KR102479063B1 - Porous Silicon Or Silicon Alloy Anode With Coating For Intercalation/ De-intercalation Of Lithium Ions And Manufacturing Methods Thereof - Google Patents

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Abstract

리튬의 삽입 및 탈리 사이클에 적응적인 다공성 실리콘 음극재의 제조 방법이 개시된다. 본 발명은 Nb2O5 전구체 및 LTO 전구체 중 최소한 하나의 전구체와 다공성 Si 분말을 준비하는 단계; 상기 전구체와 다공성 Si 분말을 유기 용매에 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조 및 분쇄하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 600~650℃의 온도에서 열처리하여, 상기 다공성 Si 분말 표면에 Nb2O5 또는 LTO 조성의 SEI층을 합성하는 단계를 포함하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 인위적인 SEI층을 형성함으로써 리튬의 삽입 및 탈리 사이클로 인한 팽창 및 수축에 보다 적응적인 Si 또는 Si 합금 음극재를 제공할 수 있게 된다. A method of manufacturing a porous silicon negative electrode material that is adaptive to lithium insertion and extraction cycles is disclosed. The present invention comprises the steps of preparing a porous Si powder and at least one precursor of a Nb 2 O 5 precursor and an LTO precursor; mixing the precursor and the porous Si powder in an organic solvent; drying and pulverizing the mixed solution; and synthesizing an SEI layer having a Nb 2 O 5 or LTO composition on the surface of the porous Si powder by heat-treating the mixed solution at a temperature of 600 to 650 °C. According to the present invention, by forming an artificial SEI layer, it is possible to provide a Si or Si alloy anode material that is more adaptive to expansion and contraction due to lithium intercalation and desorption cycles.

Description

리튬 삽입 탈리 가능한 코팅을 구비한 다공성 실리콘 또는 실리콘 합금 음극재 및 그 제조 방법{Porous Silicon Or Silicon Alloy Anode With Coating For Intercalation/ De-intercalation Of Lithium Ions And Manufacturing Methods Thereof}Porous Silicon Or Silicon Alloy Anode With Coating For Intercalation/ De-intercalation Of Lithium Ions And Manufacturing Methods Thereof}

본 발명은 리튬 이차전지의 음극재 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬의 삽입 및 탈리 사이클에 적응적인 다공성 실리콘 음극재의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a negative electrode material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing a porous silicon negative electrode material that is adaptive to a lithium intercalation and desorption cycle.

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.

리튬 이온 배터리는 리튬치환(lithiation) 반응 시 리튬은 활성물질에 첨가되고, 탈리튬(delithiation) 반응시 리튬 이온은 활성물질로부터 제거된다. 현재 리튬이온 배터리에 적용되는 음극(anode)들의 대부분은 충전 및 방전시 리튬 삽입(intercalation) 및 탈리(de-intercalation) 기작에 의해 작동한다. 흑연, 리튬티타늄 옥사이드(LTO) 및 Si 또는 Si 합금 등이 있다. In a lithium ion battery, lithium is added to an active material during a lithiation reaction, and lithium ions are removed from the active material during a delithiation reaction. Most of the anodes currently applied to lithium ion batteries operate by lithium intercalation and de-intercalation mechanisms during charging and discharging. graphite, lithium titanium oxide (LTO), and Si or Si alloys.

리튬 2차 전지의 음극재로 사용되는 Si 또는 Si 합금은 4200 mA/g의 높은 이론 용량, 양극 물질에 대한 낮은 반응 포텐셜, 낮은 독성 및 저비용의 장점을 갖는다. 그러나, 리튬 삽입 또는 리튬의 탈리의 사이클링에 따라 입자 용적의 팽창 또는 감소가 유발되며, 리튬 이온과 음극 물질의 반응에 의한 새로운 상이 생성될 수 있다. 이로 인해 입자의 분해, 분쇄(pulverization) 또는 크래킹(cracking)이 발생하거나 음극과 전해액 계면에서의 부반응에 의해 자발적인 전기 절연성 SEI(Solid Electrolyte Interphase)층이 생성되며, 이는 전극의 수명 및 열안정성에 악영향을 끼칠 수 있다. Si or Si alloys used as negative electrode materials for lithium secondary batteries have the advantages of high theoretical capacity of 4200 mA/g, low reaction potential for positive electrode materials, low toxicity, and low cost. However, the volume of the particle expands or decreases according to cycling of lithium insertion or desorption of lithium, and a new phase may be generated by a reaction between lithium ions and an anode material. As a result, particle decomposition, pulverization, or cracking occurs, or a spontaneous electrically insulating SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer is created by a side reaction at the interface between the cathode and the electrolyte, which adversely affects the lifespan and thermal stability of the electrode. can cause

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬의 삽입 및 탈리 사이클로 인한 팽창 및 수축에 보다 적응적인 Si 또는 Si 합금 음극재를 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a Si or Si alloy anode material that is more adaptive to expansion and contraction due to lithium insertion and extraction cycles.

