KR102496666B1 - Method of manufacturing anode for lithium battery and lithium battery including the same - Google Patents

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유혜련
안태영
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Abstract

The present invention provides a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery, including the steps of: settling iron powder in a reactor and heat-treating the iron powder; injecting fluorine gas into the reactor to treat the heat-treated iron powder with fluorine; mixing the fluorinated iron powder with liquid lithium to form a liquid lithium-iron powder mixture; rolling the liquid lithium-iron powder mixture to form a negative electrode sheet; and molding the negative electrode sheet to form a negative electrode for a lithium battery.

Description

리튬 전지용 음극 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지{Method of manufacturing anode for lithium battery and lithium battery including the same}Method of manufacturing anode for lithium battery and lithium battery including the same}

본 발명은 리튬 전지용 음극 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 철 분말이 고르게 분산된 리튬 전지용 음극 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery and a lithium battery including the same, and more particularly, to a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery in which iron powder is uniformly dispersed and a lithium battery including the same.

일반적으로 리튬 전지용 음극은 용융된 리튬에 용융 리튬과 반응성이 없는 철, 티타늄, 니켈 또는 이들의 합금 등을 포함하는 금속 분말을 혼합하여 제조된다. 이러한 금속 분말은 양의 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)를 가져, 용융 리튬과 혼합하기 위하여 수 시간의 강한 전단응력(shear force)를 인가하여야 한다. 리튬 전지용 음극 내에 금속 분말이 고르게 분산되지 않고 응집되는 경우, 리튬 전지의 성능이 저하될 뿐만 아니라, 단락으로 인한 화재 및/또는 폭발이 발생할 가능성이 있다.In general, a negative electrode for a lithium battery is manufactured by mixing molten lithium with metal powder including iron, titanium, nickel, or alloys thereof that are not reactive with molten lithium. These metal powders have a positive Gibbs free energy, so a strong shear force of several hours must be applied to mix them with molten lithium. When the metal powder is not evenly dispersed and agglomerated in the negative electrode for a lithium battery, performance of the lithium battery is deteriorated, and fire and/or explosion may occur due to a short circuit.

따라서, 금속 분말이 고르게 분산된 리튬 전지용 음극을 제조하기 위하여, 재료 표면의 젖음성(wettability)를 개선할 필요가 있다. 젖음성은 표면 자유 에너지(surface free energy)에 의하여 결정된다. 표면 자유 에너지는 내부의 구성 물질을 표면으로 끌어 당기는데 필요한 단위 면적당 응집력(cohesive force)로 정의되며, 일반적으로 금속은 내부의 금속 결합으로 인하여 높은 표면 자유 에너지를 갖는다. 따라서, 금속 결합을 약화하여 표면의 젖음성을 개선할 수 있다.Therefore, in order to manufacture a negative electrode for a lithium battery in which the metal powder is evenly dispersed, it is necessary to improve the wettability of the material surface. Wettability is determined by surface free energy. Surface free energy is defined as the cohesive force per unit area required to attract an internal constituent material to the surface, and metals generally have high surface free energy due to internal metal bonding. Therefore, the wettability of the surface can be improved by weakening the metal bond.

일반적으로 용융 리튬의 젖음성을 개선하기 위하여, 용융 리튬의 온도를 높일 수 있다. 이러한 경우, 표면장력과 온도의 관계는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.In general, in order to improve wettability of molten lithium, the temperature of molten lithium may be increased. In this case, the relationship between surface tension and temperature can be represented by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112022069995523-pat00001
Figure 112022069995523-pat00001

여기서,

Figure 112022069995523-pat00002
은 용융온도에서 용융 리튬의 표면장력이고,
Figure 112022069995523-pat00003
은 리튬의 용융점이고, T는 용융 리튬의 온도이고,
Figure 112022069995523-pat00004
는 온도 T에서의 표면장력이며,
Figure 112022069995523-pat00005
이다.here,
Figure 112022069995523-pat00002
is the surface tension of molten lithium at the melting temperature,
Figure 112022069995523-pat00003
is the melting point of lithium, T is the temperature of molten lithium,
Figure 112022069995523-pat00004
is the surface tension at temperature T,
Figure 112022069995523-pat00005
am.

용융 리튬의 젖음성을 개선하기 위하여, 이종원자(hetero-atom)를 도핑할 수도 있다. 이종원자와 리튬 사이의 결합력이 리튬과 리튬 사이의 금속 결합의 결합력보다 작으므로, 미량의 원소 첨가물을 금속 내에 도핑하여 용융 리튬의 표면 자유 에너지를 감소할 수 있다. 이 때, 리튬과 이종원자의 결합 반응을 지배하는 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)와 용융 리튬의 젖음성은 아래의 수학식 2와 같은 관계를 가질 수 있다.In order to improve the wettability of molten lithium, a hetero-atom may be doped. Since the binding force between the heteroatom and lithium is smaller than the binding force of the metallic bond between lithium and lithium, the surface free energy of molten lithium may be reduced by doping a small amount of elemental additives into the metal. At this time, the Gibbs free energy that governs the bonding reaction between lithium and heteroatoms and wettability of molten lithium may have a relationship as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112022069995523-pat00006
Figure 112022069995523-pat00006

여기서,

Figure 112022069995523-pat00007
은 가스-액체 표면 에너지이고,
Figure 112022069995523-pat00008
은 고체-액체 표면 에너지이고,
Figure 112022069995523-pat00009
는 반응이 없을 때의 접촉각이고,
Figure 112022069995523-pat00010
은 반응 후의 접촉각이고,
Figure 112022069995523-pat00011
는 반응에 대한 깁스 자유 에너지이다.here,
Figure 112022069995523-pat00007
is the gas-liquid surface energy,
Figure 112022069995523-pat00008
is the solid-liquid surface energy,
Figure 112022069995523-pat00009
is the contact angle when there is no reaction,
Figure 112022069995523-pat00010
is the contact angle after the reaction,
Figure 112022069995523-pat00011
is the Gibbs free energy for the reaction.

위 수학식 2에 따르면, 가스-액체 표면 에너지(

Figure 112022069995523-pat00012
)가 감소(
Figure 112022069995523-pat00013
)하고, 깁스 자유 에너지(
Figure 112022069995523-pat00014
)가 음의 값을 가질 경우,
Figure 112022069995523-pat00015
이 감소하여 용융 리튬의 젖음성이 향상된다.According to Equation 2 above, the gas-liquid surface energy (
Figure 112022069995523-pat00012
) decreases (
Figure 112022069995523-pat00013
), and the Gibbs free energy (
Figure 112022069995523-pat00014
) is negative,
Figure 112022069995523-pat00015
This decreases and the wettability of molten lithium is improved.

최근, 최 등은 순수 니켈 또는 니켈 합금의 공기 중 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 고온산화법을 이용하여 친리튬성(lithiphilic) 니켈 산화물(NiO, Ni2O3) 등을 생성하여 용융 리튬의 함침 및 혼합성이 개선됨을 확인하였다.Recently, Choi et al. produced lithium-philic nickel oxides (NiO, Ni 2 O 3 ), etc. using a high-temperature oxidation method in the air temperature range of 500 ° C to 900 ° C of pure nickel or nickel alloy to produce molten lithium It was confirmed that the impregnation and mixing properties were improved.

