KR20130069948A - Methods of preparation for anode active materials of lithium secondary batteries and lithium secondary batteries containing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A negative electrode active material manufacturing method is provided to improve life characteristics of a battery and to suppress an initial irreversible phenomenon. CONSTITUTION: A negative electrode active material manufacturing method comprises preparing a metal wire from a Si metal or a Si alloy; supplying the wire to a reaction chamber filled with a reaction gas including at least one gas selected from an inert gas, a hydrocarbon gas, and an oxygen gas; and forming a metal nanopowder by pulsed wire evaporating the wire supplied into the reaction chamber. The inert gas is at least one selected from the group consisting of helium, neon, argon, and nitrogen gases.

Description

리튬이차전지용 음극 활물질의 제조방법 및 리튬이차전지{Methods of preparation for anode active materials of lithium secondary batteries and lithium secondary batteries containing the same} Method of preparation for anode active materials of lithium secondary batteries and lithium secondary batteries containing the same}

본 발명은 리튬이차전지용 음극 활물질에 대한 것으로 Si계 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and to a method for producing a Si-based negative electrode active material.

리튬이온의 삽입 및 탈리에 의해 충방전이 이루어지는 리튬이차전지의 음극 재료로는 흑연 등 탄소 재료가 통상적으로 사용되어 왔다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같이 충방전 과정에서 음극 재료와 리튬 이온의 흡착 및 탈착이 일어날 때 에너지 밀도면에서 탄소 재료는 다른 금속 재료에 비해 용량이 현저히 작다는 문제점이 있다.Carbon materials such as graphite have been commonly used as a negative electrode material of a lithium secondary battery in which charge and discharge are performed by insertion and desorption of lithium ions. However, as shown in FIG. 1, when the negative electrode material and the lithium ions are adsorbed and desorbed in the charging and discharging process, the carbon material has a problem that the capacity of the carbon material is significantly smaller than that of other metal materials.

즉 Si, Sn, Al, Ag 등의 금속 재료는 흑연 대비 2 내지 10배의 높은 용량이 구현되며, 특히 Si는 부피 및 질량당 용량이 가장 높은 금속이다.That is, metal materials such as Si, Sn, Al, Ag, and the like have a high capacity of 2 to 10 times that of graphite, and in particular, Si is the metal having the highest capacity per volume and mass.

그러나 상기 금속 재료들을 음극으로 사용할 때에는 도 2에 도시된 바와 같이 리튬 이온의 흡착 및 탈착시 부피 변화가 크게 일어나고, 이로 인해 충방전이 반복됨에 따라 크랙이 발생하면서 구조가 붕괴된다. 즉 큰 부피 변화로 인해 수명 특성의 확보가 어렵다는 문제점이 있다.However, when the metal materials are used as the negative electrode, as shown in FIG. 2, a large volume change occurs during adsorption and desorption of lithium ions. As a result, cracks occur as the charge and discharge are repeated, resulting in a collapse of the structure. That is, there is a problem that it is difficult to secure the life characteristics due to the large volume change.

리튬이차전지의 고용량화를 위한 차세대 음극 재료로서 주목받고 있는 Si계 음극 활물질에 대해서도 부피 팽창 문제로 인한 수명 및 안정성 확보가 어려우며 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 현재까지 개발된 Si계 음극 활물질의 형태는 다음과 같다:Even for Si-based negative active materials, which are attracting attention as next-generation negative electrode materials for increasing the capacity of lithium secondary batteries, it is difficult to secure lifespan and stability due to volume expansion problems, and various studies are being conducted to solve them. The Si-based negative active material developed so far is as follows:

(1) SiOx (1) SiO x

도 3에 도시된 바와 같이 SiO2 매트릭스 내에 Si 금속이 존재하는 형태의 구조로 추정되며, SiO2 매트릭스가 Si의 부피 변화에 대한 일종의 완충제 역할을 하므로 수명특성의 향상에 유리하다. 단, SiO2의 분율이 높을수록 용량이 저하되므로 초고용량화에 제약이 있으며, 제조비용이 높고 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다. 최근에는 SiO2의 분율을 낮추기 위해 Si의 환원을 촉진시키는 금속을 첨가하는 연구가 진행중이다.A sort of buffer for the role of the volume change is believed to be the structure of the form to the Si metal present, the SiO 2 matrix in the Si SiO 2 matrix, as shown in Fig. 3 because it is advantageous in improving the life characteristics. However, as the fraction of SiO 2 is higher, the capacity is lowered, so there is a limitation in increasing the ultra-high capacity, and there is a disadvantage in that the manufacturing cost is high and mass production is difficult. In recent years, research is being conducted to add a metal for promoting the reduction of Si to lower the fraction of SiO 2 .

(2) Silicon nano composite(이하, SNC)(2) Silicon nano composite (hereinafter SNC)

도 4에 도시된 바와 같이 Si 금속과 카본의 나노 복합체 형태로서, 리튬과 반응하지 않는 물질이 없으므로 고용량화에 유리하며 제조비용이 저렴하다. 그러나 Si와 함께 카본도 부피 팽창이 일어나므로 수명 특성의 확보가 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 Si 금속을 나노 크기로 제조하여 부피 팽창시 스트레스를 최소화하려는 연구가 진행중이다.As shown in FIG. 4, as a nanocomposite form of Si metal and carbon, there is no material that does not react with lithium, which is advantageous for high capacity and low manufacturing cost. However, with Si, carbon also has a problem that it is difficult to secure the life characteristics because the volume expansion occurs. In order to solve this problem, research is being conducted to minimize the stress upon volume expansion by producing Si metal in nano size.

