KR20130033734A

KR20130033734A - 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130033734A
Application number: KR1020110097597A
Authority: KR
Inventors: 강윤규; 이철
Original assignee: 주식회사 예일전자
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-04
Also published as: KR101872208B1

Abstract

본 발명은 효율이 우수하고, 부피변화가 심하지 않아 장시간 사용이 가능한 이차 전지 음극재용 실리콘 산화물을 제공하기 위한 것으로,
수크로즈(Sucrose)와 흑연을 혼합하여 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
상기 탄소복합체를 실리콘 산화물 입자 표면에 코팅하는 단계를 포함하는 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물의 제조방법과 이를 통해 제조된 실리콘 산화물을 제공한다.

Description

탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물 및 그 제조방법{SILICON OXIDE COATED WITH CARBON COMPLEX AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 리튬 이차전지의 음극재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소복합체가 코팅된 실리콘 산화물(SiO_X)에 관한 것이다.

21세기에 들어서면서 IT산업기술은 기타 과학기술 분야에 비해 비약적인 발전은 계속하고 있고, 이들은 노트북, 휴대전화, PDA등 휴대가 가능하고 간편한 모바일기기를 중심으로 많은 상품개발이 주축을 이루어왔으며, 최근에는 모바일 기기의 성능 다양화와 가정, 회사, 사회 등을 연결하는 유비쿼터스 네트워크가 급속도로 진행되고 있다.

특히 환경문제 및 에너지 문제에 대한 관심 및 연구개발이 집중되면서, 전기자동차용 리튬이차전지와 에너지저장용 리튬이차전지에 관한 기술선점 욕구는 전 세계적으로 매우 치열한 경쟁이 진행되고 있고 이를 위한 활발한 연구가 진행되고 있다.

리튬이차전지에 있어서, 특히 음극재료에 대한 기술이 부각되고 있다. 리튬이차전지의 음극 활물질은 흑연이 지속적으로 사용되어 왔으며, 용량 증가에 대한 요구로 인해 다른 탄소계 물질이나, 리튬 금속 화합물 등이 연구되어 왔다. 그러나 음극재료는 초기 비가역용량이 존재하고 부피변화가 심하게 발생되며, 수명 특성이 크게 떨어지는 문제가 있어, 아직까지는 흑연을 대체하여 상용화할 수 있는 물질을 찾아보기 어렵다.

최근에 리튬이차전지의 음극 활물질로 금속 Si 나노와이어(nanowire)가 개발되었으나, 고가의 가격 경쟁력을 극복하지 못하고 있는 실정이다. 또한, 다른 금속 또는 금속 산화물을 이용하여 복합 전극을 제조하는 기술이 등장하고 있으나, 첨가된 금속이나 금속 산화물이 용량을 발현하지 못하고, 낮은 에너지 밀도를 보이는 단점이 존재한다.

한편, 음극 활물질로 SiO-C 복합체를 제조하는 기술이 등장하고 있으나, 이러한 SiO-C복합체는 출발물질(precursor)로 SiO를 사용하여 고온(약 700~1000℃)의 열처리를 필요로 하고, 다시 기계적, 물리적으로 파쇄를 통해 입자크기를 줄여야 하는 기술적 난점을 가지고 있다.

따라서, 전지 효율이 우수하고, 장시간 사용할 수 있는 음극 활물질이 절실히 요구되고 있으며, 이러한 음극 활물질을 경제적이고, 용이하게 제조할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

본 발명의 일측면은 효율이 우수하고, 부피변화가 심하지 않아 장시간 사용이 가능한 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘 산화물과 이를 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 수크로즈(Sucrose)와 흑연을 혼합하여 탄소복합체를 제조하는 단계; 및

상기 탄소복합체를 실리콘 산화물 입자 표면에 코팅하는 단계를 포함하는 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물을 제공한다.

본 발명은 음극재의 부피팽창을 최소화를 통해, 안정적인 전기 용량을 확보할 수 있는 음극활물질을 제공한다. 이를 통해, 고성능 리튬 이차전지로의 활용을 기대할 수 있는 장점이 있다.

