KR102587556B1 - Method of preparing nanoporous silicon and anode active material for lithium secondary battery comprising nanoprous silicon prepared thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지의 용량 및 수명 특성을 향상시키는데 최적화된 다공성 실리콘을 대량 생산할 수 있는 제조 방법, 상기 방법으로 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 다공성 실리콘의 제조방법은 (S1) 실리콘 전구체 및 열분산제를 반응기에 주입하여 혼합하면서 반응기의 내부를 감압하는 단계; (S2) 상기 반응기를 600 내지 750 ℃의 온도로 가열하면서 금속 환원제를 증기 상태로 주입하여 20분 내지 2시간 동안 1차 열환원 반응을 수행하는 단계; (S3) 상기 반응기의 내부 온도가 250 내지 400℃의 온도로 낮아졌을 때 상기 온도를 유지하도록 반응기를 재가열하면서 1 내지 4 시간 동안 2차 열환원 반응을 수행하는 단계; 및 (S4) 상기 단계에서 환원된 실리콘 전구체를 산처리하고 세척하는 단계를 포함한다.
The present invention provides a manufacturing method capable of mass producing porous silicon optimized for improving the capacity and lifespan characteristics of lithium secondary batteries, a negative electrode containing porous silicon produced by the method as a negative electrode active material, and a lithium secondary battery containing the negative electrode. provides.
The method for producing porous silicon according to the present invention includes the steps of (S1) injecting a silicon precursor and a heat dispersant into a reactor and mixing them while depressurizing the interior of the reactor; (S2) performing a first heat reduction reaction for 20 minutes to 2 hours by injecting a metal reducing agent in vapor form while heating the reactor to a temperature of 600 to 750°C; (S3) performing a secondary heat reduction reaction for 1 to 4 hours while reheating the reactor to maintain the temperature when the internal temperature of the reactor is lowered to 250 to 400°C; and (S4) acid-treating and washing the silicon precursor reduced in the above step.

Description

다공성 나노실리콘의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 다공성 나노실리콘을 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질{METHOD OF PREPARING NANOPOROUS SILICON AND ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING NANOPROUS SILICON PREPARED THEREBY}Method for producing porous nanosilicon and negative electrode active material for lithium secondary battery containing porous nanosilicon produced by this method

본 발명은 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용되기에 적합한 다공성 나노실리콘의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비표면적 및 메조기공 비율이 조절된 다공성 나노실리콘을 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing porous nanosilicon suitable for use as a negative electrode active material for lithium secondary batteries, and more specifically, to a method for continuously manufacturing porous nanosilicon with controlled specific surface area and mesopore ratio.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 단위 중량당 에너지 밀도가 크고 장기간의 사이클 수명을 갖는 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. In particular, lithium secondary batteries with high energy density per unit weight and long cycle life have been commercialized and are widely used.

리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극은 활물질, 바인더 및 도전재가 용매에 분산되어 있는 슬러리를 집전체에 도포하고 건조 및 압연(roll pressing)하여 제조된다. A lithium secondary battery has a structure in which an electrolyte containing lithium salt is impregnated in an electrode assembly with a porous separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, each of which has an active material applied to the electrode current collector. The electrode consists of an active material and a binder. and a slurry in which a conductive material is dispersed in a solvent is applied to a current collector, dried, and rolled.

이러한 리튬 이차전지의 기본적인 성능 특성들인 용량, 출력 및 수명은 음극 재료에 의해서 크게 영향을 받는다. 전지의 성능 극대화를 위해 음극활물질은 전기화학반응 전위가 리튬 금속에 근접해야 하고, 리튬이온과의 반응 가역성이 높아야 하고, 활물질내에서의 리튬 이온의 확산 속도가 빨라야 하는 등의 조건이 요구되는데, 이러한 요구에 부합되는 물질로서 카본계 물질이 많이 사용되고 있다. 상기 카본계 활물질은 안정성과 가역성은 뛰어나지만, 용량적 측면에서 한계가 있다. 따라서, 최근에는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등 고용량 전지를 필요로 하는 분야에서 이론용량이 높은 Si계 재료가 음극활물질로 적용되고 있다. The basic performance characteristics of these lithium secondary batteries, such as capacity, output, and lifespan, are greatly affected by the anode material. In order to maximize the performance of the battery, the negative electrode active material must have an electrochemical reaction potential close to that of lithium metal, the reaction reversibility with lithium ions must be high, and the diffusion rate of lithium ions within the active material must be fast. Carbon-based materials are widely used as materials that meet these requirements. Although the carbon-based active material has excellent stability and reversibility, it has limitations in terms of capacity. Therefore, recently, Si-based materials with high theoretical capacity have been applied as negative electrode active materials in fields that require high-capacity batteries, such as electric vehicles and hybrid electric vehicles.

그러나, Si계 음극활물질은 리튬을 흡수 저장할 때 결정 구조가 변화하여 그 부피가 팽창하는 문제가 발생한다. 이러한 부피 팽창은 활물질 내부에 큰 응력을 유발하여 균열을 야기시키고, 이로 인해 활물질과 집전체와의 접촉불량이 발생하여 전지의 충·방전 사이클 수명이 짧아진다. However, when Si-based negative electrode active materials absorb and store lithium, their crystal structure changes and their volume expands. This volume expansion causes large stress inside the active material, causing cracks, which causes poor contact between the active material and the current collector, shortening the charge/discharge cycle life of the battery.

이러한 부피 팽창에 따른 문제점을 해결하기 위해, 실리콘을 다공성 구조로 제조하여 부피 변화에 대한 완충 효과를 갖게 하는 방안이 시도되고 있다. 예컨대, 문헌[Korean Chem. Eng. Res., 54(4), 459-464 (2016); "Electrochemical Characteristics of Porous Silicon/Carbon Composite Anode Using Spherical Nano Silica"]에는 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)로부터 얻은 100 내지 500 nm 크기의 구형 나노 실리카(SiO2)를 마그네슘(Mg)과 혼합하여 700℃에서 열환원시킨 후 산처리하여 다공성 실리콘을 얻으며, 상기 다공성 실리콘에 탄소전구체를 반응시켜 합성한 다공성 실리콘/탄화 복합체를 음극활물질로 사용하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 문헌 [Electrochimica Acta, (2018): "High-rate and long-cycle life performance of nano-porous nano-silicon derived from mesoporous MCM-41 as an anode for lithium-ion battery"]에는 메조포러스 실리카(MCM-41)를 Mg 분말과 혼합하여 분쇄하고, 상기 혼합물을 650℃에서 7시간 동안 열환원시킨 후 산처리하여 MgO 부산물을 제거함으로써 수십 nm 크기의 다공성 실리콘을 제조하는 기술이 개시되어 있다.In order to solve the problem caused by such volume expansion, attempts are being made to manufacture silicon in a porous structure to have a buffering effect against volume changes. For example, Korean Chem. Eng. Res ., 54(4), 459-464 (2016); In "Electrochemical Characteristics of Porous Silicon/Carbon Composite Anode Using Spherical Nano Silica", spherical nano silica (SiO 2 ) with a size of 100 to 500 nm obtained from tetraethyl orthosilicate (TEOS) was mixed with magnesium (Mg) and incubated at 700°C. A technology is disclosed in which porous silicon is obtained by thermal reduction and then acid treatment, and a porous silicon/carbonization composite synthesized by reacting the porous silicon with a carbon precursor is used as a negative electrode active material. In addition, in the literature [ Electrochimica Acta, (2018): "High-rate and long-cycle life performance of nano-porous nano-silicon derived from mesoporous MCM-41 as an anode for lithium-ion battery"], mesoporous silica (MCM) -41) is mixed with Mg powder and pulverized, the mixture is thermally reduced at 650°C for 7 hours, and then acid treated to remove MgO by-products, thereby producing porous silicon with a size of several tens of nm.

