KR20130139555A - Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof - Google Patents

Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20130139555A
KR20130139555A KR1020120063097A KR20120063097A KR20130139555A KR 20130139555 A KR20130139555 A KR 20130139555A KR 1020120063097 A KR1020120063097 A KR 1020120063097A KR 20120063097 A KR20120063097 A KR 20120063097A KR 20130139555 A KR20130139555 A KR 20130139555A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
silicon oxide
doped
silicon
powder
Prior art date
Application number
KR1020120063097A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101427743B1 (en
Inventor
강윤규
Original Assignee
주식회사 예일전자
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 예일전자 filed Critical 주식회사 예일전자
Priority to KR1020120063097A priority Critical patent/KR101427743B1/en
Publication of KR20130139555A publication Critical patent/KR20130139555A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101427743B1 publication Critical patent/KR101427743B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/113Silicon oxides; Hydrates thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/80Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

An anode material for a secondary battery according to the present invention includes metal-doped silicon oxide represented by the chemical formula SiMxOy wherein Si represents silicon, x represents metal, y represents oxygen, and x and y satisfy that 0.1<=x<=1.0 and 0.01<=y<=2.

Description

금속이 도핑된 실리콘산화물, 이를 포함하는 이차전지용 음극재 및 그 제조방법{METAL-DOPED SILICON OXIDE, ANODE MATERIAL FOR SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAMME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a metal-doped silicon oxide, an anode material for a secondary battery including the metal oxide, and a method for manufacturing the anode material.

본 발명은, 고출력 및 고전압을 필요로 하는 중대형 리튬이차전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위한 음극소재에 관한 것으로서, 더 자세하게는 산소함량이 2가 미만인 실리콘 산화물 내에 금속입자가 도핑된 SiMOx 산화물 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material for improving the energy density of a middle- or large-sized lithium secondary battery which requires a high output and a high voltage, and more particularly, to a negative electrode material for improving the energy density of SiMOx oxide doped with metal particles in silicon oxide having an oxygen content of less than 2, &Lt; / RTI &gt;

휴대용 전자기기가 급속하게 발전하여 높은 에너지 밀도, 안정성, 소량화, 경량화 및 장수명의 특성을 가진 이차전지가 요구되고 있다. 리튬이차전지의 성능향상은 근본적으로 양극, 음극, 전해액의 3대 구성요소의 성능 향상에 기반을 두고 있으며, 그 중 음극재료의 경우 비약적인 비용량 향상을 위한 개발이 진행되고 있다. 현재, 상용화 되어 있는 음극활물질인 흑연은 그 이론용량이 372mAh/g으로 제한되기 때문에, 흑연 음극재를 대체할 재료로서 실리콘, 주석, 알루미늄 등을 이용한 음극재료 개발이 연구되고 있다.BACKGROUND ART [0002] Portable electronic devices have rapidly developed, and secondary batteries having high energy density, stability, small size, light weight, and long life have been demanded. The performance improvement of the lithium secondary battery is basically based on improvement of the performance of the three components of the anode, the cathode, and the electrolyte. Among them, the cathode material is being developed for the drastic increase of the capacity. Currently, commercialization of graphite, which is a negative electrode active material, is limited to a theoretical capacity of 372 mAh / g. Therefore, development of a negative electrode material using silicon, tin, and aluminum as a material to replace the graphite anode material has been studied.

그 중, 실리콘은 이론용량이 4200mAh/g이지만 리튬과 합금화를 이루는 과정에서의 높은 부피 팽창률로 인하여 전극 내부와 표면에 크랙이 발생되고, 활물질이 탈락됨에 따른 전기적 접촉성 저하로 사이클 용량이 급격하게 퇴화되는 문제가 있다. Among them, silicon has a theoretical capacity of 4200 mAh / g, but cracks are generated in the electrode and the surface due to a high volume expansion rate in the process of alloying with lithium, and the cycle capacity is rapidly reduced due to deterioration of electrical contact There is a problem of degradation.

실리콘이나 주석계 등 고용량 비탄소계 전극재료들은 대부분 초기 10 내지 20 사이클링까지 쿨롱 효율이 낮고, 사이클링에 따라 리튬의 탈삽입 과정에서 비용량이 증가하는 특징을 가진다. 특히, 산화실리콘은 초기 충전과정에서 리튬(Li)이 삽입되면서 Li2O가 생성되어 실리콘의 부피팽창을 완화시켜주는 장점을 지니는 동시에, 비가역 비용량이 발생하여 실제의 전지를 설계할 때 문제점으로 나타난다. 또한, 실리콘 나노산화물을 제조할 때 기상법을 이용할 경우, 가격 상승으로 인해 상업적으로 사용하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. Silicon or tin-based high-capacity non-carbon based electrode materials are characterized in that the coulomb efficiency is low until the initial 10 to 20 cycles, and the cost increases in the process of lithium insertion and desorption according to cycling. Particularly, silicon oxide has an advantage that Li 2 O is generated while lithium (Li) is inserted in the initial charging process, thereby alleviating the volume expansion of silicon, and at the same time, irreversible cost is generated, which is a problem in designing an actual battery . In addition, when the vapor phase method is used in the production of silicon nano-oxide, it is disadvantageous in that it is difficult to use commercially because of the increase in the price.

많은 연구자들이 이와 같은 실리콘의 문제점을 보완하기 위한 일환으로써, 실리콘의 합금화, 실리콘의 표면개질, 실리콘 복합체 등의 방법으로 연구를 하고 있다. 실리콘 소재의 합금화는 리튬과 실리콘과의 삽입반응을 제어함으로써 충/방전 중에 발생하는 과도한 부피변화를 감소시킬 수 있으며 일반적으로 합금재료로는 철, 니켈, 구리 등이 주로 사용되고 있으나, 아직까지 상용화를 위한 실리콘 산화물, 실리콘의 합금화 및 표면개질 등의 연구는 요원한 실정이다.Many researchers have been studying the alloying of silicon, surface modification of silicon, and silicon composite as a way to overcome the problems of silicon. Alloying of silicon material can reduce excessive volume change during charging / discharging by controlling insertion reaction between lithium and silicon. Generally, iron, nickel, and copper are used as alloying material. However, And silicon alloying and surface modification for silicon are inevitable.

본 발명은, 전기자동차 및 에너지저장 시스템에 사용되는 기존 흑연 음극재를 대체하기 위한 고용량의 음극활물질인 이차전지용 음극재로서 금속이 도핑된 실리콘산화물 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide metal oxide-doped silicon oxide as a negative electrode active material for a secondary battery, which is a high-capacity negative electrode active material for replacing existing graphite anode materials used in electric vehicles and energy storage systems, and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 산소의 함량이 2가 미만인 실리콘산화물에 기계적 합금화를 통해 금속원소를 도핑함으로써 공정이 간단하면서도 저비용인 금속이 도핑된 실리콘산화물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for producing a silicon oxide doped with a metal which is simple and low-cost by doping a metal element through mechanical alloying with a silicon oxide having an oxygen content of less than 2.

