KR20170041994A - Silicon composite active material for lithium secondary battery and manufacturing method therof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and to a manufacturing method thereof, which comprises the following steps of: (A) bonding titanium dioxide particles to a part or a whole surface of silicon particles, to form a silicon-titanium dioxide composite; (B) coating a surface of the silicon-titanium dioxide composite with a polymeric material; and (C) carbonizing coated polymer material by heat treatment under an inert gas atmosphere, to form a carbon coating layer, thereby providing high capacity and high output of a lithium secondary battery, and being used for a long time, while having excellent thermal stability.

Description

리튬 이차전지용 실리콘 복합체 활물질 및 이의 제조방법{Silicon composite active material for lithium secondary battery and manufacturing method therof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a silicon composite active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬 이차전지의 고용량 및 고출력을 부여하고 장시간 사용이 가능할 뿐만 아니라 열적 안정성이 우수한 리튬 이차전지용 실리콘 복합체 음극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an anode active material for a lithium secondary battery for a lithium secondary battery, which is capable of imparting a high capacity and a high output of a lithium secondary battery and can be used for a long time and has excellent thermal stability, and a method for manufacturing the anode active material.

실리콘계 음극 활물질은 흑연계 음극 활물질에 비해 높은 용량을 나타내어 차세대 음극소재로 대체할 수 있다. The silicon based anode active material has a higher capacity than the graphite based anode active material and can be replaced with a next generation anode material.

상기 실리콘계 음극 활물질이 리튬과 결합하면 이론용량은 4200 mAh/g (Li4.4Si)으로서 탄소계 음극 활물질(372 mAh/g, LiC6)에 비해 큰 용량을 나타내 차세대 음극 활물질 소재로 각광받고 있다. 하지만, 상기 실리콘계 음극 활물질이 리튬과 결합할 경우 300% 이상의 부피팽창이 발생하여 활물질 파쇄(pulverization)를 야기하며, 파쇄된 음극 활물질은 전극 집전체로부터 탈리되어 사이클이 지속되는 동안 비가역 용량이 증가하게 되어 사이클 수명과 전지 용량이 저하된다. When the silicon-based anode active material is combined with lithium, the theoretical capacity is 4200 mAh / g (Li 4.4 Si), which is larger than the carbon-based anode active material (372 mAh / g, LiC 6 ). However, when the silicon-based negative electrode active material is combined with lithium, a volume expansion of more than 300% occurs to cause pulverization of the active material, and the crushed negative active material is removed from the electrode current collector to increase the irreversible capacity And the cycle life and the battery capacity are lowered.

또한, 실리콘계 음극 활물질은 전도도가 낮은 문제점이 있어, 이로 인해 탄소계 활물질에 비해 실리콘계 음극 활물질의 출력 특성이 저하된다. In addition, the silicon-based anode active material has a problem of low conductivity, so that the output characteristics of the silicon-based anode active material are lowered compared with the carbon-based active material.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 종래의 실리콘계 음극 활물질은 실리콘과 탄소계, 실리콘과 각종 금속 등을 단순히 혼합하거나 피복, 도핑, 합금하는 방법으로 제조하였다. 구체적으로, 실리콘 입자의 표면에 비흑연성 탄소계로 구성되는 피복층을 코팅하는 방법(일본특허공개 제2004-259475호), 흑연입자와 실리콘 입자 또는 리튬 분말을 혼합하여 음극을 제조하는 방법(미국특허 제5,888,430호), 범용 실리콘 금속분말을 질소 분위기에서 미분화하여 실리콘 미립자와 흑연을 혼합하는 방법(Yoshio, M. et al., J. of Power Sources, 136(2004)108), 미립자 실리콘과 탄소를 혼합한 후, 열분해 기상 성장법으로 탄소를 피복하는 방법(M. Yamada et al., Hitachi Maxell Ltd., Japan), 졸-겔(Sol-Gel)방법으로 비정질 Si-C-O 음극소재를 제조하는 방법(T. Morita, Power Supply & Devices Lab., Toshiba Co., Japan), 실리콘(Silicone), 흑연(Graphite), 금속(Metal, Ag, Ni, Cu)으로 구성된 음극소재를 기계적 합금 방법으로 제조하는 방법(S. Kugino et al., Dept. of Applied Chem. Saga Univ., Japan), 범용 실리콘 입자 표면에 무전해 구리도금하는 방법(J.W. Kim et al., Seoul National Univ., Korea), n-형(n-type) 실리콘에 크롬(Cr)을 도핑하여 전도성 및 싸이클 안정성을 향상시키는 방법(Dept. of Applied Chem., Oita Univ., Japan), 실리콘 입자 표면에 금속산화물인 이산화티타늄을 코팅하는 방법(J. Mater. Chem., 22, 7999, 2012), 전기방사 방법과 졸-겔 방법을 통하여 실리콘-이산화티타늄-탄소층을 갖는 나노섬유 복합체를 제조하는 방법(J. Power Sources, 258, 39, 2014), 및 코어쉘 구조의 실리콘-이산화티타늄-탄소 구조의 다공성 초미세 합성섬유체 제조(ACS Nano ., 8, 2977, 2014) 방법 등이 있다.In order to overcome such a problem, a conventional silicon based anode active material is prepared by simply mixing silicon, carbon, silicon and various metals, or coating, doping or alloying. Specifically, a method of coating a coating layer made of a non-graphitic carbon-based material on the surface of silicon particles (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-259475), a method of producing a negative electrode by mixing graphite particles and silicon particles or lithium powder (Yoshio, M. et al., J. of Power Sources , 136 (2004) 108), a method of mixing microparticulate silicon with carbon black A method for producing an amorphous Si-CO cathode material by a method of coating carbon by pyrolysis vapor growth method (M. Yamada et al., Hitachi Maxell Ltd. , Japan), sol-gel method (T. Morita, Power Supply & Devices Lab., Toshiba Co., Japan), silicon (Silicone), graphite, and metals (Metal, Ag, Ni and Cu) Method (S. Kugino et al., Dept. of Applied Chem., Saga Univ., Japan) A method of electroless copper plating on the surface (JW Kim et al., Seoul National Univ., Korea), a method of improving the conductivity and cycle stability by doping n-type silicon with Cr ( J. Mater. Chem ., 22, 7999, 2012), a method of coating the surfaces of silicon particles with a titanium oxide, which is a metal oxide, by electrospinning and sol- ( J. Power Sources , 258, 39, 2014), and a process for producing a porous microfine fiber body of a core-shell structure of a silicon-titanium dioxide-carbon structure ( ACS Nano . , 8, 2977, 2014).

