KR20150118876A - 플라즈마를 이용한 실리콘나노복합체 분산액 제조방법 및 이를 이용한 음극 활물질, 리튬이차전지 - Google Patents

플라즈마를 이용한 실리콘나노복합체 분산액 제조방법 및 이를 이용한 음극 활물질, 리튬이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 액중에서 가열 저항으로 팽창, 폭발, 기화, 응축 및 냉각되어, 나노입자를 간단하게 만드는 방법에 관한 것으로 팽창, 폭발, 기화, 응축 및 냉각 중에 실리콘의 표면에 액중탄소(C)가 반응하여 만들어진 실리콘카바이드가 적어도 일영역 이상 결합된 위에 균일한 탄소층이 코팅된 실리콘나노복합체의 분산액 제조방법과 그의 응용 제품에 관한 것이다.

Description

플라즈마를 이용한 실리콘나노복합체 분산액 제조방법 및 이를 이용한 음극 활물질, 리튬이차전지{Using a plasma method for producing a silicon-nano-particles colloid and cathode active material, lithium secondary cell using thereof}
본 발명은 플라즈마를 이용하여 적어도 일영역 이상에 실리콘카바이드가 결합되거나 탄소층이 코팅된 실리콘 나노 입자를 포함하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법과 음극제조에 관한 것이며, 또한 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.
IT산업, 친환경 에너지 산업 및 전기차 산업으로 산업의 발전속도가 매우 빨라짐에 따라서 전원 장치로 리튬이차전지에 대한 수요가 크게 증가하고 있고, 또한 전자기기들의 소형화됨에도 용량 및 성능이 떨어지지 않게 하기 위하여 기존의 리튬이차전지의 전극 소재를 대체할 수 있는 고출력, 고에너지밀도 활물질 개발이 활발히 이루어지고 있다.
음극의 경우 대부분의 상용 리튬이차전지에서 사용되는 흑연의 이론용량이 372mAh/g 수준이고, 리튬의 층간 확산 속도가 느려 고속 충방전이 어려운 한계가 있어, 이를 극복하기 위한 활물질로서 지난 20여 년 동안 이론용량이 4200mAh/g에 달하는 실리콘을 기반으로 하는 실리콘계 복합 음극물질이 크게 주목받아 왔다. 특히, 실리콘-흑연 복합 음극재료의 경우 관련업계에서 상용화를 위한 경쟁적인 개발이 진행되고 있으나, 그 우수한 에너지 밀도와 향상된 충방전 수명 특성에도 불구하고 제조 공정비용 측면에서 기존 흑연과의 경쟁에 한계를 보이고 있다.
한편, 리튬과 전기화학적으로 합금이 이루어지는 대부분의 금속 물질과 마찬가지로 실리콘 또한 충방전에 따르는 부피팽창과 수축에 의한 전극의 기계적 손상과 이에 의한 급속한 수명 단축 문제를 해결하기 위해서 입자의 나노크기화, 나노구조체화, 나노복합체화 및 리튬 활성/비활성 이종재료와의 복합화를 통한 성능향상이 추구되고 있다.
이러한 나노크기의 실리콘계 음극을 제조하는 대부분의 연구들은 기계적 분쇄와 복합화, 기상합성법, 용액기반 화학적 합성법 등을 기본으로 하고 있는데, 이차전지 음극으로서의 특성은 뛰어난 결과들이 발표되고 있으나, 합성에 필요한 복잡한 공정과 높은 재료비용, 불순물의 함입, 폐기물 처리 비용, 합성 과정에 수반되는 산화물 형성 등의 문제로 인해 상용 소재로서의 활용은 어려운 실정이다.
