 붕소가 불연속적으로 형성된 실리콘계 합금 분말 형태의 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다In the same manner as in Example 1, except that boric acid (manufactured by Aldrich) was added so that 9 parts by weight of boron per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon was added instead of graphite, boron was discontinuously formed on the surface of the silicon-based alloy powder. An alloy powder was obtained. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of boron contained in the silicon-based alloy powder was 3 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of boron coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe 6 parts by weight per

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 13 13

흑연 대신 붕산(Aldrich 사 제조)을 생성된 합금 리본 100 중량부 당 붕소 10 중량부가 첨가되도록 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 상에 붕소가 불연속적으로 형성된 실리콘계 합금 분말 형태의 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 4 중량부였고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 붕소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다In the same manner as in Example 1, except that boric acid (manufactured by Aldrich) was added so that 10 parts by weight of boron per 100 parts by weight of the resulting alloy ribbon was added instead of graphite, boron was discontinuously formed on the surface of the silicon-based alloy powder. An alloy powder was obtained. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm. In addition, the content of boron contained in the silicon-based alloy powder was 4 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of boron coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe 6 parts by weight per

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

실시예Example 14 14

모합금 제조 단계에 산화철 Fe2O3 (알드리치 사 제조)를 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 2 중량부를 더 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 6, except that 2 parts by weight of iron oxide Fe 2 O 3 (manufactured by Aldrich) was further added per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe in the master alloy manufacturing step. .

이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다.At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon contained in the silicon-based alloy powder was 3 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 6 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 6에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 6, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 6.

실시예Example 15 15

모합금 제조 단계에 산화철 Fe2O3 (알드리치 사 제조)를 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 4 중량부를 더 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 6, except that 4 parts by weight of iron oxide Fe 2 O 3 (manufactured by Aldrich) was further added per 100 parts by weight of the Si and Fe in the master alloy manufacturing step. .

이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다.At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon contained in the silicon-based alloy powder was 3 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 6 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 6에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 6, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 6.

실시예Example 16 16

모합금 제조 단계에 산화철 Fe2O3 (알드리치 사 제조)를 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부를 더 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법을 사용하여 합금 분말을 얻었다. An alloy powder was obtained in the same manner as in Example 6, except that 6 parts by weight of iron oxide Fe 2 O 3 (manufactured by Aldrich) was further added per 100 parts by weight of the Si and Fe in the master alloy manufacturing step. .

이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.5 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 약 20 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 3 중량부이었고, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 6 중량부였다.At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.5 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was about 20 nm. In addition, the content of carbon contained in the silicon-based alloy powder was 3 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe, and the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 100 parts by weight of the sum of Si and Fe It was 6 parts by weight per sugar.

이후, 실시예 6에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 6, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 6.

비교예comparative example 1 (첨가 원소(A) 부존재) 1 (absence of additive element (A))

흑연을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 실리콘계 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 실리콘계 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.4 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 20 nm였다. A silicon-based alloy powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that graphite was not added. At this time, the average particle diameter (D50) of the silicon-based alloy powder was about 2.4 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 20 nm.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

비교예comparative example 2 (합금 분말 2 (alloy powder 표면 상의on the surface 첨가 원소(A) 부존재) Absence of additive element (A))

모합금 제조 시 Si 및 Fe와 동시에 Si 및 Fe의 중량의 합 100 중량부 당 흑연 5 중량부를 넣고, 이후 추가적으로 흑연을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용함으로써 내부에만 탄소가 첨가되고, 표면 상에는 탄소가 코팅되지 않은 실리콘계 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 2.7 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 25 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 5 중량부였다.By using the same method as in Example 1 except that 5 parts by weight of graphite per 100 parts by weight of the sum of the weights of Si and Fe was added at the same time as Si and Fe during the preparation of the master alloy, and graphite was not added thereafter, by using the same method as in Example 1, carbon only inside was added, and a silicon-based alloy powder with no carbon coating on the surface was obtained. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 2.7 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 25 nm. In addition, the content of carbon included in the silicon-based alloy powder was 5 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

비교예comparative example 3 (합금 분말 내부의 첨가 원소(A) 부존재) 3 (absence of additive element (A) inside alloy powder)

상기 생성된 합금 리본 분쇄 중 흑연을 투입하는 대신, 분쇄가 끝난 후 흑연을 분쇄된 합금 리본 100 중량부 당 5 중량부 첨가하여 블렌딩한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용함으로써 내부에는 탄소가 첨가되지 않고, 표면 상에만 탄소가 불연속적으로 코팅된 실리콘계 합금 분말을 얻었다. 이 때, 상기 합금 분말의 평균 입경(D50)은 약 3.0 ㎛이었고, 실리콘 나노입자의 평균 입경은 26 nm였다. 또한, 상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 당 5 중량부였다.Instead of adding graphite during pulverization of the produced alloy ribbon, 5 parts by weight of graphite per 100 parts by weight of pulverized alloy ribbon was added and blended after pulverization was completed. By using the same method as in Example 1, A silicon-based alloy powder in which carbon was not added and carbon was discontinuously coated only on the surface was obtained. At this time, the average particle diameter (D50) of the alloy powder was about 3.0 μm, and the average particle diameter of the silicon nanoparticles was 26 nm. In addition, the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder was 5 parts by weight per 100 parts by weight of the sum of Si and Fe.

이후, 실시예 1에서 제조된 합금 분말 대신 상기 합금 분말을 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
Thereafter, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alloy powder was used as an anode active material instead of the alloy powder prepared in Example 1.

(음극 활물질 분석)(Analysis of negative electrode active material)

평가예evaluation example 1: 음극 활물질의 1: of the negative active material 공극율porosity 측정 measurement

상기 실시예 1 내지 실시예 16 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 합금 분말의 내부의 공극율을 하기와 같은 방법으로 측정하였다.The porosity inside the alloy powders prepared in Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 3 was measured as follows.

