KR20160088338A - Anode active material for lithium ion secondary battery, and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지하면서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상되도록 새롭게 개량된 리튬이온 이차전지용 음극 활물질, 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법, 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 충전방법을 제공한다. 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 관점에 의하면 규소계 활물질 미립자; 및, 상기 규소계 활물질 미립자의 표면을 덮는 탄소 재료를 구비하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질이 제공된다.
A lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery, wherein the lithium ion secondary battery includes a lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery. Provides a charging method. According to an aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, there is provided a silicon- And a carbon material covering the surface of the silicon-based active material fine particles.

Description

리튬이온 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법{ANODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an anode active material for a lithium ion secondary battery and a method for manufacturing the anode active material,

본 발명은 리튬이온(lithium ion) 이차전지용 음극 활물질, 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법, 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 충전방법에 관한다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, and a charging method for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery.

현재의 리튬이온 배터리의 음극재료로서는 주로 흑연 등의 탄소재료가 사용되어 있다. 그러나, 흑연의 단위질량당 용량은 이론 값에 근접하면서 흑연을 이용한 고용량화는 주로 전극밀도 향상을 주축으로 하고 있으나 더 이상의 고용량화에는 한계가 이르렀다. 여기서 흑연보다 방전용량이 큰 차세대 재료로서 규소계 활물질에 대한 연구 개발이 진행되어 있다. 그러나, 규소계 활물질은 리튬과 합금화할 때 많은 체적변화가 수반되므로 사이클 수명이 단축하게 되는 과제를 가진다. 또, 규소계 활물질은 전기화학반응 중 용매와 접촉할 때 용매를 분해시킬 수 있다. 용매 분해 생성물은 규소계 활물질 상에서 퇴적함으로써 리튬이온의 규소계 활물질로의 출입을 방해한다. 특히 충방전 중 체적변화에 의해 규소계 활물질이 분열되어 새로운 면(용매 분해 생성물이 퇴적하지 않은 면)이 나타나면 그 부분이 새롭게 용매와 반응한다. 그리고 충방전 사이클이 반복됨으로써 해당 반응이 증가하게 된다. 이러한 점에서도 사이클 수명은 단축된다.A carbon material such as graphite is mainly used as a cathode material of current lithium ion batteries. However, although the capacity per unit mass of graphite is close to the theoretical value and the high capacity using graphite is mainly composed of the improvement of the electrode density, the limit of high capacity has been reached. Research and development of silicon-based active materials as a next generation material having a higher discharge capacity than graphite is underway. However, the silicon-based active material has a problem in that cycle life is shortened because a large volume change is accompanied when the lithium-based active material is alloyed with lithium. In addition, the silicon-based active material can decompose the solvent upon contact with the solvent during the electrochemical reaction. The solvent decomposition product accumulates on the silicon-based active material, thereby interfering with the entry and exit of lithium ions into the silicon-based active material. Particularly, when the silicon-based active material is broken due to the volume change during charging / discharging and a new surface (surface on which the decomposition products of solvent decomposition is not present) appears, the new portion reacts with the solvent. And the corresponding reaction is increased by repeating the charge / discharge cycle. Even in this respect, the cycle life is shortened.

이들 문제와 관련하여 비특허문헌 1에 개시된 기술은 규소계 활물질, 상세하게는 규소입자를 분쇄함으로써 미립자화하고 이 규소 미립자에 탄소 재료를 피복 시킨다. 상기 기술에 의하면 규소입자가 미립자화 됨으로써 체적변화의 절대량이 감소하는 한편 탄소 재료에 의해 규소 미립자와 용매의 접촉이 억제되기 때문에 사이클 수명의 향상을 기대할 수 있다.In relation to these problems, the technique disclosed in Non-Patent Document 1 makes fine particles of a silicon-based active material, specifically silicon particles, by pulverizing them, and coating the silicon fine particles with a carbon material. According to this technique, the absolute amount of the volume change is reduced by making the silicon particles into fine particles, while the contact between the silicon fine particles and the solvent is suppressed by the carbon material, so that the cycle life can be expected to be improved.

Journal of Power Sources 222 (2013) 400-409Journal of Power Sources 222 (2013) 400-409

그러나, 규소 미립자는 대기 중에서 산화하기 쉬운 문제가 있다. 산화된 규소 미립자, 즉 산화 규소는 초기 충전 시에 리튬이온과 불가피하게 반응한다. 따라서 산화 규소가 많을 수록 비가역 용량이 증가한다. 비특허문헌 1에 개시된 기술에서는 규소입자를 대기 중에서 분쇄하였기 때문에 분쇄 중에 규소 미립자가 대기 중으로 노출되고 있었다. 그래서 이 문제는 도저히 해결할 수 없었다.However, the silicon fine particles have a problem of being easily oxidized in the atmosphere. The oxidized silicon microparticles, i.e., silicon oxide inevitably reacts with lithium ions upon initial charging. Therefore, irreversible capacity increases as the amount of silicon oxide increases. In the technique disclosed in the non-patent document 1, since the silicon particles were pulverized in the atmosphere, the silicon fine particles were exposed to the atmosphere during the pulverization. So this problem could not be solved.

여기서 본 발명은 상기 문제에 감안한 것으로써 본 발명이 목적으로 하는 것은 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지하면서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상할 수 있는 새롭고 개량된 리튬이온(lithium ion) 이차전지용 음극 활물질, 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법, 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 충전방법을 제공하는 것에 있다. The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a novel and improved lithium ion secondary battery capable of improving the cycle life of a lithium ion secondary battery while maintaining a high discharge capacity of the silicon- A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for charging a lithium ion secondary battery, and a method for charging a lithium ion secondary battery.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 관점에 의하면 규소계 활물질 미립자 및 상기 규소계 활물질 미립자의 표면을 덮는 탄소 재료를 구비한 표면 개질 미립자를 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질이 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problems, there is provided an anode active material for a lithium ion secondary battery comprising silicon-based active material fine particles and surface-modified fine particles having a carbon material covering the surface of the silicon-based active material fine particles.

여기서, 상기 탄소 재료의 총 질량은 상기 규소계 활물질 미립자 및 상기 탄소 재료의 총 질량에 대해 0.35~3.5 질량%인 것이 바람직하다.Here, the total mass of the carbon material is preferably 0.35 to 3.5 mass% with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material.

본 관점에 의하면 탄소 재료의 피복량이 상기 범위내의 값이 될 경우에 사이클 수명이 특히 향상된다.According to this aspect, the cycle life is particularly improved when the covering amount of the carbon material becomes a value within the above range.

또 상기 규소게 활물질 미립자는 다결정일 수 있다.The silicon crab active material microparticles may be polycrystalline.

본 관점에 의하면 규소계 활물질의 팽창 수축에 의한 스트레스가 다결정 내부에 형성된 공간에 의해 완화될 수 있다.According to this aspect, the stress due to the expansion and shrinkage of the silicon-based active material can be alleviated by the space formed inside the polycrystal.

또 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 200nm 이하인 것이 바람직하다.The average particle diameter of the silicon-based active material fine particles is preferably 200 nm or less.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

또 탄소 재료의 두께는 2~20nm 인 것이 바람직하다.The thickness of the carbon material is preferably 2 to 20 nm.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 의하면 비수용매 중에서 규소계 활물질을 분쇄함으로써 규소계 활물질 미립자가 비수용매 중에서 분산된 분산용액을 제작하는 제1 공정과, 비수용매에 용해하는 유기물을 분산용액에 용해함으로써 혼합용액을 제작하는 제2 공정과, 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 규소계 활물질 미립자의 표면에 탄소 재료가 피복된 음극 활물질을 제작하는 제3 공정을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention for solving the above problems, there is provided a method for manufacturing a non-aqueous electrolyte, comprising: a first step of preparing a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles are dispersed in a nonaqueous solvent by pulverizing a silicon- And a third step of preparing a negative electrode active material coated with a carbon material on the surface of the silicon-based active material fine particles by firing the mixed solution in an inert atmosphere to form a negative electrode for a lithium ion secondary battery A method of manufacturing an active material is provided.

본 관점에 의하면 제1~제3 공정 내에서 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어려워 산화 규소가 적은 음극 활물질을 제작할 수 있다. 또 음극 활물질은 탄소 재료로 피복되므로 음극 활물질 사용 중에 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 비가역 용량이 저감한다. 바꾸어 말하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지할 수 있다. 또한 음극 활물질을 리튬이온 이차전지에 조립할 경우에 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉을 억제할 수 있다.According to this aspect, since the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the atmosphere in the first to third steps, a negative electrode active material having a small amount of silicon oxide can be produced. Further, since the negative electrode active material is covered with the carbon material, the silicon-based active material fine particles are hardly exposed to the air during the use of the negative electrode active material. Therefore, the irreversible capacity is reduced. In other words, a high discharge capacity of the silicon-based active material can be maintained. In addition, when the negative electrode active material is assembled into the lithium ion secondary battery, direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent can be suppressed.

여기서, 상기 탄소 재료의 총 질량은 상기 규소계 활물질 미립자 및 상기 탄소 재료의 총 질량에 대해 0.35~3.5 질량%인 것이 바람직하다Here, the total mass of the carbon material is preferably 0.35 to 3.5 mass% with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material

본 관점에 의하면 탄소 재료의 피복량이 상기 범위내의 값이 될 경우에 사이클 수명이 특히 향상된다.According to this aspect, the cycle life is particularly improved when the covering amount of the carbon material becomes a value within the above range.

여기서 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 200nm 이하인 것이 바람직하다.The average particle diameter of the silicon-based active material fine particles is preferably 200 nm or less.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

또 탄소 재료의 두께는 2~20nm 인 것이 바람직하다.The thickness of the carbon material is preferably 2 to 20 nm.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

또 유기물이 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있다.The organic substance may be at least one selected from the group consisting of hydroxy acids, monosaccharides and oligosaccharides.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

또 히드록시산이 구연산 및 글리콜산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있다.And the hydroxy acid may be at least one selected from the group consisting of citric acid and glycolic acid.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

또 비수용매가 알코올 및 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있다.And the nonaqueous solvent may be at least one selected from the group consisting of alcohols and ethers.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하면서 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is improved.

또 불활성 분위기는 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 구성될 수 있다.The inert atmosphere may be composed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life is also improved.

또 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.The firing can be carried out within a temperature range of 500 to 800 ° C.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life is also improved.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 관점에 의하면 규소계 활물질 미립자 및 상기 규소계 활물질 미립자의 표면을 덮는 탄소 재료를 구비한 표면 개질 미립자와 상기 표면 개질 미립자와 복합화된 하드 카본을 구비하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질이 제공된다.According to another aspect of the present invention for solving the above-described problems, there is provided a lithium secondary battery comprising lithium-containing lithium-containing active material fine particles and fine carbon particles coated with surface-modified fine particles comprising carbonaceous material covering the surfaces of the silicon- An anode active material for an ion secondary battery is provided.

상기 탄소 재료의 총 질량은 상기 규소계 활물질 미립자 및 상기 탄소 재료의 총 질량에 대해 0.35~3.5질량%인 것이 바람직하다The total mass of the carbon material is preferably 0.35 to 3.5 mass% with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material

본 관점에 의하면 규소계 활물질 미립자는 탄소 재료로 피복되므로 표면 개질 미립자 사용 중에 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 음극 활물질의 비가역 용량이 저감 한다. 바꾸어 말하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지할 수 있다. 또한 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉이 억제된다. 따라서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한 표면 개질 미립자는 하드 카본과 복합화됨에 따라 하드 카본 내에 도입된다. 따라서 하드 카본에 의해 표면 개질 미립자의 팽창 수축에 의한 스트레스가 완화되므로 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다. 또한 하드 카본 내에는 대량의 표면 개질 미립자 도입이 가능하여 음극 활물질의 이론 용량 즉 방전용량을 향상시킬 수 있다. According to this aspect, since the silicon-based active material fine particles are coated with the carbon material, the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the atmosphere during the use of the surface-modified fine particles. Thus, the irreversible capacity of the negative electrode active material is reduced. In other words, a high discharge capacity of the silicon-based active material can be maintained. In addition, direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent is suppressed. Therefore, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved. Further, the surface-modified fine particles are introduced into hard carbon as they are complexed with hard carbon. Therefore, the stress caused by the expansion and shrinkage of the surface-modified fine particles is alleviated by the hard carbon, so that the cycle life is also improved. In addition, a large amount of surface modified fine particles can be introduced into the hard carbon, thereby improving the theoretical capacity of the negative electrode active material, that is, the discharge capacity.

또 규소계 활물질 미립자는 원주 형상일 수 있다.The silicon-based active material fine particles may be in the form of a cylinder.

본 관점에 의하면 규소계 활물질 미립자의 팽창 수축의 절대량, 특히 축 방향에 수직한 방향(직경 방향)의 팽창 수축의 절대량을 억제할 수 있다. 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, it is possible to suppress the absolute amount of expansion and contraction of the silicon-based active material fine particles, particularly, the absolute amount of expansion and contraction in the direction (diameter direction) perpendicular to the axial direction. In this respect, the cycle life is also improved.

여기서 하드 카본은 고체계의 출발 물질을 소성함으로 얻을 수 있고 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 50~80질량%인 것이 바람직하다.Here, the hard carbon is obtained by firing a starting material having a high system, and the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 50 to 80 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또한 고체계의 출발 물질은 PVC, 수크로스, 젤라틴 및 한천으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있다.Also, the starting material of the high system may be any one or more selected from the group consisting of PVC, sucrose, gelatin and agar.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또 하드 카본은 액계의 출발 물질을 소성함으로 얻을 수 있고 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 75~90질량%인 것이 바람직하다.The hard carbon may be obtained by firing a starting material of the liquid phase, and the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 75 to 90 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또 액계의 출발 물질은 레졸 형 페놀 수지 및 푸르푸릴 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종인 것이 바람직하다.The starting material of the liquid system is preferably any one selected from the group consisting of resol type phenol resin and furfuryl alcohol.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또 규소계 활물질 미립자의 축 방향 길이는 500nm 이하이며 직경은 50nm 이하인 것이 바람직하다.The silicon-based active material fine particles preferably have an axial length of 500 nm or less and a diameter of 50 nm or less.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또 탄소 재료의 두께는 2~20nm인 것이 바람직하다.The thickness of the carbon material is preferably 2 to 20 nm.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

본 발명의 다른 관점에 의하면 비수용매 중에서 규소계 활물질을 비즈 밀로 분쇄함으로써 규소계 활물질 미립자가 비수용매 중에서 분산된 분산용액을 제작하는 제1 공정과, 상기 비수용매에 용해하는 유기물을 상기 분산용액에 용해함으로써 혼합용액을 제작하는 제2 공정과, 상기 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 규소계 활물질 미립자의 표면에 탄소 재료가 피복된 표면 개질 미립자를 제작하는 제3 공정과, 상기 표면 개질 미립자와 하드 카본의 출발 물질을 혼합하고 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 음극 활물질을 제작하는 제4 공정을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a non-aqueous electrolyte, comprising: a first step of preparing a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles are dispersed in a nonaqueous solvent by pulverizing a silicon- A second step of preparing a mixed solution by dissolving the surface-modified fine particles in a solvent; and a third step of producing the surface-modified fine particles coated with the carbon material on the surface of the silicon-based active material fine particles by firing the mixed solution in an inert atmosphere, And a fourth step of mixing the starting materials of carbon and firing in an inert atmosphere to produce a negative electrode active material.

상기 탄소 재료의 총 질량은 상기 규소계 활물질 미립자 및 상기 탄소 재료의 총 질량에 대해 0.35~3.5질량%인 것이 바람직하다The total mass of the carbon material is preferably 0.35 to 3.5 mass% with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material

본 관점에 의하면 제1~제3 공정 내에서 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어려워 산화 규소가 적은 표면 개질 미립자를 제작할 수 있다. 또 표면 개질 미립자는 탄소 재료로 피복되므로 표면 개질 미립자 사용 중에 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 음극 활물질의 비가역 용량이 저감 한다. 바꾸어 말하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지할 수 있다. 또한 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉이 억제된다. 따라서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한 표면 개질 미립자는 하드 카본과 복합화됨으로써 하드 카본 내에 도입된다. 따라서 하드 카본에 의해 표면 개질 미립자의 팽창 수축에 의한 스트레스가 완화되므로 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다. 또 하드 카본 내에는 대량의 표면 개질 미립자 도입이 가능하여 음극 활물질의 이론 용량 즉 방전용량을 향상할 수 있다. 또한 규소계 활물질 미립자는 원주 형상이므로 팽창 수축의 절대량 특히 축 방향으로 수직인 방향(직경 방향)의 팽창 수축의 절대량을 억제할 수 있다. 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, since the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the atmosphere in the first to third steps, the surface-modified fine particles having a small amount of silicon oxide can be produced. In addition, since the surface-modified fine particles are coated with a carbon material, the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the atmosphere during the use of the surface-modified fine particles. Thus, the irreversible capacity of the negative electrode active material is reduced. In other words, a high discharge capacity of the silicon-based active material can be maintained. In addition, direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent is suppressed. Therefore, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved. Further, the surface-modified fine particles are introduced into hard carbon by being complexed with hard carbon. Therefore, the stress caused by the expansion and shrinkage of the surface-modified fine particles is alleviated by the hard carbon, so that the cycle life is also improved. In addition, a large amount of surface modified fine particles can be introduced into the hard carbon, thereby improving the theoretical capacity of the negative electrode active material, that is, the discharge capacity. In addition, since the silicon-based active material fine particles are in the shape of a cylinder, the absolute amount of expansion and contraction, in particular, the absolute amount of expansion and contraction in the direction perpendicular to the axial direction (radial direction) can be suppressed. In this respect, the cycle life is also improved.

여기서 제3 공정 및 제4 공정의 불활성 분위기 중 적어도 일방은 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 구성될 수 있다.At least one of the inert atmosphere in the third step and the fourth step may be composed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또 제4 공정의 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.The firing of the fourth step may be performed within a temperature range of 500 to 800 ° C.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

본 발명의 다른 관점에 의하면 상기 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium ion secondary battery comprising the negative active material.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

여기서 음극집전체의 일부에 금속 리튬박을 배치할 수 있다.Here, a metal lithium foil can be disposed on a part of the negative electrode current collector.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life is also improved.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면 상기 리튬이온 이차전지의 충전 용량을 규소계 활물질 미립자에 의해 구현되는 이론 용량의 70% 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 충전방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of charging a lithium ion secondary battery, wherein the charging capacity of the lithium ion secondary battery is maintained at 70% or less of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material fine particles.

본 관점에 의하면 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편, 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.According to this aspect, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced while the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

이상 설명한 것처럼 본 발명에 의하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지하면서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상할 수 있다.As described above, according to the present invention, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved while maintaining a high discharge capacity of the silicon-based active material.

도1은 본 발명의 실시형태에 의한 리튬이온 이차전지의 구성을 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도2는 소성온도와 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도3은 C/Si비율과 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도4는 Si평균 입경과 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도5는 음극 활물질의 TEM 사진이다.
도6은 본 실시형태의 음극 활물질과 종래의 음극 활물질과의 이론 용량을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도7은 본 실시형태의 음극 활물질과 종래의 음극 활물질과의 충전 용량 및 미충전 용량을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도8은 규소계 활물질의 충전 비율과 리튬이온 이차전지의 방전용량 및 사이클 수명의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도9는 제4 공정의 소성온도와 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도10은 Si/하드 카본(Hard Carbon) 비율과 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도11은 Si/하드 카본(Hard Carbon) 비율과 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도12는 방전시험 환경온도와 방전용량과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도13은 제3 공정의 소성온도와 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도14는 표면 개질 미립자의 C/Si비율과 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도15는 본 실시형태에 의한 규소계 활물질 미립자의 STEM 사진이다.
도16은 도 15의 확대도이다.
도17은 비교예 2-1에 의한 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진이다.
도18은 다결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진이다.
도19는 단결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진이다.
도 20은 규소계 활물질의 충전 비율과 리튬이온 이차전지의 방전용량 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 21은 제4 공정의 소성온도와 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 22는 Si/하드 카본(Hard Carbon) 비율과 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 23은 Si/하드 카본(Hard Carbon) 비율과 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 24는 방전 시험 환경 온도와 방전용량과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 25는 제3 공정의 소성온도와 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 26은 표면 개질 미립자의 C/Si비율과 초기 효율 및 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 27은 Si평균 입경과 사이클 수명과의 대응 관계를 나타낸 그래프이다.
도 28은 다결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진이다.
도 29는 단결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진이다.
1 is a side cross-sectional view schematically showing a configuration of a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the correspondence relationship between the firing temperature, the initial efficiency, and the cycle life.
3 is a graph showing a correspondence relationship between C / Si ratio, initial efficiency, and cycle life.
4 is a graph showing the relationship between the Si average particle diameter and the cycle life.
5 is a TEM photograph of the negative electrode active material.
6 is a graph showing the theoretical capacity of the negative electrode active material of the present embodiment compared with that of the conventional negative electrode active material.
7 is a graph showing a comparison between the charging capacity and the non-charging capacity of the negative electrode active material of the present embodiment and the conventional negative electrode active material.
8 is a graph showing the correspondence relationship between the charging ratio of the silicon-based active material and the discharge capacity and cycle life of the lithium ion secondary battery.
9 is a graph showing the correspondence relationship between the firing temperature, the initial efficiency, and the cycle life in the fourth step.
10 is a graph showing a correspondence relationship between Si / hard carbon ratio and cycle life.
11 is a graph showing a correspondence relationship between Si / hard carbon ratio and cycle life.
12 is a graph showing a correspondence relationship between the discharge test environmental temperature and the discharge capacity.
13 is a graph showing the correspondence relationship between the firing temperature, the initial efficiency, and the cycle life in the third step.
14 is a graph showing the relationship between the C / Si ratio of the surface-modified fine particles, the initial efficiency, and the cycle life.
15 is an STEM photograph of the silicon-based active material fine particles according to this embodiment.
Fig. 16 is an enlarged view of Fig. 15. Fig.
17 is a TEM photograph of the silicon-based active material fine particles obtained in Comparative Example 2-1.
18 is a TEM photograph of the polycrystalline silicon-based active material fine particles.
19 is a TEM photograph of single crystal silicon based active material fine particles.
20 is a graph showing a correspondence relationship between the charging ratio of the silicon-based active material and the discharge capacity and cycle life of the lithium ion secondary battery.
21 is a graph showing the correspondence relationship between the firing temperature, the initial efficiency, and the cycle life in the fourth step.
22 is a graph showing a correspondence relationship between the Si / hard carbon ratio and the cycle life.
23 is a graph showing a correspondence relationship between the Si / hard carbon ratio and the cycle life.
24 is a graph showing a correspondence relationship between the discharge test environmental temperature and the discharge capacity.
25 is a graph showing the correspondence relationship between the firing temperature, the initial efficiency, and the cycle life in the third step.
26 is a graph showing the correspondence relationship between the C / Si ratio of the surface-modified fine particles, the initial efficiency, and the cycle life.
27 is a graph showing the correspondence relationship between the Si average particle diameter and the cycle life.
28 is a TEM photograph of the polycrystalline silicon-based active material fine particles.
29 is a TEM photograph of the single crystal silicon based active material fine particles.

이하에 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 단 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능 구성을 가지는 구성요소에 대해는 동일한 부호를 교부함으로써 중복 설명을 생략한다.Best Mode for Carrying Out the Invention Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, elements having substantially the same functional configuration in the present specification and drawings are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

(본 실시형태에 의한 음극 활물질에 상도한 경위)(Upper limit on the negative electrode active material according to the present embodiment)

본 발명자는 본 실시형태의 배경 기술을 열심히 연구함으로써 본 실시형태에 의한 음극 활물질에 상도 하기에 이르렀다. 여기서 본 발명자가 본 실시형태에 의한 음극 활물질에 상도 하기에 이른 경위에 관해 설명한다.The inventor of the present invention has studied the background art of the present embodiment by diligent research, and thus has succeeded in overcoming the negative electrode active material according to the present embodiment. Here, the inventor of the present invention will now explain how the negative electrode active material according to the present embodiment has reached the top.

상술한 바와 같이 규소계 활물질은 리튬과 합금화할 때 큰 체적변화를 수반한다. 따라서 규소계 활물질을 리튬이온 이차전지의 음극 활물질로서 사용할 경우 충방전 시에 음극 활물질층이 팽창 수축하고 그 결과 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 단축되는 과제를 가진다. 또 규소계 활물질은 전기화학반응 중에서 용매와 접촉할 때에 용매를 분해시킨다. 용매의 분해 생성물은 규소계 활물질 상에 퇴적함으로써 리튬이온의 규소계 활물질에의 출입을 방해한다. 특히 충방전 중의 체적변화에 의해 규소계 활물질이 분열되어 새로운 면(용매 분해 생성물이 퇴적하지 않은 면)이 나타나면 그 부분이 새롭게 용매와 반응한다. 그리고 충방전 사이클이 반복됨에 따라 해당 반응이 증가하게 된다. 따라서 이러한 점에서도 사이클 수명이 단축된다.As described above, the silicon-based active material involves a large volume change when alloying with lithium. Therefore, when the silicon-based active material is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, the negative active material layer expands and shrinks during charging and discharging, thereby shortening the cycle life of the lithium ion secondary battery. The silicon-based active material decomposes the solvent when it comes into contact with the solvent in the electrochemical reaction. The decomposition products of the solvent deposit on the silicon-based active material, thereby interfering with the entry and exit of lithium ions into the silicon-based active material. Particularly, when the silicon-based active material is cleaved by a change in volume during charging / discharging and a new surface (surface on which no decomposition products of solvent is formed) appears, the portion reacts with the solvent newly. As the charge / discharge cycle is repeated, the corresponding reaction is increased. Therefore, the cycle life is shortened also in this respect.

여기서 본 발명자는 비특허문헌 1에 개시된 기술과 같게 규소계 활물질을 미립자화함으로써 규소계 활물질을 포함한 음극 활물질층의 체적변화를 억제하는(체적변화의 절대치를 저하시킨다) 것을 기본으로 했다.Here, the inventors of the present invention basically made a method of suppressing the volume change of the negative electrode active material layer including the silicon-based active material (reducing the absolute value of the volume change) by making the silicon-based active material into fine particles like the technique disclosed in the non-patent document 1.

다만 상술한 바와 같이 규소계 활물질의 미립자는 대기중의 산소에 의해 산화되기 쉬운 문제점이 있다. 산화된 규소계 활물질, 즉 산화 규소는 초기 충전 시에 리튬이온과 비가역적으로 반응한다. 따라서 산화 규소가 많을수록 비가역 용량이 커진다. 비특허문헌 1에 개시된 기술에서는 규소계 활물질을 대기 중에서 분쇄하고 있었기 때문에 분쇄 중에 규소계 활물질이 대기 중으로 노출되고 있었다. 따라서 이 문제를 도저히 해결할 수 없었다.However, as described above, there is a problem that the fine particles of the silicon-based active material are easily oxidized by oxygen in the atmosphere. The oxidized silicon-based active material, i.e., silicon oxide, irreversibly reacts with lithium ions during initial charging. Therefore, the larger the amount of silicon oxide, the larger the irreversible capacity. In the technique disclosed in the non-patent document 1, since the silicon-based active material was pulverized in the atmosphere, the silicon-based active material was exposed to the atmosphere during pulverization. Therefore, this problem could not be solved.

여기서 본 발명자는 규소계 활물질의 산화를 억제하기 위해서 우선 규소계 활물질을 습식에서 분쇄하는, 상세하게는 비수용매 중에서 분쇄하는 것을 알아냈다. 또한 본 발명자는 비수용매에 용해하는 유기물을 규소계 활물질 미립자가 분산된 비수용매에 첨가함으로써 혼합용액을 제작하고 이 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성하는 것을 알아냈다. 이러한 처리에 의해 규소계 활물질 미립자가 탄소 재료로 피복된다. 따라서 탄소 재료로 피복된 규소계 활물질 미립자는 탄소 재료에 의해 산화가 억제된다. 또 분쇄 및 소성 시에는 규소계 활물질 미립자는 비수용매 중에 존재하므로 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서, 분쇄 및 소성 시의 산화도 억제될 수 있다. 또, 본 실시형태에 의한 탄소 재료의 피복 방법은 비특허문헌 1에 개시된 피복 방법(아세틸렌 가스를 이용한 화학 기상법에 의해 탄소 재료를 규소 미립자에 피복 하는 방법)보다 저비용으로 구현할 수 있다.In order to suppress the oxidation of the silicon-based active material, the present inventor has found that the silicon-based active material is first pulverized in a wet process, specifically, pulverized in a non-aqueous solvent. Further, the present inventors have found that an organic material dissolved in a non-aqueous solvent is added to a nonaqueous solvent in which silicon-based active material fine particles are dispersed to prepare a mixed solution and the mixed solution is fired under an inert atmosphere. By this treatment, the silicon-based active material fine particles are coated with the carbon material. Therefore, the silicon-based active material fine particles coated with the carbon material are inhibited from oxidation by the carbon material. At the time of pulverization and firing, the silicon-based active material fine particles are present in a non-aqueous solvent and thus are not exposed to the atmosphere. Therefore, oxidation during pulverization and firing can also be suppressed. The coating method of the carbon material according to the present embodiment can be realized at a lower cost than the coating method disclosed in the non-patent document 1 (a method of coating a carbon material onto silicon fine particles by a chemical vapor deposition method using acetylene gas).

그리고 본 발명자는 탄소 재료로 피복된 규소계 활물질 미립자를 리튬이온 이차전지용의 음극 활물질로 사용하는 것을 생각해 냈다. 이것으로 탄소 재료에 의해서 규소 미립자와 용매와의 접촉이 억제된다.The present inventors have conceived that silicon-based active material fine particles coated with a carbon material are used as an anode active material for a lithium ion secondary battery. As a result, contact between the silicon fine particles and the solvent is suppressed by the carbon material.

단 규소계 활물질 자체는 도전성이 약하기 때문에 규소계 활물질을 그대로 음극 활물질로서 사용할 경우 음극 활물질층(음극 활물질을 포함하는 층) 내에 리튬이온을 도입하기 어렵다. 그러나 본 실시형태에서는 규소계 활물질을 미립자화함으로써 음극 활물질층의 비표면적을 향상하고 한편, 규소계 활물질의 표면을 탄소 재료로 피복함으로써 음극 활물질의 도전성을 향상시킬 수 있다. 따라서 음극 활물질층 내에 리튬이온을 도입하기 쉽다. 이상의 본 실시형태에 의하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지하면서 저비용으로 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상하는 것이 가능해진다.Since the silicon-based active material itself has low conductivity, it is difficult to introduce lithium ions into the negative electrode active material layer (the layer including the negative electrode active material) when the silicon-based active material is used as the negative electrode active material as it is. However, in the present embodiment, the specific surface area of the negative electrode active material layer is improved by making the silicon-based active material into fine particles, and the surface of the silicon-based active material is coated with a carbon material to improve the conductivity of the negative electrode active material. Therefore, it is easy to introduce lithium ions into the negative electrode active material layer. According to the present embodiment as described above, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved at a low cost while maintaining a high discharge capacity of the silicon-based active material.

(리튬이온 이차전지의 구성)(Configuration of Lithium Ion Secondary Battery)

우선 도1를 근거로 본 실시형태에 의한 리튬이온 이차전지(10)의 구성에 관해 설명한다.First, the configuration of the lithium ion secondary battery 10 according to the present embodiment will be described based on FIG.

리튬이온 이차전지(10)는 정극(20)과 음극(30)과 세퍼레이터층(40)을 구비한다. 리튬이온 이차전지(10)의 충전 도달 전압(산화 환원 전위)은 예를 들면 4.3 V(vs.Li/Li) 이상 5.0V 이하, 특히 4.5V 이상 5.0V 이하가 된다. 리튬이온 이차전지(10)의 형태는 특히 한정되지 않는다. 즉, 리튬이온 이차전지(10)는 원통형, 각형,래미네이트(laminate)형, 버튼(button)형 등의 어느 것이라도 좋다.The lithium ion secondary battery 10 includes a positive electrode 20, a negative electrode 30, and a separator layer 40. The charging reached voltage (redox potential) of the lithium ion secondary battery 10 is, for example, 4.3 V (vs. Li / Li + ) to 5.0 V or less, particularly 4.5 V or more and 5.0 V or less. The shape of the lithium ion secondary battery 10 is not particularly limited. That is, the lithium ion secondary battery 10 may be any of a cylindrical, square, laminate, button, and the like.

정극(20)은 집전체(21)와 정극 활물질층(22)을 구비한다. 집전체(21)는 도전체라면 어느 것이라도 좋고 예를 들면, 알루미늄(aluminum), 스텐레스(stainless) 강철 및 니켈 도금(nickel coated) 강철 등으로 구성된다.The positive electrode 20 has a current collector 21 and a positive electrode active material layer 22. The current collector 21 may be any conductor, and may be made of, for example, aluminum, stainless steel, nickel coated steel, or the like.

정극 활물질층(22)은 적어도 정극 활물질을 포함하고 도전제와 바인더를 한층 더 포함할 수 있다. 정극 활물질은 예를 들면 리튬을 포함한 고용체 산화물이지만 전기 화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이라면 특히 제한되지 않는다. 고용체 산화물은 예를 들면 LiaMnxCoyNizO2(1.150≤a≤1.430, 0.45≤x≤0.6, 0.10≤y≤0.15, 0.20≤z≤0.28), LiMnxCoyNizO2(0.3≤x≤0.85, 0.10≤y≤0.3, 0.10≤z≤0.3), LiMn1.5Ni0.5O4가 된다.The positive electrode active material layer 22 may include at least a positive electrode active material and further include a conductive agent and a binder. The positive electrode active material is, for example, a solid solution oxide containing lithium, but is not particularly limited as long as it is a material capable of occluding and releasing lithium ions electrochemically. The solid solution oxides include Li a Mn x Co y Ni z O 2 (1.150? A? 1.430, 0.45? X? 0.6, 0.10? Y? 0.15, 0.20? Z? 0.28), LiMn x Co y Ni z O 2 (0.3? X? 0.85, 0.10? Y? 0.3, 0.10? Z? 0.3) and LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 .

