KR20170085241A - Nano Sheet Containing Amorphous SiOx, Manufacturing Method Thereof and Secondary Battery Using the Same - Google Patents

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KR20170085241A
KR20170085241A KR1020160004606A KR20160004606A KR20170085241A KR 20170085241 A KR20170085241 A KR 20170085241A KR 1020160004606 A KR1020160004606 A KR 1020160004606A KR 20160004606 A KR20160004606 A KR 20160004606A KR 20170085241 A KR20170085241 A KR 20170085241A
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Abstract

비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시트 형태로서 규소의 부피 변화를 최소화할 수 있는 비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 또한, 이를 이차전지에 응용하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 규소의 부피 변화를 최소화할 수 있도록 비정질의 규소 산화물을 나노크기의 시트형태로 구현할 수 있으며, 이러한 구조는 전지로의 적용 시, 리튬의 확산거리가 짧아져 출력 특성 및 충방전 용량을 향상시키는데 효과적이며, 나아가 초고속으로 충전이 가능하다.
The present invention relates to a nanosheet containing amorphous silicon oxide, a method for producing the nanosheet, and a secondary battery including the amorphous silicon oxide. More particularly, the present invention relates to a nanosheet containing amorphous silicon oxide capable of minimizing volume change of silicon And also relates to a technique for applying the same to a secondary battery.
According to the present invention, amorphous silicon oxide can be realized in the form of a nano-sized sheet so as to minimize the change in the volume of silicon. Such a structure, when applied to a battery, shortens the diffusion distance of lithium, It is effective to improve the capacity, and further, it is possible to charge at a very high speed.

Description

비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지{Nano Sheet Containing Amorphous SiOx, Manufacturing Method Thereof and Secondary Battery Using the Same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nanosheet containing amorphous silicon oxide, a method of manufacturing the nanosheet, and a secondary battery including the nanosheet,

비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 크기의 시트 형태로서 규소의 부피 변화를 최소화할 수 있는 비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 또한, 이를 이차전지에 응용하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a nanosheet containing amorphous silicon oxide, a method for producing the nanosheet, and a secondary battery comprising the nanosheet. More particularly, the present invention relates to a nanosheet containing amorphous silicon oxide, To a method of manufacturing the same, and also to a technique for applying the same to a secondary battery.

일반적으로 리튬이차전지는 현재 스마트폰과 같은 소형 전자기기 구동형 전원에서 신재생 에너지 저장 시스템과 같은 대형 시스템까지 그 영역을 확대해가고 있을 뿐만 아니라, 의료 로봇, 드론과 같은 인간의 편의성을 도모하거나 인간이 할 수 없는 극한 상황에서의 작업이 가능한 로봇들에 대한 에너지 저장원으로서 그 역할이 대두되고 있다. In general, lithium secondary batteries are not only expanding the range from compact electronic device-driven power sources such as smart phones to large systems such as renewable energy storage systems, but also promoting human convenience such as medical robots and drones The role of robot as an energy storage source for robots that can work in extreme situations that can not be done by humans is emerging.

특히, 최근 들어 전기자동차에 대한 관심이 급부상되면서 1회 충전 시 내연기관을 채용한 자동차와 비슷한 수준의 주행 거리를 확보하기 위해 여러 기술이 개발되고 있으나 현재의 흑연 음극 소재의 채용은 그 이론적 한계(372 mAh/g)로 인하여 고용량, 고출력 및 낮은 가격을 요구하는 현재 이차전지의 시장요구에 대응하기 어렵다.In particular, recently, interest in electric vehicles has been rapidly increasing, and a number of technologies have been developed in order to secure a mileage similar to that of an automobile employing an internal combustion engine in a single charge. However, 372 mAh / g), it is difficult to meet the market demands of current secondary batteries which require high capacity, high output and low cost.

따라서 높은 용량 및 고출력 특성을 나타낼 수 있는 다양한 음극 소재가 개발 중이며, 그 중 리튬과 합금(Alloying)을 하여 에너지를 저장하고 탈합금(Dealloying)을 하여 에너지를 방출할 수 있는 규소(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge) 등과 같은 소재들은 차세대 음극 소재로 큰 관심을 받고 있다. Therefore, various negative electrode materials capable of exhibiting high capacity and high output characteristics are being developed. Among them, lithium (Al) is alloyed with silicon (Si) capable of releasing energy by storing energy and dealloying, (Sn), and germanium (Ge), have attracted great attention as next generation cathode materials.

