KR20030056544A - Nano-sized spherical non-graphitizable carbons, the process of producing said carbons, and lithium secondary batteries comprising said carbons as anodal active materials - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A nano-sized spherical and non-graphitizable carbon for use in a secondary cell is provided to improve the processing capability and electro-conductivity in forming an electrode plate. CONSTITUTION: The nano-sized spherical and non-graphitizable carbon is produced by the method comprising the steps of: (a) dissolving a monomer, formaldehyde and a surfactant having a concentration greater than the critical micelle concentration into water in the presence of a polymerization accelerating catalyst and controlling pH to obtain a solution; (b) stirring the solution obtained from the step (a); (c) polymerizing the solution obtained from the step (b) at a temperature of 30 to 200 deg.C to form a spherical polymer; (d) drying the polymer obtained from the step (c); and (e) heat treating the spherical polymer obtained from the step (d) under an inert atmosphere to carbonize it.

Description

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소와 이의 제조 방법 및 상기 탄소를 음극활물질로 포함하는 리튬 이차 전지{NANO-SIZED SPHERICAL NON-GRAPHITIZABLE CARBONS, THE PROCESS OF PRODUCING SAID CARBONS, AND LITHIUM SECONDARY BATTERIES COMPRISING SAID CARBONS AS ANODAL ACTIVE MATERIALS}Nano-sized spherical non-graphitizable carbon, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the carbon as a negative electrode active material TECHNICAL-SIZED SPHERICAL NON-GRAPHITIZABLE CARBONS ACTIVE MATERIALS}

본 발명은 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소와 이의 제조 방법 및 상기 탄소를 음극활물질로 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a nano-sized spherical non-graphitizable carbon, a method for preparing the same, and a lithium secondary battery including the carbon as a negative electrode active material.

탄소 재료는 리튬 이차 전지의 음극활물질로 사용된다. 이러한 음극활물질은 높은 리튬 이온 저장량(용량), 높은 충방전 효율, 우수한 극판 성형의 가공성, 높은 전기 전도성 및 전해질에 대한 상용성을 가져야 한다. 탄소 재료를 리튬 이차 전지의 음극활물질로 사용하는 것에 대하여는 일본 공개특허공보 (소)63-114056, (소)62-268056, (평)2-82466, (평)2-79153, (평)4-359862, (평)5-101818, (평)7-105936 등에 기재되어 있다. 현재 리튬 이차 전지의 음극활물질에 사용되고 있는 탄소 재료는 천연 흑연과 인조 흑연과 같은 흑연질 재료와 난흑연화성 탄소(non-graphitizable carbons) 그리고 이흑연화성 탄소(graphotizable carbons) 등이 있다. 이중 가장 선호되고 있는 제품은 인조 흑연의 한 종류인 g-MCMB(Graphitized Meso Carbon Microbeads)이다. 그 이유는 입자의 형태가 구형이고, 구형 탄소가 갖는 높은 충진 밀도, 우수한 극판성형의 가공성 등의 장점을 가지기 때문이다. 그러나, g-MCMB와 같은 흑연질 탄소는 가역 용량이 300 mAh/g에서 400 mAh/g (이론용량 372 mAh/g)에 불과하여 고용량, 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차 전지의 음극활물질로의 응용에 한계가 있다.Carbon material is used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. Such a negative electrode active material should have a high lithium ion storage capacity (capacity), high charge and discharge efficiency, excellent workability of the plate forming, high electrical conductivity and compatibility with the electrolyte. For the use of a carbon material as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 63-114056, No. 62-268056, No. 2-82466, No. 2-79153, No. 4 -359862, (Pyung) 5-101818, (Pyung) 7-105936 and the like. Carbon materials currently used in the negative electrode active materials of lithium secondary batteries include graphite materials such as natural graphite and artificial graphite, non-graphitizable carbons, and graphitizable carbons. The most favored product is Graphitized Meso Carbon Microbeads (g-MCMB), a type of artificial graphite. The reason is that the particles are spherical in shape and have advantages such as high packing density of spherical carbon and excellent workability of plate forming. However, graphite carbon, such as g-MCMB, has a reversible capacity of only 300 mAh / g to 400 mAh / g (theoretical capacity of 372 mAh / g), and thus is applied as a negative electrode active material of a lithium secondary battery having a high capacity and a high energy density. There is a limit to.

대안으로써, 난흑연화성 탄소 재료가 사용되고 있다. 리튬 이차 전지의 음극활물질용 난흑연화성 탄소는 미국 특허공보 제6,316,147호, 제6,316,146호, 제6,303,249호, 제6,300,013호, 제6,136,474호, 제6,127,065호, 제6,043,969호, 제5,716,732호, 제5,643,426호 등에 기재되어 있다. 난흑연화성 탄소는 리튬 이온이 그래핀 레이어의 층간 삽입될뿐 아니라 마이크로포어(micro-pore)에도 저장되므로, 400 mAh/g 이상의 가역 용량을 갖는다. 또한, 인조 흑연의 제조시 2800 ℃ 이상의 고온 열처리가 필요한 반면에 난흑연화성 탄소는 600 ℃ 내지 1600 ℃에서 탄화하여 제조하므로 열처리 비용이 저렴하다. 또한, 저온 특성이 우수한 PC(Propylene Carbonate)를 전해질로 사용할 수 있는 장점이 있다.As an alternative, non-graphitizable carbon materials are used. Non-graphitizable carbon for negative electrode active materials of lithium secondary batteries is disclosed in U.S. Pat. And the like. Non-graphitizable carbon has a reversible capacity of 400 mAh / g or more, since lithium ions are not only intercalated into the graphene layer but also stored in the micro-pore. In addition, while the production of artificial graphite requires a high temperature heat treatment of 2800 ℃ or more, while non-graphitizable carbon is manufactured by carbonizing at 600 ℃ to 1600 ℃ low heat treatment cost. In addition, there is an advantage that can be used as an electrolyte PC (Propylene Carbonate) excellent in low temperature properties.