본 발명에 따른 이차전지용 음극재는, 화학식 SiMxOy로 표시되는 금속원소가 도핑된 실리콘산화물을 포함하고, 여기서 Si는 실리콘, x는 금속 및 y는 산소를 나타내며, x 및 y가 각각 0.1≤x≤1.0 및 0.01≤y<2의 범위 내인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 금속원소는 리튬과 반응하지 않는 전이금속원소인 것이 바람직하고, 예컨대 Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca 및 Al을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 이용할 수 있다. 특히, 상기 금속원소는 Ni인 것이 더욱 바람직하다.The negative electrode material for a secondary battery according to the present invention comprises a silicon oxide doped with a metal element represented by the formula SiMxOy wherein Si represents silicon, x represents metal and y represents oxygen, and x and y satisfy 0.1? X? 1.0 And 0.01 < = y &lt; 2. The metal element is preferably a transition metal element that does not react with lithium, and at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca and Al can be used. More preferably, the metal element is Ni.

또한, 본 발명에 따른 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법은, 화학식 SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘산화물 분말 및 금속분말을 혼합하여 혼합분말을 준비하는 제1 단계; 및 상기 혼합분말을 불활성가스 분위기에서 밀링하여 금속원소가 도핑된 실리콘산화물을 제조하는 제2 단계;를 포함하고, 여기서 상기 금속원소가 도핑된 실리콘산화물을 화학식 SiMxOy로 표시할 때, Si는 실리콘, x는 금속 및 y는 산소를 나타내며, x 및 y가 각각 0.1≤x≤1.0 및 0.01≤y<2의 범위 내인 것을 특징으로 한다.In addition, a method of manufacturing a metal-doped silicon oxide according to the present invention includes a first step of preparing a mixed powder by mixing a silicon oxide powder represented by the general formula SiOx (0 <x <2) and a metal powder; And milling the mixed powder in an inert gas atmosphere to produce a silicon oxide doped with a metal element, wherein the silicon oxide doped with the metal element is represented by the formula SiMxOy, wherein Si is silicon, x is a metal and y represents oxygen, and x and y are characterized by being in the range of 0.1 ≦ x ≦ 1.0 and 0.01 ≦ y <2, respectively.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 혼합분말은 전체 100중량부에 대하여, 상기 실리콘산화물 분말 70중량부 이상 및 80중량부 이하, 및 상기 금속분말 20중량부 이상 및 30중량부 이하가 혼합되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 단계에서, 상기 금속분말은 리튬과 반응하지 않는 전이금속인 것이 바람직하고, 예컨대 상기 전이금속은 Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca 및 Al을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 이용할 수 있다. 특히, 상기 금속분말은 Ni인 것이 더욱 바람직하다.In the manufacturing method according to the present invention, the mixed powder is mixed with not less than 70 parts by weight and not more than 80 parts by weight of the silicon oxide powder, and not less than 20 parts by weight and not more than 30 parts by weight of the metal powder, . For example, the transition metal may be at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca, and Al. In the first step, the metal powder is preferably a transition metal that does not react with lithium. Can be used. More preferably, the metal powder is Ni.

나아가, 상기 제1 단계에서 화학식 SiOx(0<x<2)로 표시되는 상기 실리콘산화물 분말은, (1) 염화실리콘 및 2가 알코올류인 글리콜을 혼합하여 다공성 물질을 형성하는 단계와, (2) 상기 다공성 물질을 불활성가스 분위기에서 열처리함으로써 실리콘산화물을 형성하는 단계를 통해 제조될 수 있다.The silicon oxide powder represented by the formula SiOx (0 < x < 2) in the first step may be prepared by mixing (1) silicon chloride and a glycol, which is a dihydric alcohol, to form a porous material, and (2) And forming the silicon oxide by heat-treating the porous material in an inert gas atmosphere.

본 발명에 따른 금속이 도핑된 실리콘산화물은, 상술한 제조방법에 의해 제조될 수 있으며, 특히 상기 금속이 도핑된 실리콘산화물을 화학식 SiMxOy로 표시할 때, Si는 실리콘, x는 금속 및 y는 산소를 나타내며, x 및 y가 각각 0.1≤x≤1.0 및 0.01≤y<2의 범위 내인 것을 특징으로 한다.The metal oxide doped silicon oxide according to the present invention can be prepared by the above-described manufacturing method, in particular, when the metal oxide doped silicon represented by the formula SiMxOy, Si is silicon, x is a metal and y is oxygen X and y are in the range of 0.1 ≦ x ≦ 1.0 and 0.01 ≦ y <2, respectively.

본 발명에 따르면, 중대형 이차전지 및 고용량 전기자동차에 사용되는 음극활물질인 음극재로서 금속이 도핑되고 산소 함량이 2가 미만인 실리콘산화물을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 제조방법에 의하면, 입자 크기를 유기적으로 제어할 수 있고 또한 충방전시 부피팽창이 억제될 수 있는 고용량의 실리콘계 산화물 분말을 저비용으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법은, 에너지저장용 소재의 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 금속이 도핑된 실리콘산화물 분말의 제조에 매우 효과적이다. According to the present invention, it is possible to provide a silicon oxide having an oxygen content of less than 2 as a negative electrode material, which is a negative electrode active material used in a middle- or large-sized secondary battery and a high capacity electric automobile. Particularly, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a silicon oxide powder of a high capacity which can control the particle size organically and which can suppress the volume expansion upon charging and discharging, at low cost. In addition, the production method according to the present invention is very effective for the production of a metal-doped silicon oxide powder capable of drastically improving the characteristics of a material for energy storage.

도 1a, 도 2a 및 도 3a는 본 발명에 따라 제조된 SiOx-금속[Ni, Fe, Ti] 분말의 전자현미경 사진을 나타낸다.
도 1b, 도 2b 및 도 3b는 본 발명에 따라 제조된 실리콘산화물 내의 각각의 금속입자들(즉, Ni, Fe 및 Ti)의 에너지회절 패턴을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 금속이 도핑된 실리콘산화물 분말의 결정구조를 확인하기 위한 XRD 회절패턴을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 금속이 도핑된 실리콘산화물 분말들의 전기화학적 특성평가 결과를 나타낸다.
1A, 2A, and 3A show electron micrographs of SiOx-metal [Ni, Fe, Ti] powders prepared according to the present invention.
Figures 1B, 2B and 3B show energy diffraction patterns of respective metal particles (i.e., Ni, Fe and Ti) in the silicon oxide produced according to the present invention.
4 shows an XRD diffraction pattern for confirming the crystal structure of a metal-doped silicon oxide powder produced by the present invention.
FIG. 5 shows electrochemical characteristics of metal-doped silicon oxide powders prepared according to the present invention.

