KR102550755B1 - A method for manufacturing silicon powder for secondary battery and silicon powder - Google Patents

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KR102550755B1 KR1020220129536A KR20220129536A KR102550755B1 KR 102550755 B1 KR102550755 B1 KR 102550755B1 KR 1020220129536 A KR1020220129536 A KR 1020220129536A KR 20220129536 A KR20220129536 A KR 20220129536A KR 102550755 B1 KR102550755 B1 KR 102550755B1
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Abstract

본 발명은 실리콘 덩어리로부터 이차전지 활물질로 적합한 크기와 형상의 실리콘 분말을 제조하기 위하여,
실리콘 덩어리를 평균 입경(D50) 100um 내지 1000um 크기로 파쇄하여 제1분말을 수득하는 단계;
상기 제1분말을 10um 내지 200um 크기로 분쇄하여 제2분말을 수득하는 단계;
상기 제2분말을 1um 내지 100um 크기로 미분쇄하여 제3분말을 수득하는 단계;
상기 제3분말에서 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하여 제4분말을 수득하는 단계;
상기 제4분말에서 1um 보다 작은 입자를 제거하여 제5분말을 수득하는 단계;
를 포함하는 이차전지용 실리콘 분말 제조방법과 이차전지용 실리콘 분말을 제공한다.
The present invention is to prepare silicon powder of a size and shape suitable for a secondary battery active material from a silicon mass,
Obtaining a first powder by crushing the silicon lump to an average particle diameter (D50) of 100um to 1000um;
obtaining a second powder by pulverizing the first powder to a size of 10 um to 200 um;
Obtaining a third powder by pulverizing the second powder to a size of 1 um to 100 um;
Obtaining a fourth powder by removing particles larger than 25um to 45um from the third powder;
Obtaining a fifth powder by removing particles smaller than 1 μm from the fourth powder;
It provides a method for manufacturing silicon powder for a secondary battery and a silicon powder for a secondary battery comprising a.

Description

이차전지용 실리콘 분말의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 실리콘 분말{A METHOD FOR MANUFACTURING SILICON POWDER FOR SECONDARY BATTERY AND SILICON POWDER}Manufacturing method of silicon powder for secondary batteries and silicon powder manufactured using the same

본 발명은 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 실리콘 분말에 관한 발명으로, 상세하게는 실리콘 덩어리로부터 이차전지 음극활물질로 이용할 수 있는 실리콘 분말을 제조하는 방법과 그 방법으로 제조되는 실리콘 분말에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for producing silicon powder for a secondary battery and a silicon powder manufactured using the same, and in detail, a method for manufacturing silicon powder usable as a negative active material for a secondary battery from a lump of silicon and silicon produced by the method It is an invention about powder.

리튬 2차 전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 이루어지고, 그 중 음극은 전지반응에 관여하는 활물질과 결합제, 도전재 등으로 구성되고, 그 활물질로서 천연 흑연, 인조 흑연, 비정질 탄소 등과 같은 탄소계 소재, 실리콘 분말, 실리콘 박막, 실리콘 합금, 나노실리콘와이어, 실리콘 산화물(SiOx, 0<x<2) 등 실리콘계 소재, 주석, 티타늄 등 금속계 소재, 그리고 흑연과 실리콘을 포함하는 소재들을 복합하여 제조하는 복합체 음극 활물질 소재를 사용할 수 있다. 음극 활물질은 이차전지 충전 중에 리튬을 받아들여 저장하고, 방전 중에 리튬을 방출할 수 있는 물질이다. 1990년대 개발된 리튬이온전지는 음극 활물질로 흑연을 주로 사용하며, 충방전 용량을 증가시키기 위하여 대한민국 등록 특허 10-2085938, 대한민국 공개특허 10-2011-0065133에서 개시된 바와 같이 실리콘 등 리튬이온 흡장 능력이 큰 소재를 흑연 또는 탄소질 활물질에 첨가하거나 복합한 실리콘-탄소 복합음극재가 사용되고 있다. A lithium secondary battery consists of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte. Among them, the negative electrode is composed of an active material involved in a battery reaction, a binder, and a conductive material, and the active material is carbon such as natural graphite, artificial graphite, and amorphous carbon. Manufactured by combining silicon-based materials, such as silicon powder, silicon thin film, silicon alloy, nano-silicon wire, and silicon oxide (SiOx, 0<x<2), metal-based materials such as tin and titanium, and materials containing graphite and silicon A composite anode active material material may be used. The negative electrode active material is a material capable of accepting and storing lithium during charging of the secondary battery and releasing lithium during discharging. Lithium ion batteries developed in the 1990s mainly use graphite as an anode active material, and as disclosed in Korean Registered Patent No. 10-2085938 and Korean Patent Publication No. 10-2011-0065133, in order to increase charge and discharge capacity, lithium ion occluding ability such as silicon is used. A silicon-carbon composite anode material in which a large material is added to or combined with a graphite or carbonaceous active material is used.

실리콘은 흑연의 이론적 비용량 372 mAh/g보다 10배 이상 큰 4200 mAh/g의 이론용량을 가지고 있다. 그렇지만 충방전 과정에서 팽창과 수축이 반복하여 발생하고 그에 따라 변형과 파편화가 진행되어 입자 사이에 또는 입자와 집전체 사이에 전기적 연결이 끊어지고 실리콘 입자 표면에서 고체전해질계면이 계속 늘어나 전해질 리튬이 고갈되고 전지 내부저항이 증가하여 전지 성능이 열화되는 문제가 있었다. Silicon has a theoretical capacity of 4200 mAh/g, more than 10 times greater than graphite's theoretical specific capacity of 372 mAh/g. However, expansion and contraction occur repeatedly during the charging and discharging process, and deformation and fragmentation proceed accordingly, so that the electrical connection is broken between particles or between particles and the current collector, and the solid electrolyte interface continues to increase on the surface of the silicon particles, depleting the electrolyte lithium. There is a problem in that the internal resistance of the battery is increased and the battery performance is deteriorated.

이 문제를 해결하는 수단으로서, 실리콘 입자 크기를 수~수십 나노미터(nm) 크기로 줄여 이용하는 방법이 미국 특허 US8734991에서 개시되어 있다. 이 방법에서는 모노실란 또는 트리클로로실란, 또는 디클로로실란으로 20 내지 100nm 다결정질 실리콘 입자가 제조된다. 다른 미국특허 US9099717에서는 20 내지 100nm 크기의 다결정질 실리콘 입자를 개시한다. 여기서는 금속 실리콘을 전자 빔(electron beam)으로 기화시키고 300 내지 800

Figure 112022106442601-pat00001
로 냉각된 기판 위에 증착시켜 실리콘 입자를 수득한다.As a means to solve this problem, a method of reducing the size of silicon particles to a size of several to several tens of nanometers (nm) is disclosed in US Patent US8734991. In this method, 20 to 100 nm polycrystalline silicon particles are produced with monosilane or trichlorosilane, or dichlorosilane. Another US patent US9099717 discloses polycrystalline silicon particles having a size of 20 to 100 nm. Here, metal silicon is vaporized with an electron beam and 300 to 800
Figure 112022106442601-pat00001
deposited on a substrate cooled by , to obtain silicon particles.

이렇게 실리콘 입자 크기를 줄이면 입자가 큰 경우에 비하여 충방전 중의 팽창 수축 크기의 절대값이 작아져 전지 성능에 대한 팽창 수축의 영향을 줄일 수 있다. 그러나 작은 실리콘 입자를 만들기 위하여 고가의 실리콘 함유 특수기체를 원료로 사용하여 실리콘 입자를 만드는 방법은 제조 비용이 높고 대량생산이 어려워 산업적으로 이용하기 어렵다.When the silicon particle size is reduced in this way, the absolute value of the size of expansion and contraction during charging and discharging is reduced compared to the case where the particle size is large, and thus the effect of expansion and contraction on battery performance can be reduced. However, the method of making silicon particles using an expensive silicon-containing special gas as a raw material in order to make small silicon particles is difficult to industrially use due to high manufacturing cost and difficult mass production.

