KR20140083629A - Negative electrode active material and lithium secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and the lithium secondary battery using the same. The negative electrode active material for the lithium secondary battery according to the present invention includes silicon mono-oxide with a metal catalyst deposited on a surface thereof and a silicon nanowire which is formed on the metal catalyst.

Description

리튬이차전지용 음극활물질 및 이를 이용한 리튬이차전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL AND LITHIUM SECONDARY BATTERY USING THE SAME}[0001] The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery using the same. BACKGROUND OF THE INVENTION < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 실리콘 기반의 리튬이차전지용 음극활물질 및 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon-based anode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same.

이차전지 중 하나인 리튬이차전지는 리튬금속을 이용한 이차전지뿐만 아니라 리튬이온 이차전지를 포함하는 것으로 높은 전압 및 에너지 밀도를 갖고 있어 전자기기의 구동용 전원으로서 주목을 받고 있다. 리튬이차전지는 양극, 음극, 전해질, 격리막 등으로 이루어져 있으며, 전해질 내의 리튬이온은 충전(charge) 시 음극 쪽으로, 방전(discharge) 시 양극 쪽으로 이동하여 각 극에서 잉여의 전자를 방출하거나 또는 흡수하면서 화학 반응을 일으키고, 이에 따라 전기 에너지를 발생한다. 일반적으로, 리튬이차전지의 음극활물질은 주로 흑연 등의 탄소계 재료가 사용되고 있다. 흑연의 이론용량 밀도는 372 mAh/g로, 용량 손실 등을 감안하면 실제 방전용량 밀도는 310~330 mAh/g 정도로 떨어지고 이 용량밀도 이상으로 리튬이온을 흡수저장 및 방출할 수 있는 탄소재료를 얻는 것이 곤란하며, 더욱 높은 에너지 밀도를 갖는 전지에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구에 고용량을 가지는 활물질로 금속 또는 합금 등에 대한 연구가 진행되고 있으며, 일예로 미국 공개특허 제2011-0281156호에는 흑연 대비 용량밀도가 10배 이상인 실리콘을 흑연 또는 카본과 복합화하여 음극활물질로 사용하는 것이 시도되었으나, 사이클 특성이 좋지 않고, 충반전에 의한 부피 변화가 매우 커 활물질 미분화 및 집전체로부터 박리가 발생할 수 있으며, 이로 인한 전지 저항을 증대시켜 용량 및 수명 저하를 야기하는 문제점이 있다. The lithium secondary battery, which is one of the secondary batteries, includes a lithium secondary battery as well as a lithium ion secondary battery and has high voltage and energy density and is attracting attention as a power source for driving electronic devices. The lithium secondary battery is composed of an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator. The lithium ions in the electrolyte move toward the cathode when charged and toward the anode when discharged, thereby discharging or absorbing surplus electrons from each electrode Causing a chemical reaction, thereby generating electrical energy. Generally, a carbon-based material such as graphite is mainly used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. The theoretical capacity density of graphite is 372 mAh / g. Considering the capacity loss, the actual discharge capacity density falls to about 310 to 330 mAh / g, and a carbon material capable of absorbing, storing and discharging lithium ions with a capacity density higher than that And a demand for a battery having a higher energy density is increasing. For example, U.S. Published Patent Application No. 2011-0281156 discloses that silicon having a capacity density of at least 10 times that of graphite is combined with graphite or carbon to be used as an anode active material However, the cycle characteristics are not good, the volume change due to charge reversal is very large, and the active material is undifferentiated and peeling may occur from the current collector, resulting in increased battery resistance, resulting in a problem of capacity and life span degradation.

미국공개특허 제2011-0281156호(2011.11.17)U.S. Published Patent Application No. 2011-0281156 (Nov. 17, 2011)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고용량 및 고안정성을 발현할 수 있을 뿐만 아니라 사이클 특성을 매우 향상시키는 것과 동시에 간단한 공정으로 생산비를 획기적으로 절감할 수 있는 리튬이차전지용 음극활물질, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지를 제공하는 것이다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which can exhibit a high capacity and a high stability as well as a cycle property and can remarkably reduce a production cost by a simple process. Lithium provides a secondary battery.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 표면에 금속촉매가 증착된 실리콘 모노옥사이드 및 상기 금속촉매 상에 형성되는 카본/실리콘 나노와이어 복합체를 포함한다. The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes a silicon monoxide deposited on a surface of a metal catalyst and a carbon / silicon nanowire composite formed on the metal catalyst.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 실리콘 나노와이어의 직경이 5nm 내지 500nm 일 수 있다. The anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a diameter of 5 nm to 500 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 실리콘 나노와이어의 종횡비가 5 내지 1000 일 수 있다. The aspect ratio of the silicon nanowire may be 5 to 1000 in the anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 금속촉매로 은, 니켈, 금, 백금, 구리, 코발트, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 철 및 망간 중에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속을 포함할 수 있다. The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include one or more metals selected from silver, nickel, gold, platinum, copper, cobalt, molybdenum, ruthenium, iridium, iron and manganese .

