KR102413184B1 - 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 사용해 제조된 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 표면 및 내부 중 적어도 하나에 기공을 포함하는 탄소 계 입자, 탄소 계 입자의 기공의 내부 또는 탄소 계 입자의 표면 상에 형성된 실리콘 함유 코팅층, 및 실리콘 함유 코팅층 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하며, X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 측정된 표면의 O1s 피크의 반가폭(FWHM)이 2.0 이상이다. 음극 활물질의 실리콘의 부반응을 억제하여 초기 방전 용량 및 용량 효율이 향상될 수 있다.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 사용해 제조된 리튬 이차 전지{ANODE ACTIBE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 전기 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되고 있다.
예를 들면, 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)을 포함하는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.
최근, 리튬 이차 전지의 적용 대상이 확장되면서 보다 높은 용량 및 출력을 갖는 리튬 이차 전지의 개발이 진행되고 있다. 특히 용량이 높은 실리콘 및 탄소를 복합화하여 음극 활물질에 사용할 수 있다.
그러나, 실리콘-탄소 복합 음극 활물질은 부피 팽창률 차이가 크므로, 충방전 반복에 따라 음극 활물질의 크랙 및 전해액 노출이 초래될 수 있다.
이에 따라, 음극 활물질의 균열을 최소화하면서도 용량 특성을 유지하는 음극 활물질이 요구된다. 예를 들면, 한국등록특허 제10-1591698호는 실리콘 산화물을 포함하는 음극 활물질을 개시하고 있으나, 충분한 수명 특성 및 출력 특성을 확보하기에는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-1591698호
본 발명의 일 과제는 우수한 출력 특성 및 용량 효율을 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 우수한 출력 특성 및 용량 효율을 갖는 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 기공을 포함하는 탄소 계 입자, 상기 탄소 계 입자의 상기 기공의 내부 또는 상기 탄소 계 입자의 표면 상에 형성된 실리콘 함유 코팅층, 및 상기 실리콘 함유 코팅층 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하며, X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 측정된 표면의 O1s 피크의 반가폭(FWHM)이 2.0 이상이다.
일부 실시예들에 있어서, 하기 식 3으로 정의되는 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 % 이하일 수 있다.
[식 3]
XPS Si2p 피크 면적비(%) = {p1/(p1+p2+p3)}*100
식 3 중, p1은 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiO2의 Si-O 결합의 피크 면적, p2는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiOx (0<x<2)의 Si-O 결합의 피크 면적, p3는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 Si-Si 결합의 피크 면적일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 계 입자는 활성탄, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 그래핀, 탄소섬유, 카본블랙, 그래파이트, 다공성 탄소, 크리오겔의 열분해된 물질, 제로겔의 열분해된 물질 및 에어로겔의 열분해된 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 계 입자는 비정질 구조를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘은 비정질 구조 또는 XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해 측정된 결정립 크기가 7 nm 이하일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 결정립 크기는 하기 식 1을 통해 측정될 수 있다.
[식 1]
Figure 112021115675215-pat00001
식 1 중, L은 결정립 크기(nm), λ는 X-선 파장(nm), β는 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 (111)면의 피크의 반가폭(rad), θ는 회절각(rad)일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘은 하기 식 2로 정의되는 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비가 1.2 이하일 수 있다.
[식 2]
라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비 = I(515)/I(480)
식 2 중, I(515)는 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 515 nm-1인 영역에서의 상기 실리콘의 피크 강도이고, I(480)은 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 480 nm-1인 영역에서의 상기 실리콘의 피크 강도일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층은 SiOx (0<x<2) 및 실리콘 카바이드(SiC) 중 적어도 하나를 더 함유할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 탄소 및 전도성 고분자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 상기 탄소 계 입자의 상기 기공의 내부 및 상기 표면 중 상기 실리콘 함유 코팅층이 형성되지 않은 부분 상에도 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 XPS를 통해 측정된 표면의 O1s 피크의 반가폭은 2.4 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 기공을 포함하는 탄소 계 입자 및 실리콘 소스를 함께 제1 소성하여 상기 탄소 계 입자의 상기 기공 내부 또는 표면 상에 실리콘 함유 코팅층을 형성하는 단계, 및 상기 실리콘 함유 코팅층이 형성된 상기 탄소계 입자에 탄소 소스를 투입하여 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 탄소 코팅층이 형성된 입자 표면의 XPS를 통해 측정된 O1s 피크의 반가폭이 2.0 이상이다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 소스는 피치, 글루코스, 수크로스, 페놀계 탄화수소, 레조시놀계 탄화수소, 메탄 가스, 에틸렌 가스, 프로필렌 가스, 아세틸렌 가스, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 제2 소성을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 소성은 600 ℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 상술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층을 포함하는 음극, 및 상기 음극과 대향하도록 배치된 양극을 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탄소 계 입자는 기공을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소 계 입자는 복수의 기공들을 포함하는 다공성 입자일 수 있다. 이 경우, 실리콘 함유 코팅층이 상기 기공 내부 및 표면 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 충방전 시 탄소와 실리콘의 부피 팽창률 차이로 인한 크랙이 방지될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층 상에 탄소 코팅층이 형성될 수 있다. 이 경우, 음극 활물질의 실리콘 및 대기 중 수분의 접촉 또는 실리콘 및 음극 슬러리 중 물의 접촉을 방지할 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질 제조 후 음극 형성 전까지의 시간 동안 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율의 감소를 억제할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 음극 활물질 표면의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 측정된 O1s 피크의 반가폭(FWHM)은 2.0 이상일 수 있다. 이 경우, 음극 활물질 표면에서 실리콘 및 물의 반응이 충분히 억제될 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율의 감소를 억제할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 음극 활물질의 식 2로 정의되는 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 % 이하일 수 있다. 이 경우, 음극 활물질 표면에서 실리콘 및 물이 반응하여 형성된 SiO2 비율이 낮을 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질 내 실리콘의 SiO2로의 전환이 억제되어 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율이 개선될 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 기공을 포함하는 탄소 계 입자, 상기 탄소 계 입자의 기공의 내부 또는 표면 상에 형성되는 실리콘 함유 코팅층, 및 상기 실리콘 함유 코팅층 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다.