특히, 규소의 경우 상기 소재 중에서 가장 높은 이론용량 (Li3.75Si, -3580 mAh/g)과 비교적 낮은 작동전압 (-0.5V)으로 인하여 흑연을 대체하여 리튬 이차 전지의 고 에너지 밀도화를 이룰 수 있는 유력한 대안 소재이다. Particularly, in the case of silicon, high energy density of the lithium secondary battery can be achieved by replacing graphite due to the highest theoretical capacity (Li3.75 Si, -3580 mAh / g) and relatively low operating voltage (-0.5 V) It is a viable alternative material.

그러나 상기 소재들은 리튬과 합금 및 탈합금 반응 시에는 심각한 부피 변화로 인해 반복되는 충방전의 용량이 급격히 감소하는 단점이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 비교적 부피 변화가 적으며 수명 유지 특성이 우수한 비정질 규소 산화물(Silicon oxide)을 이용한 연구가 주목받고 있으나, 상기 규소 산화물을 이용한 전극 소재는 구형에 가까운 형상으로 리튬의 확산 거리를 감소시키는데 한계를 나타낸다.(특허문헌 1, 2)However, these materials have a disadvantage in that the capacity of repeated charging and discharging is drastically reduced due to a serious change in volume during lithium and alloying and de-alloying reaction. In order to solve such a problem, studies using amorphous silicon oxide, which has a relatively small volume change and excellent lifetime maintenance characteristics, have been attracting attention. However, the electrode material using the silicon oxide has a spherical shape, (Patent Documents 1 and 2)

따라서, 본 발명에서는 구형이 아닌 나노 크기의 시트 형상을 가지는 전극 소재를 구현하여 규소 산화물의 부피 변화를 최소화하고 리튬의 확산 거리를 현저하게 감소시킬 수 있는 나노시트 및 이의 제조방법을 개발하였다.
Accordingly, in the present invention, an electrode material having a nano-sized sheet shape other than a spherical shape is implemented to minimize the volume change of silicon oxide and significantly reduce the diffusion distance of lithium, and a method for manufacturing the same.

특허문헌 1. 한국공개특허 제10-2015-0015086호Patent Document 1. Korean Patent Publication No. 10-2015-0015086 특허문헌 2. 한국공개특허 제10-2012-0010211호Patent Document 2. Korean Patent Publication No. 10-2012-0010211

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 규소의 부피 변화를 최소화할 수 있도록 나노 크기의 시트 형상을 가지는 비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a nanosheet containing amorphous silicon oxide having a nanosized sheet shape and a method of manufacturing the nanosheet, .

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 나노시트를 포함하여 출력 특성 및 충방전 용량을 향상시키고, 나아가 초고속으로 충전이 가능한 이차전지를 제공하고자 하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a secondary battery including the nanosheet to improve the output characteristics and the charge / discharge capacity, and further to charge at a very high speed.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트에 있어서, 상기 나노시트의 표면과 내부에는 나노 크기의 규소 입자가 형성된 것을 특징으로 하는 나노시트를 제공하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a nanosheet comprising amorphous silicon oxide, wherein nanosized silicon particles are formed on the surface and inside of the nanosheet, do.

상기 규소 입자는 직경이 1 내지 20 nm인 것을 특징으로 한다.The silicon particles are characterized by a diameter of 1 to 20 nm.

상기 규소 산화물은 SiOx인 것을 특징으로 한다.(단, 상기 x는 0<x<2의 유리수이다.)Wherein the silicon oxide is SiOx (wherein x is a rational number of 0 < x < 2).

또한, 본 발명은 (A) 규소 전구체 용액을 반응시키는 단계 및 (B) 상기 반응물을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a method for producing a nanosheet, which comprises (A) reacting a silicon precursor solution and (B) heat-treating the reactant.

상기 제조방법은 상기 반응물을 여과하고 건조시키는 (A-Ⅰ) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method further comprises (A-I) filtering and drying the reactant.

상기 규소 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.The silicon precursor is represented by the following general formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

RSiHRSiH

(단, 상기 식에서 R은 Cl3, 또는 OR'이고, 상기 R'는 탄소수가 1 내지 3인 알켄기이다.)(Wherein R is Cl 3 or OR 'and R' is an alkenyl group having 1 to 3 carbon atoms).

