KR20030094633A - Negative electrode for lithium secondary thin battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A negative electrode for a lithium secondary thin film battery and its preparation method are provided, to improve the stability by using Si instead of Li and to enhance the charge/discharge performance by suppressing the volume change due to the reaction with Li. CONSTITUTION: The negative electrode comprises a nanocompound matrix of Si and a metal which does not react with Li and has a strong affinity with Si; and a nano-sized silicon dispersed in the matrix. Preferably the metal which does not react with Li is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W and Re. The method comprises the steps of forming a thin film on a substrate with Si and the metal which does not react with Li; and impressing energy the substrate. Preferably the energy impressing is carried out by impressing direct bias, heating, irradiating an ion beam or treating plasma.

Description

리튬 이차 박막 전지용 음극 및 그의 제조 방법{NEGATIVE ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY THIN BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}A negative electrode for a lithium secondary thin film battery and a manufacturing method therefor {NEGATIVE ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY THIN BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 리튬 이차 박막 전지용 음극 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이클 수명 특성이 우수하고, 고용량을 나타낼 수 있는 리튬 이차 박막 전지용 음극 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary thin film battery and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a negative electrode for a lithium secondary thin film battery which is excellent in cycle life characteristics and can exhibit high capacity.

[종래 기술][Prior art]

최근 반도체 기술의 급속한 발전으로 각종 전자 기기들의 고집적화 및 초 소형화가 급진전되고 있고, 이에 따라 전화기, 컴퓨터, 비디오 카메라 등의 전자 제품들이 휴대 가능한 크기 및 중량을 가진 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 캠코더 등으로 빠르게 대치되고 있다. 소형 전지는 휴대용 전자 기기의 광범위한 보급을 가능케 한 핵심 부품으로 특히, 리튬(Li) 이차 전지는 중량·부피당 높은 에너지밀도를 갖는 전지이며, 기존의 Ni-MH, Ni-Cd 전지를 급속도로 대체하면서 상용화되어 있는 대부분의 휴대 전자 기기의 전원으로 채용되고 있다.Recently, due to the rapid development of semiconductor technology, high integration and ultra-miniaturization of various electronic devices are rapidly progressing, and as a result, mobile phones, notebook computers, digital camcorders, and the like, which are capable of carrying electronic products such as telephones, computers, and video cameras It is quickly being replaced. Small batteries are the key components that enable widespread use of portable electronic devices. Lithium (Li) secondary batteries have a high energy density per weight and volume, and rapidly replace existing Ni-MH and Ni-Cd batteries. It is used as a power source for most commercially available portable electronic devices.

그러나, 현재 사용되고 있는 리튬 이차 전지는 분말 형태의 활물질로 이루어진 두 개의 전극과 액상의 전해질로 이루어지는 벌크형 전지로서 독립된 전지 팩의 형태로 제조되고 있기 때문에 초소형 전자 기기에는 적합하지 않다. 또한, 각종 첨가물과 액체 전해질은 전지의 용량을 감소시키고, 충방전 수명의 저하를 초래하며, 환경문제를 야기하는 요인으로 작용한다.However, currently used lithium secondary batteries are bulk batteries consisting of two electrodes made of an active material in powder form and a liquid electrolyte, and thus are not suitable for microelectronic devices because they are manufactured in the form of independent battery packs. In addition, various additives and liquid electrolytes reduce the capacity of the battery, cause a decrease in charge and discharge life, and act as a factor causing environmental problems.

상기한 문제를 해결하기 위해 음극, 양극 및 전해질의 전지 구성 요소들을 스퍼터링, 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition: CVD), 전자선 증착 등 박막 증착 공정을 이용하여 박막의 형태로 제조한 고상 박막형 리튬 이차 마이크로 전지(이하, 마이크로전지)가 연구되고 있다.In order to solve the above problems, the solid-state thin-film lithium secondary micro fabricated in the form of a thin film using a thin film deposition process such as sputtering, chemical vapor deposition (CVD), electron beam deposition, etc. Batteries (hereinafter, micro cells) have been studied.

도 1은 일반적인 마이크로 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 박막 마이크로 전지는 기판(1) 위에 집전체(2), 양극 박막(3), 전해질 박막(4), 음극 박막(5) 및 보호막(6, Encapsulation)들이 순차적으로 증착 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a general micro battery. As shown in FIG. 1, in the thin film micro cell, a current collector 2, a positive electrode thin film 3, an electrolyte thin film 4, a negative electrode thin film 5, and a protective film 6, encapsulation, are sequentially deposited on a substrate 1. Formed.

상기 기판(1)으로는 일반적으로 알루미나(Al2O3) 또는 규소 산화물(SiO2)이 주로 사용되며, 이외에도 전자부품용 유리등을 사용할 수도 있다. 상기 집전체(2)로는 Au, Pt, Al, Cr 등이 이용되고 있으며 이중 주로 Pt가 이용된다.In general, alumina (Al 2 O 3 ) or silicon oxide (SiO 2 ) is mainly used as the substrate 1, and glass for electronic parts may be used. Au, Pt, Al, Cr, and the like are used as the current collector 2, and Pt is mainly used.