그러나, 난흑연화성 탄소 재료는 이러한 좋은 특성에도 불구하고 전지에 널리 상용화되지는 못하고 있다. 난흑연화성 탄소는 결정성이 흑연질 탄소에 비해 작고 마이크로포어를 가지고 있어 밀도가 낮기 때문에, 리튬 이차 전지의 음극활물질로 사용할 경우 부피당 에너지 밀도가 낮다. 또한, 난흑연화성 탄소는 덩어리 형태로 제조되므로 전지에 응용되기 위해서는 분쇄 과정을 거쳐야 하는데, 분쇄된 탄소는 입자의 형상이 일정치 않고 크기가 고르지 않기 때문에 충진 밀도가 낮고 극판 성형의 가공성이 나쁘다.However, non-graphitizable carbon materials are not widely commercialized in batteries despite these good properties. Non-graphitizable carbon has a low density due to its low crystalline and micropore density compared to graphite carbon, and thus has low energy density per volume when used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. In addition, since non-graphitizable carbon is manufactured in the form of agglomerates, it is required to undergo a grinding process in order to be applied to a battery, and the pulverized carbon has a low filling density and poor processability of the electrode plate molding because the shape of the particles is not uniform and the size is not uniform.

이러한 종래 기술의 문제점을 극복하고자, 본 발명은 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소와 이의 제조 방법 및 상기 탄소를 음극활물질로 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 난흑연화성 탄소가 구형일 경우, 난흑연화성탄소의 밀도가 작더라도 전지에 충진량을 크게 할 수 있으므로 전지의 부피당 에너지밀도를 향상시킬 수 있으며, 극판 성형의 가공성을 향상시킬 수 있다. 또한, 난흑연화성 탄소의 크기가 나노 크기인 경우, 입자간 접하는 면적이 넓어 전기 전도성이 우수하므로 극판 성형시 도전재를 첨가할 필요가 없게 되는 장점이 있다.In order to overcome the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a nano-sized spherical non-graphitizable carbon, a method for manufacturing the same and a lithium secondary battery including the carbon as a negative electrode active material. When the non-graphitizable carbon is spherical, even if the density of the non-graphitizable carbon is small, the amount of filling in the battery can be increased, so that the energy density per volume of the battery can be improved, and the workability of the plate forming can be improved. In addition, when the size of the non-graphitizable carbon is a nano size, since the area between the particles is in contact with the electrical conductivity is excellent, there is no need to add a conductive material when forming the electrode plate.

도 1은 실시예 1의 구형 난흑연화성 탄소의 배율 10,000배 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy) 사진이다.1 is a 10,000 times magnification Scanning Electron Microscopy photograph of the spherical non-graphitizable carbon of Example 1. FIG.

도 2는 실시예 2의 구형 난흑연화성 탄소의 배율 50,000배 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy) 사진이다.FIG. 2 is a 50,000 × magnification of Transmission Electron Microscopy of the spherical non-graphitizable carbon of Example 2. FIG.

도 3은 실시예 3의 구형 난흑연화성 탄소의 배율 2,500배 주사 전자 현미경 사진이다.3 is a magnification 2,500 times scanning electron micrograph of the spherical non-graphitizable carbon of Example 3. FIG.

도 4는 실시예 4의 구형 난흑연화성 탄소의 배율 50,000배 투과 전자 현미경 사진이다.4 is a transmission electron micrograph of 50,000 times the magnification of the spherical non-graphitizable carbon of Example 4. FIG.

도 5는 실시예 5의 구형 난흑연화성 탄소의 배율 200,000배 투과 전자 현미경 사진이다.5 is a 200,000-fold transmission electron micrograph of the spherical non-graphitizable carbon of Example 5. FIG.

도 6은 실시예 6의 구형 난흑연화성 탄소를 음극활물질로 사용한 리튬 이차 전지의 1회 충방전 그래프이다.6 is a one-time charge and discharge graph of a lithium secondary battery using spherical non-graphitizable carbon of Example 6 as a negative electrode active material.

