KR20150067627A - Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material - Google Patents

Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material Download PDF

Info

Publication number
KR20150067627A
KR20150067627A KR1020130153318A KR20130153318A KR20150067627A KR 20150067627 A KR20150067627 A KR 20150067627A KR 1020130153318 A KR1020130153318 A KR 1020130153318A KR 20130153318 A KR20130153318 A KR 20130153318A KR 20150067627 A KR20150067627 A KR 20150067627A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
mesoporous
carbon
carbon precursor
mixing
Prior art date
Application number
KR1020130153318A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101563337B1 (en
Inventor
이종대
Original Assignee
충북대학교 산학협력단
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 충북대학교 산학협력단 filed Critical 충북대학교 산학협력단
Priority to KR1020130153318A priority Critical patent/KR101563337B1/en
Publication of KR20150067627A publication Critical patent/KR20150067627A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101563337B1 publication Critical patent/KR101563337B1/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
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • 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
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • 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

Abstract

In the present invention, disclosed is a manufacturing method of silicon and carbon composite materials for negative electrode materials of secondary batteries, comprising the steps of manufacturing mesoporous silica by using surfactant and tetraethyl orthosilicate (TEOS); manufacturing mesoporous silicon with use of the mesoporous silica; and mixing the mesoporous silicon with carbon precursor.

Description

이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법{Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing a silicon and carbon composite material for a secondary battery anode material,

본 발명은 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리튬이차전지의 음극재로 각광받고 있는 고용량의 실리콘의 가장 큰 단점 중의 하나로 부각되는 부피팽창을 보완할 수 있도록 한 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a silicon and carbon composite material for a secondary battery anode material, and more particularly, to a method for manufacturing a silicon and a carbon composite material for a secondary battery anode material, which more suitably compensates for volume expansion, which is one of the biggest disadvantages of high- And a method for manufacturing a silicon and carbon composite material for a secondary battery negative electrode material.

IT(Information Technology) 기술이 발달함에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 노트북, 태블릿 PC 등 다양한 휴대용 정보 통신 기기들이 각광 받고 있으며 이러한 휴대용 정보 통신 기기의 전원은 소형화 및 고에너지 밀도화가 요구되어지고 있다. 이러한 전자기기휴대용 소형 전자 기기의 주요 전원 장치로서는 1990년대 초에 상용화된 리튬이차전지가 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.As IT (Information Technology) technology develops, a variety of portable information communication devices such as smart phones, digital cameras, notebooks, and tablet PCs are in the spotlight, and miniaturization and high energy density of such portable information communication devices are required. [0003] Lithium secondary batteries commercialized in the early 1990s occupy a very important position as a main power source device of such portable electronic devices.

최근자료 리튬이차전지는 다른 이차전지에 비해 작동전압 및 에너지 밀도가 높을 뿐 아니라 장시간 사용할 수 있어 기기의 다양한 요구조건을 충족시킬 수 있는 우수한 특성을 지니고 있기 때문에, 최근에는 리튬이차전지의 기술을 더욱 발전시켜 수송 장치, 전력저장 장치, 의료 장치, 국방 장치 등으로 그 응용분야를 확대하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. Recent data Lithium secondary batteries have higher operating voltages and energy densities than other secondary batteries and have excellent properties that can meet various requirements of devices because they can be used for a long time. Efforts are being actively made to expand the application field of the vehicle to a transportation device, a power storage device, a medical device, and a defense device.

현재 리튬이차전지의 음극소재로서 널리 사용되고 있는 그라파이트(Graphite)의 경우에는 372 mAh/g 비교적 높은 이론 용량에도 불구하고, 리튬이차전지의 다양한 응용에서는 이론적 용량의 한계에 부딪히고 있다. Despite the relatively high theoretical capacity of 372 mAh / g in the case of Graphite, which is widely used as a negative electrode material for lithium secondary batteries, the theoretical capacity is limited in various applications of lithium secondary batteries.

그 외에도 첫 번째 사이클 이후의 낮은 가역용량과 낮은 율속 특성의 문제점 등이 대두되면서 리튬이차전지의 다양한 장치의 적용에 어려움이 있어, 새로운 다른 음극소재들의 연구가 진행되고 있다. In addition, since the low reversibility capacity after the first cycle and the problem of low rate characteristic arise, it is difficult to apply various devices of the lithium secondary battery, and research on other new anode materials is under way.

리튬이차전지의 음극소재로 새롭게 각광받고 있는 소재 중의 하나로서 실리콘은 이론용량이 4200 mAh/g으로 기존의 음극소재보다 확연히 높은 용량을 갖으며, 지구상에 매장량이 풍부하며 환경 친화적인 물질이라는 많은 장점을 갖기 때문에 다양한 장치의 적용 등에 있어서 적합한 물질로서 대두대고 있다. As one of the materials that is newly attracted to the cathode material of lithium secondary battery, silicon has a theoretical capacity of 4200 mAh / g, which has a significantly higher capacity than conventional negative electrode materials, has many reserves on the earth, Which is a suitable material for application of various devices and the like.

이러한 실리콘은 높은 이론 용량을 갖는 반면에, 충/방전 시에 발생하는 큰 부피 팽창으로 인해 실리콘(Silicon) 입자의 분해 및 이에 따른 Li 이온의 저장 공간이 손실되어 충/방전이 지속되면 그로인한 용량 감퇴가 매우 빠르게 발생된다는 치명적인 단점을 갖고 있다. These silicones have a high theoretical capacity, while the decomposition of silicon particles due to the large volume expansion occurring during charging / discharging, and thus the storage space of Li ions are lost, It has a fatal disadvantage that decay occurs very quickly.

고용량을 갖는 Silicon의 부피팽창을 억제하기 위해서는 Silicon 입자를 나노화하여 Li 확산 거리를 짧게 하여 충/방전시에 빠른 삽입/탈리를 유도하는 것으로 Silicon Nano Tube, Silicon Nano Wire 등의 연구가 진행되었다. Silicon Nano Tube and Silicon Nano Wire have been studied to induce rapid insertion / desorption at the time of charging / discharging by shortening the Li diffusion distance by nanoizing the silicon particles to suppress the volume expansion of the silicon having a high capacity.

그 외에도 비활성의 탄소 층을 Silicon 표면에 코팅하여 탄소층이 Silicon의 부피팽창의 완충제 역할을 하도록 하는 방법이 있으며, 다공성 Silicon을 제조하여 전해액과의 접촉 면적을 늘려 Li 이온의 확산이 빠르게 진행되도록 유도하는 방법이다.In addition, there is a method of coating an inactive carbon layer on the silicon surface to make the carbon layer serve as a buffer for volume expansion of the silicon. By making the porous silicon, it is possible to increase the contact area with the electrolyte, .