상기 (A) 단계는 규소 전구체를 용매에 투입하고 1 내지 60 분 동안 반응시키는 것을 특징으로 한다.The step (A) is characterized in that the silicon precursor is introduced into a solvent and reacted for 1 to 60 minutes.

상기 용매는 증류수, 염산, 황산, 질산 및 인산 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The solvent is characterized by being at least one selected from distilled water, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid.

상기 (A-Ⅰ) 단계는 80 내지 120 ℃의 온도에서 5 내지 20 시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 한다.The step (A-I) is characterized by drying at a temperature of 80 to 120 ° C for 5 to 20 hours.

상기 (B) 단계는 800 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.The step (B) is performed at a temperature of 800 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours.

상기 (B) 단계의 열처리 온도에 도달하기 위한 승온 속도는 5 내지 20 ℃/min인 것을 특징으로 한다.And the rate of temperature increase for reaching the heat treatment temperature in the step (B) is 5 to 20 占 폚 / min.

끝으로, 본 발명은 상기 제조방법을 통해 제조된 나노시트를 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
Finally, the present invention provides a secondary battery comprising the nanosheet produced by the method.

본 발명에 따르면, 규소의 부피 변화를 최소화할 수 있도록 비정질의 규소 산화물을 나노크기의 시트형태로 구현할 수 있으며, 이러한 구조는 전지로의 적용 시, 리튬의 확산거리가 짧아져 출력 특성 및 충방전 용량을 향상시키는데 효과적이며, 초고속으로 충전이 가능하다.
According to the present invention, amorphous silicon oxide can be realized in the form of a nano-sized sheet so as to minimize the change in the volume of silicon. Such a structure, when applied to a battery, shortens the diffusion distance of lithium, It is effective to improve the capacity, and can be charged at super high speed.

도 1은 실시예 1의 나노시트를 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지다.
도 2의 (a)와 (b)는 실시예 1의 나노시트를 육안으로 관찰하여 그 결과를 나타낸 이미지이다.
도 3은 실시예 1 내지 5의 나노시트에 대한 X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a)는 실시예 1, 2 및 5의 나노시트 표면과 내부에 형성된 결정질 규소 입자의 분포도를 도시화한 모식도이고, (b)는 실시예 1 내지 5의 나노시트 표면과 내부에 형성된 결정질 규소 입자의 크기를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 6 내지 10의 이차전지에 대한 충전 용량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 6 및 비교예 1의 이차전지에 대한 첫 번째 싸이클 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 6 및 비교예 1의 이차전지에 대한 충방전 수명특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 6의 이차전지에 대하여 100 cycle 충방전 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 6의 이차전지 전극의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 충방전이 실시되기 전(Pristine)이며, (b)는 1 cycle 방전 후, (c)는 20 cycle 방전 후, (d)는 50 cycle 방전 후, (e)는 전극의 높이 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is an image showing the result of observing the nanosheet of Example 1 with a scanning electron microscope (SEM).
2 (a) and 2 (b) are images showing the result of observing the nanosheet of Example 1 with naked eyes.
3 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) results of the nanosheets of Examples 1 to 5.
Fig. 4 (a) is a schematic view showing the distribution of crystalline silicon particles formed on the surfaces of the nanosheets and inside of Examples 1, 2 and 5, (b) is a cross- And measuring the size of the crystalline silicon particles.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of the charging capacity of the secondary batteries of Examples 6 to 10. FIG.
6 is a graph showing the first cycle charging / discharging curve for the secondary battery of Example 6 and Comparative Example 1. FIG.
7 is a graph showing the charge-discharge life characteristics of the secondary battery of Example 6 and Comparative Example 1. Fig.
8 is a graph showing the results of 100 cycle charge / discharge measurement of the secondary battery of Example 6. Fig.
FIG. 9 is an image showing a result of observation of a cross section of a secondary battery electrode according to Example 6 by a scanning electron microscope, in which (a) is before charging and discharging (Pristine), (b) c) is a graph showing the change in height of the electrode after 20 cycles of discharge, (d) after 50 cycles of discharge, and (e) of FIG.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트에 관한 것으로, 상기 나노시트의 표면과 내부에는 나노 크기의 규소 입자가 형성된 것을 특징으로 하는 나노시트에 관한 것이다.The present invention relates to a nanosheet containing amorphous silicon oxide, and a nanosheet having nano-sized silicon particles formed on the surface and inside of the nanosheet.

