KR20160125330A - Anode active material for secondary battery and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

Provided is a negative electrode active material for a secondary battery, which provides high capacity and high efficiency charging/discharging characteristics. The negative electrode active material for a secondary battery includes a silicon single phase, and a silicon-metal alloy phase interfaced with the silicon single phase and distributed around the silicon single phase. The negative electrode active material includes 0-30 atomic percent (at%) of iron (Fe), 0-10 at% of first additive element, and 60-90 at% of silicon. The first additive element is one element selected from a group consisting of boron, carbon, phosphorous, titanium, chrome, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum, and tin. The negative electrode active material has a first peak and a second peak which are originated from the silicon-metal alloy phase in an X-ray diffraction analysis, wherein the first peak is located at 49.1+/-0.5 degrees and the second peak is located at 38.0+/-0.5 degrees, and the diffraction intensity of the first peak is less than or equal to two times that of the second peak.

Description

이차 전지용 음극 활물질 및 그 제조 방법{Anode active material for secondary battery and method of manufacturing the same}[0001] The present invention relates to an anode active material for secondary batteries,

본 발명의 기술적 사상은 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고용량, 고효율 충방전 특성을 제공할 수 있는 이차 전지용 음극 활물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a negative electrode active material for a secondary battery capable of providing high capacity and high efficiency charging / discharging characteristics, and a method of manufacturing the secondary battery.

최근 리튬 이차 전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등을 비롯한 휴대용 전자제품의 전원으로 사용될 뿐만 아니라 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicles, HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(plug-in HEV) 등의 중대형 전원으로 사용되는 등 응용 분야가 급속히 확대되고 있다. 이와 같은 응용분야의 확대 및 수요의 증가에 따라 전지의 외형적인 모양과 크기도 다양하게 변하고 있으며, 기존의 소형전지에서 요구되는 특성보다 더욱 우수한 용량, 수명, 및 안전성이 요구되고 있다.Recently, the lithium secondary battery has been used as a power source for portable electronic products including mobile phones and notebook computers, as well as being used as a medium and large power source for hybrid electric vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (plug-in HEV) Applications are rapidly expanding. As the application field is expanded and demand is increased, the external shape and size of the battery are variously changed, and capacity, lifetime, and safety are demanded more than those required in conventional small batteries.

리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalation)가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 전극들 사이에 다공성 분리막을 설치한 후 전해액을 주입시켜 제조되는 것이 일반적이며, 상기 음극 및 양극에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 의한 산화 환원 반응에 의하여 전기가 생성되거나 소비된다.The lithium secondary battery is generally manufactured by using a material capable of intercalating and deintercalating lithium ions as a cathode and an anode, providing a porous separator between the electrodes, and then injecting an electrolyte. And electricity is generated or consumed by the redox reaction by insertion and desorption of lithium ions in the anode.

종래의 리튬 이차 전지에 널리 사용되고 있는 음극 활물질인 흑연(graphite)은 층상 구조를 가지고 있어 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 매우 유용한 특징을 지닌다. 흑연은 이론적으로 372mAh/g의 용량을 나타내지만 최근의 고용량의 리튬 전지에 대한 수요가 증가함에 따라 흑연을 대체할 수 있는 새로운 전극이 요구되고 있다. 이에 따라, 고용량의 음극 활물질로 실리콘(Si), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 알루미늄(Al) 등과 같이 리튬 이온과 전기화학적인 합금을 형성하는 전극 활물질에 대하여 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 실리콘, 주석, 안티모니, 알루미늄 등은 리튬과의 전기화학적 합금 형성을 통한 충전/방전시 부피가 증가/감소하는 특성을 갖고 있으며, 이러한 충방전에 따른 부피 변화는 실리콘, 주석, 안티모니, 알루미늄 등의 활물질을 도입한 전극에 있어서 전극 사이클 특성을 열화시키는 문제를 갖고 있다. 또한, 이러한 부피 변화는 전극 활물질 표면에 균열을 일으키고, 지속적인 균열 형성은 전극 표면의 미분화를 가져오게 되어 사이클 특성을 열화시키는 또 다른 요인으로 작용하게 된다. Graphite, which is a negative electrode active material widely used in conventional lithium secondary batteries, has a layered structure and is very useful for insertion and desorption of lithium ions. Theoretically, graphite has a capacity of 372 mAh / g, but with the recent increase in demand for high capacity lithium batteries, a new electrode capable of replacing graphite is required. Accordingly, researches for commercialization of electrode active materials such as silicon (Si), tin (Sn), antimony (Sb), aluminum (Al) and the like that form an electrochemical alloy with lithium ion as a high capacity negative electrode active material are actively conducted . However, silicon, tin, antimony, and aluminum have the characteristics of increasing / decreasing the volume during charging / discharging through the formation of an electrochemical alloy with lithium. The volume change due to such charging / , The electrode cycle characteristics are deteriorated in an electrode in which an active material such as aluminum is introduced. Also, such a change in volume causes cracks on the surface of the electrode active material, and continuous crack formation causes undifferentiation of the surface of the electrode, thereby deteriorating cycle characteristics.

1. 한국공개특허 제2009-0099922호 (2009.09.23. 공개)1. Korean Patent Publication No. 2009-0099922 (Published September 23, 2009) 2. 한국공개특허 제2010-0060613호 (2010.06.07. 공개)2. Korean Patent Publication No. 2010-0060613 (Published on Jun. 7, 2010) 3. 한국공개특허 제2010-0127990호 (2010.12.07. 공개)3. Korea Patent Publication No. 2010-0127990 (Dec. 07, 2010)

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 고용량, 고효율 충방전 특성을 제공할 수 있는 이차 전지용 음극 활물질을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a negative electrode active material for a secondary battery capable of providing a high capacity and high efficiency of charge / discharge characteristics.

또한, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a negative electrode active material for a secondary battery.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이차 전지용 음극 활물질은, 실리콘 단일상; 및 상기 실리콘 단일상과 계면을 이루며 상기 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질로서, 상기 음극 활물질은 0 내지 30 원자%의 철(Fe), 0 내지 10 원자%의 제1 첨가 원소 및 60 내지 90 원자%의 실리콘을 포함하며, 상기 제1 첨가 원소는 보론, 카본, 인, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 원소이며, 상기 음극 활물질은 X선 회절 분석에서 상기 실리콘-금속 합금상에 의해 나타나는 상기 실리콘-금속 합금상의 제1 피크 및 제2 피크를 가지며, 상기 제1 피크는 49.1 +/- 0.5 도(˚)의 피크이고 상기 제2 피크는 38.0 +/- 0.5 도(˚)이며, 상기 제2 피크의 회절 강도 대비, 제1 피크의 회절 강도가 2배 이하이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a negative active material for a secondary battery, comprising: a silicon single phase; And a silicon-metal alloy phase forming an interface with the silicon single phase and surrounding the silicon single phase, wherein the negative active material comprises 0 to 30 atomic% Fe, 0 to 10 atomic% Wherein the first additive element is selected from the group consisting of boron, carbon, phosphorus, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum , And tin, wherein the anode active material has a first peak and a second peak of the silicon-metal alloy phase represented by the silicon-metal alloy phase in an X-ray diffraction analysis, and the first active material The peak has a peak of 49.1 +/- 0.5 degrees ([deg.]), The second peak is 38.0 +/- 0.5 degrees ([deg.]), And the diffraction intensity of the first peak is twice or less .

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 실리콘-금속 합금상의 상기 제1 피크는 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상의 결정학적 (102) 면에 의한 회절 피크이고, 상기 실리콘-금속 합금상의 상기 제2 피크는 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상의 결정학적 (101) 면에 의한 회절 피크일 수 있다.In an exemplary embodiment, the first peak on the silicon-metal alloy is a diffraction peak by crystallographic (102) face on ferrosilicon (FeSi2) and the second peak on the silicon- (101) plane on the ferrosilicon (FeSi 2 ).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 피크의 회절 강도 대비, 제1 피크의 회절 강도가 1.8 내지 1.9배 일 수 있다.In exemplary embodiments, the diffraction intensity of the first peak relative to the diffraction intensity of the second peak may be 1.8 to 1.9 times.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질은 X선 회절 분석에서 상기 실리콘-금속 합금상에 의해 나타나는 상기 실리콘-금속 합금상의 제3 피크를 더 가지며, 상기 제3 피크는 17.3 +/- 0.5 도(˚)의 피크이고, 상기 제3 피크는 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상의 결정학적 (001) 면에 의한 회절 피크일 수 있다.In the exemplary embodiments, the negative active material further has a third peak on the silicon-metal alloy phase represented by the silicon-metal alloy phase in an X-ray diffraction analysis, and the third peak has a peak at 17.3 +/- 0.5 degrees (°), and the third peak may be a diffraction peak due to a crystallographic (001) plane on ferrosilicon (FeSi 2 ).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질은 상기 실리콘 단일상의 결정학적 (111) 면에 의해 나타나는 28.5 +/- 0.5 도(˚)의 제4 피크를 더 가지며, 상기 실리콘 단일상은 50 나노미터(nm) 이하의 평균 결정 입자 크기를 가질 수 있다. In exemplary embodiments, the negative active material further has a fourth peak of 28.5 +/- 0.5 degrees ([deg.]) As indicated by the crystallographic (111) plane of the silicon single phase, (nm) or less.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질은 4 내지 20 kN의 하중으로 압착한 상태에서 0.2 Ωcm 이하의 비저항을 가질 수 있다.In the exemplary embodiments, the negative electrode active material may have a specific resistance of 0.2? Cm or less in a state of being compressed with a load of 4 to 20 kN.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질로 제조된 전극은 1회 충전시 초기 극판 두께의 50% 이하로 부피 팽창하며, 수회 내지 수십회 충방전 반복 후에도 초기 극판 두께의 50% 이하로 부피 팽창할 수 있다.In the exemplary embodiments, the electrode made of the negative electrode active material is expanded to a volume of 50% or less of the thickness of the initial electrode plate at the time of single charging, and the volume expansion is 50% or less of the initial electrode plate thickness after repeated charging / can do.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 사상에 따른 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은, 실리콘을 포함하는 제1 분말, 철을 포함하는 제2 분말 및 제1 첨가 원소를 포함하는 제3 분말의 혼합물을 제공하는 단계; 및 기계적 합금법에 의해 상기 혼합물을 분쇄하고 미세화하여, 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소를 포함하는 음극 활물질을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 첨가 원소는 보론, 카본, 인, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 원소이며, 상기 기계적 합금법에 의해 50 nm 이하의 평균 결정 입자 크기를 갖는 실리콘 단일상 및 상기 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상을 포함하는 상기 음극 활물질이 형성된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an anode active material for a secondary battery, the method including: forming a first powder containing silicon, a second powder containing iron, and a third powder including a first additive element ≪ / RTI > And forming a negative electrode active material containing silicon, iron and a first additive element by pulverizing and finely grinding the mixture by a mechanical alloying method, wherein the first additive element is selected from the group consisting of boron, carbon, phosphorus, titanium, Wherein the silicon single element is an element selected from the group consisting of chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum, and tin, The anode active material including a silicon-metal alloy phase surrounding the silicon single phase is formed.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계적 합금법은 수직형 어트리션 밀링, 수평형 어트리션 밀링, 볼 밀링, 유성형 밀링(planetary mill) 및 스펙스 밀링(Spex milling) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.In the exemplary embodiments, the mechanical alloying method may be performed by any one of vertical attrition milling, horizontal attrition milling, ball milling, planetary milling and Spex milling .