1. 대한민국 등록특허 제10-0441513호1. Korean Patent No. 10-0441513 2. 대한민국 등록특허 제10-0830612호2. Korean Patent No. 10-0830612 3. 대한민국 등록특허 제10-1253494호3. Korean Patent No. 10-1253494

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 리튬이차전지의 음극소재로서 고용량의 실리콘의 부피가 팽창하는 것을 방지할 수 있도록 한 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a silicon and carbon composite material for a secondary battery anode material, which can prevent the volume of a high-capacity silicon as an anode material of a lithium secondary battery from being expanded. .

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법은, 계면활성제와 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS: tetraethyl orthosilicate)를 사용하여 메조포러스 실리카를 제조하는 단계; 상기 메조포러스 실리카를 이용하여 메조포러스 실리콘을 제조하는 단계; 및 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for preparing a silicon and carbon composite material for a secondary battery anode material, comprising the steps of: preparing a mesoporous silica using a surfactant and tetraethyl orthosilicate (TEOS); Preparing mesoporous silicon using the mesoporous silica; And mixing the mesoporous silicon and the carbon precursor.

상기 메조포러스 실리카를 제조하는 단계는, (a) P123(polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol)을 염산(HCl)과 물(H2O)을 첨가하여 완전히 녹을 때까지 교반하는 단계; (b) 상기 용액에 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS: tetraethyl orthosilicate)를 첨가하여 함께 초음파로 교반시키는 단계; (c) 100℃에서 12∼24시간 가열하는 단계; (d) 여과를 한 후에, 에탄올로 세척하고 100℃에서 건조시키는 단계; 및 (e) P123을 제거하기 위하여 550℃에서 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
A step of producing the mesoporous silica, (a) P123 (polyethylene glycol -block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol) with hydrochloric acid comprising: stirring until completely dissolved by the addition of (HCl) and water (H 2 O) ; (b) adding tetraethyl orthosilicate (TEOS) to the solution and agitating the solution together by ultrasonic waves; (c) heating at 100 占 폚 for 12 to 24 hours; (d) filtration, washing with ethanol and drying at 100 < 0 >C; And (e) firing at 550 DEG C to remove P123.

상기 메조포러스 실리콘을 제조하는 단계는, (a) 상기 메조포러스 실리카와 MgO를 1:2의 몰 비율로 혼합하여 교반시키는 단계; (b) 650℃의 온도에서 아르곤 가스분위기 하에서 3℃/min의 승온속도로 소성하는 단계; (c) MgO를 제거하기 위하여 염산으로 산처리한 후 에탄올을 이용하여 필터링하는 단계; 및 (d) 100℃의 온도로 오븐에서 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 불화수소를 이용하여 실리카를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(A) mixing the mesoporous silica and MgO in a molar ratio of 1: 2 and stirring the mesoporous silica; (b) firing at 650 DEG C at a heating rate of 3 DEG C / min under an argon gas atmosphere; (c) acid treatment with hydrochloric acid to remove MgO, followed by filtering with ethanol; And (d) drying in an oven at a temperature of 100 ° C. The method of claim 1, further comprising the step of removing silica by using hydrogen fluoride.

상기 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 혼합하는 단계는, (a) 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 중량비 1:3∼7로 하여 준비하는 단계; (b) 상기 탄소전구체를 아세톤에 용해하여 용액을 준비하는 단계; (c) 상기 용액에 메조포로스 실리콘을 첨가하여 균일하게 혼합하는 단계; (d) 상기 혼합물을 아세톤의 증발을 위해 100℃의 온도로 오븐에서 건조시키는 단계; 및 (e) 700∼900℃에서 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 7시간동안 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The step of mixing the mesoporous silicon and the carbon precursor comprises: (a) preparing mesoporous silicon and a carbon precursor at a weight ratio of 1: 3 to 7; (b) dissolving the carbon precursor in acetone to prepare a solution; (c) adding mesoporous silicon to the solution and uniformly mixing the solution; (d) drying the mixture in an oven at a temperature of 100 DEG C for evaporation of acetone; And (e) calcining the mixture at 700 to 900 占 폚 for 7 hours while flowing argon (Ar) gas.

상기 (a)혼합단계에서, 상기 탄소전구체는 페놀레진(phenol resin) 또는 수크로오스(sucrose)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
In the (a) mixing step, the carbon precursor is characterized by using phenol resin or sucrose.

상기 (e)소성단계에서, 상기 소성은 아르곤 및/또는 질소가스를 300∼500cc/분의 속도로 주입하여 반응분위기를 조절하면서 수행하는 것을 특징으로 한다.In the step (e), the calcination is performed while adjusting the reaction atmosphere by injecting argon and / or nitrogen gas at a rate of 300 to 500 cc / min.

본 발명에 따르면, 제조된 실리콘 및 탄소 복합소재의 충방전 결과 가역용량은 1300 mAh/g의 고용량 특성을 나타내었으며, 사이클 테스트 결과 사이클 보존용량은 76%로 안정적이며 우수한 결과를 나타내었다. According to the present invention, the reversible capacity of the produced silicon and carbon composite material exhibited a high capacity of 1300 mAh / g, and the cyclic test showed a stable and excellent cycle storage capacity of 76%.

본 발명의 친수성과 소수성 블록 공중합체를 주형물질로 메조포로스 실리콘을 제조하고 이를 탄화시켜 실리콘/탄소 복합체를 제조하여 전지의 전기화학적 충방전 특성이 매우 우수한 음극소재를 제조하는 효과를 갖는다. The mesoporous silicon is produced from the hydrophilic and hydrophobic block copolymer of the present invention as a template material and carbonized to produce a silicon / carbon composite material, thereby producing a cathode material having an excellent electrochemical charge / discharge characteristic of the battery.

본 발명에 따르면, 전지의 용량이 매우 향상되며, 또한 실리콘의 단점인 부피팽창에 의한 전극손실도 보완하고, 이를 통한 충방전 싸이클 안정성이 매우 우수하여 제품공정에서 장점이 있는 음극소재를 제조함으로서 전지의 안정성을 향상시켜, 다양한 양극소재와 함께 전지의 성능을 향상시킬 전지를 제조한다. 본 발명에서는 이와 같은 전극 소재를 사용하여 전해액에 따른 전기적 안정성이 우수하고 전지의 특성이 향상된 에너지 저장장치(이차전지)를 실현할 수 있다.According to the present invention, the capacity of a battery is greatly improved, electrode loss due to volume expansion, which is a disadvantage of silicon, is complemented, and the stability of charging and discharging cycles is excellent. Thus, Thereby improving the performance of the battery together with various anode materials. In the present invention, it is possible to realize an energy storage device (secondary battery) using such an electrode material and having excellent electrical stability according to an electrolyte solution and improved characteristics of the battery.