상기 양극(3)에 사용되는 양극 활물질로는 예들 들어, TiS2, WO3및 MnO2, 리튬 금속 산화물(Li-M-O, M=Co, Mn, Ni) 등이 사용된다. 양극을 증착 공정은 스퍼터링, 전자빔 증발법, 졸-겔 법 등을 사용한다. 리튬 2차 전지의 전해질(4)은 고상의 산화물 또는 질산화물이 주로 사용되며 고분자막으로 형성될 수도 있다. 음극(5)은 주로 리튬(Li)으로 형성된다. 도 1의 보호막(6)은 세라믹-금속, 팔리렌(Parylene)-금속, 리튬과 화학 반응을 하지 않으면서 대기 중에서 안정한 금속막, 질산화물 등으로 이루어진다.As the positive electrode active material used in the positive electrode 3, for example, TiS 2 , WO 3 and MnO 2 , lithium metal oxides (Li-MO, M = Co, Mn, Ni) and the like are used. The anode deposition process uses sputtering, electron beam evaporation, sol-gel method and the like. As the electrolyte 4 of the lithium secondary battery, solid oxides or nitrates are mainly used and may be formed of a polymer film. The negative electrode 5 is mainly formed of lithium (Li). The protective film 6 of FIG. 1 is made of a metal film, nitride oxide, or the like which is stable in the air without chemical reaction with ceramic-metal, parylene-metal, lithium.

그러나 음극으로 사용되는 리튬 금속은 녹는 점이 낮아(약 180℃) 응용분야에 있어 제한이 크고, 높은 활성을 지닌 리튬 금속을 취급하기 위해서는 수분과 산소로부터 격리시키는 장치가 추가되어야 하고, 전지 내부에 보호층의 설계가 필수적이며, 안전성에도 문제가 발생할 소지가 많다.However, lithium metal used as a negative electrode has a low melting point (about 180 ° C.) and is therefore limited in applications, and in order to handle high activity lithium metal, a device to isolate from moisture and oxygen has to be added and protection inside the battery. The design of the floor is essential and there are many problems with safety.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘계 음극 물질을 박막화하여 마이크로 전지의 음극으로 사용하여 고온 공정에서 열적으로 안정하고 안전성이 향상된 리튬 이차 박막 마이크로 전지용 음극을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems as described above, an object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary thin film micro battery thermally stable and improved safety in a high temperature process by using a thin film of silicon-based negative electrode material as a negative electrode of the micro battery It is.

본 발명의 다른 목적은 사이클 수명 특성과 용량이 증가된 리튬 이차 박막 전지를 제공할 수 있는 리튬 이차 박막 마이크로 전지용 음극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary thin film micro-cell that can provide a lithium secondary thin film battery with increased cycle life characteristics and capacity.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 음극을 사용한 리튬 이차 박막 전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary thin film battery using the negative electrode.

도 1은 박막 전지의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing a general structure of a thin film battery.

도 2는 코인 타입의 2전극 셀의의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a coin-type two-electrode cell.

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 충방전 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프.3 is a graph showing the charge and discharge cycle life characteristics of Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 3의 충방전 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프.4 is a graph showing the charge and discharge cycle life characteristics of Example 2 and Comparative Example 3 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 3 및 비교예 4의 충방전 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the charge and discharge cycle life characteristics of Example 3 and Comparative Example 4 of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에너지를 인가하면서, 리튬과 반응하지 않는 금속, 및 실리콘을 이용하여 기재 위에 박막을 형성하는 공정을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극의 제조 방법 을 제공한다. 상기 에너지를 인가하는 공정은 박막을 형성하는 공정을 실시한 후에 실시할 수도 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a negative electrode for a lithium secondary thin film battery comprising a step of forming a thin film on a substrate using a metal, and silicon, which does not react with lithium while applying energy. The step of applying the energy may be carried out after the step of forming a thin film.

본 발명은 또한 리튬과 반응하지 않으며, 실리콘과 강한 친화력을 갖는 금속과 Si과의 나노 화합물 매트릭스; 및 상기 매트릭스 내에 분산된 나노 크기의 실리콘을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극을 제공한다.The present invention also does not react with lithium and has a strong affinity with silicon and a nano compound matrix of Si with metal; And it provides a negative electrode for a lithium secondary thin film battery comprising nano-sized silicon dispersed in the matrix.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 기존의 박막 전지에서 음극으로 사용되는 리튬을 대신할 음극 재료에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material to replace lithium used as a negative electrode in a conventional thin film battery.

박막 전지용 음극으로 사용되기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.To be used as a negative electrode for a thin film battery, the following conditions must be satisfied.

첫째, 부피 및 중량 당 충방전 용량이 커야 한다.First, the charge and discharge capacity per volume and weight should be large.

둘째, 고온에서도 안정한 물질이어야 한다.Second, the material must be stable even at high temperatures.

셋째, 첫 번째 싸이클에서 리튬의 삽입 후 탈리되는 과정에서 비가역적인 반응으로 인한 용량 감소가 없어야 한다.Third, there should be no capacity reduction due to the irreversible reaction in the process of detachment after insertion of lithium in the first cycle.

넷째, 지속적인 충방전 싸이클에서 용량 감소가 없어야 한다.Fourth, there should be no capacity reduction in continuous charge and discharge cycles.

다섯째, 전해질과의 계면에서 화학적, 전기적으로 안정해야한다.Fifth, it must be chemically and electrically stable at the interface with the electrolyte.