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 혼합물을 제공하는 단계는, 상기 제1 분말, 상기 제2 분말 및 상기 제3 분말을 분말 형태로 분쇄 용기 내에 혼입함으로써 상기 혼합물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the step of providing the mixture may comprise providing the mixture by incorporating the first powder, the second powder and the third powder into a pulverizing container in powder form .

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 혼합물을 제공하는 단계는, 상기 제1 분말 및 상기 제2 분말을 용융하고 냉각하여 형성된 실리콘 및 철을 포함하는 중간 분말 및 상기 제3 분말을 분쇄 용기에 혼입함으로써 상기 혼합물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the step of providing the mixture may comprise mixing an intermediate powder comprising silicon and iron formed by melting and cooling the first and second powders and the third powder into a milling vessel And providing the mixture.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 혼합물을 제공하는 단계는, 상기 제1 분말, 상기 제2 분말 및 상기 제3 분말을 용융하고 냉각하여 형성된 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소를 포함하는 중간 분말을 분쇄 용기에 혼입함으로써 상기 혼합물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the step of providing the mixture may comprise providing an intermediate powder comprising silicon, iron and a first additive element formed by melting and cooling the first powder, the second powder and the third powder, And providing the mixture by incorporation into a grinding vessel.

본 발명에 따른 이차 전지용 음극 활물질은 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내에 균일하게 분포할 수 있고, 이에 따라 상기 음극 활물질의 충방전에 따른 부피 변화를 억제할 수 있다. 상기 음극 활물질을 포함한 이차 전지는 우수한 수명 특성 및 우수한 전기화학적 특성을 갖는다. The negative electrode active material for a secondary battery according to the present invention can uniformly distribute the silicon single phase in the silicon-metal alloy phase, thereby suppressing the change in volume due to charge / discharge of the negative active material. The secondary battery including the negative electrode active material has excellent lifetime characteristics and excellent electrochemical characteristics.


*도 1은 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 X선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질들의 전기적 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지들이다.
도 8은 예시적인 실시예2에 따른 음극 활물질의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 이미지이다.

1 is a flow chart showing a manufacturing process of a negative electrode active material according to exemplary embodiments.
2 is a flowchart showing a manufacturing process of a negative electrode active material according to exemplary embodiments.
3 is a flow chart showing a manufacturing process of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments.
4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments.
5A and 5B are graphs showing the electrical performance of negative electrode active materials according to exemplary embodiments.
6 is a graph showing the electrochemical performance of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments.
7A to 7C are scanning electron microscopy (SEM) images of an anode active material according to exemplary embodiments.
FIG. 8 is a transmission electron microscopy (TEM) image of an anode active material according to Exemplary Embodiment 2. FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에서, at%(원자%)는 전체 합금의 원자 총 개수에서 해당 성분이 차지하는 원자 개수를 백분율로 표시한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. The scope of technical thought is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing depicted in the accompanying drawings. In the embodiments of the present invention, at% (atomic%) represents the number of atoms occupied by the component in the total atomic number of the whole alloy as a percentage.

예시적인 실시예들에 따른 이차전지용 음극 활물질은 실리콘 단일상; 및 상기 실리콘 단일상과 계면을 이루며 상기 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상을 포함한다. 상기 음극 활물질은 0 내지 30 원자%의 철(Fe), 0 내지 10 원자%의 제1 첨가 원소 및 60 내지 90 원자%의 실리콘을 포함하며, 상기 제1 첨가 원소는 보론, 카본, 인, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 원소이다. 상기 음극 활물질은 X선 회절 분석에서 상기 실리콘-금속 합금상에 의해 나타나는 상기 실리콘-금속 합금상의 제1 피크 및 제2 피크를 가지며, 상기 제1 피크는 49.1 +/- 0.5 도(˚)의 피크이고 상기 제2 피크는 38.0 +/- 0.5 도(˚)이다. 상기 제2 피크의 회절 강도 대비, 제1 피크의 회절 강도가 2배 이하이다. 상기 실리콘-금속 합금상의 상기 제1 피크는 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상의 결정학적 (102) 면에 의한 회절 피크이고, 상기 실리콘-금속 합금상의 상기 제2 피크는 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상의 결정학적 (101) 면에 의한 회절 피크이다. 바람직하게는, 상기 제2 피크의 회절 강도 대비, 제1 피크의 회절 강도가 1.8 내지 1.9배 일 수 있다.The negative electrode active material for a secondary battery according to exemplary embodiments includes a silicon single phase; And a silicon-metal alloy phase which interfaces with the silicon single phase and surrounds the silicon single phase. Wherein the negative active material comprises 0 to 30 atomic% of iron (Fe), 0 to 10 atomic% of a first additive element and 60 to 90 atomic% of silicon, and the first additive element is boron, carbon, , Chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum, and tin. Wherein the anode active material has a first peak and a second peak on the silicon-metal alloy phase represented by the silicon-metal alloy phase in an X-ray diffraction analysis, and the first peak has a peak of 49.1 +/- 0.5 degrees ([ And the second peak is 38.0 +/- 0.5 degrees ([deg.]). The diffraction intensity of the first peak is not more than two times the diffraction intensity of the second peak. Wherein the first peak on the silicon-metal alloy is a diffraction peak due to a crystallographic (102) face on ferrosilicon (FeSi2) and the second peak on the silicon-metal alloy is a ferrosilicon (FeSi2) It is the diffraction peak due to the crystallographic (101) plane. Preferably, the diffraction intensity of the first peak relative to the diffraction intensity of the second peak may be 1.8 to 1.9 times.

예시적인 실시예들에서, 실리콘-금속 합금상의 제1 피크와 제2 피크의 회절 강도의 상대적인 크기는 상기 음극 활물질의 미세 구조(microstructure)와 관련성이 있다. 예를 들어, 제1 첨가원소가 포함된 음극 활물질의 경우, 실리콘 단일상이 미세한 사이즈로 균일하게 분포될 수 있다. 또한, 제1 첨가 원소가 실리콘-금속 합금상 내에 포함되어 페로실리콘 결정 구조의 격자 내에 응력이 작용하고, 이에 의한 왜곡이 발생할 수 있다. 또한, 제1 첨가 원소에 의하여 실리콘-금속 합금상의 격자가 변형(수축 또는 팽창)될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 피크의 강도는 크게 감소하는 한편, 상기 제2 피크의 강도는 상대적으로 적게 감소할 수 있다. 이러한 제1 첨가 원소에 의한 실리콘-금속 합금상의 미세 구조 변화에 의해 충전 및 방전 시의 부피 팽창을 효과적으로 완충함에 따라 상기 음극 활물질은 향상된 전기 화학적 특성(예를 들어, 방전 용량 또는 사이클 성능)을 가질 수 있다. 이러한 음극 활물질의 미세구조와 상기 제1 피크 및 상기 제2 피크의 회절 강도의 상대적인 크기와의 관련성은 이후에 도 4를 참조로 상세히 설명하도록 한다. In exemplary embodiments, the relative sizes of the diffraction intensities of the first and second peaks on the silicon-metal alloy phase are related to the microstructure of the negative active material. For example, in the case of the negative electrode active material containing the first additive element, the silicon single phase can be uniformly distributed in a fine size. In addition, the first additional element is contained in the silicon-metal alloy phase so that stress acts in the lattice of the ferrosilicon crystal structure, and distortion thereof may occur. Further, the lattice of the silicon-metal alloy phase can be deformed (contracted or expanded) by the first additional element. As a result, the intensity of the first peak decreases greatly, while the intensity of the second peak decreases relatively. As the microstructure changes of the silicon-metal alloy phase by the first additive element effectively buffer the volume expansion during charge and discharge, the negative electrode active material has improved electrochemical characteristics (for example, discharge capacity or cycle performance) . The relationship between the microstructure of the negative electrode active material and the relative magnitudes of the diffraction intensities of the first and second peaks will be described later in detail with reference to FIG.