하지만 상기 방법들은 제조공정이 복잡하며, 상용화하기 어렵고, 고비용일 뿐만 아니라, 전기 전도도가 충/방전을 만족시킬 만큼 높지 않고, 계속되는 전지의 충/방전 반응에서 전지의 용량 및 사이클 특성이 감소되는 경향이 있다. However, these methods are complicated in the manufacturing process, are difficult to commercialize, are not only costly, but also have a tendency that the electric capacity and cycle characteristics of the battery are decreased in the charge / discharge reaction of the subsequent battery because the electric conductivity is not high enough to satisfy charge / .

따라서, 실리콘 입자를 이용하여도 상기와 같은 문제점이 발생되지 않는 새로운 실리콘계 음극 활물질이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a novel silicon-based anode active material which does not cause the aforementioned problems even when silicon particles are used.

일본특허공개 제2004-259475호Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-259475 미국특허 제5,888,430호U.S. Patent No. 5,888,430

J. of Power Sources, 136(2004)108J. of Power Sources, 136 (2004) 108 J. Mater. Chem., 22, 7999, 2012J. Mater. Chem., 22, 7999, 2012 J. Power Sources, 258, 39, 2014J. Power Sources, 258, 39, 2014 ACS Nano., 8, 2977, 2014ACS Nano., 8, 2977, 2014

본 발명의 목적은 리튬 이차전지의 고용량 및 고출력을 부여하고 장시간 사용이 가능할 뿐만 아니라 열적 안정성이 우수한 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a negative electrode active material for a rechargeable lithium battery, which is capable of imparting a high capacity and a high output of a lithium secondary battery and can be used for a long time, and is excellent in thermal stability.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 음극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the negative electrode active material.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 음극 활물질을 이용한 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a lithium secondary battery using the negative electrode active material.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 리튬 이차전지를 포함하는 장치를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide an apparatus including the lithium secondary battery.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하는 방법은 (A) 리튬 이차전지의 충/방전 시 발생하는 실리콘의 미분화 억제 및 구조적 변화인 부피 팽창을 억제하는 버퍼 매트릭스 역할을 하며, 이를 통해 전지 수명 및 율특성을 향상시켜 이차전지의 용량 및 사이클 수명을 향상시키기 위하여 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자를 결합시켜 실리콘-이산화티타늄 복합체를 형성시키는 단계;In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing an anode active material for a lithium secondary battery, comprising the steps of: (A) suppressing undifferentiation of silicon generated during charging / discharging of a lithium secondary battery and acting as a buffer matrix for suppressing volume expansion, Forming a silicon-titanium dioxide composite by bonding titanium dioxide particles to part or whole of the surface of the silicon particles to improve capacity and cycle life of the secondary battery by improving battery life and rate characteristics;

(B) 상기 실리콘-이산화티타늄 복합체의 표면을 고분자 물질로 코팅시키는 단계; 및(B) coating the surface of the silicon-titanium dioxide composite with a polymeric material; And

(C) 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하여 상기 코팅된 고분자 물질을 탄화시켜 탄소 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 구조에서 코팅된 탄소층에 의해 전극 표면에 안정한 부동태피막 형성 및 부반응 억제로 사이클 효율을 증가시키며 전도도 향상으로 전기화학적 특성을 향상시켜 리튬 이차전지의 성능을 향상시킨다. (C) heat treating the coated polymeric material in an inert gas atmosphere to carbonize the coated polymeric material to form a carbon coating layer. By the carbon layer coated in the silicon-titanium dioxide-carbon composite structure, a stable passivation film is formed on the surface of the electrode and the side reaction is suppressed to increase the cycle efficiency and the electrochemical characteristics are improved by improving the conductivity, thereby improving the performance of the lithium secondary battery.

상기 (A)단계에서 실리콘 입자와 이산화티타늄 입자는 5:1 내지 110:1의 중량비로 혼합될 수 있다.In the step (A), the silicon particles and the titanium dioxide particles may be mixed in a weight ratio of 5: 1 to 110: 1.

상기 (B)단계에서 고분자 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl Methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 스쿠로오스(sucrose), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 에폭시 수지(epoxy resin), 구연산(citric acid), 페놀레조노시놀 포름알데히드 수지(phenolresorcinol-formaldehyde resin), 페놀 포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.In the step (B), the polymer material may be at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyaniline, The resin may be selected from the group consisting of sucrose, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, epoxy resin, citric acid, phenolresonosinol formaldehyde resin ( phenolresorcinol-formaldehyde resin, phenol-formaldehyde resin, or a mixture thereof.

상기 (B)단계에서 실리콘-이산화티타늄 복합체와 고분자 물질은 1:99 내지 99:1의 중량비로 혼합될 수 있다.In the step (B), the silicon-titanium dioxide complex and the polymer material may be mixed at a weight ratio of 1:99 to 99: 1.

상기 (C)단계에서 열처리는 T1에서 T2까지 승온시켜 수행되고, 상기 T1은 70 내지 90 ℃ 사이의 어느 한 온도이며, 상기 T2는 600 내지 900 ℃ 사이의 어느 한 온도일 수 있다.In the step (C), the heat treatment is performed by raising the temperature from T1 to T2, T1 is any temperature between 70 and 90 degrees Celsius, and T2 is any temperature between 600 and 900 degrees Celsius.

상기 (C)단계에서 열처리는 3 내지 10 ℃/분의 승온 속도로 수행되고 T2까지 승온 후 동일한 온도에서 1 내지 10시간 유지될 수 있다.In the step (C), the heat treatment may be performed at a temperature raising rate of 3 to 10 ° C / min and may be maintained at the same temperature for 1 to 10 hours after the temperature rise to T2.

상기 (C)단계에서의 열처리 전에 T1에서 고분자 물질이 코팅된 실리콘-이산화티타늄-고분자 복합체가 건조될 수 있다.The silicone-titanium dioxide-polymer composite coated with the polymer material at T1 may be dried before the heat treatment in the step (C).