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 금속촉매가 실리콘 모노옥사이드 함량대비 0.01내지 1.0wt%일 수 있다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a metal catalyst in an amount of 0.01 to 1.0 wt% based on the amount of silicon monoxide.

본 발명은 상술한 음극활물질을 함유하는 리튬이차전지용 음극을 포함한다.The present invention includes a negative electrode for a lithium secondary battery containing the above-mentioned negative electrode active material.

본 발명은 상술한 음극이 구비된 리튬이차전지를 포함한다.The present invention includes a lithium secondary battery having the negative electrode described above.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법은, A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes:

실리콘 모노옥사이드 표면 상에 금속 촉매 입자를 증착시키는 단계, 및 Depositing metal catalyst particles on the silicon monoxide surface, and

실리콘 모노옥사이드 표면 상부에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함한다. And growing the silicon nanowires on the surface of the silicon monoxide.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 나노와이어는 카본/실리콘 나노와이어 복합체인 것일 수 있다. In the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the silicon nanowire may be a carbon / silicon nanowire composite.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 금속 촉매 입자를 증착하는 단계는 실리콘 모노옥사이드 표면에 수용성 고분자 또는 겔화 고분자를 금속 전구체 화합물과 혼합한 혼합물을 코팅하는 것일 수 있다. In the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the step of depositing the metal catalyst particles may include coating a mixture of a water-soluble polymer or a gelled polymer with a metal precursor compound on the surface of the silicon monoxide have.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 금속 촉매 입자를 증착하는 단계는 스퍼터링, 물리적 기상 증착, 플라즈마강화 화학증착법, 열화학증착법, 이온빔 증발법, 진공 열 증발법, 레이저 어블레이션, 열 증발법 및 전자선 증발법으로 이루어진 군에서 선택되는 증착법에 의해 증착되는 것일 수 있다. In the method for manufacturing the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the step of depositing the metal catalyst particles may be performed by any one of sputtering, physical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, thermochemical vapor deposition, ion beam evaporation, Laser ablation, thermal evaporation, and electron beam evaporation may be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계는 1000 내지 1200℃에서 0.1 내지 6 시간 동안 열처리하는 것일 수 있다. In the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the step of growing the silicon nanowire may include heat treatment at 1000 to 1200 ° C for 0.1 to 6 hours.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 금속촉매는 은, 니켈, 금, 백금, 구리, 코발트, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 철 및 망간 중에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속을 포함한다. In the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the metal catalyst may be at least one selected from the group consisting of silver, nickel, gold, platinum, copper, cobalt, molybdenum, ruthenium, iridium, .

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 상기 각 단계 중 하나 이상은 비활성가스 분위기에서 수행할 수 있다. In the method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, at least one of the above steps may be performed in an inert gas atmosphere.

본 발명은 앞서 언급한 음극활물질 또는 제조방법으로 제조된 음극활물질을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.
The present invention provides a lithium secondary battery comprising the above-mentioned negative electrode active material or a negative electrode active material produced by the manufacturing method.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 알칼리 이온과의 전지 음극 반응시 발생할 수 있는 부피 팽창, 미분화, 박리로부터 안정성을 획기적으로 개선할 수 있으며, 고용량 및 사이클 특성을 매우 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법은 실리콘 모노옥사이드의 기재를 실리콘의 공급원으로 사용할 수 있기 때문에 추가적인 실리콘 원료의 공급이 필요하지 않아 그에 따른 시설을 확보하지 않아도 된다. 또한, 본 발명은 실리콘 모노옥사이드 위에 카본/실리콘 나노와이어 복합체를 형성함으로써 별도의 카본 코팅 단계가 필요 없어 비용을 절감으로 인한 생산비를 낮추고 대량생산이 가능하여 경제성이 뛰어난 이점이 있다.
The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention can drastically improve the stability from volume expansion, undifferentiation and peeling that may occur when a negative electrode active material is reacted with an alkali ion, and can greatly improve the capacity and cycle characteristics. In addition, since the base material of silicon monoxide can be used as a source of silicon, the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to the present invention does not require additional supply of a silicon raw material, and thus it is not necessary to secure facilities therefor. In addition, since the carbon / silicon nanowire composite is formed on the silicon monoxide, a separate carbon coating step is not required, and the production cost can be reduced and the mass production can be achieved.