(3) Si-합금(3) Si-alloy

도 5에 도시된 바와 같이 Si 금속과 리튬의 흡착 및 탈착 반응이 일어나지 않는 금속과 합금화를 이룬 것으로, 리튬과 반응하지 않는 금속이 Si의 부피 변화를 억제시켜 주기 때문에 수명 특성의 향상에 유리하며, 상기 SiOx 형태에서의 SiO2 매트릭스보다 금속의 함량을 낮출 수 있기 때문에 고용량화에 유리하다. 그러나 초기 비가역 현상 해결 및 수명특성이 우수한 적절한 조합으로 합금 조성을 선정하는 것도 쉽지 않을 뿐만 아니라 금속을 나노 입자화하는 것이 어렵다는 단점이 있다.As shown in FIG. 5, alloying with a metal which does not occur adsorption and desorption reaction of Si metal and lithium, is advantageous in improving the life characteristics because the metal that does not react with lithium suppresses the volume change of Si, SiO x It is advantageous for higher capacity since the metal content can be lower than that of SiO 2 matrix in the form. However, it is not easy to select an alloy composition with an appropriate combination of solving the initial irreversible phenomenon and excellent life characteristics, and it is difficult to nano-particle metal.

(4) 나노 Si (4) nano Si

도 6에 도시된 바와 같이 기재 위에 박막 증착을 통해 입성장시키는 방식으로 형성된 로드 타입 및 고접착력의 바인더를 이용하여 성형하는 입자 타입이 있다. 수직 방향 팽창 억제를 통한 배터리 구조의 안정화로 수명 특성의 향상에 유리하지만 기존의 전지 제조 공정에 그대로 적용되기 어렵다는 단점이 있다.
As shown in FIG. 6, there are a rod type and a particle type formed by using a binder having a high adhesion force, which are formed in a manner of grain growth through thin film deposition on a substrate. Stabilization of the battery structure through the vertical expansion suppression is advantageous to improve the life characteristics, but has a disadvantage that it is difficult to be applied to the existing battery manufacturing process as it is.

최근의 Si계 음극 활물질에 대한 연구는 부피 팽창 억제를 위한 나노 입자화 또는 복합화, 초기 비가역 억제를 위한 표면 처리 및 극판에의 접착력을 향상시키기 위한 바인더 및 전해액 조성에 관한 것이다.
Recent studies on Si-based negative electrode active materials relate to binders and electrolyte compositions for improving nanoparticles or complexation for volume expansion inhibition, surface treatment for initial irreversible inhibition, and adhesion to electrode plates.

본 발명은 전지의 수명 특성을 향상시키고 초기 비가역 현상을 억제할 수 있는 Si계 음극 활물질의 제조방법 및 그로부터 제조된 리튬이차전지를 제공하고자 한다.
The present invention is to provide a method for producing a Si-based negative electrode active material that can improve the life characteristics of the battery and suppress the initial irreversible phenomenon and a lithium secondary battery prepared therefrom.

본 발명은 Si 금속 또는 Si 합금으로부터 금속 와이어를 제조하는 단계; 상기 와이어를 불활성 가스와 탄화수소 가스 및 산소 가스 중에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 반응 가스로 채워진 반응 챔버 내부로 공급하는 단계; 및 상기 반응 챔버 안에 공급된 금속 와이어를 순간적으로 기화(Pulsed Wire Evaporation: PWE)시킴으로써 금속 나노 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing a metal wire from Si metal or Si alloy; Supplying the wire into a reaction chamber filled with a reaction gas comprising at least one gas selected from an inert gas, a hydrocarbon gas and an oxygen gas; And forming a metal nanopowder by instantaneously vaporizing a metal wire supplied into the reaction chamber (Pulsed Wire Evaporation: PWE).

바람직하게, 상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si 금속을 용융시킨 후 가늘고 긴 주형에 주입하여 냉각하는 공정을 통하여 금속 와이어 형태로 제조하거나 Si 웨이퍼를 절단하는 방법으로 금속 와이어를 제조한다.Preferably, in the manufacturing of the metal wire, a metal wire is manufactured by melting the Si metal and then injecting it into an elongated mold to cool the metal wire or by cutting the Si wafer.

바람직하게, 상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si와 Sn, Ge, Al, Ti 및 Cu로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 금속을 용융시킨 후 신선 공정을 통하여 금속 와이어를 제조한다.Preferably, in the manufacturing of the metal wire, at least one metal selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Al, Ti, and Cu is melted, and then, the metal wire is manufactured through a drawing process.

바람직하게, 상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si와 Sn, Ge, Al, Ti 및 Cu로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 금속을 용융시킨 후 주형에 주입하여 냉각하는 공정을 통하여 금속 와이어를 제조한다.Preferably, in the manufacturing of the metal wire, the metal wire is manufactured by melting one or more metals selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Al, Ti, and Cu, and injecting the same into a mold to cool the metal wire. .

바람직하게, 상기 불활성 가스는 헬륨, 네온, 아르곤 및 질소 가스로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 것이다.Preferably, the inert gas is one or more selected from the group consisting of helium, neon, argon and nitrogen gas.

바람직하게, 상기 탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 부틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 것이다.Preferably, the hydrocarbon gas is one or more selected from the group consisting of methane, ethane, ethylene, propane, propylene, butane and butylene.

바람직하게, 상기 산소 가스는 O2 또는 정화된 공기이다. Preferably, the oxygen gas is O 2 or purified air.

