KR20040063803A - Negative active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A negative electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the negative electrode active material are provided, to inhibit the pulverization of a negative electrode active material due to volume expansion and contraction in charge/discharge, thereby improving cycle characteristic. CONSTITUTION: The negative electrode active material comprises an ultrafine micropowder which has a diameter of 1-200 nm, a Raman shift of 480-520 cm-1 and a peak half-width of 10-30 cm-1 and contains an element capable of forming an alloy together with lithium. Preferably the ultrafine micropowder is formed by evaporation method under gas atmosphere. Preferably the ultrafine micropowder contains Si and comprises at least one selected from the group consisting of an isolated micropowder, a chain-type micropowder and an aggregated micropowder, and the diameter of the isolated micropowder, the chain-type micropowder and the aggregated micropowder is 1-200 nm.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 리튬 이차 전지{NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY}Negative active material and lithium secondary battery for lithium secondary battery {NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY}

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material and a lithium secondary battery for a lithium secondary battery.

[종래 기술][Prior art]

리튬 이차 전지 음극 활물질의 고용량화 연구는 현재 음극 활물질을 탄소로 하는 전지 시스템이 실용화되기 이전부터 진행되었고, 현재도 Si와 Sn, Al 등의 금속 또는 금속 재료를 중심으로 활발하게 연구되고 있으나, 아직 실용화에는 도달하지 못하였다. 그 주된 원인은 충방전할 때 Si와 Sn, Al 등의 분말이 리튬과 합금화하여 분말의 팽창 수축이 발생하여, 이것이 분말의 미분화를 한층 더 야기하여 사이클 특성을 저하시키는 문제점을 해결할 수 없기 때문이다.The study of increasing the capacity of a lithium secondary battery negative electrode active material has been conducted before the battery system using the negative electrode active material as carbon, and is currently being actively researched mainly on metals or metal materials such as Si, Sn, Al, etc. Could not be reached. The main reason is that powders such as Si, Sn, and Al are alloyed with lithium during charging and discharging, so that the expansion and contraction of the powder occurs, which further causes the micronization of the powder and thus cannot solve the problem of deteriorating the cycle characteristics.

따라서 이 문제를 해결하기 위해, 일본 특허 공개 평 2002-83594 호에 기재된 것과 같이, CVD와 스퍼터링에 의해 형성되는 비정질 또는 미(微)정질의 Si 박을 음극 활물질로 사용하는 것이 연구되었다. 비정질의 Si는 결정질 Si에 비하여 리튬과 합금화하는 경우 부피 팽창이 적기 때문에 충방전을 반복하는 경우에도 미분화하지 않고, 사이클 특성이 양호한 것으로 나타났다.Therefore, in order to solve this problem, it has been studied to use an amorphous or microcrystalline Si foil formed by CVD and sputtering as a negative electrode active material, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-83594. In comparison with crystalline Si, amorphous Si had less volume expansion when alloyed with lithium, and thus, even when charging and discharging were repeated, it was found that the Si had good cycle characteristics.

그러나 종래 사용되고 있는 흑연 전극 이상의 용량을 얻기 위해서는 Si 막 두께를 상당한 두께로 형성하여야하므로 장시간과 비용이 요구되고 또한 막이 두꺼워짐에 따라 전도성이 저하되어 충분한 전지 특성을 얻기 어렵다.However, in order to obtain a capacity higher than that of the graphite electrode conventionally used, since the Si film thickness must be formed to a considerable thickness, a long time and a cost are required, and as the film becomes thick, the conductivity decreases, and it is difficult to obtain sufficient battery characteristics.

이어서, 괴상의 결정질 Si를 기계분쇄에 의해 높은 전단력을 인가하여 분쇄하여, Si 중 결정자를 뒤틀리게 하여 비정질화하고 또한 평균 입경을 작게한 Si 분말의 이용이 고려되고 있다.Subsequently, the use of Si powder in which crystalline Si is pulverized by applying a high shearing force by mechanical grinding to distort the crystallites in Si and amorphized and the average particle diameter is made small is considered.

그러나 상술한 기계적 분쇄로 제조된 비정질 Si 분말은 입도 분포가 비교적 넓기 때문에, 평균 입경이 수백 nm인 것과 입경이 증대되어 1㎛ 정도인 입자가 혼재되어 있다. 이러한 대입경 입자가 비정질 Si 분말 중에 존재하면, 초충전시 입자 미분화가 이 대입경 입자에서 집중적으로 야기되어 사이클 특성 저하의 문제가 있다.However, the amorphous Si powder produced by the mechanical grinding described above has a relatively wide particle size distribution, and therefore, particles having an average particle diameter of several hundred nm and an increase in particle diameter of about 1 μm are mixed. If such large particle size is present in the amorphous Si powder, particle micronization at the time of super charging is caused intensively in this large particle size, and there exists a problem of the cycling characteristic fall.