대한민국 등록특허 10-2085938Korean Registered Patent No. 10-2085938 대한민국 공개특허 10-2011-0065133Republic of Korea Patent Publication 10-2011-0065133

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 발명으로, 이차전지용 실리콘 분말의 입도 분포를 본 발명의 실험 결과에 따른 소정의 범위 내로 제어함으로써 충방전 용량 및 효율을 개선할 수 있는 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 실리콘 분말을 제공한다.The present invention is an invention to solve the above-described problems, and manufactures a silicon powder for a secondary battery capable of improving charge and discharge capacity and efficiency by controlling the particle size distribution of the silicon powder for a secondary battery within a predetermined range according to the experimental results of the present invention. A method and a silicon powder prepared using the same are provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법은 실리콘 덩어리를 평균 입경(D50) 100um 내지 1000um 크기로 파쇄하여 제1분말을 수득하는 단계, 상기 제1분말을 평균 입경 10um 내지 200um 크기로 분쇄하여 제2분말을 수득하는 단계, 상기 제2분말을 평균 입경 1um 내지 100um 크기로 미분쇄하여 제3분말을 수득하는 단계, 상기 제3분말에서 25um 내지 45um보다 큰 입자를 제거하여 제4분말을 수득하는 단계 및 상기 제4분말에서 1um보다 작은 입자의 비율이 기 설정된 값 이하가 되도록 상기 제4분말을 분급하여 제5분말을 수득하는 단계를 포함한다.A method for producing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention includes the steps of crushing a silicon lump to have an average particle diameter (D50) of 100 um to 1000 um to obtain a first powder, the first powder having an average particle diameter of 10 um to 200 um Grinding to obtain a second powder, obtaining a third powder by pulverizing the second powder to an average particle size of 1 um to 100 um, removing particles larger than 25 um to 45 um from the third powder to obtain a fourth obtaining a powder; and obtaining a fifth powder by classifying the fourth powder such that a ratio of particles smaller than 1 μm in the fourth powder is equal to or less than a predetermined value.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 있어서, 상기 제5분말을 수득하는 단계는 상기 제4분말에서 1um 보다 작은 입자의 비율이 15% 이하가 되도록 상기 제4분말을 분급할 수 있다.In the method for manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the step of obtaining the fifth powder is to classify the fourth powder so that the ratio of particles smaller than 1 μm in the fourth powder is 15% or less. can do.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 있어서, 상기 제5분말을 수득하는 단계는 상기 제4분말에서 1um 보다 작은 입자를 제거할 수 있다.In the method of manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, in the step of obtaining the fifth powder, particles smaller than 1 μm may be removed from the fourth powder.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 덩어리는 메탈실리콘(metallurgical grade silicon), 또는 유엠지실리콘 (upgraded metallurgical grade silicon), 또는 폴리실리콘 (polycrystalline silicon), 또는 폴리실리콘 잉곳 (polycrystalline silicon ingot), 또는 폴리실리콘 웨이퍼 (polycrystalline wafer), 또는 단결정 실리콘 잉곳 (silicon ingot), 또는 단결정 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)이며, 메탈실리콘이나 유엠지실리콘이나 폴리실리콘이나 폴리실리콘 잉곳이나 폴리실리콘 웨이퍼나 단결정 실리콘 잉곳이나 단결정 실리콘 웨이퍼를 생산하는 과정에서 발생하는 괴상 또는 판상 또는 입자상 형태의 부산물인 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the silicon mass is metallurgical grade silicon, upgraded metallurgical grade silicon, or polycrystalline silicon, or A polycrystalline silicon ingot, or a polycrystalline wafer, or a single crystal silicon ingot, or a single crystal silicon wafer, and metal silicon or UMG silicon or polysilicon or polysilicon ingot However, polysilicon wafers, single-crystal silicon ingots, or single-crystal silicon wafers may be produced by-products in the form of lumps, plates, or particulates.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 있어서, 상기 제1분말을 수득하는 단계, 상기 제2분말을 수득하는 단계 및 상기 제3분말을 수득하는 단계 중 적어도 하나는 파쇄 또는 분쇄 후 분급하는 단계를 각각 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, at least one of the step of obtaining the first powder, the step of obtaining the second powder, and the step of obtaining the third powder is crushed or Each step of classifying after grinding may be further included.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 있어서, 제5분말의 평균 입경(D50)은 1um 내지 10um일 수 있다.In the manufacturing method of silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the average particle diameter (D50) of the fifth powder may be 1 um to 10 um.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 있어서, 상기 제5분말의 SPAN은 1 미만일 수 있다. 여기서 SPAN은 아래의 식으로 정의된다(D10은 제5분말의 누적 10% 입도, D50은 제5분말의 누적 50% 입도, D90은 제5분말의 누적 50% 입도).

Figure 112023501317501-pat00002
In the manufacturing method of silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, the SPAN of the fifth powder may be less than 1. Here, SPAN is defined by the following formula (D10 is the cumulative 10% particle size of the fifth powder, D50 is the cumulative 50% particle size of the fifth powder, and D90 is the cumulative 50% particle size of the fifth powder).
Figure 112023501317501-pat00002

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 분말은 전술한 이차전지용 실리콘 분말 제조방법에 의해 제조된다.Silicon powder according to an embodiment of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing silicon powder for a secondary battery.

본 발명은 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법에 관한 발명으로, 실리콘 덩어리를 파쇄, 분쇄, 미분쇄하여 이차전지 음극 활물질로 이용할 수 있는 실리콘 분말을 제조하는 방법과 그렇게 제조되는 실리콘 분말을 제공한다.The present invention relates to a method for producing silicon powder for a secondary battery, and provides a method for producing silicon powder that can be used as a negative electrode active material for a secondary battery by crushing, pulverizing, and finely pulverizing a silicon lump, and the silicon powder thus produced.

본 발명이 제공하는 실리콘 분말을 이용하여 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 탄소나노섬유(carbon nanofiber), 기상성장탄소섬유(vapor grown carbon fiber), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소/탄소 복합체(carbon/carbon composite)와 같은 1차원 형상 또는 2차원 형상 또는 3차원 형상의 도전재와 함께 음극재를 구성하면 기존 흑연 활물질과 카본블랙(carbon black) 같은 0차원 도전재를 사용한 음극재 경우보다 충방전 용량이 10배 이상 더 크고 배터리 충방전 속도가 더 빨라 전기자동차에 적합한 고속 충방전 대용량 이차전지를 제조할 수 있다.Using the silicon powder provided by the present invention, carbon nanotubes, graphene, carbon nanofibers, vapor grown carbon fibers, carbon fibers, If the anode material is composed of a 1-dimensional, 2-dimensional, or 3-dimensional conductive material such as carbon/carbon composite, the existing graphite active material and 0-dimensional conductive material such as carbon black can be used. The charge and discharge capacity is more than 10 times greater than that of the negative electrode material, and the battery charge and discharge speed is faster, making it possible to manufacture a high-capacity secondary battery with high-speed charge and discharge suitable for electric vehicles.

본 발명이 제공하는 실리콘 분말을 이용한 음극재의 성능을 더 향상시키기 위하여 음극재에 이온전도성 결합제(ion-conducting binder)를 사용할 수 있다.In order to further improve the performance of the negative electrode material using the silicon powder provided by the present invention, an ion-conducting binder may be used in the negative electrode material.