예시적인 실시예들에서, 상기 음극 활물질은 X선 회절 분석에서 상기 실리콘-금속 합금상에 의해 나타나는 상기 실리콘-금속 합금상의 제3 피크를 더 가지며, 상기 제3 피크는 17.3 +/- 0.5 도(˚)의 피크일 수 있다. 상기 제3 피크는 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상의 결정학적 (001) 면에 의한 회절 피크일 수 있다. In an exemplary embodiment, the negative active material further comprises a third peak on the silicon-metal alloy phase represented by the silicon-metal alloy phase in an X-ray diffraction analysis, and the third peak has a peak at 17.3 +/- 0.5 degrees ( 0.0 >).≪ / RTI > The third peak may be a diffraction peak due to a crystallographic (001) plane on ferrosilicon (FeSi 2 ).

또한, 예시적인 실시예들에서, 상기 음극 활물질은 상기 실리콘 단일상의 결정학적 (111) 면에 의해 나타나는 28.5 +/- 0.5 도(˚)의 제4 피크를 더 가질 수 있다. 상기 실리콘 단일상은 50 나노미터(nm) 이하의 평균 결정 입자 크기를 가질 수 있다. 실리콘 단일상이 미세한 사이즈로 실리콘-금속 합금상 내부에 균일하게 분포할 때, 매트릭스인 실리콘-금속 합금은 충방전시 리튬 입자의 삽입/탈리에 따른 실리콘 단일상의 부피 변화를 완충하는 버퍼층으로 작용할 수 있고, 이러한 부피 변화에 의한 음극 활물질의 크랙 및 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 음극 활물질은 우수한 수명 특성을 가질 수 있다.Further, in exemplary embodiments, the negative electrode active material may further have a fourth peak of 28.5 +/- 0.5 degrees ([deg.]) As indicated by the crystallographic (111) plane of the silicon single phase. The silicon single phase may have an average crystal grain size of less than 50 nanometers (nm). When the silicon single phase is uniformly distributed within the silicon-metal alloy phase in a fine size, the silicon-metal alloy as a matrix can act as a buffer layer to buffer the volume change of the single phase of silicon due to the insertion / And cracks and damage of the negative electrode active material due to such volume change can be prevented. Therefore, the negative electrode active material can have excellent lifetime characteristics.

예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질은 4 내지 20 kN의 압축 하중을 인가한 상태에서 0.2 Ωcm 이하의 비저항을 가질 수 있다. 특히, 상기 음극 활물질 내에서, 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내에 미세한 사이즈로 분산되어 배치되며, 실리콘 단일상의 격자상수는 약 50 나노미터 이하이므로, 낮은 비저항을 가지며 전기 전도 특성이 우수할 수 있다. 또한, 이러한 음극 활물질을 사용한 이차전지는, 전극 저항에 의한 전압 강하(iR drop)가 감소되거나 첨가하는 도전체 함량이 감소됨에 따라 높은 용량 및 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.The negative electrode active material according to the exemplary embodiments may have a resistivity of 0.2? Cm or less under a compressive load of 4 to 20 kN. Particularly, in the negative electrode active material, since the single stage silicon is dispersed in a fine size in the silicon-metal alloy phase and the lattice constant of the single phase of silicon is less than about 50 nanometers, it has a low specific resistance and excellent electric conduction characteristic have. In addition, the secondary battery using such an anode active material may have a high capacity and a high energy density as the voltage drop (iR drop) due to the electrode resistance is reduced or the electric conductor content to be added is decreased.

예시적인 실시예들에 따른 이차전지용 음극 활물질은 기계적 합금법을 사용한 실리콘 분말의 분쇄 및 미세화 과정을 거치므로, 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 미세한 사이즈로 균일하게 분포될 수 있다. The anode active material for a secondary battery according to the exemplary embodiments is subjected to a pulverization and refinement process of a silicon powder using a mechanical alloying method so that the silicon single phase can be uniformly distributed in a fine size inside the silicon-metal alloy phase.

예시적인 실시예들에서, 실리콘을 포함하는 제1 분말, 철을 포함하는 제2 분말 및 제1 첨가 원소를 포함하는 제3 분말의 혼합물이 제공된 후, 기계적 합금법에 의해 상기 혼합물을 분쇄하고 미세화하여, 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소를 포함하는 음극 활물질을 형성할 수 있고, 상기 제1 첨가 원소는 보론, 카본, 인, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 원소일 수 있다. 이 때, 기계적 합금법에 의해 상기 혼합물을 분쇄하고 미세화하는 단계에 의하여 50 nm 이하의 평균 결정 입자 크기를 갖는 실리콘 단일상 및 상기 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상을 포함하는 상기 음극 활물질이 형성될 수 있다. In exemplary embodiments, after a mixture of a first powder comprising silicon, a second powder comprising iron and a third powder comprising the first additive element is provided, the mixture is pulverized by mechanical alloying, Wherein the first additive element can be selected from the group consisting of boron, carbon, phosphorus, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium , Molybdenum, and tin. At this time, the single-phase silicon having a mean crystal grain size of 50 nm or less and the silicon-metal alloy phase surrounding the single-phase silicon are formed by pulverizing and finely grinding the mixture by a mechanical alloying method, Can be formed.

상기 기계적 합금법은, 분말 상태의 혼합물인 제1 분말, 제2 분말 및 제3 분말을 건식 분쇄 및 합금화함에 따라 미세한 실리콘 단일상의 분포를 갖는 음극 활물질을 형성할 수 있다. 이러한 방법에 의해 비저항이 작은 음극 활물질이 형성될 수 있다. The mechanical alloying method can form a negative electrode active material having a fine silicon single phase distribution by dry-milling and alloying the first powder, the second powder and the third powder as the powdery mixture. By such a method, a negative electrode active material having a small specific resistance can be formed.

또한, 예시적인 실시예들에서, 실리콘 분말, 철 분말 및 제1 첨가 원소 분말을 수직형 어트리션 밀링, 수평형 어트리션 밀링, 볼 밀링, 유성형 밀링(planetary mill) 및 스펙스 밀링(Spex milling)과 같은 밀링 장치를 사용하여 기계적 합금 방식으로 분쇄 및 합금화함에 따라 음극 활물질을 형성할 수 있다. 특히, 상기 제1 분말, 상기 제2 분말 및 상기 제3 분말을 분말 형태로 분쇄 용기 내에 혼입함으로써 상기 혼합물이 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들어 활물질을 고온에서 용융하고, 급속 냉각하여 일차 합금(예를 들어, 리본 합금)을 형성한 이후에, 상기 일차 합금을 분쇄하여 음극 활물질 분말을 형성하는 급속 냉각 방식을 사용하지 않을 수 있고, 이에 따라 복잡한 복수 단계의 공정들을 생략할 수 있고, 제조 비용이 절감될 수 있다. In addition, in the exemplary embodiments, the silicon powder, the iron powder, and the first additive element powder are subjected to a vertical attrition milling, a horizontal attrition milling, a ball milling, a planetary mill and a Spex milling ) To mill and alloy them by a mechanical alloy method to form an anode active material. In particular, the mixture may be provided by incorporating the first powder, the second powder and the third powder in a powder form into a pulverizing vessel. Therefore, for example, after the active material is melted at a high temperature and rapidly cooled to form a primary alloy (for example, a ribbon alloy), the primary alloy is pulverized to form a negative electrode active material powder, So that complicated multi-step processes can be omitted, and the manufacturing cost can be reduced.

그러나, 예시적인 실시예들에서 전술한 급속 냉각 방식을 사용하는 것 또한 가능하다. 예를 들어, 실리콘을 포함하는 상기 제1 분말 및 철을 포함하는 상기 제2 분말을 용융하고 냉각하여 실리콘 및 철을 포함하는 중간 분말을 형성하고, 이후 상기 중간 분말과 제1 첨가 원소를 포함하는 상기 제3 분말을 혼합하여 분쇄 용기에 주입함으로써 상기 혼합물이 제공될 수 있다.However, it is also possible to use the rapid cooling scheme described above in the exemplary embodiments. For example, the first powder containing silicon and the second powder containing iron are melted and cooled to form an intermediate powder containing silicon and iron, and then the intermediate powder containing the intermediate powder and the first additive element The mixture may be provided by mixing and injecting the third powder into a grinding vessel.

또한, 상기 제1 분말, 상기 제2 분말 및 상기 제3 분말을 용융하고 냉각하여 형성된 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소를 포함하는 중간 분말을 분쇄 용기에 주입함으로써 상기 혼합물이 제공될 수 있다.Further, the mixture may be provided by injecting an intermediate powder containing silicon, iron and a first additive element formed by melting and cooling the first powder, the second powder and the third powder into a pulverizing vessel.

이하에서는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 더욱 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the manufacturing process of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments will be described in more detail.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.1 is a flow chart showing a manufacturing process of a negative electrode active material according to exemplary embodiments.

도 1을 참조하면, 실리콘을 포함하는 제1 분말, 철을 포함하는 제2 분말, 및 제1 첨가 원소를 포함하는 제3 분말이 제공될 수 있다(S10 단계). 상기 제1 첨가 원소는 보론, 카본, 인, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소일 수 있다. Referring to FIG. 1, a first powder including silicon, a second powder including iron, and a third powder including a first additive element may be provided (step S10). The first additional element may be at least one element selected from the group consisting of boron, carbon, phosphorus, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum, and tin.