또한 기계적 분쇄된 Si 분말과 흑연을 복합화한 재료도 있으나, 이 경우도기계적으로 분쇄된 것은 입도 분포가 넓고, 입경이 1㎛ 정도인 입자가 존재하기 때문에, 이 큰 입자가 팽창하는 경우 상대적인 팽창폭에 따라 음극 열화가 야기되는 문제가 있었다.There is also a material in which mechanically pulverized Si powder and graphite are combined, but even in this case, mechanically pulverized particles have a wide particle size distribution and particles having a particle diameter of about 1 μm, so that the relative expansion width when the large particles expand As a result, there was a problem that causes deterioration of the cathode.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 충방전시 활물질 부피 팽창 수축에 의한 미분화를 억제하여 사이클 특성이 우수한 음극 활물질 및 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a negative electrode active material and a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics by suppressing the differentiation caused by the volume expansion and contraction of the active material during charge and discharge.

도 1은 본 실시형태의 음극 활물질을 구성하는 초미립자의 일 예를 표시하는 모식도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic diagram which shows an example of the ultrafine particle which comprises the negative electrode active material of this embodiment.

도 2는 본 실시형태의 음극 활물질을 구성하는 초미립자의 일 예를 표시하는 모식도.2 is a schematic diagram showing an example of ultrafine particles constituting the negative electrode active material of the present embodiment.

도 3은 본 실시형태의 음극 활물질을 구성하는 초미립자의 일 예를 표시하는 모식도.3 is a schematic diagram showing an example of ultrafine particles constituting the negative electrode active material of the present embodiment.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.In order to achieve the above object, the present invention adopts the following configuration.

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 입경이 1nm 이상, 200nm 이하의 범위이고, 라만분광법으로 측정된 라만쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위이며, 피크 반가폭은 10cm-1이상, 30cm-1이하의 범위인 리튬과 합금화가 가능한 원소를 포함하는 초미립자의 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.The negative active material of the present invention is in the range of particle diameter of more than 1nm, 200nm or less, the Raman shift measured by Raman spectrometry over 480cm -1, 520cm -1 in the range of or less, the peak half-value width is 10cm -1 or more, It is characterized in that it comprises a powder of ultra-fine particles containing an element capable of alloying with lithium in the range of 30 cm -1 or less.

특히, 상기 초미립자는 Si를 포함하는 것이 바람직하다.In particular, the ultrafine particles preferably contain Si.

본 발명에 있어서 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 가스 분위기 하에서 증발법에 의하여 형성된 초미립자 분말로 이루어지고, 입도 분포 범위가 1 내지 200nm로 좁고, 최대 200nm 입경의 초미립자를 포함하는 것이다. 이러한 초미립자는 사이즈 효과에 의하여 상기 범위보다 큰 입경을 갖는 Si 입자와는 결정 구조가 상이하기 때문에 리튬과 합금화하여도 부피 팽창이 거의 발견되지 않고 사이클 특성이우수하다.In the present invention, the negative electrode active material for a lithium secondary battery is made of ultrafine particles formed by an evaporation method under a gas atmosphere, and has a particle size distribution range of 1 to 200 nm, and includes ultrafine particles having a maximum particle size of 200 nm. These ultrafine particles have a crystal structure different from Si particles having a particle size larger than the above range due to the size effect, so that even when alloyed with lithium, almost no volume expansion is found and the cycle characteristics are excellent.

또한 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 상술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질로서, 상기 초미립자로는 입자가 고립된 고립 초미립자, 복수 입자가 쇄상으로 연결된 연쇄상 초미립자, 복수 입자가 괴상으로 조합된 괴상 초미립자 중 1종 이상의 것을 포함하고, 이러한 고립 초미립자, 연쇄상 초미립자, 괴상 초미립자의 입경이 1 내지 200nm의 범위인 것이 바람직하다.In addition, the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is the above-described negative electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the ultrafine particles are isolated ultrafine particles in which particles are isolated, chain ultrafine particles in which a plurality of particles are connected in a chain, and bulk ultrafine particles in which a plurality of particles are combined into a block. It is preferable that the particle size of the isolated ultrafine particles, the chain ultrafine particles, and the bulk ultrafine particles is in the range of 1 to 200 nm.

본 발명에 의한 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 고립 초미립자, 연쇄상 조립자, 괴상 초미립자 중 적어도 1종 이상의 것을 포함하며, 또한 이들의 입도 분포 범위가 1 내지 200nm로 좁고, 또한 최대 200nm의 입경이므로 리튬과 합금화하여도 부피 팽창이 거의 일어나지 않고 사이클 특성이 우수하다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes at least one or more of isolated ultrafine particles, chain granulated particles, and bulk ultrafine particles, and their particle size distribution range is narrow to 1 to 200 nm and also has a particle size of up to 200 nm, thereby alloying with lithium. Even if the volume expansion hardly occurs, the cycle characteristics are excellent.

또한 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 상술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질로서, 라만 분광법으로 측정한 라만쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위이고, 피크 반가폭이 10cm-1이상, 30cm-1이하의 범위인 것을 특징으로 한다.In addition, negative active material of the present invention as the above-described negative active material, the Raman shift is measured in the Raman spectrometry over 480cm -1, 520cm -1 in the range of or less, the peak half-value width of at least 10cm -1, 30cm It is characterized by the range of -1 or less.

이러한 리튬 이차 전지용 음극 활물질에 의하면, 라만 쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위이고, 피크 반가폭이 10cm-1이상, 30cm-1이하이고, 주로 비정질상 입자이므로, 리튬과 합금화하는 경우에도 부피 팽창이 적고, 사이클 특성이 우수하다.With such a negative active material, and the Raman shift is 480cm -1 or more, the range of 520cm -1 or less, and a peak half-value width of at least 10cm -1, 30cm -1 or less, because it is mainly an amorphous phase particle, in the case of alloying with lithium Less volume expansion and excellent cycle characteristics.

