KR102454487B1 - 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재 - Google Patents

산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상 실리콘으로 제조된 판상 실리콘 복합체를 포함하되, 상기 판상 실리콘 복합체는, 상기 판상 실리콘을 해쇄하여 형성된 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는 판상 실리콘 입자; 상기 판상 실리콘 입자의 표면을 산화시켜 형성된 산화막; 상기 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자의 표면에 산화붕소를 코팅하여 형성된 산화붕소 코팅막 및 상기 판상 실리콘 입자 외각에 상기 산화막과 산화붕소 코팅막을 감싸도록 전도성 카본으로 코팅되어 형성된 카본 코팅막을 포함하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제공할 수 있다.

Description

산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재{Silicon anode materials for lithium ion secondary battery to which boron oxide is applied}
본 발명은 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상의 실리콘을 사용하여 단가가 낮을 뿐만 아니라 산화붕소를 적용하여 초기 용량과 수명 성능이 향상된 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재에 관한 것이다.
일반적으로 리튬이온이차전지의 음극활물질은 흑연(Graphite)을 사용해왔다. 흑연은 이론용량 372mAh/g의 리튬이온 충전용량을 가지며, 실제는 360mAh/g의 용량을 나타내는 소재로 층구조를 이루는데 리튬이 층간에 삽입되어 충전되는 메커니즘을 가져왔다.
한편, 흑연보다 큰용량을 가진 음극재용 리튬이온 저장물질로 실리콘(Silicon)이 있다. 실리콘은 이론용량 4200mAh/g을 가진 물질이다. 하지만 4200mAh/g까지 충전되면서 실리콘 하나에 리튬이온 4개가 결합하게 되어 부피가 3배 이상 팽창하게 된다. 부피가 팽창된 실리콘은 리튬이 빠져나가면 원래 상태로 복귀되지 못하고 크랙이 발생하고, 미세한 나노입자로 분리되어 상당수가 전해질 또는 전해액과 전기적 연결이 끊어져서 다시 리튬을 충전할 수 없게 된다. 이런 이유로 실리콘 음극활물질은 충방전 수명이 짧아 흑연을 대체하는 음극활물질로 사용되지 못 해왔다.
실리콘 음극활물질의 충방전에 의한 크랙을 막거나 크랙이 발생하지 않을 더 작은 사이즈로 만들기 위한 기술적 개선이 많이 시도되었으나 성공적이지 못했다.
음극활물질로 사용하는 실리콘은 순도 99.9% 이상의 금속 실리콘을 주로 그 원료로 해왔다. 나노사이즈의 실리콘을 사용하면 리튬 충방전에 의한 크랙이 적어지는 것을 발견한 이래로 나노실리콘을 만들기 위한 노력이 많이 이루어져왔다.
구체적으로, 플라즈마를 써서 마이크로 입자를 분해해서 나노사이즈로 재결합시키는 방법, 실리콘을 작은 로드로 만들어 대전류를 흘려 용액 중에서 폭발적으로 기화시켜서 나노사이즈로 만드는 방법, 실란가스나 액체로 녹여서 열분해시킨 뒤, 나노사이즈로 재결합시키는 방법 등이다.
본 발명에서는 태양전지 산업 또는 반도체 산업에서 실리콘 웨이퍼를 얻기 위해 금속 실리콘 덩어리를 얇게 자르는 과정에서 발생하는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)를 이용한다. 여기서, 폐실리콘 커프는 태양전지 산업 또는 반도체 산업에서 사용하는 99.9999999% ~ 99.999999999%의 순도를 갖고 있는 고순도 실리콘이며, 와이어 형태의 톱을 사용하므로 나노 두께를 가진 판상의 물질로 떨어져 나온다. 이와 같은 고순도의 판상 실리콘은 좋은 리튬이차전지용 음극활물질의 후보물질이 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1847235호 리튬이온 이차전지 음극용 흑연 재료 및 그 제조방법, 리튬이온 이차전지(2011.12.05)
상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상의 실리콘을 사용하여 단가가 낮을 뿐만 아니라 산화붕소를 적용하여 초기 용량과 수명 성능이 향상된 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상 실리콘으로 제조된 판상 실리콘 복합체를 포함하되, 상기 판상 실리콘 복합체는, 상기 판상 실리콘을 해쇄하여 형성된 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는 판상 실리콘 입자; 상기 판상 실리콘 입자의 표면을 산화시켜 형성된 산화막; 상기 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자의 표면에 산화붕소를 코팅하여 형성된 산화붕소 코팅막 및 상기 판상 실리콘 입자 외각에 상기 산화막과 산화붕소 코팅막을 감싸도록 전도성 카본으로 코팅되어 형성된 카본 코팅막을 포함하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제공할 수 있다.
또한 상기 판상 실리콘 입자는, 판상 실리콘을 습식밀링하고 건조되어 얻어진 것을 특징으로 한다.
또한 상기 판상 실리콘은, 평균 두께가 10 내지 100㎚, 평균 길이가 10㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 산화막은, 평균 두께가 2 내지 10㎚인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 산화막은, 상기 판상 실리콘 입자에 산화제를 투입하고 700 내지 1,100℃로 가열하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 산화붕소 코팅막은, 상기 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자에 붕산 수용액을 투입하고 550 내지 700℃로 가열하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 카본 코팅막은, 평균 두께가 3 내지 20㎚인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 카본 코팅막은, 상기 산화막과 산화붕소 코팅막이 형성된 판상 실리콘 입자에 탄화수소가스, 액화천연가스 및 액화석유가스 중 하나를 선택하여 투입하고, 750 내지 1000℃에서 열분해시켜 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 흑연을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상의 실리콘을 사용하여 단가가 저감될 수 있다.
또한, 판상의 흑연과 복합화되어 충진율이 우수할 수 있다.