도전제는 예를 들면 켓첸블랙(Ketjen black), 아세틸렌 블랙(acetylene black) 등의 카본 블랙, 천연 흑연, 인조 흑연 등이지만 정극의 도전성을 높이기 위한 것이면 특히 제한되지 않는다.The conductive agent is not particularly limited as long as it is carbon black such as Ketjen black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite and the like, but it is for increasing the conductivity of the positive electrode.

바인더는 정극 활물질 및 도전제를 집전체(21)상에 결착시키는 것이면 특히 제한되지 않는다. 바인더로서는 예를 들면 폴리이미드(polyimide), 폴리 불화 비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 에틸렌프로피렌디엔(ethylene-propylene-diene) 삼원 공중합체, 스틸렌 부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 불소 고무(fluororubber), 폴리 초산비닐(polyvinyl acetate), 폴리 메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌(polyethylene), 니트로셀루로스(cellulose nitrate) 등이지만, 정극 활물질 및 도전제를 집전체(21)상에 결착시키는 것이면 특히 제한되지 않는다.The binder is not particularly limited as long as it binds the positive electrode active material and the conductive agent onto the current collector 21. Examples of the binder include polyimide, polyvinylidene fluoride, ethylene-propylene-diene terpolymer, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, but are not limited to, acrylonitrile-butadiene rubber, fluororubber, polyvinyl acetate, polymethylmethacrylate, polyethylene, cellulose nitrate and the like. However, Is adhered on the collector 21 without any particular limitation.

음극(30)은 집전체(31)와 음극 활물질층(32)을 포함한다. 집전체(31)는 도전체이고 한편 전기 화학적으로 안정적 이어 용해하지 않는 것이거나 리튬과 합금화하기 어려운 재료가 바람직하고 예를 들면 동, 스텐레스 강철 및 니켈 도금강철 등으로 구성된다.The cathode 30 includes a current collector 31 and a negative electrode active material layer 32. The current collector 31 is a conductor, and is preferably electrochemically stable and does not dissolve or is difficult to alloy with lithium, and is preferably made of copper, stainless steel, nickel plated steel, or the like.

음극 활물질층(32)은 음극 활물질 및 바인더를 포함한다. 음극 활물질은 규소계 활물질 미립자가 탄소 재료로 피복된 것이다. 여기서 규소계 활물질은 규소(원자)를 포함하고 한편 전기 화학적으로 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이다. 규소 활물질로서는 예를 들면 규소 단체의 미립자, 규소 화합물의 미립자 등을 들 수 있다. 규소 화합물은 리튬이온 이차전지의 음극 활물질로서 사용되는 것이면 특히 제한되지 않는다. 규소 화합물로서는 예를 들면 규소 합금 등을 들 수 있다. 규소 합금으로서는 예를 들면 Si-Ti-Ni합금, Si-Al-Fe합금 등을 들 수 있다.The negative electrode active material layer 32 includes a negative electrode active material and a binder. The negative active material is a silicon-based active material fine particle coated with a carbon material. Here, the silicon-based active material is a material containing silicon (atom) and capable of electrochemically intercalating and deintercalating lithium ions. Examples of the silicon active material include microparticles of silicon alone and microparticles of silicon compounds. The silicon compound is not particularly limited as long as it is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery. Examples of the silicon compound include silicon alloys and the like. Examples of the silicon alloys include Si-Ti-Ni alloys and Si-Al-Fe alloys.

규소계 활물질 미립자의 평균 입경은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 음극(30)으로 규소계 활물질 미립자를 리튬과 합금화 시켰을 경우 규소계 활물질 미립자 입경이 작은 것이 입자 1개 당 팽창 절대치가 작아진다. 이 때문에 음극(30)의 팽창을 억제할 수 있다. 상세하게는 규소계 활물질 미립자의 평균 입경은 200nm 이하가 바람직하고 100nm 이하가 한층 더 바람직하다. 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 이들 범위 내가 되는 경우에 사이클 수명이 특히 향상된다. 단 규소계 활물질 미립자 평균 입경의 하한 치에는 특별히 제한은 없지만 예를 들면 50~60nm인 것이 바람직하다. 즉, 후술하는 습식 분쇄에서 예를 들면 분쇄 시간을 30시간 이상으로 함으로써 평균 입경을 50~60nm정도로 하는 것이 가능하다.The average particle size of the silicon-based active material fine particles is preferably as small as possible. When the silicon-based active material fine particles are alloyed with lithium by the cathode 30, the absolute value of the expansion per one particle is small as the silicon-based active material fine particle diameter is small. Therefore, expansion of the cathode 30 can be suppressed. Specifically, the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles is preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. The cycle life is particularly improved when the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles falls within these ranges. The lower limit of the average particle size of the silicon-based active material fine particles is not particularly limited, but is preferably 50 to 60 nm, for example. That is, in the wet pulverization described later, for example, by setting the pulverization time to 30 hours or more, it is possible to set the average particle diameter to about 50 to 60 nm.

여기서 규소계 활물질 미립자 평균 입경은 규소계 활물질 미립자를 구체 형상으로 볼 때의 직경이고 예를 들면 레이저 회절/산란식 입도분포측정장치로 측정될 수 있다. 이 경우 레이저 회절/산란식 입도분포측정장치에 의해서 규소계 활물질 미립자의 입도 분포를 측정하고 이 입도분포를 근거로 규소계 활물질 미립자의 입도 산술 평균치를 평균 입경으로서 산출한다.Here, the average particle size of the silicon-based active material fine particles is a diameter of the silicon-based active material fine particles in a spherical shape, and can be measured by, for example, a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device. In this case, the particle size distribution of the silicon-based active material fine particles is measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device and the arithmetic mean value of the silicon-based active material fine particles is calculated as the average particle size based on the particle size distribution.

탄소 재료는 유기물을 규소계 활물질 미립자와 함께 소성함으로써 규소계 활물질 미립자의 표면에 형성된 것이다. 탄소 재료는 탄소를 주성분으로 포함한다. 탄소 재료의 두께는 특별히 제한되지 않지만 2~20nm의 범위내인 것이 바람직하다. 탄소 재료의 두께가 20nm를 넘으면 규소계 활물질의 리튬 출입이 저해되는 경우가 있고 또 탄소 재료의 두께가 2nm보다 작으면 탄소 재료가 규소계 활물질과 전해액과의 직접 접촉을 억제하기 어려워진다. 단 탄소 재료의 두께는 TEM에서의 직접 관찰이나 XPS에 의한 아르곤 식각(Argon etching)에 의해 측정될 수 있다. 도 5에 TEM 상의 일례를 나타낸다. 영역 A가 규소계 활물질을 나타내며 영역 B가 탄소 재료를 나타낸다.The carbon material is formed on the surface of the silicon-based active material fine particles by baking the organic material together with the silicon-based active material fine particles. The carbon material includes carbon as a main component. The thickness of the carbon material is not particularly limited, but is preferably in the range of 2 to 20 nm. When the thickness of the carbon material exceeds 20 nm, lithium out of the silicon-based active material may be inhibited. When the thickness of the carbon material is less than 2 nm, the carbon material is less likely to inhibit direct contact between the silicon-based active material and the electrolyte. The thickness of the carbon material can be measured by direct observation in TEM or argon etching by XPS. Fig. 5 shows an example of a TEM image. Region A represents a silicon-based active material, and Region B represents a carbon material.

또 탄소 재료의 피복량 즉 규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 총 질량은 0.35~3.5질량%이다. 후술하는 실시예로 나타내듯이 탄소 재료의 피복량이 상기 범위내의 값이 될 경우에 사이클 수명이 특히 향상하기 때문이다. 단 탄소 재료의 피복량은 예를 들면 시차열 분석장치 등에 의해 측정 가능하다. 탄소 재료의 바람직한 피복량은 0.7~1.75질량%이다.The total amount of the carbon material to the coating amount of the carbon material, that is, the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material is 0.35 to 3.5 mass%. This is because the cycle life is particularly improved when the covering amount of the carbon material becomes a value within the above range as shown in Examples to be described later. The covering amount of the carbon material can be measured by, for example, a differential thermal analysis apparatus. The preferable coating amount of the carbon material is 0.7 to 1.75 mass%.

본 실시형태의 음극 활물질에서는 규소계 활물질 미립자가 탄소 재료로 피복되므로 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 규소계 활물질 미립자의 산화가 억제된다. 이 때문에 초기 비가역 용량이 저하한다. 또한 규소계 활물질 미립자와 전해액과의 직접적인 접촉이 억제되므로 용매의 분해가 억제된다. 따라서 사이클 수명이 향상된다.In the negative electrode active material of the present embodiment, the silicon-based active material fine particles are covered with the carbon material, so that the silicon-based active material fine particles are hardly exposed to the atmosphere. Therefore, oxidation of the silicon-based active material fine particles is suppressed. As a result, the initial irreversible capacity decreases. In addition, since direct contact between the silicon-based active material fine particles and the electrolyte is suppressed, decomposition of the solvent is suppressed. Thus, the cycle life is improved.

바인더는 정극 활물질층(22)을 구성하는 바인더와 동일한 것일 수 있다. 음극 활물질층(32)을 집전체(31)상에 도포할 때 증점제로서 카르복시메틸 셀룰로오스(이하, CMC)를 결착제 질량의 1/10이상 동일 질량 이하로 병용할 수 있다. 증점제를 포함한 결착제의 함유량은 음극 합제의 총 질량에 대해 1질량% 이상 10질량% 이하인 것이 바람직하다. 증점제를 포함한 결착제의 함유량이 이들 범위인 경우 전지 특성이 특히 향상한다.The binder may be the same as the binder constituting the positive electrode active material layer 22. When coating the negative electrode active material layer 32 on the current collector 31, carboxymethylcellulose (hereinafter referred to as CMC) as a thickening agent can be used in a proportion of not less than 1/10 of the mass of the binder and not more than the same mass. The content of the binder including the thickener is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less based on the total mass of the negative electrode material mixture. When the content of the binder containing the thickener is within these ranges, the battery characteristics are particularly improved.

세퍼레이터층(40)은 세퍼레이터(separator)와 전해액을 포함한다. 세퍼레이터는 특별히 제한되지 않으며 리튬이온 이차전지의 세퍼레이터로서 사용되는 것이면 어떠한 것이라도 바람직하다. 세퍼레이터로서는 우수한 고율 방전 성능을 나타내는 다공막이나 부직포 등을 단독 혹은 병용하는 것이 바람직하다. 세퍼레이터를 구성하는 수지로서는 예를 들면 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등으로 대표되는 폴리오레핀(polyolefin)계 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate) 등으로 대표되는 폴리에스텔(Polyester)계 수지, PVDF, 불화 비닐리덴(VDF)-헥사 플루오르 프로필렌(HFP) 공중합체, 불화 비닐리덴-퍼플루오로 비닐 에테르(par fluorovinyl ether) 공중합체, 불화 비닐리덴-테트라 플루오르 에틸렌(tetrafluoroethylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-트리플루오르 에틸렌(trifluoroethylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-플루오르 에틸렌(fluoroethylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-헥사 플루오르 아세톤(hexafluoroacetone) 공중합체, 불화 비닐리덴-에틸렌(ethylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-프로필렌(propylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-트리플루오르 프로필렌(trifluoro propylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-테트라 플루오르 에틸렌(tetrafluoroethylene)-헥사 플루오르 프로필렌(hexafluoropropylene) 공중합체, 불화 비닐리덴-에틸렌(ethylene)-테트라 플루오르 에틸렌(tetrafluoroethylene) 공중합체 등을 들 수 있다.The separator layer 40 includes a separator and an electrolytic solution. The separator is not particularly limited, and any separator may be used as long as it is used as a separator of a lithium ion secondary battery. As the separator, it is preferable to use a porous film or nonwoven fabric exhibiting excellent high rate discharge performance singly or in combination. Examples of the resin constituting the separator include polyolefin resins represented by polyethylene, polypropylene and the like, polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate (PVDF), vinylidene fluoride (VDF) -hexafluoropropylene (HFP) copolymer, vinylidene fluoride-perfluorovinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-tetra A vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, a vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, a vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymer, a vinylidene fluoride-hexafluoroacetone copolymer, a vinylidene fluoride- Ethylene copolymers, vinylidene fluoride-propylene copolymers, Vinylidene fluoride copolymer, vinylidene fluoride-trifluoro propylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, tetrafluoroethylene copolymer, And the like.

비수전해액은 이전부터 리튬 이차전지에 이용되는 비수전해액과 동일한 것을 특히 한정 하지 않고 사용할 수 있다. 비수전해액은 비수용매에 전해질염을 함유 시킨 조성을 가진다. 비수용매로서는 예를 들면 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 부틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 클로로 에틸렌 카보네이트(chloroethylene carbonate), 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate) 등의 환상 탄산 에스테르(ester)류;γ-부티로락톤(butyrolactone),γ-발레로락톤(valerolactone) 등의 환상 에스테르류;디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate) 등의 쇄상 카보네이트류;기산메틸(methyl formate), 초산메틸(methyl acetate), 낙산 메틸(butyric acid methyl) 등의 쇄상 에스테르류;테트라 히드로푸란(Tetrahydrofuran) 또는 그 유도체;1, 3-디옥산(dioxane), 1, 4-디옥산(dioxane), 1, 2-디메톡시 에탄(dimethoxyethane), 1, 4-디브톡시에탄(dibutoxyethane), 메틸디그림(methyl diglyme) 등의 에테르(ether)류;아세트니트릴(acetonitrile), 벤조니트릴(benzonitrile) 등의 니트릴(nitrile)류;디옥솔란(Dioxolane) 또는 그 유도체;에틸렌 술피드(ethylene sulfide), 술포란(sulfolane), 술톤(sultone) 또는 그 유도체 등의 단독 또는 그것들 2종 이상의 혼합물 등을 들 수 있으나 이들로 한정되는 것은 아니다.The nonaqueous electrolytic solution may be the same as the nonaqueous electrolytic solution used in the lithium secondary battery from the past without particular limitation. The non-aqueous electrolyte has a composition containing an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonic ester esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylene carbonate, chloroethylene carbonate, and vinylene carbonate. Cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; alicyclic esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethylmethyl carbonate; Chain esters such as methyl formate, methyl acetate and butyric acid methyl, tetrahydrofuran or its derivatives, 1, 3-dioxane, Dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,4-dibutoxyethane, methyl diglyme, and the like. Ether; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; dioxolane or derivatives thereof; ethylene sulfide, sulfolane, sultone, sultone or a derivative thereof, or a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.

또 전해질염으로서는 예를 들면, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiPF6-x(CnF2n+1) x[단, 1<x<6, n=1 or2], LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, NaClO4, NaI, NaSCN, NaBr, KClO4, KSCN등의 리튬(Li), 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)의 1종을 포함한 무기 이온염, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)(C4F9SO2), LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, (CH3)4NBF4, (CH3)4NBr, (C2H5)4NClO4, (C2H5)4NI, (C3H7)4NBr, (n-C4H9)4NClO4, (n-C4H9)4NI, (C2H5)4N-maleate, (C2H5)4N-benzoate, (C2H5)4N-phtalate, 스테아릴 설폰산 리튬(stearyl sulfonic acid lithium), 옥틸 설폰산 리튬(octyl sulfonic acid), 도데실 벤젠 설폰산 리튬(dodecyl benzene sulphonic acid) 등의 유기 이온 염 등을 들 수 있고 이들 이온성 화합물을 단독 혹은 2 종류 이상 혼합하여 이용할 수 있다. 단 전해질염의 농도는 종래의 리튬 이차전지로 사용되는 비수전해액과 동일할 수 있고 특히 제한은 없다. 본 실시형태에서는 적당한 리튬 화합물(전해질염)을 0.8~1.5mol/L정도의 농도로 함유한 비수전해액을 사용할 수 있다.In the electrolyte salt as, for example, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 6, LiPF 6, LiPF 6-x (C n F2 n + 1) x [ stage, 1 <x <6, n = 1 or2], LiSCN, LiBr, (K), such as Li, Li 2 SO 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , NaClO 4 , NaI, NaSCN, NaBr, KClO 4 , KSCN, salt, LiCF 3 SO 3, LiN ( CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiN (CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2), LiC (CF 3 SO 2) 3, LiC (C 2 F 5 SO 2) 3, (CH 3) 4 NBF 4, (CH 3) 4 NBr, (C 2 H 5) 4 NClO 4, (C 2 H 5) 4 NI, (C 3 H 7) 4 NBr, (n -C 4 H 9) 4 NClO 4, (n-C 4 H 9) 4 NI, (C 2 H 5) 4 N-maleate, (C 2 H 5) 4 N-benzoate (C 2 H 5 ) 4 N-phthalate, stearyl sulfonic acid lithium, octyl sulfonic acid, and dodecyl benzene sulphonic acid. Salts, etc. These ionic compounds may be used singly or in combination of two or more. The concentration of the electrolyte salt may be the same as that of a non-aqueous electrolyte used as a conventional lithium secondary battery, and is not particularly limited. In the present embodiment, a non-aqueous electrolyte containing a suitable lithium compound (electrolyte salt) at a concentration of about 0.8 to 1.5 mol / L can be used.

단 비수전해액에는 각종의 첨가제를 첨가할 수 있다. 이러한 첨가제로서는 음극 작용 첨가제, 정극 작용 첨가제, 에스테르계의 첨가제, 탄산 에스테르계의 첨가제, 황산 에스테르계의 첨가제, 인산 에스테르계의 첨가제, 붕산 에스테르계의 첨가제, 산무수물계의 첨가제, 및 전해질 계의 첨가제등을 들 수 있다. 이들 중 어느 한 종을 비수전해액에 첨가할 수도 있고 복수 종류의 첨가제를 비수전해액에 첨가할 수도 있다.However, various additives may be added to the non-aqueous electrolyte. Examples of such an additive include a negative electrode active additive, a positive electrode active additive, an ester additive, a carbonic ester additive, a sulfate ester additive, a phosphate ester additive, a borate ester additive, an acid anhydride additive, Additives, and the like. Any one of them may be added to the nonaqueous electrolyte solution or a plurality of kinds of additives may be added to the nonaqueous electrolyte solution.

(리튬이온 이차전지의 제조방법)(Manufacturing Method of Lithium Ion Secondary Battery)

다음으로 리튬이온 이차전지(10)의 제조방법에 관해 설명한다. 정극(20)은 아래와 같이 제작된다. 우선 정극 활물질, 도전제 및 바인더를 상기 비율로 혼합한 것을 용매(예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈)에 분산시킴으로써 슬러리를 형성한다. 이어서 슬러리를 집전체(21)상에 형성(예를 들면 도공)하여 건조시킴으로써 정극 활물질층(22)을 형성한다. 단 도공 방법은 특별히 한정되지 않는다. 도공 방법으로서는 예를 들면, 나이프 코터(knife coater) 법, 그라비어 코터(gravure coater) 법 등을 생각할 수 있다. 이하의 각 도공 공정도 동일한 방법으로 수행된다. 그 다음에 프레스(press)기로 정극 활물질층(22)을 상기 범위내의 밀도가 되도록 프레스 한다. 이것에 의해 정극(20)이 제작된다.Next, a method of manufacturing the lithium ion secondary battery 10 will be described. The positive electrode 20 is made as follows. First, a slurry is formed by dispersing a mixture of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder in the above ratio in a solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone). Next, the slurry is formed (for example, coated) on the current collector 21 and dried to form the positive electrode active material layer 22. The coating method is not particularly limited. As the coating method, for example, a knife coater method, a gravure coater method, or the like can be considered. Each of the following coating processes is carried out in the same manner. Then, the positive electrode active material layer 22 is pressed to a density within the above range with a press machine. Thus, the positive electrode 20 is fabricated.

음극(30)은 다음과 같이 제작된다. 우선, 음극 활물질의 제작 방법에 관해 설명한다. 음극 활물질의 제작 방법은 이하 3개의 공정으로 크게 구별된다. 제1 공정에서는 비수용매 중에서 규소계 활물질을 분쇄함으로써 규소계 활물질 미립자가 비수용매 중에서 분산된 분산용액을 제작한다. 즉, 제1 공정에서는 규소계 활물질을 습식 분쇄함으로써 규소계 활물질을 미립자화한다. 이 방법에 의하면 분쇄 시에 규소계 활물질의 산화가 억제된다.The cathode 30 is fabricated as follows. First, a method of manufacturing the negative electrode active material will be described. The manufacturing method of the negative electrode active material is largely divided into the following three processes. In the first step, a silicon-based active material is pulverized in a non-aqueous solvent to prepare a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles are dispersed in a non-aqueous solvent. That is, in the first step, the silicon-based active material is wet pulverized to make the silicon-based active material fine. According to this method, oxidation of the silicon-based active material is suppressed at the time of pulverization.

제1 공정의 습식 분쇄에 사용하는 비수용매로서는 규소계 활물질과 반응하지 않고 규소계 활물질 미립자의 재응집을 억제할 수 있어 공업적으로 경제적이고 한편 제2 공정에서의 탄소원인 유기물을 용해할 수 있는 것이 바람직하다. 상세하게는 에탄올이나 메탄올 등의 알코올류나 에테르 등이 바람직하다. 이들 비수용매를 단독으로 사용할 수도 있고 복수 종류를 혼합하여 이용할 수 있다.As the non-aqueous solvent used for the wet pulverization in the first step, it is possible to suppress the re-aggregation of the silicon-based active material fine particles without reacting with the silicon-based active material, thereby being industrially economical and capable of dissolving the carbon source- . Specifically, alcohols such as ethanol and methanol, and ethers are preferred. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of plural kinds.

제1 공정의 습식 분쇄에 사용하는 장치로서는 특히 제한은 없고 예를 들면 미디어를 사용한 볼 밀 장치, 유성 볼 밀 장치, 비즈 밀 장치 등을 이용할 수 있다. 미디어나 장치 용기에는 가능한 한 불순물의 영향을 작게 하기 위해서 전기 화학적으로 불활성인 세라믹 재료, 예를 들면 산화 지르코늄이나 알루미나 등을 사용하는 것이 바람직하다. 규소계 활물질을 가능한 한 세밀하게 분쇄하기 위해 산화 지르코늄이나 알루미나 등의 미디어 입경(직경)은 작은 것이 바람직하고 50~100μm이하가 바람직하다.The apparatus used for the wet milling in the first step is not particularly limited, and for example, a ball mill apparatus using a medium, a planetary ball mill apparatus, a bead mill apparatus, or the like can be used. It is preferable to use an electrochemically inactive ceramic material, such as zirconium oxide or alumina, in order to minimize the influence of impurities on the media or device container. In order to finely grind the silicon-based active material as fine as possible, the media diameter (diameter) such as zirconium oxide or alumina is preferably small and preferably 50 to 100 μm or less.

제2 공정에서는 비수용매에 용해하는 유기물을 분산용액에 용해함으로써 혼합용액을 제작한다. 제2 공정으로 사용 가능한 유기물은 또 비수용매에 용해 가능하고 한편 탄소의 함유율이 높은 재료가 바람직하다. 이러한 유기물을 사용함으로써 치밀한 탄소 재료막을 형성하기 쉽다. 구체적인 함유율로서 탄소의 함유율은 유기물의 총 질량에 대해 10.7~44.1질량%인 것이 바람직하다. 산소의 함유율은 유기물의 총 질량에 대해 16.7~63.1질량%의 범위가 바람직하다. 유기물의 구체적인 예로서는 예를 들면 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류 등을 들 수 있다.In the second step, a mixed solution is prepared by dissolving an organic substance dissolved in a non-aqueous solvent in a dispersion solution. The organic material usable in the second step is preferably a material which is soluble in a non-aqueous solvent and has a high carbon content. By using such an organic material, it is easy to form a dense carbon material film. The content of carbon as a specific content is preferably 10.7 to 44.1 mass% with respect to the total mass of the organic material. The oxygen content is preferably in the range of 16.7 to 63.1 mass% with respect to the total mass of the organic material. Specific examples of the organic substance include, for example, a hydroxy acid, a monosaccharide, and an oligosaccharide.

여기서 히드록시산(hydroxyl acid)으로서는 구연산 및 글리콜산 등을 들 수 있다. 또 단당류로서는 에리트리톨(erythritol), D-에리트룰로오스(D-erythrulose), D-에리트로오스(D-erythrose), D-트레오스(D-threose), D-아라비노스(D-arabinose), L-아라비노스(L-arabinose), D-크실룰로오스(D-xylulose), L-크실룰로오스(L-xylulose), D-자일로스(D-xylose), D-릭소오스(D-lyxose), L-릭소오스(Llyxose), D-리불로오스(D-ribulose), D-아이도스(D-idose), D-퀴노보스(D-quinovose), 글루카르산(glucari cacid), D-디지톡소스(D-digitoxose), D-시마로스(D-cymarose), 2-데옥시D-글루코스(2-deoxy-D-glucose), L-푸코스(L-fucose), D-사이코스(D-psicose), D-프럭토스(D-fructose), L-람노스(L-rhamnose), L-아이드로닉산(L-Iduronic acid), D-글루쿠론산(D-glucuronicacid) 등을 들 수 있다. 또 올리고당(oligosaccharide)류로서는 이소말토오스(isomaltose), 루틴오스(rutinose) 등을 들 수 있다. 유기물은 이들 어느 한 종을 사용할 수 있고 복수 종류를 병용할 수 있다. Examples of the hydroxyl acid include citric acid and glycolic acid. Examples of the monosaccharide include erythritol, D-erythrulose, D-erythrose, D-threose, D-arabinose, , L-arabinose, D-xylulose, L-xylulose, D-xylose, D-ricinose D-lyxose, Llyxose, D-ribulose, D-idose, D-quinovose, glucaracic acid, D-digitoxose, D-cymarose, 2-deoxy-D-glucose, L-fucose, D D-psicose, D-fructose, L-rhamnose, L-Iduronic acid, D-glucuronic acid ) And the like. Examples of oligosaccharides include isomaltose, rutinose, and the like. Any one of these organic substances may be used, and a plurality of types may be used in combination.

유기물의 첨가량으로서는 분산용액의 질량에 대해 10질량% 이하가 바람직하고 5질량% 이하가 더욱 바람직하며 2질량% 이하가 더욱 바람직하다. 하한치는 탄소 재료에서 요구되는 파라미터가 채워지면 특히 제한되지 않는다.The amount of the organic substance to be added is preferably 10 mass% or less, more preferably 5 mass% or less, and further preferably 2 mass% or less, based on the mass of the dispersion solution. The lower limit is not particularly limited as long as the parameters required for the carbon material are satisfied.

제3 공정에서는 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 규소계 활물질 미립자 표면에 탄소 재료를 피복 한다. 이것에 의해 음극 활물질을 제작한다.In the third step, the carbon material is coated on the surface of the silicon-based active material fine particles by firing the mixed solution in an inert atmosphere. Thus, an anode active material is produced.

여기서 불활성 분위기는 예를 들면 아르곤이나 질소 등에 의해 구현할 수 있다. 이들 기체를 단독으로 사용할 수 있고 혼합해서 사용할 수 있다. 또 소성온도에 관해서는 유기물의 탄소화가 진행하는 온도를 고려하면 550℃ 이상이 바람직하다. 또, 상한 온도는 규소와 탄소의 반응에 의한 SiC의 생성이 일어나지 않는 800℃ 이하가 바람직하다. 최적 온도에 관해서는 소성에 사용하는 유기물의 종류에 따라서 다르다. 이상의 공정에 의해 음극 활물질이 제작된다. 이처럼 제2~제3 공정에서는 규소계 활물질 미립자는 비수용매 중에 존재하므로 대기 중으로 노출되지 않는다. 따라서 소성 시의 산화도 억제된다. 또 본 실시형태에 의한 탄소 재료의 피복 방법은 비특허문헌 1에 개시된 피복 방법(아세틸렌 가스를 이용한 화학 기상법에 의해 탄소 재료를 규소 미립자에 피복 하는 방법)보다 저비용으로 구현할 수 있다.Here, the inert atmosphere can be implemented by, for example, argon or nitrogen. These gases can be used alone or in combination. Regarding the firing temperature, the temperature at which the carbonization of the organic material proceeds is preferably at least 550 캜. The upper limit temperature is preferably not higher than 800 DEG C at which SiC is not generated by the reaction of silicon and carbon. The optimum temperature differs depending on the type of the organic material used for the firing. The negative electrode active material is produced by the above process. As described above, the silicon-based active material fine particles are not exposed to the air because they are present in the non-aqueous solvent in the second to third steps. Therefore, the oxidation during firing is also suppressed. The coating method of the carbon material according to the present embodiment can be realized at a lower cost than the coating method disclosed in the non-patent document 1 (a method of coating a carbon material onto silicon fine particles by a chemical vapor deposition method using acetylene gas).

그 다음은 정극(20)과 동일한 공정을 수행한다. 즉 음극 활물질, 및 바인더를 혼합한 것을 용매(예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈)에 분산시킴으로써 슬러리를 형성한다. 이어서 슬러리를 집전체(31)상에 형성(예를 들면 도공)하여 건조시킴으로써 음극 활물질층(32)을 형성한다. 그 다음에 프레스기에 의해 음극 활물질층(32)을 프레스 한다. 이것에 의해 음극(30)이 제작된다.Next, the same process as that of the positive electrode 20 is performed. That is, a mixture of a negative electrode active material and a binder is dispersed in a solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone) to form a slurry. Subsequently, the slurry is formed (for example, coated) on the current collector 31 and dried to form the negative electrode active material layer 32. Then, the negative electrode active material layer 32 is pressed by a press machine. Thus, the cathode 30 is fabricated.

이어서 세퍼레이터를 정극(20) 및 음극(30)의 사이에 둠으로써 전극 구조체가 제작된다. 그 다음에 전극 구조체를 원하는 형태(예를 들면 원통형, 각형, 래미네이트형, 버튼형 등 )로 가공하여 해당 형태의 용기에 삽입한다. 그리고 해당 용기 내에 상기 조성의 전해액을 주입함으로써 세퍼레이터 내의 각 기공에 전해액을 함침시킨다. 이것에 의해 리튬이온 이차전지가 제작된다.Subsequently, the separator is placed between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 to produce an electrode structure. Next, the electrode structure is processed into a desired shape (e.g., cylindrical shape, angled shape, laminate shape, button shape, etc.) and inserted into the container of the corresponding shape. Then, the electrolytic solution of the above composition is injected into the container to impregnate the electrolyte into each pore in the separator. Thus, a lithium ion secondary battery is fabricated.

(실시예 1-1)(Example 1-1)

실시예 1-1에서는 이하의 공정에 의해 음극 활물질을 제작했다.In Example 1-1, the negative electrode active material was produced by the following steps.

(제1 공정)(First step)

평균 입경 25μm의 규소입자를 에탄올 및 규소입자의 총 질량에 대해 10질량%의 배합으로 첨가하고 직경(입경) 50μm의 산화 지르코늄 비즈와 함께 아시자와·파인텍(Ashizawa Finetech) 주식회사제 라보스타 미니(Labstar) LMZ015에 투입했다. 단 규소입자의 평균 입경은 주식회사 호리바 제작소제 레이저 회절/산란식 입도분포측정장치 LA-920을 이용하여 측정했다. 상세하게는 상기 장치를 사용하여 입도분포를 측정하고 입도분포를 근거로 입도의 산술 평균치를 산출했다.Silicon particles having an average particle diameter of 25 mu m were added in a blend of 10 mass% with respect to the total mass of ethanol and silicon particles, and then mixed with zirconium oxide beads having a diameter (particle diameter) of 50 mu m, (Labstar) LMZ015. The average particle diameter of the single silicon particles was measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution analyzer LA-920 manufactured by Horiba, Ltd. Specifically, the particle size distribution was measured using the apparatus and an arithmetic average of the particle sizes was calculated based on the particle size distribution.

산화 지르코늄 비즈의 투입량은 용기 용적에 대해 80체적%로 했다. 그리고 교반기(Agitator)의 주 속을 12m/s로 24시간 운전했다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자(규소 미립자)가 분산된 분산용액을 제작했다. 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 규소입자와 동일한 방법으로 측정했는데 평균 입경은 110nm이었다.The charged amount of the zirconium oxide beads was 80 vol% relative to the volume of the container. Then, the stirrer (Agitator) was driven at 12m / s for 24 hours. Thus, a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles (silicon fine particles) were dispersed was prepared. The average particle diameter of the silicon-based active material fine particles was measured by the same method as that of the silicon particles, but the average particle diameter was 110 nm.

(제2 공정)(Second Step)

상기 제1 공정에서 제작한 분산용액 100g에 대해 구연산 2g(분산용액의 총 질량에 대해 2질량%)을 첨가 혼합함으로써 혼합용액을 제작했다.2 g of citric acid (2 mass% based on the total mass of the dispersion solution) was added to 100 g of the dispersion solution prepared in the first step to prepare a mixed solution.