또한 본 발명은 Si 음극재의 전기 절연성 반응층 형성을 억제할 수 있는 Si 또는 Si 합금 음극재를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a Si or Si alloy negative electrode material capable of suppressing the formation of an electrically insulating reactive layer of the Si negative electrode material.

본 발명은 리튬 이차 전지의 음극과 전해액 계면에서의 부반응을 억제하기 위하여 인위적인 SEI층을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for forming an artificial SEI layer to suppress a side reaction at an interface between a negative electrode and an electrolyte of a lithium secondary battery.

또한 본 발명은 삽입/탈리 사이클링에서 장수명 및 높은 열안정성을 보장할 수 있는 인위적인 SEI층을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for forming an artificial SEI layer capable of ensuring long lifespan and high thermal stability in insertion/desorption cycling.

또한, 본 발명은 전술한 Si 또는 Si 음극 합금재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for producing the above-mentioned Si or Si negative electrode alloy material.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, Nb2O5 전구체 및 LTO 전구체 중 최소한 하나의 전구체와 다공성 Si 분말을 준비하는 단계; 상기 전구체와 다공성 Si 분말을 유기 용매에 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조 및 분쇄하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 600~650℃의 온도에서 열처리하여, 상기 다공성 Si 분말 표면에 Nb2O5 또는 LTO 조성의 SEI층을 합성하는 단계를 포함하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention comprises the steps of preparing at least one precursor and porous Si powder of a Nb 2 O 5 precursor and an LTO precursor; mixing the precursor and the porous Si powder in an organic solvent; drying and pulverizing the mixed solution; and synthesizing an SEI layer having a Nb 2 O 5 or LTO composition on the surface of the porous Si powder by heat-treating the mixed solution at a temperature of 600 to 650 °C.

본 발명에서 상기 LTO는 Li4Ti5O12일 수있다.In the present invention, the LTO may be Li 4 Ti 5 O 12 .

또한 본 발명에서 상기 열처리 단계는 불활성 분위기에서 수행될 수 있고, 상기 불활성 분위기는 Ar분위기인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 열처리 단계는 환원 분위기에서 수행될 수도 있다. Also, in the present invention, the heat treatment step may be performed in an inert atmosphere, and the inert atmosphere is preferably an Ar atmosphere. Also, in the present invention, the heat treatment step may be performed in a reducing atmosphere.

본 발명의 일실시예에서 상기 다공성 Si 분말을 준비하는 단계는, Si 전구체를 준비하는 단계; 상기 Si 전구체와 환원제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 비산화성 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리하여 다공성 Si 분말을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, preparing the porous Si powder may include preparing a Si precursor; mixing the Si precursor and a reducing agent; and synthesizing a porous Si powder by heat-treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere.

이 때, 상기 Si 전구체는 규조토, 카올린, 벤토나이트, 할로이사이트나노클레이 및 몬모릴로나이트로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 광물을 포함할 수 있다. In this case, the Si precursor may include at least one mineral selected from the group consisting of diatomaceous earth, kaolin, bentonite, halosite nanoclay, and montmorillonite.

본 발명의 일실시예에서 상기 환원제는 마그네슘일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the reducing agent may be magnesium.

본 발명에 따르면, 리튬의 삽입 및 탈리 사이클로 인한 팽창 및 수축에 보다 적응적인 Si 또는 Si 합금 음극재를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, Si 음극재의 전기 절연성 반응층 형성을 억제하면서 리튬 이차 전지의 음극과 전해액 계면에서의 부반응을 억제하기 위한 인위적인 SEI층을 형성할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 삽입/탈리 사이클링에서 장수명 및 높은 열안정성을 보장할 수 있는 인위적인 SEI층을 형성할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to provide a Si or Si alloy negative electrode material that is more adaptable to expansion and contraction due to lithium insertion and extraction cycles. In addition, according to the present invention, it is possible to form an artificial SEI layer for suppressing side reactions at the interface between the negative electrode of a lithium secondary battery and the electrolyte solution while suppressing the formation of an electrical insulating reaction layer of the Si negative electrode material. In addition, according to the present invention, it is possible to form an artificial SEI layer capable of ensuring long lifespan and high thermal stability in insertion/desorption cycling.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 Si 음극재를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 실리콘 분말로 된 음극재의 제조 방법을 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 LTO SEI층을 형성하는 절차를 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 Nb2O5 조성의 SEI층을 다공성 Si 분말에 형성하는 절차를 나타낸 절차도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조된 다공성 Si 분말에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 Si-Nb2O5 분말의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 Si-Nb2O5 분말의 투과전자현미경 분석 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 샘플의 충방전 전위에 따른 충방전 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 샘플의 사이클 특성 및 고율 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram schematically showing a porous Si negative electrode material according to an embodiment of the present invention.
2 is a procedure diagram schematically illustrating a method of manufacturing an anode material made of porous silicon powder according to an embodiment of the present invention.
3 is a procedure diagram schematically illustrating a procedure for forming an LTO SEI layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a procedure of forming an SEI layer having a composition of Nb 2 O 5 on porous Si powder according to another embodiment of the present invention.
5 is a transmission electron micrograph of the porous Si powder prepared in Example of the present invention.
6 is a view showing an X-ray diffraction pattern of Si-Nb 2 O 5 powder prepared according to an embodiment of the present invention.
7 is a transmission electron microscope analysis picture of Si-Nb 2 O 5 powder prepared according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing changes in charge and discharge capacities according to charge and discharge potentials of samples prepared according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing measurement results of cycle characteristics and high rate characteristics of samples prepared according to an embodiment of the present invention.