전기폭발의 고에너지 프라즈마 기술은 분말의 대량합성 기술로 오랫동안 개발되어 왔다. 최근, 반도체 소재에 대한 액중 전기폭발 기술이 개발되어(출원번호 제10-2008-0126028호) 실리콘이 액중에서도 전기폭발이 가능함을 보였는데 수용액에서는 SiO2로 산화되어 리튬이차전지용 음극 활물질로는 적합하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 실리콘카바이드가 적어도 일영역 이상에 결합되거나 탄소층으로 코팅된 실리콘 나노 입자를 포함하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 실리콘나노복합체 분산액을 이용하여 실리콘나노복합체 분말 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 실리콘나노복합체 분말을 포함하는 음극 및 리튬이차전지를 제공한다.
본 발명은 실리콘 재료가 유기 용매 내에서 플라즈마 에너지에 의해 형성되는 실리콘 나노 입자 및 상기 입자 표면에 실리콘카바이드가 결합되거나 탄소층이 코팅된 실리콘나노복합체에 관한 것이다.
또한 본 발명은 유기 용매 내에서 플라즈마 발생 장치를 이용하여 전극을 통해 실리콘 재료로 5~20kV의 전압을 공급하여 실리콘 나노 입자를 형성함과 동시에 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층 코팅을 형성하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 상기 실리콘나노복합체 분산액을 필터링, 원심분리, 건조, 열처리, 해쇄, 분산 및 분급 처리를 거쳐 실리콘나노복합체 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 상기 실리콘나노복합체 분말을 포함하는 음극 활물질, 도전재, 바인더를 포함하는 음극재로 제조된 실리콘나노복합체 음극 및 이를 이용한 음극 팽창율이 낮고, 상온수명특성 및 초기충방전특성이 우수한 리튬이차전지에 관한 것이다.
본 발명의 실리콘나노복합체 분산액 제조방법은 고른 입상을 가진 입자분말을 얻을 수 있고, 공정이 간단하고, 투입되는 에너지가 적으며, 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.
또한 상기 제조방법에 의해 제조된 실리콘나노복합체 분산액은 입자가 액상 용매에 분산되어 사용이 용이하고 친환경적이다.
또한, 본 발명에 의한 리튬이차전지는 실리콘나노복합체 분말로 만든 음극 활물질과 리튬의 반응에 의한 급속한 수명단축문제를 해결한 것이다.
도 1은 본 발명에 의하여 제조된 실리콘나노복합체 분산액의 분산 안정도를 나타내는 사진이다.
도 2은 본 발명에 의하여 제조된 음극 활물질의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 의하여 제조된 음극 활물질의 XRD이다.
도 4은 본 발명에 의하여 제조된 입자에 결합된 실리콘카바이드를 나타내는 TEM의 격자 사진이다.
도 5는 본 발명에 의하여 제조된 입자에 결합된 실리콘카바이드의 두께를 나타내는 TEM 사진이다.
도 6는 본 발명에 의하여 제조된 리튬이차전지의 상온 수명 특성(용량 Capacity, mAh/g)이다.
도 7는 본 발명에 의하여 제조된 리튬이차전지의 상온 수명(효율%)이다.
도 8은 본 발명에 의하여 제조된 리튬이차전지의 상온 수명(용량보존율%-수명@100회)이다.
도 9는 본 발명에 의하여 제조된 리튬이차전지의 음극 팽창율이다.
도 10는 본 발명에 의하여 제조된 리튬이차전지의 초기충방전 특성이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
음극 활물질용 실리콘나노복합체 및 분산액 제조방법
본 발명은 실리콘 나노 입자 표면의 적어도 일영역 이상에 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층을 포함하는 음극 활물질용 실리콘나노복합체 및 유기 용매 내에서 플라즈마 발생을 이용한 실리콘나노복합체 분산액 제조방법이다.
실리콘 나노 입자는 실리콘 재료로부터 얻어지며, 평균크기는 직경 50~300nm이다. 50nm 미만인 경우 실리콘(Si) 나노 입자의 강한 활성으로 실리콘카바이드(SiC)가 만들어지기가 쉬워 전지 활물질로의 사용에 적합하지 않고, 300nm 초과하는 경우 이차전지의 충방전시 팽창율이 커지므로 사용에 문제점이 있다. 100 내지 200 nm가 바람직하다.
