KR20130002252A - Method of manufacturing composite anode material with amorphous carbon and composite anode material with amorphous carbon using thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a carbon composite negative electrode material is provided to integrate an intermetallic compound-based and transition metal oxide-based active material without influencing structural and physical properties. CONSTITUTION: A manufacturing method of a carbon composite negative electrode material comprises: a step(S1) of manufacturing a mixed solution which is mixed of solvent and a negative electrode active material with an intermetallic compound and/or transition metal oxide; a step(S2) of heating and decreasing the temperature of the mixed solution, and obtaining a mixed powder through the heat decomposition of the amorphous carbon precursor and the evaporation of the solvent; and a step(S3) heat-treating the mixed powder. The amorphous carbon composite negative electrode material comprises an intermetallic compound-based negative electrode active material and amorphous carbon, has the initial charging and discharging efficiency of 80% or more. [Reference numerals] (S1) Manufacturing a mixed solution which is mixed of a single or mixed negative electrode active material and an amorphous carbon precursor with intermetallic compounds between solvents and metals, and transition metal oxides; (S2) Obtaining mixed powder through the heat decomposition of the amorphous carbon precursor and the evaporation of the solvent by decompressing and heating the mixed solution; (S3) Heat-treating the mixed powder

Description

리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 비정질 탄소 복합화 음극재{METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE ANODE MATERIAL WITH AMORPHOUS CARBON AND COMPOSITE ANODE MATERIAL WITH AMORPHOUS CARBON USING THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery, and an amorphous carbon composite anode material using the same,

본 발명은 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬이온 전도도 및 전자 전도도가 향상된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재를 제조하는 방법과 이를 통하여 제조된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery having improved lithium ion conductivity and electronic conductivity, To an amorphous carbon composite anode material for a secondary battery.

이차전지는 전기자동차나 전지전력 저장시스템 등의 대용량 전력저장전지와 휴대전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대전자기기의 소형의 고성능 에너지원으로 사용되고 있다. 휴대전자기기의 소형화와 장시간 연속사용을 목표로 부품의 경량화와 저소비전력화에 대한 연구와 더불어 소형이면서 고용량을 실현할 수 있는 이차전지가 요구되고 있다. Secondary batteries are being used as small-scale, high-performance energy sources for large-capacity power storage batteries such as electric vehicles and battery power storage systems, and portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers. There is a need for a secondary battery capable of achieving a small size and a high capacity in addition to research on reduction in weight of components and reduction in power consumption aiming at miniaturization of portable electronic devices and continuous use for a long time.

최근 이차전지 시장은 기존의 휴대전자기기(휴대폰, 노트북, 컴퓨터 등)를 비롯한 휴대용 전자제품의 전원으로서 뿐만 아니라 하이브리드 전기자동차(HEV or PHEV) 등을 위해 중대형 전원으로 그 응용이 급속히 확대되고 있다. Recently, the secondary battery market is rapidly expanding as a medium to large-sized power source for a hybrid electric vehicle (HEV or PHEV) as well as a portable electronic device such as a portable electronic device (a mobile phone, a notebook computer,

기존의 음극 활물질로는 리튬의 삽입 및 탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다. 이 중 흑연계 재료는 층상구조를 가짐으로써 Li+ 이온의 가역적인 삽입과 탈리로 인해 장수명을 가지나, 이론용량은 372mAh/g으로 제한적이다. As a conventional negative electrode active material, various types of carbon-based materials including artificial graphite, natural graphite, and hard carbon capable of lithium insertion and desorption have been applied. Among them, the graphite material has a layered structure, which has a long life due to the reversible insertion and desorption of Li + ions, but the theoretical capacity is limited to 372 mAh / g.

따라서, 고용량 2차 전지를 위해 금속간 화합물계(intermetallic compound)와 전이금속산화물계 활물질에 대한 연구가 이루어지고 있다. 특히 Si, Sn, SnO2, Fe3O4 계통의 물질들이 기존의 흑연계 음극재에 비해 2배 이상의 높은 용량을 가지는 장점이 있다. Therefore, intermetallic compounds and transition metal oxide based active materials have been studied for high capacity secondary batteries. Especially, the materials of Si, Sn, SnO 2 , and Fe 3 O 4 systems have a capacity two times higher than those of conventional graphite anode materials.

이 중 Li과 금속간 화합물을 형성하는 금속들은 Li과 결합시 수백 %의 부피 팽창이 일어나며, 활물질의 부피가 팽창함에 따라 크랙(crack)이 형성되고 분쇄(pulverization)가 발생하여 전기적인 단락을 유발하는 데드볼륨(dead volume)이 발생하기 때문에 충방전이 진행됨에 따라 급격하게 충방전 용량이 감소하는 것으로 알려져 있다. Among these, metals forming Li and intermetallic compounds have a volume expansion of several hundred% when they are bonded with Li. As the volume of the active material expands, cracks are formed and pulverization occurs to cause electric short circuit It is known that the charge / discharge capacity is rapidly reduced as the charge / discharge progresses.

마찬가지로, 전이금속 산화물계 또한 수백 %의 부피 팽창을 수반하여 앞서 언급한 바와 같은 문제점을 가지고 있다. 부피 팽창을 억제하기 위해 입자 크기를 줄이는 방법이 연구되고 있지만, 부피 팽창을 억제하기 위해 제조된 나노 수준의 크기를 갖는 입자는 양자크기제한 효과(Quantum size confinement effect)에 의해 절연 특성(Insulating character)을 가지게 되어 Li+ 이온 전도도, 전자 전도도와 초기 충방전 시의 SEI film의 안정한 형성을 저해한다고 알려져 있다.Likewise, transition metal oxide systems also involve volume expansion of several hundreds percent, which has the problems mentioned above. In order to suppress the volume expansion, a method of reducing the particle size has been studied. However, the particles having the nanoscale size, which are prepared to suppress the volume expansion, are insulated by the quantum size confinement effect, And it is known to inhibit the stable formation of SEI film during Li + ionic conductivity, electron conductivity and initial charge / discharge.

