KR102383273B1 - Porous silicon composite comprising a carbon coating layer, preparation of the same and lithium secondary battery using the same - Google Patents

Porous silicon composite comprising a carbon coating layer, preparation of the same and lithium secondary battery using the same Download PDF

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Abstract

본 명세서에는, 다공성 실리콘 복합체로서, 다공성 실리콘 입자; 및 상기 다공성 실리콘 입자 상에 형성된 탄소 코팅층;을 포함하고, 상기 다공성 실리콘 입자는 3차원으로 배열된 기공을 가지며, 상기 다공성 실리콘 복합체의 직경은 10 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지가 개시된다. In the present specification, as a porous silicon composite, porous silicon particles; and a carbon coating layer formed on the porous silicon particles, wherein the porous silicon particles have pores arranged in three dimensions, and the porous silicon composite has a diameter of 10 to 20 nm, a porous silicon composite, Disclosed are a method for manufacturing the same and a lithium secondary battery including the same.

Description

탄소 코팅층을 포함하는 다공성 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지{POROUS SILICON COMPOSITE COMPRISING A CARBON COATING LAYER, PREPARATION OF THE SAME AND LITHIUM SECONDARY BATTERY USING THE SAME}Porous silicon composite including carbon coating layer, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery including same

본 발명은 탄소 코팅층을 포함하는 다공성 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다공성 실리콘 복합체로서, 다공성 실리콘 입자; 및 상기 다공성 실리콘 입자 상에 형성된 탄소 코팅층;을 포함하고, 상기 다공성 실리콘 입자는 3차원으로 배열된 기공을 가지며, 상기 다공성 실리콘 복합체의 직경은 10 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a porous silicon composite including a carbon coating layer, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same. More specifically, the present invention provides a porous silicon composite, comprising: porous silicon particles; and a carbon coating layer formed on the porous silicon particles, wherein the porous silicon particles have pores arranged in three dimensions, and the porous silicon composite has a diameter of 10 to 20 nm, a porous silicon composite, It relates to a method for manufacturing the same and a lithium secondary battery including the same.

휴대용 IT 기기의 발전으로, 고에너지 밀도 및 안정성을 갖고 있는 2차 전지에 대한 요구가 증대되고 있으며, 2차 전지의 사용수명 증가와 용량 증가에 대한 연구가 다수 이루어지고 있다. 최근에는 전기자동차가 등장하면서 리튬이차전지의 쓰임새가 한층 더 넓어지고 있다. 하지만 기존의 리튬이차전지에 사용되고 있는 흑연 음극은 낮은 용량 때문에 높은 에너지밀도와 경량성을 동시에 가지는 전지를 설계하는데 한계가 있다.With the development of portable IT devices, the demand for a secondary battery having high energy density and stability is increasing, and many studies have been made on the increase in the service life and capacity of the secondary battery. Recently, with the advent of electric vehicles, the use of lithium secondary batteries has been expanded. However, due to the low capacity of the graphite negative electrode used in the existing lithium secondary battery, there is a limit to designing a battery having high energy density and lightness at the same time.

이러한 흑연 음극을 대체할 수 있는 물질 중에는 흑연을 구성하는 탄소와 같은 족 원소인 실리콘(Silicon), 주석(Tin) 그리고 게르마늄(Germanium)이 있다. 그 중 실리콘은 흑연 음극보다 10배에 육박하는 높은 용량(3580 mAhg-1 for Li15Si4 at room temperature)을 구현하며, 리튬과 반응 전위가 낮고(<0.4 vs. Li/Li+), 지구상에 많은 양이 존재하여 다른 대체 물질에 비해 가격적으로 매우 유리하며, 무독성을 나타낸다. 하지만 리튬과 반응시 큰 부피팽창(>300%, Li3.75Si at room temperature)을 수반하고, 이에 따라 집전체 및 도전재로부터 활물질의 탈리가 일어나게 되어 초기 수 사이클 후 급격한 용량 저하가 일어나게 된다. 또한, 낮은 전기전도도(10-5 S/cm)로 인해서 고속(high rate) 충방전 시에도 급격한 용량 저하가 일어나게 된다.Among materials that can replace the graphite anode, there are silicon, tin, and germanium, which are elements of the same group as carbon constituting graphite. Among them, silicon realizes a high capacity (3580 mAhg -1 for Li 15 Si 4 at room temperature) nearly ten times higher than that of graphite anode, and has a low reaction potential with lithium (<0.4 vs. Li/Li + ). It is present in a large amount, so it is very advantageous in price compared to other alternative substances and shows non-toxicity. However, the reaction with lithium entails a large volume expansion (>300%, Li 3.75 Si at room temperature), and thus the active material is desorbed from the current collector and the conductive material, resulting in a rapid capacity decrease after the initial several cycles. In addition, due to the low electrical conductivity (10 -5 S/cm), a rapid decrease in capacity occurs even during high-rate charging and discharging.

그러므로 초고용량의 음극 활물질인 실리콘을 사용하기 위해서, 1) 실리콘의 부피팽창을 완화하기 위한 연구와 2) 실리콘의 전기전도도를 향상시키기 위한 방향으로 주로 연구가 진행되고 있다. 먼저, 실리콘의 부피팽창을 완화하기 위해서 벌크 실리콘(bulk silicon) 입자를 나노 입자로 분쇄하여 부피팽창시 벌크 실리콘 입자에 걸리는 스트레스를 줄이거나 다공성(porous) 구조를 도입하여 부피팽창에도 실리콘 입자가 부서지지 않도록 하는 연구가 대표적으로 진행 되었다. 등록특허 제0493960호(2005.05.30 등록)는 “다공성 실리콘 및 나노 크기 실리콘 입자의 제조 방법과 리튬이차전지용 음극 재료로의 응용”에 관한 것으로, 분말 상태의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 실리콘 다이옥사이드 등의 실리콘 전구체를 혼합하여 열처리 후, 산으로 용출시키는 기술이 제시되어 있다. 이러한 종래의 기술들은 다공성 구조로 인한 완충효과로 초기 용량유지율의 향상은 있을 수 있으나, 단순히 전도성이 떨어지는 다공성 실리콘 입자만을 사용하기 때문에 전극제조시 입자 간의 전도도가 떨어져 초기효율이나 용량유지특성이 저하되는 문제점이 여전히 존재한다. 또한, 리튬과 반응하지 않으면서 부피변화를 완충해 줄 수 있는 비활성 물질을 첨가한 활성/비활성 화합물 또는 복합재를 사용하는 방안이 연구되고 있다. 그러나, 실리콘 이외의 물질을 합금재로 사용할 경우, 최대 용량 혹은 한계 용량의 감소가 초래되기 때문에, 사이클 특성과 용량의 향상을 동시에 추구할 수 없다는 문제점이 있다.Therefore, in order to use silicon, which is an ultra-high-capacity anode active material, research is mainly conducted in the direction of 1) to alleviate the volume expansion of silicon and 2) to improve the electrical conductivity of silicon. First, in order to alleviate the volume expansion of silicon, bulk silicon particles are pulverized into nanoparticles to reduce the stress applied to the bulk silicon particles during volume expansion, or a porous structure is introduced so that silicon particles break down even during volume expansion. A representative study was carried out to prevent it from falling. Registered Patent No. 0493960 (registered on May 30, 2005) relates to “a method for manufacturing porous silicon and nano-sized silicon particles and their application as anode materials for lithium secondary batteries”, A technique of mixing a silicon precursor and heat-treating it and eluting it with an acid has been proposed. Although these conventional techniques may improve the initial capacity retention rate due to the buffering effect due to the porous structure, since they simply use porous silicon particles with poor conductivity, the conductivity between particles decreases during electrode manufacturing, resulting in lower initial efficiency or capacity retention characteristics. The problem still exists. In addition, a method of using an active/inactive compound or a composite material to which an inactive material capable of buffering a volume change without reacting with lithium is added is being studied. However, when a material other than silicon is used as an alloy material, there is a problem in that the improvement of cycle characteristics and capacity cannot be pursued at the same time because the reduction of the maximum capacity or the limit capacity is caused.