먼저, 20 kN의 압력에서 측정된 합금 분말의 밀도를 구하기 위하여, 상기 합금 분말 5g을 전도도 측정 설비 MCP-PD51(미쯔비시케미칼 사 제조)에 위치시킨 후, 이를 20 kN 압력으로 압연(pressing)했을 때의 밀도를 측정하였고, 상기 측정을 5 회 반복하여 그 평균값을 합금 분말의 밀도값으로 취하였다. 이 때 측정은 25℃에서 이루어졌다. First, in order to obtain the density of the alloy powder measured at a pressure of 20 kN, 5 g of the alloy powder was placed in a conductivity measuring equipment MCP-PD51 (manufactured by Mitsubishi Chemical), and then it was rolled at a pressure of 20 kN. was measured, and the measurement was repeated 5 times, and the average value was taken as the density value of the alloy powder. At this time, the measurement was made at 25 ℃.

다음으로, 합금 분말의 진밀도를 구하기 위하여, 상기 합금 분말 5g을 준비 후 비활성 기체인 헬륨 가스를 이용한 가스 피크노미터 TM1330(Micromeritics AccuPycTM 사 제조)을 사용하여 진밀도를 측정하였고, 상기 측정을 5 회 반복하여 그 평균값을 합금 분말의 진밀도 값으로 취하였다. 이 때 측정은 25℃에서 이루어졌다. Next, in order to obtain the true density of the alloy powder, 5 g of the alloy powder was prepared and then the true density was measured using a gas pycnometer TM1330 (manufactured by Micromeritics AccuPycTM) using helium gas as an inert gas, and the measurement was performed using 5 g of the alloy powder. It was repeated several times and the average value was taken as the true density value of the alloy powder. At this time, the measurement was made at 25 ℃.

다음으로, 상기 수학식 1에 따라 합금 분말 내부의 공극율을 측정하여 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다. Next, the porosity inside the alloy powder was measured according to Equation 1, and is shown in Tables 1 and 2 below.

조성
비율
(원자%)
Furtherance
ratio
(atom%)
C 또는 B의
총함량*
(중량부)
C or B's
Total content*
(parts by weight)
O의
총함량*
(중량부)
O's
Total content*
(parts by weight)
합금 분말
내의
C 또는 B의
함량*
(중량부)
alloy powder
undergarment
C or B's
content*
(parts by weight)
합금 분말
표면
상의
C 또는 B의
함량*
(중량부)
alloy powder
surface
top
C or B's
content*
(parts by weight)
합금
분말
내의
O의
함량*
(중량부)
alloy
powder
undergarment
O's
content*
(parts by weight)
합금 분말
진밀도
(g/cc)
alloy powder
true density
(g/cc)
합금 분말
밀도
(g/cc,
@20 kN)
alloy powder
density
(g/cc,
@20 kN)
합금 분말
내부의
공극율
(%)
alloy powder
internal
porosity
(%)
SiSi FeFe CC BB CC BB CC BB 실시예 1Example 1 8585 1515 22 -- -- 1One -- 1One -- -- 3.503.50 2.282.28 34.9634.96 실시예 2Example 2 8585 1515 33 -- -- 1One -- 22 -- -- 3.693.69 2.402.40 34.8934.89 실시예 3Example 3 8585 1515 44 -- -- 1One -- 33 -- -- 3.633.63 2.472.47 32.0132.01 실시예 4Example 4 8585 1515 55 -- -- 1One -- 44 -- -- 3.603.60 2.462.46 31.7231.72 실시예 5Example 5 8585 1515 66 -- -- 22 -- 44 -- -- 3.503.50 2.522.52 27.9627.96 실시예 6Example 6 8585 1515 99 -- -- 33 -- 66 -- -- 3.583.58 2.592.59 27.6527.65 실시예 7Example 7 8585 1515 1010 -- -- 44 -- 66 -- -- 3.533.53 2.612.61 26.0626.06 실시예 8Example 8 8585 1515 55 -- -- 22 -- 33 -- -- 3.623.62 2.502.50 30.9930.99 실시예 9Example 9 8585 1515 55 -- -- 33 -- 22 -- -- 3.633.63 2.512.51 30.8330.83 실시예 10Example 10 8585 1515 -- 22 -- -- 1One -- 1One -- 3.533.53 2.302.30 34.9234.92 실시예 11Example 11 8585 1515 -- 66 -- -- 22 -- 44 -- 3.513.51 2.372.37 32.6732.67 실시예 12Example 12 8585 1515 -- 99 -- -- 33 -- 66 -- 3.593.59 2.422.42 32.5932.59 실시예 13Example 13 8585 1515 -- 1010 -- -- 44 -- 66 -- 3.563.56 2.442.44 31.3831.38 실시예 14Example 14 8585 1515 99 -- 22 33 -- 66 -- 22 3.613.61 2.652.65 26.5926.59 실시예 15Example 15 8585 1515 99 -- 44 33 -- 66 -- 44 3.593.59 2.692.69 25.0725.07 실시예 16Example 16 8585 1515 99 -- 66 33 -- 66 -- 66 3.623.62 2.752.75 24.0324.03 비교예 1Comparative Example 1 8585 1515 -- -- -- -- -- -- 3.523.52 2.232.23 36.8036.80 비교예 2Comparative Example 2 8585 1515 55 -- 55 -- -- -- 3.513.51 2.172.17 38.1038.10 비교예 3Comparative Example 3 8585 1515 55 -- -- 55 -- -- 3.593.59 2.132.13 40.5040.50

(*상기 C 또는 B의 총함량, 상기 O의 총함량, 상기 합금 분말 내의 C 또는 B의 함량, 상기 합금 분말 표면 상의 C 또는 B의 함량 및 상기 합금 분말 내의 O의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 기준으로 측정됨.)(* The total content of C or B, the total content of O, the content of C or B in the alloy powder, the content of C or B on the surface of the alloy powder, and the content of O in the alloy powder are the Si and Fe Measured based on 100 parts by weight in total.)