이어서 본 발명의 리튬 이차 전지는 상술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.Next, the lithium secondary battery of the present invention is characterized by including the above-described negative electrode active material for lithium secondary batteries.

이러한 리튬 이차 전지에 의하면 상기 음극 활물질을 포함하므로 충전할 때 활물질의 팽창이 거의 야기되지 않아 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.According to the lithium secondary battery, since the negative electrode active material is included, expansion of the active material is hardly caused during charging, thereby improving cycle characteristics.

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

본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 가스 분위기 하에서 증발법에 의하여 형성되는 것으로서, 입경이 1nm 이상, 200nm 이하의 범위인 리튬과 합금화가 가능한 원소로 이루어진 초미립자의 분말이다. 리튬과 합금화가 가능한 원소로는 Si, Pb, Al, Sn 등이 있으나, 특히 Si가 바람직하다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is formed by an evaporation method in a gas atmosphere, and is a powder of ultra-fine particles made of an element capable of alloying with lithium having a particle diameter of 1 nm or more and 200 nm or less. Elements that can be alloyed with lithium include Si, Pb, Al, Sn, and the like, and Si is particularly preferable.

이 음극 활물질은 리튬 이차 전지의 음극에 포함된다. 리튬 이차 전지가 충전되면, 리튬이 양극으로부터 음극으로 이동하고, 이때 음극에서 리튬과 초미립자가 합금화된다. 합금화된 초미립자는 부피 팽창이 거의 야기되지 않기 때문에 리튬 전지의 사이클 특성이 향상된다.This negative electrode active material is contained in the negative electrode of a lithium secondary battery. When the lithium secondary battery is charged, lithium moves from the positive electrode to the negative electrode, where lithium and ultrafine particles are alloyed at the negative electrode. The alloyed ultrafine particles hardly cause volume expansion, thereby improving the cycle characteristics of the lithium battery.

초미립자가 리튬과 합금화하여도 부피 팽창이 나타나지 않는 것은 초미립자의 입경이 1 내지 200nm로 매우 작고, 또한 입도 분포 범위가 좁기 때문에 평균 입경이 수㎛ 정도의 종래 기계적 분쇄에 의한 분말과는 다른 특이한 성질이 나타나는 것으로 생각된다.Volume expansion does not occur even when the ultrafine particles are alloyed with lithium, because the ultrafine particles have a very small particle size of 1 to 200 nm and a narrow particle size distribution range. It is thought to appear.

본 실시 형태의 음극 활물질을 구성하는 초미립자에는 몇 개의 형태가 있다. 즉 도 1에 나타낸 것과 같이, 입자가 고립된 고립 초미립자, 도 2에 나타낸 것과 같이 복수 입자가 쇄상으로 연결된 연쇄상 초미립자, 도 3(a) 및 도 3(b)에 나타낸것과 같은 복수의 입자가 괴상으로 조합된 괴상 초미립자인 것을 포함한다. 도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이, 연쇄상 초미립자 및 괴상 초미립자를 구성하는 입자는, 각각의 크기가 상이하여도 좋다. 음극 활물질에는 이러한 고립 초미립자, 연쇄상 초미립자, 괴상 초미립자 중 적어도 1종 이상을 포함하면 좋고, 모든 형태의 것을 포함하여도 좋다.There are several forms of the ultrafine particles constituting the negative electrode active material of the present embodiment. That is, as shown in Fig. 1, isolated ultra-fine particles in which particles are isolated, chain ultra-fine particles in which a plurality of particles are chained as shown in Fig. 2, and a plurality of particles as shown in Figs. 3 (a) and 3 (b) are bulky. It includes one of the bulk ultra-fine particles combined with. As shown to FIG. 2 and FIG. 3, the particle | grains which comprise a chain ultrafine particle and a bulk ultrafine particle may differ in size, respectively. The negative electrode active material may contain at least one or more of such isolated ultrafine particles, chain ultrafine particles, and bulk ultrafine particles, and may include all forms.

이러한 고립 초미립자, 연쇄상 초미립자, 괴상 초미립자의 입경은 어떤 형태의 것도 1 내지 200nm의 범위인 것이 바람직하다. 연쇄상 초미립자에서 입경은 입자가 쇄상으로 연결된 방향에 따른 방향의 길이이고, 괴상 초미립자에서 입경은 복수 입자가 괴상으로 조합된 상태의 긴 측 방향에 따른 길이이다.The particle size of such isolated ultrafine particles, chain ultrafine particles, and bulk ultrafine particles is preferably in the range of 1 to 200 nm. In the chain ultrafine particles, the particle diameter is the length in the direction along the direction in which the particles are connected in a chain, and in the bulk ultrafine particles, the particle diameter is the length along the long side direction in which a plurality of particles are combined into a block.

이러한 고립 미립자, 연쇄상 초미립자, 괴상 초미립자는 입도 분포의 범위가 1 내지 200nm로 좁고, 입도가 최대 200nm로서, 리튬과 합금화하여도 부피 팽창이 거의 일어나지 않고 사이클 특성이 우수한 것이다.Such isolated fine particles, chain ultrafine particles, and bulk ultrafine particles have a narrow particle size distribution ranging from 1 to 200 nm, a maximum particle size of 200 nm, and exhibit excellent cycle characteristics with little volume expansion even when alloyed with lithium.