또한, 성능이 향상되어 동일 부피 대비 더 많은 리튬을 충전할 수 있다.
또한, 산화붕소를 적용하여 초기 용량과 수명 성능이 향상된 실리콘 음극재를 제조할 수 있다.
또한, 위에서 언급된 본 발명의 실시 예에 따른 효과는 기재된 내용에만 한정되지 않고, 명세서 및 도면으로부터 예측 가능한 모든 효과를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 복합체의 모습을 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조에 사용되는 판상 실리콘의 SEM 사진.
도 3은 도 2의 판상 실리콘 모습을 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 입자의 모습을 나타낸 예시도.
도 5는 도 4의 판상 실리콘 입자에 산화막이 형성된 모습을 나타낸 예시도.
도 6a 및 6b는 도 5의 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자의 TEM 사진.
도 7은 도 5의 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자에 산화붕소 코팅막이 형성된 모습을 나타낸 예시도.
도 8은 도 1의 판상 실리콘 복합체의 TEM 사진.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 복합체와 흑연이 혼합된 모습을 나타낸 예시도.
도 10은 도 9와 다른 형태로 판상 실리콘 복합체와 흑연이 혼합된 모습을 나타낸 예시도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.
도 12는 도 11에 전처리단계, 2차 해쇄단계 및 혼합단계가 더 포함된 흐름도.
도 13은 비교예 1의 Half cell 충방전 시험 결과 그래프.
도 14는 비교예 2의 Half cell 충방전 시험 결과 그래프.
도 15는 비교예 3의 Half cell 충방전 시험 결과 그래프.
도 16은 실시예 1의 Half cell 충방전 시험 결과 그래프.
도 17은 실시예 2의 Half cell 충방전 시험 결과 그래프.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도 1 내지 도 17을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 복합체의 모습을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조에 사용되는 판상 실리콘의 SEM 사진이고, 도 3은 도 2의 판상 실리콘 모습을 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 입자의 모습을 나타낸 예시도이고, 도 5는 도 4의 판상 실리콘 입자에 산화막이 형성된 모습을 나타낸 예시도이고, 도 6a 및 6b는 도 5의 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자의 TEM 사진이고, 도 7은 도 5의 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자에 산화붕소 코팅막이 형성된 모습을 나타낸 예시도이고, 도 8은 도 1의 판상 실리콘 복합체의 TEM 사진이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 복합체와 흑연이 혼합된 모습을 나타낸 예시도이며, 도 10은 도 9와 다른 형태로 판상 실리콘 복합체와 흑연이 혼합된 모습을 나타낸 예시도이다.
본 발명은 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상의 실리콘을 사용하여 단가가 낮을 뿐만 아니라 산화붕소를 적용하여 초기 용량과 수명 성능이 향상된 실리콘 음극재에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재는 판상 실리콘 복합체(1)를 포함할 수 있다.
상기 판상 실리콘 복합체(1)는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상 실리콘으로 제조된 것으로, 판상 실리콘 입자(10a), 산화막(11), 산화붕소 코팅막(12) 및 카본 코팅막(13)을 포함할 수 있다.
여기서 사용되는 판상 실리콘(10)은 도 2 및 도 3과 같이, 판 형태로 형성된 분말일 수 있는데, 태양전지 또는 반도체용 실리콘 잉곳(Ingot)을 얇게 슬라이싱(Slicing)하는 과정에서 발생하는 폐실리콘 커프(절삭미분)로 형성될 수 있다.
실리콘 잉곳 절삭 방법은 일반적으로 3 내지 4 종류의 방법이 있으며, 모든 방법에는 분급, 세척, 침전 및 건조 단계를 거쳐 폐실리콘 커프를 얻을 수 있다. 폐실리콘 커프는 높은 두께 균일도를 가지는 폐실리콘 커프를 얻기 위해, 다이아몬드 와이어쏘(Diamond wire saw)를 통해 만들어진 것을 사용하는 게 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
구체적으로, 다이어몬드 와이어쏘는 50㎛ 내외의 피아노선이라는 탄소강 와이어 표면에 다이아몬드 입자가 랜덤하게 박힌 것으로 물 또는 디에틸렌글리콜 성분을 윤활제로 하여 실리콘 잉곳을 자르는 방식이다. 실리콘 잉곳에는 단결정 잉곳과 다결정 잉곳이 있으며, 모든 절삭미분이 본 발명의 판상 실리콘(10)으로 적합하다는 장점이 있다.
폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상 실리콘(10)은 평균 두께가 10 내지 100㎚, 평균 길이가 10㎛ 이하로 형성될 수 있다.
여기서 판상 실리콘(10)의 평균 두께가 10nm 미만일 경우 산화막(11) 형성 시 잃는 부분이 너무 많아서 초기 용량이 처리 전 대비 60%도 되지 않을 수 있어 경제성이 크게 떨어질 수 있고, 평균 두께가 100mm 초과일 경우 산화막(11)의 비율이 20%도 되지 않는 입자가 많아져 수명 성능 개선 효과가 크게 떨어질 수 있기 때문이다.
또한 판상 실리콘(10)의 평균 길이가 10㎛ 초과일 경우 흑연(2)과의 혼합 시, 흑연(2)과 판상 실리콘 복합체(1) 입자 사이에 빈 공간이 많이 형성되어 동일 공간에 기공율이 커지고 충진율이 떨어져 동일 부피에서 방전 용량이 크게 떨어질 수 있다.
판상 실리콘(10)은 절삭과정에서 강한 힘이 주어지면서 실리콘이 단결정에서 판상으로 떨어져 나오므로 휘고 말리게 되고, 많은 미세 단결정이 약하게 부착된 형태로 만들어질 수 있다. 이에, 판상 실리콘(10)은 파쇄 전처리를 통해 음극재에 더 적합한 상태로 만들어 사용될 수 있다. 즉, 판상 실리콘(10)을 파쇄하여 판상 실리콘 입자(10a)로 사용하는 것이 바람직한 것이다.