상기 (C)단계에서 불활성 가스는 헬륨 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 네온 가스 또는 이들 2종 이상의 혼합 가스일 수 있다.In the step (C), the inert gas may be a helium gas, an argon gas, a nitrogen gas, a neon gas, or a mixture of two or more gases.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 음극 활물질은 상기 제조방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로 실리콘 입자; 상기 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자가 도포된 실리콘-이산화티타늄 복합체; 및 상기 실리콘-이산화티타늄 복합체 표면에 코팅되어 있는 탄소 코팅층;을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a negative electrode active material according to the above method, A silicon-titanium dioxide composite to which titanium dioxide particles are applied on a part or entire surface of the silicon particles; And a carbon coating layer coated on the surface of the silicon-titanium dioxide composite.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차전지는 양극 활물질을 포함하는 양극; 상기 제조된 음극 활물질 및 바인더를 포함하는 음극; 상기 양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막; 및 리튬염을 포함하는 전해질;을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including: a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode comprising the negative active material and the binder; A separation membrane for preventing a short circuit between the anode and the cathode; And an electrolyte comprising a lithium salt.

상기 바인더는 폴리아크릴산, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로프렌 고무, 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 메틸렌(EPDM), 아크릴계 고무 및 불소계 점탄성체(Fluoroelastomer)로 이루어진 군에서 선택된 1 이상일 수 있다.The binder is selected from the group consisting of polyacrylic acid, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), butadiene rubber, isoprene rubber, polysulfide rubber, chloroprene rubber, polyurethane rubber, silicone rubber, ethylene propylene diene methylene ), An acrylic rubber, and a fluoroelastomer.

상기 음극은 도전성 탄소, 도전성 금속 또는 도전성 고분자인 도전재를 더 포함할 수 있다.The cathode may further include a conductive material that is conductive carbon, a conductive metal, or a conductive polymer.

상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The lithium salt may be at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiSbF 6 and LiAsF 6 .

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차전지를 포함하는 장치는 상기 리튬 이차전지를 포함하는 수송장치 또는 에너지 저장장치일 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus including the lithium secondary battery according to the present invention, which may be a transport device or an energy storage device including the lithium secondary battery.

본 발명의 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체는 종래 실리콘계 음극 활물질에서 발생하던 충/방전시 부피 팽창, 전극 표면의 불안정한 부동태피막(solid electrolyte interface, SEI) 형성, 활물질 파쇄(pulverization) 및 낮은 전기 전도도를 해결할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체는 탄소 코팅층에 의하여 충/방전 시 안정한 고체 전해질 계면막을(SEI) 형성하여 사이클 효율을 증가시키며 이차전지 내의 전기 전도도를 향상시킨다. 또한, 본 발명에서는 실리콘-이산화티타늄 복합체 구조가 충/방전 시 부피 팽창을 억제하며, 실리콘-이산화티타늄 복합체 표면에 탄소가 코팅됨으로써 실리콘의 부피 팽창에도 탄소 코팅층을 안정하게 유지할 수 있다. The silicon-titanium dioxide-carbon composite of the present invention exhibits a volume expansion during charging / discharging, an unstable solid electrolyte interface (SEI) formation, an active material pulverization and a low electric conductivity, which are generated in the conventional silicon based anode active material Can be solved. Specifically, the silicon-titanium dioxide-carbon composite of the present invention forms a solid electrolyte interfacial layer (SEI) that is stable during charging / discharging by the carbon coating layer, thereby increasing cycle efficiency and improving electrical conductivity in the secondary battery. In addition, in the present invention, the silicon-titanium dioxide composite structure suppresses volume expansion during charging / discharging, and carbon coating on the surface of the silicon-titanium dioxide composite can stably maintain the carbon coating layer in the volume expansion of silicon.

본 발명의 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 위에 안정한 고체 전해질 계면막 형성과 전기 전도도 향상으로 충/방전 효율 및 사이클 특성이 향상된다.The charge / discharge efficiency and cycle characteristics are improved by forming a stable solid electrolyte interface film and improving the electrical conductivity on the silicon-titanium dioxide-carbon composite of the present invention.

뿐만 아니라, 본 발명은 충/방전 특성 향상 및 용량 유지율이 높을 뿐만 아니라, 제조 공정이 단순하며 저비용으로 성능이 우수한 음극 활물질을 제공할 수 있으므로 리튬 이차전지의 성능 향상 및 대량으로 생산이 용이하다. In addition, since the present invention can provide a negative electrode active material having improved charging / discharging characteristics and a high capacity retention ratio as well as a simple manufacturing process and a low cost, it is easy to improve the performance and mass production of the lithium secondary battery.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘 입자와 이산화티타늄 입자가 결합하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 실리콘-이산화티타늄 복합체의 표면에 고분자물질이 코팅되는 과정으로 나타낸 도면이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 음극 활물질의 이미지이다.
도 1d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 음극 활물질의 이미지이다.
도 2a는 실리콘 입자를 측정한 TEM이미지이며, 도 2b는 이산화티타늄 입자를 측정한 TEM이미지이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이다.
도 3c 및 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이다.
도 3e 및 3f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이다.
도 3g 및 3h는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이다.
도 4a-f는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 반전지의 충/방전 특성을 나타낸 그래프이다.
FIG. 1A is a view illustrating a process of bonding silicon particles and titanium dioxide particles according to an embodiment of the present invention.
1B is a view illustrating a process of coating a polymeric material on a surface of a silicon-titanium dioxide composite according to an embodiment of the present invention.
1C is an image of a silicon-dioxide-carbon composite anode active material prepared according to an embodiment of the present invention.
1D is an image of a silicon-titanium dioxide-carbon composite anode active material prepared according to another embodiment of the present invention.
2A is a TEM image of silicon particles, and FIG. 2B is a TEM image of titanium dioxide particles.
FIGS. 3A and 3B are TEM images of silicon-titanium dioxide-carbon composites prepared according to an embodiment of the present invention, according to the magnification. FIG.
FIGS. 3c and 3d are TEM images of silicon-titanium dioxide-carbon composites prepared according to another embodiment of the present invention, according to the magnification.
3E and 3F are TEM images of the silicon-titanium dioxide-carbon composite prepared according to another embodiment of the present invention, measured according to the magnification.
Figures 3g and 3h are TEM images of silicon-titanium dioxide-carbon composites prepared according to yet another embodiment of the present invention, measured according to magnification.
4A-4F are graphs illustrating charge / discharge characteristics of a half-cell fabricated according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

본 발명은 리튬이차전지의 고용량 및 고출력을 부여하고 장시간 사용이 가능할 뿐만 아니라 열적 안정성이 우수한 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which is capable of imparting a high capacity and a high output of a lithium secondary battery and can be used for a long time, and also has excellent thermal stability, and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명은 실리콘 음극 활물질이 가지는 부피팽창 및 낮은 전도도 문제점을 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체로 극복하였다.
In addition, the present invention overcomes the problems of volume expansion and low conductivity of a silicon anode active material with a silicon-titanium dioxide-carbon composite.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하는 방법은 (A) 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자를 결합시켜 실리콘-이산화티타늄 복합체를 형성하는 단계(도 1a); (B) 상기 실리콘-이산화티타늄 복합체의 표면을 고분자 물질로 코팅하는 단계(도 1b); 및 (C) 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하여 상기 코팅된 고분자 물질을 탄화시킴으로써 탄소 코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.The method for producing an anode active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises the steps of: (A) bonding a titanium dioxide particle to a part or whole surface of a silicon particle to form a silicon-titanium dioxide composite (FIG. (B) coating the surface of the silicon-titanium dioxide composite with a polymeric material (FIG. 1B); And (C) heating the coated polymeric material in an inert gas atmosphere to carbonize the coated polymeric material, thereby forming a carbon coating layer.