이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 금속이 도핑된 실리콘산화물 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the metal-doped silicon oxide and the method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 금속원소가 도핑된 실리콘산화물은, 산소의 함량이 2가 미만인 실리콘산화물을 이용한다. 즉, 화학식 SiOx로 표시할 때 x가 0<x<2의 범위 내인 실리콘산화물로서, 이는 염화실리콘 및 알코올 화합물 사이의 화학반응을 이용하여 제조될 수 있다. 그리고, 이렇게 제조된 실리콘산화물은 고상반응법인 기계적합금화법을 이용하여 금속원소를 실리콘산화물 결정 격자내에 도핑함으로써 금속이 도핑된 실리콘산화물을 제조한다. 도핑된 금속원자들이 전자의 이동통로 역할을 수행하여 리튬 이온의 확산을 촉진하므로, 본 발명에 따른 금속이 도핑된 실리콘산화물을 이용하여 제조된 이차전지용 음극재는 전기화학적 특성이 향상되고 동시에 수명이 증가될 수 있다.The silicon oxide doped with the metal element according to the present invention uses silicon oxide having an oxygen content of less than 2. That is, as expressed by the formula SiOx, x is a silicon oxide having a range of 0 < x < 2, which can be produced by using a chemical reaction between a silicon chloride and an alcohol compound. The silicon oxide thus produced is doped with a metal element in a silicon oxide crystal lattice by a mechanical alloying method as a solid phase reaction method to produce a metal-doped silicon oxide. The doped metal atoms serve as a transfer path of electrons to promote the diffusion of lithium ions. Therefore, the negative electrode material for a secondary battery manufactured using the metal-doped silicon oxide according to the present invention has an improved electrochemical property, .

이하에서는 상술한 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법에 대해 더욱 자세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing the above-described metal-doped silicon oxide will be described in more detail.

[산소함량이 2가 미만인 실리콘산화물 분말의 제조][Preparation of silicon oxide powder having an oxygen content of less than 2]

먼저, 가능하다면 90% 이상의 순도를 가지는 염화실리콘을 일반식 R(OH)2로 표시되는 2가 알코올류인 글리콜과 혼합하여 다공성 물질을 제조한다. 이때, 90% 이상의 순도를 가지는 염화실리콘으로는, 실리콘테트라클로라이드(사염화실리콘; Silicon Tetrachloride), 디알킬다이클로로실란[RRSiCl2; Diakyldichlorosilane] 등을 이용할 수 있으며, 글리콜은 R(OH)2로 표시되는 모든 알코올류 즉, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 피나콜 등을 포함할 수 있다. 상기 염화실리콘과 글리콜을 급속히 혼합하여 다공성 물질을 제조하는데, 혼합시 혼합순서는 글리콜에 염화실리콘을 첨가할 경우, 급속반응에 의해 스폰지(Sponge) 형태의 다량의 다공성 물질을 제조할 수 있다. 반대로, 염화실리콘에 글리콜을 첨가할 수도 있으며, 이 경우 다공성 물질과 졸 상태의 액상 물질이 함께 형성될 수도 있다. 염화실리콘과 글리콜의 반응시, 반응 속도는 화학적 중량비 내에서 조절할 수 있으며, 실시간으로 혼합하는 급속 혼합시간 및 중량비를 고려하여 1분에서 60분까지의 반응시간을 갖도록 조절될 수 있다.First, silicon chloride having a purity of 90% or more, if possible, is mixed with glycol, a divalent alcohol represented by the general formula R (OH) 2, to prepare a porous material. Examples of the silicon chloride having a purity of 90% or more include silicon tetrachloride (silicon tetrachloride), dialkyl dichlorosilane (RRSiCl2; Diacyldichlorosilane], and the like, and the glycol may include all alcohols represented by R (OH) 2, that is, ethylene glycol, propylene glycol, pinacol, and the like. The silicon chloride and glycols are rapidly mixed to prepare a porous material. In the case of adding silicon chloride to the glycol, a large amount of sponge-like porous material can be produced by a rapid reaction. Conversely, glycol may be added to the silicon chloride, in which case the porous material and the sol-state liquid material may be formed together. In the reaction of silicon chloride with glycol, the reaction rate can be controlled within a chemical weight ratio, and can be adjusted to have a reaction time of 1 minute to 60 minutes in consideration of rapid mixing time and weight ratio in real time mixing.

한편, 염화실리콘 내의 염소와 글리콜의 수소반응을 통해 HCl을 생성하여 실리콘산화물이 원할하게 제조될 수 있도록 하기 위해, 염화실리콘과 글리콜의 혼합비율은 중량비가 0.1:0.9 ~ 0.9:0.1 범위 내로 조절한다. 여기서, 염화실리콘과 글리콜의 전체 혼합물에 대한 염화실리콘의 중량비가 10중량비 미만일 경우, 실리콘 내의 산화반응이 원할하게 이루어지지 않아 실리콘 산화물을 형성할 수 없다. 그리고, 전체 혼합물에 대한 염화실리콘의 중량비가 90중량부를 초과하는 경우에는, 글리콜 내의 염소 반응이 폭발적으로 증가하여 실리콘산화물이 용해될 수 있다.On the other hand, the mixing ratio of the silicon chloride and the glycol is controlled within the range of 0.1: 0.9 to 0.9: 0.1 in order to produce HCl by hydrogen reaction of chlorine and glycol in the silicon chloride so that the silicon oxide can be prepared easily . Here, when the weight ratio of the silicon chloride to the total mixture of silicon chloride and glycol is less than 10 wt%, the oxidation reaction in the silicon is not carried out smoothly and silicon oxide can not be formed. If the weight ratio of the silicon chloride to the whole mixture exceeds 90 parts by weight, the chlorine reaction in the glycol explosively increases and the silicon oxide can be dissolved.

다음으로, 상술한 방법으로 제조된 다공성 초기재료를 열처리를 통해, 산소의 함량이 2가 미만인 실리콘산화물을 형성한다. 더 자세히 설명하면, 제조된 다공성 초기재료를 수소, 질소, 아르곤 또는 이들 3종의 가스가 혼합된 혼합가스를 이용하여 불활성가스 분위기에서 열처리를 실시한다. 제조된 다공성 초기재료를 수직 혹은 수평, 혹은 컨베이어벨트를 포함하는 열처리로에서 600℃~900℃에서 15분~6시간 동안 열처리를 실시한다. 열처리시, 염화실리콘 내의 염소와 글리콜 내의 탄소와의 반응에 의해 염소가스는 증발하게 되고, 염화실리콘 내의 실리콘 클러스터와 글리콜 내의 산소와의 반응에 의해 산소함량이 2가 미만인 실리콘산화물이 제조된다. 상기 열처리시, 불활성 가스 분위기를 유지하는 이유는, 산화성 가스 혹은 환원성 가스가 포함될 경우, 2가 미만의 산화물 형성을 위한 산화분위기가 형성되지 않기 때문이다.Next, the porous starting material produced by the above-described method is heat-treated to form a silicon oxide having an oxygen content of less than 2. More specifically, the produced porous initial material is heat-treated in an inert gas atmosphere using a mixed gas of hydrogen, nitrogen, argon, or a mixture of these three kinds of gases. The prepared porous starting material is subjected to heat treatment at 600 ° C to 900 ° C for 15 minutes to 6 hours in a vertical or horizontal or a heat treatment furnace including a conveyor belt. During the heat treatment, the chlorine gas is evaporated by the reaction of chlorine in the silicon chloride with carbon in the glycol, and by reaction of the silicon cluster in the silicon chloride with oxygen in the glycol, silicon oxide having an oxygen content of less than 2 is produced. The reason why the inert gas atmosphere is maintained during the heat treatment is that when an oxidizing gas or a reducing gas is included, an oxidizing atmosphere for oxide formation of less than 2 is not formed.

