KR102465961B1 - Anode Active Materails With Long Life Cycle For Li Secondary Battery And Manufacturing Methods Thereof - Google Patents

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Abstract

보다 장수명을 갖는 음극재가 개시된다. 본 발명은 SiOx 분말을 불균화하는 단계; 불균화 된 SiOx 분말을 유기 용매에 교반하는 단계; 상기 불균화 된 SiOx 분말과 Ti 전구체 용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조하여 고형분을 수득하는 단계; 및 상기 고형분을 열처리하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 나노 실리콘을 포함하여 고용량의 발현이 가능한 SiOx계 리튬 이차 전지의 음극재를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 리튬 삽입시 넓은 비표면적을 제공하고 리튬 삽입시 부피 팽창으로 인한 열화에 대한 완충 역할을 하는 3차원 공극을 제공하는 음극재를 제공할 수 잇게 된다. 또한 본 발명에 따르면 전해액과 음극 소재의 직접적인 반응을 억제하는 안정한 고상 전해질 계면(solid electrolyte interface)을 갖는 음극재를 제공할 수 있게 된다.An anode material having a longer lifespan is disclosed. The present invention comprises the steps of disproportionating the SiO x powder; Stirring the disproportionated SiO x powder into an organic solvent; mixing the disproportionated SiO x powder and the Ti precursor solution; drying the mixed solution to obtain a solid content; And it provides a method for manufacturing a negative electrode material for a lithium secondary battery comprising the step of heat-treating the solid content. According to the present invention, it is possible to provide an anode material for a SiOx-based lithium secondary battery capable of expressing high capacity, including nano-silicon. In addition, according to the present invention, it is possible to provide an anode material that provides a wide specific surface area upon lithium insertion and provides three-dimensional pores that serve as a buffer against deterioration due to volume expansion during lithium insertion. In addition, according to the present invention, it is possible to provide an anode material having a stable solid electrolyte interface that suppresses a direct reaction between the electrolyte and the anode material.

Description

이차전지용 장수명 음극 활물질 및 그 제조 방법{Anode Active Materails With Long Life Cycle For Li Secondary Battery And Manufacturing Methods Thereof}Anode Active Materials With Long Life Cycle For Li Secondary Battery And Manufacturing Methods Thereof

본 발명은 리튬 이차전지의 음극 활물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장수명을 갖는 음극재에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a negative electrode material having a long lifespan.

배터리를 사용하는 전자 장치의 소형화, 경량화 및 대용량화에 따라 고용량 컴팩트 배터리에 대한 관심이 증가하고 있으며, 리튬 이온 배터리의 사용이 증가하고 있다. BACKGROUND As electronic devices using batteries have been miniaturized, lightened, and increased in capacity, interest in high-capacity compact batteries has increased, and lithium ion batteries have been increasingly used.

보편적으로 상용화 된 리튬 이차전지는 유기용매와 리튬염으로 구성된 액체전해질 내에 고분자 분리막이 추가된 구조로 되어, 방전시에는 Li+ 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 Li이 이온화 되면서 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하며, 충전시에는 이와 반대로 이동한다. 이러한 Li+ 이온 이동의 구동력은 두 전극의 전위차에 따른 화학적 안정성에 의해 발생된다. 음극에서 양극으로 또 양극에서 음극으로 이동하는 Li+ 이온의 양에 의해 전지의 용량(capacity, Ah)이 결정된다.Commonly commercialized lithium secondary batteries have a structure in which a polymer separator is added to a liquid electrolyte composed of an organic solvent and lithium salt. It moves to the positive pole, and moves in the opposite direction when charging. The driving force for such Li + ion movement is generated by chemical stability according to the potential difference between the two electrodes. The capacity (Ah) of a battery is determined by the amount of Li + ions moving from the negative electrode to the positive electrode and from the positive electrode to the negative electrode.

과학기술이 발전됨에 따라 다양한 디바이스들이 개발되면서 포터블 장치에 사용하는 에너지 공급원의 다양성에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 이에 따라 이동성을 간편하게 하기 위하여 무선에너지 공급원에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 가장 많은 연구가 이루어진 분야가 리튬 이차전지이다. 하지만 리튬 이차전지에서 음극으로 가장 많이 사용되는 탄소계 활물질은 제한적인 용량의 한계로 인하여 다기능성 복합 디바이스로 진화하는 장치들을 구동하기 위해서는 고용량의 전지가 필요하며 이를 위해서는 많은 양의 활물질이 필요하여 제작되는 전지의 규모가 커질 수 밖에 없는 상태이다.As science and technology develop, various devices are developed, and demand for a variety of energy supply sources used in portable devices is increasing. Accordingly, in order to facilitate mobility, wireless energy supply sources are being actively developed, and lithium secondary batteries have been studied the most. However, carbon-based active materials, which are most often used as negative electrodes in lithium secondary batteries, require high-capacity batteries to drive devices that evolve into multifunctional complex devices due to their limited capacity, and for this, a large amount of active material is required. It is a state in which the size of the battery that is being used is bound to increase.