상기 방법들에서는 나노 크기로 제어된 실리카(SiO2)를 마그네슘(Mg)과 같은 금속 환원제를 이용해 환원시키고 산처리하여 부산물인 MgO를 제거함으로 다공성 실리콘을 제조하고 있지만, 마그네슘 열환원 공정을 약 650 내지 700℃에서 1단계 반응으로 수행하므로 최종 합성된 다공성 실리콘의 비표면적 및 기공 크기가 이차전지의 용량 및 수명 특성을 충족시키기에 충분하지 않다. 또한, 상기 마그네슘 열환원 공정이 밀폐형 반응기에서 비연속식으로 수행되고 있어 제조 효율면에서도 불리하다.In the above methods, porous silicon is manufactured by reducing nano-sized silica (SiO 2 ) using a metal reducing agent such as magnesium (Mg) and treating it with acid to remove MgO, a by-product, but the magnesium thermal reduction process takes about 650 hours. Since the reaction is performed in one step at 700°C, the specific surface area and pore size of the final synthesized porous silicon are not sufficient to meet the capacity and lifespan characteristics of the secondary battery. In addition, the magnesium heat reduction process is performed discontinuously in a closed reactor, which is disadvantageous in terms of manufacturing efficiency.

본 발명은 상기 기존 방법들에 비해 다공성 실리콘에서 10 내지 50 nm의 메조 기공의 분포를 최대화하면서 비표면적을 증가시키며 연속적인 반응 및 생산이 가능한 공정 조건들을 적용함으로써, 리튬 이차전지에서 용량 및 수명 특성을 향상시키는데 최적화된 다공성 실리콘을 대량 생산할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.Compared to the existing methods, the present invention maximizes the distribution of mesopores of 10 to 50 nm in porous silicon, increases the specific surface area, and applies process conditions that enable continuous reaction and production, thereby improving capacity and lifespan characteristics in lithium secondary batteries. The aim is to provide a manufacturing method that can mass-produce porous silicon optimized to improve .

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로서 포함하는 음극 및 이를 구비한 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a negative electrode containing porous silicon prepared by the above method as a negative electrode active material and a lithium secondary battery including the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, (S1) 실리콘 전구체 및 열분산제를 반응기에 주입하여 혼합하면서 반응기의 내부를 감압하는 단계; (S2) 상기 반응기를 600 내지 750 ℃의 온도로 가열하면서 금속 환원제를 증기 상태로 주입하여 20분 내지 2시간 동안 1차 열환원 반응을 수행하는 단계; (S3) 상기 반응기의 내부 온도가 250 내지 400℃의 온도로 낮아졌을 때 상기 온도를 유지하도록 반응기를 재가열하면서 1 내지 4 시간 동안 2차 열환원 반응을 수행하는 단계; 및 (S4) 상기 단계에서 환원된 실리콘 전구체를 산처리하고 세척하는 단계를 포함하는, 다공성 실리콘의 제조방법 이 제공된다.According to one aspect of the present invention, (S1) injecting a silicon precursor and a heat dispersant into a reactor and mixing them while depressurizing the interior of the reactor; (S2) performing a first heat reduction reaction for 20 minutes to 2 hours by injecting a metal reducing agent in vapor form while heating the reactor to a temperature of 600 to 750°C; (S3) performing a secondary heat reduction reaction for 1 to 4 hours while reheating the reactor to maintain the temperature when the internal temperature of the reactor is lowered to 250 to 400°C; and (S4) acid-treating and washing the silicon precursor reduced in the above step. A method for producing porous silicon is provided.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 방법으로 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로서 포함하는 음극으로서, 상기 다공성 실리콘은 10 내지 50nm의 메조 기공의 비율이 전체 기공의 5% 초과 내지 80%를 차지하고 비표면적이 120 내지 600 m2/g인 음극이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a negative electrode comprising porous silicon prepared by the above method as a negative electrode active material, wherein the porous silicon has a proportion of mesopores of 10 to 50 nm accounting for more than 5% to 80% of the total pores and a specific surface area of A cathode having a weight of 120 to 600 m 2 /g is provided.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지로서, 0.01V 내지 1.5V의 전압 및 2,100mA/g의 전류 조건에서 250회 충방전 사이클 이후의 용량이 초기 용량 대비 54% 이상으로 유지되는 이차전지가 제공된다. According to another aspect of the present invention, a lithium secondary battery including the negative electrode, the capacity after 250 charge/discharge cycles at a voltage of 0.01V to 1.5V and a current of 2,100mA/g is 54% or more compared to the initial capacity. A secondary battery that is maintained is provided.

본 발명에 따르면, 감압된 반응기 내부에 금속 환원제를 증기 상태로 주입하여 실리콘 전구체의 열환원 반응을 2단계 이상의 다단계로 수행함으로써, 반응물로 사용된 실리콘 전구체의 입자 형태를 유지하면서 환원되는 실리콘에서 직경이 10 내지 50 nm인 메조 기공의 비율을 최대화하면서 비표면적을 증가시킬 수 있으며, 이로부터 최종 수득된 다공성 실리콘은 이차전지의 음극활물질로 사용시 용량 및 수명 성능의 향상에 기여할 수 있다.According to the present invention, the thermal reduction reaction of the silicon precursor is performed in two or more stages by injecting a metal reducing agent in a vapor state into the reduced pressure reactor, thereby maintaining the particle shape of the silicon precursor used as a reactant and reducing the diameter of the reduced silicon. The specific surface area can be increased while maximizing the ratio of mesopores of 10 to 50 nm, and the porous silicon finally obtained from this can contribute to improving capacity and lifespan performance when used as a negative electrode active material for secondary batteries.

추가로, 본 발명의 따른 다공성 실리콘의 제조 방법은 연속 반응기에서 수행되어 반응기 내부의 온도, 압력 및 농도를 측정함으로써 실리콘 전구체의 열환원시 발생되는 반응열을 제어할 수 있으며, 이를 통해 다공성 실리콘의 대량 생산이 가능하여 공정 효율면에서 유리하다.Additionally, the method for producing porous silicon according to the present invention is performed in a continuous reactor, and the reaction heat generated during thermal reduction of the silicon precursor can be controlled by measuring the temperature, pressure, and concentration inside the reactor, and through this, a large amount of porous silicon can be produced. It is advantageous in terms of process efficiency as it can be produced.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 실리콘의 제조 방법이 수행된 반응 시스템을 개략적으로 예시한 것이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용된 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 250회 충방전 사이클에 따른 충전 및 방전 용량을 나타낸 것이다.
도 3는 비교예 1에서 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용된 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 250회 충방전 사이클에 따른 충전 및 방전 용량을 나타낸 것이다.
도 4a 내지 4c는 각각 실시예 1, 2 및 4에서 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용된 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 100회 충방전 사이클에 따른 충전 및 방전 용량을 나타낸 것이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention along with the contents of the above-described invention. Therefore, the present invention is limited to the matters described in such drawings. It should not be interpreted in a limited way.
Figure 1 schematically illustrates a reaction system in which a method for producing porous silicon according to an embodiment of the present invention was performed.
Figure 2 shows the charge and discharge capacity of a lithium secondary battery containing a negative electrode using porous silicon prepared in Example 1 over 250 charge and discharge cycles.
Figure 3 shows the charge and discharge capacity of a lithium secondary battery containing a negative electrode using porous silicon prepared in Comparative Example 1 over 250 charge and discharge cycles.
Figures 4a to 4c show the charge and discharge capacity of a lithium secondary battery including a negative electrode using porous silicon as a negative electrode active material prepared in Examples 1, 2, and 4, respectively, according to 100 charge/discharge cycles.