도 7은 실시예 6의 구형 난흑연화성 탄소를 음극활물질로 사용한 리튬 이차전지의 7회 충방전 그래프이다.7 is a seventh charge and discharge graph of a lithium secondary battery using spherical non-graphitizable carbon of Example 6 as a negative electrode active material.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 제조 방법으로서,In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a nano-size spherical non-graphitizable carbon,

a) 중합 반응 촉진용 촉매의 존재 하에 고분자 단량체, 포름알데히드, 및 임계 미셀 농도(CMC) 이상의 계면 활성제를 물에 용해시킨 후, pH를 조절하여 용액을 제조하는 단계;a) dissolving a polymer monomer, formaldehyde, and a surfactant having a critical micelle concentration (CMC) or higher in water in the presence of a catalyst for promoting a polymerization reaction, and then adjusting the pH to prepare a solution;

b) 상기 단계 a)에서 제조된 용액을 교반하는 단계;b) stirring the solution prepared in step a);

c) 30 ℃ 내지 200 ℃에서, 상기 단계 b)에서 교반된 용액을 중합 반응시켜 구형 고분자 중합체를 제조하는 단계;c) polymerizing the solution stirred in step b) at 30 ° C. to 200 ° C. to produce a spherical polymer polymer;

d) 상기 단계 c)에서 중합된 구형 고분자 중합체를 건조하는 단계; 및d) drying the spherical polymer polymer polymerized in step c); And

e) 상기 단계 d)에서 건조된 구형 고분자 중합체를 불활성 대기 하에서 500 ℃ 내지 3000 ℃의 온도로 열처리하여 탄화시키는 단계e) carbonizing the spherical polymer polymer dried in step d) by heat treatment at a temperature of 500 ° C. to 3000 ° C. under an inert atmosphere.

를 포함하는 방법을 제공한다.It provides a method comprising a.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소를 음극활물질로 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery comprising a nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared by the above method as a negative electrode active material.

이하에서 본 발명을 상세하게 서술한다.The present invention is described in detail below.

본원 발명의 난흑연화성 탄소는 나노 크기이며 구형이라는 것을 특징으로 한다. 상기 구형 난흑연화성 탄소 입자의 직경은 1 nm 내지 900 nm임이 일반적이고, 입자의 직경이 작을수록 우수한 특성을 가진다. 리튬 이차 전지에 있어서, 음극활물질로 포함되는 상기 구형 난흑연화성 탄소 입자의 직경이 작을수록 리튬 이온의 확산 길이(diffusion length)가 작아져 속도 성능(rate capability)이 좋아지고 높은 전류를 사용할 수 있다.The non-graphitizable carbon of the present invention is characterized by being nano-sized and spherical. The diameter of the spherical non-graphitizable carbon particles is generally 1 nm to 900 nm, the smaller the diameter of the particles has excellent characteristics. In the lithium secondary battery, the smaller the diameter of the spherical non-graphitizable carbon particles included as the negative electrode active material, the smaller the diffusion length of lithium ions, so that the rate capability is improved and a higher current can be used. .

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소를 수득하기 위하여는 계면활성제를 첨가하여야 한다. 계면활성제는 일정 농도 이상이 되면 자기 스스로 구형의 모양을 만드는 성질을 갖고 있다. 이를 자가 조립(self-assembly)이라 하며, 계면활성제가 용액에서 구형의 모양을 형성하기 시작하는 농도를 임계 미셀 농도(Critical Micelle Concentration; CMC)라 한다. 보다 자세히 분류하면, 구형의 모양을 만들 때의 농도를 CMC 1이라고 하며, 더 농도를 진하게 할 경우 육방 구조(hexagonal structure)를 갖게 되는데 이 때의 농도를 CMC 2라고 한다. 계면활성제가 임계 미셀 농도 이상에서는 자가 조립을 통하여 구형을 형성하기 때문에, CMC 이상으로 계면활성제를 첨가하면 구형의 미셀이 형성된다. 계면활성제의 농도를 조절하면 미셀의 크기를 나노 크기로 조절할 수 있으며, 이에 유기물인 고분자 단량체를 첨가하면 구형의 나노 크기의 계면활성제 내에 단량체가 침투하게 되고, 구형의 단량체가 계면활성제에 의해 둘러싸인 형태가 된다. 이를 밀폐된 반응기에서 30 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 가열하여 1 시간 내지 20일 동안 중합하면 나노 크기의 구형 고분자 중합체를 제조할 수 있다. 이때 용액을 교반하는 과정에서 초음파 처리를 할 경우더욱 작은 크기의 고분자 입자를 합성할 수 있다.In order to obtain nano sized spherical non-graphitizable carbon, a surfactant must be added. Surfactants have the property of making themselves spherical when they are above a certain concentration. This is called self-assembly, and the concentration at which the surfactant begins to form a spherical shape in the solution is called Critical Micelle Concentration (CMC). In more detail, the concentration at the time of making a spherical shape is called CMC 1, and when the concentration is thicker, it has a hexagonal structure, and the concentration at this time is called CMC 2. Since the surfactant forms a sphere through self-assembly above the critical micelle concentration, the addition of the surfactant above the CMC forms a spherical micelle. By controlling the concentration of the surfactant, the size of the micelle can be adjusted to nano size, and when the organic monomer is added to the monomer, the monomer penetrates into the spherical nano-sized surfactant, and the spherical monomer is surrounded by the surfactant. Becomes It may be heated to a temperature of 30 ℃ to 200 ℃ in a closed reactor to polymerize for 1 hour to 20 days to produce a nano-sized spherical polymer. In this case, when ultrasonication is performed in the process of stirring the solution, polymer particles having a smaller size may be synthesized.

계면활성제에 의해 형성된 구형의 단량체는 용액의 pH에 따라 침전 중합 반응과 졸-겔(sol-gel) 중합 반응을 한다. pH를 5 이하로 조절하여 중합을 진행하면 침전 중합 반응이 일어나는데, 이 반응에 의해 구형의 고분자가 제조된다.The spherical monomer formed by the surfactant undergoes precipitation polymerization and sol-gel polymerization depending on the pH of the solution. When the polymerization is carried out by adjusting the pH to 5 or less, a precipitation polymerization reaction occurs, thereby producing a spherical polymer.