형성될 음극 활물질이 각각 60 내지 90 원자 퍼센트의 실리콘, 0 내지 30 원자 퍼센트의 철 및 0 내지 10 원자 퍼센트의 제1 첨가 원소를 포함하도록 상기 제1 내지 제3 분말의 질량이 칭량될 수 있다. 예를 들어, 80 원자 퍼센트의 실리콘, 18 원자 퍼센트의 철 및 2 원자 퍼센트의 망간을 포함하는 음극 활물질을 형성하기 위하여, 실리콘 66.83g, 철 29.9g 및 망간 3.27g이 준비될 수 있다. The mass of the first to third powders may be weighed so that the negative electrode active material to be formed comprises 60 to 90 atomic percent of silicon, 0 to 30 atomic percent of iron and 0 to 10 atomic percent of the first additive element, respectively. For example, 66.83 grams of silicon, 29.9 grams of iron and 3.27 grams of manganese may be prepared to form a negative active material comprising, for example, 80 atomic percent silicon, 18 atomic percent iron, and 2 atomic percent manganese.

이후, 상기 제1 내지 제3 분말을 기계적 합금법에 의해 분쇄 및 합금화하여 미세한 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 분포된 음극 활물질 분말을 형성할 수 있다(S20 단계).Thereafter, the first to third powders may be pulverized and alloyed by a mechanical alloying method to form a negative active material powder in which a fine silicon single phase is distributed in a silicon-metal alloy phase (step S20).

예시적인 공정에서, 분쇄 용기 내에 제1 분말, 제2 분말 및 제3 분말을 장입한 후에, 기계적 합금법에 의해 제1 내지 제3 분말들을 혼합, 분쇄 및 미세화할 수 있다. In an exemplary process, after charging the first powder, the second powder, and the third powder into the pulverizing vessel, the first to third powders may be mixed, pulverized and refined by mechanical alloying.

예를 들어, 밀링 용기 내부에 상기 분말들의 혼합물과 밀링 볼을 인입하고, 밀링 에너지에 의해 단시간에 상기 분말들을 분쇄 및 합금화시킬 수 있다. 상기 분말들의 혼합물은 더욱 미세한 사이즈를 갖는 미세 분말들로 분쇄될 수 있다. 특히, 밀링볼의 회전 및 충돌에 의한 충격에 의해 분쇄된 미세 분말들 사이의 미세 단조(forging), 냉간 압접(cold pressure welding), 파쇄(crushing)가 반복적으로 발생할 수 있다. 이에 따라, 미세 분말들이 혼합되는 과정에서 계면 에너지 증가가 구동력이 되어 원자의 고상 확산(solid phase diffusion)이 촉진되며 미세 합금화가 발생할 수 있다. 따라서, 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소가 합금화된 음극 활물질 분말이 형성될 수 있다. 상기 음극 활물질 분말 내에서, 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 균일하게 분포할 수 있고, 제1 첨가 원소는 실리콘-금속 합금상 내부에 치환형 또는 침입형으로 포함되거나 실리콘-금속 합금상과 실리콘 단일상의 계면에 존재할 수 있다.For example, a mixture of the powders and a milling ball may be drawn into the milling vessel, and the milling energy may pulverize and alloy the powders in a short time. The mixture of the powders can be pulverized into finer powders having a finer size. Particularly, forging, cold pressure welding, and crushing may repeatedly occur between the fine powders ground by the rotation of the milling balls and the impact caused by the collision. As a result, the interfacial energy increase becomes a driving force in the process of mixing the fine powders, so that the solid phase diffusion of the atoms is promoted and microalloying may occur. Therefore, a negative electrode active material powder in which silicon, iron and a first additive element are alloyed can be formed. In the negative electrode active material powder, the silicon single phase may be uniformly distributed in the silicon-metal alloy phase, and the first additive element may be substituted or interstitially contained in the silicon-metal alloy phase, And the silicon single phase.

미세 합금화가 진행될수록 상기 분말 내에 형성되는 실리콘 단일상이 미세한 실리콘 단일상으로 변화될 수 있고, 실리콘-금속 합금상을 매트릭스로 하여 미세한 실리콘 단일상이 고르게 분포할 수 있다. 예를 들어, 상기 분쇄 및 합금화 공정에 의해 형성된 음극 활물질 분말은 내부에 실리콘 단일상의 입경이 50nm 이하로 균일하게 분포되어 있을 수 있다. As the microalloying progresses, the silicon single phase formed in the powder can be changed into a fine silicon single phase, and a fine silicon single phase can evenly be distributed using the silicon-metal alloy phase as a matrix. For example, the anode active material powder formed by the pulverization and alloying process may have a uniform particle size of 50 nm or less in the single phase of the silicon.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기계적 합금법은 수직형 어트리션 밀링(vertical attrition milling), 수평형 어트리션 밀링, 볼 밀링, 유성형 밀링(planetary mill) 및 스펙스 밀링(Spex milling)과 같은 밀링 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 기계적 합금법은 수평형 어트리션 밀링 장치를 사용하여 약 200 내지 1800rpm의 속도로 수십 분 내지 수십 시간 동안 수행될 수 있다. In the exemplary embodiments, the mechanical alloying process may be performed by any suitable method, such as vertical attrition milling, horizontal attrition milling, ball milling, planetary milling, and Spex milling. Milling device. For example, the mechanical alloying method may be performed for several tens of minutes to several tens of hours at a speed of about 200 to 1800 rpm using a horizontal-type milling machine.

예시적인 실시예들에 있어서, 각각 회전 속도를 달리하는 두 단계 이상의 밀링 공정들을 반복적으로 수행함에 의해 상기 음극 활물질이 제공될 수도 있다. 특히, 예를 들어, 1300 rpm의 회전 속도로 45초 동안 분쇄하는 제1 단계 및 700 rpm의 회전 속도로 15초 동안 분쇄하는 제2 단계를 반복적으로 수행함에 의해 상기 음극 활물질이 형성될 수도 있다. 전술한 회전 속도와 밀링 시간은 예시적인 것이며, 최종적으로 얻어지는 음극 활물질 분말 입자의 크기 분포, 음극 활물질 내의 실리콘 단일상의 평균 입자 크기 등에 따라 상기 회전 속도와 밀링 시간은 달라질 수 있다. In the exemplary embodiments, the negative electrode active material may be provided by repeatedly performing two or more milling processes with different rotational speeds. Particularly, the negative electrode active material may be formed by repeatedly performing, for example, a first step of pulverizing at a rotation speed of 1300 rpm for 45 seconds and a second step of pulverizing at a rotation speed of 700 rpm for 15 seconds. The rotation speed and the milling time described above are exemplary and the rotation speed and the milling time may vary depending on the size distribution of the finally obtained negative electrode active material powder particles, the average particle size of a single silicon phase in the negative electrode active material, and the like.

예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질 제조 방법에 따르면, 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소 각각의 분말들을 기계적 합금법에 의해 미세화하거나 합금화할 수 있으므로 제조 공정이 용이할 수 있다. 또한, 상기 기계적 합금법에 의하여 미세한 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 균일하게 분포하는 음극 활물질이 제공될 수 있다.According to the method for manufacturing the negative electrode active material according to the exemplary embodiments, the powders of silicon, iron and the first additive element can be refined or alloyed by the mechanical alloying method, so that the manufacturing process can be facilitated. Also, by the mechanical alloying method, a negative electrode active material in which a fine silicon single phase is uniformly distributed in a silicon-metal alloy phase can be provided.

도 2는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of a negative electrode active material according to exemplary embodiments.

도 2를 참조하면, 실리콘을 포함하는 제1 분말 및 철을 포함하는 제2 분말을 용융하고 냉각하여 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 분포된 중간 분말을 형성할 수 있다(S11a 단계). Referring to FIG. 2, the first powder including silicon and the second powder including iron may be melted and cooled to form an intermediate powder in which a single silicon phase is distributed within the silicon-metal alloy phase (step S11a) .

예시적인 공정에서, 용융 용기 내에 실리콘을 포함하는 제1 분말 및 철을 포함하는 제2 분말을 장입한 후, 아크 용융법(arc-melting), 고주파 용융법, 전기 용융법 등을 사용하여 상기 용융 용기를 가열하여 합금 용융물을 형성할 수 있다. 이 때, 용융물의 원치 않는 산화를 방지하기 위하여 진공 분위기, 또는 아르곤, 질소 등의 불활성 가스 분위기에서 용융물을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 용융 용기의 가열 온도는 합금 용융물의 융점보다 적어도 200℃ 이상 높은 온도로 유지할 수 있고, 이에 따라 용융 용기 내의 합금 용융물이 충분히 용융 및 혼합될 수 있게 한다. In an exemplary process, a first powder containing silicon and a second powder containing iron are charged in a melting vessel, and then the molten mixture is melted by arc melting, high-frequency melting, The vessel may be heated to form an alloy melt. At this time, in order to prevent the undesired oxidation of the melt, a melt can be formed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. For example, the heating temperature of the melting vessel can be maintained at a temperature at least 200 ° C above the melting point of the alloy melt, thereby allowing the alloy melt in the melting vessel to be sufficiently melted and mixed.

예시적인 공정에서, 상기 합금 용융물을 멜트 스피닝법 등에 의하여 급냉 응고시켜 리본 합금을 형성하고, 상기 리본 합금을 분쇄하여 실리콘과 철을 포함하는 중간 분말을 형성할 수 있다. In an exemplary process, the alloy melt may be quenched and solidified by a melt spinning method or the like to form a ribbon alloy, and the ribbon alloy may be pulverized to form an intermediate powder containing silicon and iron.

