KR20180031566A - Porous silicone composite cluster, carbon composite using the same, electrode, lithium battery, field emission device, biosensor, and semiconductor device including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a porous silicon composite cluster comprising a core including porous silicon composite secondary particles and a shell including second graphene disposed on top of the core. The porous silicon composite secondary particles comprise: at least two aggregates of silicon composite primary particles, wherein said silicon composite primary particles are silicon; and silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) disposed on the silicon, and first graphene disposed on the silicon oxide. The present invention also provides a carbon composite using the porous silicon composite cluster. Additionally, the present invention provides an electrode including the composite or the carbon composite, a lithium battery including the electrode, a biosensor including the composite or the carbon composite, a field emission device, a thermoelectric device, and a semiconductor device.

Description

다공성 실리콘 복합체 클러스터, 이를 이용한 탄소 복합체, 이를 포함한 전극, 리튬 전지, 전계 방출 소자, 바이오센서, 반도체 소자 및 열전소자{Porous silicone composite cluster, carbon composite using the same, electrode, lithium battery, field emission device, biosensor, and semiconductor device including the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a porous silicon composite cluster, a carbon composite using the same, a lithium cell, a field emission device, a biosensor, a semiconductor device and a thermoelectric device using the same, biosensor, and semiconductor device including the same}

다공성 실리콘 복합체 클러스터, 이를 이용한 탄소 복합체, 이를 포함한 전극, 리튬 전지, 전계 발출 소자, 바이오센서, 반도체 소자 및 열전소자를 제시한다.Porous silicon composite clusters, carbon composites using them, electrodes containing them, lithium batteries, electric field extraction devices, biosensors, semiconductor devices, and thermoelectric devices.

종래 리튬 이온 전지용 음극 활물질 중 실리콘은 이론용량이 4200mAh/g으로 월등이 높고 가격이 낮아 음극소재로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 실리콘은 방전시 Li4 . 4Si 합금이 생성되면서 부피 팽창을 수반하여, 전극내 전기적으로 고립되는 활물질을 발생시키며 활물질의 비표면적 증가에 따른 전해질 분해 반응을 심화시키는 등의 문제점을 안고 있다. 이를 극복하기 위해 실리콘의 부피 팽창을 감소시키고 부피 팽창시 분쇄현상이 적은 구조를 개발하거나 실리콘 표면에 탄소 등으로 된 코팅층을 형성하는 방법이 제안되었다. Conventionally, among the anode active materials for lithium ion batteries, silicon has a theoretical capacity of 4200 mAh / g, which is high and low in price. However, silicon discharges when Li 4 . 4 Si alloy is generated, which leads to volume expansion, resulting in an electrically isolated active material in the electrode, and an electrolyte degradation reaction due to an increase in the specific surface area of the active material. In order to overcome this problem, a method has been proposed in which a volume expansion of silicon is reduced and a structure with less crushing during volume expansion is developed, or a coating layer of carbon or the like is formed on the silicon surface.

그런데 지금까지 개발된 실리콘 재료를 이용하면 부피팽창 저감 효과 및 전지의 충방전 효율이 만족할만한 수준에 도달하지 못한 실정이다.However, when the silicon material developed so far is used, the volume expansion reduction effect and the charge / discharge efficiency of the battery have not reached a satisfactory level.

한 측면은 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a porous silicon composite cluster.

다른 측면은 상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a carbon composite comprising the above-described porous silicon composite clusters and a carbon-based material.

또 다른 측면은 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 전극을 포함하는 리튬 전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium battery comprising the porous silicon composite cluster or the porous silicon composite cluster and an electrode containing a carbon composite material containing a carbon-based material.

또 다른 측면은 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 전계 방출 소자를 제공하는 것이다. Another aspect is to provide a field emission device comprising the porous silicon composite clusters or the carbon composite material comprising the porous silicon composite clusters and the carbon-based material.

또 다른 측면에 의하면 상기 측면은 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 바이오센서가 제공된다.According to another aspect, the side surface is provided with the porous silicon composite cluster or the porous silicon composite cluster and a carbon composite material containing the carbon-based material.

또 다른 측면에 의하면, 측면은 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 반도체 소자가 제공된다.According to another aspect, there is provided a semiconductor device comprising a porous carbon composite material including the porous silicon composite clusters or the porous silicon composite clusters and the carbon-based material.

또 다른 측면에 의하면 측면은 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 열전소자가 제공된다. According to another aspect, there is provided a thermoelectric device including a porous carbon composite material comprising the porous silicon composite clusters or the porous silicon composite clusters and the carbon-based material.

한 측면에 따라On one side

다공성 실리콘 복합체 이차 입자를 포함하는 다공성 코어(core)와 상기 코어의 상부에 배치된 제2 그래핀을 포함하는 쉘(shell)을 함유하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터이며,A porous silicon composite cluster comprising a shell comprising a porous core comprising porous silicon composite secondary particles and a second graphene disposed on top of the core,

상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자는 두 개 이상의 실리콘 복합체 일차 입자의 응집체를 포함하며, Wherein the porous silicon composite secondary particles comprise aggregates of two or more silicon composite primary particles,

상기 실리콘 복합체 일차 입자는 실리콘; 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 제1그래핀을 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터가 제공된다.The silicon composite primary particles may be silicon; There is provided a porous silicon composite cluster comprising silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) disposed on the silicon and a first graphene disposed on the silicon oxide.

다른 한 측면에 따라 On the other side

실리콘 및 실리콘 상에 형성된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)을 포함하는 구조체, 분산제 및 용매를 포함하는 조성물로부터 다공성 실리콘 이차 입자를 얻는 단계; 및 Obtaining porous silicon secondary particles from a composition comprising silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) formed on silicon and silicon, a composition comprising a dispersant and a solvent; And

상기 다공성 실리콘 이차 입자에 탄소 공급원 기체를 공급하고 열처리하는 단계를 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법이 제공된다.And supplying the carbon source gas to the porous silicon secondary particles and heat treating the porous silicon secondary particles.

또 다른 측면에 따라 According to another aspect

상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체가 제공된다.There is provided a carbon composite material comprising the above porous silicon composite clusters and a carbon-based material.

또 다른 측면에 따라 상술한 i)다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 ii)다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 포함하는 전극을 포함하는 리튬 전지가 제공된다. According to another aspect there is provided a lithium battery comprising i) a porous silicon composite cluster as described above or ii) an electrode comprising a carbon composite comprising a porous silicon composite cluster and a carbon-based material.

또 다른 측면은 상기 i)다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 ii)상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 전계 방출 소자를 제공하는 것이다. Another aspect is to provide a field emission device comprising the i) the porous silicon composite cluster or ii) the carbon composite material comprising the porous silicon composite cluster and the carbon-based material.

또 다른 측면에 의하면 상기 i)다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 ii)상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 바이오센서가 제공된다.According to another aspect, there is provided a biosensor comprising i) a porous silicon composite cluster or ii) a carbon composite comprising the porous silicon composite cluster and a carbon-based material.

또 다른 측면에 의하면, 상기 i)다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 ii)상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 반도체 소자가 제공된다.According to another aspect, there is provided a semiconductor device comprising i) a porous silicon composite cluster or ii) a carbon composite comprising the porous silicon composite cluster and a carbon-based material.

또 다른 측면에 의하면 상기 i)다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 ii)상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 열전소자가 제공된다. According to another aspect there is provided a thermoelectric device comprising i) a porous silicon composite cluster or ii) a carbon composite comprising the porous silicon composite cluster and a carbon-based material.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 이용하면 실리콘 입자간 네트워크 형성으로 인하여 충방전시 극판 팽창을 줄일 수 있고, 초기효율 및 부피에너지밀도가 개선될 뿐만 아니라 전도도 및 고내구성 실리콘 보호층을 형성하여 충방전 내구성을 향상시킬 수 있다.The use of the porous silicon composite clusters according to one embodiment can reduce the expansion of the electrode plate during charging and discharging, improve the initial efficiency and the volume energy density as well as the conductivity and the high durability of the silicon protective layer, The charge and discharge durability can be improved.

도 1a은 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1b는 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 함유한 음극의 작용 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 1c는 그래핀 직성장 실리콘 일차 입자의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1d는 도 1c의 그래핀 직성장 실리콘 일차 입자의 충방전 후 상태를 설명하기 위한 것이다.
도 1e는 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법을 설명하기 위한 것이다.
도 2a는 일구현예에 따른 리튬 전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2b는 일구현예에 따른 열전모듈의 개략도를 나타낸다.
도 2c는 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.
도 2d는 제벡효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.
도 2e는 일구현예에 따른 바이오센서의 전극의 구조를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 전체 클러스터 형상, 클러스터의 외부 및 내부 영역을 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3d 내지 도 3f는 각각 제조예 2에 따라 제조된 다공성 실리콘 클러스터에서 전체 클러스터 형상, 클러스터의 외부 및 내부 영역을 나타낸 TEM 사진이다.
도 3g 내지 도 3i, 도 14a 내지 도 14c는 제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 클러스터에서 전체 클러스터 형상, 클러스터의 외부 및 내부 영역을 나타낸 TEM 사진이다.
도 4a, 도 4c는 각각 비교제조예 1 및 2에 따라 제조된 물질의 내부 영역을 나타낸 것이다.
도 4b 및 도 4d는 비교제조예 1 및 2에 따라 제조된 물질의 외부 영역을 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 비교제조예 3에 따라 제조된 물질의 TEM 사진이다.
도 6a 내지 도 6c는 제조예 1의 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 TEM 사진이다.
도 7a 내지 도 7c는 제조예 2의 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 TEM 사진이다.
도 8a 내지 도 8c는 제조예 3의 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 TEM 사진이다.
도 9a 내지도 9c는 비교제조예 4의 물질에 대한 TEM 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 모두 제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 TEM 사진이다.
도 11는 제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 라
만분석 결과를 나타낸 것이다.
도 12a 및 도 12b는 실시예 3에 따라 제조된 코인셀에서 충방전후 음극의 음극 활물질의 표면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 12c 내지 도 12e는 실시예 3에 따라 제조된 코인셀에서 충방전후 음극의 음극 활물질의 단면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13a 내지 도 13d는 제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 전자주사현미경 분석 결과를 나타낸 것이다.
1A schematically illustrates the structure of a porous silicon composite cluster according to one embodiment.
Figure IB is intended to illustrate the working principle of a cathode containing a porous silicon composite cluster according to one embodiment.
Figure 1c schematically illustrates the structure of graphene-grown silicon primary particles.
FIG. 1D is a view for explaining the state after charging / discharging of graphene-direct-growing silicon primary particles of FIG. 1C. FIG.
FIG. 1E illustrates a method of fabricating a porous silicon composite cluster according to one embodiment.
2A is a schematic view of a lithium battery according to an embodiment.
Figure 2B shows a schematic view of a thermoelectric module according to one embodiment.
2C is a schematic view showing thermoelectric cooling by the Peltier effect.
FIG. 2D is a schematic view showing the thermoelectric generation by the Seebeck effect. FIG.
FIG. 2E illustrates the structure of the electrode of the biosensor according to one embodiment.
3A to 3C are transmission electron microscope (TEM) photographs showing the outer and inner regions of the entire cluster shape and cluster in the porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 1, respectively.
FIGS. 3D to 3F are TEM photographs showing the entire cluster shape and the outer and inner regions of the clusters in the porous silicon clusters prepared according to Production Example 2, respectively.
Figs. 3G to 3I and Figs. 14A to 14C are TEM photographs showing the entire cluster shape and the outer and inner regions of the clusters in the porous silicon clusters produced according to Production Example 3. Fig.
Figs. 4A and 4C show the inner regions of the materials prepared according to Comparative Preparation Examples 1 and 2, respectively.
Figs. 4B and 4D show the outer regions of the materials prepared according to Comparative Preparation Examples 1 and 2. Fig.
5A and 5B are TEM photographs of the materials prepared according to comparative preparation example 3. Fig.
6A to 6C are TEM photographs of the porous silicon composite clusters of Production Example 1. Fig.
Figs. 7A to 7C are TEM photographs of the porous silicon composite clusters of Production Example 2. Fig.
Figs. 8A to 8C are TEM photographs of the porous silicon composite clusters of Production Example 3. Fig.
9A to 9C are TEM photographs of the substance of Comparative Production Example 4. Fig.
FIGS. 10A and 10B are TEM photographs of the porous silicon composite clusters prepared according to Production Example 3. FIG.
Fig. 11 is a graph showing the results of the measurement of the La
The results are shown in Fig.
12A and 12B show SEM analysis results of the surface of the negative electrode active material of the cathode before and after charging in the coin cell manufactured according to the third embodiment.
12C to 12E are SEM analysis results of cross sections of the negative electrode active material of the cathode before and after charging in the coin cell manufactured according to the third embodiment.
13A to 13D show electron microscopic analysis results of the porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 3. FIG.

첨부된 도면들을 참조하면서 이하에서 예시적인 하나 이상의 다공성 실리콘 복합체 클러스터, 이를 포함하는 전극 활물질을 포함하는 전극, 이를 포함하는 리튬전지와 상기 복합체를 이용한 전계 방출 소자, 바이오센서, 반도체 소자에 관하여 더욱 설명하기로 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. .

다공성 실리콘 복합체 이차 입자를 포함하는 다공성 코어(core)와 상기 코어의 상부에 배치된 제2그래핀을 포함하는 쉘(shell)을 함유하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터이며,A porous silicon composite cluster comprising a shell comprising a porous core comprising porous silicon composite secondary particles and a second graphene disposed on top of the core,

상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자는 두 개 이상의 실리콘 복합체 일차 입자의 응집체를 포함하며, 상기 실리콘 복합체 일차 입자는 실리콘; 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 제1그래핀을 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터가 제공된다.Wherein the porous silicon composite secondary particles comprise aggregates of two or more silicon composite primary particles, wherein the silicon composite primary particles are silicon; There is provided a porous silicon composite cluster comprising silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) disposed on the silicon and a first graphene disposed on the silicon oxide.

본 명세서에서 용어 "클러스터"는 적어도 하나 이상의 일차 입자의 응집체를 말하며 실질적으로 "이차 입자"와 동일한 의미로 해석될 수 있다. As used herein, the term "cluster" refers to aggregates of at least one or more primary particles and may be interpreted substantially in the same sense as "secondary particles ".

본 명세서에서 용어 "그래핀"은 플레이크(flake), 나노시트, 막(또는 필름) 등의 구조를 가질 수 있다. 여기에서 나노시트는 실리콘 산화물 상에 불규칙적인 상태로 형성된 경우를 나타내며 막은 실리콘 산화물 상부에 연속적으로 균일하게 형성된 필름 형태를 말한다. 이와 같이 그래핀은 층수를 가질 수도 있고 층 구분 없는 구조를 가질 수도 있다.As used herein, the term "graphene" may have a structure such as flake, nanosheet, membrane (or film) Here, the nanosheet refers to a case where the film is formed irregularly on the silicon oxide, and the film refers to a film shape formed continuously and uniformly on the silicon oxide. As such, graphene may have a number of layers or may have a layerless structure.

일구현예에 의한 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 코어의 사이즈는 3 내지 10㎛이고, 쉘의 두께는 10 내지 5,000nm, 예를 들어 10 내지 1,000nm일 수 있다. 여기에서 사이즈는 직경 또는 장축 길이를 의미한다.In a porous silicon composite cluster according to an embodiment, the core may have a size of 3 to 10 mu m and the shell may have a thickness of 10 to 5,000 nm, for example, 10 to 1,000 nm. Here, the size means the diameter or the major axis length.

도 1a는 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 나타낸 것이다.1A shows a porous silicon composite cluster according to one embodiment.

이를 참조하면, 다공성 실리콘 복합체 클러스터 (11)는 다공성 실리콘 복합체 이차 입자를 포함하는 코어 (1)와 상기 코어 (1)의 상부에 배치된 제2그래핀 (10b)을 포함하는 쉘 (2)을 함유한다.The porous silicon composite cluster 11 comprises a shell 2 comprising a core 1 comprising porous silicon composite secondary particles and a second graphene 10b disposed on top of the core 1, .

다공성 실리콘 복합체 이차 입자는 두 개 이상의 실리콘 복합체 일차 입자 (10)의 응집체를 포함하며, 상기 실리콘 복합체 일차 입자는 실리콘과, 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 제1 그래핀 (10a)을 포함한다. 실리콘 복합체 일차 입자에서 상기 제1 그래핀이 실리콘 산화물 표면에 쉘을 형성하고, 실리콘 복합체 이차 입자에서 제2 ㄱ래핀이 코어의 상부에 쉘을 형성하여 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 이중 코어/쉘 구조를 갖는다. 이러한 이중 코어/쉘 구조를 갖게 되면 부피 팽창이 억제되고 전해질과의 부반응이 감소된다.The porous silicon composite secondary particles comprise aggregates of two or more silicon composite primary particles 10, wherein the silicon composite primary particles comprise silicon and at least one of silicon oxide (SiOx) (O <x <2) and silicon oxide And a first graphene 10a disposed on the silicon oxide. In the silicon composite primary particles, the first graphene forms a shell on the surface of the silicon oxide, and in the silicon composite secondary particles, the second a-lapping forms a shell on top of the core, so that the porous silicon composite cluster has a double core / shell structure . Having such a dual core / shell structure inhibits volume expansion and reduces side reactions with the electrolyte.

코어(1)의 제1그래핀 (10a)는 쉘(2)의 제2그래핀 (10b)과 비교하여 층수가 동일하거나 또는 상이하다. The number of layers of the first graphene 10a of the core 1 is equal to or different from that of the second graphenes 10b of the shell 2.

일구현예에 의하면, 쉘 (2)의 제2그래핀 (10b)은 상기 코어 (1)내의 제1그래핀 (10a)에 비하여 밀도가 높을 수 있다. 일구현예에 따르면, 상기 코어내에서의 제1그래핀 층수는 1 내지 30층, 예를 들어 5 내지 15층, 구체적으로 10층, 상기 쉘 (2)에서의 제2그래핀 (10b)의 층수는 1 내지 50층, 예를 들어 20 내지 30층이다. According to an embodiment, the second graphene 10b of the shell 2 may have a higher density than the first graphene 10a in the core 1. [ According to one embodiment, the number of first graphene layers in the core is in the range of 1 to 30 layers, for example 5 to 15 layers, specifically 10 layers, of the second graphene 10b in the shell 2 The number of layers is 1 to 50, for example 20 to 30.

일구현예에 따르면, 코어에 비하여 밀도가 높은 외각층이 존재할 수 있다. 이러한 외각층의 두께는 제한되는 것은 아니지만 예를 들어 20 내지 60nm일 수 있다. According to one embodiment, an outer layer with a higher density than the core may be present. The thickness of such an outer layer is not limited, but may be, for example, 20 to 60 nm.

코어 및 쉘은 그래파이트를 더 포함할 수 있다.The core and shell may further comprise graphite.

상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자와 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 직경비는 1:1 내지 1:30, 예를 들어 1:1 내지 1:25 구체적으로 1:21이다. 다공성 실리콘 복합체 이차 입자 및 다공성 실리콘 복합체의 클러스트의 직경비는 다공성 실리콘 복합체 이차 입자 및 다공성 실리콘 복합체가 모두 구형 형상을 가질 때 사이즈비를 나타낸다. 만약 다공성 실리콘 복합체 이차 입자 및 다공성 실리콘 복합체가 비구형인 경우에는 장축 길이의 비일 수 있다.The diameter ratio of the porous silicon composite secondary particles and the porous silicon composite clusters is 1: 1 to 1:30, for example, 1: 1 to 1:25, specifically 1:21. The diameter ratio of the clusters of the porous silicon composite secondary particles and the porous silicon composite exhibits a size ratio when both the porous silicon composite secondary particles and the porous silicon composite have a spherical shape. If the porous silicon composite secondary particles and the porous silicon composite are non-spherical, it may be a ratio of the major axis length.

다른 일구현예에 의하면, 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 코어의 직경은 3 내지 10㎛이고, 쉘의 두께는 10 내지 5,000nm(0.01 내지 5㎛), 예를 들어 10 내지 1,000nm이다. 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 포함하는 코어의 직경과 쉘(탄소코팅막)의 두께는 1:0.001 내지 1:1.67, 예를 들어 1:001, 1:1.67, 1:0.0033, 또는 1:0.5이다.According to another embodiment, the core in the porous silicon composite clusters has a diameter of 3 to 10 占 퐉, and the thickness of the shell is 10 to 5,000 nm (0.01 to 5 占 퐉), for example, 10 to 1,000 nm. The diameter of the core including the porous silicon composite clusters and the thickness of the shell (carbon coating film) are from 1: 0.001 to 1: 1.67, for example, 1: 001, 1: 1.67, 1: 0.0033, or 1: 0.5.