이렇게 제조된 구형의 고분자는 수용액 상에서 중합되므로 물을 제거하는 건조 단계를 거쳐야 한다.Since the spherical polymer prepared in this way is polymerized in an aqueous solution, it has to go through a drying step to remove water.

그리고, 건조된 구형 고분자중합체는 불활성 대기 하에서 500 ℃ 내지 3000 ℃의 온도로 열처리하여 탄화시켜 구형 난흑연화성 탄소로 전환시킨다.In addition, the dried spherical polymer is carbonized by heat treatment at a temperature of 500 ° C. to 3000 ° C. under an inert atmosphere to convert it into spherical non-graphitizable carbon.

본 발명에 사용되는 고분자 제조는 다음과 같은 식에 의해 진행된다.Preparation of the polymer used in the present invention proceeds by the following equation.

단량체 + 포름알데히드 → 고분자 중합체Monomer + Formaldehyde → Polymer

상기 반응은 계면활성제에 의해 형성된 구형의 유기층에서 진행되며 중합 반응의 촉진을 위하여 촉매가 필요하다. 촉매로 사용되는 것은 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등이다.The reaction proceeds in a spherical organic layer formed by a surfactant and requires a catalyst to promote the polymerization reaction. The catalyst used is sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like.

본 발명에 사용되는 단량체는 졸-겔 중합 반응 및 침전 중합 반응이 가능한 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기물이면 되는데, 그 예로는 레조시놀, 페놀, 멜라민, 퍼퓨릴 알코올(furfuryl alcohol), 자당(sucrose) 등을 들 수 있다.The monomer used in the present invention may be an organic material including a hydroxyl group or an amine group capable of sol-gel polymerization and precipitation polymerization, and examples thereof include resorcinol, phenol, melamine, furfuryl alcohol, and sucrose. and sucrose.

그리고, 본 발명에 사용되는 계면활성제로는 알킬트리메틸 암모늄 할라이드(alkyltrimethyl ammonium halide) 계열의 양이온 계면 활성제; 올레산(oleic acid), 알킬아민(alkylamine) 등의 중성 계면활성제; 나트륨 알킬 설페이트(sodium alkyl sulfate), 나트륨 알킬 포스페이트(sodium alkyl phosphate)등의 음이온 계면활성제 등을 들 수 있다. 또한, 미셀을 형성할 수 있는 유기금속 화합물[예: 주석(Ⅳ) 비스(아세틸아세토네이트) 디클로라이드] 등을 계면활성제로 사용할 수 있다. 대표적인 계면활성제의 예로는 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimethyl ammonium bromide: CTAB), 세틸트리메틸 암모늄 클로라이드(cetyltrimethyl ammonium chloride: CTAC), 도데실트리메틸 암모늄 브로마이드(dodecyltrimethyl ammonium bromide: CTAB) 등을 들 수 있다.In addition, the surfactants used in the present invention include alkyltrimethyl ammonium halide-based cationic surfactants; Neutral surfactants such as oleic acid and alkylamine; And anionic surfactants such as sodium alkyl sulfate and sodium alkyl phosphate. In addition, organometallic compounds capable of forming micelles (such as tin (IV) bis (acetylacetonate) dichloride) and the like can be used as surfactants. Representative surfactants include cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), cetyltrimethyl ammonium chloride (CTAC), dodecyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), and the like.

또한, pH를 조절하기 위해 산이나 염기를 첨가할 수 있다. pH를 낮추려는 경우에는 산을 첨가하는데 염산이나 질산 등 일반적인 산성을 띠는 물질은 모두 가능하다. 또한, 포름알데히드가 산성을 띠므로 포름알데히드의 양을 조절하여 pH를 조절할 수 있다. pH를 5 이하로 조절하기 위해서는 포름알데히드의 양을 당량(예: 레조시놀:포름알데히드=1:2) 이상으로 넣어줄 수 있다.In addition, acids or bases may be added to adjust the pH. If the pH is to be lowered, acid can be added, but any acidic substance such as hydrochloric acid or nitric acid can be used. In addition, since the formaldehyde is acidic, it is possible to control the pH by adjusting the amount of formaldehyde. In order to adjust the pH to 5 or less, the amount of formaldehyde may be added in an equivalent amount (for example, resorcinol: formaldehyde = 1: 2).

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소를 제조함에 있어서, 단량체와 계면활성제의 몰(mol) 혼합비를 1 : 0.01 내지 2로 하고, 단량체와 포름알데히드의 몰 혼합비를 1 : 1 내지 2000으로 하며, 단량체와 촉매의 몰 혼합비를 1 : 0.001 내지 0.1로 하고, 단량체와 물의 몰 혼합비를 1 : 0.001 내지 20000으로 하는 것이 바람직하다.In preparing the nano-sized spherical non-graphitizable carbon, the molar mixing ratio of the monomer and the surfactant is 1: 0.01 to 2, the molar mixing ratio of the monomer and the formaldehyde is 1: 1 to 2000, and It is preferable that the molar mixing ratio of the catalyst is 1: 0.001 to 0.1 and the molar mixing ratio of the monomer and water is 1: 0.001 to 20000.