예를 들면, 음극 활물질은 실리콘 및 탄소 계 입자를 함께 포함하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 실리콘의 부피 팽창을 탄소가 일부 완화할 수 있다. 그러나, 이차 전지의 충방전 시 실리콘의 부피 팽창률(예를 들면, 약 400% 이상) 및 탄소의 부피 팽창률(예를 들면, 약 150% 이하)의 차이가 현격하여 음극 활물질에 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 이에 따라, 충방전 반복 시 음극 활물질이 전해액에 노출되어 가스 생성 등의 부반응이 발생하고, 이차 전지의 수명 특성이 저하될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탄소 계 입자는 기공을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소 계 입자는 복수의 기공들을 포함하는 다공성 입자일 수 있다. 이 경우, 후술할 실리콘 함유 코팅층이 상기 기공 내부 및 탄소 계 입자의 표면에 형성될 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 충방전 시 탄소와 실리콘의 부피 팽창률 차이로 인한 크랙이 방지될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 탄소 계 입자의 기공 크기는 20 nm 이하일 수 있고, 바람직한 실시예들에 있어서 10 nm 미만일 수 있다. 이 경우, 실리콘이 상기 기공 내에 과량 증착되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 충방전 시 탄소 및 실리콘의 부피 팽창률 차이가 더욱 완화될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 탄소 계 입자의 기공 크기의 최솟값은 0.1nm일 수 있다.
예를 들면, 상술한 탄소 계 입자는 활성탄, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 그래핀, 탄소섬유, 카본블랙, 그래파이트, 다공성 탄소, 크리오겔(cryogel)이 열분해된 물질, 제로겔(xerogel)이 열분해된 물질 및 에어로겔(aerogel)이 열분해된 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 탄소 계 입자는 비정질(amorphous) 구조 또는 결정질(crystalline) 구조를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 탄소 계 입자는 비정질 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 음극 활물질의 내구도가 증가하여 충방전 또는 외부 충격 시 크랙(crack) 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 음극 활물질은 상술한 탄소 계 입자의 기공 내부 또는 탄소 계 입자의 표면 상에 형성된 실리콘 함유 코팅층을 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘의 높은 용량 특성을 채용하면서도 탄소와의 부피 팽창률 차이를 완화할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 충방전 반복에 따른 미세 균열 및 전해액 노출이 감소되어, 이차 전지의 출력 특성을 유지하면서 수명 특성이 개선될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상술한 실리콘 함유 코팅층은 비정질(amorphous) 구조이거나, XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해 측정된 실리콘의 결정립 크기가 7 nm 이하인 실리콘을 함유할 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 상기 결정립 크기는 4 nm 이하일 수 있다. 이 경우, 이차 전지 제작을 위한 프레스 공정 또는 충방전 반복 시 음극 활물질의 기계적 안정성이 개선될 수 있다. 이에 따라, 용량 유지율이 감소하여 이차 전지의 수명 특성이 저하될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 용어 "비정질 구조"는 실리콘 함유 코팅층에 포함된 단일 실리콘의 형상이 비정질인 경우 혹은 X-레이 회절(XRD) 분석법 중 아래 식 1로 표시되는 Scherrer 방정식을 통한 사이즈 측정이 어려울 정도로 작은 미립자인 경우를 의미할 수 있다.