다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 제1그래핀과 제2그래핀의 총함량은 실리콘 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 2,000 중량부, 예를 들어 0.1 내지 300 중량부, 예를 들어 0.1 내지 90 중량부, 구체적으로 5 내지 30 중량부일 수 있다. 제1그래핀과 제2그래핀의 총함량이 상기 범위일 때 실리콘의 부피 억제 효과가 우수하고 전도도 특성이 우수하다.The total content of the first graphene and the second graphene in the porous silicon composite cluster is 0.1 to 2,000 parts by weight, for example, 0.1 to 300 parts by weight, for example, 0.1 to 90 parts by weight, based on 100 parts by weight of silicon, And 5 to 30 parts by weight. When the total content of the first graphene and the second graphene is in the above range, the volume suppression effect of silicon is excellent and the conductivity is excellent.

상기 복합체 일차 입자에서 제1그래핀은 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)의 실리콘에서 10nm 이하의 거리만큼 연장되고, 적어도 1개의 그래핀층, 예를 들어 1 내지 30개의 그래핀층을 포함하고 상기 제1그래핀의 총두께는 0.3 내지 50nm, 예를 들어 0.6 내지 50nm, 예를 들어 1 내지 30nm이고, 상기 제1그래핀은 상기 실리콘의 주축에 대하여 0 내지 90° 사이의 각으로 배향된다. The first graphene in the composite primary particles extends at a distance of 10 nm or less in silicon of silicon oxide (SiOx) (O <x <2) and comprises at least one graphene layer, for example, 1 to 30 graphene layers And the total thickness of the first graphene is 0.3 to 50 nm, for example 0.6 to 50 nm, for example 1 to 30 nm, and the first graphene is oriented at an angle between 0 and 90 degrees with respect to the major axis of the silicon do.

상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 제2그래핀은 다공성 실리콘 복합체 이차 입자의 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)의 실리콘에서 1,000nm 이하의 거리, 예를 들어 500nm 이하의 거리, 예를 들어 10nm 이하의 거리, 예를 들어 1nm 이하, 예를 들어 0.00001 내지 1nm 만큼 연장되고, 적어도 1개의 그래핀층, 예를 들어 1 내지 30개의 그래핀층을 포함하고 상기 제2그래핀의 총두께는 0.6 내지 50nm, 예를 들어 1 내지 50nm이고, 상기 제2그래핀은 상기 실리콘의 주축에 대하여 0 내지 90° 사이의 각으로 배향된다. The second graphene in the porous silicon composite clusters may be a silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) of porous silicon composite secondary particles having a distance of less than 1,000 nm, for example a distance of less than 500 nm, Such as 1 nm or less, such as 0.00001 to 1 nm, and includes at least one graphene layer, for example, 1 to 30 graphene layers, and the total thickness of the second graphene is 0.6 to 50 nm For example between 1 and 50 nm, and the second graphene is oriented at an angle between 0 and 90 relative to the major axis of the silicon.

상기 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)의 두께는 30㎛ 이하, 예를 들어 10nm이다. The thickness of the silicon oxide (SiOx) (O <x <2) is 30 μm or less, for example, 10 nm.

상기 실리콘은 형상이 제한되지 않으며, 예를 들어 스피어, 나노와이어, 침상, 막대형 중에서 선택된 하나 이상이다. 그리고 실리콘의 평균입경은 10nm 내지 30㎛이고, 예를 들어 100nm이다.The silicon is not limited in shape, and may be at least one selected from, for example, a sphere, a nanowire, a needle, and a rod. The average particle diameter of silicon is 10 nm to 30 占 퐉, for example, 100 nm.

상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자의 평균입경(D50)은 200nm 내지 50 ㎛, 예를 들어 1 내지 30㎛, 예를 들어 1 내지 10㎛, 구체적으로 3 내지 5㎛이다. 그리고 다공성 실리콘 복합체 이차 입자의 비표면적은 0.1 내지 100m2/g, 예를 들어 1 내지 30 m2/g이다. 그리고 다공성 실리콘 복합체 이차 입자의 밀도는 0.1 내지 2.8g/CC, 예를 들어 0.5 내지 2g/CC이다.The average particle diameter (D50) of the porous silicon composite secondary particles is 200 nm to 50 탆, for example, 1 to 30 탆, for example, 1 to 10 탆, specifically 3 to 5 탆. The specific surface area of the porous silicon composite secondary particles is 0.1 to 100 m 2 / g, for example, 1 to 30 m 2 / g. And the density of the porous silicon composite secondary particles is 0.1 to 2.8 g / cc, for example, 0.5 to 2 g / cc.

다공성 실리콘 복합체 클러스터의 표면에는 탄소 코팅막이 더 포함될 수 있다. 이와 같이 탄소 코팅막이 더 형성되면 초기효율은 저하되지만 수명 특성이 개선된 리튬전지를 제조할 수 있다.The surface of the porous silicon composite cluster may further include a carbon coating film. When the carbon coating film is further formed, the initial efficiency is lowered, but the lithium battery having improved lifetime characteristics can be manufactured.

탄소 코팅막의 두께는 예를 들어 10 내지 5000nm이다.The thickness of the carbon coating film is, for example, 10 to 5000 nm.

탄소 코팅막은 탄소계 재료를 함유한다. 탄소계 재료는 그래핀, 비정질 카본, 카본나노튜브, 카본피치, 풀러렌, 탄소섬유 중에서 선택된 하나 이상을 사용한다.The carbon coating film contains a carbon-based material. The carbon-based material uses at least one selected from graphene, amorphous carbon, carbon nanotube, carbon pitch, fullerene, and carbon fiber.

다공성 실리콘 복합체 클러스터의 입도 분포 특성이 좁다. 예를 들어 다공성 실리콘 클러스터의 D50은 1 내지 30㎛이고, D10은 0.001 내지 10㎛이고, D90은 10 내지 60㎛이다. 다공성 실리콘 클러스터는 이차 입자로 볼 수 있다.The particle size distribution characteristics of the porous silicon composite clusters are narrow. For example, the porous silicon cluster has a D50 of 1 to 30 占 퐉, a D10 of 0.001 to 10 占 퐉, and a D90 of 10 to 60 占 퐉. Porous silicon clusters can be seen as secondary particles.

이와 같이 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 입도 분포가 좁다. 이에 비하여 종래의 실리콘 복합체 일차 입자로부터 얻어진 실리콘 복합체 이차 입자는 이차 입자의 사이즈 분포가 불규칙하고 최적의 셀 성능을 나타내는 음극 활물질의 입자 사이즈로 제어하기가 어렵다. 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 산소의 함량은 0.01 내지 15 원자%, 예를 들어 3.5 내지 5원자%, 구체적으로 3.5 내지 3.8원자%이다. 이와 같이 산소의 함량이 종래의 실리콘계 물질에 비하여 작은 이유는 다공성 실리콘 복합체 클러스터 제조시 스테아르산과 같은 분산제를 이용함으로 실리콘의 산화가 억제되었기 때문이다. 이러한 산소의 함량이 최소화됨으로써 실리콘 용량이 극대화될 수 있고 초기효율이 개선된다.The porous silicon composite clusters according to one embodiment have a narrow particle size distribution. On the other hand, the silicon composite secondary particles obtained from the conventional silicon composite primary particles are difficult to control with the particle size of the negative electrode active material exhibiting irregular size distribution of secondary particles and exhibiting optimal cell performance. The content of oxygen in the porous silicon composite clusters is 0.01 to 15 atomic%, for example, 3.5 to 5 atomic%, specifically 3.5 to 3.8 atomic%. The reason why the content of oxygen is smaller than that of the conventional silicon based material is that the oxidation of silicon is suppressed by using a dispersant such as stearic acid in the production of the porous silicon composite cluster. By minimizing the oxygen content, the silicon capacity can be maximized and the initial efficiency is improved.

도 1c 및 도 1d는 종래의 그래핀 직성장 실리콘 1차 입자 (30) 및 이를 이용한 경우의 충방전 후 그래핀 직성장 실리콘 1차 입자 (30')을 함유한 음극의 상태를 나타낸 것이다.FIGS. 1C and 1D show the state of a conventional graphene monocrystalline silicon primary particle 30 and a negative electrode containing the graphene monocrystalline silicon primary particle 30 'after charge and discharge using the same.

그래핀 직성장 실리콘 일차 입자는 침상형 실리콘 입자 (20) 상부에 제1그래핀 (20a)가 배치된 구조를 갖는다. 도 1d에 나타난 바와 같이 그래핀 직성장 실리콘 일차 입자 (30)을 그래파이트 (34)와 혼합하여 혼합물로 된 음극 활물질층을 구리 집전체 (32)상부에 형성하여 음극이 제조된다. The graphene-grown silicon primary particles have a structure in which the first graphenes 20a are disposed on the acicular-shaped silicon particles 20. 1D, a graphite 34 is mixed with graphene-direct-grown silicon primary particles 30 to form a negative electrode active material layer on the copper current collector 32 to form a negative electrode.

음극은 도 1d에 나타난 바와 같이 충방전후 실리콘의 부피 팽창 및 수축에 의하여 활물질인 그래핀 직성장 실리콘 일차 입자 (30')의 탈리가 일어나고 실리콘의 고립에 의하여 용량이 저하된다. 그리고 실리콘 일차 입자의 표면에 불안정한 SEI 층이 연속적으로 성장하고 이로 인하여 리튬 소모가 커서 충방전 내구성이 저하될 수 있다. As shown in FIG. 1 (d), the cathode expands and contracts due to volumetric expansion and contraction of the silicon, and the graphene-grown silicon primary particles 30 ', which is an active material, are desorbed and the capacity is lowered by the isolation of silicon. In addition, the unstable SEI layer continuously grows on the surface of the silicon primary particles, which may lead to a decrease in charge and discharge durability due to a large consumption of lithium.

본 발명자들은 많은 연구 끝에 상술한 문제점을 해결하기 위하여 이중 코어/쉘 구조를 갖는 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 이용하여 균일한 충방전 네크워크를 형성함으로써 충방전시 실리콘의 부피팽창 및 수축에 의한 파쇄 현상을 줄일 수 있고 다공성 실리콘 복합체 클러스터 표면에 안정한 SEI 형성을 통해 충방전시 내구성이 개선된 음극을 제조할 수 있다. The inventors of the present invention have found that, in order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention formed a uniform charge / discharge network using a porous silicon composite cluster having a dual core / shell structure to reduce the volume expansion and shrinkage of silicon during charging / And a stable SEI is formed on the surface of the porous silicon composite clusters. Thus, a cathode having improved durability during charging and discharging can be manufactured.

도 1b를 참조하여, 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터(30)를 그래파이트(13)와 함께 음극 활물질로 함유한 음극의 작용원리를 설명하기로 한다.Referring to FIG. 1B, the operation principle of a negative electrode containing a porous silicon composite cluster 30 according to an embodiment as a negative electrode active material together with graphite 13 will be described.

다공성 실리콘 복합체 클러스터(30)는 그래핀 직성장 실리콘 입자로서, 그래파이트(13)와 혼합되고 그 혼합물로 된 음극 활물질층이 음극 집전체인 구리 집전체 (32) 상부에 배치되어 있다. 다공성 실리콘 복합체 클러스터(30)는 BET 비표면적이 작아 전해질 침투가 방지되고 전해질과의 부반응 면적이 감소되어 전해질과의 부반응이 효과적으로 억제됨으로써 충방전후에도 활물질의 탈리 및 전극 팽창이 억제된다. 그 결과, 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 함유한 전극을 채용한 리튬전지는 초기효율 및 충방전 내구성이 향상된다. 그리고 다공성 실리콘 복합체 클러스터내의 실리콘 입자가 그래핀을 통하여 연결되어 있고, 슬라이딩 네크워크(sliding network)가 더 잘 형성되어 있다. 그 결과 부피팽창 억제 효과가 향상된다.The porous silicon composite clusters 30 are graphene straight-grown silicon particles, and the anode active material layer composed of the mixture with the graphite 13 is disposed on the copper current collector 32 as the anode current collector. Since the porous silicon composite clusters 30 have a small BET specific surface area, the electrolyte penetration is prevented and the side reaction area with the electrolyte is reduced, so that the side reaction with the electrolyte is effectively suppressed, so that the active material desorption and the electrode expansion are suppressed even after charging and discharging. As a result, a lithium battery employing an electrode containing a porous silicon composite cluster has improved initial efficiency and charge / discharge durability. The silicon particles in the porous silicon composite clusters are connected via graphene, and a sliding network is better formed. As a result, the volume expansion inhibiting effect is improved.

그래핀은 종래의 실리콘 입자에서 일어나는 입자의 파쇄 및 분쇄를 억제하는 역할을 한다. 그래핀 슬라이딩층(sliding layer)은 실리콘 입자의 분해(disintegration)를 막는 클램핑층 역할을 한다. 그리고 리튬 이온과 Si의 합금화 반응(alloying reaction)이 진행되어 비용량(specific capacity)이 매우 우수하고 입자들간에 연속적인 도전성 경로를 제공한다. Graphene plays a role in suppressing the breakdown and crushing of particles occurring in conventional silicon particles. The graphene sliding layer serves as a clamping layer to prevent disintegration of the silicon particles. And the alloying reaction of lithium ions and Si proceeds to provide a very specific capacity and a continuous conductive path between the particles.

실리콘 입자가 스웰링되면 그래핀층이 서로 슬라이딩하고 탈리튬화 공정(delitihiation) 중에는 이완된 위치(relaxed position)로 슬라이드하여 돌아간다. 이러한 움직임은 반데바알스힘이 층간의 마찰력에 비하여 크기 때문이다. When the silicon particles are swollen, the graphene layers slide together and slide back to a relaxed position during delitihiation. This is due to the fact that the Bande Baalschim is larger than the interlayer friction.

상술한 그래핀층의 클램핑 효과는 리튬화/탈리튬화 사이클을 반복적으로 실시한 후에도 그래핀층이 그대로 유지되는 것읕 통하여 그래핀층은 실리콘 입자의 분해를 막는 클램핑층 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있다.The clamping effect of the graphene layer described above can be confirmed to be that the graphene layer remains as it is even after repeating the lithization / de-lithization cycle so that the graphene layer functions as a clamping layer for preventing decomposition of the silicon particles.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 용량이 600 내지 2,000mAh/cc으로 매우 우수한 용량 특성을 갖는다.The porous silicon composite clusters according to one embodiment have very good capacity characteristics with a capacity of 600 to 2,000 mAh / cc.

도 1e를 참조하여, 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법을 살펴 보기로 한다.Referring to FIG. 1E, a method of fabricating a porous silicon composite cluster according to one embodiment will be described.

먼저 실리콘 및 실리콘 상에 형성된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)을 포함하는 구조체를 파쇄하여 파쇄된 실리콘 일차 입자 (42)를 얻는다. First, the structure including silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) formed on silicon and silicon is crushed to obtain crushed silicon primary particles 42.

파쇄된 실리콘 일차 입자 (42), 분산제 및 용매를 혼합하여 조성물 (40)을 얻는다. 상기 조성물 (40)로부터 다공성 실리콘 복합체 이차 입자 (41)를 얻는다. The pulverized silicone primary particles 42, the dispersant and the solvent are mixed to obtain the composition 40. From the composition (40), porous silicon composite secondary particles (41) are obtained.

다공성 복합체 이차 입자에서 기공도는 예를 들어 0.1 내지 50%이고, 기공의 사이즈는 10 내지 500nm이다. The porosity of the porous composite secondary particles is, for example, from 0.1 to 50% and the pore size is from 10 to 500 nm.

상술한 조성물로부터 다공성 실리콘 이차 입자를 제조하는 방법은 공침법, 분무건조법, 고상법 등을 이용하여 다양하게 이용될 수 있고 일구현예에 따르면 분무 건조법을 이용할 수 있다. 분무 건조법에 따라 입자를 제조하는 경우 입자 직경은 분무 형식, 가압 기체류 공급 속도, 조성물 공급 속도, 건조 온도 등을 선정하여 제어할 수 있다.The method of preparing the porous silicon secondary particles from the above-described composition can be variously used by coprecipitation, spray drying, solid phase method and the like, and spray drying can be used according to one embodiment. In the case of preparing the particles according to the spray drying method, the particle diameter can be controlled by selecting the spraying type, the feed rate of the pressurized gas, the feed rate of the composition, and the drying temperature.

분무 건조시 분위기 온도가 상온(25℃) 내지 500℃, 예를 들어 50 내지 300℃의 온도에서 실시한다. 분무 건조시 입자의 출구 부분에서의 수분 결로에 의한 입자 고착·폐색 등의 문제가 발생할 가능성을 미연에 예방하면서 상술한 온도 범위에 실시할 때실리콘 복합체 이차 입자의 기공도가 적절하다.The spray drying is carried out at a temperature of room temperature (25 캜) to 500 캜, for example, 50 to 300 캜. The porosity of the silicone composite secondary particles is suitable when the temperature is within the above range while preventing the possibility of problems such as particle adhesion and clogging due to moisture condensation at the outlet of the particles during spray drying.

상기 분무 건조시 상기 분무 건조의 분무압력이 1~5 bar 일 수 있다.The spraying pressure of the spray drying during the spray drying may be 1 to 5 bar.

분무 건조 전에 출발 원료를 분쇄하는 등의 수단에 의해 가능한 표면적을 크게 증가시킨다. 이를 위하여 파쇄된 실리콘 일차 입자를 출발물질로 이용한다. The surface area is greatly increased by such means as pulverizing the starting material before spray drying. For this purpose, disrupted silicon primary particles are used as the starting material.

예를 들어 분무건조(spray drying)를 이용하는 경우 구형의 다공성 실리콘 이차 입자 (41)를 얻을 수 있다. 다공성 실리콘 이차 입자 (41)의 표면에는 스테아르산과 같은 분산제가 일부 존재할 수 있다. For example, when spray drying is used, spherical porous silicon secondary particles 41 can be obtained. Part of the surface of the porous silicon secondary particles 41 may contain a dispersant such as stearic acid.

그 후, 상기 다공성 실리콘 이차 입자 (31)에 탄소 공급원 기체를 공급하고 열처리하는 단계를 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 제조할 수 있다. Thereafter, a porous silicon composite cluster including the step of supplying carbon source gas to the porous silicon secondary particles 31 and heat-treating the porous silicon composite particles may be manufactured.

탄소 공급원 기체는 먼저 다공성 실리콘 이차 입자의 기공을 채운 후 이차 입자의 외부에서 성장한다.The carbon source gas first grows outside the secondary particles after filling the pores of the porous silicon secondary particles.

상기 용매는 에탄올, 메탄올, 이소프로필 알코올 등을 이용한다. 이러한 알코올계 용매를 사용하고 열처리하는 단계를 거치면 용매의 제거와 함께 분산제가 제거되어 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 잔류하는 함량이 최소화된다. 그 결과 산소 함량이 최소화된 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 얻을 수 있게 된다.As the solvent, ethanol, methanol, isopropyl alcohol or the like is used. When the alcohol-based solvent is used and the heat treatment is performed, the content of the dispersant in the porous silicon composite clusters is minimized along with the removal of the solvent. As a result, a porous silicon composite cluster having a minimized oxygen content can be obtained.

상기 분산제는 실리콘 일차 입자를 골고루 분산시키는 역할을 수행한다. 분산제는 비제한적인 예로서, 스테아르산, 레조르시놀, 폴리비닐알콜 및 피치(pitch) 중에서 선택된 하나 이상이다. 분산제의 함량은 조성물 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 15 중량부, 예를 들어 5 내지 10 중량부이다. 분산제의 함량이 상기 범위일 때 실리콘과 그래핀이 응집됨이 없이 골고루 분산된다. The dispersant plays a role of dispersing the silicon primary particles uniformly. The dispersing agent is at least one selected from, but not limited to, stearic acid, resorcinol, polyvinyl alcohol, and pitch. The content of the dispersant is 1 to 15 parts by weight, for example, 5 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total composition. When the content of the dispersant is within the above range, silicon and graphene are uniformly dispersed without aggregation.

탄소 공급원 기체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 산소 함유 기체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.The carbon source gas is at least one selected from the group consisting of a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (2), and an oxygen containing gas represented by the following formula (3).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CnH(2n+2-a)[OH]a C n H (2n + 2-a) [OH] a

상기 화학식 1 중, n은 1 내지 20의 정수이고, a는 0 또는 1이고,Wherein n is an integer of 1 to 20, a is 0 or 1,

[화학식 2](2)

CnH(2n) C n H (2n)

상기 화학식 2 중, n 은 2 내지 6의 정수이고,Wherein n is an integer of 2 to 6,

[화학식 3](3)

CxHyOzCxHyOz

상기 화학식 3 중, x는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, y는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, z은 1 또는 2이다. X is 0 or an integer of 1 to 20, y is 0 or an integer of 1 to 20, and z is 1 or 2.

상기 탄소 공급원 기체는 예를 들어 메탄, 에틸렌, 프로필렌, 메탄올, 에탄올 및 프로판올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. The carbon source gas is at least one selected from the group consisting of, for example, methane, ethylene, propylene, methanol, ethanol and propanol.