도 1은 이차전지 음극소재용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조공정을 도시한 도면이다.
도 2는 실리콘 및 탄소 복합소재의 이차전지 음극 및 반쪽전지 제조공정을 표시한 도면이다.
도 3는 실리콘 및 탄소 복합소재의 결정구조를 확인하기 위하여 XRD 분석 결과이다.
도 4는 실리콘 및 탄소 복합소재의 표면 SEM 사진을 분석한 결과이다.
도 5는 실리콘 및 탄소 복합소재의 등온곡선을 분석한 결과이다.
도 6는 실리콘 및 탄소 복합소재의 열분석을 분석한 결과이다.
도 7는 음극활물질로 다양한 비율의 실리콘 및 탄소를 사용한 이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 음극활물질로 실리콘 및 탄소 복합소재를 사용한 이차전지의 율속 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9은 음극활물질로 실리콘 및 탄소 복합소재를 사용한 이차전지의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of a silicon and carbon composite material for a secondary battery anode material. FIG.
FIG. 2 is a view showing a process for manufacturing a negative electrode and a half-cell of a secondary battery of a silicon and carbon composite material.
FIG. 3 shows XRD analysis results to confirm the crystal structure of the silicon and carbon composite material.
FIG. 4 is a cross- It is the result of analyzing the surface SEM photograph of the composite material.
FIG. 5 is a cross- This is the result of analyzing the isotherm curves of composite materials.
FIG. 6 is a cross- It is the analysis result of the thermal analysis of the composite material.
7 is a graph showing the charging / discharging characteristics of a secondary battery using various ratios of silicon and carbon as the negative electrode active material.
8 is a graph showing rate characteristics of a secondary battery using a silicon and carbon composite material as a negative electrode active material.
9 is a graph showing impedance characteristics of a secondary battery using a silicon and carbon composite material as a negative electrode active material.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a silicon and carbon composite material for a secondary battery negative electrode material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 고용량의 실리콘의 부피팽창을 해결하여 싸이클 안정성이 우수한 음극소재를 제조하여 이차전지에 사용하는 것으로, 첫 번째는 나노 입자의 메조기공을 갖는 실리콘을 합성한 후 탄화과정을 거쳐 실리콘 입자 표면에 탄소로 코팅된 실리콘 및 탄소 복합소재를 합성하여 부피팽창에 의한 문제를 보완하고자 하였다. 실리콘 입자의 단점인 부피팽창으로 인한 사이클 안정성을 탄소소재로 코팅한 실리콘 및 탄소 복합소재를 제조함으로서 실리콘의 고용량과 탄소소재의 안정성을 보완하는 합성물을 제조한다. The present invention solves the volumetric expansion of a high-capacity silicon to produce a negative electrode material excellent in cycle stability and is used for a secondary battery. First, silicon having mesopores of nanoparticles is synthesized and carbonized, In order to solve the problem of volume expansion, we synthesized silicon and carbon composites coated with carbon. Silicon and carbon composites coated with a carbon material with cyclic stability due to volume expansion, which is a disadvantage of silicon particles, are manufactured to produce a composite material that complements the high capacity of silicon and the stability of the carbon material.

이와 같이 제조된 실리콘/탄소 합성물을 이차전지 음극소재로 사용하여 유기 전해질에 따른 전지의 성능과 안정성을 우수하게 할 수 있는 것이다.
By using the silicon / carbon composite thus prepared as an anode material for a secondary battery, the performance and stability of the battery according to the organic electrolyte can be improved.

본 발명에서는 TEOS와 계면활성제를 이용하여 메조기공을 갖는 실리콘을 합성하고 이를 페놀레진이나 수크로오스(sucrose)를 사용하여 탄화시킨 후 실리콘 및 탄소 복합소재를 제조하는 것이다.
In the present invention, mesoporous silicon is synthesized using TEOS and a surfactant, and carbonized using phenol resin or sucrose to produce a silicon and carbon composite material.

본 발명에 따른 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법은, 크게 (1)메조포러스 실리카 제조단계, (2)상기 메조포러스 실리카를 이용하여 메조포러스 실리콘(Si)의 제조단계, 및 (3)메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 혼합하는 단계를 포함한다.
The method for producing a silicon and carbon composite material for an anode material for a secondary battery according to the present invention comprises (1) a step of producing mesoporous silica, (2) a step of producing mesoporous silicon (Si) using the mesoporous silica, and (3) mixing the mesoporous silicon and the carbon precursor.

본 발명의 3가지 공정을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.The three processes of the present invention will now be described in more detail.

1. 메조포러스(mesoporous) 실리카 제조공정1. Mesoporous silica manufacturing process

(a) 계면활성제를 염산(HCl)과 물(H2O)를 첨가하여 완전히 녹을 때까지 교반하면서 15℃에서 24시간동안 에이징한다. 이때, 계면활성제로는 P123(polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol)을 사용할 수 있다.(a) The surfactant is added with hydrochloric acid (HCl) and water (H 2 O) and aged at 15 ° C for 24 hours with stirring until completely dissolved. At this time, P123 (polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol) may be used as the surfactant.

(b) 상기 용액을 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS: tetraethyl orthosilicate)를 에이징한 용액에 천천히 분산시켜 준 후 초음파로 12시간동안 교반시킨다.(b) The solution is slowly dispersed in a solution of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and stirred for 12 hours by ultrasonic waves.

(c) 100℃에서 12∼24시간 가열한다.(c) Heat at 100 占 폚 for 12 to 24 hours.

(d) 여과를 한 후에, 에탄올로 세척하고 100℃에서 50분 동안 건조시킨다.(d) After filtration, washing with ethanol and drying at 100 ° C for 50 minutes.

(e) P123을 제거하기 위하여 550℃에서 10시간 동안 소성을 시킨다. (e) Firing at 550 ° C for 10 hours to remove P123.

이때, 5시간동안 550℃까지 온도를 올려준 후에 550℃에서 5시간 동안 유지시킨다.
At this time, the temperature was raised to 550 DEG C for 5 hours and then maintained at 550 DEG C for 5 hours.

2. 메조포러스 실리콘(Si)의 제조공정2. Manufacturing process of mesoporous silicon (Si)

(a) 상기 메조포러스 실리카와 MgO를 1:2의 몰 비율로 혼합하여 교반시킨다.(a) The mesoporous silica and MgO are mixed in a molar ratio of 1: 2 and stirred.

(b) 650℃의 온도에서 아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서 3℃/min의 승온속도로 5시간 동안 소성한다.(b) Sintering is carried out at a temperature of 650 ° C under an argon (Ar) gas atmosphere at a heating rate of 3 ° C / min for 5 hours.

(c) 염산으로 산처리한 후 에탄올을 이용하여 필터링한다.(c) acid treatment with hydrochloric acid followed by filtering with ethanol.

상기 소성후 MgO를 제거하기 위하여 1mol/L의 염산으로 산처리한 후 에탄올을 이용하여 필터링한다.After the calcination, MgO is removed by acid treatment with 1 mol / L hydrochloric acid and then filtered using ethanol.