본 발명이 제공하는 실리콘 분말을 활물질로 이용하여 제작한 이차전지는 기존 흑연 음극재를 사용했을 때보다 더 작고 더 가벼운 전지일 수 있으며, 그에 따라 전기자동차에서 전체 무게의 절반을 차지하는 배터리의 무게를 줄임으로써 전기자동차 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 배터리 크기가 작아져 지속 가능한 신재생에너지 이용에 필수적인 에너지 저장 시스템(energy storage system)의 활용도를 증가시킬 수 있다.The secondary battery manufactured using the silicon powder provided by the present invention as an active material can be a smaller and lighter battery than when using a conventional graphite anode material, thereby reducing the weight of a battery that accounts for half of the total weight in an electric vehicle. By reducing it, the performance of electric vehicles can be improved. In addition, since the size of the battery is reduced, the utilization of an energy storage system essential for the use of sustainable renewable energy can be increased.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법과 실리콘 분말은 입도 분포 제어를 통해 충방전 성능이 우수한 실리콘 분말을 제공할 수 있다.A method of manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention and silicon powder having excellent charge/discharge performance can be provided through particle size distribution control.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말 제조방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예의 실리콘 분말의 입도 분포를 나타낸다.
도 3은 비교예의 입도 분포를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예로 제조된 이차전지의 충방전 사이클에 따른 수명 특성을 나타낸다.
도 5는 실리콘 분말에 포함된 1um 미만의 실리콘 분말이 이차전지의 성능에 미치는 영향을 나타낸다.
도 6은 실리콘 분말의 응집 현상을 나타낸다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 기술 사상을 전반적으로 이해할 수 있도록 제시되는 것이며, 본 발명이 도 1 내지 도 6에 한정되는 것은 아니다.
1 shows a method for manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the particle size distribution of the silicon powder of the embodiment of the present invention.
3 shows the particle size distribution of Comparative Example.
4 shows life characteristics according to charge/discharge cycles of secondary batteries prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.
5 shows the effect of the silicon powder of less than 1 μm included in the silicon powder on the performance of the secondary battery.
6 shows the aggregation phenomenon of silicon powder.
1 to 6 are presented so as to generally understand the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited to FIGS. 1 to 6.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.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 description of the invention. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all conversions, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, even if shown in different embodiments, the same identification numbers are used for the same components.

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. .

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

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In the following examples, expressions in the singular number include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

이하의 실시예에서, 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 the following embodiments, terms such as include or have mean that features or components described in the specification exist, and do not preclude the possibility that one or more other features or components may be added.

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 나타냈기 때문에, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되는 것은 아니다.In the drawings, the size of components may be exaggerated or reduced for convenience of description. 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 those shown.

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.When an embodiment is otherwise implementable, 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.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

본 발명은 실리콘 덩어리를 분쇄하고 그 분쇄물을 분급함으로써 이차전지용 실리콘 활물질로 적합한 분말을 제조하는 방법과 실리콘 덩어리를 분쇄하고 분급하여 제조되는 실리콘 분말을 제공한다. The present invention provides a method for producing a powder suitable for a silicon active material for a secondary battery by crushing a silicon lump and classifying the pulverized product, and a silicon powder prepared by crushing and classifying the silicon lump.

본 명세서에서 실리콘 덩어리는 메탈실리콘(metallurgical grade silicon), 또는 유엠지실리콘 (upgraded metallurgical grade silicon), 또는 폴리실리콘 (polycrystalline silicon), 또는 폴리실리콘 잉곳 (polycrystalline silicon ingot), 또는 폴리실리콘 웨이퍼 (polycrystalline wafer), 또는 단결정 실리콘 잉곳 (silicon ingot), 또는 단결정 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)이며, 메탈실리콘이나 유엠지실리콘이나 폴리실리콘이나 폴리실리콘 잉곳이나 폴리실리콘 웨이퍼나 단결정 실리콘 잉곳이나 단결정 실리콘 웨이퍼를 생산하는 과정에서 발생하는 괴상 또는 판상 또는 입자상 형태의 부산물을 포함할 수 있다 실리콘 덩어리의 크기는 수십 나노미터 내지 수 미터일 수 있다. 실리콘 덩어리의 실리콘 원소 함유량은 90 중량% 이상이고, 바람직하게는 98 중량% 이상이고, 더 바람직하게는 99 중량% 이상이다.In this specification, the silicon mass is metallurgical grade silicon, or UMG silicon (upgraded metallurgical grade silicon), or polycrystalline silicon, or polycrystalline silicon ingot, or polysilicon wafer (polycrystalline wafer) ), or single-crystal silicon ingot, or single-crystal silicon wafer, and the process of producing metal silicon, UMG silicon, polysilicon, polysilicon ingot, polysilicon wafer, single-crystal silicon ingot or single-crystal silicon wafer It may include by-products in the form of lumps, plates, or particulates generated from silicon agglomerates, which may have a size of several tens of nanometers to several meters. The silicon element content of the silicon mass is 90% by weight or more, preferably 98% by weight or more, and more preferably 99% by weight or more.

본 명세서에서 분쇄는 본 발명의 개별 단계에서 원료로서 투입되는 입자에 에너지를 가하여 입자의 크기를 더 줄이는 모든 단위조작을 포함한다. 본 발명에서 분쇄는 실리콘 입자의 단위 무게당 표면적인 비표면적(specific surface area)을 증가시키는 단위조작을 포함할 수 있다.In the present specification, grinding includes all unit operations of further reducing the size of particles by applying energy to particles input as raw materials in a separate step of the present invention. In the present invention, grinding may include a unit operation of increasing a specific surface area per unit weight of silicon particles.

본 명세서에서 분급은 입자 크기가 서로 다른 복수의 입자들을 목표하는 입자 크기보다 큰 입자와 목표하는 입자 크기보다 작은 입자로 나누는 모든 단위조작을 포함한다.In this specification, classification includes all unit operations of dividing a plurality of particles having different particle sizes into particles larger than the target particle size and particles smaller than the target particle size.

본 명세서에서 실리콘 입자는 단결정(single crystalline)이거나, 또는 결정자(crystallite)들이 결정립 계면(grain boundary)을 사이에 두고 서로 결합되어 있는 다결정(poly crystalline)이다.In this specification, the silicon particle is a single crystal (single crystalline), or a polycrystalline (poly crystalline) in which crystallites are bonded to each other with grain boundaries interposed therebetween.

본 명세서에서 실리콘 분말은 실리콘 단결정 또는 실리콘 다결정으로 이루어진 개별 입자 또는 1차 입자들의 집합체이거나, 또는 개별 입자 또는 1차 입자들이 서로 약하게 붙어 있는 응집체(agglomerate) 또는 2차 입자의 집합체이다.In the present specification, silicon powder is an individual particle or an aggregate of primary particles made of silicon single crystal or silicon polycrystal, or an agglomerate or an aggregate of secondary particles in which individual particles or primary particles are weakly attached to each other.

본 명세서에서 평균 입경(D50)은 모든 입자들을 입자 크기에 따라 순서대로 놓았을 때 각 입자 크기에 해당하는 입자들의 개수 또는 입자 크기 구간에 포함되는 입자들의 개수를 연속적으로 표시한 입자 크기 분포 곡선(particle size distribution curve)에서 체적 누적량(volumetric accumulation amount)의 50%에 해당하는 입경이며, 이 평균 입경(D50)은, 예를 들어, 레이저 산란법(laser scattering method)을 이용하여 측정한 값일 수 있다. 입자의 크기, 즉 입경을 특별한 언급이나 지정 없이 표시하였을 때는 레이저 산란법으로 측정한 50% 누적입도 D50을 의미한다고 이해되어야 한다.In the present specification, the average particle diameter (D50) is a particle size distribution curve that continuously displays the number of particles corresponding to each particle size or the number of particles included in the particle size range when all particles are placed in order according to the particle size ( particle size distribution curve), which corresponds to 50% of the volumetric accumulation amount, and this average particle diameter (D50) may be, for example, a value measured using a laser scattering method. . It should be understood that when the particle size, that is, the particle size, is indicated without special mention or designation, it means the 50% cumulative particle size D50 measured by the laser scattering method.

