KR20190077782A - Negative electrode active material for rechargeable lithium battery, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which comprises: a porous silicon-carbon composite; hard carbon; and a coal-based pitch. The hard carbon and the coal-based pitch are dispersed in pores of the porous silicon-carbon composite. The hard carbon originates from an aqueous binder. The porosity of the negative electrode active material is 26 vol% or less based on the total volume of the negative electrode active material. The present invention can provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery with a remarkably enhanced high rate characteristics and cycle life characteristics.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY, AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}[0001] The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the negative active material, and a lithium secondary battery comprising the lithium secondary battery. BACKGROUND OF THE INVENTION < RTI ID =

본 발명의 구현예들은 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 구조적인 안정성이 향상됨과 동시에 우수한 고율 특성 및 수명 특성을 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.Embodiments of the present invention relate to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same. More specifically, the present invention relates to a negative active material for a lithium secondary battery having improved structural stability and excellent high- A lithium secondary battery can be provided.

리튬 이차 전지는 휴대용 전자 통신 기기 등 소형 기기로부터, 전기자동차, 에너지 저장장치 등 대형 기기에까지, 현재 가장 광범위하게 사용되고 있는 이차전지 시스템이다. BACKGROUND ART Lithium secondary batteries are the most widely used secondary battery systems, ranging from small-sized devices such as portable electronic communication devices to large-sized devices such as electric vehicles and energy storage devices.

이러한 리튬 이차 전지는, 상용화된 수계 이차 전지 (Ni-Cd, Ni-MH 등)와 비교하여 에너지 밀도 및 작동 전압이 높다는 점, 상대적으로 자가 방전율이 낮다는 점 등의 장점을 가지고 있다.Such a lithium secondary battery has advantages such as high energy density and operating voltage, relatively low self-discharge rate, and the like, compared with a commercially available water-based secondary battery (Ni-Cd, Ni-MH, etc.).

그러나, 소형 기기에서의 사용 시간(즉, 수명 특성)을 증대시키고, 대형 기기에서의 에너지 특성을 향상시키기 위해서는, 여전히 리튬 이차 전지의 전기화학적 특성은 개선되어야 할 여지가 많다. 이로 인해, 리튬 이차 전지의 양극, 음극, 전해액, 분리막 등의 4대 원재료에 걸쳐 많은 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있는 실정이다.However, in order to increase the operating time (i.e., lifetime characteristics) in a small-sized apparatus and to improve energy characteristics in a large-sized apparatus, the electrochemical characteristics of the lithium secondary battery still need to be improved. As a result, many researches and developments have been actively conducted on the four raw materials such as the anode, the cathode, the electrolyte, and the separator of the lithium secondary battery.

이들 원재료 중 음극의 경우, 우수한 용량 보존 특성 및 효율을 나타내는 흑연계 물질이 상용화되어 있다. 그러나, 흑연계 물질은 상대적으로 낮은 이론용량 값(예를 들면, LiC6 음극의 경우 약 372mAh/g)을 나타내며, 낮은 방전 용량 비율을 가지므로, 관련 시장에서 요구되는 전지의 고에너지 및 고출력 밀도의 특성에 부합하기에는 다소 부족한 것이 현실이다.Among these raw materials, graphite based materials exhibiting excellent capacity preservation characteristics and efficiency have been commercialized in the case of a negative electrode. However, graphite materials have relatively low theoretical capacity values (e.g., LiC 6 And about 372 mAh / g in the case of the negative electrode), and since it has a low discharge capacity ratio, it is somewhat inadequate to meet the characteristics of the high energy and high output density of the battery required in the related market.

따라서, 많은 연구자들이 주기율표 상의 Ⅳ족 원소 (Si, Ge, Sn 등)에 관심을 가지고 있다. 그 중에서도 실리콘(Si)의 경우, 흑연계 물질에 비해 높은 이론 용량 (예를 들면, Li15Si4 음극의 경우 3600mAh/g)을 나타내며, 낮은 작동 전압 (~0.1V vs. Li/Li+) 특성으로 인하여 각광받는 소재이다. Therefore, many researchers are interested in the Group IV elements (Si, Ge, Sn, etc.) on the periodic table. Among them, silicon (Si) exhibits a higher theoretical capacity (for example, 3600 mAh / g in the case of a Li 15 Si 4 cathode) than a graphite based material and has a low operating voltage (~ 0.1 V vs. Li / Li +) It is the material which is spotlighted by.

그러나, 일반적인 실리콘계 음극 재료의 경우, 전지의 충·방전 싸이클이 거듭될 수록 300 %에 달하는 부피 변화와 함께, 낮은 방전 용량 비율 특성을 나타내므로, 실제 전지에 적용이 어렵다는 단점이 있다.However, in the case of a general silicon-based anode material, as the charge / discharge cycle of the battery is repeated, the battery has a volume change of up to 300% and exhibits a low discharge capacity ratio characteristic.