이하, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.

본 발명의 일 실시형태는 리튬 이차전지의 음극활물질로 사용되는 다공성 실리콘의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 전구체와 금속 환원제의 열환원 반응을 2단계 이상의 다단계로 수행하여 다공성 실리콘을 제조하는 것을 특징으로 한다.One embodiment of the present invention relates to a method for producing porous silicon used as a negative electrode active material for lithium secondary batteries, characterized in that porous silicon is produced by performing a thermal reduction reaction of a silicon precursor and a metal reducing agent in two or more steps. do.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 실리콘의 제조 방법이 수행된 반응 시스템을 개략적으로 예시한 것으로, 연속 혼합식 반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR) 또는 회전식 연속 반응기(continuous rotary reactor)가 사용될 수 있다.Figure 1 schematically illustrates a reaction system in which the method for producing porous silicon according to an embodiment of the present invention is performed, and includes a continuous stirred tank reactor (CSTR) or a continuous rotary reactor. can be used

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 반응 시스템은 반응기에 금속 환원제 공급부, 실리콘 전구체 공급부 및 열분산제 공급부가 라인에 의해 연결되어 있고, 상기 반응기의 내부에는 센서가 장착되어 반응물들의 온도, 압력 및 농도를 측정할 수 있으며, 그 측정 결과를 외부 제어부에 전송하여 실리콘 전구체의 열환원시에 발생되는 반응열을 제어할 수 있다. 추가로, 상기 반응기의 상부에는 실리콘 카바이드(SiC) 또는 실리카 필터를 장착한 벤트 라인(vent line)을 설치하여, 미반응된 과량의 마그네슘 증기를 다시 챔버로 회수할 수 있다. 이러한 반응기 시스템을 이용하면 최종 생성물의 대량 생산이 가능하여 공정 효율면에서 유리하다. As shown in Figure 1, the reaction system has a metal reducing agent supply part, a silicon precursor supply part, and a heat dispersant supply part connected to the reactor by a line, and a sensor is installed inside the reactor to measure the temperature, pressure, and concentration of the reactants. The measurement results can be transmitted to an external control unit to control the reaction heat generated during thermal reduction of the silicon precursor. Additionally, a vent line equipped with a silicon carbide (SiC) or silica filter can be installed at the top of the reactor to recover unreacted excess magnesium vapor back to the chamber. Using this reactor system, mass production of the final product is possible, which is advantageous in terms of process efficiency.

도 1을 참조할 때, 실리콘 전구체 및 열분산제가 각각의 공급부를 통해 반응기로 주입되어 혼합될 수 있으며, 이때 반응기의 내부를 감압한다(S1).Referring to FIG. 1, the silicon precursor and heat dispersant can be injected into the reactor through each supply part and mixed, and at this time, the interior of the reactor is depressurized (S1).

상기 감압은 대기압 이하로 수행될 수 있으며, 이를 통해 반응기 내부에 산소 유입 및 부반응을 최소화함으로써, 이후 단계에서 금속 환원제를 이용한 열환원 반응시 산소 및 수분에 의한 금속 환원제의 폭발 가능성을 억제할 수 있다. 또한, 이러한 감압을 수행하는 경우 열환원 반응시 아르곤과 같은 불활성 가스를 사용하지 않아도 된다. The pressure reduction may be performed below atmospheric pressure, thereby minimizing oxygen inflow and side reactions inside the reactor, thereby suppressing the possibility of explosion of the metal reducing agent due to oxygen and moisture during the heat reduction reaction using the metal reducing agent in the subsequent step. . In addition, when performing such pressure reduction, there is no need to use an inert gas such as argon during the heat reduction reaction.

상기 실리콘 전구체는 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide), 실리콘 모노옥사이드 (silicon monoxide), 실리카겔 (silica gel), 금속 실리케이트 (metal silicate), 제올라이트(zeolite), 유리(glass), 석영(quartz) 및 퓸드 실리카(fumed silica)에서 선택되는 하나 이상의 Si-함유 물질을 포함할 수 있으며, 이 중에서 실리콘 다이옥사이드가 열환원에 의한 다공체 구조의 전환에 유리하여 바람직하게 사용될 수 있다. The silicon precursor includes silicon dioxide, silicon monoxide, silica gel, metal silicate, zeolite, glass, quartz, and fumed silica ( It may contain one or more Si-containing materials selected from fumed silica, and among these, silicon dioxide can be preferably used because it is advantageous for conversion of the porous structure by thermal reduction.

이러한 실리콘 전구체는 비정질(amorphous) 또는 결정질(crystalline) 일 수 있고, 평균 크기(D50)가 20 내지 1,000 nm, 예컨대 30 내지 500 nm인 입자일 수 있다.These silicon precursors may be amorphous or crystalline, and may be particles with an average size (D 50 ) of 20 to 1,000 nm, for example, 30 to 500 nm.

상기 열분산제는 실리콘 전구체의 열환원 반응시에 수반되는 반응열을 제거하기 위해 투입되는 것으로, 최종 수득되는 다공성 실리콘 입자의 응집을 막을 수 있다. 이러한 열분산제의 예로는 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 염화칼슘(CaCl2) 및 염화마그네슘(MgCl2)에서 선택되는 하나 이상이 포함될 수 있다.The heat dispersant is added to remove the reaction heat accompanying the thermal reduction reaction of the silicon precursor, and can prevent agglomeration of the porous silicon particles finally obtained. Examples of such heat dispersants may include one or more selected from sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), calcium chloride (CaCl 2 ), and magnesium chloride (MgCl 2 ).

상기 열분산제는 고형 또는 액상의 형태로 사용될 수 있으며, 실리콘 전구체 100중량부에 대해 1 내지 200 중량부의 양으로 사용될 수 있다. The heat dispersant may be used in solid or liquid form and may be used in an amount of 1 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the silicon precursor.

다시 도 1을 참조할 때, 상기 반응기 및 금속 환원제의 공급부에는 히팅 재킷(회색 부분)이 구비되어 있어, 실리콘 전구체가 미리 주입된 반응기를 가열하면서 금속 환원제를 증기 상태로 주입할 수 있다(S2). 필요에 따라, 상기 열환원제가 금속 환원제와 함께 반응기내로 주입될 수 있다.Referring again to FIG. 1, the reactor and the supply part of the metal reducing agent are equipped with a heating jacket (gray part), so that the metal reducing agent can be injected in a vapor state while heating the reactor into which the silicon precursor has been previously injected (S2). . If necessary, the heat reducing agent may be injected into the reactor together with the metal reducing agent.

