KR20190142051A - Silicon-Graphene Composite powder and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘-그래핀 복합분말에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 나타내는 실리콘-그래핀 복합분말 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon-graphene composite powder, and more particularly, a silicon-graphene composite powder exhibiting an effect of suppressing volume expansion, improving conductivity, improving capacity retention, and reducing side reactions with an electrolyte. It relates to a manufacturing method thereof.
여러 응용 분야에서 배터리의 높은 에너지 밀도 그리고 안정적인 출력을 요구 하고 있다. 동시에 생산적인 면에서 저 가격 및 간단한 공정도 동시에 요구되고 있다. 이러한 요구에 맞춰 높은 출력을 보여주며, 가격이 저렴한 실리콘을 이용한 배터리 음극에 대한 개발 요구가 대두되고 있다.Many applications require high energy density and stable output of batteries. At the same time, low cost and simple processes are required in terms of productivity. In response to these demands, there is a demand for developing a battery cathode using low-cost silicon with high output.
실리콘 음극의 이론용량은 약 4,200 mAh/g에 이르며, 현재 세계적으로 상용화되어 널리 사용되고 있는 그래파이트(graphite)의 경우 약 372 mAh/g으로 실리콘 대비 약 11 배 정도 낮은 용량을 나타내고 있다. 그러나, 기존 실리콘을 이차전지에 사용하기 어려웠던 이유로 이차전지 충·방전 시 발생되는 리튬화(lithiation)와 탈리튬화(delithation) 과정에서 실리콘의 부피가 약 400%까지 팽창되어 기존에 가지던 구조가 파괴되어 안정적인 출력을 나타낼 수 없어 안정적인 이차전지용 음극으로서 사용하기 어려웠다.The theoretical capacity of the silicon cathode is about 4,200 mAh / g, and graphite is about 372 mAh / g, which is about 11 times lower than that of silicon. However, because the conventional silicon was difficult to use in the secondary battery, the volume of the silicon was expanded to about 400% during the lithiation and delithiation process generated during the charging and discharging of the secondary battery. It was hard to be used as a negative electrode for a stable secondary battery because it could not be broken and show a stable output.
이에 따라, 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 나타내는 복합분말에 대한 개발이 시급한 실정이다.Accordingly, there is an urgent need to develop a composite powder having the effect of suppressing volume expansion, improving conductivity, improving capacity retention, and reducing side reactions with the electrolyte.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 나타내는 실리콘-그래핀 복합분말 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, a silicon-graphene composite powder and a method for producing the same, which exhibits the effect of suppressing volume expansion, improving conductivity, improving capacity retention, and reducing side reactions with the electrolyte. The purpose is to provide.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 실리콘 및 그래핀을 포함하는 분무용액을 전기 분무시키는 단계; 및 전기 분무한 분무용액을 여과하고, 건조시켜서 실리콘-그래핀 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법을 제공한다.The present invention to solve the above problems, the step of electrospraying the spray solution containing silicon and graphene; It provides a method for producing a silicon-graphene composite powder comprising a; and filtering the electrosprayed spray solution, and drying to prepare a silicon-graphene composite.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분무용액은 실리콘 및 그래핀을 1 : 0.03 ~ 0.5의 중량비로 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the spray solution may include silicon and graphene in a weight ratio of 1: 0.03 to 0.5.
또한, 상기 실리콘은 평균입경이 0.5 ~ 4㎛일 수 있다.In addition, the silicon may have an average particle diameter of 0.5 ~ 4㎛.
또한, 상기 분무용액은 상기 실리콘 및 그래핀을 총 0.5 ~ 15중량%의 농도로 포함할 수 있다.In addition, the spray solution may include the silicon and graphene in a concentration of 0.5 to 15% by weight in total.
또한, 상기 실리콘-그래핀 복합체를 제조하는 단계 뒤에, 상기 실리콘-그래핀 복합체를 해쇄시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, after the step of preparing the silicon-graphene composite, the step of pulverizing the silicon-graphene composite; may further include a.
또한, 상기 전기분무는 전압 3 ~ 17kV 및 0.03 ~ 1 ㎖/min의 속도로 수행할 수 있다.In addition, the electrospray can be carried out at a voltage of 3 ~ 17kV and 0.03 ~ 1 ㎖ / min.
또한, 상기 분무용액 전체 중량 중, 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC), 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨염(Na-CMC), 폴리아크릴산(Poly acrylic acid, PAA), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 히드록시프로필셀룰로오스(Hydroxypropylene cellulose, HPC) 및 디아세틸셀룰로오스(diacetyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수계 바인더를 0.001 ~ 0.2 중량% 구비할 수 있다.In addition, the total weight of the spray solution, acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), styrene-butadiene rubber (styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (Carboxymethyl cellulose, CMC), carboxymethyl cellulose In the group consisting of sodium salt (Na-CMC), poly acrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA), hydroxypropyl cellulose (HPC) and diacetyl cellulose 0.001 to 0.2% by weight of the aqueous binder including one or more selected.
또한, 상기 분무용액은 비용제(non-solvent)에 전기분무 시킬 수 있다.In addition, the spray solution may be electrosprayed in a non-solvent.