상기 표 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 실리콘계 합금 분말 내부에 탄소 또는 붕소가 존재하는 실시예 1 내지 실시예 13의 합금 분말의 경우, 실리콘계 합금 분말 내부에 탄소가 존재하지 않는 비교예 1의 합금 분말 및 비교예 3의 합금 분말에 비하여, 합금 분말 내부의 공극율이 낮음을 알 수 있다. 또한, 실리콘계 합금 분말 내부에만 탄소가 존재하는 비교예 2의 합금 분말의 내부의 공극율은 35% 이상을 나타내었는 데, 이는 탄소가 Si 및/또는 Fe와 합금을 형성하여 매트릭스 역할을 할 뿐 공극을 감소시키는 데에는 기여할 수 없었음을 의미한다. As shown in Table 1 and Figure 2, in the case of the alloy powder of Examples 1 to 13 in which carbon or boron is present in the silicon-based alloy powder, the alloy of Comparative Example 1 in which carbon is not present in the silicon-based alloy powder It can be seen that the porosity inside the alloy powder is lower than that of the powder and the alloy powder of Comparative Example 3. In addition, the internal porosity of the alloy powder of Comparative Example 2, in which carbon exists only inside the silicon-based alloy powder, showed 35% or more, which only serves as a matrix by carbon forming an alloy with Si and/or Fe. It means that it could not contribute to the reduction.

더불어, 실리콘계 합금 분말 내부의 탄소 또는 붕소량이 증가됨에 따라, 합금 분말 내부의 공극율이 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 실리콘계 합금 분말 내부의 탄소 또는 붕소량을 조절함으로써, 합금 분말 내부의 공극율을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, as the amount of carbon or boron inside the silicon-based alloy powder increases, it can be seen that the porosity inside the alloy powder is reduced. Therefore, by controlling the amount of carbon or boron inside the silicon-based alloy powder, it can be confirmed that the porosity inside the alloy powder can be adjusted.

또한, 실리콘계 합금 분말 내부에 산소 원자를 추가적으로 포함하는 경우, 즉, 실시예 14 내지 16은 실시예 6에 비하여 합금 분말 내부의 공극율이 더욱 낮음을 알 수 있다. 이로써, 산소 원자를 함유하는 화합물에 의하여 분말의 밀도가 낮아졌음을 확인하였다.In addition, it can be seen that when an oxygen atom is additionally included in the silicon-based alloy powder, that is, Examples 14 to 16 have lower porosity in the alloy powder as compared to Example 6. Thus, it was confirmed that the density of the powder was lowered by the compound containing oxygen atoms.

평가예evaluation example 2: 음극 활물질의 표면 및 단면 분석 2: Analysis of the surface and cross-section of the negative active material

상기 합금 분말의 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 합금 분말의 주사전자현미경 분석을 1000 배율에서 실시하였고, 그 결과를 도 3의 좌측 도면에 나타내었다.In order to confirm the shape of the alloy powder, a scanning electron microscope analysis of the alloy powder prepared in Example 1 was performed at 1000 magnification, and the results are shown in the left drawing of FIG. 3 .

도 3의 좌측 도면에서 보는 바와 같이, 합금 분말 표면 상에 아일랜드 타입의 탄소가 불연속적으로 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.As shown in the left drawing of FIG. 3 , it can be seen that island-type carbon is discontinuously coated on the surface of the alloy powder.

다음으로, 상기 합금 분말의 내부 공극율을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 3 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 합금 분말의 단면을 SEM을 이용하여 분석하였다. 구체적으로, 상기 SEM 측정은 3000 배율에서 이루어졌고, 그 결과를 도 3 내지 도 7에 나타내었다.Next, in order to confirm the internal porosity of the alloy powder, the cross-sections of the alloy powders prepared in Examples 1, 3 to 6, and Comparative Example 1 were analyzed using SEM. Specifically, the SEM measurement was made at 3000 magnification, and the results are shown in FIGS. 3 to 7 .

실리콘계 합금 분말 내부에 탄소 또는 붕소가 존재하는 실시예 1 및 실시예 3 내지 6에서 제조된 합금 분말(도 3 내지 도 6 참조)의 경우, 실리콘계 합금 분말 내부에 탄소가 존재하지 않는 비교예 1의 합금 분말(도 7 참조)에 비하여, 분말 내부의 공극이 현저히 감소함을 알 수 있다. 또한, 실리콘계 합금 분말 내부의 탄소량이 증가될수록, 분말 내부의 공극이 감소됨을 알 수 있고, 이는 평가예 1에서 측정된 공극율의 경향과 일치한다. In the case of the alloy powders prepared in Examples 1 and 3 to 6 (see FIGS. 3 to 6 ) in which carbon or boron is present in the silicon-based alloy powder, Comparative Example 1 in which carbon is not present in the silicon-based alloy powder Compared to the alloy powder (see FIG. 7), it can be seen that the voids inside the powder are significantly reduced. In addition, it can be seen that as the amount of carbon inside the silicon-based alloy powder increases, the voids inside the powder decrease, which is consistent with the trend of the porosity measured in Evaluation Example 1.

평가예evaluation example 3: 음극 활물질의 내부 성분 분석 3: Analysis of internal components of negative active material

상기 실시예 1에서 제조된 합금 분말의 합금 분말 내부의 성분을 분석하기 위하여, TEM 분석(130,000 배율)을 실시하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 성분 별 분석을 위하여, 8(a) 중 일부에 대해 명도만을 달리하여 나타내었다(도 8(b), 8(c) 및 8(d)). 상기 8(b)의 밝은 부분은 Si 입자를 나타내고, 8(d)의 밝은 부분은 탄소를 나타내고, 8(c)의 Si 및 탄소를 제외한 회색 부분이 Si와 Fe로 이루어진 화합물을 나타낸다. 도 8(a)에서 보는 바와 같이, 상기 Si와 Fe로 이루어진 화합물들(검은색으로 표시)로 이루어진 매트릭스 내에 Si 입자(회색으로 표시)가 분산되어 있고, 상기 매트릭스 내부에 비정형의 탄소(흰색으로 표시)가 위치함을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 탄소에 의하여 합금 분말 내부의 공극이 줄어들었음을 확인할 수 있다.In order to analyze the components inside the alloy powder of the alloy powder prepared in Example 1, TEM analysis (130,000 magnification) was performed, and the results are shown in FIG. 8 . For component-specific analysis, only the brightness of some of 8(a) was shown by changing ( FIGS. 8(b), 8(c) and 8(d)). The bright part in 8(b) represents Si particles, the bright part in 8(d) represents carbon, and the gray part excluding Si and carbon in 8(c) represents a compound composed of Si and Fe. As shown in FIG. 8( a ), Si particles (shown in gray) are dispersed in a matrix made of the compounds (shown in black) made of Si and Fe, and amorphous carbon (shown in white) is dispersed in the matrix. mark) was located. Therefore, it can be confirmed that the voids inside the alloy powder are reduced by the carbon.