1. 한국 등록특허공보 등록번호 제10-1920851호(2018.11.15)1. Korea Registered Patent Publication No. 10-1920851 (November 15, 2018)

그러나 이러한 종래의 그러나, 이러한 산화 반응으로 인하여, 소리튬성(lithiphobic)을 갖는 철 산화물(Fe3O4) 또는 알루미나(Al2O3) 등의 산화물이 생성되어 용융 리튬의 젖음성이 오히려 악화될 수 있다.However, due to this conventional oxidation reaction, oxides such as iron oxide (Fe 3 O 4 ) or alumina (Al 2 O 3 ) having a lithium phobic property are generated, and the wettability of molten lithium is rather deteriorated. can

또한, 용융 리튬과 우수한 젖음성을 갖는 금속들은 용융 리튬과 합금화가 되어, 금속 입자, 판재, 다공체 등이 분리되지 않아 전극 물질로 사용되는데 어려움이 있다. 따라서 금속 분말과 용융 리튬이 물리적으로 균질한 혼합물을 형성하도록 혼합물의 젖음성만을 향상할 수 있는 리튬 전지용 음극의 제조방법에 요구된다.In addition, metals having excellent wettability with molten lithium are alloyed with molten lithium, and metal particles, plates, porous bodies, etc. are not separated, making it difficult to use them as electrode materials. Therefore, a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery capable of improving only the wettability of a metal powder and molten lithium to form a physically homogeneous mixture is required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 철 분말이 고르게 분산된 리튬 전지용 음극 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to solve various problems including the above problems, and to provide a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery in which iron powder is evenly dispersed, and a lithium battery including the same. However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일 관점에 따르면, 반응기 내에 철 분말을 안착시키고, 철 분말을 열처리하는 단계, 상기 반응기 내에 불소 가스를 주입하여, 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계, 불소 처리된 철 분말을 액체 리튬과 혼합하여 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계, 상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 압연하여 음극 시트를 형성하는 단계 및 상기 음극 시트를 성형하여 리튬 전지용 음극을 형성하는 단계를 포함하는, 리튬 전지용 음극의 제조방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, placing iron powder in a reactor and heat-treating the iron powder, injecting fluorine gas into the reactor to fluorine-treat the heat-treated iron powder, fluorine-treating the iron powder with liquid lithium and mixing to form a liquid lithium-iron powder mixture, rolling the liquid lithium-iron powder mixture to form a negative electrode sheet, and forming the negative electrode sheet to form a negative electrode for a lithium battery, A method for manufacturing a negative electrode is provided.

일 실시예에서, 리튬 전지용 음극의 제조방법은 상기 철 분말을 열처리 하는 단계 이전에, 상기 반응기 내에 불활성 가스를 주입하는 단계 및 상기 반응기로부터 상기 불활성 가스를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method of manufacturing a negative electrode for a lithium battery may further include injecting an inert gas into the reactor and discharging the inert gas from the reactor before the heat treatment of the iron powder.

일 실시예에서, 상기 불활성 가스를 주입하는 단계 및 상기 불활성 가스를 배출하는 단계에서, 상기 반응기의 압력 변화 속도는 0.01 내지 0.2 bar/min일 수 있다.In one embodiment, in the step of injecting the inert gas and the step of discharging the inert gas, the pressure change rate of the reactor may be 0.01 to 0.2 bar/min.

일 실시예에서, 상기 불활성 가스를 배출하는 단계는, 상기 반응기의 압력이 대기압보다 작도록 상기 불활성 가스를 배출할 수 있다.In one embodiment, in the step of discharging the inert gas, the inert gas may be discharged such that the pressure of the reactor is less than atmospheric pressure.

일 실시예에서, 상기 철 분말을 열처리하는 단계에서 상기 반응기 내의 온도는 20 ℃ 내지 50 ℃일 수 있다.In one embodiment, in the heat treatment of the iron powder, the temperature in the reactor may be 20 °C to 50 °C.

일 실시예에서, 상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서, 상기 반응기의 압력 변화 속도는 0.01 내지 0.2 bar/min일 수 있다.In one embodiment, in the step of treating the heat-treated iron powder with fluorine, a pressure change rate of the reactor may be 0.01 to 0.2 bar/min.

일 실시예에서, 상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서, 상기 반응기 내의 불소 가스의 압력은 0.1 bar 내지 3.0 bar일 수 있다.In one embodiment, in the fluorine treatment of the heat-treated iron powder, the pressure of the fluorine gas in the reactor may be 0.1 bar to 3.0 bar.

일 실시예에서, 상기 불소 가스는 불소(F2), 삼불화질소(NF3), 사불화탄소(CF4), 삼불화탄소(CHF3), 팔불화탄소(C3F8), 팔불화사탄소(C4F8) 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the fluorine gas is fluorine (F 2 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ), carbon trifluoride (CHF 3 ), carbon octafluoride (C 3 F 8 ), tetrafluoride tetra It may include any one of carbon (C 4 F 8 ) and mixtures thereof.

일 실시예에서, 상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서, 상기 불소 가스는 불활성 가스와 혼합되어 주입되고, 이 때, 상기 반응기 내의 불소 가스의 부분압력은 0.1 bar 내지 3.0 bar일 수 있다.In one embodiment, in the fluorine treatment of the heat-treated iron powder, the fluorine gas is mixed with an inert gas and injected, and at this time, the partial pressure of the fluorine gas in the reactor may be 0.1 bar to 3.0 bar.

일 실시예에서, 상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서, 상기 반응기 내의 온도는 20 ℃ 내지 100 ℃일 수 있다.In one embodiment, in the fluorine treatment of the heat-treated iron powder, the temperature in the reactor may be 20 °C to 100 °C.

일 실시예에서, 상기 열처리된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서, 불소 처리는 24 시간 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, in the fluorine treatment of the heat-treated iron powder, the fluorine treatment may be performed for 24 hours to 48 hours.

일 실시예에서, 상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 불소 처리된 철 분말의 질량은 상기 액체 리튬의 질량의 10% 내지 25%일 수 있다.In one embodiment, in the forming of the liquid lithium-iron powder mixture, the mass of the fluorine-treated iron powder may be 10% to 25% of the mass of the liquid lithium.

일 실시예에서, 상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계에서, 혼합 용기 내의 온도는 200 ℃ 내지 400 ℃일 수 있다.In one embodiment, in the step of forming the liquid lithium-iron powder mixture, the temperature in the mixing vessel may be 200 °C to 400 °C.

본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상술한 리튬 전지용 음극 제조방법들 중 어느 한 방법에 따라 제조된 리튬 전지용 음극을 포함하는 액체 리튬 전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a liquid lithium battery including a negative electrode for a lithium battery manufactured according to any one of the above-described manufacturing methods for a negative electrode for a lithium battery.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. Other aspects, features and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims and detailed description of the invention.