실리콘의 전기전도도를 향상시키기 위한 연구로는 주로 전도성 물질을 실리콘 표면에 코팅하는 연구가 실시되었다. 대표적으로 높은 전기 전도성을 띠는 카본을 실리콘 입자 표면에 코팅하여 개선된 사이클 및 고속 충방전 결과를 얻은 연구가 발표되었으며, 이외에도 금속, 그래핀(Graphene), 산화그래핀(Graphene Oxide), 환원 처리된 산화그래핀(Reduced Graphene Oxide)을 실리콘 입자의 표면에 코팅하여 전기 전도성을 개선시키는 연구가 진행되었다. 이러한 표면 코팅은 전기 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 불안정한 실리콘/전해액 계면을 안정화하여 사이클 특성을 향상시키는 역할도 하게 되어 실리콘을 고용량 음극활물질로 사용하기 위한 필수 요구사항이 되었다.As a study to improve the electrical conductivity of silicon, a study of coating a conductive material on the silicon surface was mainly conducted. Typically, studies have been published to obtain improved cycle and high-speed charge/discharge results by coating carbon with high electrical conductivity on the surface of silicon particles. In addition, metal, graphene, graphene oxide, and reduction treatment Research has been conducted to improve electrical conductivity by coating reduced graphene oxide on the surface of silicon particles. Such surface coating not only improves electrical conductivity, but also serves to improve cycle characteristics by stabilizing the unstable silicon/electrolyte interface, which has become an essential requirement for using silicon as a high-capacity anode active material.

실리콘의 높은 용량을 효과적으로 사용하기 위해서는 실리콘의 부피팽창과 낮은 전기전도도를 동시에 해결할 수 있는 방법이 필요하다. 따라서 높은 전기전도도를 가지면서도 실리콘의 부피팽창을 완화해 줄 수 있는 물질로 실리콘을 감싸는 것이 보다 바람직하다. 대표적으로 전도성 탄소를 실리콘 표면에 도입하는 연구가 많이 이루어졌다. In order to effectively use the high capacity of silicon, a method capable of simultaneously solving the volume expansion and low electrical conductivity of silicon is required. Therefore, it is more preferable to wrap the silicon with a material that can alleviate the volume expansion of silicon while having high electrical conductivity. Typically, many studies have been conducted to introduce conductive carbon to the silicon surface.

그러나 기존의 방법은 고온이나 고압 하에서 폭발성 및 인체에 유해한 가스(CH4, C2H4, C7H8 등)를 화학적 기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)나 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition)을 통해서 실리콘 표면에 탄소 코팅층을 도입하였는데, 상기 방법들은 공정시 위험할 뿐 아니라 고가의 설비 및 공정을 요구하여 높은 가격 등의 문제 때문에 대량 생산을 통하여 산업에 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 초기효율 및 용량 유지특성을 향상시킬 수 있는 동시에 반복해서 충/방전이 진행되어도 전압 및 전류량이 거의 일정하게 유지될 수 있는 새로운 음극 활물질의 제조가 요구되고 있다.However, the existing method is chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition) of explosive and harmful gases (CH 4 , C 2 H 4 , C 7 H 8 , etc.) under high temperature or high pressure. A carbon coating layer was introduced on the silicon surface through the above method, but these methods are not only dangerous during the process, but also require expensive equipment and processes, so it is difficult to apply to industry through mass production due to problems such as high price. Therefore, there is a demand for the manufacture of a new anode active material capable of improving initial efficiency and capacity retention characteristics and maintaining voltage and current amount almost constant even after repeated charging/discharging.

공개특허 제10-2004-0082876호Patent Publication No. 10-2004-0082876 공개특허 제10-2016-0037334호Patent Publication No. 10-2016-0037334 등록특허 제0493960호Registered Patent No. 0493960

본 발명의 일 구현예는, IT기기, 전기자동차, 신재생 에너지 저장을 위한 에너지 저장용 등에 사용되는 리튬이차전지에서 기존 흑연 음극재를 대체할 수 있는 고용량을 가진 이차전지용 음극 소재로서, 기존의 실리콘산화물, 혹은 나노 금속 실리콘의 제조 방법에 비하여 매우 간단하고 고용량의 이차전지용 음극 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.One embodiment of the present invention is an anode material for a secondary battery having a high capacity that can replace the existing graphite anode material in a lithium secondary battery used for energy storage for IT devices, electric vehicles, and renewable energy storage. An object of the present invention is to provide an anode material for a secondary battery that is very simple and has a high capacity compared to a method of manufacturing silicon oxide or nano-metal silicon.

또다른 측면에서 본 발명의 일 구현예는, 탄소층 도입으로 실리콘의 반응성 문제를 해결하고, 공정을 보다 더 간단하게 할 수 있는 데 그 목적이 있고, 입자와 입자간의 전기적 접촉성 향상과 비표면적(반응 면적)이 크게 증대되고 미세 기공이 존재함으로써 리튬 이온의 확산 경로를 단축시켜 높은 초기 방전 용량 및 충전 용량을 지니는 음극 활물질을 제공하는 데 그 목적이 있다. In another aspect, an embodiment of the present invention has an object to solve the reactivity problem of silicon by introducing a carbon layer and to make the process more simple, and to improve electrical contact between particles and specific surface area An object of the present invention is to provide an anode active material having a high initial discharge capacity and a high charge capacity by shortening the diffusion path of lithium ions by greatly increasing the (reaction area) and the presence of micropores.