(제3 공정)(Third step)

제2 공정에서 제작한 혼합용액을 세라믹(ceramic)제의 도가니로 옮겨 석영제의 유리 튜브 로에 설치했다. 상기 튜브 로내에 아르곤 가스를 500cm3/min로 플로우(flow)시켜 충분히 치환한 후 2.5℃/min의 스피드로 튜브 로 내를 600℃까지 온도 상승시켰다. 그 후 튜브 로내를 600℃에서 5시간 유지하고 자연 냉각하여 실온에 도달한 후에 도가니를 꺼냈다.The mixed solution prepared in the second step was transferred to a crucible made of ceramic and installed in a glass tube made of quartz. After the argon gas was flowed into the tube furnace at a flow rate of 500 cm &lt; 3 &gt; / min, the inside of the tube was heated to 600 DEG C at a rate of 2.5 DEG C / min. Thereafter, the inside of the tube furnace was maintained at 600 DEG C for 5 hours, and the furnace was taken out after the furnace was cooled to room temperature.

그리고 도가니 내의 시료를 메노우 유발(Agate mortar) 안에서 분쇄함으로써 음극 활물질을 제작했다. 규소계 활물질에의 탄소 재료 피복량은 다음과 같이 산출했다. 즉, 세이코 인스트루먼트(Seiko Instruments) 주식회사제 시차열분석장치 EXSTAR6000을 이용하여 구연산의 중량 감소를 측정하고 그 결과로부터 구연산의 탄소화율을 산출했는데 3.57질량%이었다. 그리고 그 결과로부터 탄소 재료의 규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 질량%를 산출했는데 0.7질량%이었다.Then, a sample in the crucible was crushed in an agate mortar to prepare an anode active material. The amount of the carbon material covering the silicon-based active material was calculated as follows. In other words, the weight loss of citric acid was measured using EXSTAR 6000, a differential thermal analyzer manufactured by Seiko Instruments Co., Ltd., and the carbonation rate of citric acid was calculated from the result to be 3.57 mass%. From the results, the mass% of the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material of the carbon material was calculated to be 0.7% by mass.

또한 음극 활물질의 표면을 아르곤 식각 하면서 Kratos사제의 X선광전자 분광분석장치 AXIS-ULTRA-DLD로 분석함으로써 음극 활물질의 두께 방향의 원소를 분석했다. 이것에 의해 탄소 재료의 두께를 측정했다. 그 결과 탄소 재료의 두께는 3nm로 측정되었다. 또 음극 활물질의 표면을 일본전자주식회사제인 투과형 전자현미경(TEM) JEOL-2010 FEF를 이용하여 분석한 결과 탄소 재료의 두께는 2~10nm이었다.In addition, the surface of the negative electrode active material was analyzed by an X-ray photoelectron spectroscopic analyzer AXIS-ULTRA-DLD manufactured by Kratos while performing argon etching to analyze the elements in the thickness direction of the negative electrode active material. Thus, the thickness of the carbon material was measured. As a result, the thickness of the carbon material was measured to be 3 nm. Further, the surface of the negative electrode active material was analyzed using a JEOL-2010 FEF manufactured by JEON TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE (TEM). The carbon material had a thickness of 2 to 10 nm.

(음극 제작)(Cathode)

폴리이미드 15질량부에 N-메틸-2-피롤리돈을 추가하여 혼합 용해시킨 폴리이미드 용액에 음극 활물질 40질량부 및 흑연 45질량부를 투입함으로써 혼합용액을 제작했다. 이어서 이 혼합용액을 메노우사제의 유발(Agate mortar)로 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 이어서 이 슬러리를 애플리케이터(Applicator)를 이용하여 두께 10μm의 동박상에 도포했다. 이어서 슬러리를 아르곤 플로우(500cm3/min) 하에, 2.5℃/min의 스피드로 350℃까지 상온하고 이 온도로 30분간 열처리(건조) 했다. 이것에 의해 음극 활물질층 즉 음극을 제작했다. 음극 활물질층의 프레스 전의 밀도는 0.8g/cm3이고 프레스 후는 1.1g/cm3, 두께는 프레스 전이 40μm이었다.40 parts by mass of the negative electrode active material and 45 parts by mass of graphite were added to a polyimide solution obtained by mixing and dissolving N-methyl-2-pyrrolidone in 15 parts by mass of polyimide. Subsequently, this mixed solution was mixed with a mortar mortar to prepare a slurry. Subsequently, this slurry was applied to a copper foil having a thickness of 10 mu m by using an applicator. Then the slurry at room temperature under argon flow (500cm 3 / min), to 350 ℃ at a speed of 2.5 ℃ / min, and was heat-treated (dried) for 30 minutes at this temperature. Thus, a negative electrode active material layer, that is, a negative electrode was produced. After the pre-press density of the negative electrode active material layer is 0.8g / cm 3 and the press is 1.1g / cm 3, the thickness was press transition 40μm.

그 다음에 대극으로서 리튬박을 준비하고 리튬박과 음극을 두께 20μm의 폴리에틸렌제 세퍼레이터를 통해 적층함으로써 전극 구조체를 제작했다. 이어서 전극 구조체에 1M-LiPF6EC/DEC(1:1) 전해액을 0.1cm3 추가함으로써 2032형 코인(coin) 전지를 제작했다.Next, a lithium foil was prepared as a counter electrode, and a lithium foil and a negative electrode were laminated through a polyethylene separator having a thickness of 20 m to produce an electrode structure. Subsequently, a 2032 coin battery was produced by adding 0.1 cm &lt; 3 &gt; of a 1M LiPF6EC / DEC (1: 1) electrolyte to the electrode structure.

(초기 효율 및 사이클 수명의 측정)(Measurement of initial efficiency and cycle life)

이 전지를 유한회사 인덱스(Index)사제 충방전 시험기 BTS2010을 이용하여 충방전 시험을 실시했다. 1에서 2 사이클째는 0.05 C, 3에서 4 사이클째에 0.1 C, 그 다음은 0.5 C로 충방전 했다. 충전은 정전류 정전압, 방전은 정전류로 실시하고 전압 범위는 0.02~1.5V, 시험 온도 25℃로 했다.This battery was subjected to a charge-discharge test using a BTS2010 charge / discharge tester manufactured by Index Co., Ltd. 0.05 C at the first cycle to the second cycle, 0.1 C at the third cycle to the fourth cycle, and then to 0.5 C for the next cycle. Charging was carried out with a constant current constant voltage and discharging with a constant current. The voltage range was 0.02 to 1.5 V and the test temperature was 25 ° C.

그리고 리튬이온 이차전지의 초기 효율 및 사이클 수명을 측정했다. 여기서 초기 효율을 1 사이클째의 충방전 효율(방전용량/충전용량)로 하고 사이클 수명은 0.5C에서의 충방전에 의해 방전용량이 90%를 밑돌 때의 사이클 수로 했다.The initial efficiency and cycle life of the lithium ion secondary battery were measured. The initial efficiency was defined as the charge / discharge efficiency (discharge capacity / charge capacity) of the first cycle and the cycle life was determined as the number of cycles when the discharge capacity was less than 90% by charge / discharge at 0.5C.

(실시예 1-2)(Example 1-2)

유기물로서 올리고 당류의 이소말토오스를 사용한 이외는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 1-1 was repeated except that isomaltose of an oligosaccharide was used as an organic substance.

(실시예 1-3)(Example 1-3)

유기물로서 단당류의 에리트리톨을 사용한 이외는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다. Treated in the same manner as in Example 1-1, except that erythritol, which is a monosaccharide, was used as an organic substance.

(비교예 1-1)(Comparative Example 1-1)

음극 활물질로서 실시예 1-1의 제1 공정으로 제작된 규소계 활물질 미립자를 사용한 이외는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다.The same process as in Example 1-1 was carried out except that the silicon-based active material fine particles prepared in the first step of Example 1-1 were used as the negative electrode active material.

(평가)(evaluation)

실시예 1-1~3과 비교예 1-1과의 초기 효율 및 사이클 수명을 표 1에 비교하여 나타낸다. 단 표 1에서는 실시예 1-1~3의 초기 효율 및 사이클 수명을 비교예 1-1로 규격화하여 나타낸다.The initial efficiency and cycle life of Examples 1-1 to 3 and Comparative Example 1-1 are shown in Table 1 in comparison. However, in Table 1, the initial efficiency and cycle life of Examples 1-1 to 1-3 are standardized by Comparative Example 1-1.

초기 효율Initial efficiency 사이클 수명Cycle life 실시예 1-1/비교예 1-1Example 1-1 / Comparative Example 1-1 1.161.16 2.72.7 실시예 1-2/비교예 1-1Example 1-2 / Comparative Example 1-1 1.181.18 2.52.5 실시예 1-3/비교예 1-1Example 1-3 / Comparative Example 1-1 1.131.13 2.82.8

표 1에 나타낸 바와 같이 실시예 1-1(규소계 활물질 미립자에 탄소 재료를 피복한 것)의 초기 효율은 비교예 1-1(규소계 활물질 미립자에 탄소 재료를 피복하지 않는 것)에 비해 16%향상하고 사이클 수명은 2.7배로 향상했다. 초기 효율이 향상한 이유로서 실시예 1-1에서는 탄소 재료에 의해 규소계 활물질 미립자가 피복되므로 규소계 활물질 미립자와 대기중의 산소와의 직접적인 접촉이 억제되는 것으로 생각할 수 있다. 즉 실시예 1-1에서는 초기 비가역 용량의 주된 요인이 되는 산화 규소의 생성이 억제되었다. 또한 사이클 수명이 향상된 이유로서는 탄소 재료에 의해 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉이 억제되는 것으로 생각할 수 있다As shown in Table 1, the initial efficiency of Example 1-1 (silicon-based active material microparticles coated with a carbon material) was lower than that of Comparative Example 1-1 (silicon-based active material fine particles were not coated with carbon material) % And the cycle life was improved 2.7 times. The reason why the initial efficiency is improved is that in Embodiment 1-1, the silicon-based active material fine particles are covered with the carbon material, so that direct contact between the silicon-based active material fine particles and oxygen in the atmosphere is suppressed. That is, in Example 1-1, generation of silicon oxide which is a main factor of the initial irreversible capacity was suppressed. The reason why the cycle life is improved is thought to be that the direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent is suppressed by the carbon material

그리고 실시예 1-2, 1-3과 실시예 1-1을 비교하면 실시예 1-2의 초기 효율은 실시예 1-1의 초기 효율보다 양호했다. 그 이유로서 이소말토오스 중의 탄소 함유율(C=42질량%)은 구연산의 탄소 함유율(C=37.5질량%)보다 높기 때문에 보다 치밀한 탄소 피막이 형성되는 것으로 생각할 수 있다. 또 실시예 1-3의 사이클 수명은 실시예 1-1의 사이클 수명보다 양호했다. 그 이유로서 이소말토오스의 산소량 함유율(O=51질량%)은 구연산의 산소 함유율(O=58 질량%)보다 낮기 때문에 규소계 활물질 미립자의 산화를 한층 더 억제되는 것으로 생각할 수 있다.In comparison between Examples 1-2 and 1-3 and Example 1-1, the initial efficiency of Example 1-2 was better than that of Example 1-1. The reason for this is considered to be that the carbon content (C = 42 mass%) in isomaltose is higher than the carbon content (C = 37.5 mass%) of citric acid, so that a more dense carbon film is formed. The cycle life of Example 1-3 was better than that of Example 1-1. The reason for this is considered that the oxidation rate of the silicon-based active material fine particles is further suppressed because the oxygen content (O = 51 mass%) of isomaltose is lower than the oxygen content (O = 58 mass%) of citric acid.

(실시예 1-4)(Examples 1-4)

다음으로 본 발명자는 소성온도와 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위하여 실시예 4를 실시했다. 실시예 1-4에서는 실시예 1-1의 제3 공정에 있어서 소성온도를 400~900℃ 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도2에 나타낸다. 도2의 가로축은 소성온도를 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 비교예 1-1로서 규격화된 값을 나타낸다.Next, the inventor conducted Example 4 to confirm the correspondence relationship between the firing temperature and the characteristics of the lithium ion secondary battery. Example 1-4 was the same as Example 1-1 except that the firing temperature in the third step of Example 1-1 was varied within the range of 400 to 900 占 폚. The results are shown in Fig. The horizontal axis of FIG. 2 represents the firing temperature and the vertical axis represents the initial efficiency and cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life show a value standardized as Comparative Example 1-1.

도2에 의하면 초기 효율은 400~900℃ 사이에서 비교예 1-1보다 높고 또 사이클 수명은 550~800℃ 사이에서 비교예 1-1보다 높았다. 따라서 소성온도는 550~800℃인 것이 바람직하다. 소성온도가 400℃ 미만 시에 사이클 수명 및 초기 효율이 저하하는 이유로서는 낮은 소성온도에서는 유기물의 탄소화가 진행되기 어려워 탄소 재료의 피복량이 저하하는 것을 들 수 있다. 또한 소성온도가 900℃로 될 경우에 초기 효율 및 사이클 수명이 큰 폭으로 저하된다. 그 이유로서는 전기 화학적으로 불활성인 SiC의 생성에 의한 악영향을 생각할 수 있다. 즉 규소계 활물질을 미립자화함에 의해 탄소와의 반응성이 높아지고 900℃에서도 SiC가 부분적으로 생성된다고 생각할 수 있다.2, the initial efficiency was higher than that of Comparative Example 1-1 between 400 and 900 ° C, and the cycle life was higher than that of Comparative Example 1-1 between 550 and 800 ° C. Therefore, the firing temperature is preferably 550 to 800 ° C. The reason why the cycle life and the initial efficiency are lowered when the firing temperature is lower than 400 占 폚 is that the carbonization of the organic material is difficult to proceed at a low firing temperature and the coating amount of the carbon material is lowered. In addition, when the firing temperature is 900 ° C, the initial efficiency and cycle life are considerably lowered. The reason for this may be adverse effects due to the generation of electrochemically inactive SiC. That is, by reacting the silicon-based active material with fine particles, the reactivity with carbon becomes high, and SiC is partially generated at 900 ° C.

(실시예 1-5)(Example 1-5)

또 본 발명자는 탄소 재료의 피복량 즉 규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 질량%와 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 1-5를 실시했다. 상세하게는 실시예 1-1의 제2 공정에서 구연산 첨가량을 변동시킴으로써 탄소 재료의 피복량을 0.07~6.7질량%의 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도3에 나타낸다. 도3의 가로축은 탄소 재료의 피복량(규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 질량%, C/Si비율)을 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 비교예 1-1로서 규격화된 값을 나타낸다.The inventors of the present invention conducted Examples 1-5 in order to confirm the correspondence relationship between the amount of the carbon material covered, that is, the mass% of the carbon material with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material, and the characteristics of the lithium ion secondary battery . Specifically, the treatment was carried out in the same manner as in Example 1-1, except that the coating amount of the carbon material was varied within the range of 0.07 to 6.7 mass% by varying the addition amount of citric acid in the second step of Example 1-1. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 3 represents the coating amount of the carbon material (the mass% of the carbon material with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material and the C / Si ratio), and the ordinate represents the initial efficiency and the cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life show a value standardized as Comparative Example 1-1.

도 3에 의하면 탄소 재료의 피복량이 0.35~3.5질량%가 될 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 비교예 1-1보다 양호해지고 탄소 재료의 피복량이 0.7~1.75질량%가 될 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 극대가 된다. 탄소 재료의 피복량이 3.5질량%를 초과한 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 저하하는 이유로서는 탄소 재료의 구조에 의한 것으로 생각할 수 있다. 즉 규소계 활물질 미립자를 덮는 탄소 재료는 흑연 구조를 가지는 것으로 추정되지만 이 구조는 미성숙(상세하게는 비정질 부분이 많다)하기 때문에 그 탄소 재료의 피복량이 증가하면 탄소 재료에 의해 리튬이온의 규소계 활물질 미립자에의 출입이 오히려 저해된다. 또한 탄소 재료의 피복량이 0.7~1.75질량%가 될 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 극대화 한다. 탄소 재료의 피복량이 이 범위 내가 될 경우에 탄소 재료가 리튬이온의 이동을 저해하기 어렵고 또한 탄소 재료에 의한 규소계 활물질 미립자의 산화 억제 효과가 극대화 된다고 생각할 수 있다.According to FIG. 3, when the coating amount of the carbon material is 0.35 to 3.5 mass%, the cycle life and the initial efficiency become better than those of Comparative Example 1-1, and the coating amount of the carbon material becomes 0.7 to 1.75 mass% The efficiency is maximized. The reason why the cycle life and the initial efficiency are lowered when the coating amount of the carbon material exceeds 3.5% by mass is considered to be due to the structure of the carbon material. That is, the carbon material covering the silicon-based active material fine particles is presumed to have a graphite structure. However, since this structure is immature (more amorphous portions are detailed), when the covering amount of the carbon material increases, Entrance into the particulate matter is rather hindered. When the coating amount of the carbon material is 0.7 to 1.75 mass%, the cycle life and the initial efficiency are maximized. When the coating amount of the carbon material is within this range, it can be considered that the carbon material is hard to inhibit the movement of lithium ions and that the oxidation inhibiting effect of the silicon-based active material fine particles by the carbon material is maximized.

(실시예 1-6)(Examples 1-6)

그리고 본 발명자는 규소계 활물질 미립자의 평균 입경과 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해 실시예 1-6을 실시했다. 상세하게는 실시예 1-1의 제1 공정에 있어서 분쇄 시간을 조정함으로써 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 100~900nm의 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4의 가로축은 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 나타내고 세로축은 사이클 수명을 나타낸다. 단 사이클 수명은 비교예 1-1로서 규격화한 값을 나타낸다.The present inventors conducted Examples 1-6 to confirm the correspondence relationship between the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles and the characteristics of the lithium ion secondary battery. Specifically, the same treatment as in Example 1-1 was conducted except that the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles was varied within a range of 100 to 900 nm by adjusting the milling time in the first step of Example 1-1. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 4 represents the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles and the ordinate represents the cycle life. The short cycle life shows a value standardized as Comparative Example 1-1.

도 4에 의하면 평균 입경이 작을수록 사이클 수명은 길어지지만 어느 입경에서도 비교예 보다는 사이클 수명이 향상됐다. 또한 특히 200nm를 경계로 사이클 수명이 급격하게 변동했다. 또 그래프 형상에서는 100nm 이하에서 극대화 될 것으로 추정된다. 이에 따라서 평균 입경은 200nm 이하가 바람직하고 100nm 이하가 한층 더 바람직하다.According to Fig. 4, the cycle life is prolonged as the average particle diameter is smaller, but the cycle life is improved at any particle size than the comparative example. In addition, the cycle life varied sharply, especially at 200 nm. In the case of the graph shape, it is estimated that it will be maximized at 100 nm or less. Accordingly, the average particle diameter is preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less.

단 실시예 1-1의 습식 분쇄법을 이용할 경우 재응집이나 입자 분쇄가 어려워서 100nm 이하로 분쇄하려면 많은 시간이 필요하게 된다. 공업적으로는 비용과 성능 관계에서 평균 입경을 선택하면 된다.However, when the wet grinding method of Example 1-1 is used, re-agglomeration and particle grinding are difficult, so that it takes much time to grind to 100 nm or less. The average particle size can be selected industrially in terms of cost and performance.

(실시예 1-7)(Example 1-7)

본 발명자는 다른 규소계 활물질에서도 동일한 효과가 얻어지는 것을 확인하기 위해 이하의 실시예 1-7을 실시했다. 상세하게는 실시예 1-1의 규소를 규소 합금(Si:Al:Fe=55:29:16(질량비))에 대신하는 이외에는 실시예 1-1과 동일하게 처리했다. 그 결과 실시예 1-1과 동일한 정도의 초기 효율 및 사이클 수명을 얻을 수 있었다.The present inventors conducted the following Examples 1-7 in order to confirm that the same effects were obtained in other silicon-based active materials. Specifically, the same process as in Example 1-1 was performed except that the silicon of Example 1-1 was replaced with a silicon alloy (Si: Al: Fe = 55: 29: 16 (mass ratio)). As a result, the initial efficiency and cycle life were as high as those of Example 1-1.

이상에서 본 실시형태에 의하면 제1~제3 공정 내에서 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어려워 산화 규소가 적은 음극 활물질을 제작할 수 있다. 또한 음극 활물질은 탄소 재료로 피복되어 있어 음극 활물질의 사용 중에 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 비가역 용량이 저감 한다. 바꾸어 말하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지할 수 있다. 또한 음극 활물질을 리튬이온 이차전지에 넣었을 경우에 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉이 억제된다. 또한 제1~제3 공정은 비특허문헌 1에 개시된 기술보다 저비용으로 구현할 수 있다. 따라서 저비용으로 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상시킬 수 있다.As described above, according to this embodiment, since the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the atmosphere in the first to third steps, a negative active material having a small amount of silicon oxide can be produced. Further, since the negative electrode active material is coated with a carbon material, it is difficult for the silicon-based active material fine particles to be exposed to the atmosphere during use of the negative electrode active material. Therefore, the irreversible capacity is reduced. In other words, a high discharge capacity of the silicon-based active material can be maintained. Further, when the negative electrode active material is placed in the lithium ion secondary battery, the direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent is suppressed. Also, the first to third steps can be implemented at a lower cost than the technique disclosed in the non-patent document 1. [ Therefore, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved at a low cost.

여기서 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 200nm 이하로 할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.In this case, the average particle size of the silicon-based active material fine particles can be made to be 200 nm or less. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또 탄소 재료의 두께는 2~20nm로 할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.The carbon material may have a thickness of 2 to 20 nm. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또 유기물이 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.The organic material may be at least one selected from the group consisting of hydroxy acids, monosaccharides and oligosaccharides. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또 히드록시산이 구연산 및 글리콜산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.Further, the hydroxy acid may be at least one selected from the group consisting of citric acid and glycolic acid. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또 비수용매가 알코올 및 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.The nonaqueous solvent may be at least one selected from the group consisting of alcohols and ethers. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또 불활성 분위기는 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 구성할 수 이고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.The inert atmosphere may be composed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또 소성은 550~800℃의 온도 범위 내에서 실시할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 한편 사이클 수명도 향상된다.The firing can be carried out within a temperature range of 550 to 800 ° C. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

(다른 실시형태에 의한 음극 활물질에 상도한 경위)(Upper limit on the negative electrode active material according to another embodiment)

여기서 본 발명자는 규소계 활물질의 산화를 억제하기 위해서 우선, 규소계 활물질을 습식에서 분쇄했다, 상세하게는 비수용매 중에서 분쇄하는 것을 알아냈다. 또한 본 발명자는 비수용매에 용해하는 유기물을 규소계 활물질 미립자가 분산된 비수용매에 첨가함으로써 혼합용액을 제작하고 이 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성하는 것을 알아냈다. 이러한 처리로 규소계 활물질 미립자가 탄소 재료로 피복된다. 따라서 탄소 재료로 피복된 규소계 활물질 미립자(이하, “표면 개질 미립자”라고 한다)는 탄소 재료에 의해 산화가 억제된다. 또한 분쇄 및 소성 시에는 규소계 활물질 미립자는 비수용매 중에 존재하므로 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 분쇄 및 소성시의 산화도 억제된다. 또 본 실시형태에 의한 탄소 재료의 피복 방법은 비특허문헌 1에 개시된 피복 방법(아세틸렌 가스를 이용한 화학 기상법에 의해 탄소 재료를 규소 미립자에 피복 하는 방법)보다도 저비용으로 구현할 수 있다.Here, in order to inhibit the oxidation of the silicon-based active material, the inventor of the present invention first grinds the silicon-based active material in a wet state, specifically, grinding in a non-aqueous solvent. Further, the present inventors have found that an organic material dissolved in a non-aqueous solvent is added to a nonaqueous solvent in which silicon-based active material fine particles are dispersed to prepare a mixed solution and the mixed solution is fired under an inert atmosphere. By this treatment, the silicon-based active material fine particles are coated with the carbon material. Therefore, the silicon-based active material fine particles coated with the carbon material (hereinafter referred to as &quot; surface-modified fine particles &quot;) are inhibited from being oxidized by the carbon material. Also, at the time of pulverization and firing, the silicon-based active material fine particles are present in a non-aqueous solvent and thus are hardly exposed to the atmosphere. Therefore, oxidation during pulverization and firing is also suppressed. The method of coating a carbon material according to the present embodiment can be realized at a lower cost than the coating method disclosed in Non-patent Document 1 (a method of coating a carbon material onto silicon fine particles by a chemical vapor deposition method using acetylene gas).

또한 본 발명자는 음극 활물질층의 체적변화를 한층 더 억제하는 것을 검토했다.또 규소계 활물질은 만충전까지의 충전을 반복할 경우 열화가 빠른 문제도 있었다. 여기서 본 발명자는 이 문제에 대하여도 검토했다.Further, the present inventors have studied to further suppress the change in the volume of the negative electrode active material layer. The silicon-based active material also has a problem of rapid deterioration when the battery is repeatedly charged until full charge. The present inventor has also studied this problem.

그 결과 본 발명자는 하드 카본에 주목했다. 하드 카본은 흑연과 동일한 층상 구조를 가지는 골격 입자가 랜덤으로 배열된 구조를 가지며 골격 입자간에는 다수의 틈새가 형성되어 있다. 따라서 하드 카본 내에는 표면 개질 미립자의 팽창 수축에 의한 스트레스를 흡수할 수 있는 공간, 상세하게는 골격 입자의 층간 틈새 및 골격 입자간의 틈새가 다수 형성되어 있다. 따라서 하드 카본과 표면 개질 미립자를 복합화(상세하게는 혼합+소성)함으로써 하드 카본내의 공간에 대량의 표면 개질 미립자를 도입할 수 있다. 이 때문에 표면 개질 미립자와 해당 표면 개질 미립자에 복합화된 하드 카본을 음극 활물질로 함으로써 음극 활물질의 체적변화를 한층 더 억제할 수 있고 한편, 음극 활물질의 이론 용량을 향상시킬 수 있다.As a result, the present inventors paid attention to hard carbon. Hard carbon has a structure in which skeleton particles having the same layer structure as graphite are randomly arranged, and a large number of gaps are formed between the skeleton particles. Therefore, in the hard carbon, a space capable of absorbing the stress due to the expansion and contraction of the surface-modified fine particles, more specifically, a plurality of interstices between the skeleton particles and a gap between the skeleton particles are formed. Therefore, a large amount of surface-modified fine particles can be introduced into the space in the hard carbon by complexing the hard carbon and the surface-modified fine particles (specifically, mixing and baking). Therefore, the volume change of the negative electrode active material can be further suppressed and the theoretical capacity of the negative electrode active material can be improved by using the surface-modified fine particles and the hard carbon complexed with the surface-modified fine particles as the negative electrode active material.

또한 본 발명자는 규소계 활물질 미립자 자체의 체적변화를 억제하는 것을 검토했다. 그 결과 본 발명자는 규소계 활물질 미립자로서 원주 형상의 규소계 활물질 미립자에 주목했다. 원주 형상의 규소계 활물질 입자는 축방향으로 수직인 방향의 길이(즉 직경)가 축방향 길이보다 짧다. 이 때문에 본 발명자는 원주 형상의 규소계 활물질 입자를 음극 활물질로서 사용함으로써 음극 활물질의 체적변화의 절대량을 작게 할 수 있다고 생각했다. 그리고 본 발명자는 원주 형상의 규소계 활물질 미립자를 사용하여 표면 개질 미립자를 작성하고 이 표면 개질 미립자 및 하드 카본을 이용하여 음극 활물질을 작성했을 때 한층 더 사이클 수명이 향상했다. 자세한 것은 실시예로 설명한다.Further, the present inventors have studied to suppress the volume change of the silicon-based active material fine particles themselves. As a result, the present inventors paid attention to silicon type silicon-based active material fine particles as silicon-based active material fine particles. The columnar silicon-based active material particles have a length (that is, a diameter) in a direction perpendicular to the axial direction is shorter than an axial direction. For this reason, the present inventors thought that the absolute amount of change in the volume of the negative electrode active material can be reduced by using the columnar silicon-based active material particles as the negative electrode active material. The present inventors have further improved the cycle life when the surface-modified fine particles are prepared by using silicon-based silicon-based active material fine particles and the surface-modified fine particles and the hard carbon are used to prepare the negative electrode active material. The details will be described by way of example.

도6에 규소계 활물질 미립자와 하드 카본을 7:3의 질량비로 복합화한 음극 활물질의 이론 용량과, 규소계 활물질 미립자와 흑연을 2:8의 질량비로 혼합한 음극 활물질의 이론 용량과, 흑연으로 이루어진 음극 활물질의 이론 용량을 비교하여 나타낸다. 이 예에서는 규소계 활물질 미립자는 규소의 미립자로 된다. 규소계 활물질에 대응하는 막대 그래프는 음극 활물질 전체의 이론 용량 중 규소계 활물질에 의해 구현되는 이론 용량을 나타낸다. 흑연 및 하드 카본에 대응하는 막대 그래프도 마찬가지이다. 하드 카본은 대량의 규소의 미립자를 도입할 수 있으므로 규소계 활물질 미립자와 하드 카본을 복합화한 음극 활물질은 이론 용량이 매우 크다.6 shows the theoretical capacity of an anode active material composed of a mixture of silicon-based active material fine particles and hard carbon at a mass ratio of 7: 3, the theoretical capacity of an anode active material mixed with silicon-based active material fine particles and graphite at a mass ratio of 2: 8, And the theoretical capacity of the negative electrode active material. In this example, the silicon-based active material fine particles are silicon fine particles. The bar graph corresponding to the silicon-based active material represents the theoretical capacity realized by the silicon-based active material in the theoretical capacity of the entire negative electrode active material. The same is true for bar graphs corresponding to graphite and hard carbon. Since hard carbon can introduce a large amount of fine particles of silicon, the anode active material composed of silicon-based active material fine particles and hard carbon is very large in theoretical capacity.

또한, 흑연은 리튬 전위에 가까운 전위까지 충전 전위를 상승시켰을 때에 처음으로 충전이 개시되는 충전 전위 특성을 가진다. 따라서 규소계 활물질 미립자와 흑연과의 혼합물을 리튬이온 이차전지의 음극 활물질로 할 경우 흑연의 충전이 개시될 때 규소계 활물질 미립자는 벌써 만충전 상태로 된다. 따라서 규소계 활물질 미립자의 열화가 빠르다.The graphite has a charge potential characteristic in which charging is started for the first time when the charge potential is raised to a potential close to the lithium potential. Therefore, when a mixture of silicon-based active material fine particles and graphite is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, the silicon-based active material fine particles are already in a fully charged state when charging of graphite is started. Therefore, the silicon-based active material fine particles deteriorate rapidly.

이에 대하여 하드 카본은 충전 전위의 상승에 수반하여 충전 용량이 완만하게 상승하는 충전 전위 특성을 가진다. 따라서 표면 개질 미립자와 해당 표면 개질 미립자에 복합화된 하드 카본을 리튬이온 이차전지의 음극 활물질로 할 경우 충전 전위를 컨트롤 함으로써 음극 활물질의 충전 용량, 특히 규소계 활물질 미립자의 충전 용량을 만충전 보다 낮은 용량으로 조정할 수 있다.On the other hand, hard carbon has a charge potential characteristic in which the charge capacity gradually increases with an increase in charge potential. Therefore, when the surface-modified fine particles and the hard carbon complexed with the surface-modified fine particles are used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery, the filling potential of the negative electrode active material, in particular, the charging capacity of the silicon- .

도 7에, 도 6에 나타낸 각 음극 활물질의 충전용량을 비교하여 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이 규소계 활물질 미립자와 하드 카본을 7:3의 질량비로 복합화한 음극 활물질을, 규소계 활물질 미립자와 흑연을 2:8의 질량비로 혼합한 음극 활물질의 이론 용량까지 충전해도 미충전 용량이 남는다. 즉, 규소계 활물질 미립자는 만충전되지 않는다. 따라서 규소계 활물질의 열화가 억제되고 나아가 사이클 수명이 향상된다.Fig. 7 shows a comparison of the charging capacities of the respective negative electrode active materials shown in Fig. As shown in FIG. 7, the negative electrode active material obtained by compounding the silicon-based active material fine particles and the hard carbon at a mass ratio of 7: 3 was filled up to the theoretical capacity of the negative electrode active material in which the silicon-based active material fine particles and graphite were mixed at a mass ratio of 2: Charging capacity remains. That is, the silicon-based active material fine particles are not fully charged. Therefore, the deterioration of the silicon-based active material is suppressed and the cycle life is improved.

단 규소계 활물질 자체는 도전성이 약하기 때문에 규소계 활물질을 그대로 음극 활물질로서 사용할 경우 음극 활물질층(음극 활물질을 포함하는 층) 내에 리튬이온을 도입하기 어렵다. 그러나 본 실시형태에서는 규소계 활물질을 미립자화함으로써 음극 활물질층의 비표면적을 향상하고 한편, 규소계 활물질의 표면을 탄소 재료로 피복함으로써 음극 활물질의 도전성을 향상시킬 수 있다. 또한 표면 개질 미립자를 하드 카본과 복합화함으로써 음극 활물질의 도전성이 한층 더 향상한다. 따라서 음극 활물질층 내에 리튬이온을 도입하기 쉽다.Since the silicon-based active material itself has low conductivity, it is difficult to introduce lithium ions into the negative electrode active material layer (the layer including the negative electrode active material) when the silicon-based active material is used as the negative electrode active material as it is. However, in the present embodiment, the specific surface area of the negative electrode active material layer is improved by making the silicon-based active material into fine particles, and the surface of the silicon-based active material is coated with a carbon material to improve the conductivity of the negative electrode active material. Further, by compounding the surface-modified fine particles with hard carbon, the conductivity of the negative electrode active material is further improved. Therefore, it is easy to introduce lithium ions into the negative electrode active material layer.