이러한 일반적이고 구체적인 측면이 시스템, 방법, 컴퓨터 프로그램, 또는 어떠한 시스템, 방법, 컴퓨터 프로그램의 조합을 사용하여 실시될 수 있다.These general and specific aspects may be practiced using a system, method, computer program, or any combination of systems, methods, or computer programs.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 철 분말이 고르게 분산된 리튬 전지용 음극 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention made as described above, it is possible to implement a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery in which iron powder is evenly dispersed, and a lithium battery including the same. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극 제조방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 2a는 비교예에 따라 제조된 액체 리튬-철 분말 혼합물의 사진이고, 도 2b는 실험예에 따라 제조된 액체 리튬-철 분말 혼합물의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 전지를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 실험예 및 비교예에 따른 대칭 셀(symmetry cell)형 리튬 전지의 충방전 전류 밀도에 따른 Li 산화환원 전압 대비(vs. Li/Li+)를 도시하는 그래프들이다.
도 7은 실험예 및 비교예에 따른 리튬 전지의 충방전 전류 밀도가 0.2 mA/cm2일 때 Li 산화환원 전압 대비(vs. Li/Li+)를 도시하는 그래프이다.
도 8은 실험예 및 비교예에 따른 리튬 전지의 충방전 전류 밀도에 따른 핵 생성 에너지 장벽(nucleation barrier)를 도시하는 그래프이다.
도 9는 비교예에 따른 대칭 셀형 리튬 전지의 충방전 실험 후의 음극 표면의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 사진이다.
도 10은 실험예에 따른 대칭 셀형 리튬 전지의 충방전 실험 후의 음극 표면의 주사전자현미경 사진이다.
1 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery according to an embodiment of the present invention.
2a is a photograph of a liquid lithium-iron powder mixture prepared according to a comparative example, and FIG. 2b is a photograph of a liquid lithium-iron powder mixture prepared according to an experimental example.
3 is a diagram schematically illustrating a lithium battery manufactured according to an embodiment of the present invention.
4 to 6 are graphs showing Li oxidation-reduction voltage contrast (vs. Li/Li + ) according to charge/discharge current density of symmetric cell-type lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples.
7 is a graph showing the Li redox voltage comparison (vs. Li/Li + ) when the charge/discharge current density of lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples is 0.2 mA/cm 2 .
8 is a graph showing a nucleation energy barrier according to charge/discharge current density of lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples.
9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of an anode after a charge/discharge test of a symmetric cell-type lithium battery according to a comparative example.
10 is a scanning electron microscope photograph of the surface of a negative electrode after a charge/discharge experiment of a symmetric cell-type lithium battery according to Experimental Example.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. Effects and features of the present invention, and methods for achieving them will become clear with reference to the embodiments described later in detail together with the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various forms.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and when describing with reference to the drawings, the same or corresponding components are assigned the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. .

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. In this specification, terms such as first and second are used for the purpose of distinguishing one component from another component without limiting meaning.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In this specification, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. In this specification, terms such as include or have mean that features or elements described in the specification exist, and do not preclude the possibility that one or more other features or elements may be added.

본 명세서에서 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다. In this specification, when an embodiment is otherwise embodied, a specific process sequence may be performed differently from the described sequence. For example, two processes described in succession may be performed substantially simultaneously, or may be performed in an order reverse to the order described.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In the drawings, the size of components may be exaggerated or reduced for convenience of explanation. For example, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to the illustrated bar.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극 제조방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.1 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 전지용 음극 제조방법은 철 분말을 열처리하는 단계(S110), 철 분말을 불소 처리하는 단계(S120), 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계(S130), 음극 시트를 형성하는 단계(S140) 및 리튬 전지용 음극을 형성하는 단계(2150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery according to an embodiment of the present invention includes heat-treating iron powder (S110), treating the iron powder with fluorine (S120), and forming a liquid lithium-iron powder mixture. Step S130, forming a negative electrode sheet (S140), and forming a negative electrode for a lithium battery (Step 2150) are included.

철 분말을 열처리하는 단계(S110)에서, 철 분말은 반응기 내에 안착되고 열처리 될 수 있다. 상기 철 분말은 후레이크(flake)형, 판재(sheet)형, 섬유(fiber)형, 직조물(fabric)형, 다공체형 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.In the step of heat-treating the iron powder (S110), the iron powder may be placed in a reactor and subjected to heat treatment. The iron powder may be any one of a flake type, a sheet type, a fiber type, a fabric type, a porous body type, and a mixture thereof.

철 분말을 열처리하는 단계에서, 반응기 내의 온도는 상온 내지 약 50 ℃일 수 있다. 본 명세서에서 상온은 약 20 ℃일 수 있다. 상온 미만의 온도에서 철 분말을 열처리하는 경우, 철 분말이 포함하는 수분이 충분히 제거되지 않을 수 있다. 열처리 온도가 높을수록 철 분말에 포함된 수분의 제거가 용이하나, 50 ℃를 초과하는 온도에서 열처리 된 철 분말이 포함하는 수분의 양은 50 ℃에서 열처리된 철 분말이 포함하는 수분의 양과 유의미한 차이를 보이지 않는다.In the heat treatment of the iron powder, the temperature in the reactor may be from room temperature to about 50 °C. Room temperature in the present specification may be about 20 ℃. When the iron powder is heat-treated at a temperature lower than room temperature, moisture contained in the iron powder may not be sufficiently removed. The higher the heat treatment temperature, the easier it is to remove the moisture contained in the iron powder, but the amount of moisture contained in the iron powder heat-treated at a temperature exceeding 50 ° C. invisible

상기 철 분말을 열처리하는 단계(S110) 이전에 반응기 내에 불활성 가스를 주입하는 단계 및 상기 반응기로부터 불활성 가스를 배출하는 단계가 더 포함될 수 있다.Prior to the heat treatment of the iron powder (S110), the step of injecting an inert gas into the reactor and the step of discharging the inert gas from the reactor may further be included.

불활성 가스는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 또는 이들의 혼합 가스 등 철 분말과 화학적 반응을 하지 않는 안정한 물질일 수 있다. 불활성 가스를 주입하는 단계 및 불활성 가스를 배출하는 단계에서 상기 반응기의 압력 변화 속도는 0.01 내지 0.2 bar/min일 수 있다. 반응기 내의 압력 변화 속도가 0.2 bar/min을 초과할 경우, 철 분말이 흩날려 철 분말의 수거가 어려울 수 있다. 압력 변화 속도가 0.01 bar/min 미만일 경우, 공정 소요 시간이 필요 이상으로 증가될 수 있다.The inert gas may be a stable material that does not chemically react with iron powder, such as nitrogen (N 2 ), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), or a mixed gas thereof. In the step of injecting the inert gas and the step of discharging the inert gas, the pressure change rate of the reactor may be 0.01 to 0.2 bar/min. If the pressure change rate in the reactor exceeds 0.2 bar/min, the iron powder may be scattered and it may be difficult to collect the iron powder. If the pressure change rate is less than 0.01 bar/min, the process time may increase unnecessarily.

이 때, 불활성 가스가 배출되고 난 뒤 반응기의 압력은 대기압보다 낮을 수 있다. 반응기 내의 압력이 대기압보다 낮도록 불활성 가스를 배출함으로써, 반응기 내의 수분 및 불순물을 충분히 배출하여 의도하지 않은 부반응을 최소화할 수 있다. 불활성 가스를 주입하는 단계 및 불활성 가스를 배출하는 단계는 복수 번 반복하여 수행될 수도 있다. At this time, after the inert gas is discharged, the pressure of the reactor may be lower than atmospheric pressure. By discharging the inert gas so that the pressure in the reactor is lower than atmospheric pressure, moisture and impurities in the reactor can be sufficiently discharged to minimize unintended side reactions. The step of injecting the inert gas and the step of discharging the inert gas may be repeatedly performed a plurality of times.