(d) 100℃의 온도로 오븐에서 12시간 건조시킨다.
(d) Drying in an oven at a temperature of 100 캜 for 12 hours.

3. 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 혼합하는 공정3. Process of mixing mesoporous silicon and carbon precursor

(a) 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 중량비 1:3∼7로 하여 준비한다.(a) Mesoporous silicon and a carbon precursor are prepared in a weight ratio of 1: 3 to 7.

상기 탄소전구체로 페놀레진(phenol resin) 또는 수크로오스(sucrose)를 사용한다.Phenol resin or sucrose is used as the carbon precursor.

(b) 상기 탄소전구체를 아세톤에 용해하여 용액을 준비한다.(b) The carbon precursor is dissolved in acetone to prepare a solution.

(c) 상기 용액에 메조포로스 실리콘을 첨가하여 균일하게 혼합한다.(c) Mesoporous silicon is added to the solution and mixed uniformly.

(d) 아세톤의 증발을 위해 100℃의 온도로 오븐에서 건조시킨다.(d) Drying in an oven at a temperature of 100 DEG C for evaporation of acetone.

(e) 700∼900℃에서 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 7시간동안 소성시킨다.(e) Sintering is carried out for 7 hours while flowing argon (Ar) gas at 700 to 900 占 폚.

상기 소성은 아르곤 및/또는 질소가스를 300∼500cc/분의 속도로 주입하여 반응분위기를 조절하면서 수행할 수 있다.The firing can be performed while controlling the reaction atmosphere by injecting argon and / or nitrogen gas at a rate of 300 to 500 cc / min.

또한, 상기 소성공정은 0.1∼10℃/분으로 승온하고 활성화 온도에서 300∼420분 동안 유지시킨 후에 서냉하는 방식으로 이루어질 수 있다.
Also, the firing step may be performed by raising the temperature to 0.1 to 10 ° C / min, maintaining the temperature at the activation temperature for 300 to 420 minutes, and then slowly cooling.

상기와 같은 공정들을 통해서 최종적으로 실리콘 및 탄소 복합소재를 제조할 수 있으며, 이 복합소재를 이차전지의 음극소재로 사용할 수 있다.
The silicon and carbon composite material can be finally manufactured through the above-described processes, and the composite material can be used as a negative electrode material of a secondary battery.

이하에서는 상기의 실리콘 및 탄소 복합소재를 이용한 다양한 실시예를 설명할 것이고, 이들 실시예를 통해 측정한 다양한 실험데이터를 설명할 것이다.
Hereinafter, various embodiments using the above-described silicon and carbon composite material will be described, and various experimental data measured through these embodiments will be described.

<실시예 1> 실리콘 및 탄소 복합소재 제조Example 1 Production of Silicon and Carbon Composite Material

계면활성제인 P123을 HCl에 용해한 후, TEOS를 천천히 분산하여 12시간 이상 교반해 준 다음 냉각기를 사용하여 100℃에서 24시간 가열한다. 가열 후 에탄올을 이용하여 필터링 한 후 100℃ 오븐에서 50분 동안 건조한다. 그 후 P123을 제거하기 위하여 550℃에서 아르곤 분위기 하에서 5℃/min의 승온 속도로 5시간 소성한다. 제조한 SBA-15와 Mg(Sigma Aldrich)를 1 : 2의 몰 비율로 혼합하여 650℃에서 아르곤 가스 분위기 하에서 3℃/min의 승온 속도로 5시간 소성한다. 소성 후 Mg 및 부산물을 제거하여 메조기공을 가지는 실리콘을 제조한다. 탄소 전구체로 페놀레진을 사용하여 메조기공의 실리콘과 페놀레진 중량비를 1 : 3, 1 : 5, 1 : 7로 하여 균일하게 혼합 한 후 아세톤을 증발시키기 위해 100℃ 오븐에서 건조하였다. 그 후 800℃에서 아르곤 가스 분위기 하에서 7시간 동안 소성을 하여 실리콘/탄소 합성물을 제조하였다. 제조된 합성물은 결정도와 결정형상을 알아보기 위하여 XRD, SEM, BET, TGA를 측정하였다.
P123, a surfactant, is dissolved in HCl. TEOS is slowly dispersed and stirred for 12 hours or more, followed by heating at 100 ° C for 24 hours using a cooler. After heating, it is filtered using ethanol and dried in an oven at 100 ° C for 50 minutes. Then, to remove P123, it is baked at 550 DEG C under an argon atmosphere at a heating rate of 5 DEG C / min for 5 hours. The prepared SBA-15 and Mg (Sigma Aldrich) were mixed at a molar ratio of 1: 2 and then calcined at 650 ° C for 5 hours at a heating rate of 3 ° C / min under an argon gas atmosphere. After firing, Mg and by-products are removed to produce mesoporous silicon. The phenolic resin was used as the carbon precursor, and the weight ratio of the mesoporous silicone to the phenol resin was 1: 3, 1: 5, 1: 7. The mixture was uniformly mixed and then dried in an oven at 100 ° C to evaporate acetone. Thereafter, firing was performed at 800 DEG C for 7 hours in an argon gas atmosphere to prepare a silicon / carbon composite. XRD, SEM, BET and TGA were measured in order to investigate the crystallinity and crystal shape of the prepared composites.

<실시예 2> 이차전지 음극 및 셀 제조&Lt; Example 2 > Secondary battery cathode and cell manufacturing

제조한 실리콘 및 탄소(silicon/carbon) 복합소재의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 코인 타입의 반쪽 전지를 제조하였다. 전극을 제조하기 위하여 활물질로서 silicon/carbon(40 wt%), 도전재로서 Super P(40 wt%), 바인더로 PVDF(20 wt%)을 사용하여 NMP로 점도를 조절하면서 슬러리를 제조한 후 구리 호일에 코팅해 100℃ 오븐에서 12시간 건조하였다. 제조된 전극으로 2032 타입의 반쪽 전지를 제조하기 위하여 Ar 가스가 충진된 글로브 박스에서 상대 전극을 Li metal로 하고, 분리막으로 셀가드 2400을 사용하였으며 전해액으로는 LiPF6 (EC/DMC=1:1)를 사용하였다. 전기화학적 테스트는 충방전 테스트, 사이클 테스트, 율속 테스트, 순환전압전류테스트, 임피던스 테스트를 실시하였다. 테스트 시 전압 범위는 0~1.5V로 하였으며, 순환전압전류 테스트는 0.5mV/s, 1mV/s, 1.5mV/s, 2mV/s의 다양한 C-rate 조건에서 시행하였으며, 임피던스 테스트는 100KHz~0.01Hz의 범위에서 실시하였다.
A coin - type half - cell was fabricated to confirm the electrochemical properties of the fabricated silicon and carbon / silicon composites. The slurry was prepared by controlling the viscosity with NMP using silicon / carbon (40 wt%) as the active material, Super P (40 wt%) as the conductive material and PVDF (20 wt%) as the binder, Coated on a foil and dried in an oven at 100 ° C for 12 hours. In order to fabricate a 2032-type half-cell using the prepared electrode, a counter electrode was made of Li metal in a glove box filled with Ar gas and a cell guard 2400 was used as a separator. LiPF 6 (EC / DMC = 1: ) Was used. Electrochemical tests were conducted for charge / discharge test, cycle test, rate test, cyclic voltammetric test, and impedance test. The test voltage range was 0 ~ 1.5V and the cyclic voltammetry test was performed under various C-rate conditions of 0.5mV / s, 1mV / s, 1.5mV / s and 2mV / Hz. &Lt; / RTI &gt;