한편, 판상 실리콘(10)은 파쇄되어 도 4와 같은 판상 실리콘 입자(10a) 형태로 만들어지기 위해 전처리가 될 수 있는데, 습식밀링하고 건조되는 것으로 전처리 될 수 있다.
이때, 판상 실리콘(10)을 습식밀링하는 방식은 비드밀(볼밀), 초음파분산, 고압균질기분산 방식이 사용될 수 있다.
먼저, 비드밀 방식은 물 또는 유기용매에 판상 실리콘(10)을 5 ~ 30% 범위로 혼합한 후 지르코니아 또는 알루미나 용기에서 지르코니아 또는 알루미나 비드과 함께 회전하여 볼간의 마찰력과 충격력에 의해 파쇄하는 방식이다. 비드밀은 0.5 내지 3㎜직경의 비드를 사용하고, 용기의 직경 100㎜ 기준 1,000 내지 5000rpm으로 회전시켜 파쇄하는 것이 바람직하다.
비드밀 사용 시, 비드의 직경이 0.5mm 미만일 경우 충격력이 약해져 파쇄가 거의 되지 않을 수 있으며, 3mm 초과일 경우 비드의 숫자가 너무 적어져서 판상 실리콘(10)과 충돌 확률 저하로 파쇄 시간이 불필요하게 길어질 수 있다.
또한 회전속도가 1000rpm 미만일 경우 저에너지로 파쇄에 필요한 에너지가 부족하여 파쇄가 거의 되지 않을 수 있고, 5000rpm 초과일 경우 과도한 고에너지로 비드 마모가 발생하고 불순물로 판상 실리콘(10)과 섞일 수 있다.
초음파분산 방식은 초음파 진동자에 증폭혼과 진동혼을 부착하여 용액에 초음파 진동을 가하여 용액 내 알갱이를 분산 또는 파괴하는 방식이다. 초음파분산은 주파수 20 내지 35KHz, 진폭 20 내지 200um, 진동자 전력소비량 200W 이상 조건에서 판상 실리콘(10)을 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 초음파분산은 물 또는 유기용매에 판상 실리콘(10)을 30% 이하 범위로 혼합한 후 진동자 다수가 일렬로 배치된 유로를 통과하면서 다수 진동자의 초음파진동을 받아서 파쇄가 가능하다.
이때, 진동자 전력소비량이 200W 미만일 경우 너무 낮은 에너지로 파쇄가 거의 되지 않을 수 있다. 또한 주파수가 20 KHz 미만일 경우 가청 주파수를 넘기지 못해 운영이 용이하지 않을 수 있으며, 35 KHz 초과일 경우 진동자와 진동발생기의 내구성만 떨어뜨리고 파쇄와 작업환경 개선 효과는 없다.
또한 물 또는 유기용매에 판상 실리콘(10)이 30% 초과 범위로 혼합될 경우 점도가 너무 높아져 초음파 진동의 전달 범위가 넓게 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
고압균질기는 펌프를 사용하여 압력을 가하여 용액을 반대방향의 미세노즐로 통과시켜서 용액 내 분말을 분산시키거나 파괴하는 장치이다. 고압균질기는 미세노즐 통과 후 다이아몬드판에 충돌시키는 방법, 양방향으로 노즐을 통과시켜 용액끼리 충돌시키는 방법 등 충돌을 결합하여 사용하는 방식도 있다. 본 발명에는 고압균질기분산 방식으로 물 또는 유기용매에 판상 실리콘(10)을 30% 이하 범위로 혼합한 후, 500bar 이상으로 가압하여 50 내지 200㎛의 미세 노즐을 통과시키고 다이아몬드판에 충돌 또는 상호 충돌하는 방식을 사용하는 것이 좋다.
이때, 물 또는 유기용매에 판상 실리콘(10)이 30% 초과 범위로 혼합되면, 점도가 너무 높아져 미세 노즐에 주입이 용이하지 않을 수 있다. 또한 압력이 500bar 미만일 경우 충돌에너지가 약해져 파쇄가 거의 되지 않을 수 있다.
또한 미세노즐 직경이 50㎛ 미만일 경우 노즐 막힘이 자주 발생하여 공정 운영이 어려울 수 있고, 200㎛ 초과일 경우 충돌에너지가 너무 약해져서 파쇄가 거의 되지 않을 수 있다.
또한, 상기의 비드밀, 분산기 및 균질기 중 하나로부터 얻어진 파쇄된 판상 실리콘 입자(10a)는 건조된 분말 상태로 회수되는 것이 바람직하다.
이때, 건조를 위한 장치는 수분 및 유기용매 기화 기능이 있는 다양한 장치의 사용이 가능하나, 스프레이 드라이어, 디스크 드라이어를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 스프레이 드라이어는 파쇄된 판상 실리콘 입자(10a)가 포함된 분산용액을 스프레이 노즐 또는 회전원판 노즐(Atomizer)을 통해 대기 중에 퍼트리고 뜨거워진 기체를 노즐 주변을 회전하도록 주입하여 용액이 비산된 상태에서 건조하는 장치로 낮은 겉보기 밀도를 가지는 건조 분말을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 열효율이 좋지 않다.
디스크 드라이어는 열효율이 높으며, 대각선으로 기울어진 가열된 회전디스크에 파쇄된 판상 실리콘 입자(10a)가 포함된 분산용액을 조금씩 떨어뜨려서 건조시키고 건조 잔류물인 파쇄 및 건조된 판상 실리콘 입자(10a)를 세라믹 나이프로 긁어서 회수하는 방식이다. 디스크 드라이어는 열 효율이 좋으나 높은 겉보기 밀도를 가지는 분말이 회수되는 단점이 있다.