또다른 측면에서 본 발명의 일 구현예는, 충·방전 과정에서 발생하는 음극 활물질의 부피 팽창 및 수축을 최소화시켜 사이클 특성의 극대화를 달성하며, 고속 충·방전 및 고출력이 가능한 음극 활물질을 제공하는 데 그 목적이 있으며, 음극 활물질과 집전체 사이의 접착성을 크게 증대시켜 기계적, 열적, 전기적 안정성이 높은 리튬이차전지용 음극을 제공하는 데 그 목적이 있다.In another aspect, one embodiment of the present invention achieves maximization of cycle characteristics by minimizing the volume expansion and contraction of the anode active material generated during the charging/discharging process, and providing an anode active material capable of high-speed charging/discharging and high output. The purpose of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery having high mechanical, thermal and electrical stability by greatly increasing the adhesion between the negative electrode active material and the current collector.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 다공성 실리콘 복합체로서, 다공성 실리콘 입자; 및 상기 다공성 실리콘 입자 상에 형성된 탄소 코팅층;을 포함하고, 상기 다공성 실리콘 입자는 3차원으로 배열된 기공을 가지며, 상기 다공성 실리콘 복합체의 직경은 10 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체를 제공한다. In an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a porous silicon composite, comprising: porous silicon particles; and a carbon coating layer formed on the porous silicon particles, wherein the porous silicon particles have three-dimensionally arranged pores, and the porous silicon composite has a diameter of 10 to 20 nm. to provide.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예에서는 전술한 다공성 실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질을 제공한다. Another exemplary embodiment of the present invention provides an anode active material including the above-described porous silicon composite.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예에서는 전술한 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 리튬이차전지를 제공한다. Another exemplary embodiment of the present invention provides a lithium secondary battery including the above-described negative active material, a conductive material and a binder.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예에서는 선택적 에칭으로 다공성 실리콘 입자를 얻는 단계; 상기 다공성 실리콘 입자 및 탄소계 고분자가 분산된 용액을 이용하여, 상기 다공성 실리콘 입자 상에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 실리콘 입자 상에 탄소 코팅층을 형성한 후, 상기 다공성 실리콘 입자를 2회 이상 열처리하는 단계;를 포함하는 다공성 실리콘 복합체 제조방법을 제공한다. Another exemplary embodiment of the present invention comprises the steps of obtaining porous silicon particles by selective etching; forming a carbon coating layer on the porous silicon particles using a solution in which the porous silicon particles and a carbon-based polymer are dispersed; and after forming a carbon coating layer on the porous silicon particles, heat-treating the porous silicon particles two or more times; provides a porous silicon composite manufacturing method comprising.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수의 기공을 포함하는 다공성 실리콘 입자 표면에 탄소 코팅층을 형성시켜, 이를 리튬이차전지 음극재용으로 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by forming a carbon coating layer on the surface of the porous silicon particle including a plurality of pores, it can be provided for a negative electrode material for a lithium secondary battery.

이는 고용량을 갖는 실리콘의 부피팽창을 억제하기 위해서 실리콘 입자를 나노화하여 리튬 확산 거리를 짧게 하여 충방전 시에 빠른 삽입과 탈리가 가능하고, 입자와 입자간의 전기적 접촉성을 향상시킬 수 있으므로, 이차전지의 고온 저장성, 수명 및 고출력 특성을 향상시킬 수 있다. In order to suppress volume expansion of silicon having a high capacity, silicon particles are made into nanoparticles to shorten the lithium diffusion distance, enabling rapid insertion and desorption during charging and discharging, and improving electrical contact between particles and particles. high-temperature storage, lifespan, and high-output characteristics can be improved.

뿐만 아니라, 상기 탄소 코팅층이 다공성 실리콘계 입자 전체를 덮어 전기 전도도가 우수하고 전극 계면 안정화에 의하여 충방전시 반응이 균일하게 이루어질 수 있다. In addition, the carbon coating layer covers the entire porous silicon-based particle, so that the electrical conductivity is excellent, and the reaction can be made uniformly during charging and discharging by stabilizing the electrode interface.

또한, 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합체 제조방법은 액상 합성법으로서, 대량 생산이 가능하며, 종래의 화학 기상 증착법 또는 증기-액체-고체법(Vapor-Liquid-Solid; VLS)에 의한 공정에 비하여 생산 속도가 빠르며, 공정면 또는 안전성 면에서 유리하다.In addition, the method for manufacturing a porous silicon composite according to the present invention is a liquid-phase synthesis method, which can be mass-produced, and has a production speed compared to a conventional chemical vapor deposition method or a vapor-liquid-solid (VLS) process. is fast, and it is advantageous in terms of process or safety.

도 1은 본 발명에 따른 다공성 실리콘계 입자 및 상기 입자 표면에 형성된 탄소 코팅층을 포함하는 음극 활물질의 제조공정 모식도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 에칭전 Si-Al 입자의 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2b는 본 발명에 따른 염화수소를 이용한 에칭 후의 실리콘/실리콘 산화물 입자의 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2c는 본 발명에 따른 플루오르화수소를 이용한 에칭 후의 다공성 실리콘 입자의 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2d는 본 발명에 따른 폴리아크릴아미드가 코팅된 다공성 실리콘 소재의 구조를 나타내는 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2e는 본 발명에 따른 1차 열처리를 걸친 탄소 코팅층 형성 전 다공성 실리콘 소재의 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2f는 본 발명에 따른 최종 열처리 온도에 따른 탄소층이 코팅된 다공성 실리콘 소재의 구조 변화를 나타내는 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 3a는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합소재들의 X선 회절 패턴(XRD) 그래프이다.
도 3b는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합소재들의 적외선 분광학(FT-IR) 그래프이다.
도 3c는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합소재들의 질소 흡·탈착 등온선이다.
도 4a는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합소재들의 열 중량 분석(TGA) 그래프이다.
도 4b는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합소재들의 열 중량 분석 후 잔류물 중량비율을 나타낸 것이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합소재들의 수명 특성(5a), 율속 특성 그래프(5b) 및 2차 열처리 온도에 따른 속도 특성(5c)이다.
도 6a 및 6b는 리튬의 삽입과 탈리 과정에 따른 마이크로 사이즈 복합체 활물질과 나노 사이즈 복합체의 형태 변화를 모식적으로 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram of a manufacturing process of an anode active material including porous silicon-based particles according to the present invention and a carbon coating layer formed on the surface of the particles.
2A is a scanning microscope (SEM) photograph of Si-Al particles before etching according to the present invention.
2B is a scanning microscope (SEM) photograph of silicon/silicon oxide particles after etching using hydrogen chloride according to the present invention.
2C is a scanning microscope (SEM) photograph of porous silicon particles after etching using hydrogen fluoride according to the present invention.
Figure 2d is a scanning microscope (SEM) photograph showing the structure of the polyacrylamide-coated porous silicone material according to the present invention.
Figure 2e is a scanning microscope (SEM) photograph of the porous silicon material before the formation of the carbon coating layer over the primary heat treatment according to the present invention.
2f is a scanning microscope (SEM) photograph showing the structural change of the carbon layer-coated porous silicon material according to the final heat treatment temperature according to the present invention.
3A is an X-ray diffraction pattern (XRD) graph of porous silicon composite materials according to the present invention.
3B is an infrared spectroscopy (FT-IR) graph of porous silicon composites according to the present invention.
3c is a nitrogen adsorption/desorption isotherm of porous silicon composite materials according to the present invention.
4A is a thermogravimetric analysis (TGA) graph of porous silicon composite materials according to the present invention.
Figure 4b shows the weight ratio of residues after thermogravimetric analysis of the porous silicon composite materials according to the present invention.
5A to 5C are life-time characteristics (5a), rate-rate characteristics graphs (5b), and rate characteristics (5c) according to the secondary heat treatment temperature of the porous silicon composite materials according to the present invention.
6A and 6B are diagrams schematically illustrating changes in the shape of the micro-sized composite active material and the nano-sized composite according to the lithium insertion and desorption processes.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

다공성 실리콘 복합체Porous Silicon Composite

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다공성 실리콘 복합체로서, 다공성 실리콘 입자; 및 상기 다공성 실리콘 입자 상에 형성된 탄소 코팅층;을 포함하고, 상기 다공성 실리콘 입자는 3차원으로 배열된 기공을 가지며, 상기 다공성 실리콘 복합체의 직경은 10 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체를 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, there is provided a porous silicon composite comprising: porous silicon particles; and a carbon coating layer formed on the porous silicon particles, wherein the porous silicon particles have three-dimensionally arranged pores, and the porous silicon composite has a diameter of 10 to 20 nm. to provide.