상기 실시예 1에 의해 제조된 실리콘/탄소 합성물의 물성분석을 하기 표와 도면에 나타내었다.
The physical properties of the silicon / carbon composite prepared according to Example 1 are shown in the following tables and figures.

XRD 분석 특성XRD analysis characteristics

도 3은 SBA-15, silicon, silicon/carbon의 XRD 패턴을 나타낸다. 도 3에서 SBA-15는 23° 부근에서 넓은 피크를 가지며 이는 무정형의 SiO2 특성을 갖고 있으며 JCPDS #38-0448와 일치하였다. SBA-15의 마그네슘 열 환원에 의해 제조된 Silion의 XRD 분석결과는 Silicon의 주요 피크는 2θ=28.4°, 47.3°, 56.1°, 69.1°, 76.4°, 88.1°에서 나타났으며 JCPDS #27-1402와 일치하였다. 또한 각각의 피크는 (111), (220), (311), (400), (331), (442)의 결정면을 나타냈다. silicon/carbon 합성물의 XRD 분석결과는 silicon의 분석 결과와 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 카본과 일치하는 피크는 나타나지 않았기 때문에 열분해 과정에서 카본의 결정구조가 형성되지 않은 것으로 볼 수 있으며, 24° 부근에서 생성된 넓은 피크는 카본 구조가 무정형이라는 것을 알 수 있었으며 JCPDS # 74-2328와 일치하는 것으로 나타났다. Figure 3 shows the XRD pattern of SBA-15, silicon, and silicon / carbon. In FIG. 3, SBA-15 has a broad peak at around 23 °, which is amorphous SiO 2 and coincides with JCPDS # 38-0448. XRD analysis of Silion prepared by magnesium thermal reduction of SBA-15 revealed that the major peaks of Silicon were 2θ = 28.4 °, 47.3 °, 56.1 °, 69.1 °, 76.4 ° and 88.1 °, and JCPDS # 27-1402 Respectively. Further, each of the peaks showed crystal planes of (111), (220), (311), (400), (331) and (442). The XRD analysis of the silicon / carbon composite showed similar trends to the results of the silicon analysis, and no peak corresponding to carbon was observed. Therefore, the crystal structure of carbon was not formed in the pyrolysis process, The wide peak showed that the carbon structure was amorphous and was consistent with JCPDS # 74-2328.

마그네슘 열 환원법으로 실리카 물질이 실리콘으로 환원되는 반응식은 다음과 같다.The reaction scheme in which the silica material is reduced to silicon by the magnesium thermal reduction method is as follows.

2Mg(s) + SiO2(s) -> 2MgO(s) + Si(s) 2 Mg (s) + SiO 2 (s) -> 2 MgO (s) + Si (s)

환원 후에 남아있는 Mg와 silicon이 반응하면 MgO, Mg2Si과 같은 부산물을 생성할 수 있으며 반응식은 아래와 같으며 이러한 부산물들은 HCl로 제거할 수 있다. When Mg and silicon remaining after reduction react, MgO and Mg 2 Si can be produced as by-products. The reaction formula is as follows. These by-products can be removed with HCl.

Mg(g) + Si(s) -> Mg2Si(s)
Mg (g) + Si (s ) -> Mg 2 Si (s)

FE-SEM 분석 특성FE-SEM analysis characteristics

도 4의 SBA-15는 삼각 기둥 모양의 결정 구조를 갖고 있으며, 입자크기는 대략 1㎛ 임을 확인할 수 있었다. SBA-15의 마그네슘 열 환원으로 인해 생성된 silicon은 SBA-15와 비슷한 삼각 기둥 모양의 결정 구조를 갖고 있다. 표면을 확대하여 보면 기공 구조를 갖는 것을 확인 할 수 있었다. (e)의 silicon/carbon 합성물은 SBA-15와 silicon과 비슷한 모양의 결정 구조를 갖고 있으나, (d)의 기공 구조를 갖고 있는 silicon의 표면이 카본 물질로 코팅되어있는 형태를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다.
SBA-15 in FIG. 4 had a triangular prismatic crystal structure, and the particle size was approximately 1 μm. The silicon produced by the magnesium thermal reduction of SBA-15 has a triangular columnar crystal structure similar to SBA-15. When the surface is enlarged, it can be confirmed that it has a pore structure. The silicon / carbon composite of (e) has a crystal structure similar to that of SBA-15 and silicon, but it is confirmed that the surface of silicon having the pore structure of (d) is coated with a carbon material there was.

BET 분석 특성BET analysis characteristics

표 1에서 보듯이 SBA-15, silicon과 silicon/carbon 합성물의 비표면적은 각각 608㎡/g, 40㎡/g, 323㎡/g이 나왔으며, 질소 흡/탈착 시험을 통하여 SBA-15와 silicon의 기공 분포를 확인하였으며 도 5와 표 1에서 보듯이 SBA-15와 silicon의 기공 크기는 각각 7nm, 17nm로 두 물질에 메조기공이 형성됨을 확인할 수 있었다.
As shown in Table 1, the specific surface area of the SBA-15, silicon and silicon / carbon composite was 608 m 2 / g, 40 m 2 / g and 323 m 2 / g, respectively. And the pore size of SBA-15 and silicon was 7 nm and 17 nm, respectively, as shown in FIG. 5 and Table 1. As a result, it was confirmed that mesopores were formed in the two materials.