상기와 같은 방법으로 제조된 구형 난흑연화성 탄소는 리튬 이차 전지 음극활물질로 이용할 수 있다. 전지에의 실제 적용을 위해서 다음과 같이 전극을 제조한다. 전극의 성형 방법으로는 본 발명의 방법으로 제조된 구형탄소와 결합제를 10 : 0.5 내지 2의 중량비로 분산제에 첨가하고 교반하여 페이스트를 제조한 후, 이를금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 라미네이트 형상의 전극을 제조한다.Spherical non-graphitizable carbon prepared by the above method can be used as a lithium secondary battery negative electrode active material. For practical application to the cell, the electrode is prepared as follows. As a method for forming an electrode, a spherical carbon and a binder prepared by the method of the present invention are added to a dispersant in a weight ratio of 10: 0.5 to 2 and stirred to prepare a paste, which is then applied to a current collector of a metal material and compressed. It is dried to prepare a laminate electrode.

경우에 따라서는 전극의 저항을 줄이기 위해 도전재를 첨가할 수 있다. 일반적으로, 총 중량을 기준으로 5 중량% 내지 20 중량%의 카본 블랙(carbon black)을 도전재로 첨가한다. 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙 계열(쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠 블랙(Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(super) P(엠엠엠사(MMM) 제품)등이 있다.In some cases, a conductive material may be added to reduce the resistance of the electrode. Generally, 5% to 20% by weight of carbon black, based on the total weight, is added as the conductive material. Products currently marketed as conductive materials include acetylene black series (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company), and Ketjen Black EC series (Armak Company Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company), and Super P (MMM).

상기 결합제의 대표적인 예로는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈(cellulose) 등이 있으며, 분산제의 대표적인 예로는 아이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등이 있다.Representative examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), cellulose, and the like. Representative examples of the dispersant include isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), Acetone and the like.

상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 재료의 페이스트가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로 구리 또는 니켈의 메쉬(mesh), 호일(foil)등이 있다.The current collector of the metal material is a metal having high conductivity, and any metal can be used as long as the paste of the material is easily adhered and is not reactive in the voltage range of the battery. Representative examples include a mesh or foil of copper or nickel.

전극 재료의 페이스트를 금속재료에 도포하는 방법은 재료의 특성을 감안하여 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 이러한 예는 페이스트를 집전체 위에 분배시킨 후, 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 것이다. 경우에 따라서는 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수도 있다. 이밖에도 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 선택할 수 있다. 또는 별도의 기재 위에 성형한 후, 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 집전체와 접합시킬 수 있다.The method of apply | coating the paste of an electrode material to a metal material can be selected from a well-known method in consideration of the characteristic of a material, or can be performed by a new suitable method. An example of this is to distribute the paste onto the current collector and then to uniformly disperse it using a doctor blade or the like. In some cases, a method of distributing and dispersing in one process may be used. In addition, a method of die casting, comma coating, screen printing, or the like may be selected. Alternatively, after molding on a separate substrate, it can be bonded to the current collector by pressing or lamination.

도포된 페이스트를 건조시키는 방법의 예는 50 ℃ 내지 200 ℃의 진공오븐에서 1 일 내지 3 일 동안 건조시킨다.An example of a method of drying the applied paste is to dry for 1 to 3 days in a vacuum oven at 50 ℃ to 200 ℃.

상기의 방법으로 제작된 전극을 이용하여 리튬 이차 전지를 구성하는 방법은 그 예로 상기 전극을 음극으로 사용하고 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 이튬 니켈 옥사이드(LiNiO2), 리튬 망간 옥사이드(LiMn2O4) 등을 양극으로 사용하고 그 사이에 분리막을 삽입시킨다. 분리막은 두 개 전극의 내부 단락을 차단하고 전해액을 함침하는 역할을 하며 사용될 수 있는 재료로는 고분자, 그라스화이버매트, 크라프트지 등이 있으며 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(Celgard 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(polypropylene membrane; Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품) 등이 있다.A method of constructing a lithium secondary battery using the electrode manufactured by the above method is, for example, using the electrode as a negative electrode, and lithium cobalt oxide (LiCoO 2), lithium nickel oxide (LiNiO 2), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4), and the like. And insert the separator between them. The membrane blocks the internal short circuit of the two electrodes and impregnates the electrolyte, and materials that can be used include polymer, glass fiber mat, and kraft paper. Typical examples of the commercially available membranes include Celgard 2400 and 2300 ( Hoechest Celanese Corp.), polypropylene membrane (manufactured by Ube Industries Ltd. or Pall RAI).

상기 전해질은 유기 용매에 리튬 염을 용해시킨 계로, 리튬 염은 LiClO4, LiCF3SO3, LiAsF6, LiBF4, LiN(CF3SO2)2, LiPF6, LiSCN 및 LiC(CF3SO2)3 등을 사용하고, 유기 용매는 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate; EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate; PC), 디에틸 카보네이트(diethylcarbonate; DEC), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate; DMC), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 감마-부티로락톤(gamma-butyrolactone),테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-methyltetrahydrofuran), 1,3-디옥소렌(1,3-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥소렌(4-methyl-1,3- dioxolane), 디에틸에테르(diethylether), 설포렌(sulfolane) 등을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The electrolyte is a system in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, and the lithium salt uses LiClO 4, LiCF 3 SO 3, LiAsF 6, LiBF 4, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiPF 6, LiSCN, and LiC (CF 3 SO 2) 3, and the organic solvent is ethylene carbonate ( Ethylene Carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2 1,2-diethoxyethane, gamma-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxoene 1 type, or 2 or more types of 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethylether, and sulfolene Can be mixed and used.