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.

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 실시예에 따른 다공성 Si 음극재를 모식적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing a porous Si negative electrode material according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, Si 음극재(100)는 다공성 실리콘 또는 실리콘 합금 입자(110)와 그 표면에 코팅된 인위적인 SEI층(120)을 포함한다. 상기 SEI층(120)은 높은 리튬 이온전도도를 가지고 있으며, 전해액 분해 반응이 일어나지 않도록 비교적 높은 산화환원(redox) 전위(~1V)를 구비한다.Referring to FIG. 1 , the Si anode material 100 includes porous silicon or silicon alloy particles 110 and an artificial SEI layer 120 coated on the surface thereof. The SEI layer 120 has high lithium ion conductivity and has a relatively high redox potential (~1V) so that an electrolyte decomposition reaction does not occur.

본 발명에서 상기 다공성 실리콘 입자(110)는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 일례로서, 상기 다공성 실리콘 입자(110)는 규조토(Diatomite)와 같은 다공성 실리콘산화물로부터 환원된 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 다공성 실리콘 입자(110)는 카올린(Kaolin, H2Al2Si2O5H2O), 벤토나이트(Na0.5Al2(Si3.5Al0.5)O10(OH)2n(H2O)), 할로이사이트나노클레이(Al2Si2O5(OH)42H2O) 또는 몬모릴로나이트((Na, Ca)0.3(Al, Mg)2Si4O10(OH)2n(H2O))를 환원하여 얻어진 실리콘 또는 실리콘 합금 입자일 수 있다. In the present invention, the porous silicon particles 110 may be manufactured in various ways. As an example, the porous silicon particles 110 may be reduced from porous silicon oxide such as diatomite. In addition, in the present invention, the porous silicon particles 110 are kaolin (Kaolin, H 2 Al 2 Si 2 O 5 H 2 O), bentonite (Na 0.5 Al 2 (Si 3.5 Al 0.5 ) O 10 (OH) 2 n ( H 2 O)), halosite nanoclay (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 2H 2 O) or montmorillonite ((Na, Ca) 0.3 (Al, Mg) 2 Si 4 O 10 (OH) 2 n( It may be silicon or silicon alloy particles obtained by reducing H 2 O)).

본 발명에서 상기 다공성 실리콘 입자(110)는 나노 실리콘 음극재에 비하여 매우 낮은 전극 팽창률을 갖는다. 또한, 상기 다공성 실리콘 입자(110)는 높은 비표면적을 가져 실리콘 입자에 비해 높은 충전 용량을 나타낸다. In the present invention, the porous silicon particles 110 have a very low electrode expansion rate compared to the nano-silicon negative electrode material. In addition, the porous silicon particles 110 have a high specific surface area and show a higher charging capacity than silicon particles.

본 발명에서 상기 SEI층은 높은 이온 전도도로 Li 이온에 대한 충전 채널을 제공하여 Li 이온이 코어 Si에 원활히 공급되게 한다. In the present invention, the SEI layer provides a charging channel for Li ions with high ionic conductivity so that Li ions can be smoothly supplied to the core Si.

상기 SEI층은 그 조성이 Nb2O5 또는 LTO(Litium Titanium Oxide) 를 포함하도록 구현될 수 있다. 상기 LTO로는 충방전시 결정 구조의 변화가 적고 가역성이 우수한 Li0 .8Ti2 .2O4,Li8Ti4O12,LiTi2O4,Li4Ti5O12,Li4Ti5O12등이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 본 발명에서는 높은 이온 전도도를 갖는 Li4Ti5O12가 사용되는 것이 좋다. The SEI layer may be implemented such that its composition includes Nb 2 O 5 or LTO (Litium Titanium Oxide). The LTO includes Li 0.8 Ti 2.2 O 4 , Li 8 Ti 4 O 12 , LiTi 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O with little change in crystal structure and excellent reversibility during charging and discharging . 12 etc. can be used. More preferably, in the present invention, Li 4 Ti 5 O 12 having high ionic conductivity is used.