그리고 표면 개질 미립자와 하드 카본이 복합화된 음극 활물질을 이용함으로써 전해액의 용매로서 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)를 이용할 수 있다. 음극 활물질이 흑연이 될 경우 흑연상에서 프로필렌 카보네이트가 분해하기 쉽기 때문에 프로필렌 카보네이트를 전해액의 용매로서 적용하기 어려웠다. 이 때문에 흑연을 음극 활물질로 한 리튬이온 이차전지에서는 상온에서 고체 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)를 저비점 용매와 혼합한 것을 전해액의 용매로 한다. 따라서 이러한 리튬이온 이차전지에서는 극저온(예를 들면 -20℃ 이하)의 환경하에서 고체화 하기 쉽다. 그리고 전해액이 고체화 한 리튬이온 이차전지는 도전성을 상실하므로 전지로서 기능할 수 없다.And propylene carbonate may be used as a solvent of the electrolyte by using the anode active material in which the surface-modified fine particles and the hard carbon are combined. When the negative electrode active material is graphite, it is difficult to apply propylene carbonate as a solvent of the electrolytic solution because propylene carbonate is easily decomposed on graphite. For this reason, in a lithium ion secondary battery using graphite as the negative electrode active material, solid electrolyte ethylene carbonate mixed with a low boiling point solvent is used as a solvent for the electrolyte solution at room temperature. Therefore, in such a lithium ion secondary battery, solidification is likely to occur at an extremely low temperature (for example, -20 占 폚 or less). Further, the lithium ion secondary battery in which the electrolyte is solidified can not function as a battery because its conductivity is lost.

이에 대하여 하드 카본상에서는 프로필렌 카보네이트의 분해 반응이 일어나기 어렵다. 따라서 표면 개질 미립자와 하드 카본이 복합화된 음극 활물질을 이용함으로써 전해액의 용매로서 프로필렌 카보네이트를 이용할 수 있다. 그리고 프로필렌 카보네이트는 상온에서 액체이며 극저온에서도 고체화 하기 어렵다. 따라서 프로필렌 카보네이트를 전해액의 용매로 한 리튬이온 이차전지는 극저온의 환경에서도 전해액이 고체화 하기 어려워 도전성을 유지할 수 있다. 즉 리튬이온 이차전지는 전지로서의 기능을 할 수 있다. 이러한 저온 특성은 전동차 등의 사용 환경 온도 범위의 넓은 애플리케이션에서는 중요한 요구 항목이다.On the other hand, in the case of hard carbon, the decomposition reaction of propylene carbonate is difficult to occur. Therefore, propylene carbonate can be used as a solvent of the electrolyte by using the anode active material in which the surface-modified fine particles and the hard carbon are combined. And propylene carbonate is liquid at room temperature and hard to solidify even at very low temperature. Therefore, the lithium ion secondary battery in which propylene carbonate is used as a solvent for the electrolyte can hardly solidify the electrolyte solution even in a very low temperature environment, so that conductivity can be maintained. That is, the lithium ion secondary battery can function as a battery. Such low-temperature characteristics are an important requirement in a wide range of application environments such as electric trains.

상기의 검토 결과, 본 발명자는 표면 개질 미립자 및 하드 카본을 복합화시킨 음극 활물질을 리튬이온 이차전지에 적용하는 것을 알아냈다. 또한 본 발명자는 표면 개질 미립자를 구성하는 규소계 활물질 미립자를 원주 형상으로 했다. 본 실시형태에 의하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지하면서 저비용으로 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상하는 것이 가능해진다. 또한 본 실시형태의 리튬이온 이차전지는 보다 넓은 온도 범위 하에서 사용 가능해진다.As a result of the above examination, the present inventor has found that a negative electrode active material in which surface modified fine particles and hard carbon are combined is applied to a lithium ion secondary battery. Further, the present inventors made the silicon-based active material fine particles constituting the surface-modified fine particles into a cylindrical shape. According to this embodiment, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved at a low cost while maintaining a high discharge capacity of the silicon-based active material. Further, the lithium ion secondary battery of the present embodiment can be used under a wider temperature range.

(리튬이온 이차전지의 구성)(Configuration of Lithium Ion Secondary Battery)

다시 도1를 근거로 본 실시형태에 의한 리튬이온 이차전지(10)의 구성에 관해 설명하되, 상기와 중복되는 설명은 제외한다. The configuration of the lithium ion secondary battery 10 according to the present embodiment will be described based on FIG. 1 again, but the description overlapping with the above description is omitted.

음극(30)은 집전체(31)와 음극 활물질층(32)을 포함한다. 집전체(31)는 도전체이며 한편 전기 화학적으로 안정하게 용해하지 않는 것이나 리튬과 합금화하기 어려운 재료가 바람직하고 예를 들면, 동, 스텐레스 강철 및 니켈 도금 강철 등으로 구성된다. 여기서 집전체(31)의 일부 예를 들어 전극집전단자가 용접되어 있는 부분에서 정극 활물질층(22)과 대향하지 않는 부분 등에 금속 리튬박을 배치하는 것이 바람직하다. 금속 리튬박을 배치함으로써 전해액 주액후에 규소에 대해 리튬이 프레챠지 된다. 이것에 의해 초기 비가역 용량을 저감 할 수 있다. 예를 들면 리튬이온 배터리(10)가 코인 전지일 경우에는 음극 활물질층(32)의 뒤편의 집전체(31)에 금속 리튬을 부착할 수 있다. 또한 리튬이온 배터리(10)가 원통형 전지 또는 각형 전지일 경우에는 집전체(31) 중 음극 활물질층(32)의 미도공 부분에 금속 리튬박을 부착할 수 있다.The cathode 30 includes a current collector 31 and a negative electrode active material layer 32. The current collector 31 is a conductor, and is preferably a material which does not dissolve electrochemically stably or is difficult to alloy with lithium, and is made of, for example, copper, stainless steel, nickel-plated steel or the like. It is preferable to dispose a metal lithium foil on a portion of the current collector 31 where the electrode collector terminal is welded, for example, on a portion not facing the positive electrode active material layer 22, and the like. By arranging the metal lithium foil, lithium is precharged to silicon after the liquid electrolyte is poured. Thus, the initial irreversible capacity can be reduced. For example, when the lithium ion battery 10 is a coin battery, metallic lithium may be attached to the current collector 31 at the back of the negative electrode active material layer 32. In the case where the lithium ion battery 10 is a cylindrical battery or a prismatic battery, a metal lithium foil may be attached to the unoccupied portion of the negative electrode active material layer 32 of the current collector 31.

또한 규소계 활물질 미립자는 원주 형상으로 되어 있다. 이 때문에 규소계 활물질 미립자는 체적변화의 절대량 특히 축방향으로 수직인 방향(직경 방향)의 체적변화의 절대량을 억제할 수 있다. 따라서 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다. 도15, 도16는 원주 형상의 규소계 활물질 미립자의 일례로서 규소계 활물질 미립자(X1)를 나타낸다. 도15, 도16는 규소계 활물질 미립자(X1)의 STEM 사진이다. 도16는 도15의 확대도이다. 본 발명자는 규소계 활물질 미립자(X1)를 모든 각도로부터 STEM 관찰한 결과 도15과 동일한 사진을 얻을 수 있었다. 즉 어떠한 STEM 사진에서도 도15에 나타난 대체로 직사각형의 규소계 활물질 미립자(X1)가 나타났다. 그 결과, 규소계 활물질 미립자(X1)는 원주 형상로 추정할 수 있다. 도17에 원주 형상 이외의 형상의 규소계 활물질 미립자로서 대체로 회전 타원체 형상의 규소계 활물질 미립자(X2)를 나타낸다. 도17은 규소계 활물질 미립자(X2)의 TEM 사진이다. 본 발명자는 규소계 활물질 미립자(X2)를 모든 각도로부터 TEM 관찰한 결과 도17과 동일한 사진을 얻을 수 있었다. 즉 어떠한 TEM 사진에서도 도17에 나타난 대체로 타원 형상의 규소계 활물질 미립자(X2)가 나타났다. 그 결과 규소계 활물질 미립자(X2)는 대체로 회전 타원체 형상으로 추정할 수 있다. 단 도17에는 시료대의 그리드(Y)도 나타나 있다.The silicon-based active material fine particles are in the shape of a cylinder. Therefore, the silicon-based active material fine particles can suppress the absolute amount of volume change, particularly the absolute amount of volume change in the direction perpendicular to the axial direction (radial direction). Therefore, the cycle life is also improved in this respect. Figs. 15 and 16 show silicon-based active material fine particles X1 as one example of cylindrical silicon-based active material fine particles. 15 and 16 are STEM photographs of silicon-based active material fine particles (X1). 16 is an enlarged view of Fig. The present inventors obtained STEM observation of silicon-based active material fine particles (X1) from all angles, and as a result, the same photograph as in FIG. 15 was obtained. That is, in any of the STEM photographs, a substantially rectangular silicon-based active material fine particle (X1) as shown in Fig. As a result, the silicon-based active material fine particles (X1) can be estimated as a cylindrical shape. In Fig. 17, silicon-based active material fine particles X2 having generally spheroidal shape as silicon-based active material fine particles having a shape other than a columnar shape are shown. 17 is a TEM photograph of the silicon-based active material fine particles (X2). The present inventors obtained a TEM observation of the silicon-based active material fine particles (X2) from all angles, and as a result, the same photograph as in Fig. 17 was obtained. That is, in any TEM photograph, the elliptically shaped silicon-based active material fine particles (X2) shown in Fig. 17 appeared. As a result, the silicon-based active material fine particles (X2) can be estimated to have a generally spheroidal shape. 17, the grid (Y) of the sample stage is also shown.

여기서 규소계 활물질 미립자는 다결정인 것이 바람직하다. 규소계 활물질 미립자가 다결정이 될 경우 규소계 활물질 미립자는 다수의 단결정 입자(도메인)를 가지며 도메인 간에는 공간이 형성되어 있다. 따라서 규소계 활물질 미립자의 체적변화에 의한 스트레스가 이러한 공간에 의해서 완화된다. 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다.The silicon-based active material fine particles are preferably polycrystalline. When silicon-based active material microcrystals are polycrystals, the silicon-based active material microparticles have a plurality of single crystal particles (domains) and a space is formed between the domains. Therefore, the stress caused by the volume change of the silicon-based active material microparticles is mitigated by this space. In this respect, the cycle life is also improved.

여기서 다결정 규소계 활물질 미립자와 단결정 규소계 활물질 미립자를 구별하는 방법으로서는 TEM상 관찰 혹은 XRD 해석 등을 들 수 있다. 도18에 다결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진을 나타낸다. 또한 도19에 단결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진을 나타낸다. 도18 및 도19에서 나타낸 바와 같이 다결정 규소계 활물질 미립자는 내부에 다수의 단결정 입자를 가진다. 이에 대하여 단결정 규소계 활물질 미립자는 거의 단일 단결정 입자로 구성된다. 단 도18의 배율은 80만 배이며 도19의 배율은 40만 배이다.Here, as a method for distinguishing between microcrystalline silicon-based active material particles and monocrystalline silicon-based active material fine particles, TEM observation or XRD analysis can be mentioned. 18 shows a TEM photograph of the polycrystalline silicon-based active material fine particles. 19 shows TEM photographs of the monocrystalline silicon-based active material fine particles. As shown in Figs. 18 and 19, the polycrystalline silicon-based active material fine particles have a plurality of single crystal particles therein. On the other hand, the monocrystalline silicon-based active material microparticles are composed of a single single crystal grain. However, the magnification in FIG. 18 is 800,000 times, and the magnification in FIG. 19 is 400,000 times.

또 이러한 구조 차이에 따라 XRD의 피크 형상에도 차이가 나타난다. 예를 들면 스피드 3о/분, 범위 5~90о로 다결정 규소계 활물질 및 단결정 규소계 활물질을 XRD 해석할 경우 다결정 메인 피크((111) 면에 대응)의 반치폭은 0.13о±0.005о의 범위 내의 값이 되고 단결정 메인 피크의 반치폭은 0.11о±0.005о의 범위 내의 값이 된다. TEM상의 관찰 혹은 XRD 해석에 의해 다결정 규소계 활물질 미립자와 단결정 규소계 활물질 미립자를 구별할 수 있다.In addition, the peak shape of XRD differs according to the difference in structure. For example, when XRD analysis of a polycrystalline silicon-based active material and a monocrystalline silicon-based active material at a speed of 3 ° / min and a range of 5 ° to 90 ° , the half width of the polycrystalline main peak (corresponding to the (111) plane) is in the range of 0.13 ° ± 0.005 ° and the value in the half-width of the main peak is a single crystal 0.11 о is a value in the range of ± 0.005 о. It is possible to distinguish between microcrystalline silicon-based active material particles and monocrystalline silicon-based active material particles by TEM observation or XRD analysis.

규소계 활물질 미립자는 가능한 한 작은 것이 바람직하고 한편, 애스펙트비(축방향 길이/직경)는 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 규소계 활물질 미립자가 작을수록 또, 애스펙트비가 클수록 규소계 활물질 미립자를 리튬과 합금화 시켰을 때의 체적변화의 절대치가 작아진다. 이 때문에 음극(30)의 체적변화를 억제할 수 있다. 상세하게는 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 500nm 이하이며 직경은 50nm 이하인 것이 바람직하다. 축방향 길이는 350nm 이하이며 직경은 30nm 이하가 더욱 바람직하다. 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이 및 직경이 이들 범위 내에 있는 경우에 사이클 수명이 특히 향상한다. 단 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이 및 직경의 하한치에는 특별한 제한은 없다. 다만 규소계 활물질을 분쇄하는 장치의 능력, 처리 시간 증가에 의한 비용 증가를 고려하면 축방향 길이의 하한치는 50nm, 직경의 하한치는 10nm인 것이 바람직하다. 후술의 실시예에 나타낸 바와 같이 비즈 밀에 의한 처리 시간(분쇄 시간)을 길게 함으로써 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이 및 직경을 작게 할 수 있다. 여기서 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이 및 직경은 규소계 활물질 미립자를 STEM 관찰하는 것에 의해 측정될 수 있다.The silicon-based active material fine particles are preferably as small as possible, while the aspect ratio (axial length / diameter) is preferably as large as possible. The smaller the silicon-based active material fine particles and the larger the aspect ratio, the smaller the absolute value of the volume change when the silicon-based active material fine particles are alloyed with lithium. Therefore, the volume change of the cathode 30 can be suppressed. Specifically, the silicon-based active material fine particles preferably have an axial length of 500 nm or less and a diameter of 50 nm or less. The axial length is 350 nm or less and the diameter is more preferably 30 nm or less. The cycle life is particularly improved when the axial length and diameter of the silicon-based active material microparticles fall within these ranges. There is no particular limitation on the axial length and the lower limit of the diameter of the silicon-based active material fine particles. However, it is preferable that the lower limit of the axial length is 50 nm and the lower limit of the diameter is 10 nm in consideration of the capability of the apparatus for crushing the silicon-based active material and the cost increase due to the increase of the processing time. As shown in the examples described later, by increasing the treatment time (milling time) by the bead mill, the axial length and diameter of the silicon-based active material fine particles can be reduced. Here, the axial length and diameter of the silicon-based active material fine particles can be measured by STEM observation of the silicon-based active material fine particles.

탄소 재료는 유기물을 규소계 활물질 미립자와 함께 소성함으로써 규소계 활물질 미립자의 표면에 형성된 것이다. 탄소 재료는 탄소를 주성분으로 포함한다. 탄소 재료의 두께는 특히 제한되지 않으나 2~20nm의 범위내인 것이 바람직하다. 탄소 재료의 두께가 20nm를 넘으면 규소계 활물질의 리튬 출입이 저해되는 경우가 있고 또 탄소 재료의 두께가 2nm보다 작으면 탄소 재료가 규소계 활물질과 전해액과의 직접 접촉을 억제하기 어려워진다. 단, 탄소 재료의 두께는 TEM에서의 직접 관찰이나 XPS에 의한 아르곤 식각(Argon etching)에 의해 측정될 수 있다.The carbon material is formed on the surface of the silicon-based active material fine particles by baking the organic material together with the silicon-based active material fine particles. The carbon material includes carbon as a main component. The thickness of the carbon material is not particularly limited, but is preferably in the range of 2 to 20 nm. When the thickness of the carbon material exceeds 20 nm, lithium out of the silicon-based active material may be inhibited. When the thickness of the carbon material is less than 2 nm, the carbon material is less likely to inhibit direct contact between the silicon-based active material and the electrolyte. However, the thickness of the carbon material can be measured by direct observation in TEM or argon etching by XPS.

또한 탄소 재료의 피복량 즉 규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 총 질량은 0.35~3.5질량%이다. 후술의 실시예로 나타낸 바와 같이 탄소 재료의 피복량이 이 범위내의 값이 될 경우에 사이클 수명이 특히 향상하기 때문이다. 단, 탄소 재료의 피복량은 예를 들면 시차열 분석 장치 등에 의해 측정 가능하다. 탄소 재료가 바람직한 피복량은 0.7~1.75질량%이다.The total mass of the carbon material with respect to the coating amount of the carbon material, that is, the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material is 0.35 to 3.5 mass%. This is because the cycle life is particularly improved when the covering amount of the carbon material becomes a value within this range, as shown in the following embodiments. However, the coating amount of the carbon material can be measured by, for example, a differential thermal analysis apparatus. The preferable covering amount of the carbon material is 0.7 to 1.75 mass%.

본 실시형태의 표면 개질 미립자에서는 규소계 활물질 미립자가 탄소 재료로 피복되므로 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 규소계 활물질 미립자의 산화가 억제된다. 이 때문에 초기 비가역 용량이 저하한다. 또한 규소계 활물질 미립자와 전해액과의 직접적인 접촉이 억제되므로 용매의 분해가 억제된다. 따라서 사이클 수명이 향상된다.In the surface-modified fine particles of the present embodiment, since the silicon-based active material fine particles are coated with the carbon material, the silicon-based active material fine particles are hardly exposed to the atmosphere. Therefore, oxidation of the silicon-based active material fine particles is suppressed. As a result, the initial irreversible capacity decreases. In addition, since direct contact between the silicon-based active material fine particles and the electrolyte is suppressed, decomposition of the solvent is suppressed. Thus, the cycle life is improved.

그리고 표면 개질 미립자와 하드 카본의 질량비가 특정의 범위가 될 경우에 사이클 수명이 향상된다. 이 범위는 하드 카본의 출발 물질에 따라서 다르다. 예를 들면 하드 카본이 고체계의 출발 물질을 소성함으로써 얻어지는 경우 사이클 수명이 향상하는 질량비의 범위는 표면 개질 미립자:하드 카본=50:50~80:20이다. 즉 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 50~80질량%인 것이 바람직하다. 여기서 고체계의 출발 물질로서는 PVC, 수크로스, 젤라틴 및 한천 등을 들 수 있다. 이들 출발 물질 중 어느 한 종을 이용할 수 있고 복수 종류를 이용할 수 있다.The cycle life is improved when the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon is within a specific range. This range depends on the starting material of the hard carbon. For example, when the hard carbon is obtained by firing a starting material of a high system, the range of the mass ratio in which the cycle life is improved is the surface modified fine particles: hard carbon = 50:50 to 80:20. That is, the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 50 to 80 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles. Examples of the starting materials of the high system include PVC, sucrose, gelatin and agar. Any one of these starting materials may be used, and a plurality of types may be used.

한편 하드 카본이 액계의 출발 물질을 소성함으로써 얻어지는 경우 사이클 수명이 향상하는 질량비의 범위는 표면 개질 미립자:하드 카본=75:25~90:10이다. 즉 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 75~90질량%인 것이 바람직하다. 여기서 액계의 출발 물질로서는 레졸 형 페놀 수지 및 푸르푸릴 알코올 등을 들 수 있다. 이들 출발 물질 중 어느 한 종을 이용할 수 있고 복수 종류를 이용할 수 있다.On the other hand, when the hard carbon is obtained by firing the starting material of the liquid system, the range of the mass ratio in which the cycle life is improved is the surface modified fine particles: hard carbon = 75:25 to 90:10. That is, the total mass of the surface-modified microparticles is preferably 75 to 90 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified microparticles. Examples of the starting materials of the liquid system include resole type phenol resin and furfuryl alcohol. Any one of these starting materials may be used, and a plurality of types may be used.

따라서 고체계의 출발 물질로 얻어진 하드 카본은 액계의 출발 물질로 얻어진 하드 카본보다 음극 활물질 내에 차지하는 비율이 크다. 즉, 하드 카본을 고체계의 출발 물질로부터 얻었을 경우 사이클 수명을 향상시키기 위해서 보다 많은 하드 카본이 필요하게 된다. 그 이유로서는 다음의 것을 생각할 수 있다. 즉 고체계의 출발 물질은 액계의 출발 물질보다 표면 개질 미립자와 혼합하기 어렵다. 이 때문에 고체계의 출발 물질로 얻어진 하드 카본은 액계의 출발 물질로 얻어진 하드 카본보다 균질성이 낮고 표면 개질 미립자에 접촉하기 어렵다. 예를 들면 단위질량 당 접촉 면적이 작다. 이 때문에 하드 카본을 고체계의 출발 물질로부터 얻은 경우 음극 활물질로서의 특성을 향상시키기 위해서 보다 많은 하드 카본이 필요하게 된다고 생각할 수 있다. 또한 사이클 수명이 향상되는 질량비 범위에 영향을 주는 부차적인 요인으로서 출발 물질의 탄소화율(출발 물질의 총 질량에 차지하는 탄소 원자의 질량비)도 생각할 수 있다. 예를 들면 레졸 형의 페놀 수지는 탄소화율이 28질량% 정도인데 비해 PVC는 10질량%이다. 출발 물질의 탄소화율이 클수록 하드 카본의 체적 밀도가 커지므로 사이클 수명을 향상시키기 위해 필요한 하드 카본의 질량이 작아진다.Therefore, the ratio of the hard carbon obtained as the starting material of the high system occupied in the negative electrode active material is larger than that of the hard carbon obtained as the starting material of the liquid system. That is, when hard carbon is obtained from a high-starting material, more hard carbon is needed to improve cycle life. The reasons for this are as follows. That is, it is difficult for the starting material of the high system to be mixed with the surface-modified fine particles than the starting material of the liquid system. Therefore, the hard carbon obtained as a starting material of a high system has lower homogeneity than the hard carbon obtained as a starting material of the liquid system, and hardly comes into contact with the surface modified fine particles. For example, the contact area per unit mass is small. Therefore, it can be considered that when hard carbon is obtained from a starting material of high system, more hard carbon is required to improve the properties as the negative active material. It is also conceivable that the carbonation rate of the starting material (the mass ratio of carbon atoms to the total mass of the starting material) as a secondary factor influencing the mass ratio range, which improves cycle life. For example, a phenol resin in a resole type has a carbonization rate of about 28% by mass, while a PVC content is 10% by mass. The larger the carbonization rate of the starting material is, the larger the volume density of the hard carbon becomes, and the mass of the hard carbon necessary for improving the cycle life is reduced.

표면 개질 미립자는 하드 카본에 복합화되어 있다. 구체적으로 표면 개질 미립자는 하드 카본내의 공간 즉 골격 입자의 층간 틈새 및 골격 입자끼리의 틈새에 도입되어 있다. 하드 카본과 표면 개질 미립자의 복합화는 하드 카본의 출발 물질과 표면 개질 미립자를 혼합하고 이들 혼합물을 소성함으로써 수행된다. 상세하게는 후술 한다.The surface modified fine particles are complexed with hard carbon. Specifically, the surface-modified fine particles are introduced into the spaces in the hard carbon, that is, between the interstices of the skeleton particles and the interstices between the skeletons. The hybridization of the hard carbon and the surface modifying fine particles is carried out by mixing the hard carbon starting material and the surface modifying fine particles and firing the mixture. The details will be described later.

비수전해액은 이전부터 리튬 이차전지에 이용되는 비수전해액과 동일한 것을 특히 제한 없이 사용할 수 있다. 비수전해액은 비수용매에 전해질염을 함유 시킨 조성을 가진다. 비수용매로서는 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 부틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 클로로 에틸렌 카보네이트(chloroethylene carbonate), 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate) 등의 환상 탄산 에스테르(ester)류;γ-부티로락톤(butyrolactone),γ-발레로락톤(valerolactone) 등의 환상 에스테르류;디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate) 등의 쇄상 카보네이트류;기산메틸(methyl formate), 초산메틸(methyl acetate), 낙산 메틸(butyric acid methyl) 등의 쇄상 에스테르류;테트라 히드로 푸란(Tetrahydrofuran) 또는 그 유도체;1, 3-디옥산(dioxane), 1, 4-디옥산(dioxane), 1, 2-디메톡시 에탄(dimethoxyethane), 1, 4-디브톡시에탄(dibutoxyethane), 메틸디그림(methyl diglyme) 등의 에테르(ether)류;아세트니트릴(acetonitrile), 벤조니트릴(benzonitrile) 등의 니트릴(nitrile)류;디옥솔란(Dioxolane) 또는 그 유도체;에틸렌 술피드(ethylene sulfide), 술포란(sulfolane), 술톤(sultone) 또는 그 유도체 등의 단독 또는 그들 2종 이상의 혼합물 등을 들 수 있으나 이들로 한정되는 것은 아니다. 단 본 실시형태에서는 프로필렌 카보네이트를 매우 적합하게 사용할 수 있다.The nonaqueous electrolyte solution may be the same as the nonaqueous electrolyte solution used in the lithium secondary battery from the past without any particular limitation. The non-aqueous electrolyte has a composition containing an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonate esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylene carbonate, chloroethylene carbonate, and vinylene carbonate cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; cyclic esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and the like; Chain esters such as methyl formate, methyl acetate and butyric acid methyl, tetrahydrofuran or its derivatives, dioxane (dioxane) ), 1, 4-dioxane, 1, 2-dimethoxyethane, 1, 4-dibutoxyethane, methyl diglyme Ether, nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, dioxolane or derivatives thereof, ethylene sulfide, sulfolane, sultone, sultone or a derivative thereof, or a mixture of two or more thereof, but the present invention is not limited thereto. However, propylene carbonate can be suitably used in the present embodiment.

(리튬이온 이차전지의 제조방법)(Manufacturing Method of Lithium Ion Secondary Battery)

다음으로 리튬이온 이차전지(10)의 제조방법에 관해 설명한다. 정극(20)은 아래와 같이 제작된다. 우선, 정극 활물질, 도전제 및 바인더를 상기의 비율로 혼합한 것을 용매(예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈)에 분산시킴으로써 슬러리를 형성한다.그 다음에 슬러리를 집전체(21)상에 형성(예를 들면 도공)하여 건조시킴으로써, 정극 활물질층(22)을 형성한다. 단 도공 방법은 특히 제한되지 않는다. 도공 방법으로서는 예를 들면, 나이프 코터(knife coater) 법, 그라비어 코터(gravure coater) 법 등을 생각할 수 있다. 이하의 각 도공 공정도 동일한 방법으로 수행된다. 이어서 프레스(press)기에 의해 정극 활물질층(22)을 상기의 범위내의 밀도가 되도록 프레스 한다. 이것에 의해 정극(20)이 제작된다.Next, a method of manufacturing the lithium ion secondary battery 10 will be described. The positive electrode 20 is made as follows. First, the slurry is formed by dispersing the mixture of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder in the above ratio in a solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone) (For example, by coating) and drying the mixture to form the positive electrode active material layer 22. [ The single coating method is not particularly limited. As the coating method, for example, a knife coater method, a gravure coater method, or the like can be considered. Each of the following coating processes is carried out in the same manner. Next, the positive electrode active material layer 22 is pressed to have a density within the above range by a press machine. Thus, the positive electrode 20 is fabricated.

음극(30)은 다음과 같이 제작된다. 우선 음극 활물질의 제작 방법에 관해 설명한다. 음극 활물질의 제작 방법은 다음의 4개 공정으로 대별된다. 제1 공정에서는 비수용매 중에서 규소계 활물질을 분쇄함으로써 규소계 활물질 미립자가 비수용매 중에서 분산된 분산용액을 제작한다. 즉 제1 공정에서는 규소계 활물질을 습식 분쇄함으로써 규소계 활물질을 미립자화한다. 상기 방법에 의하면 분쇄 시에 규소계 활물질의 산화가 억제된다.The cathode 30 is fabricated as follows. First, a method of manufacturing the negative electrode active material will be described. The manufacturing method of the negative electrode active material is divided into the following four processes. In the first step, a silicon-based active material is pulverized in a non-aqueous solvent to prepare a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles are dispersed in a non-aqueous solvent. That is, in the first step, the silicon-based active material is wet pulverized to make the silicon-based active material fine. According to this method, oxidation of the silicon-based active material is suppressed at the time of pulverization.

제1 공정의 습식 분쇄에 사용하는 비수용매로서는 규소계 활물질과 반응하지 않으며 규소계 활물질 미립자의 재응집을 억제할 수 있고 공업적으로 경제적이며, 한편 제2 공정에 있어서의 탄소원인 유기물을 용해할 수 있는 것이 바람직하다. 상세하게는 에탄올이나 메탄올 등의 알코올류나 에테르 등이 바람직하다. 이들 비수용매를 단독으로 사용할 수 있고 복수 종류를 혼합하여 사용할 수 있다.As the non-aqueous solvent used for the wet pulverization in the first step, it is possible to suppress the re-aggregation of the silicon-based active material fine particles without reacting with the silicon-based active material, and industrially economical, while dissolving the carbon source organic matter in the second step . Specifically, alcohols such as ethanol and methanol, and ethers are preferred. These non-aqueous solvents may be used alone or in combination of plural kinds thereof.

제1 공정의 습식 분쇄에 사용하는 장치는 미디어를 이용한 비즈 밀 장치를 사용할 수 있다. 특히 바람직한 비즈 밀 장치는 일본 코크스 공업 주식회사제의 MSC 밀(예를 들면 MSC100 밀) 등을 들 수 있다. 이러한 비즈 밀 장치는 다른 비즈 밀 장치, 볼 밀 장치 등에 비해 규소계 활물질의 분쇄를 마일드하게 행할 수 있다. 상세하게는 MSC 밀에서는 다른 비즈 밀 장치 등보다 장시간 동안 규소계 활물질을 미분쇄 한다. 이 때문에 원주 형상의 규소계 활물질 미립자를 용이하게 제작할 수 있다. 또한 세밀한 입자를 얻기 위해서는 가능한 한 작은 비즈를 채용하는 것이 중요하다. 그리고 처리 후에는 비즈와 분쇄물을 분리할 필요가 있다. 여기서 일본 코크스 공업 주식회사제의 MSC 밀 이외의 밀에서는 스크린법이나 갭법을 이용하여 이들을 분리하였다. 그러나 이들 방법으로는 입자가 재응집하여 막히는 일 등이 발생한다. 이 때문에 다른 밀에서는 본 발명에 필요한 정도의 미분쇄를 할 수 없었다. 이에 대해 MSC 밀은 원심분리 로터를 채용하여 원심력으로 비즈와 분쇄물을 분리할 수 있다. 이 때문에 MSC 밀에서는 사용할 수 있는 비즈 지름의 제한을 없앨 수 있다. 따라서 MSC 밀은 보다 세밀한 분쇄를 할 수 있도록 되어 있다. 또한 MSC 밀에서는 미분쇄 대상물의 대기와의 접촉을 피하면서 미분쇄를 실시할 수 있어 재료의 산화를 억제할 수 있다. 예를 들면, 규소계 활물질을 SC100 밀로 결점 분쇄한 후 MSC100 밀로 미분쇄 함으로써 본 실시형태에 의한 원주 형상의 규소계 활물질 미립자를 제작할 수 있다. 단 MSC100 밀에 의한 미분쇄의 시간을 길게 함으로써 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이 및 직경을 작게 할 수 있다.As the apparatus used for wet milling in the first step, a bead mill apparatus using media can be used. Particularly preferable examples of the bead mill apparatus are MSC mills (for example, MSC100 mill) manufactured by Coke Co., Ltd., Japan. Such a bead mill apparatus can perform the grinding of the silicon-based active material mildly as compared with other bead mill apparatus, ball mill apparatus and the like. Specifically, in the MSC mill, the silicon-based active material is pulverized for a longer time such as other bead mill devices. Therefore, the silicon-based active material fine particles in a columnar shape can be easily produced. It is also important to employ as small beads as possible in order to obtain fine particles. After the treatment, it is necessary to separate the beads and the pulverized material. In the mills other than the MSC mill manufactured by Japan Coke Industries Co., Ltd., these were separated using a screen method or a gap method. However, these methods cause particles to re-agglomerate and become clogged. For this reason, pulverization to the extent necessary for the present invention could not be performed in other mills. On the other hand, the MSC mill uses a centrifugal rotor to separate beads and pulverized material by centrifugal force. This eliminates the bead diameter limit that can be used in MSC mills. Therefore, the MSC mill is capable of finer grinding. Further, in the MSC mill, fine pulverization can be performed while avoiding contact with the atmosphere of the object to be milled, and oxidation of the material can be suppressed. For example, silicon-based active material microparticles according to the present embodiment can be produced by subjecting a silicon-based active material to fine pulverization with an SC100 mill, followed by micro-milling with an MSC100 mill. However, by lengthening the fine grinding time by the MSC100 mill, the axial length and diameter of the silicon-based active material fine particles can be reduced.

미디어나 장치의 용기에는 가능한 한 불순물의 영향을 작게 하기 위해서 전기 화학적으로 불활성인 세라믹 재료, 예를 들면 산화 지르코늄이나 알루미나 등을 이용하는 것이 바람직하다. 규소계 활물질을 가능한 한 세밀하게 분쇄하기 위해서 산화 지르코늄이나 알루미나 등의 미디어의 입경(직경)은 작은 것이 바람직하고 50~100μm정도가 바람직하다.It is preferable to use an electrochemically inactive ceramic material such as zirconium oxide or alumina in order to reduce the influence of impurities as much as possible on the container of the medium or apparatus. In order to finely grind the silicon-based active material as fine as possible, the diameter (diameter) of the medium such as zirconium oxide or alumina is preferably as small as possible and preferably about 50 to 100 mu m.