또한 본 실시 형태의 음극 활물질은 라만 분광법으로 측정된 라만 쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위인 것이 바람직하고, 또한 피크 반가폭이 10cm-1이상, 30cm-1이하의 범위인 것이 바람직하다. Si의 경우, 결정질 Si는 라만 쉬프트가 520cm-1를 초과하나, 비정질의 경우에는 라만 쉬프트의 값이 이보다 낮고, 또한 피크의 형상도 브로드하다. 따라서 본 실시형태의 음극 활물질에서는 라만 쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위이고, 피크 반가폭이 10cm-1이상, 30cm-1이하의 범위인 것이므로, 주로 비정질상이고, 리튬과 합금화하는 경우에도 부피 팽창이 적고, 사이클 특성이 우수해진다.In addition to the negative electrode active material of this embodiment is preferably a Raman shift measured by Raman spectroscopy in the range of more than 480cm -1, 520cm -1 or less, in addition, peak half-value width is 10cm -1 or more, the range of 30cm -1 or less desirable. In the case of Si, the crystalline Si has a Raman shift of more than 520 cm −1 , but in the case of amorphous, the value of the Raman shift is lower than this, and the shape of the peak is also broad. Therefore, the negative electrode active material of this embodiment is the Raman shift range of 480cm -1 or more, 520cm -1 or less, since the peak half-value width is 10cm -1 or more, the range of 30cm -1 or less, is mainly an amorphous phase, and a lithium alloy Even in this case, the volume expansion is small and the cycle characteristics are excellent.

또한 본 발명의 초미립자를 흑연 분말의 표면에 부착시켜 복합 재료로 한 것을 음극 활물질로 사용하여도 좋다.Further, the ultrafine particles of the present invention may be used as a negative electrode active material by adhering the surface of the graphite powder to a composite material.

이어서, 본 실시 형태의 리튬 이차 전지는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극과 전해질을 적어도 포함하는 것이다.Subsequently, the lithium secondary battery of this embodiment contains at least the negative electrode, the positive electrode, and the electrolyte containing the negative electrode active material.

리튬 이차 전지의 음극은 예를 들면, 초미립자의 집합체로 된 음극 활물질이, 초미립자끼리를 서로 결착시키는 결착제에 의하여 쉬트상으로 고화성형되는 것을 예시할 수 있다.The negative electrode of a lithium secondary battery can illustrate, for example, that the negative electrode active material which consists of aggregates of ultrafine particles solidifies and shape | molds into a sheet form by the binder which binds ultrafine particles mutually.

또한 상기 쉬트상으로 고화성형된 것에 제한되지 않고, 원주상, 원반상, 판상 또는 기둥형태로 고화성형된 펠릿도 좋다.In addition, the pellets solidified in the form of columnar, disc, plate or column may be used, without being limited to the sheet-shaped solidified.

결착제는 유기질 또는 무기질의 어느 것도 좋으나, 초미립자와 함께 용매에 분산 또는 용해되어, 또한 용매를 제거하는 것에 의하여 초미립자끼리를 결착시킬 수 있는 것이면 어느 것도 좋다. 또한 초미립자와 함께 혼합하여 가압성형 등의 고화성형을 실시하여 초미립자끼리를 결착시킬 수 있는 것도 좋다. 이러한 결착제로는 비닐계 수지, 셀룰로즈계 수지, 페닐 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 등이 사용될 수 있고, 예를 들면 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 부틸부타디엔러버 등의 수지를 예시할 수 있다.The binder may be either organic or inorganic. Any binder may be used as long as it can disperse or dissolve in the solvent together with the ultrafine particles and can also bind the ultrafine particles by removing the solvent. In addition, it is also good to be able to bind the ultra-fine particles by mixing with the ultra-fine particles to perform a solidification molding such as pressure molding. As the binder, a vinyl resin, a cellulose resin, a phenyl resin, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or the like may be used. For example, a resin such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, butylbutadiene rubber, or the like may be used. It can be illustrated.

또한 본 발명의 음극에 있어서는 음극 활물질 및 결착제 이외에 도전 조재로서 카본 블랙 등을 첨가하여도 좋다.In the negative electrode of the present invention, carbon black or the like may be added as a conductive assistant in addition to the negative electrode active material and the binder.

이어서 양극으로 예를 들면, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFeO2, V2O5, TiS, MoS 등, 유기 디설파이드 화합물과 유기 폴리설파이드 화합물 등의 리튬을 흡장 및 방출이 가능한 양극 활물질을 포함하는 것을 예시할 수 있다.Subsequently, a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium, such as an organic disulfide compound and an organic polysulfide compound, such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, MoS, etc. It can be illustrated to include.

또한 상기 양극에는 상기 양극 활물질 이외에 폴리비닐리덴 플루오라이드 등의 결착제, 카본 블랙 등의 도전 조재를 첨가하여도 좋다.In addition to the positive electrode active material, a binder such as polyvinylidene fluoride and a conductive additive such as carbon black may be added to the positive electrode.