상기와 같은 전처리 과정을 통해 파쇄 및 건조된 판상 실리콘 입자(10a)는 폐실리콘 커프에 있던 수분과 윤활제가 제거된 상태지만, 후공정에서 기체와의 용이한 반응을 위해, 판상 실리콘 입자(10a)를 해쇄하여 입자간의 공간을 형성할 수 있다.
파쇄 및 건조된 판상 실리콘 입자(10a)는 1 내지 2g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는데 공기 하에서 3,000rpm으로 분쇄하는 것으로, 0.2 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는 판상 실리콘 입자(10a)를 획득할 수 있다.
이에 해쇄된 판상 실리콘 입자(10a)는 입자간의 평균거리가 파쇄 및 건조된 판상 실리콘 입자(10a) 보다 3 내지 10배 늘어날 수 있다.
이와 같이 판상 실리콘(10)을 그대로 사용하지 않고, 판상 실리콘 입자(10a) 형태로 만들어 사용함으로써, 산화막(11)이 보다 균일하게 형성되도록 할 수 있다.
도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 산화막(11)은 판상 실리콘 입자(10a)의 표면을 산화시켜 형성될 수 있다.
이러한 산화막(11)은, 판상 실리콘(10)이 비표면적이 10㎡/g 이상으로 높아 전해액 또는 전해질과 접촉면적이 커서 높은 충방전 속도를 보장하지만, 빠른 충방전으로 인해 실리콘 파쇄가 빠르게 발생한다는 문제점을 해결하기 위해 형성된 것으로, 충방전 속도를 떨어뜨릴 수 있다.
구체적으로, 산화막(11)은 판상 실리콘 입자(10a)의 표면에 자연적으로 형성되어 있는 자연 산화막을 추가로 산화시켜 형성된 것으로, 자연 산화막 보다 두껍게 형성된 것이라고 할 수 있다.
이때, 산화막(11)은 비정질 상태로 형성되고, 산화막(11)에 리튬이 접근할 경우 산화막(11) 틈새에 리튬이 충진되면서 산화막(11)을 관통하는 전기전도성 라인이 형성될 수 있다. 이에 산화막(11)은 판상 실리콘 입자(10a)에 전해액 또는 전해질의 리튬이 천천히 확산되어 들어가도록 할 수 있다.
이와 같이 산화막(11)을 통해 리튬과 판상 실리콘 입자(10a)의 결합속도를 낮춤으로써, 충전용량은 기존 실리콘보다 다소 낮지만 충방전 수명은 극적으로 늘어나도록 할 수 있다.
또한 산화막(11)은 평균 두께가 2 내지 10㎚일 수 있다. 산화막(11)의 평균 두께가 2nm 미만일 경우 판상 실리콘 입자(10a) 표면에 점 형태의 불균일한 산화막(11)이 형성될 수 있으며, 이에 판상 실리콘 입자(10a) 표면에 산화되지 않은 부분이 점 형태의 산화막(11) 사이로 다수 발생하게 되어 균일한 산화막(11)이 주는 효과를 나타낼 수 없다. 즉, 수명성능 향상 효과가 바람직하게 나타나지 않을 수 있다.
또한 산화막(11)이 10nm 초과일 경우 초기 방전용량 감소의 주요 이유인 비가역 용량이 30%이상으로 크게 늘어나 리튬 소모가 심해질 수 있다.
도 7을 참조하면, 산화붕소 코팅막(12)은 산화막(11)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)의 표면에 산화붕소가 코팅되어 형성될 수 있다. 이러한 산화붕소 코팅막(12)은 산화막(11)이 초기 충전 때 리튬과 결합하고 방전 때 리튬을 내놓지 못하여 초기 비가역이 늘어나는 단점을 개선하기 위해 형성될 수 있다.
산화붕소는 비교적 낮은 온도에서 결정질을 가지는 특성이 있어, 비결정질인 산화막(11)에 결정질을 부가할 수 있으며, 이를 통해 리튬을 소비하지 않으면서 산화막(11)과 리튬의 결합을 줄일 수 있다. 산화붕소는 리튬과 반응하지 않고 저렴한 물질이라는 장점도 있다.
즉, 산화붕소 코팅막(12)은 산화막(11)의 리튬과의 결합량을 감소시켜 초기 비가역이 늘어나지 않도록 하고, 초기 용량과 수명 성능이 향상되도록 한다.
이러한 산화붕소 코팅막(12)은 산화막(11)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a) 표면 전체에 코팅되는 것이 아니라 부분적으로 형성될 수 있는데, 이는 붕산을 코팅하고 열분해하여 산화붕소 코팅막(12)이 형성되기 때문에 불균일한 코팅막이 형성될 수 있는 것이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 카본 코팅막(13)은 판상 실리콘 입자(10a) 외각에 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)을 감싸도록 전도성 카본으로 코팅되어 형성될 수 있다.
이러한 카본 코팅막(13)은 절연층인 산화막(11)에 전기전도성 및 원활한 전자흐름을 부여하기 위해 형성된 것이다. 즉, 카본 코팅막(13)은 기존의 리튬이온이차전지에서 흑연과 전해액(또는 전해질) 계면인 SEI(Solid electrolyte interface, 고체 전해질 계면)의 형성량과 형성관계를 유지시키는 역할을 하며, 소재 변화로 인해 전해액(또는 전해질)을 변경해야 하는 불편함을 없애 줄 수 있다.
카본 코팅막(13)은 로타리킬른 또는 킬른을 사용하여 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)에 탄화수소가스, 액화천연가스 및 액화석유가스 중 하나를 선택하여 공급하고 750 내지 1000℃에서 열분해 시키는 것으로 형성될 수 있다. 제조방법에 대해서는 하기에서 보다 자세하게 설명하기로 한다.