따라서, 고용량의 금속간 화합물계와 전이금속산화물계 활물질의 활용을 위하여, 부피 팽창을 억제하고 이온전도도 및 전자전도도를 향상시킬 수 있는 처리 방법의 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, in order to utilize a high-capacity intermetallic compound system and a transition metal oxide system active material, development of a treatment method capable of suppressing volume expansion and improving ionic conductivity and electronic conductivity is urgently required.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 첫번째 목적은 금속간 화합물계와 전이금속산화물계 활물질을 특정조건에서 비정질 탄소와 복합화함에 의해 구조적, 물리적 특성에 영향을 주지 않으면서 리튬 이온 전도도 및 전자 전도도가 향상된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above-mentioned problems, and it is a first object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device, which is capable of forming an intermetallic compound system and a transition metal oxide- To provide a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery having improved lithium ion conductivity and electronic conductivity.

본 발명의 두번째 목적은 수십회 충방전을 거친 후에도 종래의 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재에 비하여 방전용량 유지율이 높은 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery having a high discharge capacity retention ratio as compared with a conventional amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery even after several times of charge and discharge.

상술한 본 발명의 첫번째 과제를 해결하기 위하여, (S1) 용매; 금속간 화합물계 및 전이금속산화물계가 단독 또는 혼합된 음극 활물질 분말; 및 비정질 탄소 전구체가 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계; (S2) 상기 혼합 용액을 감압하면서 가열하여, 상기 비정질 탄소 전구체의 열분해 및 상기 용매의 증발을 통해 혼합 분말을 수득하는 단계; 및 (S3) 상기 혼합 분말을 열처리하는 단계를 포함하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 제공한다.In order to solve the first problem of the present invention described above, (S1) a solvent; An anode active material powder in which an intermetallic compound system and a transition metal oxide system are singly or in combination; And an amorphous carbon precursor are mixed; (S2) heating the mixed solution under reduced pressure to obtain a mixed powder through pyrolysis of the amorphous carbon precursor and evaporation of the solvent; And (S3) heat-treating the mixed powder. The present invention also provides a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속간 화합물계 음극 활물질은 실리콘(Si) 및 틴(Si)으로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 전이금속산화물계 음극 활물질은 아이언옥사이드(Fe3O4), 틴옥사이드(SnO2), 코발트옥사이드(CoxO), 망가니즈옥사이드(MnxOy ) 및 티타늄옥사이드(TiO2)로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the intermetallic compound-based anode active material is selected from the group consisting of silicon (Si) and tin (Si), and the transition metal oxide-based anode active material is iron oxide (Fe 3 O 4 ) , Tin oxide (SnO 2 ), cobalt oxide (Co x O), manganese oxide (Mn x O y ), and titanium oxide (TiO 2 ).

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 비정질 탄소 전구체는 말산(malic acid), 설탕(sucrose), 포도당(glucose), 초산 acetic acid) 및 유기산으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the amorphous carbon precursor may be selected from the group consisting of malic acid, sugar (sucrose), glucose (glucose, acetic acid) and organic acids.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 유기용매는 톨루엔(toluene), 헥산(Hexane), 벤젠(benzene), 자일렌(xylene) 및 에틸벤젠(ethylbenzene)으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the organic solvent may be selected from the group consisting of toluene, hexane, benzene, benzene, xylene and ethylbenzene. have.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 S2 단계는 상기 혼합 용액을 0.001 내지 650mmHg 기압으로 감압하고 100 내지 180로 가열한 상태에서 이루어지는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the step S2 may be made in a state in which the mixed solution is reduced to 0.001 to 650mmHg pressure and heated to 100 to 180.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (S3) 단계에서 열처리는 환원 분위기에서 200 내지 280℃의 온도로 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the heat treatment in the step (S3) may be performed at a temperature of 200 to 280 ° C in a reducing atmosphere.

본 발명의 두번째 과제를 달성하기 위하여, 금속간 화합물계 음극 활물질 및 비정질 탄소를 포함하며 초기 충방전 효율이 80% 이상이며 15회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 25% 이상인 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재를 제공한다.In order to achieve the second object of the present invention, there is provided an amorphous lithium secondary battery comprising an intermetallic compound-based anode active material and amorphous carbon and having an initial charge-discharge efficiency of 80% or more and a discharge capacity retention rate of 25% Carbon composite anode material.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속간 화합물계 음극 활물질은 실리콘(Si)일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the intermetallic compound anode active material may be silicon (Si).

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 전이금속 산화물계 음극 활물질 및 비정질 탄소를 포함하며 50회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 55% 이상인 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재를 제공한다.According to another preferred embodiment of the present invention, there is provided an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery comprising a transition metal oxide based negative electrode active material and amorphous carbon and having a discharge capacity retention ratio of 55% or more after 50 cycles of charging / discharging .

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물계 음극활물질은 아이언 옥사이드일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the transition metal oxide based negative electrode active material may be iron oxide.

본 발명의 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법에 따르면, 저온에서의 열분해와 저온의 열처리 과정에 의해 구조적, 물리적 특성에 영향을 주지 않으면서 금속간 화합물계와 전이금속산화물계 활물질을 비정질 탄소와 복합화할 수 있다.According to the method for producing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery of the present invention, an intermetallic compound and a transition metal oxide-based active material are mixed with an amorphous carbonaceous material by thermal decomposition at a low temperature and heat treatment at a low temperature, Carbon. ≪ / RTI >

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재는 리튬과의 결합시 부피 팽창을 최소화할 수 있으며 우수한 리튬 이온 전도도 및 전자 전도도를 갖는다. 또한 수십회 충방전을 거친 후에도 종래의 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재에 비하여 방전용량 유지율이 높다.The amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery produced according to the production method of the present invention can minimize volume expansion upon binding with lithium, and has excellent lithium ion conductivity and electron conductivity. Also, even after charging and discharging several tens of times, the discharge capacity retention rate is higher than that of the conventional amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery.

본 발명의 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법은 이차전지의 전극 소재 제조뿐만 아니라 다른 나노 소재의 물성 향상을 위해서도 널리 활용될 수 있다.The method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery of the present invention can be widely used not only for manufacturing an electrode material of a secondary battery but also for improving physical properties of other nanomaterials.