여섯째, 전해질 및 집전체와 밀착성이 우수해야한다.Sixth, it should be excellent in adhesion with the electrolyte and the current collector.

일곱째, 저온에서 제조가 용이해야 한다.Seventh, the production should be easy at low temperatures.

상기 물성을 만족하여 리튬을 대체할 물질로 본 발명에서는 실리콘(Si)을 사용하여 본 발명을 완성하였다.In the present invention, a silicon (Si) is used as a material to replace lithium by satisfying the above physical properties.

본 발명의 리튬 이차 박막 전지용 음극은 다음과 같은 방법으로 제조된다.The negative electrode for a lithium secondary thin film battery of the present invention is manufactured by the following method.

리튬과 반응하지 않고 실리콘과 친화력이 우수한 금속과(이하 "비반응 금속"이라 함), 실리콘을 사용하여 기판에 전류 집전체가 증착된 제 1 기재 및, 기판, 전류 집전체 및 양극이 차례로 증착된 제 2 기재(이하 "제 1 기재 및 제 2 기재"를 모두 "기재"라고 함) 위에 박막 음극을 형성한다. 박막 형성 공정시 에너지를 인가하는 공정을 동시에 실시할 수도 있고, 박막을 형성한 후, 에너지를 인가하는 공정을 실시할 수도 있다.A metal which does not react with lithium and has a high affinity with silicon (hereinafter referred to as a "non-reactive metal"), a first substrate having a current collector deposited on the substrate using silicon, and a substrate, a current collector, and an anode in that order A thin film cathode is formed on the second substrate (hereinafter, the first substrate and the second substrate are both referred to as the substrate). In the thin film forming step, a step of applying energy may be performed simultaneously, or a step of applying energy after forming a thin film may be performed.

얻어진 박막 음극은 상기 비반응 금속과 실리콘과의 반응 화합물, 즉 실리사이드 화합물로 형성된 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 분산된 실리콘으로 형성되어 있다.The obtained thin film cathode is formed of a reaction compound of the unreacted metal and silicon, that is, a matrix formed of a silicide compound and silicon dispersed in the matrix.

상기 박막 공정은 일반적으로 공지된 박막 공정은 모두 사용할 수 있으며, 특별히 제한하지는 않으나, 그 대표적인 방법으로 RF 스퍼터링, DC 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링 같은 스퍼터링 공정, 이온 플레이팅, 전자선 증착 방법, 이온선 보조증착 방법, 화학 기상 증착, 플라즈마 화학 기상 증착, 저온 박막 증착 또는 도금법으로 형성할 수 있다.In general, the thin film process may be any known thin film process, and is not particularly limited, but typical examples thereof include sputtering processes such as RF sputtering, DC sputtering, ion beam sputtering, ion plating, electron beam deposition, and ion beam auxiliary deposition. , Chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, low temperature thin film deposition or plating.

상기 박막 공정은 실리콘이 상기 박막 음극 내에 과잉량으로 분산될 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 박막 음극 내에서 실리콘의 조성은 비반응 금속과 실리콘 등의 출발 물질의 조성을 변화시키거나, 출발 물질에 가해지는 파워를 조절하거나 또는 출발 물질이 박막 공정시 사용되는 반응기를 통과하는 유량으로 제어할 수 있다. 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있는 내용이므로, 본 명세서에서는 자세한 설명은 생략하기로 한다. 이와 같이, 기본 물성이 고용량을 나타낼 수 있는 실리콘이 과잉으로 음극 내에 분산되어 있으므로 전지 용량을 증가시킬 수 있다.The thin film process is preferably carried out under conditions in which silicon is dispersed in an excessive amount in the thin film cathode. The composition of the silicon in the thin film cathode may be changed by changing the composition of starting materials such as unreacted metal and silicon, adjusting the power applied to the starting material, or controlling the flow rate of the starting material through the reactor used in the thin film process. Can be. As it can be widely understood by those in the art, detailed description thereof will be omitted. As such, since the silicon, which may exhibit high capacity in basic properties, is excessively dispersed in the negative electrode, the battery capacity may be increased.

상기 에너지를 인가하는 공정은 기재에 직류 바이어스를 인가, 이온 빔을 조사, 기재를 가열 또는 플라즈마 처리하여 실시한다. 본 발명에서는 이와 같이, 종래 박막 형성 공정에서 에너지를 인가하는 공정을 실시함에 따라, 상기 비반응 금속과 Si의 응집체(cluster)가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 나노 크기의 비반응 금속과 실리콘의 화합물의 매트릭스가 기재 위에 형성되며, 또한 매트릭스 내에 분산된 실리콘도 나노 크기로 분산되어 있게 된다.The energy applying step is performed by applying a direct current bias to the substrate, irradiating an ion beam, and heating or plasma treating the substrate. As described above, according to the present invention, a process of applying energy in the conventional thin film forming process can prevent formation of an aggregate of the non-reactive metal and Si. In addition, a matrix of nanoscale unreacted metals and compounds of silicon is formed on the substrate, and silicon dispersed in the matrix is also dispersed at nanoscale.