먼저, 상기 (A)단계에서는 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자가 구비되도록 물리적으로 결합시킴으로써 실리콘-이산화티타늄 복합체를 형성한다. In step (A), a silicon-titanium dioxide composite is formed by physically bonding titanium dioxide particles to a part or whole surface of the silicon particles.

상기 물리적 결합은 볼밀링을 의미하는 것으로서, 볼밀링을 통하여 이산화티타늄 입자가 실리콘 입자 표면에 결합된다. 상기 실리콘 입자와 이산화티타늄 입자의 물리적 결합은 리튬 이차전지의 충/방전 시 이산화티타늄 입자가 리튬화(lithiated) 실리콘과(Li4.4Si)전해질 간에 발생하는 발열 반응을 억제시켜 열적 안정성을 향상시키며, 방전 시 이산화티타늄 입자에 리튬이 삽입되어(in-situ) 전기전도도 향상으로 실리콘의 비가역 반응을 줄일 수 있다. 아나타제 이산화티타늄은 약 1.5-2.0 V (vs. Li+/Li) 범위에서 리튬과 가역적으로 반응하며, 10-9 내지 10-7 Scm-1의 전기전도도를 나타내고, 이산화티타늄 내에 리튬이 삽입되면(LixTiO2) 전기전도도가 향상된다.The physical coupling means ball milling, in which titanium dioxide particles are bonded to the surface of the silicon particles through ball milling. The physical bonding between the silicon particles and the titanium dioxide particles suppresses an exothermic reaction occurring between the lithiated silicon and the (Li 4.4 Si) electrolyte during charging / discharging of the lithium secondary battery, thereby improving the thermal stability, Lithium is inserted into the titanium dioxide particles during discharge to improve the electrical conductivity and reduce the irreversible reaction of the silicon. The anatase titanium dioxide reversibly reacts with lithium in the range of about 1.5-2.0 V (vs. Li + / Li) and exhibits an electrical conductivity of 10 -9 to 10 -7 Scm -1 . When lithium is incorporated into the titanium dioxide (Li x TiO 2 ) electrical conductivity is improved.

상기 실리콘 입자와 이산화티타늄 입자의 물리적 결합으로 제조된 실리콘-이산화티타늄 복합체는 구조 내에 작은 기공을 형성하여 리튬의 이동경로를 짧게 해줌으로써 리튬 이차전지의 율특성 및 충/방전 사이클 특성을 향상시켜 준다. The silicon-titanium dioxide composite produced by the physical bonding of the silicon particles and the titanium dioxide particles forms small pores in the structure to shorten the movement path of lithium, thereby improving the rate characteristics and charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery .

상기 물리적 결합은 실리콘의 충/방전 시 발생할 수 있는 구조적 변화인 부피 팽창을 억제하는 버퍼 매트릭스로써의 역할을 한다.The physical coupling serves as a buffer matrix that suppresses the volume expansion, which is a structural change that may occur during charging / discharging of silicon.

상기 실리콘 입자와 이산화티타늄 입자는 5:1 내지 110:1의 중량비, 바람직하게는 15:1 내지 20:1의 중량비로 결합된다.The silicon particles and the titanium dioxide particles are combined in a weight ratio of 5: 1 to 110: 1, preferably 15: 1 to 20: 1.

이산화티타늄 입자를 기준으로 실리콘 입자의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 리튬 이차전지의 열적특성 및 구조적 안정성은 얻을 수 있으나 발현 용량 및 사이클 성능이 저하되어 고용량 및 수명 연장을 기대할 수 없다.When the content of the silicon particles is out of the above range on the basis of the titanium dioxide particles, the thermal characteristics and the structural stability of the lithium secondary battery can be obtained, but the capacity and cycle performance of the lithium secondary battery are deteriorated.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 실리콘-이산화티타늄 복합체의 표면을 고분자 물질로 코팅시킨다.Next, in the step (B), the surface of the silicon-titanium dioxide composite is coated with a polymer material.

상기 실리콘-이산화티타늄 복합체와 고분자 물질은 1:99 내지 99:1의 중량비, 바람직하게는 70:30 내지 99:1의 중량비로 혼합된다. 고분자 물질의 함량이 1:99 중량비를 초과하는 경우에는 고분자 물질의 함량이 많으므로 실리콘-이산화티타늄 복합체에 형성된 기공을 막아 기공 크기를 줄이거나 기공을 감소시키고, 두꺼운 탄소층이 형성하여 리튬 이차전지의 성능을 저하시킨다. 또한, 고분자 물질의 함량이 99:1 중량비 미만인 경우에는 고분자 물질의 함량이 적어 탄소층이 불균일하게 형성되어 이차전지의 성능이 저하될 수 있다.The silicon-titanium dioxide complex and the polymer material are mixed at a weight ratio of 1:99 to 99: 1, preferably 70:30 to 99: 1. When the content of the polymer material is more than 1:99 by weight, the content of the polymer material is high. Therefore, the pores formed in the silicon-titanium dioxide composite are blocked to reduce the pore size or reduce the pores, Deg.] C. If the content of the polymer material is less than 99: 1 by weight, the content of the polymer material may be low and the carbon layer may be unevenly formed, thereby deteriorating the performance of the secondary battery.

상기 고분자 물질로는 고온에서 열처리시 탄화되어 탄소 코팅층을 형성할 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl Methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 스쿠로오스(sucrose), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 에폭시 수지(epoxy resin), 구연산(citric acid), 페놀레조노시놀 포름알데히드 수지(phenolresorcinol-formaldehyde resin), 페놀 포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.The polymer material is not particularly limited as long as it is a material capable of being carbonized upon heat treatment at a high temperature to form a carbon coating layer. Preferably, the material is polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, But are not limited to, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyaniline, sucrose, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, epoxy resin for example, epoxy resin, citric acid, phenolresorcinol-formaldehyde resin, phenol-formaldehyde resin or mixtures thereof.