또한, 상기 실시예 14에서 제조된 합금 분말 내부의 성분을 분석하기 위하여, HAADF-STEM 분석 및 산소 원자에 대한 에너지 분산 X선 분광 분석(Energy dispersive X-ray: EDX) 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9의 좌측 사진에서 보는 바와 같이, 상기 Si와 Fe로 이루어진 화합물들(회색으로 표시)로 이루어진 매트릭스 내에 Si 입자(검정색으로 표시)가 분산되어 있음을 알 수 있고, 이 사진에 대하여 산소 원자 EDX 분석을 실시한 결과, 산소 원자(초록색 표시)는 Si 입자와 상기 Si와 Fe로 이루어진 화합물들 사이의 계면에 골고루 분산되어 위치하고 있음을 알 수 있다(도 9의 우측 사진 참조). In addition, in order to analyze the components inside the alloy powder prepared in Example 14, HAADF-STEM analysis and energy dispersive X-ray (EDX) analysis of oxygen atoms were performed, and as a result, is shown in FIG. 9 . As shown in the left photo of FIG. 9 , it can be seen that Si particles (shown in black) are dispersed in the matrix made of the compounds (shown in gray) made of Si and Fe, and the oxygen atom EDX for this photo As a result of the analysis, it can be seen that the oxygen atoms (shown in green) are evenly dispersed and located at the interface between the Si particles and the compounds composed of Si and Fe (see the right photo of FIG. 9 ).

이 때, 산소 원자 함유 화합물의 성분을 분석하기 위하여, 상기 도 9의 우측 사진에서 초록색을 표시된 부분 중 일부에 대해 HAADF-STEM 분석(350,000 배율)을 다시 실시하여, 도 10에 나타내었다. 이후, 도 10의 실선 부분에 대하여 EDX 분석을 실시하여, 도 11에 나타내었다.At this time, in order to analyze the component of the oxygen atom-containing compound, HAADF-STEM analysis (350,000 magnification) was performed again on some of the parts indicated in green in the right photograph of FIG. 9 , and is shown in FIG. 10 . Thereafter, EDX analysis was performed on the solid line portion of FIG. 10 , and is shown in FIG. 11 .

도 11에서 보는 바와 같이, 도 10의 A 내지 B 부분에서 O의 Intensity는 증가하는 반면, Si 및 Fe의 함량은 감소되고 있는 것으로 보아, A 내지 B 부분은 산소 원자 함유 화합물임을 알 수 있다. 이 때, Gibbs의 자유 에너지를 고려한 열역학적인 관점에서 볼 때, Si과 O와의 친화력이 Fe와 O와의 친화력보다 크기 때문에 산소 원자는 Si와 먼저 결합하여 안정된 화합물을 생성할 것으로 예측된다. 구체적으로, SiO2의 -△G0 298 (25℃)는 805067 J/mol인 반면, Fe2O3의 -△G0 298 (25℃)는 744224 J/mol이므로, 상기 실시예에 따라 생성된 산소 원자 함유 화합물은 SiO2를 주로 포함하고, 일부 Fe2O3를 포함한다고 볼 수 있다. As shown in FIG. 11 , the intensity of O is increased in portions A to B of FIG. 10 , while the contents of Si and Fe are decreasing, so it can be seen that portions A to B are oxygen atom-containing compounds. At this time, from a thermodynamic point of view considering Gibbs' free energy, since the affinity between Si and O is greater than that between Fe and O, it is predicted that the oxygen atom will first combine with Si to form a stable compound. Specifically, -ΔG 0 298 of SiO 2 (25° C.) is 805067 J/mol, whereas -ΔG 0 298 of Fe 2 O 3 (25° C.) is 744224 J/mol, so it can be seen that the oxygen atom-containing compound produced according to the above embodiment mainly includes SiO 2 and some Fe 2 O 3 .

평가예evaluation example 4: 음극 활물질의 내부 및 표면의 성분 분석 4: Component analysis of the inside and surface of the negative active material

상기 실시예 4, 8 및 9에서 제조된 합금 분말의 내부의 탄소의 존재 형태 및 외부의 탄소의 존재 형태를 분석하기 위하여, X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)을 실시하여 그 결과를 도 12에 나타내었다. In order to analyze the existence form of carbon inside and the existence form of carbon outside of the alloy powders prepared in Examples 4, 8 and 9, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed and the result is shown in FIG. 12 .

XPS 그래프에서, 약 283 eV 내지 약 285 eV에 나타나는 피크는 검사 시료에 C-C 결합이 있음을 의미하고, 약 282 eV 내지 283 eV에 나타나는 피크는 검사 시료에 Si-C 결합이 존재함을 의미한다. 도 12에서 보는 바와 같이, 합금 분말에 포함된 탄소의 총 함량이 동일하다 하더라도, 실리콘계 합금 분말 표면 상에 코팅된 탄소의 함량이 높을수록 C-C 결합이 많고(실시예 4), 실리콘계 합금 분말 내부의 탄소의 함량이 높을수록 Si-C 결합이 많음을 알 수 있다(실시예 9). 이는, 상기 합금 분말 내부의 탄소는 Si와 결합하여 SiC 화합물을 형성하기 때문으로 여겨진다. In the XPS graph, a peak appearing at about 283 eV to about 285 eV means that there is a C-C bond in the test sample, and a peak appearing at about 282 eV to 283 eV means that a Si-C bond exists in the test sample. As shown in FIG. 12, even if the total content of carbon contained in the alloy powder is the same, the higher the content of carbon coated on the surface of the silicon-based alloy powder, the more CC bonds (Example 4), and the inside of the silicon-based alloy powder It can be seen that the higher the carbon content, the more Si-C bonds (Example 9). This is believed to be because carbon in the alloy powder combines with Si to form a SiC compound.