한편, 활물질로서 실리콘 소재는 음극 소재로 많이 거론되어 왔으나, 리튬의 삽-탈리시 부피팽창의 문제로 인하여 전극내의 접착력 및 전도성 저하로 수명의 보장이 어려워 현재 상용화 되지 못하고 있는 실정이다. 또한 충방전시 전극 표면에서 전해액과의 반응으로 인하여 전해액의 분해반응이 빠르게 진행되어 전지의 성능을 대폭 떨어뜨리는 결과를 초래한다. On the other hand, silicon material as an active material has been widely discussed as an anode material, but due to the problem of volume expansion during intercalation and desorption of lithium, it is difficult to guarantee lifespan due to decrease in adhesion and conductivity in the electrode, so it is not currently commercialized. In addition, due to the reaction with the electrolyte on the surface of the electrode during charging and discharging, the decomposition reaction of the electrolyte proceeds rapidly, resulting in a significant decrease in the performance of the battery.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 결정질의 나노 실리콘을 포함하여 고용량의 발현이 가능한 SiOx계 리튬 이차 전지의 음극재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a negative electrode material for a SiOx-based lithium secondary battery capable of expressing high capacity, including crystalline nano-silicon.

나아가, 본 발명은 리튬 삽입시 넓은 비표면적을 제공하고 리튬 삽입시 부피 팽창으로 인한 열화에 대한 완충 역할을 하는 3차원 공극을 제공하는 음극재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an anode material that provides a wide specific surface area during lithium insertion and provides a three-dimensional pore that serves as a buffer against deterioration due to volume expansion during lithium insertion.

또한 본 발명은 전해액과 음극 소재의 직접적인 반응을 억제하는 안정한 고상 전해질 계면(solid electrolyte interface)을 제공할 수 있는 음극재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an anode material capable of providing a stable solid electrolyte interface that suppresses a direct reaction between the electrolyte and the anode material.

또한 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 음극재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a negative electrode material prepared by the above-described method and a lithium secondary battery including the same.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 SiOx 분말을 불균화하는 단계; 불균화 된 SiOx 분말을 유기 용매에 교반하는 단계; 상기 불균화 된 SiOx 분말과 Ti 전구체 용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조하여 고형분을 수득하는 단계; 및 상기 고형분을 열처리하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극재의 제조 방법을 제공한다.The present invention in order to achieve the above technical problem disproportionate the SiO x powder; Stirring the disproportionated SiO x powder into an organic solvent; mixing the disproportionated SiO x powder and the Ti precursor solution; drying the mixed solution to obtain a solid content; And it provides a method for manufacturing a negative electrode material for a lithium secondary battery comprising the step of heat-treating the solid content.

본 발명에서 상기 Ti 전구체는 Ti(OCH(CH3)2)4, 또는 Ti(OCH2CH2CH2CH3)4를 포함할 수 있다. In the present invention, the Ti precursor may include Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 or Ti(OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 .

또한, 상기 열처리 단계에서 상기 SiOx 분말 표면에 결정질의 TiO2 -x (x>0) 코팅층을 형성된다. In addition, in the heat treatment step, a crystalline TiO 2 - x (x>0) coating layer is formed on the surface of the SiO x powder.

또한 본 발명은 상기 SiOx 분말을 다공화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the present invention may further include the step of porous treatment of the SiOx powder.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 불균화 된 SiOx 코어; 및 상기 SiOx 코어를 둘러싸는 TiO2 -x 피복층(여기서 x>0)을 포함하는 리튬 이차전지용 음극재 분말을 제공한다. In order to achieve the above other technical problem, the present invention, the disproportionated SiO x core; and a TiO 2- x coating layer (where x>0) surrounding the SiO x core.

본 발명에서 상기 음극재 분말 표면에는 기공이 형성될 수 있다. In the present invention, pores may be formed on the surface of the negative electrode material powder.

또한, 본 발명에서 TiO2 -x 피복층은 상기 SiOx 코어보다 높은 전기 전도도를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서 TiO2 -x 피복층은 아나타제상을 포함할 수 있다. In addition, in the present invention, the TiO 2- x coating layer preferably has higher electrical conductivity than the SiO x core. In the present invention, the TiO 2 - x coating layer may include an anatase phase.

상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 불균화 된 SiOx 코어 및 상기 SiOx 코어를 둘러싸는 TiO2 -x 피복층(여기서 x>0)을 포함하는 리튬 이차전지용 분말을 포함하는 음극재를 포함하고, 상기 피복층은 TiOF2 및/또는 LiTiOF2 상을 더 포함할 수 있다. TiOF2 및/또는 LiTiOF2 상은 피복층 외곽에 형성될 수 있다. 이 때 상기 TiOF2/LiTiOF2 상은 비정질인 것이 바람직하다. In order to achieve the above another technical problem, the present invention, in a lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte, the negative electrode is a disproportionated SiO x core and a TiO 2- x coating layer surrounding the SiO x core ( Here, an anode material including powder for a lithium secondary battery including x>0) may be included, and the coating layer may further include a TiOF 2 and/or LiTiOF 2 phase. The TiOF 2 and/or LiTiOF 2 phase may be formed outside the coating layer. At this time, the TiOF 2 /LiTiOF 2 phase is preferably amorphous.