도 1은 금속촉매가 코팅된 벌크 SiO 파우더를 이용하여 실리콘 나노와이어를 분말 표면에 성장시키는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 음극활물질의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 실시예 1에 따른 음극활물질의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 음극활물질의 XRD Data를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 음극활물질의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 음극활물질의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 음극활물질의 XRD Data를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1에 따른 음극활물질의 전기화학 특성 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따른 음극활물질의 전기화학 특성 결과 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 비교예 1에 따른 음극 활물질의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 11은 비교예 1에 따른 음극활물질의 XRD Data를 나타낸 것이다
도 12는 비교제조예 1에 따른 음극 활물질의 전기화학 특성 결과를 나타낸 것이다.
1 schematically shows a method of growing a silicon nanowire on a powder surface using a bulk SiO 2 powder coated with a metal catalyst.
2 is a SEM photograph of a negative electrode active material according to Example 1 of the present invention.
3 is a TEM photograph of a negative electrode active material according to Example 1 of the present invention.
4 shows XRD data of the negative electrode active material according to Example 1 of the present invention.
5 is a SEM photograph of a negative electrode active material according to Example 2 of the present invention.
6 is a TEM photograph of a negative electrode active material according to Example 2 of the present invention.
7 shows XRD data of the negative electrode active material according to Example 2 of the present invention.
8 shows electrochemical characteristics of the negative electrode active material according to Production Example 1 of the present invention.
9 shows the results of electrochemical characteristics of the negative electrode active material according to Production Example 2 of the present invention.
10 is a SEM photograph of the negative electrode active material according to Comparative Example 1. FIG.
11 shows the XRD data of the negative electrode active material according to Comparative Example 1
12 shows the electrochemical characteristics of the negative electrode active material according to Comparative Production Example 1. FIG.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 표면에 금속촉매가 증착된 실리콘 모노옥사이드 및 상기 금속촉매 상에 형성되는 실리콘 나노와이어를 포함한다. 즉, 본 발명의 리튬이차전지용 음극활물질은 실리콘 모노옥사이드를 기재로 하여, 기재 표면에 금속촉매가 증착이 되며, 금속촉매 상에 실리콘 나노와이어를 성장시켜 성게 모양의 구조를 갖는다. The negative active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes a silicon monoxide deposited on a surface of a metal catalyst and a silicon nanowire formed on the metal catalyst. That is, the anode active material for a lithium secondary battery according to the present invention has a structure of a sea urchin shape, in which a metal catalyst is deposited on the surface of a base material of silicon monoxide, and a silicon nanowire is grown on the metal catalyst.

이에 따라, 리튬이차전지용 음극활물질로서 실리콘이 고용량을 구현하지만 사이클 특성이 저하되거나, 실리콘 모노옥사이드가 실리콘에 비해 상대적으로 용량이 작은 점을 보완하는 것과 동시에 리튬 이온을 포함하는 알칼리 이온과의 전지 음극 반응시 발생할 수 있는 부피 팽창에 따른 열화로부터 기계적 물성이 저하되는 것을 개선할 수 있어, 고용량 및 고안정성, 우수한 사이클 특성을 갖는 실리콘 모노옥사이드 및 실리콘 나노와이어의 코어 쉘 구조를 갖는 실리콘 기반의 음극활물질을 제공할 수 있다. As a result, silicon as a negative electrode active material for a lithium secondary battery realizes a high capacity, but its cycle characteristics are degraded, and the silicon monoxide has a relatively small capacity as compared with silicon. At the same time, a battery negative electrode Based anode active material having a core shell structure of silicon monoxide and silicon nanowire having a high capacity and high stability and excellent cycle characteristics since deterioration in mechanical properties due to deterioration due to volume expansion that may occur upon reaction can be improved Can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 실리콘 나노와이어의 직경이 5nm 내지 500nm 일 수 있다. 나노와이어의 직경이 5nm 이하이면 나노와이어가 부러져 단락이 생겨 쇼트의 원인이 될 수 있으며, 직경이 500nm 이상이면 나노와이어의 기능을 충분히 발휘하지 못하여 부피팽창 문제가 생길 수 있다.The anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may have a diameter of 5 nm to 500 nm. When the diameter of the nanowire is less than 5 nm, the nanowire is broken and short-circuiting may occur, which may cause short-circuit. If the diameter is 500 nm or more, the nanowire can not sufficiently exhibit its function, resulting in a volume expansion problem.

본 발명에서 금속촉매 입자의 크기는 실리콘 나노와이어의 크기를 결정한다. 금속촉매 입자는 5nm 내지 500nm의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다. 금속촉매입자의 직경이 5nm 미만이면 나노와이어의 성장을 기대하기 어렵거나 작게 형성되어, 나노와이어의 표면적이 증가되어 예기치 못한 부반응이 생길 수 있으며, 500nm 초과하면 나노와이어의 직경이 커서 부피팽창의 문제를 야기하거나 나노와이어의 특성을 구현하기 어렵다. In the present invention, the size of the metal catalyst particles determines the size of the silicon nanowires. The metal catalyst particles preferably have an average particle diameter of 5 nm to 500 nm. If the diameter of the metal catalyst particles is less than 5 nm, the growth of the nanowires may be difficult or unexpected, and the surface area of the nanowires may be increased to cause unexpected side reactions. If the diameter of the nanowires exceeds 500 nm, And it is difficult to realize the characteristics of the nanowire.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 실리콘 나노와이어의 종횡비가 5 내지 1000 일 수 있다. 종횡비가 5 이하이면 실리콘 나노와이어 양이 충분하지 않아 원하는 수준의 전기화학 특성을 기대하기 어려우며, 종횡비가 1000이상이면 실리콘 표면적이 너무 높아지게 됨으로써 원하지 않는 부반응이 많아져 오히려 전기화학 특성을 저하시킬 수 있다.The aspect ratio of the silicon nanowire may be 5 to 1000 in the anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. If the aspect ratio is less than 5, the amount of silicon nanowires is insufficient and it is difficult to expect a desired level of electrochemical characteristics. If the aspect ratio is more than 1000, the silicon surface area becomes too high, which may result in undesired side reactions, .