실리콘은 리튬과 하기 반응식 1과 같이 반응을 하는 물질로서, 4000mAh/g의 매우 높은 가역적인 충방전 용량을 가지고 있으며, 박막 전지용 박막 음극으로써 가져야 할 조건을 충족시키므로 음극 활물질로 유용한 물질이다.Silicon is a material that reacts with lithium as shown in Scheme 1, and has a very high reversible charge / discharge capacity of 4000 mAh / g, and it is a useful material as a negative electrode active material because it satisfies the conditions to be a thin film negative electrode for a thin film battery.

[반응식 1]Scheme 1

Si + 4.4Li = Li4.4SiSi + 4.4Li = Li 4.4 Si

그러나 이러한 실리콘 입자 크기가 클 경우, 충방전 싸이클이 진행됨에 따라 리튬의 삽입과 탈리가 반복되면서 실리콘 입자가 부피 팽창과 수축을 반복하게 되고 균열이 발생하면서 깨어져 전기적으로 접촉상태를 이루지 못한 실리콘 입자가 발생되어 충방전 용량이 감소할 수 있다. 박막 음극 전지를 제조하기 위해서 박막 형성 공정시, 냉각 공정을 실시할 경우 증착된 증착물의 결정 구조가 비정질 상태로 형성되며, 이와 같이 비정질 상태의 결정 구조는 필연적으로 많은 댕글링 본드(dangling bond)를 형성하게 되고, 이러한 댕글링 본드는 리튬 이온을 고착시키고 트랩으로 작용할 확률이 높아 전지 충방전시 리튬의 비가역 용량이 커져 전지 충방전 용량이 감소하게 된다. 박막 형성시 기판을 냉각시키게 되면 증착된 증착물은 응집체(cluster)이 형성되어 또한 충방전 용량 감소 문제를 발생시키게된다. 그러나, 본 발명에서는 냉각 공정 대신, 증착시 에너지를 인가하는 공정을 실시함에 따라 증착되는 증착물이 완전한 결정 구조를 형성하고 미세하게 분산된 실리콘 입자를 나노 크기로 형성할 수 있어, 이러한 용량 감소 문제점을 해결할 수 있다.However, when the silicon particle size is large, as the charge and discharge cycle proceeds, the insertion and desorption of lithium is repeated, and the silicon particles are repeatedly expanded and contracted in volume. May be generated to reduce the charge / discharge capacity. In the thin film formation process, a crystal structure of the deposited deposit is formed in an amorphous state in order to manufacture a thin film anode cell. Thus, the amorphous crystal structure inevitably causes many dangling bonds. The dangling bond has a high probability of fixing lithium ions and acting as a trap, thereby increasing the irreversible capacity of lithium during battery charging and discharging, thereby reducing battery charging and discharging capacity. When the substrate is cooled during the formation of the thin film, the deposited deposits may form a cluster, which may also cause a problem of reducing charge and discharge capacity. However, in the present invention, instead of the cooling process, as a process of applying energy during deposition, the deposited deposit may form a complete crystal structure and form finely dispersed silicon particles in a nano size, thereby reducing the capacity problem. I can solve it.

상기 비반응 금속은 리튬과 반응하지 않으면서 실리콘과의 친화력은 우수한 금속으로서, 그 대표적인 예로는 Ni, Co, Fe, Cr, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W 및 Re로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The non-reactive metal is a metal having excellent affinity with silicon while not reacting with lithium, and representative examples thereof include Ni, Co, Fe, Cr, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W and Any one selected from the group consisting of Re can be used.

상기 기판, 집전체 및 양극 활물질로는 일반적으로 리튬 이차 박막 전지에 사용되는 물질은 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 기판으로는 알루미나또는 규소 산화물을 사용할 수 있으며, 상기 집전체로는 Au, Pt, Al, Cr 등을 사용할 수 있고, 상기 양극 활물질로는 TiS2, WO3및 MnO2, 리튬 금속 산화물(Li-M-O, M=Co, Mn, Ni) 등을 사용할 수 있다.As the substrate, the current collector and the positive electrode active material, all materials generally used in a lithium secondary thin film battery may be used. As a representative example, alumina or silicon oxide may be used as the substrate, and as the current collector, Au, Pt, Al, Cr, and the like may be used, and the positive electrode active material may be TiS 2 , WO 3 , MnO 2 , lithium metal oxide (Li-MO, M = Co, Mn, Ni), or the like.

상기 제조 방법으로 제조된 리튬 이차 박막 전지용 음극은 상기 비반응 금속과 실리콘의 반응 화합물을 포함하는 매트릭스와, 이 매트릭스 내에 분산된 실리콘을 포함한다. 이 음극은 상변이 온도가 기존의 리튬 금속에 비해 상대적으로 높은 상기 비반응 금속과 실리콘의 반응 혼합물, 및 실리콘을 포함하므로, 이 음극을 포함한 전지는 고온에서(180℃ 이상) 사용가능하다.The negative electrode for a lithium secondary thin film battery produced by the above production method includes a matrix containing a reaction compound of the unreacted metal and silicon, and silicon dispersed in the matrix. Since this negative electrode contains a reaction mixture of the unreacted metal and silicon and a silicon having a phase shift temperature relatively higher than that of a conventional lithium metal, the battery including the negative electrode can be used at a high temperature (180 ° C. or higher).