평가예evaluation example 5: 리튬 전지의 5: of lithium battery 충방전charging and discharging 이후 음극 활물질 내부 분석 Afterwards, internal analysis of the anode active material

충방전 이후, 합금 분말 내부의 탄소 물질의 변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 리튬 이차 전지를 25℃에서 1.0C rate의 전류로 4.2V(vs. Li)의 충전 종지 전압(charging cutoff voltage)까지 정전류 모드(constant current mode: CC mode)로 충전하고, 4.2V의 전압을 유지하면서 전류가 0.01C rate가 될 때까지 정전압 모드 constant voltage mode: CV mode)로 충전하였다. 이어서, 2.5V의 방전 종지 전압까지 0.2C의 정전류 모드로 방전하였다. 이후, 동일한 전류와 전압 구간에서 충방전 사이클을 100회까지 반복하고, 100회 충방전된 합금 분말의 합금 분말 내부의 TEM 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 13에 나타내었다.After charging and discharging, in order to check the change of the carbon material inside the alloy powder, the lithium secondary battery prepared in Example 1 was charged with a current of 1.0C at 25°C with a charging voltage of 4.2V (vs. Li). cutoff voltage) in a constant current mode (constant current mode: CC mode), and while maintaining a voltage of 4.2V, it was charged in a constant voltage mode (constant voltage mode: CV mode) until the current reached a rate of 0.01C. Then, it was discharged in the constant current mode of 0.2C until the discharge termination voltage of 2.5V. Thereafter, the charging/discharging cycle was repeated up to 100 times in the same current and voltage section, and TEM analysis of the alloy powder of the alloy powder charged and discharged 100 times was performed, and the results are shown in FIG. 13 .

도 13의 점선 타원 내 물질이 탄소를 의미하고, 도 13에서 보는 바와 같이, 리튬 전지의 100회 충방전 이후에도 합금 분말 내부의 탄소 원자는 유사한 형태로 존재함을 알 수 있다. 이는 합금 분말 내부의 공극에 채워진 탄소 원자에 의하여 전해액에 의해 발생할 수 있는 부반응물의 생성이 억제되었음을 의미한다.The material in the dotted ellipse of FIG. 13 means carbon, and as shown in FIG. 13 , it can be seen that the carbon atoms in the alloy powder exist in a similar form even after 100 times of charging and discharging of the lithium battery. This means that the generation of side reactants that may be generated by the electrolyte is suppressed by the carbon atoms filled in the pores inside the alloy powder.

평가예evaluation example 6: 리튬 전지의 수명 특성 평가 6: Evaluation of Lithium Battery Lifetime Characteristics

상기 실시예 1 내지 실시예 17 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 리튬 이차 전지들을 상기 평가예 5의 방법에 따라 충방전 한 후, 동일한 전류와 전압 구간에서 충방전 사이클을 100회까지 반복하여, 용량 유지율(CRR: capacity retention rate)을 측정하였다. 그 결과를 표 2, 도 2,도 14 및 도 15에 나타내었고, 이 때 용량 유지율은 하기 수학식 2로 정의된다:After charging and discharging the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 3 according to the method of Evaluation Example 5, the charge/discharge cycle is repeated up to 100 times in the same current and voltage section Thus, capacity retention rate (CRR) was measured. The results are shown in Table 2, Figure 2, Figure 14 and Figure 15, wherein the capacity retention rate is defined by the following Equation 2:

<수학식 2><Equation 2>

용량유지율[%]=[각 사이클에서의 방전용량/1st 사이클에서의 방전용량]×100Capacity retention ratio [%] = [discharge capacity in each cycle/1 discharge capacity in st cycle] x 100

조성
비율
(원자%)
Furtherance
ratio
(atom%)
C 또는 B의 총함량*
(중량부)
Total content of C or B*
(parts by weight)
O의
총함량*
(중량부)
O's
Total content*
(parts by weight)
합금
분말
내의
C 또는 B의 함량*
(중량부)
alloy
powder
undergarment
Content of C or B*
(parts by weight)
합금 분말
표면
상의
C 또는 B의
함량*
(중량부)
alloy powder
surface
top
C or B's
content*
(parts by weight)
합금
분말
내의
O의
함량*
(중량부)
alloy
powder
undergarment
O's
content*
(parts by weight)
합금 분말
내부의
공극율(%)
alloy powder
internal
Porosity (%)
CRR
(%)
CRR
(%)
SiSi FeFe CC BB CC BB CC BB 실시예 1Example 1 8585 1515 22 -- -- 1One -- 1One -- -- 34.9634.96 7272 실시예 2Example 2 8585 1515 33 -- -- 1One -- 22 -- -- 34.8934.89 7878 실시예 3Example 3 8585 1515 44 -- -- 1One -- 33 -- -- 32.0132.01 8383 실시예 4Example 4 8585 1515 55 -- -- 1One -- 44 -- -- 31.7231.72 8686 실시예 5Example 5 8585 1515 66 -- -- 22 -- 44 -- -- 27.9627.96 9494 실시예 6Example 6 8585 1515 99 -- -- 33 -- 66 -- -- 27.6527.65 9595 실시예 7Example 7 8585 1515 1010 -- -- 44 -- 66 -- -- 26.0626.06 8080 실시예 8Example 8 8585 1515 55 -- -- 22 -- 33 -- -- 30.9930.99 82.282.2 실시예 9Example 9 8585 1515 55 -- -- 33 -- 22 -- -- 30.8330.83 78.678.6 실시예 10Example 10 8585 1515 -- 22 -- -- 1One -- 1One -- 34.9234.92 7272 실시예 11Example 11 8585 1515 -- 66 -- -- 22 -- 44 -- 32.6732.67 8282 실시예 12Example 12 8585 1515 -- 99 -- -- 33 -- 66 -- 32.5932.59 7171 실시예 13Example 13 8585 1515 -- 1010 -- -- 44 -- 66 -- 31.3831.38 7070 실시예 14Example 14 8585 1515 99 -- 22 33 -- 66 -- 22 26.5926.59 9595 실시예 15Example 15 8585 1515 99 -- 44 33 -- 66 -- 44 25.0725.07 9696 실시예 16Example 16 8585 1515 99 -- 66 33 -- 66 -- 66 24.0324.03 9797 비교예 1Comparative Example 1 8585 1515 -- -- -- -- -- -- -- 36.8036.80 6969 비교예 2Comparative Example 2 8585 1515 55 -- 55 -- -- -- -- 38.1038.10 6161 비교예 3Comparative Example 3 8585 1515 55 -- -- -- 55 -- -- 40.5040.50 5555