본 발명에 따른 나노시트는 도 1에서 보는 바와 같이, 비정질의 규소 산화물이 전체적으로 플랫한 시트 형상으로 구현된 것으로, 이러한 시트형상은 규소의 부피 변화를 최소화하고, 리튬의 확산 거리를 현저하게 감소시켜 전지의 고용량 및 출력 특성을 향상시키는데 효과적이다.As shown in FIG. 1, the nanosheet according to the present invention has amorphous silicon oxide as a whole flat sheet shape. Such a sheet shape minimizes the volume change of silicon and significantly reduces the diffusion distance of lithium And is effective for improving the capacity and output characteristics of the battery.

상기 비정질의 규소 산화물은 결정질의 단일 구조가 아니므로 충전에 의한 팽창율을 현저히 감소시켜 충방전으로 인한 구조적 저하문제를 해결할 수 있기 때문이다.Since the amorphous silicon oxide is not a crystalline single structure, the amorphous silicon oxide significantly reduces the expansion rate due to charging, thereby solving the structural degradation due to charge and discharge.

그리고, 상기 나노시트의 표면과 내부에는 결정질의 규소 입자를 포함하여, 비정질로 이루어진 나노시트의 구조를 더욱 견고하게 할 수 있으며, 나노시트의 강도를 향상시키는 역할을 한다.In addition, the nanosheets including crystalline silicon particles on the surface and inside of the nanosheet can further strengthen the structure of the nanosheet made of amorphous, and improve the strength of the nanosheet.

즉, 본 발명은 비정질의 구조적 특성을 통해 고용량 및 향상된 출력 특성을 구현하고, 여기에 결정질의 규소 입자를 내·외부에 함침하여 나노시트의 물리적 특성을 향상시킬 수 있다.That is, the present invention realizes a high capacity and an improved output characteristic through the amorphous structural characteristic, and the physical properties of the nanosheet can be improved by impregnating the crystalline silicon particles into the inside and the outside.

상기 규소 산화물은 SiOx으로, 상기 x는 0<x<2의 유리수인 것이 바람직하다.The silicon oxide is SiOx, and x is preferably a rational number of 0 < x < 2.

상기 규소 입자는 직경이 1 내지 20 nm인 것이 바람직하며, 상기 직경이 1 nm 미만이면 구조적 안정성이 저하되는 문제점을 가지며, 20 nm를 초과하는 경우에는 전지의 출력 특성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.The diameter of the silicon particles is preferably 1 to 20 nm, and if the diameter is less than 1 nm, the structural stability tends to deteriorate. If the diameter is more than 20 nm, the output characteristics of the battery may deteriorate. not.

상기 규소 입자는 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이, 비정질 규소 산화물의 표면과 내부에 결정질의 규소 입자가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
As shown in FIG. 4 (a), the silicon particles are formed by bonding crystalline silicon particles to the surface of the amorphous silicon oxide.

또한, 본 발명은 (A) 규소 전구체 용액을 반응시키는 단계 및 (B) 상기 반응물을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing a nanosheet, which comprises (A) reacting a silicon precursor solution and (B) heat-treating the reactant.

상기 제조방법은 (A) 단계를 통해 생성된 반응물을 여과하고 건조시키는 (A-Ⅰ) 단계를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.It is more preferred that the method further comprises (A-I) filtering and drying the reactant produced in step (A).

상기 (A) 단계는 규소 전구체를 용매에 용해시켜 졸-겔 반응을 유도하는 단계로, 상기 규소 전구체를 용매에 투입하고 5 내지 30 분 동안 반응시키는 것이 바람직하다.In the step (A), the silicon precursor is dissolved in a solvent to induce a sol-gel reaction. Preferably, the silicon precursor is introduced into a solvent and reacted for 5 to 30 minutes.

상기 규소 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.The silicon precursor is represented by the following general formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

RSiHRSiH

(단, 상기 식에서 R은 Cl3, 또는 OR'이고, 상기 R'는 탄소수가 1 내지 3인 알켄기이다.)(Wherein R is Cl 3 or OR 'and R' is an alkenyl group having 1 to 3 carbon atoms).