이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, an Example is for illustrating this invention and is not limited only to these.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1Example 1

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 제조Preparation of Nano-Sized Spherical Non-Graphite Carbon

1 : 100 : 0.02 : 0.41 : 5.6 ×103의 몰비로 레조시놀, 포름알데히드, 탄산나트륨, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 밀폐된 반응기를 사용하여 85 ℃에서 7 일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 3.28이었다. 그리고, 중합체를 85 ℃에서 건조하고, 아르곤 대기 하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000 ℃에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 탄소는 구형이었으며, 직경이 300 nm 내지 350 nm 정도로 균일한 분포를 가졌다. 도 1은 상기와 같이 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 주사 전자 현미경 사진이다.Resorcinol, formaldehyde, sodium carbonate, cetyltrimethyl ammonium bromide and water were mixed at a molar ratio of 1: 100: 0.02: 0.41: 5.6 × 10 3 and polymerized at 85 ° C. for 7 days using a closed reactor. The pH of the initial solution was 3.28. The polymer was then dried at 85 ° C. and heat treated at 1000 ° C. for 3 hours at an elevated rate of 10 ° C./min under an argon atmosphere. The carbon thus produced was spherical and had a uniform distribution with a diameter of 300 nm to 350 nm. 1 is a scanning electron micrograph of the nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared as described above.

실시예 2Example 2

나노 크기의 구형 탄소의 제조Preparation of Nano-Sized Spherical Carbon

1 : 1000 : 0.02 : 0.57 : 5.6 ×103의 몰비로 레조시놀, 포름알데하이드, 탄산나트륨, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 밀폐된 반응기를 사용하여 85 ℃에서 7 일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 3.20이었다. 그리고, 중합체를 85 ℃에서 건조하고, 아르곤 대기 하에서 10 ℃/분의 승온 속도로 1000 ℃에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 탄소는 구형이었으며, 직경이 200 nm 내지 300 nm 정도로 균일한 분포를 가졌다. 도 2는 상기와 같이 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 투과 전자 현미경 사진이다.Resorcinol, formaldehyde, sodium carbonate, cetyltrimethyl ammonium bromide and water were mixed at a molar ratio of 1: 1000: 0.02: 0.57: 5.6 × 10 3 and polymerized at 85 ° C. for 7 days using a closed reactor. The pH of the initial solution was 3.20. The polymer was then dried at 85 ° C. and heat treated at 1000 ° C. for 3 hours at an elevated rate of 10 ° C./min under an argon atmosphere. The carbon thus produced was spherical and had a uniform distribution with a diameter of 200 nm to 300 nm. 2 is a transmission electron micrograph of the nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared as described above.

실시예 3Example 3

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 제조Preparation of Nano-Sized Spherical Non-Graphite Carbon

1 : 1000 : 0.02 : 0.082 : 5.6 ×103의 몰비로 페놀, 포름알데하이드, 탄산나트륨, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 밀폐된 반응기를 사용하여 85 ℃에서 7 일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 3.50이었다. 그리고, 중합체를 85 ℃에서 건조하고, 아르곤 대기 하에서 10 ℃/분의 승온 속도로 1000 ℃ 에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 탄소는 구형이었으며, 직경이 900 nm 내지 1000 nm 정도로 균일한 분포를 가졌다. 도 3은 상기와 같이 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 주사 전자 현미경 사진이다.Phenol, formaldehyde, sodium carbonate, cetyltrimethyl ammonium bromide, and water were mixed at a molar ratio of 1: 1000: 0.02: 0.082: 5.6 × 10 3 and polymerized at 85 ° C. for 7 days using a sealed reactor. The pH of the initial solution was 3.50. The polymer was then dried at 85 ° C. and heat treated at 1000 ° C. for 3 hours at an elevated rate of 10 ° C./min under an argon atmosphere. The carbon thus produced was spherical and had a uniform distribution with a diameter of 900 nm to 1000 nm. 3 is a scanning electron micrograph of the nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared as described above.

실시예 4Example 4

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 제조Preparation of Nano-Sized Spherical Non-Graphite Carbon

1 : 1000 : 0.02 : 0.082 : 5.6 ×103의 몰비로 멜라민, 포름알데하이드, 탄산나트륨, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 초음파 처리를 통하여교반하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85 ℃에서 7 일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 3.44이었다. 그리고, 중합체를 85 ℃에서 건조하고, 아르곤 대기 하에서 10 ℃/분의 승온 속도로 1000 ℃에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 탄소는 구형이었으며, 직경이 100 nm 내지 200 nm 정도로 균일한 분포를 가졌다. 도 4는 상기와 같이 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 투과 전자 현미경 사진이다.Melamine, formaldehyde, sodium carbonate, cetyltrimethyl ammonium bromide and water were mixed and stirred by sonication in a molar ratio of 1: 1000: 0.02: 0.082: 5.6 × 10 3 , and polymerization was carried out at 85 ° C. for 7 days using a sealed reactor. It was. The pH of the initial solution was 3.44. The polymer was then dried at 85 ° C. and heat treated at 1000 ° C. for 3 hours at an elevated rate of 10 ° C./min under an argon atmosphere. The carbon thus produced was spherical and had a uniform distribution with a diameter of 100 nm to 200 nm. 4 is a transmission electron micrograph of the nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared as described above.