[식 1]
Figure 112021115675215-pat00002
위 식 1에서 L은 결정립 크기(nm), λ는 X-선 파장(nm), β는 해당 피크의 반가폭(rad), θ는 회절각(rad)을 나타낸다. 예시적인 실시예들에 따르면, 결정립 크기 측정을 위한 XRD 분석에서의 반가폭은 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 (111)면의 피크로부터 측정될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 위 식 1에서 β는 장비에서 유래한 값을 보정한 반가폭을 사용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 장비 유래 값을 반영하기 위한 표준물질로서 Si을 사용할 수 있다. 이 경우, Si의 2θ 전체 범위에서의 반가폭 프로파일을 피팅하여, 장비 유래 반가폭을 2θ의 함수로서 나타낼 수 있다. 이후, 상기 함수로부터 얻어진 해당 2θ에서의 장비 유래 반가폭 값을 차감 보정한 값이 β로서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 실리콘 함유 코팅층은 SiOx (0<x<2) 및 실리콘 카바이드(SiC) 중 적어도 하나를 더 함유할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 실리콘은 비정질(amorphous) 구조를 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘의 결정립 크기 및 후술할 라만 스펙트럼의 피크 강도 비를 적정 범위 내로 유지할 수 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이 용량 특성을 유지하면서도 우수한 수명 특성이 확보될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 하기 식 2로 정의되는 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비는 1.2 이하일 수 있고, 바람직한 실시예들에 있어서 1.0 이하일 수 있다.
[식 2]
라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비 = I(515)/I(480)
식 2 중, I(515)는 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 515 nm-1인 영역에서의 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 피크 강도이고, I(480)은 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 480 nm-1인 영역에서의 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 피크 강도일 수 있다.
예를 들면, 식 2 중 I(515)는 실리콘 함유 코팅층에 포함된 결정질 구조를 갖는 실리콘의 비중을 나타내고, 식 2 중 I(480)은 실리콘 함유 코팅층에 포함된 비정질 구조를 갖는 실리콘의 비중을 나타낼 수 있다.
예를 들면, 상술한 피크 강도 비를 만족하는 경우, 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 비정질 구조 비율이 높아져 음극 활물질의 구조적 안정성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 우수한 수명 특성이 확보될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 결정립 크기 범위 및 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비 범위를 동시에 만족할 수 있다. 이 경우, 실리콘 함유 코팅층의 비정질 특성이 더욱 개선되어 음극 활물질의 안정성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질의 수명 특성의 추가 상승 효과가 구현될 수 있다.
예를 들면, 상술한 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘은 음극 활물질 표면에서 대기 중의 수분 또는 음극 슬러리 내 물과 쉽게 반응할 수 있다. 이 경우, 하기 화학식 1 및 화학식 2의 반응에 따라, 실리콘이 비가역적으로 실리콘 화합물로 전환되며 가스가 발생할 수 있다.
[화학식 1]
Si + 4H2O → Si(OH)4 + 2H2(g)↑
[화학식 2]
Si + 2H2O → SiO2 + 2H2(g)↑
이에 따라, 음극 활물질 제조 후 음극 형성 전까지의 시간 동안 대기 중 수분 또는 음극 슬러리의 물 성분에 의해 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상술한 실리콘 함유 코팅층 상에 탄소 코팅층이 형성될 수 있다. 이 경우, 음극 활물질의 실리콘 및 대기 중 수분의 접촉 또는 실리콘 및 음극 슬러리 중 물의 접촉을 방지할 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질 제조 후 음극 형성 전까지의 시간 동안 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율의 감소를 억제할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 탄소 및 전도성 고분자, 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 탄소 코팅층 형성이 원활히 수행되면서도 상술한 물과 실리콘의 접촉 방지 효과를 구현할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율의 감소를 억제할 수 있다.
예를 들면, 상기 전도성 고분자는 특별히 제한되는 것은 아니나, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤 및/또는 폴리티오펜 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 탄소 코팅층은 탄소 계 입자의 기공의 내부 및 표면 중 실리콘 함유 코팅층이 형성되지 않은 부분 상에도 형성될 수 있다. 예를 들면, 탄소 코팅층은 실리콘 함유 코팅층이 형성된 탄소 계 입자 상에서 전체적으로 실리콘 및 탄소 계 입자를 덮을 수 있다. 이에 따라, 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘 및 물의 접촉을 차단하면서 음극 활물질의 기계적 안정성 및 화학적 안정성을 개선할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상술한 음극 활물질 표면의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 측정된 O1s 피크의 반가폭(FWHM)은 2.0 이상일 수 있고, 바람직하게는 2.4 이상일 수 있다.
예를 들면, XPS를 통해 측정된 O1s 피크의 반가폭은 산소의 시그마 결합을 나타내는 것일 수 있고, 본 출원에서는 음극 활물질 표면에서 실리콘과 반응하지 않은 물(H2O)의 양을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 반가폭이 클수록 예를 들면, 음극 활물질 표면의 실리콘이 물과 적게 반응함을 의미할 수 있다.
음극 활물질 표면의 XPS O1s 피크의 반가폭이 2.0 이상인 경우, 예를 들면 음극 활물질 표면에서 실리콘 및 물의 반응이 충분히 억제될 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질 제조 후 음극 형성 전까지의 시간 동안 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율의 감소를 억제할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극 활물질의 하기 식 3으로 정의되는 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 % 이하일 수 있다.