본 발명에서 인위적인 SEI층은 다음과 같은 기능을 수행한다. 먼저, 인위적인 SEI층은 충방전시 Li 이온과 Si과의 원하지 않는 부반응에 의한 부산물의 생성을 억제한다. 의도하지 않은 반응 부산물은 입자의 분해, 분쇄(pulverization) 또는 크래킹(cracking)을 유발하고, 또한 반응 부산물의 조성 및 두께 등의 불균일성으로 인해 전극의 안정성에 악영향을 끼칠 수 있다. 본 발명의 인위적인 SEI층은 높은 이온 전도도로 충방전 채널을 제공하며, 안정된 합성층을 제공함으로써 부반응에 의해 음극재와 Li 이온이 반응하는 것을 방지한다. In the present invention, the artificial SEI layer performs the following functions. First, the artificial SEI layer suppresses the generation of by-products caused by unwanted side reactions between Li ions and Si during charging and discharging. Unintended reaction by-products may cause decomposition, pulverization, or cracking of particles, and adversely affect the stability of the electrode due to non-uniformity of the composition and thickness of the reaction by-products. The artificial SEI layer of the present invention provides a charge/discharge channel with high ionic conductivity, and prevents the negative electrode material from reacting with Li ions by side reactions by providing a stable synthetic layer.

본 발명에서 상기 다공성 실리콘 또는 실리콘 합금은 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 다공성 실리콘 또는 실리콘 합금은 다양한 실리콘 광물로부터 환원에 의해 제조될 수 있다. 이하에서는 그 일례를 설명한다. In the present invention, the porous silicon or silicon alloy may be manufactured in various ways. In a preferred embodiment of the present invention, porous silicon or silicon alloys can be prepared by reduction from various silicon minerals. An example thereof will be described below.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 실리콘 분말로 된 음극재의 제조 방법을 개략적으로 도시한 절차도이다. 2 is a procedure diagram schematically illustrating a method of manufacturing an anode material made of porous silicon powder according to an embodiment of the present invention.

실리콘 소스로서 규조토(Diatomite)를 준비하고(S100), 지르코니아 볼로 밀링한다(S110). 분쇄된 규조토에 환원제를 첨가하여(S120) 비산화성 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리한다(S130). 예컨대 상기 환원제로는 마그네슘이 사용될 수 있다. 이어서, 환원된 분말을 염산 등으로 세척하여 불순물을 제거한다(S140). 이러한 제조 공정을 거쳐 다공성 실리콘이 얻어질 수 있다. Diatomite is prepared as a silicon source (S100) and milled with zirconia balls (S110). A reducing agent is added to the pulverized diatomaceous earth (S120), and heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere (S130). For example, magnesium may be used as the reducing agent. Subsequently, impurities are removed by washing the reduced powder with hydrochloric acid or the like (S140). Through this manufacturing process, porous silicon can be obtained.

이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 다공성 실리콘 분말에 SEI 코팅층을 형성하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of forming an SEI coating layer on porous silicon powder will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .

도 3은 다공성 실리콘 분말에 LTO SEI층을 형성하는 절차를 개략적으로 도시한 절차도이다. 3 is a procedure diagram schematically illustrating a procedure for forming an LTO SEI layer on porous silicon powder.

도 3을 참조하면, 유기 용매에서 LI과 Ti의 소스로 각각 Li 전구체, Ti 전구체, 그리고 다공성 Si 분말을 교반하여 혼합 용액을 제조한다(S210).Referring to FIG. 3, a mixed solution is prepared by stirring Li precursor, Ti precursor, and porous Si powder as sources of LI and Ti in an organic solvent (S210).

Li 및 Ti 전구체로는 임의의 형태의 금속 전구체가 사용될 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 리튬전구체로는 리튬아세테이트(CH3COOLi), lithium hydroxide(LiOH) 등이 사용될 수 있다, Ti 전구체로는 티타늄 프로폭사이드(Ti(OCH(CH3)2)4),Titanium butoxide 등이 사용될 수 있다. Li 및/또는 Ti 전구체에 포함된 산소는 LTO 합성을 위한 산소 소스로 작용한다. 본 발명에서는 Li, Ti 소스로 화합물 형태의 금속 전구체가 사용되는 경우를 예시하였지만, 본 발명에서 금속 분말을 직접 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 사용되는 전구체에 따라 적절한 유기 용매가 사용될 수 있다. Any type of metal precursor may be used as the Li and Ti precursors. For example, as the lithium precursor in the present invention, lithium acetate (CH 3 COOLi), lithium hydroxide (LiOH), etc. may be used. As the Ti precursor, titanium propoxide (Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 ), Titanium butoxide etc. can be used. Oxygen contained in the Li and/or Ti precursors serves as an oxygen source for LTO synthesis. In the present invention, a case in which a metal precursor in the form of a compound is used as a source of Li and Ti is exemplified, but it is also possible to directly use metal powder in the present invention. An appropriate organic solvent may be used depending on the precursor used in the present invention.