본 실시예들은 고율 특성 및 싸이클 수명 특성이 현저하게 향상된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공하고자 한다.The present embodiments provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery in which a high rate characteristic and a cycle life characteristic are remarkably improved.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은, 다공성 실리콘-탄소 복합체, 난흑연화 탄소(hard carbon), 및 석탄계 핏치를 포함하고, 상기 난흑연화 탄소 및 상기 석탄계 핏치는, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체의 기공 사이에 분산되고, 상기 난흑연화 탄소는 수계 바인더로부터 기인한 것이며, 음극 활물질의 기공도는, 음극 활물질 전체 부피를 기준으로, 26 부피% 이하일 수 있다. The anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a porous silicon-carbon composite material, a hard carbon, and a coal-based pitch, and the non-graphitizable carbon and the coal- The non-graphitizable carbon is derived from an aqueous binder, and the porosity of the negative electrode active material may be 26 vol% or less based on the total volume of the negative electrode active material.

일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는, 양극, 음극 및 전해질을 포함하고, 상기 음극은, 본 개시의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함할 수 있다.The lithium secondary battery according to an embodiment includes a cathode, a cathode, and an electrolyte, and the cathode may include a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present disclosure.

실시예들에 따르면, 구조적인 안정성이 향상되고 우수한 도전성 패스(path)를 가지기 때문에 고율 특성 및 싸이클 수명 특성이 현저하게 향상된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공할 수 있다.According to the embodiments, it is possible to provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery in which structural stability is improved and an excellent conductive path is provided, whereby the high rate characteristic and the cycle life characteristic are remarkably improved.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 음극 활물질의 단면 SEM 사진이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 음극 활물질의 단면 SEM 사진이다.
도 3은 비교예 1에 따라 제조된 음극 활물질의 단면 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 C-rate 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
1 is a cross-sectional SEM photograph of a negative electrode active material prepared according to Example 1. Fig.
2 is a cross-sectional SEM photograph of the negative electrode active material prepared according to Example 2. Fig.
3 is a cross-sectional SEM photograph of the negative electrode active material prepared according to Comparative Example 1. Fig.
FIG. 4 shows the results of measurement of C-rate characteristics of the lithium secondary batteries produced according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용 이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Also, throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification. It will be understood that when an element such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the element directly over another element, Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.

이하 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질은, 다공성 실리콘-탄소 복합체, 난흑연화 탄소(hard carbon), 및 석탄계 핏치를 포함할 수 있다.The anode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment may include a porous silicon-carbon composite, a hard carbon, and a coal based pitch.

먼저, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체는, 복수개의 흑연 입자 사이에 복수개의 나노 실리콘 입자가 매립되고, 다수의 기공을 포함하는 형태일 수 있다. .First, the porous silicon-carbon composite material may be a form in which a plurality of nanosilicon particles are embedded between a plurality of graphite particles and a plurality of pores are included. .

이는, 상기 복수개의 나노 실리콘 입자의 부피가 팽창 또는 수축 되더라도, 상기 복수개의 흑연 입자에 의하여 매립되어 있기 때문에 내부 구성 물질과의 전기적 접촉을 유지할 수 있는 형태에 해당된다.Even if the volume of the plurality of nanosilicon particles expands or shrinks, the nanosilicon particles are buried by the plurality of graphite particles, so that electrical contact with the internal constituent material can be maintained.

또한, 안정적인 다공성 구조의 복합체에 포함되며 나노 단위의 크기를 가지는 실리콘 입자는, 부피 팽창이 최소화 될 수 있을 뿐만 아니라, 음극 활물질의 높은 용량을 확보하는 데 기여한다.In addition, the silicon particles included in the composite having a stable porous structure and having a size of nano unit contribute not only to volume expansion but also to ensure high capacity of the negative electrode active material.

본 실시예에서, 상기 나노 실리콘의 함량은, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체 100중량%에 대해, 25 중량% 내지 40중량%, 보다 구체적으로 25 중량% 내지 35 중량%일 수 있다. 나노 실리콘의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 우수한 용량 특성을 확보함과 동시에 본 실시예의 음극 활물질을 적용한 전지에 대하여 충방전 진행에 따른 전극의 부피 팽창을 억제할 수 있어 매우 유리하다. In this embodiment, the content of the nanosilicon may be 25 wt% to 40 wt%, more specifically 25 wt% to 35 wt%, based on 100 wt% of the porous silicon-carbon composite. When the content of the nano-silicon satisfies the above range, excellent capacity characteristics can be ensured and the volume expansion of the electrode due to the progress of charging / discharging can be suppressed with respect to the battery using the negative electrode active material of this embodiment.

또한, 상기 나노 실리콘 입자의 평균 입경은, 1 내지 9.99 ㎚ 일 수 있다.The average particle diameter of the nanosilicon particles may be 1 to 9.99 nm.

이와 같이, 나노 크기로 미세화된 평균 입경을 가지는 실리콘 입자는, 전지의 충·방전에 따른 부피 팽창이 최소화될 수 있다.As described above, the silicon particles having an average particle size finer in the nano size can minimize the volume expansion due to charging / discharging of the battery.

상기 다공성 실리콘-탄소 복합체의 형성을 위하여 사용되는 수계 바인더 물질은, 탄화되어 난흑연화 탄소가 된다. 이러한 난흑연화 탄소는 실리콘-탄소 복합체의 특성을 저하 시킬 수 있는 바, 이를 방지하기 위하여 석탄계 핏치를 함께 포함할 수 있다. The aqueous binder material used for forming the porous silicon-carbon composite becomes carbonized graphitized carbon. Such non-graphitized carbon may deteriorate the characteristics of the silicon-carbon composite. To prevent this, a coal-based pitch may be included together.