철 분말을 불소 처리하는 단계(S120)에서, 열처리된 철 분말을 담지하는 반응기 내에 불소 가스가 주입될 수 있다. 불소 가스는 불소(F2), 삼불화질소(NF3), 사불화탄소(CF4), 삼불화탄소(CHF3), 팔불화탄소(C3F8), 팔불화사탄소(C4F8) 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. In the step of treating iron powder with fluorine (S120), fluorine gas may be injected into a reactor carrying the heat-treated iron powder. Fluorine gas is fluorine (F 2 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ), carbon trifluoride (CHF 3 ), carbon octafluoride (C 3 F 8 ), carbon octafluoride (C 4 F 8 ) and mixtures thereof.

반응기 내에 주입되는 불소 가스의 압력은 약 0.1 bar 내지 약 3.0 bar일 수 있다. 불소 가스의 압력이 약 0.1 bar 미만일 경우, 흡착점이 증가하며 충분한 양의 불소 관능기가 철 분말에 도입되지 않을 수 있다. 불소 가스의 압력이 3.0 bar를 초과하는 경우 불소 처리된 철 분말의 불소 관능기의 도입량은 불소 가스의 압력이 3.0 bar인 경우 불소 처리된 철 분말의 불소 관능기의 도입량과 유의미한 차이를 보이지 않는다.The pressure of the fluorine gas injected into the reactor may be about 0.1 bar to about 3.0 bar. When the pressure of the fluorine gas is less than about 0.1 bar, the adsorption point increases and a sufficient amount of fluorine functional groups may not be introduced into the iron powder. When the pressure of the fluorine gas exceeds 3.0 bar, the amount of fluorine functional groups introduced into the fluorine-treated iron powder does not show a significant difference from that of the fluorinated iron powder when the pressure of the fluorine gas is 3.0 bar.

일 실시예에서, 불소 가스는 불활성 가스와 혼합되어 반응기 내에 주입될 수 있다. 불활성 가스는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 또는 이들의 혼합 가스 등 철 분말과 화학적 반응을 하지 않는 안정한 물질일 수 있다. 불소 가스와 불활성 가스가 혼합되어 반응기 내에 주입되는 경우, 반응기 내에 주입되는 불소 가스의 부분 압력은 약 0.1 bar 내지 약 3.0 bar일 수 있다.In one embodiment, fluorine gas may be mixed with an inert gas and introduced into the reactor. The inert gas may be a stable material that does not chemically react with iron powder, such as nitrogen (N 2 ), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), or a mixed gas thereof. When the fluorine gas and the inert gas are mixed and injected into the reactor, the partial pressure of the fluorine gas injected into the reactor may be about 0.1 bar to about 3.0 bar.

불소 가스 또는 불소 가스와 불활성 가스의 혼합 가스가 반응기 내로 주입될 때, 반응기 내의 압력 변화 속도는 약 0.01 bar/min 내지 약 0.2 bar/min일 수 있다. 반응기 내의 압력 변화 속도가 0.2 bar/min을 초과할 경우, 철 분말이 흩날려 철 분말의 수거가 어려울 수 있다. 압력 변화 속도가 0.01 bar/min 미만일 경우, 공정 소요 시간이 필요 이상으로 증가될 수 있다.When fluorine gas or a mixed gas of fluorine gas and an inert gas is injected into the reactor, a pressure change rate in the reactor may be about 0.01 bar/min to about 0.2 bar/min. If the pressure change rate in the reactor exceeds 0.2 bar/min, the iron powder may be scattered and it may be difficult to collect the iron powder. If the pressure change rate is less than 0.01 bar/min, the process time may increase unnecessarily.

철 분말을 불소 처리하는 단계(S120)에서, 반응기의 온도는 상온 내지 약 100 ℃의 온도로 유지될 수 있다. 반응기의 온도가 상온 이하일 경우, 흡착점이 증가하며 충분한 양의 불소 관능기가 철 분말에 도입되지 않을 수 있다. 반응기의 온도가 100 ℃를 초과하는 경우 불소 처리된 철 분말의 특성은 반응기의 온도가 100 ℃인 경우 불소 처리된 철 분말의 특성과 유의미한 차이를 보이지 않는다.In the step of treating the iron powder with fluorine (S120), the temperature of the reactor may be maintained at room temperature to about 100 °C. When the temperature of the reactor is below room temperature, the adsorption point increases and a sufficient amount of fluorine functional groups may not be introduced into the iron powder. When the reactor temperature exceeds 100 °C, the characteristics of the fluorinated iron powder do not show a significant difference from those of the fluorinated iron powder when the temperature of the reactor is 100 °C.

철 분말의 불소 처리는 약 24 시간 내지 약 48 시간동안 수행될 수 있다. 철 분말의 불소 처리 시간이 24 시간 미만인 경우, 충분한 양의 불소 관능기가 철 분말에 도입되지 않을 수 있다. 철 분말의 불소 처리 시간이 48 시간을 초과하는 경우, 의도하지 않은 부반응이 발생할 수 있다.Fluorine treatment of the iron powder can be performed for about 24 hours to about 48 hours. If the fluorine treatment time of the iron powder is less than 24 hours, a sufficient amount of fluorine functional groups may not be introduced into the iron powder. If the treatment time of iron powder with fluorine exceeds 48 hours, unintended side reactions may occur.

액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계(S130)에서, 용융된 액체 리튬에 불소 처리된 철 분말을 혼합할 수 있다. 일 실시예에서, 액체 리튬과 불소 처리된 철 분말은 교반기 내에서 혼합될 수 있다.In the step of forming the liquid lithium-iron powder mixture (S130), the molten liquid lithium may be mixed with the fluorine-treated iron powder. In one embodiment, liquid lithium and fluorinated iron powder may be mixed in a stirrer.

이 때, 불소 처리된 철 분말의 질량은 액체 리튬의 질량의 약 10 % 내지 약 25 %일 수 있다. 불소 처리된 철 분말의 질량이 액체 리튬의 질량의 10 % 미만일 경우, 애그리게이션(aggregation)된 철 분말이 액체 리튬을 지지하는 지지층으로 기능할 수 없다. 불소 처리된 철 분말의 질량이 액체 리튬의 질량의 25 %를 초과하는 경우, 철 분말이 리튬의 이동을 방해하여 리튬 전지의 성능이 저하될 수 있다.In this case, the mass of the fluorine-treated iron powder may be about 10% to about 25% of the mass of the liquid lithium. When the mass of the fluorine-treated iron powder is less than 10% of the mass of the liquid lithium, the aggregated iron powder cannot function as a support layer supporting the liquid lithium. When the mass of the fluorine-treated iron powder exceeds 25% of the mass of liquid lithium, the iron powder hinders the movement of lithium, and thus the performance of the lithium battery may deteriorate.

액체 리튬과 불소 처리된 철 분말이 혼합되는 온도는 약 200 ℃ 내지 약 400 ℃일 수 있다. 200 ℃ 미만의 온도에서 혼합되는 경우, 리튬이 충분히 용융되지 않아 리튬의 흐름성이 낮아 혼합이 어려울 수 있다. 400 ℃를 초과하는 온도에서 혼합되는 경우, 불소 처리된 철 분말에서 불소의 탈리가 일어날 수 있다.A temperature at which the liquid lithium and the fluorine-treated iron powder are mixed may be about 200 °C to about 400 °C. When mixing at a temperature of less than 200 ° C., lithium is not sufficiently melted, and the flowability of lithium is low, so mixing may be difficult. When mixed at a temperature exceeding 400 ° C., desorption of fluorine may occur in the fluorine-treated iron powder.