상기 화학식에서 보는 바와 같이, 본 발명에서는 수소화규소인 실란계 물질을 사용함으로써 높은 증기압을 이용하여 증발된 수소화규소가 물의 표면에서 반응하여 플랫한 시트 형상을 구현할 수 있다. 이러한 공정은 상기 시트 형상의 구조를 열처리 공정 이후에도 유지할 수 있도록 하는데 효과적이다.As shown in the above formula, in the present invention, by using a silane-based material, which is a silicon hydride, vaporized silicon hydride reacts at the surface of water using a high vapor pressure to form a flat sheet shape. Such a process is effective to make it possible to keep the sheet-like structure after the heat treatment process.

상기 용매는 증류수, 염산, 황산, 질산 및 인산 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent is preferably at least one selected from distilled water, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid, but is not limited thereto.

상기 (A-Ⅰ) 단계는 상기 반응물을 여과하고 건조시키는 단계로, 상기 용액을 여과한 후, 걸러진 침전물을 증류수로 수회 세척하고, 상기 침전물을 80 내지 120 ℃에서 5 내지 20 시간 동안 건조시켜 분말화하는 것이 바람직하다.The step (A-I) is a step of filtering and drying the reactant. The solution is filtered, the filtered precipitate is washed with distilled water several times, and the precipitate is dried at 80 to 120 ° C for 5 to 20 hours, .

상기 (B) 단계는 (A-Ⅰ) 단계를 통해 건조된 분말을 열처리하는 단계로, 상기 열처리는 800 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.The step (B) is a step of heat-treating the dried powder through the step (A-I), and the heat treatment is preferably performed at a temperature of 800 to 1200 ° C for 1 to 5 hours.

상기 열처리 온도에 따라 결정질의 규소 입자 크기가 제어될 수 있는데, 상기 온도가 800 ℃ 미만이면 규소 입자가 잘 형성되지 않는 문제점을 가진다. 반면에, 1200 ℃를 초과하면 결정질 규소 입자가 크게 형성될 수는 있으나, 동시에 리튬과 비활성인 SiO2의 함량이 높아지는 현상이 발생하여 충방전이 불가능한 문제점을 가진다.The crystalline silicon particle size can be controlled according to the heat treatment temperature. If the temperature is lower than 800 ° C, silicon particles are not formed well. On the other hand, when the temperature exceeds 1200 ° C, crystalline silicon particles may be formed to a large extent, but at the same time, the content of lithium and inactive SiO 2 may increase, and charging and discharging can not be performed.

상기 열처리 온도에 도달하기 위한 승온 속도는 5 내지 20 ℃/min인 것이 바람직한데, 균일한 결정질의 규소 입자를 형성하는데 더욱 효과적이기 때문이다.
The rate of temperature rise to reach the heat treatment temperature is preferably 5 to 20 ° C / min, which is more effective in forming uniformly crystalline silicon particles.

또한, 본 발명은 상기 제조방법을 통해 제조된 나노시트를 포함하는 이차전지를 제공한다.
The present invention also provides a secondary battery comprising the nanosheet produced by the method.

이하에서 실시예 등을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

실시예Example 1: 나노시트의 제조(1000 ℃에서 열처리) 1: Production of nanosheet (heat treatment at 1000 占 폚)

0-20 ℃ 온도의 증류수가 담긴 닫힌 용기내부에 Trichlorosilane(Cl3SiH, 99.8 %)를 넣은 비이커를 약 20 분간 유지시킨 후, 상기 용액을 여과하여 걸러진 침전물을 증류수로 수회 세척하고, 상기 침전물을 100 ℃에서 약 10 시간 동안 건조시켜 남아있는 수분을 제거한다. 건조된 분말을 전기로에 넣고 4 내지 10% H2/Ar 분위기에서 1000 ℃의 온도로 2 시간 동안 열처리하여 비정질의 규소 산화물을 포함하는 나노시트를 제조하였다.A beaker containing Trichlorosilane (Cl 3 SiH, 99.8%) was kept in a closed container containing distilled water at a temperature of 0-20 ° C for about 20 minutes. The solution was filtered to wash the precipitated product with distilled water several times, Dry at 100 ° C for about 10 hours to remove any remaining moisture. The dried powder was placed in an electric furnace and heat-treated in a 4 to 10% H 2 / Ar atmosphere at a temperature of 1000 ° C for 2 hours to prepare a nanosheet containing amorphous silicon oxide.

(단, 상기 열처리 온도의 승온 속도는 10 ℃/min로 실시하였다.)
(However, the heating rate of the heat treatment temperature was 10 ° C / min.)