따라서, 상기 난흑연화 탄소는 수계 바인더로부터 기인한 것이며, 상기 난흑연화 탄소 및 상기 석탄계 핏치는, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체의 기공 사이에 분산되어 위치한다. Therefore, the non-graphitizable carbon is derived from an aqueous binder, and the non-graphitized carbon and the coal-based pitch are dispersed and positioned between the pores of the porous silicon-carbon composite.

상기 석탄계 핏치는 상기 다공성 구조를 안정적으로 지지하는 점결제로도 기능할 수 있는 바, 난흑연화 탄소 및 석탄계 핏치가 다공성 실리콘-탄소 복합체의 기공 사이에 분산되어 위치함으로써, 본 실시예에 따른 음극 활물질을 전지에 적용하는 경우, 충·방전 사이클이 거듭되더라도 실리콘-탄소 복합체의 다공성 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.The coal-based pitch can also function as a viscous binder for stably supporting the porous structure. Since the non-graphitized carbon and the coal-based pitch are dispersed and located between the pores of the porous silicon-carbon composite, When the active material is applied to a battery, it is possible to prevent the porous structure of the silicon-carbon composite from being collapsed even when the charge / discharge cycle is repeated.

한편, 본 실시예에서, 상기 석탄계 핏치의 고정탄소 값은, 예를 들면, 50 이상, 보다 구체적으로, 60 내지 80 범위일 수 있다. On the other hand, in this embodiment, the fixed carbon value of the coal-based pitch may be, for example, 50 or more, and more specifically, in the range of 60 to 80.

석탄계 핏치의 고정탄소 값이 증가할수록 자체 전도도가 낮은 Si과 도전성 패스(path)를 생성시켜 용량 및 효율 증대를 유도할 수 있다. 고정탄소 값이 상기 범위를 만족하는 경우, 본 실시예의 음극 활물질의 내부 기공을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 전해액과의 부반응 또한 감소시킬 수 있으므로 전지의 초기 효율 상승에 기여할 수 있다.As the fixed carbon value of the coal-based pitch increases, the Si and the conductive path having low self-conductivity can be generated to increase the capacity and the efficiency. When the fixed carbon value satisfies the above range, the internal pores of the negative electrode active material of the present embodiment can be reduced. Accordingly, the side reaction with the electrolyte can be reduced, which can contribute to the initial efficiency increase of the battery.

상기 석탄계 핏치의 베타 레진(β-resin) 값은, 예를 들면, 22 이상, 보다 구체적으로, 25 내지 40 또는 25 내지 35 범위일 수 있다. The β-resin value of the coal-based pitch may be in the range of, for example, 22 or more, and more specifically, in the range of 25 to 40 or 25 to 35.

구체적으로, 상기 베타 레진(β-resin) 값은 벤젠 불용량(benzene-insoluble)에서 퀴놀린 용량(benzene-insoluble)을 제외한 값을 의미한다. 이러한 베타-레진 값은 점결성과 비례한다. 본 실시예에서는 베타 레진(β-resin) 값이 상기 범위를 만족하는 석탄계 핏치를 포함하기 때문에 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체의 다공성 구조가 보다 안정적으로 유지될 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 음극 활물질을 채용하는 경우, 우수한 수명 특성 및 극판 팽창 특성을 갖는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. Specifically, the β-resin value refers to a value obtained by removing the benzene-insoluble amount from benzene-insoluble. These beta-resin values are proportional to the integrity. In this embodiment, the porous structure of the porous silicon-carbon composites can be more stably maintained because the beta-resin value includes coal-based pitches satisfying the above range. Accordingly, when the negative electrode active material according to this embodiment is employed, a lithium secondary battery having excellent lifetime characteristics and electrode plate expansion characteristics can be realized.

한편, 상기 수계 바인더는, 예를 들면, 폴리아크릴 산 (polyacrylic acid, PAA), 아라비아 고무 (Gum Arabic), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 및 셀룰로오스(cellulose)계 화합물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. On the other hand, the water-based binder can be used in a group including, for example, polyacrylic acid (PAA), gum arabic, polyvinyl alcohol (PVA), and cellulose And may include at least one selected.

본 실시예의 리튬 이차 전지용 음극 활물질에서, 각 구성의 함량은 하기와 같다. 즉, 상기 음극 활물질 전체 중량(100 중량%)에 대해, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체는 상기 나노 실리콘 입자 25 중량% 내지 40 중량%와 상기 석탄계 핏치 20 중량% 내지 45 중량%를 포함하고, 흑연과 난흑연화 탄소는 잔부로 포함되는 것일 수 있다.In the negative electrode active material for a lithium secondary battery of this embodiment, the content of each constitution is as follows. That is, the porous silicon-carbon composite includes 25 to 40% by weight of the nanosilicone particles and 20 to 45% by weight of the coal pitch based on the total weight of the negative electrode active material (100% by weight) The non-graphitized carbon may be included as the remainder.