양극 및 음극의 구체적인 예로서 상기 양극 또는 음극을 금속 박 또는 금속 포일로 이루어진 집전체에 도포하여 쉬트상으로 성형한 것을 예시할 수 있다.As a specific example of the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode or the negative electrode may be applied to a current collector made of metal foil or metal foil and molded into a sheet shape.

전해질로는 예를 들면 비프로톤성 용매에 리튬염이 용해된 유기 전해액을 예시할 수 있다.Examples of the electrolyte include organic electrolytes in which lithium salts are dissolved in an aprotic solvent.

비프로톤성 용매로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, ν-부티로락톤, 디옥시란, 4-메틸디옥시란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로헵탄, 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸부틸카보네이트, 디프로필카보네이트, 디이소프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 등의 비프로톤성 용매 또는 이 용매 중 이종 이상을 포함하는 혼합 용매도 예시할 수 있고, 특히 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트 중 하나를 반드시 포함하며 또한 디메틸카보네이트(DMC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 디에틸카보네이트(DEC) 중 하나를 반드시 포함하는 것이 바람직하다.Examples of aprotic solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, ν-butyrolactone, dioxirane, 4-methyldioxirane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitroheptane, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, Aprotic solvents such as methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl butyl carbonate, dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, dimethyl ether, or mixed solvents containing two or more of these solvents Propylene carbonate, ethylene carbonate (EC) and butylene carbonate. Includes and is also preferable to be included in one of dimethyl carbonate (DMC), methylethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC).

또한 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단, x, y는 자연수), LiCl, LiI 등 중 1종 또는 2종 이상의 리튬염을 혼합한 것을 예시할 수 있고, 특히 LiPF6, LiBF4중 하나를 포함하는 것이 바람직하다.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 Or a mixture of one or two or more lithium salts of LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (CyF 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural water), LiCl, LiI, and the like. In particular, it is preferable to include one of LiPF 6 and LiBF 4 .

또한 이외에 리튬 전지의 유기 전해액으로 종래 알려진 것을 사용할 수도 있다.In addition, what is conventionally known as an organic electrolyte solution of a lithium battery can also be used.

전해액의 다른 예로서 PEO, PVA 등의 폴리머에 상기 리튬염 중 하나를 혼합시킨 것이나, 팽윤성이 높은 폴리머에 유기 전해액을 함침시킨 것 등, 이른바 폴리 머 전해질을 사용하여도 좋다.As another example of the electrolyte solution, a so-called polymer electrolyte may be used, such as one in which a lithium salt is mixed with a polymer such as PEO or PVA, or an organic electrolyte solution is impregnated with a polymer having high swellability.

또한 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극, 음극, 전해질만을 포함하는 것만으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 부재 등을 포함하여도 좋다. 예를 들면 양극과 음극을 격리시키는 세퍼레이터를 포함하여도 좋다.In addition, the lithium secondary battery of this invention is not limited only to including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, You may include other members etc. as needed. For example, a separator that isolates the positive electrode and the negative electrode may be included.

본 실시형태의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 가스 분위기 하에서 증발법에 의여 제조될 수 있다. 가스 분위기 하에서 증발법은 진공 용기 내에 불활성 가스를 투입하고, 불활성 가스 분위기 중에서 각종 물질을 가열하여 증발 또는 승화시켜, 얻어지는 증기분자를 불활성 가스 분자와 충돌시키고 서서히 냉각시켜 분자끼리 응집시켜 미립자 분체를 형성하고 이 미립자 분체를 회수하는 방법이다.The negative electrode active material for lithium secondary battery of this embodiment can be manufactured by the evaporation method in gas atmosphere. In the evaporation method under a gas atmosphere, an inert gas is introduced into a vacuum vessel, and various materials are heated and evaporated or sublimed in an inert gas atmosphere to collide the vapor molecules obtained with the inert gas molecules, and gradually cool them to aggregate the molecules to form fine particle powder. And the fine particle powder is recovered.

본 실시 형태의 음극 활물질의 제조 방법에 있어서, 수증기를 제거하기 위하여, 1 X 10-3Pa 내지 1 X 10-4Pa 정도로 감압한 진공 용기 내에 불활성 가스를 투입하고, 배압(背壓)을 1 X 10-4Pa 내지 5 X 105Pa 정도로 설정한 불활성 가스 분위기 중에서 실리콘 잉코트, 실리콘 분말 등을 아크 방전시켜 가열하여 실리콘을 증발시키고, 얻어진 실리콘 증발 분자를 불활성 가스 분자와 충돌시키고 서서히 냉각시켜 분자끼리 응집시킴에 따라 초미립자를 형성하고 이 미립자를 회수하여 분말을 얻는다.In the manufacturing method of the negative electrode active material of this embodiment, in order to remove water vapor, an inert gas is thrown into the vacuum container depressurized about 1X10 <-3> Pa ~ 1X10 <-4> Pa, and the back pressure is 1 In the inert gas atmosphere set at X 10 -4 Pa to 5 X 10 5 Pa, the silicon incoat, the silicon powder, and the like are arc discharged to heat the silicon to evaporate the silicon, and the obtained silicon evaporation molecules are collided with the inert gas molecules and gradually cooled. As the molecules aggregate, ultrafine particles are formed and the fine particles are recovered to obtain a powder.