음극 시트를 형성하는 단계(S140)에서, 액체 리튬-철 분말 혼합물을 히팅 플레이트 상에서 압연하여 음극 시트를 형성할 수 있다. In the step of forming the negative electrode sheet ( S140 ), the negative electrode sheet may be formed by rolling the liquid lithium-iron powder mixture on a heating plate.

일 실시예에서, 액체 리튬-철 분말 혼합물을 압연하기 위한 몰드는 흑연, 산화 마그네슘, 이트륨 옥사이드 및 질화 붕소 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 몰드는 액체 리튬-철 분말 혼합물이 냉각되고 질화되는 것을 방지하기 위하여, 가열될 수 있다. In one embodiment, the mold for rolling the liquid lithium-iron powder mixture may include one or more of graphite, magnesium oxide, yttrium oxide and boron nitride. The mold may be heated to prevent the liquid lithium-iron powder mixture from cooling and nitriding.

이후, 리튬 전지용 음극을 형성하는 단계(S150)에서, 음극 시트를 성형하여 리튬 전지용 음극을 형성할 수 있다. Then, in the step of forming a negative electrode for a lithium battery (S150), the negative electrode for a lithium battery may be formed by molding the negative electrode sheet.

도 2a는 비교예에 따라 제조된 액체 리튬-철 분말 혼합물의 사진이고, 도 2b는 실험예에 따라 제조된 액체 리튬-철 분말 혼합물의 사진이다.2a is a photograph of a liquid lithium-iron powder mixture prepared according to a comparative example, and FIG. 2b is a photograph of a liquid lithium-iron powder mixture prepared according to an experimental example.

실험예로서, 먼저, 반응기에 질소 가스를 주입 및 배기하는 과정을 3회 수행하였다. 질소 가스의 주입 및 배기 시 반응기의 압력 변화 속도는 0.2 bar/min이며, 질소 가스의 배기 후 반응기의 압력은 0.5 bar가 되었다. 이후, 철 분말이 안착된 반응기의 온도를 50 ℃로 승온한 뒤, 1시간 동안 열처리를 수행하였다. 열처리된 철 분말에 불소 가스를 주입하여 상온에서 불소 처리하였다. 이 때, 반응기 내의 불소 가스의 압력은 1.2 bar로 유지하였다. 불소 처리된 철 분말과 용융된 액체 리튬을 불활성 분위기의 글로브 박스 내에서 혼합하였다. 이 때, 온도는 300 ℃로 유지되었으며, 불소 처리된 철 분말의 질량은 액체 리튬의 질량의 12 %가 되도록 혼합하였다.As an experimental example, first, the process of injecting and exhausting nitrogen gas into the reactor was performed three times. The pressure change rate of the reactor during injection and exhaust of nitrogen gas was 0.2 bar/min, and the pressure of the reactor after nitrogen gas was exhausted became 0.5 bar. Thereafter, the temperature of the reactor in which the iron powder was seated was raised to 50° C., and heat treatment was performed for 1 hour. Fluorine treatment was performed at room temperature by injecting fluorine gas into the heat-treated iron powder. At this time, the pressure of fluorine gas in the reactor was maintained at 1.2 bar. Fluorinated iron powder and molten liquid lithium were mixed in an inert atmosphere in a glove box. At this time, the temperature was maintained at 300° C., and the mass of the fluorine-treated iron powder was mixed to be 12% of the mass of the liquid lithium.

비교예로서, 실험예에 사용된 철 분말과 동일한 철 분말에 불소 처리를 하지 않고, 액체 리튬-철 분말 혼합물을 제조하였다. 철 분말과 용융된 액체 리튬을 불활성 분위기의 글로브 박스 내에서 혼합하였. 이 때, 온도는 300 ℃로 유지되었으며, 철 분말의 질량은 액체 리튬의 질량의 12 %가 되도록 혼합하였다.As a comparative example, a liquid lithium-iron powder mixture was prepared without fluorine treatment on the same iron powder as the iron powder used in the experimental example. Iron powder and molten liquid lithium were mixed in an inert atmosphere in a glove box. At this time, the temperature was maintained at 300 °C, and the mass of the iron powder was mixed to be 12% of the mass of the liquid lithium.

지금까지는 리튬 전지용 음극 제조방법에 대해서만 주로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 이러한 리튬 전지용 음극 제조방법를 이용하여 제조된 리튬 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 전지 역시 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.So far, only the method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery has been mainly described, but the present invention is not limited thereto. For example, a negative electrode for a lithium battery manufactured using the method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery and a lithium battery including the same will also fall within the scope of the present invention.

도 2a를 참조하면, 비교예에 따른 액체 리튬-철 분말 혼합물을 냉각하여 잉곳(ingot)을 형성하였을 때, A 영역에는 리튬만 존재하고, B 영역에 철 분말이 액체 리튬으로부터 분리되어 애그리게이션 된 것을 확인할 수 있다. 순수한 철 분말의 깁스 자유 에너지는 양의 값을 가지므로, 액체 리튬과 혼합하는 것이 매우 어렵다Referring to FIG. 2A, when the liquid lithium-iron powder mixture according to the comparative example is cooled to form an ingot, only lithium exists in area A, and iron powder is separated from liquid lithium and aggregated in area B. can confirm that The Gibbs free energy of pure iron powder is positive, making it very difficult to mix with liquid lithium.

반면, 도 2b를 참조하면, 실험예에 따른 액체 리튬-철 분말 혼합물을 냉각하여 잉곳을 형성하였을 때, 불소 처리된 철 분말이 액체 리튬에 고르게 분산된 것을 확인할 수 있다. 이는 철 분말의 표면에 도입된 불소 관능기로 인하여 철 분말의 깁스 자유 에너지가 음의 값을 가지므로, 철 분말이 액체 리튬과 자발적으로 혼합될 수 있다. 불소 처리된 철 분말과 액체 리튬은 수초 이내에 혼합되어 종래 3 시간 이상을 필요로 하던 혼합 공정 시간을 수 분 이내로 감소시킬 수 있다. 또한, 액체 리튬과 불소 처리된 철 분말의 우수한 젖음성으로 인하여, 도 2b에 도시된 바와 같이액체 리튬 내에 철 분말이 균질하게 분산될 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 2B , when an ingot is formed by cooling the liquid lithium-iron powder mixture according to the experimental example, it can be confirmed that the fluorine-treated iron powder is evenly dispersed in the liquid lithium. This is because the Gibbs free energy of the iron powder has a negative value due to the fluorine functional group introduced to the surface of the iron powder, so that the iron powder can spontaneously mix with the liquid lithium. The fluorine-treated iron powder and liquid lithium are mixed within a few seconds, and the mixing process time, which previously required 3 hours or more, can be reduced to within a few minutes. In addition, due to excellent wettability between liquid lithium and fluorine-treated iron powder, the iron powder can be homogeneously dispersed in liquid lithium as shown in FIG. 2B.

아래의 표 1은 액체 리튬과 금속 분말의 표면 관능기에 따른 깁스 자유 에너지(

Figure 112022069995523-pat00016
)를 표시하고 있다.Table 1 below shows the Gibbs free energy according to the surface functional groups of liquid lithium and metal powder (
Figure 112022069995523-pat00016
) is displayed.