상기 탄소 공급원 기체가 하기 화학식 3a로 표시되는 제2산소 함유 화합물을 더 포함하며, 하기 화학식 3a로 표시되는 제1산소 함유 화합물은 상기 화학식 3으로 표시되는 산소 함유 화합물과 다르다.Wherein the carbon source gas further comprises a second oxygen-containing compound represented by the following formula (3a), and the first oxygen-containing compound represented by the following formula (3a) differs from the oxygen-containing compound represented by the above formula (3).

[화학식 3a][Chemical Formula 3]

CxHyOzCxHyOz

상기 화학식 3a 중, x는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, y는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, z은 1 또는 2이다. Wherein x is 0 or an integer of 1 to 20, y is 0 or an integer of 1 to 20, and z is 1 or 2.

예를 들어 화학식 3a에서 x는 0이고 두번째 산소 함유 화합물은 수증기(H2O)일 수 있다. 기체 혼합물에서 수증기의 함량은 특별하게 제한되지 않으며, 예를 들어 탄소 공급원 기체 총부피 100부피%를 기준으로 하여 0.01 내지 10부피%일 수 있다.For example, in Formula 3a, x may be 0 and the second oxygen containing compound may be water vapor (H 2 O). The content of water vapor in the gas mixture is not particularly limited and can be, for example, 0.01 to 10% by volume based on 100% by volume of the total carbon source gas.

상기 탄소 공급원 기체는 상술한 복수개의 기체들의 혼합물이 사용될 수 있다.The carbon source gas may be a mixture of the above-described plurality of gases.

상기 열처리는 600 내지 1100℃, 예를 들어 700 내지 1,000℃에서 실시된다. 이러한 열처리 온도에서 실시될 때 그래핀이 코어 및 쉘에서 고밀도로 형성된다.The heat treatment is performed at 600 to 1100 ° C, for example, at 700 to 1,000 ° C. When performed at this heat treatment temperature, graphene is formed at high density in the core and the shell.

실리콘 복합체 일차 입자는 상술한 바와 같이 입자는 실리콘; 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 그래핀을 포함한다. 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)은 실리카(SiO2)와 비교하여 산소가 결핍된 불안정한 물질로서, 탄소 공급원 가스와 같은 다른 반응성 물질과 반응하여 안정적인 물질을 형성하려는 경향을 갖고 있다. 이러한 점을 활용하여 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)막을 그래핀을 형성하는 씨드층 물질로 이용한다. As described above, the silicon composite primary particles may be silicon; Silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) disposed on the silicon and graphene disposed on the silicon oxide. Silicon oxide (SiOx) (O <x <2) is an oxygen-deficient unstable material compared to silica (SiO 2 ) and tends to react with other reactive materials such as carbon source gas to form a stable material. Taking advantage of this point, a silicon oxide (SiOx) (O <x <2) film is used as a seed layer material to form graphene.

실리콘 상부에 형성된 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)은 막 형태를 갖는다 실리콘 산화물막의 두께는 그래핀의 형태, 구조 등에 매우 중요한 영향을 미친다. The silicon oxide (SiOx) (O <x <2) formed on the silicon has a film shape. The thickness of the silicon oxide film has a very important influence on the shape and structure of the graphene.

실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)막의 두께는 그래핀 형성시 이용되는 제조공정 예를 들어 그래핀을 형성하는데 필요한 탄소 공급원 기체의 조성 등을 이용하여 변화시킬 수 있다. 이러한 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)막의 두께는 300㎛ 이하일 수 있다. The thickness of the silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) film can be varied by using the carbon source gas composition necessary for forming the graphene, The thickness of such a silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) film may be 300 m or less.

일구현예에 따르면, 상기 복합체가 전지에 이용되는 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)막의 두께는 10nm 이하, 0.1 내지 10nm, 구체적으로 0.1 내지 5nm이다. 이러한 두께 범위를 갖는 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)막을 갖는 복합체를 이용하면 전지의 용량 특성이 우수하다.According to one embodiment, the thickness of the silicon oxide (SiOx) (O <x <2) film used in the composite battery is 10 nm or less, 0.1 to 10 nm, specifically 0.1 to 5 nm. When a composite having a silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) film having such a thickness range is used, the capacity characteristics of the battery are excellent.

일구현예에 따라 실리콘의 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)막 상부에 그래핀을 형성하는 과정은 촉매를 사용하지 않는 기상 탄소 침적 반응을 이용한다. According to one embodiment, the process of forming graphene on a silicon oxide (SiOx) (O <x <2) film of silicon utilizes a catalyst-free vapor carbon deposition process.

기상 탄소 침적 반응은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 산소 함유 기체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 기체 분위기내에서 실리콘 산화물(SiOx)로 피복된 실리콘을 열처리하는 단계를 거쳐 진행된다.The vapor-phase carbon deposition reaction is carried out in the presence of silicon oxide (SiOx) -coated silicon oxide (SiOx) in at least one gas atmosphere selected from the group consisting of a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula A heat treatment step is performed.

[화학식 1] [Chemical Formula 1]

CnH(2n+2-a)[OH]a C n H (2n + 2-a) [OH] a

상기 화학식 1 중, n은 1 내지 20의 정수, a는 0 또는 1이고,Wherein n is an integer of 1 to 20, a is 0 or 1,

[화학식 2](2)

CnH(2n) C n H (2n)

상기 화학식 2 중, n 은 2 내지 6의 정수이고,Wherein n is an integer of 2 to 6,

[화학식 3](3)

CxHyOzCxHyOz

상기 화학식 3 중, x는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, y는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, z은 1 또는 2이다. X is 0 or an integer of 1 to 20, y is 0 or an integer of 1 to 20, and z is 1 or 2.

실리콘 산화물(SiOx)층의 두께는 그래핀 형성에 관련된 공정을 제어하여 달라질 수 있다. 예를 들어 제2그래핀 형성시 사용되는 탄소 공급원 기체의 조성을 제어하여 달라질 수 있다. The thickness of the silicon oxide (SiOx) layer can be controlled by controlling the process involved in graphene formation. For example, by controlling the composition of the carbon source gas used in the formation of the second graphene.

상술한 기상 탄소 침적 반응은 후술하는 이론에 구속되려 함은 아니나, 이러한 코팅은, 상기 기체 혼합물 내에 포함된 실리콘 산화물(SiOx, 0<x<2)로 피복된 실리콘을 CO2를 이용한 개질(reforming) 등과 관련된다. The above-described vapor carbon deposition reaction is not intended to be bound to the theory described later, but such a coating is formed by reforming the silicon covered with the silicon oxide (SiOx, 0 < x < 2) contained in the gas mixture by CO 2 ).

상술한 비촉매 기상 탄소 침적 반응에 따르면, 실리콘상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)의 표면에 그래핀을 직접 성장하고 실리콘과 제1그래핀 및 실리콘과 제2그래핀의 밀착도가 높다. According to the non-catalytic gaseous carbon deposition reaction described above, graphene is directly grown on the surface of silicon oxide (SiOx) disposed on silicon, and adhesion between silicon and first graphene and silicon and second graphene is high.

다른 일구현예에 의하면, Si층 상부에 SiOx층이 존재 하지 않아도 탄소 혼합가스와 산소 혼합 가스를 반응시키는 과정을 거치면 산소 함유 혼합 가스의 반응으로 실리콘층 상부에 실리콘 산화물(SiOx, 0<x<2)층을 먼저 형성하고 그 위에 탄소 혼합가스가 반응하면서 제1그래핀과 제2그래핀을 형성할 수 있다.According to another embodiment, even though the SiOx layer does not exist on the Si layer, when a carbon mixed gas and an oxygen mixed gas are reacted, a silicon oxide (SiOx, 0 <x < 2) layer may be formed first, and a carbon mixed gas may be reacted on the layer to form a first graphene and a second graphene.

실리콘과 그래핀의 밀착도는 SiOx의 실리콘과 그래핀의 거리를 전자주사현미경을 통하여 평가할 수 있다. The adhesion between silicon and graphene can be evaluated by a scanning electron microscope between silicon and graphene of SiOx.

다공성 실리콘 복합체 클러스터를 구성하는 실리콘 복합체 일차 입자의 제1그래핀은 실리콘 산화물의 실리콘에서 10nm 이하, 예를 들어 0.5 내지 10nm의 거리만큼 연장된다. 다른 일구현예에 의하면, 제1그래핀은 실리콘 산화물의 실리콘에서 1nm 이하, 예를 들어 0.5 내지 1nm 거리만큼 연장된다. 그리고 제1그래핀은 상기 실리콘의 주축에 대하여 0 내지 90° 사이의 각으로 배향된다. 적어도 1 내지 20개의 그래핀층을 포함하고 상기 제1그래핀의 총 두께는 0.6 내지 12nm이다. 그리고 제1그래핀은 상기 실리콘의 주축에 대하여 0 내지 90° 사이의 각으로 배향된다.The first graphene of the silicon composite primary particles constituting the porous silicon composite clusters is extended in the silicon of the silicon oxide by a distance of 10 nm or less, for example, 0.5 to 10 nm. According to another embodiment, the first graphene is extended by a distance of 1 nm or less, for example 0.5-1 nm, in the silicon of the silicon oxide. And the first graphene is oriented at an angle between 0 and 90 relative to the major axis of the silicon. At least 1 to 20 graphene layers, and the total thickness of the first graphene is 0.6 to 12 nm. And the first graphene is oriented at an angle between 0 and 90 relative to the major axis of the silicon.

실리콘은 그 형태는 비제한적이며, 예를 들어 상기 실리콘은 스피어, 나노와이어, 침상, 막대형, 입자, 나노튜브, 나노로드, 웨이퍼(wafer), 나노리본 및 그 조합물 중에서 선택된 하나일 수 있다.The shape of the silicon is non-limiting, for example, the silicon can be one selected from a sphere, a nanowire, a needle, a rod, a particle, a nanotube, a nanorod, a wafer, .

일구현예에 의하면, 실리콘은 침상 입자 타입일 수 있다. 이 때 침상형 실리콘 입자의 길이는 길이가 약 100 내지 160nm, 예를 들어 108 내지 125nm, 두께가 약 10 내지 100nm, 예를 들어 20 내지 50nm, 구체적으로 40nm이다. According to one embodiment, the silicon may be needle-shaped particle type. The length of the acicular silicon particles is about 100 to 160 nm, for example, about 108 to 125 nm, and the thickness is about 10 to 100 nm, for example, about 20 to 50 nm, specifically about 40 nm.

일구현예에 의하면, 침상형 실리콘 상에 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)막이 형성되고 그 상부에 그래핀이 형성될 수 있다.According to one embodiment, a film of silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) may be formed on the acicular silicon and graphene may be formed thereon.

다른 일구현예에 의하면 실리콘 나노입자 상에 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)막이 형성되고 그 상부에 그래핀이 형성될 수 있다. 여기에서 상기 실리콘 나노입자의 평균입경은 40nm 내지 40㎛, 예를 들어 40 내지 100nm이다.According to another embodiment, a silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) film may be formed on the silicon nanoparticles and graphene may be formed thereon. Here, the average particle diameter of the silicon nanoparticles is 40 nm to 40 m, for example, 40 to 100 nm.

실리콘이 웨이퍼 타입인 경우, 실리콘 웨이퍼의 두께는 2mm 이하이고, 예를 들어 0.001 내지 2mm이다.When the silicon is a wafer type, the thickness of the silicon wafer is 2 mm or less, for example, 0.001 to 2 mm.

상기 그래핀은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 그 결과 상기 그래핀은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 예를 들어 1층 내지 100층 또는 혹은 2층 내지 100층, 혹은 3층 내지 50층의 겹수를 가질 수 있다. The graphene is formed by connecting a plurality of carbon atoms to each other through a covalent bond to form a polycyclic aromatic molecule. The carbon atoms connected by the covalent bond form a 6-membered ring as a basic repeating unit, but a 5-membered ring and / It is also possible to include more. As a result, the graphene appears as a single layer of covalently bonded carbon atoms (usually sp 2 bonds). The graphene may be composed of a single layer. However, it is also possible to form a plurality of layers by stacking a plurality of layers. For example, the graphenes may include one layer to 100 layers, or two layers to 100 layers, or three layers to 50 layers Lt; / RTI &gt;

그래핀은 나노시트, 막(또는 필름), 그래핀 나노쉬트, 플레이크(flake) 등의 구조를 가질 수 있다. 용어 "나노시트”는 실리콘 산화물 상에 불규칙적인 상태로 형성된 경우를 나타내며 "막"은 실리콘 산화물 상부에 연속적으로 균일하게 형성된 필름 형태를 말한다.Graphene may have a structure such as a nanosheet, a film (or film), a graphene nanosheet, a flake, or the like. The term "nanosheet " refers to a film formed in an irregular state on silicon oxide, and" film &quot; refers to a film shape formed continuously and uniformly on top of silicon oxide.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 이와 같이 금속 산화물을 더 포함하면 부반응 억제에 의한 SEI 층 형성을 방지하는 이점이 있다.The porous silicon composite clusters according to one embodiment may further comprise a metal oxide. If such a metal oxide is further included, there is an advantage of preventing formation of SEI layer due to inhibition of side reaction.

상기 금속 산화물은 산화마그네슘, 산화망간, 산화알루미늄, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화탄탈륨, 산화주석, 산화하프늄, 플루오르화알루미늄(AlF3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다. The metal oxide includes at least one selected from the group consisting of magnesium oxide, manganese oxide, aluminum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, tin oxide, hafnium oxide and aluminum fluoride (AlF 3 ).

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 그래핀은 SEI 안정화 클램핍층(clamping layer) 역할을 수행할 수 있다. 그리고 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 높은 비표면적을 갖고 있어 이를 이용한 전지에서 초기효율 및 부피 에너지 밀도가 저하되는 것을 막을 수 있다.In a porous silicon composite cluster according to one embodiment, the graphene can serve as a SEI stabilizing clamping layer. The porous silicon composite clusters have a high specific surface area, which can prevent the initial efficiency and the volume energy density from deteriorating in the battery using the porous silicon composite clusters.

다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 그래핀은 실리콘과 같은 활물질의 파쇄 및 분쇄를 억제할 수 있고 복합체의 전도도를 개선할 수 있다. 그래핀은 실리콘 입자에서 일어나는 입자의 파쇄 및 분쇄를 억제하는 역할을 한다. 그래핀은 실리콘 입자의 분해(disintegration)를 막는 클램핑층 역할을 하고 리튬 이온과 Si의 합금화 반응(alloying reaction)이 진행되어 비용량(specific capacity)이 매우 우수하고 입자들간에 연속적인 도전성 경로를 제공한다. In porous silicon composite clusters, graphene can inhibit fracture and crushing of active materials such as silicon and improve the conductivity of the composite. Graphene plays a role in suppressing the breakdown and crushing of particles occurring in silicon particles. Graphene acts as a clamping layer to prevent the disintegration of silicon particles and alloying reaction of lithium ions and Si proceeds to provide a very good specific capacity and a continuous conductive path between particles. do.

실리콘 입자가 스웰링되면 그래핀층이 서로 슬라이딩하고 탈리튬화 공정(delitihiation) 중에는 이완된 위치(relaxed position)로 슬라이드하여 돌아간다. 이러한 움직임은 반데바알스힘이 층간의 마찰력에 비하여 크기 때문이다. When the silicon particles are swollen, the graphene layers slide together and slide back to a relaxed position during delitihiation. This is due to the fact that the Bande Baalschim is larger than the interlayer friction.

상술한 그래핀층의 클램핑 효과는 약 200회 정도의 리튬화/탈리튬화 사이클 을 반복적으로 실시한 후에도 그래핀층이 그대로 유지되는 것읕 통하여 그래핀층은 실리콘 입자의 분해를 막는 클램핑층 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있다.The clamping effect of the graphene layer described above is that the graphene layer remains intact after repeatedly performing about 200 lithium ionization / de-lithization cycles, thereby confirming that the graphene layer serves as a clamping layer to prevent decomposition of the silicon particles .

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 실리콘 복합체 일차 입자 표면에 조밀한 그래핀이 형성되어 입자들간에 나노 크기의 기공을 형성하여 일차 입자 및 이차 입자의 부피 팽창시 버퍼역할을 수행할 수 있다. 그리고 열처리를 통하여 SEI층을 안정적으로 형성할 수 있다. 그리고 이차 입자 표면에 존재하는 여러층의 그래핀은 실리콘의 부피 팽창 및 수축시의 그래핀 층간 슬라이딩에 의하여 일차 입자가 이차 입자 밖으로 드러나지 않도록 부피가 팽창되어 실리콘 복합체 일차 입자가 전해질과 접촉하는 것을 저감시킨다. The porous silicon composite clusters according to an exemplary embodiment may form dense graphenes on the surface of the silicon composite primary particles to form nano-sized pores between the particles, and may act as a buffer when the primary particles and the secondary particles expand in volume. And the SEI layer can be stably formed through the heat treatment. And the graphenes of various layers present on the surface of the secondary particles are expanded in volume so that the primary particles are not exposed outside the secondary particles due to sliding between the graphenes during volume expansion and contraction of the silicon to reduce the contact of the primary particles of the silicon composite with the electrolyte .

다른 측면에 따라 상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 제공한다. 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 실리콘 복합체 일차 입자에 비하여 비표면적이 감소되고 부피밀도(비용량)가 증가되어 이를 탄소계 재료와 혼합시 부피 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고 전극의 부피 팽창을 더욱 더 줄일 수 있다.According to another aspect, there is provided a carbon composite comprising the above-described porous silicon composite clusters and a carbon-based material. The porous silicon composite clusters according to an embodiment have a reduced specific surface area and an increased bulk density (non-capacity) as compared with the silicon composite primary particles, which can improve the bulk energy density when mixed with the carbon-based material, Can be further reduced.

상술한 탄소 복합체는 복합체와 비교하여 초기 효율, 비용량 특성이 우수하고 율속 성능 및 내구성이 더욱 향상된다.The above-described carbon composite material is excellent in initial efficiency and non-capacity characteristics as compared with the composite, and the rate-limiting performance and durability are further improved.

탄소계 재료의 함량은 탄소 복합체 100 중량부를 기준으로 하여 0.001 내지 99 중량부, 예를 들어 10 내지 97 중량부, 예를 들어 50 내지 97 중량부이다. 탄소계 재료의 함량이 상기 범위일 때 용량 및 전도도가 우수한 탄소 복합체를 얻을 수 있다. The content of the carbon-based material is 0.001 to 99 parts by weight, for example, 10 to 97 parts by weight, for example, 50 to 97 parts by weight, based on 100 parts by weight of the carbon composite. When the content of the carbon-based material is within the above range, a carbon composite excellent in capacity and conductivity can be obtained.

상기 탄소계 재료는 그래핀, 흑연, 풀러렌, 탄소섬유 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다.The carbon-based material includes at least one selected from the group consisting of graphene, graphite, fullerene, carbon fiber, and carbon nanotube.

상기 탄소 복합체는 예를 들어 흑연 및 상기 흑연 상부에 형성된 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 함유할 수 있다.The carbon composite material may contain, for example, graphite and a porous silicon composite cluster formed on the graphite.

상기 흑연으로는 예를 들어 SFG6 흑연을 이용하며, 예를 들어 평균 입경이 약 6 ㎛이다. 상기 탄소 복합체를 이용하여 전극을 형성하는 경우, 전극에서 탄소 복합체의 함량은 예를 들어 68 내지 87 중량부이고 바인더의 함량은 예를 들어 13 내지 32 중량부이다. 상기 탄소 복합체에서 흑연의 함량은 예를 들어 탄소 복합체 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 20 중량부이다. As the graphite, SFG6 graphite is used, for example, an average particle size of about 6 mu m. In the case of forming the electrode using the carbon composite material, the content of the carbon composite material in the electrode is, for example, 68 to 87 parts by weight, and the content of the binder is, for example, 13 to 32 parts by weight. The content of graphite in the carbon composite material is, for example, 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon composite material.

상기 바인더로는 예를 들어 리튬 폴리아크릴레이트를 사용한다.As the binder, for example, lithium polyacrylate is used.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물이 메탄, 에틸렌, 프로필렌, 메탄올, 에탄올, 프로판올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. The compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 are at least one selected from the group consisting of methane, ethylene, propylene, methanol, ethanol, and propanol.

화학식 3으로 표시되는 산소 함유 기체는 예를 들어 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 또는 그 혼합물을 포함한다.The oxygen-containing gas represented by the general formula (3) includes, for example, carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide (CO), water vapor (H 2 O), or a mixture thereof.

탄소 공급원 기체 이외에 질소, 헬륨, 아르곤으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 불활성 기체를 더 포함할 수 있다.In addition to the carbon source gas, it may further comprise at least one inert gas selected from the group consisting of nitrogen, helium, and argon.

상기 산소 함유 기체는 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. The oxygen-containing gas may be at least one selected from the group consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, and water vapor.