도 1은 본 발명의 다공성 실리콘 복합체의 개념도를 나타낸 것으로서 이를 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 실리콘 복합체는 다수의 기공을 포함하는 다공성 실리콘 입자 상(표면 또는 내부)에 탄소 코팅층을 형성하여, 종래 음극 소재의 문제점인 사이클 성능 개선 및 충방전시 부피팽창을 최소화할 수 있으며, 비수성 재료로서, 리튬이차전지의 음극활물질로 사용될 수 있다. 1 shows a conceptual diagram of the porous silicon composite of the present invention. Referring to this, the porous silicon composite according to the present invention forms a carbon coating layer on (surface or inside) porous silicon particles including a plurality of pores, so that a conventional negative electrode As a non-aqueous material, it can be used as an anode active material of a lithium secondary battery as it is possible to improve cycle performance, which is a material problem, and to minimize volume expansion during charging and discharging.

또한, 기존의 값비싼 나노 구조 합성 공정을 사용하지 않고 저렴한 원료물질로부터 나노 구조의 다공성 실리콘 음극활물질을 제조할 수 있으며, 다공성 구조로 인해 리튬 확산 거리를 줄일 수 있어 리튬 이온을 빠르게 전달할 수 있다.In addition, it is possible to manufacture a nanostructured porous silicon negative electrode active material from an inexpensive raw material without using the existing expensive nanostructure synthesis process, and the lithium diffusion distance can be reduced due to the porous structure, so that lithium ions can be delivered quickly.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 아미노기 또는 아미노 알킬기를 포함하는 탄소계 고분자를 포함할 수 있고, 양전하를 갖는 아미노기에 의해 기능화된 실리콘 나노입자들은 양전하들끼리의 반발력에 의해 응집을 억제하여 큰 입자로 성장하는 것을 막아 줄 수 있다. 또한, 탄소 전구체를 추가로 도입하지 않고 열처리를 통해서 다공성 구조를 유지한 상태로 탄소 코팅을 할 수 있다. In exemplary embodiments, the carbon coating layer may include a carbon-based polymer including an amino group or an amino alkyl group, and silicon nanoparticles functionalized by an amino group having a positive charge suppress aggregation by a repulsive force between positive charges. This can prevent the growth of large particles. In addition, carbon coating may be performed while maintaining the porous structure through heat treatment without additionally introducing a carbon precursor.

결과적으로, 아미노기 또는 아미노 알킬기를 포함하는 탄소계 고분자를 포함함으로써, 종래의 금속산화물 나노복합체에 비해 전기 전도도 향상 및 부피팽창을 완화하여 리튬이온 전지의 용량 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. As a result, by including a carbon-based polymer including an amino group or an amino alkyl group, the capacity and stability of the lithium ion battery can be further improved by improving electrical conductivity and reducing volume expansion compared to the conventional metal oxide nanocomposite.

상기 중량비가 5:1 미만인 경우 전기 전도도의 상승 효과가 미미하고, 음극 활물질 적용시 전해액과의 반응성이 높아 초기 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 1:1 초과인 경우 탄소 코팅층의 두께가 증가하여 리튬 이온의 이동성에 장애가 되어 저항이 증가 할 수 있다. When the weight ratio is less than 5:1, the synergistic effect of electrical conductivity is insignificant, and when the negative active material is applied, the reactivity with the electrolyte is high, so there may be a problem of lowering the initial efficiency, and when it is more than 1:1, the thickness of the carbon coating layer increases This may impede the mobility of lithium ions and increase resistance.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 탄소 코팅층을 포함하는 다공성 실리콘 복합체의 비표면적은 60 m2/g 이상일 수 있다. In exemplary embodiments, the specific surface area of the porous silicon composite including the carbon coating layer may be 60 m 2 /g or more.

다공성 실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질 및 리튬이차전지Anode active material and lithium secondary battery containing porous silicon composite

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 다공성 실리콘 복합체를 포함하는 음극 활물질을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, an anode active material including the above-described porous silicon composite is provided.

예시적인 구현예에서, 상기 음극 활물질은 Sn, Al, Ge, Pb, Zn, Co, Cu, Ti, Ni, Li, Ag 및 Au로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금, 산화물을 더 포함할 수 있다. In an exemplary embodiment, the negative active material is one or more metals selected from the group consisting of Sn, Al, Ge, Pb, Zn, Co, Cu, Ti, Ni, Li, Ag and Au, or alloys and oxides thereof. may include

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 리튬이차전지를 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, a lithium secondary battery including the above-described negative active material, a conductive material and a binder is provided.

다공성 실리콘 복합체 제조방법Method for manufacturing porous silicon composite

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 선택적 에칭으로 다공성 실리콘 입자를 얻는 단계; 상기 다공성 실리콘 입자 및 탄소계 고분자가 분산된 용액을 이용하여, 상기 다공성 실리콘 입자 상에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 실리콘 입자 상에 탄소 코팅층을 형성한 후, 상기 다공성 실리콘 입자를 2회 이상 열처리하는 단계;를 포함하는 다공성 실리콘 복합체 제조방법을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, the method includes the steps of: obtaining porous silicon particles by selective etching; forming a carbon coating layer on the porous silicon particles using a solution in which the porous silicon particles and a carbon-based polymer are dispersed; and after forming a carbon coating layer on the porous silicon particles, heat-treating the porous silicon particles two or more times; provides a porous silicon composite manufacturing method comprising.

도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 이를 참조하면, 실리콘과 알칼리 금속으로 이루어진 합금 분말로 선택적 에칭을 수행하여 미세 기공을 가지는 다공성 실리콘 입자를 제조할 수 있다. 이후 액상 합성법을 이용하여 복잡한 공정 없이 상기 다공성 실리콘 입자에 탄소 코팅층을 형성할 수 있다. 그 후, 탄소 코팅층이 형성된 다공성 실리콘 입자를 2회 이상 열처리 함으로써, 고분자의 급격한 휘발 과정을 억제하고, 탄화수율을 증가시킬 수 있다. 1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a porous silicon composite according to an embodiment of the present invention. Referring to this, it is possible to prepare porous silicon particles having micropores by performing selective etching with an alloy powder made of silicon and an alkali metal. Thereafter, a carbon coating layer can be formed on the porous silicon particles without a complicated process by using a liquid phase synthesis method. After that, by heat-treating the porous silicon particles having the carbon coating layer formed thereon twice or more, it is possible to suppress the rapid volatilization of the polymer and increase the carbonization yield.

예시적인 구현예에서, 상기 탄소계 고분자는 아미노기 또는 아미노 알킬기를 포함하는 탄소계 고분자를 포함할 수 있고, 양전하를 갖는 아미노기에 의해 기능화된 실리콘 나노입자들은 양전하들끼리의 반발력에 의해 나노입자가 너무 크게 성장하거나 응집하여 큰 입자가 되는 것을 막아 줄 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon-based polymer may include a carbon-based polymer including an amino group or an amino alkyl group, and the silicon nanoparticles functionalized by the amino group having a positive charge are too large due to the repulsive force between the positive charges. It can prevent them from growing large or agglomerated to become large particles.