바람직하게, 상기 반응 가스에는 전체 반응 가스의 1 내지 80부피%의 탄화수소 가스가 포함된다.Preferably, the reaction gas includes 1 to 80% by volume hydrocarbon gas of the total reaction gas.

바람직하게, 상기 반응 가스에는 전체 반응 가스의 1 내지 80부피%의 산소 가스가 포함된다.Preferably, the reaction gas contains 1 to 80% by volume of oxygen gas of the total reaction gas.

바람직하게, 상기 금속 나노 분말을 형성하는 단계에서 순간적인 기화는 0.5 내지 10초 주기로 인가되는 10 내지 50kV의 펄스 전압에 의해 이루어진다.Preferably, the instantaneous vaporization in the step of forming the metal nano powder is made by a pulse voltage of 10 to 50kV applied in a period of 0.5 to 10 seconds.

본 발명은 상기 방법으로 제조된 Si계 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.
The present invention provides a lithium secondary battery comprising a Si-based negative electrode active material prepared by the above method.

본 발명에 의하면 음극 활물질에서 충방전 반응이 진행됨에 따라 부피 팽창으로 인해 전지의 수명 특성이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한 활물질 입자 표면에서의 조성 제어를 통해 초기 비가역 현상 및 그로인해 전지 용량이 감소되는 문제를 해결할 수 있다.
According to the present invention, as the charge / discharge reaction proceeds in the negative electrode active material, it is possible to solve the problem of deterioration of the life characteristics of the battery due to volume expansion. In addition, through the composition control on the surface of the active material particles it is possible to solve the problem of the initial irreversible phenomenon and thereby the battery capacity is reduced.

도 1은 음극 재료의 리튬 이온과의 흡착 및 탈착 반응에 대한 단위부피당 및 질량당 이론 용량이다.
도 2는 충방전에 따른 리튬 이온의 흡착 및 탈착으로 인해 나타나는 금속 재료 표면의 구조 변화를 촬영하고, 내부 구조 변화를 도식화한 것이다.
도 3은 SiOx 형태의 Si계 음극 활물질 구조이다.
도 4는 SNC 형태의 Si계 음극 활물질 구조이다.
도 5는 Si-합금 형태의 Si계 음극 활물질의 제조 및 충방전에 따른 변화를 도식화한 것이다.
도 6은 나노 Si 형태의 Si계 음극 활물질 구조이다.
도 7은 본 발명의 PWE법 공정을 도식화한 것이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 Si 나노 입자를 촬영한 것이다.
도 9는 실시예 4에서 제조된 탄소 코칭층을 포함하는 Si-구리 합금 나노 입자를 촬영한 것이다.
도 10은 실시예 5에서 제조된 탄소 코팅층을 포함하는 Si-구리 합금 나노 입자를 촬영한 것이다.
1 is a theoretical capacity per unit volume and per mass for adsorption and desorption reactions of lithium ions with lithium ions.
Figure 2 is a picture of the structural change of the surface of the metal material appearing due to the adsorption and desorption of lithium ions due to charging and discharging, and illustrates the internal structure change.
3 is a Si-based negative active material structure of the SiO x form.
4 is a Si-based negative active material structure of the SNC form.
FIG. 5 is a schematic diagram of changes in manufacturing and charging and discharging of a Si-based negative active material in a Si-alloy form.
6 is a structure of a Si-based negative electrode active material in the form of nano Si.
7 is a schematic diagram of the PWE process of the present invention.
8 is a photograph of the Si nanoparticles prepared in Example 1.
9 is a photograph of Si-copper alloy nanoparticles including the carbon coaching layer prepared in Example 4.
FIG. 10 is a photograph of Si-copper alloy nanoparticles including the carbon coating layer prepared in Example 5. FIG.

본 발명은 순간적인 전기에너지로 기화시킴으로써 Si 금속을 분말화하는 기술(이하 "PWE법"이라 함)을 이용하는 음극 활물질의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬이차전지를 제공한다. The present invention provides a method for producing a negative electrode active material using a technique of powdering Si metal (hereinafter referred to as "PWE method") by vaporizing with instantaneous electrical energy, and a lithium secondary battery comprising the same.

PWE법은 고밀도 전류가 금속 와이어를 통과할 때, 상기 금속 와이어가 미세한 입자나 증기 형태로 폭발하는 현상을 이용하는 방법이다. 그 과정은 도 7에 도시된 바와 같이, 두 전극 사이에 위치한 금속 와이어에 고전압을 인가하면 와이어를 통과하는 전류가 최대 10,000 내지 50,000Å까지 증가하여 와이어의 저항 발열을 유도한다. 상기 저항 발열에 의해 와이어는 급속하게 가열되어 용융되고, 계속적인 온도 상승에 따라 금속 와이어 표면은 주위의 매개체에 의해 냉각되는 반면, 금속 와이어 내부는 액적(droplet)을 형성하여 액적 간의 방전으로 기화된다. 기화된 금속 가스는 금속 와이어 내부에 구속되어 있다가 와이어 내부의 압력이 임계값 이상에 도달하면 순간적으로 팽창한 후 폭발하여 금속의 나노 입자가 고속으로 분출되는 것이다.The PWE method utilizes a phenomenon in which a high density current passes through a metal wire and explodes in the form of fine particles or vapor. As shown in FIG. 7, when a high voltage is applied to the metal wire located between the two electrodes, the current passing through the wire is increased up to 10,000 to 50,000 mA to induce resistance heating of the wire. The wire is rapidly heated and melted by the resistance heating, and as the temperature rises continuously, the surface of the metal wire is cooled by the surrounding medium, while the inside of the metal wire forms droplets and vaporizes as discharge between the droplets. . The vaporized metal gas is confined inside the metal wire, and when the pressure inside the wire reaches a threshold or more, it instantly expands and then explodes to expel the metal nanoparticles at high speed.