본 발명에서, 혼합 용액의 제조에 사용되는 원료는 다양한 방식으로 혼합될 수 있다. 예를 들어, Li 전구체와 에틸 알코올을 혼합 및 교반하고, 이어서 다공성 Si 분말 및 Ti 전구체가 각각 혼합 및 교반될 수 있다. 물론, 이와 달리 Li 전구체, Ti 전구체 및 다공성 Si 분말이 동시에 혼합 및 교반되어도 무방하다. 혼합 용액의 제조는 임의의 교반기(stirrer)에서 적절한 속도 예컨대 500~2000 rpm의 속도로 이루어질 수 있다. 혼합 용액은 상온에서 제조되어도 무방하다. In the present invention, the raw materials used for preparing the mixed solution may be mixed in various ways. For example, the Li precursor and ethyl alcohol may be mixed and stirred, followed by mixing and stirring the porous Si powder and the Ti precursor, respectively. Of course, otherwise, the Li precursor, the Ti precursor, and the porous Si powder may be simultaneously mixed and stirred. Preparation of the mixed solution may be performed at an appropriate speed, for example, 500 to 2000 rpm in an arbitrary stirrer. The mixed solution may be prepared at room temperature.

이어서, 혼합 용액을 대류 오븐과 같은 건조기에서 건조하고(S212), 건조된 혼합 분말을 유발 등을 이용하여 분쇄한다(S214). 물론 본 발명에서 분쇄 단계는 선택적으로 적용될 수 있다. Subsequently, the mixed solution is dried in a dryer such as a convection oven (S212), and the dried mixed powder is pulverized using a mortar or the like (S214). Of course, in the present invention, the crushing step may be selectively applied.

이어서, 혼합 분말을 열처리하여 다공성 Si 입자 표면에 LTO층이 형성된 음극재를 합성한다(S216). 본 발명에서 합성될 LTO 조성에 따라 적절한 열처리 온도가 선택될 수 있다. 예컨대, Li4Ti5O12의 경우 열처리 온도는 600~650℃의 범위인 것이 바람직하다.Subsequently, the mixed powder is heat-treated to synthesize an anode material in which an LTO layer is formed on the surface of the porous Si particles (S216). An appropriate heat treatment temperature may be selected according to the composition of the LTO to be synthesized in the present invention. For example, in the case of Li 4 Ti 5 O 12 , the heat treatment temperature is preferably in the range of 600 to 650°C.

또한, 본 발명에서 LTO층은 다양한 분위기에서 합성될 수 있다. 예컨대, LTO층은 Ar과 같은 불활성 가스 분위기나 수소를 포함하는 환원 분위기에서 합성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, LTO층은 환원 분위기에서 합성되는 것이 바람직하다. In addition, the LTO layer in the present invention can be synthesized in various atmospheres. For example, the LTO layer may be synthesized in an inert gas atmosphere such as Ar or a reducing atmosphere containing hydrogen. As will be described later, the LTO layer is preferably synthesized in a reducing atmosphere.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 Nb2O5 조성의 SEI층을 다공성 Si 분말에 형성하는 절차를 나타낸 절차도이다. 4 is a flowchart illustrating a procedure of forming an SEI layer having a composition of Nb 2 O 5 on porous Si powder according to another embodiment of the present invention.

도 3과 마찬가지로, 유기 용매에서 Nb 전구체 및 다공성 Si 분말을 교반하여 혼합 용액을 제조한다(S220). Nb 전구체로는 임의의 형태의 금속 전구체가 사용될 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 Nb 전구체로 니오븀 에톡사이드가 사용될 수 있다. 혼합 용액은 도 3과 마찬가지로 건조(S222), 분쇄(S224) 및 열처리(S226)된다. 본 실시예에서도 열처리는 비산화성 분위기 또는 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 예컨대 열처리는 610℃의 온도 및 Ar 분위기에서 수행될 수 있다. As in FIG. 3, a mixed solution is prepared by stirring the Nb precursor and the porous Si powder in an organic solvent (S220). As the Nb precursor, any type of metal precursor may be used. For example, niobium ethoxide may be used as the Nb precursor in the present invention. The mixed solution is dried (S222), pulverized (S224), and heat treated (S226) as in FIG. Even in this embodiment, heat treatment may be performed in a non-oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere. For example, heat treatment may be performed at a temperature of 610° C. and in an Ar atmosphere.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

<다공성 Si 분말의 제조><Preparation of porous Si powder>

지르코니아 볼을 이용하여 규조토를 분쇄하였다. 분쇄된 규조토와 환원제로 마그네슘을 1:2의 중량비로 섞은 후 750℃, Ar 분위기에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 열처리된 분말을 염산 처리하여 불순물을 제거하고 물로 세척하여 다공성 Si 분말을 제조하였다. Diatomaceous earth was pulverized using a zirconia ball. After mixing pulverized diatomaceous earth and magnesium as a reducing agent at a weight ratio of 1:2, heat treatment was performed at 750° C. in an Ar atmosphere for 2 hours. Subsequently, the heat-treated powder was treated with hydrochloric acid to remove impurities and washed with water to prepare a porous Si powder.