상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질에서, 각 구성의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 복합체의 다공성 구조가 안정적으로 유지되어 실리콘 팽창에 따른 열화를 방지할 수 있는 치밀한 구조의 구형 음극 활물질을 구현할 수 있다. In the negative electrode active material for a lithium secondary battery, when the content of each constituent is in the above range, a spherical negative active material having a dense structure that can stably maintain the porous structure of the composite and prevent deterioration due to the expansion of silicon can be realized .

다음, 상기 음극 활물질의 기공도는, 상기 음극 활물질의 전체 부피(100 부피%)에 대해 26 부피% 이하, 보다 구체적으로, 15 부피% 내지 26 부피%, 또는 15 부피% 이상 및 20 부피% 미만일 수 있다. 음극 활물질의 기공도가 상기 범위를 만족하는 경우, 실리콘의 부피 팽창이 효과적으로 완화될 수 있다. Next, the porosity of the negative electrode active material is 26 vol% or less, more specifically 15 vol% to 26 vol%, or 15 vol% or more and less than 20 vol%, based on the total volume (100 vol%) of the negative electrode active material . When the porosity of the negative electrode active material satisfies the above range, the volume expansion of the silicon can be effectively mitigated.

상기 음극 활물질의 D90 입경은, 예를 들면, 50㎛ 미만, 보다 구체적으로 10㎛ 내지 48㎛의 범위를 가지는 것이 바람직하다. 음극 활물질의 D90 입경이 상기 범위를 초과하는 경우, 코팅 후 전극 압연 시 압연 롤에 의해 입자 손상이 발생할 수 있으며, 이는 전지의 효율, 수명 및 전극 팽창율 등 전반적인 성능의 저하를 초래할 수 있다. The D90 particle size of the negative electrode active material is preferably, for example, less than 50 mu m, more specifically, in the range of 10 mu m to 48 mu m. If the D90 particle size of the negative electrode active material exceeds the above range, particle damage may occur due to rolling rolls during electrode rolling after coating, which may lead to deterioration of overall performance such as efficiency, lifetime and electrode expansion rate of the battery.

본 실시예에서는 특정 물성을 갖는 석탄계 핏치를 포함하기 때문에, 구조적인 안정성이 향상되고 우수한 도전성 패스(path)를 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 음극 활물질을 적용하기 때문에 고율 특성 및 싸이클 수명 특성이 현저하게 향상된 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.In this embodiment, since it includes the coal-based pitch having specific physical properties, it is possible to provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery having improved structural stability and an excellent conductive path. In addition, since such an anode active material is applied, a lithium secondary battery having remarkably improved high-rate characteristics and cycle life characteristics can be realized.

전술한 음극 활물질은 리튬 이차 전지의 음극에 유용하게 사용될 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 양극과 함께 전술한 음극 활물질을 포함하는 음극 및 전해질을 포함한다.The above-mentioned negative electrode active material can be usefully used for a negative electrode of a lithium secondary battery. That is, the lithium secondary battery according to one embodiment includes a cathode and an electrolyte including the above-described anode active material together with a cathode.

일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는, 양극, 음극, 그리고 상기 양극 및 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있다. 이러한 전극 조립체는 와인딩되거나 접혀서 케이스에 수용됨으로써 리튬 이차 전지를 구성한다.The lithium secondary battery according to an embodiment may include an electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator disposed between the anode and the cathode. Such an electrode assembly is wound or folded and accommodated in a case to constitute a lithium secondary battery.

이때, 케이스는 원통형, 각형, 박막형 등의 형태를 가질 수 있으며, 적용하고자 하는 장치의 종류에 따라 적절하게 변형할 수 있다. At this time, the case may have a cylindrical shape, a square shape, a thin film shape, or the like, and may be appropriately modified according to the type of apparatus to be applied.

상기 음극은, 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 이를 음극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다.The negative electrode may be prepared by mixing a negative electrode active material, a binder and optionally a conductive material to prepare a composition for forming a negative electrode active material layer, and then applying the composition to an anode current collector.

상기 음극 집전체는 예를 들면, 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합일 수 있다.The negative electrode collector may be, for example, a copper foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foil, a copper foil, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof.

상기 음극 활물질로는 일 실시예에서 설명한 바와 같이, 다공성 실리콘-탄소 복합체, 난흑연화 탄소(hard carbon) 및 석탄계 핏치를 포함할 수 있다. 각 구성에 대한 구체적인 내용은 전술한 것과 동일한 바, 여기서는 생략하기로 한다. The negative electrode active material may include porous silicon-carbon composites, hard carbon, and coal-based pitches, as described in one embodiment. The details of each configuration are the same as those described above, and will not be described here.

상기 바인더로는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버, 히드록시프로필렌셀룰로오스, 디아세틸렌셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더는 상기 음극 활물질층 형성용 조성물의 총량에 대하여 1 중량% 내지 30 중량%로 혼합될 수 있다.Examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose / styrene-butadiene rubber, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene Polypropylene and the like can be used, but the present invention is not limited thereto. The binder may be mixed in an amount of 1% by weight to 30% by weight based on the total amount of the composition for forming the anode active material layer.