실시예 5Example 5

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 제조Preparation of Nano-Sized Spherical Non-Graphite Carbon

1 : 1000 : 0.02 : 0.25 : 5.6 ×103의 몰비로 레조시놀, 포름알데하이드, 탄산나트륨, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드 및 물을 혼합하여 초음파 처리를 통하여 교반하고, 밀폐된 반응기를 사용하여 85 ℃에서 7 일간 중합하였다. 초기 용액의 pH는 3.28이었다. 그리고, 중합체를 85 ℃에서 건조하고, 아르곤 대기 하에서 10 ℃/분의 승온 속도로 1000 ℃에서 3 시간 동안 열처리하였다. 이렇게 만들어진 탄소는 구형이었으며, 직경이 50 nm 내지 100 nm 정도로 균일한 분포를 가졌다. 도 5는 상기와 같이 제조된 나노 크기의 구형난흑연화성 탄소의 투과 전자 현미경 사진이다.Resorcinol, formaldehyde, sodium carbonate, cetyltrimethyl ammonium bromide and water are mixed and stirred by sonication in a molar ratio of 1: 1000: 0.02: 0.25: 5.6 × 10 3 , and the mixture is stirred at 85 ° C. using a sealed reactor. Polymerized daily. The pH of the initial solution was 3.28. The polymer was then dried at 85 ° C. and heat treated at 1000 ° C. for 3 hours at an elevated rate of 10 ° C./min under an argon atmosphere. The carbon thus produced was spherical and had a uniform distribution with a diameter of 50 nm to 100 nm. 5 is a transmission electron micrograph of the nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared as described above.

실시예 6Example 6

구형 난흑연화성 탄소를 음극활물질로 사용한 리튬 이차 전지의 제조 및 성능Fabrication and Performance of Lithium Secondary Battery Using Spherical Non-Graphite Carbon as Negative Active Material

실시예 5와 같이 제조된 구형 난흑연화성 탄소를 음극활물질로 하고 결합제로 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)를 중량비 10 : 1로 혼합하여 페이스트를 제조하여 구리 메쉬(mesh) 집전체에 붙여 작동 전극을 제조하고, 이를 120 ℃ 진공 오븐에서 10 시간 이상 건조시켰다. 아르곤 대기 하의 드라이 박스(dry box) 내에서 반대 전극과 기준 전극으로 리튬 금속 호일을 사용하고, 전해질로 1몰 농도 LiClO4/EC:DEC(부피비 1:1)을 사용하여 비이커 형태의 3극 셀을 제조하고 25 ℃에서 다음의 조건으로 정전류 정전압 실험을 수행하였다. 충전시에는 30 mA/g의 전류 밀도로 0 V(vs.Li/Li+)까지 정전류를 가하고, 0 V에서 전류 밀도가 0.5 mA/g 이하가 될 때까지 정전압을 가하였다. 방전시에는 30 mA/g의 전류 밀도로 2 V(vs.Li/Li+)까지 수행하였다. 충방전 사이마다 5 분간의 휴지기를 주었다. 도 6은 1회 충방전 그래프인데, 충방전 결과 580 mAh/g의 가역 용량을 보였고, 초기 쿨롱 효율은 68.6%이었다. 도 7은 7회 충방전 가역성 그래프인데, 충방전 회수가 진행됨에 따라 가역 용량이 감소하지 않으므로 안정된 가역성을 보이고 있음을 알 수 있다.A spherical non-graphitizable carbon prepared as in Example 5 was used as a negative electrode active material, and polytetrafluoroethylene (PTFE) was mixed with a binder in a weight ratio of 10: 1 to prepare a paste, and then a working electrode was attached to a copper mesh current collector. It was prepared and dried in a 120 ° C. vacuum oven for at least 10 hours. Using a lithium metal foil as a counter electrode and a reference electrode in a dry box under an argon atmosphere, and using a 1 molar concentration LiClO 4 / EC: DEC (volume ratio 1: 1) as an electrolyte, a beaker type 3-pole cell was used. It was prepared and a constant current constant voltage experiment was performed at 25 ℃ under the following conditions. During charging, a constant current was applied to 0 V ( vs. Li / Li +) at a current density of 30 mA / g, and a constant voltage was applied at 0 V until the current density became 0.5 mA / g or less. At discharge, up to 2 V ( vs. Li / Li +) was performed at a current density of 30 mA / g. A 5 minute pause was given between charge and discharge. Figure 6 is a one-time charge and discharge graph, the charge and discharge showed a reversible capacity of 580 mAh / g, the initial coulombic efficiency was 68.6%. Figure 7 is a charge-discharge reversible graph seven times, it can be seen that since the reversible capacity does not decrease as the number of charge and discharge recovery proceeds showing a stable reversibility.

본 발명에서 제조한 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소는 리튬 이차 전지의 음극활물질로 사용될 경우 겉보기 밀도가 크므로 전지의 단위 부피당 용량을 증가시킬 수 있고 극판 성형의 가공성을 향상시킬 수 있다. 또한, 입자의 크기가 나노 크기로 작으므로 전도성이 향상되어 도전재없이도 극판을 제조할 수 있다.Since the nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared in the present invention has a large apparent density when used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, the capacity per unit volume of the battery may be increased, and processability of the electrode plate may be improved. In addition, since the particle size is small as the nano-size, the conductivity is improved, it is possible to manufacture the electrode plate without a conductive material.