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

스퍼터링 타켓으로 실리콘과 지르코늄을 사용하여, 이들을 동시에 스퍼터링하여 두께 0.2mm, 직경 12mmdml Cu 디스크 기판 위에 증착하고, 이 기판에 직류 바이어스를 인가하였다. 이 때의 제조 조건은 하기 표 1에 나타내었다.Using sputtering targets, silicon and zirconium were simultaneously sputtered and deposited on a 0.2 mm thick, 12 mm diameter Cu disk substrate, and a direct current bias was applied to the substrate. The manufacturing conditions at this time are shown in Table 1 below.

(비교예 1 내지 2)(Comparative Examples 1 and 2)

증착 공정 중 직류 바이어스 인가 공정 대신 기판 냉각 공정을 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조 조건은 하기 표 1에 나타내었다.The deposition process was performed in the same manner as in Example 1 except that the substrate cooling process was performed instead of the DC bias application process. Preparation conditions are shown in Table 1 below.

실시예 1(Si-Zr 실리사이드)Example 1 (Si-Zr Silicide) 비교예 1(Si)Comparative Example 1 (Si) 비교예 2(Si-Zr)Comparative Example 2 (Si-Zr) 초기 진공Initial vacuum 1 × 106Torr1 × 10 6 Torr 1 × 106Torr1 × 10 6 Torr 1 × 106Torr1 × 10 6 Torr 증착 분위기Deposition atmosphere ArAr ArAr ArAr 가스유입량Gas flow rate 20 sccm20 sccm 20 sccm20 sccm 20 sccm20 sccm 작업 압력Working pressure 5mTorr5 mTorr 5mTorr5 mTorr 5mTorr5 mTorr 스퍼터링 타겟/증착 방법Sputtering Target / Deposition Method Si, Zr/동시 증착Si, Zr / Simultaneous Deposition SiSi Si, Zr/동시 증착Si, Zr / Simultaneous Deposition 스퍼터링 파워Sputtering power 180W180 W 180W180 W 180W180 W 기판Board 냉각하지 않음/바이어스-100VUncooled / Bias-100V 수냉Water cooling 수냉Water cooling 조성Furtherance Si0.8Zr0.2 Si 0.8 Zr 0.2 SiSi Si0.8Zr0.2 Si 0.8 Zr 0.2 특징Characteristic Si상과 Zr 실리사이드 상의 나노 복합물Nanocomposites of Si and Zr Silicide Phases Si 단일상Si single phase Si과 Zr의 비정질 혼합물Amorphous Mixture of Si and Zr

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 방법으로는 Si상과, Zr 실리사이드상의 나노 복합물이 형성되는데 반하여, Si과 Zr을 동시 증착하여 동일한 조성이 얻어진 비교 예 2의 방법으로는 Si과 Zr의 비정질 혼합물이 형성됨을 알 수 있다. 이와 같이 비정질 혼합물이 형성될 경우, 초기 Li의 삽입 반응 중 Li+이 잡히는(trap) 댕글링 본드(dangling bond)를 형성하여 초기 비가역 반응이 크고, 또한 Si이 미세하게 분산되지 않고 응집할 가능성이 커 싸이클 수명 특성이 저하될 수 있는 문제가 있다.As shown in Table 1, while the nanocomposite of Si phase and Zr silicide phase is formed by the method of Example 1, Si and Zr are the method of Comparative Example 2 in which the same composition is obtained by simultaneously depositing Si and Zr. It can be seen that an amorphous mixture of is formed. When the amorphous mixture is formed in this way, during the initial Li insertion reaction, a dangling bond is formed in which Li + is trapped, so that the initial irreversible reaction is large, and Si is unlikely to be finely dispersed and aggregated. There is a problem that the cycle life characteristics can be reduced.

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 방법으로 제조된 박막 음극의 전기 화학적 특성을 평가하기 위하여 도 2에 나타낸 코인 타입의 2전극 셀(coin type cell)을 제조하였다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 상기 2전극 셀은 하측 셀(11)의 내측에는 음극 쪽과 양극 쪽을 전기적으로 절연하는 가스켓(12)이 배치되고, 하측 셀(11)의 상단에 순차적으로 리튬상대전극(13), 1몰의 LiPF6이 해리되어 있는 에틸렌 카보네이트/디에틸 카보네이트 용액에 충분히 젖어있는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 재질의 세퍼레이터 필름으로 구성된 전해질층(14), 상기 실시예 1 및 비교예 1의 방법으로 제조된 박막 음극인 작동 전극(15)을 형성한다. 그 후 전극 및 전해질층의 압착을 위하여 상기 작동 전극(15)의 상측에 구리(Cu)로 된 스페이서(16, spacer)를 배치하고 마지막으로 그 위에 상측 셀(17)을 덮고 압착하여 구성한다.In order to evaluate the electrochemical properties of the thin film anodes prepared by the method of Example 1 and Comparative Examples 1 to 2, a coin type two-electrode cell (coin type cell) shown in FIG. 2 was prepared. As shown in FIG. 2, in the two-electrode cell, a gasket 12 electrically insulating the cathode side and the anode side is disposed inside the lower cell 11, and the lithium electrode is sequentially disposed on the upper side of the lower cell 11. Electrolyte layer 14 consisting of a separator film made of polypropylene / polyethylene / polypropylene sufficiently wetted with an electrode 13, an ethylene carbonate / diethyl carbonate solution in which 1 mol of LiPF 6 was dissociated, Example 1 and comparison The working electrode 15 which is a thin film cathode manufactured by the method of Example 1 is formed. Thereafter, a spacer 16 made of copper (Cu) is disposed on the upper side of the working electrode 15 to compress the electrode and the electrolyte layer, and finally, the upper cell 17 is covered and compressed.