[표 1][Table 1]

Figure 112022069995523-pat00017
Figure 112022069995523-pat00017

표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 불소 관능기를 갖는 철 분말은 액체 리튬과 반응 시 -11.74 eV의 음의 깁스 자유 에너지를 갖는다. 이는 종래 액체 리튬과 혼합 시 우수한 젖음성을 갖는 것으로 알려진 NiO 관능기의 깁스 자유 에너지(-6.51 eV)의 두 배에 가까운 값으로, 액체 리튬-철 분말 혼합물의 균질도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.Referring to Table 1, the iron powder having a fluorine functional group according to an embodiment of the present invention has a negative Gibbs free energy of -11.74 eV upon reaction with liquid lithium. This is a value close to twice the Gibbs free energy (-6.51 eV) of the NiO functional group known to have excellent wettability when mixed with conventional liquid lithium, and can dramatically improve the homogeneity of the liquid lithium-iron powder mixture.

또한, 철 분말 표면에 도입된 불소 관능기는 초기 혼합 과정 이후 액체 리튬과 반응하여 플루오린화 리튬(LiF)를 생성하고, 이종원소인 불소가 첨가된 액체 리튬의 표면 장력은 더욱 낮아질 수 있다. 따라서, 표면 장력이 낮아진 액체 리튬에 불소 처리된 철 분말이 보다 고르게 분산될 수 있다.In addition, the fluorine functional group introduced to the surface of the iron powder reacts with liquid lithium after the initial mixing process to generate lithium fluoride (LiF), and the surface tension of liquid lithium to which fluorine, a heterogeneous element, is added may be further lowered. Accordingly, the fluorine-treated iron powder may be more evenly dispersed in liquid lithium having a lowered surface tension.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 전지를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 3은 리튬 전지의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 리튬 전지의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 리튬 전지는 1차 전지, 2차 전지 및 열전지 일 수 있으며, 공지된 다양한 구조를 가질 수 있다.3 is a diagram schematically illustrating a lithium battery manufactured according to an embodiment of the present invention. 3 is for schematically illustrating the operation of a lithium battery, and the structure of the lithium battery according to the present invention is not limited thereto. The lithium battery according to the present invention may be a primary battery, a secondary battery, and a thermal battery, and may have various known structures.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 전지용 음극을 포함하는 리튬 전지는 음극(10), 전해질(20) 및 양극(30)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , a lithium battery including a negative electrode for a lithium battery manufactured according to an embodiment of the present invention may include a negative electrode 10 , an electrolyte 20 and a positive electrode 30 .

음극(10)은 상술한 리튬 전지용 음극의 제조방법에 따라 제조된 것일 수 있다. The negative electrode 10 may be manufactured according to the method for manufacturing a negative electrode for a lithium battery described above.

전해질(20)은 리튬 염을 포함할 수 있다. 여기서 리튬 염은 LiCl, LiBr, LiI, LiC104, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3S03, LiCF3C02, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3S03Li, CF3S03Li, LiSCN, LiC(CF3S02)3, (CF3S02)2NLi, (FS02)2NLi, 클로로보란 리튬 , 저급지방족 카르본산 리튬, 4 -페닐 붕산 리튬 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 전해질(20)은 열에 의하여 용해되는 고체 전해질일 수도 있다. 다른 일 실시예에서, 전해질(20)은 상술한 리튬 염을 용해하기 위한 유기 용매를 포함하는 액체 전해질일 수 있다. 또 다른 일 실시예에서, 전해질(20)은 겔(gel)형 전해질일 수도 있다. 전해질(20)은 리튬 전지의 수명 및 안정성을 향상시키기 위한 첨가제를 더 포함할 수 있다.Electrolyte 20 may include a lithium salt. Wherein the lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiC10 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 S0 3 , LiCF 3 C0 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 S0 3 Li, CF 3 S0 3 Li, LiSCN, LiC(CF 3 S0 2 ) 3 , (CF 3 S0 2 ) 2 NLi, (FS0 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4-phenyl borate lithium and their It may include any one or more of the combinations, but is not limited thereto. In one embodiment, the electrolyte 20 may be a solid electrolyte dissolved by heat. In another embodiment, the electrolyte 20 may be a liquid electrolyte including an organic solvent for dissolving the above-described lithium salt. In another embodiment, the electrolyte 20 may be a gel type electrolyte. The electrolyte 20 may further include additives to improve lifespan and stability of the lithium battery.

양극(30)은 리튬 전지용 양극 물질로 공지된 물질을 한정 없이 포함할 수 있다. 예컨대, 양극(30)은 리튬-인산-철계 화합물, 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 구리 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 망간 복합 산화물 및 리튬-니켈, 망간-코발트계 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode 30 may include a material known as a positive electrode material for a lithium battery without limitation. For example, the positive electrode 30 may include at least one of a lithium-phosphate-iron compound, a lithium cobalt-based oxide, a lithium manganese-based oxide, a lithium copper oxide, a lithium nickel-based oxide, a lithium manganese composite oxide, and a lithium-nickel or manganese-cobalt-based oxide. It may include one or more, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의하여 제조된 리튬 전지용 음극(10)은 액체 리튬과 불소 처리된 철 분말이 혼합되는 과정에서, 액체 리튬의 일부가 불소로 도핑되어 표면에 미량의 플루오린화 리튬(LiF)을 포함할 수 있다. 따라서, 음극(10)의 방전 시 플루오린화 리튬에서 리튬 이온이 산화되어, 음극(10)과 전해질(20)의 계면에서 불소가 이온화 될 수 있다. 이온화된 불소는 전해질(20)과 반응하여 신속하게 고체 전해질 계면(SEI, solid electrolyte interphase)를 형성할 수 있다. 음극(10) 표면의 플루오린화 리튬 고체 전해질 계면은 리튬 전지의 충방전 시 리튬 덴드라이트(lithium dendrite)와 데드 리튬(dead lithium)의 발생을 억제시켜 방전 효율(coulumic efficiency)와 사이클 특성을 향상할 수 있다. 따라서, 리튬 전지의 수명이 증가할 수 있다.In the negative electrode 10 for a lithium battery manufactured by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, in the process of mixing liquid lithium and fluorine-treated iron powder, a part of the liquid lithium is doped with fluorine, resulting in a small amount of fluorination on the surface. It may contain lithium (LiF). Accordingly, when the negative electrode 10 is discharged, lithium ions in lithium fluoride are oxidized, and fluorine may be ionized at the interface between the negative electrode 10 and the electrolyte 20 . Ionized fluorine can react with the electrolyte 20 to quickly form a solid electrolyte interphase (SEI). The lithium fluoride solid electrolyte interface on the surface of the negative electrode 10 suppresses the generation of lithium dendrite and dead lithium during charging and discharging of the lithium battery, thereby improving coulumic efficiency and cycle characteristics. can Thus, the lifetime of the lithium battery can be increased.

도 4 내지 도 6은 실험예 및 비교예에 따른 대칭 셀(symmetry cell)형 리튬 전지의 충방전 전류 밀도에 따른 Li 산화환원 전압 대비(vs. Li/Li+)를 도시하는 그래프들이다.4 to 6 are graphs showing Li oxidation-reduction voltage contrast (vs. Li/Li + ) according to charge/discharge current density of symmetric cell-type lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples.