예시적인 구현예에서, 다공성 실리콘 입자 및 상기 탄소계 고분자의 중량비는 5:1 내지 1:1일 수 있고, 또는 4:1 내지 2:1일 수 있다. 상기 중량비가 5:1 미만인 경우 전기 전도도의 상승 효과가 미미하고, 음극 활물질 적용시 전해액과의 반응성이 높아 초기 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 1:1 초과인 경우 탄소 코팅층의 두께가 증가하여 리튬 이온의 이동성에 장애가 되어 저항이 증가 할 수 있다. In an exemplary embodiment, the weight ratio of the porous silicon particles and the carbon-based polymer may be 5:1 to 1:1, or 4:1 to 2:1. When the weight ratio is less than 5:1, the synergistic effect of electrical conductivity is insignificant, and when the negative active material is applied, the reactivity with the electrolyte is high, so there may be a problem of lowering the initial efficiency, and when it is more than 1:1, the thickness of the carbon coating layer increases This may impede the mobility of lithium ions and increase resistance.

예시적인 구현예에서, 상기 열처리하는 단계는 2회 이상 연속으로 이루어질 수 있으며, 고분자의 급격한 휘발 과정을 억제하고, 탄화수율을 증가시킬 수 있다. In an exemplary embodiment, the heat treatment may be performed continuously two or more times, suppressing the rapid volatilization of the polymer, and increasing the carbonization yield.

예시적인 구현예에서, 상기 열처리하는 단계는, 200 내지 350 ℃에서 1차 열처리하는 단계; 및 700 내지 900 ℃에서 2차 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다. 저온에서의 열처리를 통해 가교결합이 이루어지고, 고온 열처리를 통하여 열적으로 안정하여 탄소 함량이 증가된 나노급 사이즈의 탄화막이 형성 되어 전도성을 높일 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may include primary heat treatment at 200 to 350 °C; and secondary heat treatment at 700 to 900 °C. Crosslinking is achieved through heat treatment at a low temperature, and a nano-sized carbonized film with an increased carbon content is formed through high temperature heat treatment, which is thermally stable to increase conductivity.

예시적인 구현예에서, 상기 1차 열처리 하는 단계 및 2차 열처리 하는 단계는 각각 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. In an exemplary embodiment, the first heat treatment and the second heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours, respectively.

예시적인 구현예에서, 상기 선택적 에칭으로 다공성 실리콘 입자를 얻는 단계는, Al-Si 마이크로 입자를 염화수소로 에칭하여 수행될 수 있다. In an exemplary embodiment, the step of obtaining the porous silicon particles by the selective etching may be performed by etching the Al-Si microparticles with hydrogen chloride.

이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following practice. However, the examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example

[실시예 1: 탄소 코팅층을 포함한 다공성 실리콘 복합체 제조][Example 1: Preparation of porous silicon composite including carbon coating layer]

다공성 실리콘 제조Porous Silicone Manufacturing

Al-Si(8.8:1.2) 합금 분말을 3 M 염화수소 100 ml 용액에 담가 혼합하고 교반하여 24시간 동안 에칭한 후, 충분하게 세정하고 여과하였다. 여과된 결과물을 100 ℃에서의 건조로에서 2시간 동안 건조하여 다공성 실리콘/실리콘산화물(PSi/SiOx) 입자를 얻었다.Al-Si (8.8:1.2) alloy powder was immersed in 100 ml of 3 M hydrogen chloride solution, mixed, and etched for 24 hours by stirring, then sufficiently washed and filtered. The filtered resultant was dried in a drying furnace at 100° C. for 2 hours to obtain porous silicon/silicon oxide (PSi/SiOx) particles.

그 후, 다공성 실리콘/실리콘산화물 입자를 5% 플루오르화 수소 100 ml 용액에 담가 혼합하고 교반하여 5시간 동안 에칭한 후, 충분하게 세정하고 여과하였다. 여과된 결과물을 100 ℃에서의 건조로에서 2시간 동안 건조하여 다공성 실리콘(PSi) 입자를 얻었다.Thereafter, the porous silicon/silicon oxide particles were immersed in a 5% hydrogen fluoride 100 ml solution, mixed, and etched for 5 hours by stirring, followed by sufficient washing and filtration. The filtered resultant was dried in a drying furnace at 100° C. for 2 hours to obtain porous silicon (PSi) particles.

탄소 코팅층을 포함한 다공성 실리콘 복합체 제조(PSiPAM-280/800)Porous silicon composite including carbon coating layer (PSiPAM-280/800)

상기 다공성 실리콘 입자 및 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide) 용액을 75:25 중량부로 혼합하여, 폴리아크릴아미드 용액에 다공성 실리콘 입자를 분산시키고, 100 ℃에서의 건조로에서 2시간 동안 건조하여 고분자로 코팅된 다공성 실리콘 복합체(PSiPAM)를 제조하였다. The porous silicone particles and the polyacrylamide (Polyacrylamide) solution are mixed in 75:25 parts by weight, the porous silicone particles are dispersed in the polyacrylamide solution, and dried in a drying furnace at 100° C. for 2 hours. The polymer-coated porous silicone A complex (PSiPAM) was prepared.

상기 제조된 고분자로 코팅된 다공성 실리콘 복합체를 압축공기 분당 5~20 ml의 유속으로 공급하고, 분당 1 ℃의 승온 속도로 280 ℃에서 1시간 동안 1차 열처리를 한 후, 이를 불활성 기체(N2, Ar 기체) 분위기 하에서 분당 5 ℃의 승온속도로 800 ℃의 온도에서 1시간 동안 2차 열처리하여 탄소 코팅층을 포함한 다공성 실리콘 복합체(PSiPAM-280/800)를 제조하였다. The prepared polymer-coated porous silicon composite is supplied with compressed air at a flow rate of 5 to 20 ml per minute, and the primary heat treatment is performed at 280 ° C. for 1 hour at a temperature increase rate of 1 ° C. per minute, followed by an inert gas (N 2 , Ar gas), a porous silicon composite (PSiPAM-280/800) including a carbon coating layer was prepared by performing secondary heat treatment at a temperature of 800 °C for 1 hour at a temperature increase rate of 5 °C per minute.

비교예 1. 탄소 코팅층을 제외한 다공성 실리콘 복합체 제조(PSi280/800)Comparative Example 1. Preparation of porous silicon composite excluding carbon coating layer (PSi280/800)

본 발명에 따른 탄소 코팅층을 제외한 다공성 실리콘 복합체(PSi280/800)는 다공성 실리콘원으로서 동일하게 상기 Al-Si 입자를 사용하였고, 상기 PSiPAM-280/800 제조에서 고분자 폴리아크릴아미드 코팅을 제외하고는 동일한 과정으로 제조하였다.The porous silicon composite (PSi280/800) except for the carbon coating layer according to the present invention used the same Al-Si particles as the porous silicon source, and the same except for the polymer polyacrylamide coating in the PSiPAM-280/800 production. prepared by the process.

비교예 2. 1차 열처리를 제외한 다공성 실리콘 복합체 제조(PSiPAM-800)Comparative Example 2. Preparation of porous silicon composite except for primary heat treatment (PSiPAM-800)

본 발명에 따른 탄소 코팅층을 포함한 다공성 실리콘 복합체(PSiPAM-280/800)의 보다 높은 리튬 이온 저장능력을 비교하기 위하여 PSiPAM-800을 제조하였다. PSiPAM-800은 다공성 실리콘원으로서 동일하게 상기 Al-Si 입자를 사용하였고, 고분자 역시 폴리아크릴아미드를 사용하였으며, 상기 PSiPAM-280/800 제조에서 1차 열처리 과정을 제외하고는 동일한 과정으로 제조하였다.To compare the higher lithium ion storage capacity of the porous silicon composite (PSiPAM-280/800) including the carbon coating layer according to the present invention, PSiPAM-800 was prepared. PSiPAM-800 used the same Al-Si particles as the porous silicon source, and polyacrylamide was also used for the polymer.