본 명세서에서 um은 마이크로미터(μm, micrometer, 10-6m)를 의미한다.In this specification, um means a micrometer (μm, micrometer, 10 -6 m).

본 발명은 이차전지 음극 활물질로 이용할 수 있는 실리콘 분말을 제조하는 방법과 음극 활물질로 이용할 수 있는 실리콘 분말을 제공하는 발명으로서, 상세하게는 산업적으로 실제 이용할 수 있는 이차전지를 제작하는 데 적합한 음극 활물질용 실리콘 분말을 제조하는 방법과 실리콘 분말을 제공한다.The present invention provides a method for producing silicon powder usable as an anode active material for a secondary battery and a silicon powder usable as an anode active material. A method for producing a silicon powder for use and a silicon powder are provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말 제조 방법을 나타내고, 도 2는 본 발명의 실시예의 실리콘 분말의 입도 분포를 나타내고, 도 3은 비교예의 입도 분포를 나타내고, 도 4는 본 발명의 실시예와 비교예로 제조된 이차전지의 충방전 사이클에 따른 수명 특성을 나타내고, 도 5는 실리콘 분말에 포함된 1um 미만의 실리콘 분말이 이차전지의 성능에 미치는 영향을 나타내고, 도 6은 실리콘 분말의 응집 현상을 나타낸다.1 shows a method for manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 shows a particle size distribution of silicon powder according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a particle size distribution of a comparative example, and FIG. Life characteristics according to charge and discharge cycles of secondary batteries manufactured in Examples and Comparative Examples of the invention are shown, and FIG. 5 shows the effect of silicon powder of less than 1 μm included in the silicon powder on the performance of the secondary battery, and FIG. It shows the aggregation phenomenon of silicon powder.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 실리콘 분말 제조방법은,Referring to FIG. 1, a method for manufacturing silicon powder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention,

실리콘 덩어리를 평균 입경(D50) 100um 내지 1000um 크기로 파쇄하여 제1분말을 수득하는 단계(S110), Obtaining a first powder by crushing the silicon lump to an average particle diameter (D50) of 100um to 1000um (S110);

상기 제1분말을 10um 내지 200um 크기로 분쇄하여 제2분말을 수득하는 단계(S120), Grinding the first powder to a size of 10 um to 200 um to obtain a second powder (S120);

상기 제2분말을 1um 내지 100um 크기로 미분쇄하여 제3분말을 수득하는 단계(S130), Obtaining a third powder by pulverizing the second powder to a size of 1 um to 100 um (S130);

상기 제3분말에서 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하여 제4분말을 수득하는 단계(S140),Obtaining a fourth powder by removing particles larger than 25um to 45um from the third powder (S140);

상기 제4분말에서 1um 보다 작은 입자를 제거하여 제5분말을 수득하는 단계 (S150)를 포함할 수 있다.It may include a step (S150) of obtaining a fifth powder by removing particles smaller than 1 μm from the fourth powder.

본 발명에서 실리콘 덩어리는 메탈실리콘, 또는 유엠지실리콘, 또는 폴리실리콘, 또는 폴리실리콘 잉곳, 또는 폴리실리콘 웨이퍼, 또는 단결정 실리콘 잉곳, 또는 단결정 실리콘 웨이퍼, 또는 메탈실리콘이나 유엠지실리콘이나 폴리실리콘이나 폴리실리콘 잉곳이나 폴리실리콘 웨이퍼나 단결정 실리콘 잉곳이나 단결정 실리콘 웨이퍼를 생산하는 과정에서 발생하는 괴상 또는 판상 또는 입자상 형태의 부산물을 포함할 수 있다.In the present invention, the silicon lump is metal silicon, or UMG silicon, or polysilicon, or polysilicon ingot, or polysilicon wafer, or single crystal silicon ingot, or single crystal silicon wafer, or metal silicon, or UMG silicon, or polysilicon or poly It may contain by-products in the form of lumps, plates, or particles generated during the production of silicon ingots, polysilicon wafers, single-crystal silicon ingots or single-crystal silicon wafers.

실리콘 덩어리의 크기는 S110 단계에 원료로서 투입될 수 있는 10mm 내지 100mm가 적당하다. 실리콘 덩어리의 크기는 1mm 내지 50mm가 바람직하며, 실리콘 덩어리의 크기는 1mm 내지 30mm가 더 바람직하다. 실리콘 덩어리의 크기가 100mm를 초과하는 경우에는 S110 단계의 원료로 투입할 수 있는 적당한 크기로 실리콘 덩어리를 부수어야 할 수도 있다. 이런 경우에 조 크러셔, 자이로토리 크러셔, 싱글 롤 크러셔, 더블 롤 크러셔 등을 사용할 수 있다.The size of the silicon lump is suitable for 10mm to 100mm that can be introduced as a raw material in step S110. The size of the silicon lump is preferably 1 mm to 50 mm, and the size of the silicon lump is more preferably 1 mm to 30 mm. If the size of the silicon lump exceeds 100 mm, it may be necessary to break the silicon lump into an appropriate size that can be introduced as a raw material for step S110. In this case, a jaw crusher, a gyrotory crusher, a single roll crusher, a double roll crusher, and the like can be used.

적당한 크기의 실리콘 덩어리가 준비되면 다양한 파쇄기를 이용하여 100um 내지 1000um 크기로 파쇄하여 제1분말을 수득한다(S110). 이 목적으로 롤러 밀, 디스크 밀, 해머 밀, 디스크 핀 밀, 임팩트 밀, 볼 밀을 사용할 수 있다. 여기서 제1분말의 크기는 평균 입경(D50)일 수 있다.When a silicon lump of an appropriate size is prepared, it is crushed to a size of 100um to 1000um using various crushers to obtain a first powder (S110). Roller mills, disc mills, hammer mills, disc pin mills, impact mills and ball mills can be used for this purpose. Here, the size of the first powder may be an average particle diameter (D50).

제1분말의 크기가 100um 미만일 경우, 실리콘 덩어리를 파쇄하는 데 지나치게 많은 시간이 소요되며, 제1분말의 크기가 1000um를 초과할 경우, S120 및 S130 단계에서 분말을 분쇄하는 데 많은 시간이 소요될 수 있다.If the size of the first powder is less than 100um, it takes too much time to crush the silicon lump, and if the size of the first powder exceeds 1000um, it may take a lot of time to crush the powder in steps S120 and S130. there is.

일 실시예로 S110 단계 전 또는 S110 단계 후에 진동체, 기류 분급기, 침전조(decanter), 액체 싸이클론(cyclone) 등을 이용하여 입자 분급을 추가로 실시할 수 있다. 예를 들어 S110 단계를 거쳐 실리콘 덩어리를 파쇄하고, 이에 대해 입자 분급을 실시하여 최종적으로 평균 입경 100um 내지 1000um의 제1분말을 수득할 수 있다.In one embodiment, before or after step S110, particle classification may be additionally performed using a vibrator, an air classifier, a decanter, a liquid cyclone, or the like. For example, the silicon lump may be crushed through step S110, and particle classification may be performed thereon to finally obtain a first powder having an average particle diameter of 100 um to 1000 um.