또한, 상기 비용제는 아세톤, 이소프로필알코올, 벤젠, 톨루엔, 및 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the cost agent may include one or more selected from the group consisting of acetone, isopropyl alcohol, benzene, toluene, and NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone).
또한, 상기 건조는 50℃ ~ 120℃에서 1.5 ~ 4.5 시간 동안 수행할 수 있다.In addition, the drying may be performed at 50 ℃ to 120 ℃ for 1.5 to 4.5 hours.
한편, 본 발명은 코어(core) 및 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 형상을 가지며, 상기 코어는 실리콘을 포함하고, 상기 쉘은 그래핀을 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말을 제공한다.Meanwhile, the present invention has a core-shell shape including a core and a shell, wherein the core includes silicon, and the shell provides a silicon-graphene composite powder including graphene.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 탭밀도가 0.1 ~ 0.5 g/㎖일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the tap density may be 0.1 to 0.5 g / ml.
또한, 평균입경이 1 ~ 6㎛일 수 있다.In addition, the average particle diameter may be 1 ~ 6㎛.
한편, 본 발명은 상기 실리콘-그래핀 복합분말;을 구비하는 이차전지를 제공한다.On the other hand, the present invention provides a secondary battery having the silicon-graphene composite powder;
본 발명의 실리콘-그래핀 복합분말 및 이의 제조방법은 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 나타낼 수 있다.The silicon-graphene composite powder of the present invention and a method for producing the same may exhibit an effect of suppressing volume expansion, improving conductivity, improving capacity retention, and reducing side reactions with the electrolyte.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘-그래핀 복합분말을 제조하는 공정순서도,
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 실리콘-그래핀 복합분말을 제조하는 공정순서도, 그리고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘-그래핀 복합분말의 SEM 이미지로, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘-그래핀 복합분말을 3,000배율로 확대한 SEM 이미지이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘-그래핀 복합분말을 10,000배율로 확대한 SEM 이미지이다.1 is a process flowchart for preparing a silicon-graphene composite powder according to an embodiment of the present invention,
2 is a process flowchart of manufacturing a silicon-graphene composite powder according to another embodiment of the present invention, and
3 is an SEM image of a silicon-graphene composite powder according to an embodiment of the present invention, FIG. 3a is an SEM image of a silicon-graphene composite powder expanded at 3,000 magnification according to an embodiment of the present invention. 3b is an SEM image of the silicon-graphene composite powder at 10,000 magnification according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. The drawings and description are to be regarded as illustrative in nature and not restrictive. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
상술한 바와 같이 종래에는 실리콘을 이차전지에 사용하였으나, 이차전지 충방전 시 발생되는 리튬화(lithiation)와 탈리튬화(delithation) 과정에서 실리콘의 부피가 약 400%까지 팽창되어 기존에 가지던 구조가 파괴되어 안정적인 출력을 나타낼 수 없어 안정적인 이차전지용 음극으로서 사용하기 어려웠다.As described above, although silicon was conventionally used in a secondary battery, a structure in which the volume of silicon is expanded to about 400% in the lithiation and delithiation processes generated during the charging and discharging of the secondary battery has been previously included. It was difficult to use as a cathode for a rechargeable secondary battery because it could not show stable output because
이에, 본 발명은 후술하는 실리콘-그래핀 복합분말 및 이의 제조방법을 통해 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이에 따라, 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 모두 동시에 달성할 수 있다.Thus, the present invention sought to solve the above problems through the silicon-graphene composite powder to be described later and a method for producing the same. Accordingly, the effect of suppressing volume expansion, improving conductivity, improving capacity retention rate, and reducing side reactions with the electrolyte solution can be simultaneously achieved.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘-그래핀 복합분말은 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 및 그래핀을 포함하는 분무용액을 전기 분무시키는 단계(S1); 및 전기 분무한 분무용액을 여과하고, 건조시켜서 실리콘-그래핀 복합체를 제조하는 단계(S2);를 포함하는 제조방법을 통해 제조된다.Silicon-graphene composite powder according to an embodiment of the present invention comprises the steps of electrospraying the spray solution containing silicon and graphene as shown in Figure 1 (S1); And filtration and drying of the electrosprayed spray solution to prepare a silicon-graphene composite (S2).
먼저, 실리콘 및 그래핀을 포함하는 분무용액을 전기 분무시키는 단계(S1)에 대하여 설명한다.First, the step (S1) of electrospraying the spray solution containing silicon and graphene will be described.
상기 분무용액은 실리콘 및 그래핀을 1 : 0.03 ~ 0.5의 중량비로 포함할 수 있고, 바람직하게는 실리콘 및 그래핀을 1 : 0.05 ~ 0.35의 중량비로 포함할 수 있다. 만일 상기 실리콘(Si) 및 그래핀의 중량비가 1 : 0.03 미만이면 실리콘의 부피팽창을 억제할 수 없고, 전도성 향상이 미미하여 용량 유지율이 저하될 수 있으며, 실리콘 및 그래핀의 중량비가 1 : 0.5를 초과하면 전해액과의 부반응이 증가하고, 초기효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다.The spray solution may include silicon and graphene in a weight ratio of 1: 0.03 to 0.5, preferably silicon and graphene in a weight ratio of 1: 0.05 to 0.35. If the weight ratio of silicon (Si) and graphene is less than 1: 0.03, the volume expansion of silicon may not be suppressed, and the capacity retention may be lowered due to a slight increase in conductivity, and the weight ratio of silicon and graphene is 1: 0.5. If exceeded, there may be a problem in that the side reaction with the electrolyte increases and the initial efficiency decreases.