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 금속촉매로 은, 니켈, 금, 백금, 구리, 코발트, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 철 및 망간 중에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속을 포함할 수 있으며, 반드시 이에 한정되지는 않는다. The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include one or more metals selected from silver, nickel, gold, platinum, copper, cobalt, molybdenum, ruthenium, iridium, , But is not necessarily limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질은 금속촉매가 실리콘 모노옥사이드 함량 대비 0.01 내지 1.0wt%인 것이 바람직하며, 금속촉매의 함량이 1wt% 초과하면 잔존 금속 촉매량이 많아져 쇼트 등의 문제를 야기할 수 있으며, 0.01wt% 미만이면 실리콘 나노와이어의 밀도가 낮아질 수 있다. In the anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the metal catalyst is preferably 0.01 to 1.0 wt% of the silicon monoxide content, and when the content of the metal catalyst is more than 1 wt%, the amount of the residual metal catalyst increases, And if it is less than 0.01 wt%, the density of the silicon nanowire may be lowered.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극활물질 상에 실리콘 나노와이어의 성장 양은 실리콘 모노옥사이드 중량 대비 5 내지 80%인 것이 바람직하다. The amount of growth of the silicon nanowire on the anode active material according to an embodiment of the present invention is preferably 5 to 80% by weight based on the weight of the silicon monoxide.

또한, 본 발명에서 금속촉매를 안정화시키기 위하여 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)), 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol)), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methacrylic acid)) 및 폴리락트산(poly(lactic acid)) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 수용성 고분자 또는 실리콘 나노와이어의 성장과 동시에 카본 코팅이 가능한 아가로오즈(agarose)와 같은 겔화 가능한 고분자(alginate, poly(vinyl alcohol), poly(acrylic acid)/poly(vinyl alcohol))를 사용할 수 있다. 이는 음극활물질의 제조 공정에서 금속촉매를 실리콘 모노옥사이드 상에 코팅되어 안정시키는 것과 동시에 실리콘 나노와이어를 성장시키기 위하여 고온에서 열처리 시 카본소스로 남게 되어 실리콘 나노와이어와 카본 실리콘 나노와이어 복합체를 형성하게 된다. 또한, 카본 소스로 남을 때 금속 촉매와 반응한 카본은 탄소 나노튜브를 형성하여 실리콘 나노와이어와 삼차원으로 얽히게 되어 전기전도도를 획기적으로 상승시킬 수 있는 이점이 있다. In order to stabilize the metal catalyst in the present invention, it is preferable to use poly (vinyl pyrrolidone), poly (ethylene oxide), poly (acrylic acid), poly (vinyl alcohol) vinyl alcohol, poly (methacrylic acid), and poly (lactic acid)), at the same time as the growth of the water-soluble polymer or silicon nanowire is possible (Alginate, poly (vinyl alcohol), poly (acrylic acid) / poly (vinyl alcohol)) such as agarose can be used. This is because the metal catalyst is coated and stabilized on the silicon monoxide during the manufacturing process of the anode active material, and remains as a carbon source when the heat treatment is performed at a high temperature to grow the silicon nanowire, thereby forming the silicon nanowire and the carbon silicon nanowire composite . In addition, carbon remaining in the carbon source when reacted with the metal catalyst forms a carbon nanotube and is entangled with the silicon nanowire in a three-dimensional manner, thereby remarkably increasing the electrical conductivity.

본 발명은 상술한 음극활물질을 함유하는 리튬이차전지용 음극을 포함한다.The present invention includes a negative electrode for a lithium secondary battery containing the above-mentioned negative electrode active material.

본 발명에 따른 음극활물질을 구비한 리튬이차전지는 음극활물질을 포함하는 음극과 양극활물질을 포함하는 양극 및 이온전도체를 구비하며, 음극은 바인더 또는 집전체를 더 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극활물질 이외에 공지된 음극활물질을 더 포함하는 것도 가능하다. The lithium secondary battery having the negative electrode active material according to the present invention includes a negative electrode including a negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material, and an ion conductor, and the negative electrode may further include a binder or a current collector. It is possible to further include a known negative active material in addition to the negative active material according to the embodiment.