도 1은 본 발명에 따른 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2 내지 4는 각각 실시예 1 내지 3에서 제조한 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C), 틴 옥사이드 (SnO2)와 비정질 탄소 복합재 및 실리콘(Si)과 비정질 탄소 복합재의 구조를 분석하기 위하여, 표면 처리 전의 물질들과 함께 X선 회절 분석을 한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5a는 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C)를 음극 활물질로 사용해 제조된 반쪽 전지를 0.02 내지 3V에서 C/10으로 각각 충방전을 실시하여 그 충방전 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이고, 도 5b는 0.02 내지 3V에서 C/10으로 50 사이클 충방전을 실시하여 그 충방전 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이며, 도 5c는 0.02 내지 3V 에서 0.1C으로 충전을 하는 동안 과전압에 의한 분극현상을 나타내는 galvanostatic intermittent titration technique(GITT)를 실시해 그 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 6a는 틴 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(SnO2/C)를 음극 활물질로 사용해 제조된 반쪽 전지를 0.05 내지 1.5V에서 C/10으로 각각 충방전을 실시하여 그 충방전 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이고, 도 6b는 0.02 내지 1.5V에서 C/10으로 30 사이클 충방전을 실시하여 그 충방전 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 7a는 실리콘 (Si)과 비정질 탄소 복합재(Si/C)를 음극 활물질로 사용해 제조된 반쪽 전지를 0.01 내지 1.5V에서 C/20으로 각각 초기 충방전을 실시하여 그 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이며, 도 7b는 0.01 내지 1.5V에서 두 번째 사이클을 C/5에서 50회 충방전을 실시하여 그 충방전 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a process flow diagram illustrating a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention.
FIGS. 2 to 4 show structures of the iron oxide, the amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C), the tin oxide (SnO 2 ) and the amorphous carbon composite material and the silicon (Si) and the amorphous carbon composite material prepared in Examples 1 to 3, Ray diffraction analysis with the materials before the surface treatment.
5A is a graph showing the results of measurement of charge / discharge characteristics of a half-cell manufactured using iron oxide and an amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C) as a negative electrode active material, respectively, at 0.02 to 3 V to C / FIG. 5B is a graph showing the results of measurement of the charge-discharge characteristics of 50 cycles of charging / discharging at 0.02 to 3 V and C / 10. FIG. (GITT), which is a polarization phenomenon, and shows the measurement results of the characteristics.
6A is a graph showing the results of measurement of charging / discharging characteristics of a half-cell made of tin oxide and an amorphous carbon composite (SnO 2 / C) as negative electrode active material by charging / discharging at 0.05 to 1.5 V to C / And Fig. 6B is a graph showing the results of measurement of the charge-discharge characteristics of 30 cycles of charging / discharging at 0.02 to 1.5 V at C / 10.
7A is a graph showing the results of measurement of the characteristics of a half-cell manufactured using a silicon (Si) and an amorphous carbon composite material (Si / C) as an anode active material at an initial charge / discharge of 0.01 to 1.5 V to C / And FIG. 7B is a graph showing the results of measurement of the charge-discharge characteristics of the second cycle at a rate of 0.01 to 1.5 V by performing charge and discharge at 50 cycles at C / 5.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 하기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

상술한 바와 같이 금속간 화합물계 및/또는 전이금속산화물계와 탄소와 복합화된 음극재는 부피 팽창율이 현저하게 높을 뿐 아니라 이온전도도와 전자전도도가 떨어지는 문제가 있었다. 그 결과 수십회 충방전 후 방전용량 유지율이 급격하게 떨어지는 문제가 있었다.
As described above, the negative electrode material composed of an intermetallic compound system and / or a transition metal oxide system and carbon has not only a remarkably high volume expansion rate but also a low ion conductivity and an electron conductivity. As a result, there has been a problem that the discharge capacity retention rate drops suddenly after several tens of charge / discharge cycles.

이에 본 발명에서는 (S1) 용매; 금속간 화합물계 및 전이금속산화물계가 단독 또는 혼합된 음극 활물질 분말; 및 비정질 탄소 전구체가 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계; (S2) 상기 혼합 용액을 감압하면서 가열하여, 상기 비정질 탄소 전구체의 열분해 및 상기 용매의 증발을 통해 혼합 분말을 수득하는 단계; 및 (S3) 상기 혼합 분말을 열처리하는 단계를 포함하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 제조된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재는 금속간 화합물계와 전이금속산화물계 활물질을 특정조건에서 비정질 탄소와 복합화함에 의해 구조적, 물리적 특성에 영향을 주지 않으면서 리튬 이온 전도도 및 전자 전도도가 향상가 향상된다.
Accordingly, in the present invention, (S1) a solvent; An anode active material powder in which an intermetallic compound system and a transition metal oxide system are singly or in combination; And an amorphous carbon precursor are mixed; (S2) heating the mixed solution under reduced pressure to obtain a mixed powder through pyrolysis of the amorphous carbon precursor and evaporation of the solvent; And (S3) heat-treating the mixed powder. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems by providing a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery. The amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery produced through the above process is characterized in that an intermetallic compound and a transition metal oxide based active material are complexed with amorphous carbon under specific conditions so that lithium ion conductivity and electronic conductivity Improvement is improved.

도 1은 본 발명에 따른 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다. 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.1 is a process flow diagram illustrating a method for manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention. A method of manufacturing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention will be described with reference to FIG.

먼저, 용매; 금속간 화합물계 및 전이금속산화물계가 단독 또는 혼합된 음극 활물질 분말; 및 비정질 탄소 전구체가 혼합된 혼합용액을 제조한다(S1).First, a solvent; An anode active material powder in which an intermetallic compound system and a transition metal oxide system are singly or in combination; And an amorphous carbon precursor are mixed (S1).

상기 금속간 화합물계 음극 활물질은 예를 들어 실리콘(Si) 및 틴(Sn)으로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 전이금속산화물계 음극 활물질은 예를 들어 아이언옥사이드(FexOy), 틴옥사이드(SnO2), 코발트옥사이드(CoxO), 망가니즈옥사이드(MnxOy ), 티타늄옥사이드(TiO2)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The intermetallic compound-based anode active material is selected from the group consisting of silicon (Si) and tin (Sn), and the transition metal oxide-based negative electrode active material may be selected from the group consisting of iron oxide (Fe x O y ), tin oxide SnO 2 ), cobalt oxide (Co x O), manganese oxide (Mn x O y ) , and titanium oxide (TiO 2 ).