상기 금속 환원제는 나트륨(Na), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 특히 마그네슘이 실리콘 전구체의 환원 효율면에서 유리하게 사용될 수 있다.The metal reducing agent may include one or more selected from sodium (Na), magnesium (Mg), and aluminum (Al). In particular, magnesium can be advantageously used in terms of reduction efficiency of the silicon precursor.

상기 실리콘 전구체 및 금속 환원제는 열환원 반응시에 1:0.8 내지 1:1.5의 중량비로 반응할 수 있다.The silicon precursor and metal reducing agent may react at a weight ratio of 1:0.8 to 1:1.5 during the thermal reduction reaction.

본 발명에서는 금속 환원제를 증기 상태로 주입함에 따라 연속 주입이 가능하며, 예컨대 반응기의 1L 용량을 기준으로 50 내지 1,000 ml/min의 유량으로 연속적으로 주입될 수 있다. 마그네슘과 같은 금속 환원제가 증기의 기체 상태로 주입되어 고형의 실리카 입자와 반응하는 경우 열환원 반응이 빠른 속도로 개시될 수 있어, 금속 환원제를 최소량으로 사용하면서 최종 다공성 실리콘의 수율을 향상시킬 수 있다.In the present invention, continuous injection is possible by injecting the metal reducing agent in a vapor state. For example, it can be continuously injected at a flow rate of 50 to 1,000 ml/min based on the 1L capacity of the reactor. When a metal reducing agent, such as magnesium, is injected in the gaseous state and reacts with solid silica particles, the thermal reduction reaction can be initiated at a rapid rate, improving the yield of the final porous silicon while using a minimal amount of metal reducing agent. .

상기 단계 (S2)의 가열은 실리콘 전구체와 금속 환원제의 열환원 반응을 개시하기 위한 것으로, 5 내지 20 ℃/min의 승온 속도로 600 내지 750 ℃의 온도까지 수행될 수 있다. The heating in step (S2) is to initiate a thermal reduction reaction between the silicon precursor and the metal reducing agent, and may be performed to a temperature of 600 to 750 °C at a temperature increase rate of 5 to 20 °C/min.

상기 열환원 반응은 발열반응으로서, 상기 반응기에 마그네슘과 같은 금속 환원제가 증기의 기체 상태로 주입되어 고형의 실리콘 전구체(예컨대, 실리카 입자)와 반응을 개시하면서 급격한 내부온도 상승을 유발할 수 있고, 그로 인해 매크로 기공이 형성되거나 구형인 실리카 입자의 형태가 변형 및 파괴되어 음극 활물질로서의 기능이 저하될 우려가 있다. 따라서, 반응기 내부의 온도와 금속 환원제의 압력 및 농도를 측정하면서 제어하여, 구형 실리카 입자의 형태를 유지하면서 환원에 의해 수득된 다공성 실리콘에서 직경이 10 내지 50 nm인 메조기공의 비율을 증가시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 가열된 반응기의 온도를 600 내지 750℃의 범위에서 일정시간, 예컨대 20분 내지 4시간이 경과 후에는 외부로부터의 열유입에 의한 가열을 한시적으로 단절하여 열환원 반응이 급격하게 진행되는 것을 방지하는 것이 필요하다. The heat reduction reaction is an exothermic reaction, and a metal reducing agent, such as magnesium, is injected into the reactor in a vaporous state and initiates a reaction with a solid silicon precursor (e.g., silica particles), causing a rapid increase in internal temperature. As a result, there is a risk that macro pores may be formed or the shape of the spherical silica particles may be deformed or destroyed, thereby deteriorating its function as a negative electrode active material. Therefore, by measuring and controlling the temperature inside the reactor and the pressure and concentration of the metal reducing agent, it is necessary to increase the ratio of mesopores with a diameter of 10 to 50 nm in the porous silicon obtained by reduction while maintaining the shape of the spherical silica particles. desirable. To achieve this, the temperature of the heated reactor is in the range of 600 to 750°C. After a certain period of time, for example, 20 minutes to 4 hours, heating due to heat input from the outside is temporarily cut off to prevent the heat reduction reaction from proceeding rapidly. It is necessary to prevent it.

이후, 상기 반응기의 온도가 250 내지 400℃의 온도로 낮아졌을 때 상기 온도를 유지하도록 외부 전원에 의해 반응기를 재가열하여 2차 열환원 반응을 수행한다(S3).Thereafter, when the temperature of the reactor is lowered to 250 to 400° C., the reactor is reheated by an external power source to maintain the temperature to perform a secondary heat reduction reaction (S3).

상기 2차 열환원 반응은 1차 반응으로 환원된 실리콘 전구체에서 구형 입자 형태를 유지하면서 매크로 기공의 생성을 억제하여 10 내지 50 nm인 메조 기공의 비율을 최대화할 수 있으며, 동시에 비표면적을 증가시킬 수 있다.The secondary heat reduction reaction can maximize the ratio of mesopores of 10 to 50 nm by suppressing the creation of macro pores while maintaining the spherical particle shape in the silicon precursor reduced by the first reaction, and at the same time increase the specific surface area. You can.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 단계 (S2)에서 반응기의 내부 온도가 1차 열환원 반응을 위해 650℃에서 40분 동안 유지되고, 상기 단계 (S3)에서 반응기의 내부 온도가 2차 열환원 반응을 위해 400℃에서 4시간 동안 유지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, in step (S2), the internal temperature of the reactor is maintained at 650 ° C. for 40 minutes for the first heat reduction reaction, and in step (S3), the internal temperature of the reactor is maintained for the second heat reduction reaction. It can be maintained at 400°C for 4 hours for reaction.

상기 1차 및 2차의 열환원을 거쳐, 실리콘 전구체는 그 일부 또는 전부가 다공성 실리콘으로 환원되고, 상기 금속 환원제의 일부 또는 전부는 금속 산화물로 산화되며, 생성된 다공성 실리콘은 전체 기공에서 10 내지 50 nm인 메조 기공의 비율이 5% 초과 내지 80%, 상세하게는 12 내지 45%의 범위일 수 있으며, 비표면적이 120 내지 600 m2/g의 범위일 수 있다.Through the first and second thermal reductions, part or all of the silicon precursor is reduced to porous silicon, part or all of the metal reducing agent is oxidized to metal oxide, and the resulting porous silicon has 10 to 10% in total pores. The proportion of mesopores of 50 nm may range from more than 5% to 80%, specifically 12 to 45%, and the specific surface area may range from 120 to 600 m 2 /g.

이어서, 생성된 다공성 실리콘을 회수하고, 부산물인 금속 산화물의 식각, 반응 잔여물의 제거 등을 위해 산처리 및 세척을 수행한다.Next, the produced porous silicon is recovered, and acid treatment and washing are performed to etch metal oxides, which are by-products, and remove reaction residues.

상기 산처리는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(H3PO4) 및 아세트산(CH3COOH)에서 선택되는 하나 이상의 산을 사용하여 1 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.The acid treatment is performed for 1 to 5 hours using at least one acid selected from hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), and acetic acid (CH 3 COOH). It can be performed during

상기 세척은 물 또는 알코올을 이용하여 수행될 수 있다.The cleaning can be performed using water or alcohol.