본 발명은 상술한 음극이 구비된 리튬이차전지를 포함한다.The present invention includes a lithium secondary battery having the negative electrode described above.

본 발명의 일 실시에에 따른 리튬이차전지는 음극, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 분리막(separator), 상기 음극, 양극 및 분리막에 함침된 이온전도체와, 전지용기 및 전기용기를 밀봉하는 밀봉재로 이루어질 수 있다.The lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention includes a cathode, an anode, a separator between the cathode and the anode, an ion conductor impregnated in the cathode, the anode and the separator, and a sealing material sealing the battery container and the electric container Lt; / RTI >

이때, 양극은 이차전지에서 통상적으로 사용되는 양극 활물질을 함유할 수 있으며, 양극 활물질의 일 예로, Li-M-P계(M은 Fe, Mn, Co, Ni로 구성된 군에서 선택된 1종 이상), Li-Mn-Ni계, Li-Ni-Mn-Co계 리튬 복합산화물을 들 수 있다. In this case, the anode may contain a cathode active material conventionally used in a secondary battery. Examples of the cathode active material include a Li-MP system (M is at least one selected from the group consisting of Fe, Mn, Co and Ni), Li -Mn-Ni system, and a Li-Ni-Mn-Co system lithium composite oxide.

이때, 전해질은 이차전지에서 통상적으로 사용되는 비수계 전해질을 포함할 수 있으며, 전해질의 일 예로, 용매에 과염소산 리튬, 붕불화 리튬을 포함하는 리튬염이 용해된 액상 전해질을 들 수 있으며, 용매의 일 예로, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트를 포함한 에스테르계 용매를 들 수 있다.In this case, the electrolyte may include a non-aqueous electrolyte commonly used in a secondary battery. Examples of the electrolyte include a liquid electrolyte in which a lithium salt including lithium perchlorate and lithium borofluoride is dissolved in a solvent. Examples thereof include ester solvents including propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.

이때, 분리막은 이차전지에서 음극과 양극의 단락을 방지하기 위해 이차전지에서 통상적으로 사용되는 분리막을 포함할 수 있으며, 전해질을 지지하는 역할을 수행할 수 있음은 물론이다. 분리막의 일 예로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀을 포함하는 미세 다공막을 들 수 있으며, 과전류 방지기능, 전해질 유지 기능, 물리적 강도 향상을 위해 다수개의 폴리에틸렌막, 폴리프로필렌막, 부직포등의 유기막이 적층된 적층구조를 가질 수 있다.In this case, the separation membrane may include a separation membrane that is conventionally used in a secondary battery to prevent a short circuit between the cathode and the anode in the secondary battery, and may also support the electrolyte. Examples of the separator include microporous membranes including polyethylene, polypropylene, and polyolefin, and organic membranes such as a plurality of polyethylene membranes, polypropylene membranes, and nonwoven fabrics may be stacked to prevent overcurrent, And may have a laminated structure.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법은, A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes:

실리콘 모노옥사이드 표면 상에 금속 촉매 입자를 증착시키는 단계, 및 Depositing metal catalyst particles on the silicon monoxide surface, and

실리콘 모노옥사이드 표면 상부에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함한다. And growing the silicon nanowires on the surface of the silicon monoxide.

이때, 금속 촉매 입자를 증착하는 단계는 계면활성제와 같은 수용성 고분자와 금속 전구체의 혼합물로부터 금속 입자를 코팅하거나, 아가로오즈와 같은 겔화 고분자와 금속 전구체의 혼합물로부터 금속 입자를 코팅하는 방법을 사용하여 금속촉매를 실리콘 모노옥사이드 상에 코팅되어 안정시키는 것과 동시에 실리콘 나노와이어를 성장시키기 위하여 고온에서 열처리 시 카본소스로 남게 되어 실리콘 나노와이어와 카본 실리콘 나노와이어 복합체를 형성할 수 있다. At this time, the step of depositing the metal catalyst particles may include coating metal particles from a mixture of a water-soluble polymer such as a surfactant and a metal precursor, or coating a metal particle from a mixture of a gelling polymer such as agarose and a metal precursor The metal catalyst may be coated on the silicon monoxide to stabilize the silicon nanowire and remain as a carbon source during the heat treatment at a high temperature to grow the silicon nanowire to form a carbon nanowire and carbon nanowire composite.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계는 실리콘 모노옥사이드가 실리콘과 실리카로 분해되는 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 분해된 실리콘은 실리콘 나노와이어의 성장 소스로 제공됨으로써 추가적인 실리콘 원료의 공급을 필요로 하지 않고 간단한 공정으로 수율을 높일 수 있는 이점이 있다.  In the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the step of growing the silicon nanowire is preferably performed at a temperature at which the silicon monoxide is decomposed into silicon and silica. At this time, the disassembled silicon is provided as a growth source of the silicon nanowire, so that there is an advantage that the yield can be increased by a simple process without requiring additional supply of the silicon raw material.