비교예 3. 2차 열처리 온도에 따른 복합체 제조Comparative Example 3. Composite preparation according to secondary heat treatment temperature

2차 열처리 온도(600, 700, 900, 1000 ℃)에 따라 다공성 실리콘 복합체를 제조하였고, 2차 열처리 온도 조건을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예(PSiPAM-280/600, PSiPAM-280/700, PSiPAM-280/900, PSiPAM-280/1000)를 제조하였다. A porous silicon composite was prepared according to the secondary heat treatment temperature (600, 700, 900, 1000 ° C.), and Comparative Examples (PSiPAM-280/600, PSiPAM-280) were prepared in the same manner as in Example 1 except for the secondary heat treatment temperature condition. /700, PSiPAM-280/900, PSiPAM-280/1000) were prepared.

실험예 1. 표면 및 구조 특성 평가Experimental Example 1. Evaluation of Surface and Structural Characteristics

(1) SEM 분석 결과(1) SEM analysis result

도 2a-2f에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 실리콘 복합체의 표면 및 다수의 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 2a(Al-Si로 표시)에 나타난 바와 같이, Al-Si 마이크로 입자는 ~10 nm 크기로 Si과 Al이 서로 고르게 혼합되어 있는 구형 형태임을 알 수 있다. As shown in FIGS. 2A-2F , it can be confirmed that the surface of the porous silicon composite according to an embodiment of the present invention and a plurality of pores are formed. As shown in FIG. 2a (indicated by Al-Si), it can be seen that the Al-Si microparticles have a spherical shape in which Si and Al are evenly mixed with each other with a size of ~10 nm.

도 2b (PSi/SiOx)에 나타난 바와 같이, 염화수소 에칭에 의해 선택적으로 알루미늄이 제거되면서 수 백 nm 크기의 실리콘/실리콘 산화물 결정 입자와 함께 표면에 미세한 기공이 생성된 것을 확인 할 수 있다. As shown in FIG. 2b (PSi/SiOx), it can be confirmed that, while aluminum is selectively removed by hydrogen chloride etching, fine pores are generated on the surface together with silicon/silicon oxide crystal particles having a size of several hundred nm.

도 2c(PSi)에 나타난 바와 같이, 플루오르화 수소 에칭에 의해 선택적으로 실리콘 산화물이 제거되면서 수 백 nm 크기의 실리콘 결정 입자와 함께 표면에 미세한 기공이 생성된 것을 확인 할 수 있다.As shown in FIG. 2c (PSi), it can be confirmed that silicon oxide is selectively removed by hydrogen fluoride etching, and fine pores are generated on the surface together with silicon crystal particles having a size of several hundred nm.

도 2d(PSiPAM)에 나타난 바와 같이, 고분자가 다공성 실리콘 입자들을 둘러싼 것을 확인 할 수 있다. 도 2e(PSiPAM-280), 2f(PSiPAM-280/800)에 나타난 바와 같이, 다공성 실리콘 표면의 폴리아크릴아미드를 연속 열처리(1차, 2차)하여 얻은 탄소층이 코팅된 다공성 실리콘 소재는 10 ~ 20 nm 직경을 가지며 미세한 기공도 존재하는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 2d (PSiPAM), it can be confirmed that the polymer surrounds the porous silicon particles. As shown in FIGS. 2e (PSiPAM-280) and 2f (PSiPAM-280/800), the carbon layer-coated porous silicon material obtained by continuous heat treatment (primary, secondary) of polyacrylamide on the porous silicon surface is 10 It was confirmed that it has a diameter of ~ 20 nm and also has fine pores.

구체적으로, 2차 열처리 후 실리콘 주변의 고분자가 탄화막으로 형성되면서 부분적으로 기공이 생성되어 가지 형태의 미세구조가 더 많이 관찰되는 것을 알 수 있다.Specifically, it can be seen that after the secondary heat treatment, as the polymer around the silicon is formed into a carbonized film, pores are partially created, and thus more branched microstructures are observed.

(2) XRD 분석 특성(2) XRD analysis characteristics

도 3a는 실시예 1과 비교예 2에서 제조한 다공성 실리콘 복합소재의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 3a를 참조하면, Silicon의 주요 피크인 2θ°, 47.3°, 56.1°, 69.1°, 76.4°, 88.1°가 나타났으며, 각각의 피크는 (111), (002), (101), (220)의 결정면을 나타냈다. Figure 3a is a graph showing the XRD pattern of the porous silicon composite material prepared in Example 1 and Comparative Example 2. Referring to FIG. 3a, silicon's main peaks of 2θ°, 47.3°, 56.1°, 69.1°, 76.4°, and 88.1° were shown, and each of the peaks was (111), (002), (101), ( 220) was shown.

(3) FT-IR 분석 특성 (3) FT-IR analysis characteristics

도 3b는 실시예1과 비교예 2의 샘플들의 고분자와 탄소의 코팅층을 확인하기 위해서 적외선 분광기를 이용하여 분석하였다. 열처리를 통해 얻은 소재의 경우 스펙트럼이 1663 cm-1에서 C=O 피크를 보였으며, 이는 다공성 실리콘 표면의 폴리아크릴아미드가 열처리되는 과정에서 탄소층으로 만들어졌다는 것을 확인할 수 있었다.Figure 3b was analyzed using an infrared spectrometer to confirm the coating layer of the polymer and carbon of the samples of Example 1 and Comparative Example 2. In the case of the material obtained through heat treatment, the spectrum showed a C=O peak at 1663 cm -1 , confirming that the polyacrylamide on the porous silicon surface was made into a carbon layer during the heat treatment process.

(4) BET 분석 특성(4) BET analysis characteristics

도 3c는 실시예 1과 비교예 2의 샘플들의 질소 흡착/탈착 시험을 통하여 나타내는 등온선이며, 이를 통해 계산된 샘플의 비표면적을 하기 표 1에 나타내었다.3C is an isotherm shown through a nitrogen adsorption/desorption test of the samples of Example 1 and Comparative Example 2, and the calculated specific surface area of the sample is shown in Table 1 below.

다공성 실리콘 복합소재들의 비표면적Specific surface area of porous silicon composites 샘플Sample PSiPAMPSIPAM PSiPAM-280PSiPAM-280 PSiPAM-280/800PSiPAM-280/800 PSiPAM-800PSiPAM-800 비표면적 (m2/g)specific surface area (m 2 /g) 2929 3434 6161 5252

상기 표 1을 참조하면, 열처리 과정에 따라 제조된 재료의 비표면적에 차이가 있다는 것을 확인할 수 있다. 기공분포분석을 통해 PSiPAM-280/800 입자에서 61 m2/g의 가장 높은 비표면적을 보이는 것은 균일한 크기의 기공을 가지는 다공성 구조가 형성된 것으로 해석된다. 최종 열처리에 의한 PSiPAM-280/800의 비표면적이 2배가량 증가하였으며, 이는 리튬이온의 확산 거리를 짧게 하여 충방전 시에 빠른 삽입과 탈리가 가능하고, 수명 및 고출력 특성을 향상시킬 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that there is a difference in the specific surface area of the manufactured material according to the heat treatment process. The highest specific surface area of 61 m 2 /g in PSiPAM-280/800 particles through pore distribution analysis is interpreted as the formation of a porous structure with uniformly sized pores. The specific surface area of PSiPAM-280/800 by the final heat treatment has been increased by about 2 times, which shortens the diffusion distance of lithium ions, enabling fast insertion and desorption during charging and discharging, and improving lifespan and high output characteristics.