상기 제1분말을 10um 내지 200um 크기로 분쇄하여 제2분말을 수득한다(S120). S120 단계에 적당한 분쇄기로서 롤러 밀, 볼밀, 센트리퓨걸 밀, 진동밀, 위성 밀, 고속 회전 충격 분쇄기, 고속전단형 분쇄기 등이 있다. 여기서 제2분말의 크기는 평균 입경(D50)일 수 있다.The first powder is pulverized to a size of 10 um to 200 um to obtain a second powder (S120). Suitable mills for step S120 include roller mills, ball mills, centrifugal mills, vibration mills, satellite mills, high-speed rotary impact mills, and high-speed shear mills. Here, the size of the second powder may be an average particle diameter (D50).

제2분말의 크기가 100um 미만일 경우, 제1분말을 분쇄하는 데 지나치게 많은 시간이 소요되며, 제2분말의 크기가 200um를 초과할 경우, S130 단계에서 분말을 분쇄하는 데 많은 시간이 소요될 수 있다.If the size of the second powder is less than 100um, it takes too much time to grind the first powder, and if the size of the second powder exceeds 200um, it may take a lot of time to grind the powder in step S130. .

일 실시예로 S120 단계 전 또는 S120 단계 후에 진동체, 기류 분급기, 침전조, 액체 싸이클론 등을 이용하여 입자 분급을 추가로 실시할 수 있다. 예를 들어 S120 단계를 거쳐 제1분말을 분쇄하고, 이에 대해 입자 분급을 실시하여 최종적으로 평균 입경 10um 내지 200um의 제2분말을 수득할 수 있다.상기 제2분말을 1um 내지 100um 크기로 미분쇄하여 제3분말을 수득하는 S130 단계를 실시한다. S130 단계에 적당한 미분쇄기로서 진동볼 밀, 위성 밀, 제트 밀, 고속회전 충격 밀, 고속전단형 미분쇄기, 고주파 진동 밀, 어트리션 밀 등이 있다. 여기서 제3분말의 크기는 평균 입경(D50)일 수 있다.In one embodiment, before or after step S120, particle classification may be additionally performed using a vibrator, an air classifier, a settling tank, a liquid cyclone, or the like. For example, the first powder may be pulverized through step S120 and subjected to particle classification to finally obtain a second powder having an average particle diameter of 10 um to 200 um. The second powder is pulverized to a size of 1 um to 100 um. to perform step S130 to obtain a third powder. Suitable pulverizers for step S130 include vibrating ball mills, satellite mills, jet mills, high-speed rotary impact mills, high-speed shear type pulverizers, high-frequency vibration mills, and attrition mills. Here, the size of the third powder may be an average particle diameter (D50).

일 실시예로 S130 단계 전 또는 S120 단계 후에 진동체, 침전조, 액체 싸이클론 등을 이용하여 입자 분급을 추가로 실시할 수 있다. 예를 들어 S130 단계를 거쳐 제2분말을 분쇄하고, 이에 대해 입자 분급을 실시하여 최종적으로 평균 입경 1um 내지 100um의 제3분말을 수득할 수 있다.In one embodiment, particle classification may be additionally performed before step S130 or after step S120 using a vibrator, a settling tank, a liquid cyclone, or the like. For example, the second powder may be pulverized through step S130 and subjected to particle classification to finally obtain a third powder having an average particle diameter of 1 um to 100 um.

일 실시예로 S110, S120 및 S130 단계에서 사용되는 파쇄 또는 분쇄 장치는 서로 다른 장치를 이용하거나 동일한 장치의 제어 조건을 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어 S110 단계에서는 상대적으로 입자가 큰 볼을 이용한 분쇄 장치를 이용하고, 이후 단계에서 점차 입자가 작은 볼을 이용할 수 있다. 또는 S110 단계에서 S130 단계로 갈수록 분쇄기의 회전 속도를 낮출 수 있다.In one embodiment, crushing or crushing devices used in steps S110, S120, and S130 may use different devices or set different control conditions of the same device. For example, in step S110, a grinding device using balls having relatively large particles may be used, and balls having gradually smaller particles may be used in subsequent steps. Alternatively, the rotational speed of the grinder may be lowered from step S110 to step S130.

상기 제3분말에서 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하여 제4분말을 수득하는 S140 단계를 실시한다. S140 단계에 적당한 기기로서 진동체, 기류 분급기, 침전조, 액체 싸이클론 등이 있다. S140 단계는 후속하는 S150 단계 전에 실시할 수 있다. 또는 S140 단계는 후속하는 S150 단계 후에 실시할 수도 있다. 다만 S150 단계에서 비교적 작은 입자를 용이하게 제거하기 위해, S140 단계는 S150 단계 전에 실시하는 것이 바람직하다.Step S140 is performed to obtain a fourth powder by removing particles larger than 25um to 45um from the third powder. Devices suitable for step S140 include a vibrator, an air classifier, a sedimentation tank, a liquid cyclone, and the like. Step S140 may be performed before the subsequent step S150. Alternatively, step S140 may be performed after step S150. However, in order to easily remove relatively small particles in step S150, step S140 is preferably performed before step S150.

상기 제4분말에서 1um 보다 작은 입자를 제거하여 제5분말을 수득하는 S150 단계를 실시한다. S150 단계에 적당한 기기로 기류 분급기, 터보 분급기, 침전조, 액체 싸이클론 등이 있다.A step S150 of obtaining a fifth powder by removing particles smaller than 1 μm from the fourth powder is performed. Equipment suitable for step S150 includes an air classifier, a turbo classifier, a sedimentation tank, a liquid cyclone, and the like.

일 실시예로 S150 단계에서 발생하는 1um보다 작은 입자는 따로 수집하여 나노미터 크기의 이차전지용 실리콘 활물질 또는 나노미터 크기의 이차전지용 실리콘 활물질을 제조하기 위한 원료로 사용할 수 있다.In one embodiment, particles smaller than 1 μm generated in step S150 may be separately collected and used as a raw material for manufacturing a nanometer-sized silicon active material for a secondary battery or a nanometer-sized silicon active material for a secondary battery.

일 실시예로 S110 내지 S150 단계를 거쳐 수득하는 제5분말의 평균 입경(D50)은 0.1 um 내지 45 um이다. 제5분말의 평균 입경(D50)은 0.5um 내지 25um인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 제5분말의 평균 입경(D50)은 1um 내지 10um인 것이 더 바람직하다. 제5분말의 평균 입경(D50)이 1um 미만일 경우, 실리콘 분말이 지나치게 미세화되어 실리콘 분말이 분산되지 않고 서로 응집되어 이차전지의 성능 특성이 악화될 수 있다. 또한 제5분말의 평균 입경(D50)이 10um를 초과할 경우, 실리콘 분말의 입자가 지나치게 커져 D100(Dmax)가 25um 내지 45um를 초과하는 경우가 발생할 수 있다.In one embodiment, the average particle diameter (D50) of the fifth powder obtained through steps S110 to S150 is 0.1 um to 45 um. The average particle diameter (D50) of the fifth powder is preferably 0.5um to 25um. More preferably, the average particle diameter (D50) of the fifth powder is more preferably 1 um to 10 um. When the average particle diameter (D50) of the fifth powder is less than 1 μm, the silicon powder is excessively miniaturized, and the silicon powder is not dispersed and aggregated with each other, and performance characteristics of the secondary battery may be deteriorated. In addition, when the average particle diameter (D50) of the fifth powder exceeds 10 um, the particles of the silicon powder may become too large and D100 (Dmax) may exceed 25 um to 45 um.