본 발명에 따르면, 결정질의 나노 실리콘을 포함하여 고용량의 발현이 가능한 SiOx계 리튬 이차 전지의 음극재를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 리튬 삽입시 넓은 비표면적을 제공하고 리튬 삽입시 부피 팽창으로 인한 열화에 대한 완충 역할을 하는 3차원 공극을 제공하는 음극재를 제공할 수 잇게 된다. 또한 본 발명에 따르면 전해액과 음극 소재의 직접적인 반응을 억제하는 안정한 고상 전해질 계면(solid electrolyte interface)을 갖는 음극재를 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to provide an anode material for a SiOx-based lithium secondary battery capable of expressing high capacity, including crystalline nano-silicon. In addition, according to the present invention, it is possible to provide an anode material that provides a wide specific surface area upon lithium insertion and provides three-dimensional pores that serve as a buffer against deterioration due to volume expansion during lithium insertion. In addition, according to the present invention, it is possible to provide an anode material having a stable solid electrolyte interface that suppresses a direct reaction between the electrolyte and the anode material.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음극재의 제조 과정을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 SiOx 분말을 관찰한 투과전자현미경 사진이다.
도 4는 도 3의 분말에서 분말 내부와 코팅층 경계 부위를 EDS 분석한 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 TiO2 코팅된 다공성 SiOx 분말을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조된 전지 샘플의 전기적 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 각 전극 샘플을 사용한 전지의 사이클에 따른 전지 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 TIO2 -x 코팅층에 의한 표면 반응 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 충전 및 방전시 리튬치환(lithiation) 및 탈리튬(delithiation) 단계에서의 전극 분말의 형상을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 충전 및 방전시 리튬치환(lithiation) 및 탈리튬(delithiation) 단계에서의 전극 분말에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram schematically showing a manufacturing process of an anode material according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a method for manufacturing an anode active material according to another embodiment of the present invention.
3 is a transmission electron microscope image of SiOx powder prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a photograph showing the results of EDS analysis of the inside of the powder and the boundary of the coating layer in the powder of FIG. 3 .
5 is a scanning electron microscope photograph of TiO 2 coated porous SiO x powder prepared according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing electrical characteristics measurement results of battery samples prepared in Example of the present invention.
7 is a graph showing the results of measuring the battery characteristics according to the cycle of the battery using each electrode sample.
8 is a schematic diagram for explaining the surface reaction mechanism by the TIO 2- x coating layer according to the present invention.
9 is a scanning electron microscope photograph of the shape of an electrode powder in a lithiation and delithiation step during charging and discharging.
10 is a graph showing XPS analysis results of electrode powder in lithiation and delithiation steps during charging and discharging.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.The present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the following drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음극재의 제조 과정을 모식적으로 도시한 도면이다. 1 is a diagram schematically showing a manufacturing process of an anode material according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.

먼저, SiOx 분말을 1050~1150°C에서 열처리하여 불균화한다(S110). First, the SiO x powder is disproportionated by heat treatment at 1050 to 1150 ° C (S110).

SiOx(여기서 0.5≤x≤1.2) 소재는 비정질 Si과 다양한 가수의 산화 실리콘으로 구성되어 있다. SiOx 소재는 열역학적으로 불안정하며 Si과 SiO2로 불균화(disproportionate) 될 수 있다. 본 발명에서는 SiOx 분말을 1050~1150℃의 고온에서 열처리하여 결정질의 Si과 SiO2로 불균화 한다. 이와 같은 불균화 과정에서 Si은 결정질 상태를 이루면서 입자 크기가 성장한다. 본 발명에서 불균화 과정을 거친 Si은 비정질 상태의 실리콘에 비해 높은 가역 용량을 나타낼 수 있다. The SiO x (where 0.5≤x≤1.2) material is composed of amorphous Si and silicon oxide of various valences. The SiO x material is thermodynamically unstable and can be disproportionated into Si and SiO 2 . In the present invention, the SiOx powder is heat-treated at a high temperature of 1050 to 1150° C. to disproportionate into crystalline Si and SiO 2 . In this disproportionation process, the particle size of Si grows while forming a crystalline state. In the present invention, Si subjected to the disproportionation process may exhibit a higher reversible capacity than silicon in an amorphous state.

이어서, 불균화 된 SiOx 분말을 적절한 유기 용매 예컨대 에탄올에서 교반한다(S120). Then, the disproportionated SiO x powder is stirred in an appropriate organic solvent such as ethanol (S120).

다음, 교반을 거친 용액에 Ti 전구체 용액을 첨가하고 약 1시간 동안 교반한다(S130). 이 때, Ti 전구체로는 예컨대 Ti(OCH(CH3)2)4, Ti(OCH2CH2CH2CH3)4 등이 사용될 수 있다. 또한, 전구체를 용해하기 위한 용매로 NH4OH, CH3CN, CH3CH2OH 등이 사용될 수 있다. Next, a Ti precursor solution is added to the stirred solution and stirred for about 1 hour (S130). At this time, Ti precursors include, for example, Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 , Ti(OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 etc. can be used. In addition, NH 4 OH, CH 3 CN, CH 3 CH 2 OH, etc. may be used as a solvent for dissolving the precursor.