진공 용기에 투입되는 불활성 가스로는 아르곤이나 헬륨 등의 불활성 가스 이외에 N2가스 등 실리콘과 반응성이 없는 가스를 선택할 수 있다.As an inert gas to be put into the vacuum container, a gas which is not reactive with silicon such as N 2 gas can be selected in addition to an inert gas such as argon or helium.

또한 실리콘 가열 수단으로는 아크 방전 이외에 히터 가열, 유도 가열, 레이저 가열, 저항 가열 또는 전자 총 가열 등의 수단을 사용할 수 있다. 통상, 가스 중 증발법에서의 가열 온도는 가열되는 재료의 융점보다 100℃ 내지 200℃ 정도 높게 설정한다. 온도가 낮으면 입자가 증발하기 어렵고 또한 높으면 급냉동도가 저하되기 때문에 비정질 재료를 얻을 수 없게 된다. 실리콘의 경우에는 1550 내지 1700℃ 정도가 바람직하다.As the silicon heating means, a means such as heater heating, induction heating, laser heating, resistance heating or electron gun heating can be used in addition to the arc discharge. Usually, the heating temperature in the gas evaporation method is set to about 100 to 200 degreeC higher than the melting point of the material to be heated. If the temperature is low, the particles are difficult to evaporate. If the temperature is high, the rapid freezing degree is lowered, thereby making it impossible to obtain an amorphous material. In the case of silicone, about 1550-1700 degreeC is preferable.

불활성 가스 분위기중에서 실리콘 분자를 서서히 냉각하여 응집시켜 초미립자를 형성하기 때문에 실리콘 분자가 무질서하게 응집되어 주로 비정질인 조직이 형성된다. 이에 따라 입경이 1nm 이상, 200nm 이하의 범위이고, 라만 쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위이고, 피크 반가폭이 10cm-1이상, 30cm-1이하의범위인 초미립자 분말이 얻어진다.In the inert gas atmosphere, the silicon molecules are gradually cooled to agglomerate to form ultra-fine particles, so that the silicon molecules aggregate randomly to form mainly amorphous tissues. Accordingly, the range of particle size is less than 1nm, 200nm, Raman shift is in a range of more than 480cm -1, 520cm -1 or less, the peak half width is -1 or more, the range of ultra-fine powder of less than 10cm 30cm -1 is obtained .

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.

(음극 활물질의 제조)(Manufacture of Anode Active Material)

(실시예 1)(Example 1)

진공 용기 내를 5 X 104Pa의 헬륨 분위기로 하고, 미리 진공 용기 내에 설치되어 있는 실리콘 분말을 아크가열법에 의하여 1700℃로 가열하여 실리콘 증기를 생성시켰다. 생성된 실리콘 증기는 헬륨 분위기 중에서 냉각되어 응집되고 최종적으로 초미립자로 진공 용기 내면에 부착되었다. 이 공정을 4시간 정도 연속하여 실시하여, Si 초미립자 분말을 제조하였다. 이 분말을 실시예 1의 음극 활물질로 하였다.The inside of the vacuum vessel was made a helium atmosphere of 5 X 10 4 Pa, and the silicon powder previously installed in the vacuum vessel was heated to 1700 ° C by the arc heating method to generate silicon vapor. The resulting silicon vapor was cooled and agglomerated in a helium atmosphere and finally attached to the inner surface of the vacuum vessel as ultrafine particles. This process was performed continuously for about 4 hours, and Si ultrafine particle powder was manufactured. This powder was used as the negative electrode active material of Example 1.

얻어진 분말을 전자 현미경으로 초미립자의 입경을 측정한 결과, 10nm 내지 200nm 범위이었다. 또한 전자현미경 관찰에 따라 도 1에 나타낸 것과 같은 고립 초미립자, 도 2에 나타낸 것과 같이 연쇄상 초미립자, 도 3에 나타낸 것과 같은 괴상 초미립자의 존재가 확인되었다. 또한 라만분광법에 의하여 라만 쉬프트를 측정한 결과 500cm-1근처에서 피크가 확인되었고 또한 피크 반가폭은 15cm-1이었다.As a result of measuring the particle size of the ultrafine particles in the obtained powder with an electron microscope, it was in the range of 10 nm to 200 nm. In addition, the presence of isolated ultrafine particles as shown in FIG. 1, chain ultrafine particles as shown in FIG. 2, and bulk ultrafine particles as shown in FIG. 3 were confirmed by electron microscopic observation. In addition, a peak was confirmed in the results of measuring the near 500cm -1 Raman shift by Raman spectroscopy was also a peak half-value width is 15cm -1.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

평균 입경 1㎛의 실리콘 분말을 이용하여, 이 분말을 직경 0.5mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀로 24시간 정도 분쇄하여 분말을 얻었다. 이 분말을 비교예 1의 음극 활물질로 하였다.Using a silicon powder having an average particle diameter of 1 µm, the powder was ground for about 24 hours using a bead mill using zirconia beads having a diameter of 0.5 mm to obtain a powder. This powder was used as the negative electrode active material of Comparative Example 1.