또한, 상기 고분자 물질은 유기 용매에 용해되어 실리콘-이산화티타늄 복합체의 표면을 코팅시키는데, 유기 용매로는 끓는점이 낮은 것이 균일한 탄소 코팅층을 얻을 수 있으며 용이한 용매제거를 위해 바람직하다. 상기 끓는점이 낮은 유기 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-yrrolidone, NMP), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone), 물 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. The polymeric material is dissolved in an organic solvent to coat the surface of the titanium-silicon dioxide composite. The organic solvent having a low boiling point is preferable for obtaining a uniform carbon coating layer and for easy solvent removal. Examples of the organic solvent having a low boiling point include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) ethanol, acetone, water or mixtures thereof.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하여 상기 코팅된 고분자 물질층을 고온에서 탄화시킴으로써 탄소 코팅층을 형성하여 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 형성한다. Next, in the step (C), the coated polymeric material layer is heat-treated in an inert gas atmosphere to carbonize the coated polymeric material layer at a high temperature to form a carbon-coated layer to form a silicon-titanium dioxide-carbon composite.

상기 고분자 물질층을 고온에서 탄화시키기 전에 T1에서 건조시킬 수 있다. 상기 T1은 70 내지 90 ℃ 사이의 어느 한 온도로서, 건조 온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 건조가 되지 않아 탄소 코팅층으로 탄화되지 않는 부분이 발생할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 고분자 물질의 일부가 탄화되어 이후 고온에서 탄화 시 미리 탄화된 부분이 강도가 저하되어 이차전지의 성능이 저하될 수 있다.The polymeric material layer may be dried at T1 prior to carbonization at elevated temperatures. The T1 is any temperature between 70 and 90 ° C. If the drying temperature is lower than the lower limit of the above range, the carbon coating layer may not be dried and may not be carbonized. If the drying temperature is above the upper limit, And then the carbonized portion at the time of carbonization at a high temperature may be lowered in strength and the performance of the secondary battery may be deteriorated.

상기 열처리는 T1에서 T2까지 승온시켜 수행되고, 바람직하게는 탄소가 치밀하게 코팅층을 형성하도록 3 내지 10 ℃/분의 승온속도로 T1에서 600 내지 900 ℃, 바람직하게는 750 내지 800 ℃ 사이의 어느 한 온도(T2)까지 승온시킨 후 T2 온도에 도달하면 1 내지 10시간 온도를 유지시킴으로써 고분자 코팅층을 탄화시켜 탄소 코팅층으로 전환한다. 이때, 건조과정이 수행되지 않는 경우에는 T1이 상온(25 내지 27 ℃)이다.The heat treatment is performed by raising the temperature from T1 to T2, preferably from 600 to 900 DEG C, preferably from 750 to 800 DEG C at T1 at a temperature raising rate of 3 to 10 DEG C / min so that carbon forms a dense coating layer. After the temperature is raised to one temperature (T2) and the temperature is reached to T2, the polymer coating layer is carbonized by maintaining the temperature for 1 to 10 hours to convert it to a carbon coating layer. At this time, when the drying process is not performed, T1 is room temperature (25 to 27 DEG C).

상기 T2의 온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 탄소 코팅층이 치밀하지 않고 불균일하게 형성될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 탄소 코팅층이 형성되지 않을 수 있다. 또한, T2에서 온도를 유지시키지 않고 지속적으로 승온시켜 탄화시키는 경우에는 탄소 코팅층의 강도가 저하되고 탄소 코팅층이 치밀하게 형성되지 않는다.When the temperature of T2 is lower than the lower limit, the carbon coating layer may be non-dense and non-uniformly formed. If the temperature is above the upper limit, the carbon coating layer may not be formed. Further, when carbonization is carried out by continuously raising the temperature at T2 without maintaining the temperature, the strength of the carbon coating layer is lowered and the carbon coating layer is not formed densely.

상기 열처리는 불활성 가스 하에서 수행되는데, 불활성 가스 대신 활성 가스 등을 사용하는 경우에는 고분자 물질층이 탄소 코팅층으로 탄화되지 않고 다른 물질층으로 변하여 이차전지의 성능이 저하될 수 있다. If the active gas is used instead of the inert gas, the polymer material layer may not be carbonized into the carbon coating layer but may be converted into another material layer, thereby deteriorating the performance of the secondary battery.

상기 불활성 가스로는 헬륨 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 네온 가스 또는 이들 2종 이상의 혼합 가스를 들 수 있다.
Examples of the inert gas include helium gas, argon gas, nitrogen gas, neon gas, or a mixture of two or more gases.

또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공할 수 있다.Also, the negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention can be provided.

본 발명의 리튬 이차전지용 음극 활물질은 상기 제조방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 입자; 상기 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자가 도포된 실리콘-이산화티타늄 복합체; 및 상기 실리콘-이산화티타늄 복합체 표면에 코팅되어 있는 탄소 코팅층;을 포함한 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체이다. The negative electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention can be produced according to the above production method, and specifically, as shown in Fig. A silicon-titanium dioxide composite to which titanium dioxide particles are applied on a part or entire surface of the silicon particles; And a carbon coating layer coated on the surface of the silicon-titanium dioxide composite.

이와 같이 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 음극 활물질은 바로 흑연 등의 탄소계 물질을 코팅하는 경우에 비하여 수명이 길고, 열적 안정성이 우수하며; 탄소입자를 적용하는 경우에 비하여 높은 전기 전도도, 고출력 및 고용량일 수 있다.The thus prepared silicon-titanium dioxide-carbon composite anode active material has a longer life and excellent thermal stability than carbon-based materials such as graphite. High electric conductivity, high power and high capacity as compared with the case where carbon particles are applied.