상기 도전재로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 상기 음극 활물질층 형성용 조성물의 총량에 대하여 0.1 중량% 내지 30 중량%로 혼합될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, and specifically includes graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used. The conductive material may be mixed in an amount of 0.1% by weight to 30% by weight based on the total amount of the composition for forming the negative electrode active material layer.

다음, 상기 양극은, 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 이 조성물을 양극 집전체에 도포하여 제조할 수 있다. 이때, 바인더 및 도전재는 전술한 음극의 경우와 동일하게 사용된다.Next, the positive electrode may be prepared by mixing a positive electrode active material, a binder and optionally a conductive material to prepare a composition for forming a positive electrode active material layer, and then applying the composition to a positive electrode current collector. At this time, the binder and the conductive material are used in the same manner as in the case of the above-mentioned negative electrode.

상기 양극 집전체는, 예를 들면, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것을 사용할 수 있다.The positive electrode current collector may be, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or a surface of aluminum or stainless steel coated with carbon, nickel, titanium or silver.

상기 양극 활물질은, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다.As the cathode active material, a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium (a lithiated intercalation compound) can be used.

상기 양극 활물질은 구체적으로 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1 - bRbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bRbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 및 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bRbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 - αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 - αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcO2 - αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcO2-αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5 및 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5 및 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiTO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.The cathode active material may be at least one compound selected from the group consisting of cobalt, manganese, nickel, or a combination of metals and lithium, and specific examples thereof include compounds represented by any one of the following formulas. Li a A 1 - b R b D 2 wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8 and 0? B? 0.5; Li a E 1 - b R b O 2 - c D c , wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, and 0 ≤ c ≤ 0.05; LiE 2 - b R b O 4 - c D c where 0? B? 0.5, 0? C? 0.05; Li a Ni 1 -b- c Co b R c D α where 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2; Li a Ni 1 -b- c Co b R c O 2 - ? Z ? Where 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Co b R c O 2 - ? Z 2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b R c D ? Wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, and 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b R c O 2 - ? Z ? Where 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05 and 0 <? Li a Ni 1-bc Mn b R c O 2-α Z 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, and 0 <α <2; Li a Ni b E c G d O 2 wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 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 ≤ 1.8, 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? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); Li a MnG b O 2 wherein, in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1; Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90? A? 1.8 and 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiTO 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); And LiFePO 4.

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 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; Z는 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; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn or a combination thereof; R 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; Z is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn or a combination thereof; T is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu or a combination thereof.

상기 리튬 이차 전지에 충진되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등을 사용할 수 있으며, 리튬염이 용해된 것을 사용할 수 있다.As the electrolyte to be filled in the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt dissolved therein may be used.

상기 리튬염은, 예를 들면, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. The lithium salt may be, 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 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCl, and LiI may be used.

상기 비수성 전해질의 용매로는, 예를 들면, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들을 단독 또는 복수 개를 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.Examples of the solvent of the non-aqueous electrolyte include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and? -Butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; Amides such as dimethylformamide, and the like can be used, but the present invention is not limited thereto. These may be used singly or in combination. Particularly, a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate can be preferably used.

또한 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다.As the electrolyte, a gelated polymer electrolyte in which an electrolyte solution is impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used.

상기 세퍼레이터는 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유, 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 전해액으로 폴리머 등의 고체 전해액이 사용되는 경우 고체 전해액이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator may be an olefin-based polymer such as polypropylene, which is chemically resistant and hydrophobic; A sheet or a nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like can be used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolytic solution, the solid electrolytic solution may also serve as a separation membrane.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 이에 따른 실험예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention and experimental examples therefor will be described. However, the following examples are only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1 One

(1) 음극 활물질의 제조(1) Preparation of negative electrode active material

나노 실리콘 분말 및 흑연 분말을 밀링(milling) 처리하여 복수의 흑연 입자 사이에 복수의 나노 실리콘 입자가 포함된 다공성 실리콘-탄소 혼합물(Si:C=30:70의 중량 비율)을 형성하였다. The nanocrystalline silicon powder and graphite powder were milled to form a porous silicon-carbon mixture (Si: C = 30: 70 weight ratio) containing a plurality of nanosilicon particles between a plurality of graphite particles.

상기 다공성 실리콘-탄소 혼합물에 수계 바인더로 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 및 석탄계 핏치(상품명:U2, 제조사:OCI)를 투입하여, 혼합 분말을 제조하였다. 이때, 상기 석탄계 핏치의 세부 물성은 하기 표 1에 기재된 바와 같다. Polyvinyl alcohol (PVA) and coal pitch (trade name: U2, manufacturer: OCI) were added to the porous silicon-carbon mixture as an aqueous binder to prepare a mixed powder. At this time, the detailed physical properties of the coal-based pitch are as shown in Table 1 below.

상기 혼합 분말은, 상기 다공성 실리콘-탄소 혼합물 100 중량부에 대하여, 수계 바인더는 7 중량부, 석탄계 핏치는 15 중량부를 포함한다. The mixed powder includes 7 parts by weight of an aqueous binder and 15 parts by weight of a coal-based pitch based on 100 parts by weight of the porous silicon-carbon mixture.