상기와 같은 과정으로 제조된 다공성 실리콘은 리튬 이차전지의 음극활물질로 사용시 입자 내에 존재하는 기공을 통해 부피 팽창을 억제하여 전극의 퇴화를 방지할 수 있다.When porous silicon manufactured through the above process is used as a negative electrode active material for lithium secondary batteries, it can prevent deterioration of the electrode by suppressing volume expansion through pores present in the particles.

더욱이 본 발명에 따라 1차 및 2차의 가열에 의한 열처리를 수행하여 수득된 다공성 실리콘은 10 내지 50 nm인 메조 기공의 비율이 높고 비표면적이 120 내지 600 m2/g의 범위로 확대되어, 이차전지의 충전시 양극활물질에서 탈리되는 리튬(Li) 이온이 전해질을 통과하여 음극활물질의 실리콘(Si) 입자에 삽입되는 과정에서 Li 이온과 Si 간의 거리를 단축시킬 수 있다. 이러한 Li 이온과 Si 간의 거리 단축은 Si 입자에 대한 Li 이온의 삽입/탈리를 원활하게 함으로써, 비다공성 Si 활물질의 사용시 Si의 낮은 확산 속도(1.7x1011 cm2/sec)를 극복하기 위해 입자 크기를 감소시켰던 과정을 피할 수 있으므로 에너지 소모 및 비용 측면에서 유리하다. 또한 Si 입자에 Li 이온이 삽입되는 사이트가 증가하여 전하 이동에 따른 전극의 저항을 감소시킴에 따라 충방전 사이클에 따른 용량 유지율 및 수명 성능을 향상시킬 수 있다. Moreover, the porous silicon obtained by performing heat treatment by primary and secondary heating according to the present invention has a high ratio of mesopores of 10 to 50 nm and the specific surface area is expanded to the range of 120 to 600 m 2 /g, When charging a secondary battery, lithium (Li) ions desorbed from the positive electrode active material pass through the electrolyte and are inserted into silicon (Si) particles of the negative electrode active material, thereby shortening the distance between Li ions and Si. This shortening of the distance between Li ions and Si facilitates the insertion/extraction of Li ions into Si particles, thereby increasing the particle size to overcome the low diffusion rate of Si (1.7x10 11 cm 2 /sec) when using a non-porous Si active material. It is advantageous in terms of energy consumption and cost because the process that reduced it can be avoided. In addition, the number of sites where Li ions are inserted into Si particles increases, thereby reducing the resistance of the electrode due to charge transfer, thereby improving capacity retention and lifespan performance according to charge and discharge cycles.

따라서 본 발명의 다른 일 실시형태는 상기 방법으로 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로서 포함하는 음극을 제공한다.Accordingly, another embodiment of the present invention provides a negative electrode containing porous silicon produced by the above method as a negative electrode active material.

본 발명의 일 실시형태에 따른 음극은 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 본 발명에 따라 제조된 다공성 실리콘을 포함하는 음극활물질, 바인더 및 도전재를 용매에 분산시켜 얻은 슬러리를 코팅한 후, 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. The negative electrode according to one embodiment of the present invention is prepared by coating a current collector and at least one surface of the current collector with a slurry obtained by dispersing a negative electrode active material containing porous silicon prepared according to the present invention, a binder, and a conductive material in a solvent. , can be manufactured by drying and rolling.

상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 통상적으로 적용되는 3 ~ 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, carbon or nickel on the surface of copper or stainless steel. , surface treated with titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. The thickness of the current collector is not particularly limited, but may have a commonly applied thickness of 3 to 500 ㎛.

상기 음극활물질은 슬러리 조성물의 전체 중량을 기준으로 60 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.The negative electrode active material may be included in an amount of 60% by weight to 99% by weight based on the total weight of the slurry composition.

상기 바인더는 도전재, 및 활물질, 또는 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 슬러리 조성물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%로 포함된다. 이러한 바인더의 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 스티렌 부티렌 고무(SBR) 등을 들 수 있다. The binder is a component that assists in bonding between the conductive material, the active material, or the current collector, and is typically included in an amount of 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the negative electrode slurry composition. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HEP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, and polymethylmethacrylate. , polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, styrene butyrene rubber (SBR), etc. I can hear it.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 않으며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 음극 슬러리 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, panel black, lamp black, thermal black, etc. black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. The conductive material may be added in an amount of 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the anode slurry composition.

상기 분산매는 물 또는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 슬러리가 음극활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. The dispersion medium may contain an organic solvent such as water or NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and is used in an amount to achieve a desirable viscosity when the negative electrode slurry contains a negative electrode active material and optionally a binder and a conductive material. can be used

또한, 상기 슬러리의 코팅 방법은 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 슬롯 다이를 이용한 코팅법이 사용될 수도 있고, 그 이외에도 메이어 바 코팅법, 그라비아 코팅법, 침지 코팅법, 분무 코팅법 등이 사용될 수 있다.Additionally, the coating method of the slurry is not particularly limited as long as it is a method commonly used in the field. For example, a coating method using a slot die may be used, and in addition, a Mayer bar coating method, a gravure coating method, a dip coating method, a spray coating method, etc. may be used.

본 발명의 또 다른 일 실시형태는 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 리튬 이차전지는 양극, 상술한 바와 같은 음극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체에 리튬염 함유 전해질을 주입하여 제조될 수 있다.Another embodiment of the present invention relates to a lithium secondary battery including the negative electrode. Specifically, the lithium secondary battery can be manufactured by injecting a lithium salt-containing electrolyte into an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode as described above, and a separator interposed therebetween.

상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 집전체에 직접 코팅하거나, 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 금속 집전체에 라미네이션하여 양극을 제조할 수 있다. The positive electrode is prepared by mixing the positive electrode active material, conductive material, binder, and solvent to prepare a slurry, and then coating it directly on the metal current collector, or casting it on a separate support and lamination of the positive electrode active material film peeled from this support to the metal current collector. Thus, the anode can be manufactured.

양극에 사용되는 활물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4 및 LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0≤x<0.5, 0≤y<0.5, 0≤z<0.5, 0<x+y+z≤1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.Active materials used in the positive electrode include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 and LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2 (M1 and M2 are independently selected from Al, Ni, Co, is any one selected from the group consisting of Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo, and x, y and z are each independently the atomic fraction of the oxide composition elements, 0≤x<0.5, 0≤ y<0.5, 0≤z<0.5, 0<x+y+z≤1) or a mixture of two or more of them.

한편, 도전재, 바인더 및 용매는 상기 음극 제조시에 사용된 것과 동일하게 사용될 수 있다.Meanwhile, the conductive material, binder, and solvent may be used in the same manner as those used in manufacturing the anode.

상기 세퍼레이터는 종래 세퍼레이터로 사용되는 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 또한, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 세퍼레이터 표면에 세라믹 물질이 얇게 코팅된 안정성 강화 세퍼레이터(SRS, safety reinforced separator)을 포함할 수 있다. 이외에도 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The separator is a conventional porous polymer film used as a separator, for example, a polyolefin polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. The prepared porous polymer film can be used alone or by stacking them. Additionally, a thin insulating film with high ion permeability and mechanical strength can be used. The separator may include a safety reinforced separator (SRS) in which a ceramic material is thinly coated on the surface of the separator. In addition, conventional porous nonwoven fabrics, for example, nonwoven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., can be used, but are not limited thereto.