복합소재의 비표면적 및 기공 크기Specific surface area and pore size of composites SBA-15SBA-15 실리콘silicon 실리콘/탄소Silicon / carbon 비표면적(㎡/g)Specific surface area (m &lt; 2 &gt; / g) 608608 4040 323323 기공크기(nm)Pore size (nm) 77 1717 1313

TGA 분석 특성TGA analysis characteristics

Silicon/carbon 합성물에서의 카본 함량을 알아보기 위하여 Ar분위기에서 5℃∼1,000℃까지 가열하면서 TGA를 측정하였다. 실리콘:페놀레진(Silicon : Phenoic resin)의 합성 비율이 1 : 5 일때 페놀레진의 함량은 대략 80% 이며, TGA 분석결과 대략 400∼600℃ 까지 무게 변화가 75 % 일어났으며 이를 통하여 합성 시 넣은 페놀레진의 함량과 거의 비슷한 값이 나온 것을 도 6에서 확인할 수 있었다.
In order to investigate the carbon content in the silicon / carbon composite, TGA was measured while heating from 5 ° C to 1,000 ° C in an Ar atmosphere. Silicone: The content of phenol resin was about 80% when the synthesis ratio of silicone: phenolic resin was 1: 5, and the weight change was 75% at about 400 ~ 600 ℃ by TGA analysis. It was confirmed in FIG. 6 that the amount of phenol resin was almost the same as that of phenol resin.

제조된 이차전지의 전기화학적 특성을 평가하기 위해 WBCS 3000 Battery Cycler(Won A Tech)를 이용하여 충방전 시험을 진행하였다. 셀 조립 후 최소 24시간의 에이징 시간을 주어 전기화학적 평형에 이르게 한 다음, 정전류법을 이용해 충방전 테스트를 진행하였다. 이 때, 정전류법은 실제 전지를 구성하였을 때, 전지 활물질의 성능을 가장 정확하게 평가할 수 있는 방법이고 리튬이차전지의 경우에서 사용되는 재료의 반응 특성에 따른 결과를 나타낼 수 있다. 충방전 테스트의 cut-off voltage는 0.01V∼2.5V로 하였으며 silicon의 이론용량인 4,200 mAh/g을 기준으로 C-rate를 설정하여 시험을 실시하였다. 율속 특성을 평가하기 위하여 0.1C, 0.2C, 0.3C, 0.4C의 다양한 C-rate에서 각각 40 사이클씩 테스트를 진행하였다. 순환 전압 전류 테스트 전기화학 실험을 위해 구동전압을 0∼2.5 V로 하고 0.5, 1, 1.5, 2 mV/sec의 scan rate를 가하여 ZIVE LAB MP2(Won A Tech)를 이용하여 측정하였다. 순환전압전류 시험을 통해 전극과 전해액의 계면에 주기적인 전압을 가하여 이때 발생하는 전류 변화를 관찰하여 전지 내에서 발생하는 반응을 예측하였다. 임피던스 시험은 ZIVE LAB MP2(Won A Tech)를 사용하였으며, 100 KHz∼ 0.01 Hz의 범위에서 실시하였다. Rs는 리튬이온의 전해질에서의 전달 저항이며, Rct는 전극과 전해질의 계면에서 생기는 저항을 나타낸다. 임피던스 시험을 통해서 전극의 계면저항 및 전해질의 저항을 측정하였다.
In order to evaluate the electrochemical characteristics of the produced secondary battery, a charge / discharge test was performed using a WBCS 3000 Battery Cycler (Won A Tech). The cell was aged for at least 24 hours after the cell assembly to reach the electrochemical equilibrium, and then the charge and discharge test was carried out using the constant current method. At this time, the constant current method is a method of evaluating the performance of the battery active material most accurately when an actual battery is constituted, and can show the results depending on the reaction characteristics of materials used in the case of a lithium secondary battery. The cut-off voltage of the charge / discharge test was set from 0.01V to 2.5V, and the C-rate was set based on the theoretical capacity of 4,200 mAh / g of silicon. In order to evaluate the rate characteristics, 40 cycles were tested at various C-rates of 0.1C, 0.2C, 0.3C and 0.4C, respectively. Cyclic Voltammetric Test For electrochemical experiments, the scan voltage was set to 0 to 2.5 V and the scan rate was 0.5, 1, 1.5, and 2 mV / sec, and measured using ZIVE LAB MP2 (Won A Tech). Periodic voltage was applied to the interface between the electrode and the electrolyte through the cyclic voltammetric test to observe the current change at that time and predict the reaction in the cell. The impedance test was performed using ZIVE LAB MP2 (Won A Tech) in the range of 100 KHz to 0.01 Hz. R s is the transfer resistance of the lithium ion in the electrolyte, and R ct is the resistance at the interface between the electrode and the electrolyte. The interface resistance and the electrolyte resistance of the electrode were measured by impedance test.

전극 소재인 Siliocn/carbon 합성물은 제조 시에 실리콘과 페놀레진의 합성 비율을 1 : 3, 1 : 5, 1 : 7과 같이 다양하게 설정하였다. 도 7에서 보듯이 1 : 3에서의 충방전 용량은 첫 번째 사이클에서는 316 mAh/g의 낮은용량을 나타내었으며 두 번째 사이클 이후 133 mAh/g으로 감소하여 42% 낮은 용량 보존율을 나타내었다. 1 : 5에서의 충방전 용량은 첫 번째 사이클에서 1,348 mAh/g의 높은 용량을 나타내었으며 두 번째 사이클에도 1,334 mAh/g의 높은 용량을 유지하여 용량 보존율 역시 98%로 안정적인 특성을 나타내었다. 1 : 7에서의 충방전 용량은 1 : 3과 비슷하게 첫 번째 사이클에서는 414 mAh/g의 낮은 용량을 나타내었고 두 번째 사이클에서 180 mAh/g로 용량이 급격하게 감소하는 결과를 나타냈다. 50 번째 사이클 이후에도 1 : 3과 1 : 7가 각각 63%, 50%의 낮은 용량 보존율을 갖는 반면에 비하여 1 : 5 의 비율에서는 76%의 가장 안정적인 사이클 특성을 나타내었다.
The composition ratio of silicon and phenol resin was varied from 1: 3, 1: 5, 1: 7 for the Siliocn / carbon composite electrode material. As shown in FIG. 7, the charge / discharge capacity at 1: 3 exhibited a low capacity of 316 mAh / g in the first cycle and decreased to 133 mAh / g after the second cycle, indicating a 42% lower capacity retention rate. The charge / discharge capacity at 1: 5 showed a high capacity of 1,348 mAh / g in the first cycle and the capacity of 1,334 mAh / g in the second cycle. The capacity retention rate was also stable at 98%. The charge / discharge capacity at 1: 7 was similar to 1: 3, showing a low capacity of 414 mAh / g in the first cycle and a drastic decrease in capacity at 180 mAh / g in the second cycle. After 50th cycle, 1: 3 and 1: 7 had a low capacity retention rate of 63% and 50%, respectively, whereas the ratio of 1: 5 showed the most stable cycle characteristic of 76%.