본 발명에서 금속 촉매 입자가 수용성 고분자 또는 겔화 고분자에 의해 코팅된 것이라면 실리콘 나노와이어의 성장시키는 공정에 열처리하는 공정을 더 실시함으로써 실리콘 모노옥사이드 표면에 카본/실리콘 나노와이어 복합체를 형성할 수 있다. 이때, 열처리 조건은 금속촉매와 실리콘이 반응하여 형성되는 메탈실리사이드의 융해 온도(eutectic temperature)보다 50 내지 100℃ 이상의 온도, 바람직하게는 1000 내지 1200℃에서 0.1 내지 6 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. In the present invention, if the metal catalyst particles are coated with a water-soluble polymer or a gelated polymer, a carbon / silicon nanowire composite may be formed on the surface of the silicon monoxide by further performing a heat treatment process for growing the silicon nanowire. At this time, the heat treatment is preferably performed at a temperature of 50 to 100 ° C or higher, preferably 1000 to 1200 ° C, for 0.1 to 6 hours, which is higher than the eutectic temperature of the metal silicide formed by the reaction between the metal catalyst and silicon.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극활물질의 제조방법에 있어서, 실리콘 나노와이어의 직경, 길이 및 종횡비는 실리콘 모노옥사이드의 스펙에 따라, 또는 금속촉매 입자의 입경 및 열처리 온도 및/또는 열처리 시간에 의해 조절함으로써 물성을 개선할 수 있다.In the method of manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention, the diameter, the length, and the aspect ratio of the silicon nanowire may be varied depending on the specification of the silicon monoxide or the particle diameter of the metal catalyst particles and the heat treatment temperature and / It is possible to improve the physical properties.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 금속촉매는 은, 니켈, 금, 백금, 구리, 코발트, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 철 및 망간 중에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속을 포함한다. In the method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the metal catalyst may be at least one selected from the group consisting of silver, nickel, gold, platinum, copper, cobalt, molybdenum, ruthenium, iridium, .

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 음극활물질의 제조방법에 있어서, 상기 각 단계 중 하나 이상은 비활성가스 분위기에서 수행할 수 있다.
In the method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, at least one of the above steps may be performed in an inert gas atmosphere.

이하, 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것으로서 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be better understood by reference to the following examples, and the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of protection of the present invention.

[실시예 1][Example 1]

실리콘 모노옥사이드 파우더 2 g (시그마알드리치, Silicon mono oxide), 폴리비닐피롤리돈 0.2 g (시그마알드리치, polyvinylpyrrolidone) 및 물 7 g을 glass vial에 넣고 100℃에서 1시간 교반하였다. 이후, 니켈 소스로서 NiCl2 20 mg을 넣고 100℃에서 1시간 교반하였다. 교반이 끝나면 반응하지 않은 폴리비닐피롤리돈을 에탄올로 세착하여 제거한 후 필터를 통해 금속전구체를 포함하는 폴리비닐피롤리돈이 코팅된 실리콘 모노옥사이드 분말을 얻었다. 얻어진 시료의 물을 완전히 제거하기 위해서 80℃ 오븐에서 12 시간, 그리고 70℃ 진공오븐에서 24 시간 시료를 건조시켰다. 다음으로, 실리콘 나노와이어를 성장시키기 위해 알루미나 오븐에서 500℃ 에서 30분, 1050℃에서 2시간 동안 아르곤 분위기 하에서 열처리를 실시하여 실리콘 모노옥사이드 상에 실리콘 나노와이어가 성장된 성게모양의 실리콘 음극 활물질을 얻었다.
2 g of silicon monoxide powder (Sigma Aldrich, Silicon mono oxide), 0.2 g of polyvinylpyrrolidone (Sigma Aldrich, polyvinylpyrrolidone) and 7 g of water were placed in a glass vial and stirred at 100 ° C for 1 hour. Thereafter, 20 mg of NiCl 2 was added as a nickel source, and the mixture was stirred at 100 ° C for 1 hour. After the stirring, the unreacted polyvinylpyrrolidone was removed by washing with ethanol, and a polyvinylpyrrolidone-coated silicon monoxide powder containing a metal precursor was obtained through a filter. The sample was dried in an oven at 80 DEG C for 12 hours and at 70 DEG C in a vacuum oven for 24 hours to completely remove the water of the obtained sample. Next, in order to grow silicon nanowires, heat treatment was performed in an alumina oven at 500 ° C. for 30 minutes and at 1050 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere to form a silicon nano wire grown on the silicon monoxide, .