또한, 본 발명의 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체는 탄소 코팅층에 의하여 충/방전 시 안정한 고체 전해질 계면막을(SEI) 형성하여 사이클 효율을 증가시키며 이차전지 내의 전기 전도도를 향상시킨다. 하지만 종래의 기술에서 실리콘에 코팅된 탄소 코팅층은 충/방전 시 실리콘의 과도한 부피팽창으로 인하여 탄소 코팅층이 붕괴되어 원래의 탄소 코팅층으로서의 기능을 다할 수 없었다. 하지만 본 발명에서는 실리콘-이산화티타늄 복합체 구조가 충/방전 시 부피 팽창을 억제하며, 실리콘-이산화티타늄 복합체 표면에 탄소가 코팅됨으로써 실리콘의 부피 팽창에도 탄소 코팅층이 안정하게 유지할 수 있다. In addition, the silicon-titanium dioxide-carbon composite of the present invention forms a solid electrolyte interface film (SEI) which is stable during charging / discharging by the carbon coating layer, thereby increasing cycle efficiency and improving electrical conductivity in the secondary battery. However, in the conventional technique, the carbon coating layer coated on the silicon has not been able to function as the original carbon coating layer due to the collapse of the carbon coating layer due to the excessive volume expansion of the silicon upon charging / discharging. However, in the present invention, the silicon-titanium dioxide composite structure suppresses the volume expansion during charging / discharging, and the carbon coating is coated on the surface of the silicon-titanium dioxide composite, so that the carbon coating layer can be stably maintained in the volume expansion of silicon.

본 발명의 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 위에 안정한 고체 전해질 계면막 형성과 전기전도도 향상으로 충/방전 효율 및 사이클 특성이 향상된다.The charge / discharge efficiency and cycle characteristics are improved by forming a stable solid electrolyte interface film and improving the electrical conductivity on the silicon-titanium dioxide-carbon composite of the present invention.

본 발명은 나노 크기의 실리콘 활물질을 시작으로 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 구조의 매크로한 크기로 음극 활물질을 합성하여 음극 활물질 자체의 크기는 나노 크기로 넓은 비표면적과 짧은 전하의 이동거리로 전지의 특성을 향상시킬 수 있으며, 충/방전 특성 향상 및 용량 유지율이 높아져 리튬 이차전지의 성능 향상 및 대량으로 생산이 용이하다.
The present invention is based on the synthesis of a negative electrode active material in a macroscopic size of a silicon-titanium dioxide-carbon composite structure starting from a nano-sized silicon active material. The size of the negative electrode active material itself is nano- Characteristics can be improved, the charge / discharge characteristics can be improved, and the capacity retention ratio can be increased, thereby improving the performance and mass production of the lithium secondary battery.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 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 present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예 1. Example 1.

실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체Silicon-Titanium Dioxide-Carbon Composite

평균입경이 100 nm인 실리콘 3 g과 이산화티타늄 0.03 g(실리콘 입자:이산화티타늄 입자=100:1 중량비)을 300 rpm에서 2시간 동안 볼밀링을 수행하여 실리콘-이산화티타늄 복합체를 제조한다. 이때 사용되는 비드의 무게는 혼합물의 무게 대비 20배의 비드를 준비한다. A silicon-titanium dioxide composite was prepared by ball milling 3 g of silicon having an average particle size of 100 nm and 0.03 g of titanium dioxide (silicon particles: titanium dioxide particles = 100: 1 by weight) at 300 rpm for 2 hours. The weight of the beads used is 20 times the weight of the mixture.

폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF) 2 g과 아세톤 8 g을 혼합하여 12시간 동안 교반하여 용해시킨 후 상기 제조된 실리콘-이산화티타늄 복합체 1 g과 상기 PVDF 용액 1.5 g을 혼합하여 12시간 동안 균일하게 혼합시킨다.2 g of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF) and 8 g of acetone were mixed and stirred for 12 hours to dissolve. Then, 1 g of the prepared silicon-titanium dioxide composite and 1 g of the PVDF solution 1.5 g are mixed and homogeneously mixed for 12 hours.

상기 혼합된 실리콘-이산화티타늄-PVDF 복합체를 80 ℃ 오븐에서 6시간 건조시킨 후 5 ℃/분의 승온 속도로 800 ℃까지 승온시킨 다음 800 ℃에서 3시간 동안 열처리하여 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 제조하였다. 반응이 완료된 후 동일한 속도로 온도를 떨어뜨려 상온에 도달하였을 시 화합물을 회수한다.The mixed silicon-titanium dioxide-PVDF composite was dried in an oven at 80 ° C. for 6 hours, then heated to 800 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min and then heat-treated at 800 ° C. for 3 hours to obtain a silicon- . After the reaction is completed, the temperature is dropped at the same rate, and when the temperature is reached, the compound is recovered.

실리콘 전극Silicon electrode

상기 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 음극 활물질 0.3 g과 도전재인 덴카블랙 0.1 g, 결착제인 35% PAA(poly acrylacid) 용액 0.28 g 및 에탄올 1 g을 혼합하여 4000 rmp으로 30분 동안 교반하였다. 점도의 제한은 없지만 일정한 두께의 전극을 위하여 점도가 너무 높거나 낮지 않는 것이 바람직하다. 준비된 슬러리를 닥터 블레이드 방법을 이용하여 10 ㎛ 두께의 구리 박막에 100 ㎛의 두께로 도포하여 실리콘 전극을 제조하였다.0.3 g of the prepared silicon-titanium dioxide-carbon composite anode active material, 0.1 g of Denka black as a conductive agent, 0.28 g of a 35% PAA (polyacrylacid) solution as a binder and 1 g of ethanol were mixed and stirred at 4000 rpm for 30 minutes. Although there is no limitation on the viscosity, it is preferable that the viscosity is not too high or low for an electrode having a constant thickness. The prepared slurry was applied to a copper foil having a thickness of 10 mu m to a thickness of 100 mu m using a doctor blade method to prepare a silicon electrode.

코인형 전지Coin-type battery

상기 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체 음극 전극과 리튬 금속전극을 적층하고, 두 전극 사이에 폴리프로필렌(PP) 격리막을 구비하며, 전해질로는 에틸 카보네이드/에틸 메틸 카보네이트가 3:7 부피비로 혼합된 유기용매(EC/EMC)에 5% 플로오로에틸 카보네이트(FEC)를 첨가하여 1M LiPF6가 용해되어 있는 전해액을 주입함으로써 코인형 전지를 제작하였다. The prepared silicon-titanium dioxide-carbon composite cathode electrode and a lithium metal electrode were laminated, and a polypropylene (PP) separator was provided between the two electrodes. Ethylcarbonate / ethylmethyl carbonate was used as an electrolyte at a volume ratio of 3: 7 A coin-type battery was prepared by adding 5% fluoroethyl carbonate (FEC) to a mixed organic solvent (EC / EMC) and injecting an electrolyte solution containing 1 M LiPF 6 dissolved therein.