(5) TGA 분석 특성(5) TGA analysis characteristics

실리콘 및 실리콘 이외의 소재에 대한 함량을 조사하기 위해 열 중량 분석을 하였으며 이에 대한 결과를 도 4a 및 4b에 나타내었다. 공기 분위기 하에서 승온 속도를 5 ℃/min으로 가열하면서 ~1000 ℃까지 측정한 결과, 400 ~ 600 ℃ 부근에서 무게 변화가 급격히 일어났음이 관찰되었다. PSiPAM-280/800의 경우 600℃가 넘는 부근에서 열분해를 나타내는 것은 복합소재의 열적 안정성에 기인한 것으로 보인다. Thermogravimetric analysis was performed to investigate the content of silicon and materials other than silicon, and the results are shown in FIGS. 4A and 4B. As a result of measuring up to ~1000 °C while heating the temperature increase rate at 5 °C/min in an air atmosphere, it was observed that a rapid change in weight occurred near 400 to 600 °C. In the case of PSiPAM-280/800, the thermal decomposition in the vicinity of over 600°C appears to be due to the thermal stability of the composite material.

또한 잔류물의 중량비율은 실시예 1 (PSiPAM-280/800)과 비교예 2 (PSiPAM-800)가 각각 5.7중량%, 2.6중량%의 비율임을 확인하였다. 이는 1차 열처리를 수행함으로써 고분자의 급격한 휘발 과정을 억제하여, 탄화 수율이 증가하였음을 확인할 수 있다.In addition, it was confirmed that the weight ratio of the residue was 5.7 wt% and 2.6 wt% in Example 1 (PSiPAM-280/800) and Comparative Example 2 (PSiPAM-800), respectively. It can be confirmed that the carbonization yield is increased by suppressing the rapid volatilization process of the polymer by performing the first heat treatment.

구체적으로, 일반적으로 고온 열처리(탄화)만을 진행하는데, 추가된 저온에서의 열처리로 가교결합으로 고온 열처리에서 열적으로 안정하여 탄소 함량이 증가된 나노급 사이즈의 탄화막 형성이 되어 전도성을 높일 수 있다. 장비 및 공정 방식 변경 없이 하나의 장비에서 온도 변수만 조절하기에 연속 공정이라 할 수 있다.Specifically, in general, only high-temperature heat treatment (carbonization) is carried out, and the added heat treatment at low temperature cross-links to form a nano-sized carbonized film with increased carbon content, which is thermally stable in high-temperature heat treatment, thereby increasing conductivity. . It can be said to be a continuous process because only the temperature variable can be controlled in one equipment without changing the equipment and process method.

제조예 1. 전극의 제조 및 리튬이온 이차전지 셀의 구성Preparation Example 1. Preparation of electrodes and configuration of lithium ion secondary battery cells

실시예 1과 비교예 1, 2, 3에서 얻어진 다공성 실리콘 복합소재를 각각 리튬이차전지의 음극으로 이용하는 경우의 차이를 알아보기 위해 전극으로 제조하였으며, 전극의 조성은 음극 활물질 80 wt%, 도전재 10 wt%, 바인더 10 wt%의 비율로 넣어 혼합하였다. The porous silicon composite material obtained in Example 1 and Comparative Examples 1, 2, and 3 was prepared as an electrode in order to examine the difference between using each as an anode of a lithium secondary battery, and the composition of the electrode was 80 wt% of a negative electrode active material, and a conductive material 10 wt%, the binder was mixed in a ratio of 10 wt%.

상기 제조된 음극 및 양극 리튬헥사플루오르포스페이트 (Lithium Hexafluorophosphate, LiPF6)와 1:1 vol%의 에틸렌카보네이트 (Ethylene Carbonate, EC)/디메틸카보네이트 (Dimethyl Carbonate, DMC) 액체전해질로 구성되는 코인셀을 제조하고 상기 코인셀에 대해 충방전기를 이용 충방전실험을 실시하여 제조된 리튬이차전지의 음극으로써 충방전용량 및 사이클 특성을 조사하였다.A coin cell composed of the prepared negative electrode and positive electrode lithium hexafluorophosphate (Lithium Hexafluorophosphate, LiPF 6 ) and 1:1 vol% ethylene carbonate (Ethylene Carbonate, EC) / dimethyl carbonate (Dimethyl Carbonate, DMC) liquid electrolyte was prepared And the charge-discharge capacity and cycle characteristics were investigated as a negative electrode of a lithium secondary battery prepared by conducting a charge-discharge experiment using a charge/discharger for the coin cell.

실시예 1 및 비교예 1, 2, 3의 복합체를 이용하여 제조한 리튬이차전지 음극을 이용하여 Won-A tech사의 WBCS3000L 충방전 기기를 사용하여 충방전 실험을 하였다. 충방전은 200 mAh/g의 전류로 0.005 내지 2.0 V의 전압 범위에서 수행하였다.Using the lithium secondary battery negative electrode prepared by using the composite of Example 1 and Comparative Examples 1, 2, and 3, a charge/discharge experiment was conducted using a WBCS3000L charge/discharge device manufactured by Won-A tech. Charging and discharging was performed in a voltage range of 0.005 to 2.0 V with a current of 200 mAh/g.

실험예 2. 전기화학적 특성 평가Experimental Example 2. Evaluation of electrochemical properties

실시예 1 및 비교예 1, 2에 따른 리튬이차전지의 충방전 결과를 도 5a에 나타내었다. 도 5a에서 나타난 듯이, 실시예 1의 PSiPAM-280/800의 경우 2107 mAh/g의 음극 초기용량을 나타낸 반면, 비교예 1, 2인 PSi280/800과 PSiPAM800은 2018 mAh/g, 1469 mAh/g의 음극 초기용량을 각각 나타내고 있다. 초기 쿨롱 효율의 경우, PSiPAM-280/800은 74%, PSi280/800은 56%, PSiPAM800은 63%를 보여주고 있다. 따라서 PSiPAM-280/800의 초기 용량과 초기 쿨롱 효율이 높음을 알 수 있다. 또한 전극의 사이클 특성 결과에서 알 수 있듯이 비교예 1, 2 전극인 PSi280/800, PSiPAM800은 100회 충방전 결과에서 불안정한 사이클 특성과 낮은 용량을 보이고 있다. 반면에 PSiPAM-280/800 전극은 이론용량 372 mAh/g을 갖는 흑연보다 약 3.5배 높은 용량인 1400 mAh/g을 유지하고 싸이클이 증가할수록 안정적인 용량감소를 보이고 있다.The charging and discharging results of the lithium secondary batteries according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIG. 5A . As shown in Fig. 5a, PSiPAM-280/800 of Example 1 showed an initial negative electrode capacity of 2107 mAh/g, while PSi280/800 and PSiPAM800 of Comparative Examples 1 and 2 had 2018 mAh/g and 1469 mAh/g. The initial capacity of the negative electrode is shown respectively. In the case of initial coulombic efficiency, PSiPAM-280/800 shows 74%, PSi280/800 shows 56%, and PSiPAM800 shows 63%. Therefore, it can be seen that the initial capacity and initial coulombic efficiency of PSiPAM-280/800 are high. In addition, as can be seen from the cycle characteristics of the electrodes, the electrodes of Comparative Examples 1 and 2, PSi280/800 and PSiPAM800, showed unstable cycle characteristics and low capacity in 100 charge/discharge results. On the other hand, the PSiPAM-280/800 electrode maintains 1400 mAh/g, which is about 3.5 times higher than graphite with a theoretical capacity of 372 mAh/g, and shows a stable capacity decrease as the cycle increases.