상기 비정질 탄소 전구체는 예를 들어 말산(malic acid), 설탕 (sucrose), 포도당 (glucose), 초산 (acetic acid) 및 유기산으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.The amorphous carbon precursor is preferably selected from the group consisting of, for example, malic acid, sucrose, glucose, acetic acid and organic acids.

상기 용매는 예를 들어 톨루엔(toluene), 헥산 (Hexane), 벤젠 (benzene), 자일렌 (xylene), 에틸벤젠 (ethylbenzene) 및 유기용매로 이루어진 군에서 선택되는 유기용매인 것이 바람직하다.The solvent is preferably an organic solvent selected from the group consisting of, for example, toluene, hexane, benzene, xylene, ethylbenzene and an organic solvent.

(S1) 단계에서, 유기용매 100 중량부 기준으로 0.5 내지 10 중량부의 금속간 화합물계 또는 전이금속산화물계 음극 활물질 분말을 첨가하는 것이 바람직하다. In step (S1), 0.5 to 10 parts by weight of an intermetallic compound-based or transition metal oxide-based negative electrode active material powder based on 100 parts by weight of the organic solvent is preferably added.

금속간 화합물계 또는 전이금속산화물계 음극 활물질 분말이 유기용매 100 중량부 기준으로 10 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 비정질 탄소 복합화시 표면의 균일성과 각 입자의 비정질 탄소 복합화 정도에 차이가 발생하며, 0.5 중량부 미만으로 첨가되는 경우 비정질 탄소와 음극 활물질의 분율 변화에 의해 비정질 탄소의 양이 많아짐으로써 전극으로써의 에너지 밀도가 감소하게 되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.When the intermetallic compound-based or transition metal oxide-based negative electrode active material powder is added in an amount of more than 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent, there arises a difference in the uniformity of the surface of the amorphous carbon and the degree of amorphous carbon composites of each particle. The amount of amorphous carbon is increased due to a change in the fraction of the amorphous carbon and the negative electrode active material, so that the energy density of the electrode is decreased, which is not preferable.

또한, 유기용매 100 중량부 기준으로 0.5 내지 10 중량부의 비정질 탄소 전구체를 첨가하는 것이 바람직하다.It is also preferable to add 0.5 to 10 parts by weight of the amorphous carbon precursor based on 100 parts by weight of the organic solvent.

비정질 탄소 전구체가 유기용매 100 중량부 기준으로 10 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 비정질 탄소와 음극 활물질의 분율 변화에 의해 비정질 탄소의 양이 많아짐으로써 전극으로써의 에너지 밀도가 감소하게 되는 문제가 있으며, 0.5 중량부 미만으로 첨가되는 경우 비정질 탄소와 음극 활물질의 분율 변화에 의해 비정질 탄소 복합화시 표면의 균일성과 각 입자의 비정질 탄소 복합화 정도에 차이가 발생하여 전자전도성 및 이온전도성 향상에의 효과가 미비한 문제가 있다.
When the amorphous carbon precursor is added in an amount of more than 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent, the amount of amorphous carbon is increased due to a change in the fraction of the amorphous carbon and the negative active material, The amount of amorphous carbon and the composition of amorphous carbon in the amorphous carbon are different from each other due to the variation of the fraction of the amorphous carbon and the anode active material and thus the effect on the improvement of the electronic conductivity and ion conductivity is insufficient have.

다음으로, 상기 혼합 용액을 감압하면서 가열하여, 비정질 탄소 전구체의 열분해 및 용매의 증발을 통해 혼합 분말을 수득한다(S2). 본 단계를 더욱 구체적으로 설명하면, 오일 배쓰(Oil bath)를 이용하여 혼합 용액을 중탕하여 가열하며, 가열에 의해 말산 등의 비정질 탄소 전구체가 가지고 있는 사슬 구조가 깨지며 분해되어 전구체를 감싸게 된다. 본 단계에서 가열과 함께 펌프를 이용하여 이베큐에이션(evacuation)하여 플라스크 내부의 압력을 지속적으로 감압하여 용액은 모두 증발하게 된다.Next, the mixed solution is heated under reduced pressure to pyrolyze the amorphous carbon precursor and evaporate the solvent to obtain a mixed powder (S2). This step will be described in more detail. When the mixed solution is heated by heating in an oil bath using an oil bath, the chain structure of the amorphous carbon precursor such as malic acid is broken and decomposed to cover the precursor. In this step, the solution is evacuated by using a pump together with heating, and the pressure inside the flask is continuously reduced to evaporate the solution.

상기 S2 단계는 상기 혼합 용액을 0.001 내지 650mmHg 기압으로 감압하고 100 내지 180로 가열한 상태에서 이루어지는 것이 바람직하다.
The step S2 is preferably carried out in a state in which the mixed solution is reduced to 0.001 to 650mmHg pressure and heated to 100 to 180.

다음으로, 상기 혼합 분말을 열처리한다(S3).Next, the mixed powder is heat-treated (S3).

상기 (S3) 단계에서 열처리는 환원 분위기에서 200 내지 280℃의 온도로 수행되는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 높은 온도로 인한 에너지에 의해 금속간 화합물계와 전이금속 산화물계 전구체의 물리적 구조의 특성 변화가 일어날 수 있으며, 상기 범위의 하한에 미달하는 경우 열분해 된 탄소전구체의 탄소와 결합하고 있는 -OH, -OOH, -H 등의 결합이 완전히 분해되지 않으므로 바람직하지 못하다.In the step (S3), the heat treatment is preferably performed at a temperature of 200 to 280 DEG C in a reducing atmosphere. If the heat treatment temperature exceeds the upper limit of the above range, the physical structure of the intermetallic compound system and the transition metal oxide precursor may change due to the energy due to the high temperature. If the heat treatment temperature is below the lower limit of the above range, The bonding of -OH, -OOH, -H, etc. bonded to the carbon of the precursor is not completely decomposed, which is not preferable.

열처리시의 환원 분위기는 질소 (N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 크세논 (Xe) 가스 분위기와 진공 분위기 등으로 조성될 수 있다.
The reducing atmosphere at the time of the heat treatment may be a nitrogen atmosphere, argon (Ar), helium (He), neon (Ne), xenon (Xe) gas atmosphere or vacuum atmosphere.

