KR20020070763A - Carbonaceous material and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided are carbon material having high charge/discharge capacity and excellent cycle property and a lithium secondary battery containing the carbon material, which has improved energy density and cycle property. CONSTITUTION: The carbon material(1) comprises a graphite particle(2) having a face distance(d002) of a (002) face by X-ray wide angle diffraction being less than 0.337nm, composite particles(3) dispersed and bonded around the graphite particle(2) and having a less particle size than the graphite particle(2), and an amorphous carbon membrane(4) coating the graphite particle(2) and the composite particles(3) and having a d002 of more than 0.37nm, wherein the composite particle(3) comprises a Si particle comprising crystalline silicon, conductive carbon material around the Si fineparticle, and a hard carbon membrane or a conductive polymer membrane coating the Si particle and the conductive carbon material. And the lithium secondary battery contains the carbon material(1) as an anode.

Description

탄소질 재료 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{CARBONACEOUS MATERIAL AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}CARBONACEOUS MATERIAL AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME

[발명이 속하는 기술분야][TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION]

본 발명은 탄소질 재료 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충방전 용량이 높고 사이클특성이 우수한 탄소질 재료 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a carbonaceous material and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to a carbonaceous material having a high charge and discharge capacity and excellent cycle characteristics and a lithium secondary battery including the same.

[종래기술][Private Technology]

소형 경량화 및 고성능화가 앞서가는 휴대전자 기기의 필요에 대응하기 위하여 리튬 이차 전지의 고용량화가 시급한 과제로 대두되고 있다.In order to meet the needs of portable electronic devices, which are leading to small size, light weight, and high performance, high capacity of lithium secondary batteries has emerged as an urgent problem.

그러나, 리튬 이차 전지의 음극 활물질의 하나인 흑연은 372mAh/g의 이론용량을 가지지만, 이것보다도 고용량인 음극 활물질을 얻고자 하기 위해서는 비정질 탄소재 또는 탄소재료를 대체할 수 있는 신규재료의 개발을 진행시킬 필요가 있다.However, graphite, which is one of the negative electrode active materials of a lithium secondary battery, has a theoretical capacity of 372 mAh / g. However, in order to obtain a higher capacity negative electrode active material, graphite has been developed to replace amorphous carbon materials or carbon materials. It is necessary to proceed.

흑연을 대체할 수 있는 신규재료로서는 종래부터 규소나 그 화합물이 검토되어 오고 있다. 규소나 그 화합물은 규소자체가 리튬과 합금을 형성하고, 흑연보다도 큰 전기용량을 나타내는 것으로 알려져 있다.Silicon and its compound have been examined conventionally as a novel material which can replace graphite. Silicon and its compounds are known to form an alloy with lithium and exhibit a larger capacitance than graphite.

그래서 최근에는 리튬 이차 전지의 음극 재료로서, (1)흑연에 규소화합물의 분말을 단순히 혼합한 재료, (2)실란커플링제 등을 이용하여 흑연표면에 미분발의 규소화합물 등을 화학적으로 고정한 재료, (3)흑연계탄소물질과 Si 등의 금속물질을 비정질인 탄소물질로 결합 또는 피복한 재료가 제안되고 있다.Therefore, recently, as a negative electrode material of a lithium secondary battery, (1) a material in which a silicon compound powder is simply mixed with graphite, (2) a fine powder silicon compound or the like is chemically fixed on the graphite surface by using a silane coupling agent or the like, (3) A material in which a graphite carbon material and a metal material such as Si is bonded or coated with an amorphous carbon material has been proposed.

그러나, 상기한 (1)흑연에 규소화합물의 분말을 단순히 혼합한 재료는 흑연과 규소화합물이 반드시 밀착되어 있지 않기 때문에, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 흑연이 팽창??수축했을 때에 규소화합물이 흑연으로부터 유리되며, 이 규소화합물 자체가 전자전도성이 낮기 때문에, 규소화합물이 음극 활물질로서 충분히 이용되지 않게 되어, 리튬 이차 전지의 사이클특성이 저하된다는 문제점이 있다.However, since the graphite and silicon compound are not necessarily in close contact with each other in the above-mentioned (1) graphite, the silicon compound powder is graphite when the graphite expands and shrinks as the charge and discharge cycle proceeds. Since the silicon compound itself has low electron conductivity, the silicon compound is not sufficiently used as a negative electrode active material, and there is a problem that the cycle characteristics of the lithium secondary battery are lowered.

또한 상기한 (2)실란커플링제 등을 이용하여 흑연표면에 미분발의 규소화합물 등을 화학적으로 고정한 재료는 충방전 사이클이 초기중에는 흑연에 규소화합물이 밀착된 상태로 유지되어 규소화합물이 흑연과 같이 음극 활물질로서 기능하지만, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 리튬과의 합금형성에 따라 규소화합물 자체가 팽창하여, 이에 따라 실란커플링제에 의한 결합을 파괴하여 규소화합물이 흑연으로부터 유리되어, 규소화합물이 음극 활물질로서 충분히 이용될 수 없어서, 리튬 이차 전지의 사이클특성이 저하된다는 문제점이 있다. 또한 음극 재료 제조시에 실란커플링 처리가 균질하게 행해지지 않는 경우가 있어, 안정된 품질의 음극 재료를 용이하게 제조할 수 없다는 문제점이 있다.In addition, the above-mentioned material (2) chemically fixing finely powdered silicon compound on the graphite surface by using a silane coupling agent or the like is maintained in a state in which the silicon compound is in close contact with the graphite during the initial charge and discharge cycle. It functions as a negative electrode active material, but as the charge and discharge cycle progresses, the silicon compound itself expands as the alloy with lithium forms, thereby destroying the bond by the silane coupling agent, thereby releasing the silicon compound from the graphite, and the silicon compound as the negative electrode. There is a problem that the cycle characteristics of the lithium secondary battery may be lowered because it cannot be sufficiently used as an active material. In addition, the silane coupling treatment may not be performed homogeneously at the time of manufacturing the negative electrode material, and there is a problem that a negative electrode material of stable quality cannot be easily produced.

또한 상기한 (3)흑연계 탄소물질과 Si 등의 금속물질을 비정질인 탄소물질로 결합 또는 피복한 재료는 (2)실란커플링제 등을 이용하여 흑연표면에 미분발의 규소화합물 등을 화학적으로 고정한 재료의 상기 문제점과 동일한 문제점이 있다. 즉, 충방전 사이클이 진행되면, 리튬과의 합금형성에 따른 금속물질 자체의 팽창에 의해 비정질 탄소물질에 의한 결합이 파괴되어 금속물질이 흑연계 탄소물질로부터 유리되어, 금속물질이 음극 활물질로서 충분히 이용되지 않게 되어, 사이클특성이저하된다는 문제점이 있었다.In addition, (3) the material which combines or coats the graphite-based carbon material and metal materials such as Si with an amorphous carbon material is (2) chemically fixing finely divided silicon compounds or the like on the graphite surface using a silane coupling agent or the like. There is the same problem as the above problem of the material. That is, as the charge and discharge cycle proceeds, the bond by the amorphous carbon material is broken by the expansion of the metal material itself due to the alloy formation with lithium, and the metal material is released from the graphite carbon material, so that the metal material is sufficiently used as the negative electrode active material. There was a problem that it was not used and the cycle characteristics were deteriorated.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 충방전 용량이 높으면서 동시에 사이클특성이 우수한 탄소질 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a carbonaceous material having high charge and discharge capacity and excellent cycle characteristics.

또한 본 발명은 상기 탄소질 재료를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Moreover, an object of this invention is to provide the lithium secondary battery containing the said carbonaceous material.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소질 재료의 일예를 나타내는 단면모식도이다.1 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of a carbonaceous material according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소질 재료의 일예를 나타내는 단면모식도이다.2 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of a carbonaceous material according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소질 재료의 일예를 나타내는 단면모식도이다.3 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of a carbonaceous material according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소질 재료의 일예를 나타내는 단면모식도이다.4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a carbonaceous material according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소질 재료에 포함되는 복합입자의 일예를 나타내는 단면모식도이다.Figure 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the composite particles contained in the carbonaceous material according to an embodiment of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1 : 탄소질 재료2 : 흑연입자1 carbonaceous material 2 graphite particles

3 : 복합입자4 : 비정질 탄소막3: composite particle 4: amorphous carbon film

5 : Si 미립자6 : 도전성 탄소재5: Si fine particles 6: Conductive carbon material

7 : 경질탄소막7: hard carbon film

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소질 재료는 하기 구성을 가진다. 본 발명의 탄소질 재료는 X선 광각 회절에 의한 (002) 면의 면간격 d002가 0.337㎚ 미만인 흑연입자의 주위에, 규소 및 탄소를 함유하고 상기 흑연입자보다 입경이 작은 복합입자가 분산 배치되어, 또한 상기 흑연입자 및 복합입자가 0.37㎚ 이상의 면간격 d002를 가지는 비정질 탄소막에 의해서 피복되어 있으며, 상기 복합입자는 결정질 규소로 이루어지는 Si 미립자의 주위에 도전성 탄소재가 배치되고, 상기 Si 미립자 및 상기 도전성 탄소재가 경질탄소막 또는 도전성 고분자막에 의해 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the carbonaceous material of the present invention has the following configuration. In the carbonaceous material of the present invention, composite particles containing silicon and carbon and having a smaller particle size than the graphite particles are dispersed and disposed around graphite particles having an interplanar spacing d002 of the (002) plane by X-ray wide-angle diffraction of less than 0.337 nm. And the graphite particles and the composite particles are covered with an amorphous carbon film having a surface spacing d002 of 0.37 nm or more, wherein the composite particles are disposed with a conductive carbon material around Si fine particles made of crystalline silicon, and the Si fine particles and the conductive A carbon material is covered with a hard carbon film or a conductive polymer film.

또 본 발명에 있어서, 「주위에」는 흑연입자에 대한 복합입자의 위치관계를 나타내는 것으로서, 흑연입자의 「표면상 또는 표면근방」을 의미한다.In addition, in this invention, "periphery" shows the positional relationship of the composite particle with respect to graphite particle, and means "surface or surface vicinity" of graphite particle.

또 「주위에」는 Si 미립자에 대한 도전성 탄소재의 위치관계를 나타내는 것으로서, Si 미립자의 「표면상 또는 표면근방」을 의미한다.In addition, "around" shows the positional relationship of the electroconductive carbon material with respect to Si microparticles | fine-particles, and means "surface or surface vicinity" of Si microparticles | fine-particles.

또한, 「분산 배치」는 복수의 복합입자가 응집하는 일없이 서로 분산된 상태로 흑연입자의 표면에 접합 또는 표면에서 약간 이간되어 위치하고 있는 상태를 의미한다.In addition, "dispersion arrangement" means the state which is located in the state of being bonded to the surface of graphite particle, or a little spaced apart from the surface, in the state disperse | distributed with each other, without aggregate | aggregation of several composite particles.

또한 「피복」은 피복대상입자를 완전히 덮어서 피복대상입자끼리를 결합시키는 상태를 의미한다. 이 경우, 피복대상입자는 반드시 직접 접하고 있지 않고 있더라도 좋다.In addition, "coating" means the state which covers a to-be-covered particle completely and couples a to-be-covered particle. In this case, the particles to be coated may not necessarily be in direct contact with each other.