(*상기 C 또는 B의 총함량, 상기 O의 총함량, 상기 합금 분말 내의 C 또는 B의 함량 , 상기 합금 분말 표면 상의 C 또는 B의 함량 및 상기 합금 분말 내의 O의 함량은 상기 Si 및 Fe의 합 100 중량부 기준으로 측정됨.)(* The total content of C or B, the total content of O, the content of C or B in the alloy powder, the content of C or B on the surface of the alloy powder, and the content of O in the alloy powder are the Si and Fe Measured based on 100 parts by weight in total.)

상기 표 2, 도 14 및 도 15에서 보는 바와 같이, 실리콘계 합금 분말 내부에 탄소 또는 붕소가 존재하는 실시예 1 내지 13에서 제조된 합금 분말의 경우, 실리콘계 합금 분말 내부 및 표면 둘 다에 탄소 또는 붕소가 존재하지 않는 비교예 1 내지 3의 합금 분말 또는 합금 분말에 비하여, 수명 특성이 현저히 향상됨을 알 수 있다. 또한, 실리콘계 합금 분말 내부의 탄소량 또는 붕소량이 증가될수록, 리튬 전지의 수명 특성이 향상되는 경향을 가지며, 이는 평가예 1에서 측정된 공극율의 경향과 일치한다. As shown in Table 2, FIGS. 14 and 15, in the case of the alloy powders prepared in Examples 1 to 13 in which carbon or boron is present in the silicon-based alloy powder, carbon or boron in both the interior and the surface of the silicon-based alloy powder As compared to the alloy powder or alloy powder of Comparative Examples 1 to 3 in which is does not exist, it can be seen that the life characteristics are remarkably improved. In addition, as the amount of carbon or boron in the silicon-based alloy powder increases, the lifetime characteristics of the lithium battery tend to improve, which is consistent with the trend of the porosity measured in Evaluation Example 1.

또한, 도 2에서 보는 바와 같이, 실리콘계 합금 분말 내부의 탄소량 또는 붕소량의 일정 함량에서 수명 특성이 더욱 향상되는 것을 알 수 있는 데, 이는 합금 분말 내의 일정량의 공극은 리튬 전지의 충방전에 따른 Si의 팽창에 대한 완충 역할을 하기 때문으로 여겨진다.In addition, as shown in FIG. 2 , it can be seen that the lifetime characteristics are further improved at a certain amount of carbon or boron in the silicon-based alloy powder. It is believed that this is because it serves as a buffer for the expansion of Si.

또한, 합금 분말의 포함된 탄소의 함량이 동일(실시예 4, 8 및 9)하더라도, 실리콘계 합금 분말 표면 상의 탄소의 함량이 높을수록 수명 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 내부의 공극 감소와 더불어 상기 분말 표면 상의 탄소에 의한 음극의 전기전도도의 증가에 기인하는 것으로 생각된다.In addition, even if the content of carbon contained in the alloy powder is the same (Examples 4, 8 and 9), it can be seen that the higher the carbon content on the surface of the silicon-based alloy powder, the better the lifespan characteristics. This is considered to be due to the increase of the electrical conductivity of the negative electrode by carbon on the surface of the powder together with the decrease of the internal voids.

또한, 실리콘계 합금 분말 내부에 산소 원자를 추가적으로 포함하는 경우, 즉, 실시예 14 내지 16은 실시예 6에 비하여 낮은 공극율과 동등 이상의 용량 유지율을 나타내었다. 이로써, 실리콘계 합금 분말 내부에 추가적으로 산소 원자를 포함함으로써, 이를 포함하는 음극을 채용한 리튬 전지의 수명 특성이 향상될 수 있음을 알 수 있다.In addition, when an oxygen atom is additionally included in the silicon-based alloy powder, that is, Examples 14 to 16 exhibited a lower porosity and a capacity retention rate equal to or greater than that of Example 6. Accordingly, it can be seen that by additionally including an oxygen atom in the silicon-based alloy powder, the lifespan characteristics of a lithium battery employing an anode including the same can be improved.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, the preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the drawings and examples, but these are merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible by those skilled in the art. will be able to understand Accordingly, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

120: 음극 130: 양극
140: 세퍼레이터 150: 전지 용기
160: 봉입 부재 200: 리튬 전지
120: negative electrode 130: positive electrode
140: separator 150: battery container
160: encapsulation member 200: lithium battery

Claims (23)