실리콘카바이드 결합 또는 탄소층은 실리콘 재료 및 유기 용매로부터 얻어지며, 실리콘카바이드 결합의 두께는 0.1~0.5nm이다. 실리콘카바이드 결합의 두께가 0.1nm 미만인 경우 충방전에 따른 팽창을 억제할 정도의 강도를 내기가 어려운 문제점이 있고, 0.5nm 초과하는 경우 강한 강도로 충방전에 제약이 될 수 있는 문제점이 있다. 0.2 내지 0.3 nm가 바람직하다. 탄소층의 두께는 3~15nm 이다. 실리콘 나노 입자 형성 및 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층은 실리콘 재료가 유기 용매 내에서 고전압의 펄스 전류로 인해 플라즈마 상태가 되고, 최종적으로 실리콘 나노 입자를 형성하고, 동시에 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층을 형성한다. 실리콘카바이드 결합은 리튬이차전지의 충방전 반복 시 음극 팽창을 줄이는 역할을 하며, 탄소층은 실리콘 나노 입자의 산화를 방지하는 역할을 한다.
실리콘나노복합체는 실리콘카바이드 결합이 실리콘 나노 입자 표면의 적어도 일영역 이상에 형성되며, 실리콘 나노 입자의 전체 표면적 대비 상기 실리콘카바이드 결합이 형성되는 표면적은 10~50%이고, 바람직하게는 15~30%이다. 10% 미만인 경우 음극 팽창율을 낮추는 효과를 매우 적게 나타내는 문제점이 있고, 50% 초과하는 경우 리튬이온의 유입을 방해하여 리튬이차전지의 효율을 떨어트리는 문제점이 있다. 탄소층은 실리콘 나노 입자 또는 실리콘카바이드 결합 위의 표면에 3~15nm두께로 형성된다.
실리콘나노복합체 분산액의 제조방법을 자세히 설명하면, a) 유기 용매 내에서 플라즈마 발생 장치의 제1전극과 제2전극 사이에 실리콘 재료를 연결하는 단계; 및 b) 상기 제1전극과 제2전극에 5-20kV의 전압을 공급하여, b-1) 실리콘 재료를 실리콘 나노 입자로 형성함과 동시에, b-2) 실리콘 나노 입자 표면에 적어도 일영역 이상 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법이다.
유기 용매 100 중량부에 대한 실리콘 재료의 중량부는 1-20[1wt%~20wt%]이다. 1 미만인 경우 생산수율의 문제점이 있고, 20 초과하는 경우 반응기 내의 밀도증가로 기생산된 입자들과의 간섭으로 인한 충돌 및 충격으로 표면손상 및 미세입자의 증가라는 문제점이 있다. 더욱 바람직하게는 3 내지 7 중량부가 바람직하다.
유기 용매는 알콜류 및 혼합용제류 중 어느 하나 이상을 포함하고, 분산제, 계면활성제 및 탄소 전구체를 더 포함할 수 있다. 여기에 폴리비닐피롤리돈을 첨가한 경우 제조되는 실리콘나노복합체의 응집과 침전방지가 가능하다. 폴리비닐피롤리돈은 유기용매 100 중량부에 대하여 0.01 ~ 1.0 중량부로 첨가할 수 있고, 0.01-0.7 중량부 첨가가 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 도 1은 폴리비닐피롤리돈을 포함한 분산액(OPVP)과 포함하지 않은 분산액(NPVP)의 분산 안정성을 나타내는 것으로, 폴리비닐피롤리돈을 포함하지 않은 분산액은 24시간 후 실리콘나노복합체가 분리되어 침전되었으나 폴리비닐피롤리돈을 포함한 분산액은 24시간 후에도 실리콘나노복합체가 고르게 분산되어있는 것을 알 수 있다. 상기 유 용매에서 제조가 이루어진 경우, 수용액에서 이루어진 경우와는 달리 SiO2로의 과도한 산화를 방지할 수 있다.