구체적으로는, 흑연입자 및 복합입자를 비정질 탄소막에 의해서 피복한다는 흑연 및 복합입자를 비정질 탄소막에 의해서 완전히 덮어 흑연입자와 복합입자를 결합시키는 것이나, 비정질 탄소막 중에 복합입자를 배치하여 흑연입자의 표면에 근접시키는 것을 의미한다.Specifically, the graphite particles and the composite particles which cover the graphite particles and the composite particles with the amorphous carbon film are completely covered with the amorphous carbon film to bond the graphite particles and the composite particles, or the composite particles are arranged in the amorphous carbon film to the surface of the graphite particles. It means to be close.

마찬가지로, Si 미립자 및 도전성 탄소재를 경질탄소막 또는 도전성 고분자막에 의해서 피복한다는 것은, Si 미립자 및 도전성 탄소재를 경질탄소막 또는 도전성 고분자막에 의해서 완전히 덮어, Si 미립자와 도전성 탄소재를 결합시키는 것이나, 경질탄소막 또는 도전성 고분자막 중에 도전성 탄소재를 배치하여 Si 미립자표면에 근접시키는 것을 의미한다.Similarly, covering the Si fine particles and the conductive carbon material with the hard carbon film or the conductive polymer film completely covers the Si fine particles and the conductive carbon material with the hard carbon film or the conductive polymer film to bond the Si fine particles with the conductive carbon material or the hard carbon film. Alternatively, it means that the conductive carbon material is disposed in the conductive polymer film to approach the surface of the Si fine particles.

이러한 탄소질 재료에서는 흑연입자 및 Si 미립자가 Li을 흡장하기 때문에 흑연입자를 단독으로 사용하는 경우보다 충방전 용량이 향상된다.In such carbonaceous materials, since the graphite particles and the Si fine particles occlude Li, the charge and discharge capacity is improved compared with the case where the graphite particles are used alone.

또한 흑연입자에 대하여, 고비저항인 Si 미립자의 주위에 도전성 탄소재를 배치하는 것으로, Si 미립자의 도전성을 겉보기상 향상시킬 수 있다.Moreover, electroconductivity of Si microparticles | fine-particles can be improved apparently by arrange | positioning a conductive carbon material around Si microparticles | fine-particles which are high specific resistance with respect to graphite particle | grains.

또한 Si 미립자를 경질탄소막 또는 도전성 고분자막으로 피복함으로써, Li의 흡장·방출에 따르는 Si 미립자의 체적팽창·수축이 기계적으로 억제된다.In addition, by covering the Si fine particles with a hard carbon film or a conductive polymer film, volume expansion and contraction of the Si fine particles due to occlusion and release of Li are mechanically suppressed.

또한, 흑연입자와 복합입자를 비정질 탄소막으로 덮으면 흑연입자가 직접적으로 전해액에 닿지 않아서 전해액 분해가 억제됨과 동시에, 복합입자가 흑연입자로부터 탈락하는 일이 없고, 또한 충전에 의한 체적팽창에 기인하는 Si 미립자의 미분화를 방지한다.In addition, when the graphite particles and the composite particles are covered with an amorphous carbon film, the graphite particles do not directly contact the electrolyte solution, so that decomposition of the electrolyte solution is suppressed, and the composite particles do not drop off from the graphite particles and Si due to volume expansion due to filling Prevents micronization of particulates.

상기한 바와 같이, 본 발명의 탄소질 재료로서 충방전 용량을 높게 함과 동시에 Si 미립자의 체적팽창 및 복합입자의 탈락, 및 충전에 의한 체적팽창에 기인하는 Si 미립자의 미분화를 억제하여, 사이클특성의 저하를 방지할 수 있게 된다.As described above, as the carbonaceous material of the present invention, the charge and discharge capacity is increased, and the microparticles of the Si fine particles due to the volume expansion of the Si fine particles, the dropping of the composite particles, and the volume expansion due to the filling are suppressed, and the cycle characteristics are suppressed. Can be prevented from deteriorating.

또한, 본 발명의 탄소질 재료는 상기 흑연입자의 입경이 2㎛ 이상 70㎛ 이항의 범위에 있고, 상기 복합입자의 입경이 50㎚ 이상 2㎛ 이하의 범위에 있고, 상기 비정질 탄소막의 막 두께가 50㎚ 이상 5㎛ 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.In addition, in the carbonaceous material of the present invention, the particle diameter of the graphite particles is in the range of 2 µm to 70 µm, the particle diameter of the composite particles is in the range of 50 nm to 2 µm, and the film thickness of the amorphous carbon film is It is characterized by being in the range of 50 nm or more and 5 micrometers or less.

흑연입자의 입경이 2㎛ 미만인 경우에는, 흑연입자의 입경이 복합입자의 입경보다 상대적으로 작아져, 복합입자를 흑연입자의 표면에 균일하게 부착시키기 어렵기 때문에 바람직하지 않고, 입경이 70㎛ 이상이면 집전체와의 밀착성이 저하됨과 동시에 전극내의 공극도 커지기 때문에 바람직하지 않다.If the particle diameter of the graphite particles is less than 2 μm, the particle diameter of the graphite particles is relatively smaller than the particle diameter of the composite particles, and it is not preferable because the composite particles are difficult to adhere uniformly to the surface of the graphite particles, and the particle diameter is 70 μm or more. It is not preferable because the back surface is inferior in adhesion to the current collector and also in the voids in the electrode.

또한, 복합입자의 입경을 50㎚ 이상 2㎛ 이하, 바람직하게는 50㎚ 이상 500㎚ 이하로 하는 것이 바람직한데, 흑연입자의 표면에 복합입자를 분산 배치시키기 위해서, 복합입자의 입경을 흑연입자의 최소 입경인 2㎛ 이하로 할 필요가 있기 때문이며, 또 입경을 500㎚ 이하로 하면 팽창·수축에 의한 복합입자의 체적변화를 작게 할 수 있기 때문이다. 또한 입경이 50㎚ 이하에서는 복합입자에 포함되는 Si미립자의 결정구조의 분리가 커져, Li 흡장량이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.In addition, the particle diameter of the composite particles is preferably 50 nm or more and 2 μm or less, preferably 50 nm or more and 500 nm or less. In order to disperse and arrange the composite particles on the surface of the graphite particles, the particle size of the composite particles may be It is because it is necessary to set it as 2 micrometers or less which is the minimum particle diameter, and when the particle diameter is 500 nm or less, the volume change of the composite particle by expansion and contraction can be made small. In addition, when the particle size is 50 nm or less, the separation of the crystal structure of the Si fine particles contained in the composite particles becomes large, which is not preferable because the amount of Li occlusion decreases.

또한, 비정질 탄소막의 막 두께를 50㎚ 미만으로 하면, 흑연입자가 비정질 탄소막에 의해서 완전히 피복되지 않을 우려가 있고, 흑연입자로부터의 복합입자의 탈락을 방지할 수 없게 됨과 동시에 전해액분해를 방지할 수 없게 될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않고, 막 두께가 5㎛를 넘으면, 리튬이온이 흑연입자까지 도달하지 않고, Li 이온의 흡장량이 저하되고 충방전 용량이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.If the film thickness of the amorphous carbon film is less than 50 nm, the graphite particles may not be completely covered by the amorphous carbon film, and the dropping of the composite particles from the graphite particles cannot be prevented, and at the same time, electrolytic solution decomposition can be prevented. It is not preferable because there is a possibility that it may be absent, and when the film thickness exceeds 5 µm, lithium ions do not reach the graphite particles, and the storage amount of Li ions decreases and the charge / discharge capacity decreases.

또한 본 발명의 탄소질 재료는 상기 Si 미립자의 입경이 10㎚ 이상 2㎚ 미만의 범위에 있고, 상기 도전성 탄소재의 비저항이 10-4Ω·m 이하이며, 상기 경질탄소막 또는 도전성 고분자막의 굽힘 강도가 500 ㎏/㎠ 이상이고 막 두께가 10㎚ 이상 1㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.In addition, the carbonaceous material of the present invention has a particle diameter of the Si fine particles in the range of 10 nm or more and less than 2 nm, the specific resistance of the conductive carbon material is 10 -4 Ω · m or less, the bending strength of the hard carbon film or conductive polymer film Is 500 kg / cm 2 or more and the film thickness is 10 nm or more and 1 m or less.

Si 미립자의 입경을 10㎚ 이상으로 하는 것은 Si 미립자의 결정구조의 붕괴를 방지하고, Li 흡장량을 향상시키기 위해서이며, 입경을 2㎛ 미만으로 하는 것은, 복합입자의 입경을 흑연입자의 최소입경인 2㎛보다 작게 하기 위해서이다.The particle diameter of the Si fine particles is 10 nm or more to prevent the collapse of the crystal structure of the Si fine particles and to improve the amount of Li occlusion. The particle size of the particle diameter is less than 2 m, the particle diameter of the composite particles is the minimum particle diameter of the graphite particles. It is for making it smaller than 2 micrometers of phosphorus.

또한 도전성 탄소재의 비저항을 10-4Ω·m 이하로 하는 것은, Si 미립자에 충분한 도전성을 부여하기 위해서이다.The specific resistance of the conductive carbon material is set to 10 −4 Ω · m or less in order to impart sufficient conductivity to the Si fine particles.

또한 경질탄소막 또는 도전성 고분자막의 굽힘 강도를 500 ㎏/㎠ 이상으로 하는 것은, Li의 흡장·방출에 따르는 Si 미립자의 팽창·수축을 기계적으로 눌러 체적변화를 작게 하기 위해서이며, 경질탄소막 또는 도전성 고분자막의 막 두께를10㎚ 이상 1㎛ 이하로 하는 것은, 막 두께가 10㎚ 미만이면 도전성 탄소재와 Si 미립자와의 결착력이 저하됨과 동시에 복합입자의 체적팽창을 억제하는 효과가 없어져 바람직하지 않기 때문이며, 막 두께가 1㎛ 이상이면, 리튬 이온이 Si 미립자까지 도달하지 않고, 충방전 용량이 저하되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.In addition, the bending strength of the hard carbon film or the conductive polymer film is set to 500 kg / cm 2 or more to reduce the volume change by mechanically pressing the expansion and contraction of the Si fine particles caused by the occlusion and release of Li. The film thickness is not less than 10 nm and not more than 1 µm because the binding strength between the conductive carbon material and the Si fine particles is lowered when the film thickness is less than 10 nm and the effect of suppressing the volume expansion of the composite particles is not preferable. When the thickness is 1 µm or more, lithium ions do not reach the Si fine particles and the charge and discharge capacity is lowered, which is not preferable.