탄소 공급원 기체로서 산소 함유 기체를 사용하는 경우, 실리콘 산화막의 두께를 자연산화막인 실리콘 산화막의 두께와 비교하여 두껍게 형성할 수 있다. 예를 들어 실리콘 산화막의 두께를 10nm 이하, 예를 들어 0.5 내지 5nm로 제어할 수 있게 된다. 이러한 두께 범위를 갖는 실리콘 산화막을 이용하면, 그래핀의 형태와 두께를 조절할 수 있다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 실리콘 산화막의 두께를 상술한 두께 범위로 자연산화막의 경우보다 두껍게 형성하면 그 상부에 형성된 그래핀 나노시트 보다는 이보다 치밀한 구조를 갖는 그래핀층을 얻을 수 있다. 여기에서 그래핀층은 예를 들어 5 내지 10층 구조를 갖는다.When an oxygen-containing gas is used as a carbon source gas, the thickness of the silicon oxide film can be thicker than the thickness of the silicon oxide film, which is a natural oxide film. The thickness of the silicon oxide film can be controlled to 10 nm or less, for example, 0.5 to 5 nm. By using a silicon oxide film having such a thickness range, the shape and thickness of graphene can be controlled. More specifically, if the thickness of the silicon oxide layer is thicker than the thickness of the natural oxide layer, the graphene layer having a more dense structure than the graphene nanosheet formed thereon can be obtained. Here, the graphene layer has, for example, a 5 to 10 layer structure.

상기 기체 혼합물이 수증기를 포함하는 경우, 결과로서 수득한 복합체는 더 높은 전도도를 나타낼 수 있다. 특정 이론에 구속되려 함은 아니지만, 수증기 존재 하에 상기 기체 혼합물 간의 반응에 의해 실리콘 산화물로 피복된 실리콘 상에 높은 결정성의 탄소가 퇴적되기 때문에 보다 적은 양의 탄소가 코팅되는 경우에도 높은 전도도를 나타낼 수 있다고 생각된다. 상기 기체 혼합물 내의 수증기의 함량은, 제한되지 않으며, 예를 들어, 탄소 공급원 기체 전체 100 부피%를 기준으로 하여 0.01 내지 10 부피%를 사용한다. If the gas mixture comprises water vapor, the resultant complexes may exhibit higher conductivity. Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the reaction between the gas mixture in the presence of water vapor deposits highly crystalline carbon on the silicon coated with silicon oxide, so that even when a smaller amount of carbon is coated, . The content of water vapor in the gas mixture is not limited, and is, for example, 0.01 to 10% by volume based on 100% by volume of the total carbon source gas.

상기 탄소 공급원 기체는 예를 들어 메탄; 메탄과 불활성 기체를 포함하는 혼합기체; 산소 함유 기체; 또는 메탄과 산소 함유 기체를 포함하는 혼합기체일 수 있다.The carbon source gas may be, for example, methane; A mixed gas comprising methane and an inert gas; An oxygen-containing gas; Or a mixed gas comprising methane and an oxygen-containing gas.

일구현예에 따른 탄소 공급원 기체는 CH4: CO2 혼합 기체 또는 CH4: CO2 : H2O 혼합기체일 수 있다. The carbon source gas according to one embodiment may be a CH 4 : CO 2 mixed gas or a CH 4 : CO 2 : H 2 O mixed gas.

CH4: CO2 혼합기체는 약 1: 0.20 ~ 0.50의 몰비로 제공될 수 있고, 구체적으로 약 1: 0.25 ~ 0.45의 몰비로 제공될 수 있으며, 더 구체적으로는 약 1 : 0.30 ~ 0.40의 몰비로 제공될 수 있다. The CH 4 : CO 2 mixed gas may be provided in a molar ratio of about 1: 0.20-0.50, specifically about 1: 0.25-0.45, and more specifically about 1: 0.30-0.40 Lt; / RTI &gt;

CH4: CO2: H2O 혼합기체는 약 1 : 0.20 ~ 0.50 : 0.01 ~ 1.45의 몰비로 제공될 수 있고, 구체적으로 약 1 : 0.25 ~ 0.45 : 0.10 ~ 1.35의 몰비로 제공될 수 있으며, 더 구체적으로는 약 1 : 0.30 ~ 0.40 : 0.50 ~ 1.0 의 몰비로 제공될 수 있다. The CH 4 : CO 2 : H 2 O mixed gas may be provided in a molar ratio of about 1: 0.20-0.50: 0.01 to 1.45, and specifically in a molar ratio of about 1: 0.25-0.45: 0.10-1.35, More specifically from about 1: 0.30 to 0.40: 0.50 to 1.0.

다른 일구현예에 따른 탄소 공급원 기체는 일산화탄소(C0) 또는 이산화탄소 (CO2 )일 수 있다. The carbon source gas according to another embodiment may be carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ).

또 다른 일구현예에 따른 탄소 공급원 기체는 CH4와 N2의 혼합기체이다.A carbon source gas according to another embodiment is a mixed gas of CH 4 and N 2 .

CH4: N2 혼합 기체는 약 1 : 0.20 ~ 0.50의 몰비로 제공될 수 있고, 구체적으로 약 1 : 0.25 ~ 0.45의 몰비로 제공될 수 있으며, 더 구체적으로는 약 1 : 0.30 ~ 0.40의 몰비로 제공될 수 있다. 일구현예에 따른 탄소 공급원 기체는 질소와 같은 불활성 기체를 포함하지 않을 수도 있다.CH 4: N 2 gas mixture is about 1: may be provided in a molar ratio of 0.20 ~ 0.50, in particular from about 1: may be provided in a molar ratio of 0.25 to 0.45, and more specifically about 1: mole ratio of 0.30 ~ 0.40 Lt; / RTI &gt; The carbon source gas according to one embodiment may not contain an inert gas such as nitrogen.

상기 열처리는 750 내지 1100℃, 예를 들어 800 내지 1000℃에서 실시될 수 있다.The heat treatment may be performed at 750 to 1100 ° C, for example, 800 to 1000 ° C.

열처리 단계에서 압력도 제한되지 않으며, 열처리 온도, 기체 혼합물의 조성 및 소망하는 탄소 코팅의 양 등을 고려하여 선택할 수 있다. 열 처리 시 압력은, 유입되는 기체혼합물의 양과 유출되는 기체 혼합물의 양을 조정하여 제어할 수 있다. 예를 들어, 열처리 시 압력은, 1atm 이상, 예컨대, 2 atm 이상, 3 atm 이상, 4 atm 이상, 5 atm 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The pressure in the heat treatment step is not limited, and can be selected in consideration of the heat treatment temperature, the composition of the gas mixture, and the amount of the desired carbon coating. The pressure during the heat treatment can be controlled by adjusting the amount of the introduced gas mixture and the amount of the discharged gas mixture. For example, the pressure during heat treatment may be at least 1 atm, such as at least 2 atm, at least 3 atm, at least 4 atm, and at least 5 atm, but is not limited thereto.

열처리 시간은 특별히 제한되지 않으며, 열처리 온도, 열처리시 압력, 기체 혼합물의 조성 및 소망하는 탄소 코팅의 양에 따라 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 시간은 10분 내지 100시간, 구체적으로 30분 내지 90시간, 더 구체적으로 50분 내지 40 시간일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 특정 이론에 구속되려 함은 아니나, 시간이 길어질수록 침적되는 그래핀(탄소)량이 많아지고, 이에 따라 복합체의 전기적 물성이 향상될 수 있다. 다만, 이러한 경향이 시간에 반드시 정비례되는 것은 아닐 수 있다. 예컨대. 소정의 시간 경과 후에는 더 이상 그래핀 침적이 일어나지 않거나 침적율이 낮아질 수 있다.The heat treatment time is not particularly limited and can be appropriately adjusted according to the heat treatment temperature, the pressure at the heat treatment, the composition of the gas mixture, and the amount of the desired carbon coating. For example, the reaction time may be 10 minutes to 100 hours, specifically 30 minutes to 90 hours, more specifically, 50 minutes to 40 hours, but is not limited thereto. While not intending to be bound by any particular theory, the longer the time, the greater the amount of deposited graphene (carbon), and thus the electrical properties of the composite can be improved. However, this tendency may not necessarily be directly proportional to time. for example. After a predetermined time has elapsed, graphene deposition may no longer occur or the deposition rate may be lowered.

상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법은 상술한 탄소 공급원 기체의 기상 반응을 통하여 비교적 낮은 온도에서도 실리콘 산화물(SiOx)로 피복된 실리콘상에 그래핀에 균일한 코팅을 제공할 수 있다. 그리고 실리콘 산화물(SiOx)막으로 피복된 실리콘상에 형성된 그래핀의 탈리 반응이 실질적으로 일어나지 않는다. 상기 실리콘 산화막의 두께를 제어하면 그래핀의 탈리 반응을 더욱 더 억제할 수 있다. 이와 같이 그래핀의 탈리 반응을 효율적으로 억제할 수 있는 실리콘 산화막의 두께는 10nm 이하, 0.1 내지 10nm, 구체적으로 0.1 내지 5nm이다.The above described method of producing porous silicon composite clusters can provide a uniform coating of graphene on silicon coated with silicon oxide (SiOx) even at relatively low temperatures through the above-described gas phase reaction of the carbon source gas. And the desorption reaction of graphene formed on the silicon coated with the silicon oxide (SiOx) film does not substantially occur. By controlling the thickness of the silicon oxide film, the desorption reaction of graphene can be further suppressed. As described above, the thickness of the silicon oxide film that can effectively suppress the desorption of graphene is 10 nm or less, 0.1 to 10 nm, specifically 0.1 to 5 nm.

또한 기상 반응을 통하여 실리콘 상에 그래핀을 코팅하므로 높은 결정성을 갖는 코팅막을 형성할 수 있어 이러한 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 음극 활물질로 이용한 경우 구조변화없이 음극 활물질의 전도도를 높일 수 있다.Also, since graphene is coated on silicon through a gas phase reaction, a coating film having high crystallinity can be formed. When such a porous silicon composite cluster is used as an anode active material, the conductivity of the anode active material can be increased without changing the structure.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 이용한 탄소 복합체의 제조과정은 다음과 같다.The process for preparing the carbon composite material using the porous silicon composite clusters according to one embodiment is as follows.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 혼합하고 이를 열처리한다.The porous silicon composite clusters according to one embodiment are mixed with the carbon-based material and heat-treated.

상기 열처리는 600 내지 1100℃, 예를 들어 700 내지 1,000℃에서 실시한다. 열처리 온도가 상기 범위일 때 용량 특성이 우수한 탄소 복합체를 얻을 수 있다.The heat treatment is performed at 600 to 1100 ° C, for example, 700 to 1,000 ° C. When the heat treatment temperature is in the above range, a carbon composite excellent in capacity characteristics can be obtained.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 전지, 디스플레이용 발광체, 열전소자, 바이오센서 등에 유용하게 사용될 수 있다. The porous silicon composite clusters or carbon composites according to one embodiment may be usefully used in batteries, display luminous bodies, thermoelectric elements, biosensors, and the like.

또 다른 측면에 따르면 상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체를 포함한 전극이 제공된다. 상기 전극은 리튬 전지용 전극일 수 있다.According to another aspect, there is provided an electrode comprising the above-described porous silicon composite cluster or carbon composite. The electrode may be an electrode for a lithium battery.

상기 전극은 음극일 수 있다.The electrode may be a cathode.

상기 복합체 또는 탄소 복합체는 전극 활물질, 예를 들어 음극 활물질로 사용될 수 있다. 이와 같이 음극 활물질로 사용하는 경우 실리콘 부피팽창이 감소되고 분쇄가 줄어들게 된다. 그리고 전도도가 향상되어 고율 특성이 개선될 수 있다. 또한 실리콘 산화물이 피복된 실리콘상에 그래핀을 최소한의 양으로 코팅할 수 있어 부피당 에너지밀도가 향상된 음극 활물질을 얻을 수 있다.상기 복합체 또는 상기 복합체와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 리튬 전지를 제공한다.The composite or carbon composite may be used as an electrode active material, for example, an anode active material. As such, when used as an anode active material, silicon volume expansion is reduced and the crushing is reduced. The conductivity can be improved and the high-rate characteristics can be improved. In addition, it is possible to coat graphene in a minimum amount on silicon coated with silicon oxide, thereby obtaining a negative electrode active material having an improved energy density per volume. The composite material or the lithium composite material containing the composite material and the carbon- Thereby providing a battery.

상기 음극은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The negative electrode can be produced by the following method.

상기 음극은 예를 들어 음극 활물질인 복합체 또는 탄소 복합체, 도전제 및 The negative electrode may be, for example, a composite or a carbon composite that is an anode active material,

결착제를 포함하는 음극 활물질 조성물이 일정한 형상으로 성형되거나, 상기의 음극 활물질 조성물이 동박(copper foil) 등의 집전체에 도포되는 방법으로 제조될 수 있다. 상기 조성물에서 도전제는 사용하지 않아도 무방하다. The negative electrode active material composition containing the binder may be formed into a predetermined shape or the negative electrode active material composition may be applied to a current collector such as copper foil. It is not necessary to use a conductive agent in the composition.

또한, 상기 집전체 없이 상기 음극 활물질 조성물이 세퍼레이터 상에 필름 형태로 형성될 수 있다.Also, the negative electrode active material composition may be formed in the form of a film on the separator without the current collector.

구체적으로, 상기 음극 활물질, 도전제, 결합제 및 용매가 혼합된 음극활Specifically, the negative electrode active material mixed with the negative electrode active material, the conductive agent, the binder and the solvent

물질 조성물이 준비된다. 상기 음극 활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 음극판이 제조된다. 다르게는, 상기 음극 활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 음극판이 제조될 수 있다. 상기 음극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.A material composition is prepared. The negative electrode active material composition is directly coated on the metal current collector to produce a negative electrode plate. Alternatively, the negative electrode active material composition may be cast on a separate support, and then the film peeled off from the support may be laminated on the metal current collector to produce a negative electrode plate. The negative electrode is not limited to the above-described form, but may be in a form other than the above-described form.

상기 음극 활물질 조성물은 상술한 음극 활물질이외에 다른 탄소계 음극 활물질을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 음극 활물질은 예를 들어, 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 그래핀, 카본블랙, 플러렌 수트(fullerene soot), 탄소나노튜브, 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The negative active material composition may further include a carbon-based negative active material other than the negative active material described above. For example, the carbonaceous anode active material may be at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, carbon black, fullerene soot, carbon nanotube, But are not limited to, and can be used in the art.

또한, 상기 도전제로는 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유, 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 도전제로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.As the conductive agent, metal powders such as acetylene black, Ketjen black, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum and silver, metal fibers and the like can be used , And polyphenylene derivatives may be used alone or in admixture of one or more. Any conductive material may be used as long as it can be used as a conductive material in the technical field of the art.

상기 결합제로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머, 폴리아크릴릭액시드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 또는 그 혼합물이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 결합제로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.Examples of the binder include vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene, styrene butadiene rubber-based polymer, polyacrylic liquid A seed, a polyamideimide, a polyimide, or a mixture thereof may be used, but is not limited thereto and can be used as long as it can be used as a bonding agent in the art.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.As the solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, water or the like may be used, but not limited thereto, and any solvent which can be used in the technical field can be used.

상기, 음극 활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 결합제 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The content of the negative electrode active material, the conductive agent, the binder and the solvent is a level commonly used in a lithium battery. Depending on the application and configuration of the lithium battery, one or more of the binder and the solvent may be omitted.

또 다른 구현예에 따르는 리튬 전지는 상기 음극을 채용한다. 상기 리튬 전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.A lithium battery according to another embodiment adopts the negative electrode. The lithium battery can be produced by the following method.

먼저, 상기 음극 제조방법에 따라 음극이 준비된다.First, a negative electrode is prepared according to the negative electrode manufacturing method.

다음으로, 양극 활물질, 도전제, 결합재 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극활물질 조성물이 금속 집전체상에 직접 코팅 및 건조되어 양극이 제조된다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물이 별도의 지지체상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극이 제조될 수 있다.Next, a cathode active material composition in which a cathode active material, a conductive agent, a binder and a solvent are mixed is prepared. The positive electrode active material composition is coated directly on the metal current collector and dried to produce a positive electrode. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then a film peeled from the support may be laminated on the metal current collector to produce a cathode.

상기 양극 활물질로서 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용될 수 있다.The positive electrode active material may include at least one selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide. However, May be used.

예를 들어, 상기 양극 활물질은 리튬 함유 금속산화물로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bBbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다.For example, the cathode active material is a lithium-containing metal oxide, and any of those conventionally used in the art can be used without limitation. For example, at least one of complex oxides of metal and lithium selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used. Specific examples thereof include Li a A 1 - b B b D 2 0.90? A? 1, and 0? B? 0.5); Li a E 1 - b B b O 2 - c D c where 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05; LiE 2 - b B b O 4 - c D c where 0? B? 0.5, 0? C? 0.05; Li a Ni 1 -b- c Co b B c D ? Wherein 0.90? A? 1, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <?? 2; Li a Ni 1 -b- c Co b B c O 2 - ? F ? Where 0.90? A? 1, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? Li a Ni 1 -b- c Co b B c O 2 - ? F 2 wherein 0.90? A? 1, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b B c D ? Wherein, in the formula, 0.90? A? 1, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b B c O 2 - ? F ? Wherein? 0.90? A? 1, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b B c O 2 - ? F 2 wherein 0.90? A? 1, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0 <? Li a Ni b E c G d O 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, and 0.001 ≤ d ≤ 0.1; Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, and 0.001 ≤ e ≤ 0.1; Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1, and 0.001? B? 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1, 0.001? B? 0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1, 0.001? B? 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90? A? 1, 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0? F? 2); A compound represented by any one of the formulas of LiFePO 4 can be used.

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or combinations thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a compound having a coating layer may be mixed with the compound. The coating layer may comprise an oxide, a hydroxide of the coating element, an oxyhydroxide of the coating element, an oxycarbonate of the coating element, or a coating element compound of the hydroxycarbonate of the coating element. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. The coating layer may contain Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof. The coating layer forming step may be any coating method as long as it can coat the above compound by a method that does not adversely affect physical properties of the cathode active material (for example, spray coating, dipping, etc.) by using these elements, It will be understood by those skilled in the art that a detailed description will be omitted.

예를 들어, LiNiO2, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1 - xMnxO2(0<x<1), LiNi1 -x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFeO2, V2O5, TiS, MoS 등이 사용될 수 있다.For example, LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x = 1, 2), LiNi 1 - x Mn x O 2 (0 <x <1), LiNi 1 - x - yCo x Mn y O 2 0? X? 0.5, 0? Y? 0.5), LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, MoS and the like can be used.

양극 활물질 조성물에서 도전제, 결합제 및 용매는 상기 음극 활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다. 한편, 상기 양극활물질 조성물 및/또는 음극 활물질 조성물에 가소제를 더 부가하여 전극판 내부에 기공을 형성하는 것도 가능하다.As the conductive agent, binder and solvent in the positive electrode active material composition, the same materials as those for the negative electrode active material composition may be used. It is also possible to add a plasticizer to the cathode active material composition and / or the anode active material composition to form pores inside the electrode plate.

상기 양극활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전제, 결합제 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The content of the cathode active material, the conductive agent, the binder, and the solvent is a level commonly used in a lithium battery. At least one of the conductive agent, the binder and the solvent may be omitted depending on the use and configuration of the lithium battery.

다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다. 상기 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 전해질의 이온 이동에 대하여 낮은 저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.Next, a separator to be inserted between the positive electrode and the negative electrode is prepared. The separator can be used as long as it is commonly used in a lithium battery. A material having a low resistance against the ion movement of the electrolyte and an excellent ability to impregnate the electrolyte may be used. For example, selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be nonwoven fabric or woven fabric. For example, a rewindable separator such as polyethylene, polypropylene, or the like is used for the lithium ion battery, and a separator having excellent organic electrolyte impregnation capability can be used for the lithium ion polymer battery. For example, the separator may be produced according to the following method.

고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.A polymer resin, a filler and a solvent are mixed to prepare a separator composition. The separator composition may be coated directly on the electrode and dried to form a separator. Alternatively, after the separator composition is cast and dried on a support, a separator film peeled from the support may be laminated on the electrode to form a separator.

상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합제에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The polymer resin used in the production of the separator is not particularly limited, and any material used for the binder of the electrode plate may be used. For example, vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate or mixtures thereof may be used.

상기 세퍼레이터는 막의 성능을 향상시키기 위해 세라믹 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어 세퍼레이터에 산화물을 코팅하거나 세퍼레이터 제조시 세라믹 입자를 포함하여 제조할 수 있다.The separator may comprise a ceramic component to improve the performance of the membrane. For example, an oxide may be coated on the separator or ceramic particles may be prepared when the separator is manufactured.

다음으로 전해질이 준비된다.Next, the electrolyte is prepared.

예를 들어, 상기 전해질은 유기전해액일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 고체일 수 있다. 예를 들어, 보론산화물, 리튬옥시나이트라이드 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 사용 가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다.For example, the electrolyte may be an organic electrolyte. In addition, the electrolyte may be a solid. For example, boron oxide, lithium oxynitride, and the like, but not limited thereto, and any of them can be used as long as they can be used as solid electrolytes in the art. The solid electrolyte may be formed on the cathode by a method such as sputtering.