S110 내지 S150 단계를 거쳐 수득하는 제5분말은 입경이 나노미터 크기인 이차전지용 실리콘 분말을 제조하기 위한 원료일 수 있다.The fifth powder obtained through steps S110 to S150 may be a raw material for preparing silicon powder for a secondary battery having a particle size of nanometers.

실리콘 덩어리를 파쇄, 분쇄, 미분쇄하는 개별 단계 전후에 실리콘 이외의 금속 불순물을 제거하기 위하여 본 발명 출원인이 특허로 개시한 탈철 장치[대한민국 등록 특허 10-1498693]를 포함하는 자력선별장치 등을 사용할 수 있다. In order to remove metal impurities other than silicon before and after the individual steps of crushing, pulverizing, and finely pulverizing the silicon lump, a magnetic separator including a de-iron device [Korean Registered Patent 10-1498693] disclosed by the applicant of the present invention as a patent can be used. can

실리콘 덩어리를 파쇄, 분쇄, 미분쇄하는 개별 단계 전후에 실리콘 이외의 비금속 불순물을 제거하기 위하여 기류식 분급기, 유동상 분급기, 액체 싸이클론 등을 사용할 수 있다.Air classifiers, fluidized bed classifiers, liquid cyclones, etc. may be used to remove non-metallic impurities other than silicon before and after individual steps of crushing, pulverizing, and finely pulverizing silicon lumps.

이차전지용 실리콘 분말을 제조하기 위하여 S110 단계 전에 실시될 수 있는 실리콘 부수는 준비 단계를 포함하여 S110 내지 S150 단계는 물, 알코올 등 액체를 사용하지 않는 건식공정으로 실시되거나 물, 알코올 등 액체를 사용하는 습식공정으로 실시될 수 있다. 습식공정으로 S110 내지 S150 단계를 실시하는 경우에는 개별 단계에서 결과되는 실리콘 분말에 대하여 여과 그리고/또는 건조 그리고/또는 해쇄(disaggregation) 단위공정이 포함될 수 있다.In order to manufacture silicon powder for secondary batteries, steps S110 to S150, including a silicon crushing preparation step that can be performed before step S110, are carried out as a dry process that does not use liquids such as water or alcohol, or using liquids such as water or alcohol. It can be carried out as a wet process. In the case of performing steps S110 to S150 as a wet process, filtration and/or drying and/or disaggregation unit processes may be included for the silicon powder resulting from the individual steps.

(실시예 1)(Example 1)

폴리실리콘 부산물을 원료로 하여 조 크러셔, 해머 밀을 거쳐 평균입경(D50)이 10um 내지 200um 인 분말을 제조하고 에어제트 밀를 이용하여 1um 내지 100um인 분말을 얻었다. 이 분말을 침강조에 투입하여 혼합하고, 혼합액을 교반기로 교반한 후 정치한다. 일정 시간 후 상기 정액(淨液)을 제거하여 하부 침전 슬러리 일부를 채취하여, 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하고, 또한 1um보다 작은 입자를 제거했다. 레이저 산란법으로 입도분포를 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다. 도 2의 가로축을 입경(um)이고, 세로축은 가로축 입경에 해당하는 입자들의 분율(%)이다.Using the polysilicon by-product as a raw material, powder having an average particle diameter (D50) of 10 um to 200 um was prepared through a jaw crusher and a hammer mill, and powder having an average particle diameter (D50) of 1 um to 100 um was obtained using an air jet mill. This powder is put into a settling tank and mixed, and after stirring the mixed solution with a stirrer, it is left still. After a certain period of time, the semen was removed to collect a part of the lower precipitate slurry, and particles larger than 25 μm to 45 μm were removed, and particles smaller than 1 μm were also removed. The particle size distribution was measured by laser scattering method. The results are shown in FIG. 2 . 2, the horizontal axis is the particle size (um), and the vertical axis is the fraction (%) of the particles corresponding to the particle size on the horizontal axis.

(실시예 2)(Example 2)

폴리실리콘 부산물을 원료로 하여 임팩트 밀을 거쳐 평균 입경(D50)이 10um 내지 200um 인 분말을 제조하고 유성 밀을 이용하여 1um 내지 100um인 분말을 얻었다. 이 분말을 기류식 분급기를 이용하여 실시예 1에서 침지법과 같은 기능을 하도록 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하고, 또한 1um보다 작은 입자를 제거하였다. 분급한 분말의 일부는 채취하여 레이저 산란법으로 입도분포를 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다.Using the polysilicon by-product as a raw material, powder having an average particle diameter (D50) of 10 um to 200 um was prepared through an impact mill, and powder having an average particle diameter (D50) of 1 um to 100 um was obtained using a planetary mill. Particles larger than 25 μm to 45 μm were removed from this powder using an air flow classifier to perform the same function as the dipping method in Example 1, and particles smaller than 1 μm were also removed. Part of the classified powder was collected and the particle size distribution was measured by laser scattering method. The results are shown in FIG. 2 .

(실시예 3)(Example 3)

폴리실리콘 부산물을 원료로 하여 롤러 밀을 이용하여 50% 누적입도 D50이 10um 내지 200um 인 분말을 제조하고 제트 밀을 이용하여 1um 내지 100um 인 분말을 얻었다. 이 분말을 침강조에 투입하여 혼합하고, 혼합액을 교반기로 교반한 후 정치한다. 일정 시간 후 상기 정액(淨液)을 제거하여 하부 침전 슬러리 일부를 채취하여, 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하고, 또한 1um보다 작은 입자를 제거했다. 레이저 산란법으로 입도분포를 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다.Using the polysilicon by-product as a raw material, powder having a 50% cumulative particle size D50 of 10 um to 200 um was prepared using a roller mill, and powder having a 1 um to 100 um was obtained using a jet mill. This powder is put into a settling tank and mixed, and after stirring the mixed solution with a stirrer, it is left still. After a certain period of time, the semen was removed to collect a part of the lower precipitate slurry, and particles larger than 25 μm to 45 μm were removed, and particles smaller than 1 μm were also removed. The particle size distribution was measured by laser scattering method. The results are shown in FIG. 2 .

(비교예 1)(Comparative Example 1)

폴리실리콘 부산물을 원료로 하여 조 크러셔, 해머 밀을 거쳐 평균 입경(D50)이 10um 내지 200um 인 분말을 제조하고 에어제트 밀을 이용하여 1um 내지 100um 인 분말을 얻었다. 얻어진 분말에 대해 별도의 분급 공정을 실시하지 않고 그 일부를 채취하여 레이저 산란법으로 입도분포를 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.Using the polysilicon by-product as a raw material, powder having an average particle diameter (D50) of 10 um to 200 um was prepared through a jaw crusher and a hammer mill, and powder having an average particle diameter (D50) of 1 um to 100 um was obtained using an air jet mill. Part of the obtained powder was collected without performing a separate classification process, and the particle size distribution was measured by a laser scattering method. The result is shown in FIG. 3.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

폴리실리콘 부산물을 원료로 하여 임팩트 밀을 거쳐 평균 입경(D50)이 10um 내지 200um 인 분말을 제조하고 유성 밀을 이용하여 1um 내지 100um 인 분말을 얻었다. 얻어진 분말에 대해 별도의 분급 공정을 실시하지 않고 그 일부를 채취하여 레이저 산란법으로 입도분포를 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.Using polysilicon as a raw material, powder having an average particle diameter (D50) of 10 um to 200 um was prepared through an impact mill, and powder having an average particle diameter (D50) of 1 um to 100 um was obtained using a planetary mill. Part of the obtained powder was collected without performing a separate classification process, and the particle size distribution was measured by a laser scattering method. The result is shown in FIG. 3.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

폴리실리콘 부산물을 원료로 하여 롤러 밀을 이용하여 평균 입경(D50)이 10um 내지 200um 인 분말을 제조하고 제트 밀을 이용하여 1um 내지 100um 인 분말을 얻었다. 얻어진 분말에 대해 별도의 분급 공정을 실시하지 않고 그 일부를 채취하여 레이저 산란법으로 입도분포를 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.Using the polysilicon by-product as a raw material, powder having an average particle diameter (D50) of 10 um to 200 um was prepared using a roller mill, and powder having an average particle diameter (D50) of 1 um to 100 um was obtained using a jet mill. Part of the obtained powder was collected without performing a separate classification process, and the particle size distribution was measured by a laser scattering method. The result is shown in FIG. 3.