실시예Example 2: 나노시트의 제조(800 ℃에서 열처리) 2: Production of nanosheet (heat treatment at 800 ° C)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열처리를 1000 ℃ 대신에 800 ℃에서 실시하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the heat treatment was performed at 800 占 폚 instead of 1000 占 폚.

실시예Example 3: 나노시트의 제조(900 ℃에서 열처리) 3: Production of nanosheet (heat treatment at 900 占 폚)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열처리를 1000 ℃ 대신에 900 ℃에서 실시하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the heat treatment was conducted at 900 占 폚 instead of 1000 占 폚.

실시예Example 4: 나노시트의 제조(1100 ℃에서 열처리) 4: Production of nanosheet (heat treatment at 1100 占 폚)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열처리를 1000 ℃ 대신에 1100 ℃에서 실시하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the heat treatment was performed at 1100 占 폚 instead of 1000 占 폚.

실시예Example 5: 나노시트의 제조(1200 ℃에서 열처리) 5: Production of nanosheet (heat treatment at 1200 占 폚)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 열처리를 1000 ℃ 대신에 1200 ℃에서 실시하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the heat treatment was performed at 1200 占 폚 instead of 1000 占 폚.

실시예 6: 나노시트를 포함하는 이차전지의 제조Example 6: Manufacture of secondary battery comprising nanosheet

증류수에 실시예 1의 나노시트와 카본 블랙(Super-P, Ensaco) 및 폴리아크릴 산(PAA, Sigma-Aldrich)을 7 : 1 : 2의 중량비율로 투입하여 분산시킨 후, Cu foil에 도포하고 120 ℃의 온도에서 진공 건조하여 전극을 제조하였다.The nanosheets of Example 1 and carbon black (Super-P, Ensaco) and polyacrylic acid (PAA, Sigma-Aldrich) were added to distilled water at a weight ratio of 7: 1: 2 and dispersed and then applied to Cu foil And vacuum dried at a temperature of 120 캜 to prepare an electrode.

상기 전극과 리튬 금속 및 폴리올레핀계 분리막을 이용하여 Coin cell(2032 size)을 조립하여 이차전지를 제조하였으며, 이때 사용된 전해질은 1.0 M LiPF6와 Ethylene carbonate : Ethyl methyl carbonate(1:2, vol%)이다.
The electrolyte used was 1.0 M LiPF 6 and ethylene carbonate: ethyl methyl carbonate (1: 2, vol.%). The electrolyte was prepared by assembling a coin cell (2032 size) using the electrode, lithium metal and polyolefin separator. )to be.

실시예 7 내지 10: 나노시트를 포함하는 이차전지의 제조Examples 7 to 10: Preparation of secondary battery including nanosheet

실시예 6과 동일하게 실시하되, 실시예 1 대신에 실시예 2 내지 5로부터 제조된 나노시트를 각각 이용하여 이차전지를 제조하였다.
Except that the nanosheets prepared in Examples 2 to 5 were used in place of those in Example 1, respectively.

비교예 1: 나노시트를 포함하지 않은 이차전지의 제조Comparative Example 1: Manufacture of secondary battery without nanosheet

실시예 6과 동일하게 실시하되, 실시예 1 대신에 시트 형상이 아닌 비정질의 규소 산화물(SiO1.5)을 이용하여 이차전지를 제조하였다.
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 6 except that amorphous silicon oxide (SiO 1.5 ), which is not a sheet, was used instead of the first embodiment.

도 1은 실시예 1의 나노시트를 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, 상기 나노시트는 수 나노 크기의 규소 입자를 포함하여 매우 평평한 형상을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 1 is an image showing a result of observation of a nanosheet of Example 1 by a scanning electron microscope (SEM), and it is confirmed that the nanosheet shows a very flat shape including several nanosized silicon particles .

도 2의 (a)와 (b)는 실시예 1의 나노시트를 육안으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, 육안으로도 시트 형상의 구조를 확인할 수 있다.2 (a) and 2 (b) are images showing the result of visual observation of the nanosheet of Example 1, and the structure of the sheet shape can be confirmed visually.

도 3은 실시예 1 내지 5의 나노시트에 대한 X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD) 결과를 나타낸 그래프로, 열처리 온도에 따른 결정 구조의 변화를 확인할 수 있다. 실시예 4와 5의 경우에는 30˚ 부근에서 유효피크가 더욱 뚜렷하게 관측되는 것을 알 수 있는데, 이는 열처리 온도가 상승할수록 결정질 규소 입자의 크기가 크게 형성되기 때문이다.FIG. 3 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) of the nanosheets of Examples 1 to 5, and the change of the crystal structure according to the heat treatment temperature can be confirmed. In the case of Examples 4 and 5, it can be seen that the effective peak is observed more clearly in the vicinity of 30 DEG because the crystalline silicon particle size is formed larger as the heat treatment temperature is raised.