예를 들어, 유기전해액이 준비될 수 있다. 유기전해액은 유기용매에 리튬염이 용해되어 제조될 수 있다.For example, an organic electrolytic solution can be prepared. The organic electrolytic solution can be prepared by dissolving a lithium salt in an organic solvent.

상기 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다.The organic solvent may be any organic solvent which can be used in the art. Examples of the solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylformamide, tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, Dimethylacetamide, N, N-dimethylsulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether or mixtures thereof.

상기 리튬염도 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두사용될 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(단 x,y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이다.The lithium salt may also be used as long as it can be used in the art as a lithium salt. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, or a mixture thereof.

도 2a에서 보여지는 바와 같이, 상기 리튬전지(121)는 양극(123), 음극(122) 및 세퍼레이터(124)를 포함한다. 상술한 양극(23), 음극(122) 및 세퍼레이터(124)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(125)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(125)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(126)로 밀봉되어 리튬전지(121)가 완성된다. 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지는 박막형전지일 수 있다. 상기 리튬전지는 리튬이온전지일 수 있다.2A, the lithium battery 121 includes a cathode 123, a cathode 122, and a separator 124. The anode 23, the cathode 122 and the separator 124 described above are wound or folded and housed in the battery case 125. Then, an organic electrolytic solution is injected into the battery case 125 and the cap assembly 126 is sealed to complete the lithium battery 121. The battery case may have a cylindrical shape, a rectangular shape, a thin film shape, or the like. For example, the lithium battery may be a thin film battery. The lithium battery may be a lithium ion battery.

상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.A separator may be disposed between the anode and the cathode to form a battery structure. The cell structure is laminated in a bi-cell structure, then impregnated with an organic electrolyte solution, and the obtained result is received in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery.

또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.In addition, a plurality of battery assemblies may be stacked to form a battery pack, and such battery pack may be used for all devices requiring high capacity and high output. For example, a notebook, a smart phone, an electric vehicle, and the like.

상기 리튬 전지는 고율특성 및 수명특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 적합하다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에 적합하다.The lithium battery is suitable for an electric vehicle (EV) because it has a high rate characteristic and a good life characteristic. For example, it is suitable for a hybrid vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).

또 다른 측면은 상기 복합체 또는 상기 복합체와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 전계 방출 소자를 제공하는 것이다. Another aspect provides a field emission device comprising the complex or the carbon composite material comprising the complex and the carbon-based material.

전계 방출 소자는 전자의 이동을 이용하는 장치이다. 통상의 전계 방출 소자는 적어도 환원극과, 에미터 팁과, 환원극에서 이격된 산화극을 포함한다. (각각의 내용이 본 출원에서 원용되는 미국 특허 제7,009,331호, 제6,976,897호, 제6,911,767호 및 미국 특허 출원 제2006/0066217호 참조) 환원극과 산화극 사이에 전압이 인가되어 전자를 에미터 팁에서 방출시킨다. 전자는 환원극에서 산화극 방향으로 진행된다. 본 장치는 다음에 제한되지는 않지만 초음파 진공관 장치(예컨대 X선 튜브,), 전력 증폭기, 이온 건, 고에너지 가속기, 자유전자 레이저 및 전자 현미경, 특히 평판 디스플레이와 같은 다양한 용도에 사용될 수 있다. 평판 디스플레이는 종래의 음극관 대체용으로 사용될 수 있다. 따라서 이들 평판 디스플레이는 텔레비전과 컴퓨터 모니터에 적용된다Field emission devices are devices that utilize the movement of electrons. A typical field emission device includes at least a reducing electrode, an emitter tip, and an oxidizing electrode spaced from the reducing electrode. (See U.S. Patent Nos. 7,009,331, 6,976,897, 6,911,767, and U.S. Patent Application 2006/0066217, the contents of each of which are incorporated herein by reference), a voltage is applied between the reduction electrode and the oxide electrode, Lt; / RTI &gt; The electrons proceed from the reducing electrode toward the oxidizing electrode. The device may be used in a variety of applications such as, but not limited to, ultrasonic vacuum tube devices (e.g., X-ray tubes), power amplifiers, ion guns, high energy accelerators, free electron lasers and electron microscopes, particularly flat panel displays. Flat panel displays can be used for replacing conventional cathode tubes. These flat panel displays are therefore applied to televisions and computer monitors

상기 에미터 팁으로 일구현예에 따른 복합체 또는 이를 이용한 탄소 복합체가 이용될 수 있다. As the emitter tip, a composite according to one embodiment or a carbon composite using the composite may be used.

종래의 에미터 팁은 몰리브덴과 같은 금속이나 실리콘과 같은 반도체로 제조된다. 금속 에미터 팁을 이용하는 것과 관련된 관심 사항 중 하나는 방출에 요구되는 제어 전압이 예컨대 대략 100 V 정도로 비교적 높다는 것이다. 또한, 이들 에미터 팁이 균일성을 갖지 않음으로 인해, 픽셀 사이의 전류밀도가 불균일하게 된다.Conventional emitter tips are made of a metal such as molybdenum or a semiconductor such as silicon. One of the concerns associated with using a metal emitter tip is that the control voltage required for emission is relatively high, e.g., on the order of 100 V. In addition, due to the fact that these emitter tips have no uniformity, the current density between the pixels becomes non-uniform.

상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체를 이용한 에미터 팁을 이용하면 전계 방출 특성이 우수하다.When the emitter tips using the porous silicon composite clusters or carbon composites described above are used, the field emission characteristics are excellent.

상술한 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 전자발광소자 제조시 이용가능하다. The above-described porous silicon composite clusters or carbon composites are usable in manufacturing electroluminescent devices.

또 다른 측면에 의하면 일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 바이오센서가 제공된다.According to another aspect, there is provided a biosensor comprising a porous silicon composite cluster according to one embodiment, or a carbon composite comprising the porous silicon composite cluster and a carbon-based material.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 바이오센서용 전극 형성시 이용 가능하다.A porous silicon composite cluster or carbon composite according to one embodiment is usable for forming an electrode for a biosensor.

도 2e는 일구현예에 따른 바이오센서의 전극 구조를 나타낸 단면도이다.2E is a cross-sectional view illustrating an electrode structure of a biosensor according to one embodiment.

이를 참조하면, 일구현예에 따른 바이오센서 전극은 기판(310), 상기 기판(310) 상에 형성되는 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체를 포함하는 제1층(320) 및 상기 제1층 상에 형성되는 제2층(330)을 구비한다. 상기 제2층(330)에는 바이오물질(340)이 다양한 방식으로 담지되거나 고정된다.The biosensor electrode according to one embodiment includes a substrate 310, a first layer 320 including a porous silicon composite cluster or a carbon composite formed on the substrate 310, And a second layer 330 formed thereon. In the second layer 330, the bio material 340 is supported or fixed in various ways.

기판(310)은 그 상부에 그래핀이 증착 또는 형성될 수 있는 모든 종류의 판을 의미하는 것으로서, 구체적으로는 유리, 플라스틱, 금속, 세라믹 및 실리콘으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있으나, 기판의 종류는 그 상부에 그래핀이 증착 또는 형성될 수 있는 한 특별히 제한되지 않음을 유의한다.The substrate 310 may be selected from the group consisting of glass, plastic, metal, ceramic, and silicon. The substrate 310 may be formed of any type of substrate on which graphene can be deposited or formed, Is not particularly limited as long as graphene can be deposited or formed thereon.

바이오물질(340)로서 효소, 압타머, 단백질, 핵산, 미생물, 세포, 지질, 호르몬, DNA, PNA, RNA 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 바이오 물질들이 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 언급되지 않은 다양한 바이오물질들이 사용될 수 있음을 유의한다.Biomaterials selected from the group consisting of enzymes, platamers, proteins, nucleic acids, microorganisms, cells, lipids, hormones, DNA, PNAs, RNAs and mixtures thereof can be used as the biomaterial 340, It should be noted that various bio materials may be used.

도 2e를 참조하면, 바이오물질(340)로서 특정 효소가 사용되며 제2층(330)은 이러한 특정 효소가 담지되거나 고정된 막이 사용되는 바이오센서용 전극을 개시한다. 한편, 도 2e에서는 특정 효소가 막내부에 담지되거나 고정된 것으로 도시하였으나, 특정 효소의 위치는 이에 제한되지 않으며 일부 또는 전부가 막 상부에 돌출되어 있을 수도 있음을 유의한다. 이러한 구성에 의하는 경우, 효소는 기질 특이성이 뛰어나 혼합물 속에서도 특정 분자하고만 선택적으로 반응하는 특성을 가지기 때문에, 특정 효소에 반응하는 분석 물질(예를 들면, 혈당 등)을 선택적으로 감지할 수 있게 된다.Referring to FIG. 2E, a specific enzyme is used as the biomaterial 340, and the second layer 330 discloses an electrode for a biosensor in which the specific enzyme-supported or fixed membrane is used. Meanwhile, in FIG. 2E, the specific enzyme is shown to be supported or immobilized within the membrane. However, it should be noted that the position of the specific enzyme is not limited thereto, and some or all of the enzyme may protrude from the membrane. According to this structure, since the enzyme is excellent in substrate specificity and has a characteristic of selectively reacting only with a specific molecule even in a mixture, it is possible to selectively detect an analyte (for example, blood glucose) do.

또한 다른 측면에 의하면, 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 반도체 소자가 제공된다.According to another aspect, there is provided a semiconductor device containing the porous silicon composite cluster or the porous silicon composite cluster and a carbon composite material containing a carbon-based material.

상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 반도체 소자의 전극으로 이용 가능하다.The porous silicon composite clusters or carbon composites may be used as electrodes of semiconductor devices.

또 다른 측면에 의하면 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 열전재료와 이를 포함하는 열전소자가 제공된다. According to another aspect, there is provided a thermoelectric material containing the porous silicon composite clusters or the porous silicon composite clusters and the carbon composite material including the carbon-based material, and a thermoelectric element including the thermoelectric material.

상기 열전재료는 우수한 전기적 특성으로 인하여 열전 성능이 향상된다. 이러한 열전재료는 열전소자, 열전모듈 또는 열전 장치에 유용하게 사용될 수 있다.The thermoelectric material has improved thermoelectric performance due to its excellent electrical properties. These thermoelectric materials can be usefully used in thermoelectric elements, thermoelectric modules or thermoelectric devices.

열전재료의 성능은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit)로 통칭되는 하기 수학식 1의 ZT값을 사용한다. The performance of thermoelectric materials uses the ZT value of Equation 1, commonly referred to as a dimensionless figure of merit.

[수학식 1] [Equation 1]

ZT = (S2σT) / kZT = (S 2 σT) / k

상기 수학식 1중, ZT는 figure of merit, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도를 나타낸다.In the equation (1), ZT represents a figure of merit, S represents a Seebeck coefficient,? Represents electrical conductivity, T represents absolute temperature, and? Represents thermal conductivity.

상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 열전재료의 ZT값을 증가시키기 위해서As shown in Equation (1), in order to increase the ZT value of the thermoelectric material

는 제벡계수와 전기전도도, 즉 파워팩터(S2σ)는 증가시키고 열전도도는 감소시켜야 한다.Should increase the Seebeck coefficient and electrical conductivity, ie, the power factor (S 2 σ), and decrease the thermal conductivity.

일구현예에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 그래핀을 함유하고 있어 그래핀의 특성을 열전재료에 적용할 경우 높은 전기전도도와 낮은 열전도도를 구현하게 되므로 열전재료의 성능을 개선하게 될 수 있다.The porous silicon composite clusters or carbon composites according to one embodiment contain graphene, so that when the characteristics of graphene is applied to the thermoelectric material, high electrical conductivity and low thermal conductivity are realized, and thus the performance of the thermoelectric material can be improved have.

일구현예를 갖는 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 금속 성질을 갖는 그래핀과 반도체 성질을 갖는 실리콘의 계면에서의 결정성 및 전자구조가 변화되어 제벡계수가 증가되며, 전하입자의 전송이 가속화되어 전기전도도 및 전하이동도의 증가를 유도할 수 있게 된다. 또한 상기 그래핀과 실리콘 계면에서의 포논 산란이 증가하여 열전도도의 제어가 가능해진다. The porous silicon composite clusters or carbon composites having one embodiment have improved crystallinity and electronic structure at the interface between graphene having a metallic property and silicon having a semiconducting property to increase the Seebeck coefficient and accelerate the transfer of the charged particles It is possible to induce an increase in electric conductivity and charge mobility. In addition, the phonon scattering at the interface between the graphene and the silicon is increased, and the thermal conductivity can be controlled.

상기와 같이 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 탄소 복합체는 열전재료로서 유용하게 사용할 수 있다. 따라서 상기 열전재료를 절단 가공 등의 방법으로 성형하여 열전소자를 제조할 수 있다. 상기 열전 소자는 p형 열전소자일 수 있다. 이와 같은 열전소자는 상기 열전재료를 소정 형상, 예를 들어 직육면체의 형상으로 형성한 것을 의미한다.As described above, the porous silicon composite clusters or carbon composites can be usefully used as thermoelectric materials. Therefore, the thermoelectric element can be manufactured by molding the thermoelectric material by a cutting method or the like. The thermoelectric element may be a p-type thermoelectric element. Such a thermoelectric element means that the thermoelectric material is formed in a predetermined shape, for example, a rectangular parallelepiped shape.

한편, 상기 열전소자는 전극과 결합되어, 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타낼 수 있으며, 온도 차이에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있는 성분일 수 있다.On the other hand, the thermoelectric element may be a component capable of exhibiting a cooling effect by being coupled with an electrode by applying an electric current, and exhibiting a power generation effect by a temperature difference.

도 2b는 상기 열전소자를 채용한 열전 모듈의 일구현예를 나타낸다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상부 절연기판(211)과 하부 절연기판(221)에는 상부 전극(212, 제1 전극) 및 하부 전극(22, 제2 전극)이 패턴화되어 형성되어 있고, 상기 상부 전극(212)과 하부 전극(222)을 p형 열전성분(215) 및 n형 열전성분(16)이 상호 접촉하고 있다. 이들 전극(212, 222)은 리드 전극(24)에 의해 열전소자의 외부와 연결된다. 상기 p형 열전성분(215)으로서 상술한 열전소자를 사용할 수 있다. 상기 n형 열전성분(216)으로서는 당업계에 알려져 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.2B shows an embodiment of a thermoelectric module employing the thermoelectric element. 2B, an upper electrode 212 and a lower electrode 22 are patterned and formed on the upper insulating substrate 211 and the lower insulating substrate 221, The p-type thermoelectric component 215 and the n-type thermoelectric component 16 are in contact with the upper electrode 212 and the lower electrode 222 with each other. These electrodes 212 and 222 are connected to the outside of the thermoelectric element by the lead electrode 24. The above-described thermoelectric element can be used as the p-type thermoelectric element 215. The n-type thermoelectric component 216 can be used without limitation as long as it is known in the art.

상기 절연기판(211, 221)으로 갈륨비소 (GaAs), 사파이어, 실리콘, 파이렉스, 석영 기판 등을 이용할 수 있다. 상기 전극(212, 222)의 재질은 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 티타늄 등 다양하게 선택될 수 있으며, 그 크기 또한 다양하게 선택될 수 있다. 이들 전극(12, 22)이 패터닝되는 방법은 종래 알려져 있는 패터닝 방법을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 리프트 오프 반도체 공정, 증착 방법, 포토리소그래피법 등을 사용할 수 있다. As the insulating substrates 211 and 221, gallium arsenide (GaAs), sapphire, silicon, pyrex, and quartz substrates can be used. The electrodes 212 and 222 may be made of various materials such as copper, aluminum, nickel, gold, and titanium, and their sizes may be variously selected. As a method of patterning these electrodes 12 and 22, a conventionally known patterning method may be used without limitation. For example, a lift-off semiconductor process, a deposition method, a photolithography method, or the like can be used.

열전모듈의 일구현예에서 도 2c 및 도 2d에 도시한 바와 같이 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 열 공급원에 노출될 수 있다. 열전소자의 일구현예에서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 전력 공급원에 전기적으로 연결되거나, 또는 열전모듈의 외부, 예를 들어 전력을 소비하거나 저장하는 전기소자(예를 들어 전지)에 전기적으로 연결될 수 있다.In one embodiment of the thermoelectric module, one of the first electrode and the second electrode may be exposed to a heat source, as shown in Figures 2c and 2d. In one embodiment of the thermoelectric device, one of the first electrode and the second electrode is electrically connected to a power source, or an electrical element (e.g., a battery) that consumes or stores power outside of the thermoelectric module, As shown in FIG.

상기 열전모듈의 일구현예로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 전력 공급원에 전기적으로 연결될 수 있다.In one embodiment of the thermoelectric module, one of the first electrode and the second electrode may be electrically connected to a power source.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.Will be explained in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

제조예Manufacturing example 1 One

침상형 실리콘을 분쇄하여 실리콘 산화물(SiOx)(o<x<2)막(두께: 약 0.1nm)이 표면에 형성된 길이가 약125nm, 두께가 약 40nm인 판상 및 침상형 실리콘 입자를 얻었다.The needle-shaped silicon was pulverized to obtain plate-shaped and needle-shaped silicon particles having a length of about 125 nm and a thickness of about 40 nm, in which a silicon oxide (SiO x ) (o <x <2) film (thickness: about 0.1 nm) was formed on the surface.

상기 판상 및 침상형 실리콘 입자 25 중량부, 스테아르산 10 중량부 및 이소프로필 알코올 65 중량부를 함유하는 조성물을 분무건조하고 이를 건조하여 약 3-6㎛의 평균입경을 갖는 다공성 실리콘 이차 입자를 얻었다.25 parts by weight of the platelike and needle-shaped silicon particles, 10 parts by weight of stearic acid and 65 parts by weight of isopropyl alcohol was spray-dried and dried to obtain porous silicon secondary particles having an average particle size of about 3-6 탆.

분무건조는 분무건조기 (모델명: MMSD Micro Mist Spray Dryers, Fujisaki electric)를 이용하였다. N2 조건하에서 분무노즐 사이즈와 압력을 조절하고 파우더 분사 분위기 온도(80-200℃) 조절하여 알코올류을 건조한 클러스터를 제조하였다.Spray drying was performed using a spray dryer (model: MMSD Micro Mist Spray Dryers, Fujisaki electric). The clusters were prepared by adjusting the spray nozzle size and pressure under the N 2 condition and adjusting the powder spraying atmosphere temperature (80 - 200 ° C) to dry the alcohols.

상기 다공성 실리콘 이차 입자를 반응기 내에 위치시켰다. 상기 반응기 내로 CH4 300sccm의 비율을 가지는 기체 혼합물을 흐르게 하여 반응기 내에 상기 기체 혼합물로 이루어진 분위기를 조성하였다. 반응기 내에 기체 혼합물의 흐름에 의해 발생한 압력은 1 atm이다. 상기 기체 혼합물 분위기 하에서, 반응기 내부 온도를 1000℃(승온속도: 약 23℃/min)로 올리고, 상기 기체 혼합물을 계속하여 반응기로 흐르게 하면서 상기 온도에서 1시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이어서 상기 결과물을 4시간 정도 방치하여 상기 침상형 실리콘 입자 상에 그래핀 나노시트가 형성되었다. 이 후, 상기 기체 혼합물의 공급을 중단하고, 반응기를 실온(25℃)으로 냉각하여 다공성 실리콘 복합체 이차 입자를 포함하는 코어(core)와 상기 코어의 상부에 배치된 고결정 그래핀 플레이크(flake)를 함유된 제2그래핀을 포함하는 쉘(shell)을 함유하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터이며, 상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자는 두 개 이상의 실리콘 복합체 일차 입자의 응집체를 포함하며, 상기 복합체 일차 입자는 실리콘; 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 제1그래핀을 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 얻었다.The porous silicon secondary particles were placed in a reactor. A gas mixture having a rate of 300 sccm of CH 4 was flown into the reactor to form an atmosphere of the gas mixture in the reactor. The pressure produced by the flow of the gas mixture in the reactor is 1 atm. The internal temperature of the reactor was raised to 1000 캜 (temperature raising rate: about 23 캜 / min) in the gas mixture atmosphere, and the gas mixture was continuously heated to the reactor while maintaining the temperature for 1 hour. Subsequently, the resultant was allowed to stand for about 4 hours to form a graphene nanosheet on the needle-shaped silicon particles. Thereafter, the supply of the gas mixture is stopped and the reactor is cooled to room temperature (25 캜) to form a core comprising porous silicon composite secondary particles and a high crystalline graphene flake disposed on top of the core, Wherein the porous silicon composite secondary particles comprise aggregates of two or more silicon composite primary particles, wherein the composite primary particles are selected from the group consisting of silicon; A porous silicon composite cluster comprising silicon oxide (SiOx) (O <x <2) disposed on the silicon and first graphene disposed on the silicon oxide was obtained.