실리콘계 합금 분말을 포함하는 음극 활물질로서,
상기 실리콘계 합금 분말은,
실리콘(Si); 제1 금속(M1); 및 첨가 원소(A);를 포함하고,
상기 제1 금속(M1)은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga) 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택되고,
상기 첨가 원소(A)는 탄소(C), 붕소(B), 나트륨(Na), 질소(N), 인(P), 황(S) 및 염소(Cl) 중에서 1종 이상 선택되고,
상기 첨가 원소(A)는 상기 실리콘계 합금 분말의 내부 및 표면 상에 배치되고,
상기 실리콘계 합금 분말 내부의 공극율(porosity)이 20% 내지 35% 이고, 여기서 상기 공극율은 하기의 수학식 1로 표시되는 음극 활물질:
<수학식 1>
Figure 112021079048319-pat00003
.
As an anode active material comprising a silicon-based alloy powder,
The silicon-based alloy powder,
silicon (Si); a first metal (M 1 ); and an additive element (A);
The first metal (M 1 ) is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga) and germanium (Ge),
The additive element (A) is one or more selected from carbon (C), boron (B), sodium (Na), nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) and chlorine (Cl),
The additive element (A) is disposed on the inside and the surface of the silicon-based alloy powder,
The porosity inside the silicon-based alloy powder is 20% to 35%, wherein the porosity is an anode active material represented by the following Equation 1:
<Equation 1>
Figure 112021079048319-pat00003
.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이,
상기 실리콘과 상기 제1 금속(M1)을 포함하는 매트릭스;
상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및
상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가원소(A);를 포함하는 구조를 갖는 음극 활물질.
According to claim 1,
The silicon-based alloy powder,
a matrix including the silicon and the first metal (M 1 );
silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and
An anode active material having a structure including; the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder.
제2항에 있어서,
상기 매트릭스가 상기 실리콘과 상기 제1 금속(M1)으로 이루어진 화합물상을 포함하고, 상기 실리콘 나노입자가 상기 실리콘의 단일상을 포함하는 음극 활물질.
3. The method of claim 2,
The matrix includes a compound phase consisting of the silicon and the first metal (M 1 ), and the silicon nanoparticles include a single phase of the silicon.
제2항에 있어서,
상기 매트릭스 내부에 배치된 첨가 원소(A) 중 적어도 일부가 규화물(silicide)의 형태로 존재하는 음극 활물질.
3. The method of claim 2,
An anode active material in which at least a portion of the additive element (A) disposed in the matrix is present in the form of silicide.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속(M1)이 철(Fe)인 음극 활물질.
According to claim 1,
An anode active material wherein the first metal (M 1 ) is iron (Fe).
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-A 로 표시되고,
상기 실리콘계 합금 분말에서,
상기 실리콘, 및 상기 제1 금속(M1) 원자들의 총 개수를 기준으로, 상기 Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%이고,
상기 실리콘, 및 상기 제1 금속(M1)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부이고,
상기 첨가 원소(A)의 총 함량은 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량 및 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량의 합인 음극 활물질.
According to claim 1,
The silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -A,
In the silicon-based alloy powder,
Based on the silicon and the total number of atoms of the first metal (M 1 ), the content of Si is 50 atomic% to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) is 10 atomic% to 50 atoms %ego,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon and the first metal (M 1 ), the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight,
The total content of the additive element (A) is a negative active material that is the sum of the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder and the content of the additive element (A) disposed on the surface.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함하는 음극 활물질.
According to claim 1,
The anode active material wherein the silicon-based alloy powder further comprises an oxygen (O) atom.
제7항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 산소(O) 원자를 포함하는 매트릭스;
상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및
상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가 원소(A);를 포함하는 구조를 갖는 음극 활물질.
8. The method of claim 7,
The silicon-based alloy powder,
a matrix comprising the silicon, the first metal (M 1 ) and oxygen (O) atoms;
silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and
An anode active material having a structure comprising; the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder.
제8항에 있어서,
상기 매트릭스가 상기 실리콘 및 상기 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상과 상기 실리콘 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 포함하고, 상기 실리콘 나노입자가 상기 실리콘의 단일상을 포함하는 음극 활물질.
9. The method of claim 8,
The matrix includes a compound phase consisting of the silicon and the first metal (M 1 ) and a compound phase consisting of the silicon and the oxygen (O) atom, and the silicon nanoparticles include a single phase of the silicon. .
제9항에 있어서,
상기 매트릭스가 상기 제1 금속(M1) 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 더 포함하는 음극 활물질.
10. The method of claim 9,
The matrix further comprises a compound phase consisting of the first metal (M 1 ) and the oxygen (O) atoms.
제7항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-A-O로 표시되고,
상기 실리콘계 합금 분말에서,
상기 실리콘, 및 상기 제1 금속(M1) 원자들의 총 개수를 기준으로, Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%이고,
상기 실리콘, 및 상기 제1 금속(M1)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부, 상기 산소(O) 원자의 함량이 0.01 중량부 내지 50 중량부인 음극 활물질.
8. The method of claim 7,
The silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -AO,
In the silicon-based alloy powder,
Based on the silicon and the total number of atoms of the first metal (M 1 ), the content of Si is 50 atomic% to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) is 10 atomic% to 50 atomic% ego,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon and the first metal (M 1 ), the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight, and the content of the oxygen (O) atom is 0.01 parts by weight to 50 parts by weight of the negative electrode active material.
제7항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-C-B-O로 표시되고,
상기 실리콘계 합금 분말에서,
상기 실리콘, 및 상기 제1 금속(M1) 원자들의 총 개수를 기준으로, Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%이고,
상기 실리콘, 및 상기 제1 금속(M1)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 C의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부이고, 상기 B의 총 함량이 0 중량부 내지 20 중량부이고, 상기 O의 함량이 0.01 중량부 내지 50 중량부인 음극 활물질.
8. The method of claim 7,
The silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -CBO,
In the silicon-based alloy powder,
Based on the silicon and the total number of atoms of the first metal (M 1 ), the content of Si is 50 atomic% to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) is 10 atomic% to 50 atomic% ego,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon and the first metal (M 1 ), the total content of C is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight, and the total content of B is 0 parts by weight to 20 parts by weight, The negative active material having an O content of 0.01 parts by weight to 50 parts by weight.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 분말 합금이 제2 금속(M2)을 더 포함하고,
상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되는 음극 활물질.
According to claim 1,
The silicon-based powder alloy further comprises a second metal (M 2 ),
The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) an anode active material selected from among.
제13항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-M2-A로 표시되고,