도 5는 본 실시예에서 제조된 다공성 Si 분말에 대한 투과전자현미경 사진이다. 도 5를 참조하면, 대략 0.1 마이크로미터 크기의 입자들이 형성된 것을 알 수 있다. 5 is a transmission electron micrograph of the porous Si powder prepared in this example. Referring to FIG. 5 , it can be seen that particles having a size of approximately 0.1 micrometer are formed.

<실험예 1><Experimental Example 1>

CH3COOLi(시그마 알드리치사)을 에틸알코올에 용매로 하여 1000 rpm의 교반기로 10분간 교반하여 용액을 제조하였다. 이어서, 이 용액에 앞서 제조된 다공성 Si 분말을 혼합하여 1000 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 다음, 이 용액에 Ti(OCH(CH3)2)4(시그마 알드리치사)를 혼합하여 상온 700 rpm에서 2시간 교반하였다. 전술한 혼합 및 교반 공정은 상온에서 수행하였다. 본 실험에서 Li 전구체 내의 Li, Ti 전구체 내의 Ti 및 Si의 g수는 0.311:1.083:0.65의 비율로 칭량하였다.CH 3 COOLi (Sigma-Aldrich) was used as a solvent in ethyl alcohol and stirred for 10 minutes with a stirrer at 1000 rpm to prepare a solution. Subsequently, the porous Si powder prepared previously was mixed with this solution and stirred at 1000 rpm for 1 hour. Next, Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 (Sigma-Aldrich) was mixed with the solution and stirred at room temperature at 700 rpm for 2 hours. The mixing and stirring process described above was performed at room temperature. In this experiment, the number of grams of Li in the Li precursor, Ti and Si in the Ti precursor were weighed in a ratio of 0.311:1.083:0.65.

제조된 혼합 용액을 70℃의 대류 오븐에서 12시간 건조하였다. 건조된 분말을 유발로 분쇄 및 혼합하였다. 이어서, 610℃, Ar 분위기에서 12시간 열처리하여 Si-Li4Ti5O12 분말을 제조하였다. The prepared mixed solution was dried in a convection oven at 70°C for 12 hours. The dried powder was ground and mixed in a mortar. Subsequently, heat treatment was performed at 610° C. in an Ar atmosphere for 12 hours to prepare Si—Li 4 Ti 5 O 12 powder.

<실험예 2><Experimental Example 2>

Niobium ethoxide (Aldrich사)을 에틸알코올에 용매로 하여 1000 rpm의 교반기로 10분간 교반하여 용액을 제조하였다. 이어서, 이 용액에 앞서 제조된 다공성 Si 분말을 혼합하여 1000 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 전술한 혼합 및 교반 공정은 상온에서 수행하였다. 본 실험에서 Nb 전구체 내의 Nb 및 Si의 g수는 0.1:0.9 의 비율로 칭량하였다.Niobium ethoxide (Aldrich Co.) was used as a solvent in ethyl alcohol and stirred for 10 minutes with a stirrer at 1000 rpm to prepare a solution. Subsequently, the porous Si powder prepared previously was mixed with this solution and stirred at 1000 rpm for 1 hour. The mixing and stirring process described above was performed at room temperature. In this experiment, the number of grams of Nb and Si in the Nb precursor was 0.1:0.9 Weighed in the ratio of.

제조된 혼합 용액을 110℃의 대류 오븐에서 12시간 건조하였다. 건조된 분말을 유발로 분쇄 및 혼합하였다. 이어서, 610℃, Ar 분위기에서 12시간 열처리하여 Si-Nb2O5 분말을 제조하였다. The prepared mixed solution was dried in a convection oven at 110°C for 12 hours. The dried powder was ground and mixed in a mortar. Subsequently, heat treatment was performed at 610° C. in an Ar atmosphere for 12 hours to prepare Si-Nb 2 O 5 powder.

도 6은 실험예2에서 제조된 Si-Nb2O5 분말의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 원료 분말이 다공성 Si 분말의 X선 회절 패턴이고, 도 6의 (b)는 Si-Nb2O5 분말의 X선 회절 패턴인데, 도 6의 (b)에서는 Nb2O5 피크를 확인할 수 있으며, Nb2O5가 합성되었음을 알 수 있다. 6 is a view showing an X-ray diffraction pattern of the Si-Nb 2 O 5 powder prepared in Experimental Example 2. Figure 6 (a) is an X-ray diffraction pattern of porous Si powder as a raw material powder, and Figure 6 (b) is an X-ray diffraction pattern of Si-Nb 2 O 5 powder. In Figure 6 (b), Nb 2 An O 5 peak can be confirmed, and it can be seen that Nb 2 O 5 has been synthesized.