상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 제1그래핀과 제2그래핀의 함량은 다공성 실리콘 복합체 클러스터 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 20중량부이다. The content of the first graphene and the second graphene in the porous silicon composite clusters is about 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the porous silicon composite clusters.

제조예Manufacturing example 2 2

기체 혼합물 분위기 하에서, 반응기 내부 온도를 1000℃(승온속도: 약 23℃/min)로 올리고, 상기 기체 혼합물을 계속하여 반응기로 흐르게 하면서 상기 온도에서 2시간 동안 유지하여 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 실시하여 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 얻었다.Except that the internal temperature of the reactor was raised to 1000 占 폚 (temperature raising rate: about 23 占 폚 / min) in a gas mixture atmosphere, and the gas mixture was continuously fed to the reactor while being maintained at the above temperature for 2 hours , And Production Example 1 to obtain a porous silicon composite cluster.

상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 제1그래핀과 제2그래핀의 총함량은 다공성 실리콘 복합체 클러스터 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 30중량부이다. The total content of the first graphene and the second graphene in the porous silicon composite clusters is about 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the porous silicon composite clusters.

제조예Manufacturing example 3 3

기체 혼합물 분위기 하에서, 반응기 내부 온도를 1000℃(승온속도: 약 23℃/min)로 올리고, 상기 기체 혼합물을 계속하여 반응기로 흐르게 하면서 상기 온도에서 3시간 동안 유지하여 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 실시하여 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 얻었다.Except that the internal temperature of the reactor was raised to 1000 占 폚 (temperature raising rate: about 23 占 폚 / min) in a gas mixture atmosphere and the gas mixture was continuously fed to the reactor and maintained at the above temperature for 3 hours , And Production Example 1 to obtain a porous silicon composite cluster.

상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 제1그래핀과 제2그래핀의 총함량은 다공성 실리콘 복합체 클러스터 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 30중량부이다. The total content of the first graphene and the second graphene in the porous silicon composite clusters is about 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the porous silicon composite clusters.

제조예Manufacturing example 4-6 4-6

길이가 약 125nm, 두께가 약 40nm인 판상 및 침상형 실리콘 입자 대신 길이가 108nm, 두께가 약 40nm인 판상 및 침상형 실리콘 입자를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1 내지 제조예 3과 동일한 방법에 따라 실시하여 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 제조하였다.Except that plate-shaped and needle-shaped silicon particles having a length of about 108 nm and a thickness of about 40 nm were used in place of the plate-shaped and needle-shaped silicon particles having a length of about 125 nm and a thickness of about 40 nm, in the same manner as in Production Examples 1 to 3 Thereby preparing a porous silicon composite cluster.

제조예Manufacturing example 7 7

판상 및 침상형 실리콘 입자 25 중량부, 스테아르산 5 중량부 및 이소프로필 알코올 70 중량부를 함유하는 조성물을 사용한 것을 제외하고는, 제조예 4와 동일한 방법에 따라 실시하여 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 제조하였다.A porous silicon composite cluster was produced in the same manner as in Production Example 4, except that a composition containing 25 parts by weight of plate-shaped and needle-shaped silicon particles, 5 parts by weight of stearic acid and 70 parts by weight of isopropyl alcohol was used.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 1 One

그래뉼 형태의 10 ㎛ 크기의 실리콘을 스테아르산 10 중량부 및 이소프로필 알코올 70 실리콘 20 중량부를 함유하는 조성물을 파쇄공정을 통해 침상형 실리콘 입자가 함유된 슬러리를 제조하여 분무과정을 거치지 않고 건조하였다. 2차 입자 크러스터는 상기 슬러리를 이용하여 분무 건조하여 제조하였다. .A slurry containing needle-shaped silicon particles was prepared by crushing a composition containing 10 탆 of granular silicon in granular form, 10 parts by weight of stearic acid and 20 parts by weight of isopropyl alcohol 70 silicone, and dried without spraying. The secondary particle clusters were prepared by spray drying using the slurry. .

상기 결과물을 분쇄하여 실리콘 산화물(SiOx)(o<x<2)막(두께: 약 0.1nm)이 표면에 형성된 길이가 약 125nm인 침상형 실리콘 입자를 얻었다.The resultant product was pulverized to obtain needle-shaped silicon particles having a length of about 125 nm formed on the surface of a silicon oxide (SiO x ) (o <x <2) film (thickness: about 0.1 nm).

상기 침상형 실리콘 일차 입자를 반응기 내에 위치시켰다. 상기 반응기 내로 질소(N2) 300sccm의 비율을 가지는 기체 혼합물을 흐르게 하여 반응기 내에 상기 기체 혼합물로 이루어진 분위기를 조성하였다. 반응기 내에 기체 혼합물의 흐름에 의해 발생한 압력은 1 atm이다. 상기 기체 혼합물 분위기 하에서, 반응기 내부 온도를 950℃(승온속도: 약 23℃/min)로 올리고, 상기 기체 혼합물을 계속하여 반응기로 흐르게 하면서 상기 온도에서 3시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이어서 상기 결과물을 4시간 정도 방치하여 다공성 실리콘 일차 입자를 얻었다. 실리콘 일차 입자의 구조는 침상 형상을 갖고 있다.The acicular silicon primary particles were placed in a reactor. A gas mixture having a ratio of nitrogen (N 2 ) of 300 sccm was flowed into the reactor to form an atmosphere of the gas mixture in the reactor. The pressure produced by the flow of the gas mixture in the reactor is 1 atm. The inside temperature of the reactor was raised to 950 캜 (temperature raising rate: about 23 캜 / min) in the gas mixture atmosphere, and the gas mixture was continuously heated to the reactor while keeping it at the above temperature for 3 hours. The resultant was left for about 4 hours to obtain porous silicon primary particles. The structure of the silicon primary particles has a needle shape.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 2 2

그래뉼 형태의 10㎛ 크기의 실리콘을 분쇄하여 실리콘 산화물(SiOx)(o<x<2)막(두께: 약 0.1nm)이 표면에 형성된 길이가 약 125nm, 두께가 약 40nm인 판상 및 침상형 실리콘 입자를 얻었다.The granules of 10 mu m in granule form were pulverized to obtain a plate-like and needle-like form having a length of about 125 nm and a thickness of about 40 nm formed on the surface of a silicon oxide (SiO x ) (o <x <2) Silicon particles were obtained.

상기 판상 및 침상형 실리콘 입자를 반응기 내에 위치시켰다. 상기 반응기 내로 CH4 300sccm의 비율을 가지는 기체 혼합물을 흐르게 하여 반응기 내에 상기 기체 혼합물로 이루어진 분위기를 조성하였다. 반응기 내에 기체 혼합물의 흐름에 의해 발생한 압력은 1 atm이다. 상기 기체 혼합물 분위기 하에서, 반응기 내부 온도를 1000℃(승온속도: 약 23℃/min)로 올리고, 상기 기체 혼합물을 계속하여 반응기로 흐르게 하면서 상기 온도에서 1시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이어서 상기 결과물을 4시간 정도 방치하여 상기 판상 및 침상형 실리콘 입자 상에 그래핀 나노시트가 형성되었다. 이 후, 상기 기체 혼합물의 공급을 중단하고, 반응기를 실온(25℃)으로 냉각하여 실리콘 복합체 일차 입자를 제조하였다.The platelike and needle-shaped silicon particles were placed in a reactor. A gas mixture having a rate of 300 sccm of CH 4 was flown into the reactor to form an atmosphere of the gas mixture in the reactor. The pressure produced by the flow of the gas mixture in the reactor is 1 atm. The internal temperature of the reactor was raised to 1000 캜 (temperature raising rate: about 23 캜 / min) in the gas mixture atmosphere, and the gas mixture was continuously heated to the reactor while maintaining the temperature for 1 hour. Subsequently, the resultant was allowed to stand for about 4 hours to form a graphene nanosheet on the plate-shaped and needle-shaped silicon particles. Thereafter, the supply of the gas mixture was stopped, and the reactor was cooled to room temperature (25 캜) to prepare silicon composite primary particles.

실리콘 복합체 일차 입자는 판상 및 침상형 실리콘; 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 그래핀을 포함하는 구조를 가졌다. The silicon composite primary particles may be selected from the group consisting of plate-shaped and needle-shaped silicon; And a structure comprising silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) disposed on the silicon and graphene disposed on the silicon oxide.

상기 실리콘 복합체 일차 입자에서 그래핀의 함량은 실리콘 복합체 일차 입자 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 85 중량부이다. The content of graphene in the silicon composite primary particles is about 85 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the silicon composite primary particles.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 3 3

그래뉼 형태의 10 ㎛ 크기의 실리콘을 분쇄하여 실리콘 산화물(SiOx)(o<x<2)막(두께: 약 0.1nm)이 표면에 형성된 길이가 약 125nm, 두께가 약 40nm인 판상 및 침상형 실리콘 입자를 얻었다.A silicon oxide (SiO x ) (o < x < 2) film (thickness: about 0.1 nm) formed on the surface was ground to about 125 nm and a thickness of about 40 nm, Silicon particles were obtained.

상기 판상 및 침상형 실리콘 입자 20 중량부, 흑연 80 중량부를 혼합하여 혼합물을 얻고 이 혼합물을 약 1,000℃에서 열처리하여 실리콘 복합체를 제조하였다.20 parts by weight of the plate-shaped and needle-shaped silicon particles and 80 parts by weight of graphite were mixed to obtain a mixture, and the mixture was heat-treated at about 1,000 캜 to prepare a silicone composite.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 4 4

판상 실리콘을 분쇄하여 실리콘 산화물(SiOx)(o<x<2)막(두께: 약 0.1nm)이 표면에 형성된 길이가 약 125nm인 침상형 실리콘 입자를 얻었다.Shaped silicon particles having a length of about 125 nm formed on the surface of the silicon oxide (SiO x ) (o <x <2) film (thickness: about 0.1 nm) were obtained by pulverizing the plate-shaped silicon.

스테아르산 10 중량부 및 이소프로필 알코올 90 중량부를 함유하는 조성물을 침상형 실리콘 입자 상에 분무건조하고 이를 건조하여 약 5㎛의 평균입경을 갖는 실리콘 이차 입자를 얻었다.10 parts by weight of stearic acid and 90 parts by weight of isopropyl alcohol was spray-dried on acicular silicone particles and dried to obtain silicone secondary particles having an average particle diameter of about 5 mu m.

상기 실리콘 이차 입자를 반응기 내에 위치시켰다. 상기 반응기 내로 질소(N2) 300sccm의 비율을 가지는 기체 혼합물을 흐르게 하여 반응기 내에 상기 기체 혼합물로 이루어진 분위기를 조성하였다. 반응기 내에 기체 혼합물의 흐름에 의해 발생한 압력은 1 atm이다. 상기 기체 혼합물 분위기 하에서, 반응기 내부 온도를 950℃(승온속도: 약 23℃/min)로 올리고, 상기 기체 혼합물을 계속하여 반응기로 흐르게 하면서 상기 온도에서 3시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이어서 상기 결과물을 4시간 정도 방치하여 다공성 실리콘 이차 입자를 얻었다. The silicon secondary particles were placed in a reactor. A gas mixture having a ratio of nitrogen (N 2 ) of 300 sccm was flowed into the reactor to form an atmosphere of the gas mixture in the reactor. The pressure produced by the flow of the gas mixture in the reactor is 1 atm. The inside temperature of the reactor was raised to 950 캜 (temperature raising rate: about 23 캜 / min) in the gas mixture atmosphere, and the gas mixture was continuously heated to the reactor while keeping it at the above temperature for 3 hours. The resultant was allowed to stand for about 4 hours to obtain porous silicon secondary particles.

다공성 실리콘 이차 입자는 판상 및 침상형 실리콘 입자 표면에 스테아르산에서 기인된 탄소 코팅층이 존재하는 구조를 가졌다.The porous silicon secondary particles had a structure in which a carbon coating layer originated from stearic acid existed on the surfaces of the platelike and needle-shaped silicon particles.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 5 5

비교제조예 2에 따라 제조된 실리콘 복합체 일차 입자를 약 3시간 동안 더 방치하여 실리콘 복합체 이차 입자를 제조하고자 시도하였다.The silicone composite primary particles prepared according to Comparative Preparation Example 2 were further left for about 3 hours to prepare silicone composite secondary particles.

상기 비교제조예 5에 따르면, 균일하고 마이크로미터 입자 사이즈를 갖는 실리콘 복합 이차비교제입자를 얻기가 어려웠다. 또한 이렇게 제조된 결과물은 이중 코어쉘 구조를 갖지 않았다. According to Comparative Preparation Example 5, it was difficult to obtain a silicon composite secondary comparative particle having a uniform and micrometer particle size. The resultant product thus obtained did not have a double core shell structure.

실시예Example 1: 음극 및  1: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터, 그래파이트, 카본블랙(KB600JD), 리튬 폴리아크릴레이트(Li-PAA) 및 용매인 NMP을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리에서 제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 그래파이트의 혼합물, 카본블랙(KB600JD), 리튬 폴리아크릴레이트의 고형분 혼합비는 91:1:8 중량비이었다. 제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 그래파이트의 혼합물에서 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 그래파이트의 중량비는 7:84(1:12) 중량비었다. A slurry was prepared by mixing porous silicon composite clusters, graphite, carbon black (KB600JD), lithium polyacrylate (Li-PAA) and NMP as a solvent prepared according to Preparation Example 1. In the slurry, the mixture ratio of the porous silicon composite clusters prepared in Preparation Example 1 and graphite, carbon black (KB600JD) and lithium polyacrylate was in a weight ratio of 91: 1: 8. The weight ratio of the porous silicon composite clusters to the graphite in the mixture of the porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 1 and graphite was 7:84 (1:12) by weight.

상기 슬러리를 구리 호일(Cufoil)에 도포한 후 닥터 블레이드를 사용하여 도포 두께가 40㎛이 되도록 제막한 후 120℃에서 2시간 동안 진공 건조한 다음 이를 압연하여 음극을 제조하였다. The slurry was coated on a copper foil (Cufoil) and then formed into a film having a coating thickness of 40 탆 by using a doctor blade, followed by vacuum drying at 120 캜 for 2 hours, followed by rolling to prepare a negative electrode.

양극은 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2, 슈퍼피 및 바인더인 리튬 폴리아크릴레이트(Li-PAA) 및 용매인 NMP를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리에서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, 슈퍼피 및 바인더인 리튬 폴리아크릴레이트(Li-PAA)의 혼합중량비는 93:5:2이었다.The anode is LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 , Super P, and lithium polyacrylate (Li-PAA) as a binder and NMP as a solvent were mixed to prepare a slurry. The mixing weight ratio of LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , Super P, and lithium polyacrylate (Li-PAA) as a binder in the slurry was 93: 5: 2.

상기 음극과, 양극을 이용하여 코인셀을 제조하였다. 상기 슬러리를 알루미늄 호일에 도포한 후 닥터 블레이드를 사용하여 도포 두께가 40㎛이 되도록 제막한 후 120℃에서 2시간 동안 진공 건조한 다음 이를 압연하여 양극을 제조하였다. A coin cell was fabricated using the negative electrode and the positive electrode. The slurry was applied to an aluminum foil, and then formed into a film having a coating thickness of 40 탆 by using a doctor blade, followed by vacuum drying at 120 캜 for 2 hours, followed by rolling to prepare a positive electrode.

세퍼레이터로는 폴리프로필렌막(Cellgard 3510)을 사용하였으며, 전해질로는 1.3M LiPF6 EC(에틸렌 카보네이트):DEC(디에틸 카보네이트):FEC(플루오로에틸렌 카보네이트)(2:6:2 부피비)을 사용하였다. A polypropylene film (Cellgard 3510) was used as the separator and 1.3M LiPF 6 EC (ethylene carbonate): DEC (diethyl carbonate): FEC (fluoroethylene carbonate) (2: 6: 2 volume ratio) Respectively.

실시예Example 2-7: 음극 및  2-7: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터 대신 제조예 2-7에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.A negative electrode and a coin cell were prepared in the same manner as in Example 1, except that the porous silicon composite cluster according to Production Example 2-7 was used in place of the porous silicon composite cluster according to Production Example 1.

실시예Example 8: 음극 및  8: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터, 카본블랙(KB600JD), AST9005(애경) 및 용매인 NMP을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리에서 제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터, 카본블랙(KB600JD), AST9005(애경) 의 고형분 혼합비는 79:1:20 중량비이었다. A porous silicon composite cluster prepared according to Preparation Example 1, carbon black (KB600JD), AST9005 (aekyung) and NMP as a solvent were mixed to prepare a slurry. The solid content ratio of the porous silicon composite clusters, carbon black (KB600JD) and AST9005 (aekyung) prepared in Preparation Example 1 in the slurry was 79: 1: 20 by weight.

상기 슬러리를 구리 호일(Cufoil)에 도포한 후 닥터 블레이드를 사용하여 도포 두께가 40마이크론이 되도록 제막한 후 120℃에서 2시간 동안 진공 건조한 다음 이를 압연하여 음극을 제조하였다. The slurry was coated on a copper foil (Cufoil), coated with a doctor blade to a coating thickness of 40 microns, vacuum dried at 120 ° C for 2 hours, and rolled to prepare a negative electrode.

상기 음극과, 리튬메탈을 대극으로 이용하여 코인셀(CR2032)을 제조하였다. A coin cell (CR2032) was fabricated using the negative electrode and lithium metal as a counter electrode.

세퍼레이터로는 폴리프로필렌막(Cellgard 3510)을 사용하였으며, 전해질로는 1.3M LiPF6 EC(에틸렌 카보네이트):DEC(디에틸 카보네이트):FEC(플루오로에틸렌 카보네이트)(2:6:2 부피비)을 사용하였다. A polypropylene film (Cellgard 3510) was used as the separator and 1.3M LiPF 6 EC (ethylene carbonate): DEC (diethyl carbonate): FEC (fluoroethylene carbonate) (2: 6: 2 volume ratio) Respectively.

실시예Example 9-14: 음극 및  9-14: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터 대신 제조예 2-7에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 8과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.A negative electrode and a coin cell were prepared in the same manner as in Example 8 except that the porous silicon composite cluster according to Production Example 2-7 was used in place of the porous silicon composite cluster according to Production Example 1.

실시예Example 15: 음극 및  15: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터, 카본블랙(KB600JD), 리튬 폴리아크릴레이트의 고형분 혼합비가 91:1:8 중량비 대신 82.8:9.2:8중량비로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.Except that the solid content ratio of the porous silicon composite clusters prepared in Preparation Example 1, carbon black (KB600JD) and lithium polyacrylate was changed to 82.8: 9.2: 8 by weight instead of the 91: 1: 8 weight ratio. The negative electrode and the coin cell were produced in the same manner.

실시예Example 16: 음극 및  16: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 그래파이트의 혼합물에서 혼합비가 1:12중량비 대신1:99중량비로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.A negative electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 1, except that the mixture ratio of the porous silicon composite clusters prepared in Preparation Example 1 and graphite was changed to 1:99 by weight instead of the 1:12 weight ratio Respectively.

실시예Example 17: 음극 및  17: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 그래파이트의 혼합물에서 혼합비가 1:12 중량비 대신 3:97 중량비로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.A negative electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 1, except that the mixture ratio of the porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 1 and graphite was changed to a weight ratio of 3:97 instead of the 1:12 weight ratio Respectively.

실시예Example 18: 음극 및  18: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 그래파이트의 혼합물에서 혼합비가 1:12 중량비 대신 1:1 중량비로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.A negative electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of the porous silicon composite clusters prepared according to Production Example 1 and graphite was changed in a 1: 1 weight ratio instead of the 1:12 weight ratio Respectively.

비교예Comparative Example 1-4: 음극 및  1-4: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터 대신 비교제조예 1-4에 따라 제조된 물질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다.A negative electrode and a coin cell were fabricated in the same manner as in Example 1, except that the material prepared according to Comparative Production Example 1-4 was used in place of the porous silicon composite cluster prepared according to Production Example 1.

비교예Comparative Example 5-8: 음극 및  5-8: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터 대신 비교제조예 1-4에 따라 제조된 물질을사용한 것을 제외하고는, 실시예 8과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극 및 코인셀을 제조하였다. A negative electrode and a coin cell were fabricated in the same manner as in Example 8, except that the material prepared according to Comparative Production Example 1-4 was used in place of the porous silicon composite cluster prepared according to Production Example 1.

비교예Comparative Example 9: 음극 및  9: cathode and 코인셀의Coin cell 제조 Produce

제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터 대신 비교제조예 5에 따라 제조된 물질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the material prepared according to Comparative Preparation Example 5 was used in place of the porous silicon composite cluster prepared according to Preparation Example 1.