실험예로서, 도 2b에 도시된 액체 리튬-철 분말 혼합물을 이용하여 리튬 전지용 음극을 형성하였으며, 이를 포함하는 대칭 셀형 리튬 전지를 제조하였다. 비교예로서, 순수한 리튬을 이용하여 리튬 전지용 음극을 형성하였으며, 이를 포함하는 대칭 셀형 리튬 전지를 제조하였다. 각각의 리튬 전지에 대해 충방전 전류 밀도를 0.2 mA/cm2, 0.5 mA/cm2 및 1.0 mA/cm2으로- 변경하며, 충방전 시험을 수행하였다.As an experimental example, a negative electrode for a lithium battery was formed using the liquid lithium-iron powder mixture shown in FIG. 2B, and a symmetric cell-type lithium battery including the negative electrode was manufactured. As a comparative example, a negative electrode for a lithium battery was formed using pure lithium, and a symmetric cell-type lithium battery including the negative electrode was manufactured. The charge/discharge current density was changed to 0.2 mA/cm 2 , 0.5 mA/cm 2 and 1.0 mA/cm 2 for each lithium battery, and a charge/discharge test was performed.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 0.2 mA/cm2의 충방전 전류 밀도에서는 실험예에 따른 리튬 전지가 먼저 단락되었으나, 0.5 mA/cm2 및 1.0 mA/cm2의 충방전 전류 밀도에서는 실험예에 따른 리튬 전지가 비교예에 따른 리튬 전지보다 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험예에 따른 리튬 전지의 충방전 시간 또한 비교예에 따른 리튬 전지의 충방전 시간에 비하여 증가한 것을 확인하였다.4 to 6, the lithium battery according to the experimental example was first shorted at a charge/discharge current density of 0.2 mA/cm 2 , but at a charge/discharge current density of 0.5 mA/cm 2 and 1.0 mA/cm 2 It was confirmed that the lithium battery according to is more stable than the lithium battery according to Comparative Example. In addition, it was confirmed that the charge and discharge time of the lithium battery according to the experimental example was also increased compared to the charge and discharge time of the lithium battery according to the comparative example.

모든 충방전 전류 밀도 조건에서, 실험예에 따른 리튬 전지용 음극의 분극 특성이 비교예에 따른 리튬 전지용 음극보다 높은 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 리튬 전지용 음극을 포함하는 리튬 전지는 충방전 성능이 향상되며, 낮은 저항을 가져 출력 밀도 및 전지 효율의 향상을 기대할 수 있다.Under all charge and discharge current density conditions, it was confirmed that the polarization characteristics of the negative electrode for a lithium battery according to Experimental Example were higher than those of the negative electrode for a lithium battery according to Comparative Example. Accordingly, a lithium battery including a negative electrode for a lithium battery manufactured according to embodiments of the present invention has improved charge/discharge performance and low resistance, so that power density and battery efficiency can be improved.

도 7은 실험예 및 비교예에 따른 리튬 전지의 충방전 전류 밀도가 0.2 mA/cm2일 때 Li 산화환원 전압 대비(vs. Li/Li+)를 도시하는 그래프이다. 도 7은 도 4의 충방전 시험 결과를 바탕으로 핵 생성 에너지 장벽(nucleation barrier)를 산출한 결과를 도시하고 있다.7 is a graph showing the Li redox voltage comparison (vs. Li/Li + ) when the charge/discharge current density of lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples is 0.2 mA/cm 2 . FIG. 7 shows a result of calculating a nucleation energy barrier based on the charge/discharge test results of FIG. 4 .

도 7을 참조하면, 0.2 mA/cm2의 충방전 전류 밀도에서 비교예에 따른 리튬 전지의 핵 생성 에너지 장벽은 37.3 mV이고, 실험예에 따른 리튬 전지의 핵 생성 에너지 장벽은 33.1 mV이다. 실험예에 따른 리튬 전지의 핵 생성 에너지 장벽은 비교예에 비하여 4.2 mV가 감소한 것을 확인하였다.Referring to FIG. 7 , at a charge/discharge current density of 0.2 mA/cm 2 , the lithium battery according to Comparative Example had a nucleation energy barrier of 37.3 mV, and the lithium battery according to Experimental Example had a nucleation energy barrier of 33.1 mV. It was confirmed that the nucleation energy barrier of the lithium battery according to the Experimental Example decreased by 4.2 mV compared to the Comparative Example.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 리튬 전지용 음극을 포함하는 리튬 전지는 충방전 중 리튬 덴드라이트가 생성될 가능성이 감소하여, 전지의 수명이 향상될 수 있다.Therefore, in the lithium battery including the negative electrode for a lithium battery manufactured according to the embodiments of the present invention, the possibility of generating lithium dendrites during charging and discharging is reduced, and thus the lifespan of the battery may be improved.

도 8은 실험예 및 비교예에 따른 리튬 전지의 충방전 전류 밀도에 따른 핵 생성 에너지 장벽(nucleation barrier)를 도시하는 그래프이다. 도 8은 충방전 전류 밀도가 0.2 mA/cm2, 0.5 mA/cm2 및 1.0 mA/cm2일 때, 실험예 및 비교예에 따른 리튬 전지의 핵 생성 에너지 장벽을 산출하였다.8 is a graph showing a nucleation energy barrier according to charge/discharge current density of lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples. FIG. 8 shows nucleation energy barriers of lithium batteries according to Experimental Examples and Comparative Examples when charge/discharge current densities are 0.2 mA/cm 2 , 0.5 mA/cm 2 , and 1.0 mA/cm 2 .

도 8을 참조하면, 모든 충방전 전류 밀도에서 실험예에 따른 리튬 전지가 비교예에 따른 리튬 전지에 비하여 핵 생성 에너지 장벽이 낮은 것을 확인하였다. 또한, 충방전 전류 밀도가 높아질수록 실험예에 따른 리튬 전지와 비교예에 따른 리튬 전지의 핵 생성 에너지 장벽의 차이가 증가하는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 8 , it was confirmed that the lithium battery according to Experimental Example had a lower nucleation energy barrier than the lithium battery according to Comparative Example at all charge and discharge current densities. In addition, it was confirmed that the difference in nucleation energy barrier between the lithium battery according to the experimental example and the lithium battery according to the comparative example increased as the charge/discharge current density increased.

따라서, 높은 충방전 전류 밀도 환경에서 리튬 전지의 충방전을 수행하는 환경에서, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 리튬 전지용 음극을 포함하는 리튬 전지가 보다 긴 수명 및 높은 충방전 효율을 가질 수 있다.Therefore, in an environment where a lithium battery is charged and discharged in a high charge/discharge current density environment, a lithium battery including a negative electrode for a lithium battery manufactured according to embodiments of the present invention may have a longer lifespan and higher charge/discharge efficiency. there is.

도 9는 비교예에 따른 대칭 셀형 리튬 전지의 충방전 실험 후의 음극 표면의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 사진이고, 도 10은 실험예에 따른 대칭 셀형 리튬 전지의 충방전 실험 후의 음극 표면의 주사전자현미경 사진이다.9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a negative electrode after a charge-discharge test of a symmetric cell-type lithium battery according to a comparative example, and FIG. This is an electron microscope picture.