다음, 상기 혼합 분말 100 중량부에 대하여 용매인 증류수를 150 중량부로 투입하여, 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 상온에서 교반한 뒤 분무 건조기를 이용하여 분무 건조한 후 열처리하여 D90이 약 35㎛인 음극 활물질을 제조하였다.Then, 150 parts by weight of distilled water as a solvent was added to 100 parts by weight of the mixed powder to prepare a mixed solution. The mixed solution was stirred at room temperature, spray dried using a spray drier, and heat treated to prepare a negative active material having a D90 of about 35 탆.

(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Production of lithium secondary battery

상기 (1)의 음극 활물질, 바인더(SBR-CMC) 및 도전재(Super P)를 음극 활물질:바인더:도전재의 중량비가 85:5:10이 되도록 준비한 후 증류수에 투입한 후 균일하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다. The negative electrode active material, the binder (SBR-CMC), and the conductive material (Super P) were prepared so that the weight ratio of the negative electrode active material: binder: conductive material was 85: 5: 10 and then mixed in distilled water. .

상기의 슬러리를 구리(Cu) 집전체에 균일하게 도포한 후, 롤프레스에서 압착한 뒤, 건조하여 음극을 제조하였다. The slurry was uniformly applied to a copper (Cu) current collector, compressed by a roll press, and dried to prepare a negative electrode.

상대 전극으로는 리튬 금속(Li-metal)을 사용하고, 전해액으로는 에틸렌 카보네이트(EC, Ethylene Carbonate): 디메틸 카보네이트(DMC, Dimethyl Carbonate)의 부피 비율이 1:1인 혼합 용매에 1몰의 LiPF6용액을 용해시킨 것을 사용하였다.Lithium metal (Li-metal) was used as a counter electrode, and a mixed solvent of ethylene carbonate (EC: Ethylene Carbonate): dimethyl carbonate (DMC, Dimethyl Carbonate) 6 solution was used.

상기 음극, 리튬 금속 및 전해액을 이용하여 통상적인 제조방법에 따라 CR 2032 반쪽 전지(half coin cell)를 제작하였다.A CR 2032 half-coin cell was fabricated according to a conventional manufacturing method using the negative electrode, lithium metal, and electrolyte.

실시예Example 2 2

(1) 음극 활물질의 제조(1) Preparation of negative electrode active material

석탄계 핏치로 하기 표 1에 기재된 물성을 갖는 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in (1) of Example 1, except that the anode active material having the physical properties shown in Table 1 below was used as the coal-based pitch.

(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Production of lithium secondary battery

상기 (1)의 음극 활물질을 이용하여 실시예 1의 (2)와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in (2) of Example 1, using the negative active material of (1).

비교예Comparative Example 1 One

(1) 음극 활물질의 제조(1) Preparation of negative electrode active material

석탄계 핏치로 하기 표 1에 기재된 물성을 갖는 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in (1) of Example 1, except that the anode active material having the physical properties shown in Table 1 below was used as the coal-based pitch.

(2) 리튬 이차 전지의 제조(2) Production of lithium secondary battery

상기 (1)의 음극 활물질을 이용하여 실시예 1의 (2)와 동일한 바법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in (2) of Example 1, using the negative active material of the above (1).

석탄계 핏치의 물성Physical properties of coal-based pitch 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 고정탄소Fixed carbon 77.777.7 62.862.8 54.454.4 β-resinβ-resin 28.0528.05 27.1627.16 20.5120.51

실험예Experimental Example 1 One

실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 음극 활물질에 대하여 단면의 기공 분포 이미지를 확인하기 위하여 SEM 분석을 실시하고, 수은 기공률 측정기 (Mercury porosimeter, Micromeritics社 AUTOPORE V 모델)를 이용하여 음극 활물질의 기공도를 측정하였다. SEM analysis was performed on the negative electrode active material prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 to confirm the pore distribution image of the cross section, and the negative electrode active material was measured using a mercury porosimeter (AUTOPORE V model manufactured by Micromeritics Co., Ltd.) Was measured.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 음극 활물질의 단면 SEM 사진이고, 도 2는 실시예 2에 따라 제조된 음극 활물질의 단면 SEM 사진이며, 도 3은 비교예 1에 따라 제조된 음극 활물질의 단면 SEM 사진이다. 기공도 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다.FIG. 1 is a cross-sectional SEM image of the negative electrode active material prepared according to Example 1, FIG. 2 is a SEM photograph of a negative electrode active material prepared according to Example 2, and FIG. 3 is a cross- SEM picture. The results of the porosity measurement are shown in Table 2 below.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 활물질 입자 내부 기공도 (%)Porosity of active material particles (%) 25.1425.14 19.3519.35 34.5134.51

도 1 및 도 2를 참고하면, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 음극 활물질은 작은 기공이 고르게 형성된 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 도 3을 참고하면, 비교예 3에 따라 제조된 음극 활물질의 경우, 매우 큰 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, it can be seen that the negative electrode active material prepared according to Examples 1 and 2 is uniformly formed with small pores. On the other hand, referring to FIG. 3, it can be seen that a very large pore is formed in the case of the negative electrode active material produced according to Comparative Example 3.