또한 본 발명의 리튬 이차 전지용 탄소질 재료는 상기 복합입자의 함유량이 1 중량% 이상 25 중량% 이하인 것을 특징으로 한다. 복합입자의 함유량이 1 중량% 미만인 경우에는, 탄소재료만을 활물질로 한 경우보다 높은 충방전 용량을 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 복합입자의 함유량이 25 중량%를 넘으면, 탄소재료부분의 기여가 적어져, 방전초기에서 Si의 반응전위가까이까지 전압이 증가하여 버리기 때문에 바람직하지 않고, 또한, 복합입자사이의 거리가 좁아지고 재응집화하여 Si 미립자에 의한 체적팽창·수축이 일어나기 쉬워 사이클특성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.In addition, the carbonaceous material for a lithium secondary battery of the present invention is characterized in that the content of the composite particles is 1% by weight or more and 25% by weight or less. When the content of the composite particles is less than 1% by weight, it is not preferable because the charge / discharge capacity higher than that in which only the carbon material is used as the active material can be obtained. On the other hand, when the content of the composite particles exceeds 25% by weight, the contribution of the carbon material portion decreases, and since the voltage increases from the initial discharge to the reaction potential of Si, it is not preferable, and the distance between the composite particles is narrow. It is not preferable because it is highly reagglomerated to cause volume expansion and contraction by the Si fine particles and the cycle characteristics are lowered.

다음에 본 발명의 리튬 이차 전지는 상기한 탄소질 재료를 구비하는 것을 특징으로 한다.Next, the lithium secondary battery of the present invention is characterized by comprising the above carbonaceous material.

이러한 리튬 이차 전지는, 예를 들면, 양극, 전해질, 및 상기의 음극재료를 가지는 음극을 적어도 가지는 것으로, 원통모양, 각형, 코인형 또는 시트형 등의 여러 가지 형상으로 이루어진다. 본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 형태에 한정되는 것이 아니라, 이 외의 형태로 이루어지는 수도 있다.Such a lithium secondary battery has at least a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode having the above negative electrode material, and has various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a sheet shape. The lithium secondary battery of the present invention is not limited to the above embodiment, but may be formed in other forms.

이러한 리튬 이차 전지에 의하면, 에너지 밀도가 높고, 사이클특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구성할 수가 있다.According to such a lithium secondary battery, a lithium secondary battery having high energy density and excellent cycle characteristics can be constituted.

이하 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하여 설명한다.Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 리튬 이차 전지용 탄소질 재료의 단면모식도이다. 이 탄소질 재료는 흑연입자의 주위에 복합입자가 분산 배치되고, 또한 흑연입자와 복합입자가 비정질 탄소막에 의해서 피복되어 있다.1-4 is a cross-sectional schematic diagram of the carbonaceous material for lithium secondary batteries of this invention. In this carbonaceous material, composite particles are dispersed and disposed around graphite particles, and graphite particles and composite particles are covered with an amorphous carbon film.

여기에서, 「주위에」는 흑연입자에 대한 복합입자의 위치관계를 나타내는 것으로서, 흑연입자의 「표면상 또는 표면근방」을 의미한다. 즉, 복합입자가 흑연입자의 표면에 접합한 상태와 복합입자가 흑연입자의 표면에서 떨어져 흑연입자의 주위에 위치하는 것을 포함한다.Here, "around" shows the positional relationship of composite particles with respect to graphite particles, and means "on or near surface" of the graphite particles. That is, the state in which the composite particles are bonded to the surface of the graphite particles and the composite particles are separated from the surface of the graphite particles and are positioned around the graphite particles.

「분산 배치」는 복수의 복합입자가 서로 분산된 상태로 흑연입자의 표면에 접합 또는 표면에서 약간 떨어져 위치하고 있는 상태를 의미한다. 또한 복합입자끼리 응집하지 않은 정도로 서로 접촉하고 있더라도 된다."Dispersed arrangement" means a state in which a plurality of composite particles are dispersed from each other and bonded to the surface of the graphite particles or located slightly apart from the surface. The composite particles may be in contact with each other to such an extent that they do not aggregate.

「피복」은 피복대상입자를 완전히 덮어 피복대상입자끼리를 결합시키는 상태를 의미한다. 이 경우, 피복대상입자는 반드시 직접 접하지 않고 있더라도 좋다."Coating" means a state in which the particles to be covered are completely covered and the particles to be coated are bonded to each other. In this case, the particles to be coated may not necessarily be in direct contact with each other.

구체적으로 흑연입자 및 복합입자를 비정질 탄소막에 의해서 피복한다는 것은 흑연 및 복합입자를 비정질 탄소막에 의해서 완전히 덮어 흑연입자와 복합입자를 결합시키는 것이나, 비정질 탄소막 중에 복합입자를 배치하여 흑연입자 표면에 근접시키는 것을 의미한다.Specifically, coating the graphite particles and the composite particles with the amorphous carbon film completely covers the graphite and the composite particles with the amorphous carbon film to bond the graphite particles and the composite particles, or arranges the composite particles in the amorphous carbon film to approach the surface of the graphite particles. Means that.

따라서 본 발명의 탄소질 재료에는 이하에 나타내는 것 같은 여러 가지 형태의 것이 포함된다.Therefore, the carbonaceous material of the present invention includes various forms as shown below.

예를 들면, 도 1에 나타내는 탄소질 재료(1)은 흑연입자(2)의 표면에 복수의 복합입자(3)이 서로 분산된 상태로 접합하여, 비정질 탄소막(4)이 복합입자(3)의 입경보다도 작게 또한 균일한 막 두께로 흑연입자(2)와 복합입자(3)를 피복함으로써 구성된다.For example, the carbonaceous material 1 shown in FIG. 1 is bonded to the surface of the graphite particles 2 in a state in which the plurality of composite particles 3 are dispersed with each other, and the amorphous carbon film 4 is formed of the composite particles 3. The graphite particles 2 and the composite particles 3 are formed to have a uniform film thickness smaller than the particle diameter of.

또한, 도 2에 나타내는 탄소질 재료(1)는 복수의 흑연입자(2)의 표면에 복수의 복합입자(3)가 서로 분산된 상태로 접합하여, 비정질 탄소막(4)이 복합입자(3)의 입경보다도 크게 또한 균일한 막 두께로 흑연입자(2)와 복합입자(3)를 덮도록 형성되어 있고, 이 비정질 탄소막(4)에 의해서 복수의 흑연입자(2)가 결합되어 구성된다. 도 2는 2개 또는 3개의 흑연입자(2)가 비정질 탄소막(4)에 의해서 결합되어 있는 상태를 나타내지만, 이에 한정되지 않고 4개 이상의 흑연입자(2)가 비정질 탄소막(4)에 의해서 결합되어 있더라도 좋다.In addition, the carbonaceous material 1 shown in FIG. 2 is bonded to the surfaces of the plurality of graphite particles 2 in a state in which the plurality of composite particles 3 are dispersed with each other, such that the amorphous carbon film 4 has the composite particles 3. It is formed so as to cover the graphite particles 2 and the composite particles 3 to have a uniform film thickness larger than the particle diameter of. The amorphous carbon film 4 combines the plurality of graphite particles 2. 2 shows a state in which two or three graphite particles 2 are bonded by an amorphous carbon film 4, but the present invention is not limited thereto, and four or more graphite particles 2 are bonded by an amorphous carbon film 4. It may be.

또한, 도 3에 나타내는 탄소질 재료(1)는 흑연입자(2)의 표면에 복수의 복합입자(3)가 서로 분산된 상태로 접합하여, 비정질 탄소막(4)에 이 흑연입자(2)와 복합입자(3)를 피복함으로써 구성된다. 도 3에 나타내는 비정질 탄소막(4)의 막 두께는 불균일하며, 예를 들면, 흑연입자(2)만을 덮는 부분으로서는 복합입자(3)의 입경보다 크게 설정되어, 복합입자(3)를 덮는 부분으로서는 복합입자(3)의 입경보다 작게 설정되어 있다.In addition, the carbonaceous material 1 shown in FIG. 3 is bonded to the surface of the graphite particles 2 in a state in which a plurality of composite particles 3 are dispersed with each other, and the graphite particles 2 and the graphite particles 2 are bonded to the amorphous carbon film 4. It is comprised by covering the composite particle 3. The film thickness of the amorphous carbon film 4 shown in FIG. 3 is nonuniform, for example, as a part which covers only the graphite particle 2, it is set larger than the particle diameter of the composite particle 3, and as a part which covers the composite particle 3 is shown. It is set smaller than the particle diameter of the composite particle 3.

또한, 도 4에 나타내는 탄소질 재료(1)는 흑연입자(2)의 표면에 복수의 복합입자(3)가 서로 분산된 상태로 접합하여 비정질 탄소막(4)이 흑연입자(2)와 복합입자(3)를 피복함으로써 구성된다. 도 4에 나타내는 비정질 탄소막(4)의 막 두께는불균일이며, 예를 들면, 흑연입자(2)만을 덮는 부분으로서는 복합입자(3)의 입경보다도 크게 설정되어 있고, 복합입자(3)를 덮는 부분으로서는 복합입자(3)의 입경보다도 작게 설정되어 있고, 또한 비정질 탄소막(4)의 표면은 복합입자(3)의 형상과무관하게, 요철이 없는 매끄러운 면에 형성되어 있다.In addition, the carbonaceous material 1 shown in FIG. 4 is bonded to the surface of the graphite particles 2 in a state in which a plurality of composite particles 3 are dispersed with each other, such that the amorphous carbon film 4 has the graphite particles 2 and the composite particles. It is comprised by covering (3). The film thickness of the amorphous carbon film 4 shown in FIG. 4 is nonuniform, for example, as a part which covers only the graphite particle 2, it is set larger than the particle diameter of the composite particle 3, and the part which covers the composite particle 3 is shown. It is set smaller than the particle size of the composite grain | particle 3, and the surface of the amorphous carbon film 4 is formed in the smooth surface without unevenness | corrugation regardless of the shape of the composite grain | particle 3. As shown in FIG.

본 발명의 탄소질 재료는 도 1 내지 도 4에 나타낸 것에 한정되지 않고, 상기의 용어의 정의를 만족하는 한, 어떠한 것이라도 좋다.The carbonaceous material of the present invention is not limited to that shown in Figs. 1 to 4, and may be any one as long as the definition of the term is satisfied.

탄소질 재료에 포함되는 흑연입자(2)는 X선 광각 회절에 의한 (002)면의 면간격 d002가 0.335㎚ 이상 0.337㎚ 미만으로 된 것을 이용하는 것이 바람직하고, 0.335㎚ 이상 0.337㎚ 미만의 것이 보다 바람직하다.As the graphite particles 2 contained in the carbonaceous material, those having an interplanar spacing d002 of the (002) plane by X-ray wide-angle diffraction are preferably 0.335 nm or more and less than 0.337 nm, and more preferably 0.335 nm or more and less than 0.337 nm. desirable.

면간격 d002가 0.337㎚ 이상으로서는 흑연입자의 결정성이 저하되어, 초기 비가역용량이 현저히 증가하고 흑연입자의 전자전도성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.An interplanar spacing d002 of 0.337 nm or more is not preferable because the crystallinity of the graphite particles decreases, the initial irreversible capacity increases markedly, and the electron conductivity of the graphite particles decreases.