[식 3]
XPS Si2p 피크 면적비(%) = {p1/(p1+p2+p3)}*100
식 3 중, p1은 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiO2의 Si-O 결합의 피크 면적, p2는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiOx(0<x<2)의 Si-O 결합의 피크 면적, p3는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 Si-Si 결합의 피크 면적일 수 있다.
예를 들면, 상기 XPS Si2p 피크 면적비는 음극 활물질 표면에 존재하는 화합물들의 실리콘-실리콘 결합 및 실리콘-산소 결합의 결합 에너지(bonding energy) 강도의 총 합 대비 SiO2에 포함된 실리콘-산소 결합의 결합 에너지 강도의 비율을 의미할 수 있다.
상기 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 % 이하인 경우, 예를 들면 음극 활물질 표면에서 실리콘 및 물이 반응하여 형성된 SiO2 비율이 낮을 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질 내 실리콘의 SiO2로의 전환이 억제되어 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율이 개선될 수 있다.
이하에서는, 상술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 예시적인 실시예들에 따른 제조 방법이 제공된다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기공을 포함하는 탄소 계 입자를 준비할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 하이드록시기를 포함하는 방향족 화합물과 알데히드 계 화합물을 혼합하여 레졸 올리고머(resol oligomer)를 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 하이드록시기를 포함하는 방향족 화합물은 페놀이고, 상기 알데히드 계 화합물은 포름알데히드일 수 있다. 제조된 상기 레졸 올리고머에 경화제를 투입하여 경화시킨 후, 분급, 수세 및 소성하여 기공을 포함하는 탄소 계 입자를 수득할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 방향족 화합물 및 비닐(vinyl) 계 화합물을 혼합하여 중합할 수 있다. 이후, 수세 및 소성하여 기공을 포함하는 탄소 계 입자를 수득할 수 있다. 예를 들면, 상기 방향족 화합물은 폴리스티렌(polystyrene)일 수 있고, 상기 비닐 계 화합물은 디비닐벤젠(divinylbenzene)일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제조 방법은 활성화(activation) 공정을 포함할 수 있다. 이 경우, 탄소 계 입자의 세공 구조의 활성도를 용이하게 제어할 수 있다.
예를 들면, 상기 활성화 공정은 탄소와 반응성을 갖는 기체(스팀, 탄산가스, 또는 스팀, 탄산가스 및 불활성 기체류의 혼합 기체)를 투입하며 700 내지 1,000 ℃의 온도로 열처리하는 물리적 활성화법을 통해 수행될 수 있다.
예를 들면, 상기 활성화 공정은 KOH, Na2CO3, NaOH, H3PO4 등의 산성 및 염기성 약품 등을 활성화제로 사용하며, 물리적 활성화법보다 낮은 온도에서 수행되는 화학적 활성화법을 통해 수행될 수 있다.
상술한 방법들에 의해 수득된 탄소 계 입자에 포함된 기공의 크기는 20nm 이하일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탄소 계 입자가 위치한 반응기에 실리콘 소스를 투입한 후 제1 소성하여 탄소 계 입자의 기공 내부 또는 표면 상에 실리콘을 증착할 수 있다.
예를 들면, 실리콘을 증착하는 방법은 당업계에서 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 실리콘 소스는 실리콘 함유 가스를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 함유 가스는 실란(silane) 가스일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 소성은 600 ℃ 미만에서 수행될 수 있다. 이 경우, 실리콘 함유 코팅층에 비정질 구조를 갖는 실리콘이 충분히 포함되도록 탄소 계 입자에 증착될 수 있다. 이에 따라, 프레스 공정 또는 이차 전지 충방전 반복 시 음극 활물질의 기계적 안정성이 개선될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 실리콘이 증착된 탄소 계 입자가 위치한 반응기에 탄소 소스를 투입하여 실리콘의 표면 상에 탄소 코팅층을 형성할 수 있다. 이 경우, 상술한 실리콘 및 물의 부반응을 억제하여 XPS를 통해 측정된 음극 활물질 표면의 O1s 피크의 반가폭이 2.0 이상일 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 방전 용량 및 용량 효율이 향상될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 소스는 피치(pitch), 글루코스, 수크로스, 페놀계 탄화수소 및 레조시놀(resorcinol)계 탄화수소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 탄소 소스 투입 후 제2 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 소스는 메탄 가스, 에틸렌 가스, 프로필렌 가스 및 아세틸렌 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 화학 기상 증착법(CVD)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 화학 기상 증착법은 탄소 소스를 투입하며 제2 소성하여 수행될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 소스는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 고분자일 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 화학 기상 증착, 전기 중합 또는 용액 공정법을 통해 수행될 수 있다.
또한 이 경우, 상기 전도성 고분자를 코팅한 후 제2 소성하여 전도성 고분자를 탄소로 개질할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 소성은 600 ℃ 미만에서 수행될 수 있다. 이 경우, 탄소 코팅층에 포함된 탄소 및 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘 중 비정질 구조를 갖는 비율이 충분히 증가할 수 있다. 이에 따라, 프레스 공정 또는 이차 전지 충방전 반복 시 음극 활물질의 기계적 안정성이 개선될 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다.