도 5b는 본 실시예 1 및 비교예 2에 의한 음극 활물질로서 포함하는 리튬이차전지에 대한 전지의 율속 성능(Rate Capabilities)을 나타내는 그래프로서, 0.005 V ~ 2 V 범위의 영역에서 충전 시의 전류밀도를 0.1 C(100 mAhg-1)로 고정하고, 방전 시의 전류밀도를 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3, 0.2 C 범위로 변화함에 따라 이차전지의 보존용량을 측정한 그래프이다. 도 5b에 따르면, 실시예 1의 음극 활물질을 적용할 경우, 출력 특성이 우수함을 확인할 수 있다.Figure 5b is a graph showing the rate capability (Rate Capabilities) of the battery for the lithium secondary battery included as a negative active material according to Example 1 and Comparative Example 2, current density at the time of charging in the range of 0.005 V ~ 2 V is fixed at 0.1 C (100 mAhg -1 ), and the storage capacity of the secondary battery is measured as the current density during discharge is changed in the range of 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3, 0.2 C. According to FIG. 5B , when the negative active material of Example 1 is applied, it can be confirmed that the output characteristics are excellent.

도 5c는 본 실시예 1 및 비교예 3에 의한 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지에 대한 전지의 사이클 특성 결과를 나타내는 그래프로서, PSiPAM-280/800의 경우 100회 충·방전 후에도 64%의 뛰어난 용량 유지율을 나타내었다. 반면에 비교예 3인 PSiPAM-280/600, PSiPAM-280/700, PSiPAM-280/900, PSiPAM-280/1000 소재의 경우 100회 충·방전 후에 289, 478, 585, 98 mAh/g로 낮은 용량 유지율과 불안정한 사이클 특성을 보임을 확인할 수 있다.5c is a graph showing the cycle characteristics of the lithium secondary battery including the negative active material according to Example 1 and Comparative Example 3, and in the case of PSiPAM-280/800, excellent performance of 64% even after 100 times of charging and discharging Capacity retention was shown. On the other hand, in the case of the PSiPAM-280/600, PSiPAM-280/700, PSiPAM-280/900, and PSiPAM-280/1000 materials of Comparative Example 3, 289, 478, 585, and 98 mAh/g were low after 100 times of charging and discharging. It can be seen that the capacity retention rate and unstable cycle characteristics are exhibited.

도 6a 및 6b는 리튬의 삽입과 탈리 과정에 따른 음극 복합체 활물질의 형태 변화를 모식적으로 나타낸 도면이며, 도 6a는 마이크로 사이즈 복합체 활물질 전극 모식도이며, 도 6b는 탄소 코팅층을 포함하는 다공성 실리콘 복합체(실시예 1 PSiPAM-280/800)의 전극 모식도이다. 6a and 6b are views schematically showing the change in shape of the negative electrode composite active material according to the lithium insertion and desorption process, FIG. 6a is a schematic diagram of a micro-sized composite active material electrode, and FIG. 6b is a porous silicon composite including a carbon coating layer ( Example 1 It is a schematic diagram of the electrode of PSiPAM-280/800).

상기 방법에 의해 제조된 실시예 PSiPAM-280/800은 나노스케일의 크기(~15 - 20 nm)와 입자 내부에 복수의 내부 나노캐버티(Nanocavity)를 가지고 있다. 나노 다공성 실리콘 입자는 리튬이온전지의 음극 재료로서 우수한 사이클 안정성 및 높은 가역 용량을 가지며, 표면적이 큰 나노 다공성 구조는 리튬 확산 거리를 줄일 수 있으며, 나노스케일의 크기와 내부 나노캐버티의 특성으로 인해 대량의 팽창을 완화할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 탄소 코팅층이 다공성 실리콘계 입자 전체를 덮어 전기 전도도가 우수하고 전극 계면 안정화에 의하여 충방전시 반응이 균일하게 이루어지게 하여 이차전지의 고온 저장성, 수명 및 고출력 특성을 향상시켰다. Example PSiPAM-280/800 prepared by the above method has a nanoscale size (~15 - 20 nm) and a plurality of internal nanocavities inside the particle. Nanoporous silicon particles have excellent cycle stability and high reversible capacity as an anode material for lithium ion batteries, and the nanoporous structure with a large surface area can reduce the lithium diffusion distance. A large amount of expansion can be alleviated. In addition, the carbon coating layer covers the entire porous silicon-based particle to provide excellent electrical conductivity and uniform reaction during charging and discharging by stabilizing the electrode interface, thereby improving high-temperature storage, lifespan and high-output characteristics of the secondary battery.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, it is clear that this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present invention be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (6)

실리콘과 알칼리 금속으로 이루어진 합금 분말로 선택적 에칭을 수행하여 다공성 실리콘 입자를 얻는 단계;
상기 다공성 실리콘 입자 및 탄소계 고분자가 분산된 용액을 이용하여, 액상 합성법에 의하여 상기 다공성 실리콘 입자 상의 표면 또는 내부에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 다공성 실리콘 입자 상에 탄소 코팅층을 형성한 후, 상기 다공성 실리콘 입자를 2회 이상 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 열처리하는 단계는,
200 내지 350 ℃에서 1차 열처리하는 단계; 및
700 내지 900 ℃에서 2차 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 실리콘 복합체 제조방법.
obtaining porous silicon particles by performing selective etching with an alloy powder consisting of silicon and an alkali metal;
using a solution in which the porous silicon particles and a carbon-based polymer are dispersed, forming a carbon coating layer on the surface or inside the porous silicon particles by a liquid phase synthesis method; and
After forming a carbon coating layer on the porous silicon particles, heat-treating the porous silicon particles two or more times; includes,
The heat treatment step is
First heat treatment at 200 to 350 ℃; and
Secondary heat treatment at 700 to 900 ℃; Method for producing a porous silicon composite comprising the.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 고분자는 아미노기 또는 아미노 알킬기를 포함하는 탄소계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체 제조방법.
According to claim 1,
The carbon-based polymer is a method for producing a porous silicone composite, characterized in that it comprises a carbon-based polymer including an amino group or an amino alkyl group.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 입자 및 상기 탄소계 고분자의 중량비는 5:1 내지 1:1인 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체 제조방법.
According to claim 1,
The weight ratio of the porous silicon particles and the carbon-based polymer is 5:1 to 1:1, characterized in that the porous silicon composite manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 2회 이상 연속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체 제조방법.
According to claim 1,
The heat-treating step is a method for producing a porous silicon composite, characterized in that made two or more consecutively.
제1항에 있어서,
상기 1차 열처리 하는 단계 및 2차 열처리 하는 단계는 각각 30분 내지 2시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체 제조방법.
According to claim 1,
The first heat treatment step and the second heat treatment step are each performed for 30 minutes to 2 hours, the method for producing a porous silicon composite.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 입자를 얻는 단계는,
Al-Si 마이크로 입자를 염화수소로 에칭하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 다공성 실리콘 복합체 제조방법.
According to claim 1,
The step of obtaining the porous silicon particles,
A method for producing a porous silicon composite, characterized in that the Al-Si micro-particles are etched with hydrogen chloride.
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