상기 실리콘은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 입경의 실리콘이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 평균입경이 0.5 ~ 4㎛인 실리콘을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 평균입경이 1 ~ 3.5㎛인 실리콘을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 평균입경이 2 ~ 3㎛인 실리콘을 사용할 수 있다. 만일 상기 실리콘의 평균입경이 0.5㎛ 미만이면 상대적으로 실리콘-그래핀 복합분말의 표면적이 증가함에 따라 전해액과의 부반응이 증가하고, 초기효율이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 상기 실리콘의 평균입경이 4㎛를 초과하면 실리콘의 부피팽창을 억제할 수 없고, 전도성 향상이 미미하여 용량 유지율이 저하될 수 있다.The silicon may be used without limitation as long as it is a silicon having a particle size commonly used in the art, preferably silicon having an average particle diameter of 0.5 to 4 μm, and more preferably having an average particle diameter of 1 to 3.5 μm. Silicon can be used, More preferably, silicon with an average particle diameter of 2-3 micrometers can be used. If the average particle diameter of the silicon is less than 0.5㎛ relatively side reaction with the electrolyte increases as the surface area of the silicon-graphene composite powder increases, there may be a problem that the initial efficiency is reduced, the average particle diameter of the silicon When it exceeds 4 µm, the volume expansion of the silicon cannot be suppressed, and the conductivity improvement is insignificant and the capacity retention rate can be lowered.
또한, 상기 그래핀은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 크기를 가지는 그래핀이라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 입자크기가 1㎛ 미만, 보다 바람직하게는 입자크기가 600㎚ 이하인 그래핀을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 입자크기가 500㎚ 이하인 그래핀을 사용할 수 있다. 만일 상기 그래핀의 입자크기가 1㎛ 이상이면 그래핀의 유연성이 저하됨에 따라, 코어를 랩핑(wrapping)하는 효과가 저하될 수 있다.In addition, the graphene may be used without limitation as long as the graphene having a size that can be commonly used in the art, preferably using a graphene having a particle size of less than 1 ㎛, more preferably 600 nm or less More preferably, graphene having a particle size of 500 nm or less may be used. If the particle size of the graphene is 1 μm or more, as the flexibility of the graphene is lowered, the effect of wrapping the core may be reduced.
상기 분무용액은 상기 실리콘 및 그래핀을 총 0.5 ~ 15 중량%의 농도로, 바람직하게는 상기 실리콘 및 그래핀을 총 1 ~ 10 중량%의 농도로 포함할 수 있다. 만일 상기 분무용액에 구비되는 실리콘 및 그래핀이 상기 농도 범위를 벗어날 경우 목적하는 수준의 효과를 발현하는 실리콘-그래핀 복합분말을 제조할 수 없는 문제가 있을 수 있다.The spray solution may contain the total concentration of 0.5 to 15% by weight of the silicon and graphene, preferably the total concentration of 1 to 10% by weight of the silicon and graphene. If the silicon and graphene provided in the spray solution is out of the concentration range there may be a problem that can not produce a silicon-graphene composite powder expressing the desired level of effect.
또한, 상기 분무용액은, 상기 분무용액 전체 중량 중, 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC), 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨염(Na-CMC), 폴리아크릴산(Poly acrylic acid, PAA), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 히드록시프로필셀룰로오스(Hydroxypropylene cellulose, HPC) 및 디아세틸셀룰로오스(diacetyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수계 바인더를 0.001 ~ 0.2 중량%, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1 중량%로 구비할 수 있다. 만일 상기 분무용액 전체 중량 중 수계 바인더의 함량이 상기 범위를 벗어나면 분무용액 내에서 실리콘 및 그래핀의 분산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.In addition, the spray solution, the total weight of the spray solution, acrylonitrile-butadiene rubber (acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), styrene-butadiene rubber (styrene-butadiene rubber, SBR), carboxymethyl cellulose (CMC) ), Carboxymethylcellulose sodium salt (Na-CMC), poly acrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA), hydroxypropyl cellulose (HPC) and diacetyl cellulose It may be provided with an aqueous binder containing at least one selected from the group consisting of 0.001 to 0.2% by weight, preferably 0.001 to 0.1% by weight. If the content of the aqueous binder in the total weight of the spray solution is out of the range may cause a problem that the dispersibility of silicon and graphene in the spray solution is lowered.