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조로 상술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질로부터 제조되는 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 리튬 이차 전지는 양극(100), 음극(130) 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막(140)을 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있다, 상기 전극 조립체가 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 함침될 수 있다.
양극(100)은 양극 활물질을 포함하는 합제를 양극 집전체(105)에 도포하여 형성한 양극 활물질 층(110)을 포함할 수 있다.
양극 집전체(105)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등이 사용될 수도 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬-전이금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬-전이금속 산화물은 니켈(Ni)을 포함하며, 코발트(Co) 또는 망간(Mn) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬-전이금속 산화물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LixNi1-yMyO2+z
화학식 1에서 0.9≤x≤1.2, y는 0≤y≤0.7, z는 -0.1≤z≤0.1일 수 있다. M은 Na, Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, Al, Ga, C, Si, Sn 또는 Zr로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 화학식 1에서 Ni의 몰비 또는 농도 (1-y)는 0.8이상일 수 있으며, 바람직한 실시예에 있어서 0.8을 초과할 수 있다.
상기 양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 합제를 제조할 수 있다. 상기 합제를 양극 집전체(105)에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 양극(100)을 제조할 수 있다.
상기 용매는 통상적으로 비수계 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더는 당분야에서 사용되는 것이 별다른 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 포함할 수 있으며, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.
이 경우, 양극 바인더로서 PVDF 계열 바인더를 사용할 수 있다. 따라서, 양극 활물질 층 형성을 위한 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 양극 활물질의 양을 증가시킬 수 있으며, 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.
상기 도전재는 활물질 입자들 사이의 전자 이동을 촉진하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 금속 계열 도전재를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 탄소 계 입자, 실리콘 함유 코팅층 및 탄소 코팅층을 포함하는 상술한 음극 활물질로부터 음극 슬러리가 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 음극 활물질을 음극 바인더, 도전재 및 증점제와 용매 내에서 혼합 및 교반하여 음극 슬러리가 제조될 수 있다.
예를 들면, 음극 슬러리에 포함되는 용매는 물, 염산 수용액 또는 수산화나트륨 수용액 등의 수계 용매일 수 있다.
예를 들면, 상기 음극 바인더는 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber. SBR) 등의 고분자 물질을 사용할 수 있다. 상기 증점제로는 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose, CMC)를 들 수 있다.
예를 들면, 상기 도전재는 양극 활물질 층 형성을 위해 포함되는 상술한 도전재의 종류와 동일한 종류의 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극(130)은 상술한 음극 슬러리를 음극 집전체(125)의 적어도 일면 상에 도포(코팅)한 후, 건조 및 압축하여 형성된 음극 활물질 층(120)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(125)는 전도성이 높고 상기 음극 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로서, 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 예를 들면, 구리 또는 구리 합금, 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄 또는 은을 표면 처리한 것이 사용될 수도 있다.
양극(100) 및 음극(130) 사이에는 분리막(140)이 개재될 수 있다. 분리막(140)은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 분리막(140)은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극(130)의 면적(예를 들면, 분리막(140)과 접촉 면적) 및/또는 부피는 양극(100)보다 클 수 있다. 이에 따라, 양극(100)으로부터 생성된 리튬 이온이 예를 들면, 중간에 석출되지 않고 음극(130)으로 원활히 이동될 수 있다. 따라서, 상술한 음극 활물질 채용에 따른 용량 및 출력 향상의 효과를 보다 용이하게 구현할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 전극 셀들이 적층되어 예를 들면, 젤리 롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding) 등을 통해 전극 조립체(150)를 형성할 수 있다.
전극 조립체(150)가 외장 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 리튬 이차 전지가 정의될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3-, N(CN)2-, BF4-, ClO4-, PF6-, (CF3)2PF4-, (CF3)3PF3-, (CF3)4PF2-, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3-, CF3CF2SO3-, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3-, CF3CO2-, CH3CO2-, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 전극 셀에 속한 양극 집전체(105) 및 음극 집전체(125)로부터 각각 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 돌출되어 외장 케이스(160)의 일 측부까지 연장될 수 있다. 상기 전극 탭들은 외장 케이스(160)의 상기 일측부와 함께 융착되어 외장 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 전극 리드(양극 리드(107) 및 음극 리드(127))를 형성할 수 있다.
상기 리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
탄소 계 입자 제조
i) 레졸 올리고머의 합성: 페놀과 포름알데히드를 1:2 몰비로 혼합하고, triethylamine 1.5 중량%를 첨가하여 85 ℃, 4 h, 160 rpm(교반) 조건 하에서 반응시켰다.
ii) 레졸 올리고머의 현탁 안정화: 수분산성 매질에 PVA 1 g을 분산시킨 후, 상기 레졸 올리고머에 투입하였다.
iii) 레졸 올리고머의 경화: 경화제 HMTA 3g 투입하고, 98 ℃, 12 h, 400 rpm(교반) 조건 하에서 반응시켰다.
iv) 탄소 재료의 수득: 상기 경화된 레졸 올리고머를 sieve를 이용하여 분급한 후, H2O를 이용하여 수세하였다.
v) 상기 수세된 레졸 올리고머로부터 에탄올을 이용하여 미반응 모노머 및 올리고머를 제거하고 건조시켰다.
vi) 탄화 및 활성화: 상기 건조된 레졸 올리고머를 질소 분위기 하 900 ℃에서 1시간 동안 소성하였다. 이 때, CO-2 가스를 1 L/min로 투입하며 900 ℃에서 탄화시켰다.