예를 들어, 멜트 스피닝 장치(melt spinner)를 사용하여 리본 합금을 형성하는 예시적인 공정에서, 상기 합금 용융물이 상기 용융 용기로부터 빠른 속도로 회전하는 냉각 롤 상부로 배출되며, 냉각 롤에 접촉한 상기 합금 용융물이 급격한 속도로 냉각 응고되면서 리본 합금 또는 금속 스트랩(strap)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 리본 합금의 냉각 속도는 103 ℃/초 내지 107 ℃/초일 수 있고, 상기 냉각 속도는 냉각 롤의 회전 속도, 재질, 온도 등에 따라 변화할 수 있다. 한편, 합금 용융물이 냉각될 때 조대한 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 분포될 수 있다.For example, in an exemplary process of forming a ribbon alloy using a melt spinner, the alloy melt is discharged from the melt vessel to an upper portion of the rotating roll rotating at a high speed, A ribbon alloy or metal strap can be formed as the alloy melt cools and cools at a rapid rate. For example, the cooling rate of the ribbon alloy may be 10 3 ° C / sec to 10 7 ° C / sec, and the cooling rate may vary depending on the rotation speed, material, temperature, etc. of the cooling roll. On the other hand, a coarse silicon single phase may be distributed inside the silicon-metal alloy phase when the alloy melt is cooled.

용융물의 급냉 응고를 위한 예시적인 공정은, 스프랫 ??치법(splat quench), 원심 급냉법(rotating drum quenching), 쌍롤법(double-roller quenching), 편롤법(chill block melt spinning), 인사이드 캐스팅(inside casting), 용탕 추출법(melt extraction method), 용탕 적하 추출법(pendant drop melt extraction method), 회전 전극법(rotating electrode), 전기 폭발법, 아토마이제이션(gas atomization) 등의 공정들을 포함할 수 있으나, 급냉 응고 공정이 이에 한정되는 것은 아니다.Exemplary processes for rapid quenching of the melt include splat quenching, rotating drum quenching, double-roller quenching, chill block melt spinning, but may include processes such as inside casting, melt extraction method, pendant drop melt extraction method, rotating electrode, electric explosion method, and gas atomization , The quenching and solidifying step is not limited thereto.

이후, 볼 밀링 등의 기계적 분쇄법에 의해 상기 리본 합금을 분쇄하여 상기 중간 분말을 형성할 수 있다. 상기 중간 분말은 약 수십 나노미터 내지 약 수백 마이크로미터의 입자 크기를 가질 수 있다.Thereafter, the ribbon alloy may be pulverized by a mechanical milling method such as ball milling to form the intermediate powder. The intermediate powder may have a particle size of from about several tens nanometers to about several hundred micrometers.

이후, 상기 중간 분말과 제1 첨가원소를 포함하는 제3 분말이 분쇄 용기에 제공될 수 있다(S11b 단계). Thereafter, a third powder containing the intermediate powder and the first additive element may be provided in the crushing vessel (step S11b).

이후, 상기 중간 분말 및 제3 분말을 기계적 합금법에 의해 분쇄 및 합금화하여 미세한 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 분포된 음극 활물질 분말을 형성할 수 있다(S21 단계).Thereafter, the intermediate powder and the third powder may be pulverized and alloyed by a mechanical alloying method to form a negative electrode active material powder in which a fine silicon single phase is distributed in the silicon-metal alloy phase (S21).

상기 음극 활물질 분말을 형성하는 공정은 도 1을 참조로 설명한 공정과 유사할 수 있다. 예를 들어, 수평형 어트리션 밀링, 수직형 어트리션 밀링, 볼 밀링, 유성 밀링, 스펙스 밀링 등에 의해 약 수십 분 내지 수십 시간 동안 상기 중간 분말 및 상기 제3 분말을 분쇄 및 합금화할 수 있다. 밀링 볼의 회전 및 충돌에 의한 충격에 의해 분말들 사이의 미세 단조, 냉간 압접, 파쇄가 반복적으로 발생할 수 있고, 제1 첨가 원소가 실리콘-금속 합금상 내부로 확산될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질 분말 내의 실리콘 단일상이 더욱 미세화될 수 있다.The process of forming the negative electrode active material powder may be similar to the process described with reference to FIG. For example, the intermediate powder and the third powder may be pulverized and alloyed for about several tens to several tens of hours by horizontal attrition milling, vertical attrition milling, ball milling, oil milling, . Fine forging, cold pressing, and fracturing between powders may occur repeatedly due to rotation of the milling balls and impact due to impact, and the first additional element may diffuse into the silicon-metal alloy phase. Further, the single phase of the silicon in the negative electrode active material powder can be made finer.

도 3은 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.3 is a flow chart showing a manufacturing process of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments.

도 3을 참조하면, 실리콘을 포함하는 제1 분말, 철을 포함하는 제2 분말, 및 제1 첨가원소를 포함하는 제3 분말을 용융하고 냉각하여 조대한 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 분포된 중간 분말을 형성할 수 있다(S12 단계).3, a first powder containing silicon, a second powder containing iron, and a third powder containing the first additional element are melted and cooled to form a coarse silicon single phase in the silicon-metal alloy phase (Step S12).

예시적인 공정에서, 상기 용융 및 냉각 공정은 도 2를 참조로 앞서 설명한 S11a 단계와 유사한 공정일 수 있다. In an exemplary process, the melting and cooling process may be a process similar to that of S11a described above with reference to FIG.

이후, 상기 중간 분말을 기계적 합금법에 의해 분쇄 및 합금화하여 미세한 실리콘 단일상이 실리콘-금속 합금상 내부에 분포된 음극 활물질 분말을 형성할 수 있다(S22 단계).Thereafter, the intermediate powder is pulverized and alloyed by a mechanical alloying method to form an anode active material powder in which a fine silicon single phase is distributed within the silicon-metal alloy phase (S22).

이하에서는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 제조 방법에 의해 제조된 이차전지용 음극 활물질 분말의 실험예를 설명한다.Hereinafter, an experimental example of the anode active material powder for a secondary battery manufactured by the method of manufacturing the anode active material according to the exemplary embodiments will be described.

아래의 표 1은 예시적인 실시예들에 따른 이차전지용 음극 활물질의 모합금 형성 조건 및 분쇄 조건을 나타낸다. Table 1 below shows the parent alloy forming conditions and the crushing conditions of the negative electrode active material for a secondary battery according to the exemplary embodiments.

제1 실시예에 따른 음극 활물질들은 철 18 원자%, 실리콘 80 원자% 및 망간 2%를 포함하도록(Si80Fe18Mn2) 준비되었고, 제2 및 제3 실시예들에 따른 음극 활물질들은 각각 철 16 원자%, 실리콘 80 원자% 및 망간 4%를 포함하고, (Si80Fe16Mn4), 철 14 원자%, 실리콘 80 원자% 및 망간 6%를 포함하도록 (Si80Fe14Mn6) 준비되었다. 구체적으로, 제1 실시예에 따른 음극 활물질을 제조하기 위하여, 실리콘을 포함하는 제1 분말 66.83g, 및 철을 포함하는 제2 분말 29.9g 및 망간 3.27g을 칭량하고, 상기 분말들을 유도 용해하여 모합금 용융물을 형성한 후, 상기 용용물을 급냉응고하여 리본 합금을 제조하였다. 제조된 리본 합금은 막자 사발을 이용하여 약 100마이크로미터 이하의 입자 크기를 갖는 분말로 분쇄되었다. 이후, 수평형 어트리션 밀링 장치(Zoz-GmbH사의 Simoloyer CM01)를 사용하여 10시간 동안 분쇄 및 합금화되었다. 상기 분쇄 및 합금화 과정에서, 직경 4.7mm의 크롬 스틸 볼 15kg이 사용되었으며, 1300rpm의 회전 속도로 45초 분쇄되는 제1 단계 및 700 rpm의 회전 속도로 15초 분쇄되는 제2 단계의 반복 수행에 의해 상기 분말에 대하여 10시간 동안 밀링 공정이 가해졌다. 제2 실시예에 따른 음극 활물질을 제조하기 위하여 실리콘 66.87g, 철 26.59g, 망간 6.54g을 칭량하고, 제3 실시예에 따른 음극 활물질을 제조하기 위하여 실리콘 66.9g, 철 23.28g, 망간 9.82g을 칭량하여, 제1 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법과 동일한 공정을 수행하여 음극 활물질들이 준비되었다. The negative electrode active materials according to the first embodiment were prepared so as to contain 18 atomic% of iron, 80 atomic% of silicon and 2% of manganese (Si 80 Fe 18 Mn 2 ), and the negative electrode active materials according to the second and third embodiments include iron 16 at.%, silicon 80 at.% and manganese of 4%, and (Si 80 Fe 16 Mn 4) , iron 14 at.%, (Si 80 Fe 14 Mn 6) to include silicon of 80 at.% and manganese 6% Ready. Specifically, in order to produce the negative electrode active material according to the first embodiment, 66.83 g of the first powder containing silicon, 29.9 g of the second powder containing iron and 3.27 g of manganese were weighed, and the powders were inductively melted After forming the mother alloy melt, the solids were quenched and solidified to produce a ribbon alloy. The produced ribbon alloy was pulverized into powder having a particle size of about 100 micrometers or less using a mortar bowl. Then, it was milled and alloyed for 10 hours using a horizontal attrition milling machine (Simoloyer CM01 from Zoz-GmbH). 15 kg of chromium steel balls having a diameter of 4.7 mm were used in the pulverization and alloying process, and the first step of pulverizing for 45 seconds at a rotation speed of 1300 rpm and the second step of pulverizing for 15 seconds at a rotation speed of 700 rpm The powder was milled for 10 hours. 66.87 g of silicon, 26.59 g of iron and 6.54 g of manganese were weighed to produce the negative electrode active material according to the second embodiment. To manufacture the negative active material according to the third embodiment, 66.9 g of silicon, 23.28 g of iron, 9.82 g of manganese And the negative electrode active materials were prepared by performing the same process as the method of manufacturing the negative active material according to the first embodiment.