상술한 본 발명의 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법을 이용함으로써, 저온에서의 열분해와 저온의 열처리 과정에 의해 구조적, 물리적 특성에 대한 영향 없이 금속간 화합물계와 전이금속산화물계 활물질을 비정질 탄소와 복합화할 수 있다.By using the above-described method for producing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery of the present invention, it is possible to produce an intermetallic compound system and a transition metal oxide system active material by thermal decomposition at a low temperature and heat treatment at a low temperature without affecting the structural and physical properties Can be complexed with amorphous carbon.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재는 리튬과의 결합시 부피 팽창을 최소화할 수 있으며 우수한 리튬 이온 전도도 및 전자 전도도를 갖는다.The amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery produced according to the production method of the present invention can minimize volume expansion upon binding with lithium, and has excellent lithium ion conductivity and electron conductivity.

보다 구체적으로 본 발명의 제조방법을 통해 제조된 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재는 금속간 화합물계 음극 활물질 및 비정질 탄소를 포함하며 초기 충방전 효율이 80% 이상이며 15회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 25% 이상을 유지할 수 있으며, 이 경우 바람직하게는 상기 금속간 화합물계 음극 활물질은 실리콘(Si)일 수 있다(도 5a, 5b 참조).More specifically, the amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery produced by the method of the present invention includes an intermetallic compound-based anode active material and amorphous carbon, and has an initial charge-discharge efficiency of 80% or more, The capacity retention rate can be maintained at 25% or more. In this case, the intermetallic compound-based negative electrode active material may be silicon (Si) (see FIGS. 5A and 5B).

본 발명의 바람직한 다른 일구현에 따르면 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재는 전이금속 산화물계 음극 활물질 및 비정질 탄소를 포함하며 50회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 55% 이상을 유지할 수 있다(도 7a, 7b 참조). According to another preferred embodiment of the present invention, the amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery includes a transition metal oxide-based anode active material and amorphous carbon, and the discharge capacity retention rate can be maintained at 55% or more after 50 charge / discharge cycles 7a and 7b).

본 발명의 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법은, 비정질 탄소와의 복합화 대상 분말을 다양한 금속간 화합물 또는 전이금속산화물 분말로 선택함에 따라, 이차전지의 전극 소재 제조뿐만 아니라 다른 나노 소재의 물성 향상을 위해서도 널리 활용될 수 있다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The method for producing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is characterized in that the powder to be compounded with amorphous carbon is selected from a variety of intermetallic compounds or transition metal oxide powders, It can be widely used for improvement of physical properties.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예Example 1 One

톨루엔 20ml에 말산 0.1g을 용해시키고 아이언 옥사이드 분말 0.1g을 첨가한 후 2 시간 동안 교반하여 혼합 용액을 제조하였다. 그 후, 제조된 혼합 용액을 650mmHg 기압으로 감압한 상태에서 180℃로 6 시간 동안 유지하여 복합 분말을 수득하였다. 다음으로, 복합 분말을 Ar 분위기 265℃에서 3 시간 동안 열처리하여 비정질 탄소 복합화 음극재를 제조하였다.
0.1 g of malic acid was dissolved in 20 ml of toluene, 0.1 g of iron oxide powder was added, and the mixture was stirred for 2 hours to prepare a mixed solution. Thereafter, the prepared mixed solution was maintained at 180 캜 for 6 hours under a reduced pressure of 650 mmHg atmospheric pressure to obtain a composite powder. Next, the composite powder was heat-treated at 265 캜 for 3 hours in an Ar atmosphere to produce an amorphous carbon composite anode material.

실시예Example 2 2

톨루엔 20ml에 말산 0.1g을 용해시키고 틴 옥사이드 분말 0.1g을 첨가한 후 2 시간 동안 교반하여 혼합 용액을 제조하였다. 그 후, 제조된 혼합 용액을 650mmHg 기압으로 감압한 상태에서 180℃로 6 시간 동안 유지하여 복합 분말을 수득하였다. 다음으로, 복합 분말을 Ar 분위기 265℃에서 3 시간 동안 열처리하여 비정질 탄소 복합화 음극재를 제조하였다.
0.1 g of malic acid was dissolved in 20 ml of toluene, 0.1 g of tin oxide powder was added, and the mixture was stirred for 2 hours to prepare a mixed solution. Thereafter, the prepared mixed solution was maintained at 180 캜 for 6 hours under a reduced pressure of 650 mmHg atmospheric pressure to obtain a composite powder. Next, the composite powder was heat-treated at 265 캜 for 3 hours in an Ar atmosphere to produce an amorphous carbon composite anode material.

실시예Example 3 3

톨루엔 20ml에 말산 0.1g을 Ar/H2 분위기에서 용해시키고 실리콘 분말 0.1g을 첨가한 후 Ar/H2 분위기에서 2 시간 동안 교반하여 혼합 용액을 제조하였다. 그 후, 제조된 혼합 용액을 650mmHg 기압으로 감압한 상태에서 180℃로 6 시간 동안 유지하여 복합 분말을 수득하였다. 다음으로, 복합 분말을 Ar/H2 분위기 265℃에서 3 시간 동안 열처리하여 비정질 탄소 복합화 음극재를 제조하였다.
0.1 g of malic acid was dissolved in Ar / H 2 atmosphere, and 0.1 g of silicon powder was added to 20 ml of toluene, followed by stirring in an Ar / H 2 atmosphere for 2 hours to prepare a mixed solution. Thereafter, the prepared mixed solution was maintained at 180 캜 for 6 hours under a reduced pressure of 650 mmHg atmospheric pressure to obtain a composite powder. Next, the composite powder was heat-treated at 265 ° C in an Ar / H 2 atmosphere for 3 hours to produce an amorphous carbon composite anode material.

시험예Test Example 1 - X선  1 - X-ray 회절diffraction 분석 analysis

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C), 틴 옥사이드 (SnO2)와 비정질 탄소 복합재 및 실리콘(Si)과 비정질 탄소 복합재의 구조를 분석하기 위하여, 각각 표면 처리 전의 물질들과 함께 X선 회절 분석을 하여 도 2, 도 3와 도 4에 나타냈다.In order to analyze the structures of the iron oxide, the amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C), the tin oxide (SnO 2 ) and the amorphous carbon composite material and the silicon (Si) and the amorphous carbon composite material prepared in Examples 1 to 3, X-ray diffraction analysis was carried out with the materials before the surface treatment, respectively, and the results are shown in FIG. 2, FIG. 3 and FIG.