상기 전해액은 전해질로서 리튬염 및 이를 용해시키기 위한 유기용매를 포함한다. The electrolyte solution contains lithium salt as an electrolyte and an organic solvent for dissolving it.

상기 리튬염은 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다. The lithium salt may be used without limitation as long as it is commonly used in electrolytes for secondary batteries. For example, the anions of the lithium salt include F - , Cl - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , ( CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , One type selected from the group consisting of SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - can be used.

상기 전해액에 포함되는 유기 용매로는 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디메틸술폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 술포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. The organic solvent contained in the electrolyte solution may be any commonly used solvent without limitation, and representative examples include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, and dimethyl sulfoxide. One or more types selected from the group consisting of side, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, and tetrahydrofuran may be used.

특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌카보네이트 및 프로필렌카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are high viscosity organic solvents and have a high dielectric constant, so they can be preferably used because they easily dissociate lithium salts in the electrolyte. These cyclic carbonates include dimethyl carbonate and diethyl. If low viscosity, low dielectric constant linear carbonate such as carbonate is mixed and used in an appropriate ratio, an electrolyte solution with high electrical conductivity can be made and can be used more preferably.

선택적으로, 본 발명에 따라 저장되는 전해액은 통상의 전해액에 포함되는 과충전 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다. Optionally, the electrolyte solution stored according to the present invention may further include additives such as overcharge prevention agents included in conventional electrolyte solutions.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 배치하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체를 예를 들어, 파우치, 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하면 이차전지가 완성될 수 있다. 또는 상기 전극 조립체를 적층한 다음, 이를 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하면 리튬 이차전지가 완성될 수 있다.In a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, an electrode assembly is formed by placing a separator between the positive electrode and the negative electrode, the electrode assembly is placed in, for example, a pouch, a cylindrical battery case, or a prismatic battery case, and then an electrolyte is added. By injection, a secondary battery can be completed. Alternatively, a lithium secondary battery can be completed by stacking the electrode assemblies, impregnating them with an electrolyte, and sealing the resulting product in a battery case.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이차전지는 스택형, 권취형, 스택 앤 폴딩형 또는 케이블형일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the lithium secondary battery may be a stack type, a wound type, a stack and fold type, or a cable type.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있으며, 특히 고출력이 요구되는 영역인 하이브리드 전기자동차 및 신재생 에너지 저장용 배터리 등에 유용하게 사용될 수 있다. The lithium secondary battery according to the present invention can not only be used in battery cells used as a power source for small devices, but can also be preferably used as a unit cell in medium to large-sized battery modules containing a plurality of battery cells. Preferred examples of the medium-to-large devices include electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, power storage systems, etc., and are particularly useful for hybrid electric vehicles and batteries for renewable energy storage, which are areas requiring high output. It can be used effectively.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples to aid understanding. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예 1: Example 1:

도 1에 나타낸 바와 같이, CSTR(continuous stirred tank reactor)에 실리콘 다이옥사이드 고형 입자(SiO2, D50=50nm) 5.0mg 및 염화나트륨(NaCl) 분말 1.0mg을 주입하여 혼합하였다. 한편 상기 반응기를 가열하기 전에 부반응을 억제하기 위해 진공펌프를 이용해 감압하여 공기중의 산소를 제거하고, 반응기의 초기 내부 압력을 20mmHg로 세팅하였다.As shown in Figure 1, 5.0 mg of silicon dioxide solid particles (SiO 2 , D 50 =50 nm) and 1.0 mg of sodium chloride (NaCl) powder were injected into a continuous stirred tank reactor (CSTR) and mixed. Meanwhile, before heating the reactor, in order to suppress side reactions, the pressure was reduced using a vacuum pump to remove oxygen in the air, and the initial internal pressure of the reactor was set to 20 mmHg.

상기 반응물의 균일한 혼합을 위해 교반기(stirrer)를 500rpm로 회전시키면서, 반응기를 20℃/min의 승온 속도로 가열하였다. 상기 반응기의 내부 온도가 650℃에 도달하였을 때 반응기에 장착된 주입구를 통해 750℃의 Mg 증기(증기압 0.021atm)를 50ml/min의 유량으로 15분 동안 주입하여, 1차 열환원 반응을 수행하였다. 이때, 상기 1차 가열은 650℃에서 20분 동안 수행한 후, 가열을 중단하여 열환원 반응이 급격하게 진행되는 것을 방지하였다.To ensure uniform mixing of the reactants, the reactor was heated at a temperature increase rate of 20°C/min while rotating the stirrer at 500 rpm. When the internal temperature of the reactor reached 650°C, Mg vapor (vapor pressure 0.021 atm) at 750°C was injected at a flow rate of 50 ml/min for 15 minutes through the inlet installed in the reactor to perform the first heat reduction reaction. . At this time, the first heating was performed at 650°C for 20 minutes, and then the heating was stopped to prevent the heat reduction reaction from proceeding rapidly.

이후, 반응기의 온도가 250℃로 낮아졌을 때, 상기 온도를 유지하도록 반응기를 5℃/min의 승온 속도로 4시간 동안 재가열하여 2차 열환원 반응을 수행하였다. 2차 반응후, 실리콘 카바이드 재질의 카보런덤 필터(carborundum filter)가 장착된 벤트 라인으로 Mg 증기를 배출하였다. 배출된 Mg 증기는 회수되어 다시 반응기로 주입될 수 있다.Thereafter, when the temperature of the reactor was lowered to 250°C, the reactor was reheated for 4 hours at a temperature increase rate of 5°C/min to maintain the above temperature to perform a secondary heat reduction reaction. After the secondary reaction, Mg vapor was discharged through a vent line equipped with a carborundum filter made of silicon carbide. The discharged Mg vapor can be recovered and injected back into the reactor.

그후, 반응 생성물을 1M HCl로 4시간 동안 산처리한 후 물로 세척하여, 다공성 실리콘을 제조하였다.Thereafter, the reaction product was acid treated with 1M HCl for 4 hours and then washed with water to prepare porous silicon.

실시예 2: Example 2:

2차 가열을 반응기의 온도가 400℃에서 4시간 동안 유지되도록 수행되는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다. Porous silicon was prepared in the same manner as in Example 1, except that secondary heating was performed so that the temperature of the reactor was maintained at 400°C for 4 hours.

비교예 1 Comparative Example 1

2차 가열을 수행하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다. Porous silicon was manufactured in the same process as Example 1, except that secondary heating was not performed.

실시예 3 Example 3

1차 가열을 650℃에서 40분 동안 수행하고, 2차 가열을 반응기의 온도가 250℃에서 4시간 동안 유지되도록 수행하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다. Porous silicon was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first heating was performed at 650°C for 40 minutes, and the second heating was performed so that the temperature of the reactor was maintained at 250°C for 4 hours.

실시예 4 Example 4

1차 가열을 650℃에서 40분 동안 수행하고, 2차 가열을 반응기의 온도가 400℃에서 4시간 동안 유지되도록 수행하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다.Porous silicon was prepared in the same manner as in Example 1, except that primary heating was performed at 650°C for 40 minutes and secondary heating was performed so that the temperature of the reactor was maintained at 400°C for 4 hours.