구체적으로 본 발명은 Si 금속 또는 Si 합금으로부터 금속 와이어를 제조하는 단계; 상기 와이어를 불활성 가스와 탄화수소 가스 및 산소 가스 중에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 반응 가스로 채워진 반응 챔버 내부로 공급하는 단계; 및 상기 반응 챔버 안에 공급된 금속 와이어를 순간적으로 기화(Pulsed Wire Evaporation: PWE)시킴으로써 금속 나노 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Si계 음극 활물질 제조방법을 제공한다.Specifically, the present invention comprises the steps of preparing a metal wire from Si metal or Si alloy; Supplying the wire into a reaction chamber filled with a reaction gas comprising at least one gas selected from an inert gas, a hydrocarbon gas and an oxygen gas; And forming a metal nanopowder by instantaneously vaporizing the metal wire supplied into the reaction chamber (Pulsed Wire Evaporation (PWE)).

상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si 웨이퍼를 와이어 형태(예를들어, 폭 0.2mm 및 길이 80mm)로 절단하는 방법을 사용할 수 있다. 이것은 전도성 금속과는 달리 Si의 경우 연성이 없기 때문에 통상의 신선(당겨서 늘림) 공정에 의해서는 Si 와이어를 제조하기가 곤란하기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 바람직하게 Si 금속만으로 와이어를 제작하기 위해 원료를 절삭 가공하는 방법을 사용한다. 또는 상기 Si 금속 와이어는 Si 금속을 용융시킨 후 가늘고 긴 주형에 주입하여 냉각시키는 공정을 통하여 제조될 수도 있다.In the manufacturing of the metal wire, a method of cutting a Si wafer into a wire form (for example, 0.2 mm in width and 80 mm in length) may be used. This is because, unlike the conductive metals, Si is not ductile, and therefore, it is difficult to manufacture Si wires by a normal drawing process. Therefore, in the present invention, a method of cutting a raw material is preferably used to produce a wire using only Si metal. Alternatively, the Si metal wire may be manufactured by melting the Si metal and injecting the same into an elongated mold to cool the Si metal wire.

한편, Si 금속에 연성이 있는 다른 금속을 혼합하여 합금화하는 경우에는 통상의 신선 공정을 이용할 수 있다. 즉, Sn, Ge, Al, Ti 또는 Cu를 Si와 함께 용융시킨 후 신선 공정으로 와이어를 제조할 수 있다. 여기서 신선공정이라 함은, 용해시킨 금속은 주조를 통해서 통상 10mm 정도의 봉으로 제조가 가능하므로 이 때 제조한 봉을 조금 더 작은 크기의 Hole을 가지는 Die에 통과시키면서 점점 더 가늘게 제조하는 공정을 의미한다. 또는 상기 Si 합금 용융물을 와이어 형태의 주형에 주입하여 냉각하여 제조하는 방법을 사용할 수 있다. Si 합금의 와이어를 제조하는 방법은 합금화하는 금속의 종류와 함량에 따라 달라진다. 예를들어, Cu 90중량%와 Si 10중량%을 혼합 용융시킨 경우에는 신선 공정을 거쳐 와이어를 제작하고, Cu 10중량%와 Si 90중량%를 혼합 용융시킨 경우에는 와이어 형태의 주형에 부어서 냉각하여 제조한다.On the other hand, in the case of mixing and alloying another metal having ductility with Si metal, a conventional drawing process can be used. That is, after melting the Sn, Ge, Al, Ti or Cu with Si can be prepared wire by a drawing process. Here, the wire drawing process means that the molten metal can be manufactured into a rod of about 10 mm through casting, so that the manufactured rod is made thinner while passing the manufactured rod through a die having a smaller hole size. do. Alternatively, the Si alloy melt may be injected into a mold in the form of a wire to be cooled and manufactured. The method of producing the wire of the Si alloy depends on the type and content of the metal to be alloyed. For example, when 90% by weight of Cu and 10% by weight of Si are mixed and melted, a wire is produced through a drawing process, and when 10% by weight of Cu and 90% by weight of Si are mixed and melted, poured into a mold in the form of a wire and cooled. To prepare.

PWE법을 위해 본 발명에서는, 일 실시예로 와이어를 불활성 가스와 탄화수소 가스 및 산소 가스 중에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 반응 가스로 채워진 반응 챔버 내부로 공급한다. 상기 반응 챔버 내부에는 금속 와이어의 순간적인 기화를 위해 두 전극이 구비되어 있고 바람직하게 상기 두 전극에는 고전압을 인가하기 위한 펄스 발생부가 연결된다. 상기 펄스 발생부에 의해 10 내지 50kV의 전압이 0.5 내지 10초 주기로 펄스 형태로 공급될 수 있다. 이때 전압의 공급 시간은 바람직하게 10-6초 정도의 짧은 시간 동안 순간적으로 공급되도록 한다. In the present invention for the PWE method, in one embodiment the wire is supplied into a reaction chamber filled with a reaction gas comprising at least one gas selected from an inert gas, a hydrocarbon gas and an oxygen gas. In the reaction chamber, two electrodes are provided for instantaneous vaporization of the metal wire, and preferably, a pulse generator for applying a high voltage is connected to the two electrodes. By the pulse generator, a voltage of 10 to 50 kV may be supplied in a pulse form at a period of 0.5 to 10 seconds. At this time, the supply time of the voltage is preferably instantaneously supplied for a short time of about 10 -6 seconds.