한편, 열처리 온도가 600도 미만일 경우, 염소와 수소의 반응 속도가 저하하여 원할한 염소가스 제거가 되지 않아 실리콘 산화물 제조가 용이하지 않게 된다. 또한, 900도를 초과하는 경우, 생성된 실리콘산화물의 입도 크기가 성장하여, 최종적으로 이차전지 활성 저하 문제를 야기할 수 있으며, 또한 염소가스의 폭발적 생성으로 인해 실리콘산화물 형성시 산소함량이 2가 이상인 산화물이 생성될 수 있다. 그리고, 열처리 온도가 15분 미만일 경우, 실리콘산화물 형성이 용이하지 않으며, 6시간을 초과하는 경우, 입자 성장 문제를 야기할 수 있다. 열처리 후의 냉각시에는 공냉 혹은 분당 20도 이하로 서냉하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 지나치게 급냉하게 되면 입자 크기 성장에 의해 전기화학특성이 저하되는 문제점이 야기될 수 있기 때문이다.On the other hand, when the heat treatment temperature is less than 600 ° C., the reaction rate of chlorine and hydrogen is lowered, so that chlorine gas can not be removed as much as possible, and silicon oxide is not easily produced. If the temperature exceeds 900 ° C., the particle size of the produced silicon oxide grows, which may ultimately cause a secondary battery depletion problem. Also, due to the explosive generation of chlorine gas, Or more can be produced. If the heat treatment temperature is less than 15 minutes, silicon oxide formation is not easy, and if it exceeds 6 hours, particle growth may be caused. During the cooling after the heat treatment, it is preferable to perform air cooling or slow cooling to 20 deg. Or less per minute because excessive quenching may cause a problem that the electrochemical characteristics are lowered due to grain size growth.

상술한 방법으로 제조된 실리콘산화물은 다공성 물질로서 벌크상태의 덩어리로 구성되어 있다. 이 벌크상태의 덩어리는 나노입자가 뭉쳐있는 상태로서, 이차전지에의 적용 및 입자 크기의 제어를 위하여 분말 형태로 형성하여야 한다. 이를 위하여, 위에서 제조된 실리콘산화물 벌크 덩어리를 볼밀을 통해 입자크기를 제어하는 것이 바람직하다. 볼밀시에는 입자크기가 극미세화되어 전기화학적 특성을 저하할 수 있기 때문에 회전속도는 300rpm 이하로 제어하고 볼밀 시간은 12시간 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
The silicon oxide prepared by the above-mentioned method is composed of a bulk material as a porous material. The bulk of the bulk state is a state in which nanoparticles are aggregated and must be formed in powder form for application to a secondary cell and control of particle size. For this purpose, it is desirable to control the particle size of the bulk silicon oxide mass produced above through a ball mill. In the case of a ball mill, the particle size is extremely fine and electrochemical characteristics may be deteriorated. Therefore, it is preferable to control the rotation speed to 300 rpm or less and control the ball mill time to 12 hours or less.

[SiOx 및 금속 도펀트의 합성][Synthesis of SiOx and metal dopant]

상술한 방법에 의해 제조된 실리콘산화물은 산소의 함량이 2가 미만이므로 준안정상을 갖는다. 즉, 준안정상의 실리콘산화물은 그 결정구조가 완전하지 않아 도핑이 원할하게 이루어질 수 있다. 준비된 SiOx(0<x<2)의 실리콘산화물 분말은 금속원소를 제공하는 금속분말과 혼합하여 혼합분말을 제조한다. 여기서, 전체 혼합분말 100중량부에 대하여 SiOx(0<x<2)의 실리콘산화물 70중량부 이상 및 80중량부 이하 및 금속분말 20중량부 이상 및 30중량부 이하의 혼합비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 이렇게 준비된 혼합분말은 볼밀링기를 이용하여 불활성가스(예컨대, 아르곤) 분위기에서 100~500rpm의 회전수로 1시간~24시간 동안 볼밀링하여, 금속이 도핑된 실리콘 산화물을 제조한다. 이때, 금속분말의 중량비가 20중량% 미만일 경우, 결정격자 내에 금속원소들이 균일하게 도핑되지 않아서 결정격자 내 전자들의 이동통로 역할을 수행하기 용이하지 않게 된다. 또한, 금속분말의 중량비가 30중량%를 초과하는 경우, 결정격자 내에 도핑될 수 있는 고용한도 이상의 금속원소가 도핑되어, 금속원소가 실리콘 산화물 표면에 클러스터(cluster)상태로 용출될 수 있다.The silicon oxide produced by the above-described method has a normal concentration because the content of oxygen is less than 2. That is, the quasi-stable phase silicon oxide is not perfect in its crystal structure, so that doping can be performed smoothly. The prepared silicon oxide powder of SiOx (0 < x < 2) is mixed with a metal powder which provides a metal element to prepare a mixed powder. Here, it is preferable to mix at least 70 parts by weight and not more than 80 parts by weight of silicon oxide of SiOx (0 < x < 2) and not less than 20 parts by weight and not more than 30 parts by weight of the metal powder with respect to 100 parts by weight of the total mixed powder Do. The thus prepared mixed powder is ball-milled for 1 hour to 24 hours at a rotation speed of 100 to 500 rpm in an inert gas (e.g., argon) atmosphere using a ball milling machine to produce a metal-doped silicon oxide. At this time, when the weight ratio of the metal powder is less than 20 wt%, the metal elements are not uniformly doped in the crystal lattice, so that it is difficult to act as a movement path of electrons in the crystal lattice. In addition, when the weight ratio of the metal powder is more than 30 wt%, the metal element that is above the solubility limit that can be doped in the crystal lattice is doped so that the metal element can be eluted in a cluster state on the silicon oxide surface.