실시예 5 Example 5

1차 가열을 650℃에서 40분 동안 수행하고, 2차 가열을 반응기의 온도가 400℃에서 2시간 동안 유지되도록 수행하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다.Porous silicon was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first heating was performed at 650°C for 40 minutes, and the second heating was performed so that the temperature of the reactor was maintained at 400°C for 2 hours.

실시예 6 Example 6

1차 가열을 650℃에서 40분 동안 수행하고, 2차 가열을 반응기의 온도가 400℃에서 1시간 동안 유지되도록 수행하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다.Porous silicon was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first heating was performed at 650°C for 40 minutes, and the second heating was performed so that the temperature of the reactor was maintained at 400°C for 1 hour.

비교예 2 Comparative Example 2

1차 가열을 650℃에서 40분 동안 수행하고, 2차 가열을 수행하지 않는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 다공성 실리콘을 제조하였다.Porous silicon was manufactured in the same process as Example 1, except that the first heating was performed at 650°C for 40 minutes and the second heating was not performed.

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 실리콘의 기공 크기 및 비표면적을 Brunauer, Emmett 및 Teller의 방법(BET법)에 따라 물리 흡착기체량을 측정하여 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The pore size and specific surface area of the porous silicon prepared in the above examples and comparative examples were confirmed by measuring the amount of physically adsorbed gas according to the method of Brunauer, Emmett and Teller (BET method), and the results are shown in Table 1 below.

열환원 조건Heat reduction conditions 다공성 실리콘porous silicon 1차 가열primary heating 2차 가열secondary heating 기공 크기
(nm)
pore size
(nm)
메조기공(10-50nm)의 분포 비율Distribution ratio of mesopores (10-50nm) 비표면적
(m2/g)
specific surface area
( m2 /g)
실시예 1Example 1 650℃, 20분650℃, 20 minutes 250℃, 4시간250℃, 4 hours 5.0 ~ 25.05.0 ~ 25.0 12% ~ 15%12% to 15% 158158 실시예 2Example 2 650℃, 20분650℃, 20 minutes 400℃, 4시간400℃, 4 hours 6.9 ~ 45.06.9 ~ 45.0 15% ~ 20%15% to 20% 255255 비교예 1Comparative Example 1 650℃, 20분650℃, 20 minutes -- 4.0~6.04.0~6.0 5% 이하5% or less 7272 실시예 3Example 3 650℃, 40분650℃, 40 minutes 250℃, 4시간250℃, 4 hours 4.5 ~ 45.04.5 ~ 45.0 15% ~ 20%15% to 20% 254254 실시예 4Example 4 650℃, 40분650℃, 40 minutes 400℃, 4시간400℃, 4 hours 6.0 ~ 48.06.0 ~ 48.0 40% ~ 45%40% to 45% 358358 실시예 5Example 5 650℃, 40분650℃, 40 minutes 400℃, 2시간400℃, 2 hours 6.9 ~ 45.06.9 ~ 45.0 15% ~ 20%15% to 20% 224224 실시예 6Example 6 650℃, 40분650℃, 40 minutes 400℃, 1시간400℃, 1 hour 6.9 ~ 22.06.9 ~ 22.0 12% ~ 15%12% to 15% 127127 비교예 2Comparative Example 2 650℃, 40분650℃, 40 minutes -- 4.0~6.04.0~6.0 5% 이하5% or less 8888

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예에 따라 SiO2 입자의 마그네슘 열환원 반응이 1차/2차의 다단계 가열에 의해 수행되어 제조된 다공성 실리콘 입자가 2차 가열을 수행하지 않은 비교예 1 및 2에 비해 메조 기공의 분포를 최대화하여 비표면적이 증가되었음을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 1, a comparative example in which the porous silicon particles prepared by performing the magnesium thermal reduction reaction of the SiO 2 particles by primary/secondary multi-stage heating according to the example were not subjected to secondary heating. Compared to 1 and 2, it can be seen that the specific surface area is increased by maximizing the distribution of mesopores.

또한, 1차 가열이 650℃에서 40분 동안 수행되고, 2차 가열이 400℃에서 4시간 동안 수행된 실시예 4로부터 제조된 다공성 실리콘이 직경이 10 내지 40nm인 메조 기공의 분포 및 비표면적에서 가장 우수한 효과를 구현하였다.In addition, the porous silicon prepared in Example 4, in which the first heating was performed at 650 ° C. for 40 minutes and the second heating was performed at 400 ° C. for 4 hours, had a distribution and specific surface area of mesopores with a diameter of 10 to 40 nm. The most excellent effect was realized.

실험예: 리튬 이차전지의 성능 평가Experimental example: Performance evaluation of lithium secondary battery

실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 다공성 실리콘을 음극활물질로서 사용하고, 바인더로서 폴리아크릴산(PAA, MW: 약 5,000 이하) 및 도전재로 카본블랙을 65:20:15의 중량비로 혼합하고, 이들을 분산매인 증류수에 첨가하여 슬러리를 수득한 후, 구리 박막 상에 도포하고 건조 및 압연을 수행하여 음극을 제조하였다.Each of the porous silicon prepared in Examples and Comparative Examples was used as a negative electrode active material, and polyacrylic acid (PAA, M W : about 5,000 or less) as a binder and carbon black as a conductive material were mixed at a weight ratio of 65:20:15. , these were added to distilled water as a dispersion medium to obtain a slurry, and then applied on a copper thin film and dried and rolled to prepare a negative electrode.

상기 음극을 이용해 반쪽 전지(half cell)를 제조한 후, 상온(25℃)에서 0.01V 내지 1.5V의 전압 및 2,100mA/g의 전류 조건에서 충/방전을 실시한 후, 각 사이클에 대한 충방전 용량을 측정하였다.After manufacturing a half cell using the cathode, charge/discharge was performed at room temperature (25°C) at a voltage of 0.01V to 1.5V and a current of 2,100mA/g, and then charge/discharge for each cycle. The capacity was measured.

도 2 및 3은 각각 실시예 1, 실시예 4 및 비교예 1에서 제조된 다공성 실리콘이 음극 활물질로 사용된 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 250회 충방전 사이클에 따른 충전 및 방전 용량을 나타낸 것이다. Figures 2 and 3 show the charge and discharge capacity according to 250 charge and discharge cycles of a lithium secondary battery including a negative electrode in which porous silicon prepared in Example 1, Example 4, and Comparative Example 1 was used as the negative electrode active material, respectively. .

도 2 및 3으로부터, 실시예 1은 기공크기 및 비표면적이 큰 다공성 실리콘이 음극에 사용됨에 따라 250회 사이클이 반복되는 동안 충방전 용량이 1500mA의 수준으로 유지된 반면, 비교예 1은 기공크기 및 비표면적이 상대적으로 작음에 따라 250회 사이클 진행 후 충방전 용량이 1200mA로 떨어짐을 확인할 수 있다.From Figures 2 and 3, in Example 1, the charge and discharge capacity was maintained at the level of 1500 mA while repeating 250 cycles as porous silicon with a large pore size and specific surface area was used in the negative electrode, whereas in Comparative Example 1, the pore size was maintained at the level of 1500 mA. And, as the specific surface area is relatively small, it can be seen that the charge/discharge capacity drops to 1200mA after 250 cycles.