또한, 상기 전기 분무는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 조건이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 전압 3 ~ 17kV 및 0.03 ~ 1 ㎖/min의 속도로, 보다 바람직하게는 전압 5 ~ 15kV 및 0.05 ~ 0.5 ㎖/min의 속도로 수행할 수 있다. 만일 상기 전기 분무의 전압이 3kV 미만이면 전장에 의하여 형성된 액적의 크기가 커짐에 따라 실리콘-그래핀 복합분말의 평균입경이 과도하게 커지는 문제가 있을 수 있고, 전압이 19kV를 초과하면 과전압으로 인하여 불균일한 입자가 제조될 문제가 있을 수 있다. 또한, 분무속도가 0.03 ㎖/min미만이면, 주액되는 용액의 양이 충분하지 않아 균일한 액적 분무가 되지 않을 수 있고, 속도가 1 ㎖/min를 초과하면 분무되는 액적의 크기가 커짐에 따라 실리콘-그래핀 복합분말의 평균입경이 과도하게 커지는 문제가 있을 수 있다.In addition, the electrospray may be used without limitation, so long as it is a condition that can be commonly used in the art, preferably at a speed of voltage 3 ~ 17kV and 0.03 ~ 1 ml / min, more preferably voltage 5 ~ 15kV and 0.05 It may be carried out at a rate of ˜0.5 mL / min. If the voltage of the electrospray is less than 3kV, there may be a problem that the average particle diameter of the silicon-graphene composite powder becomes excessively large as the size of the droplets formed by the electric field increases, and if the voltage exceeds 19kV, it is uneven due to overvoltage. There may be a problem that one particle is to be produced. In addition, if the spraying speed is less than 0.03 ml / min, the amount of the solution to be injected is not enough to be uniform droplet spraying, and if the speed exceeds 1 ml / min, as the size of the sprayed droplets increases, the silicon -There may be a problem that the average particle diameter of graphene composite powder becomes excessively large.
그리고, 상기 분무용액은 접지콜렉터(grounded collector) 또는 액체콜렉터(liquid collector)에 전기분무 시킬 수 있고, 바람직하게는 액체콜렉터에 전기분무 시킬 수 있으며, 보다 바람직하게는 비용제를 구비하는 액체콜렉터에 전기분무 시키는 것이 코어-쉘 형상을 가지는 실리콘-그래핀 복합분말을 제조하는데 더욱 유리하다.The spray solution may be electrosprayed to a grounded collector or a liquid collector, preferably to an electrospray on the liquid collector, and more preferably to a liquid collector having a non-paying agent. Electrospray is more advantageous for producing a silicon-graphene composite powder having a core-shell shape.
이때, 상기 비용제는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 비용제라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아세톤, 이소프로필알코올, 벤젠, 톨루엔, 및 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 아세톤 및 이소프로필알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In this case, the cost agent may be used without limitation as long as it is a commonly used in the art, preferably a group consisting of acetone, isopropyl alcohol, benzene, toluene, and NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) It may include one or more selected from, more preferably may comprise one or more selected from the group consisting of acetone and isopropyl alcohol.
상기 분무용액을 비용제에 전기분무 시킴에 따라 코어-쉘 형상을 가지는 실리콘-그래핀 복합분말의 제조가 가능하고, 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 모두 동시에 발현할 수 있다.By spraying the spray solution on the non-consumer, it is possible to prepare a silicon-graphene composite powder having a core-shell shape, to prevent volume expansion, to improve conductivity, to improve capacity retention, and at the same time to react with the electrolyte. All of these deteriorating effects can be expressed simultaneously.
다음, 전기 분무한 분무용액을 여과하고, 건조시켜서 실리콘-그래핀 복합체를 제조하는 단계(S2);를 설명한다.Next, filtering the electrosprayed spray solution and drying to prepare a silicon-graphene composite (S2);
상기 여과는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 여과 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 감압여과, 가압여과 및 원심여과로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법을 통해 여과할 수 있고, 보다 바람직하게는 감압여과 또는 가압여과 방법을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 감압여과 방법으로 수행할 수 있다.The filtration may be used without limitation as long as it is a filtration method conventionally used in the art, and preferably may be filtered through any one method selected from the group consisting of reduced pressure filtration, pressure filtration, and centrifugal filtration, and more preferably. Decompression filtration or pressure filtration may be used, and more preferably, may be carried out by vacuum filtration.
또한, 상기 건조는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 건조 조건이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 50℃ ~ 120℃에서 1.5 ~ 4.5 시간 동안 수행할 수 있고, 보다 바람직하게는 60℃ ~ 100℃에서 2 ~ 4 시간 동안 수행할 수 있다. 만일 상기 건조 온도가 60℃ 미만이거나, 건조 시간이 2시간 미만이면 입자 제조시 사용한 비용제의 잔존으로 이차전지 부반응을 야기할 문제가 있을 수 있고, 건조 온도가 120℃를 초과하거나, 건조 시간이 4시간을 초과하면 실리콘의 산화반응이 발생할 가능성이 있고, 분무용액 제조 시 사용한 수계바인더의 분해 문제가 있을 수 있다.In addition, the drying may be used without limitation as long as it is a drying condition that can be commonly used in the art, preferably can be carried out at 50 ℃ to 120 ℃ for 1.5 to 4.5 hours, more preferably 60 ℃ to 100 ℃ In 2-4 hours. If the drying temperature is less than 60 ℃, or if the drying time is less than 2 hours, there may be a problem to cause secondary battery side reactions due to the remaining of the non-solvent used in the manufacture of the particles, the drying temperature exceeds 120 ℃, or drying time If it exceeds 4 hours, there is a possibility that the oxidation reaction of silicon may occur, and there may be a problem of decomposition of the aqueous binder used in preparing the spray solution.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘-그래핀 복합체를 제조하는 단계(S2) 뒤에, 상기 실리콘-그래핀 복합체를 해쇄시키는 단계(S3);를 더 포함할 수 있다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, the silicon-graphene composite powder manufacturing method of the present invention, as shown in Figure 2, after the step of preparing the silicon-graphene composite (S2), the silicon-graph Disintegrating the pin complex (S3); may further include.