이렇게 제조된 금속원소가 도핑된 산소수 2가 미만의 실리콘산화물의 평균입경은 각각 50nm~30㎛, 특히 85nm~15㎛인 것이 바람직하다. The average particle diameter of the silicon oxide having the oxygen number of 2 or less doped with the metal element thus prepared is preferably 50 nm to 30 탆, particularly preferably 85 nm to 15 탆.

한편, 금속분말의 재료로는 리튬과 반응하지 않는 전이금속에서 선택되는 것이 바람직하다. 특히, 금속원소는 Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca 및 Al을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. On the other hand, the material of the metal powder is preferably selected from transition metals which do not react with lithium. In particular, at least one metal element selected from the group consisting of Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca and Al can be used.

혼합분말의 밀링에 사용될 수 있는 볼밀링기로는, 고에너지 볼밀링에 사용되는 쉐이커 밀링기, 플레네터리 밀링기, 어트리터 밀링기, 마그네틱 밀링기를 사용할 수 있으며, 볼밀링시 사용하는 용기는 스테인레스 및 지르코니아 등의 산화물 용기를 사용할 수 있다. 또한, 볼밀링하는 경우, 금속원소들의 산화를 방지하기 위해, 질소, 수소, 아르곤 등의 불활성 가스를 혼합 혹은 단독으로 사용하여 용기내 주입한 후 볼밀링을 실시하는 반응성 볼밀링을 이용할 수 있다. Ball milling machines that can be used for milling mixed powders include shaker milling machines, planetary milling machines, attritor milling machines, and magnetic milling machines used for high-energy ball milling. Ball milling vessels are made of stainless steel, zirconia Can be used. In case of ball milling, reactive ball milling may be used in which an inert gas such as nitrogen, hydrogen or argon is mixed or solely used to prevent oxidation of the metal elements, and then ball milling is performed after injection into the vessel.

또한, 금속분말로는 입도 크기가 325메쉬 이하의 입경을 가진 분말을 사용할 수 있으며, 325메쉬를 초과하는 입경을 가진 금속원소를 사용할 경우 볼밀링시 표면에 용출되는 문제점을 가지고 있기 때문에 제한하도록 한다.
In addition, powder having a particle size of 325 mesh or less can be used as the metal powder, and when using a metal element having a particle diameter exceeding 325 mesh, there is a problem of being eluted on the surface during ball milling.

이하에서는, 상술한 본 발명에 따른 금속이 도핑된 산소수 2가 미만의 실리콘산화물의 제조방법에 대한 구체적인 실시예를 예시한다.
Hereinafter, a specific example of a method for producing a silicon oxide having a metal-doped oxygen number of less than 2 according to the present invention will be described.

[실시예][Example]

먼저, 산소함량이 2가 미만인 실리콘산화물을 제조하였다. 초기재료로서의 다공성 물질을 제조하기 위해, 사염화실리콘[SiCl4, 98%]와 에틸렌글리콜[99%]을 중량비 1:1로 혼합하였다. 이때, 에틸렌글리콜을 먼저 기저에 놓은 후, 사염화실리콘을 혼합하였다. 사염화실리콘과 에틸렌글리콜의 반응시간이 장시간 지속될 경우, 다공성 물질이 제조되지 않고 액상의 졸 상태로 진행되기 때문에, 반응후 즉각적으로 스폰지 형태의 다공성 물질을 수거하여 지르코니아 바울로 이동시켰다. 또한, 혼합시에는 반응을 원할하게 진행시키기 위해서 스터러를 통해 혼합하면서 반응시켰다.First, a silicon oxide having an oxygen content of less than 2 was prepared. To prepare the porous material as an initial material, silicon tetrachloride [SiCl4, 98%] and ethylene glycol [99%] were mixed at a weight ratio of 1: 1. At this time, ethylene glycol was first placed on the base, and then silicon tetrachloride was mixed. When the reaction time of silicon tetrachloride and ethylene glycol was prolonged for a long time, the porous material was not prepared but proceeded to a sol state in a liquid state. Therefore, after the reaction, the porous material in the form of sponge was immediately collected and transferred to zirconia paul. During the mixing, the mixture was reacted while mixing through a stirrer so that the reaction proceeded smoothly.

이렇게 형성된 다공성 물질은 지르코니아 바울로 옮긴 후, 불활성가스인 질소 가스로 유지시킨 수직 관상로에 장입하여, 750도에서 2시간 열처리를 진행하였다. 이때, 750도까지 열처리를 진행함에 있어서, 승온속도를 분당 5~25℃로 유지하였다. 승온속도가 분당 5℃미만일 경우, 반응열에 의한 반응속도가 원할하지 않아서 다공성 물질 내의 산화환원반응이 원할하게 진행되지 않으며, 승온속도가 25℃를 초과할 경우, 급속한 열처리에 의해 산화반응이 가속화되어 실리콘산화물이 제조되지 않기 때문이다. 보다 바람직한 승온속도는 분당 5℃이다.The porous material thus formed was transferred to zirconia paul and then charged into a vertical tubular furnace maintained with nitrogen gas as an inert gas, and heat treatment was performed at 750 ° C. for 2 hours. At this time, the temperature was maintained at 5 to 25 ° C per minute in the heat treatment to 750 ° C. When the rate of temperature rise is less than 5 ° C per minute, the reaction rate due to the heat of reaction is not favorable, so that the oxidation-reduction reaction in the porous material does not proceed smoothly. When the rate of temperature increase exceeds 25 ° C, the oxidation reaction is accelerated by rapid heat treatment Silicon oxide is not produced. A more preferable heating rate is 5 ° C per minute.

열처리 후에는, 공냉을 통해 냉각시켜 벌크 덩어리 물질을 수득한 후, 막자사발 혹은 볼밀링기를 통해 분말화를 진행시켰다. 이때, 볼밀링기의 회전속도는 300rpm이하로 제어하고 볼밀 시간은 12시간 이하로 제어하였다. 보다 바람직하게는, 회전속도는 100rpm, 볼밀 시간은 30분 이하로 제한하도록 한다. After the heat treatment, the material was cooled through air cooling to obtain a bulk lump material, followed by pulverization through a mortar or ball mill. At this time, the rotation speed of the ball miller was controlled to 300 rpm or less and the ball mill time was controlled to be 12 hours or less. More preferably, the rotational speed is set to 100 rpm and the ball mill time is limited to 30 minutes or less.

상기 방법으로 제조된 산소수가 2가 미만인 실리콘산화물과 각각의 금속분말(Ni, Fe 및 Ti 금속분말)을 중량비 75:25로 혼합한 후, 아르곤 가스가 장입된 볼밀링기 용기에 장입한 다음, 350rpm의 회전속도로 6시간동안 볼밀링하여, 금속원소가 도핑된 2가 미만의 실리콘산화물을 얻었다. The silicon oxide having an oxygen number of less than 2 and the metal powder (Ni, Fe and Ti metal powder) produced by the above method were mixed at a weight ratio of 75:25, and then charged into a ball milling container charged with argon gas. Then, Milled for 6 hours at a rotational speed of 30 DEG C to obtain a silicon oxide of less than 2 in which metal elements were doped.