교반을 거친 혼합 용액은 원심 분리 및 세정을 거쳐(S140), 건조된다(S150). 이 때, 세정액으로는 중수가 사용될 수 있다. 혼합 용액의 건조는 진공 오븐에서 수행되는 것이 바람직하다. The mixed solution after stirring is centrifuged and washed (S140) and dried (S150). At this time, heavy water may be used as the cleaning solution. Drying the mixed solution is preferably performed in a vacuum oven.

마지막으로, SiOx 표면에 코팅된 Ti 전구체의 결정화에 적합한 온도 예컨대 550~650 ℃의 온도에서 12시간 동안 열처리하여 비화학양론적인 TiO2 즉 TiO2 -x (x>0) 피복층을 형성한다(S160). 여기서 TiO2 -x (x>0) 피복층의 산소결핍도(x)는 열처리 조건에 따라 변화할 수 있다. 예컨대 산소결핍도는 0<x<0.25, 바람직하게는 0.1<x<0.25의 범위에서 적절히 조절될 수 있다. 물론, 이 보다 큰 값의 산소결핍도도 가능하다. Finally, heat treatment is performed for 12 hours at a temperature suitable for crystallization of the Ti precursor coated on the SiOx surface, such as 550 to 650 ° C, to form a non-stoichiometric TiO 2 TiO 2 -x (x>0) coating layer (S160 ). Here, the degree of oxygen deficiency (x) of the TiO 2 - x (x>0) coating layer may change depending on heat treatment conditions. For example, oxygen deficiency may be appropriately adjusted in the range of 0<x<0.25, preferably 0.1<x<0.25. Of course, a higher value of oxygen deficiency is also possible.

이 때, 비화학양론(x>0)을 갖는 TiO2 -x 피복층의 형성을 위해 열처리는 불활성 분위기 또는 환원 분위기 예컨대 Ar 또는 N2 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 반대로, 산화 분위기에서는 화학적 양론을 갖는 TiO2가 얻어질 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 TiO2-x (x>0) 피복층은 결정질인 것이 바람직하다. At this time, in order to form a TiO 2- x coating layer having non-stoichiometry (x>0), the heat treatment is preferably performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere such as Ar or N 2 atmosphere. Conversely, TiO 2 with stoichiometry can be obtained in an oxidizing atmosphere. In the present invention, the TiO 2-x (x>0) coating layer is preferably crystalline.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing an anode active material according to another embodiment of the present invention.

본 실시예에는 SiOx 분말을 분말 표면 또는 분말 표면에서 분말 내부로 연장되는 3차원 형상의 기공 또는 공극을 형성하는 다공화 처리 과정을 거친다. In this embodiment, the SiO x powder is subjected to a porous treatment process to form pores or voids in a three-dimensional shape extending from the surface of the powder or into the inside of the powder.

예시적으로 본 발명에서 SiOx 분말의 다공화 처리는 다음과 같이 수행될 수 있다. 먼저 불균화 처리된 SiOx 분말의 표면에 Ag를 코팅한다(S210). Ag 코팅은 질산은(AgNO3)을 용해한 불산(HF) 용액에 SiOx 분말을 교반함으로써 이루어질 수 있다. 교반을 마친 용액은 중수로 세정하여 잔류하는 Ag+ 이온과 NO3- 이온을 제거한다. Illustratively, the porosity treatment of the SiO x powder in the present invention may be performed as follows. First, Ag is coated on the surface of the disproportionated SiOx powder (S210). Ag coating can be achieved by stirring SiO x powder in a hydrofluoric acid (HF) solution in which silver nitrate (AgNO 3 ) is dissolved. The stirred solution is washed with deuterated water to remove remaining Ag + ions and NO 3- ions.

다음으로, Ag 코팅된 SiOx 분말을 화학 에칭하여 다공성 SiOx를 제조한다(S220). 이 과정은 불산과 과산화수소가 혼합된 용액에 Ag 코팅된 SiOx 분말을 투입하여 혼합함으로써 이루어질 수 있다. 처리가 끝난 분말을 중수로 세정한 후 진공 오븐에서 건조한다. Next, porous SiO x is prepared by chemical etching the Ag-coated SiOx powder (S220). This process may be performed by introducing Ag-coated SiO x powder into a mixed solution of hydrofluoric acid and hydrogen peroxide and mixing them. After the treated powder is washed with heavy water, it is dried in a vacuum oven.

이어서, 분말 표면에 코팅된 Ag를 제거한다(S230). Ag의 제거는 대략 50℃로 가열한 질산 용액에서 코팅 분말을 혼합함으로써 이루어질 수 있다. 이어서, 중수에서 세정 및 진공오븐에서 건조를 거쳐 다공성 SiOx 분말을 얻을 있다.Subsequently, Ag coated on the surface of the powder is removed (S230). Removal of Ag can be achieved by mixing the coating powder in a nitric acid solution heated to approximately 50°C. Subsequently, porous SiO x powder can be obtained through washing in heavy water and drying in a vacuum oven.