도 4의 (a)는 실시예 1, 2 및 5의 나노시트 표면과 내부에 형성된 결정질 규소 입자의 분포도를 도시화한 모식도이고, (b)는 실시예 1 내지 5의 나노시트 표면과 내부에 형성된 결정질 규소 입자의 크기를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.Fig. 4 (a) is a schematic view showing the distribution of crystalline silicon particles formed on the surfaces of the nanosheets and inside of Examples 1, 2 and 5, (b) is a cross- And measuring the size of the crystalline silicon particles.

도 4를 살펴보면, 열처리 온도가 상승될수록 결정질 규소 입자의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 실시예 5의 경우를 보면 분포도 측면에서는 오히려 낮아지는 경향을 나타내는 것을 알 수 있는데, 즉, 규소 입자의 크기와 분포도를 복합적으로 고려한다면 실시예 1이 가장 적합한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that as the annealing temperature is increased, the size of the crystalline silicon particles increases. However, in the case of Example 5, it can be seen that the tendency is lowered in terms of distribution. In other words, it can be seen that Embodiment 1 is most suitable when the size and distribution of silicon particles are considered in combination.

도 5는 실시예 6 내지 10의 이차전지에 대한 충전 용량을 측정한 결과를 나타낸 그래프로, 실시예 10의 경우에는 충방전 용량의 측정이 불가능 하였다.FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of the charging capacity for the secondary batteries of Examples 6 to 10. In the case of Example 10, the charging / discharging capacity could not be measured.

도 6은 실시예 6 및 비교예 1의 이차전지에 대한 첫 번째 싸이클 충방전 곡선을 나타낸 그래프로, 실시예 6의 경우에는 비교예 1에 비하여 향상된 초기 용량과 효율성을 가지는 것을 확인할 수 있다. FIG. 6 is a graph showing the first cycle charging / discharging curve of the secondary battery of Example 6 and Comparative Example 1. In the case of Example 6, it is confirmed that the secondary battery has improved initial capacity and efficiency as compared with Comparative Example 1.

즉, 실시예 6은 시트 형상의 구조를 나타내어, 그 구조적 특성으로 인하여 리튬 이온의 확산 경로가 짧아지고, 전해액과 닿는 계면의 면적이 증가하여 전기화학적 활성이 크게 향상되었기 때문이다.That is, Example 6 exhibits a sheet-like structure, and the diffusion path of lithium ions is shortened due to the structural characteristics thereof, and the area of the interface contacting the electrolyte is increased, and the electrochemical activity is greatly improved.

도 7은 실시예 6 및 비교예 1의 이차전지에 대한 충방전 수명특성을 나타낸 그래프로, 실시예 6의 경우에는 비교예에 비하여 우수한 수명특성을 보이는데, 이러한 결과는 시트 형상의 비정질 규소 산화물이 반복되는 충방전에 의한 부피변화를 효율적으로 제어하였기 때문이다.FIG. 7 is a graph showing charge / discharge life characteristics of the secondary battery of Example 6 and Comparative Example 1. In Example 6, the life characteristics of the secondary battery are better than those of the Comparative Example. These results indicate that the sheet-like amorphous silicon oxide This is because the volume change due to repeated charging and discharging was efficiently controlled.

도 8은 실시예 6의 이차전지에 대하여 100 cycle 충방전 측정결과를 나타낸 그래프로, 1시간에 충전 또는 방전을 50 cycle 실시한 후에도 0.5 내지 20 cycle에서의 용량 값과 비슷한 수준으로 구현이 가능한 것을 알 수 있으며, 100 cycle이후에도 450 mAh/g정도의 용량을 나타내어 고출력 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.FIG. 8 is a graph showing the results of 100 cycle charge / discharge measurement of the secondary battery of Example 6, and it can be realized at a level similar to the capacity value in 0.5 to 20 cycles even after 50 cycles of charging or discharging in 1 hour. And a capacity of about 450 mAh / g even after 100 cycles, indicating high output characteristics.