이 때 도 1에 나타낸 아이언 옥사이드(Fe3O4)는 열처리 및 환원성 분위기의 실효성을 확인하기 위해 대조군으로 감압하의 열분해를 거치나 열처리하지 않은 아이언 옥사이드(Fe3O4)와 비정질탄소의 복합 분말과 열처리시 공기 중에서 실행한 것을 함께 나타냈다.Iron oxide (Fe 3 O 4 ) shown in FIG. 1 was pyrolyzed under reduced pressure as a control group in order to confirm the effectiveness of the heat treatment and reducing atmosphere, and a composite powder of iron oxide (Fe 3 O 4 ) and amorphous carbon And those performed in air at the time of heat treatment are shown together.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 변수에 따라 아이언 옥사이드 (Fe3O4)의 결정 구조에 큰 변화가 없으며 모두 큐빅(cubic) 구조를 가지고 있음을 보여주며, Scherrer's equation을 통한 반가폭 (FWHM; Full Width Half Maximum) 계산으로부터 얻은 입자크기로 부터 아이언 옥사이드(Fe3O4) 결정구조와 입자크기에 대한 영향이 없음을 확인 하였다. As can be seen in FIG. 2, there is no significant change in the crystal structure of iron oxide (Fe 3 O 4 ) according to each variable, and all of them have a cubic structure. FWHM (Fe 3 O 4 ) crystal structure and particle size from the particle size obtained from the Full Width Half Maximum calculation.

도 3의 X선 회절 분석은 틴 옥사이드와 비정질탄소 복합재(SnO2/C) 및 틴 옥사이드 (SnO2)의 결정구조에 큰 변화가 없으며 모두 tetragonal rutile 구조를 나타낸다. 또한 틴 옥사이드 (SnO2)와 비정질탄소 복합재에서 보여지는 저각의 broad peak는 비정질 탄소가 형성되었음을 보여준다.The X-ray diffraction analysis of FIG. 3 shows that the crystal structure of the tin oxide, the amorphous carbon composite (SnO 2 / C) and the tin oxide (SnO 2 ) does not change much, and both have a tetragonal rutile structure. In addition, broad peaks of low angle seen in tin oxide (SnO 2 ) and amorphous carbon composite show that amorphous carbon is formed.

도 4의 X선 회절 분석은 실리콘 (Si)과 비정질 탄소 복합재(Si/C)는 모두 Diamond cubic 결정구조를 나타내기 때문에 결정구조의 영향이 없음을 확인 하였다. 하지만 저각의 비정질 탄소의 peak는 실리콘 (Si)의 고결정성에 의해 확인이 힘들다.
The X-ray diffraction analysis of FIG. 4 confirmed that the crystal structure was not influenced by both the silicon (Si) and amorphous carbon composite (Si / C) exhibiting diamond cubic crystal structure. However, the peak of amorphous carbon at low angle is difficult to confirm due to the high crystallinity of silicon (Si).

시험예Test Example 2 -  2 - 충방전Charging and discharging 특성 및  Characteristics and 쿨롱coulomb 효율 분석 Efficiency analysis

아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C)를 음극 활물질로 사용해 제조된 반쪽 전지를 0.02 내지 3V에서 C/10으로 각각 충방전을 실시하여, 그 충방전 특성의 측정 결과를 도 5a에 나타내었다. 또한, 0.02 내지 3V에서 C/10으로 50 사이클 충방전을 실시하여, 그 충방전 특성의 측정 결과를 도 5b에 나타내었다.A half-cell made of iron oxide and an amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C) as a negative electrode active material was charged and discharged at 0.02 to 3 V to C / 10, and the measurement results of the charge- Respectively. Further, charging and discharging were performed for 50 cycles at 0.02 to 3 V and at C / 10, and the results of the measurement of the charge-discharge characteristics are shown in FIG. 5B.

그리고, 0.02 내지 3V 에서 0.1C으로 충전을 하는 동안 과전압에 의한 분극현상을 나타내는 galvanostatic intermittent titration technique(GITT)실시해, 그 특성의 측정 결과를 도 5c에 나타내었다. Then, a galvanostatic intermittent titration technique (GITT) showing polarization due to overvoltage was performed during charging from 0.02 to 3 V to 0.1 C, and the measurement result of the characteristics is shown in FIG. 5C.

도 5a에서 볼 수 있는 바와 같이, 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C)는 아이언 옥사이드 (Fe3O4)와 같은 산화/환원 반응을 보이고 있으며, Ar 분위기에서 열처리한 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C)가 아이언 옥사이드 (Fe3O4)보다 높은 용량을 보이고 있다. 대조군으로, 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C)를 대기중의 분위기에서 열처리하여 제조한 것과 열처리를 하지 않고 제조한 것의 평가 결과도 함께 나타내었다.As shown in FIG. 5A, the iron oxide and the amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C) exhibit oxidation / reduction reactions such as iron oxide (Fe 3 O 4 ), and iron oxide Amorphous carbon composites (Fe 3 O 4 / C) show higher capacity than iron oxide (Fe 3 O 4 ). As a control, evaluation results of iron oxide and amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C) produced by heat treatment in an atmospheric environment and those without heat treatment were also shown.

도 5b를 참조하면, 상기 리튬 이온 전지에서, 50 사이클 충방전 후에 방전용량 유지율이 60%로 아이언 옥사이드 (Fe3O4)의 9% 유지율에 비해 매우 높은 증가율을 나타내며, 대략 500mAh/g의 용량이 유지되는 것을 보인다. 도 5c는 0.02 내지 3V 에서 0.1C으로 충전을 하는 동안 과전압에 의한 분극현상을 나타내는 galvanostatic intermittent titration technique(GITT)를 실시해 그 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이다. Referring to FIG. 5B, in the lithium ion battery, the discharge capacity retention rate after 60 cycles of charging / discharging is 60%, which shows a very high rate of increase compared with the 9% retention rate of iron oxide (Fe 3 O 4 ) Seems to be maintained. FIG. 5C is a graph showing the measurement results of the galvanostatic intermittent titration technique (GITT) showing polarization due to overvoltage during charging from 0.02 to 3V to 0.1C.