이와 같이 얻어진 다공성 SiOx 분말을 도 1과 관련하여 설명한 단계 110 내지 S160을 거침으로써 불균화 하고, 표면에 TiO2 -x가 코팅된 SiOx 분말을 수득할 수 있다.The porous SiO x powder thus obtained is disproportionated by going through steps 110 to S160 described with reference to FIG. 1, and TiO 2 - x coated SiO x powder can be obtained on the surface.

<실험예 1><Experimental Example 1>

SiOx 분말을 1100℃에서 6 시간 동안 Ar 분위기에서 열처리하였다. 이어서, 불균화 처리된 SiOx 분말 10g을 에탄올에 용해하고 교반하였다. Ti(OCH(CH3)2)4을 acetonitrile에 용해한 후 NH4OH 용액을 첨가하여 1 시간 동안 교반하였다. 이어서, 에탄올에 넣어 교반한 SiOx에 혼합 용액에 Ti(OCH(CH3)2)4 용액을 천천히 적하하여 반응시킨 후 원심분리하고 중수로 세정한 후 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 시편을 500℃의 온도 및 Ar 분위기에서 12시간 동안 열처리하였다. The SiOx powder was heat treated at 1100 °C for 6 hours in an Ar atmosphere. Then, 10 g of the disproportionated SiOx powder was dissolved in ethanol and stirred. After dissolving Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 in acetonitrile, an NH 4 OH solution was added and stirred for 1 hour. Subsequently, Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 was added to the mixed solution of SiOx stirred in ethanol. The solution was slowly added dropwise to react, centrifuged, washed with heavy water, and dried in a vacuum oven. The dried specimens were heat-treated for 12 hours at a temperature of 500 °C and in an Ar atmosphere.

<실험예 2><Experimental Example 2>

SiOx 분말을 질산은(AgNO3)을 용해한 불산(HF) 용액에 첨가하여 교반한 후, 중수로 세정하여 잔류하는 Ag+ 이온과 NO3- 이온을 제거하였다. 이어서, Ag 코팅된 SiOx 분말을 불산과 과산화수소가 혼합된 용액에 Ag 코팅된 SiOx 분말을 투입하여 화학에칭하였다. 에칭 처리된 분말을 중수로 세정한 후 진공 오븐에서 건조하였다. 이어서, 약 50℃로 가열한 질산 용액에서 코팅 분말을 혼합하여 Ag를 제거하고 코팅 분말을 중수에서 세정한 후 진공오븐에서 건조하여 다공성 SiOx 분말을 얻었다. 이어서, 얻어진 분말을 불균화 처리하였다. The SiOx powder was added to a hydrofluoric acid (HF) solution in which silver nitrate (AgNO 3 ) was dissolved, stirred, and washed with heavy water to remove remaining Ag + ions and NO 3- ions. Then, the Ag-coated SiOx powder was chemically etched by adding the Ag-coated SiOx powder to a solution in which hydrofluoric acid and hydrogen peroxide were mixed. The etched powder was washed with heavy water and then dried in a vacuum oven. Subsequently, the coating powder was mixed in a nitric acid solution heated to about 50° C. to remove Ag, and the coating powder was washed in heavy water and dried in a vacuum oven to obtain a porous SiO x powder. Then, the obtained powder was subjected to disproportionation treatment.

이와 같이 얻어진 다공성 SiOx 분말의 표면에 실험예 1과 마찬가지 방식으로 TiO2-x를 코팅하였다.TiO 2-x was coated on the surface of the porous SiO x powder thus obtained in the same manner as in Experimental Example 1.

도 3은 실험예 1에서 제조된 SiOx 분말을 관찰한 투과전자현미경 사진이다. 3 is a transmission electron microscope photograph of the SiOx powder prepared in Experimental Example 1;

도 3에서 (a)는 불균화 처리 전의 SiOx 분말, (b)는 불균화 처리 후의 SiOx 분말, (c)는 TiO2-x 코팅 후의 SiOx 분말을 관찰한 투과전자현미경 사진이다. In FIG. 3, (a) is the SiOx powder before the disproportionation treatment, (b) is the SiOx powder after the disproportionation treatment, and (c) is a transmission electron microscope image of the SiOx powder after the TiO 2-x coating.

도 3의 (b) 참조하면, 불균화 처리 전과 비교할 때 불균화 처리에 의해 분말 내부가 SiO2 기지상에 Si상이 분산된 미세 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 또, 도 3의 (c)에서 알 수 있듯이, 분말 표면에는 아나타제(Anatase)상의 TiO2 코팅이 형성되어 있음을 알 수 있다. Referring to (b) of FIG. 3 , it can be seen that the inside of the powder has a microstructure in which the Si phase is dispersed on the SiO2 matrix by the disproportionation treatment compared to before the disproportionation treatment. In addition, as can be seen in (c) of FIG. 3, it can be seen that a TiO 2 coating on anatase is formed on the surface of the powder.