상기 반응 챔버 내부에는 불활성 가스와 탄화수소 가스 및 산소 가스 중에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 반응 가스를 공급할 수 있다. In the reaction chamber, a reaction gas including at least one gas selected from an inert gas, a hydrocarbon gas, and an oxygen gas may be supplied.

불활성 가스는 순간적인 기화를 위해 반응 챔버 내부의 두 전극에 인가되는 전기에너지에 의해 가스 이온이 될 수 있는데, 이러한 가스 이온은 금속 가스를 응축시켜 금속 나노 입자의 입경을 작게 하는 역할을 한다. 상기 불활성 가스로는 헬륨, 네온, 아르곤 및 질소 가스를 단독으로, 또는 2종 이상으로 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 불활성 가스 환경 하에서 Si 금속 또는 Si 합금 와이어를 순간적으로 기화시키면 순수한 금속 나노 입자가 형성된다.The inert gas may be gas ions by electrical energy applied to two electrodes in the reaction chamber for instant vaporization. The gas ions condense metal gas and serve to reduce the particle diameter of the metal nanoparticles. As said inert gas, helium, neon, argon, and nitrogen gas can be used individually or in mixture of 2 or more types. Instantaneous vaporization of Si metal or Si alloy wire under such an inert gas environment results in the formation of pure metal nanoparticles.

다음으로 제조되는 금속 나노 입자의 표면 상태를 제어하기 위하여 본 발명에서는 반응 챔버 내부에 공급되는 반응 가스에 탄화수소 가스 또는 산소 가스를 혼합하여 사용한다. Next, in order to control the surface state of the metal nanoparticles manufactured, a hydrocarbon gas or an oxygen gas is mixed with the reaction gas supplied into the reaction chamber.

탄화수소 가스는 순간적인 기화를 위해 상기 두 전극에 인가되는 전기에너지에 의해 탄소 원자로 분해되어 기화된 금속 가스와 반응하여 금속 나노 입자의 표면을 코팅할 수 있다. 금속 나노 입자 표면에 형성된 탄소층은 입자 간의 응집 또는 외부 열에너지에 의한 입성장을 차단하므로, 불활성 가스 환경하에서 제조된 금속 나노 입자에 비해 상대적으로 작은 크기의 금속 나노 입자가 제조될 수 있다. The hydrocarbon gas may be decomposed into carbon atoms by the electrical energy applied to the two electrodes for instant vaporization, and react with the vaporized metal gas to coat the surface of the metal nanoparticles. Since the carbon layer formed on the surface of the metal nanoparticles blocks particle growth due to aggregation or external thermal energy between the particles, metal nanoparticles having a relatively small size can be manufactured as compared with the metal nanoparticles prepared under an inert gas environment.

상기 탄화수소 가스로는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 부틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. The hydrocarbon gas may be one or more selected from the group consisting of methane, ethane, ethylene, propane, propylene, butane and butylene.

탄화수소 가스의 함량에 따라 탄소 코팅층의 두께를 조절할 수 있는데 반응 가스에 포함되는 탄화수소 가스의 함량은 바람직하게 전체 반응 가스의 1 내지 80부피%로 한다. 탄화수소 가스 함량이 1부피% 미만이면 금속 나노 입자 표면에 탄소층 코팅이 원하는 두께만큼 이루어지지 않고, 80부피%를 초과하면 불활성 가스의 함량이 낮아 금속 가스의 응축이 충분히 이루어질 수 없기 때문이다.The thickness of the carbon coating layer may be adjusted according to the content of the hydrocarbon gas. The content of the hydrocarbon gas included in the reaction gas is preferably 1 to 80% by volume of the total reaction gas. If the hydrocarbon gas content is less than 1% by volume, the coating of the carbon layer on the surface of the metal nanoparticles is not made as much as the desired thickness, and if it exceeds 80% by volume, the content of the inert gas is low so that the condensation of the metal gas cannot be sufficiently achieved.

한편, 금속 나노 입자 제조시 산소 가스를 포함하는 반응 가스 하에서 순간적인 기화가 일어나면, 제조되는 금속 나노 입자의 표면에 산소 코팅층 즉 산화층을 형성할 수 있다. 이때 산소 가스로는 순수한 O2 가스를 사용할 수 있으며 경우에 따라서 산소를 포함하는 정화된 공기를 사용할 수 있다. 또한 반응 가스에 포함되는 산소 가스의 혼합 비율에 따라 산화층의 두께를 조절할 수 있다. 본 발명에서는 바람직하게 전체 반응 가스의 1 내지 80부피%의 산소 가스를 반응 가스에 혼합하여 사용한다. 산소 가스 함량이 1부피% 미만이면 금속 나노 입자 표면에 산화층 코팅이 원하는 두께만큼 이루어지지 않고, 80부피%를 초과하면 불활성 가스의 함량이 낮아 금속 가스의 응축이 충분히 이루어질 수 없기 때문이다.On the other hand, when instantaneous vaporization occurs under a reaction gas containing oxygen gas in the production of metal nanoparticles, it is possible to form an oxygen coating layer, that is, an oxide layer on the surface of the metal nanoparticles to be produced. Oxygen gas is pure O 2 Gas can be used and optionally purged air containing oxygen. In addition, the thickness of the oxide layer may be adjusted according to the mixing ratio of the oxygen gas included in the reaction gas. In the present invention, preferably 1 to 80% by volume of the oxygen gas of the total reaction gas is mixed with the reaction gas. If the oxygen gas content is less than 1% by volume, the oxide layer coating on the surface of the metal nanoparticles is not made as much as the desired thickness, and if it exceeds 80% by volume, the content of the inert gas is low and the condensation of the metal gas cannot be sufficiently achieved.