도 7은 실험예2에서 제조된 Si-Nb2O5 분말의 투과전자현미경 분석 사진이다. 도 7의 (a)로부터 분말의 표면에 Nb이 분포함을 알 수 있고, 도 7의 (b)로부터 표면 물질이 격자 상수 0.25 mm임을 알 수 있는데, 이는 Nb2O5의 (311)면 격자 상수에 해당한다. 7 is a transmission electron microscope analysis photograph of the Si-Nb 2 O 5 powder prepared in Experimental Example 2. It can be seen from (a) of FIG. 7 that Nb is distributed on the surface of the powder, and from (b) of FIG. corresponds to a constant.

<실시예 1><Example 1>

실험예 2에 의해 제조된 Si-Nb2O5 분말을 음극 활물질로 하여 음극을 제조하였다. 바인더로는 PAA(Poly Acrylic Acid)-CMC(CarboxymethylcelluloseSodium Salt)를 사용하였고, 도전재로는 SPB(Super P Black)을 사용하였다. An anode was prepared using the Si-Nb 2 O 5 powder prepared in Experimental Example 2 as an anode active material. PAA (Poly Acrylic Acid)-CMC (Carboxymethylcellulose Sodium Salt) was used as a binder, and SPB (Super P Black) was used as a conductive material.

증류수를 용매로 음극재, 바인더 및 도전재를 중량비 6:2:2로 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 집전체로 사용된 Cu 호일의 단면에 슬러리를 도포하였다. 이어서, 약 100℃의 오븐에서 2시간 동안 건조하였다. 이 때, 만들어진 극판의 두께는 대략 30~35 um였다. 제조된 Si-Nb2O5 음극재를 직경 14mm로 성형하여 전극을 제조하였다. A slurry was prepared by mixing an anode material, a binder, and a conductive material in a weight ratio of 6:2:2 with distilled water as a solvent, and then the slurry was applied to the end surface of a Cu foil used as a current collector. Then, it was dried in an oven at about 100° C. for 2 hours. At this time, the thickness of the electrode plate made was approximately 30 to 35 um. An electrode was manufactured by molding the prepared Si-Nb 2 O 5 negative electrode material into a diameter of 14 mm.

직경 16mm인 Li 금속 플레이트, 분리막 및 Si-Nb2O5 전극, 스테인레스스틸 플레이트 및 스프링을 적층하여 코인 셀 2032를 제조하였다. 이 때, 전해질로는 EC(ethylene carbonate)/DEC(diethyl carbonate)/EMC(ethylmethyl carbonate)가 부피비로 3:5:2으로 함유되고 10wt% FEC로 이루어진 혼합물로된 1M LiPF6의 전해액을 사용하였다. A coin cell 2032 was manufactured by stacking a Li metal plate having a diameter of 16 mm, a separator, a Si-Nb 2 O 5 electrode, a stainless steel plate, and a spring. At this time, as the electrolyte, an electrolyte of 1M LiPF 6 containing a mixture of EC (ethylene carbonate) / DEC (diethyl carbonate) / EMC (ethylmethyl carbonate) in a volume ratio of 3: 5: 2 and 10 wt% FEC was used. .

제조된 코인 셀 샘플을 사용하여 전기화학적 특성을 측정하였다. 도요(Toyo)사의 T-3100를 사용하여, 초기 충방전특성(Cut off voltage : 0.005~2V, C-rate : 0.05C (charge/discharge)), 고율 특성(Cut off voltage : 0.01~1.2V, C-rate: 0.1C (First cycle/ 0.05C)), 전극 수명 특성(Cut off voltage : 0.01~1.2V, C-rate : 0.1C(charge/discharge))을 측정하였다.Electrochemical properties were measured using the prepared coin cell sample. Using Toyo's T-3100, initial charge/discharge characteristics (Cut off voltage: 0.005~2V, C-rate: 0.05C (charge/discharge)), high rate characteristics (Cut off voltage: 0.01~1.2V, C-rate: 0.1C (First cycle/ 0.05C)) and electrode life characteristics (Cut off voltage: 0.01-1.2V, C-rate: 0.1C (charge/discharge)) were measured.

또한, 충전 전후의 전극 두께의 변화를 측정하여 전극 팽창율을 계산하였다. 팽창율 측정에서 충전 조건은 컷 오프 전압(Cut off voltage)은 0.005V, C-rate는 0.05C로 하였다. In addition, the electrode expansion rate was calculated by measuring the change in electrode thickness before and after charging. In the expansion rate measurement, the charging conditions were set to a cut off voltage of 0.005V and a C-rate of 0.05C.

<실시예 2><Example 2>

다공성 Si 분말을 음극 활물질로 한 점을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 음극 및 코인 셀 샘플을 제조하고 그 특성을 측정하였다. Anode and coin cell samples were prepared and their characteristics were measured in the same manner as in Example 1, except that porous Si powder was used as the anode active material.