도 4는 도 3의 분말에서 분말 내부와 코팅층 경계 부위를 EDS 분석한 결과를 나타낸 사진이다. TiO2 코팅층이 30~40nm수준으로 코팅되어 있음을 확인할 수 있으며, 몰 비율로는 6.2%정도로 코팅되어 있음을 알 수 있다.FIG. 4 is a photograph showing the results of EDS analysis of the inside of the powder and the boundary of the coating layer in the powder of FIG. 3 . It can be seen that the TiO 2 coating layer is coated at a level of 30 to 40 nm, and it can be seen that it is coated at a molar ratio of about 6.2%.

도 5는 실험예 2에서 제조된 TiO2 코팅된 다공성 SiOx(p-SiOx) 분말을 촬영한 주사전자현미경 사진이다. 도 2로부터 분말 표면에 다수의 기공이 형성되고 그 표면에는 TiO2 코팅층이 형성된 것을 알 수 있다. 5 is a scanning electron microscope photograph of TiO 2 coated porous SiOx (p-SiOx) powder prepared in Experimental Example 2; It can be seen from FIG. 2 that a plurality of pores are formed on the surface of the powder and a TiO 2 coating layer is formed on the surface.

아래 표 1은 실험예 1 및 2에서 제조된 각 단계의 분말의 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 표이다. Table 1 below is a table showing the results of measuring the electrical properties of the powders of each step prepared in Experimental Examples 1 and 2.

구분division 저항
(x102Ω)
resistance
(x10 2 Ω)
체적 저항
(x102Ω·cm)
volume resistance
(x10 2 Ω cm)
전기전도도
(S/cm)
electrical conductivity
(S/cm)
SiOxSiOx 4.224.22 0.220.22 4.654.65 p-SiOxp-SiOx 2.502.50 0.130.13 7.847.84 p-SiOx (1100℃) p-SiO x ( 1100 ℃ ) 3.893.89 0.200.20 5.045.04 TiO2@p-SiOx TiO 2 @p-SiO x 1.751.75 0.090.09 11.1911.19

위 표에서 SiOx는 불균화 처리된 SiOx 분말, p-SiOx는 다공성 처리된 SiOx 분말, p-SiOx(1100℃)는 다공성 처리된 분말을 TiO2 코팅 조건으로 1100℃에서 열처리 한 분말, TiO2@p-SiOx는 표면 코팅된 p-SiOx 분말을 지칭한다. 위 표로부터 TiO2의 코팅에 의해 분말의 전기전도도 증가를 관찰할 수 있다. 일반적으로 TiO2 분말은 전기 절연성을 가지는데, 본 실험예에서 제조된 TiO2 분말은 비화학적 양론성을 갖는 TiO2 분말 TiO2 -x (x>0) 분말로서, SiOx 분말의 전기전도도 향상에 기여할 수 있게 된다. In the table above, SiOx is a disproportionated SiOx powder, p-SiOx is a porous treated SiOx powder, p-SiOx (1100 ℃) is a powder heat treated at 1100 ℃ with TiO2 coating condition, TiO 2 @p -SiO x refers to surface coated p-SiOx powder. From the above table, it can be observed that the electrical conductivity of the powder is increased by the coating of TiO 2 . In general, TiO 2 powder has electrical insulating properties. The TiO 2 powder prepared in this experimental example is a non-stoichiometric TiO 2 powder TiO 2 -x (x>0) powder, which can contribute to improving the electrical conductivity of the SiOx powder. be able to

<실시예><Example>

실험예 1 및 2에서 수득된 분말을 이용하여, 이차 전지를 제조하였다. 전극 분말로는 불균화 처리 된 SiOx 분말(SiOx), 다공성 처리된 SiOx(p-SiOx) 분말 및 TiO2-x 코팅된 p-SiOx 분말(TiO2-x@p-SiOx)을 각각 사용하였다. Secondary batteries were manufactured using the powders obtained in Experimental Examples 1 and 2. As the electrode powder, disproportionated SiO x powder (SiO x ), porous treated SiO x (p-SiOx) powder, and TiO 2-x coated p-SiO x powder (TiO 2-x @p-SiO x ) were used, respectively.

전극 분말 : PAA(polyacrylic acid) 바인더 : CMC : SPB를 각 70 : 10 : 10 : 10의 비율로 혼합 후 NMP(N-methyl pyrrolidinone)을 용매로 용기에 넣은 후 씽커 믹서(Thinky mixer)로 20분간 혼합하였다. 제조된 균질한 슬러리를 Cu 집전체 위에 도포한 후 100℃로 공기 중에서 20분 건조하였다. 전해액으로는 EC(ethylene carbonate)/DEC(diethyl carbonate)가 부피비로 3:7로 함유되고 10wt% FEC(fluoroethylene carbonate) 가 포함된 혼합물에 1.3M 농도의 LiPF6 전해액 염을 사용하였다. 상대전극으로는 Li 금속을 사용하였고, 분리막으로는 셀가드(celgard) 2325를 사용하였다. After mixing electrode powder: PAA (polyacrylic acid) binder: CMC: SPB at a ratio of 70: 10: 10: 10, put NMP (N-methyl pyrrolidinone) as a solvent in a container and use a Thinker mixer for 20 minutes mixed. The prepared homogeneous slurry was applied on a Cu current collector and then dried in air at 100° C. for 20 minutes. As the electrolyte, LiPF 6 electrolyte salt with a concentration of 1.3 M was used in a mixture containing EC (ethylene carbonate)/DEC (diethyl carbonate) in a volume ratio of 3:7 and 10 wt% FEC (fluoroethylene carbonate). Li metal was used as a counter electrode, and Celgard 2325 was used as a separator.