상기 결과들로부터 본원발명의 아이언 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(Fe3O4/C)는 대조군 아이언 옥사이드 (Fe3O4)와 같은 전기화학반응 기구(mechanism)를 가짐으로써 물리적 특성에 영향이 없으며, 아이언 옥사이드 (Fe3O4)에 비해 충방전시 탄소복합화로 인해 전자전도도 및 이온 전도도가 향상되어 충방전시 가역적인 반응을 이루었으며, 고용량 장수명을 가지는 리튬이차전지의 음극재료로 적합하다는 것을 알 수 있다.
From the above results, the iron oxide and amorphous carbon composite (Fe 3 O 4 / C) of the present invention have an electrochemical reaction mechanism such as a control iron oxide (Fe 3 O 4 ) It was found that the carbon composite was improved as compared with iron oxide (Fe 3 O 4 ) to improve the electronic conductivity and ionic conductivity, and thus reversible reaction occurred during charging and discharging, and it was suitable as a cathode material for a lithium secondary battery having a long life .

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틴 옥사이드와 비정질 탄소 복합재(SnO2/C)를 음극 활물질로 사용해 제조된 반쪽 전지를 0.05 내지 1.5V에서 C/10으로 각각 충방전을 실시하여 그 충방전 특성의 측정 결과를 도 6a에 나타내었다. 또한, 0.02 내지 1.5V에서 C/10으로 30 사이클 충방전을 실시하여, 그 충방전 특성의 측정 결과를 도 6b에 나타내었다.A half cell made of tin oxide and an amorphous carbon composite material (SnO 2 / C) as a negative electrode active material was charged and discharged at 0.05 to 1.5 V to C / 10, respectively. The results of the charge / . Further, charging and discharging were performed for 30 cycles at 0.02 to 1.5 V and at C / 10, and the results of the measurement of the charge-discharge characteristics are shown in FIG. 6B.

도 6a에서는 틴 옥사이드와 비정질탄소 복합재(SnO2/C)의 초기 비가역 용량이 732mAh/g으로 틴 옥사이드 (SnO2)의 1277mAh/g에 해당하는 비가역 용량에 비해 크게 줄었음을 나타내고 있다. 이에 부합하게 초기 충전 효율은 31.01%에서 44.87%로 향상되었음을 나타냈다. 또한 리튬옥사이드(Li2O) 형성에 해당하는 약 0.9V의 전위평탄면(plateau)이 줄어듦으로써 Li+이온의 삽입과 탈리시 리튬옥사이드(Li2O) 상에 의한 전기전 단락이 줄어든 것을 나타내고 있다. 6A shows that the initial irreversible capacity of tin oxide and amorphous carbon composite (SnO 2 / C) is 732 mAh / g, which is much smaller than the irreversible capacity of 1277 mAh / g of tin oxide (SnO 2 ). Correspondingly, initial charge efficiency improved from 31.01% to 44.87%. In addition, the lithium oxide (Li 2 O) is approximately plane (plateau) 0.9V potential of the flat for the formation shrink as Li + insertion and desorption of lithium oxide during ion electric ago by the (Li 2 O) indicate that the short is reduced have.

도6b는 틴 옥사이드와 비정질탄소 복합재(SnO2/C)가 30 사이클 이후에도 대략 400mAh/g의 용량을 유지하고 있음을 나타내며, 틴 옥사이드 (SnO2)에 비해 가역적인 전기화학반응을 보이고 있다. 게다가 두 번째 사이클 진행 후 용량 감소율을 비교시 틴 옥사이드 (SnO2)는 2.46%의 감소율을 보이는 반면, 틴 옥사이드와 비정질탄소 복합재(SnO2/C)는 1.28%로써 용량감소율이 줄어든 것을 나타내고 있다. FIG. 6B shows that the tin oxide and amorphous carbon composite (SnO 2 / C) maintains a capacity of about 400 mAh / g after 30 cycles and exhibits a reversible electrochemical reaction compared to tin oxide (SnO 2 ). In addition, the rate of reduction of tin oxide (SnO 2 ) was 2.46% compared to that of the second cycle, while that of tin oxide and amorphous carbon (SnO 2 / C) was 1.28%.

상기 결과로부터 본원 발명의 틴 옥사이드와 비정질탄소 복합재(SnO2/C)는 대조군 틴 옥사이드 (SnO2)에 비해 전기적 단락을 유발하는 리튬옥사이드(Li2O) 상의 형성을 억제하며, 충방전시 탄소복합화로 인한 전자전도도 및 이온 전도도가 향상되어 충방전시 가역적인 반응을 이루었으며, 고용량 장수명을 갖는 리튬이차전지의 음극재료로 적합하다는 것을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that the tin oxide and amorphous carbon composite (SnO 2 / C) of the present invention inhibit the formation of a lithium oxide (Li 2 O) phase which causes electrical shorting compared to the control tin oxide (SnO 2 ) The electron conductivity and the ionic conductivity due to the complexation were improved, so that a reversible reaction occurred during charging and discharging, and it was found to be suitable as a negative electrode material for a lithium rechargeable battery having a long lifetime.

실리콘 (Si)과 비정질 탄소 복합재(Si/C)를 음극 활물질로 사용해 제조된 반쪽 전지를 0.01 내지 1.5V에서 C/20으로 각각 초기 충방전을 실시하였으며, 그 특성의 측정 결과를 도 7a에 나타내었다. 또한, 0.01 내지 1.5V에서 두 번째 사이클을 C/5에서 50회 충방전을 실시하여, 그 충방전 특성의 측정 결과를 도 7b에 나타내었다.A half-cell made of silicon (Si) and an amorphous carbon composite material (Si / C) as negative electrode active materials was subjected to initial charging and discharging at 0.01 to 1.5 V to C / 20, respectively. . The second cycle at 0.01 to 1.5 V was charged / discharged 50 times at C / 5, and the results of the measurement of the charge-discharge characteristics are shown in Fig. 7B.

도 7a에서는 비정질 탄소 복합재(Si/C)의 초기 효율이 88.66%로 실리콘 (Si)의 72.51%에 비해 크게 향상되었음을 보여주며, 이에 따라 비가역 용량은 각각 391mAh/g, 1031mAh/g으로 나타났다. 이러한 초기 효율의 향상은, 비정질 탄소의 복합화로 인해 실리콘 표면의 전기전도도 및 이온전도도의 증가로 인한 것으로 사료된다.In FIG. 7a, the initial efficiency of the amorphous carbon composite material (Si / C) was 88.66%, which was significantly improved compared to 72.51% of silicon (Si), and irreversible capacities were 391mAh / g and 1031mAh / g, respectively. It is considered that the improvement of the initial efficiency is due to the increase of the electric conductivity and the ion conductivity of the silicon surface due to the complexation of amorphous carbon.