제2 공정에서는 비수용매에 용해하는 유기물을 분산용액에 용해함으로써 혼합용액을 제작한다. 제2 공정으로 사용 가능한 유기물은 또, 비수용매에 용해 가능하고 한편, 탄소 함유율(탄소화율)이 높은 재료가 바람직하다. 이러한 유기물을 사용함으로써 치밀한 탄소 재료막을 형성하기 쉽기 때문이다. 구체적인 함유율로서 탄소의 함유율은 유기물 총 질량에 대해 10.7~44.1질량%인 것이 바람직하다. 산소의 함유율은 유기물 총 질량에 대해 16.7~63.1질량%의 범위가 바람직하다. 유기물의 구체적인 예로서는 예를 들면 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류 등을 들 수 있다.In the second step, a mixed solution is prepared by dissolving an organic substance dissolved in a non-aqueous solvent in a dispersion solution. The organic material usable in the second step is preferably a material which is soluble in a nonaqueous solvent and has a high carbon content (carbonization ratio). This is because it is easy to form a dense carbon material film by using such an organic material. The specific content of carbon is preferably 10.7 to 44.1 mass% with respect to the total mass of the organic material. The content of oxygen is preferably in the range of 16.7 to 63.1 mass% with respect to the total mass of the organic material. Specific examples of the organic substance include, for example, a hydroxy acid, a monosaccharide, and an oligosaccharide.

여기서 히드록시산(hydroxyl acid)으로서는 구연산 및 글리콜산 등을 들 수 있다.또한, 단당류로서는 에리트리톨(erythritol), D-에리트룰로오스(D-erythrulose), D-에리트로오스(D-erythrose), D-트레오스(D-threose), D-아라비노스(D-arabinose), L-아라비노스(L-arabinose), D-크실룰로오스(D-xylulose), L-크실룰로오스(L-xylulose), D-자일로스(D-xylose), D-릭소오스(D-lyxose), L-릭소오스(Llyxose), D-리불로오스(D-ribulose), D-아이도스(D-idose), D-퀴노보스(D-quinovose), 글루카르산(glucaricacid), D-디지톡소스(D-digitoxose), D-시마로스(D-cymarose), 2-데옥시D-글루코스(2-deoxy-D-glucose), L-푸코스(L-fucose), D-사이코스(D-psicose), D-프럭토스(D-fructose), L-람노스(L-rhamnose), L-아이드로닉산(L-Iduronic acid), D-글루쿠론산(D-glucuronicacid) 등을 들 수 있다. 또 올리고당(oligosaccharide)류로서는 이소말토오스(isomaltose), 루틴오스(rutinose) 등을 들 수 있다. 유기물은 이들 어느 한 종을 사용할 수 있고 복수 종류를 병용할 수 있다.Examples of the hydroxyl acid include citric acid and glycolic acid. Examples of the monosaccharide include erythritol, D-erythrulose, D-erythrose, D-threose, D-arabinose, L-arabinose, D-xylulose, L-xylulose L-xylulose, D-xylose, D-lyxose, Llyxose, D-ribulose, D- idose, D-quinovose, glucaricacid, D-digitoxose, D-cymarose, 2-deoxy D-glucose D-glucose, L-fucose, D-psicose, D-fructose, L-rhamnose, L- L-iduronic acid, D-glucuronic acid, and the like. Examples of oligosaccharides include isomaltose, rutinose, and the like. Any one of these organic substances may be used, and a plurality of types may be used in combination.

유기물의 첨가량으로서는 분산용액의 질량에 대해 10질량% 이하가 바람직하고 5질량% 이하가 더욱 바람직하며 2질량% 이하가 더욱 바람직하다. 하한치는 탄소 재료에 요구하는 파라미터를 만족하면 특히 제한되지 않는다.The amount of the organic substance to be added is preferably 10 mass% or less, more preferably 5 mass% or less, and further preferably 2 mass% or less, based on the mass of the dispersion solution. The lower limit is not particularly limited as long as it satisfies the parameters required for the carbon material.

제3 공정에서는 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 규소계 활물질 미립자 표면에 탄소 재료를 피복 한다. 이것에 의해 표면 개질 미립자를 제작한다.In the third step, the carbon material is coated on the surface of the silicon-based active material fine particles by firing the mixed solution in an inert atmosphere. Thereby, the surface-modified fine particles are produced.

여기서 불활성 분위기는 예를 들면 아르곤이나 질소 등에 의해서 구현할 수 있다.이들 기체를 단독으로 사용할 수 있고 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 소성온도에 관해서는 유기물의 탄소화가 진행하는 온도를 고려하면 500℃ 이상이 바람직하다. 그리고 상한 온도는 규소와 탄소의 반응에 의한 SiC의 생성이 일어나지 않는 800℃ 이하가 바람직하다. 최적 온도에 관해서는 소성에 이용하는 유기물의 종류에 따라서 다르다. 이상의 공정에 의해 표면 개질 미립자가 제작된다. 이와 같이 제2~제3 공정에서는 규소계 활물질 미립자는 비수용매 중에 존재하므로 대기 중으로 노출되지 않는다. 따라서 소성 시의 산화도 억제된다. 또한 본 실시형태에 의한 탄소 재료의 피복 방법은 비특허문헌 1에 개시된 피복 방법(아세틸렌 가스를 이용한 화학 기상법에 의해 탄소 재료를 규소 미립자에 피복 하는 방법)보다 저비용으로 구현할 수 있다.Here, the inert atmosphere can be implemented by, for example, argon, nitrogen, etc. These gases can be used singly or in combination. With regard to the firing temperature, 500 ° C or more is preferable considering the temperature at which carbonization of the organic material proceeds. The upper limit temperature is preferably 800 DEG C or less at which SiC is not generated by the reaction of silicon and carbon. The optimum temperature differs depending on the type of the organic material used for the firing. The surface-modified fine particles are produced by the above process. As described above, in the second to third steps, the silicon-based active material fine particles are not exposed to the air because they are present in the non-aqueous solvent. Therefore, the oxidation during firing is also suppressed. Further, the coating method of the carbon material according to the present embodiment can be realized at a lower cost than the coating method disclosed in the non-patent document 1 (a method of coating a carbon material onto silicon fine particles by a chemical vapor deposition method using acetylene gas).

제4 공정에서는 하드 카본과 표면 개질 미립자를 복합화함으로써 음극 활물질을 제작한다. 하드 카본과 표면 개질 미립자의 복합화는 하드 카본의 출발 물질과 표면 개질 미립자를 혼합하고 이들 혼합물을 소성함으로써 수행된다.In the fourth step, the negative electrode active material is produced by compounding the hard carbon and the surface-modified fine particles. The hybridization of the hard carbon and the surface modifying fine particles is carried out by mixing the hard carbon starting material and the surface modifying fine particles and firing the mixture.

하드 카본의 출발 물질로서는 페놀(phenol) 수지, PVC(폴리염화비닐), 푸르푸릴 알코올(furfurylalcohol), 수크로스(Sucrose), 젤라틴(Gelatin), 및 한천 등을 들 수 있다. 이들 출발 물질의 어느 한 종만을 사용할 수 있고 복수 종류의 출발 물질을 사용할 수 있다.Examples of starting materials for hard carbon include phenol resin, PVC, furfurylalcohol, sucrose, gelatin, and agar. Any one of these starting materials may be used, and a plurality of kinds of starting materials may be used.

한편 하드 카본이 액계의 출발 물질을 소성함으로써 얻어질 경우 사이클 수명이 향상하는 질량비 범위는 표면 개질 미립자:하드 카본=75:25~90:10이다. 즉 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 75~90질량%인 것이 바람직하다. 여기서 액계의 출발 물질로서는 레졸 형 페놀 수지 및 푸르푸릴 알코올 등을 들 수 있다.On the other hand, when the hard carbon is obtained by baking the starting material of the liquid system, the range of the mass ratio in which the cycle life is improved is the surface modified fine particles: hard carbon = 75:25 to 90:10. That is, the total mass of the surface-modified microparticles is preferably 75 to 90 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified microparticles. Examples of the starting materials of the liquid system include resole type phenol resin and furfuryl alcohol.

혼합 방법에 특별한 제한은 없으며 습식 또는 건식의 어느 것이라도 상관없다. 또한, 소성은 불활성 분위기 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 불활성 분위기는 예를 들면 아르곤이나 질소 등에 의해 구현할 수 있다. 이들 기체를 단독으로 사용할 수 있고 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고 소성온도에 관해서는 하드 카본이 생성되는 온도를 고려하여 500℃ 이상이 바람직하다. 또 상한 온도는 규소와 탄소의 반응에 의한 SiC의 생성이 일어나지 않는 800℃ 이하가 바람직하다. 최적 온도는 소성에 이용하는 출발 물질의 종류에 따라서 다르다.There is no particular limitation on the mixing method, and it may be either wet or dry. The firing is preferably carried out in an inert atmosphere. The inert atmosphere can be implemented by, for example, argon or nitrogen. These gases may be used alone or in combination. Regarding the firing temperature, it is preferably 500 ° C or more in consideration of the temperature at which hard carbon is produced. The upper limit temperature is preferably 800 占 폚 or less at which SiC is not generated by the reaction of silicon and carbon. The optimum temperature depends on the kind of starting material used in the calcination.

그 다음은 정극(20)과 동일한 공정을 수행한다. 즉 음극 활물질 및 바인더를 혼합한 것을 용매(예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈)에 분산시킴으로써 슬러리를 형성한다. 그 다음에 슬러리를 집전체(31)상에 형성(예를 들면 도공)하여 건조시킴으로써 음극 활물질층(32)를 형성한다. 이어서 프레스기에 의해 음극 활물질층(32)을 프레스 한다. 이것에 의해 음극(30)이 제작된다.Next, the same process as that of the positive electrode 20 is performed. That is, a mixture of the negative electrode active material and the binder is dispersed in a solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone) to form a slurry. Then, the slurry is formed (for example, coated) on the current collector 31 and dried to form the negative electrode active material layer 32. Subsequently, the negative electrode active material layer 32 is pressed by a press machine. Thus, the cathode 30 is fabricated.

그 다음으로 세퍼레이터를 정극(20) 및 음극(30)을 사이에 끼워 전극 구조체를 제작한다. 그 다음에 전극 구조체를 원하는 형태(예를 들면, 원통형, 각형,래미네이트형, 버튼형 등)로 가공하여 해당 형태의 용기에 삽입한다. 이어서 해당 용기 내에 상기 조성의 전해액을 주입함으로써 세퍼레이터 내의 각 기공에 전해액을 함침시킨다. 이것에 의해 리튬이온 이차전지가 제작된다.Next, a separator is sandwiched between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 to fabricate an electrode structure. Next, the electrode structure is processed into a desired shape (e.g., a cylindrical shape, a square shape, a laminate shape, a button shape, or the like) and inserted into the container of the corresponding shape. Subsequently, an electrolyte solution having the composition described above is injected into the container to impregnate each pore in the separator with an electrolytic solution. Thus, a lithium ion secondary battery is fabricated.

(리튬이온 이차전지의 충전방법)(Charging method of lithium ion secondary battery)

상술한 바와 같이 본 실시형태에 의한 리튬이온 이차전지(10)에서는 음극 활물질에 대량의 규소계 활물질 미립자를 사용할 수 있어 음극 활물질의 이론 용량이 매우 높다. 여기서 본 실시형태에서는 리튬이온 이차전지를 충전하는 경우에 리튬이온 이차전지의 충전 용량을 규소계 활물질 미립자에 의해 구현되는 이론 용량 즉 규소계 활물질 미립자의 만충전량의 70% 이하로 유지한다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자의 열화가 억제되므로 사이클 수명이 향상된다.As described above, in the lithium ion secondary battery 10 according to the present embodiment, a large amount of silicon-based active material fine particles can be used for the negative electrode active material, so that the theoretical capacity of the negative electrode active material is extremely high. In this embodiment, when the lithium ion secondary battery is charged, the charging capacity of the lithium ion secondary battery is maintained at 70% or less of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material fine particles, that is, the full capacity of the silicon-based active material fine particles. As a result, deterioration of the silicon-based active material fine particles is suppressed, and the cycle life is improved.

(실시예 2-1)(Example 2-1)

실시예 2-1에서는 이하의 공정에 의해 음극 활물질을 제작했다.In Example 2-1, a negative electrode active material was produced by the following steps.

(제1 공정)(First step)

규소입자로서 주식회사 고순도화학연구소제의 금속규소입자(SIE04PB)를 준비했다. 이 규소입자의 평균 입경은 30μm이었다. 규소입자의 입경은 규소입자를 구체로 간주할 때의 직경이며 주식회사 호리바제작소제 레이저 회절/산란식 입도분포측정장치 LA-950을 이용하여 측정했다. 상세하게는 이 장치를 사용하여 입도 분포를 측정하고 입도 분포를 근거로 입도의 산술 평균치를 산출했다. 이하에서 설명하는 평균 입경도 이 방법으로 측정되었다.As the silicon particles, metal silicon particles (SIE04PB) manufactured by Kohsundo Chemical Co., Ltd. were prepared. The average particle diameter of the silicon particles was 30 mu m. The particle diameter of the silicon particles was measured by using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer LA-950 manufactured by Horiba, Inc., which is a diameter when the silicon particles are regarded as spheres. Specifically, the particle size distribution was measured using this apparatus, and the arithmetic average of the particle sizes was calculated based on the particle size distribution. The average particle diameter described below was also measured by this method.

상기 규소입자를 에탄올 및 규소입자의 총 질량에 대해 10질량% 배합으로 에탄올에 첨가하고 직경(입경) 500μm의 산화 지르코늄 비즈와 함께 일본코크스공업 주식회사제 SC100 밀에 투입했다.The silicon particles were added to ethanol in an amount of 10% by mass based on the total mass of the ethanol and the silicon particles, and then introduced into SC100 mill manufactured by Japan Cox Industrial Co., Ltd., together with zirconium oxide beads having a diameter (particle diameter) of 500 탆.

산화 지르코늄 비즈의 투입량은 용기 용적에 대해 60체적%로 했다. 그리고 교반기(Agitator)의 주 속을 13m/s로서 6시간 운전을 실시했다. 이것에 의해 규소입자의 에탄올 분산액을 얻었다. 이 에탄올 분산액에서 산화 지르코늄 비즈를 제거하고 산화 지르코늄 비즈 제거 후의 에탄올 분산액을 직경 50μm의 산화 지르코늄 비즈와 함께 일본코크스공업주식회사제 MSC100 밀에 투입했다. 산화 지르코늄 비즈의 투입량은 용기 용적에 대해 55체적%로 했다. 그리고 교반기의 주 속을 13m/s로서 20시간 운전을 실시했다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자(규소 미립자)가 분산된 분산용액을 제작했다. 상기 규소계 활물질 미립자를 주식회사 히타치 하이테크노로지즈제 STEMHD-2700으로 관찰한 결과 도15에 도시한 STEM 사진을 얻었다. 도15에 도시한 STEM 사진으로부터 20개 정도의 샘플을 추출하여 샘플의 축방향 길이를 측정한 결과, 축방향 길이는 130~330nm의 범위로 분포하고 있었다. 한편, 각 샘플을 도16와 같이 확대하여 관찰하고 샘플의 직경을 측정한 결과 직경의 최대치는 30nm이었다.The charged amount of the zirconium oxide beads was 60 volume% with respect to the container volume. The agitator was driven at a speed of 13 m / s for 6 hours. Thus, an ethanol dispersion of silicon particles was obtained. The zirconium oxide beads were removed from the ethanol dispersion, and the ethanol dispersion after removing the zirconium oxide beads was introduced into MSC100 mill manufactured by Japan Coke Co., Ltd. together with zirconium oxide beads having a diameter of 50 mu m. The amount of the zirconium oxide beads was set at 55% by volume with respect to the volume of the container. Then, the stirrer was driven at a speed of 13 m / s for 20 hours. Thus, a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles (silicon fine particles) were dispersed was prepared. The above silicon-based active material fine particles were observed with a STEMHD-2700 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, and the STEM photograph shown in Fig. 15 was obtained. From the STEM photographs shown in FIG. 15, about 20 samples were extracted and the axial length of the sample was measured. As a result, the axial length was distributed in the range of 130 to 330 nm. On the other hand, each sample was magnified and observed as shown in FIG. 16, and the diameter of the sample was measured. As a result, the maximum diameter was 30 nm.

(제2 공정)(Second Step)

상기 제1 공정에서 제작한 분산용액 100g에 대해 구연산 2g(분산용액의 총 질량에 대해 2질량%)을 첨가 혼합 함으로써 혼합용액을 제작했다.2 g of citric acid (2 mass% based on the total mass of the dispersion solution) was added to 100 g of the dispersion solution prepared in the first step to prepare a mixed solution.

(제3 공정)(Third step)

제2 공정에서 제작한 혼합용액을 세라믹(ceramic)제의 도가니로 옮겨 석영제의 유리 튜브(tube) 로에 설치했다. 이 튜브 로내에 아르곤 가스를 500cm3/min로 플로우(flow)시켜 충분히 치환한 후 2.5℃/min의 스피드로 튜브 로내를 600℃까지 승온 시켰다. 그 후, 튜브 로내를 600℃로 5시간 유지하여 자연 냉각하고 실온에 도달한 후에 도가니를 꺼냈다.The mixed solution prepared in the second step was transferred to a crucible made of ceramic and installed in a glass tube made of quartz. The inside of the tube was filled with argon gas at a flow rate of 500 cm &lt; 3 &gt; / min, and the inside of the tube was heated to 600 DEG C at a rate of 2.5 DEG C / min. Thereafter, the inside of the tube furnace was maintained at 600 DEG C for 5 hours to naturally cool, and after reaching room temperature, the crucible was taken out.

그 다음에 도가니 내의 시료를 메노우 유발(Agate mortar) 내에서 분쇄함으로써 표면 개질 미립자를 제작했다. 규소계 활물질에의 탄소 재료 피복량은 구연산 단체에서의 상기와 같은 소성실험결과로 얻어진 탄소화율로 계산하면 2.4질량%가 된다. 한편, 세이코 인스트루먼트(Seiko Instruments) 주식회사제 시차열 분석 장치 EXSTAR6000를 이용하여 구연산의 중량 감소를 측정하고 그 결과로 탄소 재료의 피복량을 측정한 결과 2.3 질량%이었다. 결과적으로 양자는 거의 동일한 값으로 된 것이 확인되었다.Subsequently, the sample in the crucible was pulverized in an agate mortar to prepare surface-modified fine particles. The amount of the carbon material covering the silicon-based active material is 2.4% by mass, calculated on the basis of the carbonization rate obtained as a result of the above-described calcination test in citric acid. On the other hand, the weight loss of citric acid was measured by using a differential thermal analyzer EXSTAR6000 manufactured by Seiko Instruments Co., Ltd. As a result, the covering amount of the carbon material was measured and found to be 2.3% by mass. As a result, it was confirmed that the two values were almost the same value.

그리고 음극 활물질의 표면을 주식회사 히타치 하이테크노로지즈제 STEMHD-2700을 이용하여 분석한 결과 탄소 재료의 두께는 3~8 nm이었다.The surface of the negative electrode active material was analyzed by STEMHD-2700 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation. The carbon material had a thickness of 3 to 8 nm.

(제4 공정)(Fourth step)

다음으로 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비가 65:35가 되도록 표면 개질 미립자와 PVC를 칭량하고 이것을 메노우 유발로 균일하게 혼합했다. 이어서 해당 혼합으로 얻어진 혼합물을 세라믹제의 도가니로 옮겨 석영제의 유리 튜브 로에 설치했다. 아르곤 가스를 500cm3/min로 플로우시켜 충분히 치환한 후 2.5℃/min의 스피드로 튜브 로내를 600℃까지 승온 시켰다. 그 후, 튜브 로내를 600℃으로 3시간 유지하여 자연 냉각하고 실온에 도달한 후에 도가니를 꺼냈다. 그 다음에 도가니 내의 시료를 메노우 유발로 분쇄했다. 이것에 의해 표면 개질 미립자와 하드 카본을 복합화했다. 즉 음극 활물질을 제작했다.Next, the surface-modified fine particles and the PVC were weighed so that the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon was 65:35, and the mixture was uniformly mixed with menno induction. Subsequently, the resulting mixture was transferred to a crucible made of ceramic and placed in a glass tube made of quartz. The inside of the tube was heated to 600 DEG C at a rate of 2.5 DEG C / min after argon gas was flowed at a rate of 500 cm &lt; 3 &gt; / min. Thereafter, the inside of the tube furnace was maintained at 600 ° C for 3 hours to naturally cool, and after reaching room temperature, the crucible was taken out. Then, the sample in the crucible was crushed by MeNOU induction. By this, the surface modified fine particles and the hard carbon were combined. That is, an anode active material was prepared.

(음극의 제작)(Preparation of negative electrode)

폴리이미드 15질량부 대하여 N-메틸-2-피롤리돈을 추가하여 혼합 용해시킨 폴리이미드 용액에 음극 활물질 75질량부 및 카본 블랙 10질량부를 투입함으로써 혼합용액을 제작했다. 그 다음에 상기 혼합용액을 메노우제의 유발(Agate mortar)로 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 그리고 이 슬러리를 애플리케이터(Applicator)를 이용하여 두께 10μm의 동박상에 도포했다. 그 다음에 슬러리를 아르곤 플로우 하에(500cm3/min), 350℃까지 온도를 올려 이 온도로 30분간 열처리(건조) 했다. 이것에 의해 음극 활물질층, 즉 음극을 제작했다.75 parts by mass of the negative electrode active material and 10 parts by mass of carbon black were added to a polyimide solution obtained by mixing and dissolving 15 parts by mass of polyimide by addition of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a mixed solution. Then, the mixed solution was mixed with agate mortar to prepare a slurry. The slurry was applied to a copper foil having a thickness of 10 mu m using an applicator. Then, the slurry was heated to 350 DEG C under an argon flow (500 cm &lt; 3 &gt; / min) and heat treated (dried) at this temperature for 30 minutes. Thus, a negative electrode active material layer, that is, a negative electrode was produced.

그 다음에 대극으로서 리튬박을 동박에 점착한 것을 준비하고 대극과 음극을 두께 20μm의 폴리에틸렌제 세퍼레이터를 통해 적층함으로써 전극 구조체를 제작했다. 그리고 전극 구조체에 1M-LiPF6EC/DEC(1:1 체적비) 전해액을 0.1cm3 추가함으로써 2032형 코인(coin) 전지를 제작했다.Next, a lithium foil was adhered to the copper foil as a counter electrode, and the counter electrode and the cathode were laminated through a polyethylene separator having a thickness of 20 mu m to produce an electrode structure. Then, a 2032 coin battery was produced by adding 0.1 cm &lt; 3 &gt; of 1M-LiPF6EC / DEC (1: 1 volume ratio) electrolyte to the electrode structure.

(초기 효율 및 사이클 수명의 측정)(Measurement of initial efficiency and cycle life)

이 전지를 유한회사 인덱스(Index)제 충방전 시험기 BTS2010를 이용하여 충방전 시험을 실시했다. 1에서 2사이클째는 0.05C, 3에서 4사이클째에 0.1C, 그 다음은 0.5C로 충방전 했다. 충전은 정전류 정전압, 방전은 정전류로 실시하고 충전용량 1000mAh/g, 방전종지전압을 1.5V, 시험온도 25℃로 했다.This battery was subjected to a charge-discharge test using a BTS2010 charge / discharge tester manufactured by Index Co., Ltd. 0.05 C at the second cycle from the first cycle, 0.1 C at the fourth cycle from the third cycle, and then charged and discharged at 0.5 C thereafter. Charging was carried out under a constant current constant voltage and discharging was carried out under a constant current. The charging capacity was 1000 mAh / g, the discharge end voltage was 1.5 V, and the test temperature was 25 ° C.

그리고 리튬이온 이차전지의 방전용량 초기 효율 및 사이클 수명을 측정했다. 여기서 초기 효율을 1사이클째의 충방전 효율(방전용량/충전 용량)로 하고 사이클 수명을 0.5C에서의 충방전에 의해 방전용량이 5사이클째의 방전용량의 90%를 밑돌았을 때의 사이클 수로 했다.The initial discharge capacity and cycle life of the lithium ion secondary battery were measured. When the initial efficiency is set to the charge / discharge efficiency (discharge capacity / charge capacity) of the first cycle and the cycle life is less than 90% of the discharge capacity of the fifth cycle by charge / discharge at 0.5C did.

(실시예 2-2)(Example 2-2)

실시예 2-1의 MSC100 밀의 처리 시간을 10시간으로 한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 300~480nm이며 직경의 최대치는 48nm이었다.The treatment was carried out in the same manner as in Example 2-1 except that the treatment time of the MSC100 mill of Example 2-1 was changed to 10 hours. The obtained silicon-based active material fine particles had an axial length of 300 to 480 nm and a maximum diameter of 48 nm.

(실시예 2-3)(Example 2-3)

실시예 2-1의 MSC100 밀의 처리 시간을 5시간으로 한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 550~700nm이며 직경의 최대치는 65nm이었다 .The treatment was carried out in the same manner as in Example 2-1 except that the treatment time of the MSC100 mill of Example 2-1 was changed to 5 hours. The obtained silicon-based active material fine particles had an axial length of 550 to 700 nm and a maximum diameter of 65 nm.

(실시예 2-4)(Example 2-4)

실시예 2-1의 MSC100 밀의 처리 시간을 1시간으로 한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 720~850nm이며, 직경의 최대치는 110nm이었다 .The treatment was carried out in the same manner as in Example 2-1 except that the treatment time of the MSC100 mill of Example 2-1 was changed to 1 hour. The obtained silicon-based active material fine particles had an axial length of 720 to 850 nm and a maximum diameter of 110 nm.

(실시예 2-5)(Example 2-5)

규소입자로서 주식회사 고순도화학연구소제의 단결정형 규소입자(Lot3775061)를 준비했다. 규소입자를 스피드 3о/분, 범위 5~90о의 측정 조건으로 XRD 해석한 결과, 메인 피크의 반치폭은 0.1072о이었다. 또한 이 규소입자의 평균 입경은 48μm이었다. 실시예 2-5에서는 이 단결정형 규소입자를 실시예 2-1의 금속 규소입자 대신으로 이용한 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 150~290nm이며 직경의 최대치는 32nm이었다. 그리고 실시예 2-5에 의한 표면 개질 미립자를 일본전자주식회사제 투과형 전자현미경(TEM) JEOL-2010 FEF를 이용하여 관찰한 결과, 도19에 도시한 TEM 사진을 얻었다.As the silicon particles, monoclinic silicon particles (Lot 3775061) manufactured by Kohsundo Kagaku Kogyo Co., Ltd. were prepared. After the analysis of silicon particles in a measurement condition of a speed о 3 / minute, range of 5 ~ 90 о XRD, the full width at half maximum of the main peak was 0.1072 о. The average particle diameter of the silicon particles was 48 mu m. In Example 2-5, the same process as in Example 2-1 was carried out except that the monocrystalline silicon particles were used in place of the metal silicon particles of Example 2-1. The obtained silicon-based active material fine particles had an axial length of 150 to 290 nm and a maximum diameter of 32 nm. Then, the surface-modified fine particles according to Example 2-5 were observed using a transmission electron microscope (TEM) JEOL-2010 FEF manufactured by Japan Electronics Co., Ltd. As a result, a TEM photograph shown in Fig. 19 was obtained.

(실시예 2-6)(Example 2-6)

실시예 2-5의 MSC100 밀 처리 시간을 5시간으로 한 것 이외는 실시예 2-5과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 570~680nm이며 직경의 최대치는 60nm이었다 .The procedure of Example 2-5 was repeated except that the MSC100 mill treatment time of Example 2-5 was changed to 5 hours. The obtained silicon-based active material fine particles had an axial length of 570 to 680 nm and a maximum diameter of 60 nm.

(실시예 2-7)(Example 2-7)

규소입자로서 주식회사 고순도화학연구소제의 다결정 규소입자(Lot3775062)를 준비했다. 규소입자를 스피드 3о/분, 범위 5~90о의 측정 조건으로 XRD 해석한 결과, 메인 피크의 반치폭은 0.1317о이었다. 이 규소입자의 평균 입경은 53μm이었다. 실시예 2-7에서는 상기 다결정형 규소입자를 실시예 2-1의 금속 규소입자 대신에 이용한 이외에는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 100~210nm이며 직경의 최대치는 25nm이었다. 또한 실시예 7에 의한 표면 개질 미립자를 일본전자주식회사제 투과형 전자현미경(TEM) JEOL-2010 FEF를 이용하여 관찰한 결과 도18에 도시한 TEM 사진을 얻었다.As the silicon particles, polycrystalline silicon particles (Lot 3775062) manufactured by Kohsundo Chemical Co., Ltd. were prepared. Speed 3 о / minute for silicon particles, range 5 to 90 as a result of XRD analysis of the measurement conditions о, the full width at half maximum of the main peak was 0.1317 о. The average particle diameter of the silicon particles was 53 mu m. In Example 2-7, the same processes as in Example 2-1 were carried out except that the above-mentioned polycrystalline silicon particles were used in place of the metal silicon particles of Example 2-1. The obtained silicon-based active material fine particles had an axial length of 100 to 210 nm and a maximum diameter of 25 nm. Further, the surface-modified fine particles according to Example 7 were observed using a transmission electron microscope (TEM) JEOL-2010 FEF manufactured by Japan Electronics Co., Ltd., and TEM images shown in Fig. 18 were obtained.

(실시예 2-8)(Example 2-8)

실시예 2-7의 MSC100 밀 처리 시간을 5시간으로 한 것 이외는 실시예 2-7과 동일하게 처리했다. 얻어진 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 520~640nm이며 직경의 최대치는53 nm이었다 .The procedure of Example 2-7 was repeated except that the MSC100 mill treatment time of Example 2-7 was changed to 5 hours. The obtained silicon-based active material microparticles had an axial length of 520 to 640 nm and a maximum diameter of 53 nm.

(비교예 2-1)(Comparative Example 2-1)

실시예 2-1의 제1 공정을 아래와 같이 바꾼 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 즉 실시예 2-1의 규소입자(금속규소입자)를 에탄올 및 규소입자의 총 질량에 대해 10질량%의 배합으로 에탄올에 첨가하고 직경(입경) 5mm의 산화 지르코늄 볼과 함께 FRITSCH사제 유성 볼 밀 P-7에 투입하고 주속 800rpm로 5시간 운전했다. 산화 지르코늄 볼의 투입량은 용기의 용적에 대해 50 체적%로 했다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자(규소 미립자)가 분산된 분산용액을 제작했다. 이 규소계 활물질 미립자를 일본전자주식회사제 투과형 전자현미경(TEM) JEOL-2010 FEF로 관찰한 결과 도17에 도시한 TEM 사진을 얻었다. TEM 사진 중의 규소계 활물질 미립자는 대체로 회전 타원체 형상으로 되어 있고 원주 형상과는 분명하게 다른 형상으로 되어 있었다. 또한 TEM 사진 중의 규소계 활물질 미립자의 장축 방향의 최대 길이와 단축 방향의 최대 길이를 각각 측정한 결과 114nm와 78nm이었다. 따라서 이들 길이의 애스펙트비는 본 실시예와 분명하게 차이가 났다. 즉 본 실시예와 같은 원주 형상의 규소계 활물질 미립자는 관측되지 않았다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that the first step of Example 2-1 was changed as follows. That is, the silicon particles (metal silicon particles) of Example 2-1 were added to ethanol in a blend ratio of 10% by mass with respect to the total mass of ethanol and silicon particles, and were mixed with a zirconium oxide ball having a diameter of 5 mm P-7, and operated at a peripheral speed of 800 rpm for 5 hours. The amount of zirconium oxide balls to be charged was 50 volume% with respect to the volume of the container. Thus, a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles (silicon fine particles) were dispersed was prepared. The silicon-based active material fine particles were observed with a transmission electron microscope (TEM) JEOL-2010 FEF manufactured by Japan Electronics Co., Ltd., and TEM images shown in Fig. 17 were obtained. The silicon-based active material fine particles in the TEM photograph were formed in a substantially ellipsoidal shape and clearly different in shape from the cylindrical shape. In addition, the maximum length of the silicon-based active material fine particles in the long axis direction and the maximum short axis direction length in the TEM photographs were 114 nm and 78 nm, respectively. Therefore, the aspect ratio of these lengths is clearly different from this embodiment. In other words, no silicon-based active material fine particles as in this example were observed.

(평가)(evaluation)

실시예 2-1~2-8으로 비교예 2-1과의 초기 효율 및 사이클 수명을 표 2에 비교하여 나타낸다. 단 표 2에서는 실시예 2-1~2-8의 초기 효율 및 사이클 수명을 실시예 2-4, 비교예 2-1등으로 규격화하여 나타낸다.Table 2 shows the initial efficiency and cycle life in Examples 2-1 to 2-8 and Comparative Example 2-1. However, in Table 2, the initial efficiency and cycle life of Examples 2-1 to 2-8 are standardized by Example 2-4 and Comparative Example 2-1.