상기 해쇄는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 해쇄방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 상기 실리콘-그래핀 복합체를 해쇄시킴에 따라서 실리콘-그래핀 복합분말을 제조할 수 있다.The disintegration may be used without limitation as long as it is a disintegration method commonly used in the art, and may be prepared as the silicon-graphene composite powder by disintegrating the silicon-graphene composite.
한편, 본 발명에 따른 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법에 따라 제조된 실리콘-그래핀 복합분말은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 코어(core) 및 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 형상을 가지며, 상기 코어는 실리콘을 포함하고, 상기 쉘은 그래핀을 포함한다.On the other hand, the silicon-graphene composite powder prepared according to the silicon-graphene composite powder manufacturing method according to the present invention, as shown in Figure 3a and 3b core (core) including a core (shell) and (shell)- It has a shell shape, the core includes silicon, and the shell includes graphene.
상기 코어가 실리콘을 포함하고, 쉘이 그래핀을 포함하는 코어-쉘 형상을 가짐에 따라 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 모두 동시에 발현할 수 있다.As the core includes silicon and the shell has a core-shell shape including graphene, volume expansion is suppressed, conductivity is improved, capacity retention is improved, and side reactions with electrolytes are simultaneously reduced. Can be expressed.
본 발명의 상기 실리콘-그래핀 복합분말은 탭밀도가 0.1 ~ 0.5g/㎖일 수 있고, 바람직하게는 탭밀도가 0.15 ~ 0.45g/㎖일 수 있다. 만일 상기 탭밀도가 0.1 g/㎖ 미만이면 전해액과의 부반응이 증가하는 문제가 있을 수 있고, 탭밀도가 0.5 g/㎖를 초과하면 실리콘의 부피팽창을 억제할 수 없고, 전도성 향상이 미미하여 용량 유지율이 저하되는 문제가 있을 수 있다.The silicon-graphene composite powder of the present invention may have a tap density of 0.1 to 0.5 g / ml, and preferably, a tap density of 0.15 to 0.45 g / ml. If the tap density is less than 0.1 g / ml, there may be a problem in that a side reaction with the electrolyte increases. If the tap density exceeds 0.5 g / ml, the volume expansion of the silicon cannot be suppressed and the conductivity improvement is insignificant. There may be a problem of this deterioration.
또한, 상기 실리콘-그래핀 복합분말은 평균입경이 1 ~ 6㎛, 바람직하게는 평균입경이 1.5 ~ 5㎛일 수 있다. 만일 상기 실리콘-그래핀 복합분말의 평균입경이 1㎛ 미만이면 상대적으로 실리콘-그래핀 복합분말의 표면적이 증가함에 따라 전해액과의 부반응이 증가하는 문제가 있을 수 있고, 평균입경이 6㎛를 초과하면 실리콘의 부피팽창을 억제할 수 없고, 전도성 향상이 미미하여 용량 유지율이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 한편, 실리콘-그래핀 복합분말의 평균입경이 상술한 실리콘의 입경보다 큰 평균입경을 갖도록 형성되는 것은 자명하다.In addition, the silicon-graphene composite powder may have an average particle diameter of 1 to 6 μm, preferably an average particle diameter of 1.5 to 5 μm. If the average particle diameter of the silicon-graphene composite powder is less than 1 μm, there may be a problem in that a side reaction with the electrolyte increases as the surface area of the silicon-graphene composite powder is relatively increased, and the average particle diameter exceeds 6 μm. If there is a problem that the volume expansion of the silicon can not be suppressed, the conductivity improvement is insignificant and the capacity retention rate may be lowered. On the other hand, it is obvious that the average particle diameter of the silicon-graphene composite powder is formed to have a larger average particle diameter than that of the silicon described above.
본 발명의 실리콘-그래핀 복합분말 및 이의 제조방법은 부피팽창이 억제되고, 전도성이 향상되어 용량 유지율이 향상되는 동시에 전해액과의 부반응이 저하되는 효과를 나타낼 수 있다.The silicon-graphene composite powder of the present invention and a method for producing the same may exhibit an effect of suppressing volume expansion, improving conductivity, improving capacity retention, and reducing side reactions with the electrolyte.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, the following examples are not intended to limit the scope of the present invention, which will be construed as to aid the understanding of the present invention.