실시예와 비교예에서 얻어진 실리콘 분말의 입도분포를 표 1에 나타낸다. 표 1에서 D10, D50, D90은 누적 10%, 50%, 90%의 입도이며, 이를 이용해 SPAN을 아래와 같이 정의한다. 아래 정의와 같이, SPAN 값이 클수록 실리콘 분말의 입도분포가 넓고, SPAN 값이 작을수록 입도분포가 좁아 실리콘 분말의 입도가 전반적으로 D50에 근접함을 나타낸다.Table 1 shows the particle size distribution of the silicon powder obtained in Examples and Comparative Examples. In Table 1, D10, D50, and D90 are cumulative particle sizes of 10%, 50%, and 90%, and SPAN is defined as follows. As defined below, the larger the SPAN value, the wider the particle size distribution of the silicon powder, and the smaller the SPAN value, the narrower the particle size distribution, indicating that the particle size of the silicon powder is generally close to D50.

Figure 112023501317501-pat00003
Figure 112023501317501-pat00003

D10[um]D10 [um] D50[um]D50 [um] D90[um]D90 [um] SPANSPAN ≤2um[%]≤2um[%] ≤1um[%]≤1um[%] 실시예 1Example 1 3.073.07 4.544.54 6.496.49 0.760.76 0.630.63 00 실시예 2Example 2 3.163.16 4.664.66 6.626.62 0.740.74 0.500.50 00 실시예 3Example 3 3.193.19 4.724.72 6.756.75 0.750.75 0.470.47 00 비교예 1Comparative Example 1 3.313.31 6.256.25 10.5010.50 1.151.15 2.872.87 0.890.89 비교예 2Comparative Example 2 3.273.27 6.346.34 11.0511.05 1.231.23 2.662.66 0.510.51 비교예 3Comparative Example 3 3.393.39 6.446.44 10.9010.90 1.171.17 2.802.80 0.890.89

실시예와 비교예는 파쇄, 분쇄, 미분쇄를 거친 분말을 건식 내지 습식 분급을 거쳐 25um 내지 45um 보다 큰 입자를 제거하고, 또한 1um보다 작은 입자를 제거했는지 여부에 차이가 있다. 이에 따라 실시예 1 내지 3의 SPAN은 모두 1 미만인 반면, 비교예 1 내지 3의 SPAN은 1을 초과함을 알 수 있다. 특히 실시예 1 내지 3의 SPAN은 0.8 이하로서, 최종적으로 수득한 실리콘 분말 간의 입도 편차가 작음을 알 수 있다. 상기 실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2, 3에서 얻어진 실리콘 분말을 이용해 이차전지를 제조하고, 그 성능 평가를 진행하였다. 첫 번째 사이클 충·방전 결과를 표 2에 나타낸다. 또한 200회 충·방전을 실시한 결과 도 4에 나타낸다.There is a difference between Examples and Comparative Examples in whether particles larger than 25 μm to 45 μm are removed through dry or wet classification of powders that have undergone crushing, pulverization, and pulverization, and particles smaller than 1 μm are removed. Accordingly, it can be seen that the SPANs of Examples 1 to 3 are all less than 1, whereas the SPANs of Comparative Examples 1 to 3 exceed 1. In particular, the SPAN of Examples 1 to 3 is 0.8 or less, and it can be seen that the particle size deviation between the finally obtained silicon powders is small. A secondary battery was manufactured using the silicon powder obtained in Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1, 2, and 3, and its performance was evaluated. The first cycle charge and discharge results are shown in Table 2. In addition, the results of performing charge and discharge 200 times are shown in FIG. 4 .

실리콘의 중간 입도
um
Medium particle size of silicone
um
충전용량
mAh/g
charging capacity
mAh/g
방전용량
mAh/g
discharge capacity
mAh/g
효율
방전/충전, %
efficiency
discharge/charge, %
실시예 1Example 1 4.544.54 39283928 35633563 90.790.7 실시예 2Example 2 4.664.66 39263926 36203620 92.292.2 실시예 3Example 3 4.724.72 38803880 35933593 92.692.6 비교예 1Comparative Example 1 6.256.25 39673967 36503650 92.092.0 비교예 2Comparative Example 2 6.346.34 39163916 36113611 92.292.2 비교예 3Comparative Example 3 6.446.44 39403940 36013601 91.491.4

표 2 및 도 4를 참조하면, 첫 번째 싸이클 특성은 실시예와 비교예가 비슷하나, SPAN 수치가 큰 비교예의 수명특성이 떨어지는 것을 알 수 있다.Referring to Table 2 and FIG. 4, it can be seen that the first cycle characteristics are similar to the examples and the comparative example, but the life characteristics of the comparative example having a large SPAN value are inferior.

이는 실리콘 분말에 1um 미만의 미세한 입자가 포함되어 있을 경우, 실리콘 분말이 충분히 분산되지 않고 서로 뭉치는 응집 현상이 발생하여 이차전지의 특성이 악화되기 때문이다(도 6 참조). 반면 본 발명의 실시예와 같이, 최종적으로 획득한 실리콘 분말 중 1um 미만의 입자를 제거할 경우, 실리콘 분말의 응집 현상을 원천적으로 차단하여 이를 통해 제조된 이차전지의 성능 특성을 대폭 개선할 수 있다.This is because when the silicon powder contains fine particles of less than 1 μm, the silicon powder is not sufficiently dispersed and aggregation occurs, which deteriorates the characteristics of the secondary battery (see FIG. 6). On the other hand, as in the embodiment of the present invention, when particles of less than 1 μm are removed from the finally obtained silicon powder, the aggregation of the silicon powder is fundamentally blocked, thereby significantly improving the performance characteristics of the manufactured secondary battery. .

특히 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 분말의 제조방법은 전극 두께보다 큰 실리콘 분말 입자를 제거함으로써, 전극 집전체와 전극 제조 설비의 신뢰성 및 내구성을 확보할 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 집전체에 있어서 음극활물질의 코팅 두께는 통상적으로 30um 내지 50um이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 분말의 제조방법은 이와 같은 전극 두께의 크기보다 큰 실리콘 분말 입자를 제거함으로써, 실리콘 분말 입자가 전극 집전체로 유입되어 구리 박막을 손상시키는 것을 방지하고, 전극 제조 설비를 손상시키는 것을 방지할 수 있다.In particular, in the method for manufacturing silicon powder according to an embodiment of the present invention, reliability and durability of an electrode current collector and electrode manufacturing equipment can be secured by removing silicon powder particles larger than the electrode thickness. More specifically, the coating thickness of the negative electrode active material in the current collector is usually 30um to 50um. The method for manufacturing silicon powder according to an embodiment of the present invention removes silicon powder particles larger than the size of the electrode thickness, thereby preventing the silicon powder particles from entering the electrode current collector and damaging the copper thin film, and manufacturing an electrode. Damage to equipment can be prevented.