이렇게 얻어진 금속이 도핑된 실리콘산화물을 이용하여 음극 전극을 제조하였다. 즉, 위에서 얻은 각각의 음극활물질(즉, Ni가 도핑된 SiOx, Fe가 도핑된 SiOx 및 Ti가 도핑된 SiOx) 5g, 카본 블랙 도전재 0.2g 및 0.1 중량%의 카복시메틸셀룰로스(CMC) 용매에 스티렌부타디엔러버(SBR)가 40중량%로 포함되어 있는 수용액 7.5g을 혼합하여 구리 박막에 도포하기 쉬운 점도인 1,000cP(centi-poise)로 조절한 후, 혼합기를 사용하여 3,000rpm의 고속으로 15분간 교반하였다. 교반된 슬러리를 10㎛ 두께의 구리 박막(copper foil)에 닥터블레이드 방법을 이용하여 100㎛ 두께로 도포한 후, 건조와 압연 과정을 거쳐서 음극판을 제조하였다. 그리고, 이를 일정한 크기 (3×4 cm)로 절단하여 전지 조립 전에 80℃에서 24시간 동안 진공오븐에서 건조를 실시하였다.The anode electrode was fabricated using the doped silicon oxide thus obtained. That is, 5 g of each of the anode active materials obtained in the above (namely, Ni-doped SiOx, Fe-doped SiOx and Ti-doped SiOx), 0.2 g of carbon black conductive material and 0.1 wt% of carboxymethyl cellulose (CMC) 7.5 g of an aqueous solution containing 40% by weight of styrene butadiene rubber (SBR) was mixed and adjusted to a viscosity of 1,000 cP (centi-poise), which is easy to apply to a copper thin film. Lt; / RTI &gt; The stirred slurry was coated on copper foil having a thickness of 10 mu m to a thickness of 100 mu m using a doctor blade method, followed by drying and rolling to prepare an anode plate. Then, it was cut into a predetermined size (3 × 4 cm) and dried in a vacuum oven at 80 ° C. for 24 hours before assembling the cell.

제조된 음극판으로 전지를 제조하는데 있어서, 반쪽전지의 경우에는 상대전극으로 리튬 금속전극을 적층하여 구성하고, 두 전극 사이에 폴리프로필렌(PP) 분리막을 삽입하며, 에틸카보네이트(EC) / 에틸메틸카보네이트(EMC) / 디메틸카보네이트(DMC)가 부피비로 1 : 1 : 1 로 혼합된 유기용매에 1M의 LiPF6가 용해되어 있는 전해액을 주입한 알루미늄 파우치 전지를 구성하였다. 그리고, 완전전지의 경우에는, 상대전극으로 리튬코발트 산화물을 양극활물질로 하는 양극판을 제조한 후, 상기의 반쪽전지와 동일한 구조로 구성하였다.
In the case of a half-cell, a lithium metal electrode is laminated as a counter electrode. A polypropylene (PP) separator is inserted between the two electrodes, and a mixture of ethyl carbonate (EC) And an electrolytic solution in which 1 M of LiPF 6 was dissolved in an organic solvent having a volume ratio of 1: 1: 1 mixed with EMC / dimethyl carbonate (DMC) was injected into the aluminum pouch battery. In the case of a full battery, a positive electrode plate using lithium cobalt oxide as a positive electrode active material as a counter electrode was prepared, and then the same structure as that of the above half cell was constructed.

한편, 본 발명에 의해 제조된 금속이 도핑된 실리콘산화물의 전자현미경, X-선 회절분석 및 전기화학 특성평가에 대한 각각의 결과를 살펴보면 다음과 같다.The results of electron microscopy, X-ray diffraction analysis and electrochemical characteristics evaluation of the metal-doped silicon oxide prepared according to the present invention are as follows.

먼저, 도 1a, 도 2a 및 도 3a는 본 발명에 따라 제조된 SiOx-금속[Ni, Fe, Ti] 분말의 전자현미경 사진이다. 도 1a, 도 2a 및 도 3a에서 보듯이, Ni가 도핑된 SiOx(실시예 1; 도 1a), Fe가 도핑된 SiOx(실시예 2; 도 2a) 및 Ti가 도핑된 SiOx(실시예 3; 도 3a) 분말 모두 입자크기가 5~10㎛의 크기임을 알 수 있으며, 또한 SiOx 내에 금속입자들이 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 아울러, 도 1b, 도 2b 및 도 3b에는 각각의 실시예에 따라 제조된 실리콘산화물 내의 각각의 금속입자들(즉, Ni, Fe 및 Ti)의 에너지회절 패턴을 나타내었으며, 이를 통해서 실리콘산화물 내에 금속원소들이 균일하게 도핑되어 있음을 확인할 수 있다. 1A, 2A and 3A are electron micrographs of SiOx-metal [Ni, Fe, Ti] powders prepared according to the present invention. 1A, 1A), Fe-doped SiOx (Example 2; FIG. 2A), and Ti-doped SiOx (Example 3; 3A), it can be seen that the particle size is in the range of 5 to 10 mu m, and that the metal particles are uniformly distributed in the SiOx. 1B, 2B, and 3B show the energy diffraction patterns of the respective metal particles (i.e., Ni, Fe, and Ti) in the silicon oxide produced according to the respective embodiments, It can be confirmed that the elements are uniformly doped.

또한, 도 4에는 본 발명에 의해 제조된 금속이 도핑된 실리콘산화물 분말의 결정구조를 확인하기 위한 XRD 회절패턴을 나타내었다. 도 2에서 보듯이, 실시예 1 내지 3 모두 실리콘의 안정한 산화물인 SiO2의 회절패턴과는 다른 산소함량이 2가 미만인 실리콘산화물의 결정구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 참고로, 도 4의 XRD 회절분석 결과를 통해서 도핑된 금속원소들의 회절패턴이 나타나지 않음을 확인할 수 있었으며, 따라서 도핑된 금속원소들의 용출이 일어나지 않았음을 알 수 있다. FIG. 4 shows an XRD diffraction pattern for confirming the crystal structure of the metal-doped silicon oxide powder produced by the present invention. As shown in FIG. 2, it can be seen that Examples 1 to 3 have a crystal structure of silicon oxide having an oxygen content of less than 2, which is different from the diffraction pattern of SiO 2 , which is a stable oxide of silicon. As a result, it was confirmed that the diffraction pattern of the doped metal elements did not appear through the XRD diffraction analysis of FIG. 4, indicating that the elution of the doped metal elements did not occur.