비교예에 따른 음극 활물질은 철 20 원자% 및 실리콘 80 원자%를 포함하도록(Si80Fe20) 준비되었으며, 상기 분말들을 아크 용해하고 급냉응고하여 리본 합금을 제조하였다. 이후, 제조된 리본 합금은 막자 사발을 이용하여 약 100마이크로미터 이하의 입자 크기를 갖는 분말로 분쇄되었고, 상기 분말에 대하여 수평형 어트리션 밀링 장치를 이용하여 약 8시간 동안 밀링 공정이 가해졌다. The negative electrode active material according to the comparative example was prepared so as to contain 20 atomic% of iron and 80 atomic% of silicon (Si 80 Fe 20 ). The powder was arc-dissolved and rapidly solidified to prepare a ribbon alloy. Thereafter, the produced ribbon alloy was pulverized into a powder having a particle size of about 100 micrometers or less using a mortar, and the powder was subjected to a milling process for about 8 hours using a horizontal attrition milling apparatus .

조성 Furtherance 분말 제공 방법Method of providing powder 밀링 조건Milling conditions 비교예Comparative Example Si80Fe20Si80Fe20 유도 용해하여 모합금 제조한 후 기계적 분쇄(막자사발을 이용)After induction melting, master alloys were prepared and mechanically pulverized (using a mortar bowl) 수평형 어트리션 밀링, 8hr (1300rpm-45sec, 700rpm-15sec)Horizontal type milling, 8hr (1300rpm-45sec, 700rpm-15sec) 실시예 1Example 1 Si80Fe18Mn2Si80Fe18Mn2 아크용해하여 모합금 제조한 후 기계적 분쇄(막자사발을 이용)Arc-melting to produce parent alloy, followed by mechanical grinding (using a mortar bowl) 수평형 어트리션 밀링, 10hr (1300rpm-45sec, 700rpm-15sec)Horizontal attrition milling, 10 hr (1300 rpm-45 sec, 700 rpm-15 sec) 실시예 2Example 2 Si80Fe18Mn2Si80Fe18Mn2 아크용해하여 모합금 제조한 후 기계적 분쇄(막자사발을 이용)Arc-melting to produce parent alloy, followed by mechanical grinding (using a mortar bowl) 수평형 어트리션 밀링, 10hr (1300rpm-45sec, 700rpm-15sec)Horizontal attrition milling, 10 hr (1300 rpm-45 sec, 700 rpm-15 sec) 실시예 3Example 3 Si80Fe14Mn6Si80Fe14Mn6 아크용해하여 모합금 제조하고 기계적 분쇄(막자사발을 이용)Arc melting to produce parent alloy and mechanical grinding (using a mortar bowl) 수평형 어트리션 밀링, 10hr (1300rpm-45sec, 700rpm-15sec)Horizontal attrition milling, 10 hr (1300 rpm-45 sec, 700 rpm-15 sec)

도 4는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 X선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다. X선 회절분광기(Bruker, D8 focus)를 이용한 40kV, 40mA 조건하에서 CuKα(1.5406Å) 타겟을 사용하여 10-60 도(˚)의 2theta 범위를 주사속도 0.5 도(˚)/분 로 측정하여 X선 회절 패턴을 얻었다. 도 4의 그래프에서 나타나는 회절 피크들의 위치와 회절 강도는 아래의 표 2에 표시되었다.4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments. Using a CuKα (1.5406 Å) target at 40 kV, 40 mA using an X-ray diffraction spectrometer (Bruker, D8 focus), the 2 theta range of 10-60 degrees (˚) was measured at a scanning speed of 0.5 degree (˚) Ray diffraction pattern. The position and diffraction intensity of the diffraction peaks shown in the graph of FIG. 4 are shown in Table 2 below.

제1 피크The first peak 제2 피크The second peak 제1 피크 : 제2 피크
강도 비율
First Peak: Second Peak
Intensity ratio
위치(degree)Location (degree) 회절강도(a.u.)Diffraction intensity (a.u.) 위치(degree)Location (degree) 회절강도(a.u.)Diffraction intensity (a.u.) 비교예Comparative Example 49.2749.27 19221922 38.1938.19 851851 2.26 : 12.26: 1 실시예 1Example 1 49.1249.12 14671467 37.9837.98 787787 1.86 : 11.86: 1 실시예 2Example 2 49.2949.29 13151315 38.0438.04 729729 1.80 : 11.80: 1 실시예 3Example 3 49.0849.08 13071307 37.8637.86 687687 1.90 : 11.90: 1

도 4 및 표 2를 참조하면, 비교예(40) 및 제1 내지 제3 실시예들(41, 42, 43)은 제1 내지 제3 피크(■, ●, ▲)를 나타낸다. 실리콘 단일상은 다이아몬드 큐빅 결정구조(공간군(space group): Fd3(227))를 가지며, 페로실리콘(ferrosilicon, FeSi2) 상은 정방정계 결정구조(tetragonal crystal structure)(공간군: P4/mmm(123))를 가진다. 도 4에서, 제1 피크(■)는 페로실리콘(FeSi2) 상의 결정학적 (102) 면에 의한 회절 피크이며, 제2 피크(●)는 페로실리콘(FeSi2) 상의 결정학적 (101) 면에 의한 회절 피크이다. 또한, 제3 피크(▲)는 페로실리콘(FeSi2) 상의 결정학적 (001) 면에 의한 회절 피크이다. Referring to FIG. 4 and Table 2, the comparative example 40 and the first to third embodiments 41, 42 and 43 show the first to third peaks (?,?,?). Silicon single-phase diamond cubic crystal structure (space group (space group): Fd3 (227 )) having an, ferrosilicon (ferrosilicon, FeSi 2) phase is a tetragonal crystal structure (tetragonal crystal structure) (Space group: P4 / mmm ( 123). In Figure 4, the first peak (■) is a diffraction peak by a surface crystallographic 102 on ferrosilicon (FeSi 2), the second peak (●) is ferrosilicon (FeSi 2) crystallographic 101 on the surface . The third peak (?) Is the diffraction peak due to the crystallographic (001) plane on the ferrosilicon (FeSi 2 ).

한편, 표 2에서 확인할 수 있듯이, 비교예(40)는 제1 피크 및 제2 피크의 회절 강도가 각각 1922 및 851인 반면, 제1 실시예(41)의 경우, 제1 피크 및 제2 피크의 회절 강도가 1467 및 787이다. 또한, 제2 실시예(42)는 각각 1315 및 729의 회절 강도들을 가지며, 제3 실시예(43)는 각각 1307 및 687의 회절 강도들을 갖는다. 따라서, 비교예(40)에 비하여, 제1 내지 제3 실시예들(41, 42, 43)은 모두 현저히 낮은 회절 강도를 가짐을 확인할 수 있다. 이는, 제1 내지 제3 실시예들(41, 42, 43)이 2 내지 6 원자%의 제1 첨가원소(구체적으로는 망간)를 포함하며, 따라서 상기 제1 첨가 원소가 실리콘 단일상 및 상기 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상을 미세화할 수 있기 때문일 수 있다. 구체적으로, 입자 사이즈가 작을수록 회절 피크의 폭(예를 들어, 반가폭(full width at half maximum, FWHM)이 넓어질 수 있고, 이에 따라 회절 피크의 강도가 감소할 수 있다. 특히, 본원 발명의 제1 내지 제3 실시예들(41, 42, 43)에서, 비교예(40)에 비하여 회절 피크의 강도가 현저히 감소한 것은 제1 첨가 원소가 실리콘 단일상 및 실리콘-금속 합금상의 입자 사이즈를 미세화시키기 때문으로 생각된다.On the other hand, as can be seen from Table 2, in the comparative example (40), the diffraction intensities of the first and second peaks were 1922 and 851, respectively, whereas in the case of the first embodiment (41) Of diffraction intensity of 1467 and 787, respectively. In addition, the second embodiment 42 has diffraction intensities of 1315 and 729, respectively, and the third embodiment 43 has diffraction intensities of 1307 and 687, respectively. Therefore, it can be confirmed that the first to third embodiments 41, 42 and 43 have significantly lower diffraction intensity than the comparative example 40. [ This is because the first to third embodiments 41, 42 and 43 include a first addition element (specifically, manganese) of 2 to 6 atomic%, and thus the first addition element is a silicon single phase, It may be possible to refine the silicon-metal alloy phase surrounding the silicon single phase. Specifically, the smaller the particle size, the broader the width of the diffraction peak (for example, the full width at half maximum (FWHM)) and thus the intensity of the diffraction peak can be reduced. The strength of the diffraction peak was remarkably reduced in the first to third embodiments 41, 42 and 43 of the comparative example 40 compared to the comparative example 40 because the first additive element had a grain size of the silicon single phase and the silicon- It is thought that it makes fine.

또한, 제1 실시예(41)에서, 제2 피크대비 제1 피크의 회절 강도는 1.86배이며, 제2 실시예(42) 및 제3 실시예(43)에서는 각각 1.8배 및 1.9배의 회절 강도를 보인다. 반면, 비교예(40)의 경우, 제2 피크대비 제1 피크 회절 강도가 2.26배인 것을 확인할 수 있다. 이러한 회절 강도의 차이가 발생하는 경우는, 제1 내지 제3 실시예들(41, 42, 43)에 따른 음극 활물질의 경우 제1 피크의 회절 강도가 낮아지는 반면 제2 피크의 회절 강도는 커지거나, 제1 피크의 회절 강도의 감소 정도가 큰 반면 제2 피크의 회절 강도의 감소 정도가 미미한 경우에 해당될 수 있다. 이는, 제1 첨가 원소를 포함하는 제1 내지 제3 실시예들(41, 42, 43)의 경우, 제1 첨가 원소가 실리콘-금속 합금상(구체적으로 페로실리콘(FeSi2) 내에서 실리콘 또는 철을 치환하거나 침입하는 방식으로(예를 들어, 침입형 도펀트 또는 치환형 도펀트) 포함될 수 있고, 이에 따라 페로실리콘 결정 구조의 격자 내에 응력(stress)이 작용하여, 이에 의한 왜곡(distortion)이 발생하기 때문으로 생각될 수 있다.In the first embodiment 41, the diffraction intensity of the first peak relative to the second peak is 1.86 times, and in the second and fourth embodiments 42 and 43, the diffraction intensity is 1.8 times and 1.9 times, respectively, It shows strength. On the other hand, in the case of the comparative example (40), it can be confirmed that the first peak diffraction intensity with respect to the second peak is 2.26 times. When such a difference in diffraction intensity occurs, in the case of the negative active material according to the first to third embodiments 41, 42, and 43, the diffraction intensity of the first peak is lowered while the diffraction intensity of the second peak is higher Or the degree of reduction of the diffraction intensity of the first peak is large while the degree of decrease of the diffraction intensity of the second peak is small. This, in the case of the first additional element the first to the third embodiments 41, 42 and 43 including the first additional element is a silicon-metal alloy phase (specifically, ferrosilicon (FeSi 2) silicon or in the (For example, an interstitial dopant or a substitutional dopant) in such a manner that iron is substituted or intruded, whereby stress acts in the lattice of the ferrosilicon crystal structure, thereby causing distortion As shown in Fig.