즉, 본 발명에 따라 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용하는 경우 전지 성능 평가에서 250회 충방전 사이클 이후의 용량이 초기 용량 대비 54% 이상으로 유지되었다.That is, when using the porous silicon manufactured according to the present invention as a negative electrode active material, the capacity after 250 charge/discharge cycles was maintained at more than 54% of the initial capacity in the battery performance evaluation.

또한, 도 4a 내지 4c는 각각 실시예 1, 2 및 4에서 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로 사용된 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 100회 충방전 사이클에 따른 충전 및 방전 용량을 나타낸 것이며, 초기 사이클 대비 100회 사이클의 용량 유지율이 높은 것을 확인할 수 있다.In addition, Figures 4a to 4c show the charge and discharge capacity according to 100 charge and discharge cycles of a lithium secondary battery containing a negative electrode using porous silicon prepared in Examples 1, 2, and 4, respectively, as a negative electrode active material, and the initial It can be seen that the capacity maintenance rate of 100 cycles is high compared to other cycles.

Claims (15)

(S1) 실리콘 전구체 및 열분산제를 반응기에 주입하여 혼합하면서 반응기의 내부를 감압하는 단계;
(S2) 상기 반응기를 600 내지 750 ℃의 온도로 가열하면서 금속 환원제를 증기 상태로 주입하여 20분 내지 2시간 동안 1차 열환원 반응을 수행하는 단계;
(S3) 상기 반응기의 내부 온도가 250 내지 400 ℃의 온도로 낮아졌을 때 250 내지 400 ℃를 유지하도록 반응기를 재가열하면서 1 내지 4 시간 동안 2차 열환원 반응을 수행하는 단계; 및
(S4) 상기 단계에서 환원된 실리콘 전구체를 산처리하고 세척하는 단계를 포함하는, 다공성 실리콘의 제조방법.
(S1) Depressurizing the interior of the reactor while injecting and mixing the silicon precursor and heat dispersant into the reactor;
(S2) performing a first heat reduction reaction for 20 minutes to 2 hours by injecting a metal reducing agent in vapor form while heating the reactor to a temperature of 600 to 750°C;
(S3) performing a secondary heat reduction reaction for 1 to 4 hours while reheating the reactor to maintain 250 to 400 ℃ when the internal temperature of the reactor is lowered to 250 to 400 ℃; and
(S4) A method for producing porous silicon, comprising the steps of acid-treating and washing the silicon precursor reduced in the above step.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 전구체는 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide), 실리콘 모노옥사이드 (silicon monoxide), 실리카겔 (silica gel), 금속 실리케이트 (metal silicate), 제올라이트(zeolite), 유리(glass), 석영(quartz) 및 퓸드 실리카(fumed silica)에서 선택되는 하나 이상의 Si-함유 물질을 포함하는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the silicon precursor is silicon dioxide, silicon monoxide, silica gel, metal silicate, zeolite, glass, quartz ( A method for producing porous silicon, comprising at least one Si-containing material selected from quartz) and fumed silica. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 전구체는 20 내지 1,000 nm 크기의 입자 형태로 사용되는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the silicon precursor is used in the form of particles with a size of 20 to 1,000 nm. 제1항에 있어서, 상기 금속 환원제는 나트륨(Na), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal reducing agent includes at least one selected from sodium (Na), magnesium (Mg), and aluminum (Al). 제1항에 있어서, 상기 열분산제는 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 염화칼슘(CaCl2) 및 염화마그네슘(MgCl2)에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat dispersant includes at least one selected from sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), calcium chloride (CaCl 2 ), and magnesium chloride (MgCl 2 ). 제1항에 있어서, 상기 단계 (S1)에서 감압은 대기압 이하로 수행되는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the pressure reduction in step (S1) is performed below atmospheric pressure. 제1항에 있어서, 상기 단계 (S2)의 가열은 5 내지 20 ℃/min의 승온 속도로 수행되는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the heating in step (S2) is performed at a temperature increase rate of 5 to 20 °C/min. 제1항에 있어서, 상기 단계 (S3)의 재가열에 의한 2차 열환원 반응은 반응물로 사용된 실리콘 전구체의 입자 형태를 유지하면서 환원되는 실리콘에서 직경이 10 내지 50 nm인 메조 기공의 비율을 최대화하는 것인, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the secondary thermal reduction reaction by reheating in step (S3) maximizes the ratio of mesopores with a diameter of 10 to 50 nm in the reduced silicon while maintaining the particle shape of the silicon precursor used as a reactant. A method of manufacturing porous silicon. 제8항에 있어서, 상기 메조 기공은 전체 기공의 5% 초과 내지 80%를 차지하는, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 8, wherein the mesopores account for more than 5% to 80% of the total pores. 제1항에 있어서, 상기 단계 (S2)에서 반응기의 내부 온도가 1차 열환원 반응을 위해 650℃에서 40분 동안 유지되고,
상기 단계 (S3)에서 반응기의 내부 온도가 2차 열환원 반응을 위해 400℃에서 4시간 동안 유지되는, 다공성 실리콘의 제조방법.
The method of claim 1, wherein in step (S2), the internal temperature of the reactor is maintained at 650° C. for 40 minutes for the first heat reduction reaction,
A method for producing porous silicon in which the internal temperature of the reactor in step (S3) is maintained at 400°C for 4 hours for the secondary heat reduction reaction.
제1항에 있어서, 상기 반응기는 연속 혼합식 또는 회전식의 연속 반응기인, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the reactor is a continuous mixing or rotating continuous reactor. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 내부 반응물들의 온도, 압력 및 농도를 측정하기 위한 센서가 장착되고, 외부 제어부에 연결되는 것인, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein the reactor is equipped with a sensor for measuring the temperature, pressure, and concentration of internal reactants, and is connected to an external control unit. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 상부에는 실리콘 카바이드(SiC) 또는 실리카 필터를 장착한 벤트 라인(vent line)이 추가로 설치되는 것인, 다공성 실리콘의 제조방법.The method of claim 1, wherein a vent line equipped with a silicon carbide (SiC) or silica filter is additionally installed at the top of the reactor. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 다공성 실리콘을 음극활물질로서 포함하는 음극으로서, 상기 다공성 실리콘은 10 내지 50nm의 메조 기공의 비율이 전체 기공의 5% 초과 내지 80%를 차지하고 비표면적이 120 내지 600 m2/g인 음극.A negative electrode comprising porous silicon manufactured by the method according to any one of claims 1 to 13 as a negative electrode active material, wherein the porous silicon has a proportion of mesopores of 10 to 50 nm exceeding 5% to 80% of the total pores. A cathode that occupies and has a specific surface area of 120 to 600 m 2 /g. 제14항에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차전지로서, 0.01V 내지 1.5V의 전압 및 2,100mA/g의 전류 조건에서 250회 충방전 사이클 이후의 용량이 초기 용량 대비 54% 이상으로 유지되는 이차전지.A lithium secondary battery containing the negative electrode according to claim 14, wherein the capacity after 250 charge/discharge cycles is maintained at more than 54% of the initial capacity under a voltage of 0.01V to 1.5V and a current of 2,100mA/g. .
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