도 9를 참조하면, 비교예에 따른 리튬 전지의 음극 표면에는 리튬 덴드라이트가 형성된 것을 확인하였다. 이러한 덴드라이트는 리튬 핵을 중심으로 성장하여, 양극과 음극을 분리하는 분리막을 손상시킬 수 있다. 분리막이 손상되는 경우 리튬 전지는 단락이 일어날 수 있다. 또는 덴드라이트로 인하여 전지 내부의 전류가 급격하게 증가하여 리튬 전지에 화재가 발생하거나 폭발이 발생할 수도 있다.Referring to FIG. 9 , it was confirmed that lithium dendrites were formed on the surface of the negative electrode of the lithium battery according to the comparative example. These dendrites may grow around the lithium nucleus and damage the separator separating the positive electrode and the negative electrode. If the separator is damaged, a short circuit may occur in the lithium battery. Alternatively, due to dendrites, current inside the battery rapidly increases, causing fire or explosion in the lithium battery.

도 10을 참조하면, 실험예에 따른 리튬 전지의 음극 표면에는 리튬 덴드라이트가 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 상술한 바와 같이, 불소 처리된 철 분말과 액체 리튬의 혼합 과정에서 리튬의 일부가 불소로 도핑되고, 실험예에 따른 리튬 전지용 음극의 표면에 미량의 플루오린화 리튬이 존재한다. 리튬 전지의 충방전 시 리튬 전지용 음극과 전해질의 계면에서 이온화된 불소가 플루오린화 리튬 고체 전해질 계면(LiF SEI)을 형성하고, 이는 리튬 덴드라이트의 발생을 억제할 수 있다.Referring to FIG. 10 , it can be seen that no lithium dendrites are formed on the surface of the anode of the lithium battery according to the Experimental Example. As described above, in the process of mixing the fluorine-treated iron powder and liquid lithium, a portion of lithium is doped with fluorine, and a small amount of lithium fluoride is present on the surface of the negative electrode for a lithium battery according to the experimental example. During charging and discharging of the lithium battery, ionized fluorine forms a lithium fluoride solid electrolyte interface (LiF SEI) at the interface between the anode for the lithium battery and the electrolyte, which can suppress the generation of lithium dendrites.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것 이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10: 리튬 전지용 음극
20 : 양극
30 : 전해질
10: negative electrode for lithium battery
20: anode
30: electrolyte

Claims (14)

반응기 내에 철 분말을 안착시키고, 철 분말을 열처리하는 단계;
상기 반응기 내에 불소 가스를 주입하여, 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계;
불소 처리된 철 분말을 액체 리튬과 혼합하여 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계;
상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 압연하여 음극 시트를 형성하는 단계; 및
상기 음극 시트를 성형하여 리튬 전지용 음극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 불소 처리된 철 분말의 표면에 도입된 불소 관능기의 적어도 일부는 상기 액체 리튬과 반응하여 플루오린화 리튬을 생성하는, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
Placing iron powder in a reactor and heat-treating the iron powder;
Injecting fluorine gas into the reactor to treat the heat-treated iron powder with fluorine;
mixing the fluorine treated iron powder with liquid lithium to form a liquid lithium-iron powder mixture;
forming a negative electrode sheet by rolling the liquid lithium-iron powder mixture; and
Forming a negative electrode for a lithium battery by molding the negative electrode sheet; Including,
In the step of forming the liquid lithium-iron powder mixture, at least some of the fluorine functional groups introduced to the surface of the fluorine-treated iron powder react with the liquid lithium to produce lithium fluoride. Method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 철 분말을 열처리 하는 단계 이전에,
상기 반응기 내에 불활성 가스를 주입하는 단계; 및
상기 반응기로부터 상기 불활성 가스를 배출하는 단계;를 더 포함하는, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
Prior to the heat treatment of the iron powder,
Injecting an inert gas into the reactor; and
Discharging the inert gas from the reactor; further comprising a method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제2항에 있어서,
상기 불활성 가스를 주입하는 단계 및 상기 불활성 가스를 배출하는 단계에서,
상기 반응기의 압력 변화 속도는 0.01 내지 0.2 bar/min인, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 2,
In the step of injecting the inert gas and discharging the inert gas,
The pressure change rate of the reactor is 0.01 to 0.2 bar / min, a method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제2항에 있어서,
상기 불활성 가스를 배출하는 단계는,
상기 반응기의 압력이 대기압보다 작도록 상기 불활성 가스를 배출하는, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 2,
The step of discharging the inert gas,
Method for producing a negative electrode for a lithium battery, in which the inert gas is discharged so that the pressure of the reactor is less than atmospheric pressure.
제1항에 있어서,
상기 철 분말을 열처리하는 단계에서 상기 반응기 내의 온도는 20 ℃ 내지 50 ℃인, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of heat-treating the iron powder, the temperature in the reactor is 20 ° C to 50 ° C, a method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서,
상기 반응기의 압력 변화 속도는 0.01 내지 0.2 bar/min인, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of fluorine treating the heat-treated iron powder,
The pressure change rate of the reactor is 0.01 to 0.2 bar / min, a method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서,
상기 반응기 내의 불소 가스의 압력은 0.1 bar 내지 3.0 bar인, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of fluorine treating the heat-treated iron powder,
The pressure of the fluorine gas in the reactor is 0.1 bar to 3.0 bar, a method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 불소 가스는 불소(F2), 삼불화질소(NF3), 사불화탄소(CF4), 삼불화탄소(CHF3), 팔불화탄소(C3F8), 팔불화사탄소(C4F8) 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함하는 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
The fluorine gas is fluorine (F 2 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ), carbon trifluoride (CHF 3 ), carbon octafluoride (C 3 F 8 ), carbon octafluoride (C 4 F 8 ) and a method for producing a negative electrode for a lithium battery comprising any one of mixtures thereof.
제1항에 있어서,
상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서,
상기 불소 가스는 불활성 가스와 혼합되어 주입되고,
이 때, 상기 반응기 내의 불소 가스의 부분압력은 0.1 bar 내지 3.0 bar인, 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of fluorine treating the heat-treated iron powder,
The fluorine gas is mixed with an inert gas and injected,
At this time, the partial pressure of the fluorine gas in the reactor is 0.1 bar to 3.0 bar, a method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서,
상기 반응기 내의 온도는 20 ℃ 내지 100 ℃인 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of fluorine treating the heat-treated iron powder,
The temperature in the reactor is 20 ℃ to 100 ℃ method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 열처리 된 철 분말을 불소 처리하는 단계에서,
불소 처리는 24 시간 내지 48 시간 동안 수행되는 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of fluorine treating the heat-treated iron powder,
A method for producing a negative electrode for a lithium battery in which the fluorine treatment is performed for 24 to 48 hours.
제1항에 있어서,
상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계에서,
상기 불소 처리된 철 분말의 질량은 상기 액체 리튬의 질량의 10% 내지 25%인 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In forming the liquid lithium-iron powder mixture,
The mass of the fluorine-treated iron powder is 10% to 25% of the mass of the liquid lithium.
제1항에 있어서,
상기 액체 리튬-철 분말 혼합물을 형성하는 단계에서,
혼합 용기 내의 온도는 200 ℃ 내지 400 ℃인 리튬 전지용 음극의 제조방법.
According to claim 1,
In forming the liquid lithium-iron powder mixture,
The temperature in the mixing vessel is 200 ℃ to 400 ℃ method for producing a negative electrode for a lithium battery.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 리튬 전지용 음극을 포함하는 리튬 전지.A lithium battery comprising the negative electrode for a lithium battery manufactured according to any one of claims 1 to 13.
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