또한, 흑연입자의 입경은 2㎛ 이상 70㎛ 이하의 범위가 바람직하다. 흑연입자(2)의 입경이 2㎛ 미만일 경우에는 흑연입자(2)의 입경이 복합입자(3)의 입경보다 상대적으로 작아져, 복합입자(3)를 흑연입자(2)의 표면에 균일하게 부착시키기 어렵게 되기 때문에 바람직하지 않고, 입경이 70㎛ 이상이면 탄소질 재료와 집전체 등과의 밀착성이 저하되고, 전지의 전극내의 공극도 커지기 때문에 바람직하지 않다.Moreover, the particle diameter of graphite particle has the preferable range of 2 micrometers or more and 70 micrometers or less. When the particle diameter of the graphite particles 2 is less than 2 μm, the particle diameter of the graphite particles 2 becomes relatively smaller than that of the composite particles 3, so that the composite particles 3 are uniformly formed on the surface of the graphite particles 2. It is not preferable because it becomes difficult to adhere, and if the particle diameter is 70 µm or more, the adhesion between the carbonaceous material and the current collector is lowered, and the voids in the electrode of the battery also become large, which is not preferable.

다음에, 비정질 탄소막(4)는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 흑연입자(2) 및 복합입자(3)를 덮고, 복합입자(3)를 흑연입자(2)의 표면상에 부착시키고 있다. 이 비정질 탄소막(4)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 흑연입자(2)들끼리 결합시키는 작용도 한다.Next, the amorphous carbon film 4 covers the graphite particles 2 and the composite particles 3, as shown in FIGS. 1 to 4, and attaches the composite particles 3 to the surface of the graphite particles 2. I'm making it. As shown in FIG. 2, this amorphous carbon film 4 also serves to bond the graphite particles 2 together.

이 비정질 탄소막 (4)는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 비닐계 수지, 셀룰로오즈계 수지, 페놀계 수지, 석탄계 핏치 재료, 석유계 핏치 재료, 타르계 재료 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 재료를 열처리하여 얻어진 것으로, 흑연화가 비교적 진행되지 않는 것으로 비정질이며, 0.37㎚ 이상의 면간격 d002를 가지는 것이다. 비정질 탄소막(4)이 비정질이기 때문에 유기전해액이 비정질 탄소막(4)에 닿아도 분해될 우려가 없고, 탄소질 재료(1)의 충방전 효율을 높일 수 있는 비정질 탄소막(4)의 면간격 d002가 0.37㎚ 미만이면, 비정질 탄소막(4)의 결정성이 향상되어 흑연구조에 근접하고, 유기전해액을 분해시켜 버릴 우려가 있어 바람직하지 않다.The amorphous carbon film 4 is heat-treated at least one or more materials selected from the group consisting of thermoplastic resins, thermosetting resins, vinyl resins, cellulose resins, phenolic resins, coal-based pitch materials, petroleum-based pitch materials, tar-based materials, and the like. It is obtained by graphitization, which is relatively non-graphitized, is amorphous, and has a surface spacing d002 of 0.37 nm or more. Since the amorphous carbon film 4 is amorphous, there is no fear that the organic electrolyte will decompose even if it touches the amorphous carbon film 4, and the surface spacing d002 of the amorphous carbon film 4, which can increase the charge and discharge efficiency of the carbonaceous material 1, is If the thickness is less than 0.37 nm, the crystallinity of the amorphous carbon film 4 is improved, which is close to the graphite structure, and may decompose the organic electrolyte solution.

또한, 비정질 탄소막(4)에 의해서 복합입자(3)를 흑연입자(2)의 표면상에 위치시키고 있기 때문에, 비교적 고비저항인 복합입자(3)가 흑연입자(2)로부터 유리되는 것을 방지하여, 충방전 반응에 기여하지 않는 복합입자(3)의 발생을 방지할 수 있다.In addition, since the composite particles 3 are positioned on the surface of the graphite particles 2 by the amorphous carbon film 4, the composite particles 3 having relatively high resistivity are prevented from being released from the graphite particles 2, It is possible to prevent the generation of the composite particles (3) that do not contribute to the charge and discharge reaction.

이 비정질 탄소막(4)은, 예를 들면, 상기의 열가소성 수지, 열경화성 수지 등을 용매 중에 용해시키고, 흑연입자(2)도 투입하여 흑연입자(2)의 표면에 열가소성 수지, 열경화성 수지 등을 석출시키고, 또한 소성하여 얻어진 것이기 때문에, 흑연입자(2) 전체를 완전히 피복시키는 것이 가능하고, 밀도가 비교적 낮아 리튬 이온이 투과하기 쉽기 때문에 흑연입자(2) 및 복합입자(3)와 리튬 이온과의 반응을저해하는 일이 없다.The amorphous carbon film 4 dissolves the thermoplastic resin, the thermosetting resin, and the like in a solvent, and also introduces the graphite particles 2 to precipitate the thermoplastic resin, the thermosetting resin, and the like on the surface of the graphite particles 2. In addition, since the graphite particles 2 can be completely covered with the graphite particles 2, the density of the graphite particles 2 and the composite particles 3 and the lithium ions are easily reduced because the density is relatively low and lithium ions are easily permeable. There is no harm to the reaction.

비정질 탄소막(4)의 막 두께는 50㎚ 이상 5㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하다. 막 두께가 50㎚ 미만이면 흑연입자(2)가 완전히 피복되지 않고, 복합입자(3)가 흑연입자(2)로부터 탈락할 우려가 있어 바람직하지 않고, 막 두께가 5㎛ 이상이면 비가역용량이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.It is preferable that the film thickness of the amorphous carbon film 4 is 50 nm or more and 5 micrometers or less. If the film thickness is less than 50 nm, the graphite particles 2 may not be completely covered, and the composite particles 3 may fall off from the graphite particles 2, which is not preferable. If the film thickness is 5 µm or more, the irreversible capacity increases. It is not preferable because

다음에, 복합입자(3)는 도 5에 도시한 바와 같이, Si 미립자(5)의 주위에 도전성 탄소재(6)가 배치되고 Si 미립자(5)와 도전성 탄소재(6)가 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막에 의해서 피복되어 이루어지는 것이다.Next, as shown in FIG. 5, the conductive particles 3 are disposed around the Si fine particles 5, and the Si fine particles 5 and the conductive carbon material 6 are formed of a hard carbon film (as shown in FIG. 5). 7) or it is covered with a conductive polymer film.

여기에서,「주위에」는 Si 미립자(5)에 대한 도전성 탄소재(6)의 위치관계를 나타내는 것으로서, Si 미립자의 「표면상 또는 표면근방」을 의미한다. 즉, 도전성 탄소재(6)가 Si 미립자(5)의 표면에 접합한 상태와 도전성 탄소재(6)가 Si 미립자(5)의 표면에서 떨어져 Si 미립자(5)의 주위에 위치하는 것을 포함한다.Here, "around" shows the positional relationship of the electroconductive carbon material 6 with respect to Si microparticles | fine-particles 5, and means "surface or surface vicinity" of Si microparticles | fine-particles. That is, the state in which the conductive carbon material 6 is bonded to the surface of the Si fine particles 5 and the conductive carbon material 6 are separated from the surface of the Si fine particles 5 are located around the Si fine particles 5. .

또, Si 미립자(5)와 도전성 탄소재(6)를 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막에 의해서 피복한다는 것은 Si 미립자(5) 및 도전성 탄소재(6)를 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막에 의해서 완전히 덮어 Si 미립자(5)와 도전성 탄소재(6)를 결합시키는 것이나, 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막 중에 도전성 탄소재(6)를 배치하여 Si 미립자(5) 표면에 근접시키는 것을 포함한다.In addition, coating the Si fine particles 5 and the conductive carbon material 6 with the hard carbon film 7 or the conductive polymer film means that the Si fine particles 5 and the conductive carbon material 6 are coated with the hard carbon film 7 or the conductive polymer film. Covering the silicon fine particles 5 and the conductive carbon material 6 completely, or arranging the conductive carbon material 6 in the hard carbon film 7 or the conductive polymer film and bringing the conductive carbon material 6 into close proximity to the surface of the Si fine particles 5. .

복합입자(3)의 입경은 50㎚ 이상 2㎛ 이하의 범위가 바람직하고, 50㎚ 이상 500㎚ 이하의 범위가 보다 바람직하다.The range of 50 nm or more and 2 micrometers or less is preferable, and, as for the particle diameter of the composite particle 3, the range of 50 nm or more and 500 nm or less is more preferable.

복합입자(3)의 입경을 2㎛ 이하로 하는 것은 흑연입자(2)의 표면에복합입자(3)를 분산 배치시키기 위해서는 복합입자(3)의 입경을 흑연입자(2)의 최소입경인 2㎛이하로 할 필요가 있기 때문이고, 입경을 500㎚ 이하로 하면 리튬의 흡장·방출에 따르는 Si 미립자(5)의 팽창·수축에 의한 체적변화를 작게 할 수 있기 때문이다. 또한 입경의 하한치를 50㎚ 이상으로 하는 이유는 50㎚ 이하에서는 복합입자(3)에 포함되는 Si 미립자(5)의 결정구조의 붕괴가 커지고, 리튬 흡장량이 저하되어 충방전 용량이 적어질 우려가 있기 때문이다.In order to disperse and arrange the composite particles 3 on the surface of the graphite particles 2, the particle size of the composite particles 3 is 2 μm or less. The particle size of the composite particles 3 is 2, which is the minimum particle size of the graphite particles 2. This is because it is necessary to set the particle size to 500 nm or less, and when the particle diameter is 500 nm or less, the volume change due to expansion and contraction of the Si fine particles 5 due to occlusion and release of lithium can be reduced. The lower limit of the particle size is 50 nm or more because the crystal structure of the Si fine particles 5 contained in the composite particles 3 becomes larger when the particle size is 50 nm or less, and the lithium occlusion amount is lowered, thereby reducing the charge and discharge capacity. Because there is.

Si 미립자(5)는 결정질규소로 이루어진 것이며, 입경이 10㎚ 이상 2㎛ 미만의 범위의 것이다.Si microparticles | fine-particles 5 consist of crystalline silicon, and are a thing of the range whose particle diameter is 10 nm or more and less than 2 micrometers.

규소는 리튬과 합금을 형성하는 원소이며, 이 규소로 이루어지는 Si 미립자(5)에 리튬 이온이 작용하면, Si 미립자(5)의 표면 또는 Si 미립자(5)의 내부에 있는 공극 부분에 리튬이 삽입되어 합금을 형성하고, 이것에 의해 Si 미립자(5) 자체가 팽창한다. 여기서, Si 미립자(5)의 결정성이 저하되면 리튬과의 합금형성능이 저하되어 충방전 용량이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.Silicon is an element which forms an alloy with lithium, and when lithium ion acts on the Si microparticles | fine-particles 5 which consist of this silicon, lithium inserts into the space | gap part of the surface of Si microparticles 5 or the inside of Si microparticles | fine-particles 5 To form an alloy, whereby the Si fine particles 5 themselves expand. Here, when the crystallinity of the Si microparticles | fine-particles 5 falls, since alloy formation ability with lithium falls and a charge / discharge capacity falls, it is unpreferable.

또한, Si 미립자(5)의 입경을 10㎚ 이상으로 하는 것은 Si 미립자(5)의 결정구조의 붕괴를 방지하여 Li 흡장량을 향상시키기 위해서이며, 입경을 2㎛ 미만으로 하는 것은 복합입자(3)의 입경을 흑연입자(2)의 최소입경인 2 ㎛보다 적게 해야 하기 때문이다.In addition, the particle size of the Si fine particles 5 is 10 nm or more in order to prevent the collapse of the crystal structure of the Si fine particles 5 and improve the amount of Li occlusion. This is because the particle diameter of the c) should be smaller than 2 µm, which is the minimum particle diameter of the graphite particles 2.