도 8은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 샘플의 충방전 전위에 따른 충방전 용량의 변화를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing changes in charge and discharge capacities according to charge and discharge potentials of samples prepared according to Examples 1 and 2.

도 8로부터, Si-Nb2O5 음극재 샘플(Nb2O5-porous Si)에서 높은 충전 용량 및 방전 용량이 구현됨을 알 수 있다. From FIG. 8 , it can be seen that high charge and discharge capacities are implemented in the Si—Nb 2 O 5 negative electrode material sample (Nb 2 O 5 -porous Si).

도 9의 (a)는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 샘플의 사이클 특성을 나타낸 그래프이고, 도 9의 (b)는 고율 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 9 (a) is a graph showing the cycle characteristics of the samples prepared according to Examples 1 and 2, Figure 9 (b) is a graph showing the high rate characteristics measurement results.

도 9로부터 다공성 Si 음극재 샘플(porous-Si)에 비해서 Si-Nb2O5 음극재 샘플(Nb2O 5 -porous Si)의 경우에 고율에서(7C)에서 안정한 것을 확인할 수 있으며, 고율특성이 진행됨에 따른 용량 감소가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. From FIG. 9, it can be seen that the Si-Nb 2 O 5 anode material sample (Nb 2 O 5 -porous Si) is stable at a high rate (7C) compared to the porous Si anode material sample (porous-Si), and the high rate characteristics It can be seen that there is almost no decrease in capacity as the process progresses.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 개시한 기술적 사상의 범주를 벗어나지 않는 한 실리콘 또는 실리콘 합금 뿐만 아니라 다른 음극재에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will know that it can be applied not only to silicon or silicon alloy but also to other anode materials without departing from the scope of the technical idea disclosed by the present invention.

100 활물질
110 다공성 Si 입자
120 SEI층
100 active materials
110 Porous Si Particles
120 SEI layer

Claims (8)

Nb2O5 전구체 및 LTO 전구체 중 최소한 하나의 전구체와 다공성 Si 분말을 준비하는 단계;
상기 전구체와 다공성 Si 분말을 유기 용매에 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 건조 및 분쇄하는 단계; 및
분쇄된 분말을 600~650℃의 온도에서 열처리하여, 상기 다공성 Si 분말 표면에 Nb2O5 또는 LTO 조성의 SEI층을 합성하는 단계를 포함하고,
상기 다공성 Si 분말은 다공성 실리콘 산화물로부터 환원된 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.
preparing at least one precursor of a Nb 2 O 5 precursor and an LTO precursor and a porous Si powder;
mixing the precursor and the porous Si powder in an organic solvent;
drying and pulverizing the mixed solution; and
Heat-treating the pulverized powder at a temperature of 600 to 650 ° C. to synthesize an SEI layer of Nb2O5 or LTO composition on the surface of the porous Si powder,
The method for producing a porous Si-based negative electrode material, characterized in that the porous Si powder is reduced from porous silicon oxide.
제1항에 있어서,
상기 LTO는 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.
According to claim 1,
The LTO is a method for producing a porous Si-based negative electrode material, characterized in that Li 4 Ti 5 O 12 .
제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는 불활성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.
According to claim 1,
The heat treatment step is a method for producing a porous Si-based negative electrode material, characterized in that carried out in an inert atmosphere.
제3항에 있어서, 상기 불활성 분위기는 Ar분위기인 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.The method of claim 3, wherein the inert atmosphere is an Ar atmosphere. 제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는 환원 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.
According to claim 1,
The heat treatment step is a method for producing a porous Si-based negative electrode material, characterized in that carried out in a reducing atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 다공성 Si 분말을 준비하는 단계는,
다공성 실리콘 산화물을 준비하는 단계;
상기 다공성 실리콘 산화물과 환원제를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합물을 비산화성 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리하여 다공성 Si 분말을 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.
According to claim 1,
Preparing the porous Si powder,
preparing porous silicon oxide;
mixing the porous silicon oxide and a reducing agent; and
Method for producing a porous Si-based negative electrode material comprising the step of synthesizing a porous Si powder by heat-treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere.
제6항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 산화물은 규조토, 카올린, 벤토나이트, 할로이사이트나노클레이 및 몬모릴로나이트로 이루어진 그룹 중 에서 선택된 최소한 1종의 광물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 Si계 음극재의 제조 방법.
According to claim 6,
The method for producing a porous Si-based negative electrode material, characterized in that the porous silicon oxide comprises at least one mineral selected from the group consisting of diatomaceous earth, kaolin, bentonite, halosite nanoclay and montmorillonite.
제6항에 있어서,
상기 환원제는 마그네슘인 것을 특징으로 하는 다공성 Si 음극재의 제조 방법.
According to claim 6,
The method for producing a porous Si negative electrode material, characterized in that the reducing agent is magnesium.
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