제조된 전극 셀과 전해액을 사용하여 전기화학적 특성을 측정하였다. 도요(Toyo)사의 T-3100를 사용하여, 충방전 용량 및 사이클 특성을 측정하였다. 싸이클은 정전류-정전압 방식(CC-CV)으로 0.005 ~ 1.2 V의 전압 범위에서 0.5C-rate로 충/방전을 진행하였다.Electrochemical properties were measured using the prepared electrode cell and electrolyte solution. Using Toyo's T-3100, charge and discharge capacity and cycle characteristics were measured. The cycle was charged/discharged at a 0.5C-rate in the voltage range of 0.005 to 1.2 V in a constant current-constant voltage method (CC-CV).

도 6은 실시예에서 제조된 전지 샘플의 전기적 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 아래 표 2는 전지 특성을 요약하여 정리한 표이다.6 is a graph showing electrical characteristics measurement results of battery samples prepared in Examples, and Table 2 below is a table summarizing battery characteristics.

전극 구분electrode division L/L
(mg/cm2)
L/L
(mg/cm 2 )
Density
(g/cc)
Density
(g/cc)
Charge
(mAh/g)
Charge
(mAh/g)
Discharge
(mAh/g)
Discharge
(mAh/g)
CE
(%)
CE
(%)
SiOxSiOx 1.191.19 0.770.77 1451.331451.33 2262.772262.77 64.1464.14 p-SiOxp-SiOx 0.990.99 0.710.71 1523.511523.51 2257.912257.91 67.4767.47 TiO2-x@p-SiOxTiO2-x@p-SiOx 1.241.24 0.890.89 1507.331507.33 2099.122099.12 71.8171.81

도 6 및 표 7을 참조하면, TiO2-x@p-SiOx 전극 샘플을 사용한 전지의 경우 높은 초기 효율을 나타냄을 알 수 있다. Referring to FIG. 6 and Table 7, it can be seen that the battery using the TiO 2-x @p-SiO x electrode sample exhibits high initial efficiency.

도 7은 각 전극 샘플을 사용한 전지의 사이클에 따른 전지 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the results of measuring the battery characteristics according to the cycle of the battery using each electrode sample.

도 7을 참조하면, TiO2-x@p-SiOx 전극 샘플을 사용한 전지가 높은 용량 유지율을 나타냄을 알 수 있다. 이것은 TiO2 -x 코팅이 SiOx 소재의 직접적인 반응을 억제함으로써 전해액 분해를 감소시키는 것에 기인한다.Referring to FIG. 7 , it can be seen that the battery using the TiO 2-x @p-SiO x electrode sample exhibits a high capacity retention rate. This is because the TiO 2 - x coating suppresses the direct reaction of the SiO x material, thereby reducing electrolyte decomposition.

도 8은 본 발명에 따른 TIO2 -x 코팅층에 의한 표면 반응 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다. 8 is a schematic diagram for explaining the surface reaction mechanism by the TIO 2- x coating layer according to the present invention.

통상의 리튬 이차전지에서 LiPF6염 전해액은 HF를 생성하여 전극 표면과 전해액 사이의 화학반응을 유발하고 전해액을 분해하여 전지수명 단축시킨다. 그러나, 본 발명에서 TiO2 -x 코팅층은 표면에 리튬의 삽탈리가 가능한 비정질의 LiTiOF2 SEI층을 형성하여 전해액 분해를 억제함으로써 용량발현에도 기인하여 고용량 장수명이 가능하게 한다. In a conventional lithium secondary battery, the LiPF 6 salt electrolyte generates HF, which causes a chemical reaction between the electrode surface and the electrolyte, and decomposes the electrolyte to shorten battery life. However, in the present invention, the TiO 2- x coating layer forms an amorphous LiTiOF 2 SEI layer capable of intercalating and detaching lithium on the surface to suppress electrolyte decomposition, thereby enabling high capacity and long life due to capacity development.

도 9는 충전 및 방전시 리튬치환(lithiation) 및 탈리튬(delithiation) 단계에서의 전극 분말의 형상을 촬영한 주사전자현미경 사진이다. 9 is a scanning electron microscope photograph of the shape of an electrode powder in a lithiation and delithiation step during charging and discharging.

도 9를 참조하면, SiOx 전극 분말(SiOx) 및 1100℃에서 열처리된 SiOx 전극 분말(SiOx@1100℃)의 경우 비가역적인 SEI층이 형성되어 전해액 분해 반응이 발생하여 SIOx의 부피 팽창으로 인한 SEI층과 코어 소재의 분리 현상이 심화되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따라 TiO2 코팅된 전극 분말(TiO2-x@SiOx)의 경우 이러한 분리 현상을 억제하고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 9, in the case of SiO x electrode powder (SiO x ) and SiO x electrode powder (SiO x @ 1100 ° C) heat-treated at 1100 ° C, an irreversible SEI layer is formed and an electrolyte decomposition reaction occurs, so that the volume of SIO x It can be seen that the separation between the SEI layer and the core material due to the expansion is intensified. However, in the case of TiO 2 coated electrode powder (TiO 2-x @SiO x ) according to an embodiment of the present invention, it can be seen that this separation phenomenon is suppressed.