또한 카본 코팅막(13)은 평균 흑연층 10층 이내의 결정성을 가지며, 평균 두께가 3 내지 20㎚일 수 있다.
이때, 카본 코팅막(13)의 평균 두께가 3nm 미만일 경우 표면에 카본 코팅막(13)이 점 형태로 불균일하게 형성되어, 코팅이 안된 부분이 다수 발생하여 수명 향상 효과가 크지 않을 수 있으며, 20nm 초과일 경우 과도한 코팅으로 카본 코팅막(13) 내부에 공극이 많아져서 리튬이 공극을 채우고 다시 빠져나가지 않아 비가역 용량이 크게 늘어날 수 있기 때문이다.
또한 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재는 흑연(2)을 더 포함할 수 있다.
여기서 흑연(2)은 판상 소재로, 구형화되어도 빈 공간이 형성되어 있다.
이에 흑연(2)과 판상 실리콘 복합체(1)를 혼합하여 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 구성함에 따라, 흑연(2)의 빈 공간에 판상 실리콘 복합체(1)가 채워지면서 리튬 결합 시 팽창으로 인한 전극 전체 팽창을 방지하고 수축으로 인한 전극과의 전기적 연결을 유지하도록 할 수 있다. 즉, 흑연(2)의 빈 공간에 판상 실리콘 복합체(1)가 결합되는 형태로 리튬에 의해 팽창 시 전극과 분리되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 흑연(2)의 빈 공간은 완충 공간 역할을 하게 된다.
여기서 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 판상 실리콘 복합체(1)와 흑연(2)을 혼합하는 방법으로는, 2가지 방법이 있을 수 있는데, 1) 흑연(2)을 구상화하는 과정에서 판상 실리콘 복합체(1)를 투입하는 방법과 2) 구상화 또는 구형화 과정을 마친 흑연(2)과 판상 실리콘 복합체(1)를 혼합하는 방법이 있을 수 있다.
1) 흑연(2)을 구상화하는 과정에서 판상 실리콘 복합체(1)를 투입하는 방법으로 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제조할 경우에는, 도 9에 도시한 바와 같이, 흑연(2)의 판 사이에 판상 실리콘 복합체(1)가 삽입되면서 구상화 또는 구형화된 흑연(2) 형태의 구형화 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재가 형성될 수 있다.
반면, 2) 구상화 또는 구형화 과정을 마친 흑연(2)과 판상 실리콘 복합체(1)를 혼합하는 방법으로 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제조할 경우에는, 도 10에 도시한 바와 같이, 흑연(2) 사이에 판상 실리콘 복합체(1)가 배치된 형태의 단순 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재가 형성될 수 있다.
이때, 판상 실리콘 복합체(1)와 흑연(2)은 1 내지 10 : 90 내지 99의 중량비로 혼합될 수 있고, 보다 바람직하게는 5 : 95의 중량비로 혼합될 수 있다.
이때, 판상 실리콘 복합체(1)의 함량이 1중량% 보다 낮을 경우 흑연(2) 혼합에 따른 실리콘 음극재의 충전용량 증가 효과가 충전용량 편차 이내에 속하여 효과를 알기 어려우며, 10중량% 초과일 경우 실리콘 입자 수가 흑연(2) 입자 수보다 크게 많아져서 실리콘 입자와 흑연(2) 간 균일 분산 효과가 떨어질 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제조하는 방법에 대하여 하기에서 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이고, 도 12는 도 11에 전처리단계, 2차 해쇄단계 및 혼합단계가 더 포함된 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조방법은 1차 해쇄단계(S10), 산화단계(S20), 산화붕소코팅단계(S30) 및 카본코팅단계(S40)를 포함할 수 있다.
1차 해쇄단계(S10)는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상 실리콘(10)을 해쇄하여 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지도록 할 수 있다.
판상 실리콘(10)은 절삭과정에서 강한 힘이 주어지면서 실리콘이 단결정에서 판상으로 떨어져 나오므로 휘고 말리게 되고, 많은 미세 단결정이 약하게 부착된 형태로 만들어질 수 있다. 이에, 판상 실리콘(10)을 해쇄하는 것이 필요한 것이다.
한편, 도 12를 참조하면, 본 발명의 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재 제조방법은 1차 해쇄단계(S10) 이전에 전처리단계(S5)를 포함할 수 있다.
전처리단계(S5)는 1차 해쇄단계(S10) 이전에 판상 실리콘(10)을 습식밀링하고 건조하여, 도 4와 같은, 판상 실리콘 입자(10a)로 만들 수 있다.
이러한 전처리단계(S5)를 통해 판상 실리콘(10)을 파쇄하고 건조시켜 폐실리콘 커프에 있던 수분과 윤활제가 제거되었지만, 후공정에서 기체와의 용이한 반응을 위해, 1차 해쇄단계(S10)에서 파쇄 및 건조된 판상 실리콘(10)을 해쇄하여 입자간의 공간을 형성할 수 있는 것이다.
파쇄 및 건조된 판상 실리콘 입자(10a)은 1 내지 2g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는데 1차 해쇄단계(S10)에서 공기 하에서 3,000rpm으로 분쇄하는 것으로, 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는 판상 실리콘 입자(20)를 획득할 수 있다.
이에 해쇄된 판상 실리콘 입자(10a)는 입자간의 평균거리가 파쇄 및 건조된 판상 실리콘 입자(10a)보다 3 내지 10배 늘어날 수 있다. 따라서 1차 해쇄단계(S10)는 후공정인 산화단계(S20)에서 산화막(11)이 균일하게 형성되도록 할 수 있다.
산화단계(S20)는 판상 실리콘 입자(10a)의 표면을 산화시켜 산화막(11)을 형성시킬 수 있다.