도전성 탄소재(6)는 Si 미립자(5)의 표면상 또는 표면근방에 배치되어 이루어지는 것으로, 도 5에서 Si 미립자(5)의 주위에 입자상의 도전성 탄소재(6)가 배치되어 있지만, 도전성 탄소재(6)의 형상은 입자상에 한정되지 않고, 막형, 층형,섬유형 등의 여러 가지 형태라도 된다. 도전성 탄소재(6)는 반도체인 Si 미립자(5)의 표면에 배치되어 Si 미립자(5)에 겉보기상의 도전성을 부여한다. 이 도전성 탄소재(6)의 비저항은 10-4Ω·m 이하의 범위가 바람직하다. 비저항이 10-4Ω·m 이상이면 Si 미립자(5)의 겉보기상의 도전성이 저하되어 Si 미립자(5)에 대한 리튬 이온의 충방전 반응이 원활히 진행하지 않고, 탄소질 재료의 충방전 용량을 향상시킬 수 없어 바람직하지 않다. 도전성 탄소재(6)으로서는 카본블랙, 케첸블랙, 기상성장 탄소섬유(VGCF) 등을 예로 들 수 있다.The conductive carbon material 6 is disposed on or near the surface of the Si fine particles 5. In FIG. 5, the conductive carbon material 6 is disposed around the Si fine particles 5, but the conductive carbon material 6 is disposed. The shape of the raw material 6 is not limited to particles, and may be various shapes such as a film, a layer, and a fiber. The electroconductive carbon material 6 is arrange | positioned on the surface of Si microparticles | fine-particles 5 which are semiconductors, and give an apparent conductivity to Si microparticles | fine-particles 5. The specific resistance of this conductive carbon material 6 is preferably in the range of 10 −4 Ω · m or less. When the specific resistance is 10 −4 Ω · m or more, the apparent conductivity of the Si fine particles 5 is lowered, and the charge and discharge reaction of lithium ions to the Si fine particles 5 does not proceed smoothly, and the charge and discharge capacity of the carbonaceous material is improved. It is not preferable because it cannot be made. Examples of the conductive carbon material 6 include carbon black, Ketjen black, and vapor-grown carbon fiber (VGCF).

경질탄소막(7)은 Si 미립자(5) 및 도전성 탄소재(6)를 덮고 도전성 탄소재(6)를 Si 미립자(5)의 표면상에 배치시키고 있다. 또한 경질탄소막(7) 대신 도전성 고분자막에 의해서도 Si 미립자(5) 및 도전성 탄소재(6)를 덮고 도전성 탄소재(6)를 Si 미립자(5)의 표면상에 배치시키더라도 된다.The hard carbon film 7 covers the Si fine particles 5 and the conductive carbon material 6 and arranges the conductive carbon material 6 on the surface of the Si fine particles 5. In addition, instead of the hard carbon film 7, the conductive polymer film may cover the Si fine particles 5 and the conductive carbon material 6 and the conductive carbon material 6 may be disposed on the surface of the Si fine particles 5.

경질탄소막(7)은 폴리비닐알콜이나 페놀 수지 등을 소성하여 얻어진 것이다. 또한, 도전성 고분자막은 용제에 녹인 폴리아닐린 등의 이온성 고분자계 재료, 페닐아세틸렌 등의 폴리아세틸렌계 재료 등의 도전성 고분자를 건조시켜 얻어지는 것이다.The hard carbon film 7 is obtained by firing polyvinyl alcohol, a phenol resin, or the like. The conductive polymer membrane is obtained by drying conductive polymers such as ionic polymer materials such as polyaniline dissolved in a solvent and polyacetylene materials such as phenylacetylene.

또, 경질탄소막(7) 및 도전성 고분자막은 모두 굽힘 강도가 500 ㎏/㎠ 이상이고 막 두께가 10 ㎚ 이상 1㎛ 이하의 것이다.In addition, both the hard carbon film 7 and the conductive polymer film have a bending strength of 500 kg / cm 2 or more and a film thickness of 10 nm or more and 1 μm or less.

경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막은 리튬 이온의 충방전 반응에 따르는 Si 미립자(5)의 팽창·수축에 기인하여 생기는 흑연입자(2)로부터의 복합입자(3)의유리를 방지하기 위한 것으로, Si 미립자(5)의 팽창·수축을 기계적으로 억제한다. 따라서 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막의 굽힘 강도를 500 ㎏/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 굽힘 강도가 500 ㎏/㎠ 미만이면 Si 미립자(5)의 팽창·수축을 기계적으로 누를 수 없게 되어 복합입자(3)가 흑연입자(2)로부터 유리될 우려가 있어 바람직하지 않다.The hard carbon film 7 or the conductive polymer film is for preventing the glass of the composite particles 3 from the graphite particles 2 caused by the expansion and contraction of the Si fine particles 5 due to the charge / discharge reaction of lithium ions. The expansion and contraction of the Si fine particles 5 are mechanically suppressed. Therefore, it is preferable that the bending strength of the hard carbon film 7 or the conductive polymer film is 500 kg / cm 2 or more. If the bending strength is less than 500 kg / cm 2, the expansion and contraction of the Si fine particles 5 may not be mechanically pressed, and the composite particles 3 may be released from the graphite particles 2, which is not preferable.

또, 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막의 막 두께가 10㎚ 미만이면 도전성탄소개(6)와 Si 미립자(5)와의 결착력이 저하되고 복합입자(3)의 체적팽창을 억제하는 효과가 저하되어 바람직하지 않다. 또한 막 두께가 1㎛ 이상이면 비정질 탄소에 기인하는 비가역용량의 증가를 초래하기 때문에 바람직하지 않다.Moreover, when the film thickness of the hard carbon film 7 or the conductive polymer film is less than 10 nm, the binding force between the conductive carbon dog 6 and the Si fine particles 5 is lowered, and the effect of suppressing the volume expansion of the composite particles 3 is reduced. Not desirable In addition, the film thickness of 1 µm or more is not preferable because it causes an increase in irreversible capacity due to amorphous carbon.

또한 도전성 고분자막을 이용하는 경우에 Si 미립자에 또한 높은 도전성을 부여할 수 있어, Si 미립자(5)의 겉보기상의 도전성을 높여 Si 미립자(5)에 대한 리튬 이온의 충방전 반응을 원활히 진행시킬 수 있고, 탄소질 재료의 충방전 용량을 향상시킬 수 있다.In addition, when the conductive polymer film is used, high conductivity can be imparted to the Si fine particles, the apparent conductivity of the Si fine particles 5 can be increased, and the charge and discharge reaction of lithium ions to the Si fine particles 5 can be smoothly progressed. The charge and discharge capacity of the carbonaceous material can be improved.

그리고, 본 발명의 탄소질 재료에 있어서의 상기의 복합입자(3)의 함유량은 1 중량% 이상 25 중량% 이하인 것이 바람직하다. 복합입자(3)의 함유량이 1 중량% 미만인 경우에는 탄소재료만을 활물질로 사용하는 경우에 비하여 향상된 방전용량을 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 또한 함유량이 25 중량%를 넘으면 탄소재료 부분의 기여가 적어서 방전초기에 Si의 반응전위에 달하여, 전지의 평균전압이 저하되기 때문에 바람직하지 않고, 또한 복합입자(3) 사이의 거리가 좁아지고 재응집화하여 Si 미립자(5)에 대한 체적팽창·수축이 일어나기 쉬워 사이클특성이 저하되기때문에 바람직하지 않다.And it is preferable that content of said composite particle 3 in the carbonaceous material of this invention is 1 weight% or more and 25 weight% or less. When the content of the composite particles 3 is less than 1% by weight, an improved discharge capacity cannot be obtained as compared with the case where only the carbon material is used as the active material, which is not preferable. In addition, if the content exceeds 25% by weight, the contribution of the carbon material portion is small, reaching the reaction potential of Si at the beginning of discharge, and the average voltage of the battery is lowered, which is not preferable, and the distance between the composite particles 3 becomes narrow and It is unpreferable because it agglomerates and volume expansion and contraction with respect to Si microparticles | fine-particles 5 occur easily, and a cycling characteristic falls.

상기의 탄소질 재료(1)가 리튬 이온과 반응하는 경우에 리튬 이온이 주로 흑연입자(2)가 흡장되고 Si 미립자(5)와 화합하여 합금을 형성한다. 이 Si 미립자(5)의 표면에는 도전성 탄소재(6)가 부착되어 있고 도전성이 겉보기상으로 높아지고, 또한 Si 미립자(5)에 대하여도 리튬 이온이 용이하게 합금화된다.When the carbonaceous material 1 reacts with lithium ions, lithium ions are mainly occluded with graphite particles 2 and are combined with the Si fine particles 5 to form an alloy. The conductive carbon material 6 adheres to the surface of the Si fine particles 5, the conductivity is apparently high, and lithium ions are easily alloyed with the Si fine particles 5.

이 때, 흑연입자(2) 및 Si 미립자(5)의 체적이 팽창하지만 Si 미립자(5)는 경질탄소막(7) 또는 도전성 고분자막에 의해 피복되어 있기 때문에 체적팽창이 기계적으로 억제되어, Si 미립자(5)를 포함하는 복합입자(3)가 흑연입자(2)로부터 해리되는 일이 없고, Si 미립자(5)를 충방전 반응에 기여할 수 있게 할 수 있어, 탄소질 재료(1)의 충방전 용량이 저하되는 일이 없다.At this time, the volume of the graphite particles 2 and the Si fine particles 5 expands, but since the Si fine particles 5 are covered with the hard carbon film 7 or the conductive polymer film, the volume expansion is mechanically suppressed and the Si fine particles ( The composite particles 3 including 5) can be dissociated from the graphite particles 2 and can contribute to the charge and discharge reaction of the Si fine particles 5, so that the charge and discharge capacity of the carbonaceous material 1 can be achieved. This does not deteriorate.

또한, 흑연입자(2)와 복합입자(3)를 비정질 탄소막(4)으로 덮어 흑연입자(2)가 직접적으로 유기전해액에 닿는 일이 없고, 유기 전해액의 분해가 억제된다. 또한 복합입자(3)가 흑연입자(2)로부터 탈락하지 않고 충전에 의한 체적팽창에 기인하는 Si 미립자(5)의 미분화가 방지된다.In addition, the graphite particles 2 and the composite particles 3 are covered with the amorphous carbon film 4 so that the graphite particles 2 do not directly contact the organic electrolyte, and decomposition of the organic electrolyte is suppressed. In addition, the fine particles of Si particles 5 due to volume expansion due to filling are prevented without the composite particles 3 falling off from the graphite particles 2.

따라서 상기의 탄소질 재료(1)에 의하면, 충방전 용량을 높게 하고 Si 미립자(5)의 체적팽창 및 복합입자(3)의 탈락 및 충전에 따르는 체적팽창에 기인하는 Si 미립자(5)의 미분화를 억제하여 사이클 특성의 저하를 방지할 수가 있다.Therefore, according to the carbonaceous material 1, the fine particles of the Si fine particles 5 due to the increase in charge and discharge capacity and the volume expansion due to the volume expansion of the Si fine particles 5 and the dropping and filling of the composite particles 3 are obtained. It is possible to suppress the deterioration in cycle characteristics by suppressing this.