본 발명에 의하면 나노 입자 형태의 Si계 음극 활물질을 제조할 수 있고 동시에 반응 가스에 혼합하는 탄화수소 가스 또는 산소 가스의 종류 및 함량을 조절함으로써 탄소 코팅층 또는 산화층의 형성 및 그 두께를 조절하는 방법으로 표면 조성을 제어할 수 있다. 따라서 상기와 같이 제조된 Si 금속 또는 Si 합금의 나노 입자는 리튬이차전지용 음극 활물질로 사용될 때 초기 비가역 반응이 억제되고, 충방전 반응에 따른 부피 팽창이 억제되어 리튬이차전지에 적용시 초기 용량, 초기 효율 및 수명 특성을 개선할 수 있다. According to the present invention, the Si-based negative electrode active material in the form of nanoparticles can be prepared, and at the same time, by controlling the type and content of the hydrocarbon gas or oxygen gas mixed in the reaction gas, the surface of the carbon coating layer or the oxide layer and the thickness thereof are controlled. The composition can be controlled. Therefore, when the nanoparticles of Si metal or Si alloy prepared as described above are used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery, the initial irreversible reaction is suppressed and the volume expansion due to the charge / discharge reaction is suppressed. Efficiency and lifespan characteristics can be improved.

본 발명은 집전체 위에 상기 제조된 음극 활물질을 포함하는 활물질층을 형성하여 리튬이차전지용 음극을 제공한다. 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The present invention forms an active material layer including the prepared negative electrode active material on the current collector to provide a negative electrode for a lithium secondary battery. As the current collector, one selected from the group consisting of copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, and combinations thereof can be used.

또한 활물질층에는 음극 활물질과 함께 바인더 및 선택적으로 도전재가 포함된다. 상기 바인더로는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐디플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The active material layer also contains a binder and optionally a conductive material together with the negative electrode active material. The binder may be polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinylchloride, polyvinyldifluoride, polymer including ethylene oxide, polyvinylpyrroly Don, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon and the like can be used, but is not limited thereto. .

상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 또는 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기와 같은 구성을 갖는 음극은 음극 활물질, 선택적으로 도전재 및 바인더를 N-메틸피롤리돈 등의 용매 중에서 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후 이 조성물을 집전체에 도포하여 제조될 수 있다. As the conductive material, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, or metal fiber may be used. Of conductive materials can be mixed and used. The negative electrode having the above-described configuration may be prepared by mixing a negative electrode active material, optionally a conductive material and a binder in a solvent such as N-methylpyrrolidone to prepare a composition for forming a negative electrode active material layer and then applying the composition to a current collector. Can be.

상기와 같은 구조를 갖는 음극은 리튬이차전지에 적용될 수 있다. 리튬이차전지는 상기 음극, 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극 및 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함하는 전해질을 포함한다.
The negative electrode having the above structure can be applied to a lithium secondary battery. The lithium secondary battery includes a cathode including a cathode, a cathode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and an electrolyte including a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.

이하 실시예를 통해 발명을 설명한다. 단 이는 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이어서 발명이 이에 한정되는 것으로 여겨져서는 안된다.
The invention will be described through the following examples. However, this is for the purpose of facilitating the understanding of the invention and the invention should not be regarded as being limited thereto.

실시예Example 1 One

PWE법을 이용하여 Si 나노 입자를 제조하였다. Si nanoparticles were prepared using the PWE method.

PWE법은 펄스파워를 이용하여 캐패시터(capacitor)에 충전된 고전압, 대전류를 금속 와이어에 순간적으로 방전하여 제조하였다. 상기 금속 와이어로는 Si 웨이퍼(웨이퍼코리아社, 200mm)를 폭 0.2mm 간격으로 절단하여, 길이 100~200mm의 바 형태로 제조하여 사용하였다. 이를 1.5bar의 아르곤으로 이루어진 반응 가스 분위기 하에서 10-6초 동안 25kV의 펄스 전압을 인가함으로써 Si 나노 입자를 제조하였다. The PWE method was prepared by instantaneously discharging a high voltage and a large current charged in a capacitor to a metal wire using pulse power. As the metal wire, a Si wafer (Wafer Korea Co., Ltd., 200 mm) was cut at intervals of 0.2 mm in width and manufactured in a bar shape having a length of 100 to 200 mm. Si nanoparticles were prepared by applying a pulse voltage of 25 kV for 10 −6 seconds under a reaction gas atmosphere of 1.5 bar of argon.

주사전자현미경으로 제조된 Si 나노 입자를 촬영하였다(도 8).
Si nanoparticles prepared by scanning electron microscopy were photographed (FIG. 8).

실시예Example 2 2

상기 실시예 1에서 반응 가스를 아르곤/메탄 가스(80/20부피%)로 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 코팅층을 포함하는 Si 나노 입자를 제조하였다.
Si nanoparticles including a carbon coating layer were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction gas was used as the argon / methane gas (80/20% by volume) in Example 1.