산화단계(S20)는 판상 실리콘 입자(10a)의 표면의 자연적으로 형성되어 있는 자연 산화막에 추가로 산화시켜 산화막을 두껍게 형성되도록 할 수 있다.
산화단계(S20)는 로타리킬른(Rotary kiln) 을 사용하여 판상 실리콘 입자(10a)에 산화제를 투입하고 700 내지 1,100℃로 가열할 수 있다.
이때, 가열온도가 700℃미만일 경우, 산화막(11)의 형성 속도가 너무 느려져서 반응시간이 과도하게 길어짐에 따라 산화막(11)이 전체적으로 형성되지 않거나 원하는 두께로 형성하기 어려울 수 있고, 1,100℃초과일 경우, 과도한 온도로 판상 실리콘 입자(10a)가 손상되거나 공정비용이 불필요하게 증대될 수 있어 비효율적일 수 있다.
여기서, 산화제는 산소, 물, 과산화수소 중 하나이상을 사용할 수 있고, 산화제의 종류에 따라 가열 온도를 조절할 수 있다.
구체적으로, 산화제로 과산화수소를 사용할 경우, 700 내지 1,100℃로 가열할 수 있고, 산화제로 산소를 사용할 경우, 900 내지 1,100℃로 가열할 수 있다.
여기서, 로타리킬른은 연속식 가열로를 사용하므로 열효율이 좋고 작업시간을 단축할 수 있다. 로타리킬른은 피처리물을 킬른 본체에 투입하기 위한 투입부, 가열하기 위한 킬른 본체를 구비하는 열처리부, 가열처리된 피처리물을 배출하는 배출부로 구성되어 있다. 로타리킬른은 피처리물이 계속 혼합하면서 이동하므로 균일하고 두께가 두꺼운 산화막(11)이 형성되며 입자 간의 산화막(11) 비율의 차이를 줄일 수 있다.
산화붕소코팅단계(S30)는 산화막(11)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)의 표면에 산화붕소를 코팅하여 산화붕소 코팅막(12)을 형성할 수 있다.
산화붕소코팅단계(S30)는 산화붕소 코팅막(12)을 산화막(11)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a) 표면 전체에 코팅시키는 것이 아니라 부분적으로 형성시킬 수 있는데, 이는 붕산을 코팅하고 열분해하여 산화붕소 코팅막(12)을 형성하므로 불균일한 코팅막이 형성될 수 있는 것이다.
산화붕소코팅단계(S30)는 산화단계(S20)를 마친 산화막(11)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)를 붕산 수용액에 투입하여 분산시킨 뒤, 스프레이 드라이어, 디스크 드라이어 등의 건조기를 통해 건조시키고 분쇄기를 이용하여 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도로 분쇄할 수 있다. 그 다음, 로타리킬른을 사용하여 550 내지 700℃로 가열하여, 붕산을 산화붕소로 변환시켜 산화붕소 코팅막(12)을 형성시킬 수 있다.
이때, 가열온도가 550℃미만일 경우 산화붕소가 모두 녹지 않아서 산화막(11)에 부착력이 저하될 수 있고, 700℃초과일 경우 녹아서 기화로 날아가는 양이 많아져 코팅 효과가 저하될 수 있다.
한편, 산화붕소코팅단계(S30)는 붕산이 산화붕소로 변환되는 과정에서 발열과정이 수반되어 입자간의 응집이 발생하므로, 분쇄기를 통해 입자간의 거리가 형성되도록 해쇄하는 것이다. 이때, 입자의 겉보기 밀도는 상기에서 기재한 바와 같이 0.1 내지 0.4g/㎤가 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
카본코팅단계(S40)는 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)의 표면을 전도성 카본으로 코팅하여 카본 코팅막(13)이 형성된 판상 실리콘 복합체(1)를 만들 수 있다. 카본코팅단계(S40)는 판상 실리콘 입자(10a)의 표면에 카본 코팅막(13)을 형성함으로써, 절연층인 산화막(11)에 전기전도성 및 원활한 전자흐름을 부여할 수 있다.
카본코팅단계(S40)는 로타리킬른 또는 킬른을 사용하여 판상 실리콘 입자(10a)에 탄화수소가스, 액화천연가스 및 액화석유가스 중 하나를 선택하여 투입하고, 750 내지 1000℃에서 열분해 시킬 수 있다.
여기서, 탄화수소가스는 카본과 수소 결합으로 이루어진 가스로, C2H2(아세틸린), C2H6(에탄), C2H4(에틸렌), CH4(메탄), C3H8(프로판), C4H10(부탄), C3H6(프로필렌), C4H8(부틸렌) 등이 사용될 수 있다. 탄화수소가스는 에탄올, 메탄올, 톨루엔 등과 같은 C, H, O로 이루어진 탄화수소 용액을 기화 및 열분해시켜 제조한 것을 사용할 수 있다.
카본코팅단계(S40)는 탄화수소가스로 에틸렌가스를 사용하여 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)를 750 내지 800℃에서 열분해시키거나, 액화천연가스를 사용하여 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)를 950 내지 1,000℃에서 열분해시켜 카본 코팅막(13)을 형성하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
에틸렌가스를 사용할 시, 온도가 750℃미만일 경우 분해율이 50%도 되지 않아 불필요하게 가스를 소모시키게 되며, 800℃초과일 경우 분해 속도가 빨라져 카본 블랙이라는 불필요한 부산물을 다량으로 만들어 낼 수 있다.
액화천연가스를 사용하는 경우 또한, 온도가 950℃미만일 경우 분해율이 50%도 되지 않아 불필요하게 가스를 소모시키게 되며, 1000℃초과일 경우 분해 속도가 빨라져 카본 블랙이라는 불필요한 부산물을 다량으로 만들어 낼 수 있다.
도 12를 참조하면, 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조방법은 산화붕소코팅단계(S30) 이후에 2차 해쇄단계(S35)를 더 포함할 수 있다.