도 7b에서는 실리콘 (Si)과 비정질 탄소 복합재(Si/C)를 이용하여 제조된 리튬 이온 전지에서 15회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 30%로 실리콘 (Si)의 15 사이클 진행후에 해당하는 10% 유지율에 비해 증가율을 나타내었다.In FIG. 7B, after 15 charge / discharge cycles in a lithium ion battery manufactured using silicon (Si) and an amorphous carbon composite material (Si / C), the discharge capacity retention rate after 30 cycles of 15% 10% retention rate.

상기 결과로부터 본원 발명의 실리콘 (Si)과 비정질 탄소 복합재(Si/C)는 대조군 실리콘 (Si)에 비해 초기 충방전 효율은 72.51%에서 88.66%로의 상승과, 충방전 시 비정질탄소복합화로 인한 전자전도도 및 이온 전도도가 향상되었다는 것을 알 수 있다.As a result, the initial charge / discharge efficiency of silicon (Si) and amorphous carbon composite material (Si / C) of the present invention increased from 72.51% to 88.66% as compared with the control silicon (Si) It can be seen that the conductivity and the ion conductivity are improved.

본 발명은 리튬이차전지 분야에 널리 활용될 수 있다.The present invention can be widely used in the field of lithium secondary batteries.

Claims (10)

(S1) 용매; 금속간 화합물계 및 전이금속산화물계가 단독 또는 혼합된 음극 활물질 분말; 및 비정질 탄소 전구체가 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;
(S2) 상기 혼합 용액을 감압하면서 가열하여, 상기 비정질 탄소 전구체의 열분해 및 상기 용매의 증발을 통해 혼합 분말을 수득하는 단계; 및
(S3) 상기 혼합 분말을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법.
(S1) a solvent; An anode active material powder in which an intermetallic compound system and a transition metal oxide system are singly or in combination; And an amorphous carbon precursor are mixed;
(S2) heating the mixed solution under reduced pressure to obtain a mixed powder through pyrolysis of the amorphous carbon precursor and evaporation of the solvent; And
(S3) A method of manufacturing an amorphous carbon composite negative electrode material for a lithium ion secondary battery, comprising the step of heat treating the mixed powder.
제1항에 있어서,
상기 금속간 화합물계 음극 활물질은 실리콘(Si) 및 틴(Si)으로 이루어진 군에서 선택되며,
상기 전이금속산화물계 음극 활물질은 아이언옥사이드(Fe3O4), 틴옥사이드(SnO2), 코발트옥사이드(CoxO), 망가니즈옥사이드(MnxOy ) 및 티타늄옥사이드(TiO2)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법.
The method of claim 1,
The intermetallic compound anode active material is selected from the group consisting of silicon (Si) and tin (Si)
The transition metal oxide-based negative electrode active material is composed of iron oxide (Fe 3 O 4 ), tin oxide (SnO 2 ), cobalt oxide (Co x O), manganese oxide (Mn x O y ) and titanium oxide (TiO 2 ) Wherein the positive electrode active material is selected from the group consisting of lithium carbonate, lithium carbonate, and lithium carbonate.
제1항에 있어서,
상기 비정질 탄소 전구체는 말산(malic acid), 설탕(sucrose), 포도당(glucose), 초산 acetic acid) 및 유기산으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법.
The method of claim 1,
The amorphous carbon precursor is malic acid (malic acid), sugar (sucrose), glucose (glucose, acetic acid) and a method for producing an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that selected from the group consisting of organic acids.
제1항에 있어서,
상기 유기용매는 톨루엔(toluene), 헥산(Hexane), 벤젠(benzene), 자일렌(xylene) 및 에틸벤젠(ethylbenzene)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법.
The method of claim 1,
The organic solvent is to prepare an amorphous carbon composite anode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that selected from the group consisting of toluene (hexane), hexane (Hexane), benzene (xylene), xylene and ethylbenzene (ethylbenzene) Way.
제1항에 있어서,
상기 S2 단계는 상기 혼합 용액을 0.001 내지 650mmHg 기압으로 감압하고 100 내지 180로 가열한 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법.
The method of claim 1,
The step S2 is a method for producing an amorphous carbon composite negative electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that the mixed solution is reduced to 0.001 to 650mmHg pressure and heated to 100 to 180.
제1항에 있어서,
상기 (S3) 단계에서 열처리는 환원 분위기에서 200 내지 280의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재의 제조방법.
The method of claim 1,
Heat treatment in the step (S3) is a method of manufacturing an amorphous carbon composite negative electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that carried out at a temperature of 200 to 280 in a reducing atmosphere.
금속간 화합물계 음극 활물질 및 비정질 탄소를 포함하며 초기 충방전 효율이 80% 이상이며 15회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 25% 이상인 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재.An amorphous carbon composite anode material for lithium ion secondary batteries including an intermetallic compound-based negative active material and amorphous carbon, having an initial charge / discharge efficiency of 80% or more, and a discharge capacity retention rate of 25% or more after 15 charge / discharge cycles. 제7항에 있어서, 상기 금속간 화합물계 음극 활물질은 실리콘(Si)을 특징으로 하는 비정질 탄소 복합화 음극재.The amorphous carbon composite negative electrode material of claim 7, wherein the intermetallic compound-based negative active material is silicon (Si). 전이금속 산화물계 음극 활물질 및 비정질 탄소를 포함하며 50회 충방전 사이클 진행 후 방전용량 유지율이 55% 이상인 리튬이온이차전지용 비정질 탄소 복합화 음극재.An amorphous carbon composite negative electrode material for a lithium ion secondary battery including a transition metal oxide-based negative active material and amorphous carbon, and having a discharge capacity retention rate of 55% or more after 50 charge / discharge cycles. 제9항에 있어서, 상기 전이금속 산화물계 음극활물질은 아이언 옥사이드인 것을 특징으로 하는 비정질 탄소 복합화 음극재.10. The amorphous carbon composite anode material of claim 9, wherein the transition metal oxide-based anode active material is iron oxide.
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