상기 2전극 셀을 30uA의 속도로 충방전 실험을 하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 박막 음극을 사용한 2전극 셀의 충방전 사이클 특성이 비교예 1 내지 2에 비하여 월등히 우수함을 알 수 있다. 즉, 이 결과는 실시예 1의 Si-Zr 실리사이드 나노 복합물음극이 충방전 사이클 특성을 월등히 향상시켰음을 나타내고 있다.The two-electrode cell was charged and discharged at a speed of 30 uA, and the results are shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, it can be seen that the charge / discharge cycle characteristics of the two-electrode cell using the thin film cathode of Example 1 were much better than those of Comparative Examples 1 to 2. In other words, these results indicate that the Si-Zr silicide nanocomposite cathode of Example 1 significantly improved the charge / discharge cycle characteristics.

(실시예 2)(Example 2)

전자선 증발법을 이용하여 실리콘과 니켈을 두께 0.2mm, 직경 12mm의 Cu 디스크 기판에 동시에 증착하고, 동시에 Ar 이온빔을 기판에 조사하여 리튬 이차 박막 전지용 음극을 제조하였다. 이 때의 제조 조건을 하기 표 2에 나타내었다.Silicon and nickel were simultaneously deposited on a Cu disk substrate having a thickness of 0.2 mm and a diameter of 12 mm using an electron beam evaporation method, and at the same time, an Ar ion beam was irradiated onto the substrate to prepare a cathode for a lithium secondary thin film battery. The production conditions at this time are shown in Table 2 below.

실시예 2(이온 빔 조사된 Si-Ni)Example 2 (ion beam irradiated Si-Ni) 비교예 3(이온 빔 조사되지 않은 Si-Ni)Comparative Example 3 (Si-Ni without ion beam irradiation) 초기 진공Initial vacuum 9.0 ×10-7Torr9.0 × 10 -7 Torr 9.0 ×10-7Torr9.0 × 10 -7 Torr 증착 분위기Deposition atmosphere ArAr 가스 유입량Gas inflow 3 sccm3 sccm 작업 압력Working pressure 1.5 ×10-4Torr1.5 × 10 -4 Torr 1.8 ×10-6Torr1.8 × 10 -6 Torr 전자 빔 소스(E-beam source)/증착 방법E-beam source / deposition method Si, Ni/ 동시 증착Si, Ni / Co-Deposition Si, Ni/ 동시 증착Si, Ni / Co-Deposition 전자 빔 전력(E-beam power)E-beam power Si: -5.7KV, 140mANi: -5.7KV, 55mASi: -5.7KV, 140mA Ni: -5.7KV, 55mA Si: -5.7KV, 140mANi: -5.7KV, 55mASi: -5.7KV, 140mA Ni: -5.7KV, 55mA 이온 빔 전력(Ion beam power)Ion beam power 150eV 20mA150 eV 20 mA 기판 냉각Board Cooling 냉각하지 않음Do not cool 냉각하지 않음Do not cool 조성Furtherance Si0.8Ni0.2 Si 0.8 Ni 0.2 Si0.8Ni0.2 Si 0.8 Ni 0.2 특징Characteristic Si 상과 Ni 실리사이드 상의 나노 복합물Nanocomposites of Si and Ni Silicide Phases Si과 Ni의 나노 복합물Nanocomposites of Si and Ni

상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 실시예 2의 방법으로는 Si상과 Ni 실리사이드 상의 나노 복합물이 형성됨을 알 수 있다.As shown in Table 2, it can be seen that the nanocomposite of Si phase and Ni silicide phase is formed by the method of Example 2.

상기 실시예 2 및 비교예 3의 방법으로 제조된 박막 음극을 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 코인 전지를 제조하고, 이 전지를 이용하여 충방전 사이클 특성을 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 알 수 있듯이, 실시예 2의 박막 음극을 이용하여 제조된 코인 전지의 충방전 사이클 특성이 비교예 3에 비하여 월등히 우수함을 알 수 있다. 이 결과는 실시예 2의 Si-Ni실리사이드 나노 복합물 음극이 충방전 사이클 특성을 월등히 향상시켰음을 나타내고 있다.A coin battery was manufactured in the same manner as in Example 1 using the thin film anodes prepared by the methods of Example 2 and Comparative Example 3, and the charge and discharge cycle characteristics were measured using the battery. The results are shown in FIG. As can be seen in Figure 4, it can be seen that the charge and discharge cycle characteristics of the coin battery manufactured using the thin film anode of Example 2 is significantly superior to Comparative Example 3. This result indicates that the Si-Ni silicide nanocomposite negative electrode of Example 2 significantly improved the charge / discharge cycle characteristics.