실시예Example 3 3

상기 실시예 1에서 반응 가스를 아르곤/O2 가스(80/20부피%)로 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 산화층을 포함하는 Si 나노 입자를 제조하였다.
Si nanoparticles including an oxide layer were manufactured in the same manner as in Example 1 except that the reaction gas was used as the argon / O 2 gas (80/ 20 % by volume) in Example 1.

실시예Example 4 4

Cu 90중량% 및 Si 10중량%를 혼합하여 고온에서 용융시킨 후, 10mm의 봉으로 주조한 다음 신선공정을 통해 직경 0.2mm의 Si-구리(1:9) 합금 와이어를 제조하였다.After mixing 90% by weight of Cu and 10% by weight of Si to melt at a high temperature, casting a rod of 10 mm and then drawing a 0.2 mm diameter Si-copper (1: 9) alloy wire through a drawing process.

상기 제조된 Si-구리(1:9) 합금 와이어를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 탄소 코팅층을 포함하는 Si-구리 나노 입자를 제조하였다. 주사전자현미경으로 제조된 Si-구리 나노 입자를 촬영하였다(도 9).
Si-copper nanoparticles including a carbon coating layer were prepared in the same manner as in Example 2, except for using the prepared Si-copper (1: 9) alloy wire. Si-copper nanoparticles prepared by scanning electron microscopy were photographed (FIG. 9).

실시예Example 5 5

Si 90중량% 및 Cu 10중량%를 혼합하여 고온에서 용융시킨 후, 직경 0.2mm의 좁은 틀에 붓고 급냉시킴으로써 길이 200mm의 Si-구리(9:1) 합금 와이어를 제조하였다.After mixing 90% by weight of Si and 10% by weight of Cu to melt at a high temperature, a 200-mm-long Si-copper (9: 1) alloy wire was prepared by pouring into a narrow mold having a diameter of 0.2 mm and quenching.

상기 제조된 Si-구리(9:1) 합금 와이어를 사용하는 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 탄소 코팅층을 포함하는 Si-구리 나노 입자를 제조하였다. 주사전자현미경으로 제조된 Si-구리 나노 입자를 촬영하였다(도 10).
Si-copper nanoparticles including a carbon coating layer were prepared in the same manner as in Example 2 except for using the prepared Si-copper (9: 1) alloy wire. Si-copper nanoparticles prepared by scanning electron microscopy were photographed (FIG. 10).

비교예Comparative example 1 One

450um 크기의 Si metal(한국실리콘메탈社, 3303# grade)을 Beads-mill을 이용하여 100nm 크기로 분쇄함으로써 Si 나노 입자를 제조하였다.
Si nanoparticles were prepared by grinding a 450 um size Si metal (3303 # grade, Korea Silicon Metal Co., Ltd.) to a size of 100 nm using a beads mill.

특성 평가Property evaluation

(1) 전지셀의 제조(1) Preparation of Battery Cell

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 나노 입자 80 중량%, 수퍼 P 10 중량%, 폴리이미드 바인더 10 중량%를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 구리 호일 전류 집전체에 도포하여 음극을 제조하였다.80 wt% of the nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, 10 wt% of Super P, and 10 wt% of polyimide binder were mixed in an N-methylpyrrolidone solvent to prepare a negative electrode active material slurry. The negative electrode active material slurry was applied to a copper foil current collector to prepare a negative electrode.

상기 제조된 음극을 작용극으로 하고 금속 리튬박을 대극으로 하여, 작용극과 대극 사이에 다공질 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 세퍼레이터를 삽입하고, 전해액으로서 프로필렌카보네이트(PC), 디에틸 카보네이트(DEC)와 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합 용매(PC:DEC:EC=1:1:1의 부피비)에 LiPF6가 1몰/L의 농도가 되도록 용해시킨 것을 사용하여 2016 코인타입(coin type)의 반쪽셀(half cell)을 구성하였다.
With the cathode prepared as the working electrode and the metal lithium foil as the counter electrode, a separator made of a porous polypropylene film is inserted between the working electrode and the counter electrode, and propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC) and ethylene are used as electrolytes. Lithium 6 dissolved in a mixed solvent of carbonate (EC) (volume ratio of PC: DEC: EC = 1: 1: 1) at a concentration of 1 mol / L was used for the 2016 coin type half cell ( half cell).

(2) 초기 효율 및 수명특성 평가(2) Evaluation of initial efficiency and lifespan

상기 제조된 셀에 대하여 0.01 내지 2.0V 사이에서 0.1C ↔0.1C (1회 충방전)의 조건으로 충방전을 실시한 후 초기 효율을 평가하였다. 또한 상기와 같은 조건으로 50회 충방전을 실시하여, 50회 사이클시의 방전 용량을 측정하고, 1회 충방전시 방전 용량에 대한 유지율을 측정하여 사이클 수명 특성을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.After the charge and discharge was performed under the conditions of 0.1C ↔ 0.1C (single charge and discharge) between 0.01 and 2.0V for the prepared cells, the initial efficiency was evaluated. In addition, 50 cycles of charging and discharging were carried out under the same conditions as described above, and the discharge capacity during the 50th cycle was measured. The results are shown in Table 1 below.

초기 효율(%)Initial efficiency (%) 수명 특성(%)Life characteristics (%) 실시예 1Example 1 7979 8181 실시예 2Example 2 8787 8787 실시예 3Example 3 8585 8686 실시예 4Example 4 9191 9393 실시예 5Example 5 8282 8383 비교예 1Comparative Example 1 6363 5656

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5에서와 같이 PWE법으로부터 제조된 Si 금속 또는 Si 합금의 나노 입자를 포함하는 음극 활물질은 비교예 1의 Si 나노 입자를 포함하는 음극 활물질에 비해 우수한 수명 특성 및 초기 효율을 나타내었다.
As shown in Table 1, the negative electrode active material including the nanoparticles of Si metal or Si alloy prepared from the PWE method as in Examples 1 to 5 is superior to the negative electrode active material containing Si nanoparticles of Comparative Example 1 Life characteristics and initial efficiency are shown.