한편, 표 2에서 확인할 수 있듯이, 비교예(40)는 약 49.27도에서 제1 피크를 보이며, 38.19도에서 제2 피크를 보이는 반면, 제1 실시예(41)는 약 49.12도에서 제1 피크를 보이며 약 37.98도에서 제2 피크를 보인다. 또한, 제3 실시예(43) 역시 약 49.08도에서 제1 피크를 보이고, 약 37.86도에서 제2 피크를 보인다. 이와 같이, 회절 피크의 위치는 최대 약 0.5도 증가하거나 감소할 수 있다. X선 회절 패턴에서 회절 피크의 위치는 면간 거리(즉, 격자 상수)와 관련이 있으므로, 회절 피크의 시프트(shift)는 결정구조의 격자 변형(예를 들어, 수축 또는 팽창)에 기인한 것일 수 있다. 예를 들어 제1 실시예(41)는 비교예(40)에 비하여 제1 피크의 위치가 0.15도, 제2 피크의 위치가 0.21도 감소하는 방향으로 시프트되었으며(X축에 대하여 좌측으로 이동), 이는 제1 첨가 원소에 의하여 실리콘-금속 합금상의 격자가 수축되었기 때문일 수 있다. On the other hand, as can be seen in Table 2, the comparative example 40 shows the first peak at about 49.27 degrees and the second peak at 38.19 degrees, while the first embodiment 41 shows the first peak at about 49.12 degrees, And a second peak at about 37.98 °. In addition, the third embodiment 43 also shows the first peak at about 49.08 degrees and the second peak at about 37.86 degrees. As such, the position of the diffraction peak can be increased or decreased by about 0.5 degrees at the maximum. Since the position of the diffraction peak in the X-ray diffraction pattern is related to the interplanar distance (i.e., lattice constant), the shift of the diffraction peak may be due to lattice strain (e.g., shrinkage or expansion) have. For example, the first embodiment 41 is shifted in the direction of decreasing the position of the first peak by 0.15 degrees and the position of the second peak by 0.21 degrees (shifted to the left with respect to the X axis) as compared with the comparative example 40, , Which may be due to the shrinkage of the lattice of the silicon-metal alloy phase by the first additional element.

도 5a 및 도 5b는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질들의 전기적 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 5a 및 도 5b에는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질들의 비저항을 측정하여 도시하였고, 특히 도 5a에 도시된 제1 내지 제3 실시예들(51, 52, 53)의 비저항 값들은 도 5b에 확대하여 다시 표시되었다. 또한, 압축 하중에 따른 비저항 값들이 아래의 표 3에 표시되었다. 5A and 5B are graphs showing the electrical performance of negative electrode active materials according to exemplary embodiments. Specifically, FIG. 5A and FIG. 5B show the measured resistivity of the negative electrode active materials according to the exemplary embodiments, and particularly show the resistivity values of the first to third embodiments 51, 52 and 53 shown in FIG. 5A Are enlarged and shown again in FIG. 5B. Also, the resistivity values according to the compression load are shown in Table 3 below.

압축 하중에 따른 비저항Resistivity according to compressive load 4kN4kN 8kN8kN 12kN12kN 16kN16kN 20kN20 kN 비교예Comparative Example 16.816.8 4.44.4 2.472.47 1.691.69 1.291.29 실시예 1Example 1 0.150.15 0.080.08 0.050.05 0.040.04 0.040.04 실시예 2Example 2 0.160.16 0.080.08 0.060.06 0.050.05 0.040.04 실시예 3Example 3 0.200.20 0.100.10 0.070.07 0.060.06 0.050.05

도 5a, 도 5b 및 표 3을 참조하면, 제1 내지 제3 실시예들(51, 52, 53)은 4 내지 20 kN의 압축 하중이 인가된 상태에서 약 0.20 Ωcm 이하의 비저항을 나타낸다. 반면, 비교예(50)는 4kN의 압축 하중이 인가된 상태에서 16.8 Ωcm의 비저항을 보인다. 특히, 제1 내지 제3 실시예들(51, 52, 53)은 현저히 감소된 비저항을 나타내며, 이는 제1 첨가 원소가 실리콘 단일상 및 실리콘-금속 합금상을 미세화함에 따라, 음극 활물질 내의 전기 전도도가 현저히 증가하기 때문으로 생각될 수 있다. 이 뿐 아니라, 제1 첨가 원소가 실리콘-금속 합금상 내에 또는 실리콘 단일상과 실리콘-금속 합금상의 계면에 침입형 또는 치환형 도펀트로 포함됨에 따라 전기 전도도 증가에 기여할 수 있는 것으로 생각된다. Referring to FIGS. 5A, 5B, and 3, the first through third embodiments 51, 52, and 53 exhibit a resistivity of about 0.20? Cm or less under a compressive load of 4 to 20 kN. On the other hand, the comparative example (50) shows a resistivity of 16.8? Cm when a compressive load of 4 kN is applied. In particular, the first to third embodiments 51, 52 and 53 exhibit a significantly reduced resistivity, which means that as the first additional element atomizes the silicon single phase and the silicon-metal alloy phase, the electrical conductivity in the anode active material As shown in FIG. Furthermore, it is believed that the first additional element can contribute to the increase in electrical conductivity as it is contained in the silicon-metal alloy phase or as an interstitial or substitutional dopant at the interface between the silicon single phase and the silicon-metal alloy phase.

일반적으로, 실리콘 음극 활물질의 경우 높은 비저항 값에 의해, 충전 및 방전시 전류 흐름에 따른 전압 강하(즉, iR drop)가 증가될 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 있다. 그러나, 제1 내지 제3 실시예들(51, 52, 53)은 현저히 감소된 비저항 값을 가짐에 의해 전술한 전압 강하를 최소화할 수 있으며 이에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 음극 활물질이 구현될 수 있다.Generally, in the case of a silicon anode active material, a voltage drop (i.e., iR drop) due to a current flow during charging and discharging may be increased due to a high specific resistance value, thereby lowering the energy density. However, the first to third embodiments 51, 52, and 53 can minimize the above-described voltage drop by having a significantly reduced resistivity value, and accordingly, a negative electrode active material having a high energy density can be realized .

또한, 일반적으로 음극 활물질과 유기 바인더와 같은 전기 전도성 물질을 포함하는 도전체를 혼합하여 음극 호일 상에 도포하는 방식에 의해 음극 전극을 제조한다. 이때, 통상의 실리콘 음극 활물질의 낮은 비저항에 의해 상기 음극 전극 내에 혼합되는 상기 도전체의 함량이 높아지는 경우, 상기 음극 전극을 포함하는 이차전지의 용량은 감소할 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질은 현저히 감소된 비저항값을 가짐에 따라 상기 도전체 함량도 감소할 수 있고, 이에 따라 높은 용량을 갖는 상기 이차전지가 제공될 수 있다.In addition, a negative electrode is generally manufactured by mixing a negative electrode active material and a conductor including an electrically conductive material such as an organic binder and applying the mixture onto a negative electrode foil. At this time, when the content of the conductive material mixed in the negative electrode increases due to the low resistivity of the conventional silicon negative electrode active material, the capacity of the secondary battery including the negative electrode may be reduced. However, the negative electrode active material according to the exemplary embodiments has a significantly reduced resistivity value, so that the conductor content can also be reduced, so that the secondary battery having a high capacity can be provided.

도 6은 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 전기화학적 성능을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 6에는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질들의 사이클 횟수에 따른 방전 용량을 측정하여 도시하였고, 초기 효율(%), 초기 방전 용량(또는 2회 사이클에서의 방전 용량)(mAh/g), 100회 방전 용량(mAh/g) 및 수명 유지율(%)이 아래의 표 4에 표시되었다. 6 is a graph showing the electrochemical performance of the negative electrode active material according to the exemplary embodiments. 6, the discharge capacity according to the number of cycles of the negative electrode active materials according to the exemplary embodiments is measured and shown. The initial efficiency (%), the initial discharge capacity (or the discharge capacity in two cycles) g), 100 times discharge capacity (mAh / g) and life retention rate (%) are shown in Table 4 below.

구체적으로, 비교예 및 제1 내지 제3 실시예들에 따른 음극 활물질을 사용하여, 리튬 메탈을 기준전극으로 하는 코인타입 하프셀을 제조하였으며, 제1 사이클은 0.1 C의 전류 밀도로, 제2 사이클은 0.2 C의 전류 밀도로, 제3 사이클 내지 제100 사이클은 1C의 전류 밀도로 충전 및 방전을 반복 수행하였다.Specifically, using the negative electrode active material according to the comparative example and the first to third embodiments, a coin type half cell having a lithium metal as a reference electrode was manufactured. The first cycle had a current density of 0.1 C, The cycle was repeatedly charged and discharged at a current density of 0.2 C, and the third cycle to the 100th cycle at a current density of 1C.