Claims (16)

나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소의 제조 방법으로서,As a method for producing nano-sized spherical non-graphitizable carbon, a) 중합 반응 촉진용 촉매의 존재 하에 고분자 단량체, 포름알데히드 및 임계 미셀 농도 이상의 계면활성제를 물에 용해시킨 후, pH를 조절하여 용액을 제조하는 단계;a) dissolving a polymer monomer, formaldehyde and a surfactant at a concentration higher than the critical micelle concentration in water in the presence of a catalyst for promoting a polymerization reaction, and then adjusting the pH to prepare a solution; b) 상기 단계 a)에서 제조된 용액을 교반하는 단계;b) stirring the solution prepared in step a); c) 30 ℃ 내지 200 ℃에서, 상기 단계 b)에서 교반된 용액을 중합 반응시켜 구형 고분자 중합체를 제조하는 단계;c) polymerizing the stirred solution in step b) at 30 ° C. to 200 ° C. to produce a spherical polymer; d) 상기 단계 c)에서 중합된 구형 고분자 중합체를 건조하는 단계; 및d) drying the spherical polymer polymer polymerized in step c); And e) 상기 단계 d)에서 건조된 구형 고분자 중합체를 불활성 대기 하에서 500 ℃ 내지 3000 ℃ 온도로 열처리하여 탄화시키는 단계e) carbonizing the spherical polymer polymer dried in step d) by heat treatment at 500 ° C. to 3000 ° C. under an inert atmosphere. 를 포함하는 방법.How to include. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 구형 난흑연화성 탄소의 직경이 1 nm 내지 900 nm인 것을 특징으로 하는 방법.The spherical non-graphitizable carbon is characterized in that the diameter of 1 nm to 900 nm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 a)에서의 단량체와 계면활성제의 몰(mol) 혼합비가 1 : 0.01 내지 2인 것을 특징으로 하는 방법.The molar mixing ratio of the monomer and the surfactant in the step a) is 1: 0.01 to 2. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 a)에서의 단량체와 포름알데하이드의 몰 혼합비가 1 : 1 내지 2000인 것을 특징으로 하는 방법.The molar mixing ratio of the monomer and formaldehyde in the step a) is 1: 1 to 2000. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 a)에서의 단량체와 촉매의 몰 혼합비가 1 : 0.001 내지 0.1인 것을 특징으로 하는 방법.The molar mixing ratio of the monomer and the catalyst in the step a) is 1: 0.001 to 0.1. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 a)에서의 단량체와 물의 몰 혼합비가 1 : 0.001 내지 20000 인 것을 특징으로 하는 방법.The molar mixing ratio of the monomer and water in step a) is 1: 0.001 to 20000. 제1항 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 a)에서의 용액의 pH가 5 이하로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.PH of the solution in step a) is adjusted to 5 or less. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 b)에서의 용액의 교반이 초음파 처리에 의한 교반인 것을 특징으로 하는 방법.The stirring of the solution in step b) is stirring by sonication. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 c)의 중합 반응이 30 ℃ 내지 200℃의 온도에서 1 시간 내지 20 일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The polymerization reaction of step c) is carried out at a temperature of 30 ℃ to 200 ℃ for 1 hour to 20 days. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 단량체가 졸-겔 중합 반응 및 침전 중합 반응이 가능한 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기물인 것을 특징으로 하는 방법.The monomer is an organic material comprising a hydroxyl group or an amine group capable of sol-gel polymerization and precipitation polymerization. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 단량체가 레조시놀, 페놀, 멜라민, 바이페놀(biphenol), 퍼퓨릴 알코올(furfuryl alcohol), 자당(sucrose)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The monomer is selected from the group consisting of resorcinol, phenol, melamine, biphenol, furfuryl alcohol, sucrose. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 계면활성제가 알킬트리메틸 암모늄 할라이드(alkyltrimethyl ammonium halide) 계열의 양이온 계면 활성제; 올레산(oleic acid), 알킬아민(alkylamine)을 포함하는 중성 계면활성제; 나트륨 알킬 설페이트(sodium alkyl sulfate), 나트륨 알킬 포스페이트(sodium alkyl phosphate)를 포함하는 음이온 계면활성제; 및 주석(Ⅳ)비스(아세틸아세토네이트) 디클로라이드를 포함하는 미셀을 형성가능 유기금속 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.Surfactants are cationic surfactants of the alkyltrimethyl ammonium halide series; Neutral surfactants including oleic acid, alkylamines; Anionic surfactants including sodium alkyl sulfates, sodium alkyl phosphates; And an organometallic compound capable of forming a micelle comprising tin (IV) bis (acetylacetonate) dichloride. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 촉매가 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화나트륨 및 수산화칼륨을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The catalyst is selected from the group comprising sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide and potassium hydroxide. 리튬 이차 전지의 음극활물질에 유용한, 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 의해 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소.A nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared by any one of claims 1 to 13, which is useful for a negative electrode active material of a lithium secondary battery. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 의해 제조된 나노 크기의 구형 난흑연화성 탄소를 음극활물질로 포함하는 리튬 이차 전지.A lithium secondary battery comprising a nano-sized spherical non-graphitizable carbon prepared by any one of claims 1 to 13 as a negative electrode active material. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 도전재를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.A lithium secondary battery comprising no conductive material.
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