실리콘 및 탄소 복합소재의 용량 및 용량 보존율Capacity and capacity retention of silicon and carbon composites 실리콘 : 페놀레진Silicone: phenol resin 1:31: 3 1:51: 5 1:71: 7 1번째 사이클 용량(mAh/g)1st cycle capacity (mAh / g) 316316 1,3481,348 414414 2번째 사이클 용량(mAh/g)Second cycle capacity (mAh / g) 133133 1,3341,334 180180 50번째 사이클 용량(mAh/g)50th cycle capacity (mAh / g) 201201 932932 208208 2번째 사이클 이후 용량 보존율(%)Capacity retention after the second cycle (%) 4242 9898 4343 50번째 사이클 이후 용량 보존율(%)Capacity retention after the 50th cycle (%) 6363 6969 5050

Silicon/carbon 합성물을 전극소재로 사용하여 제조된 리튬이차전지의 경우 silicon과 phenilic resin의 비율이 1 : 5에서 가장 우수한 용량과 사이클 안정성을 나타내었기에 다양한 C-rate에서의 용량 특성 및 사이클 특성을 알아보고자 율속 특성 시험을 실시하였다. 도 8에서 나타내듯이 50 번째 사이클 이후의 0.1 C에서 932 mAh/g, 0.2 C에서 570 mAh/g, 0.3 C에서 350 mAh/g, 0.4 C에서 190 mAh/g의 용량을 나타내었다. 율속이 증가함에 따라서 용량은 비교적 감소하는 경향을 보였으나 각각의 율속에서의 사이클 안정성은 80% 이상으로 안정적인 형태를 보여주었다. 이는 기공 구조의 silicon/carbon 합성물의 충방전 과정에서 발생하는 부피 팽창의 버퍼층 역할을 하였기 때문이며, silicon에 carbon을 합성함으로써 합성물의 전기전도도가 향상되었기 때문이다.
In the case of a lithium secondary battery manufactured using a silicon / carbon composite material as an electrode material, the ratio of silicon to phenilic resin was 1: 5, which showed the best capacity and cycle stability. Therefore, the capacity and cycle characteristics at various C- The rateer characteristics test was performed. As shown in FIG. 8, the capacities were 932 mAh / g at 5 C, 570 mAh / g at 0.2 C, 350 mAh / g at 0.3 C and 190 mAh / g at 0.4 C after the 50th cycle. As the rate increased, the capacity tended to decrease relatively, but the cycle stability at each rate was stable at over 80%. This is because it acts as a buffer layer for the volumetric expansion that occurs during the charging and discharging of the silicon / carbon composite of pore structure, and the electric conductivity of the composite is improved by synthesizing carbon in silicon.

도 9는 silicon/carbon 합성물의 향상된 전기화학적 특성을 분석하기 위하여 시행한 임피던스 측정 결과이다. Rs는 리튬이온의 전해질에서의 전달 저항이며, Rct는 전극과 전해질의 계면에서 생기는 저항을 나타낸다. 도에서 두 그림을 비교해 보면 두 번째 반원 크기가 확연이 작은 것을 확인 할 수 있다. silicon 전극 셀의 Rs와 Rct 값은 각각 0.9 ohm, 235 ohm으로 측정되었으며 실리콘에 페놀레진을 합성 한 후 Rs와 Rct 값은 각각 0.7 ohm, 30 ohm 값으로 확연히 감소한 것을 알 수 있었으며 이는 실리콘에 페놀레진을 합성함으로써 구조적 안정성, 전기화학적 전도성 증가와 그로 인한 리튬의 확산 속도 또한 증가하였기 때문에 나타난 결과이며, silicon 보다 silicon에 전도성이 좋은 graphite를 첨가하였을 때 확연히 낮은 저항 값이 측정된 것을 확인할 수 있었다.
Figure 9 shows the results of the impedance measurements performed to analyze the improved electrochemical properties of a silicon / carbon composite. R s is the transfer resistance of the lithium ion in the electrolyte, and R ct is the resistance at the interface between the electrode and the electrolyte. If you compare the two figures in the figure, you can see that the size of the second semicircle is small. The R s and R ct values of the silicon electrode cell were measured to be 0.9 ohm and 235 ohm, respectively. It was found that R s and R ct values after synthesizing phenolic resin in silicon were significantly decreased to 0.7 ohm and 30 ohm, Synthesis of phenol resin in silicon increased the structural stability and the electrochemical conductivity and the diffusion rate of lithium due to the increase in the resistivity. It was confirmed that the resistance value was significantly lower when graphite, which is more conductive than silicon, was added to silicon. I could.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined by the appended claims. .

Claims (6)

계면활성제와 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS: tetraethyl orthosilicate)를 사용하여 메조포러스 실리카를 제조하는 단계;
상기 메조포러스 실리카를 이용하여 메조포러스 실리콘을 제조하는 단계; 및
메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법.
Preparing mesoporous silica using a surfactant and tetraethyl orthosilicate (TEOS);
Preparing mesoporous silicon using the mesoporous silica; And
And mixing the mesoporous silicon and the carbon precursor. The method of manufacturing a silicon and carbon composite material for a secondary battery negative electrode material according to claim 1,
제 1항에 있어서,
상기 메조포러스 실리카를 제조하는 단계는,
(a) P123(polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol)를 염산(HCl)과 물(H2O)를 첨가하여 완전히 녹을 때까지 교반하는 단계;
(b) 상기 용액에 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS: tetraethyl orthosilicate)를 첨가하여 함께 초음파로 교반시키는 단계;
(c) 100℃에서 12∼24시간 가열하는 단계;
(d) 여과를 한 후에, 에탄올로 세척하고 100℃에서 건조시키는 단계; 및
(e) P123을 제거하기 위하여 550℃에서 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the mesoporous silica comprises:
(a) to the (polyethylene block-glycol-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol) P123 was added to hydrochloric acid (HCl) and water (H 2 O) the steps of stirring until completely dissolved;
(b) adding tetraethyl orthosilicate (TEOS) to the solution and agitating the solution together by ultrasonic waves;
(c) heating at 100 占 폚 for 12 to 24 hours;
(d) filtration, washing with ethanol and drying at 100 &lt; 0 &gt;C; And
(e) firing at 550 [deg.] C to remove P123. &lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 메조포러스 실리콘을 제조하는 단계는,
(a) 상기 메조포러스 실리카와 MgO를 1:2의 몰 비율로 혼합하여 교반시키는 단계;
(b) 650℃의 온도에서 아르곤 가스분위기 하에서 3℃/min의 승온속도로 소성하는 단계;
(c) MgO를 제거하기 위하여 염산으로 산처리한 후 에탄올을 이용하여 필터링하는 단계; 및
(d) 100℃의 온도로 오븐에서 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 불화수소를 이용하여 실리카를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the mesoporous silicon comprises:
(a) mixing and agitating the mesoporous silica and MgO in a molar ratio of 1: 2;
(b) firing at 650 DEG C at a heating rate of 3 DEG C / min under an argon gas atmosphere;
(c) acid treatment with hydrochloric acid to remove MgO, followed by filtering with ethanol; And
(d) drying in an oven at a temperature of 100 ° C. [Claim 10] The method according to claim 1, Gt;
제 1항에 있어서,
상기 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 혼합하는 단계는,
(a) 메조포러스 실리콘과 탄소전구체를 중량비 1:3∼7로 하여 준비하는 단계;
(b) 상기 탄소전구체를 아세톤에 용해하여 용액을 준비하는 단계;
(c) 상기 용액에 메조포로스 실리콘을 첨가하여 균일하게 혼합하는 단계;
(d) 상기 혼합물을 아세톤의 증발을 위해 100℃의 온도로 오븐에서 건조시키는 단계; 및
(e) 700∼900℃에서 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 7시간동안 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein mixing the mesoporous silicon and the carbon precursor comprises:
(a) preparing mesoporous silicon and a carbon precursor at a weight ratio of 1: 3 to 7;
(b) dissolving the carbon precursor in acetone to prepare a solution;
(c) adding mesoporous silicon to the solution and uniformly mixing the solution;
(d) drying the mixture in an oven at a temperature of 100 DEG C for evaporation of acetone; And
(e) firing the silicon nitride film for 7 hours while flowing argon (Ar) gas at 700 to 900 ° C.
제 4항에 있어서, 상기 (a)혼합단계에서,
상기 탄소전구체는 페놀레진(phenol resin) 또는 수크로오스(sucrose)를 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법.
5. The method according to claim 4, wherein in the mixing step (a)
Wherein the carbon precursor is phenol resin or sucrose. The method of claim 1, wherein the carbon precursor is phenol resin or sucrose.
제 4항에 있어서, 상기 (e)소성단계에서,
상기 소성은 아르곤 및/또는 질소가스를 300∼500cc/분의 속도로 주입하여 반응분위기를 조절하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극물질용 실리콘 및 탄소 복합소재의 제조방법.
5. The method according to claim 4, wherein in the step (e)
Wherein the firing is performed while injecting argon and / or nitrogen gas at a rate of 300 to 500 cc / min to adjust the reaction atmosphere.
KR1020130153318A 2013-12-10 2013-12-10 Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material KR101563337B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130153318A KR101563337B1 (en) 2013-12-10 2013-12-10 Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130153318A KR101563337B1 (en) 2013-12-10 2013-12-10 Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150067627A true KR20150067627A (en) 2015-06-18
KR101563337B1 KR101563337B1 (en) 2015-10-26