상기의 탄소질 재료는, 예를 들면. 다음과 같이 하여 제조할 수가 있다.The carbonaceous material is, for example. It can manufacture as follows.

상기 탄소질 재료의 제조는 복합입자를 제조하는 공정과 얻어진 복합입자에 흑연입자를 혼합하여 이들을 비정질 탄소막으로 피복하는 공정으로 제조된다.The carbonaceous material is produced by a process of producing composite particles and a process of mixing graphite particles with the obtained composite particles and coating them with an amorphous carbon film.

먼저, 복합인자를 제조하는 공정에서는 Si 미립자와 도전성 탄소재를 건식혼합 또는 습식혼합에 의해 혼합한다. 습식혼합의 경우, 이소프로필알콜, 아세톤, 에탄올, 물 등의 분산매를 이용하는 것이 바람직하다.First, in the process of manufacturing a composite factor, the Si fine particles and the conductive carbon material are mixed by dry mixing or wet mixing. In the case of wet mixing, it is preferable to use a dispersion medium such as isopropyl alcohol, acetone, ethanol or water.

다음에, 고분자재료를 적당한 용매에 용해하여 이 용액에 Si 미립자와 도전성 탄소재의 혼합물을 혼합한 뒤 용매를 제거한다. 용매를 제거함으로써 Si 미립자 및 도전성 탄소재에 고분자막을 피복한 복합입자 전구체가 형성된다.Next, the polymer material is dissolved in a suitable solvent, the mixture of Si fine particles and conductive carbon material is mixed with this solution, and then the solvent is removed. By removing a solvent, the composite particle precursor which coat | covered the polymer film in Si fine particle and conductive carbon material is formed.

또 상기의 고분자재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 비닐계 수지, 셀룰로오즈계 수지, 페놀계 수지 등을 이용하는 것이 바람직하고, 또한 석탄계 핏치 재료, 석유계 핏치 재료, 타르계 재료 등을 사용할 수도 있다. 특히 페놀 수지를 이용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use a thermoplastic resin, a thermosetting resin, a vinyl resin, a cellulose resin, a phenol resin, etc. as said polymer material, and also a coal pitch material, a petroleum pitch material, a tar type material, etc. can be used. In particular, it is preferable to use a phenol resin.

다음에, 복합입자 전구체를 열처리함으로써, 고분자막을 탄화시켜 경질탄소막을 형성한다. 열처리는 진공 분위기 중 또는 불활성가스분위기 속에서 행하는 것이 바람직하고, 열처리온도는 800℃ 이상 1200℃ 이하의 범위가 바람직하고, 열처리시간은 120분 이상 행하는 것이 바람직하다.Next, the composite particle precursor is heat treated to carbonize the polymer film to form a hard carbon film. The heat treatment is preferably performed in a vacuum atmosphere or in an inert gas atmosphere, the heat treatment temperature is preferably in the range of 800 ° C. to 1200 ° C., and the heat treatment time is preferably 120 minutes or more.

열처리를 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기로 행하면 고분자막의 산화가 방지되고 양호한 경질탄소막이 형성될 수 있다.When the heat treatment is performed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere, oxidation of the polymer film can be prevented and a good hard carbon film can be formed.

또한 열처리온도가 800℃ 미만이면 탄화가 완전히 행해지지 않고, 경질탄소막의 비저항이 높고, 리튬 이온의 삽입·탈리가 행해지기 어렵게 되어 바람직하지 않고, 열처리온도가 1200℃ 이상이면 Si 미립자가 탄화되어 탄화 규소가 생성하여 버리기 때문에 바람직하지 않다. 마찬가지로, 열처리시간이 120분 미만이면 균일한 경질탄소막을 형성할 수 없기 때문에 바람직하지 않다.In addition, when the heat treatment temperature is lower than 800 ° C, carbonization is not completely performed, the specific resistance of the hard carbon film is high, and insertion and desorption of lithium ions is difficult to be performed. It is not preferable because silicon is produced. Similarly, if the heat treatment time is less than 120 minutes, since a uniform hard carbon film cannot be formed, it is not preferable.

또, 상기 방법 이외에 폴리아닐린 등의 도전성고분자를 적당한 용매에 녹여, 이 용액에 Si 미립자와 도전성 탄소재의 혼합물을 혼합한 후, 건조하는 것으로 Si 미립자 및 도전성 탄소재에 도전성 고분자막이 피복된 복합인자를 형성할 수도 있다.Further, in addition to the above method, a conductive polymer such as polyaniline is dissolved in a suitable solvent, a mixture of Si fine particles and a conductive carbon material is mixed with this solution, and then dried, and a composite factor having the conductive polymer film coated on the Si fine particles and the conductive carbon material is dried. It may be formed.

이와 같이 하여, 복합입자가 얻어진다.In this way, composite particles are obtained.

다음 공정에서는 얻어진 복합입자에 건식혼합 또는 습식혼합에 의해 흑연입자를 혼합한다. 습식혼합의 경우, 이소프로필알콜, 아세톤, 에탄올, 물 등의 분산매를 이용하는 것이 바람직하다.In the next step, graphite particles are mixed with the obtained composite particles by dry mixing or wet mixing. In the case of wet mixing, it is preferable to use a dispersion medium such as isopropyl alcohol, acetone, ethanol or water.

다음에 별도의 고분자재료를 적당한 용매에 용해하여 이 용액에 복합입자 및 흑연입자의 혼합물을 혼합한 후 용매를 제거한다. 용매를 제거함으로써 복합입자 및 흑연입자에 고분자막을 피복한 탄소질 재료 전구체가 형성된다.Next, a separate polymer material is dissolved in a suitable solvent, a mixture of composite particles and graphite particles is mixed with this solution, and then the solvent is removed. By removing the solvent, a carbonaceous material precursor having a polymer film coated on the composite particles and the graphite particles is formed.

또 상기의 고분자 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 비닐계 수지, 셀룰로오즈계 수지, 페놀계 수지 등을 이용하는 것이 바람직하고, 또한 석탄계 핏치 재료, 석유계 핏치 재료, 타르계 재료 등을 사용할 수도 있다. 특히 페놀 수지를 이용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use a thermoplastic resin, a thermosetting resin, a vinyl resin, a cellulose resin, a phenol resin, etc. as said polymer material, and also a coal pitch material, a petroleum pitch material, a tar type material, etc. can also be used. In particular, it is preferable to use a phenol resin.

다음에, 탄소질 재료 전구체를 열처리함으로써 고분자막을 탄화시켜 비정질 탄소막을 형성한다. 열처리는 진공 분위기 중 또는 불활성 가스 분위기 속에서 행하는 것이 바람직하고, 열처리 온도는 800℃ 이상 1200℃ 이하의 범위가 바람직하고, 열처리 시간은 120분 이상 행하는 것이 바람직하다.Next, the polymer film is carbonized by heat treatment of the carbonaceous material precursor to form an amorphous carbon film. The heat treatment is preferably performed in a vacuum atmosphere or in an inert gas atmosphere, the heat treatment temperature is preferably in the range of 800 ° C or more and 1200 ° C or less, and the heat treatment time is preferably performed in 120 minutes or more.

열처리를 진공 분위기 또는 불활성가스분위기에서 행하면, 고분자막의 산화가 방지되고 양호한 비정질 탄소막이 형성될 수 있다.When the heat treatment is performed in a vacuum atmosphere or inert gas atmosphere, oxidation of the polymer film is prevented and a good amorphous carbon film can be formed.

또한, 열처리온도가 800℃ 미만이면 온도가 낮아 탄화가 완전히 행해지지 않고, 비정질 탄소막의 비저항이 높고, 리튬 이온의 삽입·탈리가 행해지기 어렵게 되어 바람직하지 않고, 열처리온도가 1200℃ 이상이면 Si 미립자가 탄화되어 탄화 규소(SiC)가 생성됨과 동시에 고분자막의 흑연화가 진행하여 탄소막의 강도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 마찬가지로, 열처리시간이 120분 미만이면 균일한 비정질 탄소막을 형성할 수 없기 때문에 바람직하지 않다.In addition, when the heat treatment temperature is lower than 800 ° C., the temperature is low so that carbonization is not completely performed, the specific resistance of the amorphous carbon film is high, and insertion and desorption of lithium ions is difficult to be performed. The carbonization is not preferable because silicon carbide (SiC) is produced and graphitization of the polymer film proceeds to decrease the strength of the carbon film. Similarly, if the heat treatment time is less than 120 minutes, it is not preferable because a uniform amorphous carbon film cannot be formed.

이와 같이 하여, 본 발명의 탄소질 재료가 얻어진다.In this way, the carbonaceous material of the present invention is obtained.

상기의 탄소질 재료를 가지는 음극, 리튬의 흡장·방출이 가능한 양극 및 유기전해질에 의해 리튬 이차 전지를 구성할 수가 있다.A lithium secondary battery can be comprised by the negative electrode which has the said carbonaceous material, the positive electrode which can occlude and discharge | release lithium, and an organic electrolyte.

양극으로서는, 예를 들면, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFeO2, V2O5, TiS, MoS 등의 리튬의 흡장·방출이 가능한 양극재료나 유기디설파이드 화합물 또는 유기폴리설파이드 화합물 등의 양극재료를 포함하는 것을 예시할 수 있다.Examples of the positive electrode include a positive electrode material, an organic disulfide compound, an organic polysulfide compound, and the like, which can occlude and release lithium, such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, and MoS. It can be illustrated that including the anode material of.

양극 또는 음극의 구체적인 예로서, 상기 양극재료 또는 탄소질 재료에 결착재와 또한 필요에 따라 도전재를 혼합하여 이들을 금속박 또는 금속망으로 이루어지는 집전체에 도포하여 시트형으로 성형한 것을 예시할 수 있다.As a specific example of the positive electrode or the negative electrode, the binder material and the conductive material may be mixed with the positive electrode material or the carbonaceous material, and these may be applied to a current collector made of metal foil or metal net and molded into a sheet.

유기전해질로서는 비프로톤성 용매에 리튬염이 용해되어 이루어지는 유기전해액을 예시할 수 있다.As an organic electrolyte, the organic electrolyte solution in which lithium salt is melt | dissolved in an aprotic solvent can be illustrated.

비프로톤성 용매로는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, γ-부틸락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디메틸카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸부틸카보네이트, 디프로필카보네이트, 디이소프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 등의 비프로톤성 용매 또는 이들 용매 중의 2 종 이상을 혼합한 혼합용매를 예시할 수 있고, 특히 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트 중 어느 하나를 반드시 포함함과 동시에 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 중 어느 것 하나를 반드시 포함하는 것이 바람직하다.Examples of aprotic solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyllactone, dioxolane, 4-methyldioxolane and N , N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, dimethyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl butyl carbonate, Aprotic solvents, such as dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, and dimethyl ether, or the mixed solvent which mixed 2 or more types of these solvent can be illustrated, Especially a propylene carbonate, ethylene carbonate, Dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, die It is preferable to include any one of the butyl carbonates.