<실시예 1><Example 1>
먼저, 분무용매인 물에 탭밀도 1.59g/㎖ 및 평균입경 2.5 ㎛의 실리콘과 탭밀도 0.016g/㎖ 및 입자크기가 300㎚이고, 두께가 1㎚인 그래핀을 총 5 중량%의 농도로 포함하는 분무용액을 제조하였다. 이때, 상기 실리콘과 그래핀의 중량비는 1 : 0.2였다. 그리고, 액체콜렉터에 비용제로 아세톤을 포함하는 전기분무 장치를 통해 전압 10 kV 및 0.3㎖/min의 속도로 전기분무를 수행하고, 감압 여과(Filter 1㎛이하)를 수행한 후 80℃에서 3시간 동안 건조를 수행하여 실리콘-그래핀 복합분말을 제조하였다. 그 후, 제조한 실리콘-그래핀 복합분말을 유발기를 이용하여 해쇄시켜서 실리콘-그래핀 복합분말을 제조하였다. 제조한 실리콘-그래핀 복합분말의 탭밀도는 0.18g/㎖ 및 평균입경은 4.5㎛ 였다.First, the spray solvent contains silicon having a tap density of 1.59 g / ml and an average particle diameter of 2.5 μm, graphene having a tap density of 0.016 g / ml and a particle size of 300 nm and a thickness of 1 nm in a total concentration of 5 wt%. A spray solution was prepared. At this time, the weight ratio of the silicon and graphene was 1: 0.2. Then, the electrospray was carried out at a rate of 10 kV and 0.3 ml / min through an electrospray apparatus containing acetone as a non-solvent in the liquid collector, followed by reduced pressure filtration (Filter 1 µm or less), followed by 3 hours at 80 ° C. Drying was carried out to prepare a silicon-graphene composite powder. Thereafter, the prepared silicon-graphene composite powder was pulverized using an inducer to prepare a silicon-graphene composite powder. The tap density of the prepared silicon-graphene composite powder was 0.18 g / ml and the average particle diameter was 4.5 µm.
<실시예 2 ~ 11 및 비교예 1 ~ 2><Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 2>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1 및 표 2와 같이 실리콘과 그래핀의 중량비, 실리콘의 평균입경, 액체콜렉터의 액체 종류, 전기분무 조건, 복합분말의 조성 및 제조방법 등을 변경하여 표 1 및 표 2와 같은 실리콘-그래핀 복합분말을 제조하였다.Prepared in the same manner as in Example 1, but the weight ratio of silicon and graphene, the average particle diameter of silicon, the liquid type of the liquid collector, the electrospray conditions, the composition and composition of the composite powder as shown in Table 1 and Table 2 By changing to prepare a silicon-graphene composite powder as shown in Table 1 and Table 2.
<실험예>Experimental Example
실시예 및 비교예에 따라 제조한 각각의 실리콘-그래핀 복합분말에 대하여, 제조된 복합입자와 상용 바인더, 도전제, 흑연음극재를 혼합하여 슬러리 제조하고 음극집전체에 어플리케이터(Applicator)로 도포하고, 건조 및 압착하여 전극을 제조하였다. 이때 사용된 바인더, 도전제 및 흑연음극재는 전극 전체 중량 대비 각각 3 중량%를 사용하였다. 제조된 전극으로 코인 하프 셀(coin half cell)을 제조한 후 하기의 물성을 평가하여 표 1 및 표 2에 나타내었다.For each silicon-graphene composite powder prepared according to Examples and Comparative Examples, a slurry was prepared by mixing the prepared composite particles, a commercial binder, a conductive agent, and a graphite cathode material, and applied to an anode current collector with an applicator. And dried and pressed to prepare an electrode. In this case, the binder, the conductive agent, and the graphite cathode material used were 3 wt% based on the total weight of the electrode. After preparing a coin half cell (coin half cell) with the prepared electrode was evaluated in the following physical properties are shown in Table 1 and Table 2.
1. 전지 용량 측정1. Battery capacity measurement
실시예 및 비교예에 따라 제조한 실리콘-그래핀 복합분말을 각각 포함하는 코인형 전지에 대하여 용량을 측정하기 위하여 0.1 C-rate의 일정한 전류를 흘려 1.0V까지 충전하여 충전 용량을 측정하였다.In order to measure the capacity of the coin-type battery including the silicon-graphene composite powder prepared according to Examples and Comparative Examples, the charging capacity was measured by charging a constant current of 0.1 C-rate to 1.0V.
2. 전지 용량 유지율 평가2. Battery capacity retention rate evaluation
상기 용량을 측정한 후 0.5C의 일정 정전류 시험 조건으로 1.0V까지 충전하고, 후 0.5C 정전류 시험 조건으로 5mV까지 방전한 후, 이를 50 사이클로 반복 실시하였다.After measuring the capacity, it was charged to 1.0V under constant constant current test conditions of 0.5C, and then discharged to 5mV under 0.5C constant current test conditions, and this was repeated in 50 cycles.
3. 부피변화 평가3. Volume change evaluation
상기 용량 유지율을 평가하기 위하여 50 사이클을 반복 수행하는 동안, 전기적 단락이 발생하지 않고, 초기 부피에 대한 부피 변화율이 50% 이하인 경우 - ○, 전기적 단락이 발생하거나, 부피 변화율이 150%를 초과하는 경우 - ×로 하여 부피변화를 평가하였다.If 50 cycles are repeatedly performed to evaluate the capacity retention rate, and no electrical short occurs and the volume change rate with respect to the initial volume is 50% or less-○, an electrical short occurs or the volume change rate exceeds 150% The volume change was evaluated as -x.
상기 부피 변화율은 50번째 사이클의 충전 상태에서 코인형 전지 각각을 분해하여 전극 두께를 측정한 후 첫번째 사이클 전의 전극 부피와 비교하였다.The volume change rate was compared with the electrode volume before the first cycle after measuring the electrode thickness by disassembling each coin-type battery in the state of charge of the 50th cycle.