도 10은 충전 및 방전시 리튬치환(lithiation) 및 탈리튬(delithiation) 단계에서의 SiOx 전극 분말(SiOx로 표기) 및 1100℃에서 열처리된 SiOx 전극 분말(1100℃@ SiOx로 표기), TiO2 -x 코팅된 전극 분말(TiO2@1100℃@ SiOx로 표기)에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 10 shows SiO x electrode powder (marked as SiO x ) and SiO x electrode powder heat-treated at 1100 ° C (marked as 1100 ° C@ SiO x ) in the lithiation and delithiation steps during charging and discharging. , A graph showing the results of XPS analysis of TiO 2 -x coated electrode powder (TiO 2 @1100°C@ SiO x ).

도 10을 참조하면, TiO2 -x 코팅층에 의해 리튬치환 시 LiTiOF2 상이 관찰되며, 이 SEI층은 용량에 관여하는 보호층으로 작용함을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, it can be seen that a LiTiOF 2 phase is observed during lithium substitution by the TiO 2- x coating layer, and this SEI layer acts as a protective layer involved in capacity.

이상, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.Above, the embodiments disclosed in this specification and drawings are only presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is obvious to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.

Claims (10)

SiOx(여기서 0.5≤x≤1.2) 분말을 불균화하는 단계;
불균화 된 SiOx 분말을 유기 용매에 교반하는 단계;
상기 불균화 된 SiOx 분말과 Ti 전구체 용액을 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 건조하여 고형분을 수득하는 단계; 및
상기 고형분을 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 열처리 단계는 상기 SiOx 분말 표면에 SiOx 코어보다 높은 전기 전도도를 갖는 결정질의 TiO2-y(0.1<y<0.25) 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극재의 제조 방법.
disproportionating SiO x (where 0.5≤x≤1.2) powder;
Stirring the disproportionated SiO x powder into an organic solvent;
mixing the disproportionated SiO x powder and the Ti precursor solution;
drying the mixed solution to obtain a solid content; and
Including the step of heat-treating the solid content,
The heat treatment step forms a crystalline TiO 2-y (0.1 <y <0.25) coating layer having a higher electrical conductivity than the SiO x core on the surface of the SiO x powder. Manufacturing method of negative electrode material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 Ti 전구체는 Ti(OCH(CH3)2)4 또는 Ti(OCH2CH2CH2CH3)4를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극재의 제조 방법.
According to claim 1,
The Ti precursor is a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 or Ti(OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 .
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 SiOx 분말을 다공화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극재의 제조 방법.
According to claim 1,
Method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, further comprising the step of porous processing the SiO x powder.
불균화 된 SiOx(여기서 0.5≤x≤1.2) 코어; 및
상기 SiOx 코어를 둘러싸는 TiO2-y 피복층(여기서, 0.1<y<0.25)을 포함하고,
상기 TiO2-y 피복층은 상기 SiOx 코어보다 높은 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극재 분말.
disproportionated SiO x (where 0.5≤x≤1.2) core; and
A TiO 2-y coating layer (here, 0.1<y<0.25) surrounding the SiO x core,
The anode material powder for a lithium secondary battery, characterized in that the TiO 2-y coating layer has a higher electrical conductivity than the SiO x core.
제5항에 있어서,
상기 음극재 분말 표면은 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극재 분말.
According to claim 5,
The negative electrode material powder for a lithium secondary battery, characterized in that the surface of the negative electrode material powder is formed with pores.
삭제delete 제5항에 있어서,
TiO2-y 피복층은 아나타제상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극재 분말.
According to claim 5,
The negative electrode material powder for a lithium secondary battery, characterized in that the TiO 2-y coating layer contains an anatase phase.
음극, 양극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
상기 음극은 불균화 된 SiOx(여기서 0.5≤x≤1.2) 코어 및 상기 SiOx 코어를 둘러싸면서 상기 SiOx 코어보다 높은 전기 전도도를 갖는 TiO2-y 피복층(여기서, 0.1<y<0.25)을 포함하는 리튬 이차전지용 분말을 포함하는 음극재를 포함하고,
상기 피복층은 TiOF2 또는 LiTiOF2 상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
In the lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte,
The cathode includes a disproportionated SiO x core (where 0.5≤x≤1.2) and a TiO 2-y coating layer (where 0.1<y<0.25) surrounding the SiO x core and having a higher electrical conductivity than the SiO x core. Including a negative electrode material containing a powder for a lithium secondary battery containing,
The lithium secondary battery, characterized in that the coating layer further comprises a TiOF 2 or LiTiOF 2 phase.
제9항에 있어서,
상기 TiOF2 또는 LiTiOF2 상은 비정질인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.

According to claim 9,
The TiOF 2 or LiTiOF 2 phase is a lithium secondary battery, characterized in that amorphous.

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