또, 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수이다.), LiCl, LiI 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 리튬염을 혼합시켜 되는 것을 예시할 수 있고, 특히 LiPF6및 LiBF4중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), one or two selected from the group consisting of LiCl, LiI, and the like What mixes the above lithium salt can be illustrated, It is preferable that especially any one of LiPF 6 and LiBF 4 is included.

또한, 이밖에도 리튬 이차 전지의 유기전해액으로서 종래부터 알려져 있는 것을 이용할 수도 있다.In addition, what is conventionally known as an organic electrolyte of a lithium secondary battery can also be used.

또한, 유기전해질의 또다른 예로서, 폴리에틸렌옥사이드(PEO),폴리비닐알콜(PVA) 등의 폴리머에 상기 리튬염의 어느 하나를 혼합시킨 것이나, 팽윤성이 높은 폴리머에 유기전해액을 함침시킨 것 등의 폴리머전해질을 이용하더라도 좋다.As another example of the organic electrolyte, a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyvinyl alcohol (PVA), or the like, in which any one of the lithium salts is mixed, or an organic electrolyte solution is impregnated into a polymer having high swellability. You may use an electrolyte.

또한, 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 전해질에만 한정되지 않고, 필요에 따라서 다른 부재 등을 구비하고 있더라도 양호하고, 예를 들면 양극과 음극을 분리시키는 세퍼레이터를 구비할 수도 있다.In addition, the lithium secondary battery of the present invention is not limited to the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte, and may be provided with other members, if necessary, and may include, for example, a separator that separates the positive electrode and the negative electrode.

상기의 리튬 이차 전지에 의하면, 상기 탄소질 재료(1)를 포함하고 있기 때문에, 에너지 밀도가 높고 사이클특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구성할 수가 있다.According to the said lithium secondary battery, since the said carbonaceous material 1 is included, a lithium secondary battery with high energy density and excellent cycling characteristics can be comprised.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 지나지 않으며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The following examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

탄소질 재료의 제조Preparation of Carbonaceous Materials

(실시예 1∼4)(Examples 1 to 4)

평균 입경이 390∼2500㎚인 Si 미립자의 2 중량부에 1 중량부의 카본블랙을 혼합했다. 또 Si 미립자는 조직의 대부분이 결정성규소로 이루어지고, 카본블랙은 비저항이 10-4Ω·m이하의 것이었다.1 weight part of carbon black was mixed with 2 weight part of Si microparticles | fine-particles whose average particle diameter is 390-2500 nm. Most of the Si fine particles consisted of crystalline silicon, and the carbon black had a specific resistance of 10 −4 Ω · m or less.

다음에, 10 중량부의 페놀 수지를 이소프로필알콜에 용해시킨 용액을 준비하여, 이 용액에 상기의 Si 미립자 및 카본블랙의 혼합물을 혼합하여, 충분히 교반한 후 용매를 제거하였다. 이와 같이 하여, Si 미립자의 표면에 카본블랙과 페놀 수지 피막이 부착하여 이루어지는 복합입자 전구체를 형성하였다.Next, a solution in which 10 parts by weight of the phenol resin was dissolved in isopropyl alcohol was prepared, and the mixture of the above Si fine particles and carbon black was mixed with the solution, and after stirring sufficiently, the solvent was removed. In this way, the composite particle precursor which the carbon black and a phenol resin film adhered to the surface of Si microparticles | fine-particles was formed.

다음에 이 복합입자 전구체를 아르곤 가스 분위기 중, 1000℃로 180분간 열처리함으로써 페놀 수지피막을 탄화시키고, 두께 0.05㎛의 경질탄소막을 형성하였다.Next, the composite particle precursor was heat-treated at 1000 ° C. for 180 minutes in an argon gas atmosphere to carbonize the phenol resin film to form a hard carbon film having a thickness of 0.05 μm.

또한 상기와 같은 조건으로 페놀 수지를 단독으로 탄화시킨 경우, 얻어지는 탄화물의 굽힘 강도는 800 ㎏/㎠ 정도인 것으로부터 상기 경질탄소막의 굽힘 강도가 동일한 정도인 것으로 추정할 수 있다. 이와 같이 하여 복합입자를 얻었다.In addition, when the phenol resin is carbonized alone under the above conditions, the bending strength of the obtained carbide can be estimated to be about 800 kg / cm 2, so that the bending strength of the hard carbon film is about the same. In this way, composite particles were obtained.

다음에, 평균 입경 15㎛인 천연흑연의 95 중량부에 5 중량부의 상기 복합입자를 첨가하고, 또한 이소프로필알콜을 첨가하여 습식혼합했다. 또한, 천연흑연의 X선 광각 회절에 의한 (002)면의 면간격 d002는 0.3355㎚였다.Next, 5 parts by weight of the above composite particles were added to 95 parts by weight of natural graphite having an average particle diameter of 15 µm, and isopropyl alcohol was added to wet mix. The surface spacing d002 of the (002) plane by X-ray wide-angle diffraction of natural graphite was 0.3355 nm.

다음에, 상기 천연흑연과 복합입자의 혼합물에 10 중량부의 페놀 수지를 포함하는 이소프로필알콜 용액을 첨가하여 혼합한 뒤에 이소프로필알콜을 증발시켰다. 이와 같이 하여, 천연흑연의 표면에 복합입자와 페놀 수지피막이 부착하여 이루어지는 탄소질 재료 전구체를 형성하였다.Next, an isopropyl alcohol solution containing 10 parts by weight of a phenol resin was added to the mixture of the natural graphite and the composite particles, followed by evaporation of isopropyl alcohol. In this way, a carbonaceous material precursor formed by adhering the composite particles and the phenol resin film to the surface of natural graphite was formed.

다음에, 이 탄소질 재료 전구체를 진공 분위기 중에 1000℃(1273K)로 소성함으로써, 페놀 수지를 탄화시키고 두께 0.05㎛의 비정질 탄소막을 형성하였다.Next, the carbonaceous material precursor was fired at 1000 ° C. (1273 K) in a vacuum atmosphere to carbonize the phenol resin and form an amorphous carbon film having a thickness of 0.05 μm.

또한, 상기와 같은 조건으로 페놀 수지를 단독으로 탄화시킨 경우에 얻어지는 탄화물의 (002) 면의 d002가 0.39㎚ 정도인 것으로부터 상기 비정질 탄소막의 면간격 d002도 동일한 정도라고 추정된다. 이와 같이 하여 실시예 1∼4의 탄소질 재료를 얻었다.In addition, since d002 of the (002) plane of the carbide obtained when carbonizing a phenol resin alone under the above conditions is about 0.39 nm, it is estimated that the surface spacing d002 of the amorphous carbon film is also about the same. In this manner, the carbonaceous materials of Examples 1 to 4 were obtained.

(실시예 5)(Example 5)

페놀 수지를 탄화시켜 비정질 탄소막을 얻은 대신, 폴리아닐린을 용해시킨 아세토니트릴 용액에 천연흑연과 복합입자의 혼합물을 혼합한 후에 아세토니트릴을 증발시켜 천연흑연의 표면에 복합입자와 도전성 고분자막이 부착하여 이루어지는 탄소질 재료 전구체를 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 탄소질 재료를 얻었다. 또한, 이 때의 폴리아닐린의 양은 천연흑연과 복합입자의 혼합물에 대하여 10 중량부로 했다.Instead of carbonizing the phenol resin to obtain an amorphous carbon film, carbon obtained by mixing the composite graphite and the conductive polymer film on the surface of natural graphite by evaporating acetonitrile after mixing a mixture of natural graphite and composite particles in an acetonitrile solution in which polyaniline was dissolved. A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that a quality material precursor was formed. In addition, the amount of polyaniline at this time was 10 weight part with respect to the mixture of natural graphite and a composite particle.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

복합입자 대신 입경 390㎚의 Si 미립자 5 중량부를 95 중량부의 천연흑연에 혼합하여 페놀 수지막을 형성하여 소성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 탄소질 재료를 얻었다.A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that 5 parts by weight of the Si fine particles having a particle size of 390 nm were mixed with 95 parts by weight of natural graphite instead of the composite particles to form a phenol resin film and fired.

충방전시험용 테스트셀의 제작Fabrication of test cell for charge and discharge test

실시예 1∼5에서 제조한 탄소질 재료에 폴리불화비닐리덴을 혼합하고 또한 N-메틸피롤리돈을 첨가하여 슬러리액을 제조하였다. 이 슬러리액을 닥터블레이드에 의해 두께 14㎛의 동박에 도포하고 진공 분위기 속에서 120℃에서 24시간 건조시켜 N-피롤리돈을 휘발시켰다. 이와 같이 하여, 두께 100㎛의 음극합제를 동박에 적층했다. 또, 음극합제 중의 폴리불화비닐리덴의 함유량은 8 중량%이고, 음극합제의 밀도는 1.5 g/㎤ 이상이였다. 그리고, 음극합제를 적층시킨 동박을 직경 13㎜의 원형에 뚫어내어 음극 전극을 제조하였다.Polyvinylidene fluoride was mixed with the carbonaceous materials prepared in Examples 1 to 5, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a slurry liquid. This slurry liquid was applied to a copper foil having a thickness of 14 μm by a doctor blade, and dried at 120 ° C. for 24 hours in a vacuum atmosphere to volatilize N-pyrrolidone. Thus, the negative electrode mixture of 100 micrometers in thickness was laminated | stacked on the copper foil. Moreover, content of polyvinylidene fluoride in negative mix was 8 weight%, and the density of negative mix was 1.5 g / cm <3> or more. And the copper foil which laminated | stacked the negative electrode mixture was drilled in the circular shape of diameter 13mm, and the negative electrode was produced.

또한 상기 비교예 1의 탄소질 재료에 폴리불화비닐리덴과 N-메틸피롤리돈을첨가하고 또한 카본블랙을 첨가하여 슬러리액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예에서와 동일하게 실시하여 음극 전극을 얻었다. 음극 합제 중의 폴리불화비닐리덴의 함유량은 8 중량%이고 카본블랙의 함량은 2.5 중량%이었다.In addition, the cathode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyvinylidene fluoride and N-methylpyrrolidone were added to the carbonaceous material of Comparative Example 1 and carbon black was added to prepare a slurry solution. Got. The content of polyvinylidene fluoride in the negative electrode mixture was 8% by weight and the content of carbon black was 2.5% by weight.

실시예 1∼5 및 비교예 1의 음극 전극을 작용전극으로 하고, 원형으로 펀칭한 금속리튬박을 대극으로 하여 작용전극과 대극과의 사이에 다공질 폴리프로필렌필름으로 이루어진 세퍼레이터를 삽입하고, 전해액으로서는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC) 및 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합용매에 용질로서 LiPF6가 1 (mol/L)의 농도가 되도록 용해시킨 것을 이용하여, 코인형의 테스트셀을 제조하였다.A separator made of a porous polypropylene film was inserted between the working electrode and the counter electrode by using the cathode electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 as the working electrode, and the metal lithium foil punched in a circle as the counter electrode. A coin-type test cell was prepared by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 (mol / L) as a solute in a mixed solvent of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethylene carbonate (EC). It was.