또한, 도 5에는 본 발명에 의해 제조된 금속이 도핑된 실리콘산화물 분말들의 전기화학적 특성평가 결과를 나타내었다. 도 3에서 보듯이, 금속이 도핑된 실리콘산화물은 1210-1600mAh/g의 고용량과 수명이 유지되고 있음을 확인할 수 있다. 특히, Ni이 도핑된 실리콘산화물(실시예 1; 도 5에서 "Ni doped SiOx"로 표기)의 경우, 충방전 용량 및 충방전 효율이 84% 이상으로 매우 높은 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Fe와 Ti의 경우(도 5에서, 각각 "Fe doped SiOx" 및 "Ti doped SiOx"로 표기)에서도 높은 용량과 함께 용이한 충방전 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 금속원소의 도핑에 따른 실리콘산화물 음극재의 용량 및 수명이 향상된 이유는, 금속원소가 실리콘산화물의 결정 격자 내에 도핑되어 리튬이 확산할 수 있는 충분한 결정격자 간격을 형성하므로, 그에 따라 리튬 확산이 용이하게 되어 용량이 증가되는 것으로 분석되었다. 또한, Ni, Fe, Ti의 경우, 전기전도도를 가지고 있는 전도성 물질이기 때문에 전기전도도가 향상되는 장점도 있다. 나아가, 본 발명에 따른 실시예들에서 15 사이클 이상으로 수명이 향상되는 이유는, 도핑된 금속원소들이 결정격자 내에서 실리콘이 SiO2로 산화되지 않도록 하여 음극재의 부피팽창이 일어나지 않기 때문이다.
FIG. 5 shows electrochemical characteristics of metal-doped silicon oxide powders prepared according to the present invention. As shown in FIG. 3, it can be seen that the metal oxide-doped silicon oxide maintains a high capacity and lifetime of 1210-1600 mAh / g. Particularly, in the case of Ni-doped silicon oxide (Example 1; denoted by "Ni-doped SiOx" in FIG. 5), it was confirmed that the charge-discharge capacity and charge-discharge efficiency were as high as 84% or more. In addition, in the case of Fe and Ti (denoted by "Fe doped SiOx" and "Ti doped SiOx" in FIG. 5, respectively), it was confirmed that a high capacity and easy charge and discharge efficiency were shown. The reason for the improvement in capacity and lifetime of the silicon oxide anode material due to the doping of the metal element is that the metal element is doped in the crystal lattice of the silicon oxide to form a sufficient crystal lattice interval for allowing lithium to diffuse, And the capacity was increased. Also, in the case of Ni, Fe, and Ti, there is an advantage that the electric conductivity is improved because it is a conductive material having electric conductivity. Further, the lifetime is improved to 15 cycles or more in the embodiments according to the present invention because the doped metal elements are not oxidized to SiO 2 in the crystal lattice in the crystal lattice, and the volume expansion of the anode material does not occur.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. It is therefore to be understood that the embodiments of the invention described herein are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description, Should be interpreted as being included in.

Claims (11)

화학식 SiMxOy로 표시되는 금속원소가 도핑된 실리콘산화물을 포함하고, 여기서 Si는 실리콘, x는 금속 및 y는 산소를 나타내며, x 및 y가 각각 0.1≤x≤1.0 및 0.01≤y<2의 범위 내인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극재.
A silicon oxide doped with a metal element represented by the formula SiMxOy, wherein Si represents silicon, x represents a metal and y represents oxygen, and x and y are in the range of 0.1 ≦ x ≦ 1.0 and 0.01 ≦ y <2, respectively. A negative electrode material for a secondary battery, characterized in that.
제 1 항에 있어서,
상기 금속원소는 리튬과 반응하지 않는 전이금속원소인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극재.
The method of claim 1,
The metal element is a negative electrode material for a secondary battery, characterized in that the transition metal element does not react with lithium.
제 2 항에 있어서,
상기 전이금속원소는 Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca 및 Al을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극재.
3. The method of claim 2,
Wherein the transition metal element is at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca and Al.
제 1 항에 있어서,
상기 금속원소는 Ni인 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극재.
The method of claim 1,
The metal element is a negative electrode material for a secondary battery, characterized in that Ni.
화학식 SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘산화물 분말 및 금속분말을 혼합하여 혼합분말을 준비하는 제1 단계; 및
상기 혼합분말을 불활성가스 분위기에서 밀링하여 금속원소가 도핑된 실리콘산화물을 제조하는 제2 단계;를 포함하고,
상기 금속원소가 도핑된 실리콘산화물을 화학식 SiMxOy로 표시할 때, Si는 실리콘, x는 금속 및 y는 산소를 나타내며, x 및 y가 각각 0.1≤x≤1.0 및 0.01≤y<2의 범위 내인 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법.
A first step of preparing a mixed powder by mixing a silicon oxide powder represented by the general formula SiOx (0 < x < 2) and a metal powder; And
And a second step of milling the mixed powder in an inert gas atmosphere to produce a silicon oxide doped with a metal element,
When the silicon oxide doped with the metal element is represented by the formula SiMxOy, Si represents silicon, x represents metal and y represents oxygen, and x and y are in the range of 0.1≤x≤1.0 and 0.01≤y <2, respectively. Method for producing a metal oxide doped silicon.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 단계에서, 상기 혼합분말은 전체 100중량부에 대하여, 상기 실리콘산화물 분말 70중량부 이상 및 80중량부 이하, 및 상기 금속분말 20중량부 이상 및 30중량부 이하가 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
In the first step, the mixed powder is formed by mixing 70 parts by weight or more and 80 parts by weight or less of the silicon oxide powder, 20 parts by weight or more and 30 parts by weight or less of the metal powder, &Lt; / RTI &gt; wherein the metal-doped silicon oxide is doped.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 단계에서, 상기 금속분말은 리튬과 반응하지 않는 전이금속인 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
Wherein the metal powder is a transition metal that does not react with lithium in the first step.
제 7 항에 있어서,
상기 전이금속은 Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca 및 Al을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
Wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Ti, Co, Ge, Ca and Al.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 단계에서, 상기 금속분말은 Ni인 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
Wherein the metal powder is Ni. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 5 항에 있어서,
상기 제1 단계에서 화학식 SiOx(0<x<2)로 표시되는 상기 실리콘산화물 분말은, (1) 염화실리콘 및 2가 알코올류인 글리콜을 혼합하여 다공성 물질을 형성하는 단계와, (2) 상기 다공성 물질을 불활성가스 분위기에서 열처리함으로써 실리콘산화물을 형성하는 단계를 통해 제조된 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
In the first step, the silicon oxide powder represented by the formula SiO x (0 <x <2) may include (1) mixing a silicon chloride and a glycol which is a dihydric alcohol to form a porous material, and (2) the porous A method of producing a metal-doped silicon oxide, characterized in that the material is prepared through the step of forming a silicon oxide by heat treatment in an inert gas atmosphere.
제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 금속이 도핑된 실리콘산화물로서, 상기 실리콘산화물은 화학식 SiMxOy로 표시할 때, Si는 실리콘, x는 금속 및 y는 산소를 나타내며, x 및 y가 각각 0.1≤x≤1.0 및 0.01≤y<2의 범위 내인 것을 특징으로 하는 금속이 도핑된 실리콘산화물.A metal oxide doped with a metal produced by the manufacturing method according to any one of claims 5 to 10, wherein the silicon oxide is represented by the formula SiMxOy, Si is silicon, x is metal and y is oxygen. And x and y are in the ranges of 0.1 ≦ x ≦ 1.0 and 0.01 ≦ y <2, respectively.
KR1020120063097A 2012-06-13 2012-06-13 Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof KR101427743B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120063097A KR101427743B1 (en) 2012-06-13 2012-06-13 Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120063097A KR101427743B1 (en) 2012-06-13 2012-06-13 Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130139555A true KR20130139555A (en) 2013-12-23
KR101427743B1 KR101427743B1 (en) 2014-08-06