상기 실리콘 재료는 무기물을 함유하는 소재를 와이어(wire) 또는 로드(rod)형태로 가공한 것을 말하고, 상기 무기물은 실리콘, 실리콘분말, 실리콘과 다른 금속의 혼합 분말, 실리콘 무기물 혼합체, 실리콘합금, 실리콘웨이퍼(wafer), 및 실리콘 공정 중에 나온 폐기물 슬러리(slurry) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
상기 플라즈마 발생 장치는 5~20kV의 전압을 챔버 내 전극 및 유기 용매를 통해 실리콘 재료로 전달한다. 더욱 상세하게는, 고전압 충전기인 캐패시터(capacitor)에 전기에너지를 충전한 후 전극 스위치 연결과 동시에 방전시키면 실리콘 재료가 가열되어 플라즈마 상태로 변하고, 최종적으로는 실리콘 나노 입자를 형성하게 된다. 실리콘 재료의 온도증가에 의한 저항률의 상승은 에너지 소비를 공간적으로 실리콘 재료 부분에 집중시켜 실리콘 나노 입자를 형성하게 된다. 이와 동시에 순간적인 플라즈마 발생 및 저항가열에 의한 기화와 응축으로 실리콘카바이드 결합 및 탄소층을 형성시키며, 이를 포함하는 실리콘나노복합체 분산액을 제조할 수 있다. 상기 플라즈마 전원이 5kV 미만시에는 나노입자화가 어렵고, 20kV 초과시 50nm이하 나노입자가 대량생산되어 높은 활성의 실리콘이 카본소스와 만나 만들어지는 실리콘나노복합체는 SiC화 된 것이 많아지므로 음극활물질로서 효과적이지 못한 것이 된다.
이러한 실리콘 재료의 장착 및 충전과 방전을 반복적으로 시행하여, 시간당 수십~수천그램의 입자가 포함된 실리콘나노복합체 분산액을 제조할 수 있다.
상기 실리콘나노복합체 분산액 제조방법은 고른 입상을 가진 입자분말을 얻을 수 있고, 공정이 간단하고 유기 용매, 실리콘 및 분산제 이외에 투입되는 화학제가 거의 없으므로 부산물 및 폐기물이 적은 청정 공정이며, 수십 마이크로초 이내에 기화와 플라즈마 형성소멸이 이루어지기 때문에 초기 고전압과 순간적인 대전류에도 불구하고 실제 투입되는 에너지는 실리콘의 기화에너지의 2~5배 정도면 충분하여 입자를 생성하기 위한 에너지를 크게 줄일 수 있으며, 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.
또한 상기 제조방법에 의해 제조된 실리콘나노복합체 분산액은 입자가 유기 용매에 분산되어 사용이 용이하고 대기 중으로 유출되지 않아 환경 및 인체 유해성이 적어 친환경적이다.
음극 활물질용 실리콘나노복합체 분말 제조방법
본 발명에 의해 제조된 실리콘나노복합체 분산액에 분산된 실리콘나노복합체를 분리함으로써 음극 활물질용 실리콘나노복합체 분말을 제조하는 방법이다. 더욱 상세하게는, 본 발명에 의해 제조된 실리콘나노복합체 분산액을 필터링한 후 원심분리하여서 실리콘나노복합체 슬러리(slurry)를 얻는 단계; 상기 실리콘나노복합체 슬러리를 50~100℃에서 진공 건조시키는 단계; 상기 건조된 실리콘나노복합체를 불활성(아르곤) 분위기 하에서 900~1200℃에서 고온 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 실리콘나노복합체를 해쇄, 분산 및 분급 처리하는 단계를 포함하여 음극 활물질용 실리콘나노복합체 분말 제조한다.
고온 열처리는 900~1200℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 방법에 의하여 실리콘나노복합체 분말은 실리콘나노복합체가 응집된 형태로서 존재하며, 그 응집된 형태로서의 실리콘나노복합체 분말의 크기는 1~500㎛ 이다.