Family

ID=53515396

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130153318A KR101563337B1 (en) 2013-12-10 2013-12-10 Method for synthesis of Silicon/Carbon composite as the lithium secondary battery anode material

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101563337B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105355849A (en) * 2015-11-18 2016-02-24 中航锂电(洛阳)有限公司 Lithium battery cathode additive, lithium ion battery, preparation method and uses thereof
CN112928265A (en) * 2021-02-24 2021-06-08 内蒙古凯金新能源科技有限公司 Carbon-silicon composite material with mesoporous structure and preparation method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105355849A (en) * 2015-11-18 2016-02-24 中航锂电(洛阳)有限公司 Lithium battery cathode additive, lithium ion battery, preparation method and uses thereof
CN105355849B (en) * 2015-11-18 2017-11-03 中航锂电(洛阳)有限公司 Cathode of lithium battery additive, lithium ion battery, preparation method and application
CN112928265A (en) * 2021-02-24 2021-06-08 内蒙古凯金新能源科技有限公司 Carbon-silicon composite material with mesoporous structure and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR101563337B1 (en) 2015-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. A compact nanoconfined sulfur cathode for high-performance lithium-sulfur batteries
Chen et al. Coupling PEDOT on Mesoporous Vanadium Nitride Arrays for Advanced Flexible All‐Solid‐State Supercapacitors
Roh et al. A chemically bonded NaTi 2 (PO 4) 3/rGO microsphere composite as a high-rate insertion anode for sodium-ion capacitors
Chen et al. Mesoporous ZnCo2O4 microspheres composed of ultrathin nanosheets cross-linked with metallic NiSix nanowires on Ni foam as anodes for lithium ion batteries
KR101624805B1 (en) Secondary battery comprising solid electrolyte layer
Jiang et al. A carbon coated NASICON structure material embedded in porous carbon enabling superior sodium storage performance: NaTi 2 (PO 4) 3 as an example
Yue et al. Macro-mesoporous hollow carbon spheres as anodes for lithium-ion batteries with high rate capability and excellent cycling performance
Liang et al. High-energy flexible quasi-solid-state lithium-ion capacitors enabled by a freestanding rGO-encapsulated Fe 3 O 4 nanocube anode and a holey rGO film cathode
US20120094173A1 (en) Macro-porous graphite electrode material, process for production thereof, and lithium ion secondary battery
KR20140140323A (en) Negative electrode active material for rechargeable lithium battery, method for preparing the same and rechargeable lithium battery including the same
Chen et al. Integrated nanocomposite of LiMn2O4/graphene/carbon nanotubes with pseudocapacitive properties as superior cathode for aqueous hybrid capacitors
KR101013937B1 (en) Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing same and rechargeable lithium battery comprising same
KR101670353B1 (en) Method for synthesis of Silicon/Carbon/CNT as the lithium secondary battery anode material
KR101832663B1 (en) three dimensional graphene structure having high density and capacity properties, manufacturing method thereof and electrode material comprising the same
Su et al. Hierarchical flower-like structures composed of cross-shaped vanadium dioxide nanobelts as superior performance anode for lithium and sodium ions batteries
KR101454380B1 (en) Silicon Compound Based Negative Active Material, Manufacturing Method thereof And Lithium Secondary Battery Comprising The Same
Shi et al. Evaluation of the electrochemical characteristics of silicon/lithium titanate composite as anode material for lithium ion batteries
KR101816731B1 (en) method for preparing a 3D-hierarchical porous graphene aerogel including macro pores and meso pores and graphene aerogel by using the same method
Wu et al. N-Doped gel-structures for construction of long cycling Si anodes at high current densities for high performance lithium-ion batteries
Liao et al. A high-energy sodium-ion capacitor enabled by a nitrogen/sulfur co-doped hollow carbon nanofiber anode and an activated carbon cathode
Wang et al. Rational design of a 3D MoS 2/dual-channel graphene framework hybrid as a free-standing electrode for enhanced lithium storage
Luo et al. AlF3 coating as sulfur immobilizers in cathode material for high performance lithium-sulfur batteries
CN106159204A (en) A kind of active substance growth in situ electrode slice and preparation method thereof
Shao et al. Synthesis and electrochemical performance of nanoporous Li 4 Ti 5 O 12 anode material for lithium-ion batteries
Liu et al. Mesoporous carbon prepared by etching halloysite nanotubes (HNTs) with pyrrole as a precursor for a sulfur carrier of superior lithium–sulfur batteries

Legal Events

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

Payment date: 20181120

Year of fee payment: 4