얻어진 분말을 전자 현미경으로 분말의 입경을 확인한 결과 평균 입경이 250nm 정도였다. 단, 입경이 0.9㎛ 정도의 입자도 포함되어 있었다. 또한 라만 분광법으로 라만 쉬프트를 측정한 결과, 490cm-1근처에서 피크가 확인되었고 피크 반가폭은 40cm-1이었다.As a result of confirming the particle size of the powder by an electron microscope, the average particle diameter was about 250 nm. However, the particle | grains of about 0.9 micrometer in particle size were also contained. In addition, the Raman shift was measured by Raman spectroscopy, the peak was confirmed around 490cm -1 and the peak half width was 40cm -1 .

(비교예 2)(Comparative Example 2)

평균 입경이 1㎛의 실리콘 분말을 비교예 2의 음극 활물질로 하였다. 이 분말의 라만 쉬프트를 측정한 결과, 520cm-1근처에서 피크가 확인되었고, 피크 반가폭이 9cm-1이었다.The silicon powder with an average particle diameter of 1 micrometer was used as the negative electrode active material of Comparative Example 2. As a result of measuring a Raman shift of the powder, a peak was confirmed at around 520cm -1, the peak had a full width at half maximum 9cm -1.

(리튬 이차 전지의 제조)(Manufacture of lithium secondary battery)

실시예 1 및 비교예 1, 2의 음극 활물질 70 중량부, 도전재로 평균 입경 2㎛의 흑연 분말 20 중량부, 폴리비닐리덴 플루오라이드 10 중량부를 혼합하고, N-메틸피롤리돈을 첨가하고 교반하여 슬러리를 제조하였다. 이어서 이 슬러리를 두께 14㎛의 동박 위에 도포하고 건조한 후, 이를 압연하여 두께 80㎛의 음극을 제조하였다. 제조된 음극을 직경 13mm의 원형으로 자르고, 이 음극에 다공성 폴리프로필렌 세퍼레이트 및 대극으로 금속 리튬을 사용하고, 또한 부피비로 EC:DMC:DEC=3:3:1의 혼합 용매에 LiPF6을 1몰/L 농도로 첨가한 전해액을 주액하여코인형 리튬 이차 전지를 제조하였다.70 parts by weight of the negative electrode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, 20 parts by weight of graphite powder having an average particle diameter of 2 μm and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride were mixed with a conductive material, and N-methylpyrrolidone was added thereto. Agitated to prepare a slurry. Subsequently, the slurry was applied onto a copper foil having a thickness of 14 µm and dried, and then rolled to prepare a cathode having a thickness of 80 µm. The prepared negative electrode was cut into a circle having a diameter of 13 mm, using porous polypropylene separator and metal lithium as counter electrode, and 1 mol of LiPF 6 in a mixed solvent of EC: DMC: DEC = 3: 3: 1 by volume ratio. The coin-type lithium secondary battery was prepared by pouring the electrolyte solution added at the / L concentration.

(음극 활물질의 물성)(Physical Properties of Anode Active Material)

실시예 1의 음극 활물질은 입경이 10nm 내지 200nm의 범위인 반면 비교예 1의 음극 활물질은 평균 입경이 250nm 정도로 실시예 1보다 크고, 또한 실시예 1에는 없는 0.9㎛ 정도의 입경을 갖는 입자도 포함되어 있었다. 이러한 차이는 실시예 1과 비교예 1의 제조 방법이 상이함에 따른 것으로 생각된다. 즉, 실시예 1의 음극 활물질은 일단 생성된 실리콘 증기를 응집시켜 제조된 것이므로, 입경이 작고 입경이 유사하게 얻어지나, 비교예 1의 음극 활물질은 입경 1㎛ 정도의 분말을 기계적 분쇄하여 제조하기 때문에 입경이 비교적 크고 또한 입경 범위가 넓게 얻어지는 것으로 생각된다.The negative electrode active material of Example 1 has a particle size in the range of 10 nm to 200 nm, while the negative electrode active material of Comparative Example 1 has particles having a particle size of about 0.9 μm, which is larger than that of Example 1 at an average particle diameter of about 250 nm, and which is not present in Example 1 It was. This difference is considered to be due to the difference in the manufacturing method of Example 1 and Comparative Example 1. That is, since the negative electrode active material of Example 1 was prepared by agglomeration of the silicon vapor generated once, the particle size was small and the particle size was similarly obtained, but the negative electrode active material of Comparative Example 1 was prepared by mechanically grinding a powder having a particle diameter of about 1 μm. Therefore, it is thought that particle size is comparatively large and particle size range is obtained widely.

또한 실시예 1의 음극 활물질은 라만 쉬프트가 500cm-1, 반가폭이 15cm-1으로, 비정질로 예측된다. 반면에 비교예 2의 음극 활물질은 라만 피크가 520cm-1, 반가폭이 9cm-1로서, 실시예 1에 비해 결정성이 높은 것으로 나타났다. 또한 비교예 1의 음극 활물질은 라만쉬프트가 490cm-1, 반가폭이 40cm-1로서, 실시예 1보다 결정성이 낮은 것으로 나타났다. 이는 기계적 분쇄에 의해 실리콘 결정이 크게 왜곡되기 때문인 것으로 생각된다.In addition, the negative electrode active material of Example 1 in the Raman shift is 500cm -1, the half width 15cm -1, is estimated to be amorphous. On the other hand, the negative electrode active material of Comparative Example 2 was found to have high crystallinity as compared to the 9cm -1 Raman peak at 520cm -1, the half width, the first embodiment. In addition, the negative electrode active material of Comparative Example 1 was found to have a Raman shift lower crystallinity than as a 40cm -1 490cm -1, the half width, the first embodiment. This is considered to be because silicon crystals are greatly distorted by mechanical grinding.