충방전 전류밀도를 0.2C로 하고, 충전종지전압을 0 V(Li/Li+), 방전종지전압을 1.5 V(Li/Li+)로 하여 충방전 시험을 하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표 1에 음극 재료의 1 사이클에 있어서의 방전용량 및 충방전 효율이 기재되어 있다. 또한 2 사이클에 있어서의 방전용량을 1 사이클에서의 방전용량으로 나눈 용량비(2 사이클/1 사이클)를 구했다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.The charge / discharge test was performed with the charge and discharge current density as 0.2C, the charge end voltage as 0 V (Li / Li + ) and the discharge end voltage as 1.5 V (Li / Li + ), and the results are shown in Table 1 below. It was. Table 1 shows the discharge capacity and charge / discharge efficiency in one cycle of the negative electrode material. Furthermore, the capacity ratio (2 cycles / 1 cycle) obtained by dividing the discharge capacity in two cycles by the discharge capacity in one cycle was obtained. The results are shown in Table 1.

시료sample Si 미립자의 평균 입경(㎚)Average Particle Size (nm) of Si Fine Particles 방전용량(mAh/g)(1 사이클)Discharge capacity (mAh / g) (1 cycle) 충방전 용량(%)(1 사이클)Charge / discharge capacity (%) (1 cycle) 용량비(%)(2 사이클/1 사이클)Capacity ratio (%) (2 cycles / 1 cycle) 실시예 1Example 1 390390 425425 90.090.0 99.799.7 실시예 2Example 2 700700 440440 89.789.7 98.998.9 실시예 3Example 3 10601060 451451 87.787.7 98.098.0 실시예 4Example 4 25002500 456456 87.787.7 95.095.0 실시예 5Example 5 390390 415415 90.090.0 99.399.3 비교예 1Comparative Example 1 390390 392392 85.785.7 95.195.1

표 1에 도시한 바와 같이, 1 사이클에서의 방전용량은 실시예 1 내지 5의 경우에 비교예 1의 경우보다 더 높아지고 있음을 알 수 있다. 또한 실시예 1 내지 4를 비교하여 보면, Si 미립자의 입경이 커짐에 따라 방전용량이 증가하고 있음을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the discharge capacity in one cycle is higher than that of Comparative Example 1 in Examples 1 to 5. In addition, when comparing the Examples 1 to 4, it can be seen that the discharge capacity increases as the particle size of the Si fine particles increases.

1 사이클에서의 충방전 효율은 실시예 1 내지 5의 경우에 비교예 2의 경우보다 2 내지 5% 정도 높아지고 있음을 알 수 있다. 또한 실시예 1 내지 4를 비교하여 보면 Si 미립자의 입경이 작아짐에 따라 충방전 효율이 증가하고 있음을 알 수 있다.It can be seen that the charge and discharge efficiency in one cycle is about 2 to 5% higher than in the case of Comparative Examples 2 in Examples 1 to 5. In addition, when comparing the Examples 1 to 4 it can be seen that the charge and discharge efficiency is increased as the particle size of the Si fine particles.

용량비에 관하여 살펴보면, 실시예 1 내지 3의 경우에 비교예 1의 경우보다 3 내지 5% 정도 높음을 알 수 있다. 또한 실시예 1 내지 3의 경우에는 Si 미립자의 입경이 작아짐에 따라서 용량비가 증가하고 있음을 알 수 있다.Looking at the capacity ratio, it can be seen that in the case of Examples 1 to 3 it is about 3 to 5% higher than in the case of Comparative Example 1. In addition, in Examples 1 to 3, it can be seen that the capacity ratio increases as the particle diameter of the Si fine particles decreases.

Si 미립자의 입경이 2㎛ 이상인 경우인 실시예 4의 용량비는 낮고, Si 미립자의 평균 입자경이 2 ㎛ 이상인 경우에는 충전시의 팽창을 억제하는 효과가 작은 것을 알 수 있다.It is understood that the capacity ratio of Example 4, which is the case where the particle diameter of the Si fine particles is 2 μm or more, is low, and when the average particle size of the Si fine particles is 2 μm or more, the effect of suppressing expansion during filling is small.

이와 같이, 1 사이클의 방전용량은 실시예 1 내지 5의 경우에 비교예 2의 경우보다 높아지고 있고, 또한 다른 특성에 관해서는 실시예 1 내지 3 및 실시예 5의 경우가 비교예 1의 경우보다 뛰어나고, 특히 충방전 용량 및 사이클 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다.In this way, the discharge capacity of one cycle is higher than that of Comparative Example 2 in the case of Examples 1 to 5, and in the case of Examples 1 to 3 and Example 5 in terms of other characteristics, It is found to be excellent, in particular, excellent in charge and discharge capacity and cycle characteristics.

이는 실시예 1 내지 3 및 실시예 5의 경우 Si 미립자의 주위에 도전성 탄소재 및 경질탄소막 또는 도전성 고분자막이 형성되어 있는 것부터 Si 미립자의 겉보기상의 도전성이 향상되고 경질탄소막 또는 도전성 고분자막에 의해 Si 미립자의 체적변화가 기계적으로 억제되어 Si 미립자가 흑연으로부터 유리될 우려가 없기 때문에 방전용량 및 사이클특성이 향상된 것으로 고려된다.In Examples 1 to 3 and Example 5, since the conductive carbon material and the hard carbon film or the conductive polymer film are formed around the Si fine particles, the apparent conductivity of the Si fine particles is improved and the hard carbon film or the conductive polymer film It is considered that the discharge capacity and cycle characteristics are improved because the volume change is mechanically suppressed so that there is no fear that the Si fine particles are liberated from the graphite.

이상, 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 탄소질 재료에 의하면, 흑연입자 및 Si 미립자가 Li을 흡장하기 때문에, 흑연입자 단독의 경우보다 충방전 용량이 향상된다. 또한, 흑연입자에 대하여 고비저항인 Si 미립자의 주위에 도전성 탄소재를 배치하는 것으로, Si 미립자의 겉보기상 도전성을 향상시킨다. 또한, Si 미립자를 경질탄소막 또는 도전성 고분자막으로 피복함으로써, Li의 흡장??방출에 따르는 Si 미립자의 체적팽창·수축이 기계적으로 억제된다. 또, 흑연입자와 복합입자를 비정질 탄소막으로 덮는 것에 의해, 흑연입자가 직접 전해액에 닿는 일없이 전해액분해가 억제됨과 동시에, 복합입자가 흑연입자로부터 탈락하는 일이 없고, 또한 충전에 의한 체적팽창에 기인하는 Si 미립자의 미분화를 방지한다.As described above in detail, according to the carbonaceous material of the present invention, since the graphite particles and the Si fine particles occlude Li, the charge and discharge capacity is improved as compared with the graphite particles alone. In addition, by disposing a conductive carbon material around the Si particles having high specific resistance to the graphite particles, the apparent conductivity of the Si particles is improved. In addition, by covering the Si fine particles with a hard carbon film or a conductive polymer film, the volume expansion and contraction of the Si fine particles due to the occlusion and release of Li is mechanically suppressed. In addition, by covering the graphite particles and the composite particles with an amorphous carbon film, the decomposition of the electrolyte solution is suppressed without the graphite particles directly contacting the electrolyte solution, and the composite particles do not fall off from the graphite particles, and the volume expansion by filling It prevents the micronization which originates in Si microparticles | fine-particles.

본 발명의 탄소질 재료로서는, 충방전 용량을 높게 함과 동시에, Si 미립자의 체적팽창 및 복합입자의 탈락 및 충전에 의한 체적팽창에 기인하는 Si 미립자의 미분화를 억제하여, 사이클특성의 저하를 방지할 수가 있다.As the carbonaceous material of the present invention, it is possible to increase the charge and discharge capacity, to suppress the micronization of the Si fine particles due to the volume expansion of the Si fine particles and the volume expansion due to the dropping and filling of the composite particles, thereby preventing the deterioration of the cycle characteristics. You can do it.

또, 본 발명의 리튬 이차 전지에 의하면 본 발명에 의한 탄소질 재료를 음극으로서 구비하고 있기 때문에, 에너지 밀도 및 사이클특성을 향상시킬 수 있다.Moreover, according to the lithium secondary battery of the present invention, since the carbonaceous material according to the present invention is provided as a negative electrode, energy density and cycle characteristics can be improved.

Claims (5)

X선 광각 회절에 의한 (002) 면의 면간격 d002가 0.337㎚ 미만인 흑연입자의 주위에, 규소 및 탄소를 함유하고 상기 흑연입자보다 입경이 작은 복합입자가 분산 배치되고,Composite particles containing silicon and carbon and having a smaller particle size than the graphite particles are dispersed and disposed around the graphite particles having an interplanar spacing d002 of the (002) plane by X-ray wide-angle diffraction, 또한 상기 흑연입자 및 복합입자가 0.37㎚ 이상의 면간격 d002를 가지는 비정질 탄소막에 의해서 피복되어 있고,In addition, the graphite particles and the composite particles are covered with an amorphous carbon film having a surface spacing d002 of 0.37 nm or more, 상기 복합입자는 결정질 규소로 이루어지는 Si 미립자의 주위에 도전성 탄소재가 배치되어 있고,As for the said composite particle, the conductive carbon material is arrange | positioned around the Si fine particle which consists of crystalline silicon, 상기 Si 미립자 및 상기 도전성 탄소재가 경질탄소막 또는 도전성 고분자막에 의해 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소질 재료.The carbonaceous material, wherein the Si fine particles and the conductive carbon material are covered with a hard carbon film or a conductive polymer film. 제1항에 있어서, 상기 흑연입자의 입경이 2㎛ 이상 70㎛ 이하의 범위에 있고, 상기 복합입자의 입경이 50㎚ 이상 2㎛ 이하의 범위에 있고, 상기 비정질 탄소막의 막 두께가 50㎚ 이상 5㎛ 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 탄소질 재료.The particle diameter of the graphite particles is in the range of 2 µm or more and 70 µm or less, the particle diameter of the composite particles is in the range of 50 nm or more and 2 µm or less, and the film thickness of the amorphous carbon film is 50 nm or more. The carbonaceous material is in the range of 5 µm or less. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Si 미립자의 입경이 10㎚ 이상 2㎚ 미만의 범위에 있고, 상기 도전성 탄소재의 비저항이 10-4Ω·m이하이며, 상기 경질탄소막또는 도전성 고분자막의 굽힘 강도가 500 ㎏/㎠ 이상이고 막 두께가 10㎚ 이상 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 탄소질 재료.The particle diameter of said Si microparticles | fine-particles is in the range of 10 nm or more and less than 2 nm, The specific resistance of the said conductive carbon material is 10 -4 ohm * m or less, The said hard carbon film or the conductive polymer film of Claim 1 or 2 A carbonaceous material characterized by a bending strength of 500 kg / cm 2 or more and a film thickness of 10 nm or more and 1 μm or less. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합입자의 함량이 1 중량% 이상 25 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 탄소질 재료.The carbonaceous material according to claim 1 or 2, wherein the content of the composite particles is 1% by weight or more and 25% by weight or less. 제1항 또는 제2항의 탄소질재료를 포함하는 리튬 이차 전지.A lithium secondary battery comprising the carbonaceous material of claim 1.
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