도 1의 (a)는 종래의 통상의 탄소입자를 나타낸 SEM 사진이고, (b)는 본 발명의 탄소복합체를 관찰한 SEM 사진임.
도 2는 실시예에서 비교예와 발명예의 전기용량 실험을 나타낸 결과임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 실리콘 산화물의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

수크로즈(Sucrose)와 흑연을 혼합하여 탄소복합체를 제조한다. 상기 탄소복합체를 제조하는 과정은 상기 수크로즈와 흑연을 중량비 4:6의 비율로 혼합하고, 200~500℃의 온도로 2~6시간 동안 가열하면서 밀링하는 건식반응을 통해 제조하는 것이 바람직하다. 상기 밀링시 속도는 100~200rpm이 바람직하다.

흑연과 수크로즈(Sucrose)는 모두 탄소로 구성되어 있으나, 수크로즈내의 이당류들이 열처리시 기화되면서, 남아있는 탄소체들이 흑연위에 남게되어 이종 구조 또는 쉘(shell) 구조의 탄소복합체를 형성한다. 그 결과 상기 탄소복합체는 통상의 탄소입자와 달리, 코어쉘(core shell)과 같은 구조를 갖이 반응성 탄화탄소가 흑연위에 균일한 층을 형성하고 있는 구조를 갖는다.

상기 탄소복합체를 실리콘 산화물 표면에 코팅한다.

상기 코팅하는 과정은 습식 또는 건식 방법을 이용하여 할 수 있다. 건식방법 중 일종으로 상기 탄소복합체와 실리콘 산화물(SiO_X)을 밀링하여 탄소복합체가 코팅된 실리콘 산화물을 얻을 수 있다. 이때에는 20~500rpm의 속도로 2~5시간 동안 밀링하여 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

(실시예)

입자크기 200~300㎛의 수크로즈(Scurose)분말과 입자크기가 150㎛인 인조 흑연을 준비하고, 상기 수크로즈와 인조 흑연을 중량비 4:6으로 혼합하고, 300℃에서 4시간동안 가열하면서 100~200rpm으로 밀링하여 탄소복합체를 제조하였다.

이렇게 제조된 탄소복합체를 전자현미경인 SEM으로 분석하여 그 결과를 도 1의 (b)에 나타내었다. 통상의 탄소입자인 도 1(a)와 비교할 때, 도 1(b)의 상기 탄소복합체는 코어쉘(sore shell)과 비슷한 구조를 가지며, 반응성 탄화탄소가 인조 흑연위에 균일한 층을 형성하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 통상의 탄소입자를 코팅한 실리콘 산화물(비교예)와 상기 탄소복합체를 코팅한 실리콘 산화물(발명예)를 준비하였다. 상기 발명예는 상기 탄소복합체 분말을 실리콘 산화물과 2:8의 중량비로 배합하고 300rpm으로 3시간 동안 밀링하여 제조하였다. 상기 발명예와 비교예에 대해, 충방전 시험을 행하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 발명예는 약 700mAh/g의 용량을 가지고 30 사이클까지 균일하게 유지되고 있음을 확인할 수 있다.

즉, 비교예에 비해 본 발명의 발명예는 우수한 전기효율을 가지며, 장시간 활용이 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims

수크로즈(Sucrose)와 흑연을 혼합하여 탄소복합체를 제조하는 단계; 및
상기 탄소복합체를 실리콘 산화물 입자 표면에 코팅하는 단계
를 포함하는 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 수크로즈와 흑연의 혼합비는 중량비로 4:6의 비율로 혼합하는 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄소복합체는 수크로즈와 흑연을 혼합하고, 200~600℃의 온도에서 2~6시간동안 열처리하여 제조하는 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅은 상기 탄소복합체와 실리콘 산화물을 중량비 2:8의 비율로 혼합한 후, 20~500rpm으로 2~5시간동안 밀링으로 행하는 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물의 제조방법.
청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 방법으로 제조된 탄소복합체로 코팅된 실리콘 산화물.