(리튬 이차 전지의 특성)(Characteristics of Lithium Secondary Battery)

표 1에, 1 사이클때의 방전 용량과 1 사이클때의 방전 용량에 대한 10 사이클때의 방전 용량 유지율을 표시하였다.In Table 1, the discharge capacity retention rate at 10 cycles with respect to the discharge capacity at 1 cycle and discharge capacity at 1 cycle is shown.

방전 용량(mAh/g)Discharge Capacity (mAh / g) 방전 유지율(%)Discharge retention rate (%) 실시예 1Example 1 17501750 9090 비교예 1Comparative Example 1 18701870 6868 비교예 2Comparative Example 2 23502350 2020

표 1에 나타낸 것과 같이, 초기 방전 용량은 실시예 1보다 비교예 1 및 2가 높게 나타났으나, 방전 유지율을 보면 실시예 1이 비교예 1 및 2보다 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 방전 유지율의 차이는 다음과 같은 이유 때문인 것으로 생각된다.As shown in Table 1, Comparative Examples 1 and 2 showed higher initial discharge capacities than Example 1, but Example 1 was found to be higher than Comparative Examples 1 and 2 in terms of discharge retention. This difference in discharge retention is considered to be for the following reason.

즉, 실시예 1의 음극 활물질은 비교적 결정성이 낮아 충전시 초미립자의 부피 팽창이 작고, 200nm 이하의 초미립자로 이루어져 있어 소위 사이즈 효과에 의하여 결정성이 높은 Si와는 상이한 특이한 성질을 갖는 것이고, 기계적 분쇄품으로 만들어진 입자를 포함하지 않아 입자의 팽창 수축에 의한 열화가 없고, 실리콘 증기가 응집되어 형성되어 있어 실리콘 원자 배열이 결정성이 높은 Si와는 상이함에 따른 등의 이유 때문으로 생각된다.That is, the negative electrode active material of Example 1 has a relatively low crystallinity, so the volume expansion of ultrafine particles during charging is small, and it is composed of ultrafine particles of 200 nm or less, and has a specific characteristic different from that of Si having high crystallinity by the so-called size effect, and mechanical grinding It is considered to be due to the fact that it does not contain particles made of a product, there is no deterioration due to expansion and contraction of the particles, and silicon vapor is formed by agglomeration and the silicon atom arrangement is different from Si having high crystallinity.

이상, 상세하게 설명한 것과 같이, 본 발명의 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 가스 분위기 하에서 증발법에 의해 형성되는 초미립자 분말로 이루어지고, 입도 분포 범위가 1 내지 200nm로 좁고, 최대 200nm의 입경을 갖는 초미립자를 포함한다. 이와 같은 초미립자는 리튬과 합금화하여도 부피 팽창이 거의 일어나지 않고 사이클 특성이 우수하다.As described above, as described in detail, the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is made of ultra-fine particle powder formed by an evaporation method in a gas atmosphere, and has a particle size distribution range of 1 to 200 nm and a ultra-fine particle having a particle size of up to 200 nm. Include. Such ultrafine particles hardly undergone volume expansion even when alloyed with lithium, and have excellent cycle characteristics.

Claims (5)

입경이 1nm 이상, 200nm 이하의 범위이고, 라만분광법으로 측정된 라만쉬프트가 480cm-1이상, 520cm-1이하의 범위이며, 피크 반가폭은 10cm-1이상, 30cm-1이하의 범위인 리튬과 합금화가 가능한 원소를 포함하는 초미립자의 분말을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.Particle size is in the range of 1nm or more, 200nm or less, the Raman shift range of 480cm -1 measured by Raman spectrometry over, 520cm -1 or less, peak half-value width is 10cm -1 or more, the range of the lithium 30cm -1 or less and The negative electrode active material for lithium secondary batteries containing the powder of the ultrafine particle containing the alloying element. 제 1 항에 있어서, 상기 초미립자는 가스 분위기 하에서 증발법에 의해 형성되는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the ultrafine particles are formed by an evaporation method under a gas atmosphere. 제 1 항에 있어서, 상기 초미립자가 Si를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The negative active material of claim 1, wherein the ultrafine particles contain Si. 제 1 항에 있어서, 상기 초미립자로는 입자가 고립된 고립 초미립자, 복수의 입자가 쇄상으로 연결된 연쇄상 초미립자, 복수 입자가 괴상으로 조합된 괴상 초미립자 중 1종 이상의 것을 포함하며, 상기 고립 초미립자, 연쇄상 초미립자, 괴상 초미립자의 입경이 1 내지 200nm의 범위인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.The ultrafine particles of claim 1, wherein the ultrafine particles include at least one of isolated ultrafine particles in which particles are isolated, chain ultrafine particles in which a plurality of particles are connected in a chain, and massive ultrafine particles in which a plurality of particles are combined in a bulk form. And the negative electrode active material for lithium secondary battery whose particle size of a bulk ultrafine particle is 1-200 nm. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery containing the negative electrode active material for lithium secondary batteries in any one of Claims 1-4.
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