(3) 음극 팽창율 평가(3) cathodic expansion rate evaluation

상기 제조된 셀에 대한 1회 충전 후, 셀을 해체하고 음극의 두께 변화를 측정하였다. 충전 전 음극 두께에 대한 충전 후 두께 변화율을 측정하여 음극의 팽창율을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.After one charge of the prepared cell, the cell was disassembled and the thickness change of the negative electrode was measured. The expansion rate of the negative electrode was evaluated by measuring the thickness change rate after the charging with respect to the negative electrode thickness before charging. The results are shown in Table 2 below.

팽창율(%)% Expansion 실시예 1Example 1 173173 실시예 2Example 2 142142 실시예 3Example 3 135135 실시예 4Example 4 115115 실시예 5Example 5 165165 비교예 1Comparative Example 1 245245

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5에서 제조된 Si 금속 또는 Si 합금의 나노 입자를 포함하는 음극은 팽창율에 있어서도 비교예 1의 Si 나노 입자로부터 제조된 음극에 비해 낮은 팽창율을 나타냈다.
As shown in Table 2, the negative electrode including the nanoparticles of the Si metal or Si alloy prepared in Examples 1 to 5 exhibited a low expansion ratio compared to the negative electrode prepared from the Si nanoparticles of Comparative Example 1 also in the expansion rate.

Claims (11)

Si 금속 또는 Si 합금으로부터 금속 와이어를 제조하는 단계; 상기 와이어를 불활성 가스와 탄화수소 가스 및 산소 가스 중에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 반응 가스로 채워진 반응 챔버 내부로 공급하는 단계; 및 상기 반응 챔버 안에 공급된 금속 와이어를 순간적으로 기화(Pulsed Wire Evaporation: PWE)시킴으로써 금속 나노 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.Preparing a metal wire from Si metal or Si alloy; Supplying the wire into a reaction chamber filled with a reaction gas comprising at least one gas selected from an inert gas, a hydrocarbon gas and an oxygen gas; And forming a metal nanopowder by instantaneously vaporizing a metal wire supplied into the reaction chamber (Pulsed Wire Evaporation (PWE)). 제1항에서,
상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si 금속을 용융시킨 후 주형에 주입하여 냉각하거나, Si 웨이퍼를 절단하는 공정을 통하여 금속 와이어를 제조하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
In the manufacturing of the metal wire, a method of manufacturing a negative electrode active material, characterized in that the metal metal is manufactured by melting the Si metal and injecting it into a mold to cool or cutting the Si wafer.
제1항에서,
상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si와 Sn, Ge, Al, Ti 및 Cu로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 금속을 용융시킨 후 신선 공정을 통하여 금속 와이어를 제조하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
In the manufacturing of the metal wire, a method of manufacturing a negative electrode active material, characterized in that the melting of at least one metal selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Al, Ti, and Cu, followed by a drawing process, produces a metal wire. .
제1항에서,
상기 금속 와이어를 제조하는 단계에서는 Si와 Sn, Ge, Al, Ti 및 Cu로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 금속을 용융시킨 후 주형에 주입하여 냉각하는 공정을 통하여 금속 와이어를 제조하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
In the manufacturing of the metal wire, the metal wire is manufactured by melting one or more metals selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Al, Ti, and Cu, and injecting the same into a mold to cool the metal wire. A negative electrode active material manufacturing method.
제1항에서,
상기 불활성 가스는 헬륨, 네온, 아르곤 및 질소 가스로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
The inert gas is a method for producing a negative electrode active material, characterized in that at least one selected from the group consisting of helium, neon, argon and nitrogen gas.
제1항에서,
상기 탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 부틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
The hydrocarbon gas is a method for producing a negative electrode active material, characterized in that at least one selected from the group consisting of methane, ethane, ethylene, propane, propylene, butane and butylene.
제1항에서,
상기 산소 가스는 O2 또는 정화된 공기인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
The oxygen gas is O 2 or a method for producing a negative electrode active material, characterized in that the purified air.
제1항에서,
상기 반응 가스에는 전체 반응 가스의 1 내지 80부피%의 탄화수소 가스가 포함되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
The reaction gas is a negative electrode active material manufacturing method, characterized in that containing 1 to 80% by volume of the hydrocarbon gas of the total reaction gas.
제1항에서,
상기 반응 가스에는 전체 반응 가스의 1 내지 80부피%의 산소 가스가 포함되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
The reaction gas is a negative electrode active material manufacturing method, characterized in that containing 1 to 80% by volume of the oxygen gas of the total reaction gas.
제1항에서,
상기 금속 나노 분말을 형성하는 단계에서는 0.5 내지 10초 주기로 인가되는 10 내지 50kV의 펄스 전압에 의해 금속 와이어의 순간적인 기화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 제조방법.
In claim 1,
In the forming of the metal nano powder, a method of manufacturing a negative active material, characterized in that instantaneous vaporization of the metal wire is performed by a pulse voltage of 10 to 50 kV applied at a period of 0.5 to 10 seconds.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
A lithium secondary battery comprising a negative electrode active material prepared by the method of any one of claims 1 to 10.
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