Family

ID=49984711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120063097A KR101427743B1 (en) 2012-06-13 2012-06-13 Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101427743B1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019240496A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-19 주식회사 엘지화학 Anode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
KR20200042028A (en) * 2018-10-12 2020-04-23 세종대학교산학협력단 Ti-doped silicon oxide/carbon composite, method for producing the same, and energy storage device having the same
WO2020184917A1 (en) * 2019-03-08 2020-09-17 주식회사 엘지화학 Sulfur-doped silicon negative electrode material, method for producing same, lithium secondary battery negative electrode including negative electrode material, and lithium secondary battery comprising negative electrode
WO2022178798A1 (en) * 2021-02-26 2022-09-01 上海杉杉科技有限公司 Porous negative electrode active material and manufacturing method therefor
CN115676837A (en) * 2022-10-09 2023-02-03 胜华新材料集团股份有限公司 Preparation method of copper-doped porous carbon silica composite material, composite material and application
US12034157B2 (en) 2019-03-08 2024-07-09 Lg Energy Solution, Ltd. Sulfur-doped silicon negative electrode material, method for producing same, lithium secondary battery negative electrode including negative electrode material, and lithium secondary battery comprising negative electrode

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100681465B1 (en) * 2004-07-30 2007-02-09 주식회사 엘지화학 Electrode active material with high capacity and good cycleability and lithium secondary cell comprising the same
KR101451801B1 (en) * 2007-02-14 2014-10-17 삼성에스디아이 주식회사 Anode active material, method of preparing the same, anode and lithium battery containing the material

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019240496A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-19 주식회사 엘지화학 Anode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
KR20200042028A (en) * 2018-10-12 2020-04-23 세종대학교산학협력단 Ti-doped silicon oxide/carbon composite, method for producing the same, and energy storage device having the same
WO2020184917A1 (en) * 2019-03-08 2020-09-17 주식회사 엘지화학 Sulfur-doped silicon negative electrode material, method for producing same, lithium secondary battery negative electrode including negative electrode material, and lithium secondary battery comprising negative electrode
US12034157B2 (en) 2019-03-08 2024-07-09 Lg Energy Solution, Ltd. Sulfur-doped silicon negative electrode material, method for producing same, lithium secondary battery negative electrode including negative electrode material, and lithium secondary battery comprising negative electrode
WO2022178798A1 (en) * 2021-02-26 2022-09-01 上海杉杉科技有限公司 Porous negative electrode active material and manufacturing method therefor
CN115676837A (en) * 2022-10-09 2023-02-03 胜华新材料集团股份有限公司 Preparation method of copper-doped porous carbon silica composite material, composite material and application
CN115676837B (en) * 2022-10-09 2024-01-09 胜华新材料集团股份有限公司 Preparation method of copper-doped porous carbon silica composite material, composite material and application

Also Published As

Publication number Publication date
KR101427743B1 (en) 2014-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108630887B (en) Silicon composite oxide for negative electrode material of lithium secondary battery and preparation method thereof
KR101767848B1 (en) Negative electrode material for nonaqueous electrolytic secondary battery, process for producing negative electrode material for nonaqueous electrolytic secondary battery, and lithium ion secondary battery
EP3053883B1 (en) Amorphous (lithium) niobium sulfide or (lithium) titanium niobium sulfide
Huang et al. Controllable growth of LiMn2O4 by carbohydrate-assisted combustion synthesis for high performance Li-ion batteries
Wu et al. Fabrication of F-doped, C-coated NiCo2O4 nanocomposites and its electrochemical performances for lithium-ion batteries
KR101363549B1 (en) Manufacturing method of silicon oxide, in use of anode material for secondary battery
Yi et al. Enhanced electrochemical performance of Li-rich low-Co Li1. 2Mn0. 56Ni0. 16Co0. 08− xAlxO2 (0≤ x≤ 0.08) as cathode materials
EP3965187A1 (en) Silicon oxide composite for lithium secondary battery anode material and method for manufacturing same
KR101103104B1 (en) Preparation Method of ZnSb-C Composite and Anode Materials for Secondary Batteries Containing the Same Composite
KR20120010211A (en) Porous silicon based alloy, method of preparing the same, and negative active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery including the same
KR20190116012A (en) Silicon composite and manufacturing method for Silicon composite
Yuan et al. Surfactant-assisted hydrothermal synthesis of V2O5 coated LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 with ideal electrochemical performance
Nanthagopal et al. An encapsulation of nitrogen and sulphur dual-doped carbon over Li [Ni0. 8Co0. 1Mn0. 1] O2 for lithium-ion battery applications
KR101427743B1 (en) Metal-doped silicon oxide, anode material for secondary battery including the samme, and manufacturing method thereof
Zhang et al. Dual-strategy of Cu-doping and O3 biphasic structure enables Fe/Mn-based layered oxide for high-performance sodium-ion batteries cathode
KR20190078720A (en) Positive electrode active material for rechargable lithium battery, and rechargable lithium battery including the same
KR20230139299A (en) Positive electrode material, battery, and electronic device
Zhang et al. Activated nanolithia as an effective prelithiation additive for lithium-ion batteries
CN106654181A (en) Tin oxide-based negative electrode material and preparation method therefor
KR101345625B1 (en) ANODE ACTIVE MATERIALS USING SiO2 AND MINERALS CONTAINING SiO2 FOR LITHIUM SECONDARY BATTERIES AND PREPARATION METHOD OF THE SAME
KR20170027934A (en) Method for manufacturing anode material based on silicon oxide for secondary battery
KR101430640B1 (en) Manufacturing method for composite powder including silicon oxide and metal silicon in use of anode material for secondary battery
Ding et al. Improvement of electrochemical properties of lithium-rich manganese-based cathode materials by Ta2O5
CN113644238A (en) Phosphorus-doped silicon-based lithium ion battery cathode material and preparation method and application thereof
CN116799201A (en) Halide-based positive electrode active material, and synthesis method and application thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170703

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190312

Year of fee payment: 6