실리콘 함유 코팅층 형성
실란 가스를 50 내지 100 mL/min의 유속으로 CVD coater에 주입하며, 5 내지 20 ℃/min 승온 속도로 600 ℃ 미만에서 약 120 내지 240분 유지하여 실리콘 함유 코팅층을 형성하였다.
탄소 코팅층 형성
상기 실리콘 증착된 탄소 계 입자를 thermal CVD 챔버에 투입한 뒤, 에틸렌 가스와 아르곤의 혼합 가스를 공급하고 600 ℃ 미만에서 열처리하여 탄소 코팅층이 형성된 음극 활물질을 제조하였다.
음극 제조
상기 제조된 음극 활물질을 하루 동안 방치한 후, 제조된 음극 활물질 15 중량% 및 인조흑연 80.5 중량%로 혼합한 혼합물 95.5중량%, 도전재로 플레이크 타입(flake type) 도전재인 CNT 1중량%, 바인더로 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 2중량% 및 증점제로 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 1.5중량%를 혼합하여 음극 슬러리를 수득하였다.
상기 음극 슬러리를 구리 기재 위에 코팅, 건조 및 프레스를 실시하여 음극을 제조하였다.
리튬 반쪽 전지 (Li-half cell) 제조
상술한 방법으로 제조된 음극을 포함하고 대극(양극)으로 리튬 메탈(Li metal)을 사용한 리튬 이차 전지를 제조하였다.
상기 제조된 음극과 리튬 메탈(두께 1mm)사이에 분리막(폴리에틸렌, 두께 20 ㎛)을 개재하여 리튬 코인 하프 셀(coin half cell)을 구성하였다.
리튬 메탈/분리막/음극의 조합체를 코인 셀 플레이트(coin cell plate)에 넣고 전해액 주액 후 캡(cap)을 덮은 후 클램핑(clamping)하였다. 전해액은 EC/FEC/EMC/DEC(20/10/20/50; 부피비)의 혼합 용매에 1M LiPF6을 용해시킨 것을 사용하였다. 클램핑 후 12시간 이상 함침 시킨 후 0.1C로 3사이클 충방전을 실시하였다(충전조건 CC-CV 0.1C 0.01V 0.01C CUT-OFF, 방전조건 CC 0.1C 1.5V CUT-OFF)
실시예 2
탄소 코팅층 형성
실리콘 증착된 탄소 계 입자를 0.1 M 피롤 수용액에 분산시키고 6시간 동안 교반한 후, NaNO2를 개시제로 투입하여 24시간 동안 교반하여 중합하였다. 이후, 필터링 과정을 통해 고형분을 수득하고 증류수로 정제한 뒤, 110 ℃에서 진공 건조하여 폴리피롤을 포함하는 탄소 코팅층을 형성하였다.
상술한 방법으로 탄소 코팅층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
실시예 3
탄소 코팅층 형성
실리콘 증착된 탄소 계 입자를 테트라하이드로퓨란 용매에 피치를 분산시킨 용액에 첨가하여 30분 동안 초음파 분산법으로 분산한 후 24시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 24시간 동안 오븐에서 건조한 후, 600 ℃ 미만에서 소성하여 탄소 코팅층을 형성하였다.
상술한 방법으로 탄소 코팅층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
실시예 4 및 5
상기 탄소 코팅층 형성 시 소성 온도를 600 내지 650 ℃ 범위로 조절하여 하기 표 2에 표시된 O1s 피크의 반가폭 및 XPS Si2p 피크 면적비를 갖는 음극 활물질을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
실시예 6 및 7
상기 실리콘 함유 코팅층 형성 시, 실란 가스를 100 내지 500 mL/min의 유속으로 CVD coater에 주입하며 5 내지 20 ℃/min 승온 속도로 600 ℃ 이상에서 약 30 내지 120분 유지하여 실리콘 함유 코팅층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
실란 가스 유속, 승온 속도, 온도 및 시간을 변경하여 실시예 6 및 7에 따른 음극 활물질에 포함된 실리콘 함유 코팅층을 형성하였다.
비교예 1
음극 활물질 제조 시 탄소 코팅층을 형성하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 2
음극 활물질 제조 시 탄소 코팅층을 형성하지 않은 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 3
음극 활물질 제조 시 탄소 코팅층을 형성하지 않은 것을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 4
상기 탄소 코팅층 형성 시 소성 온도 및 시간을 조절하여 하기 표 1에 표시된 O1s 피크의 반가폭 및 XPS Si2p 피크 면적비를 갖는 음극 활물질을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 반쪽 전지를 제조하였다.