초기 효율Initial efficiency 사이클 수명Cycle life 실시예 2-1/ 비교예 2-1Example 2-1 / Comparative Example 2-1 1.041.04 2.152.15 실시예 2-4/ 비교예 2-1Example 2-4 / Comparative Example 2-1 1.011.01 1.341.34 실시예 2-1/ 실시예 2-4Example 2-1 / Example 2-4 1.031.03 1.61.6 실시예 2-2/ 실시예 2-4Example 2-2 / Example 2-4 1.051.05 1.351.35 실시예 2-3/ 실시예 2-4Example 2-3 / Example 2-4 1.011.01 1.071.07 실시예 2-6/ 비교예 2-1Example 2-6 / Comparative Example 2-1 1.011.01 1.51.5 실시예 2-8/ 비교예 2-1Example 2-8 / Comparative Example 2-1 1.011.01 1.541.54 실시예 2-5/ 실시예 2-6Examples 2-5 / Examples 2-6 1.041.04 1.551.55 실시예 2-7/ 실시예 2-8Examples 2-7 / Examples 2-8 1.071.07 1.751.75 실시예 2-7/ 실시예 2-5Examples 2-7 / Examples 2-5 1.031.03 1.151.15

실시예 2-1에서는 원주 형상의 규소계 활물질 미립자가 확인된 것에 대해 비교예 2-1에서는 원주 형상의 규소계 활물질 미립자는 확인되지 않았다. 양자를 비교한 결과 초기 효율에서는 4%, 사이클 수명에서는 115%, 실시예 2-1이 비교예 2-1보다 높아졌다. 이것은 형상에 의한 효과로 추정된다. 즉 실시예 2-1의 규소계 활물질 미립자는 비교예 2-1의 규소계 활물질 미립자보다 사이즈가 작아짐으로써 리튬과 합금화, 이탈로 수반되는 체적변화의 절대량이 작아졌다. 즉 리튬과 합금화, 이탈로 수반되는 체적변화에 의한 스트레스가 경감된다. 특히 직경 방향의 체적변화가 적어진다. 이 때문에 사이클 수명 특성이 향상한다. 또한 직경이 작기 때문에 규소계 활물질 미립자 내부에의 리튬의 합금화, 규소계 활물질 미립자로부터의 이탈반응이 일어나기 쉽다. 이러한 이유로 초기 효율도 향상한 것으로 생각된다. 다른 실시 예에서도 동일한 결과를 얻을 수 있었다.In Example 2-1, columnar silicon-based active material fine particles were identified, but in Comparative Example 2-1, no columnar silicon-based active material fine particles were found. As a result, the initial efficiency was 4%, the cycle life was 115%, and Example 2-1 was higher than Comparative Example 2-1. This is presumed to be due to the shape. That is, the silicon-based active material fine particles of Example 2-1 were smaller in size than the silicon-based active material fine particles of Comparative Example 2-1, so that the absolute amount of volume change accompanied by the alloying and detachment of lithium was small. That is, the stress caused by the volume change accompanied by the alloying and disconnection with lithium is alleviated. Particularly, the volume change in the radial direction is reduced. This improves cycle life characteristics. Furthermore, since the diameter is small, alloying of lithium into the silicon-based active material fine particles and a releasing reaction from the silicon-based active material fine particles are apt to occur. For this reason, the initial efficiency is considered to be improved. The same result was obtained in other embodiments.

그리고 실시예 2-2~4에 나타난 바와 같이, MSC100 밀의 처리 시간을 바꾸었는데 여러 가지 크기의 규소계 활물질 미립자를 얻을 수 있었다. 이들을 같은 조건으로 평가한 결과 실시예 2-4(길이 720~850nm, 직경의 최대치는 110nm)에 대해 실시예 2-3(길이는 550~700nm, 직경의 최대치는 65nm)에서는 초기 효율은 1%로 사이클 특성은 7%의 향상이었다. 이것에 대해 실시예 2-2(길이는 300~480nm, 직경의 최대치는 48nm)에서는 초기 효율이 5%로 사이클 특성은 35%로 향상하고 한층 더 실시예 2-1(길이는 130~330nm, 직경의 최대치는 30nm)에서는 초기 효율이 3%로 사이클 특성은 60%의 향상이 인정되었다. 실시예 2-1~4에 의하면 축방향 길이는 500nm 이하인 것이 바람직하고 직경은 50nm 이하인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.As shown in Examples 2-2 to 4, when the treatment time of MSC100 was changed, various kinds of silicon-based active material fine particles were obtained. As a result, the initial efficiency was 1% in Example 2-3 (length is 550 to 700 nm, maximum diameter is 65 nm) with respect to Example 2-4 (length of 720 to 850 nm, maximum diameter of 110 nm) The cycle characteristics were improved by 7%. On the other hand, in Example 2-2 (length of 300 to 480 nm, maximum diameter of 48 nm), the initial efficiency was 5% and the cycle characteristic was improved to 35%. Further Example 2-1 (length of 130 to 330 nm, The maximum value of the diameter was 30 nm), the initial efficiency was 3% and the cycle characteristic was improved by 60%. According to Examples 2-1 to 4, it was found that the length in the axial direction is preferably 500 nm or less, and the diameter is preferably 50 nm or less.

단 실시예 2-1~3의 초기 효율이 향상한 것은 규소계 활물질 미립자를 미세화함으로써 충방전에 수반하는 리튬이온의 규소계 활물질 미립자 내에서의 이동이 부드럽게 되었기 때문이라고 추정된다. 또 사이클 특성에 관해서는 직경이 작아짐으로써 리튬과의 합금화, 이탈에 의한 직경 변화량이 작아진다. 이 때문에 리튬과 합금화, 이탈과 수반하는 체적변화에 의한 스트레스가 경감되었다고 추정된다.However, it is presumed that the improvement in the initial efficiency of Examples 2-1 to 2-3 was attributed to the fact that the movement of lithium ions in the silicon-based active material fine particles accompanying charging and discharging was smoothed by making the silicon-based active material fine particles finer. As for the cycle characteristics, the smaller the diameter, the smaller the amount of change in diameter due to alloying and separation with lithium. Therefore, it is assumed that the stress caused by the change in volume due to alloying and separation with lithium is alleviated.

또 단결정 규소를 사용한 실시예 2-5(길이는 150~290nm, 직경의 최대치는 32nm)의 경우에 관해서도 길이와 직경이 길었던 실시예 2-6(길이는 570~680nm, 직경의 최대치는60nm)에 비해 초기 효율은 4%, 사이클 수명은 55% 향상하였다. 다결정 규소의 실시예 2-7(길이는 100~210nm, 직경의 최대치는 25nm)도 실시예 2-8(길이는 520~640nm, 직경의 최대치는53 nm)에 비해 초기 효율은 7%, 사이클 수명은 75% 향상하였다. 단결정 규소와 다결정 규소에서 동일 처리 시간의 실시예 2-5와 실시예 2-7을 비교하면 다결정 규소가 길이도 짧고 한편 직경도 작아져 있다. 그 결과, 실시예 2-7의 특성은 실시예 2-5보다도 양호했다. 따라서 다결정의 규소계 활물질 미립자는 단결정의 규소계 활물질 미립자보다도 우수하다는 것을 알 수 있다.Example 2-6 (length: 570 to 680 nm, maximum diameter: 60 nm), in which the length and diameter were long in Example 2-5 (length of 150 to 290 nm, maximum diameter of 32 nm) using single crystal silicon, , The initial efficiency was improved by 4% and the cycle life was improved by 55%. The initial efficiency was 7% as compared with Example 2-8 (length is 520 to 640 nm, maximum diameter is 53 nm), polycrystalline silicon of Example 2-7 (length is 100 to 210 nm, maximum diameter is 25 nm) Life span improved by 75%. In comparison between Example 2-5 and Example 2-7 for the same processing time in single crystal silicon and polycrystalline silicon, the length of the polycrystalline silicon is short and the diameter is also small. As a result, the characteristics of Example 2-7 were better than those of Example 2-5. Therefore, it can be seen that the polycrystalline silicon-based active material fine particles are superior to the silicon-based active material fine particles.

단, 다결정의 규소계 활물질 미립자가 단결정의 규소계 활물질 미립자보다 우수한 이유로서 이하의 이유를 생각할 수 있다. 즉, 도18 및 도19에 나타낸 바와 같이 다결정 규소계 활물질 미립자는 내부에 다수의 단결정 영역(도메인)을 가지며 도메인 사이에는 공간이 형성되어 있다. 그리고 각 도메인은 충전 시에 리튬과 합금화하여 팽창하지만 이 팽창의 응력이 도메인 사이의 공간에 의해 되었다고 생각할 수 있다. 또한 단결정 규소계 활물질 미립자에서는 충전 시에 단일 매크로인 도메인이 리튬과 합금화하지만 다결정 규소계 활물질 미립자에서는 미소한 다수의 도메인이 리튬과 합금화한다. 이 때문에 다결정 규소계 활물질 미립자에서는 리튬과의 합금화에 의한 팽창 자체도 분산되어 생기므로 이러한 점에서도 팽창 응력이 완화되었다고 생각할 수 있다. 이러한 이유에 의해 다결정의 규소계 활물질 미립자는 단결정의 규소계 활물질 미립자보다 우수하다고 할 수 있다.However, the following reason can be considered as the reason why the polycrystalline silicon-based active material fine particles are superior to the silicon-based active material fine particles of single crystal. That is, as shown in FIGS. 18 and 19, the polycrystalline silicon-based active material fine particles have a plurality of single crystal domains (domains) therein and spaces are formed between the domains. And each domain is alloyed with lithium upon charging to expand, but it is conceivable that the stress of this expansion is caused by the space between the domains. In the case of monocrystalline silicon-based active material microparticles, a single macro domain is alloyed with lithium, whereas in microcrystalline silicon-based active material microdomains, many domains are alloyed with lithium. For this reason, in the polycrystalline silicon-based active material fine particles, expansion due to alloying with lithium itself is dispersed, so that expansion stress can be considered to be alleviated. For this reason, the polycrystalline silicon-based active material fine particles are superior to the silicon-based active material fine particles of single crystal.

(실시예 2-9)(Example 2-9)

본 발명자는 탄소 재료 및 하드 카본이 리튬이온 이차전지에 미치는 영향을 확인하기 위해서 이하의 실시예 2-9~13, 비교예 2-2~7을 실시했다. 실시예 2-9에서는 PVC에 대신하여 레졸 형의 페놀 수지를 이용한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다.The present inventors conducted the following Examples 2-9 to 13 and Comparative Examples 2-2 to 7 to confirm the effect of the carbon material and the hard carbon on the lithium ion secondary battery. Example 2-9 was treated in the same manner as in Example 2-1 except that a resole type phenol resin was used instead of PVC.

(실시예 2-10)(Example 2-10)

PVC를 대신하여 수크로스를 이용한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that sucrose was used instead of PVC.

(실시예 2-11)(Examples 2-11)

PVC를 대신하여 젤라틴을 이용한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that gelatin was used instead of PVC.

(실시예 2-12)(Examples 2-12)

PVC를 대신하여 한천을 이용한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that agar was used instead of PVC.

(실시예 2-13)(Examples 2-13)

PVC를 바꾸어 푸르푸릴 알코올을 이용한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that furfuryl alcohol was used instead of PVC.

(비교예 2-2)(Comparative Example 2-2)

제4 공정을 이하의 처리로 한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 즉 제1 공정으로 제작된 규소계 활물질 미립자와 인조 흑연과의 질량비가 75:25가 되도록 규소계 활물질 미립자와 인조 흑연을 칭량하고, 이것을 메노우 유발로 균일하게 혼합했다. 이 혼합물을 음극 활물질로 했다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that the fourth step was performed as follows. That is, the silicon-based active material fine particles and artificial graphite were weighed so that the mass ratio of the silicon-based active material fine particles prepared in the first step to artificial graphite was 75:25, and these were uniformly mixed with menno induction. This mixture was used as an anode active material.

(비교예 2-3)(Comparative Example 2-3)

PVC를 대신하여 레졸 형의 페놀 수지를 이용한 것 이외는 비교예 2-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Comparative Example 2-1 was repeated except that a resole type phenol resin was used instead of PVC.

(비교예 2-4)(Comparative Example 2-4)

PVC를 대신하여 수크로스를 이용한 것 이외는 비교예 2-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Comparative Example 2-1 was repeated except that sucrose was used instead of PVC.

(비교예 2-5)(Comparative Example 2-5)

PVC를 대신하여 젤라틴을 이용한 것 이외는 비교예 2-1과 동일하게 처리했다.The same treatment as in Comparative Example 2-1 was carried out except that gelatin was used instead of PVC.

(비교예 2-6)(Comparative Example 2-6)

PVC를 대신하여 한천을 이용한 것 이외는 비교예 2-1과 동일하게 처리했다.Except that agar was used instead of PVC.

(비교예 2-7)(Comparative Example 2-7)

PVC를 바꾸어 푸르푸릴 알코올을 이용한 것 이외는 비교예 2-1과 동일하게 처리했다.The same treatment as in Comparative Example 2-1 was carried out except that furfuryl alcohol was used instead of PVC.

(평가)(evaluation)

실시예 2-1, 2-9~13과 비교예 2-2~7의 초기 효율 및 사이클 수명을 표 3에 비교하여 나타낸다. 단, 표 3에서는 실시예 2-1, 2-9~13의 초기 효율 및 사이클 수명을 비교예 2-2~7에 규격화하여 나타낸다.The initial efficiency and cycle life of Examples 2-1 and 2-9 to 13 and Comparative Examples 2-2 to 7 are shown in Table 3 in comparison. However, in Table 3, the initial efficiency and cycle life of Examples 2-1 and 2-9 to 13 are standardized in Comparative Examples 2-2 to 7.

초기 효율Initial efficiency 사이클 수명Cycle life 실시예 2-1/비교예 2-2Example 2-1 / Comparative Example 2-2 1.211.21 2.42.4 실시예 2-9/비교예 2-3Examples 2-9 / Comparative Examples 2-3 1.111.11 1.61.6 실시예 2-10/비교예 2-4Example 2-10 / Comparative Example 2-4 1.051.05 1.41.4 실시예 2-11/비교예 2-5Example 2-11 / Comparative Example 2-5 1.041.04 1.351.35 실시예 2-12/비교예 2-6Examples 2-12 / Comparative Examples 2-6 1.041.04 1.351.35 실시예 2-13/비교예 2-7Example 2-13 / Comparative Example 2-7 1.041.04 1.51.5

표 3에 나타낸 바와 같이 실시예 2-1, 2-9~13은 비교예 2-2~7보다 특성이 양호했다. 실시예 2-1에서는 표면 개질 미립자가 하드 카본과 복합화되기 때문에 하드 카본에 의한 팽창 완화 그리고 도전성의 확보도 기대할 수 있다. 한편, 비교예 2-2의 흑연은 리튬과 합금화한 규소가 전극을 팽창시켰을 때에 그 팽창에 의한 응력을 흡수할 수 없었다고 할 수 있다. 그러므로 이러한 이유에 의해서 실시예 2-1은 비교예 2-2보다 특성이 향상되었다고 할 수 있다.As shown in Table 3, the properties of Examples 2-1 and 2-9 to 13 were better than those of Comparative Examples 2-2 to 7. In Example 2-1, since the surface-modified fine particles are combined with the hard carbon, expansion due to hard carbon can be alleviated and the conductivity can be secured. On the other hand, graphite of Comparative Example 2-2 can not be said to absorb the stress due to its expansion when the electrode is expanded by silicon alloyed with lithium. Therefore, it can be said that the properties of Example 2-1 are improved compared with those of Comparative Example 2-2 for these reasons.

실시예 2-9~13에서는 실시예 2-1의 PVC를 대신하여 페놀 수지 등의 여러 가지 탄소원을 사용하여 복합재를 제작하고 비교예 2-3에서 2-7과 비교했다. 그 결과 PVC를 사용한 실시예 2-1과 동일한 효과를 나타냈다.In Examples 2-9 to 13, composites were prepared using various carbon sources such as phenol resin instead of PVC in Example 2-1, and compared with 2-7 in Comparative Example 2-3. As a result, the same effect as in Example 2-1 using PVC was shown.

(실시예 2-14)(Examples 2-14)

본 발명자는 리튬이온 이차전지의 충전 용량과 방전용량 및 사이클 수명과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 2-14를 실시했다. 상세하게는 실시예 2-1의 충전 용량을 규소계 활물질에 의해 구현되는 이론 용량의 20~100%에 변화시킨 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 하여 평가했다. 도8에 그 결과를 나타낸다. 도8의 가로축은 규소계 활물질의 충전 비율(리튬이온 이차전지의 충전 용량/규소계 활물질에 의해 구현되는 이론 용량)을 나타내고 세로축은 1사이클째의 방전용량 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 방전용량은 규소계 활물질의 충전 비율이 20%가 되는 경우의 방전용량을 1로 규격화하여 나타냈다. 또한 사이클 수명은 규소계 활물질의 충전 비율이 100%가 되는 경우의 사이클 수명을 1로 규격화해서 나타냈다.The present inventors conducted Examples 2-14 to confirm the correspondence relationship between the charging capacity, the discharge capacity and the cycle life of the lithium ion secondary battery. Specifically, evaluation was conducted in the same manner as in Example 2-1 except that the charging capacity of Example 2-1 was changed from 20 to 100% of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material. The results are shown in Fig. 8 represents the charging ratio of the silicon-based active material (the charging capacity of the lithium ion secondary cell / the theoretical capacity realized by the silicon-based active material) and the vertical axis represents the discharging capacity and the cycle life of the first cycle. The short discharge capacity was expressed by normalizing the discharge capacity when the filling ratio of the silicon-based active material was 20%. The cycle life was expressed by normalizing the cycle life to 1 when the filling ratio of the silicon-based active material was 100%.

도8에 의하면 규소계 활물질을 완전 충전하는 경우(규소계 활물질의 충전 비율=100%)에 비해 충전 용량을 제어하면 사이클 수명은 향상됐다. 특히 규소계 활물질의 충전 비율을 70% 이하로 했을 경우에 사이클 수명이 크게 향상됐다. 또 상기의 실시예 2-1의 결과로 말한 바와 같이 방전용량에 관해서도 인조 흑연에 비해 높은 레벨이 유지 되고 있어 높은 방전용량(즉, 비가역 용량의 저감)과 긴 사이클 수명이라는 양립의 관점에서 본 실시형태가 우수한 것을 알 수 있다.According to FIG. 8, when the charging capacity is controlled as compared with the case where the silicon-based active material is completely charged (the charging ratio of the silicon-based active material = 100%), the cycle life is improved. In particular, when the charging ratio of the silicon-based active material is 70% or less, the cycle life is greatly improved. As described above in Example 2-1, the discharge capacity is maintained at a higher level than that of the artificial graphite, and therefore, from the viewpoint of both the high discharge capacity (that is, the reduction of the irreversible capacity) and the long cycle life, It can be seen that the shape is excellent.

(실시예 2-15)(Examples 2-15)

제4 공정의 소성온도를 400~900℃의 범위 내에서 변화시킨 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도9에 나타낸다. 도9의 가로축은 소성온도를 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 소성온도가 400℃가 되는 경우의 값을 1로 규격화해서 나타냈다.And the firing temperature in the fourth step was changed within the range of 400 to 900 占 폚. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 9 represents the calcination temperature and the ordinate represents the initial efficiency and cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life were expressed by normalizing the value when the firing temperature was 400 占 폚.

도9에 의하면 초기 효율 및 사이클 수명 모두 500에서 800℃ 사이에서 400℃의 경우보다 높았다. 온도가 낮아지면 하드 카본의 탄소원의 탄소화 진행이 진행되기 어렵게 되는 영향 때문이라고 생각할 수 있다. 또 900℃에서 초기 효율 및 사이클 수명이 큰 폭으로 저하되고 있으나 이것은 전기 화학적으로 불활성인 SiC의 생성에 의한 악영향 때문이라고 생각할 수 있다. 즉 규소를 미세화한 것에 의해 탄소와의 반응성이 높아져 900℃에서도 SiC가 생성된 것이라고 볼 수 있다.According to FIG. 9, both the initial efficiency and the cycle life were higher between 500 and 800 ° C than at 400 ° C. It can be considered that the carbonization of the carbon source of the hard carbon is hardly progressed when the temperature is lowered. In addition, the initial efficiency and cycle life at 900 ° C are considerably lowered, but this can be attributed to adverse effects due to the formation of electrochemically inert SiC. In other words, Si is produced at 900 ° C due to increased reactivity with carbon by making silicon finer.

(실시예 2-16)(Examples 2-16)

본 발명자는 표면 개질 미립자 및 하드 카본의 질량비와 사이클 수명과의 사이에 대응 관계가 존재하는 것과 해당 대응 관계가 하드 카본의 출발 물질에 의해서 변동하는 것을 확인하기 위해서 실시예 2-16, 2-17을 실시했다. 실시예 2-16에서는 제4 공정에 대해 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비를 40:60~100:0의 범위 내에서 변경한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도10에 나타낸다. 도10의 가로축은 표면 개질 미립자의 질량%(표면 개질 미립자 및 하드 카본의 총 질량에 대한 질량%)를 나타내고 세로축은 사이클 수명을 나타낸다. 단 사이클 수명은 표면 개질 미립자 질량%가 100%가 되는 경우의 값을 1로 규격화해서 나타냈다.The inventors of the present invention have found that there is a corresponding relationship between the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon and the cycle life, and that the corresponding relationship varies depending on the starting material of hard carbon, Examples 2-16 and 2-17 . In Example 2-16, the same processes as in Example 2-1 were carried out except that the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon was changed in the range of 40: 60 to 100: 0 in the fourth step. The results are shown in Fig. In Fig. 10, the abscissa axis represents the mass% of the surface-modified fine particles (mass% relative to the total mass of the surface-modified fine particles and hard carbon), and the ordinate axis represents the cycle life. The short cycle life was expressed by normalizing the value when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

도10에 의하면 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비가 50:50~80:20의 범위내의 값이 되는 경우에 사이클 수명이 높아졌다. 상세하게는 이 범위에 대한 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 사이클 수명보다 1.8배 이상 컸다.According to FIG. 10, when the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon is in the range of 50:50 to 80:20, the cycle life is increased. Specifically, the cycle life for this range was 1.8 times larger than the cycle life when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

(실시예 2-17)(Example 2-17)

실시예 2-17에서는 제4 공정에 대해 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비를 40:60~100:0의 범위 내에서 변경한 것 이외는 실시예 2-9과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도11에 나타낸다. 도11의 가로축은 표면 개질 미립자의 질량%(표면 개질 미립자 및 하드 카본의 총 질량에 대한 질량%)를 나타내고 세로축은 사이클 수명을 나타낸다. 단 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 값을 1로 규격화해서 나타냈다.In Example 2-17, the fourth step was treated in the same manner as in Example 2-9 except that the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon was changed within a range of 40:60 to 100: 0. The results are shown in Fig. 11, the horizontal axis represents the mass% of the surface-modified microparticles (mass% relative to the total mass of the surface-modified microparticles and the hard carbon), and the vertical axis represents the cycle life. The short cycle life was expressed by normalizing the value when the mass% of the surface-modified fine particles became 100%.

도11에 의하면 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비가 75:25~90:10의 범위내의 값이 되는 경우에 사이클 수명이 높아졌다. 상세하게는 이 범위에 대한 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 사이클 수명보다 1.8배 이상 컸다.According to Fig. 11, when the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon is in the range of 75:25 to 90:10, the cycle life is increased. Specifically, the cycle life for this range was 1.8 times larger than the cycle life when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

실시예 2-16, 2-17에 의하면 표면 개질 미립자 및 하드 카본의 질량비에는 사이클 수명이 향상되는 범위가 존재하는 것을 알 수 있다. 하드 카본의 비율이 높아지면 상대적으로 표면 개질 미립자의 함유율이 내려간다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자에 따라 구현되는 이론 용량이 저하된다. 그러므로 사이클 수명 시험으로 충전 전기량을 1000mAh/g로 제어했을 경우에 규소계 활물질의 충전 비율이 증가한다. 즉, 규소계 활물질에의 부하가 커진다. 이 때문에 규소계 활물질 미립자의 열화가 빨라지고 사이클 수명이 단축된다. 반대로 표면 개질 미립자의 비율이 높아지면 충방전에 수반하는 규소계 활물질 미립자의 체적변화를 하드 카본으로 완화하기 어려워져 전극의 도전성이 저하된다. 이 때문에 수명 특성이 저하된다. 그러므로 표면 개질 미립자 및 하드 카본의 질량비에는 사이클 수명이 향상되는 범위가 존재한다. 또한 실시예 2-16, 2-17에 의하면 사이클 수명이 향상되는 질량비의 범위는 하드 카본의 출발 물질에 따라서 다르다는 것도 알 수 있다.According to Examples 2-16 and 2-17, it can be seen that there is a range in which the cycle life is improved in the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon. As the proportion of hard carbon increases, the content of the surface-modified fine particles decreases. As a result, the theoretical capacity realized according to the silicon-based active material fine particles is lowered. Therefore, when the charged electricity quantity is controlled to 1000 mAh / g by the cycle life test, the charging ratio of the silicon-containing active material increases. That is, the load on the silicon-based active material increases. This accelerates the deterioration of the silicon-based active material fine particles and shortens the cycle life. On the other hand, if the ratio of the surface-modified fine particles is increased, it is difficult to alleviate the volume change of the silicon-based active material fine particles accompanied with charge and discharge by hard carbon, and the conductivity of the electrode is lowered. As a result, the life characteristics are degraded. Therefore, there is a range in which the cycle life is improved in the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon. Further, it can be seen from Examples 2-16 and 2-17 that the range of the mass ratio in which the cycle life is improved is different depending on the starting material of hard carbon.

(실시예 2-18)(Examples 2-18)

실시예 2-1의 전해액을 1M-LiPF6PC/DEC(1:1 체적비)로 변경한 것 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리하고 전지를 제작했다. 실시예 2-18에서는 실시예 2-1과 동일하게 1사이클째의 충전을 25℃로 한 후 전지의 환경 온도를 0~-20로 각각 변경하여 6시간 유지했다. 그 후에 그 환경 온도로 0.5C의 방전시험을 실시했다. 그 결과를 도12에 나타낸다. 도12에서는 25℃의 방전용량을 100으로 규격화했다.A battery was produced in the same manner as in Example 2-1 except that the electrolyte solution of Example 2-1 was changed to 1M-LiPF6PC / DEC (1: 1 volume ratio). In Example 2-18, the charge of the first cycle was set at 25 캜 in the same manner as in Example 2-1, and the environmental temperature of the battery was changed from 0 to -20 and maintained for 6 hours. Thereafter, a discharge test of 0.5 C was carried out at the environmental temperature. The results are shown in Fig. In Fig. 12, the discharge capacity at 25 DEG C was normalized to 100.

도12에 나타낸 바와 같이 PC를 이용한 실시예 2-18에서는 EC를 이용한 실시예 2-1의 전지에 비해 저온에서의 방전용량이 큰 폭으로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 융점이 -55℃의 PC에서는 -20℃에 있어도 얼지 않고 리튬이온의 이동이 저해되기 어렵기 때문이라고 할 수 있다. 한편, EC에서는 융점이 37℃이기 때문에 저비점의 DEC와 혼합함으로써 상온에서는 액체이지만 온도가 내려 감으로써 고체화하여 리튬이온의 이동도가 저해되어 방전할 수 없게 된 것이라고 할 수 있다. 이 PC를 사용할 수 있다는 것은 사용할 수 있는 저온 영역대의 확대로 연결되기 때문에 전동차와 같은 애플리케이션의 응용 시에 큰 장점이 될 수 있다.As shown in Fig. 12, in Example 2-18 using PC, the discharge capacity at a low temperature was significantly increased as compared with the cell of Example 2-1 using EC. It can be said that this is because it is not frozen even at a temperature of -20 캜 in a PC having a melting point of -55 캜, and migration of lithium ions is hardly inhibited. On the other hand, in the case of EC, since the melting point is 37 ° C, it is mixed with DEC having a low boiling point, so that it is liquid at room temperature but solidifies by lowering the temperature, and mobility of lithium ion is inhibited and discharge can not be performed. The availability of this PC can be a great advantage for applications such as electric trains because it can lead to the expansion of the available low temperature zone.

(실시예 2-19)(Example 2-19)

다음으로 본 발명자는 제3 공정에서의 소성온도와 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 2-19를 실시했다. 실시예 2-19에서는 실시예 2-1의 제3 공정에서 소성온도를 400~900℃의 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도13에 나타낸다. 도13의 가로축은 소성온도를 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 이하의 비교예 2-8에서 규격화한 값을 나타낸다.Next, the present inventor conducted Example 2-19 in order to confirm the correspondence relationship between the firing temperature in the third step and the characteristics of the lithium ion secondary battery. In Example 2-19, the treatment was carried out in the same manner as in Example 2-1 except that the firing temperature in the third step of Example 2-1 was varied within the range of 400 to 900 占 폚. The results are shown in Fig. The horizontal axis in Fig. 13 represents the firing temperature, and the vertical axis represents the initial efficiency and the cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life show the values standardized in the following Comparative Examples 2-8.

(비교예 2-8)(Comparative Example 2-8)

실시예 2-1의 제2 및 제3 공정을 실시하지 않은 것 이외는 실시예 2-19와 동일하게 처리했다. 즉, 비교예 8에서는 규소계 활물질 미립자의 표면을 탄소 재료로 피복 하지 않았다.The procedure of Example 2-19 was repeated except that the second and third steps of Example 2-1 were not carried out. That is, in Comparative Example 8, the surface of the silicon-based active material fine particles was not coated with the carbon material.

도13에 의하면 초기 효율은 500~800℃ 사이에서 비교예 2-8보다 높고 또 사이클 수명은 500~800℃ 사이에서 비교예 8보다 높았다. 따라서 소성온도는 500~800℃인 것이 바람직하다. 소성온도가 500℃ 미만일 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 저하하는 이유로서는 낮은 소성온도에서 유기물의 탄소화가 진행되기 어려워 탄소 재료의 피복량이 저하되는 것을 들 수 있다. 또한 소성온도가 900℃가 되는 경우에 초기 효율 및 사이클 수명이 큰 폭으로 저하된다. 그 이유로서는 전기 화학적으로 불활성인 SiC의 생성에 의한 악영향을 생각할 수 있다. 즉 규소계 활물질을 미립자화함에 따라서 탄소와의 반응성이 높아져서 900℃에서도 SiC가 부분적으로 생성했다고 생각할 수 있다.13, the initial efficiency was higher than that of Comparative Example 2-8 between 500 and 800 ° C, and the cycle life was higher than that of Comparative Example 8 between 500 and 800 ° C. Therefore, the firing temperature is preferably 500 to 800 ° C. The reason why the cycle life and the initial efficiency are lowered when the firing temperature is less than 500 deg. C is that the carbonization of the organic material is difficult to proceed at a low firing temperature and the coating amount of the carbon material is lowered. When the firing temperature is 900 占 폚, the initial efficiency and the cycle life are considerably lowered. The reason for this may be adverse effects due to the generation of electrochemically inactive SiC. That is, as the silicon-based active material is made into fine particles, the reactivity with carbon becomes high, and it can be considered that SiC is partially formed even at 900 ° C.

(실시예 2-20)(Example 2-20)

또한 본 발명자는 탄소 재료의 피복량 즉, 규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 질량%와 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 2-20을 실시했다. 상세하게는, 실시예 2-1의 제2 공정에 있어서 구연산의 첨가량을 변동시킴으로써 탄소 재료의 피복량을 0.07~6.7질량%의 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도14에 나타낸다. 도14의 가로축은 탄소 재료의 피복량(규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 질량%, C/Si비율)을 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 비교예 2-8에 규격화한 값을 나타낸다.The present inventors also conducted Example 2-20 to confirm the correspondence relationship between the amount of the carbon material covered, that is, the mass% of the carbon material with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material, and the characteristics of the lithium ion secondary battery did. Specifically, the treatment was carried out in the same manner as in Example 2-1 except that the coating amount of the carbon material was varied within the range of 0.07 to 6.7 mass% by varying the addition amount of citric acid in the second step of Example 2-1 . The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 14 represents the covering amount of the carbon material (mass% of the carbon material with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material, C / Si ratio), and the vertical axis represents the initial efficiency and cycle life. However, the initial efficiency and cycle life show the values standardized in Comparative Example 2-8.

도14에 의하면 탄소 재료의 피복량이 0.35~3.5질량%가 되는 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 비교예 2-8보다 양호해져서 탄소 재료의 피복량이 0.7~1.75질량%가 되는 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 극대화 된다. 탄소 재료의 피복량이 3.5질량%를 초과한 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 저하하는 이유로서는 탄소 재료의 구조 때문이라고 생각할 수 있다. 즉 규소계 활물질 미립자를 덮는 탄소 재료는 흑연 구조를 가진다고 추정되나 이 구조는 미성숙(상세하게는 비정질 부분이 많다)하기 때문에 그 탄소 재료의 피복량이 증가하면 탄소 재료에 의해서 리튬이온의 규소계 활물질 미립자의 출입이 오히려 저해되기 때문이다. 그리고 탄소 재료의 피복량이 0.7~1.75질량%가 되는 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 극대화 된다. 탄소 재료의 피복량이 이 범위 내가 되는 경우에 탄소 재료가 리튬이온의 이동을 저해하기 어려운 동시에 탄소 재료에 의한 규소계 활물질 미립자의 산화 억제 효과가 극대화 된다고 생각할 수 있다.According to Fig. 14, when the coating amount of the carbon material becomes 0.35 to 3.5 mass%, the cycle life and the initial efficiency become better than those of Comparative Example 2-8, and the coating amount of the carbon material becomes 0.7 to 1.75 mass% Efficiency is maximized. The reason why the cycle life and the initial efficiency are lowered when the coating amount of the carbon material exceeds 3.5% by mass is considered to be due to the structure of the carbon material. That is, the carbon material covering the silicon-based active material fine particles is presumed to have a graphite structure. However, since this structure is immature (more amorphous portions are detailed), when the covering amount of the carbon material increases, And it is rather inhibited. When the covering amount of the carbon material is 0.7 to 1.75 mass%, the cycle life and the initial efficiency are maximized. It can be considered that when the coating amount of the carbon material falls within this range, the carbon material is hard to inhibit the movement of lithium ions, and at the same time, the oxidation inhibiting effect of the silicon-based active material fine particles by the carbon material is maximized.