도 9는 실시예 6의 이차전지 전극의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 충방전이 실시되기 전(Pristine)이며, (b)는 1 cycle 방전 후, (c)는 20 cycle 방전 후, (d)는 50 cycle 방전 후, (e)는 전극의 높이 변화를 나타낸 그래프이다. 도 9에서 보는 바와 같이, 50 cycle을 실시한 후에도 부피 팽창 정도가 큰 변화 없이 전극의 높이가 유지되는 것을 확인할 수 있다.FIG. 9 is an image showing a result of observation of a cross section of a secondary battery electrode according to Example 6 by a scanning electron microscope, in which (a) is before charging and discharging (Pristine), (b) c) is a graph showing the change in height of the electrode after 20 cycles of discharge, (d) after 50 cycles of discharge, and (e) of FIG. As shown in FIG. 9, it can be seen that the height of the electrode is maintained without changing the degree of volume expansion even after 50 cycles.

따라서, 본 발명에 따르면, 규소의 부피 변화를 최소화할 수 있도록 비정질의 규소 산화물을 나노크기의 시트형태로 구현할 수 있으며, 이러한 구조는 전지로의 적용 시, 리튬의 확산거리가 짧아져 출력 특성 및 충방전 용량을 향상시키는데 효과적이며, 초고속으로 충전이 가능하다.
Therefore, according to the present invention, amorphous silicon oxide can be realized in the form of a nano-sized sheet so as to minimize the volume change of silicon. Such a structure can reduce the diffusion distance of lithium when applied to a battery, It is effective to improve the charging / discharging capacity, and it is possible to charge at a very high speed.

Claims (12)

비정질 규소 산화물을 포함하는 나노시트에 있어서,
상기 나노시트의 표면과 내부에는 나노 크기의 규소 입자가 형성된 것을 특징으로 하는 나노시트.
In a nanosheet containing amorphous silicon oxide,
Wherein nanosized silicon particles are formed on the surface and inside of the nanosheet.
제1항에 있어서,
상기 규소 입자는 직경이 1 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 나노시트.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon particles have a diameter of 1 to 20 nm.
제1항에 있어서,
상기 규소 산화물은 SiOx인 것을 특징으로 하는 나노시트.
(단, 상기 x는 0<x<2의 유리수)
The method according to claim 1,
Wherein the silicon oxide is SiOx.
(Wherein x is a rational number of 0 < x < 2)
(A) 규소 전구체 용액을 반응시키는 단계; 및
(B) 상기 반응물을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
(A) reacting a silicon precursor solution; And
(B) heat treating the reactant. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 21. &lt; / RTI &gt;
제4항에 있어서,
상기 규소 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
[화학식1]
RSiH
(단, 상기 식에서 R은 Cl3, 또는 OR'이고, 상기 R'는 탄소수가 1 내지 3인 알켄기이다.)
5. The method of claim 4,
Wherein the silicon precursor is represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
RSiH
(Wherein R is Cl 3 or OR 'and R' is an alkenyl group having 1 to 3 carbon atoms).
제4항에 있어서,
상기 (A) 단계는 규소 전구체를 용매에 투입하고 1 내지 60 분 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the step (A) comprises introducing the silicon precursor into a solvent and reacting the mixture for 1 to 60 minutes.
제6항에 있어서,
상기 용매는 증류수, 염산, 황산, 질산 및 인산 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the solvent is at least one selected from distilled water, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid.
제4항에 있어서,
상기 (B) 단계는 800 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the step (B) is performed at a temperature of 800 to 1200 ° C for 1 to 5 hours.
제4항에 있어서,
상기 (B) 단계의 열처리 온도에 도달하기 위한 승온 속도는 5 내지 20 ℃/min인 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the rate of temperature increase for reaching the heat treatment temperature in the step (B) is 5 to 20 占 폚 / min.
제4항에 있어서,
상기 제조방법은 상기 반응물을 여과하고 건조시키는 (A-Ⅰ) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The method according to claim 1, further comprising (A-I) filtering and drying the reactant.
제10항에 있어서,
상기 (A-Ⅰ) 단계는 80 내지 120 ℃의 온도에서 5 내지 20 시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 하는 나노시트의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the step (A-I) is performed at a temperature of 80 to 120 ° C for 5 to 20 hours.
제4항 내지 11항 중 어느 한 항에 따라 제조된 나노시트를 포함하는 이차전지. A secondary battery comprising a nanosheet produced according to any one of claims 4 to 11.
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