평가예Evaluation example 1:  One: 충방전Charging and discharging 특성 characteristic

(1)초기효율, 율속 성능, 쿠울롱 효율 및 방전용량 측정(1) Initial efficiency, rate performance, Coulomb efficiency and discharge capacity measurement

1) 실시예 1-3, 8-10, 비교예 1-81) Examples 1-3, 8-10, Comparative Examples 1-8

실시예 1-3, 8-10 및 비교예 1-8에 따라 제조된 코인셀을 이용하여 각각의 코인셀에 대하여 하기 방법에 따라 충방전 특성 평가를 실시하였다.Charge and discharge characteristics of each of the coin cells were evaluated according to the following method using the coin cells prepared according to Examples 1-3, 8-10 and Comparative Example 1-8.

실시예 1-3, 비교예 1-4: 충방전 조건 (Charge : 1.0C /Cutoff : 4.2V-0.01C, Discharge : 1.0C / Cutoff : 2.5V)Examples 1-3 and Comparative Examples 1-4 Charging conditions (Charge: 1.0C / Cutoff: 4.2V-0.01C, Discharge: 1.0C / Cutoff: 2.5V)

실시예 8-10, 비교예 5-8: 충방전 조건 (Charge: 1.0C /Cutoff : 0.01V-0.01C, Discharge : 1.0C / Cutoff : 1.5V)Examples 8-10 and Comparative Examples 5-8 Charge and discharge conditions (Charge: 1.0C / Cutoff: 0.01V-0.01C, Discharge: 1.0C / Cutoff: 1.5V)

상기 충방전 특성 평가 결과는 하기 표 1에 나타난 바와 같다. The evaluation results of the charge-discharge characteristics are shown in Table 1 below.

비용량(mAh/g)Non-capacity (mAh / g) 부피용량(mAh/cc)Volume Capacity (mAh / cc) 초기효율(%)Initial efficiency (%) 수명(%)life span(%) 실시예 1Example 1 22002200 22002200 83.983.9 76.276.2 실시예 2Example 2 19001900 20902090 85.085.0 78.5 78.5 실시예 3Example 3 18801880 20682068 86.586.5 81.5 81.5 실시예 8Example 8 22002200 22002200 90.890.8 96.3 96.3 실시예 9Example 9 19001900 20902090 90.890.8 96.2 96.2 실시예 10Example 10 18801880 20682068 91.191.1 96.1 96.1 비교예 1Comparative Example 1 21002100 630630 6767 45.145.1 비교예 2Comparative Example 2 23002300 11961196 70.270.2 74.074.0 비교예 3Comparative Example 3 800800 800800 65.265.2 76.276.2 비교예 4Comparative Example 4 22002200 19801980 69.369.3 52.252.2 비교예 5Comparative Example 5 21002100 630630 54.754.7 60.260.2 비교예 6Comparative Example 6 23002300 11961196 86.286.2 94.494.4 비교예 7Comparative Example 7 800800 800800 85.085.0 95.295.2 비교예 8Comparative Example 8 22002200 19801980 72.072.0 72.072.0

표 1을 참조하여, ?節첼? 1-3의 코인셀은 비교예 1-4의 코인셀과 비교하여 초기효율이 개선되었다. 실시예 8-10의 코인셀은 비교예 5-8의 코인셀과 비교하여 초기효율이 향상되었다.With reference to Table 1, The coin cell of 1-3 improved the initial efficiency as compared to the coin cell of Comparative Example 1-4. The coin cells of Examples 8-10 were improved in initial efficiency as compared to the coin cells of Comparative Examples 5-8.

2) 실시예 3-7, 10-14 2) Examples 3-7 and 10-14

실시예 3-7, 10-14에 따라 제조된 코인셀을 이용하여 충방전 특성 평가를 하기 방법에 따라 실시하였다. 충방전 특성 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Charging and discharging characteristics were evaluated using the coin cells manufactured according to Examples 3-7 and 10-14 according to the following methods. The evaluation results of charging and discharging characteristics are shown in Table 2 below.

실시예 3-7: 충방전 조건 (Charge : 1.0C /Cutoff : 4.2V-0.01C, Discharge : 1.0C / Cutoff : 2.5V)Example 3-7 Charge (Charge: 1.0C / Cutoff: 4.2V-0.01C, Discharge: 1.0C / Cutoff: 2.5V)

실시예 10-14: 충방전 조건 (Charge: 1.0C /Cutoff : 0.01V-0.01C, Discharge : 1.0C / Cutoff : 1.5V)Examples 10-14: charge and discharge conditions (Charge: 1.0C / Cutoff: 0.01V-0.01C, Discharge: 1.0C / Cutoff: 1.5V)

구 분division 비용량(mAh/g)Non-capacity (mAh / g) 부피용량(mAh/cc)Volume Capacity (mAh / cc) 초기효율(%)Initial efficiency (%) 수명(%)life span(%) 실시예 3Example 3 18801880 20682068 86.586.5 81.581.5 실시예 4Example 4 18801880 20682068 85.885.8 89.689.6 실시예 5Example 5 19001900 18051805 85.085.0 82.582.5 실시예 6Example 6 16901690 15211521 84.584.5 81.281.2 실시예 7Example 7 15101510 1329 1329 80.880.8 8383 실시예 10Example 10 1630 1630 1190 1190 91.191.1 96.196.1 실시예 11Example 11 19001900 18051805 89.489.4 98.298.2 실시예 12Example 12 16901690 15211521 89.089.0 97.597.5 실시예 13Example 13 15101510 1329 1329 88.788.7 97.597.5 실시예 14Example 14 1630 1630 1190 1190 82.482.4 97.097.0

표 2를 참조하여, 실시예 3, 4-7, 11-14에 따른 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 코인셀의 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 또한 실시예 4, 7, 11-14의 코인셀은 실시예 3-10에 따라 제조된 코인셀과 비교하여 초기효율이 다소 감소되었다. 또한 실시예 16-18에 따라 제조된 코인셀에 대하여 실시예 1의 코인셀과 동일한 방법에 따라 충방전 특성을 평가하였다.Referring to Table 2, it can be seen that the porous silicon composite clusters according to Examples 3, 4-7, and 11-14 are excellent in the durability of coin cells. Also, the coin cells of Examples 4, 7, and 11-14 were somewhat reduced in initial efficiency as compared to the coin cells prepared according to Example 3-10. The charge / discharge characteristics of the coin cell prepared in Example 16-18 were evaluated in the same manner as in Example 1.

평가 결과, 실시예 16-18의 코인셀은 초기효율 및 수명 특성이 실시예 1의 경우와 비교하여 동등한 수준으로 우수한 결과를 나타냈다.As a result of the evaluation, the coin cells of Examples 16-18 exhibited excellent results at an equivalent level as compared with the case of Example 1 in terms of initial efficiency and life characteristics.

평가예Evaluation example 2: 산소 및 탄소 함량 2: oxygen and carbon content

1)제조예 1-3, 비교예 1-41) Production Examples 1-3 and Comparative Examples 1-4

제조예 1-3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터 및 비교제조예 1-4에 따라 제조된 물질에 대하여 XPS 분석을 실시하여 산소 및 탄소의 함량을 분석하였고, 그 분석 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The porous silicon composite clusters prepared according to Production Example 1-3 and the materials prepared according to Comparative Production Example 1-4 were subjected to XPS analysis to analyze the content of oxygen and carbon. The results of the analysis are shown in Table 3 below .

XPS 분석은 Quantum 2000 (Physical Electronics. Inc.) (가속전압:0.5~15kV, 300W, 에너지분해능:약 1.0eV, Sputter rate : 0.1nm/min)을 이용하였다.XPS analysis was performed using Quantum 2000 (Physical Electronics, Inc.) (acceleration voltage: 0.5 to 15 kV, 300 W, energy resolution: about 1.0 eV, sputter rate: 0.1 nm / min).

구 분division 산소(%)Oxygen(%) 탄소(%)carbon(%) 제조예 1Production Example 1 3.75 3.75 20.0 20.0 제조예 2Production Example 2 3.70 3.70 30.0 30.0 제조예 3Production Example 3 3.67 3.67 30.0 30.0 비교제조예 1Comparative Preparation Example 1 8.9 8.9 ~10 ~ 10 비교제조예 2Comparative Production Example 2 4.8 4.8 20 20 비교제조예 3Comparative Production Example 3 3.5 3.5 ~85 ~ 85 비교제조예 4Comparative Production Example 4 6.6 6.6 ~10 ~ 10

상기 표 3에서 탄소의 함량은 C1s 피크에 해당하는 탄소의 함량을 정한 것이고, 산소의 함량은 O1s 피크에 해당하는 산소의 함량을 정하여 나타낸 것이다.In Table 3, the carbon content defines the carbon content corresponding to the C1s peak, and the oxygen content indicates the content of oxygen corresponding to the O1s peak.

표 3을 참조하여, 제조예 1-3에 따라 제조된 다공성 복합체 실리콘 클러스터는 비교제조예 1-2, 4의 경우와 비교하여 산소 함량이 감소됨을 알 수 있었다. Referring to Table 3, it was found that the porous composite silicon clusters prepared according to Production Example 1-3 had a reduced oxygen content as compared with Comparative Production Examples 1-2 and 4.

2)제조예 3, 4-72) Preparation Example 3, 4-7

제조예 3, 4-7에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 있어서 산In the porous silicon composite clusters prepared according to Production Examples 3 and 4-7,

소 및 탄소의 함량을 상술한 제조예 1의 경우와 동일한 방법에 따라 평가하여 하기 표 4에 나타내었다. The content of bovine and carbon was evaluated in the same manner as in Production Example 1 described above and is shown in Table 4 below.

구 분division 산소(%)Oxygen(%) 탄소(%)carbon(%) 제조예 3Production Example 3 3.67 3.67 30.0 30.0 제조예 4Production Example 4 5.81 5.81 23.0 23.0 제조예 5Production Example 5 5.21 5.21 29.0 29.0 제조예 6Production Example 6 5.185.18 34.034.0 제조예 7Production Example 7 8.818.81 26.026.0

표 4를 참조하여, 제조예 4-7에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 제조예 3의 경우와 비교하여 산소 함량이 증가하였다. 이와 같이 산소 함량이 증가된 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 사용하면 표 2에 나타난 바와 같이 코인셀의 초기효율 및 용량 특성이 감소되는 경향을 나타냈다. Referring to Table 4, the porous silicon composite clusters prepared according to Production Example 4-7 had an increased oxygen content as compared to that of Production Example 3. As shown in Table 2, using the porous silicon composite clusters having increased oxygen content, the initial efficiency and capacity characteristics of the coin cell tended to decrease.

평가예Evaluation example 3:  3: 라만분석Raman analysis

1)제조예 1-31) Preparation Example 1-3

제조예 1-3의 다공성 실리콘 복합체 클러스터 대한 라만 분석을 실시하였다. 라만 분석은 Raman 2010 Spectra (NT-MDT Development Co.) (Laser system: 473, 633, 785 nm, Lowest Raman shift: ~ 50 cm-1, 공간해상도(Spatial resolution): 약 500 nm)을 이용하여 실시하였다.The Raman analysis of the porous silicon composite clusters of Production Example 1-3 was performed. Raman analysis was carried out using Raman 2010 Spectra (NT-MDT Development Co.) (Laser system: 473, 633, 785 nm, Lowest Raman shift: ~ 50 cm -1, Spatial resolution: about 500 nm) Respectively.

상기 라만 분석 결과에 기초하여 G 피크의 세기에 대한 D 피크의 세기의 비를 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. The ratio of the intensity of the D peak to the intensity of the G peak was measured based on the Raman analysis result, and it is shown in Table 5 below.

그래핀은 라만 분석 스펙트럼에서 1350cm-1, 1580cm-1, 2700 cm-1에서 피크를 나타나는데 이 피크는 그래핀의 두께, 결정성 및 전하 도핑 상태에 대한 정보를 준다. 1580cm-1에서 나타나는 피크는 G 모드라는 피크로서 이는 탄소-탄소 결합의 스트레칭에 해당하는 진동모드에서 기인하며, G-모드의 에너지는 그래핀에 도핑된 잉여 전하의 밀도에 결정된다. 그리고 2700cm-1에서 나타나는 피크는 2D-모드라는 피크로서 그래핀의 두께를 평가할 때 유용하다. 상기 1350cm-1에서 나오는 피크는 D 모드라는 피크로서 SP2 결정 구조에 결함이 있을 때 나타나는 피크이다. 그리고 상기 D/G 세기비는 그래핀의 결정의 무질서도에 대한 정보를 준다.Graphene shows peaks at 1350 cm -1 , 1580 cm -1 and 2700 cm -1 in the Raman spectroscopy spectrum, which gives information on the thickness, crystallinity and charge doping state of graphene. The peak at 1580 cm -1 is called the G mode, which is due to the oscillation mode corresponding to the stretching of the carbon-carbon bond, and the energy of the G-mode is determined by the density of the surplus charge doped into the graphene. And the peak at 2700 cm -1 is useful for evaluating the thickness of graphene as a 2D-mode peak. The peak at 1350 cm &lt; -1 &gt; is a peak called D mode, which is a peak when the SP 2 crystal structure is defective. And the D / G intensity ratio gives information on the disorder of the graphene crystal.

구분division D/G 세기비D / G intensity ratio 제조예 1Production Example 1 1.251.25 제조예 2Production Example 2 1.211.21 제조예 3Production Example 3 1.101.10

표 5를 참조하여, 제조예 1-3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체는 CVD 시간이 점차 증가하면 보호셀 역할을 하는 그래핀 품질(quality)이 좋아져서 D/G가 감소하였다.Referring to Table 5, in the porous silicon composite prepared according to Production Example 1-3, as the CVD time gradually increased, the graphene quality serving as a protective cell was improved and the D / G was decreased.

2)제조예 3, 4-72) Preparation Example 3, 4-7

제조예 3, 4-7의 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 라만 분석을 실시하Raman analysis was performed on the porous silicon composite clusters of Production Examples 3 and 4-7

였다. 상기 라만 분석 결과는 표 6에 나타난 바와 같다. Respectively. The results of the Raman analysis are shown in Table 6.

구분division D/G 세기비D / G intensity ratio 제조예 3Production Example 3 1.11.1 제조예 4Production Example 4 1.221.22 제조예 5Production Example 5 1.111.11 제조예 5Production Example 5 1.061.06 제조예 7Production Example 7 1.231.23

3)제조예 33) Preparation Example 3

제조예 3에 따라 반복적으로 실시하여 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 제조하고 이에 대한 라만 분석을 실시하였다. 상기 라만 분석 결과를 도 11 및 표 7에 나타내었다. 도 12에서 B, C 및 D는 각각 3번 반복실험한 것이다.The porous silicon composite clusters were repeatedly manufactured according to Production Example 3 and Raman analysis was performed on the clusters. The results of the Raman analysis are shown in FIG. 11 and Table 7. In FIG. 12, B, C and D are repeated three times.

구분division D/G 세기비D / G intensity ratio 제조예 3

Production Example 3

1.051.05
1.151.15 1.091.09

도 11 및 표 7을 참조하면, 제조예 3의 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 고결정 그래핀을 함유하고 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 제조예 3의 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 D/G 세기비가 1.10 ±0.05 범위임을 알 수 있었다.Referring to FIG. 11 and Table 7, it was found that the porous silicon composite clusters of Production Example 3 contain high crystalline graphene. In the porous silicon composite clusters of Production Example 3, the D / G intensity ratio was found to be in the range of 1.10 ± 0.05.

평가예Evaluation example 4: 투과전자현미경( 4: Transmission electron microscope ( TEMTEM ))

1)제조예 1-3, 비교제조예 1-31) Production Example 1-3, Comparative Production Example 1-3

제조예 1-3의 복합체 및 비교제조예 1-3의 물질을 투과전자현미경을 이용하여 분석하였다. 상기 TEM 분석시 분석기로서 FEI 사의 Titan cubed G2 60-300을 이용하였다.The complexes of Preparation Examples 1-3 and the materials of Comparative Preparation Examples 1-3 were analyzed using a transmission electron microscope. As the TEM analysis, Titan cubed G2 60-300 manufactured by FEI Co. was used as an analyzer.

상기 분석 사진을 도 3a 내지 도 5b에 나타내었다. The analysis photographs are shown in Figs. 3A to 5B.

도 3a 내지 도 3c는 각각 제조예 1에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 전체 클러스터 형상, 클러스터의 외부 및 내부 영역을 나타낸 TEM 사진이다. 그리고 도 3d 내지 도 3f는 각각 제조예 2에 따라 제조된 다공성 실리콘 클러스터에서 전체 클러스터 형상, 클러스터의 외부 및 내부 영역을 나타낸 TEM 사진이다. 그리고 도 3g 내지 도 3i 및 도 14a 내지 도 14c는 제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 클러스터에서 전체 클러스터 형상, 클러스터의 외부 및 내부 영역을 나타낸 TEM 사진이다. 도 4a 내지 도 4d, 도 5a 및 도 5b는 각각 비교제조예 1 내지 3에 따라 제조된 물질에 대한 것이다. 도 4a, 도 4c는 각각 비교제조예 1 및 2에 따라 제조된 물질의 내부 영역을 나타낸 것이고, 도 4b 및 도 4d는 비교제조예 1 및 2에 따라 제조된 물질의 외부 영역을 나타낸 것이다. 도 4d를 참조하여 외부 영역에는 그래핀의 존재가 확인되었다.FIGS. 3A to 3C are TEM photographs showing the outer clusters and the inner and outer regions of the clusters in the porous silicon composite clusters prepared according to Production Example 1, respectively. And FIGS. 3D to 3F are TEM photographs showing the outer clusters and the inner and outer regions of the clusters in the porous silicon clusters prepared according to Production Example 2, respectively. And Figs. 3g to 3i and Figs. 14a to 14c are TEM photographs showing the outer clusters and the outer and inner regions of the clusters in the porous silicon clusters produced according to Production Example 3. Fig. Figs. 4A to 4D, Figs. 5A and 5B relate to the materials prepared according to Comparative Preparations 1 to 3, respectively. Figs. 4A and 4C show the inner regions of the materials prepared according to Comparative Preparation Examples 1 and 2, respectively, and Figs. 4B and 4D show the outer regions of the materials prepared according to Comparative Preparation Examples 1 and 2. Fig. Referring to FIG. 4d, the presence of graphene was confirmed in the outer region.

제조예 1 내지 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 내부 및 외부에서의 그래핀 층수를 조사하여 하기 표 8에 나타내었다.The number of graphene layers in the inside and outside of the porous silicon composite clusters prepared according to Production Examples 1 to 3 was examined and is shown in Table 8 below.

구분division 외부 그래핀층수External graphene layer number 내부 그래핀층수Number of internal graphene layers 제조예 1Production Example 1 <3층<Floor 3 -- 제조예 2Production Example 2 3-7층3-7 floors 3-7층3-7 floors 제조예 3Production Example 3 10-20층10-20 floors 3-7층3-7 floors

표 8을 참조하여, CVD 시간이 길어지면 클러스터 내부에 그래핀이 형성된 후에 외부에 형성된 그래핀의 층수가 점차 증가한다는 것을 알 수 있었다. 그리고 제조예 1에 따라 실시하면 내부 그래핀층수의 존재는 확인할 수 있었지만 그 층수를 확인하기는 어려웠다. Referring to Table 8, it can be seen that as the CVD time becomes longer, the number of graphenes formed on the outside increases gradually after graphenes are formed inside the clusters. In accordance with Production Example 1, the presence of the number of internal graphene layers was confirmed, but it was difficult to confirm the number of layers.

도 5a 및 도 5b는 모두 비교제조예 3에 따라 제조된 물질의 TEM 사진이다. Figures 5A and 5B are TEM photographs of the materials prepared according to Comparative Preparation Example 3, respectively.

이를 참조하여, 제조예 1 내지 3의 경우는 비교제조예 1 및 2의 경우에 비하여 그래핀의 외부에서의 층수가 많고 전반적으로 밀도가 높아진다는 것을 알 수 있었다. 그리고 제조예 1 내지 3의 경우는 CVD 시간이 증가됨에 따라 그래핀의 밀도가 증가되는 것을 알 수 있었다. Referring to these results, it was found that, in the case of Production Examples 1 to 3, the number of grains outside the graphene was larger than that of Comparative Production Examples 1 and 2, and the density was increased overall. In the case of Production Examples 1 to 3, it was found that the density of graphene was increased as the CVD time was increased.

2)제조예 1-3 및 비교제조예 42) Production Examples 1-3 and Comparative Production Example 4

제조예 1-3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터 및 비교제조예 4의 물질을 투과전자현미경을 이용하여 분석하였다. 상기 TEM 분석시 분석기로서 FEI 사의 Titan cubed 60-300을 이용하였다.The porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 1-3 and the materials of Comparative Preparation Example 4 were analyzed using a transmission electron microscope. Titan cubed 60-300 manufactured by FEI Co., Ltd. was used as an analyzer for the TEM analysis.

상기 분석 사진을 도 6a 내지 도 9c에 나타내었다. The analysis photographs are shown in Figs. 6A to 9C.