(실시예 2-21)(Example 2-21)

본 발명자는 다른 규소계 활물질에서도 동일한 효과를 얻는 것을 확인하기 위해서 이하의 실시예 2-21을 실시했다. 상세하게는 실시예 2-1의 금속 규소를 다결정 규소 합금(Si:Al:Fe=55:29:16(질량비))로 대신한 이외는 실시예 2-1과 동일하게 처리했다. 그 결과 실시예 2-1과 동일한 정도의 초기 효율 및 사이클 수명을 얻을 수 있었다.The present inventors conducted the following Example 2-21 in order to confirm that the same effect is obtained also in other silicon-based active materials. Specifically, the same processes as in Example 2-1 were carried out except that the metal silicon of Example 2-1 was replaced with a polycrystalline silicon alloy (Si: Al: Fe = 55: 29: 16 (mass ratio)). As a result, initial efficiency and cycle life of the same degree as in Example 2-1 were obtained.

이상에서 본 실시형태에 의하면 제1~제3 공정 내에서 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어려워 산화 규소가 적은 표면 개질 미립자를 제작할 수 있다. 또한 표면 개질 미립자는 탄소 재료로 피복되므로 표면 개질 미립자의 사용 중에 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 음극 활물질의 비가역 용량이 저감 된다. 바꾸어 말하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지(즉, 높은 초기 효율을 구현한다)할 수 있다. 그리고 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉이 억제된다. 따라서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한 표면 개질 미립자는 하드 카본과 복합화됨으로써 하드 카본 내에 도입된다. 따라서 하드 카본에 의해 표면 개질 미립자의 체적변화에 의한 스트레스가 완화되므로 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다. 또한 하드 카본 내에는 대량의 표면 개질 미립자 도입이 가능하여 음극 활물질의 이론 용량, 즉 방전용량을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present embodiment, the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the atmosphere in the first to third steps, and the surface-modified fine particles having a small amount of silicon oxide can be produced. Further, since the surface-modified fine particles are covered with the carbon material, the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the air during use of the surface-modified fine particles. Thus, the irreversible capacity of the negative electrode active material is reduced. In other words, it is possible to maintain a high discharge capacity of the silicon-based active material (i.e., realize a high initial efficiency). And the direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent is suppressed. Therefore, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved. Further, the surface-modified fine particles are introduced into hard carbon by being complexed with hard carbon. Therefore, the stress caused by the volume change of the surface-modified fine particles is alleviated by the hard carbon, and the cycle life is also improved in this respect. In addition, a large amount of surface modified fine particles can be introduced into the hard carbon, thereby improving the theoretical capacity of the negative electrode active material, that is, the discharge capacity.

또한 규소계 활물질은 원주 형상이므로 체적변화의 절대량, 특히 직경 방향의 체적변화의 절대량을 저감할 수 있다. 본 실시형태에서는 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다.In addition, since the silicon-based active material is in the shape of a cylinder, the absolute amount of the volume change, particularly, the absolute amount of volume change in the diameter direction can be reduced. In this embodiment, cycle life is also improved in this respect.

여기서 하드 카본은 고체계의 출발 물질을 소성함으로써 얻을 수 있고 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 50~80질량%인 것이 바람직하다. 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.Here, the hard carbon is obtained by firing a starting material of a high system, and the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 50 to 80 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또한 고체계의 출발 물질은 PVC, 수크로스, 젤라틴 및 한천으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있다. 이 경우에 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.Also, the starting material of the high system may be any one or more selected from the group consisting of PVC, sucrose, gelatin and agar. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또 하드 카본은 액계의 출발 물질을 소성함으로써 얻을 수 있고 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 75~90질량%인 것이 바람직하다. 이 경우에 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.Further, the hard carbon is obtained by firing the starting material of the liquid system, and the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 75 to 90 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또한 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 200nm 이하일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.In addition, the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles may be 200 nm or less. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 탄소 재료의 두께는 2~20nm일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.Further, the carbon material may have a thickness of 2 to 20 nm. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 제3 공정 및 제4 공정의 불활성 분위기 중 적어도 일방은 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 구성될 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.At least one of the inert atmosphere in the third step and the fourth step may be composed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen. In this case, irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and cycle life is also improved do.

또한 제4 공정의 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 실시할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.In addition, the firing in the fourth step can be carried out within a temperature range of 500 to 800 ° C. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 음극집전체의 일부, 예를 들어 전극집전단자가 용접되어 있는 부분에서 정극 활물질층과 대향하지 않는 부분 등에 금속 리튬박을 배치할 수 있다. 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.Further, a metal lithium foil can be disposed on a part of the negative electrode current collector, for example, a portion where the electrode current collector terminal is welded, and a portion not facing the positive electrode active material layer. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 리튬이온 이차전지의 충전 용량을 규소계 활물질 미립자에 의해 구현되는 이론 용량의 70% 이하로 유지하도록 할 수 있고 이 경우, 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.In addition, the charging capacity of the lithium ion secondary battery can be maintained at 70% or less of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material fine particles. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 유기물이 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.The organic material may be at least one selected from the group consisting of hydroxy acids, monosaccharides and oligosaccharides. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 히드록시산이 구연산 및 글리콜산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.And the hydroxy acid may be at least one selected from the group consisting of citric acid and glycolic acid. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 비수용매가 알코올 및 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.Also, the non-aqueous solvent may be at least one selected from the group consisting of alcohols and ethers. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 제3 공정의 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 실시할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.The firing in the third step can be carried out within a temperature range of 500 to 800 ° C. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

(다른 실시형태에 의한 음극 활물질에 상도한 경위)(Upper limit on the negative electrode active material according to another embodiment)

본 발명자는 표면 개질 미립자 및 하드 카본을 복합화시킨 음극 활물질을 리튬이온 이차전지에 적용하는 것을 알아냈다. 또한 본 발명자는 표면 개질 미립자를 구성하는 규소계 활물질 미립자를 다결정으로 했다. 본 실시형태에 의하면 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지하면서 저비용으로 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상하는 것이 가능해졌다. 또한 본 실시형태의 리튬이온 이차전지는 보다 넓은 온도 범위 하에서 사용할 수 있다.The present inventors have found that a negative electrode active material obtained by compounding surface-modified fine particles and hard carbon is applied to a lithium ion secondary battery. The present inventors have also made the silicon-based active material microparticles constituting the surface-modified microparticles as polycrystals. According to this embodiment, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved at a low cost while maintaining a high discharge capacity of the silicon-based active material. The lithium ion secondary battery of the present embodiment can be used in a wider temperature range.

(리튬이온 이차전지의 구성)(Configuration of Lithium Ion Secondary Battery)

다결정 규소계 활물질 미립자와 단결정 규소계 활물질 미립자를 구별하는 방법으로서는 TEM상의 관찰 혹은 XRD 해석 등을 들 수 있다. 도28에 다결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진을 나타낸다. 또한 도29에 단결정 규소계 활물질 미립자의 TEM 사진을 나타낸다. 도28 및 도29에서 밝힌 바와 같이 다결정 규소계 활물질 미립자는 내부에 다수의 단결정입자를 가진다. 이것에 대해 단결정 규소계 활물질 미립자는 거의 단일의 단결정입자로 구성된다. 단 도28의 배율은 80만 배, 도29의 배율은 40만 배이다.Examples of the method for distinguishing between the polycrystalline silicon-based active material fine particles and the monocrystalline silicon-based active material fine particles include TEM observation or XRD analysis. 28 shows a TEM photograph of the polycrystalline silicon-based active material fine particles. 29 shows TEM photographs of the monocrystalline silicon-based active material fine particles. As shown in FIGS. 28 and 29, the polycrystalline silicon-based active material fine particles have a plurality of single crystal particles therein. In contrast, the monocrystalline silicon-based active material fine particles are composed of a single single crystal particle. The magnification in FIG. 28 is 800,000 times, and the magnification in FIG. 29 is 400,000 times.

또한 이러한 구조 차이로 XRD의 피크 형상에서도 차이를 볼 수 있다. 예를 들면, 스피드 3о/분, 범위 5~90о로 다결정 규소계 활물질 및 단결정 규소계 활물질을 XRD 해석할 경우에 다결정 메인 피크((111) 면에 대응)의 반치폭은 0.13о±0.005о 범위내의 값이 되고 단결정 메인 피크의 반치폭은 0.11о±0.005о의 범위내의 값이 된다. TEM상의 관찰 혹은 XRD 해석에 의해서 다결정 규소계 활물질 미립자와 단결정 규소계 활물질 미립자를 구별할 수 있다.In addition, differences in peak shapes of XRD can be seen due to these structural differences. For example, speed 3 о / minute, range of 5 to the half-width of 90 о a polycrystalline silicon active material and the single crystal silicon-based active material (corresponding to the (111) plane), a polycrystalline main peak when parsing XRD is 0.13 о ± 0.005 о and a full width at half maximum in the range of the single-crystal main peak is 0.11 о is a value in the range of ± 0.005 о. By observing on the TEM or XRD analysis, it is possible to distinguish the polycrystalline silicon-based active material fine particles and the monocrystalline silicon-based active material fine particles.

규소계 활물질 미립자의 평균 입경은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 음극(30)에서 규소계 활물질 미립자를 리튬과 합금화 시켰을 경우에 규소계 활물질 미립자의 입경이 작은 것이 입자 1개 당 팽창 절대치가 작아진다. 이 때문에 음극(30)의 팽창을 억제할 수 있다. 상세하게는 규소계 활물질 미립자의 평균 입경은 200nm 이하가 바람직하고 100nm 이하가 한층 더 바람직하다. 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 이들 범위 내에 있는 경우 사이클 수명은 특히 향상된다. 단 규소계 활물질 미립자의 평균 입경의 하한치에는 특히 제한은 없으나 예를 들면 50~60nm인 것이 바람직하다. 즉 후술하는 습식 분쇄에서 예를 들면 분쇄 시간을 30시간 이상으로 함으로써 평균 입경을 50~60nm정도로 하는 것이 가능하다.The average particle size of the silicon-based active material fine particles is preferably as small as possible. When the silicon-based active material fine particles are alloyed with lithium in the cathode 30, the absolute value of the expansion per one particle is small, in which the silicon-based active material fine particles have a small particle diameter. Therefore, expansion of the cathode 30 can be suppressed. Specifically, the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles is preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. The cycle life is particularly improved when the average particle diameter of the silicon-based active material microparticles is within these ranges. The lower limit of the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles is not particularly limited, but is preferably 50 to 60 nm, for example. That is, in the wet grinding described later, for example, by setting the grinding time to 30 hours or more, it is possible to set the average particle size to about 50 to 60 nm.

여기서 규소계 활물질 미립자의 평균 입경은 규소계 활물질 미립자를 구체로 간주할 때의 직경이며 예를 들면 레이저 회절/산란식 입도분포 측정장치로 측정될 수 있다. 이 경우 레이저 회절/산란식 입도분포 측정장치에 의해 규소계 활물질 미립자의 입도 분포를 측정하고 본 입도 분포를 근거로 하여 규소계 활물질 미립자의 입도의 산술 평균치를 평균 입경으로서 산출한다.Here, the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles is a diameter when the silicon-based active material fine particles are regarded as spheres, and can be measured by, for example, a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device. In this case, the particle size distribution of the silicon-based active material fine particles is measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device, and the arithmetic mean value of the particle size of the silicon-based active material fine particles is calculated as the average particle size based on the particle size distribution.

(실시예 3-1)(Example 3-1)

실시예 3-1에서는 이하의 공정에 의해 음극 활물질을 제작했다.In Example 3-1, the negative electrode active material was produced by the following steps.

(제1 공정)(First step)

규소입자로서 주식회사 고순도화학연구소제의 다결정 규소입자(Lot3775062)를 준비했다. 규소입자를 스피드 3о/분, 범위 5~90о의 측정 조건으로 XRD 해석한 결과, 메인 피크의 반치폭은 0.1317о이었다 .As the silicon particles, polycrystalline silicon particles (Lot 3775062) manufactured by Kohsundo Chemical Co., Ltd. were prepared. Speed 3 о / minute for silicon particles, range 5 to 90 as a result of XRD analysis of the measurement conditions о, the full width at half maximum of the main peak was 0.1317 о.

단, 상기 규소입자의 평균 입경은 53μm이었다. 규소입자의 평균 입경은 주식회사 호리바제작소제 레이저 회절/산란식 입도분포 측정장치 LA-950을 사용하여 측정했다. 상세하게는 이 장치를 사용하여 입도 분포를 측정하고 입도 분포를 근거로 입도의 산술 평균치를 산출했다. 이하에 설명하는 평균 입도도 이 방법으로 측정되었다.The average particle size of the silicon particles was 53 mu m. The average particle diameter of the silicon particles was measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution analyzer LA-950 manufactured by Horiba, Inc. Specifically, the particle size distribution was measured using this apparatus, and the arithmetic average of the particle sizes was calculated based on the particle size distribution. The average particle size described below was also measured by this method.

상기 규소 미립자를 에탄올 및 규소 미립자의 총 질량에 대해 10질량%의 배합으로 에탄올에 첨가하고 직경(입경) 50μm의 산화 지르코늄 비즈와 함께 아시자와·파인텍(Ashizawa Finetech) 주식회사제 레버스타 미니(Labstar) LMZ015에 투입했다.The silicon fine particles were added to ethanol in an amount of 10% by mass based on the total mass of ethanol and silicon fine particles, and then mixed with zirconium oxide beads having a diameter (particle diameter) of 50 袖 m with Leversta Mini (manufactured by Ashizawa Finetech) Labstar) into LMZ015.

산화 지르코늄 비즈의 투입량은 용기 용적에 대해 80체적%로 했다. 그리고 교반기(Agitator)의 주 속을 12m/s로 24시간 운전을 실시했다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자(규소 미립자)가 분산된 분산용액을 제작했다. 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 규소 미립자와 동일한 방법에 따라 측정한 결과 평균 입경은 97nm이었다 .The charged amount of the zirconium oxide beads was 80 vol% relative to the volume of the container. Then, the agitator was driven at a speed of 12 m / s for 24 hours. Thus, a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles (silicon fine particles) were dispersed was prepared. The average particle diameter of the silicon-based active material fine particles was measured by the same method as that of the silicon fine particles, and the average particle diameter was 97 nm.

(제2 공정)(Second Step)

상기 제1 공정에서 제작한 분산용액 100g에 대해 구연산 2g(분산용액의 총 질량에 대해 2질량%)을 첨가 혼합함으로써 혼합용액을 제작했다.2 g of citric acid (2 mass% based on the total mass of the dispersion solution) was added to 100 g of the dispersion solution prepared in the first step to prepare a mixed solution.

(제3 공정)(Third step)

제2 공정에서 제작한 혼합용액을 세라믹(ceramic)제의 도가니로 옮겨 석영제의 유리 튜브(tube) 로에 설치했다. 이 튜브 로내에 아르곤 가스를 500cm3/min로 플로우(flow)시켜 충분히 치환한 후에 2.5℃/min의 스피드로 튜브 로내를 600℃까지 승온 시켰다. 그 후에 튜브 로내를 600℃로 5시간 유지하면서 자연 냉각하여 실온에 도달한 후 도가니를 꺼냈다.The mixed solution prepared in the second step was transferred to a crucible made of ceramic and installed in a glass tube made of quartz. The inside of the tube was filled with argon gas at a flow rate of 500 cm &lt; 3 &gt; / min to sufficiently replace the tube, and then the inside of the tube was heated to 600 DEG C at a rate of 2.5 DEG C / min. Thereafter, the inside of the tube furnace was naturally cooled at 600 ° C for 5 hours, and after reaching room temperature, the crucible was taken out.

그 다음에 도가니 내의 시료를 메노우 유발(Agate mortar) 내에서 분쇄함으로써 표면 개질 미립자를 제작했다. 규소계 활물질에의 탄소 재료의 피복량은 구연산 단체에서 상기와 같은 소성실험 결과에서 얻어진 탄소화율로부터 계산하면 2.4 질량%가 된다. 한편, 세이코 인스트루먼트(Seiko Instruments) 주식회사제 시차열 분석 장치 EXSTAR6000을 사용하여 구연산의 중량 감소를 측정하고 그 결과로부터 탄소 재료의 피복량을 측정한 결과 2.3 질량%이었다. 따라서 양자는 거의 동일한 값이 되는 것을 확인하였다.Subsequently, the sample in the crucible was pulverized in an agate mortar to prepare surface-modified fine particles. The coating amount of the carbon material on the silicon-based active material is 2.4% by mass calculated from the carbonation rate obtained from the result of the above firing test in the citric acid group. On the other hand, the weight loss of citric acid was measured using EXSTAR6000, a differential thermal analyzer manufactured by Seiko Instruments Co., Ltd., and the amount of coating of the carbon material was measured from the result of the measurement. As a result, it was 2.3 mass%. Therefore, it is confirmed that they are almost the same value.

또한 음극 활물질의 표면을 일본전자주식회사제 투과형 전자현미경(TEM) JEOL-2010 FEF를 사용하여 분석한 결과 탄소 재료의 두께는 3~8nm이었다. 또한 표면 개질 미립자를 동일한 현미경으로 관찰한 결과 도28에 도시한 TEM 사진을 얻었다.Further, the surface of the negative electrode active material was analyzed by using a transmission electron microscope (TEM) JEOL-2010 FEF manufactured by Japan Electronics Co., Ltd. The carbon material had a thickness of 3 to 8 nm. Further, when the surface-modified fine particles were observed under the same microscope, a TEM photograph shown in FIG. 28 was obtained.

(제4 공정)(Fourth step)

다음에 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비가 65:35가 되도록 표면 개질 미립자와 PVC를 칭량하고 이것을 메노우 유발로 균일하게 혼합했다. 그 다음에 해당 혼합에 의해서 얻어진 혼합물을 세라믹제의 도가니로 옮겨 석영제의 유리 튜브 로에 설치했다. 아르곤 가스를 500cm3/min로 플로우시켜 충분히 치환한 후 2.5℃/min의 스피드로 튜브 로내를 600℃까지 승온 시켰다. 그 후에 튜브 로내를 600℃로 3시간 유지하면서 자연 냉각하여 실온에 도달한 후에 도가니를 꺼냈다. 그리고 도가니내의 시료를 메노우 유발로 분쇄했다. 이것에 의해 표면 개질 미립자와 하드 카본을 복합화했다. 즉 음극 활물질을 제작했다.Next, the surface-modified fine particles and PVC were weighed so that the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon was 65:35, and the mixture was uniformly mixed with MeNO induced. Then, the mixture obtained by the mixing was transferred to a crucible made of ceramic and placed in a glass tube made of quartz. The inside of the tube was heated to 600 DEG C at a rate of 2.5 DEG C / min after argon gas was flowed at a rate of 500 cm &lt; 3 &gt; / min. Thereafter, the inside of the tube furnace was naturally cooled while being maintained at 600 DEG C for 3 hours, and after reaching room temperature, the crucible was taken out. Then, the samples in the crucible were crushed by MeNOU induction. By this, the surface modified fine particles and the hard carbon were combined. That is, an anode active material was prepared.

(음극의 제작)(Preparation of negative electrode)

폴리이미드 15질량부 대해 N-메틸-2-피롤리돈을 추가하여 혼합 용해시킨 폴리이미드 용액에 음극 활물질 75질량부 및 카본 블랙 10질량부를 투입함으로써 혼합용액을 제작했다. 그런 다음에 이 혼합용액을 메노우제의 유발(Agate mortar)로 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 그리고 이 슬러리를 애플리케이터(Applicator)를 사용하여 두께 10μm의 동박상에 도포했다. 그 다음에 슬러리를 아르곤 플로우(500cm3/min) 하에서 2.5℃/min의 스피드로 350℃까지 승온하여 이 온도로 30분간 열처리(건조) 했다. 이것에 의해 음극 활물질층, 즉 음극을 제작했다.75 parts by mass of the negative electrode active material and 10 parts by mass of carbon black were added to a polyimide solution obtained by mixing and dissolving 15 parts by mass of polyimide by addition of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a mixed solution. Then, this mixed solution was mixed with agate mortar to prepare a slurry. The slurry was applied to a copper foil having a thickness of 10 mu m using an applicator. Then, the slurry was heated to 350 DEG C at a rate of 2.5 DEG C / min under an argon flow (500 cm &lt; 3 &gt; / min) and heat treated (dried) at this temperature for 30 minutes. Thus, a negative electrode active material layer, that is, a negative electrode was produced.

그 다음에 대극으로서 리튬박을 동박에 점착한 것을 준비하고 대극과 음극을 두께 20μm의 폴리에틸렌제 세퍼레이터를 통해 적층함으로써 전극 구조체를 제작했다. 그리고 전극 구조체에 1M-LiPF6EC/DEC(1:1 체적비) 전해액을 0.1cm3 추가함으로써 2032형 코인(coin) 전지를 제작했다.Next, a lithium foil was adhered to the copper foil as a counter electrode, and the counter electrode and the cathode were laminated through a polyethylene separator having a thickness of 20 mu m to produce an electrode structure. Then, a 2032 coin battery was produced by adding 0.1 cm &lt; 3 &gt; of 1M-LiPF6EC / DEC (1: 1 volume ratio) electrolyte to the electrode structure.

(초기 효율 및 사이클 수명의 측정)(Measurement of initial efficiency and cycle life)

이 전지를 유한회사 인덱스(Index)제 충방전 시험기 BTS2010을 사용하여 충방전 시험을 실시했다. 1에서 2사이클째는 0.05C, 3에서 4사이클째에 0.1C, 그 다음은 0.5C로 충방전 했다. 충전은 정전류 정전압, 방전은 정전류로 실시하고 충전용량 1000mAh/g, 방전 종지전압을 1.5V, 시험온도를 25℃로 했다.This battery was subjected to a charge-discharge test using a BTS2010 charge / discharge tester manufactured by Index Co., Ltd. 0.05 C at the second cycle from the first cycle, 0.1 C at the fourth cycle from the third cycle, and then charged and discharged at 0.5 C thereafter. Charging was carried out under a constant current constant voltage and discharging was carried out under a constant current. The charging capacity was 1000 mAh / g, the discharge end voltage was 1.5 V, and the test temperature was 25 ° C.

그리고 리튬이온 이차전지의 방전용량, 초기 효율 및 사이클 수명을 측정했다. 여기서 초기 효율을 1사이클째의 충방전 효율(방전용량/충전 용량)로 하고 사이클 수명을 0.5C로 충방전 함에 따라 방전용량 5사이클째의 방전용량 90%를 밑돌았을 때의 사이클 수로 했다.The discharge capacity, initial efficiency and cycle life of the lithium ion secondary battery were measured. Here, the initial efficiency was defined as the number of cycles when the discharge capacity (discharge capacity / charge capacity) of the first cycle was set to be less than 90% of the discharge capacity of the fifth cycle of the discharge capacity as the cycle life was 0.5 C or less.

(실시예 3-2)(Example 3-2)

PVC를 대신하여 레졸 형의 페놀 수지를 이용한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 3-1 was repeated except that a resole type phenol resin was used instead of PVC.

(실시예 3-3)(Example 3-3)

PVC를 대신하여 수크로스를 이용한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 3-1 was repeated except that sucrose was used instead of PVC.

(실시예 3-4)(Example 3-4)

PVC를 대신하여 젤라틴을 이용한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다.The same procedures as in Example 3-1 were repeated except that gelatin was used instead of PVC.

(실시예 3-5)(Example 3-5)

PVC를 대신하여 한천을 이용한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 3-1 was repeated except that agar was used instead of PVC.

(실시예 3-6)(Example 3-6)

PVC를 바꾸어 푸르푸릴 알코올을 이용한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Example 3-1 was repeated except that furfuryl alcohol was used instead of PVC.

(비교예 3-1)(Comparative Example 3-1)

규소입자로서 주식회사 고순도화학연구소제의 단결정형 규소입자(Lot3775061)를 준비했다. 규소입자를 스피드 3о/분, 범위 5~90о의 측정 조건으로 XRD 해석한 결과, 메인 피크의 반치폭은 0.1072о이었다. 또한 이 규소입자의 평균 입경은 48μm이었다. 비교예 3-1에서는 이 단결정형 규소입자를 실시예 3-1의 다결정 규소입자 대신으로 사용한 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 비교예 3-1에 의한 표면 개질 미립자를 동일한 현미경으로 관찰한 결과 도29에 도시한 TEM 사진을 얻었다.As the silicon particles, monoclinic silicon particles (Lot 3775061) manufactured by Kohsundo Kagaku Kogyo Co., Ltd. were prepared. After the analysis of silicon particles in a measurement condition of a speed о 3 / minute, range of 5 ~ 90 о XRD, the full width at half maximum of the main peak was 0.1072 о. The average particle diameter of the silicon particles was 48 mu m. In Comparative Example 3-1, the same processing as in Example 3-1 was carried out except that the monocrystalline silicon particles were used instead of the polycrystalline silicon particles of Example 3-1. The surface-modified microparticles of Comparative Example 3-1 were observed under the same microscope, and TEM images shown in Fig. 29 were obtained.

(비교예 3-2)(Comparative Example 3-2)

제4 공정을 이하와 같이 처리로 한 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 즉 제1 공정으로 제작된 규소계 활물질 미립자와 인조 흑연과의 질량비가 75:25가 되도록 규소계 활물질 미립자와 인조 흑연을 칭량하고 이것들을 메노우 유발로 균일 혼합했다. 이 혼합물을 음극 활물질로 했다.The procedure of Example 3-1 was repeated except that the fourth step was performed as follows. That is, the silicon-based active material fine particles and artificial graphite were weighed so that the mass ratio of the silicon-based active material fine particles produced in the first step to the artificial graphite was 75:25, and these were homogeneously mixed with menno induction. This mixture was used as an anode active material.

(비교예 3-3)(Comparative Example 3-3)

PVC를 대신하여 레졸 형의 페놀 수지를 이용한 것 이외는 비교예 3-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Comparative Example 3-1 was repeated except that a resole type phenol resin was used instead of PVC.

(비교예 3-4)(Comparative Example 3-4)

PVC를 대신하여 수크로스를 이용한 것 이외는 비교예 3-1과 동일하게 처리했다.The procedure of Comparative Example 3-1 was repeated except that sucrose was used instead of PVC.

(비교예 3-5)(Comparative Example 3-5)

PVC를 대신하여 젤라틴을 이용한 것 이외는 비교예 3-1과 동일하게 처리했다.The same process as in Comparative Example 3-1 was carried out except that gelatin was used instead of PVC.

(비교예 3-6)(Comparative Example 3-6)

PVC를 대신하여 한천을 이용한 것 이외는 비교예 3-1과 동일하게 처리했다.The same procedure as in Comparative Example 3-1 was repeated except that agar was used instead of PVC.

(비교예 3-7)(Comparative Example 3-7)

PVC를 바꾸어 푸르푸릴 알코올을 이용한 것 이외는 비교예 3-1과 동일하게 처리했다.The same treatment as in Comparative Example 3-1 was conducted except that furfuryl alcohol was used instead of PVC.

(평가)(evaluation)

실시예 3-1~6과 비교예 3-1~7의 초기 효율 및 사이클 수명을 표 4에 비교하여 나타낸다. 단 표 4에서는 실시예 3-1~6의 초기 효율 및 사이클 수명을 비교예 3-1~7로 규격화하여 나타낸다.The initial efficiency and cycle life of Examples 3-1 to 6 and Comparative Examples 3-1 to 7 are shown in Table 4 in comparison. In Table 4, the initial efficiency and cycle life of Examples 3-1 to 6 are shown as standardized in Comparative Examples 3-1 to 7.

초기 효율Initial efficiency 사이클 수명Cycle life 실시예 3-1/비교예 3-1Example 3-1 / Comparative Example 3-1 1.081.08 1.651.65 실시예 3-1/비교예 3-2Example 3-1 / Comparative Example 3-2 1.181.18 2.52.5 실시예 3-2/비교예 3-3Example 3-2 / Comparative Example 3-3 1.101.10 1.51.5 실시예 3-3/비교예 3-4Example 3-3 / Comparative Example 3-4 1.051.05 1.351.35 실시예 3-4/비교예 3-5Example 3-4 / Comparative Example 3-5 1.041.04 1.251.25 실시예 3-5/비교예 3-6Example 3-5 / Comparative Example 3-6 1.051.05 1.341.34 실시예 3-6/비교예 3-7Example 3-6 / Comparative Example 3-7 1.031.03 1.41.4

표 4에 나타낸 바와 같이 다결정 규소를 이용한 실시예 3-1은 단결정 규소를 이용한 비교예 3-1보다 초기 효율을 8% 향상할 수 있고 사이클 수명도 65% 향상시킬 수 있었다. 도28 및 도29에 나타낸 바와 같이 다결정 규소계 활물질 미립자는 내부에 다수의 단결정 영역(도메인)을 가지며 도메인 간에는 공간이 형성되어 있다. 그리고, 각 도메인은 충전 시에 리튬과 합금화하여 팽창하지만 이 팽창의 응력이 도메인 간의 공간에 의해서 완화된다고 생각할 수 있다. 또한 단결정 규소계 활물질에서는 충전 시에 단일의 매크로인 도메인이 리튬과 합금화하지만 다결정 규소계 활물질에서는 미소한 다수의 도메인이 리튬과 합금화한다. 이 때문에 다결정 규소계 활물질에서는, 리튬과의 합금화에 의한 팽창 자체도 분산하여 생기므로 이러한 점에서도 팽창의 응력이 완화된다고 생각할 수 있다. 또한 실시예 3-1에서는 표면 개질 미립자가 하드 카본과 복합화되기 때문에 하드 카본에 의한 팽창 완화 그리고 도전성의 확보도 기대할 수 있다. 이러한 이유에 의해 실시예 3-1은 비교예 3-1보다 특성이 향상된다고 할 수 있다.As shown in Table 4, in Example 3-1 using polycrystalline silicon, the initial efficiency could be improved by 8% and the cycle life could be improved by 65% as compared with Comparative Example 3-1 using single crystal silicon. As shown in FIGS. 28 and 29, the polycrystalline silicon-based active material fine particles have a plurality of single crystal domains (domains) therein and a space is formed between the domains. Then, each domain is alloyed with lithium at the time of charging and expands, but it can be considered that the stress of expansion is relaxed by the interdomain space. In a single-crystal silicon-based active material, a single macroscopic domain is alloyed with lithium at the time of charging, but a plurality of minute domains are alloyed with lithium in the polycrystalline silicon-based active material. For this reason, in the polycrystalline silicon-based active material, the expansion due to alloying with lithium is dispersed by itself, and therefore, it can be considered that the stress of expansion is alleviated. Further, in Example 3-1, since the surface-modified fine particles are complexed with hard carbon, expansion due to hard carbon and relaxation of conductivity can be expected. For this reason, it can be said that the characteristics of Example 3-1 are improved compared with those of Comparative Example 3-1.

또한 실시예 3-1은 비교예 3-2(음극 활물질을 다결정 규소계 활물질과 흑연과의 복합재로 한 것)보다 초기 효율을 18%, 수명을 2.5배 향상시킬 수 있었다. 비교예 3-2의 흑연은 리튬과 합금화한 규소가 전극을 팽창시켰을 때에 그 팽창에 의한 응력을 흡수할 수 없을 것이라고 생각할 수 있다. 이 때문에 비교예 3-2에서는 사이클 열화가 커진 것이라고 할 수 있다.In addition, Example 3-1 was able to improve the initial efficiency by 18% and the lifetime by 2.5 times as compared with Comparative Example 3-2 (the negative electrode active material was a composite material of a polycrystalline silicon-based active material and graphite). It can be considered that the graphite of Comparative Example 3-2 can not absorb the stress due to its expansion when the electrode is expanded by silicon alloyed with lithium. Therefore, it can be said that the cycle deterioration is increased in Comparative Example 3-2.

실시예 3-2 ~ 6에서는 실시예 3-1의 PVC를 대신하여 페놀 수지 등의 여러 가지 탄소원을 사용하여 복합재를 제작하고 비교예 3-3에서 7과 비교했다. 그 결과 PVC를 사용한 실시예 3-1과 동일한 효과를 나타내고 초기 효율을 3~10%, 사이클 수명을 25~50% 향상시킬 수 있었다.In Examples 3-2 to 6, composites were prepared using various carbon sources such as phenol resin instead of PVC in Example 3-1, and compared with Comparative Examples 3-3 to 7. As a result, the same effect as in Example 3-1 using PVC was shown, and the initial efficiency was improved by 3 to 10% and the cycle life was improved by 25 to 50%.

(실시예 3-7)(Example 3-7)

본 발명자는 리튬이온 이차전지의 충전 용량과 방전용량 및 사이클 수명과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 3-7을 실시했다. 상세하게는 실시예 3-1의 충전 용량을 규소계 활물질에 의해 구현되는 이론 용량의 20~100%로 변화시킨 것 이외 실시예 3-1과 동일하게 하여 평가했다. 도20에 그 결과를 나타낸다. 도20의 가로축은 규소계 활물질의 충전 비율(리튬이온 이차전지의 충전 용량/규소계 활물질에 의해 구현되는 이론 용량)을 나타내고 세로축은 1사이클째의 방전용량 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 방전용량은 규소계 활물질의 충전 비율이 20%가 되는 경우의 방전용량을 1로 규격화하여 나타냈다. 또한 사이클 수명은 규소계 활물질의 충전 비율이 100%가 되는 경우의 사이클 수명을 1로 규격화하여 나타냈다.The present inventors conducted Examples 3-7 to confirm the correspondence relationship between the charging capacity, the discharge capacity and the cycle life of the lithium ion secondary battery. Specifically, the charging capacity of Example 3-1 was evaluated in the same manner as in Example 3-1 except that the charging capacity was changed from 20 to 100% of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material. The results are shown in Fig. 20 represents the charging ratio of the silicon-based active material (the charging capacity of the lithium ion secondary cell / the theoretical capacity realized by the silicon-based active material), and the vertical axis represents the discharging capacity and the cycle life of the first cycle. The short discharge capacity was expressed by normalizing the discharge capacity when the filling ratio of the silicon-based active material was 20%. The cycle life is expressed by normalizing the cycle life to 1 when the charging ratio of the silicon-based active material is 100%.