4. 초기효율4. Initial Efficiency
0.1C의 일정 정전류 시험 조건으로 1.5V까지 충전하고, 후 0.1C 정전류 시험 조건으로 5mV까지 방전하였을 때, 첫 사이클의 '방전용량/충전용량'으로 초기효율을 측정하였다.When the battery was charged to 1.5 V under constant constant current test conditions of 0.1 C, and then discharged to 5 mV under 0.1 C constant current test conditions, the initial efficiency was measured by the 'discharge capacity / charge capacity' of the first cycle.
1Example
One
2Example
2
3Example
3
4Example
4
5Example
5
6Example
6
7Example
7
8Example
8
9Example
9
10Example
10
11Example
11
1Comparative example
One
2Comparative example
2
혼합2) simple
Mixed 2)
제조 불가particle
Cannot be manufactured
2) 상기 비교예 2는 전기분무가 아닌 단순 실리콘과 그래핀을 혼합하여 사용한 것임1) Comparative Example 1 is a battery manufactured using bare silicon
2) Comparative Example 2 is a mixture of simple silicon and graphene, not the electric spray
상기 표 1 및 표 2에서 알 수 있듯이,본 발명에 따른 실리콘과 그래핀의 중량비, 실리콘의 평균입경, 액체콜렉터의 액체 종류, 전기분무 조건, 복합분말의 조성 및 제조방법 등을 모두 만족하는 실시예 1, 3, 4, 7, 8 및 10이, 이 중에서 하나라도 누락된 실시예 2, 5, 6, 9, 11 및 비교예 1 ~ 2에 비하여 충전용량, 충전용량유지율 및 초기효율이 우수한 동시에, 부피팽창이 억제되는 효과를 모두 동시에 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from Table 1 and Table 2, the weight ratio of silicon and graphene according to the present invention, the average particle diameter of silicon, the type of liquid of the liquid collector, the electrospray conditions, the composition and the preparation method of the composite powder are all satisfied Examples 1, 3, 4, 7, 8, and 10 have better charge capacity, charge capacity retention rate, and initial efficiency than Examples 2, 5, 6, 9, 11, and Comparative Examples 1 to 2, in which any one of them is missing. At the same time, it can be seen that all of the effects in which volume expansion is suppressed can be achieved at the same time.
구체적으로, 본 발명에 따른 분무용액에 구비되는 실리콘과 그래핀의 중량비 범위를 만족하는 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 4가, 분무용액에 구비되는 실리콘과 그래핀의 중량비 범위 미만인 실시예 2에 비하여 충전용량 유지율이 현저히 높고, 부피변화를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 분무용액에 구비되는 실리콘과 그래핀의 중량비 범위를 초과하는 실시예 5에 비하여 충전용량 및 충전용량 유지율이 우수하고, 부반응이 방지되어 초기효율이 우수한 것을 확인할 수 있다.Specifically, Examples 1, 3 and 4 satisfying the weight ratio range of silicon and graphene provided in the spray solution according to the present invention is less than the weight ratio range of silicon and graphene provided in the spray solution Compared with 2, the charge capacity retention rate is significantly higher, and it can be seen that volume change can be prevented. In addition, compared to Example 5 exceeding the weight ratio range of silicon and graphene provided in the spray solution, the filling capacity and the filling capacity retention rate are excellent, and side reactions are prevented, and thus the initial efficiency is excellent.
또한, 본 발명에 따른 분무용액에 구비되는 실리콘의 평균입경 범위를 만족하는 실시예 1, 실시예 7 및 실시예 8이, 분무용액에 구비되는 실리콘의 평균입경 범위 미만인 실시예 6에 비하여 충전용량이 우수하고, 부반응이 방지되어 초기효율이 우수한 것을 확인할 수 있습니다. 그리고, 분무용액에 구비되는 실리콘의 평균입경 범위를 초과하는 실시예 9에 비하여 충전용량 유지율이 현저히 높고, 부피변화를 방지할 수 있는 것을 알 수 있습니다.In addition, Example 1, Example 7 and Example 8, which satisfy the average particle size range of the silicon provided in the spray solution according to the present invention, compared to Example 6, which is less than the average particle size range of silicon provided in the spray solution This is excellent, and side reactions are prevented, so it can be confirmed that the initial efficiency is excellent. In addition, compared to Example 9, which exceeds the average particle diameter range of the silicon provided in the spray solution, it can be seen that the charge capacity retention rate is significantly higher and volume change can be prevented.
또한, 본 발명에 따른 액체 콜렉터의 액체로 비용제를 사용한 실시예 1 및 실시예 10이, 액체 콜렉터의 액체로 용제를 사용한 실시예 11에 비하여 충전용량, 충전용량유지율 및 초기효율이 우수한 동시에, 부피팽창이 억제되는 효과를 모두 동시에 달성할 수 있으며, 실시예 11은 입자가 제조되지 않는 것을 확인할 수 있습니다.In addition, Example 1 and Example 10 using the non-solvent as the liquid of the liquid collector according to the present invention are superior to the Example 11 using the solvent as the liquid of the liquid collector, and at the same time, All effects of inhibiting volume expansion can be achieved simultaneously, and Example 11 confirms that no particles are produced.