추가 실험으로 실리콘 분말 중 1um 이하의 입자가 많을수록 이차전지의 특성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해, 표 3과 같은 1um 이하가 약 25% 함유된 실리콘 분말(중간 입도 1.611um, 실험예 1)과 1um 이하가 약 14% 함유된 실리콘 분말(중간 입도 3.055um, 실험예 2)를 사용하여 특성 평가를 실시했다. 그 결과, 표 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 실리콘 분말 중 1um 이하의 입자가 많을수록 충전용량, 방전용량 및 충방전 효율이 모두 악화되는 것을 알 수 있다.As an additional experiment, in order to confirm how the more particles of 1 μm or less in the silicon powder affect the characteristics of the secondary battery, as shown in Table 3, silicon powder containing about 25% of 1 μm or less (median particle size 1.611 μm, Experimental Example 1) and Characteristics were evaluated using silicon powder containing about 14% of 1 um or less (median particle size 3.055 um, Experimental Example 2). As a result, as shown in Table 4 and FIG. 5, it can be seen that the charge capacity, discharge capacity, and charge/discharge efficiency deteriorate as the number of particles of 1 μm or less in the silicon powder increases.

D10[um]D10 [um] D50[um]D50 [um] D90[um]D90 [um] SPANSPAN ≤2um[%]≤2um[%] ≤1um[%]≤1um[%] 실험예 1Experimental Example 1 0.6030.603 1.6111.611 3.4233.423 1.7511.751 63.0463.04 25.5125.51 실험예 2Experimental Example 2 0.7310.731 3.0553.055 7.1947.194 2.1162.116 30.2230.22 13.6513.65

실리콘의 중간 입도
um
Medium particle size of silicone
um
충전용량
mAh/g
charging capacity
mAh/g
방전용량
mAh/g
discharge capacity
mAh/g
효율
방전/충전, %
efficiency
discharge/charge, %
실험예 1Experimental Example 1 1.6111.611 38653865 33363336 86.386.3 실험예 2Experimental Example 2 3.0553.055 38153815 34873487 91.491.4

이와 같은 실험을 통해 실리콘 분말에 있어서 1um 이하의 미세한 입자가 이차전지의 성능 특성에 악영향을 미치는 점을 알 수 있다.Through this experiment, it can be seen that fine particles of 1 μm or less in the silicon powder adversely affect the performance characteristics of the secondary battery.

실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.Specific technical details described in the embodiments are only examples, and do not limit the technical scope of the embodiments. In order to briefly and clearly describe the description of the invention, descriptions of conventional general techniques and configurations may be omitted. In addition, the connection of lines or connection members between the components shown in the drawing is an example of functional connection and / or physical or circuit connection, which can be replaced in an actual device or additional various functional connections, physical connections, or circuit connections. In addition, if there is no specific reference such as "essential" or "important", it may not necessarily be a component necessary for the application of the present invention.

발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.“Above” or similar designations described in the description and claims of the invention may refer to both singular and plural, unless otherwise specifically limited. In addition, when a range is described in an embodiment, it includes an invention in which individual values belonging to the range are applied (unless there is no description to the contrary), and each individual value constituting the range is described in the description of the invention. same. In addition, if there is no clear description or description of the order of steps constituting the method according to the embodiment, the steps may be performed in an appropriate order. Embodiments are not necessarily limited according to the order of description of the steps. The use of all examples or exemplary terms (eg, etc.) in the embodiments is simply to describe the embodiments in detail, and unless limited by the claims, the examples or exemplary terms limit the scope of the embodiments. It is not. In addition, those skilled in the art will appreciate that various modifications, combinations and changes may be made according to design conditions and factors within the scope of the appended claims or equivalents thereof.

Claims (8)

실리콘 덩어리를 평균 입경(D50) 100um 내지 1000um 크기로 파쇄하여 제1분말을 수득하는 단계;
상기 제1분말을 평균 입경 10um 내지 200um 크기로 분쇄하여 제2분말을 수득하는 단계;
상기 제2분말을 평균 입경 1um 내지 100um 크기로 미분쇄하여 제3분말을 수득하는 단계;
상기 제3분말에서 45um보다 큰 입자를 제거하여 제4분말을 수득하는 단계; 및
상기 제4분말에서 1um보다 작은 입자를 제거하도록 상기 제4분말을 분급하여 제5분말을 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 제5분말의 평균 입경은 1um 내지 10um이고,
상기 제5분말은 1um보다 작은 입자를 포함하지 않으며, SPAN은 1 미만인, 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법.
여기서 SPAN은 아래의 식으로 정의된다(D10은 제5분말의 누적 10% 입도, D50은 제5분말의 누적 50% 입도, D90은 제5분말의 누적 90% 입도).
Figure 112023501317501-pat00011

Obtaining a first powder by crushing the silicon lump to an average particle diameter (D50) of 100um to 1000um;
obtaining a second powder by pulverizing the first powder to an average particle diameter of 10 um to 200 um;
Obtaining a third powder by pulverizing the second powder to an average particle diameter of 1 um to 100 um;
Obtaining a fourth powder by removing particles larger than 45um from the third powder; and
obtaining a fifth powder by classifying the fourth powder to remove particles smaller than 1 μm from the fourth powder;
The average particle diameter of the fifth powder is 1 um to 10 um,
The fifth powder does not contain particles smaller than 1um, and the SPAN is less than 1, a method for producing a silicon powder for a secondary battery.
Here, SPAN is defined by the following formula (D10 is the cumulative 10% particle size of the fifth powder, D50 is the cumulative 50% particle size of the fifth powder, and D90 is the cumulative 90% particle size of the fifth powder).
Figure 112023501317501-pat00011

삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 실리콘 덩어리는 메탈실리콘(metallurgical grade silicon), 또는 유엠지실리콘 (upgraded metallurgical grade silicon), 또는 폴리실리콘 (polycrystalline silicon), 또는 폴리실리콘 잉곳 (polycrystalline silicon ingot), 또는 폴리실리콘 웨이퍼 (polycrystalline wafer), 또는 단결정 실리콘 잉곳 (silicon ingot), 또는 단결정 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)이며, 메탈실리콘이나 유엠지실리콘이나 폴리실리콘이나 폴리실리콘 잉곳이나 폴리실리콘 웨이퍼나 단결정 실리콘 잉곳이나 단결정 실리콘 웨이퍼를 생산하는 과정에서 발생하는 괴상 또는 판상 또는 입자상 형태의 부산물인 것을 포함하는, 이차전지용 실리콘 분말의 제조 방법.
According to claim 1,
The silicon mass is metallurgical grade silicon, or upgraded metallurgical grade silicon, or polycrystalline silicon, or polycrystalline silicon ingot, or polysilicon wafer (polycrystalline wafer), Or a single crystal silicon ingot, or a single crystal silicon wafer, which is generated in the process of producing metal silicon, UMG silicon, polysilicon, polysilicon ingot, polysilicon wafer, single crystal silicon ingot or single crystal silicon wafer. A method for producing a silicon powder for a secondary battery, comprising a by-product in the form of a bulk or plate or particulate form.
제1항에 있어서,
상기 제1분말을 수득하는 단계, 상기 제2분말을 수득하는 단계 및 상기 제3분말을 수득하는 단계 중 적어도 하나는 파쇄 또는 분쇄 후 분급하는 단계를 각각 더 포함하는, 이차전지용 실리콘 분말의 제조방법.
According to claim 1,
At least one of the step of obtaining the first powder, the step of obtaining the second powder, and the step of obtaining the third powder further comprises the step of crushing or pulverizing and then classifying, respectively, a method for producing a silicon powder for a secondary battery .
삭제delete 삭제delete 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 기재된 이차전지용 실리콘 분말 제조방법에 의해 제조된 실리콘 분말.Claims 1, 4, and 5, wherein the silicon powder produced by the method for producing a silicon powder for a secondary battery according to any one of claims.
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