실리콘나노복합체 음극
본 발명에 의해 제조된 실리콘나노복합체 분말을 5 중량% 이상 포함한 음극 활물질과 도전재 및 바인더, 충진제를 포함하는 음극재를 이용한 음극이다.
음극 활물질은 음극 활물질을 포함한 음극재 100 중량부를 기준으로 5 내지 80 중량부로 첨가된다. 바람직하게는 70 내지 80 중량부로 첨가된다. 음극 활물질은 리튬 티타늄 산화물 이외에 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 음극 활물질, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me:Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자;Li-Co-Ni 계 재료 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 음극재를 이용한 리튬이차전지는 실리콘카바이드 결합 및 탄소층 코팅된 실리콘나노복합체를 음극 활물질로 사용하여 음극 팽창을 저지하므로 기존의 등록특허 제10-1142534호의 제조방법으로 제조된 음극활물질로 만든 리튬이차전지의 비용량인 800mAh/g보다 높은 1400mAh/g의 비용량을 가지게 되며, 리튬의 충방전에 의해 생기는 실리콘 팽창률을 10-50 % 이내로 억제하여 기존에 실리콘계 음극 활물질을 3-5% 이내로 첨가할 수 있었던 것과는 달리 실리콘계 음극 활물질을 5-80%까지 첨가할 수 있는 고용량 및 고효율의 리튬이차전지를 제공한다.
음극은 음극재를 노말 메틸 피로리돈(N-Methyl Pyrrolidone, NMP) 등의 용매에 혼합하여 만들어진 음극재 혼합용액을 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500㎛ 의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 음극 집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
도전재는 통상적으로 음극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 슈퍼-p, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 음극 활물질과 도전재 등의 결합과 음극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리비닐알코올(PVA), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
충진제는 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
리튬이차전지
본 발명에 의한 실리콘나노복합체 음극을 이용하여 통상적인 리튬이차전지의 제조방법에 따라 세퍼레이트, 전해액과 양극으로 제조된 리튬이차전지이다.
도 6 내지 도 10에 나타나는 바와 같이 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층이 코팅된 실리콘나노복합체를 포함하는 실리콘계 음극 활물질로 제조된 리튬이차전지는 결합된 실리콘카바이드의 물리적, 기계적 고강도 효과에 의해 음극 팽창률이 10~50%로 감소한다. 또한 용량 1400mAh/g이상, 효율 98%이상, 수명 80%이상으로 상온수명특성이 향상된다. 또한 초기충전용량은 2500~3000 mAh/g 이며, 초기방전용량은 2000~2500 mAh/g이고, 초기효율은 80-95%이며, 음극초기효율 85-99.5%으로 초기충방전특성 역시 향상된다.
이하 본 발명의 리튬이차전지를 하기 실시예로서 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 및 실험예
실시예 1
챔버 내 유기 용매는 메탄올을 포함하며, 스테인레스 스틸 재질의 한 쌍의 전극을 장착하였다. 두께 0.8mm 실리콘웨이퍼를 폭 1mm, 길이 100mm 간격으로 잘라 로드를 만들었다. 11kV 전압으로 충전된 캐패시터를 사용하여 실리콘나노복합체 분산액을 제조하였다. 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5를 통해 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층이 코팅된 실리콘 나노 입자가 포함된 것을 확인할 수 있다.
상기 실리콘나노복합체 분산액을 스텐메쉬로 필터링한 후 11000rpm으로 원심분리하여 실리콘나노입자 슬러리를 얻는다.
슬러리의 고온 열처리는 아르곤분위기하 1100℃에서 3-5시간 처리한 후 해쇄, 분산 및 분급하여 실리콘나노복합체 나노입자 분말을 제조하였다.
상기 음극 활물질용 실리콘나노복합체 분말을 5 중량% 이상 포함하는 음극 활물질 80 중량%;, 슈퍼-p도전재 10 중량%;, PVDF 바인더 10 중량%로 제조된 음극을 이용하여 지름 20mm, 높이 3.2mm 코인전지를 만들었다.