실험예
(1) X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 측정한 O1s 피크의 반가폭 측정
상술한 실시예 및 비교예들에 따라 제조된 음극 활물질에 대해 XPS를 사용하여 음극 활물질 표면의 O1s 피크를 측정하였다. 측정된 O1s 피크를 피팅(fitting)하여 반가폭을 산출하였다.
상기 XPS는 Al K-alpha beam을 사용하여 수행되었으며, 전압은 1486.68 eV, 빔 사이즈(beam size)는 650 ㎛로 설정하였다. 측정된 XPS 결과의 분석은 CAE(constant analyzer energy) 모드로 수행하였다.
(2) XPS Si2p 피크 면적비 측정
상술한 실시예 및 비교예들에 따라 제조된 음극 활물질에 대해 XPS를 측정한 후 Si2p 스펙트럼을 디컨볼루션(deconvolution)하여 103.3 eV에 있는 피크 면적은 SiO2의 면적으로, 101.8 eV의 피크 면적은 SiOx (0<x<2)의 면적으로, 99.3 eV의 피크 면적은 Si의 면적으로 계산하여 식 2의 p1 내지 p3를 측정한 후, 이를 식 2에 대입하여 XPS Si2p 피크 면적비를 산출하였다.
(3) 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비 측정
상술한 실시예 및 비교예들에 따라 제조된 음극 활물질에 대해 532 nm 레이저 라만 분석기(Laser Raman Spectroscopy)를 사용하여 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 라만 분광 스펙트럼을 측정하였다. 획득한 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 515 nm-1인 영역에서의 실리콘 피크 강도 및 파장이 480 nm-1인 영역에서의 실리콘 피크 강도를 측정하였다. 측정된 피크 강도들을 식 2에 적용하여 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비를 산출하였다.
(4) 실리콘의 비정질 여부 및 결정립 크기 측정
상술한 실시예 및 비교예들에 따라 제조된 음극 활물질에 대해 XRD 분석 및 상술한 식 1을 이용하여 결정립 크기를 계산하였다.
이 경우, 실리콘 입자 크기가 XRD 분석을 통해 측정이 어려울 정도로 작은 미립자인 경우 비정질로 표시하였다.
한편, 구체적인 XRD 분석 장비/조건은 아래 표 1에 기재된 바와 같다.
XRD(X-Ray Diffractometer) EMPYREAN
Maker PANalytical
Anode material Cu
K-Alpha1 wavelength 1.540598 Å
Generator voltage 45 kV
Tube current 40 mA
Scan Range 10~120o
Scan Step Size 0.0065o
Divergence slit 1/4o
Antiscatter slit 1/2o
(5) 초기 방전 용량 측정
상술한 실시예들 및 비교예들에 따른 리튬 반쪽 전지에 대하여 상온(25 ℃)에서 충전(CC-CV 0.1 C 0.01V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 0.1C 1.5V CUT-OFF)을 각각 1회 수행하여 초기 방전 용량을 측정하였다.
(6) 초기 용량 효율 측정
상술한 실시예들 및 비교예들에 따른 리튬 반쪽 전지에 대하여 상온(25 ℃)에서 충전(CC-CV 0.1 C 0.01V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 0.1C 1.0V CUT-OFF)을 각각 10회 수행하여 방전 용량을 측정하였다.
측정한 방전 용량을 (5)에서 측정한 초기 방전 용량으로 나누어 백분율로 계산하였다.
측정 결과는 하기 표 2에 나타낸다.
구분 탄소 코팅층 실리콘 함유 코팅층 초기 방전 용량
(mAh/g)		 초기 용량 효율
(%)
XPS O1s 피크 반가폭 XPS Si2p 피크 면적비 (%) 결정립 크기
(nm)		 피크 강도 비
실시예 1 2.48 0 비정질 0.581 1813 92.1
실시예 2 2.33 0 4 0.897 1414 91.5
실시예 3 2.46 0 비정질 0.903 1903 90.8
실시예 4 2.17 14.2 비정질 0.771 1820 91.8
실시예 5 2.04 15.7 5 1.053 1753 90.2
실시예 6 2.49 0 7.5 1.181 1792 88.1
실시예 7 2.47 0 6.91 1.21 1805 88.2
비교예 1 1.69 54 4 0.595 1650 86.9
비교예 2 1.53 72 4 0.912 1285 86.3
비교예 3 1.67 62 비정질 0.920 1636 84.6
비교예 4 1.95 6.1 5 1.020 1695 86.5
표 1을 참조하면, 실리콘 상에 탄소 코팅층이 형성되지 않거나 XPS O1s 피크 반가폭이 2.0 미만인 비교예들은 전체적으로 실시예들에 비하여 초기 방전 용량 및 초기 효율이 현저히 저하되었다.
상대적인 관점에서 탄소 코팅층의 원료가 동일한 실시예 1과 실시예 4, 5를 비교할 때, 실시예 1 및 4는 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 %를 초과하는 경우(예를 들면, 실시예 5)보다 높은 초기 방전 용량 및 초기 효율을 확보하였다.