또한, 본 발명에 따른 실리콘-그래핀 복합분말을 사용한 실시예 1이, 베어실리콘을 사용한 비교예 1에 비하여 충전용량 유지율이 월등히 높고, 부피변화를 방지할 수 있는 것을 알 수 있습니다.In addition, it can be seen that Example 1 using the silicon-graphene composite powder according to the present invention has a significantly higher charge capacity retention rate and prevents volume change compared to Comparative Example 1 using bare silicon.
그리고, 본 발명에 따른 전기분무 공정을 포함하는 제조방법으로 제조한 실리콘-그래핀 복합분말을 사용한 실시예 1이, 단순혼합을 통해 제조한 분말을 사용한 비교예 2에 비하여 충전용량 및 충전용량 유지율이 현저히 높고, 부피변화를 방지할 수 있는 것을 알 수 있습니다.In addition, Example 1 using the silicon-graphene composite powder prepared by the manufacturing method including the electrospray process according to the present invention, compared to Comparative Example 2 using a powder prepared by a simple mixing charge capacity and charge capacity retention rate It is noticeably high and can prevent volume change.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments set forth herein, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention, within the scope of the same idea, the addition of components Other embodiments may be easily proposed by changing, deleting, adding, and the like, but this will also fall within the spirit of the present invention.
Claims (14)
전기 분무한 분무용액을 여과하고, 건조시켜서 실리콘-그래핀 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.Electrospraying a spray solution containing silicon and graphene; And
Filtrating the electrosprayed spray solution, and drying to prepare a silicon-graphene composite; silicon-graphene composite powder manufacturing method comprising a.
상기 분무용액은 실리콘 및 그래핀을 1 : 0.03 ~ 0.5의 중량비로 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1,
The spray solution is a silicon-graphene composite powder manufacturing method comprising a silicon and graphene in a weight ratio of 1: 0.03 ~ 0.5.
상기 실리콘은 평균입경이 0.5 ~ 4㎛인 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1,
The silicon is a silicon-graphene composite powder manufacturing method having an average particle diameter of 0.5 ~ 4㎛.
상기 분무용액은 상기 실리콘 및 그래핀을 총 0.5 ~ 15중량%의 농도로 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1,
The spray solution is a silicon-graphene composite powder manufacturing method comprising the silicon and graphene in a concentration of 0.5 to 15% by weight in total.
상기 실리콘-그래핀 복합체를 해쇄시키는 단계;를 더 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.According to claim 1, After the step of preparing the silicon-graphene composite,
Disintegrating the silicon-graphene composite; Silicon-graphene composite powder manufacturing method further comprising.
상기 전기 분무는 전압 3 ~ 17kV 및 0.03 ~ 1 ㎖/min의 속도로 수행하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1,
The electrospray is a method for producing a silicon-graphene composite powder at a voltage of 3 ~ 17kV and 0.03 ~ 1 ml / min.
상기 분무용액 전체 중량 중, 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC), 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨염(Na-CMC), 폴리아크릴산(Poly acrylic acid, PAA), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 히드록시프로필셀룰로오스(Hydroxypropylene cellulose, HPC) 및 디아세틸셀룰로오스(diacetyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수계 바인더를 0.001 ~ 0.2 중량% 구비하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1, wherein the spray solution,
Acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), styrene-butadiene rubber (SBR), Carboxymethyl cellulose (CMC), and carboxymethyl cellulose sodium salt in the total weight of the spray solution (Na-CMC), poly acrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (polyvinyl alcohol, PVA), hydroxypropyl cellulose (Hydroxypropylene cellulose, HPC) and diacetyl cellulose (diacetyl cellulose) selected from the group consisting of Method for producing a silicon-graphene composite powder comprising a 0.001 to 0.2% by weight of an aqueous binder containing more than one species.
상기 분무용액은 비용제(non-solvent)에 전기분무 시키는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1,
The spray solution is a silicon-graphene composite powder manufacturing method by electrospraying in a non-solvent (non-solvent).
상기 비용제는 아세톤, 이소프로필알코올, 벤젠, 톨루엔, 및 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 8,
Said cost agent is acetone, isopropyl alcohol, benzene, toluene, and NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) N- (Methyl-2-pyrrolidone) A silicon-graphene composite powder manufacturing method comprising at least one selected from the group consisting of.
상기 건조는 50℃ ~ 120℃에서 1.5 ~ 4.5 시간 동안 수행하는 실리콘-그래핀 복합분말 제조방법.The method of claim 1,
The drying is a method for producing a silicon-graphene composite powder carried out at 50 ℃ to 120 ℃ for 1.5 to 4.5 hours.
상기 코어는 실리콘을 포함하고, 상기 쉘은 그래핀을 포함하는 실리콘-그래핀 복합분말.It has a core-shell shape including a core and a shell,
The core comprises silicon, the shell comprises a graphene silicon-graphene composite powder.
탭밀도가 0.1 ~ 0.5 g/㎖인 실리콘-그래핀 복합분말.The method of claim 11,
Silicon-graphene composite powder having a tap density of 0.1 to 0.5 g / ml.
평균입경이 1 ~ 6㎛인 실리콘-그래핀 복합분말.The method of claim 11,
Silicon-graphene composite powder with an average particle diameter of 1 ~ 6㎛.
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