[실시예 2] [Example 2]

폴리비닐피롤리돈 대신에 겔화 고분자인 아가로오즈[Agarose, 시그마알드리치, Type I-B] 0.2 g을 넣고, 물을 7.3g 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 실시하여 겔 형태의 시료를 얻었고, 이를 80℃ 오븐에서 12 시간, 그리고 70℃ 진공오븐에서 24 시간 시료를 건조시켰다. 다음으로, 실리콘 나노와이어를 성장시키기 위해 알루미나 오븐에서 500℃ 에서 30분, 1050℃에서 2시간 동안 아르곤 분위기 하에서 열처리를 실시하여 실리콘 모노옥사이드 상에 실리콘 나노와이어가 성장된 성게모양의 실리콘 음극 활물질을 얻었다.
A gel-like sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.2 g of agarose (Agarose, Sigma Aldrich, Type IB) was added in place of polyvinylpyrrolidone and 7.3 g of water was added. , Which was dried for 12 hours in an 80 ° C oven and for 24 hours in a 70 ° C vacuum oven. Next, in order to grow silicon nanowires, heat treatment was performed in an alumina oven at 500 ° C. for 30 minutes and at 1050 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere to form a silicon nano wire grown on the silicon monoxide, .

[제조예 1][Production Example 1]

실시예 1에서 제조한 리튬 이차 전지용 음극 활물질 (60)중량%, 도전재 (Super P carbon black) (20) 중량%, 바인더 (PAA/CMC, wt/wt = 1/1) (20) 중량%를 물에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 구리 호일 위에 상기 음극 슬러리를 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다. 대극으로 알루미늄 호일을 사용하고, 상기 음극과 개득의 중간에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 개재한 후, 1.3M의 LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디메틸카보네이트(DMC)의 혼합 용매(3:7의 부피비)를 사용한 전해액을 주입하여 코인셀(half-cell)을 제조하였다.
(PAA / CMC, wt / wt = 1/1) (20) weight% of the negative electrode active material (60) for a lithium secondary battery prepared in Example 1, the weight of the conductive material (Super P carbon black) Was dispersed in water to prepare an anode slurry. The negative electrode slurry was coated on a copper foil, followed by drying and rolling to prepare a negative electrode. (3: 7 volume ratio) of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) dissolved in 1.3 M of LiPF6 was used as the anode, and a polyethylene separator was interposed between the anode and the cathode. Was injected to prepare a coin cell (half-cell).

[제조예 2][Production Example 2]

실시예 2의 음극활물질을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 같은 방법으로 코인셀을 제조하였다.
A coin cell was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that the negative electrode active material of Example 2 was used.

[비교예 1][Comparative Example 1]

비교예 1은 실리콘 모녹사이드 파우더 2 g (시그마알드리치, Silicon mono oxide)을 알루미나 오븐에서 1050℃에서 2hr 동안 아르곤 분위기 아래에서 열처리를 수행하여, 실리콘 모노옥사이드가 실리콘과 실리카로 분해되도록 한다. 상기 방법에 의해 실리콘 모노옥사이드는 내부에 실리콘 입자와 실리카 매트릭스로 구성된 물질을 제조하였다.
In Comparative Example 1, 2 g of silicon monoxide powder (Sigma Aldrich) was subjected to a heat treatment in an alumina oven at 1050 ° C for 2 hours under an argon atmosphere to cause the silicon monoxide to decompose into silicon and silica. By this method, the silicon monoxide produced a material composed of silicon particles and a silica matrix inside.

[비교제조예 1][Comparative Production Example 1]

비교예 1의 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제조하였다.
A coin cell was produced in the same manner as in Production Example 1, except that the negative electrode active material of Comparative Example 1 was used.

본 발명에 따른 음극활물질은 실시예에서 보이는 바와 같이, 고용량 및 고안정성, 사이클 특성이 매우 우수하며, 특히, 실리콘 소스의 외부 공급 없이 이루어지기 때문에 다수의 공정을 거치지 않을 뿐 아니라, 별도의 카본 코팅도 필요없어, 간단한 공정으로 실리콘 모노옥사이드 상에 실리콘 나노와이어를 성장시킨 리튬이차전지용 음극활물질을 대량생산할 수 있는 이점이 있다.
Since the negative electrode active material according to the present invention is excellent in high capacity, high stability, and cycle characteristics, and is not particularly required to be supplied externally with a silicon source, it is not subjected to a number of steps, There is an advantage that a negative electrode active material for a lithium secondary battery in which silicon nanowires are grown on a silicon monoxide can be mass produced by a simple process.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (15)