상대적인 관점에서 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 결정립 크기가 7 nm 이하이고 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비가 1.2 이하인 실시예 1과 실시예 6, 7을 비교할 때, 실시예 1은 상기 실리콘의 결정립 크기가 7 nm를 초과하는 경우(예를 들면, 실시예 6) 및 상기 실리콘의 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비가 1.2를 초과하는 경우(예를 들면, 실시예 7)에 비하여 우수한 용량 효율을 나타냈다.
상대적인 관점에서 실시예 1, 3 및 실시예 2를 비교할 때, 실시예 1 및 3은 XPS O1s 피크 반가폭이 2.4 미만인 경우(예를 들면, 실시예 2)보다 우수한 초기 방전 용량 및 초기 용량 효율을 확보하였다.
100: 양극 105: 양극 집전체
107: 양극 리드 110: 양극 활물질층
120: 음극 활물질 층 125: 음극 집전체
127: 음극 리드 130: 음극
140: 분리막 150: 전극 조립체
160: 케이스

Claims (16)

  1. 기공을 포함하는 탄소 계 입자;
    상기 탄소 계 입자의 상기 기공의 내부 또는 상기 탄소 계 입자의 표면 상에 형성된 실리콘 함유 코팅층; 및
    상기 실리콘 함유 코팅층 상에 형성된 탄소 코팅층을 포함하며,
    X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 측정된 표면의 O1s 피크의 반가폭(FWHM)이 2.0 이상이고,
    하기 식 3으로 정의되는 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 % 이하인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질:
    [식 3]
    XPS Si2p 피크 면적비(%) = {p1/(p1+p2+p3)}*100
    (식 3 중, p1은 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiO2의 Si-O 결합의 피크 면적, p2는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiOx (0<x<2)의 Si-O 결합의 피크 면적, p3는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 Si-Si 결합의 피크 면적임).
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소 계 입자는 활성탄, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 그래핀, 탄소섬유, 카본블랙, 그래파이트, 다공성 탄소, 크리오겔의 열분해된 물질, 제로겔의 열분해된 물질 및 에어로겔의 열분해된 물질 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소 계 입자는 비정질 구조를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘은 비정질 구조 또는 XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해 측정된 결정립 크기가 7 nm 이하인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 결정립 크기는 하기 식 1을 통해 측정되는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질:
    [식 1]
    Figure 112021115675215-pat00003

    (식 1 중, L은 결정립 크기(nm), λ는 X-선 파장(nm), β는 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 (111)면의 피크의 반가폭(rad), θ는 회절각(rad)임).
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘은 하기 식 2로 정의되는 라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비가 1.2 이하인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질:
    [식 2]
    라만 분광 스펙트럼의 피크 강도 비 = I(515)/I(480)
    (식 2 중, I(515)는 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 515 nm-1인 영역에서의 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 피크 강도이고, I(480)은 라만 분광 스펙트럼에서 파장이 480 nm-1인 영역에서의 상기 실리콘 함유 코팅층에 포함된 실리콘의 피크 강도임).
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 함유 코팅층은 SiOx (0<x<2) 및 실리콘 카바이드(SiC) 중 적어도 하나를 더 함유하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 탄소 및 전도성 고분자 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 상기 탄소 계 입자의 상기 기공의 내부 및 상기 표면 중 상기 실리콘 함유 코팅층이 형성되지 않은 부분 상에도 형성된, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 XPS를 통해 측정된 표면의 O1s 피크의 반가폭은 2.4 이상인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
  12. 기공을 포함하는 탄소 계 입자 및 실리콘 소스를 함께 제1 소성하여 상기 탄소 계 입자의 상기 기공 내부 또는 표면 상에 실리콘 함유 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 함유 코팅층이 형성된 상기 탄소계 입자에 탄소 소스를 투입하여 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 탄소 코팅층이 형성된 입자 표면의 XPS를 통해 측정된 O1s 피크의 반가폭이 2.0 이상이고,
    상기 탄소 코팅층이 형성된 입자의 하기 식 3으로 정의되는 XPS Si2p 피크 면적비가 15.0 % 이하인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법:
    [식 3]
    XPS Si2p 피크 면적비(%) = {p1/(p1+p2+p3)}*100
    (식 3 중, p1은 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiO2의 Si-O 결합의 피크 면적, p2는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 SiOx (0<x<2)의 Si-O 결합의 피크 면적, p3는 XPS를 통해 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 표면에서 측정된 Si-Si 결합의 피크 면적임).
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 탄소 소스는 피치, 글루코스, 수크로스, 페놀계 탄화수소, 레조시놀계 탄화수소, 메탄 가스, 에틸렌 가스, 프로필렌 가스, 아세틸렌 가스, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 탄소 코팅층을 형성하는 단계는 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 제2 소성을 더 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 소성은 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
  16. 청구항 1의 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층을 포함하는 음극; 및
    상기 음극과 대향하도록 배치된 양극을 포함하는, 리튬 이차 전지.
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