2차 해쇄단계(S35)는 산화붕소코팅단계(S30) 이후에 응집되어 있는 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)를 해쇄하여 저밀도화 시킬 수 있다. 2차 해쇄단계(S35)는 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)를 반경 110 내지 130㎜, 3300 내지 3500rpm 핀밀에서 공기와 함께 분쇄할 수 있다.
이러한 2차 해쇄단계(S35)는 응집된 산화막(11)과 산화붕소 코팅막(12)이 형성된 판상 실리콘 입자(10a)를 분리시키는 것으로, 1차 해쇄단계(S10)와 동일하게 입자가 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지도록 할 수 있다. 이에, 2차 해쇄단계(S35)는 후공정인 카본코팅단계(S40)에서 카본 코팅막(13)이 균일하게 형성되도록 할 수 있다.
또한, 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재의 제조방법은 카본코팅단계(S40) 이후에, 혼합단계(S50)를 더 포함할 수 있다.
혼합단계(S50)는 카본코팅단계(S40) 이후에 판상 실리콘 복합체(1)와 흑연(2)을 혼합하여 구형화 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재 또는 단순 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 제조할 수 있다.
혼합단계(S50)는 흑연(2)을 구상화하는 과정에서 판상 실리콘 복합체(1)를 투입하거나, 구상화 또는 구형화 과정을 마친 흑연(2)과 판상 실리콘 복합체(1)를 혼합할 수 있다.
구체적으로, 혼합단계(S50)에서 흑연(2)을 구상화하는 과정에서 판상 실리콘 복합체(1)를 투입할 경우, 도 9에 도시한 바와 같이, 흑연(2)의 판 사이에 판상 실리콘 복합체(1)가 삽입되면서 구상화 또는 구형화된 흑연(2) 형태의 구형화 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재가 제조될 수 있다.
반면, 혼합단계(S50)에서 구상화 또는 구형화 과정을 마친 흑연(2)과 판상 실리콘 복합체(1)를 혼합할 경우, 도 10에 도시한 바와 같이, 흑연(2) 사이에 판상 실리콘 복합체(1)가 배치된 형태의 단순 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재가 제조될 수 있다.
이때, 흑연(2)은 구상화 또는 구형화과정을 거치는데, 이는 구형 흑연이 이방도가 낮아 전압 및 전류 분포의 균일성 유지에 유리하기 때문이다. 반면, 플레이크상의 흑연은 재료 자체의 비등방성으로 인해, 이후 용매나 바인더와 혼합 및 슬러리화하는 과정에서 유동성 저하로 공정성이 나빠지고, 소정 두께의 도포층 형성이 어려워 박리 현상 등의 문제점이 발생할 수 있다. 일반적으로, 구상화 공정은 기계적 회전운동에 의해 플레이크상 탄소재의 거친 부분들을 제거하고 입자 표면을 매끄럽게 가공하여 구형화할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재는 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상의 실리콘을 사용하여 단가가 저감될 수 있다.
또한, 판상의 흑연과 복합화되어 충진율이 우수할 수 있다.
또한, 성능이 향상되어 동일 부피 대비 더 많은 리튬을 충전할 수 있다.
이하에서, 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들은 단지 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하기 위한 것으로, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
다결정 실리콘 잉곳을 직경 50㎛ 다이아몬드 와이오쏘로 물과 디에틸렌글리콜 혼합액으로 냉각, 윤활 및 절단과정을 거쳐 판상 실리콘 5% 혼합용액 5,000ml을 회수하였다. 분산용액을 스프레이 드라이어에서 15,000rpm으로 회전하는 아토마이저 원판에 분당 20ml 속도로 주입하여 140도에서 건조하여 판상 실리콘 입자를 얻었다. 반경 120㎜, 3400rpm 핀밀에서 공기와 함께 분쇄하여 저밀도의 판상 실리콘 입자를 만들었다. 상기 판상 실리콘 입자를 로타리킬른 800℃에서 10분간 체류시키면서, 질소로 과산화수소를 버블링하고 주입하여 산화시키는 것으로 산화막을 형성하였다. 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자를 붕산 수용액에 3,000rpm 믹서를 사용하여 30분간 분산시킨 뒤, 스프레이 드라이어에서 15,000rpm으로 회전하는 아토마이저 원판에 분당 20ml 속도로 주입하여 140℃에서 건조하였다. 그 다음, 로타리킬른 700℃에서 10분간 체류시키면서 붕산을 분해시켜 부분적으로 산화붕소가 코팅되어 산화붕소 코팅막이 형성되도록 하였다. 산화막과 산화붕소 코팅막이 형성된 판상 실리콘 입자를 로타리킬른 800℃에서 10분간 체류시키면서 에틸렌 가스를 0.1M/min. 속도로 투입하여 표면에 카본 코팅막이 형성되도록 하여, 판상 실리콘 복합체를 만들었다.
제조된 판상 실리콘 복합체를 바인더, 도전재와 혼합하여 구리 호일에 도포하고 코인모양으로 타공하였다. 전지셀을 만들기 위해, 양극은 리튬호일을 코인모양으로 타공하여 사용하였고, 세퍼레이터와 전해액을 넣고 리튬이온전지 Half-cell로 조립하였다.
[실시예 2]
실시예 1에서 제조된 판상 실리콘 복합체와 구형화된 흑연을 5:95 무게비로 건식 볼밀에 투입하여 10초간 혼합하여 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 얻었다.
상기 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재를 사용하여 실시예 1과 동일하게 리튬이온전지 Half-cell로 제조하였다.
[비교예 1]
흑연, 바인더, 도전재와 혼합하여 구리 호일에 도포하고 코인모양으로 타공하였다. 전지셀을 만들기 위해, 양극은 리튬호일을 코인모양으로 타공하여 사용하였고, 세퍼레이터와 전해액을 넣고 리튬이온전지 Half-cell로 조립하였다.