또한, 표 2를 참고하여도 실시예 1 및 2에 따라 제조된 음극 활물질의 기공도는 26% 이하이나, 비교예 1의 경우 적어도 13% 이상 큰 기공도를 나타내는 것을 알 수 있다. 이와 같이 음극 활물질의 기공도가 큰 경우, 압연 공정에서 음극 활물질의 구조가 손상될 수 있고, 기공 내에 전해액이 불균일하게 함침 될 수 있다. 이에 따라 이러한 음극 활물질을 채용한 전지의 경우에도 성능의 저하, 나노 실리콘 입자의 도전성 결여 등에 따른 고율 및 수명 특성이 저하되는 문제점이 있다. Also, referring to Table 2, it can be seen that the porosity of the negative electrode active material prepared according to Examples 1 and 2 is 26% or less, but the porosity of Comparative Example 1 is at least 13% or more. When the porosity of the negative electrode active material is large, the structure of the negative electrode active material in the rolling process may be damaged, and the electrolyte may be impregnated unevenly in the pores. As a result, even in the case of a battery employing such an anode active material, there is a problem that the performance and the life characteristics are deteriorated due to deterioration of performance, lack of conductivity of nanosilicon particles, and the like.

따라서, 본 실시예와 같이 특정 물성 값을 만족하는 석탄계 핏치를 포함시킴으로써, 음극 활물질의 구조적인 안정성을 향상시킴과 동시에 우수한 도전성 패스(path)를 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 음극 활물질을 적용하기 때문에 고율 특성 및 싸이클 수명 특성이 현저하게 향상된 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. Accordingly, by including the coal-based pitch that satisfies specific physical property values as in the present embodiment, it is possible to provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery having improved structural stability of the negative electrode active material and having an excellent conductive path. In addition, since such an anode active material is applied, a lithium secondary battery having remarkably improved high-rate characteristics and cycle life characteristics can be realized.

실험예Experimental Example 2 - 초기  2 - Initial 충방전Charging and discharging 효율 및 C-rate 측정 Efficiency and C-rate measurement

실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차 전지에 대하여, 초기 충방전 효율을 측정하였다.The initial charge-discharge efficiency of the lithium secondary batteries produced in Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 was measured.

구체적으로, 각 전지에 대하여, 0.1C로 1회 충방전을 실시하여, 충전 용량 및 방전 용량을 측정하여, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. Specifically, each battery was charged and discharged once at 0.1 C, and the charging capacity and the discharging capacity were measured. The results are shown in Table 3 below.

다음, 각 전지에 대하여, 상온(25)에서 음극활물질 1g 당 0.1C(1C = 3.9mAh/cm2)의 전류로 전압이 0.005V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 0.005V를 유지하면서 전류가 0.005C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 1.5V까지 0.1C로 방전하여 이때의 용량값을 기준으로 충전 전류 밀도를 변경시켜 충전 C-rate 시험을 진행하였다. 각 rate별 충전 후 방전용량 측정은 1.0V까지, 0.2C로 고정하였으며, 상기 충방전 사이클을 충전 rate 별로 각 3회씩 반복하면서 충전시의 전류밀도를 순차적으로 증가시켰다. 충전시의 전류밀도는 각각 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 0.1C rate이었다.Next, for each cell, the cell was charged at a constant current of 0.1 C (1 C = 3.9 mAh / cm 2) per 1 g of the negative electrode active material at room temperature (25) until the voltage reached 0.005 V (vs. Li) And charged at a constant voltage until the current became 0.005C. Then, the battery was discharged at a rate of 0.1 C up to 1.5 V, and the charge current density was changed based on the capacity value at this time to perform the charged C-rate test. The discharging capacity measurement after charging at each rate was fixed to 0.2 V and 1.0 V, and the current density at the time of charging was sequentially increased while repeating the charging / discharging cycle three times for each charging rate. The current densities at charging were 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 2 C, 3 C, and 0.1 C rate, respectively.

이후, 0.1C 방전 용량에 대한 각 율의 방전 용량비율을 구하여 용량 유지율(%)을 도 4에 나타내었다. 아울러 각 율에 따른 효율도 도 4에 함께 나타내었다.Thereafter, the discharge capacity ratio of the angular rate to the 0.1C discharge capacity was determined, and the capacity maintenance ratio (%) was shown in Fig. The efficiency according to the angular rate is also shown in FIG.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 초기 효율 (%)Initial efficiency (%) 83.4483.44 87.8887.88 81.2381.23

표 3을 참고하면, 탄화 후 석탄계 핏치의 탄화수율이 높을수록 초기효율이 증가하는 경향을 확인할 수 있으며, 이는 석탄계 핏치의 고정탄소 값 증가에 따라 나노 실리콘 입자와 도전성 패스(path)가 증가되었기 때문임을 알 수 있다.As shown in Table 3, the higher the carbonization yield of carbonaceous pitch after carbonization, the higher the initial efficiency. This is because nanosilicon particles and the conductive path were increased as the fixed carbon value of the coal-based pitch increased .

또한, 도 4를 참고하면, 실시예 1 및 2의 충전 rate 별 용량 유지율 및 사이클 진행에 따른 용량 역시 비교예 1에 비해 월등하게 우수함을 알 수 있다.Also, referring to FIG. 4, it can be seen that the capacity retention rate and the capacity according to the cycle progress of each of the charge ratios of Examples 1 and 2 are also superior to those of Comparative Example 1.