실시예 2
메탄올을 포함하는 유기 용매에 전체 유기 용매 100 무게비에 대하여 폴리비닐피롤리돈을 0.5무게비로 첨가하였고, 11.5kV 전압으로 충전된 캐패시터를 사용한 것과 아르곤 분위기하 1150℃에서 열처리한 후 1-500㎛크기의 나노복합체로 뭉쳐진 분말덩어리를 만들기 위해 해쇄, 분산 및 분급한 것, 이외에는 실시예 1과 동일하다.
비교예 1
신에츠사의 실리콘을 이용한 코인전지이다.
상기 신에츠사의 실리콘은 실리콘카바이드 및 탄소층이 포함되지 않은 실리콘이다.
도 2의 TEM사진에 보면 실리콘 나노 입자에 부분 결합된 SiC, 흑연층과 카본류가 결합되어 있음을 나타낸 그림이며, 도 3는 실리콘나노복합체 활물질의 X선 회절도로 실리콘, 실리콘카바이드, 탄소층의 분석결과를 나타낸 그림이며, 도 4은 실리콘과 실리콘카바이드를 구분하는 구조의 격자를 분석하는 그림이다.
도5는 실리콘 나노 입자위에 결합된 실리콘카바이드의 두께를 나타내는 그림이다.
도 6 내지 도 8은 실리콘나노복합체 음극 활물질로 만든 리튬이차전지의 상온수명특성을 나타내는 것이다. 도6는 코인전지의 용량(capacity)을 나타낸 그래프로서, 비교예인 코인전지가 충방전 사이클을 10회 이상하게 되면 급격히 용량이 줄어드는 반면, 실시예 1(OP_Si_201307) 및 실시예 2(OP_Si_201309)의 코인전지는 100회 사이클을 반복하여도 그 용량이 완만하게 감소하는 것을 나타낸다. 특히 실시예 2는 100회 사이클을 반복하여도 용량이 1400mAh/g 이상을 유지한다.
도 7는 코인전지의 효율(%)을 나타내는 그래프로서 실시예 1 및 실시예 2 모두 비교예보다 효율이 높음을 나타낸다.
도 8은 코인전지의 용량보존율(%)을 나타내는 그래프로서, 비교예인 코인전지가 충방전 사이클을 반복하게 되면 급격히 용량이 줄어 100회 사이클 반복시 용량보존율이 40%이하인 반면, 실시예 1 및 실시예 2의 코인전지는 100회 사이클을 반복하여도 그 용량이 완만하게 감소하는 것을 나타낸다. 특히 실시예 2는 100회 사이클을 반복하여도 용량보존율이 80% 이상을 유지하며, 실시예 1은 75% 이상을 유지한다.
도 9은 코인전지의 충방전시 실리콘 나노 입자에 결합된 실리콘카바이드의 물리적, 기계적 고강도 효과와 견고한 탄소층에 의하여 실리콘나노복합체 음극의 팽창억제정도를 나타내는 그림이다. 실리콘계 음극을 사용하는 리튬이차전지의 경우 충방전시 실리콘과 리튬의 화학적 결합형성에 의해 부피팽창이 일어나는데, 그 이론적 팽창율은 100-400% 정도 이지만, 본 발명에 의한 리튬이차전지의 음극은 결합된 실리콘카바이드로 인한 물리적, 기계적 고강도 효과와 견고한 탄소층들이 실리콘 코아의 팽창을 추가로 억제하여 음극 팽창율을 10~50%로 감소시킨다. 이로써 실리콘계 음극 블랜딩 함량을 증대시킬 수 있다.