[비교예 2]
다결정 실리콘 잉곳을 직경 50㎛ 다이아몬드 와이오쏘로 물과 디에틸렌글리콜 혼합액으로 냉각, 윤활 및 절단과정을 거쳐 판상 실리콘 5% 혼합용액 5,000ml을 회수하였다. 분산용액을 스프레이 드라이어에서 15,000rpm으로 회전하는 아토마이저 원판에 분당 20ml 속도로 주입하여 140도에서 건조하여 판상 실리콘 입자를 얻었다. 반경 120㎜, 3400rpm 핀밀에서 공기와 함께 분쇄하여 저밀도의 판상 실리콘 입자를 만들었다. 판상 실리콘 입자를 로타리킬른 800℃에서 10분간 체류시키면서 에틸렌 가스를 0.1M/min. 속도로 투입하여 표면에 카본 코팅막이 형성되도록 하여 카본코팅 실리콘 입자를 제조하였다
제조된 카본코팅 실리콘 입자, 흑연, 바인더, 도전재와 혼합하여 구리 호일에 도포하고 코인모양으로 타공하였다. 전지셀을 만들기 위해, 양극은 리튬호일을 코인모양으로 타공하여 사용하였고, 세퍼레이터와 전해액을 넣고 리튬이온전지 Half-cell로 조립하였다.
[비교예 3]
비교예 2에서 제조된 카본코팅 실리콘 입자와 구형화된 흑연을 5:95 무게비로 건식 볼밀에 투입하여 10초간 혼합하여 음극재를 얻었다.
상기 음극재를 구리 호일에 도포하고 코인모양으로 타공하였다. 전지셀을 만들기 위해, 양극은 리튬호일을 코인모양으로 타공하여 사용하였고, 세퍼레이터와 전해액을 넣고 리튬이온전지 Half-cell로 조립하였다.
[실험예 1] 충방전 성능 평가
실시예 1 및 2, 비교예 1 내지 3에서 제조한 Half-cell의 충방전 성능을 평가하기 위해, 용량 및 수명을 측정하였다.
이때, 용량은 25℃에서 충방전전류량 0.1C 조건하에서 측정하였고, 수명은 25℃에서 충방전전류량 0.1C 조건하에서 20 내지 300사이클까지 측정하였다.
그 결과는 도 13 내지 도 17에 나타내었다. 도 12 내지 도 17은 각각 비교예 1 내지 3, 실시예 1 및 2의 Half cell 충방전 시험 결과 그래프이다.
도 13 내지 도 17을 보면 알 수 있듯이, 비교예 1은 초기 용량이 358 mAh/g로 낮게 나타났으나, 수명 성능은 300cycle을 만족하는 것을 확인할 수 있었다(도 13)
비교예 2는 카본코팅으로 초기 용량이 3250 mAh/g로 우수하게 나타났으나, 수명 성능이 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다(도 14).
비교예 3은 초기 용량이 2000mAh/g로 높게 나타났으나, 수명 성능이 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다(도 15).
실시예 1은 비교예 2와 비교하여 초기 용량은 다소 떨어졌으나, 수명 성능이 월등하게 좋아진 것을 확인할 수 있었고, 비교예 1과 비교해서는 초기 용량이 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다(도 16).
실시예 2는 산화막과 산화붕소 코팅막이 없는 비교예 2 대비 초기 용량과 수명 성능이 모두 향상된 것을 확인할 수 있었다(도 17).
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
1: 판상 실리콘 복합체
10: 판상 실리콘
10a: 판상 실리콘 입자
11: 산화막
12: 산화붕소 코팅막
13: 카본 코팅막
2: 흑연

Claims (9)

  1. 폐실리콘 커프(Silicon kerf)로 형성된 판상 실리콘으로 제조된 판상 실리콘 복합체를 포함하되,
    상기 판상 실리콘 복합체는,
    상기 판상 실리콘을 해쇄하여 형성된 0.1 내지 0.4g/㎤의 겉보기 밀도를 가지는 판상 실리콘 입자;
    상기 판상 실리콘 입자의 표면을 산화시켜 형성된 산화막;
    상기 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자의 표면에 산화붕소를 코팅하여 형성된 산화붕소 코팅막 및
    상기 판상 실리콘 입자 외각에 상기 산화막과 산화붕소 코팅막을 감싸도록 전도성 카본으로 코팅되어 형성된 카본 코팅막을 포함하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재로서,
    상기 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재는 흑연을 더 포함하며,
    상기 판상 실리콘 복합체와 흑연은 1 내지 10 : 90 내지 99의 중량비로 혼합되고,
    상기 판상 실리콘 입자는,
    상기 판상 실리콘을 습식밀링하고 건조되어 얻어지고,
    상기 카본 코팅막은,
    평균 두께가 3 내지 20㎚이고,
    상기 카본 코팅막은,
    상기 산화막과 산화붕소 코팅막이 형성된 판상 실리콘 입자에 탄화수소가스, 액화천연가스 및 액화석유가스 중 하나를 선택하여 투입하고, 750 내지 1000℃에서 열분해시켜 형성된 것을 특징으로 하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판상 실리콘은,
    평균 두께가 10 내지 100㎚, 평균 길이가 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화막은,
    평균 두께가 2 내지 10㎚인 것을 특징으로 하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화막은,
    상기 판상 실리콘 입자에 산화제를 투입하고 700 내지 1,100℃로 가열하여 형성된 것을 특징으로 하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화붕소 코팅막은,
    상기 산화막이 형성된 판상 실리콘 입자에 붕산 수용액을 투입하고 550 내지 700℃로 가열하여 형성된 것을 특징으로 하는 산화붕소가 적용된 리튬이온이차전지용 실리콘 음극재.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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