도20에 의하면 규소계 활물질을 완전 충전하는 경우(규소계 활물질의 충전 비율=100%)에 비해 충전 용량을 제어하면 사이클 수명이 향상됐다. 특히 규소계 활물질의 충전 비율을 70% 이하로 할 경우에 사이클 수명이 크게 향상됐다. 또 상기의 실시예 3-1의 결과에서 말한 바와 같이 방전용량에 관해서도 인조 흑연에 비해 높은 레벨이 유지 되므로 높은 방전용량(즉, 비가역 용량의 저감)과 긴 사이클 수명의 양립 관점에서 본 실시형태가 우수한 것을 알 수 있다.According to FIG. 20, the cycle life is improved when the charging capacity is controlled as compared with the case where the silicon-based active material is completely charged (the charging ratio of the silicon-based active material = 100%). In particular, when the charging ratio of the silicon-based active material is 70% or less, the cycle life is greatly improved. As described in the above-mentioned Example 3-1, since the discharge capacity is maintained at a higher level than that of the artificial graphite, the present embodiment is advantageous in terms of both a high discharge capacity (that is, a reduction in irreversible capacity) It can be seen that it is excellent.

(실시예 3-8)(Example 3-8)

제4 공정의 소성온도를 400~900℃의 범위 내에서 변화시킨 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도21에 나타낸다. 도21의 가로축은 소성온도를 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 소성온도가 400℃가 되는 경우의 값을 1로 규격화하여 나타냈다.And the firing temperature in the fourth step was changed within the range of 400 to 900 占 폚. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 21 represents the calcination temperature and the ordinate represents the initial efficiency and cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life were normalized to a value of 1 when the firing temperature was 400 캜.

도21에 의하면 초기 효율 및 사이클 수명 모두 500에서 800℃ 사이에서 400℃의 경우보다 높았다. 온도가 낮아지면 하드 카본 탄소원의 탄소화 진행이 진행되기 어려운 영향을 받는다고 생각할 수 있다. 또한 900℃에서 초기 효율 및 사이클 수명이 큰 폭으로 저하되지만 이것은 전기 화학적으로 불활성인 SiC의 생성에 의한 악영향 때문이라고 생각할 수 있다. 즉 규소를 미세화한 것에 의해 탄소와의 반응성이 높아져 900℃에서도 SiC가 생성한 것으로 생각할 수 있다.According to FIG. 21, both the initial efficiency and the cycle life were higher between 500 and 800 ° C than at 400 ° C. If the temperature is lowered, it can be considered that the carbonization progress of the hard carbon carbon source is difficult to proceed. In addition, the initial efficiency and cycle life are greatly reduced at 900 DEG C, but this can be attributed to adverse effects due to the generation of electrochemically inert SiC. In other words, it is considered that SiC was produced at 900 ° C due to increased reactivity with carbon by making silicon finer.

(실시예 3-9)(Example 3-9)

본 발명자는 표면 개질 미립자 및 하드 카본의 질량비와 사이클 수명과의 사이에 대응 관계가 존재하는 것 및 해당 대응 관계가 하드 카본의 출발 물질에 의해서 변동하는 것을 확인하기 위해서 실시예 3-9, 3-10을 실시했다. 실시예 3-9에서는 제4 공정에 대해 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비를 40:60~100:0의 범위 내에서 변경한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도22에 나타낸다. 도22의 가로축은 표면 개질 미립자의 질량%(표면 개질 미립자 및 하드 카본의 총 질량에 대한 질량%)를 나타내고 세로축은 사이클 수명을 나타낸다. 단 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 값을 1로 규격화하여 나타냈다.The inventors of the present invention have found that there is a corresponding relationship between the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon and the cycle life, and that the corresponding relationship varies depending on the starting material of the hard carbon, 10. In Example 3-9, the fourth step was treated in the same manner as in Example 3-1 except that the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon was changed within the range of 40: 60 to 100: 0. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 22 represents the mass% of the surface-modified microparticles (mass% with respect to the total mass of the surface-modified microparticles and hard carbon), and the ordinate represents the cycle life. The short cycle life was expressed by normalizing the value when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

도22에 의하면 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비가 50:50~80:20의 범위내의 값이 되는 경우에 사이클 수명이 높아졌다. 구체적으로 이 범위에 대한 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 사이클 수명보다 1.8배 이상 커졌다.According to Fig. 22, when the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon is in the range of 50:50 to 80:20, the cycle life is increased. Specifically, the cycle life for this range was 1.8 times larger than the cycle life when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

(실시예 3-10)(Example 3-10)

실시예 3-10에서는 제4 공정에 있어서 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비를 40:60~100:0의 범위 내에서 변경한 것 이외는 실시예 3-2와 동일하게 처리했다. 그 결과를 도23에 나타낸다. 도23의 가로축은 표면 개질 미립자의 질량%(표면 개질 미립자 및 하드 카본의 총 질량에 대한 질량%)를 나타내고 세로축은 사이클 수명을 나타낸다. 단 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 값을 1로 규격화하여 나타냈다.In Example 3-10, the same processes as in Example 3-2 were carried out except that the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon was changed within a range of 40: 60 to 100: 0 in the fourth step. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 23 represents the mass% of the surface-modified microparticles (mass% with respect to the total mass of the surface-modified microparticles and the hard carbon), and the ordinate represents the cycle life. The short cycle life was expressed by normalizing the value when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

도23에 의하면 표면 개질 미립자와 하드 카본과의 질량비가 75:25~90:10의 범위내의 값이 되는 경우에 사이클 수명이 높아졌다. 구체적으로 이 범위에 대한 사이클 수명은 표면 개질 미립자의 질량%가 100%가 되는 경우의 사이클 수명보다 1.8배 이상 커졌다.According to FIG. 23, when the mass ratio of the surface-modified fine particles to the hard carbon is in the range of 75:25 to 90:10, the cycle life is increased. Specifically, the cycle life for this range was 1.8 times larger than the cycle life when the mass% of the surface-modified fine particles was 100%.

실시예 3-9, 3-10에 의하면 표면 개질 미립자 및 하드 카본의 질량비에는 사이클 수명이 향상되는 범위가 존재하는 것을 알 수 있었다. 하드 카본의 비율이 높아지면 상대적으로 표면 개질 미립자의 함유율이 내려간다. 이것에 의해 규소계 활물질 미립자에 따라 구현되는 이론 용량이 저하된다. 따라서 사이클 수명 시험으로 충전 전기량을 1000mAh/g에 제어할 경우에 규소계 활물질의 충전 비율이 증가한다. 즉 규소계 활물질의 부하가 커진다. 이 때문에 규소계 활물질 미립자의 열화가 빨라져서 사이클 수명이 단축된다. 반대로 표면 개질 미립자의 비율이 높아지면 충방전에 수반하는 규소계 활물질 미립자의 팽창 수축을 하드 카본으로 완화하기 어려워져 전극의 도전성이 저하된다. 이 때문에 수명 특성이 저하된다. 그러므로 표면 개질 미립자 및 하드 카본의 질량비에는 사이클 수명이 향상되는 범위가 존재한다. 또한 실시예 3-9, 3-10에 의하면 사이클 수명이 향상되는 질량비의 범위는 하드 카본의 출발 물질에 따라 다르다는 것도 알았다.According to Examples 3-9 and 3-10, it can be seen that there is a range in which the cycle life is improved in the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon. As the proportion of hard carbon increases, the content of the surface-modified fine particles decreases. As a result, the theoretical capacity realized according to the silicon-based active material fine particles is lowered. Therefore, when the charged electricity quantity is controlled to 1000 mAh / g by the cycle life test, the charging ratio of the silicon-containing active material increases. That is, the load of the silicon-based active material increases. Therefore, the deterioration of the silicon-based active material fine particles is accelerated and the cycle life is shortened. On the other hand, if the proportion of the surface-modified fine particles is increased, it is difficult to alleviate the expansion and contraction of the silicon-based active material particles due to charging and discharging with hard carbon, and the conductivity of the electrode is lowered. As a result, the life characteristics are degraded. Therefore, there is a range in which the cycle life is improved in the mass ratio of the surface-modified fine particles and the hard carbon. Further, it was also found from Examples 3-9 and 3-10 that the range of the mass ratio in which the cycle life is improved depends on the starting material of hard carbon.

(실시예 3-11)(Examples 3-11)

실시예 3-1의 전해액을 1M-LiPF6PC/DEC(1:1 체적비)로 변경한 것 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리하고 전지를 제작했다. 실시예 3-11에서는 실시예 3-1과 동일하게 1사이클째의 충전을 25℃로 실시한 후 전지의 환경 온도를 0~-20로 각각 변경하여 6시간 유지했다. 그 후에 그 환경 온도로 0.5C의 방전시험을 실시했다. 그 결과를 도24에 나타낸다. 도24에서는 25℃의 방전용량을 100으로 규격화했다.A battery was produced in the same manner as in Example 3-1 except that the electrolytic solution of Example 3-1 was changed to 1M-LiPF6PC / DEC (1: 1 volume ratio). In Example 3-11, the charging of the first cycle was carried out at 25 ° C in the same manner as in Example 3-1, and the environmental temperature of the battery was changed from 0 to -20 and maintained for 6 hours. Thereafter, a discharge test of 0.5 C was carried out at the environmental temperature. The results are shown in Fig. In Fig. 24, the discharge capacity at 25 DEG C was normalized to 100.

도24에 나타낸 바와 같이 PC를 이용한 실시예 3-11에서는 EC를 이용한 실시예 3-1의 전지에 비해 저온에서의 방전용량이 큰 폭으로 증가하고 있는 것을 알았다. 이것은 융점이 -55℃의 PC에서는 -20℃에서도 얼지 않고 리튬이온의 이동을 방해 받지 않기 때문이라고 생각된다. 한편, EC에서는 융점이 37℃이기 때문에 저비점의 DEC와 혼합함으로써 상온에서는 액체이나 온도가 내려감에 따라 고체화하고 리튬이온의 이동도가 저해되어 방전할 수 없게 되는 것으로 생각된다. 본 PC를 사용할 수 있다는 것은, 사용 가능한 저온 영역대의 확대로 연결되므로 전동차와 같은 애플리케이션에의 응용 시에 큰 장점이 될 수 있다.As shown in Fig. 24, in Example 3-11 using PC, it was found that the discharge capacity at low temperature was greatly increased as compared with the battery of Example 3-1 using EC. It is considered that this is because the melting point does not freeze even at -20 占 폚 in the PC of -55 占 폚, and the movement of the lithium ion is not disturbed. On the other hand, in the case of EC, since it has a melting point of 37 ° C, it is mixed with DEC having a low boiling point, and it is believed that the liquid becomes solid as the liquid or the temperature decreases at room temperature and the mobility of lithium ion is lowered. The ability to use this PC can be a great advantage for applications in applications such as electric trains, since it leads to the expansion of available low-temperature zones.

(실시예 3-12)(Examples 3-12)

다음에 본 발명자는, 제3 공정에서의 소성온도와 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 3-12를 실시했다. 실시예 3-12에서는 실시예 3-1의 제3 공정에 대해 소성온도를 400~900℃의 범위 내에서 변동시킨 이외 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도25에 나타낸다. 도25의 가로축은 소성온도를 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 이하의 비교예 3-8로 규격화한 값을 나타낸다.Next, the inventors conducted Examples 3-12 to confirm the correspondence relationship between the firing temperature in the third step and the characteristics of the lithium ion secondary battery. In Example 3-12, the third step of Example 3-1 was treated in the same manner as in Example 3-1 except that the firing temperature was varied within the range of 400 to 900 占 폚. The results are shown in Fig. 25, the horizontal axis represents the firing temperature and the vertical axis represents the initial efficiency and cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life are values standardized by the following Comparative Examples 3-8.

(비교예 3-8)(Comparative Example 3-8)

실시예 3-1의 제2 및 제3 공정을 실시하지 않은 것 이외는 실시예 3-12와 동일하게 처리했다. 즉 비교예 3-8에서는 규소계 활물질 미립자의 표면을 탄소 재료로 피복 하지 않았다.The procedure of Example 3-12 was repeated except that the second and third steps of Example 3-1 were not carried out. That is, in Comparative Example 3-8, the surface of the silicon-based active material fine particles was not coated with the carbon material.

도25에 의하면 초기 효율은 500~800℃ 사이에서 비교예 3-8보다 높고 또 사이클 수명은 500~800℃ 사이에서 비교예 3-8보다 높았다. 따라서 소성온도가 500~800℃인 것이 바람직하다. 소성온도가 500℃ 미만일 때에 사이클 수명 및 초기 효율이 저하되는 이유로서는 낮은 소성온도에서는 유기물의 탄소화가 진행되기 어려워 탄소 재료의 피복량이 저하되는 것을 들 수 있다. 또한 소성온도가 900℃가 되는 경우에 초기 효율 및 사이클 수명이 큰 폭으로 저하된다. 그 이유로서는 전기 화학적으로 불활성인 SiC의 생성에 의한 악영향이라 생각할 수 있다. 즉 규소계 활물질을 미립자화함에 따라서 탄소와의 반응성이 높아져 900℃에서도 SiC가 부분적으로 생성되었다고 할 수 있다.25, the initial efficiency was higher than that of Comparative Example 3-8 at 500 to 800 ° C, and the cycle life was higher than that of Comparative Example 3-8 at 500 to 800 ° C. Therefore, the firing temperature is preferably 500 to 800 ° C. The reason why the cycle life and the initial efficiency are lowered when the firing temperature is less than 500 ° C is that the carbonization of the organic material is difficult to proceed at a low firing temperature and the coating amount of the carbon material is lowered. When the firing temperature is 900 占 폚, the initial efficiency and the cycle life are considerably lowered. The reason for this is considered to be adverse effects due to the formation of electrochemically inactive SiC. That is, as the silicon-based active material is made into fine particles, reactivity with carbon becomes higher, and SiC is partially generated even at 900 ° C.

(실시예 3-13)(Examples 3-13)

또한 본 발명자는 탄소 재료의 피복량 즉 규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 질량%와 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 3-13을 실시했다. 상세하게는 실시예 3-1의 제2 공정에 대해 구연산의 첨가량을 변동시킴으로써 탄소 재료의 피복량을 0.07~6.7질량%의 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 결과를 도26에 나타낸다. 도26의 가로축은 탄소 재료의 피복량(규소계 활물질 미립자 및 탄소 재료의 총 질량에 대한 탄소 재료의 질량%, C/Si비율)을 나타내고 세로축은 초기 효율 및 사이클 수명을 나타낸다. 단 초기 효율 및 사이클 수명은 비교예 3-8로 규격화한 값을 나타낸다.Furthermore, the inventors of the present invention conducted Examples 3-13 to confirm the correspondence relationship between the amount of the carbon material covered, that is, the mass% of the carbon material with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material, and the characteristics of the lithium ion secondary battery . Specifically, the treatment was carried out in the same manner as in Example 3-1 except that the coating amount of the carbon material was varied within the range of 0.07 to 6.7 mass% by varying the amount of citric acid added to the second step of Example 3-1. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 26 represents the coating amount of the carbon material (mass% of the carbon material with respect to the total mass of silicon-based active material fine particles and carbon material, C / Si ratio), and the vertical axis represents the initial efficiency and cycle life. However, the initial efficiency and the cycle life are values standardized in Comparative Example 3-8.

도26에 의하면 탄소 재료의 피복량이 0.35~3.5질량%가 되는 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 비교예 3-8보다 양호해지고 탄소 재료의 피복량이 0.7~1.75질량%가 되는 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 극대가 된다. 탄소 재료의 피복량이 3.5질량%를 초과한 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 저하되는 이유로서는 탄소 재료의 구조에 의한다고 할 수 있다. 즉, 규소계 활물질 미립자를 덮는 탄소 재료는 흑연 구조를 가지는 것으로 추정되지만 본 구조는 미성숙(상세하게는 비정질 부분이 많음)하기 때문에 그 탄소 재료의 피복량이 증가하면 탄소 재료에 의해 리튬이온의 규소계 활물질 미립자에의 출입이 오히려 저해되기 때문이다. 또한 탄소 재료의 피복량이 0.7~1.75질량%가 되는 경우에 사이클 수명 및 초기 효율이 극대화 된다. 탄소 재료의 피복량이 이 범위 내가 되는 경우에 탄소 재료가 리튬이온의 이동을 저해하기 어려운 동시에 탄소 재료에 의한 규소계 활물질 미립자의 산화 억제 효과가 극대화 된다고 할 수 있다.According to Fig. 26, when the coating amount of the carbon material is 0.35 to 3.5 mass%, the cycle life and the initial efficiency become better than those of Comparative Example 3-8 and the coating amount of the carbon material becomes 0.7 to 1.75 mass% The efficiency is maximized. The reason why the cycle life and the initial efficiency are lowered when the coating amount of the carbon material exceeds 3.5% by mass is due to the structure of the carbon material. That is, it is presumed that the carbon material covering the silicon-based active material fine particles has a graphite structure. However, since this structure is immature (more amorphous portions are detailed), when the covering amount of the carbon material increases, This is because entrance into or out of the active material fine particles is rather inhibited. Also, when the coating amount of the carbon material is 0.7 to 1.75 mass%, the cycle life and the initial efficiency are maximized. When the covering amount of the carbon material is within this range, it is difficult for the carbon material to inhibit the movement of the lithium ion, and at the same time, the oxidation inhibiting effect of the silicon-based active material fine particles by the carbon material is maximized.

(실시예 3-14)(Examples 3-14)

또한 본 발명자는 규소계 활물질 미립자의 평균 입경과 리튬이온 이차전지의 특성과의 대응 관계를 확인하기 위해서 실시예 3-14를 실시했다. 상세하게는 실시예 3-1의 제1 공정에 대해 분쇄 시간을 조정함으로써 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 100~900nm의 범위 내에서 변동시킨 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 그 결과를 도27에 나타낸다. 도27의 가로축은 규소계 활물질 미립자의 평균 입경을 나타내고 세로축은 사이클 수명을 나타낸다. 단 사이클 수명은 비교예 3-8로 규격화한 값을 나타낸다.The inventors of the present invention conducted Examples 3-14 to confirm the correspondence relationship between the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles and the characteristics of the lithium ion secondary battery. Specifically, the same procedure as in Example 3-1 was conducted except that the average particle size of the silicon-based active material fine particles was varied within a range of 100 to 900 nm by adjusting the milling time for the first step of Example 3-1. The results are shown in Fig. The abscissa of FIG. 27 represents the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles and the ordinate represents the cycle life. The short cycle life shows the value normalized in Comparative Example 3-8.

도27에 의하면 평균 입경이 작을수록 사이클 수명은 길어지지만 모든 입경에서도 비교 예보다는 사이클 수명이 향상됐다. 또한 특히 200nm를 경계로 사이클 수명이 급격하게 변동했다. 또한 그래프의 형상에서는 100nm 이하에서 극대화 된다고 추정되었다. 이것으로 평균 입경은 200nm 이하가 바람직하고 100nm 이하가 한층 더 바람직하다. 단 실시예 3-1의 습식 분쇄법을 이용할 경우 재응집이나 입자의 분쇄가 어려워 100nm 이하로 분쇄하려면 많은 시간이 필요로 한다. 공업적으로는 비용과 성능 관계에서 평균 입경은 선택할 수 있다.According to FIG. 27, although the cycle life is prolonged as the average particle diameter is smaller, the cycle life is improved at all particle diameters rather than the comparative example. In addition, the cycle life varied sharply, especially at 200 nm. It was also estimated that the shape of the graph was maximized at 100 nm or less. Accordingly, the average particle diameter is preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. However, when the wet grinding method of Example 3-1 is used, re-agglomeration and particle grinding are difficult, and it takes much time to grind to 100 nm or less. The average particle size can be selected industrially in terms of cost and performance.

(실시예 3-15)(Examples 3-15)

본 발명자는 다른 규소계 활물질에서도 동일한 효과를 얻어지는 것을 확인하기 위해서 이하의 실시예 3-15를 실시했다. 구체적으로, 실시예 3-1의 규소를 다결정 규소 합금(Si:Al:Fe=55:29:16(질량비))로 대신한 이외는 실시예 3-1과 동일하게 처리했다. 그 결과 실시예 3-1과 동일한 정도의 초기 효율 및 사이클 수명을 얻을 수 있었다.The inventors of the present invention conducted the following Examples 3-15 in order to confirm that the same effects were obtained in other silicon-based active materials. Specifically, the procedure of Example 3-1 was repeated except that the silicon of Example 3-1 was replaced with a polycrystalline silicon alloy (Si: Al: Fe = 55: 29: 16 (mass ratio)). As a result, initial efficiency and cycle life of the same degree as in Example 3-1 were obtained.

이상에서 본 실시형태에 의하면, 제1~제3 공정 내에서 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵기 때문에 산화 규소가 적은 표면 개질 미립자를 제작할 수 있다. 또한 표면 개질 미립자는 탄소 재료로 피복되므로 표면 개질 미립자의 사용 중에 규소계 활물질 미립자가 대기 중으로 노출되기 어렵다. 따라서 음극 활물질의 비가역 용량이 저감한다. 바꾸어 말하면, 규소계 활물질의 높은 방전용량을 유지(즉, 높은 초기 효율을 구현함)할 수 있다. 또한 규소계 활물질 미립자와 용매와의 직접적인 접촉이 억제된다. 따라서 리튬이온 이차전지의 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한 표면 개질 미립자는 하드 카본과 복합화되는 것에 의해 하드 카본 내에 도입된다. 따라서 하드 카본에 의해 표면 개질 미립자의 팽창 수축에 의한 스트레스가 완화되므로 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다. 또한 하드 카본 내에는 대량의 표면 개질 미립자를 도입할 수 있어 음극 활물질의 이론 용량 즉 방전용량을 향상할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, since the silicon-based active material fine particles are hardly exposed to the atmosphere in the first to third steps, the surface-modified fine particles having a small amount of silicon oxide can be produced. Further, since the surface-modified fine particles are covered with the carbon material, the silicon-based active material fine particles are less likely to be exposed to the air during use of the surface-modified fine particles. Thus, the irreversible capacity of the negative electrode active material is reduced. In other words, it is possible to maintain the high discharge capacity of the silicon-based active material (i.e., realize high initial efficiency). In addition, direct contact between the silicon-based active material fine particles and the solvent is suppressed. Therefore, the cycle life of the lithium ion secondary battery can be improved. Further, the surface-modified fine particles are introduced into the hard carbon by being combined with the hard carbon. Therefore, the stress caused by the expansion and shrinkage of the surface-modified fine particles is alleviated by the hard carbon, so that the cycle life is also improved. In addition, a large amount of surface-modified fine particles can be introduced into the hard carbon, thereby improving the theoretical capacity of the negative electrode active material, that is, the discharge capacity.

또한 규소계 활물질은 다결정이므로 다수의 단결정입자(도메인)를 가지며 도메인 간에는 공간이 형성되어 있다. 따라서 규소계 활물질의 팽창 수축에 의한 스트레스가 이들 공간에 의해서 완화된다. 이러한 점에서도 사이클 수명이 향상된다.The silicon-based active material is polycrystalline, and thus has a plurality of single crystal particles (domains), and spaces are formed between the domains. Therefore, the stress caused by the expansion and contraction of the silicon-based active material is mitigated by these spaces. In this respect, the cycle life is also improved.

여기서 하드 카본은 고체계의 출발 물질을 소성함으로써 얻을 수 있고 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 50~80질량%인 것이 바람직하다. 이 경우에 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.Here, the hard carbon is obtained by firing a starting material of a high system, and the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 50 to 80 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또한 고체계의 출발 물질은 PVC, 수크로스, 젤라틴 및 한천으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있다. 이 경우, 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.Also, the starting material of the high system may be any one or more selected from the group consisting of PVC, sucrose, gelatin and agar. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또한 하드 카본은 액계의 출발 물질을 소성함으로써 얻을 수 있고 표면 개질 미립자의 총 질량은 하드 카본 및 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 75~90질량%인 것이 바람직하다. 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 리튬이온 이차전지의 사이클 수명이 향상된다.The hard carbon may be obtained by firing the starting material of the liquid system, and the total mass of the surface-modified fine particles is preferably 75 to 90 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified fine particles. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life of the lithium ion secondary battery is improved.

또한 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 200nm 이하일 수 있고 이 경우, 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.In addition, the average particle diameter of the silicon-based active material fine particles may be 200 nm or less. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 탄소 재료의 두께는 2~20nm일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.Further, the carbon material may have a thickness of 2 to 20 nm. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 제3 공정 및 제4 공정의 불활성 분위기 중 적어도 일방은 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 구성될 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.At least one of the inert atmosphere in the third step and the fourth step may be composed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen. In this case, irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and cycle life is also improved do.

또한 제4 공정의 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 실시할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.In addition, the firing in the fourth step can be carried out within a temperature range of 500 to 800 ° C. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 음극집전체의 일부 예를 들어, 전극집전단자가 용접되는 부분에서 정극 활물질층과 대향하지 않는 부분 등에 금속 리튬박을 배치할 수 있다. 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.Further, a part of the negative electrode current collector may be provided with a metal lithium foil, for example, at a portion where the electrode current collector terminal is welded to a portion not opposed to the positive electrode active material layer. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 리튬이온 이차전지의 충전 용량을 규소계 활물질 미립자에 의해 구현되는 이론 용량의 70% 이하로 유지하도록 할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.In addition, the charging capacity of the lithium ion secondary battery can be maintained at 70% or less of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material fine particles. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 유기물이 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.The organic material may be at least one selected from the group consisting of hydroxy acids, monosaccharides and oligosaccharides. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 히드록시산이 구연산 및 글리콜산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.And the hydroxy acid may be at least one selected from the group consisting of citric acid and glycolic acid. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 비수용매가 알코올 및 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상일 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.Also, the non-aqueous solvent may be at least one selected from the group consisting of alcohols and ethers. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

또한 제3 공정의 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 실시할 수 있고 이 경우 리튬이온 이차전지의 비가역 용량이 저감하는 동시에 사이클 수명도 향상된다.The firing in the third step can be carried out within a temperature range of 500 to 800 ° C. In this case, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery is reduced and the cycle life is also improved.

이상에서 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명하였으나 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에서의 통상 지식을 가지는 사람이면 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하며 이들 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해해야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. It should be understood as belonging.

[부호의 설명][Description of Symbols]

10: 리튬이온 이차전지 20: 정극10: Lithium ion secondary battery 20: Positive electrode

21: 집전체 22: 정극 활물질층21: collector 22: positive electrode active material layer

30: 음극 31: 집전체30: cathode 31: collector

32: 음극 활물질층32: anode active material layer

Claims (24)

규소계 활물질 미립자; 및,
상기 규소계 활물질 미립자의 표면을 덮는 탄소 재료를 구비한 표면 개질 미립자를 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
Silicon-based active material fine particles; And
And a surface-modified fine particle having a carbon material covering the surface of the silicon-based active material fine particles.
제 1항에 있어서, 상기 탄소 재료는 상기 규소계 활물질 미립자 및 상기 탄소 재료의 총 질량에 대해 0.35~3.5질량%인 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the carbon material is 0.35 to 3.5 mass% with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbon material. 제 1항에 있어서, 상기 표면 개질 미립자와 복합화된 하드 카본을 더 구비하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, further comprising a hard carbon compounded with the surface-modified fine particles. 제 1항에 있어서, 상기 규소계 활물질 미립자는 다결정인 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the silicon-based active material fine particles are polycrystalline. 제 1항에 있어서, 상기 규소계 활물질 미립자의 평균 입경이 200nm 이하인 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the silicon-based active material fine particles have an average particle size of 200 nm or less. 제1항에 있어서,
상기 규소계 활물질 미립자의 축방향 길이는 500nm 이하이며, 직경은 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon-based active material fine particles have an axial length of 500 nm or less and a diameter of 50 nm or less.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소 재료의 두께는 2~20nm인 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the carbon material has a thickness of 2 to 20 nm.
제3항에 있어서,
상기 하드 카본은 고체계의 출발 물질을 소성함으로써 얻을 수 있고,
상기 표면 개질 미립자의 총 질량은 상기 하드 카본 및 상기 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 50~80질량%인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
The method of claim 3,
The hard carbon can be obtained by firing a high-order starting material,
Wherein the total mass of the surface-modified microparticles is 50 to 80 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified microparticles.
제8항에 있어서,
상기 고체계의 출발 물질은 PVC, 수크로스, 젤라틴 및 한천으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
9. The method of claim 8,
Wherein the solid starting material is at least one selected from the group consisting of PVC, sucrose, gelatin, and agar.
제3항에 있어서,
상기 하드 카본은 액계의 출발 물질을 소성함으로써 얻을 수 있고,
상기 표면 개질 미립자의 총 질량은 상기 하드 카본 및 상기 표면 개질 미립자의 총 질량에 대해 75~90질량%인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
The method of claim 3,
The hard carbon can be obtained by firing a starting material of a liquid system,
Wherein the total mass of the surface-modified microparticles is 75 to 90 mass% with respect to the total mass of the hard carbon and the surface-modified microparticles.
제10항에 있어서,
상기 액계의 출발 물질은 레졸 형 페놀 수지 및 푸르푸릴 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질.
11. The method of claim 10,
Wherein the starting material of the liquid system is at least one selected from the group consisting of resole-type phenol resin and furfuryl alcohol.
비수용매 중에서 규소계 활물질을 분쇄함으로써 규소계 활물질 미립자가 비수용매 중에서 분산된 분산용액을 제작하는 제1 공정:
상기 비수용매에 용해하는 유기물을 상기 분산용액에 용해함으로써 혼합용액을 제작하는 제2 공정: 및,
상기 혼합용액을 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 규소계 활물질 미립자의 표면에 탄소 재료가 피복된 표면 개질 미립자를 제작하는 제3 공정을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
A first step of preparing a dispersion solution in which silicon-based active material fine particles are dispersed in a non-aqueous solvent by pulverizing a silicon-based active material in a non-aqueous solvent;
A second step of preparing a mixed solution by dissolving an organic material dissolved in the non-aqueous solvent in the dispersion solution;
And a third step of producing the surface-modified fine particles coated with the carbon material on the surface of the silicon-based active material fine particles by firing the mixed solution in an inert atmosphere.
제 12항에 있어서,
상기 표면 개질 미립자와 하드 카본의 출발 물질을 혼합하고 불활성 분위기 하에서 소성함으로써 음극 활물질을 제작하는 제4 공정을 더 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Further comprising a fourth step of preparing a negative electrode active material by mixing the surface-modified fine particles and a starting material of hard carbon, and firing the mixture in an inert atmosphere to produce a negative electrode active material.
제 12항에 있어서, 상기 분쇄는 비즈 밀로 수행하는 것인 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.13. The method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 12, wherein the milling is performed with a bead mill. 제 12항에 있어서, 상기 탄소 재료의 총 질량은 상기 규소계 활물질 미립자 및 상기 탄소 재료의 총 질량에 대해 0.35~3.5질량%인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the total mass of the carbonaceous material is 0.35 to 3.5 mass% with respect to the total mass of the silicon-based active material fine particles and the carbonaceous material. 제 12항에 있어서, 상기 유기물이 히드록시산, 단당류 및 올리고 당류로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the organic material is at least one selected from the group consisting of hydroxy acids, monosaccharides, and oligosaccharides. 제16항에 있어서,
상기 히드록시산이 구연산, 및 글리콜산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the hydroxy acid is at least one selected from the group consisting of citric acid and glycolic acid.
제12항에 있어서,
상기 비수용매가 알코올 및 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the non-aqueous solvent is at least one selected from the group consisting of alcohols and ethers.
제12항에 있어서,
상기 불활성 분위기는 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the inert atmosphere is formed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제12항에 있어서,
상기 소성은 550~800℃의 온도 범위 내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the calcination is performed at a temperature in the range of 550 to 800 &lt; RTI ID = 0.0 &gt; C. &Lt; / RTI &gt;
제12항 또는 제 13항에 있어서,
상기 제3 공정 및 제4 공정의 불활성 분위기 중 적어도 한편은, 아르곤 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 청구항 8 기재의 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
The method according to claim 12 or 13,
The method of manufacturing an anode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 8, wherein at least one of the inert atmosphere in the third step and the fourth step is formed of at least one selected from the group consisting of argon and nitrogen.
제 13항에 있어서,
상기 제4 공정의 소성은 500~800℃의 온도 범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the calcination of the fourth step is performed at a temperature in the range of 500 to 800 ° C. 4. A method for producing a negative active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1,
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.A lithium ion secondary battery comprising the negative electrode active material according to any one of claims 1 to 19. 제23항에 따른 리튬이온 이차전지의 충전 용량을 상기 규소계 활물질 미립자에 의해 구현되는 이론 용량의 70% 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 충전방법.23. A method for charging a lithium ion secondary battery according to claim 23, wherein the charging capacity of the lithium ion secondary battery is maintained at 70% or less of the theoretical capacity realized by the silicon-based active material fine particles.
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