제조예 1의 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 TEM 사진을 도 6a 내지 도 6c에 나타나 있고, 제조예 2의 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 TEM 사진을 도 7a 내지 도 7c에 나타냈다. 그리고 제조예 3의 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 TEM 사진을 도 8a 내지 도 8c에 나타냈다. TEM images of the porous silicon composite clusters of Production Example 1 are shown in Figs. 6A to 6C, and TEM photographs of the porous silicon composite clusters of Production Example 2 are shown in Figs. 7A to 7C. And TEM photographs of the porous silicon composite clusters of Production Example 3 are shown in Figs. 8A to 8C.

이에 비하여 비교제조예 4의 물질에 대한 TEM 사진은 도 9a 내지도 9c에 나타난 바와 같다.On the other hand, TEM photographs of the material of Comparative Production Example 4 are as shown in Figs. 9A to 9C.

이를 참조하면, CVD 시간에 따라 그래핀이 더 성장하여 밀도가 증가하Referring to this, as the graphene grows further according to the CVD time, the density increases

는 것을 알 수 있었다..

3)제조예3) Manufacturing Example 3 3

제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에 대한 투과Permeation of porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 3

전자현미경 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 10a 및 도 10b에 나타내었다. 도 10b는 도 10a의 네모 영역을 확대하여 나타낸 것이다.Electron microscopic analysis was performed, and the results are shown in FIGS. 10A and 10B. 10B is an enlarged view of the square area of FIG. 10A.

이를 참조하면, 제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 외부에 형성된 그래핀 보호층의 두께가 20 내지 60nm인 것을 알 수 있었다.Referring to this, it can be seen that the thickness of the graphene protection layer formed on the outside in the porous silicon composite cluster produced according to Production Example 3 is 20 to 60 nm.

평가예Evaluation example 5:  5: 팽창율Expansion ratio

실시예 8-10 및 비교예 5-8에 따라 제조된 코인셀을 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 0.1C의 정전류(CC)로 5mV가 될 때까지 충전한 후 0.005C의 전류에 도달할 때까지 정전압(CV)으로 충전하였다. 이후, 20분간 방치한 다음 0.1C의 정전류로 1.5V까지 방전하여 1차 사이클 충방전을 실시하였다. 이후 20분간 방치한 다음, 0.2C로 완전 충전하고 코인셀을 해체하여 두께 차이를 확인하여 전극의 두께 팽창율을 측정하였다. 이 측정 결과는 하기 표 9에 나타난 바와 같다.The coin cells prepared according to Examples 8-10 and Comparative Examples 5-8 were charged at a constant current (CC) of 0.1 C under a constant current / constant voltage (CC / CV) condition to 5 mV and then reached a current of 0.005 C (CV) until ready to use. Thereafter, the battery was allowed to stand for 20 minutes, and discharged at a constant current of 0.1 C to 1.5 V to carry out a first cycle charge / discharge. Thereafter, the electrode was allowed to stand for 20 minutes, and then the electrode was fully charged at 0.2 C, and the coin cell was disassembled to determine the thickness difference. The thickness expansion rate of the electrode was measured. The measurement results are shown in Table 9 below.

구 분division 두께 팽창율 (%)Thickness Expansion Rate (%) 실시예 8Example 8 30-3230-32 실시예 9Example 9 28-3028-30 실시예 10Example 10 23-2523-25 비교예 5Comparative Example 5 6565 비교예 6Comparative Example 6 4242 비교예 7Comparative Example 7 8383 비교예 8Comparative Example 8 4545

표 9를 참조하여, 실시예 8-10에 따라 제조된 코인셀은 비교예 5-8의 경우에 비하여 전극 두께 변화율이 감소된다는 것을 알 수 있었다.Referring to Table 9, it was found that the rate of change in electrode thickness was decreased in the coin cell manufactured according to Example 8-10, as compared with the case of Comparative Example 5-8.

평가예Evaluation example 6:  6: 충방전Charging and discharging 반응후After the reaction 전자주사현미경Electronic scanning microscope 분석 analysis

실시예 3에 따라 제조된 코인셀에 대하여 하기 방법에 따라 충방전 특성 평가를 실시하였고 100회 사이클을 반복적으로 실시하였다.The charge / discharge characteristics of the coin cell fabricated according to Example 3 were evaluated according to the following method, and 100 cycles were repeatedly performed.

충방전 조건 (Charge: 1.0C /Cutoff : 4.2V-0.01C, Discharge: 1.0C / Cutoff : 2.5V)Charging and discharging conditions (Charge: 1.0C / Cutoff: 4.2V-0.01C, Discharge: 1.0C / Cutoff: 2.5V)

충방전 사이클을 100회 반복한 후의 음극에서 음극 활물질 표면과 단면을 각각 전자주사현미경을 이용하여 살펴보았다. 음극 활물질의 표면에 대한 SEM 분석 결과는 도 12a 및 도 12b에 나타내었고, 음극 활물질의 단면에 대한 SEM 분석 결과는 도 12c 내지 12e에 나타내었다.The surface and the cross section of the negative electrode active material were examined using a scanning electron microscope after the charge and discharge cycles were repeated 100 times. SEM analysis results of the surface of the negative electrode active material are shown in Figs. 12A and 12B, and SEM analysis results of the cross section of the negative electrode active material are shown in Figs. 12C to 12E.

이를 참조하면, 100 사이클후 이차 입자는 구조를 유지한다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 충방전 후 구조적으로 안정적인 음극 활물질을 이용하면 저팽창이고 내구성이 우수한 전지를 제조할 수 있다.Referring to this, it can be seen that the secondary particles maintain their structure after 100 cycles. When a structurally stable negative electrode active material is used after charging and discharging, a battery having low expansion and excellent durability can be produced.

평가예Evaluation example 7:  7: 전자주사현미경Electronic scanning microscope

제조예 3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 전자주사현미경을 이용하여 분석하였고 그 결과를 도 13a 내지 도 13d에 나타내었다.The porous silicon composite clusters prepared according to Preparation Example 3 were analyzed using an electron microscope and the results are shown in FIGS. 13A to 13D.

도 13a는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 표면을 나타낸 SEM 사진이고, 도 13b는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 단면을 나타낸 SEM 사진이고, 도 13c는 도 13b의 실리콘 복합체 클러스터의 단면에서 적색 영역을 고배율로 확대하여 나타낸 SEM 사진으로서, 일차 입자 상부에 배치된 그래핀 즉 일차 입자 보호층에 대한 SEM 사진이고, 도 13d는 도 13b의 실리콘 복합체 클러스터의 단면에서 적색 영역을 고배율로 확대하여 실리콘 표면에서의 상태를 나타낸 SEM 사진으로서, 외각층에 존재하는 이차 입자 보호층에 대한 것이다. FIG. 13A is a SEM photograph showing a cross section of the porous silicon composite cluster, FIG. 13C is a cross-sectional view of the silicon composite cluster of FIG. 13D is a SEM image of a graphene or primary particle protective layer disposed on top of a primary particle as an SEM photograph, and FIG. 13D is a SEM image of a silicon composite cluster of FIG. As a photograph, it refers to the secondary particle protective layer present in the outer layers.

이를 참조하여, 다공성 실리콘 복합체 클러스터에서 1차 보호막의 두께는 약 20nm라는 것을 알 수 있었다.Referring to this, it was found that the thickness of the first protective film in the porous silicon composite cluster was about 20 nm.

평가예Evaluation example 8: 다공성8: Porosity 실리콘 복합체 클러스터 입자의 크기(D50),  The size (D50) of the silicon composite cluster particle, 비표면적Specific surface area , 파우더밀도 및 , Powder density and 그래핀층수Graphene layer number 분석 analysis

제조예 1-3에 따라 제조된 다공성 실리콘 복합체 클러스터 및 비교제조예 1-4에 따라 제조된 물질에서 입자의 크기, 비표면적, 파우더 밀도 및 그래핀층수를 분석하여 하기 표 10에 나타내었다. The particle size, specific surface area, powder density and number of graphene layers of the porous silicon composite clusters prepared according to Production Example 1-3 and the materials prepared according to Comparative Production Example 1-4 were analyzed and shown in Table 10 below.

입자의 크기는 전자주사현미경을 이용하여 측정하였다.The particle size was measured using a scanning electron microscope.

파우더 밀도는 프레스를 하기 이전 샘플에 대한 밀도를 의미한다. 그리고 그래핀 층수는 투과전자현미경 분석을 이용하여 조사하였다.Powder density refers to the density for the sample before pressing. The number of graphene layers was examined by transmission electron microscopy.

구 분division 입자의 크기(D50)(㎛)(PSA)Particle size (D50) (占 퐉) (PSA) BET(m2/g)BET (m 2 / g) 파우더밀도Powder density 그래핀 층수Graphene layer number 제조예 1Production Example 1 4.24.2 35.0 35.0 1.01.0 ~3~ 3 제조예 2Production Example 2 4.44.4 9.39.3 1.11.1 ~7~ 7 제조예 3Production Example 3 4.84.8 6.36.3 1.11.1 7-207-20 비교제조예 1Comparative Preparation Example 1 <1.2<1.2 153.5153.5 0.30.3 -- 비교제조예 2Comparative Production Example 2 -- 85.085.0 0.520.52 1.21.2 비교제조예 3Comparative Production Example 3 9.09.0 3~103 to 10 0.980.98 -- 비교제조예 4Comparative Production Example 4 3.83.8 102.5102.5 09.909.9 --

표 10을 참조하여, 제조예 1-4의 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 비교제조예 1-4의 경우와 비교하여 파우더 밀도가 증가하여 이를 이용하면 부피 에너지 밀도가 증가된 음극 활물질을 제조할 수 있다. 그리고 제조예 1-4의 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 비교제조예 1-2, 4의 경우와 비교하여 BET 비표면적이 감소하여 초기효율 및 내구성 특성이 개선될 수 있음을 알 수 있다. With reference to Table 10, the porous silicon composite clusters of Production Example 1-4 have an increased powder density as compared with Comparative Production Examples 1-4, and can produce an anode active material having an increased volume energy density. The porous silicon composite clusters of Production Example 1-4 had a BET specific surface area reduced as compared with Comparative Production Examples 1-2 and 4, indicating that the initial efficiency and durability characteristics can be improved.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the exemplary embodiments or constructions. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible in light of the above teachings will be. Accordingly, the scope of protection of the invention should be determined by the appended claims.

10: 실리콘 일차 입자 10a, 10b: 그래핀
21: 리튬전지
22: 음극 23: 양극
24: 세퍼레이터 25: 전지케이스
26: 캡 어셈블리
10: silicon primary particles 10a, 10b: graphene
21: Lithium battery
22: cathode 23: anode
24: separator 25: battery case
26: Cap assembly

Claims (31)

다공성 실리콘 복합체 이차 입자를 포함하는 코어(core)와 상기 코어의 상부에 배치된 제2그래핀을 포함하는 쉘(shell)을 함유하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터이며,
상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자는 두 개 이상의 실리콘 복합체 일차 입자의 응집체를 포함하며,
상기 실리콘 복합체 일차 입자는 실리콘; 상기 실리콘 상에 배치된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2) 및 상기 실리콘 산화물 상에 배치된 제1그래핀을 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
A porous silicon composite cluster comprising a shell comprising a core comprising porous silicon composite secondary particles and a second graphene disposed on top of the core,
Wherein the porous silicon composite secondary particles comprise aggregates of two or more silicon composite primary particles,
The silicon composite primary particles may be silicon; A porous silicon composite cluster comprising silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) disposed on the silicon and a first graphene disposed on the silicon oxide.
제1항에 있어서, 상기 코어내의 제1그래핀은 쉘의 제2그래핀과 비교하여 층수가 상이하거나 동일하며 쉘의 제2그래핀이 코어의 제1그래핀에 비하여 밀도가 높은 다공성 실리콘 복합체 클러스터.The method of claim 1, wherein the first graphene in the core is of a different or equal number of layers than the second graphene of the shell and the second graphene of the shell is a porous silicon composite cluster. 제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 이중 코어/쉘 구조를 갖는 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the porous silicon composite clusters have a dual core / shell structure.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터는, 상기 실리콘 복합체 일차
입자의 제1 그래핀이 상기 실리콘 산화물 상에 쉘이 배치된 이중 코어/쉘
구조를 갖는 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
The porous silicon composite clusters may include a silicon composite primary
Wherein a first graphene of the particle is a double core / shell having a shell disposed on the silicon oxide
Porous silicon composite clusters.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터는 상기 코어에 비하여 밀도가 높은 외각층이 더 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the porous silicon composite clusters further comprise an outer layer having a higher density than the core.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 포함하는 코어의 직경과 쉘의 두께비는 1:0.001 내지 1:1.67인 인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the core comprising the porous silicon composite clusters and the thickness ratio of the shell is from 1: 0.001 to 1: 1.67.
제1항에 있어서,
상기 제1그래핀과 제2그래핀의 총함량은 실리콘 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 2,000 중량부인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the total content of the first graphene and the second graphene is 0.1 to 2,000 parts by weight based on 100 parts by weight of silicon.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 복합체 일차 입자에서 제1그래핀은 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)의 실리콘에서 10nm 이하의 거리만큼 연장되고, 1 내지 30개의 그래핀층을 포함하고 상기 제1그래핀의 총두께는 0.3 내지 1,000nm 이고,
상기 제1그래핀은 상기 실리콘의 주축에 대하여 0 내지 90° 사이의 각으로 배향되는 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the first graphene in the silicon composite primary particles extends from the silicon of silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) by a distance of less than 10 nm and comprises from 1 to 30 graphene layers, The thickness is 0.3 to 1,000 nm,
Wherein the first graphene is oriented at an angle between 0 and 90 relative to the major axis of the silicon.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자에서 제2그래핀은 실리콘 산화물(SiOx) (O<x<2)에서 1000nm 이하의 거리만큼 연장되고, 1 내지 30개의 그래핀층을 포함하고 상기 그래핀의 총두께는 0.6 내지 50nm이고,
상기 그래핀은 상기 실리콘의 주축에 대하여 0 내지 90° 사이의 각으로 배향되는 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the second graphene in the porous silicon composite secondary particle extends from the silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) by a distance of 1000 nm or less, comprises 1 to 30 graphene layers, To 50 nm,
Wherein the graphene is oriented at an angle between 0 and 90 relative to the major axis of the silicon.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)의 두께는 30㎛ 이하인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) is 30 m or less.
제1항에 있어서,
상기 실리콘은 스피어(sphere), 나노와이어, 침상, 막대형, 입자, 나노튜브, 나노로드, 웨이퍼(wafer), 및 나노리본 중에서 선택된 하나 이상인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon is at least one selected from the group consisting of sphere, nanowire, needle, rod, particle, nanotube, nanorod, wafer, and nanoribbons.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 이차 입자의 평균입경은 1 내지 30㎛이고, 비표면적은 0.1 내지 100m2/g이고 밀도는 0.1 내지 2.57g/CC인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
The porous silicon composite an average particle diameter of the secondary particles is from 1 to 30㎛, the specific surface area is in the range of 0.1 to 100m 2 / g and density of 0.1 to 2.57g / CC porous silicon composite cluster.
제1항에 있어서,
상기 실리콘은 평균 입경이 10nm 내지 30㎛인 입자인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon is particles having an average particle size of 10 nm to 30 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 D50은 1 내지 30㎛이고, D10은 0.001 내지 10㎛이고, D90은 10 내지 60㎛인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the porous silicon composite clusters have a D50 of 1 to 30 占 퐉, a D10 of 0.001 to 10 占 퐉, and a D90 of 10 to 60 占 퐉.
제1항에 있어서,
산소의 함량이 0.01 내지 15원자%인 다공성 실리콘 복합체 클러스터.
The method according to claim 1,
Wherein the content of oxygen is 0.01 to 15 atomic%.
실리콘 및 상기 실리콘 상에 형성된 실리콘 산화물(SiOx)(O<x<2)을 포함하는 구조체, 분산제 및 용매를 포함하는 조성물로부터 다공성 실리콘 이차 입자를 얻는 단계; 및
상기 다공성 실리콘 이차 입자에 탄소 공급원 기체를 공급하고 열처리하는 단계를 포함하여 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터를 제조하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
Obtaining porous silicon secondary particles from a composition comprising silicon and a silicon oxide (SiOx) (O < x < 2) formed on the silicon, a composition comprising a dispersant and a solvent; And
15. A method for producing a porous silicon composite cluster according to any one of claims 1 to 15, comprising the step of supplying carbon source gas to the porous silicon secondary particles and heat treating the porous silicon composite particles.
제16항에 있어서,
상기 용매는 알코올계 용매이며,
상기 조성물로부터 다공성 실리콘 이차 입자를 얻는 단계는 조성물을 분무건조하여 실시되는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The solvent is an alcohol-based solvent,
Wherein the step of obtaining the porous silicon secondary particles from the composition is performed by spray drying the composition.
제16항에 있어서,
상기 분산제는 스테아르산, 레조르시놀, 폴리비닐알콜 및 피치(pitch) 중에서 선택된 하나 이상인 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the dispersing agent is at least one selected from the group consisting of stearic acid, resorcinol, polyvinyl alcohol, and pitch.
제16항에 있어서,
상기 탄소 공급원 기체가 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 산소 함유 기체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
[화학식 1]
CnH(2n+2-a)[OH]a
상기 화학식 1 중, n은 1 내지 20의 정수이고, a는 0 또는 1이고,
[화학식 2]
CnH(2n)
상기 화학식 2 중, n 은 2 내지 6의 정수이고,
[화학식 3]
CxHyOz
상기 화학식 3 중, x는 1 내지 20의 정수이고, y는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, z은 1 또는 2이다.
17. The method of claim 16,
Wherein the carbon source gas comprises at least one selected from the group consisting of a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (2) and an oxygen-containing gas represented by the following formula (3).
[Chemical Formula 1]
C n H (2n + 2-a) [OH] a
Wherein n is an integer of 1 to 20, a is 0 or 1,
(2)
C n H (2n)
Wherein n is an integer of 2 to 6,
(3)
CxHyOz
Wherein x is an integer of 1 to 20, y is 0 or an integer of 1 to 20, and z is 1 or 2.
제19항에 있어서
상기 탄소 공급원 기체가 하기 화학식 3a로 표시되는 제2산소 함유 화합물을 더 포함하며, 하기 화학식 3a로 표시되는 제1산소 함유 화합물은 상기 화학식 3으로 표시되는 산소 함유 화합물과 다른 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
[화학식 3a]
CxHyOz
상기 화학식 3a 중, x는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, y는 0 또는 1 내지 20의 정수이고, z은 1 또는 2이다.
The method of claim 19, wherein
Wherein the carbon source gas further comprises a second oxygen-containing compound represented by the following formula (3a), and the first oxygen-containing compound represented by the following formula (3a) is a mixture of the oxygen- Way.
[Chemical Formula 3]
CxHyOz
Wherein x is 0 or an integer of 1 to 20, y is 0 or an integer of 1 to 20, and z is 1 or 2.
제16항에 있어서,
상기 탄소 공급원 기체가 메탄, 에틸렌, 프로필렌, 메탄올, 에탄올 및 프로판올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the carbon source gas comprises at least one selected from the group consisting of methane, ethylene, propylene, methanol, ethanol and propanol.
제16항에 있어서,
상기 열처리가 750 내지 1100℃에서 실시되는 다공성 실리콘 복합체 클러스터의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the heat treatment is performed at 750 to 1100 占 폚.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체.16. A carbon composite material comprising the porous silicon composite clusters according to any one of claims 1 to 15 and a carbon-based material. 제23항에 있어서, 상기 탄소계 재료의 함량은 탄소 복합체 100 중량부를 기준으로 하여 0.001 내지 99중량부인 탄소 복합체.24. The carbon composite material according to claim 23, wherein the content of the carbon-based material is 0.001 to 99 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon composite. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 전극.16. An electrode comprising a porous silicon composite cluster according to any one of claims 1 to 15 or a carbon composite comprising said porous silicon composite cluster and a carbon-based material. 제25항에 있어서,
상기 탄소계 재료가 그래핀, 흑연, 풀러렌, 탄소섬유 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로 부터 선택된 하나 이상인 전극.
26. The method of claim 25,
Wherein the carbon-based material is at least one selected from the group consisting of graphene, graphite, fullerene, carbon fiber, and carbon nanotube.
제25항의 전극을 포함하는 리튬 전지.26. A lithium battery comprising the electrode of claim 25. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 전계 방출 소자.16. A field emission device comprising the porous silicon composite clusters according to any one of claims 1 to 15 or the porous silicon composite clusters and the carbon-based material. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 바이오센서.16. A biosensor comprising the porous silicon composite clusters according to any one of claims 1 to 15 or the porous silicon composite clusters and the carbon-based material. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 반도체 소자.16. A semiconductor device comprising the porous silicon composite clusters of any one of claims 1 to 15 or the porous silicon composite clusters and the carbon-based material. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 다공성 실리콘 복합체 클러스터 또는 상기 다공성 실리콘 복합체 클러스터와 탄소계 재료를 포함하는 탄소 복합체를 함유하는 열전소자.16. A thermoelectric device comprising the porous silicon composite clusters of any one of claims 1 to 15 or a carbon composite material comprising the porous silicon composite clusters and the carbon-based material.
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