표면에 금속촉매가 증착된 실리콘 모노옥사이드 및 상기 금속촉매 상에 형성되는 실리콘 나노와이어를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질. 1. A negative active material for a lithium secondary battery, comprising: a silicon monoxide deposited on a surface of a metal catalyst; and a silicon nanowire formed on the metal catalyst. 제 1항에 있어서,
상기 실리콘 나노와이어는 실리콘/카본 나노와이어 복합체인 리튬이차전지용 음극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon nanowire is a silicon / carbon nanowire composite.
제 1항에 있어서,
실리콘 나노와이어는 직경이 5 내지 500 nm인 리튬이차전지용 음극활물질.
The method according to claim 1,
The silicon nanowire is a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a diameter of 5 to 500 nm.
제 1항에 있어서,
실리콘 나노와이어는 종횡비가 5 내지 1000인 리튬이차전지용 음극활물질.
The method according to claim 1,
The silicon nanowire is an anode active material for a lithium secondary battery having an aspect ratio of 5 to 1000.
제 1항에 있어서,
금속촉매는 은, 니켈, 금, 백금, 구리, 코발트, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 철 및 망간 중에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속을 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst comprises one or more selected from the group consisting of silver, nickel, gold, platinum, copper, cobalt, molybdenum, ruthenium, iridium, iron and manganese.
제 1항에 있어서,
금속촉매는 실리콘 모노옥사이드 중량대비 0.01내지 1.0wt%인 리튬이차전지용 음극활물질.
음극활물질 상에 실리콘 나노와이어의 성장 양은 실리콘 모노옥사이드 중량 대비 5 내지 80%이고, 음극활물질 상 실리콘 나노와이어의 길이는 종횡비가 5내지 1000이하인 리튬이차전지용 음극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst is 0.01 to 1.0 wt% based on the weight of the silicon monoxide.
Wherein the growth amount of the silicon nanowires on the anode active material is 5 to 80% by weight based on the weight of the silicon monoxide, and the aspect ratio of the silicon nanowires on the anode active material is 5 to 1000 or less.
실리콘 모노옥사이드 표면 상에 금속 촉매 입자를 증착시키는 단계, 및
실리콘 모노옥사이드 표면 상부에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계, 를 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
Depositing metal catalyst particles on the silicon monoxide surface, and
And growing a silicon nanowire on the surface of the silicon monoxide.
제 7항에 있어서,
실리콘 나노와이어는 카본/실리콘 나노와이어 복합체인 것인 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the silicon nanowire is a carbon / silicon nanowire composite.
제 7항에 있어서,
상기 금속 촉매 입자를 증착하는 단계는 실리콘 모노옥사이드 표면에 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)), 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol)), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methacrylic acid)) 및 폴리락트산(poly(lactic acid)) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 수용성 고분자 또는 아가로오즈(agarose) 및 알긴산(alginate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 겔화가 가능한 고분자를 금속 전구체 화합물과 혼합한 혼합물을 코팅하는 것인 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
The step of depositing the metal catalyst particles may include depositing a metal oxide on the surface of the silicon monoxide layer using polyvinyl pyrrolidone, poly (ethylene oxide), poly (acrylic acid), polyvinyl alcohol soluble polymer or an agarose selected from the group consisting of poly (vinyl alcohol), poly (methacrylic acid) and poly (lactic acid), and alginic acid and a mixture of a polymer capable of gelation and a metal precursor compound selected from the group consisting of alginate and alginate is coated on the surface of the negative electrode active material for lithium secondary battery.
제 7항에 있어서,
금속 촉매 입자를 증착하는 단계는 스퍼터링, 물리적 기상 증착, 플라즈마강화 화학증착법, 열화학증착법, 이온빔 증발법, 진공 열 증발법, 레이저 어블레이션, 열 증발법 및 전자선 증발법으로 이루어진 군에서 선택되는 증착법에 의해 증착되는 것인 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
The step of depositing the metal catalyst particles may be performed by a vapor deposition method selected from the group consisting of sputtering, physical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, thermochemical vapor deposition, ion beam evaporation, vacuum thermal evaporation, laser ablation, thermal evaporation and electron beam evaporation Wherein the negative electrode active material is deposited by a sputtering method.
제 7항에 있어서,
실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계는 1000 내지 1200℃에서 실시하는 것인 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of growing the silicon nanowires is performed at 1000 to 1200 占 폚.
제 7항에 있어서,
실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계는 1000 내지 1100℃에서 0.1 내지 6 시간 동안 열처리하는 것을 더 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of growing the silicon nanowire further comprises a heat treatment at 1000 to 1100 ° C for 0.1 to 6 hours.
제 7항에 있어서,
금속촉매는 은, 니켈, 금, 백금, 구리, 코발트, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 철 및 망간 중에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속을 포함하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the metal catalyst comprises one or more selected from the group consisting of silver, nickel, gold, platinum, copper, cobalt, molybdenum, ruthenium, iridium, iron and manganese.
제 7항에 있어서,
각 단계 중 하나 이상은 비활성가스 분위기에서 수행하는 리튬이차전지용 음극활물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein at least one of the steps is performed in an inert gas atmosphere.
제 1항 내지 제6항 중에서 선택되는 어느 한 항의 음극활물질 또는 제7항 내지 제14항 중에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 음극활물질을 포함하는 리튬이차전지.
A lithium secondary battery comprising a negative active material according to any one of claims 1 to 6 or a negative active material according to any one of claims 7 to 14.
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