(비교예 4)(Comparative Example 4)

순수한 Fe 및 Si(-325 mesh)를 1 : 2 몰비로 막자사발(mortar)로 균일하게 혼합 후, 이 혼합물을 볼과 함께 스테인레스 바이얼(stainless vial)에 장입하여아르곤(Ar) 분위기에서 1시간 동안 밀링(milling)하였다.Pure Fe and Si (-325 mesh) are mixed uniformly in a mortar in a 1: 2 molar ratio, and the mixture is charged with a ball into a stainless vial and argon (Ar) for 1 hour. During milling.

이렇게 얻어진 혼합분말을 좀더 균일한 상을 만들기 위해 3cm의 몰드에서 5톤으로 펠렛을 만들고, 이를 아르곤 분위기에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃, 2시간 유지하여 FeSi2화합물을 만들었다.The mixed powder thus obtained was pelleted with 5 tons in a mold of 3 cm in order to make a more uniform phase, which was then maintained at 1000 ° C. for 2 hours at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an argon atmosphere to form a FeSi 2 compound.

제조된 결정성 실리콘 FeSi2화합물을 위와 같은 조건으로 다시 밀링하여 나노 결정성 FeSi2실리콘 화합물을 합성하였다.The crystalline silicon FeSi 2 compound prepared was milled again under the same conditions to synthesize a nano crystalline FeSi 2 silicon compound.

전기화학적 특성 평가Electrochemical Characterization

위에서 제조한 실리콘 혼합물과 도전재로 카본 블랙, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드를 75 : 15 :10 중량%로 혼합하여 전극을 만들었다. 대극으로 Li 금속 포일, 전해질로는 1M LiPF6/에틸렌 카보네이트:디에틸 카보네이트(50:50 부피%)을 사용하여 2016 형의 코인 전지를 제조하여 정전류 0.2mA/cm2로 0 내지 2V 범위에서 전기화학적 특성을 평가하였다.The electrode was prepared by mixing 75: 15: 10% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and carbon black as the silicon mixture and the conductive material prepared above. A coin cell of type 2016 was prepared using Li metal foil as a counter electrode and 1 M LiPF 6 / ethylene carbonate: diethyl carbonate (50: 50% by volume) as an electrolyte, and the electric current was 0 to 2V at a constant current of 0.2 mA / cm 2 . The chemical properties were evaluated.

(실시예 3)(Example 3)

순수한 Fe 및 Si(-325 mesh)를 1 : 2.7몰의 비율로 막자사발(mortar)로 균일하게 혼합 후, 볼과 함께 스테인레스 바이얼에 장입하여 아르곤(Ar) 분위기에서 1시간 밀링하였다.Pure Fe and Si (-325 mesh) were uniformly mixed in a mortar at a ratio of 1: 2.7 mol, then charged into a stainless vial with a ball and milled in an argon (Ar) atmosphere for 1 hour.

이렇게 얻어진 혼합분말을 좀더 균일한 상을 만들기 위해 3cm의 몰드에서 5톤으로 펠렛을 만들어 아르곤 분위기에서 10℃/분의 승온 속도로 1000℃, 2시간 유지하여 FeSi2.7(FeSi2+Si0.7, 실리콘 과잉)의복합물을 만들었다.The mixed powder thus obtained was pelleted at 5 tons in a mold of 3 cm in order to make a more uniform phase, and then maintained at 1000 ° C. for 2 hours at a temperature rising rate of 10 ° C./min in an argon atmosphere to give FeSi 2.7 (FeSi 2 + Si 0.7 , silicon). Excess complex).

이렇게 하여 얻어진 결정성 실리콘 복합물을 위와 같은 조건으로 다시 밀링하여 나노 결정성 FeSi2.7실리콘 복합물을 합성하였다.The crystalline silicon composite thus obtained was milled again under the above conditions to synthesize a nanocrystalline FeSi 2.7 silicon composite.

전기화학적 특성 평가Electrochemical Characterization

위에서 제조한 실리콘 혼합물과 도전재로 카본 블랙, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드를 75 : 15 :10 중량%로 혼합하여 전극을 만들었다. 이 전극과, 대극으로 Li 금속 포일, 전해질로는 1M LiPF6/에틸렌 카보네이트: 디에틸 카보네이트(50:50 부피%)을 사용하여 2016 형의 코인 셀을 제조하여 정전류 0.2mA/cm2로 0 - 2V범위에서 전기화학적 특성을 평가하였다.The electrode was prepared by mixing 75: 15: 10% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and carbon black as the silicon mixture and the conductive material prepared above. A coin cell of type 2016 was prepared using this electrode, Li metal foil as a counter electrode, and 1 M LiPF 6 / ethylene carbonate: diethyl carbonate (50: 50% by volume) as an electrolyte, and produced a constant current of 0.2 mA / cm 2 at a constant current of 0.2 mA / cm 2 . The electrochemical properties were evaluated in the 2V range.

상기 실시예 3 및 4의 코인 셀의 충방전 사이클 수명 특성을 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 실시예 3 및 4가 모두 충방전 싸이클특성은 우수하였으나, 실리콘 과잉인 4의 음극을 사용한 전지가 실시예 3 보다 충방전 용량이 증가되었음을 알 수 있다.Charging and discharging cycle life characteristics of the coin cells of Examples 3 and 4 were measured, and the results are shown in FIG. 5. As shown in FIG. 5, both of Examples 3 and 4 had excellent charge / discharge cycle characteristics, but it can be seen that the charge and discharge capacity of the battery using the negative electrode of excessive silicon 4 was increased compared to Example 3.