상기 완성된 코인형 전지를 전압영역 0.05 내지 2 V로 하여 충전과 방전 시에 나타내는 용량을 측정하였고, C-rate에 따른 용량변화를 측정하였다.
The capacity of the completed coin-type battery at the time of charging and discharging was measured at a voltage range of 0.05 to 2 V, and the capacity change according to the C-rate was measured.

실시예 2. Example 2.

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 이산화티타늄을 0.15 g(실리콘 입자:이산화티타늄 입자=20:1 중량비)으로 하여 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체, 전극 및 전지를 제조하였다.
A silicon-titanium dioxide-carbon composite, an electrode and a battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.15 g of titanium dioxide (silicon particles: titanium dioxide particles = 20: 1 weight ratio) was used.

실시예 3. Example 3.

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 이산화티타늄을 0.3 g(실리콘 입자:이산화티타늄 입자=10:1 중량비)으로 하여 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체, 전극 및 전지를 제조하였다.
A silicon-titanium dioxide-carbon composite, an electrode and a battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.3 g of titanium dioxide (silicon particles: titanium dioxide particles = 10: 1 weight ratio) was used.

실시예 4. Example 4.

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 이산화티타늄을 0.45 g(실리콘 입자:이산화티타늄 입자=6.6:1 중량비)으로 하여 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체, 전극 및 전지를 제조하였다
A silicon-titanium dioxide-carbon composite, an electrode and a battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.45 g of titanium dioxide (silicon particles: titanium dioxide particles = 6.6: 1 weight ratio)

비교예 1.Comparative Example 1

무처리한 순수 실리콘 음극 활물질을 제조하였으며, 상기 실시예 1과 동일하게 이를 이용하여 전극 및 전지를 제조하였다.
The untreated pure silicon negative electrode active material was prepared and used in the same manner as in Example 1 to prepare an electrode and a battery.

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시험예Test Example 1.  One. TEMTEM 촬영 shooting

도 2 및 도 3은 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체에서 탄소 코팅층이 잘 형성되었는지 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM)을 통해 관찰한 이미지이다. FIG. 2 and FIG. 3 are images observed through a transmission electron microscope (TEM) to confirm that the carbon coating layer is well formed in the silicon-titanium dioxide-carbon composite material.

도 2a는 실리콘 입자를 측정한 TEM이미지이며, 도 2b는 이산화티타늄 입자를 측정한 TEM이미지이다.2A is a TEM image of silicon particles, and FIG. 2B is a TEM image of titanium dioxide particles.

도 3a 및 3b는 실시예 1에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이며; 도 3c 및 3d는 실시예 2에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이고; 도 3e 및 3f는 실시예 3에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이고; 도 3g 및 3h는 실시예 4에 따라 제조된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체를 배율에 따라 측정한 TEM이미지이다.FIGS. 3A and 3B are TEM images of a silicon-titanium dioxide-carbon composite prepared according to Example 1, measured according to magnification; FIG. FIGS. 3c and 3d are TEM images of the silicon-titanium dioxide-carbon composite prepared according to Example 2, measured according to the magnification; FIG. Figures 3e and 3f are TEM images of the silicon-titanium dioxide-carbon composites prepared according to Example 3, measured according to magnification; FIGS. 3G and 3H are TEM images of the silicon-titanium dioxide-carbon composite prepared according to Example 4, according to the magnification.

도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 도 3a-h의 TEM이미지를 보면, 도 2의 이미지와 비교하여 탄소 코팅층이 형성된 실리콘-이산화티타늄-탄소 복합체인 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3a-h의 TEM이미지에 도시된 바와 같이, 탄소 코팅층은 균일하게형성된 것을 확인하였다.
As shown in FIGS. 2 and 3, the TEM image of FIGS. 3A-H shows a comparison between the silicon-titanium dioxide-carbon composite . Further, as shown in the TEM image of Figs. 3A-h, it was confirmed that the carbon coating layer was uniformly formed.

시험예Test Example 2. 충/방전 특성(2)  2. Charge / discharge characteristics (2)

도 4a-f는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 반전지의 충/방전 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4a-c는 율 특성의 경향을 보기 위해 <0.2C, 0.2D>, <0.5C, 0.5D>, <1C, 1D>의 과정을 각각 50 사이클(cycles)로 수행했을 때의 방전용량을 확인하였다. 율 특성을 테스트하기 위해 초기 충/방전 0.05C 2 사이클, 0.1C 충/방전 2 사이클을 수행 후 0.2C, 0.5C, 1C-rate 변화에 따른 사이클 특성을(cyclability) 나타낸 것이다(각 도 4a, 4b 및 4c). 4A-4F are graphs illustrating charge / discharge characteristics of a half-cell fabricated according to Examples and Comparative Examples of the present invention. 4A to 4C are graphs showing the discharge capacity when the processes of <0.2C, 0.2D>, <0.5C, 0.5D>, and <1C, 1D> Respectively. Cycle characteristics after 0.2C, 0.5C, and 1C-rate changes after 2 cycles of initial charge / discharge 0.05C and 0.1C charge / discharge cycles, respectively (FIGS. 4A, 4b and 4c).

또한, 도 4d-f는 c-rate 변화에 따른 충/방전 커브(charge/discharge curves)의 경향을 보기 위한 결과이며, c-rate가 충분히 진행된 후 15번째 사이클에서의 충/방전 커브이다. 구체적으로 도 4d는 0.2C 50회 충/방전 사이클 테스트 중 15번째 사이클에서의 충/방전 커브이며, 도 4e는 0.5C 50회 테스트 중 15번째 사이클의 충/방전 커브이고, 도 4f는 1C 50회 테스트 중 15번째 사이클의 충/방전 커브이다.4D-f show the charge / discharge curves according to the change of the c-rate, and the charge / discharge curves at the fifteenth cycle after the c-rate sufficiently progressed. 4D is a charge / discharge curve in the 15th cycle of the 0.2C 50-charge / discharge cycle test, FIG. 4E is the charge / discharge curve of the 15th cycle in the 0.5C 50-time test, Charge / discharge curve of the 15th cycle in the cycle test.