초기효율 (%)Initial efficiency (%) 초기 방전용량 (mAh/g)Initial discharge capacity (mAh / g) 100회 방전용량 (mAh/g)100 discharge capacity (mAh / g) 수명유지율 (%)Life Retention Rate (%) 비교예Comparative Example 86.086.0 945.7945.7 634.2634.2 67.167.1 실시예 1Example 1 80.880.8 672.8672.8 574.8574.8 85.485.4 실시예 2Example 2 83.683.6 782.7782.7 606.5606.5 77.577.5 실시예 3Example 3 83.383.3 783.4783.4 584.5584.5 74.674.6

도 6 및 표 4를 참조하면, 제1 내지 제3 실시예들(61, 62, 63)은 비교예(60)에 비하여 우수한 사이클 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 내지 제3 실시예(61, 62, 63)은 85.4%. 77.5% 및 74.6%의 우수한 수명 유지율(cycle retention)(%)을 보이는 반면, 비교예(60)는 67.1%의 수명 유지율을 보인다. 전술한 바와 같이, 제1 내지 제3 실시예들(61, 62, 63)에 제1 첨가 원소가 포함될 때, 실리콘 단일상 및 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상이 미세화될 수 있고, 이에 따라 실리콘 단일상에 리튬 이온이 삽입 또는 탈리됨에 따라 발생하는 실리콘 단일상의 부피 팽창을 상기 실리콘-금속 합금상이 효과적으로 완충할 수 있기 때문이다. 따라서, 제1 첨가 원소가 포함된 제1 내지 제3 실시예들(61, 62, 63)은 우수한 수명 특성을 보임을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 4, it can be seen that the first through third embodiments 61, 62 and 63 exhibit excellent cycle performance as compared with the comparative example 60. Specifically, 85.4% of the first to third embodiments 61, 62, and 63 are. 77.5% and 74.6%, respectively, while the comparative example 60 shows a life retention rate of 67.1%. As described above, when the first additional element is included in the first to third embodiments 61, 62 and 63, the silicon-metal alloy phase surrounding the silicon single phase and the silicon single phase can be refined, This is because the silicon-metal alloy phase can effectively buffer the volume expansion of the single phase of silicon that occurs as lithium ions are inserted or removed from the single phase of silicon. Therefore, it can be seen that the first to third embodiments 61, 62 and 63 including the first additional element have excellent lifetime characteristics.

한편, 제1 내지 제3 실시예들(61, 62, 63)은 비교예(60)에 비하여 다소 낮은 초기 효율 및 초기 방전 용량을 보임을 알 수 있다. 이는, 제1 내지 제3 실시예들(61, 62, 63)에 제1 첨가 원소가 포함되기 때문에, 상기 음극 활물질을 충전/방전함에 의해 리튬 이온이 삽입/탈리될 수 있는 액티브 영역으로 작용하는 실리콘 및 철의 함량이 다소 감소하기 때문으로 생각할 수 있다.On the other hand, it can be seen that the first to third embodiments 61, 62 and 63 show a somewhat lower initial efficiency and initial discharge capacity as compared with the comparative example 60. [ This is because the first to third embodiments 61, 62, and 63 include the first additive element, so that it acts as an active region in which lithium ions can be inserted / desorbed by charging / discharging the negative active material It can be considered that the content of silicon and iron is somewhat reduced.

도 7a 내지 도 7c는 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질의 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지들이다. 구체적으로, 도 7a 내지 도 7c에는 사이클 테스트 수행 전, 제1회 충전 이후 및 제50회 방전 이후의 음극 활물질을 사용한 전극들의 SEM 이미지들이 도시된다.7A to 7C are scanning electron microscopy (SEM) images of an anode active material according to exemplary embodiments. Specifically, FIGS. 7A to 7C show SEM images of the electrodes using the negative electrode active material before the cycle test, after the first charge, and after the 50th discharge.

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 사이클 테스트 수행 전의 음극 활물질 전극은 약 22 마이크로미터의 전극 두께를 보이는 반면, 1회 충전한 이후에 약 31.4 마이크로미터의 전극 두께를 보여, 충전에 의하여 음극 활물질 전극의 부피 팽창이 초기 두께의 50% 이하로 발생함을 확인할 수 있다. 통상의 실리콘 음극 활물질의 경우 충전시(즉, 리튬 이온이 삽입될 때) 부피 팽창이 약 400%에 이르는 것과 비교하면, 예시적인 실시예들에 따른 음극 활물질은 부피 팽창이 현저히 감소될 수 있음을 알 수 있다. 이는, 전술한 것과 같이 예시적인 실시예들에 포함된 제1 첨가 원소가 실리콘 단일상을 미세하고 균일하게 분포시킴으로써, 매트릭스로 작용하는 실리콘-금속 합금상이 실리콘 단일상의 부피 팽창을 효과적으로 완충시킬 수 있기 때문인 것으로 생각될 수 있다. 또한, 도 7c를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따르면, 제50회 사이클 이후에도 음극 활물질 표면에 균열 또는 미분화가 발생하지 않았으며, 31.8 마이크로미터의 전극 두께를 보여 전극 두께에도 큰 변화가 없음을 확인할 수 있다.7A to 7C, the negative electrode active material electrode before the cycle test showed an electrode thickness of about 22 micrometers, while the electrode thickness after about one time of charging was about 31.4 micrometers, and the negative active material electrode Of the initial thickness is less than 50% of the initial thickness. Compared to a conventional silicon anode active material, which has a volume expansion of about 400% at the time of charging (i.e., when lithium ions are inserted), the negative electrode active material according to the exemplary embodiments can be significantly reduced in volume expansion Able to know. This is because, as described above, the first additional element included in the exemplary embodiments finely and uniformly distributes the single-phase silicon so that the silicon-metal alloy phase acting as the matrix can effectively buffer the volume expansion of the single- As shown in FIG. Referring to FIG. 7C, according to the exemplary embodiments, no cracks or undifferentiated state occurred on the surface of the negative electrode active material after the 50th cycle, and the electrode thickness was 31.8 micrometers. Can be confirmed.

도8은 예시적인 실시예2에 따른 음극 활물질의 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 이미지이다. 50nm 이하의 평균 결정 입자크기를 갖는 실리콘 단일상 및 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상으로 구성된 것을 확인 할 수 있다. FIG. 8 is a transmission electron microscopy (TEM) image of an anode active material according to Exemplary Embodiment 2. FIG. And a silicon-metal alloy phase surrounding the silicon single phase and the silicon single phase having an average crystal grain size of 50 nm or less.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (5)

실리콘을 포함하는 제1 분말, 철을 포함하는 제2 분말 및 제1 첨가 원소를 포함하는 제3 분말의 혼합물을 제공하는 단계; 및
기계적 합금법에 의해 상기 혼합물을 분쇄하고 미세화하여, 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소를 포함하는 음극 활물질을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 제1 첨가 원소는 보론, 카본, 인, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 및 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 원소이며,
상기 기계적 합금법에 의해 50 nm 이하의 평균 결정 입자 크기를 갖는 실리콘 단일상 및 상기 실리콘 단일상을 둘러싸는 실리콘-금속 합금상을 포함하는 상기 음극 활물질이 형성되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조 방법.
Providing a mixture of a first powder comprising silicon, a second powder comprising iron and a third powder comprising a first additive element; And
Pulverizing and finely grinding the mixture by a mechanical alloying method to form a negative electrode active material containing silicon, iron and a first additive element,
Wherein the first additive element is an element selected from the group consisting of boron, carbon, phosphorus, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum,
Wherein the negative electrode active material is formed by the mechanical alloying method, the negative active material including a silicon single phase having an average crystal grain size of 50 nm or less and a silicon-metal alloy phase surrounding the single silicon phase .
제1항에 있어서,
상기 기계적 합금법은 수직형 어트리션 밀링, 수평형 어트리션 밀링, 볼 밀링, 유성형 밀링(planetary mill) 및 스펙스 밀링(Spex milling) 중 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mechanical alloying method is performed by any one of vertical attrition milling, horizontal attrition milling, ball milling, planetary milling and Spex milling. Way.
제1항에 있어서,
상기 혼합물을 제공하는 단계는,
상기 제1 분말, 상기 제2 분말 및 상기 제3 분말을 분말 형태로 분쇄 용기 내에 혼입함으로써 상기 혼합물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein providing the mixture comprises:
Providing the mixture by mixing the first powder, the second powder and the third powder in a powder form into the pulverizing vessel.
제1항에 있어서,
상기 혼합물을 제공하는 단계는,
상기 제1 분말 및 상기 제2 분말을 용융하고 냉각하여 형성된 실리콘 및 철을 포함하는 중간 분말 및 상기 제3 분말을 분쇄 용기에 혼입함으로써 상기 혼합물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein providing the mixture comprises:
Providing an intermediate powder comprising silicon and iron formed by melting and cooling the first powder and the second powder and mixing the third powder into a pulverizing vessel to provide the mixture. Gt;
제1항에 있어서,
상기 혼합물을 제공하는 단계는,
상기 제1 분말, 상기 제2 분말 및 상기 제3 분말을 용융하고 냉각하여 형성된 실리콘, 철 및 제1 첨가 원소를 포함하는 중간 분말을 분쇄 용기에 혼입함으로써 상기 혼합물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein providing the mixture comprises:
Providing the mixture by mixing an intermediate powder comprising silicon, iron and a first additive element formed by melting and cooling the first powder, the second powder and the third powder into a pulverizing vessel By weight based on the total weight of the negative electrode active material.
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