본 발명의 음극을 사용한 박막 전지는 고온(특히 180℃ 이상의 온도)에서도 사용 가능하므로 전지의 이용분야에 제한을 덜 받게 된다. 또한, 본 발명에서는 높은 활성을 가진 리튬대신 실리콘을 음극재료로 사용하므로 매우 향상된 안정성을 기할 수 있고, 보호막의 설계가 매우 용이하게 되며 이에 따른 비용이 절감된다. 아울러, 본 발명의 실리콘 박막 음극이 리튬과 반응하여 생기는 부피 변화가 억제되어 실리콘 전극의 충방전 성능을 향상시킨 박막 전지용 음극을 제조할 수 있게 된다.Since the thin film battery using the negative electrode of the present invention can be used even at a high temperature (particularly 180 ° C or higher), the application of the battery is less restricted. In addition, in the present invention, since silicon having high activity instead of lithium is used as a negative electrode material, very improved stability can be achieved, and the design of the protective film is very easy and thus the cost is reduced. In addition, the volume change caused by the reaction of the silicon thin film anode of the present invention with lithium is suppressed, thereby making it possible to manufacture a negative electrode for a thin film battery which improves the charge / discharge performance of the silicon electrode.

Claims (12)

에너지를 인가하면서 리튬과 반응하지 않는 금속, 및 실리콘을 이용하여 기재 위에 박막을 형성하는Forming a thin film on a substrate using a metal that does not react with lithium while applying energy, and silicon 공정을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극의 제조 방법.The manufacturing method of the negative electrode for lithium secondary thin film batteries containing a process. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지를 인가하는 공정은 상기 기재에 직류 바이어스를 인가하는 공정, 기재를 가열하는 공정, 이온빔 조사 공정 및 플라즈마 처리 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 공정으로 실시하는 것인 제조 방법.The method of claim 1, wherein the applying of energy is performed by a step selected from the group consisting of applying a direct current bias to the substrate, heating the substrate, ion beam irradiation, and plasma treatment. . 제 1 항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 공정은 스퍼터링, 전자선 증착 방법, 이온선 보조 증착, 화학 기상 증착 및 도금 방법으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 제조 방법.The method of claim 1, wherein the forming of the thin film is selected from the group consisting of sputtering, electron beam deposition, ion beam assisted deposition, chemical vapor deposition, and plating. 제 1 항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 공정은 박막 내에 실리콘이 과잉으로 존재할 수 있는 조건하에서 실시하는 것인 제조 방법.The method of claim 1, wherein the forming of the thin film is carried out under conditions in which excess silicon may be present in the thin film. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬과 반응하지 않은 금속은 Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W 및 Re로 이루어진 군에서 선택되는 것인 제조 방법.According to claim 1, wherein the metal does not react with lithium is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W and Re Phosphorus manufacturing method. 리튬과 반응하지 않는 금속, 및 실리콘을 이용하여 기재 위에 박막을 형성하고;A thin film is formed on the substrate using a metal that does not react with lithium and silicon; 상기 박막이 형성된 기재에 에너지를 인가하는Applying energy to the substrate on which the thin film is formed 공정을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극의 제조 방법.The manufacturing method of the negative electrode for lithium secondary thin film batteries containing a process. 제 6 항에 있어서, 상기 에너지를 인가하는 공정은 상기 기재에 직류 바이어스를 인가하는 공정, 기재를 가열하는 공정, 이온빔 조사 공정 및 플라즈마 처리 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 공정으로 실시하는 것인 제조 방법.The method of claim 6, wherein the applying of energy is performed by a step selected from the group consisting of applying a direct current bias to the substrate, heating the substrate, an ion beam irradiation process, and a plasma treatment process. . 제 6 항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 공정은 스퍼터링, 전자선 증착 방법, 이온선 보조 증착, 화학 기상 증착 및 도금 방법으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 제조 방법.The method of claim 6, wherein the forming of the thin film is selected from the group consisting of sputtering, electron beam deposition, ion beam assisted deposition, chemical vapor deposition, and plating. 제 6 항에 있어서, 상기 리튬과 반응하지 않은 금속은 Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W 및 Re로 이루어진 군에서 선택되는 것인 제조 방법.The method of claim 6, wherein the metal that does not react with lithium is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W and Re Phosphorus manufacturing method. 제 6 항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 공정은 박막 내에 실리콘이 과잉으로 존재할 수 있는 조건하에서 실시하는 것인 제조 방법.The method of claim 6, wherein the forming of the thin film is performed under conditions in which excess silicon may be present in the thin film. 리튬과 반응하지 않으며, 실리콘과 강한 친화력을 갖는 금속과 Si과의 나노 화합물 매트릭스; 및A nano-compound matrix of metal and Si that does not react with lithium and has a strong affinity with silicon; And 상기 매트릭스 내에 분산된 나노 크기의 실리콘Nano-sized silicon dispersed in the matrix 을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극.A negative electrode for a lithium secondary thin film battery comprising a. 제 11 항에 있어서, 상기 리튬과 반응하지 않은 금속은 Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W 및 Re로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 박막 전지용 음극.The method of claim 11, wherein the metal that does not react with lithium is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cr, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ti, V, Zr, Ta, W and Re Cathode for phosphorus lithium secondary thin film battery.
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