따라서, 본 개시의 실시예들에 따른 음극 활물질을 채용하는 경우 초기 용량 및 수명 특성이 우수한 전지를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다. Therefore, it can be confirmed that when the negative electrode active material according to the embodiments of the present disclosure is employed, a battery having excellent initial capacity and life characteristics can be realized.

실험예Experimental Example 3 - 전극 팽창률 측정 3 - Measurement of electrode expansion rate

실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차 전지에 대하여, 전극 팽창률을 측정하였다. The lithium secondary batteries produced according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were measured for the rate of electrode expansion.

구체적으로, 전극 팽창률은, 리튬 이차 전지 제조 전의 전극과 C-rate 측정 후의 리튬 이차 전지의 전극의 두께 비를 계산한 것이다.Specifically, the electrode expansion ratio is calculated by calculating the thickness ratio between the electrode before the lithium secondary battery and the electrode of the lithium secondary battery after the C-rate measurement.

이때, C-rate 측정 후의 리튬 이차 전지는 0.1C, 0.005V의 정전류 충전과 0.005V에서 0.005C cut-off의 정전압 충전을 실시하고, 이를 아르곤(Ar) 분위기의 글로브 박스에서 해체한 후 DMC 용매로 5분간 세척 후 건조시킨 전극을 이용하여 전극 팽창률을 측정하였다. At this time, the lithium secondary battery after the C-rate measurement was subjected to a constant current charging of 0.1 C and 0.005 V and a constant voltage charging of 0.005 V and 0.005 C cut-off. The lithium secondary battery was disassembled in a glove box in an argon (Ar) atmosphere, And the electrode expansion rate was measured using a dried electrode.

각 전극의 두께는 유효숫자가 소수점 셋째자리인 마이크로미터를 사용하여 측정하였다. 결과는 하기 표 4에 나타내었다.The thickness of each electrode was measured using a micrometer in which the significant digit was the third decimal place. The results are shown in Table 4 below.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 전극 팽창률(%)Electrode Expansion Ratio (%) 9494 7272 154154

표 4를 참고하면, 비교예 1의 리튬 이차 전지의 경우, 실시예 1 및 2와 비교할 때 적어도 1.6배 이상 전극이 팽창된 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 4, it can be confirmed that the lithium secondary battery of Comparative Example 1 expanded at least 1.6 times more than the electrodes of Examples 1 and 2.

따라서, 본 실시예와 같은 특징을 갖는 음극 활물질을 채용한 전지의 전극 팽창률을 획기적으로 개선할 수 있음을 확인할 수 있다. Accordingly, it can be confirmed that the electrode expansion rate of the battery employing the negative electrode active material having the same characteristics as those of this embodiment can be remarkably improved.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (8)

다공성 실리콘-탄소 복합체;
난흑연화 탄소(hard carbon); 및
석탄계 핏치를 포함하고,
상기 난흑연화 탄소 및 상기 석탄계 핏치는, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체의 기공 사이에 분산되고,
상기 난흑연화 탄소는 수계 바인더로부터 기인한 것이며,
음극 활물질의 기공도는, 음극 활물질 전체 부피를 기준으로, 26 부피% 이하인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
Porous silicon-carbon composites;
Hard carbon; And
Including coal pitch,
The non-graphitized carbon and the coal-based pitch are dispersed between the pores of the porous silicon-carbon composite,
The non-graphitized carbon is derived from an aqueous binder,
The porosity of the negative electrode active material is 26 vol% or less based on the total volume of the negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 석탄계 핏치의 고정탄소 값은 50 이상인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the fixed carbon value of the coal based pitch is 50 or more.
제1항에 있어서,
상기 석탄계 핏치의 고정탄소 값은 60 내지 80 범위인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the fixed carbon value of the coal based pitch ranges from 60 to 80. The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 석탄계 핏치의 베타 레진 값은 22 이상인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the beta resin value of the coal-based pitch is 22 or more.
제1항에 있어서,
상기 석탄계 핏치의 베타 레진 값은 25 내지 40 범위인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
And the beta resin value of the coal-based pitch is in the range of 25 to 40. The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘-탄소 복합체는,
복수의 흑연 입자 및 상기 복수의 흑연 입자 사이에 매립된 복수의 나노 실리콘 입자를 포함하고,
상기 나노 실리콘의 함량은, 상기 다공성 실리콘-탄소 복합체 100중량%에 대해, 25 중량% 내지 40중량%인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The porous silicon-
A plurality of graphite particles and a plurality of nanosilicon particles embedded between the plurality of graphite particles,
Wherein the content of the nanosilicon is 25 wt% to 40 wt% with respect to 100 wt% of the porous silicon-carbon composite.
제1항에 있어서,
상기 수계 바인더는,
폴리아크릴 산 (polyacrylic acid, PAA), 아라비아 고무 (Gum Arabic), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 및 셀룰로오스(cellulose)계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
The method according to claim 1,
The water-
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, comprising at least one of polyacrylic acid (PAA), gum arabic, polyvinyl alcohol (PVA), and a cellulose compound.
양극;
음극; 및
전해질을 포함하고,
상기 음극은, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.
anode;
cathode; And
Comprising an electrolyte,
The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the negative electrode comprises the negative electrode active material for a lithium secondary battery.
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