도 10은 코인전지의 초기 충방전 특성을 나타낸 그림이다. 본 발명에 의한 리튬이차전지의 초기충전용량은 2500~3000 mAh/g 이며, 초기방전용량은 2000~2500 mAh/g이고, 초기효율은 80-95%이며, 음극초기효율 85-99.5%인 충방전특성을 가진다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 평균직경 50~300nm 실리콘 나노 입자; 및
    상기 입자 표면의 적어도 일영역 이상에 0.1~0.5nm 두께의 실리콘카바이드 결합을 포함하며,
    상기 실리콘 나노 입자 형성 및 실리콘카바이드 결합은 실리콘 재료가 유기 용매 내에서 플라즈마 상태로 되어 형성되는 실리콘나노복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나노 입자의 전체 표면적 대비 상기 실리콘카바이드 결합이 형성되는 표면적은 10~50%인 실리콘나노복합체.
  3. 제1항 또는 제2항의 실리콘나노복합체 중 어느 하나에 있어서,
    상기 실리콘나노복합체 표면에 3~15nm 두께의 탄소층을 더 포함하는 실리콘나노복합체.
  4. a) 유기 용매 내에서 플라즈마 발생 장치의 제1전극과 제2전극 사이에 실리콘 재료를 연결하는 단계; 및
    b) 상기 제1전극과 제2전극에 5~20kV의 전압을 공급하여,
    b-1) 상기 실리콘 재료를 실리콘 나노 입자로 형성함과 동시에,
    b-2) 상기 실리콘 나노 입자 표면에 적어도 일영역 이상에 실리콘카바이드 결합 또는 탄소층을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리콘 나노 입자의 전체 표면적 대비 상기 실리콘카바이드 결합이 형성되는 표면적은 10~50%인 실리콘나노복합체 분산액 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유기 용매 100 중량부에 대하여 폴리비닐피롤리돈을 0.1~10 중량부로 더 포함하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 유기 용매의 100 중량부에 대하여 상기 실리콘 재료는 1~20 중량부인 실리콘나노복합체 분산액 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 실리콘 재료의 소재는 실리콘, 실리콘분말, 실리콘과 다른 금속의 혼합 분말, 실리콘 무기물 혼합체, 실리콘합금, 실리콘웨이퍼, 및 실리콘 공정 중에 나온 폐기물 슬러리 또는 실리콘 무기물 혼합체 중 어느 하나 이상을 포함하는 실리콘나노복합체 분산액 제조방법.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항의 실리콘나노복합체 분산액 제조방법에 의하여 제조된 실리콘나노복합체 분산액.
  10. 제9항의 실리콘나노복합체 분산액을 필터링한 후 원심분리하여 실리콘나노복합체 슬러리를 얻는 단계;
    상기 실리콘나노복합체 슬러리를 50~100℃에서 진공건조시키는 단계;
    상기 건조된 실리콘나노복합체를 불활성 분위기 하에서 900~1200℃에서 고온 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리된 실리콘나노복합체를 해쇄, 분산 및 분급 처리하는 단계를 포함하는 실리콘나노복합체 분말 제조방법.
  11. 제10항의 제조방법에 의하여 제조된 실리콘나노복합체 분말로서,
    실리콘나노복합체 분말의 크기는 1~500㎛인 실리콘나노복합체 분말.
  12. 제11항의 실리콘나노복합체 분말을 음극 활물질 100 중량부에 대하여 5 중량부 이상 포함한 음극 활물질, 도전재 및 바인더, 충진제를 포함하는 음극재로 제조된 실리콘나노복합체 음극.
  13. 제12항에 있어서,
    음극재 100 중량부에 대하여 상기 음극 활물질을 5~80 중량부, 도전재를 1~10 중량부, 바인더를 1~10 중량부 포함하는 음극재로 제조된 실리콘나노복합체 음극.
  14. 제12항 또는 제13항의 실리콘나노복합체 음극을 포함하는 리튬이차전지.
  15. 제14항의 리튬이차전지에 있어서,
    음극팽창율은 10-50%이며;
    용량 1400mAh/g이상, 효율 98%이상, 수명 80%이상인 상온수명특성을 가지고;
    초기충전용량 2500-3000mAh/g, 초기방전용량 2000-2500mAh/g, 초기효율 80-95%, 음극초기효율 85-99.5%인 충방전특성을 가지는 리튬이차전지.
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