상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되고,
상기 실리콘계 합금 분말에서,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, 상기 Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%, 상기 제2 금속(M2)의 함량이 0 초과 원자% 내지 10 원자%이고,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부이고,
상기 첨가 원소(A)의 총 함량은 상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량 및 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량의 합인 음극 활물질.
14. The method of claim 13,
The silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -M 2 -A,
The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) is selected from;
In the silicon-based alloy powder,
Based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), the content of Si is 50 to 90 atomic%, the first metal (M 1 ) The content is 10 atomic% to 50 atomic%, the content of the second metal (M 2 ) is more than 0 atomic% to 10 atomic%,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight,
The total content of the additive element (A) is a negative active material that is the sum of the content of the additive element (A) disposed inside the silicon-based alloy powder and the content of the additive element (A) disposed on the surface.
제14항에 있어서,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 1 중량부 내지 9 중량부인 음극 활물질.
15. The method of claim 14,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), the total content of the additive element (A) is 1 part by weight to 9 parts by weight of the negative active material.
제14항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘계 합금 분말 내에 포함된 첨가 원소(A)의 함량 이상인 음극 활물질.
15. The method of claim 14,
An anode active material in which the content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder is equal to or greater than the content of the additive element (A) contained in the silicon-based alloy powder.
제14항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말 내부에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.1 중량부 내지 4 중량부이고;
상기 실리콘계 합금 분말 표면 상에 배치된 첨가 원소(A)의 함량이 상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 0.5 중량부 내지 7 중량부인 음극 활물질.
15. The method of claim 14,
The content of the additive element (A) disposed in the silicon-based alloy powder is 0.1 parts by weight to 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ) wealth;
The content of the additive element (A) disposed on the surface of the silicon-based alloy powder is 0.5 parts by weight to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ) negative active material in parts by weight.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 분말 합금이 제2 금속(M2)을 더 포함하고,
상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함하고,
상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-M2-A-O로 표시되고,
상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되고,
상기 실리콘계 합금 분말에서,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%, 상기 제2 금속(M2)의 함량이 0 초과 원자% 내지 10 원자%이고,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 첨가 원소(A)의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부, 상기 산소(O) 원자의 함량이 0.01 중량부 내지 50 중량부인 음극 활물질.
According to claim 1,
The silicon-based powder alloy further comprises a second metal (M 2 ),
The silicon-based alloy powder further comprises an oxygen (O) atom,
The silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -M 2 -AO,
The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) is selected from;
In the silicon-based alloy powder,
Based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the content of Si is 50 to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) This 10 atomic % to 50 atomic %, the content of the second metal (M 2 ) is more than 0 atomic % to 10 atomic %,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the total content of the additive element (A) is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight, and the oxygen (O ) an anode active material having an atom content of 0.01 parts by weight to 50 parts by weight.
제18항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말이,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1), 상기 제2 금속(M2) 및 산소(O) 원자를 포함하는 매트릭스;
상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘 나노입자; 및
상기 매트릭스 내부 및 상기 실리콘계 합금 분말의 표면 상에 배치된, 상기 첨가원소(A);를 포함하는 구조를 갖고,
상기 매트릭스가 상기 실리콘 및 상기 제1 금속(M1)로 이루어진 화합물상, 상기 실리콘 및 상기 제2 금속(M2)로 이루어진 화합물상, 및 상기 실리콘 및 상기 산소(O) 원자로 이루어진 화합물상을 포함하고,
상기 실리콘 나노입자가 상기 실리콘의 단일상을 포함하는 음극 활물질.
19. The method of claim 18,
The silicon-based alloy powder,
a matrix comprising the silicon, the first metal (M 1 ), the second metal (M 2 ), and oxygen (O) atoms;
silicon nanoparticles dispersed in the matrix; and
has a structure comprising; the additive element (A) disposed in the matrix and on the surface of the silicon-based alloy powder,
The matrix includes a compound phase consisting of the silicon and the first metal (M 1 ), a compound phase consisting of the silicon and the second metal (M 2 ), and a compound phase consisting of the silicon and the oxygen (O) atoms do,
The negative active material wherein the silicon nanoparticles include a single phase of the silicon.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 분말 합금이 제2 금속(M2)을 더 포함하고,
상기 실리콘계 합금 분말이 산소(O) 원자를 더 포함하고,
상기 실리콘계 합금 분말이 Si-M1-M2-C-B-O로 표시되고,
상기 제2 금속(M2)은 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되고,
상기 실리콘계 합금 분말에서,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2) 원자들의 총 개수를 기준으로, Si의 함량이 50 원자% 내지 90 원자%, 상기 제1 금속(M1)의 함량이 10 원자% 내지 50 원자%, 상기 제2 금속(M2)의 함량이 0 초과 원자% 내지 10 원자%이고,
상기 실리콘, 상기 제1 금속(M1) 및 상기 제2 금속(M2)의 합 100 중량부를 기준으로, 상기 C의 총 함량이 0.01 중량부 내지 20 중량부이고, 상기 B의 총 함량이 0 중량부 내지 20 중량부이고, 상기 O의 함량이 0.01 중량부 내지 50 중량부인 음극 활물질.
According to claim 1,
The silicon-based powder alloy further comprises a second metal (M 2 ),
The silicon-based alloy powder further comprises an oxygen (O) atom,
The silicon-based alloy powder is represented by Si-M 1 -M 2 -CBO,
The second metal (M 2 ) is manganese (Mn), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver (Ag), tin (Sn), tantalum (Ta), and tungsten (W) is selected from;
In the silicon-based alloy powder,
Based on the total number of atoms of the silicon, the first metal (M 1 ) and the second metal (M 2 ), the content of Si is 50 atomic% to 90 atomic%, and the content of the first metal (M 1 ) This 10 atomic % to 50 atomic %, the content of the second metal (M 2 ) is more than 0 atomic % to 10 atomic %,
Based on 100 parts by weight of the sum of the silicon, the first metal (M 1 ), and the second metal (M 2 ), the total content of C is 0.01 parts by weight to 20 parts by weight, and the total content of B is 0 The negative active material is in an amount of 20 parts by weight to 0.01 parts by weight to 50 parts by weight of the O content.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 합금 분말의 평균 입경(D50)이 1 ㎛ 내지 5 ㎛인 음극 활물질.
According to claim 1,
An anode active material having an average particle diameter (D50) of the silicon-based alloy powder of 1 μm to 5 μm.
제2항에 있어서,
상기 실리콘 나노입자의 평균 입경(D50)이 10 nm 내지 150 nm인 음극 활물질.
3. The method of claim 2,
An anode active material having an average particle diameter (D50) of the silicon nanoparticles of 10 nm to 150 nm.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 음극 활물질을 포함하는 리튬 전지.A lithium battery comprising the negative active material according to any one of claims 1 to 22.
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