도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 2가 실시예 1, 3, 4 및 비교예 1에 비하여 충/방전 특성이 우수한 것을 확인하였다. 실리콘 입자 표면에 결합된 이산화티타늄 입자가 충/방전 시 발생하는 실리콘 부피 팽창을 억제하는 버퍼 매트릭스 역할을 하는데, 실시예 2의 이산화티타늄 함량이 다른 군에 비하여 부피 팽창을 억제하는 최적 함량임을 확인하였다.As shown in Fig. 4, it was confirmed that Example 2 was superior in charge / discharge characteristics to Examples 1, 3 and 4 and Comparative Example 1. The titanium dioxide particles bonded to the surface of the silicon particles serve as a buffer matrix for suppressing the expansion of the silicon volume caused by charging / discharging, and it was confirmed that the titanium dioxide content in Example 2 was the optimum amount to suppress the volume expansion compared with the other groups .

Claims (14)

(A) 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자를 결합시켜 실리콘-이산화티타늄 복합체를 형성시키는 단계;
(B) 상기 실리콘-이산화티타늄 복합체의 표면을 고분자 물질로 코팅시키는 단계; 및
(C) 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하여 상기 코팅된 고분자 물질을 탄화시켜 탄소 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질 소재 및 이의 제조방법.
(A) bonding the titanium dioxide particles to a part or whole surface of the silicon particles to form a silicon-titanium dioxide composite;
(B) coating the surface of the silicon-titanium dioxide composite with a polymeric material; And
(C) heat treating the coated polymeric material in an inert gas atmosphere to carbonize the coated polymeric material to form a carbon coating layer, and a method for manufacturing the negative active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서, 상기 (A)단계에서 상기 실리콘 입자와 상기 이산화티타늄 입자는 5:1 내지 110:1의 중량비로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method of claim 1, wherein in step (A), the silicon particles and the titanium dioxide particles are used in a weight ratio of 5: 1 to 110: 1. 제1항에 있어서, 상기 (B)단계에서 상기 고분자 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl Methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 스쿠로오스(sucrose), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 에폭시 수지(epoxy resin), 구연산(citric acid), 페놀레조노시놀 포름알데히드 수지(phenolresorcinol-formaldehyde resin), 페놀 포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method of claim 1, wherein the polymer material is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile Polyaniline, sucrose, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, epoxy resin, citric acid, phenol, A phenol-formaldehyde resin, a phenol-formaldehyde resin, or a mixture thereof. 2. A method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative active material is a phenol-formaldehyde resin. 제1항에 있어서, 상기 (B)단계에서 상기 실리콘-이산화티타늄 복합체와 상기 고분자 물질은 1:99 내지 99:1의 중량비로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method of claim 1, wherein the silicon-titanium dioxide complex and the polymer material are used in a weight ratio of 1:99 to 99: 1 in the step (B). 제1항에 있어서, 상기 (C)단계에서 상기 열처리는 T1에서 T2까지 승온시켜 수행되고, 상기 T1은 70 내지 90 ℃ 사이의 어느 한 온도이며, 상기 T2는 600 내지 900 ℃ 사이의 어느 한 온도인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method of claim 1, wherein in the step (C), the heat treatment is performed by increasing the temperature from T1 to T2, T1 is any temperature between 70 and 90 degrees Celsius, T2 is any temperature between 600 and 900 degrees Celsius Wherein the negative electrode active material is a negative active material. 제1항에 있어서, 상기 (C)단계에서 상기 열처리는 3 내지 10 ℃/분의 승온속도로 수행되고 T2까지 승온 후 동일한 온도에서 1 내지 10시간 유지되며, 상기 T2는 600 내지 900 ℃ 사이의 어느 한 온도인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method according to claim 1, wherein in the step (C), the heat treatment is performed at a temperature raising rate of 3 to 10 ° C / min, a temperature is increased to T2 and maintained at the same temperature for 1 to 10 hours, Wherein the negative electrode active material is at any one temperature. 제1항에 있어서, 상기 (C)단계에서 상기 고분자 물질이 코팅된 실리콘-이산화티타늄 복합체를 열처리하기 전에 T1에서 건조되며, 상기 T1은 70 내지 90 ℃ 사이의 어느 한 온도인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method of claim 1, wherein in step (C), the silicon-titanium dioxide composite coated with the polymer material is dried at T1 before heat treatment, and T1 is any temperature between 70 and 90 ° C. A method for manufacturing a negative electrode active material for a secondary battery. 제1항에 있어서, 상기 (C)단계에서 상기 불활성 가스는 헬륨 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 네온 가스 또는 이들 2종 이상의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법. The method of claim 1, wherein the inert gas in the step (C) is a helium gas, an argon gas, a nitrogen gas, a neon gas, or a mixture gas of two or more thereof. 실리콘 입자;
상기 실리콘 입자의 표면 일부 또는 전면에 이산화티타늄 입자가 도포된 실리콘-이산화티타늄 복합체; 및
상기 실리콘-이산화티타늄 복합체 표면에 코팅되어 있는 탄소 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질.
Silicon particles;
A silicon-titanium dioxide composite to which titanium dioxide particles are applied on a part or entire surface of the silicon particles; And
And a carbon coating layer coated on the surface of the silicon-titanium dioxide composite.
양극 활물질을 포함하는 양극;
제9항의 음극 활물질 및 바인더를 포함하는 음극;
상기 양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막; 및
리튬염을 포함하는 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
A cathode comprising a cathode active material;
A negative electrode comprising the negative electrode active material of claim 9 and a binder;
A separation membrane for preventing a short circuit between the anode and the cathode; And
A lithium secondary battery comprising an electrolyte comprising a lithium salt.
제10항에 있어서, 상기 바인더는 폴리아크릴산, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로프렌 고무, 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 메틸렌(EPDM), 아크릴계 고무 및 불소계 점탄성체(Fluoroelastomer)로 이루어진 군에서 선택된 1 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method of claim 10, wherein the binder is selected from the group consisting of polyacrylic acid, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), butadiene rubber, isoprene rubber, polysulfide rubber, chloroprene rubber, polyurethane rubber, Wherein the polymer is at least one selected from the group consisting of ethylene propylene diene methylene (EPDM), acrylic rubber, and fluoroelastomer. 제10항에 있어서, 상기 음극은 도전성 탄소, 도전성 금속 또는 도전성 고분자인 도전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the negative electrode further comprises a conductive material that is conductive carbon, a conductive metal, or a conductive polymer. 제10항에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the lithium salt is at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiSbF 6 and LiAsF 6 . 제10항 내지 13항 중 어느 한 항의 리튬 이차전지를 포함하는 장치로서,
상기 장치는 수송장치 또는 에너지 저장장치인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 포함하는 장치.
An apparatus comprising the lithium secondary battery according to any one of claims 10 to 13,
Wherein the device is a transport device or an energy storage device.
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